表面处理在精密机械领域应用之发展动向.pdf

產業評析 表面處理在精密機械領域應用之發展動向 金屬中心 產業研究組 陳仲宜 出版日期：2009.07.16 一、前言 磨耗一直是機械工業零件使用上普遍存在的問題，工程師們很早就注意到此 類磨耗現象的存在已對相關產業造成極大損失。機械零件使用的環境通常相當地 複雜，其表面混合著物理及化學性的損害，而表面磨損是在這類機件常見到的現 象，造成表面磨損的主要因素來自於負荷、速度、摩擦、介質、壓刀及溫度等， 因此機件的材料表面所呈現的機械性質，通常會影響到機件的使用壽命。換句話 說，欲提升材料表面之機械性質，須藉由在機件表面適當的改質處理，方可有效 延長其使用壽命。 二、傳統表面處理技術所面臨之挑戰 傳統的表面改質法係利用固體、液體、氣體等介質，並控制溫度與時間，在 既有的材料表面上賦與其他特性以使材料高機能化的處理方法，包括有鍍覆膜層 的電鍍硬鉻、鍍鎳和噴塗皮膜，以及在金屬的表層滲入其他元素來進行改質的滲 碳、氮化、豐田擴散法（Toyota Diffusion ；TD ）處理等技術。然而，由於近來的 景氣低迷，使得高性能化與低成本化受到更加迫切的要求。另一方面，近年來環 境管理系統 ISO 14000 及歐盟的 RoHS （電力與電子設備之限用特定危險物質）指 令、REACH （化學品之登錄、評估、授權與限制）指令等環境法規已經實施，對 環境方面的要求增加，因此過去的電鍍硬鉻已經無法使用。 三、未來發展動向 隨著加工條件變得益加嚴苛，而同時又必須非滿足對環境的調和性不可，使 得應用在機械零組件領域的表面處理技術往無潤滑劑與乾式處理發展。尤其是近 幾年來，自動化容易且可以進行嚴密製程控制的利用真空及電漿能量的表面改質 法，尤其是 PVD 陶瓷鍍膜技術備受注目，被用來作為因應切削工具、模具、機械 部品等多樣化需求的手段，其效果已確實獲得認同。 除了乾式處理的趨勢持續發酵之外，基於成本削減的觀點所採行更為省時的 高速加工，造成工具的負荷(尤其是加工時所發生的熱負荷)加重，加以被加工材多 轉向鋁合金或複合材料、高張力高強度鋼材等難加工材，因此提升工具的耐磨耗 性及耐熱性成為相當重要的課題。 基於上述要求，表面改質處理業者開發了更加高性能與高機能的鍍膜，【圖1】 所示即為表面硬化鍍膜的發展趨勢，從最早的鍍硬鉻、鎳、鋅或者利用 CVD 等化 學反應來蒸鍍的時代進入到 1980 年代之後，利用電漿非平衡反應的 PVD 法所蒸 -1- ITIS 智網 .tw 經濟部技術處 ITIS 計畫成果，未經同意不得轉載 鍍的 TiN 鍍膜開始應用於切削工具與模具上。這種利用電漿的 PVD 法，尤其是離 子鍍(Ion Plating)製程，被用來開發 TiCN 及 TiAlN 等等由歷來的鍍膜元素所組合而 成的新型鍍膜。由於透過電漿的運用，可以輕易地合成由多種元素所構成的鍍膜， 因此進入了 3 元素、4 元素的多層膜的開發，甚至開發奈米級控制精度的新型鍍膜。 此外，將既有的 PVD 法與其他的表面處理法相結合以截長補短，亦即所謂的 「整合型表面處理技術」的研究，已經在各方面進入實用化階段。尤其是在模具 用途的表面處理方面，以 PVD 法為核心，開發媲美 CVD 法或 TD 法所製成具有 優質擴散膜層的整合處理技術，充分發揮了 PVD 法擅長的低溫處理的優勢。 純金屬純金屬 2-2-成份成份 3-3-成份成份 4-4-成份成份 奈米奈米 陶瓷膜陶瓷膜 多層膜多層膜 多層膜多層膜 多層膜多層膜 皮皮 膜膜 性性 能能 ((電鍍電鍍)) 圖1 表面硬化鍍膜的開發歷程 ㈾料來源：表面技術