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模具表面處理技術現況及未來趨勢

摘要"

在現代製造業講究低成本、高效率的生產方式下,使用模具是量產最有效率的方式,一副好的模具除了本身的設計、材料、加工精度外,最後的表面處理有畫龍點睛的效果,而表面處理技術經多年發展,已經有許多種類分別對應不同的模具應用環境,本文針對較常見的幾種進行介紹。

關鍵詞:表面處理、物理氣相沉積、滲碳、滲氮雜誌

模具表面處理技術

現代工業講究高效、快速生產,因此模具幾乎是量產製程所必需的。而人類使用模具的歷史其實非常悠久,廣議定義甚至從人類會使用工具,就開始有模具的概念產生,春秋時代的青銅器為了能鑄造出複雜精美的結構,甚至都已經使用了現在工業界仍在使用的脫蠟鑄造法,所以模具的使用歷史幾乎就是跟著人類的歷史前進的。
模具材料隨著冶金製程能力的進步,由早期的普通煉鋼,轉換成電渣重熔(ESR),到雜質最低的真空電弧重熔(VAR),隨著雜質、缺陷的減少,模具的壽命也不斷提升。而材料合金設計的進步,也將模具材料依使用場合的不同,分出塑膠模具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼三大系統,各廠商針對更細部的使用條件、場合微調,發展出如耐蝕、適用不同溫度區間、高硬度、高韌性…等特性之鋼種。
而模具材料的熱處理技術,發展出針對不同模具材料合金設計專用的熱處理曲線,甚至同一材料依不同使用方式如偏硬度或韌性,都可調整製程,單淬火處理就衍生出許多不同介質的製程,如水淬、油淬、氣淬。另外還有一些提升模具尺寸穩定性的工藝,如深冷、超深冷、振動處理…等。
隨著材料技術的不斷進步,除了前述的模具本體材料技術提升,與產品工件直接接觸的模具表面處理技術,由於對應的材質種類從塑膠、玻璃、陶瓷、金屬、食品…,幾乎什麼都有,因此為了耐溫、耐磨損、耐腐蝕、好脫模、無毒…等功能,也衍生了大量特化的表面處理技術。

以下介紹幾種較常見的模具
表面處理技術

硬質膜鍍膜技術,主要是以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)法在模具表面鍍上一層硬質膜,成分多為陶瓷類,如TiN、TiAlN、CrNOx…。依照使用的場合與方式,選擇合適的鍍層,一般來說由於陶瓷鍍層硬度都已遠高於金屬,因此鍍層品質的好壞很多時候取決於附著性、耐蝕性、抗沾黏性…等。鍍膜的方式主流有CVD與PVD兩種。CVD製程是將模具暴露在一種或多種不同的前趨物下,在表面發生化學反應或化學分解來產生欲沉積的薄膜。CVD的優勢有(1)高溫製程帶來的鍍層附著性提升。(2)較不受工件形狀限制,複雜形狀之孔隙都能鍍到。(3)鍍層成長速率快。(4)鍍層材質種類多樣。(5)鍍層結晶佳。CVD由於製程溫度較高,通常高於鋼料的回火溫度,所以CVD後需重新淬火、回火,進行此製程時容易發生變形,因此CVD製程後工件尺寸變異較大,在有些尺寸精密度要求較高的工件應用上有限制。但是也由於其高溫製程,表面鍍層與母材的附著性極佳,所以應用於重切割、高負載的模具成形時效果很好,通常有CVD處理與沒處理的模具相比,壽命可提升數倍到數十倍。
PVD則由於製程溫度低,對精度影響較小,且製程安全性、環保性佳,因此在模具應用上較為廣泛,常使用的模具PVD鍍膜材質有:
1.類鑽碳(Diamond-Like Carbon,DLC):
該技術是1970年代開始發展的技術,DLC鍍膜是一種藉於鑽石與石墨間的非晶質結構,具有絕緣、低摩擦係數、高導熱、高硬度、高平坦度之特性,主要成分是碳與氫,依照不同製程參數可調整使其特性較接近鑽石或石墨,另外也可摻雜其他元素降低薄膜內應力、使其具有特殊功能性。類鑽鍍膜相較於鑽石雖然硬度上還是有差距,但是其具有生產成本低、低摩擦係數、應用範圍廣之優勢,在刀具、模具、生醫、能源等領域都有所發揮。類鑽碳在模具上的應用以沾黏的改善例子較多,例如鋁輪圈鉸孔刀、IC封裝的鉛錫沾黏、鋁合金罐蓋成形模具的高分子膜與鋁屑沾黏、壓鑄鋁合金裁邊刀鋁合金沾黏、銅合金衝切模沾黏…。

2.氮化鈦(TiN):
氮化鈦硬度高(2400HV)、無毒、化學穩定性佳、金色,因此廣泛用於工具、模具、裝飾、生醫等領域。TiN使用在模具的領域多是看中其高硬度所帶來的減少磨損、提升模具壽命效益。常用於冷間成型模具、沖棒、塑膠模具。另外,由於TiN的可退鍍性佳,因此對較常需修模整理的模具有不錯的適用性。除此之外還有很多TiN的衍生系鍍膜,如TiAlN、TiCN、TiAlCrN..等。添加Al、Cr可提升抗氧化與耐蝕性,添加C可改善摩擦系數與耐磨耗,因此TiN與其衍生的改良鍍層可以說是目前應用最廣泛的PVD硬質鍍層。
3.氮化鉻(CrN):
CrN由於抗氧化性,因此多用於溫度較高的模具使用場合,如壓鑄、溫間鍛造。有時也會在製程中添加氧,進一步提升其化學鈍性。
除了表面PVD、CVD外,其實還有數種表面改質方法,他們與前述的PVD、CVD其實各有不同的適用性。如:
1. 電鍍硬鉻:
電鍍鉻已經問市數十年,屬電化學處理的一種,鍍硬鉻厚度一般20-80µm,硬度800-900HV。硬鉻由於較一般金屬硬,且鍍層厚,可以一定程度上提升模具表面的耐磨與耐蝕性,但是其硬度、耐溫性仍不及金屬氮化物,所以其耐溫、耐衝擊能力在一些製程上應用其實並不足。而且鍍鉻層一般都會存在微裂痕,所以鍍層在腐蝕環境下常發生腐蝕介質穿透鍍層,使基材腐蝕,然後鍍層表面出現銹斑甚至剝落。
2. 鍍鎳:
分化學鍍與電鍍,化學鍍的鎳層均勻性較佳,較不受形狀效應的影響。鍍鎳層的硬度較鍍鉻層軟,但是摩擦係數較低。也有廠商開發出複合鎳鐵氟龍,於電鍍時同時將鐵氟龍加入鍍層中,雖然硬度較低,但是因為鐵氟龍的存在,擁有極佳的表面抗沾黏性與潤滑性,所以應用於塑膠成形模具有很好的效果。
3. 陽極處理:
模具應用上最常見於鋁、鈦兩種金屬,藉由電解鈍化處理,使表面產生一層厚且硬的氧化層,另外還衍生出封孔、染色等工藝。陽極處理常用於裝飾與食品模具應用,陽極處理層表面硬度、附著性都很好,但是該製程處理有限制材質種類,鐵基金屬因為氧化層疏鬆易剝落,所以無法使用。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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