第 6 章 鋼之表面硬化處理 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 6-2 滲碳硬化法 6-3 氮化法 6-4 鍍層硬化法

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1 第 6 章 鋼之表面硬化處理 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 6-2 滲碳硬化法 6-3 氮化法 6-4 鍍層硬化法
6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 6-2 滲碳硬化法 6-3 氮化法 6-4 鍍層硬化法 6-5 其他表面硬化法 總目錄

2 火焰加熱及感應電熱硬化法 　　機械零件中如軸、齒輪、導螺桿及床軌等，心部需強韌耐衝擊且接觸面又要耐磨耗者，需實施表面硬化處理（Surface Hardening Treatment），表6-1為各種表面硬化法的介紹。 節目錄

3 《表6-1 各種表面硬化法》 表面硬化分類 操作技術 硬化方法種類 表層硬化 物理表面硬化法 利用加熱及淬火方式改變材料表面組織。
《表6-1　各種表面硬化法》 表面硬化分類 操作技術 硬化方法種類 表層硬化 物理表面硬化法 利用加熱及淬火方式改變材料表面組織。 火焰加熱硬化法、感應電熱（高週波）硬化法、雷射表面硬化法、電子束表面硬化法、電解淬火硬化法 化學表面硬化法 利用高溫原子擴散滲入材料表層，使其表層化學成分改變而產生硬化。 滲碳法、氮化法、滲碳氮化法、硼化法、金屬滲透法 表面披覆 金屬披覆 利用金屬熔融、半熔融或電鍍方式附著材料表面。 硬面法、熔射法、鍍層法 非金屬披覆 陶瓷、瓷金等覆層。 電漿披覆 蒸著成長披覆 利用氣體化學反應或真空中物理式金屬或化合物蒸著。 化學氣相沉積（CVD）法 物理氣相沉積（PVD）法 加工硬化 機械加工 利用機械加工方式進行。 珠擊法、滾軋法 上一頁 節目錄

4 一、火焰加熱硬化法 《圖 火焰加熱表面硬化處理示意圖》 上一頁 節目錄

5 一、火焰加熱硬化法 《圖 火焰加熱表面硬化處理示意圖》 上一頁 節目錄

6 1. 使用氧乙炔、丙烷、丁烷、天然氣或瓦斯等火焰加熱鋼料表面層。
1. 使用氧乙炔、丙烷、丁烷、天然氣或瓦斯等火焰加熱鋼料表面層。 2. 適用0.3～0.6％ C 的碳鋼、低合金鋼（含鉻、 鉬）、特殊鑄鐵或鑄鋼。 3. 硬化層依被加熱生成沃斯田體組織之深度而定。 加熱久、移動慢，其硬化層愈深。 4. 優點：為最早使用的物理表面硬化法，作業簡 單、價廉，被加熱物件大小、重量不受限制， 可局部淬火等。 5. 缺點：對稱性、大型或形狀特殊之物件，硬度 無法均勻。 上一頁 節目錄

7 《圖6-2 感應電熱加熱原理及淬火方式示意圖》
二、感應電熱硬化法 　　以高週波感應電流加熱金屬表面，隨即淬火硬化的方法，如圖6-2所示。 《圖 感應電熱加熱原理及淬火方式示意圖》 圖片來源： 86c7b7a b28471ab05e0aa_7tf8Wp.jpg 上一頁 節目錄

8 1. 感應線圈產生渦流及磁滯損失，可使鋼材表面 快速加熱升溫。 2. 頻率愈高者，感應電流愈密集於鋼件表面，稱 為集膚效應。
1. 感應線圈產生渦流及磁滯損失，可使鋼材表面 快速加熱升溫。 2. 頻率愈高者，感應電流愈密集於鋼件表面，稱 為集膚效應。 3. 小型、薄工件使用高週波感應加熱。 4. 大型、硬化層深者，使用較低週波感應加熱。 5. 適用0.35％ C 以上的碳鋼。 上一頁 節目錄

9 (1) 控溫容易，加熱均勻，可一貫作業，效率高，操作費用低。 (2) 加熱時間短，脫碳及氧化現象減少。
6. 優點： (1) 控溫容易，加熱均勻，可一貫作業，效率高，操作費用低。 (2) 加熱時間短，脫碳及氧化現象減少。 (3) 可使表面晶粒微細化，硬化層較均勻。 (4) 可局部硬化，變形量少。 7. 缺點： (1) 因加熱時間太短，碳化物無法充分溶入沃斯田體。 (2) 設備及維修費用昂貴，維修需專業人員。 上一頁 節目錄

10 6-2 滲碳硬化法 1. 利用擴散原理將低碳鋼（＜ 0.2％ C）表面滲入碳，再施以熱處理使其表面硬化。
滲碳硬化法 1. 利用擴散原理將低碳鋼（＜ 0.2％ C）表面滲入碳，再施以熱處理使其表面硬化。 2. 不需滲碳部分之表面可先鍍銅隔離。 3. 方法：可分為固體滲碳法、液體滲碳法及氣體 滲碳法三種。 節目錄

11 一、固體滲碳法 1. 木炭粉末70％ 與促進劑30％（碳酸鋇、碳酸鈉）與鋼件一起裝入滲碳箱內，密閉加熱至沃斯田體狀態（900～950℃）。過程中碳會擴散滲入鋼件表面。化學反應式如下： 2CO ＋ 3（γ-Fe）→ Fe3C ＋ CO2 CO2 ＋ C → 2CO 2CO → CO2 ＋（C） 2. 加熱時間愈長，滲碳深度愈深。 3. 滲碳後仍需再經淬火處理。 上一頁 節目錄

12 二、液體滲碳法 1. 將（中、小型）鋼材浸於氰化鈉之熔融鹽槽中， 使碳、氮擴散滲入鋼表面。
1. 將（中、小型）鋼材浸於氰化鈉之熔融鹽槽中， 使碳、氮擴散滲入鋼表面。 2. 滲碳與氮同時進行，故又稱為滲碳氮化法，也 稱氰化法或鹽浴法。 3. 硬化層極薄（約0.3～0.8mm），故內部應力 較小，耐磨性佳，表面較光滑。 4. 滲碳氮化後淬火於水或油中。 5. 處理過程產生有毒蒸氣汙染環境是其缺點。 上一頁 節目錄

13 三、氣體滲碳法 1. 將鋼材置入裝有天然氣、煤氣等滲碳劑的滲碳爐內加熱，使碳擴散滲入鋼材表面。其化學反應為： （γ-Fe）+ CH4 → Fe3C + 2H2 2CO CO2 +（C）同時CH4 → 2H2 +（C） 2CO + H2 → H2O +（C） 2. 滲碳層約為0.1～0.7mm，滲碳均勻、品質穩 定，但滲碳層薄，較適合小型工件。 上一頁 節目錄

14 四、滲碳後熱處理 1. 滲碳鋼的表面為高碳鋼，心部為低碳鋼，因此 淬火需分二次進行。
1. 滲碳鋼的表面為高碳鋼，心部為低碳鋼，因此 淬火需分二次進行。 2. 一次淬火將心部組織微細化，再以二次淬火將 滲碳層硬化，而後以回火處理使硬化層的組織 安定。 3. 為防止降低硬度，可先高溫滲碳後移至低溫再 行淬火，視需要再實施深冷處理。 上一頁 節目錄

15 五、滲碳應注意事項 1. 鋼料滲碳其表面要清潔乾淨處理（除鏽、脫油 脂等）。 2. 鋼件排列平行於氣體流通方向，不要置於太靠 箱邊。
1. 鋼料滲碳其表面要清潔乾淨處理（除鏽、脫油 脂等）。 2. 鋼件排列平行於氣體流通方向，不要置於太靠 箱邊。 3. 鋼件間隔宜有25mm之間隔，以利滲碳劑混合 均勻。 4. 滲碳溫度上下波動不宜太大。 5. 避免硫、磷等不純物滲入，液體滲碳劑應均勻 攪拌，避免氧化物滲入。 上一頁 節目錄

16 6-3 氮化法 1. 氮化用鋼：含Al、Cr、Mo等元素的合金鋼才 能施以氮化法。
氮化法 1. 氮化用鋼：含Al、Cr、Mo等元素的合金鋼才 能施以氮化法。 2. 工件先經過所需相關熱處理後，置於氮化爐中 通入氨氣（NH3）加熱使氮擴散滲入表層形成 金屬氮化物。 3. 處理溫度低、變形量小，氮化層硬度比滲碳層 高50％，耐磨性及耐蝕性優異。 4. 方法：氣體氮化法、液體氮化法、軟氮法及離 子氮化法。 節目錄

17 一、氣體氮化 1. 將氮化用鋼製作的工作置於氨氣爐中長時間加 熱（500～600℃），其化學反應為： NH3 → N ＋ 3H Fe ＋ N → Fe（N） 2. 氨氣於高溫時會分解N及H，在鋼料表面生成 堅硬的氮化層。 3. 氮化層深度、硬度與加熱溫度、時間相關。 上一頁 節目錄

18 二、液體氮化 三、軟氮法 以熔融的氰化鹽類NaCN代替氨氣，鹽類中的N會與鋼表面形成一氮化層。 1. 所得硬度較氣體氮化軟，故稱軟氮法。
1. 所得硬度較氣體氮化軟，故稱軟氮法。 2. 以氰化物KCNO為主劑，在熔融鹽中吹入乾燥 空氣，將氮化鹽分解出CN與CNO，使氮擴散 進入鋼材表面。 3. 處理時間只需90～120分鐘，是快速的氮化法。 上一頁 節目錄

19 四、離子氮化 1. 在N2及NH3爐氣中產生電漿而氮化鋼材表面。
2. 處理時間短，材料變形小，硬化層品質均勻， 適用於一般鋼鐵或非金屬的氮化處理，如圖6- 3所示。 上一頁 節目錄

20 《圖 離子氮化裝置示意圖》 上一頁 節目錄

21 6-4 鍍層硬化法 一、鍍層硬化法 將金屬表面電鍍一層金屬薄膜的方法，如鍍鉻、鍍鎳、鍍鋁等方式，如圖6-4。
鍍層硬化法 一、鍍層硬化法 　　將金屬表面電鍍一層金屬薄膜的方法，如鍍鉻、鍍鎳、鍍鋁等方式，如圖6-4。 《圖 鍍層硬化處理示意圖》 節目錄

22 二、金屬滲透表面硬化法 1. 鍍鉻層硬度高，耐磨、耐蝕、光度佳、美觀。 2. 適用於工具、模具、量具及量規。
1. 鍍鉻層硬度高，耐磨、耐蝕、光度佳、美觀。 2. 適用於工具、模具、量具及量規。 3. 缺點：鍍鉻前表面需經陽極處理及酸洗才能增 加其效果、成本高、疲勞強度降低等。 二、金屬滲透表面硬化法 1. 化學表面硬化法的一種。 2. 使金屬元素、合金或金屬間化合物等滲透擴散 於工件表面，形成耐磨耗、耐蝕、耐熱之硬質 合金層。 3. 常用方法：滲鉻、滲矽、滲鋁、滲硼。 上一頁 節目錄

23 1. 粉末滲透法：將鋼材埋入金屬粉末和氧化鋁粉 末之混合物中加熱。
金屬滲透表面硬化法有四種方式： 1. 粉末滲透法：將鋼材埋入金屬粉末和氧化鋁粉 末之混合物中加熱。 2. 氣體滲透法：將鋼材置於含有滲透金屬鹵化物 的氫氣或氮氣中加熱，鋼材表面發生滲透反應。 3. 熔融滲透法：將鋼材浸入摻有金屬或金屬間化 合物的金屬浴或鹽浴中進行滲透。 4. 真空滲透法：使滲透金屬藉由真空蒸鍍方式而 滲入表面。 上一頁 節目錄

24 其他表面硬化法 一、硬面法 1. 將硬質合金如高碳鋼、高碳鉻鋼、鎳鉻鋼、高 錳鋼、鈷鉻鎢合金鋼等，銲於鋼件表面，增加 抵抗磨耗程度，如挖土機零件、軋延輥子等。 2. 這種硬面法大多採用被護金屬電弧銲、惰性氣 體電弧銲、潛弧銲及氣體銲接等方式。 節目錄

25 二、金屬熔射法 1. 將硬質材料粉末融化噴布於鋼件表面。 2. 方法有火焰熔射、電弧熔射及電漿熔射，如圖 6-5所示。
1. 將硬質材料粉末融化噴布於鋼件表面。 2. 方法有火焰熔射、電弧熔射及電漿熔射，如圖 6-5所示。 《圖 火焰熔射及電弧熔射法示意圖》 上一頁 節目錄

26 《圖 火焰熔射及電弧熔射法示意圖》 上一頁 節目錄

27 三、化學氣相沉積（CVD）法 1. 將反應源以氣體方式通入反應室中，工件表面 會形成一硬化層。
1. 將反應源以氣體方式通入反應室中，工件表面 會形成一硬化層。 2. 常用於切削工具，如鑽頭、銑刀及車刀，可耐 磨耗及增加使用壽命，如圖6-6所示。 《圖 化學氣相沉積法》 上一頁 節目錄

28 四、物理氣相沉積（PVD）法 將硬質材料置於反應室中，使其氣化或離子化而沉積於工件表面。加工溫度較低、變形量小，如圖6-7所示。
　　將硬質材料置於反應室中，使其氣化或離子化而沉積於工件表面。加工溫度較低、變形量小，如圖6-7所示。 《圖 物理氣相沉積法》 上一頁 節目錄

29 五、珠擊法 以小鋼珠連續噴射材料，使表面產生加工硬化之效果，惟珠擊法主要目的在增加材料的抗疲勞強度，常用於彈簧、引擎曲軸、齒輪及連桿等。
　　以小鋼珠連續噴射材料，使表面產生加工硬化之效果，惟珠擊法主要目的在增加材料的抗疲勞強度，常用於彈簧、引擎曲軸、齒輪及連桿等。 上一頁 節目錄