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{| class="wikitable" style="float:right; margin: -10px 0px 10px 20px; text-align:left" |<center>'''表面硬化'''<br><img src="https://slidesplayer.com/slide/11574031/62/images/3/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E7%A1%AC%E5%8C%96%E8%99%95%E7%90%86%E6%B3%95+%E7%81%AB%E7%84%B0%E7%A1%AC%E5%8C%96%E6%B3%95---%E9%81%A9%E7%94%A8%E4%B8%AD%E3%80%81%E9%AB%98%E7%A2%B3%E9%8B%BC+%E6%84%9F%E6%87%89%E9%9B%BB%E7%86%B1%E7%A1%AC%E5%8C%96%E6%B3%95---%E9%81%A9%E7%94%A8%E4%B8%AD%E3%80%81%E9%AB%98%E7%A2%B3%E9%8B%BC+%E6%BB%B2%E7%A2%B3%E7%A1%AC%E5%8C%96%E6%B3%95---%E9%81%A9%E7%94%A8%E4%B8%8D%E8%83%BD%E6%B7%AC%E7%81%AB%E7%A1%AC%E5%8C%96%E4%B9%8B%E4%BD%8E%E7%A2%B3%E9%8B%BC.jpg" width="280"></center><small>[https://slidesplayer.com/slide/11574031/ 圖片來自slidesplayer]</small> |} '''表面硬化'''(surface hardening、case-hardening)是一種使金屬工件的表面硬化 (冶金),而且內部仍維持其韌性特性的金屬製程。 表面硬化後,會在工件表面形成一層由[[硬度|較堅硬]]的金屬形成的「外殼」。含碳量低的鐵或是鋼,本身的可硬化性很低,表面硬化製程會將碳([[滲碳]])或氮([[滲氮]])用擴散方式進入表層。 表面硬化一般用在工作已經成形之後,不過也可以用在要進行pattern welding或類似製程的棒材,來增強其硬度。'''面硬化'''(Face hardening)也用在說明現代[[装甲]]的類似製程。 若金屬件和其他堅硬或是黏著性的材料接觸,因為金屬的硬度大,比較可以抗磨損,所以會希望有一定的硬度。不過有硬度的材料其[[脆性]]也比較軟的材料要大,因此不一定適合將整個工件從外表到內部完全進行硬化。此情形下可以用表面硬化製作內部韌性較強(因為內層較軟,可以吸收應力不會破裂),而表面又比較堅硬,可以有相當抗蝕性的工件。 == 歷史 == 早期[[铁]]的熔煉是透過鍛鐵爐,可以產生兩種不同的鐵,一種是低含碳的鐵,可以加工冶煉成[[熟鐵]],另一種鐵則是在其外層的含碳量比較高。高含碳的鐵有「熱脆性」(hot short),在[[鍛造]]時會碎裂並且瓦解。因此需再進行熔煉,不然無法使用這種鐵。因此西方在普遍使用精煉爐以外,幾乎不使用高含碳的鐵。熟鐵當中幾乎不含碳,富有[[延展性]],但其硬度不高。 鐵的表面硬化就是將低碳鋼包裹在富含碳的物質中,再進行加熱,讓碳進入鐵的組織內。因此表層的鐵會變成高碳鋼,越往內層,含碳量就越低。最後的成品內部有低碳鋼的韌性,而外層則有高碳鋼的硬度以及抗磨性。 傳統鐵的表面硬化方法是將鐵的表面包裹上由[[骨骼]]磨片及[[木炭]]的混合物,或是包裹[[皮革]]、[[蹄]]、[[食盐]]及[[尿]]的混合物,裝在密封的箱子內。之後將箱子加熱到一定高溫,但需低於鐵的熔點,並且維持一段時間。維持的時間越久,碳滲透的深度越深。不同的應用會需要不同的硬化深度:銳利的工具會需要深度的硬化,在研磨磨銳的過程中也不會暴露其內層材料,而像齒輪之類的傳動件只需淺層的硬化,提昇其抗磨性。 若表面硬化的方式是利用上述的混合物,在表面硬化後外層會變色。鋼的顏色會顯著變化,依木炭及骨骼中的其他物質含量不同,會有黑色,藍色和紫色的斑點狀圖案。其氧化表面的作用和發藍處理後的表面類似,可以提高抗蝕性,也有良好的光潔度。 表面硬化的鋼鐵結合了極佳的外層硬度以及內層的韌性,這是同質性的合金無法達到的,因為高碳鋼常伴隨著容易脆裂的缺點。 == 化學 == 在表面硬化的溫度下,碳仍維持固體,活動力不強。滲入鋼鐵組織內的是氣態的[[一氧化碳]],是因為包裹在外的富碳材質乗 和空氣中的氧作用而來,若是用純碳,也會有此現象,但速度很慢。雖然此製程需要氧氣,但氧氣會通過CO循環進行再循環,因此可以在密封箱內進行。密封是必要的,因為破壞其密封,讓外界氧氣進入和一氧化碳反應,或是讓一氧化碳排出都可以終止表面硬化的反應。 加入易分解的碳酸鹽,例如會分解為氧化鋇及二氧化碳的[[碳酸钡]],會進行以下反應 :C(富碳材質中的) + CO<sub>2</sub> <—> 2 CO 增加CO的濃度,以及富碳材質的活性<ref name="Higgins, Engineering Metallurgy, energiser" >{{cite book |last=Higgins |first=Raymond A. |title=Part I: Applied Physical Metallurgy |work=Engineering Metallurgy |publisher=Hodder & Stoughton |edition=5th |year=1983 |isbn=0-340-28524-9 |ref=Higgins, Engineering Metallurgy |pages=474 }}</ref>。 有關表面硬化,有一個[[常識]]的誤解,認為表面硬化和骨骼有關,這是錯的。雖然有使用骨骼,但碳是從蹄和角來的。骨骼中有一些碳酸鹽,但主要是[[磷酸鈣]]。這些無法增加一氧化碳的濃度,而且會引入[[磷]]到鋼鐵合金中,變成其中的雜質。 == 現代用法 == 碳鋼和[[合金鋼]]都適合表面硬化。一般會是低含碳量(約小於0.3%)的軟鋼。軟鋼因為含碳量低,一般而言無法正常硬化,因此用化學方式調整表層,以增加可硬化性。表面硬化鋼是在高溫下,讓碳([[滲碳]])、[[氮]]([[滲氮]])及/或[[硼]] 滲透到鋼的外層,因此針對表面熱處理,以得到想要的硬度。 「表面硬化」(case-hardening)源自滲碳過程(在本質上和古代的製程相同)本身的實用性而來的。將鋼件放入密封的盒子中,盒子內填充有碳基的表面硬化化合物。將盒子放在高溫爐中一段時間,其時間及溫度會決定表面硬化的程度。不過,硬化的深度最終仍會受限於碳能夠滲入固態鋼中的程度,此方式的典型度為1.5 mm。現代的滲碳也會用其他方式,例如在富碳氣體中加熱工件。小物品可以通過用火炬反覆加熱並在富含碳的介質中淬火來硬化,介質像是已商品化的''Kasenit'' / ''Casenite''或Cherry Red。早期的介質中會含有有毒性的[[氰化物]],而現代用的(例如Cherry Red)不含氰化物。 == 參考文獻 == {{reflist}} [[Category: 450 礦冶總論]]
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