表面處理技術在模具之應用及發展

Pier.He

表面處理技術在模具之應用及發展
  
金屬工業研究發展中心一、前言
　　近年來由於加工環境自動化及高速化之發展，對於模具壽命的要求日益提高。影響模具壽命的因素包括材料、加工、熱處理、表面處理及使用條件等，各因素間往往相互影響，而其中表面處理製程在適當的選擇及應用下，可以在最短時程內，獲致壽命明顯的改善。
　　本文即針對國內已可工業應用之表面處理技術，如物理蒸鍍（PVD）、化學蒸鍍（CVD）、熱反應擴散被覆（TRD）製程之技術發展及應用現況加以說明。二、製程介紹及應用
1.物理蒸鍍製程（physical vapor deposition）　　物理蒸鍍處理屬於原子類型的被覆技術，基本特點是蒸鍍材料以原子、離子、分子和離子團等原子級尺寸的顆粒形態於工作表面沈積，形成一層緻密的被覆層。物理蒸鍍處理可分為：真空蒸鍍、濺射、離子蒸鍍三大類，表1為真空蒸鍍、濺射及離子蒸鍍之比較。針對模具及刀具要求，底材與被覆層間須有優越射著性的物理蒸鍍處理技術首推離子蒸鍍。(1)離子蒸鍍基本原理：　真空環境下藉由電氣方式使蒸鍍材料蒸發，經過輝光放電區使蒸鍍材料與通入之反應氣體離子化，形成由帶電離子、電子．原子、分子等的電漿，此電漿作用於工件表面，工件表面與電漿中的活性原子與離子起反應，使表面狀態發生改變而獲得被覆層。離子蒸技術將真空室中的輝光放電電漿技術及真空蒸鍍膜技術結合在一起，不僅明顯提高鍍層的各種性能且大大擴充應用範圍。
(2)離子蒸鍍的特點：附著力強─由於離子轟擊對工作表面產生清潔、蝕刻、加熱、注入、擴散等作用，增強被覆層與工作表面的附著強度。繞附性好─蒸鍍材料在電漿區被解離為正離子，這些正離子將沿電場的電力線運動，凡是電力線分佈之處均可到達，而工作表面帶負電壓，因此工作的正面及背面都處於電場之中，使得蒸鍍材料的帶電原子能到達工件的所有表面而沈積鍍層，其次氣體的散射效應亦促使工作所有表面均能被被覆。鍍層緻密─離子蒸鍍過程在真空條件下進行，具有輝光放電及離子轟擊作用，因此鍍層組織緻密，針孔氣泡少。蒸鍍材料與工件材質選擇性廣泛─離子蒸鍍可以在金屬或非金屬表面蒸鍍金屬膜、非金屬膜、單層膜、化合物膜及陶瓷膜等等。表1　真空蒸鍍、濺射及離子蒸鍍之比較(3)工業應用　　物理鍍的鍍層種類繁多，隨應用場合的環境如負荷、潤滑液、加工速度、氣氛、被加工材、受力狀況等等，去選擇適合的鍍層，各種常用鍍膜基本性質及應用如表2所示。圖1～4分別為物理蒸鍍應用之各式模具及工具。表2　各種鍍膜的基本性質與應用(4)未來發展A. 鍍層開發超硬薄膜：如：C-BN、CNx，超晶格（superlattice）及鑽石等，這劇薄膜硬度在5200 HV以上均較TiN、CrN硬度（1700～2300 HV）高出許多，將有效提高耐磨性，另外由於鍍層超高硬度相對所需厚度減小，能符合未來工作高精度化的要求。耐熱薄膜：如、McrAlY開發；具有耐熱性及抗氧化性，適合應用在高速切削及成形加工，McrAlY耐溫可達1100℃，將可應用須耐高溫環境的工件。耐蝕薄膜：如鉻、鋁薄膜開發；電鍍硬鉻有廢水環保的問題，未來真空蒸鍍鉻膜製程技術開發及設備大型化、連續式生產時將會取代大部分電鍍硬鉻市場。航太零件真空蒸鍍鋁也是未來看好的技術與市場。潤滑薄膜：具低摩擦係數的鍍層如類鑽石、二硫化鉬等，此可應用至須低摩擦阻力的場合或取代切削油的使用。
B. 設備開發　　在處理設備的趨勢將朝自動化、大型化及連續化，各項趨勢詳述如下：
自動化─物理蒸鍍可藉由自動化電腦模擬系統，由輸入溫度、膜厚、鍍膜種類，工件形狀尺寸材質後，即可自動生產，使此技術變得簡單易於操作。大型化─設備大型化使處理工件的產品尺寸更不受限制和處理量增加擴大應用範圍，目前物理蒸鍍和陰極電弧及磁控濺射式已有二米長以上的蒸鍍設備，可生產大型的產品。
連續化─目前物理蒸鍍設備都為批式或半連續式生產，使生產本偏高，未來將發展連續式生產，使生產成本降低，未來大型化及連續式生產應是以陰極電弧離子鍍及磁控濺射離子鍍為主流，當陰極電弧離子鍍的微粒問題加以克服，磁控濺射離子鍍的蒸鍍距離擴大後，將使設備的大型化連續式可行性加速。2.化學蒸鍍製程（chemical vapor deposition）　　化學蒸鍍乃利用化學反應由氣相析出固相物質，於真空蒸鍍製程中有別於物理蒸鍍，此項技術可蒸鍍氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等，為漸受廣泛採用的表面處理技術之一，蒸鍍陶瓷鍍膜於刀具、模具及機械部品上，可增加抗磨耗性、抗腐蝕性、耐高溫性等，增加使用壽命。不僅在工具鋼、模具鋼上有優良特性的表現，在碳化鎢材質上的表面蒸鍍處理也逐漸受到廣泛的重視。
　　化學蒸鍍處理應用於刀具模具上的技術大致可將之區分為熱CVD（thermal CVD）及電漿CVD（plasma chemical vapor deposition，簡稱PCVD），化學蒸鍍處理分類如圖5，熱CVD乃是利用熱源提供化學反應所需的能量，又因製程溫度的高低可將熱CVD分為高溫CVD（high temperature CVD，簡稱HTCVD）製程溫度約為1000～1050℃及中溫CVD（moderate temperature CVD，簡稱MTCVD）其製程溫度約為700～900℃。(1)化學蒸鍍原理：　　熱CVD反應是將各種化學反應物質通入反應爐體內，於高溫的熱能供應作用下，於工件表面形成鍍膜。為使化學反應能夠進行，所加入的熱能主要為提供物種反應所需的能量，使各化學物種有足夠的能量越過活化能障，形成所需的化合物，而在工具模具上的CVD反應所生成的化合物較常見者有TiC、TiN、Ti（CN）、CrC及……等等。電漿化學漿（PCVD）是於300～900℃，10～1000 Pa，以pulse DC的能量產生電漿，通入、、Ar、等氣體進行電漿擴散，於金屬基材內形成擴散層或於表面形成化合物層，增加硬度，以利於抗磨耗摩損。(2)熱CVD的特點：　　優點：可成長非常多種類的薄膜材料。
鍍膜與基材的附著性優良。可得高級度，高品質鍍膜，鍍膜之結晶性，配向性可控制。析出速度快，通常為數μm/min至數百μm/min也是可能。反應製程條件的選擇可容易獲得單層膜，多層膜，分散膜，磊晶膜，厚膜等。
基材的材料及形狀可多樣性、平板、線材、箔、粉末、內管及非常複雜的形狀都可處理。
設備簡單，生產性高，再現性優良。
　　缺點：鍍膜成長溫度高，基材和反應設備的耐熱性，及原料氣體的腐蝕問題須控制。
高溫處理伴隨著基材尺寸變化，基材和鍍膜界面間的殘留熱應力嚴重不容忽視。活潑性氣體源的使用，製程中的爆炸，毒性等工安險必須特別注意。反應控制因子多，裝置設計極為重要。
工件局部蒸鍍處理將有困難。　　電漿CVD的特點：製程溫度低，無變形，尺寸精度佳，可局部處理。
鍍膜附著性佳，可處理高負載加工之工具。繞鍍性不差，可處理孔洞、小穴及複雜形狀之工具。鍍膜緻密，表面光滑，處理後可保持原有工件之鏡面狀況。
(3)工業應用　　CVD製程的工具或模具因鍍層與母材間的結合性非常好，故使用於重切削或高負載之成形模具上已相當成功，雖然PVD之低溫製程有很多優點，但CVD由於其高附著性及良好的繞鍍性，因此在冷間鍛造、深抽、剪緣、螺絲成型等嚴苛的加工環境下，業者通常使用高溫CVD被覆硬質膜以提高壽命。圖6為CVD製程處理之螺絲成形模具例。於模具上之應用壽命之改善例如表3。由以上之實例可知，經CVD處理之模具壽命可提昇3倍甚至30倍，不僅可大大降低生產成本，尚可提高加工速率，增加生產效率。PCVD可在500℃左右處理一般需高溫回火之鋼材，如工具鋼、模具鋼等都可在完成品後，作PCVD處理，而不需後續之真空熱處理，即可節省成本又可防止尺寸變形，PCVD鍍膜之附著性，緻密性佳，可處理複雜形狀之工件，並作局部被覆，如此可擴大其應用範圍，一般應用於冷間加工模具，射出成形模具，鋁合金壓鑄模具等都有非常好的效果。圖7為冷間加工PCVD處理實例。於塑膠射出成形模具上之應用效果極佳，尤其是在光碟射出成形模具上，如CD、MD、LD、CD-ROM、MO、DVD用的鏡面模具，因PCVD TiN處理之表面粗糙度可達Ra：0.002μm以下，Rmax：0.03μm以上，此為PVD難以比擬之處。於鋁合金壓鑄模具上已有非常優良的結果，以PCVD法處理鋁合金壓鑄模具，因其鍍膜緻密，附著性佳，又可結合滲氮＋鍍膜之複合處理，對於鋁湯之抗熔蝕性效果極佳。(4)未來發展　　熱CVD製程技術已發展非常久的歷史，技術也漸趨成熟，但對於鍍膜特性與實際應用場合的適用性尚未研究透澈，也就是說，理論和實際試用資料的累積尚未完整，可謂未來非常重要的問題，而超硬合金的CVD被覆處理的效果將益形重要，CVD之複合熱處理之技術開發也將是未來發展的重點之一，如：CVD＋真空熱處理CVD＋高週波、雷射熱處理TD＋CVDCVD＋PVD過滲碳＋CVDCVD＋CVD此複合處理能取各項製程之優點，期能發揮更高之效果，而其基礎研究尚待完全之確立。PCVD在未來鍍膜發展上朝向：DLC膜　　DLC（diamond like carbon）即是所謂的類鑽膜，主要成份為碳，具有高硬度、高熱傳係數、高電阻係數及低摩擦係數，因此，對於鋁合金之加工及非鐵金屬之成形，可有效抵抗黏著磨耗之發生，一般製程是以離子束或濺射PVD法，但都難以製作大型及複雜之模具，目前研究可以利用PCVD技術於150℃，0.1 torr，1000 V的條件下，通以或製作約1 μm厚的DLC膜，此鍍膜的未來發展令人非常的期待。TiAlN膜　　TiAlN鍍膜因表面易形成緻密的膜，對於抗氧化性非常好，是一種非常適合於高溫使用模具的鍍膜，一般TiN於600℃即產生氧化，而TiAlN於800℃仍然無任何的重量增加發生，利用PCVD蒸鍍TiAlN膜乃是在蒸鍍TiN的基礎上，加入的化合物以提供鋁源，便可成長TiAlN膜，目前應用於鋁合金的壓鑄模效果非常好。3.熱反應擴散沈積製程（thermal reactive deposition/diffusion）　　係1970年由日本豐田中央研究所開發出來的碳化物被覆技術，因被覆層係由材料中的碳或氮元素，和處理劑中之元素高溫反應而成，故稱之為熱反應擴散沈積處理，簡稱為TRD處理。(1)TRD基本原理：　　將含碳之材料置於含有碳化物形成元素例如：釩、鈮、鉻之熔融硼砂浴中，材料中的碳原子會向外擴散至表面，與浴中之碳化物形成元素結合為一層極薄的碳化釩、碳化鈮或碳化鉻，因此層很薄，所以碳原子可綿延不斷地經此層擴散至表面而形成碳化物。TRD處理可分為鹽浴法和流體床法兩種，處理溫度亦有高溫與低溫之區別。隨著處理方法之不同，選擇不同之處理劑，使得TRD處理不再限於只被覆碳化物，應用低溫鹽浴法尚可得到氮化物或碳氮化物。(2)TRD特點：TRD處理之鹽浴成分為無污性原料，鹽浴之主成分為無水硼砂（），於熔融狀態加入釩粉、釩鐵粉、鈮粉、鈮鐵粉、鉻粉、鉻鐵粉，則可用於V、Nb、Cr碳化物之被覆。若鹽浴出現老化現象，則會減緩被覆之速率，此時可添加Al、Fe-Si、Si-Ca等還原劑來恢復鹽浴之活性。處理溫度一般選用850～1050℃，浸漬時間則依母材鋼種、處理溫度和所需碳化物厚度而異，例如SKD於1020℃處理1～12 hr，SK或SKS於900℃處理1～5 hr，為一般採用之處理條件。適合被覆處理材料範圍廣，大部份含碳之材料如鋼、鑄鐵、鈷合金、鎳合金、超硬合金（以鈷和鎳為結合劑者），Sic、瓷金（cermet）或石墨等，皆可作為母材，對含碳量少之材料如鐵、鎳合金、低碳鋼及沃斯田體系不鏽鋼，則須先滲碳才能處理。以鋼而言，其含碳量至少要在0.3％以上，才適合作為被覆處理之材料。碳化物之種類多：高溫鹽浴法最常被覆之碳化物有碳化釩（VC）、碳化釩（NbC）及碳化鈮（CrC），其中碳化鉻係由和兩種碳化物所組成。除此之外，尚有TaC、TiC、等。若浴中含有兩種碳化物形成元素時，亦可形成複合碳化物例如：（V,Ti）C、（V,Nb）C、（Nb,Ta）C與等。碳化物之厚度可做到小於1μm或大到數十個μm，不過通常最實用之厚度為2～10μm。(3)工業應用　　表4為各種模具、工具與機械零件於TRD碳化釩被覆處理後，使用壽命改善情形，表中亦詳列了工件未處理前常見之破壞原因以供參考。　圖8為鋼管精整滾輪，於TRD處理後可有效降低表面之磨耗與刮痕，減少修模次數，提高生產效率，其使用壽命有5倍以上之提升。於應用於不鏽鋼鋼管之成形時，更可大幅減少不鏽鋼黏模之現象。(4)未來發展　　從技術面與應用面來看，高溫鹽浴去係TRD處理諸法中最成熟的，雖有成長速率快、製程時間短及附著性良好之優點，但亦有變形不易掌握之天生缺陷。為了因應未來工業對省能源與高精度之要求低溫鹽浴法之製程正積極開發應用中，使得TRD處理技術能更廣泛地應用在較精密之場合，以創造更多之經濟效益。三、結論
各種表面處理製程有其優缺點及限制，因此在作選擇之前必須對模具加工的前工程及加工環境作一徹底了解，並由其以往破損模式可
斷是否因設計或加工所導致，須針對其原因對症下藥，才能真正解決模具壽命的問題，最後再強調並無所謂最好的表面處理製程，而只有最適當的表面處理製程。

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