Ch08

1. Ch08

2. 8-1　表面概說 8-1-1　表面的構成與影響 外表面層包括三部份： • 污染層(contaminant layer)：外界水 分、油脂等污染物吸附在表面而形成。 • 氣體吸附層(absorbed gas layer)：氣體 吸附在表面及其裂縫而形成。 • 氧化層(oxide layer)：表面材質和空氣 中氧化作用而形成。

3. 內表面層則由二部份構成： • 加工硬化層(work-hardened layer)：金 屬表面在加工過程中受到加工應力而形 成。 • 金屬本體(substrate)：即金屬本身的基 材。

4. 材料的表面特性卻直接與下列特性有關： • 工件加工或零件使用接觸時的摩擦與磨 耗。 • 工件加工與零件使用時的潤滑能力。 • 零件之外觀、特徵與其塗裝、銲接等後 續處理的功能性。 • 表面缺陷導致零件強度的弱化及過早損 壞。 • 接觸零件間的導熱度與導電度等特性。

6. 8-1-2　表面失效 零件在使用時因某些原因而喪失原有功能的現象稱為失效或稱損壞(Failure)。 一、磨耗失效 • 兩個相對接觸運動的物體，由於摩擦作 用而使物體間的表面物質不斷損耗或產 生殘餘變形的現象稱之為磨耗 (Wear)。

7. 磨粒磨耗(Abrasive wear)是由於兩個相對 運動的物體接觸時，滑動表面高低不平， 凸出的硬質點將較軟的接觸面剖出凹槽而 產生的損失。 • 黏著磨耗(Adhesive wear)則是指在兩個相 對運動的物體直接接觸時，由於接觸應力 很高而引起塑性變形，導致物體的接觸部 位溫度升高，並發生黏著、銲合現象而產 生的損失。

8. 金屬接觸表面若在長期應力反覆作用 下，其表面層的薄弱處將產生疲勞裂 紋，並逐步擴展，最後導致小片金屬剝 落，此種現象稱為疲勞磨耗(fatigue wear)。 • 金屬在腐蝕環境中產生的一種磨損則稱 之為腐蝕磨耗。

10. 二、疲勞失效 工件承受重復或交變應力(cyclic stress)作用時，雖然它的應力值遠小於降伏強度，但也會造成突然斷裂，這種現象稱為疲勞失效(fatigue failure)。疲勞破斷的過程可分為裂隙萌生(crack initition)、裂隙擴展(crack propagation)及最終破斷(final fracture)三階段。

11. 三、腐蝕失效 是指金屬表面與周圍介質發生化學與電化學作用而產生破壞的現象。因此，金屬腐蝕可分為二種(1)化學腐蝕－金屬表面僅與介質發生化學作用而引起的破壞。(2)電化學腐蝕－金屬表面與介質產生電化學作用，形成腐蝕電池，使陽極物質受到破壞因而產生腐蝕。

12. 8-2　表面改質概說 8-2-1　表面改質的意義與目標 • 將機件材料以物理或化學的方法，使材料 表面或本體進行改造而變化外觀或內質， 稱為表面改質。 • 所謂物理化學的應用，例如：光線、熱 能、磁場、波動、溫度、壓力、蒸發、擴 散、氣壓、還原、電解和藥物反應等。 • 所謂外觀內質者，例如：色澤深淺、粗糙 分佈、顆粒排列、晶粒間隙、雜質植入、 和結晶異位等。

14. 8-2-2　表面改質的過程與方法 • 前處理：零件在實施表面處理之前，常會 殘留一些毛邊、油污或銹蝕，必須先清理 乾淨，前處理的方法主要有機械清潔處理 法(物理法)及化學清潔處理法(化學法)二 種，噴砂、珠擊等屬於前者，酸洗則屬於 後者。 • 中間處理：主要在於使處理的零件具有預 期的改質效果。 • 後處理：能強化表面處理的效果。

17. 8-3　機械法 8-3-1　機械磨光 係利用磨料來磨除表面的毛邊、銲疤、刮痕、氧化皮及其他缺陷，以提高表面的平整度及降低粗糙度，確保後續表面裝飾的品質。機械磨光主要有輪磨(grinding)、拋光(polishing)、擦光(buffing)等方法。

20. 8-3-2　滾磨法 將待處理的工件放在可旋轉的滾桶(Tumbler)中，桶內並放一些磨料或小鋼球等磨材，當滾桶旋轉時，桶內之工件與磨材，或工件與工件間互相碰擊研磨，即可達到去除工件表面氧化層或毛邊凸出物的作用，甚至可使工件表面光滑或增進其機械性質。

22. 滾磨所用的磨材，金屬磨材、天然石塊、人造石塊、磨料及其他成形物等，主要作用，如去毛邊(deburring)、去氧化層(descaling)、研磨(grinding)、粗磨(roughing)、磨光(polishing)、光澤(burnishing)及乾燥(drying)等。濕磨可在滾桶內加入酸溶液等研磨劑，以增進工件氧化層清除等作用。滾磨零件及磨料、溶劑等總體積應為滾桶容積的80～90%。滾磨所用的磨材，金屬磨材、天然石塊、人造石塊、磨料及其他成形物等，主要作用，如去毛邊(deburring)、去氧化層(descaling)、研磨(grinding)、粗磨(roughing)、磨光(polishing)、光澤(burnishing)及乾燥(drying)等。濕磨可在滾桶內加入酸溶液等研磨劑，以增進工件氧化層清除等作用。滾磨零件及磨料、溶劑等總體積應為滾桶容積的80～90%。

24. 8-3-3　噴擊法 珠擊法(shot peening)及噴砂法(sand blasting)是兩種常用的方法。 珠擊法係利用硬化的小鋼珠，高速噴射衝擊工件表面，以除去氧化層。

27. 噴砂法係以2～5kg/cm2的高壓縮空氣，將矽砂、白雲石、重碳酸鈉，甚至A磨料及C磨料噴向工件，衝撞工件表面來達到清潔的目的。噴砂法係以2～5kg/cm2的高壓縮空氣，將矽砂、白雲石、重碳酸鈉，甚至A磨料及C磨料噴向工件，衝撞工件表面來達到清潔的目的。

29. 8-3-4　擠光法 使用鋼球或滾柱在零件的表面連續緩慢均勻的擠壓材料，使其形成一定的塑性變形層，以改善表面粗糙度、硬度及耐疲勞性能的加法。

32. 8-4　化學法 8-4-1　酸洗 利用酸溶液與金屬表面產生化學反應，而使附著油脂或氧化層溶解和剝離的方法。酸洗常用的溶液為硫酸、鹽酸，一般使用硫酸可在較高溫下操作；但採用鹽酸則須在較低溫下進行。此兩類酸大都用於鐵金屬的除銹。硝酸、氫氟酸、鉻酸等則常用於非鐵金屬及若干特殊合金的除銹作業。

35. 8-4-2　電解研磨 於強酸和強鹼的電解溶液中，以工件為陽極，修磨工具為陰極，當通以電流經電解反應後，使工件表面溶解生成氧化薄膜，再受修磨工具之磨料刮除作用，因而得到光平的表面。

37. 8-4-3　化學研磨 將工件浸漬於溶液中，使其與化學藥品產生化學反應而獲得表面研磨效果的方法稱為化學研磨。化學研磨主要是用於鋁製品的發光處理，通常係將磷酸及硝酸混合液盛裝於不銹鋼槽中，並利用不銹鋼製圓管通以蒸汽以便加熱混合酸液，然後將待研磨工件浸入即可。

38. 8-5　冶金法 8-5-1　火焰硬化法 利用高溫火焰吹向工件表面，使其急速加熱，到達淬火溫度時瞬間冷卻，以使表硬化的方法稱為火焰硬化法或火燄淬火(flame quenching)。

40. 8-5-2　高週波硬化法 利用電磁感應原理使工件表面快速加熱或急冷的表面熱處理法稱為感應硬化(induction hardening)，高週波硬化法即應用高週波感應所生渦電流，急速加熱鋼之表面，然後以水冷卻，使表層硬化的方法。

43. 8-5-3　滲碳法 將鋼料工件放置在滲碳劑加熱，藉滲碳劑分解得到初生態碳(nascent carbon)滲入工件表面，並逐漸擴散至次表面，然後施以熱處理而達到表面硬化的效果。初生態碳係由CO或CH4氣體分解而得，CO可由CO氣體或固體滲碳劑分解而來，而CH4則由甲烷或其化合物分裂獲得。低碳鋼滲碳後，上表層可獲得高硬度高耐磨耗性及疲勞強度，而心部則仍保持足夠的強度及韌性。

44. 固體滲碳法係以固體滲碳劑(以木炭為主劑，BaCO3，或Na2CO3為促進劑)將工件填緊於滲碳箱內，在高溫時滲碳劑的作用產生CO氣體滲入鋼料工件；液體滲碳法係將工件置於溶化的氯化鈉等浴槽內，加熱以使碳及部份氮分子滲入鋼中，NaCN分解生成的碳、氮同時滲入工件中而擴散。固體滲碳法係以固體滲碳劑(以木炭為主劑，BaCO3，或Na2CO3為促進劑)將工件填緊於滲碳箱內，在高溫時滲碳劑的作用產生CO氣體滲入鋼料工件；液體滲碳法係將工件置於溶化的氯化鈉等浴槽內，加熱以使碳及部份氮分子滲入鋼中，NaCN分解生成的碳、氮同時滲入工件中而擴散。

45. 氣體滲碳法係利用煤氣中含多量之H2、CH4及較少量之高級碳化氫與不飽和碳氫等，此複雜的碳化氫在滲碳溫度可分裂為H4及H2，而產生滲碳作用。氣體滲碳法係利用煤氣中含多量之H2、CH4及較少量之高級碳化氫與不飽和碳氫等，此複雜的碳化氫在滲碳溫度可分裂為H4及H2，而產生滲碳作用。

46. 8-5-4　氮化法 • 將鋼的表面滲入氮氣，使其表面產生硬 化效果的方法。 • 將表面清淨的鋼料製品置於氮化爐內， 在氨氣(NH3)氣流中加熱至500℃～ 550℃保持20～100小時，使表面層生成 氮化物而硬化。 • 氮化法與滲碳法不同的是其硬化層僅滲 入氮氣，而滲後不需經熱處理。

47. 氮化處理後的零件具有高硬度、耐磨 性、疲勞強度、赤硬性、耐蝕性、變形 小等優點。氮化處理後的零件具有高硬度、耐磨 性、疲勞強度、赤硬性、耐蝕性、變形 小等優點。 • 製程周期長、成本高及效率低等是其缺 點。

49. 8-6　金屬被覆法 係將某種金屬物質以黏著方式或以化學方法塗附於金屬或非金屬的表面，藉以達到改善外觀、防銹、防蝕或耐磨耗等功能。常見的金屬被覆法有電鍍、金屬噴敷及蒸著法等。

50. 8-6-1　電鍍 將溶液中的金屬離子還原析出於被鍍之工件表面形成金屬膜。電鍍的一般程序為：研磨、脫脂、水洗、酸洗、水洗、電鍍、水洗、乾燥、整修。其中研磨係以裝有布輪或刷輪的擦光研磨機，沾附適當研磨劑將工件表面的銹去除。脫脂是利用四氯乙烯等化學物質將工件表面附著的油脂及染物去除。水洗係以冷水洗淨工件表面殘存之化學物質。酸洗乃是利用適當種類及濃度的酸液洗去工件表面氧化膜。