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抛偶林
6 years ago
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1 不同結構之不鏽鋼經網罩電漿處理之研究 The Study of Different Structure of Stainless Steel by Plasma Treatment with Active Screen 邱六合 * 陳繁雄 * 蘇洋右 * L.H. Chiu F.S. Chen Y.Y. Su 摘要不鏽鋼通常分為沃斯田體系麻田散體系肥粒體系和析出硬化型四種, 分別具有不同的結構沃斯田體系為 F.C.C 肥粒體系為 B.C.C 而麻田散體系和析出硬化型為 B.C.T. 麻田散體系和析出硬化型可利用熱處理方式得到較高之硬度, 但沃斯田體系及肥粒體系則無法利用淬回火方式硬化, 使得其用途大受影響不鏽鋼皆具有 12wt% 以上的鉻, 鉻為氮化物形成元素之一, 因此有利於氮化處理在之前研究, 沃斯田體系和麻田散體系不鏽鋼為主要研究沃斯田體系經低溫氮化後形成過飽和的固溶體稱 "s phase", 麻田散體主要為 Fe4N 之氮化層本研究主要為肥粒體系和析出硬化型不鏽鋼經低溫電將處理後之影響, 並與沃斯田體系和麻田散體系不鏽鋼比較差異性關鍵字 : 不鏽鋼滲氮網罩 Abstract Stainless steel are many kinds. There are different structure, like B.C.C, F.C.C. and B.C.T. Some kind of stainless steel can be hardening by heat treatment, but some kind can t. Previous articles showed that the corrosion resistance of the austenitic steels can be improved by use of an active screen to suppress the nitride formation and facilitates the trapping of nitrogen atoms into the f.c.c. lattice of the steel and a supersaturated solid solution called s-phase has thus been formed. The s-phase presented high hardness without reducing the corrosion resistance seriously. This study is different structure stainless steel using plasma treatment with active screen. 1. 前言電漿滲氮是離子滲氮是目前氮化的最好選擇, 因為低污染性及具有硬度高和均勻的滲層不鏽鋼因為表面有一層氧化鉻存在, 導致氣體滲氮不易進行採用高溫離子滲氮, 雖然可使不鏽鋼產生具有高強度之滲層, 但由於鉻化物之析出, 導致基底的鉻原子的含量降低, 造成不鏽鋼的耐腐蝕性大幅降低 [1-2] 低溫離子滲氮是近二十年的研究應用, 可避免氮化鉻之析出, 降低其耐腐蝕性, 得到滲層具有高硬度並保留原本的耐腐蝕性由於在低溫無法析出氮化鉻, 氮原子滲入沃斯田體格隙中, 形成過飽合的鐵氮固溶體, 稱之為 s-phase s -phase 具有較高強度及保留原始的耐腐蝕性, 並使原本沃斯田體的結構為 f.c.c. 膨脹形成 fct 結構 [4] 此效應與 bcc 的肥粒體轉變成 bct 的麻田散體的變態機制類似為了能使不鏽鋼的應用在以同時具有高強度高韌性優良的耐腐蝕性以及高耐磨耗性, 近年來發展出比傳統氣體滲氮更具效率的電漿滲氮處理 (Plasma nitriding), 而其中又以活性遮罩電漿滲氮 (Active Screen Plasma Nitriding, ASPN) 對於沃斯田體系不鏽鋼開闢了新的滲氮製程, 該製程不會出現傳統之直流電漿滲氮 (DC Plasma Nitriding, DCPN) 的邊

2 Table.1 Chemical compositions of the specimens Wt% Fe C Si Mn Cr Ni Mo AISI 316 Bal AISI 410 Bal AISI PH 角效應以及中空陰極效應外在較低溫的環境下進行電漿滲氮, 能抑制化合物氮化鉻 (CrN) 在晶界生成, 也就是抑制了晶界腐蝕的傾向, 而保有原先良好的耐腐蝕性肥粒體系不不鏽鋼近幾年研究皆以離子植入方式為主 [5], 但是皆產生 Fe Cr 和 N 之化合物為主, 無法形成像 s-phase 的情形而析出硬化型不鏽鋼之電漿滲氮卻鮮少有人研究, 雖然該類不鏽鋼本身已具有相當優異的強度及韌性及耐腐蝕性, 若再經滲氮處理更可提高表面之耐磨耗性質相對於一般沃斯田體系以及麻田散體系不鏽鋼目前較多研究本研究主要探討四種不同結構不鏽鋼經過低溫電漿網罩滲氮處理, 造成其結構之差異性和機械性質的探討 2. 實驗方法 2.1 試片製備本研究採用四種不同結構不鏽鋼分別為沃斯田體系不鏽鋼 AISI 316 麻田散體系不鏽鋼 410 做試片材料肥粒體系不銹鋼 AISI 430 及析出硬化型不鏽鋼, 經輝光放電儀成份分析儀確定其成分如 Table.1 所示試片大小為 Φ22 mm t 6.0 mm 試片邊緣鑽取 Φ1. 6 mm之小孔以便實驗時之吊掛, 試片經碳化矽砂紙研磨至 1500 號後, 置於丙酮浴中以超音波震盪器洗淨備用 2.2 電漿軟氮化將洗淨之試片置入日本 NDK 制之直流電漿氮化櫨 (JIN-1SB 型 ), 處理條件為 HR, 並使用活性遮罩電漿滲氮 (Active Screen Plasma Nitriding, ASPN) 方式, 將試片用一遮罩罩住, 代替試片成為陰極, 試片利用陶瓷片隔離變成絕緣體, 機制如 Fig. 1 所示其氣體為氮氫氣體比例為 4:1 爐壁 ( 陽極 ) 活性網罩氣體入 ( 陰極 ) 工作臺 ( 絕緣 ) 氣體出 Fig.1 Schematic diagram of active screen plasma nitrocarburizing equipment. 2.3 滲層分析試片經實驗過程後, 先利用 X-ray 繞射儀分析滲層化合物結構, 並使用 Marble s 試劑 (2gCuSO 4 +10ml HCl+10ml H 2 O), 以光學顯微鏡 (Nikon OPTIPHOT-100) 觀察滲層之金相組織 2.4 硬度試驗硬度試驗是利用微硬度測試採用 Knoop (HK0.01) 檢驗試片硬度分佈 3. 結果與討論 3.1 滲層之微觀組織 Fig.2 為四種不同結構之不鏽鋼經低溫活性遮罩電漿滲氮 (Active Screen Plasma Nitriding, ASPN) 處理, 經 Marble s 試劑腐蝕之金相組織, 之微觀組織四種不鏽鋼基底皆有所不同,316 不鏽鋼基底為沃斯田體 430 不鏽鋼為肥粒體, 而 17-4PH 與 410 不銹鋼皆視麻田散體為基底四種不鏽鋼在表面處皆有白色的滲層出現,316 不鏽鋼厚度約為 8μm

Fig.2 The Crystallographies of nitrided layer (a)aisi 316 (b)aisi 410 (c)aisi 430 (d)17-4ph (a) (b) 410

3 為不同結構之不鏽鋼經 ASPN 後之 XRD 的結果由 16 不鏽鋼經低溫滲氮後, 皆可得到 s-phase, 此層是因為氮原子插入在沃斯田體 (f.c.

365 nm, 但 s-phase 之 c=0.369 nm,s-phase 結構為 face cente

C.C. 的擴散速率較快, 導致氮原子濃度較高, 且 B.C.C. 之格隙位置較少, 導致直接析出 Fe4N 和 Fe3N (c) 3.3 硬度分佈 Fig.

3 Fig.2 The Crystallographies of nitrided layer (a)aisi 316 (b)aisi 410 (c)aisi 430 (d)17-4ph (a) (b) 410 不鏽鋼為 10μm 430 不鏽鋼為 6μm 和 17-4PH 不鏽鋼為 13μm 金像觀察可以發現在試片表面皆無較易受腐蝕的 CrN 析出, 並可由 X-ray 分析印證出 3.2 X-ray 分析 Fig.3 為不同結構之不鏽鋼經 ASPN 後之 XRD 的結果由 16 不鏽鋼經低溫滲氮後, 皆可得到 s-phase, 此層是因為氮原子插入在沃斯田體 (f.c.c.) 晶格之中, 形成過飽合固溶體, 並造成沃斯田體 (f.c.c.) 晶格膨脹, 導致 X-ray peak 向右位移, 並可由偏移角度求得其 c/a>1.0, 原沃斯田體之 a=0.365 nm, 但 s-phase 之 c=0.369 nm,s-phase 結構為 face center tetragonal(f.c.t.)[1,4] 410 不鏽鋼 430 不鏽鋼及 17-4 不鏽鋼經處理後皆析出 Fe4N 和 Fe3N, 並無法像 316 沃斯田體係不鏽鋼產生 S Phase, 可能因為氮原子在 B.C.C. 的擴散速率較快, 導致氮原子濃度較高, 且 B.C.C. 之格隙位置較少, 導致直接析出 Fe4N 和 Fe3N (c) 3.3 硬度分佈 Fig.4 為不同不鏽鋼硬度及滲層之比較, 可得到麻田散體系為基底的不鏽鋼滲層硬度最高, 但同樣為 B.C.C. 之肥粒體系的不鏽鋼之硬度只有 600HK, 可能是電漿處理後, 使表面空孔較 410 不鏽鋼和 316 不鏽鋼多, 造成基地無法撐起強度, 使其硬度無法提高 316 不鏽鋼滲層硬度為 960 HK, 厚度約 8μm, 可大幅提昇沃斯田體係不鏽鋼的強度, 以增加用途 (d) 4. 結論不同結構之不鏽鋼經低溫網罩電漿滲氮後, 可分成兩種結果, 沃斯田體係不鏽鋼形成

4 17-4PH-ASPN 430-ASPN 410-ASPN 316-ASPN 410- 熱處理 θ 316 原材 Fig.3 X-ray patterns of surface treated different structure stainless steel HK Depth of Nitriding Layer PH 0 Fig.4 Surface hardness and Layer thickness of treated different structure stainless stee S-phase 而其餘皆形成 Fe4N 和 Fe3N 因為沃不鏽鋼及肥粒體系不鏽鋼結構為 B.C.T. 與斯田體為 F.C.C. 結構, 可插入之氮原子間隙較 B.C.C. 使得氮元子無法有過多的固溶, 導致直多, 因此產生一過飽合固溶體但麻田散體係接析出 Fe4N 和 Fe3N 不鏽鋼經 ASPN 處理

5 皆可提升表面強度, 其中以麻田散體係不鏽鋼最為顯著致謝感謝陳繁雄教授及邱六合教授指導參考文獻 1. Z. L. Zhang and T. Bell, Structure and corrosion resistance of plasma nitrided stainless steel Surf. Eng. 1(2) (1985) p C.X. Li, T. Bell, H. Dong, A study of Active Screen Plasma Niriding, Surf. Eng. 18(3) (2002) p S. Thaiwatthana, X. Y. Li, Corrosion wear behavior of low temperature plasma alloyed 316 austenitic stainless steel Surf. Eng. 19(3) (2002) p Z. Cheng, C.X. Li, H Dong and T. Bell, Low temperature plasma nirtocarburising of AISI 316 austenitic stainless steel, Surface and Coatings Technology 191(2005)p Fan-Shiong Chen, Chih-Neng Chang, Effect of CH4 on plasma nitrocarburising of austenitic stainless steel, Surface and Coatings Technology 173 (2003) PH

連鑄棒

連鑄棒 JIS 不銹鋼棒 SUS 不銹鋼鋼種類別 : 沃斯田鐵系不銹鋼 :SUS201,202,301,302,303,303Se,304,304L,304N1, 304N2,304LN,305,309S,310S,316,316L,316N,316LN,316J1,316J1L,317,317J1,321,347,XM7,XM15J1 沃斯田鐵肥粒鐵系不銹鋼 :SUS3291 肥粒鐵系不銹鋼 :SUS405,410L,430,430F,434,447J1,XM27