[转帖]表面处理技术在模具之应用及发展

The application and development of surface treatment Technology on molds and dies
丘松茂　吴政道　林天财　罗万中 金属工业研究发展中心

一、前言
    近年来由于加工环境自动化及高速化之发展，对于模具寿命的要求日益提高。 影响模具寿命的因素包括材料、加工、热处理、表面处理及使用条件等，各因素间往往 相互影响，而其中表面处理制程在适当的选择及应用下，可以在最短时程内，获致寿命明 显的改善。　　本文即针对国内已可工业应用之表面处理技术，如物理蒸镀（PVD）、 化学蒸镀（CVD）、热反应扩散被覆（TRD）制程之技术发展及应用现况加以说明。
二、制程介绍及应用
1. 物理蒸镀制程（physical vapor deposition）
　 物理蒸镀处理属于原子类型的 被覆技术，基本特点是蒸镀材料以原子、离子、分子和离子团等原子级尺寸的颗粒形态 于工作表面沉积，形成一层致密的被覆层。物理蒸镀处理可分为：真空蒸镀、溅射、 离子蒸镀三大类。针对模具及刀具要求， 底材与被覆层间须有优越射着性的物理蒸镀处理技术首推离子蒸镀。
(1) 离子蒸镀基本原理：
　真空环境下藉由电气方式使蒸镀材料蒸发，经过辉光放电区 使蒸镀材料与通入之反应气体离子化，形成由带电离子、电子．原子、分子等的电浆， 此电浆作用于工件表面，工件表面与电浆中的活性原子与离子起反应，使表面状态发生 改变而获得被覆层。离子蒸技术将真空室中的辉光放电电浆技术及真空蒸镀膜技术结合 在一起，不仅明显提高镀层的各种性能且大大扩充应用范围。
(2) 离子蒸镀的特点：
A. 附着力强─由于离子轰击对工作表面产生清洁、蚀刻、加热、注入、 扩散等作用，增强被覆层与工作表面的附着强度。
B. 绕附性好─蒸镀材料在电浆区被解离为正离子，这些正离子将沿电场的 电力线运动，凡是电力线分布之处均可到达，而工作表面带负电压，因此工作的正面及 背面都处于电场之中，使得蒸镀材料的带电原子能到达工件的所有表面而沉积镀层， 其次气体的散射效应亦促使工作所有表面均能被被覆。
C. 镀层致密─离子蒸镀过程在真空条件下进行，具有辉光放电及离子 轰击作用，因此镀层组织致密，针孔气泡少。
D. 蒸镀材料与工件材质选择性广泛─离子蒸镀可以在金属或非金属表面 蒸镀金属膜、非金属膜、单层膜、化合物膜及陶瓷膜等等。
(3) 工业应用
    物理镀的镀层种类繁多，随应用场合的环境如负荷、润滑液、加工速度、 气氛、被加工材、受力状况等等，去选择适合的镀层。
(4) 未来发展
A. 镀层开发
a. 超硬薄膜：如：C-BN、CNx，超晶格（superlattice）及钻石等， 这剧薄膜硬度在5200 HV以上均较TiN、CrN硬度（1700～2300 HV）高出许多， 将有效提高耐磨性，另外由于镀层超高硬度相对所需厚度减小，能符合未来工作 高精度化的要求。
b. 耐热薄膜：如、McrAlY开发；具有耐热性及抗氧化性，适合应用在高速 切削及成形加工，McrAlY耐温可达1100℃，将可应用须耐高温环境的工件。
c. 耐蚀薄膜：如铬、铝薄膜开发；电镀硬铬有废水环保的问题，未来真空 蒸镀铬膜制程技术开发及设备大型化、连续式生产时将会取代大部分电镀硬铬市场。航天 零件真空蒸镀铝也是未来看好的技术与市场。
d. 润滑薄膜：具低摩擦系数的镀层如类钻石、二硫化钼等，此可应用至须 低摩擦阻力的场合或取代切削油的使用。
B. 设备开发
    在处理设备的趋势将朝自动化、大型化及连续化，各项趋势详述如下：
a. 自动化─物理蒸镀可藉由自动化计算机仿真系统，由输入温度、膜厚、 镀膜种类，工件形状尺寸材质后，即可自动生产，使此技术变得简单易于操作。
b. 大型化─设备大型化使处理工件的产品尺寸更不受限制和处理量增加 扩大应用范围，目 前物理蒸镀和阴极电弧及磁控溅射式已有二米长以上的蒸镀设备， 可生产大型的产品。
c. 连续化─目前物理蒸镀设备都为批式或半连续式生产，使生产本 偏高，未来将发展连续式生产，使生产成本降低，未来大型化及连续式生产应是以阴极 电弧离子镀及磁控溅射离子镀为主流，当阴极电弧离子镀的微粒问题加以克服，磁控溅射 离子镀的蒸镀距离扩大后，将使设备的大型化连续式可行性加速。
2. 化学蒸镀制程（chemical vapor deposition）
    化学蒸镀乃利用化学反应由气相 析出固相物质，于真空蒸镀制程中有别于物理蒸镀，此项技术可蒸镀氧化物、碳化物、 氮化物及硼化物等，为渐受广泛采用的表面处理技术之一，蒸镀陶瓷镀膜于刀具、模具 及机械部品上，可增加抗磨耗性、抗腐蚀性、耐高温性等，增加使用寿命。不仅在工具钢、 模具钢上有优良特性的表现，在碳化钨材质上的表面蒸镀处理也逐渐受到广泛的重视。
    化学蒸镀处理应用于刀具模具上的技术大致可将之区分为热CVD（thermal CVD）及 电浆CVD（plasma chemical vapor deposition，简称PCVD），热CVD乃是利用热源提供化学反应所需的能量，又因制程温度的高低可将热CVD 分为高温CVD（high temperature CVD，简称HTCVD）制程温度约为1000～1050℃及中 温CVD（moderate temperature CVD，简称MTCVD）其制程温度约为700～900℃。
(1) 化学蒸镀原理：
    热CVD反应是将各种化学反应物质通入反应炉体内，于高温的热能 供应作用下，于工件表面形成镀膜。为使化学反应能够进行，所加入的热能主要为提供 物种反应所需的能量，使各化学物种有足够的能量越过活化能障，形成所需的化合物， 而在工具模具上的CVD反应所生成的化合物较常见者有TiC、TiN、Ti（CN）、CrC及…… 等等。电浆化学浆（PCVD）是于300～900℃，10～1000 Pa，以pulse DC的能量产生电浆， 通入、Ar、等气体进行电浆扩散，于金属基材内形成扩散层或于表面形成化合物层， 增加硬度，以利于抗磨耗摩损。
(2) 热CVD的特点：
优点：
A. 可成长非常多种类的薄膜材料。
B. 镀膜与基材的附着性优良。
C. 可得高级度，高品质镀膜，镀膜之结晶性，配向性可控制。
D. 析出速度快，通常为数μm/min至数百μm/min也是可能。
E. 反应制程条件的选择可容易获得单层膜，多层膜，分散膜，磊晶膜， 厚膜等。
F. 基材的材料及形状可多样性、平板、线材、箔、粉末、内管及 非常复杂的形状都可处理。
G. 设备简单，生产性高，再现性优良。
缺点：
A. 镀膜成长温度高，基材和反应设备的耐热性，及原料气体的 腐蚀问题须控制。
B. 高温处理伴随着基材尺寸变化，基材和镀膜界面间的残留热应力 严重不容忽视。
C. 活泼性气体源的使用，制程中的爆炸，毒性等工安险必须特别注意。
D. 反应控制因子多，装置设计极为重要。
E. 工件局部蒸镀处理将有困难。
电浆CVD的特点：
A. 制程温度低，无变形，尺寸精度佳，可局部处理。
B. 镀膜附着性佳，可处理高负载加工之工具。
C. 绕镀性不差，可处理孔洞、小穴及复杂形状之工具。
D. 镀膜致密，表面光滑，处理后可保持原有工件之镜面状况。
(3) 工业应用
    CVD制程的工具或模具因镀层与母材间的结合性非常好，故使用于重切削或 高负载之成形模具上已相当成功，虽然PVD之低温制程有很多优点，但CVD由于其高附着性及 良好的绕镀性，因此在冷间锻造、深抽、剪缘、螺丝成型等严苛的加工环境下，业者通常使用 高温CVD被覆硬质膜以提高寿命。经CVD处理之模具寿命可提升3倍甚至30倍，不仅可大大 降低生产成本，尚可提高加工速率，增加生产效率。PCVD可在500℃左右处理一般需高温回火 之钢材，如工具钢、模具钢等都可在完成品后，作PCVD处理，而不需后续之真空热处理，即可 节省成本又可防止尺寸变形，PCVD镀膜之附着性，致密性佳，可处理复杂形状之工件，并作局 部被覆，如此可扩大其应用范围，一般应用于冷间加工模具，射出成形模具，铝合金压铸模具 等都有非常好的效果。于塑料射出成形模具上之应用效果极佳， 尤其是在光盘射出成形模具上，如CD、MD、LD、CD-ROM、MO、DVD用的镜面模具，因PCVD TiN 处理之表面粗糙度可达Ra：0.002μm以下，Rmax：0.03μm以上，此为PVD难以比拟之处。于 铝合金压铸模具上已有非常优良的结果，以PCVD法处理铝合金压铸模具，因其镀膜致密， 附着性佳，又可结合渗氮＋镀膜之复合处理，对于铝汤之抗熔蚀性效果极佳。
(4) 未来发展
    热CVD制程技术已发展非常久的历史，技术也渐趋成熟，但对于镀膜特性与 实际应用场合的适用性尚未研究透澈，也就是说，理论和实际试用资料的累积尚未完整， 可谓未来非常重要的问题，而超硬合金的CVD被覆处理的效果将益形重要，CVD之复合热处理 之技术开发也将是未来发展的重点之一，如：
A. CVD＋真空热处理
B. CVD＋高周波、 雷射热处理
C. td＋CVD
D. CVD＋PVD
E. 过渗碳＋CVD
F. CVD＋CVD
    此复合处理能 取各项制程之优点，期能发挥更高之效果，而其基础研究尚待完全之确立。
PCVD在未来镀膜发展上朝向：
A. DLC膜
    DLC（diamond like carbon）即是所谓的类钻膜，主要成份为碳，具有 高硬度、高热传系数、高电阻系数及低摩擦系数，因此，对于铝合金之加工及非铁金属之成形， 可有效抵抗粘着磨耗之发生，一般制程是以离子束或溅射PVD法，但都难以制作大型及复杂之 模具，目前研究可以利用PCVD技术于150℃，0.1 torr，1000 V的条件下，通以或制作约 1 μm厚的DLC膜，此镀膜的未来发展令人非常的期待。
B. TiAlN膜
    TiAlN镀膜因表面易形成致密的膜，对于抗氧化性非常好，是一种非常 适合于高温使用模具的镀膜，一般TiN于600℃即产生氧化，而TiAlN于800℃仍然无任何的重 量增加发生，利用PCVD蒸镀TiAlN膜乃是在蒸镀TiN的基础上，加入的化合物以提供铝源，便 可成长TiAlN膜，目前应用于铝合金的压铸模效果非常好。
3. 热反应扩散沉积制程（thermal reactive deposition/diffusion）
    系1970年由日本 丰田中央研究所开发出来的碳化物被覆技术，因被覆层系由材料中的碳或氮元素，和处理剂中 之元素高温反应而成，故称之为热反应扩散沉积处理，简称为TRD处理。
(1) TRD基本原理：
    将含碳之材料置于含有碳化物形成元素例如：钒、铌、铬之熔融硼砂浴 中，材料中的碳原子会向外扩散至表面，与浴中之碳化物形成元素结合为一层极薄的碳化钒、 碳化铌或碳化铬，因此层很薄，所以碳原子可绵延不断地经此层扩散至表面而形成碳化物。 TRD处理可分为盐浴法和流体床法两种，处理温度亦有高温与低温之区别。随着处理方法之不同， 选择不同之处理剂，使得TRD处理不再限于只被覆碳化物，应用低温盐浴法尚可得到氮化物或 碳氮化物。
(2) TRD特点：
A. TRD处理之盐浴成分为无污性原料，盐浴之主成分为无水硼砂（）， 于熔融状态加入钒粉、钒铁粉、铌粉、铌铁粉、铬粉、铬铁粉，则可用于V、Nb、Cr碳化物之 被覆。若盐浴出现老化现象，则会减缓被覆之速率，此时可添加Al、Fe-Si、Si-Ca等还原剂 来恢复盐浴之活性。
B. 处理温度一般选用850～1050℃，浸渍时间则依母材钢种、处理温度 和所需碳化物厚度而异，例如SKD于1020℃处理1～12 hr，SK或SKS于900℃处理1～5 hr，为 一般采用之处理条件。
C. 适合被覆处理材料范围广，大部份含碳之材料如钢、铸铁、 钴合金、镍合金、超硬合金（以钴和镍为结合剂者），Sic、瓷金（cermet）或石墨等，皆可 作为母材，对含碳量少之材料如铁、镍合金、低碳钢及沃斯田体系不锈钢，则须先渗碳才能处 理。以钢而言，其含碳量至少要在0.3％以上，才适合作为被覆处理之材料。
D. 碳化物之 种类多：高温盐浴法最常被覆之碳化物有碳化钒（VC）、碳化钒（NbC）及碳化铌（CrC）， 其中碳化铬系由和两种碳化物所组成。除此之外，尚有TaC、TiC、等。若浴中含有两种碳化 物形成元素时，亦可形成复合碳化物例如：（V,Ti）C、（V,Nb）C、（Nb,Ta）C与 等。碳 化物之厚度可做到小于1μm或大到数十个μm，不过通常最实用之厚度为2～10μm。
(3) 工业应用
    各种模具、工具与机械零件于TRD碳化钒被覆处理后，钢管精整滚轮，于TRD处理 后可有效降低表面之磨耗与刮痕，减少修模次数，提高生产效率，其使用寿命有5倍以上之提 升。于应用于不锈钢钢管之成形时，更可大幅减少不锈钢粘模之现象。
(4) 未来发展
    从技术面与应用面来看，高温盐浴去系TRD处理诸法中最成熟的，虽有成长速 率快、制程时间短及附着性良好之优点，但亦有变形不易掌握之天生缺陷。为了因应未来工业 对省能源与高精度之要求低温盐浴法之制程正积极开发应用中，使得TRD处理技术能更广泛地 应用在较精密之场合，以创造更多之经济效益。
三、结论各种表面处理制程有其优缺点及限制，因此在作选择之前必须对模具加工的前工程及 加工环境作一彻底了解，并由其以往破损模式可断是否因设计或加工所导致，须针对其原因对 症下药，才能真正解决模具寿命的问题，最后再强调并无所谓最好的表面处理制程，而只有最 适当的表面处理制程。
四、参考文献
1. 薄膜科学与技术手册，1991年3月。
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