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機械工業雜誌
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摘要
本文目的在探討表面硬度測試對合金鋼氮化層的脆性快速評估可行性,利用SKD61、2311及NAK80三種鋼料,經有化合物層氮化、無化合物層氮化以及軟氮化等處理,進行洛氏及維氏硬度試驗,並以掃描式電子顯微鏡觀察表面型態是否剝離,以快速評估表面硬層之脆性破壞狀態。初期結果發現82.5 HRB基地的SKD61氮化試片表面硬化層之雪糕效應明顯。有化合物層之氮化處理調質件在HRC及HRD等高荷重的壓痕,可觀察到較多的擠壓及崩落等現象,但在HR15N等低荷重下,不會觀察到壓痕邊緣之剝落,說明輕荷重無法有評估有化合物層的氮化處理。
Abstract
This article investigates the feasibility of rapidly assessing the brittleness of nitrided layers on different alloy steels through surface hardness testing. SKD61 steel samples, in both as-received (82.5 HRB) and quenched and tempered (50 ± 2 HRC) conditions, as well as 2311 steel (30 HRC) and NAK80 steel (40 HRC), were subjected to distinct nitriding treatments including nitriding with a compound layer, nitriding without a compound layer, and soft nitriding. Initial findings indicate that the as-received SKD61 steel exhibited a pronounced “ice cream cone” effect in its surface hardened layer, characterized by more significant spalling and cracking compared to the quenched and tempered material under identical hardness testing conditions. For quenched and tempered samples subjected to nitriding with a compound layer, high-load indentations (e.g., HRC and HRD) revealed considerable extrusion and collapse phenomena, which can be directly correlated with increased brittleness, whereas under low-load conditions (e.g., HR15N), intact indentation edges and higher hardness values were observed without spallation around the indentation perimeter, suggesting that light-load hardness tests are ineffective for evaluating the brittleness of compound-layer nitrided surfaces.
前言
工具鋼在現代工業中扮演著舉足輕重的角色,其卓越的機械強度,使其成為製造各類關鍵工具的首選材料,例如用於沖壓、鍛造和壓鑄等製程的模具 [1] [2]。這些模具在嚴苛的作業環境中,會直接與工件產生頻繁且高壓的接觸,導致表面發生顯著的磨損或疲勞,甚至最終失效,縮短其使用壽命,並影響生產效率 [1]。
熱化學表面硬化法則為提升這些模具表面性能及使用壽命主要方法之一,其中氮化處理(Nitriding)以及其滲氮碳化又稱軟氮化(Soft Nitriding)處理,是兩種極具價值的應用表面強化熱處理製程。氮化處理是一種透過在材料表層滲入氮元素,來改變其化學成分的化學表面硬化層法。主要分為氣體滲氮、鹽浴滲氮以及電漿滲氮。這種處理能顯著提升產品的耐磨、耐疲勞、耐腐蝕及耐高溫性能,延長極端環境下產品的生命週期[3]。
Zheng [3]等人於2015年的研究顯示,氣體氮化處理能有效提升球墨鑄鐵球形閥座的耐磨性,使其磨損率較未處理的材料降低達45 %。而軟氮化與氮化不同的是,除了滲入氮元素外,還另外加入含碳氣氛去調整表面化合物成分,碳的加入對於改善表面化合物層(俗稱白亮層)的形成和性能,它能促進氮的擴散並加速氮化物的形成[4]。這層白亮層,通常由約80 % 的ϵ- Fe3N 和γ'-Fe4N 以及約 20 % 的碳化物 Fe3CN 組成[5]。與純氮化不同的是,軟氮化層中不會出現脆性的 Fe2N(ξ)相,因而擁有更好的韌性及應用範圍。
然而,儘管這兩種表面改質方法被如此泛用,在相關產業中,如鋁合金擠製模具經過氮化或軟氮化處理,表面氮化層形成海鷗文的網狀化合物,會導致受力破裂[6]。如何利用符合經濟效益的檢測方法去篩選氮化或軟氮化產品的脆性破裂,是值得探討的問題。因此本研究以洛氏、維氏硬度等簡單直觀的方法為出發點,觀察壓痕表面型態,嘗試建立快速有效的檢測方法及可靠標準,可望提升產品良率及品質。
實驗步驟
本實驗使用SKD61、NAK80 及 2311 三種模具用料,使用 OXFORD 公司型號為 Foundry-Master X'Pert 之光譜分光儀(Optical Emission Spectrometer, OES)分析塊材成份,各元素濃度重量百分比如表1所示。SKD61試片有82.5 HRB收料及調質到50 ± 2 HRC狀態,2311試片硬度為30 HRC,NAK80試片硬度為40 HRC。由承盛公司協助進行 SKD61 調質之熱處理以及氮化表面處理,調質硬度控制在50 ± 2 HRC,氮化處理分別為有白層氮化及無白層氮化二種方法,另外由高達公司協助軟氮化處理。
DOI:10.30256/JIM.202512_(513).0012
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2025年12月號
(單篇費用:參考材化所定價)