專利名稱：金屬構(gòu)件的氮化－氧化處理方法、以及金屬構(gòu)件的氮化－氧化處理及再氧化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種鐵系合金及非鐵系合金的氮化-氧化處理方法以及氮化-氧化處理及再氧化處理方法，更詳而言之，有關(guān)一種使用由可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體與氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體所組成的固態(tài)氮化劑粉體，而進(jìn)行的鐵系合金及非鐵系合金的氮化-氧化處理方法以及氮化-氧化處理及再氧化處理方法。
背景技術(shù)：
以氮化處理方法而言，以往有鹽浴(軟)氮化法、粉末氮化法、氣體(軟)氮化法、離子氮化法等的實(shí)施。例如，將鐵系合金進(jìn)行氮化處理的情形中，通常會(huì)在最表面形成Fe2-3N、Fe3-4N，另外，因氮?dú)鈹U(kuò)散而形成擴(kuò)散層，使最表面至擴(kuò)散層都會(huì)變硬，強(qiáng)度雖有提升，但韌性卻劣化。在將熱作工具鋼氮化處理的情形中，有耐熱疲勞性劣化的傾向。另外，以往的各種氮化處理中，由于先排除氧氣才進(jìn)行氮化處理，而使最表面無氧化物，另外因擴(kuò)散層內(nèi)無氧氣的擴(kuò)散，使對(duì)非鐵系合金熔液的耐燒著(seizing)性和耐熔損性較弱。
在鹽浴(軟)氮化處理的情形中，氮化處理溫度高，而會(huì)產(chǎn)生被處理物的尺寸變化和硬度軟化。在離子氮化處理的情形中，擴(kuò)散層雖較深，卻難以在形狀復(fù)雜的被處理物表面形成均一的氮化層。
使用粉末的氮化處理也已知有數(shù)種類。以往的粉末氮化處理依存在氮?dú)饣衔锏臒岱纸夥磻?yīng)特性，有氮化處理時(shí)間為3小時(shí)以內(nèi)且氮化處理溫度為500至600℃的限制。在3小時(shí)以內(nèi)和500℃的條件組合下，要將高碳的冷作工具鋼(SKD)的模具或構(gòu)件進(jìn)行氮化處理有其困難。理由是母材中的碳量越多，氮便越難滲入母材底層。為了要在3小時(shí)以內(nèi)將冷作工具鋼氮化，有使氮化處理溫度高于500℃的必要，但在這樣的溫度條件下要維持尺寸的精度頗為困難，在尺寸精度要求為微(micro)單位的模具或構(gòu)件的情形中，無法實(shí)用化。在以往的粉末氮化處理中，因氮化合物的熱分解、氮產(chǎn)生的溫度領(lǐng)域較低，欲在高溫領(lǐng)域形成氮化層而大幅調(diào)整、改變氮化合物的熱分解、氮產(chǎn)生的溫度領(lǐng)域及時(shí)間甚為困難，且一旦超過600℃，氮化效果便不會(huì)增加。
以往的粉末氮化處理中，被處理物的氮化開始溫度約500℃，并限制于氮化處理時(shí)間為3小時(shí)以內(nèi)且氮化處理溫度為500℃至600℃的處理?xiàng)l件下。從而，在進(jìn)行大型物及大批量的處理的情形中，對(duì)于爐內(nèi)氣體的加熱、升溫速度方面，一定要在粉末氮化劑的加熱、分解所需的升溫速度與被處理物的升溫速度及保持溫度之間取得平衡。然而，在以往的粉末氮化處理中，配合各鋼種的使用用途而有效地進(jìn)行氮化的方式，要取得平衡便甚為困難。
就鋁合金的鑄造法而言，已知有重力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、半凝固鑄造、熔湯鍛造(squeeze)、壓鑄等。在鑄造中，模具的模腔側(cè)表面有燒著、熔損與龜裂的問題。龜裂問題因?yàn)闊崞凇Ｓ捎谠O(shè)于模具的模腔側(cè)表面的式樣造型，使得模具產(chǎn)生肉厚上的差異，且因肉厚度的差異，而導(dǎo)致鑄造作業(yè)中模具的模腔側(cè)表面產(chǎn)生溫度差。另外，重復(fù)的加熱-冷卻使模具表面受到熱應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，而引起金屬疲勞。模具因重復(fù)的加熱-冷卻引起金屬疲勞，而產(chǎn)生裂紋(龜裂)的現(xiàn)象稱為熱疲勞。
ADC12、A356.1等的鋁合金的熔液在620至750℃的高溫下在數(shù)十秒至數(shù)分間保持于模具的模腔內(nèi)部以進(jìn)行鑄造。此時(shí)，鋁合金熔液與模具材料之間便形成所謂金屬間化合物的Fe-Al-Si化合物層(又稱燒著)，之后，便因鑄造作業(yè)而脫落。這種重復(fù)的現(xiàn)象便稱為熔損。
以往，作為模具材，將JIS(日本工業(yè)規(guī)格)規(guī)格的SKD-61系材料以退火材的狀態(tài)或是施以淬火、回火后再加以使用。雖然模具材的精煉技術(shù)及熱處理技術(shù)有相當(dāng)?shù)母纳?，而陸續(xù)誕生了種種表面處理技術(shù)，但關(guān)于龜裂及燒著、熔損問題，依然保持未解決的狀況。
以現(xiàn)有的氮化處理法，欲氮化具有鈍態(tài)皮膜的鐵系合金及非鐵系合金有其困難，而有先將鈍態(tài)皮膜去除的前處理的必要。
氮化處理+氧化處理的處理法至目前為止雖曾被實(shí)施或在文獻(xiàn)發(fā)表過，但對(duì)非鐵系合金熔液的耐熔損性并不是很好。在同相(homo)處理中，雖利用蒸汽以形成氧化皮膜，但耐熔損性的效果卻不明確。為了提升耐熔損性的效果，以氮化處理將化合物層加厚雖經(jīng)認(rèn)為是有效的，但在生成CrN層、氧化物層的情形中，若不令氮化擴(kuò)散層深入生成，則難以出現(xiàn)氧化物層，而若深入生成又會(huì)引起剝離或龜裂的問題。


圖1是第一實(shí)施例所測定的硬度分布曲線圖；圖2是第二實(shí)施例所測定的硬度分布曲線圖；圖3是第三實(shí)施例所測定的硬度分布曲線圖；圖4是第四實(shí)施例所測定的硬度分布曲線圖；以及圖5是第五實(shí)施例所測定的硬度分布曲線圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可解決上述諸問題的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法、與金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法。亦即，提供一種，氮化-氧化處理的溫度范圍較廣；可使熱作工具鋼的耐熱疲勞特性提升；可以保持被處理物的尺寸精度；可以將有鈍態(tài)皮膜的鐵系合金及非鐵系合金氮化；可以抑制鐵系合金與非鐵系合金的燒著、熔損反應(yīng)；可以解決鋁合金鑄造用模具的熱裂及燒著、熔損問題的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法、與金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法。
為了解決上述諸問題，經(jīng)過發(fā)明人深入探討的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體與在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體所組成的固態(tài)氮化劑粉體，可達(dá)成上述目的，而完成了本發(fā)明。
亦即，本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法，其特征為在由平均粒徑為1至10μm且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％、與平均粒徑為20至100μm且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入，一邊在使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊以400至900℃施行0.5至20小時(shí)的氮化-氧化處理。
另外，本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，其特征為在由平均粒徑為1至10μm且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％、與平均粒徑為20至100μm且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入，一邊使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊以400至900℃施行0.5至20小時(shí)的氮化-氧化處理，之后，將該氮化-氧化處理過的金屬構(gòu)件在含氧的氣體環(huán)境中以400至900℃進(jìn)行15分至8小時(shí)的氧化處理。
發(fā)明效果通過利用固態(tài)氮化劑粉體的本發(fā)明金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法或金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，可獲致下列功效1.可將氮化-氧化處理溫度的范圍從現(xiàn)有的500至600℃擴(kuò)大至400至900℃。
2.可以提升熱作工具鋼的耐熱疲勞特性。亦即，在本發(fā)明中，可以調(diào)整氧化物層、氮化物層、擴(kuò)散層的性質(zhì)。為了改善工具鋼的耐熱疲勞特性，而去除Fe2-3N、Fe3-4N層，以形成緩和的硬度梯度的手段為有效方式的事實(shí)已為眾所皆知的。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)此種方式。
3.通過低溫氮化-氧化處理，可以保持被處理物的尺寸精度，并可以適用于要求耐磨耗性的冷作工具鋼、合金鋼的模具及零件。亦即，本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法、與金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，也可在500℃以下的低溫實(shí)施，而可以將工具鋼及合金鋼的尺寸精度抑制在微米單位。
4.在本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法中，通過固態(tài)氮化合物粉體的高溫分解而生成氫離子，其氫離子會(huì)與鈍態(tài)氧化皮膜的氧產(chǎn)生還原反應(yīng)，因此沒有為了將鈍態(tài)氧化皮膜去除而實(shí)施前處理的必要，而可以將具有鈍態(tài)氧化皮膜的鐵系合金及非鐵系合金施以氮化-氧化處理。
5.通過本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法中，可以抑制鐵系合金與非鐵系合金的燒著及熔損反應(yīng)。例如，在鋁合金鑄造法的重力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造等方法中，鋁合金與鐵系鋼材間的金屬間反應(yīng)雖激烈，但通過本發(fā)明的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，可解決其熔損問題，同樣也可將因金屬間反應(yīng)所造成無鉛Sn系等焊接用合金與焊錫槽熔損的問題解決。另外，本發(fā)明的金屬構(gòu)件氮化-氧化處理方法是在有氧的氣體環(huán)境中進(jìn)行處理，故擴(kuò)散層內(nèi)存在有Cr2O3析出物，且在氧化物層內(nèi)形成有Cr2O3與Cr2N的混合物層，而可使金屬間的電化學(xué)反應(yīng)被遮斷，并抑制熔損現(xiàn)象。
6.因可以改善擴(kuò)散層的韌性，而形成壓縮應(yīng)力，而可以解決鋁合金鑄造用模具中的熱裂及燒著、熔損問題。另外，通過控制Cr2O3與Cr2N的混合物層的厚度，可遮斷與鋁合金熔液的反應(yīng)，延緩結(jié)晶粒界的早期破壞，而可以解決上述問題。
實(shí)施方式本發(fā)明金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法，是平均粒徑為1至10μm，且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度進(jìn)行分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％；與平均粒徑為20至100μm，且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％組成固態(tài)氮化劑粉體，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入前述固態(tài)氮化劑粉體，在使該固態(tài)氮化劑粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體的狀況下，以400至900℃施行0.5至20小時(shí)的氮化-氧化處理。
本發(fā)明的氮化-氧化處理方法，雖利用由固態(tài)氮化合物粉體與無機(jī)物粉體所組成的固態(tài)氮化劑粉體，此固態(tài)氮化合物粉體必須為可在氮化-氧化處理溫度或較氮化-氧化處理溫度更低的溫度進(jìn)行分解而產(chǎn)生氮化性氣體(產(chǎn)生期的活性化氮)者。作為前述的固態(tài)氮化合物，可列舉氰胺(Cyanamide)、氰胺的二量體(Dicyandiamide)、氰胺的三量體(melamine)、三迭氮化氰尿酸(cyanuric triazide)、三聚氰酸二酰胺(cyanurodiamide)，可以將其以單獨(dú)或至少兩種而組成的混合物來加以運(yùn)用。
無機(jī)物粉體在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化，亦即，必須為在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)與被氮化金屬構(gòu)件反應(yīng)、熔融者。作為前述的無機(jī)物，可以舉出金屬氧化物、金屬復(fù)合氧化物、陶瓷、礦物等，可以將其以單獨(dú)或至少兩種而組成的混合物來加以運(yùn)用。
用于本發(fā)明的固態(tài)氮化劑粉體，由固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％與無機(jī)物粉體90至10容量％組成為佳，另外，固態(tài)氮化合物粉體的平均粒徑為1至10μm，無機(jī)物粉體的平均粒徑為20至100μm為佳。在本發(fā)明中，平均粒徑是掃描型電子顯微鏡(SEM)所攝影的粒子像的影像解析而求得的值。在固態(tài)氮化合物粉體的相對(duì)量為未達(dá)10容量％(從而，無機(jī)物粉體的相對(duì)量為超過90容量％)的情形時(shí)，氮化會(huì)有不充分的傾向，因而并不理想。反之，在固態(tài)氮化合物粉體的相對(duì)量為超過90容量％(從而，無機(jī)物粉體的相對(duì)量為未達(dá)10容量％)的情形時(shí)，保有在固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)的含氧氣體的量并不充分，而有氧化物的生成不充分的傾向，故不理想。
以本發(fā)明的氮化-氧化處理方法或氮化-氧化處理及再氧化處理方法處理的金屬構(gòu)件所構(gòu)成的鐵系合金或非鐵系合金(例如，鎳基合金、鈷基合金、鈦基合金)，以含有Cr、Mo、Mn、W、V或Al作為被氮化元素較為理想。由鐵系合金或非鐵系合金組成的金屬構(gòu)件進(jìn)行氮化-氧化處理時(shí)，將金屬構(gòu)件的需要氮化-氧化處理的部份埋入固態(tài)氮化劑粉體中，一邊使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體(空氣或富氧空氣)，一邊以400至900℃進(jìn)行氮化-氧化處理。此種情形的保持時(shí)間(氮化-氧化處理時(shí)間)較佳為0.5至20小時(shí)左右。該氮化-氧化處理，例如，使用電爐，以大氣開放式、大氣遮斷式、氧氣量控制式的任一種皆可實(shí)施。
在本發(fā)明的氮化-氧化處理中，因使固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體(若有必要，則同時(shí)將含氧氣體供給在固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi))而實(shí)施，故氧可從被處理金屬構(gòu)件的表面擴(kuò)散至內(nèi)部，氧會(huì)與被處理金屬構(gòu)件中的Cr反應(yīng)而在擴(kuò)散層形成Cr2O3析出物。因產(chǎn)生此內(nèi)部氧化現(xiàn)象使氮的擴(kuò)散延遲，因而使硬度梯度減緩，得以確保母材的韌性特性。又，以往的氮化處理中擴(kuò)散層并不會(huì)形成氧化物(Cr2O3)的析出物。
通過在本發(fā)明的氮化-氧化處理中實(shí)施如下所述的升溫管理，可以消除處理初期的濕氣。另外，通過一邊考慮氮?dú)獾漠a(chǎn)生溫度及經(jīng)過時(shí)間與被處理物的加熱溫度與經(jīng)過時(shí)間，一邊進(jìn)行控制，即可以進(jìn)行大型物或大批量的氮化-氧化處理。
<固態(tài)氮化劑粉體及被處理物的同時(shí)加熱法>
1.升溫所需時(shí)間的設(shè)定系視爐的加熱能力與被處理物的尺寸，在每次爐運(yùn)作時(shí)皆經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整。
2.從室溫直接升溫至設(shè)定溫度并加以保持。
3.使溫度從室溫升溫至200℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，再升溫至指定溫度并加以保持。此升溫管理的目的為蒸發(fā)水分并使之干燥，將固態(tài)氮化劑粉體預(yù)熱，并控制被處理物的溫度。
4.使溫度從室溫升溫至360℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，再升溫至指定溫度并加以保持。此升溫管理的目的為蒸發(fā)水分并干燥，將固態(tài)氮化劑粉體預(yù)熱，使低溫領(lǐng)域的阿摩尼亞氣體的產(chǎn)生延遲，并控制被處理物的溫度。
5.使溫度從室溫升溫至200℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，其次將溫度升溫至360℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，再升溫至指定溫度并加以保持。此升溫管理的目的為蒸發(fā)水分并使之干燥，將固態(tài)氮化劑粉體預(yù)熱，使低溫領(lǐng)域及高溫領(lǐng)域的阿摩尼亞氣體的產(chǎn)生延遲，并控制被處理物的溫度。
<固態(tài)氮化劑粉體及被處理物的個(gè)別加熱法>
將固態(tài)氮化劑粉體預(yù)熱至180℃±20℃并保持。將被處理物加熱至設(shè)定溫度后，將該加熱后的處理物投入該預(yù)熱后的固態(tài)氮化劑粉體中，或在該加熱后的處理物周圍投入該預(yù)熱后的固態(tài)氮化劑粉體。此升溫管理的目的為通過將被處理物先加熱至可氮化的溫度，使產(chǎn)生的氮化性氣體可以做最大限度的利用，而使對(duì)超大物體的處理成為可行的。又，隨著被處理物越大，被處理物的升溫速度與爐內(nèi)熱空氣的升溫速度以及固態(tài)氮化劑粉體的升溫速度間的差距也越大。個(gè)別加熱法即是為了將該差距消除的手法。
本發(fā)明的氮化-氧化處理可得的表面化合物層以及擴(kuò)散層的厚度及組成，例如為如下所示氧化物層厚度1至3μm，包含F(xiàn)e2O3、Fe3O4、FeCr2O4、Cr2O3。
氮化物層厚度1至2μm，包含Cr2N、CrN。
擴(kuò)散層厚度10至150μm，包含氮擴(kuò)散層、Cr2O3析出物。
將工具鋼、合金鋼及具有鈍態(tài)皮膜的金屬構(gòu)件以固態(tài)氮化劑粉體氮化-氧化處理的情形的要點(diǎn)如下1.在重視高表面硬度及耐磨耗性的情形中，將固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率設(shè)為40容量％以下，氮化-氧化處理溫度500至540℃為佳。這樣的氮化-氧化處理方法，適用于例如高碳冷作工具鋼的SKD61或高速工具鋼的模具和零件，以及磨損現(xiàn)象激烈的熱作工具鋼的SKD61的壓鑄模具和零件為佳。亦即，為了促進(jìn)對(duì)高碳素鋼的氮擴(kuò)散而降低固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率以增加氧量為佳。
2.在重視耐熱疲勞性及擴(kuò)散層的緩和的硬度梯度分配的情形中，將固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率設(shè)為20至60容量％之間，氮化-氧化處理溫度520至560℃為佳。這樣的氮化-氧化處理方法，適用于例如熱疲勞現(xiàn)象激烈的熱作工具鋼的SKD61的壓鑄模具及熱錘煅模具為佳。
3.在會(huì)發(fā)生因沖擊導(dǎo)致磨耗及高溫作業(yè)導(dǎo)致硬度軟化的模具和零件的情形中，將固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率設(shè)為60容量％以上，氮化-氧化處理溫度540至580℃為佳。這樣的氮化-氧化處理方法，適用于例如熱鍛造模具為佳。
4.關(guān)于冷作工具鋼需要表面強(qiáng)度及耐磨耗性，且在擴(kuò)散層重視緩和的硬度梯度的情形時(shí)，將固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率設(shè)為20至60容量％之間，氮化-氧化處理溫度480至520℃為佳。這樣的氮化-氧化處理方法，適用于例如冷鍛造和沖切模具為佳。
將高Cr鋼(例如，不銹鋼SUS304)以固態(tài)氮化劑粉體氮化-氧化處理的情形的要點(diǎn)如下1.將固態(tài)氮化劑粉體中的固態(tài)氮化合物粉體的混合比率設(shè)為40至80容量％之間為佳。
2.因高Cr鋼多用于要求尺寸精度的模具及零件，故將氮化-氧化處理溫度設(shè)為500至540℃為佳。但是，在要求微米單位的尺寸精度的情形中，將氮化-氧化處理溫度設(shè)為480至500℃，以延長氮化-氧化處理的保持時(shí)間為佳。
3.模具及零件的公差精度較大的情形中，將氮化-氧化處理溫度設(shè)為540至560℃為佳。
4.以固態(tài)氮化劑粉體實(shí)施氮化-氧化處理后，實(shí)施再氧化處理為佳。
具有鈍態(tài)皮膜的金屬構(gòu)件，例如，將鈦合金組成的金屬構(gòu)件以固態(tài)氮化劑粉體氮化-氧化處理的情形的要點(diǎn)為，該情形中因有堅(jiān)固的鈍態(tài)皮膜，故將氮化-氧化處理溫度設(shè)為700℃以上為佳。
本發(fā)明的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，在由平均粒徑為1至10μm且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％，與平均粒徑為20至100μm且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入，一邊在使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊以400至900℃進(jìn)行0.5至20小時(shí)的氮化-氧化處理者，前半段的氮化-氧化處理的各條件系如上所述，后半段的再氧化處理則如下所述將氮化-氧化處理后的構(gòu)件在含氧氣體環(huán)境中(空氣中或富氧空氣中)以400至900℃進(jìn)行再氧化處理。該情形的保持時(shí)間(再氧化處理時(shí)間)理想為15至8小時(shí)左右。此再氧化處理系例如，使用電爐，以大氣開放式、氧氣量控制式、大氣中水蒸氣導(dǎo)入式的任一種皆可實(shí)施。
在本發(fā)明中，通過以如下所述的升溫管理實(shí)施再氧化處理，可以抑制最表面的氧化鐵(Fe2O3)紅銹層的形成，而形成很多深黑色的氧化鐵Fe3O4層。
1.從室溫升溫至再氧化處理的設(shè)定溫度并加以保持。
2.使溫度從室溫升溫至360℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，再升溫至設(shè)定溫度并加以保持。此升溫管理的目的為蒸發(fā)初期濕氣并使之干燥，抑制氧化鐵Fe2O3的形成，而在高溫領(lǐng)域形成Fe3O4氧化膜。
3.使溫度從室溫升溫至360℃±20℃的領(lǐng)域后，暫時(shí)保持該溫度一定時(shí)間，再升溫至設(shè)定溫度并將水蒸氣導(dǎo)入。此水蒸氣的導(dǎo)入時(shí)間可依期望而調(diào)整。此升溫管理的目的為蒸發(fā)初期濕氣并使之干燥，抑制氧化鐵Fe2O3紅銹層的形成，而在高溫領(lǐng)域形成Fe3O4氧化鐵層。
通過本發(fā)明的再氧化處理，可以將由前半段的固態(tài)氮化劑粉體所為的氮化-氧化處理而形成的擴(kuò)散層內(nèi)的氮再予以分散，而形成同樣緩和的硬度梯度。
雖可通過在固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)存在有含氧氣體的狀態(tài)下進(jìn)行氮化-氧化處理而在擴(kuò)散層內(nèi)形成有氧化物析出物，若以此狀態(tài)為基礎(chǔ)，再進(jìn)行再氧化處理時(shí)，因表面層會(huì)產(chǎn)生綿密的Cr2O3層，擴(kuò)散層中Cr2O3析出物會(huì)增加，故可以承受由鐵系合金與非鐵系合金間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熔損(腐蝕，corrosion)及由液體流動(dòng)摩擦而起的熔損(沖蝕，erosion)而具有優(yōu)良耐熔損性。
從最表面起為氧化鐵層、氧化鉻層與氮化鉻層的混合層的順序，擴(kuò)散層為氮擴(kuò)散層與Cr2O3析出物混合層。
本發(fā)明的氮化-氧化處理及后續(xù)的再氧化處理可得的表面化合物層以及擴(kuò)散層的厚度及組成，例如為如下所示氧化物層厚度2至20μm，包含F(xiàn)e2O3、Fe3O4、FeCr2O4、Cr2O3。
氮化物層厚度1至4μm，包含Cr2N、CrN。
擴(kuò)散層厚度10至200μm，包含氮擴(kuò)散層、Cr2O3析出物。
工具鋼、合金鋼(例如，SKD61改進(jìn)材)的氮化-氧化處理后的再氧化處理的要點(diǎn)如下所示1.通過再氧化處理所產(chǎn)生的氧化皮膜的作用，主要可以對(duì)應(yīng)因低溫作業(yè)、高溫作業(yè)而產(chǎn)生的問題。低溫作業(yè)有如Sn系無鉛合金焊接，高溫作業(yè)有如熱鍛造、熱錘煅、非鐵系合金的鑄造等。此情形中，再氧化處理溫度設(shè)為500至600℃為佳。
2.工具鋼及合金鋼，因幾乎都是施以所謂淬火-回火的熱處理后才供使用，因此在其后的高溫中的處理為非常重要，且有因溫度管理錯(cuò)誤而使模具及零件的精度產(chǎn)生偏差或硬度軟化的疑慮。此情形中，再氧化處理溫度設(shè)為520至560℃為佳。
高Cr鋼、非鐵系合金的氮化-氧化處理后的再氧化處理的要點(diǎn)系如下所示此再氧化處理以在表面形成Fe3O4與Cr2O3的氧化皮膜為目的，通過該氧化皮膜，可使鐵系合金鋼具有相對(duì)于非鐵系合金的鋁合金、亞鉛合金、鎂合金、焊接用無鉛Sn系合金等的優(yōu)良耐熔損性。另外，高Cr鋼則供使用于室溫用途、低溫作業(yè)用途、高溫作業(yè)用途。
1.使用于室溫的情形，雖重視耐磨耗性，但對(duì)尺寸精度的要求也高，因此再氧化處理的目的為Fe3O4與Cr2O3的化合物層的形成，故將再氧化處理溫度設(shè)為480至520℃為佳。
2.在低溫(150至400℃)作業(yè)用途的情形中，因例如焊錫槽的公差較大，且長時(shí)間接觸于Sn系合金溶液，故將電化學(xué)反應(yīng)遮斷甚為重要，因此形成較厚的氧化皮膜作厚甚為重要，故將再氧化處理溫度設(shè)為540至580℃為佳。
3.在高溫作業(yè)用途的情形中，主要以因應(yīng)鑄造鋁合金、亞鉛合金、鎂合金的模具及與熔液接觸的鑄造設(shè)備零件經(jīng)常產(chǎn)生的燒著、熔損問題為目的，故將再氧化處理溫度設(shè)為520至580℃為佳。
適合以本發(fā)明的固態(tài)氮化劑粉體施以氮化-氧化處理及再氧化處理的鐵系合金可列舉如含有Cr、Mo、Mn、W、V、Al等元素的高速度工具鋼、合金工具鋼、超強(qiáng)力鋼、構(gòu)造用合金鋼等。在最表面層形成Cr2O3的氧化層，且在擴(kuò)散層內(nèi)形成Cr2O3析出物為本發(fā)明的特征，故含有1質(zhì)量％以上的Cr為宜。
本發(fā)明可處理的鐵系合金可列舉如以下的材料。
表1

因上述的工具鋼幾乎都是施以淬火-回火才使用的，考慮到組織變態(tài)所引起的尺寸變化，氮化-氧化處理及再氧化處理皆以440至560℃的范圍內(nèi)實(shí)施為較佳。在要求精密度的情形中，以520℃以下的溫度處理為宜。在含有碳0.6質(zhì)量％以上的高碳鋼的情形中，事前施以深冷處理為宜，且以500℃以下的溫度處理較佳。又，也可施行上述鋼材的退火材的處理。
即使在表面有鈍態(tài)氧化皮膜的金屬構(gòu)件的情形中，因通過阿摩尼亞的高溫分解生成氫離子，且該氫離子與鈍態(tài)氧化皮膜的氧會(huì)產(chǎn)生還原反應(yīng)，故沒有去除氧化皮膜的前處理也可以實(shí)施氮化-氧化處理。
以下根據(jù)實(shí)施例具體的說明本發(fā)明。
第一實(shí)施例使用大氣開放式電爐，在平均粒徑6μm的氰胺二量體20容量％與平均粒徑70μm的Al2O380容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，并在使該固態(tài)氮化劑的粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體的情況下，以460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃或580℃實(shí)施15小時(shí)的氮化-氧化處理。將以前述各個(gè)溫度處理的金屬構(gòu)件的硬度分布進(jìn)行測定。其結(jié)果即如圖1所示。又，圖1中橫軸為從表面算起的距離(μm)，縱軸為韋克氏硬度(Hv)。
第二實(shí)施例使用大氣開放式的電爐，在平均粒徑6μm的氰胺二量體40容量％與平均粒徑70μm的Al2O360容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，并在使該固態(tài)氮化劑的粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體的情況下，以460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃或580℃實(shí)施15小時(shí)的氮化-氧化處理。將以前述各個(gè)溫度處理的金屬構(gòu)件的硬度分布進(jìn)行測定。其結(jié)果即如圖2所示。又，圖2中橫軸為從表面算起的距離(μm)，縱軸為韋克氏硬度(Hv)。
第三實(shí)施例使用大氣開放式電爐，在平均粒徑6μm的氰胺二量體70容量％與平均粒徑70μm的Al2O330容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，并在使該固態(tài)氮化劑的粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體的情況下，以460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃或580℃實(shí)施15小時(shí)的氮化-氧化處理。將以前述各個(gè)溫度處理的金屬構(gòu)件的硬度分布進(jìn)行測定。其結(jié)果即如圖3所示。又，圖3中橫軸為自表面算起的距離(μm)，縱軸為韋克氏硬度(Hv)。
第四實(shí)施例使用大氣開放式電爐，在以平均粒徑6μm的氰胺二量體10容量％、20容量％、30容量％、40容量％、60容量％、70容量％或90容量％與剩余容量％的平均粒徑70μm的Al2O3所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，并在使該固態(tài)氮化劑的粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體的情況下，以520℃實(shí)施15小時(shí)的氮化-氧化處理。將以前述各個(gè)比例處理的金屬構(gòu)件，其后在大氣中以520℃實(shí)施6小時(shí)的氧化處理。將經(jīng)如此處理的各個(gè)金屬構(gòu)件的硬度分布進(jìn)行測定。其結(jié)果即如圖4所示。又，圖4中橫軸為從表面算起的距離(μm)，縱軸為韋克氏硬度(Hv)。
第五實(shí)施例使用大氣開放式或密閉式電爐，在平均粒徑6μm的氰胺二量體20容量％與平均粒徑70μm的Al2O380容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，以540℃實(shí)施10小時(shí)或20小時(shí)的氮化-氧化處理。將經(jīng)如此方式處理的金屬構(gòu)件的硬度分布予以測定。其結(jié)果即如圖5所示。
另外，使用大氣開放式或密閉式電爐，在平均粒徑6μm的氰胺二量體20容量％與平均粒徑70μm的Al2O380容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將SKD61所成的金屬構(gòu)件埋入，以540℃實(shí)施10小時(shí)的氮化-氧化處理。其后，將經(jīng)如此方式處理的金屬構(gòu)件，使用大氣開放式或密閉式的電爐，以540℃實(shí)施10小時(shí)的氮化-氧化處理。將經(jīng)如此方式處理的各個(gè)金屬構(gòu)件的硬度分布進(jìn)行測定。其結(jié)果即如圖5所示。又，圖5中橫軸為從表面算起的距離(μm)，縱軸為韋克氏硬度(Hv)。
權(quán)利要求
1.一種金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法，其特征為在由平均粒徑為1至10μm且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％、與平均粒徑為20至100μm且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入，一邊使該固態(tài)氮化劑粉體的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊以400至900℃施行0.5至20小時(shí)的]氮化-氧化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法，其中，使用含有Cr、Mo、Mn、W、V或Al的鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件作為被氮化元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理方法，其中，無機(jī)物粉體為由金屬氧化物、金屬復(fù)合氧化物、陶瓷及礦物中的至少1種所組成的粉體。
4.一種金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，其特征為在由平均粒徑為1至10μm且可在氮化-氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體10至90容量％、與平均粒徑為20至100μm且在氮化-氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體90至10容量％所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將以鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件的有必要氮化-氧化處理的部份埋入，一邊使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊以400至900℃施行0.5至20小時(shí)的氮化-氧化處理，之后，將該氮化-氧化處理過的金屬構(gòu)件在含氧的氣體環(huán)境中以400至900℃進(jìn)行15分至8小時(shí)的氧化處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，其中，使用含有Cr、Mo、Mn、W、V或Al的鐵系合金或非鐵系合金所組成的金屬構(gòu)件作為被氮化元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的金屬構(gòu)件的氮化-氧化處理及再氧化處理方法，其中，無機(jī)物粉體為由金屬氧化物、金屬復(fù)合氧化物、陶瓷及礦物中的至少1種所組成的粉體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種處理方法，其氮化－氧化處理的溫度范圍較廣；使熱作工具鋼的耐熱疲勞特性提升；保持被處理物的尺寸精度；將具有鈍態(tài)皮膜的鐵系合金及非鐵系合金氮化；抑制鐵系合金與非鐵系合金間的燒著、熔損反應(yīng)；解決鋁合金鑄造用模具中的熱裂及燒著、熔損的問題。本發(fā)明的方法，在氮化－氧化處理溫度以下的溫度分解而產(chǎn)生氮化性氣體的固態(tài)氮化合物粉體，與在氮化－氧化處理?xiàng)l件下不會(huì)變化的無機(jī)物粉體所組成的固態(tài)氮化劑粉體中，將金屬構(gòu)件的有必要氮化－氧化處理的部分埋入，一邊使該固態(tài)氮化劑粉體中的空隙內(nèi)經(jīng)常存在有含氧氣體，一邊進(jìn)行氮化－氧化處理，然后再視需要將該氮化－氧化處理后的金屬構(gòu)件在含氧氣體環(huán)境中施行氧化處理。
文檔編號(hào)C23C10/00GK101078102SQ20071010771
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者周挺正 申請(qǐng)人:周挺正