1、材料表面處理認識與選應用,ICS 自動化: 董桃元,表面處理定義 & 目的 & 分類 金屬材料熱處理基本介紹深冷處理認識超深冷理認識深冷處理應用,內容綱要,第一章表面處理定義&目的&分類,所有改變材料表面之物理,機械及化學性質之加工技術統稱為表面處理 (surface treatment) 或稱為表面加工(surface finishing). 它使材料更耐腐蝕 ,更耐磨耗,更耐熱,它使材料之壽 命延長. 表面處理能改善材料表面之特性,光澤美觀等提高產品之附加價值,表 面 處 理 定 義,表 面 處 理 目 的,表面處理的目的可以分四大類: 美觀(appearance). 防護(protect
2、ion) 特殊表面性質(special surface properties) 機械或工程性質(mechanical or engineering properties),表 面 處 理 目 的,美觀(appearance) 為了提高製品之附加價值,賦予製品表面美觀,例如裝飾性電鍍(decorative plating) Au, Ag, Rh, Ni, Cr,黃銅等電鍍 (electroplating).,防護(protection) 為了延長製品的壽命,再製品表面披覆(coating)耐腐蝕之材料,例如保護性電鍍(protective plating) Zn,Cd,Ni,Cr,Sn 等電鍍.
3、,表 面 處 理 目 的,特殊表面性質(special surface properties) 1.提高製品之導電性(electrical conductiuity),例如電鍍Ag,Cu.2.提高焊接性(soderability)在通訊急電子工業應用,例如Sn-Pb合金電鍍; 3. 提高光線之反射性(light reflectivity ) 例如太空船,人造衛星的 外殼需反射光線,Ag及Rh的鍍層被應用上; 4. 減小接觸阻抗(contact resistance)例如在電子組件之Au及Pd電鍍.,表 面 處 理 目 的,機械或工程性質(mechanical or engineering pr
4、operties ) 1. 提高製品之強度(strenth),例如塑膠電鍍. 2.提高製品之潤滑性 ( bearing propertries ) 例如多孔洛電鍍 (porous chromium plating), 內燃機之鋁合金活塞 (piston) ,鍍 錫Sn以 防止汽缸 (cylinder)壁刮傷. 3.增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ,例如硬洛電鍍( hard chromium plating). 4.提高製品之耐熱性,耐候性,抗幅射線,例如塑膠,非金屬之電鍍. 5.滲碳(carburizing) ,氮化(nitriding) 之防止,例如鋼
5、鐵表面硬化 (case hardening)時在不要硬化部份鍍Cu.,從提高表面層硬度來說,零件的机械加工也是一種表面處理.此外,淬火也是一種最古老,最常用的為改善黑色金屬耐磨性而采用的表面處理方法. 根据處理時需要的溫度分為高溫處理和低溫處理.,表 面 處 理 分 類,高溫處理:在轉變溫度(約720攝氏度),大多數鐵和鋼能吸收許多化學元素并在內部擴散,從而改變了零件表面的化學結構,構成新的合金;滲透的深度是基体材料,滲入元素,時間和溫度的函數.屬于這種處理的有:滲碳,碳氮共滲,滲硼等; 低溫處理:低溫處理的溫度約在370540攝氏度之間,適用低溫處理的基体材料比能用高溫處理的多,因此,這種處
6、理能形成多種心部特性.屬于這種處理的有:滲碳,低溫碳氮共滲,鹽池滲氮,滲硫,等離子滲氮,氰化等.,表 面 處 理 分 類,根据表面處理的特性可分為:,機械法 : 珠擊法,切削,搪磨,撒砂,精磨,研磨,超加工. 冶金法 : 表面硬化,(淬火,滲碳,氮化),擴散皮膜法 化學法 : 電解研磨,酸洗,化學研磨,酸蝕雕刻.,表面披覆: 電鍍,無電鍍,熱浸鍍,熔射鍍,真空蒸著,陰極噴濺無機披覆: 陽極處理,化成處理,著色,琺瑯處理. 有機披覆: 塗裝,橡膠加襯,塑膠加襯.,根据表面處理技朮種類可分為:,表 面 覆 蓋 層 和 處 理 方 法,表面處理方法和覆蓋層基本上可歸納為三類: a.軟覆蓋層(或固体潤
7、滑膜):這類覆蓋層提供防止兩基体材料粘附的保護膜,因為覆蓋層剪切強度低而獲得低的摩擦系數.覆蓋層易流動,使接觸面積分布更均勻,提高了承載能力和耐熱性. b.表面處理:通過表面處理提高表面層硬度,或在表面層形成耐磨的合金或化合物. c.硬的表面置換覆蓋層:不改變原有表面性質,但用另一表面取代原有表面.,第二章金屬材料熱處理基礎介紹,熱處理基本概念,鋼的熱處理就是將鋼在固態下施以不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織結構，獲得所需性能的一種加工工藝。在大多數熱處理工藝中，鋼加熱的目的主要是獲得奧氏體組織，因此習慣上把鋼從室溫組織加熱到奧氏體狀態的過程稱為鋼的奧氏體化。其最基本的類型根據加熱和冷卻
8、方法不同，可分為退火、正火、淬火、回火等四種。,淬火概念及目的,淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1點以上某一溫度，保持 一定時間，然後以適當速度冷卻獲得馬氏體和(或)貝氏體組織的熱處理工藝。 淬火目的:淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體(或貝氏體)轉變，得到馬氏體（或貝氏體）組織，然後配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學性能。,回火就是鋼件淬硬后，再加熱到低於Ac1點以下某一溫度，保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理工藝。(1).回火目的：A.合理地調整力學性能，使工件滿足使用要求；B.穩定組織，使工件在使用過程中不發生組織轉變，從而保證工件的尺寸、形狀不變；C.降低或消除淬火內應力，以 減少工
9、件的變形並防止開裂。,回火概念及目的,金屬結構:面心/體心/密排六方;結構相: 多元素相互作用;固溶體間隙/置換;化合物-固定的比例混合Fe3C ; 機械混合物: 珠光體;,材料的強化方式相強化(固溶強化、沉澱強化), 固溶強化:合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時，合金的強度及硬度一般會得到提高，基體塑性則不降低，少量多元; 沉淀強化:過飽和固溶體分 解析出彌散相， 並引起合金強化;, 冷變形強化:金屬材料在再結晶溫度以下的變形，會引起強度升高，而塑性降低。,基體相晶粒細化及過剩相晶粒細化，晶粒越細， 單位體積內的晶界面積越大，對位錯運動的阻力越大，因而強度及塑韌性越高。主要手段有:變質處理
10、 變形及再結晶;壓 鑄 加難熔質點作為非自發晶核等;, 細晶強化.,鋁的陽極處理是鋁金屬表面藉由電流的作用形成一層氧化物膜,堅硬耐磨,抗蝕性極高,色澤優美.鋁合金本身易於加工,強度高,用途很廣,磥瑣T陽處理產品為鋁門窗,傢俱,照相機及儀表外殼另件.鋁材製造極其加工業也日益擴展,鋁陽處理有相當市場潛力. 陽極處理之發展例如硬質陽極處理(hard anodizing),在低溫電流亦有用交直流並用之陽極處理.這種硬化之陽極處理的鋁材可用於活塞,汽缸,汽缸內襯,油壓機及渦輪之另件,汽閥,齒輪,槍械另件,離合器,煞車圓片,(brake disk),機器另見及工具等.浴溫,電流密度, 溶液成份需自動控制才
11、能嚴格管制成品之品質以達客戶要求.,ALUMINIUM ANODIZING陽極處理,表面硬化(淬火,滲碳,氮化),固體滲碳法：,加熱爐，加熱成沃斯田鐵狀態，使碳從鋼表面侵入而擴散，處理一定時間後，連同滲碳箱冷卻，只將表面滲碳鋼作成的工件，連同滲碳劑裝入滲碳箱而密閉，裝入取出滲碳處理工件，進行一次淬火、二次淬火、施行回火。 此固體滲碳在滲碳法中歷史最老，不適於連續處理大量工件，作業環境不良，已有衰退傾向，不過爐及其他設備也較簡單，多種少量的處理也較方便，不至於完全絕跡。 固體滲碳的滲碳機構以氣體滲碳為基礎，亦即箱內的固體滲碳劑與箱內空氣中的氧反應，成為二氧化碳（CO2），CO2再與碳反應，生成一
12、氧化碳（CO）。,表面硬化(淬火,滲碳,氮化),氣體滲碳法：,氣體滲碳，由於適合大量生產化，作業可以簡化，品質管制容易算特點，目前最普遍被採用。此法有變成氣體（或稱發生氣體）及滴注式之兩種。,變成氣體方式之方法是將碳化氣體（C4H10，C3H8，CH4等）和空氣相混合後送入變成爐（Gas generator），在爐內10001100之高溫下，使碳化氫和空氣反應而生成所謂變成氣體（Converted Gas），由變成爐所生成的氣體有各種稱呼，本文方便上叫做變成氣體。變成氣體以CO、H2、N2，為主成份，內含微量CO2、H2O、CH4，然後將此氣體送進無外氣洩入的加熱爐內施行滲碳。滲碳時，因所需的
13、滲碳濃度不同，在變成氣體內添加適當量的C4H10、C3H8、CH4等以便調滲碳濃度。,氣體滲碳氮化法：,氣體滲碳氮化時，滲碳和滲氮作用同時行。氣體滲碳用的氣體滲碳用的氣體用來產生滲碳作用，而N H3氣體用產生滲氮作用。氣體滲碳氮化溫度為704900，其處理時間比氣體滲碳法短，得較薄的硬化層，所得滲碳氮化結果類似於液體滲碳氮化所得者。處理層的硬化能，比由滲碳所得的滲碳層好，所以把滲碳氮化和淬火適當配合時，碳鋼或低合金鋼也可以得到十分安定的高硬度硬化層。由此法所得的硬化層深度為0.070.75。淬火時可採用油淬火，有時可實施氣體淬火來防止淬火變形而仍能得到高的表面硬度。滲碳氮化所使用的鋼由以低碳構
14、造用鋼和低合金構造用鋼為主，其主要目的是改善耐磨性。假如同時要滿足耐荷重性和耐磨性，首先滲碳1.51.8，其次實施滲碳氮化，然後加以油淬火。氣體滲碳氮化層因為含有N，其回火軟化抵抗性大，所以回火溫度要比氣體滲碳淬火者高。通常回火於190210時，表面硬度為HRC58以上,表面硬化(淬火,滲碳,氮化),各種材料適用的表面處理方法,表面處理的一般原則(鋼鐵),第三章深冷處理認識,熱處理附予金屬材料生命，但傳統熱處理加工后，其沃氏田鐵不能完全轉變成馬氏田鐵(或)貝氏體組織，對模具尺寸穩定性、耐磨耗性能等均有影響，如今熱處理除淬火、回火外，尚包括金屬過冷處理(Deep Cryogenic Treatm
15、ent),傳統熱處理殘留無法克服的問題 一. 殘留沃斯田鐵(AUSTENTITE10%20%)。 二. 殘留內應力。 三. 材質組織，材料尺寸不安定。 四. 組織晶粒粗大、硬度不平均。 五. 材料表面氧化、脫碳。 六. 材料表面碳顆粒固溶過飽和。 七. 加工困難。,殘留沃斯田鐵對模具的影響 一. 受外力、環境溫度的改變、應力釋放時造成 組織變態，產生初生型的麻田散鐵，讓模具的 耐衝擊性惡化。 二. 沃斯田鐵與麻田散鐵容積比不一樣，造成材料作不規則膨脹，尺寸精度喪失。 三. 降低材料的耐磨耗能力。 四. 產生研磨龜裂的情形。 五. 加工精度到達困難。,內應力的產生與影響 一. 內應力的產生計有因
16、熱處理急遽加熱淬火急 速冷卻產生的熱應力、變態麻田散鐵引起的 變態應力、外力殘留新的應力。 二. 殘留應力與材料的疲勞強度成反比、也是讓 材 料產生磨耗的主要原因之一。 三. 殘留應力讓材料整體機械性質下降。 四. 殘留應力使工件變形。 五. 加工工件尺寸不易到達。,材料表面脫碳、固溶過飽和的影響 一. 因熱處理或其他因素所造成材料表面脫碳、碳 顆粒固溶過飽，雖然經熱處理形成麻田散鐵基 地硬度約HV700，但賦予材料耐磨耗的是雪明 碳鐵與碳化物顆粒硬度約HV2600。 二. 脫碳與固溶過飽和讓材料表面又硬、又脆，就 是不耐磨耗。 三. 對模具壽命影響甚遠。,深冷處理就是鋼件淬火或回火后冷卻至室
17、溫后，繼續在以下的介質中冷卻的熱處理工藝，也稱為冷處理，是淬火過程的繼續。,何為深冷處理?,深冷處理可分為兩大類：.普通深冷處理 (Sub-Zero)2 .超深冷處理 (DEEP cryogenics)普通深冷處理與超深冷處區別在於溫度和時間，普通深冷處理溫度-73-120，時間一般為12h ;,深冷處理目的是為了最大限度的減少殘余奧氏體(常溫下不穩定組織，容易引起尺吋變寸等)，以進一步提高工件淬火后的硬度和防止在使用過程中因殘余奧氏體的分解而引起的變形，同時強度、硬度和耐磨性都可得到不同程度的提高。,深冷處理溫度曲線圖,麻田散鐵轉變圖,深冷處理無法克服的問題,一. 大部分都會發生深冷龜裂。(
18、按理論施以),二. 殘留的沃斯田鐵已經安定。,五. 殘留更多的內應力。 (冷震與變態應力),六. 根據各材料不同，溫度可能無法達到其效果；,第四章超深冷處理認識,超冷處理(Deep Cryogenic):,處理溫度: -300(-196),處理時間: 4872H,(依材質種類、材料尺寸而異),超冷處理目的,1. 殘留沃斯田鐵完全轉變成麻田散鐵(97%98%);2. 比一般熱處理或深冷處理工件更能提升耐磨耗性能;3. 使組織細膩結構均勻並析出細微碳化物;4. 消除殘留應力;5. 不受處理時效限制;6. 硬度完全不發生變化。,超冷處理溫度曲線圖,超冷處理的過程分析說明(一): 一. 降溫動作:(S
19、UJ2 約0.33/min)。 加熱與降溫的差異。(熱由外向內、冷由內向外) 材料內熱要取出需要時間。 二. 保持-300 安定的沃斯田鐵變態麻田散鐵的方法。 給與材料良好的變態環境。 析出過度固溶的細微碳化物顆粒。 材料完全滲透。,超冷處理的過程分析說明(二): 三.回至常溫(SUJ2約0.55 /min) 溫度緩慢上昇，可消除殘留應力 工件尺寸、顏色完全不發生變化 四.回火( +300 同一處理槽完成) ，不延宕回火時機 得高機械性質的 麻田散鐵組織。,金相圖比較,Sub-zero 與Deep Cryogenic 耐磨耗比較,衝壓模具超深冷處理優點,1. 保持線切割后的呎寸精度，不因時效產生組織 變態造成 材料不規則的膨脹，定位精度流失; 2. 容易研磨，並且精度容易控制到達;3. 線切割(粗)后，切割孔徑的垂直度與平面的變形量減少可 降低精修成本;,4. 正負20以內熱脹冷縮只有原來的三分之一可由靜 態精度間接控制到動態精度;5. 線切割大工件或薄工件時不因材料變形產生線變形; 6. 模具量產時，下模板、脫料板，料帶摩擦產生的痕跡(浮水印)可以降到最低，只有原本的1/5;7. 衝切刀口使用壽命提高數倍，降低大量成本。,模具經超冷處理流程,第五章深冷處理應用實例,探針的深冷處理應用,鋁鎂合金的深冷處理應用,鋁鎂合金的深冷處理應用,謝謝 大家,
