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羽球拍射出模具表面抗沾黏石墨烯鍍膜處理

摘要"

台灣的羽球拍產業,從民國50年代開始替國外代工木製的羽毛球拍開始,經歷鐵拍、鋁拍的階段,1978年由從國外引進碳纖維複合材料,開始製造碳拍之後,短短的幾年間,不但淘汰了木製球拍,改變了世界網球拍的產銷結構,成為羽球拍王國,而且奠定了台灣在全球複合材料加工技術上重要的地位。在這個打造羽球拍王國的過程中,從一開始因緣際會引進一些簡單的複合材料的加工概念,接著在一群技術英雄幾近土法煉鋼的努力開發下,發展出一套最具競爭力的滾筒纏繞法(filament drum winding)用以製造預浸布,再用獨創的吹氣熱壓成型(inner bladder pressure molding)的方式量產球拍,吹氣熱壓成型時膠體會因高溫與模具沾黏,因何影響射出品質。
本研究利用直流磁控濺鍍法在SKD61熱作工具鋼上沉積Ti基鍍膜並加入耐高溫如鎢、鉭、鋁等格系原子並通入反應性氮等氣體,利用SEM、GID-XRD以及TEM對薄膜的表面形貌、晶體結構及化學鍵結進行分析,最後再以熱反覆實驗測試鍍膜的熱穩定性。結果顯示,Ti基高溫鍍膜能有效提升SKD61基板之耐溫熱500℃穩定性,經過線上實測在500℃溫度下,熱反覆實驗達500次不需使用離形劑可提升稼動率及產品品質。

關鍵詞:物理氣相層積、磁控濺鍍、抗沾粘、石墨烯

前言

羽球拍成形模具材質為SKD61,在高溫(≧400℃)射出成形時,膠體在模具的流道會與模具產生沾黏,造成膠體流動速度變慢甚至阻塞,造成成品良率下降,當模具有沾黏情形,生產線須停工將模具下架清除沾黏處,會造成稼動率降低,提高廠商生產成本。為克服射出模具沾粘問題。在製造射出模具時,除了適當的模具方案設計外,尚有兩個選項:模具材料的選用及模具表面的鍍膜。但無論何種選項皆會影響尺寸和表面精度,及模具的使用壽命。在反覆開模/關模成型過程,模具亦受到高/低溫度熱衝擊,會造成模具尺寸變形及表面鍍膜剝落。因此如何選擇適當的模具材料及鍍膜是非常重要的。由於射出模具在膠體射出過程中處於高溫環境,膠體的黏性增加,流動性降低,容易與鍍膜或模具材料產生反應,產生沾黏及阻塞,不僅影響網球拍的表面品質,亦是降低射出模具壽命的重要影響因素。而現今,射出模具常用於模具上鍍膜材料大部分以貴金屬為主,如Pt、Ir…等貴金屬或其化合物[1-9],也有利用其他元素如Ti、Ta、Cr、Si等其化合物或與貴金屬化合做為中介層或保護層,來改善鍍膜之性質。因此,本研究計畫將配合模具壽命之目標需求,選擇適當的模具材料,建立適當的鍍膜材料與技術,以提高模具的使用壽命、降低製作成本,以及提供高可靠度及規格化的元件,並符合羽球拍射出模具產業化的應用趨勢。

實驗方法

工作條件

Ti(W、Ta)N薄膜濺鍍藉由 DC plus 磁控濺鍍在SKD61、DAC53合金試片尺寸40 mm×40 mm×1.0 mm,表面粗度 12.5 nm,濺鍍條件為6×10-6 torr, 工作壓力4 mtorr,Ar流量5.4 sccm, N2:12sccm濺鍍時間為 30 分鐘,濺鍍功率為30W。結構分析藉由Scintag X-4000 X-ray diffractometer (with Cu-Kα, λ=0.15402nm) 及FEI Teni G2 transmission electron microscopy (TEM) 操作電壓為200kV。薄膜奈米硬度量測使用Berkovich diamond probe tip 在 3000 至5000µN 荷重。附著力測試藉由百格試驗檢測。

熱反覆實驗

在試片(SKD61、DAC53)表面鍍上耐高溫薄膜後,將試片放置於溫度為500℃之高溫爐中10分鐘後,再將試片移至爐外冷卻至室溫,此一次熱反覆過程,如圖1來表示,多達500次熱反覆。
在500℃高溫反應:將試片放置於高溫爐中,在室溫(25℃)下以每分鐘10℃升溫至500℃,持溫30分鐘,持溫3小時,流程如圖2來表示。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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