[发明专利]改善非奥氏体系不锈钢表面机械性质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善非奥氏体系不锈钢表面机械性质的方法，尤指一种于低温对非奥氏体系不锈钢进行渗碳，以提升其表面机械性质的方法。

背景技术

不锈钢依其组织的不同而主要可分为奥氏体(Austenite)系不锈钢、马氏体(Martensite)系不锈钢及铁素体(Ferrite)系不锈钢，因其优良的抗锈蚀特性而适合做为结构件或要求装饰效果的外观件等用途，如螺钉、螺帽、枢轴、插销等工件；或如手表、手机等电子产品、饰品、家用电器的外壳等。但，一般不锈钢的表面机械性质尚无法满足实际应用上的需求，如常见的美国钢铁协会编号(American iron and steel institute，简称AISI)316L不锈钢，含有重量百分比介于15至18之间的铬、重量百分比介于12至15之间的镍以及重量百分比介于2至3之间的钼，其余为铁与杂质，其硬度约介于HRB 50至HRB 70之间，此种不锈钢用于外观件时，容易产生刮损或受撞击而使表面破损。

为解决上述问题，业界常使用渗氮及渗碳处理的方式，使不锈钢工件表面的碳浓度增加或产生氮化物，进而提升其表面的机械性质，其中，又尤以渗碳处理广为工业界使用。一般而言，不锈钢渗碳处理是于含碳气氛的环境中，使工件长时间维持在特定温度，使得碳原子得以进入工件表面而生成渗碳层，传统渗碳方法如美国专利第US 7,468,107号，其记载于含有甲烷(Methane)的气氛下，将不锈钢工件加热至1900°F与2000°F的温度之间进行渗碳，然而，由于此种方法的渗碳温度甚高(大于980℃)，将使得不锈钢工件的铬与气氛中的碳发生反应，使不锈钢工件的表面缺乏铬，进而使不锈钢工件失去抗腐蚀能力。有鉴于此，以316L不锈钢工件为例，其渗碳温度最好应低于连续变化曲线图(Continuous transformationcurve)中C曲线的鼻部温度，如图1所示。

然而，若在低于前述鼻部温度的环境下进行渗碳，则因不锈钢工件表面存在有一钝化层，而难以使碳原子渗入，阻碍渗碳层的生成，因此，进行低温渗碳工艺前，需先将不锈钢工件表面的钝化层移除。已知此种低温渗碳方法，如美国专利第US 5,792,282号、第US 5,556,483号及第US5,593,510号，揭示一种奥氏体不锈钢的渗碳方法，先将不锈钢在含氟或氟化物的气体中，于250℃至450℃之间的温度持温数十分钟，使不锈钢表面的钝化层(Passive coat layer)转换为氟化层(Fluorinated layer)，接着再将不锈钢于400℃至500℃之间的温度进行渗碳，相较于含有Cr2O3的钝化层，碳原子较容易穿过氟化层而进入不锈钢，故其渗碳深度可达约20μm，且硬度可提升至约HV 800。

另外，如美国专利第US 6,547,888号，其揭示的低温表面硬化方法是先将不锈钢置于含体积百分比为20％的HCl的N2气体中，并在550°F下持温60分钟，使不锈钢表面的钝化层活化后，然后再于980°F与880°F之间的温度进行渗碳。此外，美国专利第US 6,461,448号以及第US 6,093,303号，亦揭示一种低温表面硬化方法，其记载的活化方式则可将不锈钢放置于氰化盐类(Cyanide salt)、金属卤化物盐类(Metal halide salt)及碳化钙(Calcium carbide)的混合的熔融浴中，对不锈钢进行渗碳，其中，氰化盐类及金属卤化物盐类是用来活化不锈钢的钝化层，而碳化钙则做为渗碳的碳来源。

但是，上述渗碳方法仅适用于对碳具较高固溶度的奥氏体系不锈钢，针对非奥氏体系不锈钢，如马氏体系不锈钢或铁素体系不锈钢，因其组织对碳的溶解度低，无法渗碳，目前业界大多使用如固溶强化或时效硬化等方法，提升其机械性质，但此种方法并无法有效改善不锈钢表面的机械性质，如耐磨耗性。因此，仍难以使非奥氏体系不锈钢广泛应用在要求高耐磨耗性或高表面硬度的工件的用途。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决已知改善非奥氏体系不锈钢机械性质的方法中，其表面机械性质提升有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种改善非奥氏体系不锈钢表面机械性质的方法，首先提供一非奥氏体系不锈钢材料，将该不锈钢材料置于一含有至少一奥氏体稳定化元素的环境中，并于该环境施加一使该奥氏体稳定化元素扩散至该不锈钢材料表面的驱动力，以形成一富含该奥氏体稳定化元素的改质层，然后，将该不锈钢材料置于一含碳气氛中，使该改质层与该含碳的气氛接触并保持在一低于600℃的渗碳温度，使碳进入该改质层而形成一渗碳层。