本研究透過表面殘留應力量測與奈米壓印分析，探討微粒子珠擊技術(Micro-Shot Peening, MSP)對SKD11模具鋼之表面強化效應。實驗結果顯示，經MSP處理後之試片皆展現出高於未處理樣品(－834.7MPa)之殘留壓縮應力，提升幅度介於1.1倍
(－834.7→－906.2MPa)至1.4倍(－834.7→－1123.7MPa)之間。經田口法分析得知，影響MSP強化之主要參數為噴射壓力。進一步透過奈米壓印實驗驗證其強化效果，結果顯示經MSP理後之試片產生明顯表面硬化現象。以實驗條件S9之試片而言，其最高硬度可達22.1GPa；相較之下，未經處理之拋光樣品僅呈現10.19GPa之硬度，顯示出顯著差異。綜合上述，MSP可有效在SKD11表面形成硬化層，顯著提升其機械性質。尤以實驗條件S9所誘發之優異表面機械性質，展現出更佳之強化效果能力。
前言
在現代工業製程中，金屬材料表面特性對其機械性能、疲勞壽命與磨潤行為具有關鍵影響。為提升材料於極端環境中之性能表現，常透過各類表面改質技術進行強化處理。其中，傳統的珠擊處理(Shot Peening)因其能有效引入殘留壓應力、抑制裂紋擴展、並延長疲勞壽命，已廣泛應用於航太、模具與汽車工業。然而，傳統珠擊使用之顆粒尺寸較大(>200µm)，處理後常伴隨高表面粗糙度、不易控制之塑性變形區，以及難以應用於微小或複雜形狀元件的限制[1, 2]。
微粒子珠擊技術(Micro-shot Peening, MSP)為傳統珠擊技術之精密化延伸，透過使用粒徑更小(通常小於100µm)之球形磨料，搭配精確控制之噴射壓力、時間與角度，得以實現高均勻性之表面強化效果。此技術不僅能顯著提升材料表面之硬度與殘留壓應力，亦具備低表面粗糙度(Ra小於1µm)與精密區域加工等優點，逐漸被視為一種具備表面強化潛力的先進表面工程方法[3-5]。近年來，MSP技術已被證實能於材料表面引發高密度差排結構、晶粒細化與加工硬化現象，並進一步提升磨耗抗性與潤滑表現[6]。此外，其與其他表面處理技術(如雷射表面織構、鍍膜、熱處理)之整合應用，也為材料強化與功能導向設計開啟新契機。然而，現階段對MSP所引發之微觀強化機制、表面形貌演化與摩擦磨耗行為間之關聯性尚未完全釐清，且如何依據實際應用需求調控製程參數以達最佳效益，亦為目前學界與業界亟待探討的議題。
因此，本研究旨在探MSP對SKD11模具鋼材料之表面強化效應。藉由X光繞射儀量(X-Ray Diffractometer，XRD)量測表面殘留應力，系統性評估MSP製程參數對殘留應力分佈之影響，同時結合奈米壓印實驗，以進一步釐清其潛在之強化機制與實務應用潛力。本研究亦嘗試提出具可行性的表面設計與製程參數優化建議，以促進該技術於高性能零組件製造領域之應用與發展。
實驗方法
本研究選用SKD11模具鋼作為實驗材料，所有試片在進行MSP處理前，皆先經研磨與拋光至表面粗糙度Ra0.02 µm，以確保初始表面品質一致。隨後進行MSP實驗，以探討其對表面性質之強化效應。實驗中採用XRD，並結合法分析表面殘留應力，進一步透過奈米壓印技術評估其表面機械性質，以驗證MSP所帶來之表面強化效應。MSP實驗之示意圖如圖1所示，可透過高度平台及角度平台來調整噴射距離及角度。本實驗採用田口實驗設計法中之直交表進行實驗設計，其實驗參數如表1所示。微粒子珠擊參數包含噴射時間(A)、噴射壓力(B)、噴射角度(C)和噴嘴距離(D)等四項，每個因子將設置三個水準，如表2所示。通過L9直交表設計並計算各因子對應之信噪比(Signal-to-Noise Ratio, S/N Ratio)，以系統性探討MSP製程參數對材料表面殘留應力與機械性質之影響，進而尋求最適製程參數組合，以達成最佳化之表面強化效果。
實驗結果
表面殘留應力量測結果
圖2為SKD11模具鋼之表面殘留壓縮應力量測分析結果。根據實驗結果顯示，9組試片經微粒子珠擊後，其表面殘留壓縮應力皆有提昇，其提昇幅度從1.1倍(－834.7→－906.2MPa)至1.4倍(－834.7→－1123.7MPa)不等，當中提昇幅度最高者為實驗條件S9，其表面殘留壓所應力達－1123.7MPa。 根據圖3所示之S/N比反應圖，可獲得各實驗參數於不同水準下之反應值(Response Value)，以評估其對表面殘留壓縮應力之影響。在本研究中，為提升表面殘留壓縮應力，採用望大特性(Larger-the-better)作為S/N比之評估準則。其選用理由在於，較高之殘留壓縮應力有助於抑制疲勞裂縫的起始與擴展，進而有效提升材料之疲勞壽命與使用耐久性。因此，將殘留壓縮應力最大化作為最佳化目標，能更明確反映各製程參數對表面強化效益之貢獻，亦能作為參數優化與製程設計之依據。由S/N比結果顯示，對SKD11模具鋼表面殘留應力之初步最佳組合為A3、B3、C3和D1，在此參數組合之下，將能夠得到最高之S/N比，從而達到最小之品質損失，獲得最大之表面殘留壓縮應力。此外，在四個實驗參數當中，噴射壓力為對S/N比影響最大之因子，其次為時間、角度以及距離，如表3所示。如表4所示，根據變異數分析(Analysis of Variance, ANOVA)結果顯示，噴射時間、噴射壓力與入射角度皆為顯著因子(Significant Factors)，其P值均遠小於0.01，顯示這些參數對殘留壓縮應力具有顯著影響。相對地，噴射距離之P值為0.109，顯示其對實驗結果影響不顯著，故視為不顯著因子(Insignificant Factor)。
奈米壓印實驗結果
本研究透過奈米壓痕技術分析MSP處理對SKD11模具鋼表面機械性質之強化效果。實驗中選取條件S5與S9進行分析，並以拋光狀態樣品作為對照基準，以評估其奈米硬度之變化趨勢。實驗結果顯示，在S5與S9條件下，試片表面硬度皆較拋光樣品明顯提升，顯示MSP處理可有效誘發材料表層之塑性變形，進而導致加工硬化現象，顯著改善其表面機械性質。其中，S5條件下之峰值硬度達15.8GPa，而S9條件則展現更顯著之強化效果，其峰值硬度高達22.1GPa；相較之下，未經MSP處理之拋光樣品，其表面硬度僅為10.19GPa，顯示MSP對表面硬化具有顯著貢獻。進一步分析壓痕深度與機械性質之關係曲線(如圖4所示)，可觀察到硬度值分佈從材料表層隨壓入深度增加而逐漸遞減，此結果驗證MSP處理能在材料表面形成具明顯硬化效果之強化層。綜合上述分析結果，MSP結合奈米壓痕技術之應用，不僅有助於揭示材料表層之強化行為，亦提供深入理解其潛在強化機制之依據，對製程參數之優化與實務應用具有重要參考價值。
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