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含金屬類鑽膜鍍覆快速模具之研究

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Academic year: 2021

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

含金屬類鑽膜鍍覆快速模具之研究

計畫類別: 個別型計畫 計畫編號: NSC92-2212-E-151-016- 執行期間: 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位: 國立高雄應用科技大學模具工程系 計畫主持人: 邱錫榮 報告類型: 精簡報告 處理方式: 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 11 月 1 日

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(一)研究背景

國內製造科技急需轉型及升級之時,模具整體技術不但從精密質方向邁進, 作為曾經是世界製造重鎮的台灣,為了展現最短時間開發交貨時程,而必須在模具 技術上作更大的改進,於是快速原型( rapid prototype) 及快速模具(rapid tooling) 技 術也運用而生。此項技術不同於傳統模具設計、加工的方式,而是利用層加工的概 念,即將一複雜3D 的物體,沿著某一軸將其切成一片一片厚度的薄片,而將此薄 片視為2D 的物體,再將其堆疊起來,就可產生 3D 的實體(10-12),此時此 3D 的 外型可是一個模仁(稱直接造模,direct rapid tooling),或者是一個實件,再以矽膠、 金屬樹脂、金屬噴塗等間接作成模具(間接模具,indirect rapid tooling)(13-14)。其 流程圖如下: CAD 設計-轉換 STL 檔-產生加工程序-RP 成型機-RP 件- -矽膠、金屬、 樹脂噴塗-RT 模仁 作為RT 模仁來生產零件,則以金屬粉噴焊或燒結較能生產較多的零件,就以 國內外俱大宗開發的RT 鞋模,模仁以鋅合金(Zn-Al-Cu)為主,其被採用的優點為 熔點低、成型快速、尺寸控制容易(15-16),在汽車工業如車燈的開發上亦廣為使 用,不過由於硬度仍低,以致可生產件數亦低,因此為了提高此類型模具的使用壽 命,模仁的表面鍍覆成了技術的關鍵。

(二)理論探討

(1.)DLC 硬膜/軟金屬基材複合系統設計: 本研究前端之RP/RT 系統,其運作流程如下:

Pro/E-3D 圖檔-STL-Lightyear (建立支撐之相關參數)-BFF 檔-SLA 機台(SLA 3D system Viper S12)-RP-直接,間接 RT 模仁 本研究就系統末端之 RT 模仁部份,作 RT 噴焊鋅合金模仁多層薄膜/DLC 膜之 表面改質、硬化處理。其原理主要是針對DLC 本身的高硬度及極低的摩擦係數, 另一方面則是由於RP 之鋅合金模仁硬度與 DLC 者相很大,故本研究擬以多層中 間膜緩和此種相差,減低諸如殘留應力等造成膜質不良的情形(15,18)。 但就於硬膜/軟金屬基材之複合系統,其表面改質原理、設計及量測均異於一 般硬膜/硬質基材之情況。根據前人的一些研究[1-3],膜層厚度及內部缺陷,基材 降伏強度及其他機械,物理性能所引發的膜層應力,會直接影響膜層的性質及品

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質,表(一)即為諸多硬膜材料與基材鋅合金的基本性質(4-9)。此外,膜質的好 壞與直接牽涉到的耐磨耗性質,除了與膜質內在性質如硬度、摩擦係數有關外,膜 層應力該是綜合性直接影響膜質的因素。 (2)薄膜殘留應力及量測: (1).原理一:雷射光點圓心的求法:基本上利用光線入射角及反射角相等原理,以 同調性佳的雷射經過入、反射而由數位相機來捕捉其變動影像點之位置,圖(一)是 雷射光經由試片反射在一平面上利用數位相機所拍攝的圖,欲量測雷射點位移首先 必須要求出所拍攝每一張圖片雷射光點的圓心,雖然在電腦螢幕上可以顯示出絕對 座標的位置,但利用此功能直接目視圓心的方法是相當籠統的,於是我們採用比較 科學的方法,在圓周上量取三點座標分別為A(x1,y1)、B(x2,y2)及 C(x3,y3),其中 A、 B 兩點的座標就可以求出 AB 線段中垂線的方程式 L1,同理由B、C 兩點的座標就 可以求出BC 線段中垂線的方程式 L2,圓心(X,Y)必在兩中垂線 L1、L2的交點。利 用此原理即可導出底下兩式。 圖(一)

x=[(y3-y1)/2-(x22-x32)/2/(y3-y2)+(x12-x22)/2/(y2-y1)]/[(x1-x2)/(y2-y1)-

(x2-x3)/(y3-y2)]

y=x(x1-x2)/(y2-y1)+(y1+y2)/2-(x12-x22)/2/(y2-y1)

(2)原理二:由點位移求曲率半徑 圖(二)是雷射光源做等距離移動,試片保持不動,與實驗方式不同,但只要實驗數 據再加上試片做等間距移動的量,及可與圖(4)的方式等效。在圖(二)中, 設θ1=∠APB=∠BPC,為雷射在試片第一點的入射角及反射角 θ2=∠DQE=∠EQF,為雷射在試片第二點的入射角及反射角 θ3=∠APB,此角是雷射光入射線與雷射光反射線投射平面的夾角 φ=∠POQ,此角是雷射光在試片上第一點與第二點法線的夾角 l1=PA,是雷射光第一點的入射線長 l2=PB,∆APC 中,∠APC 的角平分線線長 l3=QD,是雷射光第二點的入射線長

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l4=QE,∆DQF 中,∠DQF 的角平分線線長 d=AD=HQ,是雷射光第一點入射點至第二點入射點的水平距離 x1=AC,是雷射光第一點入射點至反射點的水平距離 y1=CF,是雷射光第一點反射點至第二點反射點的水平距離 x2=DF,是雷射光第二點入射點至反射點的水平距離 圖(三)是圖(二)的局部放大圖,在圖(5)中,設 s1=PG,t1=GH,t2=HQ,則 d=t1+t2, 先測量x1、l、θ3,可利用下式求出θ1

θ1=1/2*COT-1((l1/x1)-cosθ3)/sinθ3)

再利用數位相機可測量出(y1-d)的值,帶入 x2=y1+x1-d,可求出 x2則 ─ ─ X i(θ1,θ3,x2,d,l1) 為一常數,由以下六式聯立可求出曲率半徑ρ 1 1 3 2 2 2 sin( 2 ) 2 sin s l x − − − = π θ θ θ ---(1) 1 1 2 3 1 ) sin( ) sin( t θ θ ρ θ θ + = − ---(2) 1 3 1 1 1 sin( ) sin s t d θ θ π θ = − − − ---(3) 1 1 3 2 4 3 sin( ) sin s l l − − − = π θ θ θ ---(4) 2 3 1 3 1 ) sin sin( l l θ θ θ π − − = ---(5) ρ θ θ π ρθ θ + − − = + + 2 3 2 4 ) sin( ) 3 1 sin( l l ---(6)

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圖(二)

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(4)原理三:膜層及基材殘留應力之量測 設σs為基材所受的殘留應力,σf為膜材所受的殘留應力 Es為基材的彈性係數,Ef為膜材的彈性係數 εs為基材的變形量,εf為膜材的便變形量 t1 為膜材的厚度,t2 為基材的厚度 由基本定義σ=Eε與εc/ρ,其中 c 為材料離中性軸最大的距離可得出σf=Efε f=-Efc1/ρ,σs=Esεs=-Esc2/ρ 所以只要求出曲率半徑ρ就可以算出基材與膜材所受的殘留應力。在圖(五)中, n=Ef/Es,c1、c2 分別為膜材與基材離中性軸最大的距離, 圖(四) 圖(五)

(三)實驗

以 PVD 濺鍍機,在 RP 鋅合金模仁上作多層膜/DLC 膜之蒸鍍。其進行步驟研 如下: 1.RT 鋅合金模仁: 尺寸、硬度量測,酒精、丙酮超音波清洗

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2.PVD 金屬鋁濺覆: 使用銅靶,控制 Ar 壓力,輸入電源,加熱溫度(低於 250℃及工作壓力)。 3.PVD AlN 膜蒸鍍: 控制 Ar 氣體壓力,N2氣氣體壓力,工作壓力,工件溫度、輸入電源及蒸鍍 時 間。 4.PVD 氮化鈦膜蒸鍍: 控制Ar 及氮氣體壓力,工作壓力,工件溫度、輸入電源及蒸鍍時間。 5.PVD 碳化鉻膜蒸鍍: 控制Ar 及 CH4 氣氣體壓力,工作壓力,工件溫度、輸入電源及蒸鍍時間。 6.PVD DLC 膜蒸鍍: 控制Ar 及 CH4 氣氣體壓力,工作壓力,工件溫度、輸入電源及蒸鍍時間。 7.多層膜/DLC 膜之機械性質檢查: Hv 硬度量測,耐磨性實驗及內應力量測(雷射光繞射量測)。 8.多層膜/DLC 膜層觀察: 掃描式電子顯微鏡(SEM)之觀察中間層及 DLC 層量取膜厚及作 EDX 成份分 析。 9.多層膜/DLC 膜微組織及相的鑑定: 用X 光繞射儀(XRD)鑑定膜的組織、相的形式及生長方向。 10.拉曼光譜量測: 量測D band(鑽石結構波段,約 1350)及 G band(石墨結構波段,約在 1578) 的正確波數,及兩者強度比值的變化。 11.蒸鍍多層膜/DLC 膜於射出模模仁功能試驗: 量測每 100 次摻雜纖維塑料射出後澆口及模仁內尺寸及光滑度之變化。

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(四)結果與討論:

一、硬膜鍍覆在軟金屬基材附著性及機械性質分析: 表一為本研究所著重在RT 模具材鋅合金上作多層模分析設計的參考資料。在巨觀 (macro-)下硬膜的耐磨性在於硬度、殘留應力及摩擦係數,而硬度、摩擦係數往往 由膜質直接決定,而膜層(殘留)應力不只是膜質的因素,也往往由基材及製程因素 (process variables)如輸出功率、溫度、工作壓力、偏壓等來決定。膜層(殘留)應力 主要分成外質應力(extrinsic stress)及內質應力(intrinsic stress),前者往往由膜質及基 材的熱膨脹係數(TEC)來決定,即 εt=∆α·∆Τ,σ=εtE/(1-µ)= ∆α∆ΤE/(1-µ),其中 ∆α 為

兩者的TEC 的相差,∆Τ 為膜覆時基材溫度。而後者則是在鍍覆時原子沉積過程, 產生自生的附著(adsorption)、擴散(diffusion)、跳脫(desorption)以及與其他元素原子 的機械(impact)及化學(chemical reaction)反應所造成膜層內同質、異質原子相互作用 的應力場(stress field)以及膜層缺陷(如插入型、空孔、差排、疊差等)等所造成。 雖然Pelleg(4,7-8)等人認為外質應力影響較小,但如果 TEC 相差(∆α)很大,以及工 作溫度高時,外質應力所佔比例將逐漸升高,所以熱膨脹係數及格子參數等影響膜 層應變(strain)之因子,被直接考慮為影響因素,在表(一)及表(二)所示,在軟基材 要鍍覆硬質TiC 及 DLC,中間層的設計實為關鍵,如鋅合金上鍍氮化鋁由於格子 參數沒有相差很遠,故膜質雖有一定量的應力,但膜質不致大量剝落。重要的,如 表(二)所示,鋅合金上直接鍍覆 DLC 所產生的高的應力(780Mpa),在經過中間層 的設計後,最終五層的DLC 所得的應力不高,以致在得到最高硬度(236HV)時,膜 質仍然維持好的附著性,因此兼顧格子參數,熱膨脹係數的差異及鍵別的參數,作 為中間層及漸梯式(gradient layers)層的設計,是軟質基材要鍍覆高硬度耐磨膜的關 鍵的考量(20-23)。 二、DLC 鍍膜層結構分析: 由X-光繞射分析的圖(六),可知 TiC 結構明顯中間亦摻雜著 Ti 與 Zn 的中間化合物 相,由拉曼光譜之圖(八)(Laman spectroscope),亦顯示有明顯的 D band(1350 shift) 的鑽石相,至於圖(七)、(九)及圖(十)則為 SEM 的剖面圖及 OM 的正視圖,剖面圖 未能明晰顯示出各層間的結構,主要是中間層的設計較薄(約在幾拾奈米左右),而 在OM 的正視圖如圖(十)中,DLC 中有灰色的石墨管條狀組織,此為碳族結構容易 產生的硬質結構,而一些小黑點的結構應該是DLC 中鑽石的晶粒(24-25),此有待 作TEM 的格子影像(Lattice image)進一步得到證實,所以經由前段基本物理參數所 考量的中間層或漸梯式層的設計,經過膜層應力量測的輔助,可以得到在軟值的 RT 鋅合金膜仁中,鍍覆 DLC 的耐磨層[硬度增加為原來的 3 倍(鋅合金約 70HV 至 DLC 層之 HV236)],且膜質建全良好,因此在圖(十一)-圖(十三)即為實際 RP->RT

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模仁的製作,將最後(圖(十三))的模仁施以本文的多層漸梯式 DLC(gradient-multi-layer DLC)的設計,壽命的往上提升可以明顯的預期,此可由進 一步作澆口附近尺寸的追蹤,可以進一步得到量化的結果。

(五)結論:

在硬質膜/軟基材複合材料的設計上,應著重於中間層及漸近式層的設計,在快速 模具(RT)鋅合金上可鍍覆硬度高出 3 倍,且摩擦係數甚低的 DLC 耐磨層。

(六) 參考資料

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(七)實驗數據:

表一、各種材料的基本物理(含多種膜層材料及基材鋅合金)性質(2,3,5,8) 鍵別 格子參數 彈性模數 (Gpa) 熔點 (℃) 熱膨脹 係數(10-6/ ℃) 鋅合金 金屬鍵 a=2.64 c=4.95 16 420 30 鋁 金屬鍵 a0=4.04 60 660 24 氮化鋁 共價鍵 a=3.11 c=4.98 340 2700 5.7 鈦 金屬鍵 a=2.95 c=4.68 118 1668 8.35 氮化鈦 金屬鍵 a0=4.26 420 2450 9.3 碳化鈦 金屬鍵 a0=4.33 470 3100 8.2 DLC 共價鍵及 非晶質 a0=1.47(G) a0=1.54(D) 372(G) 443(D) 2600 0.8/4.8 G:graphite D:diamond

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表二、測量的膜層應力及硬度 膜層組合 膜層應力 硬度(HV) 附著性 鋅-鋁 68Mpa 95 G 鋅-氮化鋁 420Mpa 167 M 鋅-鈦 52Mpa 108 M 鋅-氮化鈦 - - B 鋅-碳化鈦 - - B 鋅-DLC 780Mpa - B M 鋅-鋁-氮化鋁 120Mpa 196 G 鋅-鋁-氮化鋁 -氮化鈦 138Mpa 204 G 鋅-鋁-氮化鋁 -氮化鈦 -碳化鈦-DLC 218Mpa 236 G G:good,M:moderate,B:bad(spalling or fragmentation)

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20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 2000 Ti Zn 2 Z n Zr [533] Ti[ 3 10 ] Zn[114] Ti Zn 2 [20 6 ] A l[ 200] Ti Zn 2 [351 ] A l[ 200] Inte ns it y ( a .u .) 2-Theta-Scale TiZn2[313] TiC[111] A l[ 111] Ti [211 ] Zn[ 1 12] 圖(六)鋅合金鍍覆 TiC 及 DLC 之 X-光繞射圖 圖(七)鋅合金鍍覆 TiC 及 DLC 之 SEM 剖面圖

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圖(九)鋅合金基材 200x

圖(十)鍍覆 TiC 及 DLC 的正視圖,白色為 TiC,灰色為 石墨,小黑點則為鑽石晶粒

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圖(十一) RP 成品圖

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參考文獻

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