表面处理第一章金属件表面处理金属工件表面(Surface)是工件内部材料与周围环境的交界面，通常表面的定义是指深几个mμ(6μ的厚度，并且包含许多不同的薄层所构成，10-m)到几十个m如图1.1所示。

它所承受外界的各种作用和因而受到的影响及产生的反应，例如对光和热的反射及吸收，受外力作用所产生的摩擦及破坏现象等，都与内部材料有很大的差别。

随着科技的展进，材料被应用的范围日趋广泛且复杂，对材料性质的要求也较以往严苛，尤其适用在高温，潮湿、强酸，接触面为高速相对运动或辐射的恶劣环境下，工件材料表面的抵抗能力成为产品功能(Function)表现和使用寿命长短的关键因素之一。

因此，对工件表面除了美观要求之外，尚有耐磨耗，防锈，防腐蚀，耐高温，或绝缘性等不同的要求，因而表面处理早已成为机械、航天、电子等产业之产品制造过程中不可或缺的一个重要环节。

污染物图1.1 工件表面的结构表面处理是指用于改善工件表面的状态和其机械、物理或化学性质的方法。

一般经过铸造等机械加工法制造的产品，大都需要对其全部或部分的表面再进一步实施清洁、硬化、研磨、抛光、涂漆或电镀等处理，以增进其表面的各种特性、光滑度和美观等。

表面处理的目的及应用例可归纳如下：1. 增加表面的硬度、耐磨耗、抗疲劳等机械性质，应用于模具、活塞、汽缸、工具机、滑轨、轴、齿轮等。

2. 增加表面对氧化及腐蚀的抵抗能力，应用于化工机械、兽医器具、汽车钣金等。

3. 增加表面之耐热、热传导、热反射等特性，应用于散热板、航天发动机零件等。

4. 改善表面粗糙度及摩擦作用，应用于机械零组件之滑动面、轴与轴承、刀具、工具等。

氧化層母材5.改变表面之导电及电阻的性质，应用于电子零件、内存、半导体组件等。

6.改变表面对光的反射，选择性吸收、耐候等特性，应用于反射镜、汽机车零件等。

7.增进表面的干净、光泽、颜色、美观等，应用于各类型民生用品、运动器材、装饰品等。

1.1 表面前处理目的在为后续加工步骤做必要的准备，或为了增进产品外表的干净及美观，包含表面清洁和表面机械处理。

表面清洁是指利用各种溶剂或超音波等方式，将工件表面附着的油污、碎屑、各种杂物及氧化或腐蚀的生成物等，加以去除以得到工件材料之真正表面层。

表面机械处理则是以喷砂、研磨或电解抛光等方法，除了可达到清洗效果外，尚可更进一步使工件表面光滑，增加其光泽及附着能力。

1.1.1 表面清洗(Surface cleaning)经过一般加工后之工件的表面常附着有污物，例如油、脂、蜡、碳粒、其它金属颗粒、粉尘或砂粒等。

此外在工件表面上之氧化层等生成物，则又是另一形式的异物。

以上两者在后续加工，尤其是在进行下一步骤的表面处理前，都必须被清除干净。

表面清洁的方法有：1.清洁剂清洁法(Detergent cleaning)使用含有界面活化剂(又称综合清洁剂)或碱性清洁剂的溶液，加温后，对工件浸没(Immersion)其中或对工件喷洒(Spray)以产生洗净效果。

接着可用有机溶剂，如汽油、三氯乙烯等进一步去除残留的污物。

对于紧附表面的污物，则可适用乳液清洁剂加以清除。

水或水蒸气的洗涤，也是常见的表面清洁方法。

2.电解清洁法(Electrolytic cleaning)工件浸没于电解水液中，通以电流，藉溶液中水分子电解产生氢气或氧气的上升搅拌作用，洗净污物。

通常用于需要特别清洁的表面，如电镀、油渍等的前置处理。

3.超音波清洁法(Ultrasonic cleaning)利用超音波的振动能量特性，迫使液体剧烈的摩擦工件面，可完全清洁复杂面或细小工件的部份，甚至包括凹部或裂缝内部的污物。

4.酸性清洁法(Acid cleaning)以有机酸、矿物酸等酸性清洁液，进行酸洗或蚀刻工件表面的氧化层(生锈层)、腐蚀生成物，或高温加工时产生氧化物的硬化层等。

1.1.2 表面机械处理藉由机械力或电力的作用，不仅可以清除工件表面上的污物、锈蚀、毛边等，而且还可增进表面光滑度极附着能力，以利电镀或其它的表面处理。

1.喷砂(Sand blast)利用喷砂机将硅、氧化铝、金属颗粒或玻璃球等磨料经喷嘴以高速吹向工件表面，利用磨料颗粒撞击时的力量去除污物及铲平表面的粗糙凸起部份。

2.研磨及抛光(Abrasion and Polishing)研磨是利用研磨布轮固定在研磨机上，和研磨机一起以高速旋转。

研磨布轮上涂以研磨剂或使用不同号数的砂纸，其磨料颗粒的细度视需要而定，当与工件表面接触时，产生摩擦作用，达成清洁磨平的功能，如图1.2所示。

抛光则是在研磨之后进行，将工件表面研磨成更为平滑光亮，使用的介质为抛光剂，更细颗粒的磨料和润滑剂结合而成。

3.电解抛光(Electrolytic Polishing)电解抛光是利用电化学原理，其作用过程和电镀刚好相反。

装设方式为在酸性电解液中，将准备被抛光物当做阳极，阴极可使用铅、石墨或不锈钢等。

电解抛光戏缓慢的自表面上的凸起粗糙部份之多于材料去除而得到一致性的表面，使表面变得极为平滑、友光泽。

电解抛光尚有下列的优点：可用于表面有凹凸部份而机械磨光困难完成者，可使表面不会积存杂物，不会有应力产生且不受温度的影响，且表面形成钝态，抗锈蚀能力变佳，适用于不锈钢等金属加工。

图1.2 研磨工作1.2 表面硬化处理目的在增进工件表面的硬度，耐磨耗及抗疲劳等机械性质，但并不影响内部材料(又称为心部)的特性或改变工件的尺寸及外型之加工。

使用的方法有从表面渗透碳、氮等元素，藉由其扩散来改变表面层的化学成分；或利用火焰、高周波等产生热并对工件表面层进行淬火处理改变其组织而不改变其化学成分；或以机械力的珠击方式使表面产生压缩残留应力等，来达成工件表面硬化之目的。

1.2.1 表面渗透法表面渗透法是指经过适当的程序，把某些元素渗透扩散到工件的表面层因而改变其化学成分，然后是需要再配合适当的处理步骤(如淬火)使表面层硬化的方法。

这是一种属于化学方法的表面硬化处理。

被用来做渗透的元素有碳(C)、氮(N)、硫(S)及硼(B)等，故此方法即是以所渗透的元素加以分类。

利用表面渗透法处理钢材工件，可以改善材料表面层的硬度及耐磨耗性，而心部仍保有原来的韧性，可以抵抗冲击力的作用，使工件能兼顾韧性及耐磨耗的要求。

1.渗碳(Carburizing)在高温的环境下，将碳元素从原先含碳量较低的钢材工件表面渗入，经过一段时间后，自表面到其下某依预定深度材料的含碳量会有不同程度的增加。

再将整个工件作淬火处理，则含碳量低的心部仍为低硬度并保有原来之韧性，但是含碳量较高的表面层之硬度会变高。

渗透层愈靠近表面的含碳量愈高，随着深度的增加，其含碳量逐渐减少。

故当实施淬火后，硬度分布值也跟着不同，硬度HRC50以上的材料距离工件表面之深度称为有效渗透深度，其值从小于0.5到1.5mm ，如图1.3所示。

一般产生高碳的表面硬度为HRC55到65，在热处理期间工件会发生扭曲现象。

渗碳的方法有：(1) 固体渗碳(Pack carburizing)：以渗碳剂(木炭为主)将工件包围，密封于容器内，加热到580~9500C 并保持一段适当的时间候即可将容器取出炉外，待冷却后取出工件。

(2) 液体渗碳(Liquid carburizing)：将工件浸入氢氧化钠(NaCN)为主的溶融盐浴中，当温度在7000C 以上时，以渗碳反应为主。

在9000C 以上时则产生渗碳反应。

(3) 气体渗碳(Gas carburizing)：把4CH ，83H C ，104H C 等气体以适当比例空气混合后，通过1000~11000C 得镍(Ni)触媒产生吸热型控制炉气，再经添加4CH 之增碳作用，即可进行渗碳反应。

(4) 真空渗碳(Vacuum carburizing)：利用真空热处理炉，在减压状态下使用上述之渗碳性气体实施渗碳。

因其渗碳效果良好，工件仍可保持辉面，操作简单、省时、省能源、低污染，目前已成为许多重要零件实施渗碳时所采用的方法。

图1.3 低碳钢渗碳后含碳量分布2.氮化法(Nitriding)用于特殊钢的表面硬化法，和渗碳不同之处为硬化不是经淬火而得，且实施的温度较低。

在不含水的氨气(NH3)中方入含有铝(Al)或铬(Cr)的合金钢，加热温度至500~5500C，保持长时间，使合金钢表面形成硬度很高又具耐腐蚀性的氮化层，且完成后不再做其它热处理故变形很小。

特别是经氮化处理后，在工件表面会形成很大的残留硬力，可增进其耐疲劳性。

氮化的方式有：(1)使用氨气(NH3)的气体氮化(2)使用溶融氰化物(如NaCN，KCN，NaCNO，KCNO等)的盐浴氮化。

当使用NaCN，在温度较低时(约C0700以下)，以产生氮化反应为主。

(3)使用氨气(NH3)和还原性气体(含CO)之混合气体的气体软氮化法。

(4)在低真空时，利用辉光放电(Glow discharge)以产生氮离子进行氮化的离子氮化。

3.渗碳氮化法(Carbonitriding)同时对工件表面层渗入碳和氮的方法，实施温度在A1点(C0727)以上，渗碳氮化的方法有：(1)气体渗碳氮化：使用气体渗碳炉，并在原来的炉气中添加氨气(NH3)进行作业。

渗碳氮化层的组成，随工件母材、炉气成分、处理的温度和时间而有所不同。

例如处理温度愈高则愈接近单纯渗碳处理，即氮气的影响愈小。

反之，若温度愈低则愈接近纯氮化处理。

(2)液体渗碳氮化：在前面叙述之液体渗碳处理时，若处理温度较高则形成渗碳为主的反应；若处理温度在CC00900700之间，则NaCN分解出来的碳和~氮会同时渗透进入工件表面，就成为渗碳氮化了。

4.渗硫法(Sulfurizing)将硫(S)渗透扩散到工件表面层，使生成硫化物时，可降低表面层之摩擦系数，用来改善耐磨耗性。

渗硫处理是在其它加工及调质处理后才实施。

通常使用液体盐浴法。

5.渗硼(Metallic cementation)法将硼(B)渗透扩散到工件表面层，使生成硼化物时，可得到良好的耐磨耗性、耐蚀性、耐热性等。

特点为硼化物本身的硬度很高，不需再实施淬火，故不必考虑工件变形或破坏的问题。

渗硼的方式有利用固体的硼粉末、液体的溶融硼砂、电解的溶融浴和气体的B2H6。

6.金属渗透法(Metallic cementation)将金属元素等渗透扩散到工件表面，使生成物硬质合金层，以提高其耐磨耗性、耐蚀性、耐热性等。

依所要求特性的不同而有不同的渗透元素，如铝(Al)、铬(Cr)、硼(B)。

常用的方法是将含有该金属粉末渗透剂和要处理的工件一起放入容器中，加热至适当温度，并保持一段时间进行渗透处理。

此法又称为扩散被覆法(Diffusion coating)。

1.2.2 表面淬硬法表面淬硬法是指经由适当的加热过程，使钢材工件表面层的温度升高以至变态成沃斯田铁组织后，立刻进行急速冷却之淬火作用而得到麻田散铁组织的硬化表面层。