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Dec 09 Wed 2009 10:06
陶瓷材料 www.tool-tool.com

圖七、100隻氧化鋁試樣的強度分佈圖

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Dec 09 Wed 2009 09:56
模具制造領域的25個常見問題解答 www.tool-tool.com

模具制造領域的25個常見問題解答

1) 選擇模具鋼時什麼是最重要的和最具有決定性意義的因素？
成形方法－可從兩種基本材料類型中選擇。
A) 熱加工工具鋼，它能承受模鑄、鍛造和擠壓時的相對高的溫度。
B) 冷加工工具鋼，它用於下料和剪切、冷成形、冷擠壓、冷鍛和粉末加壓成形。
塑料-一些塑料會產生腐蝕性副產品，例如PVC塑料。長時間的停工引起的冷凝、腐蝕性氣體、酸、冷卻/加熱、水或儲存條件等因素也會產生腐蝕。在這些情況下，推荐使用不銹鋼材料的模具鋼。
模具尺寸－大尺寸模具常常使用預硬鋼。整體淬硬鋼常常用於小尺寸模具。
模具使用次數－長期使用（> 1 000 000次）的模具應使用高硬度鋼，其硬度為48－65 HRC。中等長時間使用（100 000到1 000 000次）的模具應使用預硬鋼，其硬度為30－45 HRC。短時間使用（<100 000次）的模具應使用軟鋼，其硬度為160－250 HB。
表面粗糙度－許多塑料模具制造商對好的表面粗糙度感興趣。當添加硫改善金屬切削性能時，表面質量會因此下降。硫含量高的鋼也變得更脆。
2) 影響材料可切削性的首要因素是什麼？
鋼的化學成分很重要。鋼的合金成分越高，就越難加工。當碳含量增加時，金屬切削性能就下降。
鋼的結構對金屬切削性能也非常重要。不同的結構包括：鍛造的、鑄造的、擠壓的、軋制的和已切削加工過的。鍛件和鑄件有非常難於加工的表面。
硬度是影響金屬切削性能的一個重要因素。一般規律是鋼越硬，就越難加工。高速鋼（HSS）可用於加工硬度最高為330-400 HB的材料；高速鋼+鈦化氮（TiN）涂層，可加工硬度最高為45 HRC的材料；而對於硬度為65-70 HRC的材料，則必須使用硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷和立方氮化硼（CBN）。
非金屬參雜一般對刀具壽命有不良影響。例如Al2O3 （氧化鋁），它是純陶瓷，有很強的磨蝕性。
最后一個是殘余應力，它能引起金屬切削性能問題。常常推荐在粗加工后進行應力釋放工序。
3) 模具制造的生產成本由哪些部分組成？
粗略地說，成本的分布情況如下：
切削 65％
工件材料 20％
熱處理 5％
裝配/調整 10％
這也非常清楚地表明了良好的金屬切削性能和優良的總體切削解決方案對模具的經濟生產的重要性。
4) 鑄鐵的切削特性是什麼？
一般來說，它是：
鑄鐵的硬度和強度越高，金屬切削性能越低，從刀片和刀具可預期的壽命越低。用於金屬切削生產的鑄鐵其大部分類型的金屬切削性能一般都很好。金屬切削性能與結構有關，較硬的珠光體鑄鐵其加工難度也較大。片狀石墨鑄鐵和可鍛鑄鐵有優良的切削屬性，而球墨鑄鐵相當不好。
加工鑄鐵時遇到的主要磨損類型為：磨蝕、粘結和擴散磨損。磨蝕主要由碳化物、沙粒參雜物和硬的鑄造表皮產生。有積屑瘤的粘結磨損在低的切削溫度和切削速度條件下發生。鑄鐵的鐵素體部分最容易焊接到刀片上，但這可用提高切削速度和溫度來克服。
在另一方面，擴散磨損與溫度有關，在高切削速度時產生，特別是使用高強度鑄鐵牌號時。這些牌號有很高的抗變型能力，導致了高溫。這種磨損與鑄鐵和刀具之間的作用有關，這就使得一些鑄鐵需用陶瓷或立方氮化硼（CBN）刀具在高速下加工，以獲得良好的刀具壽命和表面質量。
一般對加工鑄鐵所要求的典型刀具屬性為：高熱硬度和化學穩定性，但也與工序、工件和切削條件有關；要求切削刃有韌性、耐熱疲勞磨損和刃口強度。切削鑄鐵的滿意程度取決於切削刃的磨損如何發展：快速變鈍意味著產生熱裂紋和缺口而使切削刃過早斷裂、工件破損、表面質量差、過大的波紋度等。正常的后刀面磨損、保持平衡和鋒利的切削刃正是一般需要努力做到的。
5) 什麼是模具制造中主要的、共同的加工工序？
切削過程至少應分為3個工序類型：
粗加工、半精加工和精加工，有時甚至還有超精加工（大部分是高速切削應用）。殘余量銑削當然是在半精加工工序后為精加工而準備的。在每一個工序中都應努力做到為下一個工序留下均勻分布的余量，這一點非常重要。如果刀具路徑的方向和工作負載很少有快速的變化，刀具的壽命就可能延長，並更加可預測。如果可能，就應在專用機床上進行精加工工序。這會在更短的調試和裝配時間內提高模具的幾何精度和質量。
6) 在這些不同的工序中應主要使用何種刀具？
粗加工工序：圓刀片銑刀、球頭立銑刀及大刀尖圓弧半徑的立銑刀。
半精加工工序：圓刀片銑刀（直徑範圍為10－25 mm的圓刀片銑刀），球頭立銑刀。
精加工工序：圓刀片銑刀、球頭立銑刀。
殘余量銑削工序：圓刀片銑刀、球頭立銑刀、直立銑刀。
通過選擇專門的刀具尺寸、槽形和牌號組合，以及切削參數和合適的銑削策略，來優化切削工藝，這非常重要。
關於可使用的高生產率刀具，見模具制造用樣本C-1102:1
7) 在切削工藝中有沒有一個最重要的因素？
切削過程中一個最重要的目標是在每一個工序中為每一種刀具創建均勻分布的加工余量。這就是說，必須使用不同直徑的刀具（從大到小），特別是在粗加工和半精加工工序中。任何時候主要的標準應是在每個工序中與模具的最終形狀盡可能地相近。
為每一種刀具提供均勻分布的加工余量保證了恆定而高的生產率和安全的切削過程。當ap/ae（軸向切削深度/徑向切削深度）不變時，切削速度和進給率也可恆定地保持在較高水平上。這樣，切削刃上的機械作用和工作負載變化就小，因此產生的熱量和疲勞也少，從而提高了刀具壽命。如果后面的工序是一些半精加工工序，特別是所有精加工工序，就可進行無人加工或部分無人加工。恆定的材料加工余量也是高速切削應用的基本標準。
恆定的加工余量的另一個有利的效應是對機床——導軌、球絲杠和主軸軸承的不利影響小。
8) 為什麼最經常將圓刀片銑刀作為模具粗加工刀具的首選？
如果使用方肩銑刀進行型腔的粗銑削，在半精加工中就要去除大量的台階狀切削余量。這將使切削力發生變化，使刀具彎曲。其結果是給精加工留下不均勻的加工余量，從而影響模具的幾何精度。如果使用刀尖強度較弱的方肩銑刀（帶三角形刀片），就會產生不可預測的切削效應。三角形或菱形刀片還會產生更大的徑向切削力，並且由於刀片切削刃的數量較少，所以他們是經濟性較差的粗加工刀具。
另一方面，圓刀片可在各種材料中和各個方向上進行銑削，如果使用它，在相鄰刀路之間過渡較平滑，也可以為半精加工留下較小的和較均勻的加工余量。圓刀片的特性之一是他們產生的切屑厚度是可變的。這就使它們可使用比大多數其它刀片更高的進給率。圓刀片的主偏角從幾乎為零（非常淺的切削）改變到90度，切削作用非常平穩。在切削的最大深度處，主偏角為45度，當沿帶外圓的直壁仿形切削時，主偏角為90度。這也說明了為什麼圓刀片刀具的強度大——切削負載是逐漸增大的。粗加工和半粗加工應該總將圓刀片銑刀，如CoroMill 200（見模具制造樣本C-1102:1）作為首選。在5軸切削中，圓刀片非常適合，特別是它沒有任何限制。
通過使用良好的程式化，圓刀片銑刀在很大程度上可代替球頭立銑刀。跳動量小的圓刀片與精磨的的、正前角和輕切削槽形相結合，也可以用於半精加工和一些精加工工序。
9) 什麼是有效切削速度（ve）和為什麼它對高生產率非常重要？
切削中，實際或有效直徑上的有效切削速度的基本計算總是非常重要。由於台面進給量取決於一定切削速度下的轉速，如果未計算有效速度，台面進給量就會計算錯誤。
如果在計算切削速度時使用刀具的名義直徑值（Dc），當切削深度淺時，有效或實際切削速度要比計算速度低得多。如圓刀片CoroMill 200刀具（特別是在小直徑範圍）、球頭立銑刀、大刀尖圓弧半徑立銑刀和CoroMill 390立銑刀之類的刀具（這些刀具請參見山特維克可樂滿的模具制造樣本 C-1102:1）。由此，計算得到的進給率也低得多，這嚴重降低了生產率。更重要的是，刀具的切削條件低於它的能力和推荐應用範圍。
當進行3D切削時，切削時的直徑在變化，它與模具的幾何形狀有關。此問題的一個解決方案是定義模具的陡壁區域和幾何形狀淺的零件區域。如果對每個區域編制專門的CAM程序和切削參數，就可以達到良好的折中和結果。
10) 對於成功的淬硬模具鋼銑削來說，重要的應用參數有哪些？
使用高速銑對淬硬模具鋼進行精加工時，一個需遵守的主要因素是採用淺切削。切削深度應不超過0.2/0.2 mm（ap/ae：軸向切削深度/徑向切削深度）。這是為了避免刀柄/切削刀具的過大彎曲和保持所加工模具擁有小的公差和高精度。
選擇剛性很好的夾緊系統和刀具也非常重要。當使用整體硬質合金刀具時，採用有最大核心直徑（最大抗彎剛性）的刀具非常重要。一條經驗法則是，如果將刀具的直徑提高20％，例如從10 mm提高到12 mm，刀具的彎曲將減小50％。也可以說，如果將刀具懸伸/伸出部分縮短20％，刀具的彎曲將減小50％。大直徑和錐度的刀柄進一步提高了剛度。當使用可轉位刀片的球頭立銑刀（見模具制造樣本 C-1102:1）時，如果刀柄用整體硬質合金制造，抗彎剛性可以提高3－4倍。
當用高速銑對淬硬模具鋼進行精加工時，選擇專用槽形和牌號也非常重要。選擇像TiAlN這樣有高熱硬度的涂層也非常重要。
11) 什麼時候應採用順銑，什麼時候應採用逆銑？
主要建議是：盡可能多使用順銑。
當切削刃剛進行切削時，在順銑中，切屑厚度可達到其最大值。而在逆銑中，為最小值。一般來說，在逆銑中刀具壽命比在順銑中短，這是因為在逆銑中產生的熱量比在順銑中明顯地高。在逆銑中當切屑厚度從零增加到最大時，由於切削刃受到的摩擦比在順銑中強，因此會產生更多的熱量。逆銑中徑向力也明顯高，這對主軸軸承有不利影響。
在順銑中，切削刃主要受到的是壓縮應力，這與逆銑中產生的拉力相比，對硬質合金刀片或整體硬質合金刀具的影響有利得多。當然也有例外。當使用整體硬質合金立銑刀（見模具樣本C- 1102:1中的刀具）進行側銑（精加工）時，特別是在淬硬材料中，逆銑是首選。這更容易獲得更小公差的壁直線度和更好的90度角。不同軸向走刀之間如果有不重合的話，接刀痕也非常小。這主要是因為切削力的方向。如果在切削中使用非常鋒利的切削刃，切削力便趨向將刀“拉”向材料。可以使用逆銑的另一個例子是，使用老式手動銑床進行銑削，老式銑床的絲杠有較大的間隙。逆銑產生消除間隙的切削力，使銑削動作更平穩。
12) 仿形銑削還是等高線切削？
在型腔銑削中，保證順銑刀具路徑成功的最好方法是採用等高線銑削路徑。銑刀（例如球頭立銑刀，見模具制造樣本C-1102:1）外圓沿等高線銑削常常得到高生產率，這是因為在較大的刀具直徑上，有更多的齒在切削。如果機床主軸的轉速受到限制，等高線銑削將幫助保持切削速度和進給率。採用這種刀具路徑，工作負載和方向的變化也小。在高速銑應用和淬硬材料加工中，這特別重要。這是因為如果切削速度和進給量高的話，切削刃和切削過程便更容易受到工作負載和方向改變的不利影響，工作負載和方向的變化會引起切削力和刀具彎曲的變化。應盡可能避免沿陡壁的仿形銑削。下仿形銑削時，低切削速度下的切屑厚度大。在球頭刀中央，還有刃口崩碎的危險。如果控制差，或機床無預讀功能，就不能足夠快地減速，最容易在中央發生刃口崩碎的危險。沿陡壁的上仿形銑削對切削過程較好一些，這是因為在有利的切屑速度下，切屑厚度為其最大值。
為了得到最長的刀具壽命，在銑削過程中應使切削刃盡可能長時間地保持連續切削。如果刀具進入和退出太頻繁，刀具壽命會明顯縮短。這會使切削刃上的熱應力和熱疲勞加劇。在切削區域有均勻和高的溫度比有大的波動對現代硬質合金刀具更有利。仿形銑削路徑常常是逆銑和順銑的混合（之字形），這意味切削中會頻繁地吃刀和退刀。這種刀具路徑對模具質量也有不好的影響。每次吃刀意味刀具彎曲，在表面上便有抬起的標記。當刀具退出時，切削力和刀具的彎曲減小，在退出部分會有輕微的材料“過切削”。
13) 為什麼有的銑刀上必須有不同的齒距？
銑刀是多切削刃刀具，齒數（z）是可改變的，有一些因素可以幫助確定用於不同加工類型的齒距或齒數。材料、工件尺寸、總體穩定性、懸伸尺寸、表面質量要求和可用功率就是與加工有關的因素。與刀具有關的因素包括足夠的每齒進給量、至少同時有兩個齒在切削以及刀具的切屑容量，這些僅是其中的一小部分。
銑刀的齒距（u）是刀片切削刃上的點到下一個切削刃上同一個點的距離。銑刀分為疏、密和超密齒距銑刀，大部分可樂滿銑刀都有這3個選項，見模具制造樣本C-1102:1。密齒距是指有較多的齒和適當的容屑空間，可以以高金屬去除率切削。一般用於鑄鐵和鋼的中等負載銑削。密齒距是通用銑刀的首選，推荐用於混合生產。
疏齒距是指在銑刀圓周上有較少的齒和有大的容屑空間。疏齒距常常用於鋼的粗加工到精加工，在鋼加工中振動對加工結果影響很大。疏齒距是真正有效的問題解決方案，它是長懸伸銑削、低功率機床或其它必須減小切削力應用的首選。
超密齒距刀具的容屑空間非常小，可以使用較高的工作台進給。這些刀具適合於間斷的鑄鐵表面的切削、鑄鐵粗加工和鋼的小余量切削，例如側銑。它們也適合於必須保持低切削速度的應用。銑刀還可以有均勻的或不等的齒距。后者是指刀具上齒的間隔不相等，這也是解決振動問題的有效方法。
當存在振動問題時，推荐盡可能採用疏齒不等齒距銑刀。由於刀片少，振動加劇的可能性就小。小的刀具直徑也可改善這種情況。應使用能很好適應的槽形和牌號的組合——鋒利的切削刃和韌性好的牌號組合。
14) 為了獲得最佳性能，銑刀應怎樣定位？
切削長度會受到銑刀位置的影響。刀具壽命常常與切削刃必須承擔的切削長度有關。定位於工件中央的銑刀其切削長度短，如果使銑刀在任一方向偏離中心線，切削的弧就長。要記住，切削力是如何作用的，必須達到一個折中。在刀具定位於工件的中央的情況下，當刀片切削刃進入或退出切削時，徑向切削力的方向就隨之改變。機床主軸的間隙也使振動加劇，導致刀片振動。
通過使刀具偏離中央，就會得到恆定的和有利的切削力方向。懸伸越長，克服所有可能的振動也就越重要。
15) 為了消除切削過程中的振動，應採取什麼措施？
當存在振動問題時，基本措施是減小切削力。這可通過使用正確的刀具、方法和切削參數達到。
遵守下面的已證明有效的建議：
- 選擇疏齒距或不等齒距銑刀。
- 使用正前角、小切削力刀片槽形。
- 盡可能使用小銑刀。當使用減震接杆進行銑削時，這一點特別重要。
- 使用小切削刃鈍化半徑（ER）的刀片。從厚涂層到薄涂層。如需要可使用非涂層刀片。應使用基體為細晶顆粒的高韌性刀片牌號。
- 使用大的每齒進給。降低轉速，保持工作台進給量（等於較大的每齒進給量）。或保持轉速並提高工作台進給量（較大的每齒進給量）。切勿減小每齒進給量！
- 減小徑向和軸向切削深度。
- 選擇穩定的刀柄，如可樂滿Capto。使用盡可能大的接柄尺寸，以獲得最佳穩定性。使用錐度加長杆，以獲得最大剛性。
- 對於大懸伸，使用與疏齒距不等齒距銑刀結合的減震接杆。安裝銑刀時，使銑刀與減震接柄直接連接。
- 使銑刀偏離工件中心。
- 如果使用偶數齒的刀具——可每隔一齒拆下一個刀片。
16) 為了使刀具平衡，應採取的最重要措施有哪些？
在整個切削過程中，為達到刀具平衡牽涉到的典型步驟如下：
- 測量刀具/刀柄組件的不平衡。
- 通過變更刀具、切削它以去除一些質量，或移動刀柄上的配重來降低不平衡。
- 經常必須重復這些步驟，包括再次檢查刀具、再次精確調整，直到達到平衡。
刀具平衡還牽涉到幾個未討論過的工藝中的不穩定性。其中之一是刀柄與主軸之間的配合問題。其原因是夾緊時常常有可測量的間隙，也可能是錐柄上有切屑或臟汙。這會造成錐柄每次定位都不相同。即使刀具、刀柄和主軸在各個方面的狀態都很好，但如果存在沾汙，也會造成不平衡。為了平衡刀具，必須會增加切削過程中的成本，如果刀具平衡對降低成本非常重要，就應並對每種的具體情況進行分析。
但是，為了很好地平衡刀具，在選擇正確的刀具時還有許多工作要做。以下幾點是選擇刀具時應給予考慮的：
- 購買高質量的刀具與刀柄。應選擇預先已消除了不平衡的刀柄。
- 最好使用短的和盡可能輕的刀具。
- 定期檢驗刀具和刀柄，檢查是否有疲勞螺紋和變形的征兆。
工藝能接受的刀具不平衡由工藝自身的情況來確定。這些情況包括切削過程的切削力、機床的平衡狀況及這兩個因素彼此相互影響的程度。試驗是找到最佳平衡的最好方法。用不同的不平衡值運行幾次，例如從不平衡值為20克毫米或更低開始。每次運行后，再用更加平衡的刀具重復試驗。最佳平衡應該是這樣的一個點：超過這個點后，進一步提高刀具平衡不會提高工件的表面質量；或是這樣的一個點：在此點上工藝能易於保證規定的工件公差。
關鍵是始終將重點放在工藝上，而不是將動平衡等級-G值或其它任意確定的平衡值作為目標。此目標應為達到效率盡可能高的工藝。這牽涉到權衡刀具平衡的成本和因此而獲得的好處，因此應在成本與好處之間合理地進行平衡。
關於刀具平衡更詳細的技術資訊，請與當地的可樂滿代表聯系。
17) 在常規和高速切削應用中，為了得到盡可能好的效果，我應使用何種刀柄？
高速加工時，離心力非常大，會導致主軸孔慢慢變大。這對一些V形法蘭的刀柄會產生負面影響，因為V形法蘭的刀柄僅在徑向面上與主軸孔接触。主軸孔變大會使刀具在拉杆恆定的拉力作用下被拉入主軸。這甚至會引起刀具粘住或Z軸方向的尺寸精度降低。
與主軸孔和端面同時接触的刀具，即徑向和軸向同時配合的刀具更適用於高速下的切削。當主軸孔擴大時，端面接触可避免刀具在主軸孔內向上的移動。使用空心刀柄的刀具也容易受離心力的影響，但它們已設計成在高速下隨主軸孔的增大而增大。刀具和主軸在徑向和軸向都接触提供了良好的夾緊剛性，使刀具可以進行高速切削。採用獨有的橢圓三棱短錐設計的可樂滿Capto接口在傳遞扭矩和高生產率切削時，具有更優秀的性能。
高主軸轉速時主軸表面接触的對照表
主軸轉速 ISO 40 HSK 50A Coromant Capto C5
0 100% 100% 100%
20 000 100% 95% 100%
25 000 37% 91% 99%
30 000 31% 83% 95%
35 000 26% 72% 91%
40 000 26% 67% 84%
當安排高速切削時，應盡量使用由對稱的刀具和刀柄組合而成的刀具系統。有幾種可用的不同刀具系統。先將刀柄加熱使孔擴張，待它們冷卻后刀具就被夾緊了，這就是過盈配合系統。對於高速切削來說，這是最好和最可靠的固定刀具方法。這首先是因為它的跳動量非常小；第二，這種連接能傳遞大扭矩；第三，它很容易構建定制刀具和刀具組件；最后，用這種方法組成的刀具組件有極高的總體剛性。
另一種出眾並非常通用的刀具夾緊裝置是可樂滿高精度強力夾頭—— CoroGrip。這種刀柄系統覆蓋了從粗加工到超精加工的所有應用。一個夾頭可夾緊使用直柄、惠氏刻槽或側壓式刀柄的面銑刀到鉆頭的所有類型的刀具。標準彈簧夾套，如可用液壓（HydroGrip）、BIG、Nikken、NT的彈簧夾套，均可用於CoroGrip夾頭。在4XD處的跳動量僅為 0.002 – 0.006 mm。夾緊力和扭矩傳遞特別高，其平衡設計使它用於高速切削（< 40 000轉/分）時有非常完美的性能。關於刀柄的詳細資訊，請參見模具制造樣本C-1102:1。
18) 我應怎樣切削轉角才能沒有振動的危險？
傳統的切削轉角的方法是使用線性切削（G1）,在轉角的過渡不連續。這就是說，當刀具到達角落時，由於線性軸的動力特性限制，刀具必須減速。在電機改變進給方向前，有一短暫的停頓，這會產生大量的熱量和摩擦。很長的接触長度會導致切削力的不穩定，並常常使角落切削不足。典型的結果是振動——刀具越大和越長，或刀具總懸伸越大，振動越強。
此問題的最佳解決方案：
• 使用圓角半徑比轉角半徑小的刀具。使用圓弧插補生成角落。這種加工方法在塊的邊界處不會產生停頓，這就是說，刀具的運動提供了光滑和連續的過渡，產生振動的可能性大大地降低了。
• 另一種解決方案是通過圓弧插補產生比圖紙上的規定稍大些的圓角半徑。這是很有利的，這樣，有時就可在粗加工中使用較大的刀具，以保持高生產率。
• 在角落處余下的加工余量可以採用較小的刀具進行固定銑削或圓弧插補切削。
19) 什麼是開始切削型腔的最佳方法？
共有4種主要方法：
• 起始孔的預鉆削，角落也可預鉆削。不推荐這種方法：這需要增加一種刀具，同時此刀具也要占據刀具室內空間。單從切削的觀點看，刀具通過預鉆削孔時因切削力而產生不利的振動。當使用預鉆削孔時，常常會導致刀具損坏。使用預鉆削孔，也會增加切屑的再切削。
• 如果使用球頭立銑刀或圓刀片刀具（見模具制造樣本C-1102:1），通常採用啄銑，以保證全部軸向深度都能得以切削。使用這種方法的缺點是排屑問題和使用圓刀片會產生非常長的切屑。
• 最佳的方法之一是使用X/Y和Z方向的線性坡走切削，以達到全部軸向深度的切削。
最后，可以以螺旋形式進行圓插補銑。這是一種非常好的方法，因為它可產生光滑的切削作用，而只要求很小的開始空間。
20) 高速切削的定義是什麼？
對於高速切削的討論在一定程度上仍是混亂的。如何定義高速切削（HSM），目前有許多觀點和許多方法。
讓我們看一下這些定義中的幾個：
• 高切削速度切削
• 高主軸速度切削
• 高進給切削
• 高速和高進給切削
• 高生產率切削
我們對高速切削的定義描述如下：
• HSM不是簡單意義上的高切削速度。它應當被認為是用特定方法和生產設備進行加工的工藝。
• 高速切削無需高轉速主軸切削。許多高速切削應用是以中等轉速主軸並採用大尺寸刀具進行的。
• 如果在高切削速度和高進給條件下對淬硬鋼進行精加工，切削參數可為常規的4到6倍。
• 在小尺寸零件的粗加工到半精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味著高生產率切削。
• 零件形狀變得越來越復雜，高速切削也就顯得越來越重要。
• 現在，高速切削主要應用於錐度40的機床上。
關於高速切削的詳細資訊，請參見模具制造應用指南 C-1120:2。請參見模具制造應用指南 C-1120:2。
21) 高速切削的目標是什麼？
高速切削的主要目標之一是通過高生產率來降低生產成本。它主要應用於精加工工序，常常是用於加工淬硬模具鋼。另一個目標是通過縮短生產時間和交貨時間提高整體競爭力。
達到這些目標的主要因素為：
• 一次（更少此數）裝夾的模具加工。
• 通過切削改善模具的幾何精度，同時可減少手工勞動和縮短試模時間。
• 使用CAM系統和面向車間的程式化來幫助制定工藝計划，通過工藝計划提高機床和車間的利用率。
關於高速切削的詳細資訊，請參見模具制造應用指南 C-1120:2。請參見模具制造應用指南 C-1120:2。
22) 高速切削的實際優點是什麼？
刀具和工件可保持低溫度，這在許多情況下延長了刀具的壽命。另一方面，在高速切削應用中，切削量是淺的，切削刃的吃刀時間特別短。這就是說，進給比熱傳播的時間快。
低切削力得到小而一致的刀具彎曲。這與每種刀具和工序所需的恆定的加工余量相結合，是高效和安全加工的先決條件之一。
由於高速切削中典型的切削深度是淺的，刀具和主軸上的徑向力低。這減少了主軸軸承、導軌和滾珠絲杠的磨損。高速切削和軸向銑削也是良好的組合，它對主軸軸承的沖擊小，使用這種方法可以使用懸伸較長的刀具而振動的風險不大。
小尺寸零件的高生產率切削，如粗加工、半精加工和精加工，在總的材料去除率相對低時有很好的經濟性。
高速切削可在一般精加工中獲得高生產率，可獲得杰出的表面質量。表面質量常低於Ra 0.2 um。
採用高速切削，使對薄壁零件的切削成為可能。使用高速切削，吃刀時間短，沖擊和彎曲減小了。
模具的幾何精度提高了，組裝就容易和更快了。無論是什麼人，技能如何，都能獲得CAM/CNC生產的表面紋理和幾何精度。如果花在切削上的時間稍多一些，費時的人工拋光工作可顯著減少。常常可減少達60-100%
一些加工，如淬火、電解加工和電火花加工（EDM），可以大大減少。這就可降低投資成本和簡化后勤供應。用切削代替電火花加工（EDM），模具使用壽命和質量也得到提高。
採用高速切削，可通過CAD/CAM很快改變設計，特別是在不需要生產新電極的情況下。
關於高速切削的詳細資訊，請參見模具制造應用指南C-1120:2。請參見模具制造應用指南C-1120:2。
23) 高速切削有風險或缺點嗎？
• 由於起始過程有高的加速度和減速度以及停止，導軌、滾珠絲杠和主軸軸承產生相對快的磨損。這常常導致較高的維護成本。
• 需要專門的工藝知識、程式化設備和快速傳送資料的接口。
• 可能很難找到和挑選高級技術員工。
• 常有相當長的調試和出故障時間。
• 加工中無需緊急停止，導致人為錯誤和軟體或硬體故障會產生許多嚴重后果。
• 必須有良好的加工計划——“向飢餓的機床提供食物”。
• 必須有安全保護措施：使用帶安全外罩及防碎片蓋的機床。避免刀具的大懸伸。不要使用“重”刀具和接杆。定期檢查刀具、接杆和螺栓是否有疲勞裂紋。僅使用注明最高主軸速度的刀具。不要使用整體高速鋼（HSS）刀具！
關於高速切削的詳細資訊，請參見模具制造應用指南C-1120:2。請參見模具制造應用指南C-1120:2。
24) 高速切削對機床有哪些要求？
對ISO/BT 40號機床的典型要求如下：
• 主軸速度範圍 < 40 000 轉/分
• 主軸功率 > 22 kW
• 可程式化進給率 40-60 m/分
• 快速橫向進給 < 90 m/分
• 軸向減速度/加速度 > 1 G
• 塊處理速度 1-20 毫秒
• 資料傳遞速度 250 Kbit/s (1 毫秒)
• 增量（線性） 5-20 微米
• 或 NURBS 插補
• 主軸具有高熱穩定性和剛性，主軸軸承具有高的預張力和冷卻能力。
• 通過主軸的送風/冷卻液
• 具有高的吸收振動能力的剛性機床框架
• 各種誤差補償——溫度、象限、滾珠絲杠是最重要的。
• CNC中的高級預見功能。
關於高速切削的詳細資訊，請參見模具制造應用指南 C-1120:2。請參見模具制造應用指南C-1120:2。
25) 高速切削對切削刀具的典型特性或要求有哪些？
整體硬質合金：
• 高精度磨削，徑向跳動低於3微米。
• 盡可能小的凸出和懸伸，最大的剛性，盡可能小的刀具彎曲變形和大的芯核直徑。
• 為了使振動的風險、切削力和彎曲盡可能小，切削刃和接触長度應盡可能短。
• 超尺寸、錐度刀柄，這在小直徑時特別重要。
• 細晶粒基體和為了得到高耐磨性的TiAlN 涂層。
• 用於風冷或冷卻液的內冷卻孔。
• 適合淬硬鋼高速切削要求的堅固微槽形。
• 對稱刀具，最好是設計保證平衡。
使用可轉位刀片的刀具：
• 設計保證的平衡。
• 在刀片座和刀片上的保證跳動量小的高精度，主刀片的最大徑向跳動為10微米。
• 適合淬硬鋼高速切削要求的牌號和槽形。
• 刀具體上有適當的間隙，以避免刀具彎曲（切削力）消失時產生摩擦。
• 送風或冷卻液的冷卻孔（立銑刀）。
• 刀具體上標明允許的最大轉速。

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Dec 09 Wed 2009 09:42
電漿輔助化學氣象沉積之應用 www.tool-tool.com

真空鍍膜技術是表面處理技術的一支，在真空環境下薄膜材料在體材料表面氣相沈積形成覆膜。從鍍膜技術發展來看，初期發展熱蒸鍍技術，設備腔體大，運用加熱絲加熱，放上鋁材之後，通電流後揮發。隨著技術與設備不斷創新，真空鍍膜技術越趨繁複，應用範圍也越廣泛。

　　　真空鍍膜技術是表面處理技術的一支，在真空環境下薄膜材料在體材料表面氣相沈積形成覆膜。從鍍膜技術發展來看，初期發展熱蒸鍍技術，設備腔體大，運用加熱絲加熱，放上鋁材之後，通電流後揮發。隨著技術與設備不斷創新，真空鍍膜技術越趨繁複，應用範圍也越廣泛。
　依薄膜成長方式，主要區分成PVD與CVD鍍膜技術。PVD(Physical Vapor Deposition物理氣體沈積相)與CVD(Chemical Vapor Deposition化學氣體沈積相)是薄膜成長技術的廣泛稱呼，隨著激發方式不同，又可細分有十多種方式，包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、熱CVD、電漿輔助 CVD(即PECVD)、光誘發CVD等。簡言之，PVD採用物理方式、而CVD則用化學方式鍍膜。
　一般而言，PVD溫度低，沒有毒氣問題；CVD溫度高，需達到1000°以上將氣體解離，來產生化學作用。兩種不同的技術特性，應用的範圍也不同：PVD沈積到材料表面的附著力較CVD差一些，PVD適於運用在光電產業，而半導體製程中的金屬導電膜大多使用PVD來沉積，而其絕緣膜則大多數採用要求較嚴謹的CVD技術。類鑽碳膜具有高硬度及非常低的摩擦係數，耐酸鹼性及化學鈍性等，由於這些優越特性的組合，使得類鑽碳膜處理的應用相當廣泛。
類鑽碳膜應用
類鑽碳膜應用「類鑽碳膜 (DLC：Diamond Like Carbon)」又名「非結晶碳( Amorphous Carbon：a-C:H )」的應用很廣泛，依其特性可運用到下列各種不同的範圍：
1. 表面超硬膜
說明：鍍在不鏽鋼材料上需要加鍍一層增加附著力的緩衝層。塑膠模具與衝模模具為主的應用。通常用在H形鋼上不考慮 D L C的顏色效應，主要考慮的是其硬力與張力在眼鏡架或是刀具、切削工具上的應用，有時顏色也是一項很重要的考慮因素，這是國內較為普遍的應用。高級的螺絲釘與螺帽也有運用這類的技術，不過多半應用的是TiN的技術。以印刷電路板的產業應用來說，目前以ECR - CVD與離子輔助真空濺鍍的方式進行鑽頭表面的類鑽碳鍍膜來增強鑽頭的壽命。
2. 表面超潤滑膜
說明：表面超潤滑特性可以就不鏽鋼為例進行說明，假設未處理的不鏽鋼表面的摩擦係數為4.0，如鍍上一層氮化鈦(TiN)膜可以使摩擦係數降為2.0，如果加鍍類鑽碳膜則可以將摩擦係數降到1.0左右。以不鏽鋼為例子，目的在處理表面使其滑溜。例如：不超過攝氏300度的機械轉子或是活塞等應用為主。汽車活塞，類鑽碳鍍膜僅能用在活塞的側邊減少磨耗，燃燒室的溫度大約在攝氏350到 400度，較不適用。德國的汽車工業多半是鍍在活塞的側邊。鋼膜上加鍍類鑽碳膜的應用也越來越普遍，成熟的製程與設備還無法有效的達到大量量產的目標。但如果僅以小量生產的規模來進行，需要再就企業本體來評估成本效益是否具有經濟規模。
3. 人工關節
說明：這項技術的開發與應用以德國為首，有多項的專利與成熟的設備。產品市場主要以歐洲為主。類鑽碳膜為非結晶狀的碳原子氫原子共同鍵結而成。與人體的組成成份碳水化合物可以相容避免人造器官植入後人體產生的排斥效應。人造器官可用的材料不外是高分子塑膠與金屬兩大類，有些器官為了避免排斥效應也盡量採用陶瓷類的材料，其中以人工關節為外科手術中最為熱門的產品。因為人工關節的幾何形狀多半為不規則型態，因此，鍍膜的設備與製程技術為主要的關鍵。
4.紅外光區光學鍍膜產品
說明：各國空軍使用的飛彈，在彈頭區的紅外線尋標器上有一塊鍺材料做成的光學視窗，需要在表面鍍上多層結構的抗反射膜，用來增加由目標區反射回來的紅外線訊號。類鑽碳(DLC)扮演低折射率材料的角色，並搭配非晶矽(a-Si)高折射率材料達成紅外光區的抗反射鍍膜目的。目前國內以中山科學院為主要進行此項技術開發的研究單位。此外，通訊用的光纖被動元件，因為光源採用紅外光波長，可以使用類鑽碳膜做為低折射率材質，搭配非晶矽膜的高折射率材質，以交錯設計的多層膜結構完成紅外光區的抗反射膜與帶通率光器鍍膜。優點是可以大幅簡化膜層數目並得到較佳的光學表現。但這項技術目前為止，只有美國與德國擁有量產的設備，且設備與製程都已經申請專利。美國使用的技術為反應濺鍍；德國則使用電子槍反應鍍膜技術。兩種設備的造價都很高。
一、前言
　　所謂的碳膜即以碳為原料，利用物理或化學的方法沈積於基材表面所形成之薄膜材料。由於碳原子能以三種混成軌道存在。隨著此三種混成軌道比例之不同，碳膜能表現出各種不同的物理及機械性質。依C-C鍵結比例之不同，碳膜共可區分為(1)鑽石膜（diamond films）─C-C形成100％鍵結，(2)類鑽石膜（diamond like）─C-C形成混合鍵結，(3)石墨（Graphite）─C-C形成100％鍵結及，(4)類高分子薄膜（Polymer-like film）─C-C以混合鍵結，屬於非晶質膜。若依碳膜之機械性質區分，則分為“硬質碳膜”及“軟質碳膜”，其中鑽石薄膜及類鑽石薄膜因硬度較高屬於硬質碳膜，而石墨及類高分子膜因硬度低是屬於“軟質碳膜”。硬質碳膜除了硬度非常高之外，尚具有非常低的摩擦係數及優越的電絕緣性，超高熱傳導性，耐酸鹼性，化學鈍性，光穿透性，生物相容性，光滑及耐磨耗特性等，由於這些優越特性的組合，使得硬質碳膜在機械，電子、半導體等工業之應用日益廣泛。雖然硬質碳膜具有相當優越的機械性質及物理性質之組合，但如何將之有效的應用至工業上是許多研究者努力的方向。要使硬質碳膜能應用於工具上，必需要能夠滿足下列幾個條件：(1)高成長速率，(2)能蒸鍍於複雜的幾何形狀上，(3)與底材具有高附著性，(4)能在低溫下（＜500℃）成長鍍膜，(5)高均勻性，(6)能大面積蒸鍍。如比較硬質碳膜中之鑽石膜及類鑽石碳膜的成長方法，則以類鑽石碳膜最能符合上述條件。因此，在工，模具之應用方面以類鑽碳膜最富發展潛力。本次專題研究範圍以最能符合工業應用之類鑽石碳膜為主，說明如何以封閉式非平衡磁控濺射法成長類鑽石碳膜，並且探討非平衡磁控濺射法之製程參數與類鑽碳膜之附著性的關係，以及類鑽石碳膜在工業上之應用例。
二、類鑽碳膜之蒸鍍法
　　鑽石為高溫高壓穩定相，若要在較低的溫度及壓力下合成鑽石薄膜則需有氫原子的存在，一九七五年後各國使用化學氣相沈積法成長鑽石薄膜者，大都選加上大量的原料。傳統CVD製程有熱裂解法及熱燈絲裂解法，由於CVD化學反應皆在平衡狀態下進行，故其所生成之薄膜的品質及特性必受到熱力學及反應動力學限制，反應溫度仍然相當高，對一般工業上常使用的高速鋼，工具鋼等基材均無法應用，因此其應用受相當大的限制。為了突破CVD的困難，電漿輔助化學氣相沈積法（Plasma-enhanced CVD, PECVD or Plasma assisted CVD, PACV）因應而生，PECVD的化學反應是藉電場或磁場將反應物活化或離子化，因此反應不受熱力學平衡的限制，可在較低溫下成長硬質碳膜。一九七八年 Holland及Ojha即以丁烷為原料，用rf-PECVD系統成功地合成類鑽薄膜。從此PECVD便廣受各國研究人員所採用[1]，原料多採用含碳之有機氣體如等，壓力則多在20-300 torr範圍內，基板溫度仍高達600-1000℃。近年來更多的研究[2-4]發現在更低的壓力（ torr）之下，利用DC或rf-PECVD成功地在更低的基板溫度（25-300℃）上成長類鑽碳膜，使得類鑽碳膜可以成長在大多數工業應用的基材上，解決了低溫蒸鍍的問題之後，如何進一步降低鍍膜的內應力，使鍍膜與基材間的附著力能再提昇而應用於工業用途上成為研究者的目標，有些以介在層的方式改善其附著性。一九八五年Dimigen及Hubsch發表專利[5]，在類鑽碳膜中添加少量金屬元素降低鍍膜的內應力增加附著性，使得類鑽碳膜應用於耐磨耗用途上更為可能，到了一九九三年Teer等人利用非平衡磁控濺射的方法成功的結合多層蒸鍍（介在層）及在類鑽碳膜中加入少量金屬元素的概念，使得類鑽碳膜與基材間的結合力更進一步的提升。至此，類鑽碳膜在工業上的應用開始大步邁開，其用途也不斷的擴增當中，潛力無限。在英國預估至二○○五年時，類鑽碳膜的市場將擴增至英磅5269 ￡M[6]。
三、以非平衡磁控濺射法（CFUBMS）蒸鍍類鑽石碳膜
　　使用CFUBMS系統，DLC的製程如下所示[7]。
• 抽真空至mbar
• 濺射清潔工件表面
• 導入氬氣mbar
• 設定偏壓值1000 V
• 靶材1：使用Ti靶
• 靶材2：使用Ti靶
• 設定磁場電流
• 穩定保持5 min
• 導入氣
• 設定基板偏壓值
• 設定Optical Emmision M icroscope （OEM）值到55％
• 維持一段時間（20-30 min）
• 設定OEM值（5％，10％，or 15％）
• 維持一段時間（30 min）
　　CFUBMS DLC的蒸鍍製程基本上是一種多層蒸鍍，以TiN/TiCN/TiC為介在層最後再成長DLC鍍膜。在成長TiN/TiCN/TiC時與一般非平衡磁控濺射法相同，在成長DLC過程中逐漸增加的壓力，使得毒化靶材，靶材表面生成TiC，隨著靶材被毒化的程度愈高，鈦的濺射量愈含碳氫相當高的成分。再藉輝光中Ar離子的作用將碳原子由靶材表面濺射出來至輝光中，碳原子在輝光中受電子的撞擊作用而離子化，最後受基板偏壓的作用而達基材生成類鑽石碳膜。
四、蒸鍍條件對鍍膜性質的影響
　　表1表示在各種不同蒸鍍條件下，製程因素對鍍膜性質的影響。製程因素包括靶材電流、基材偏壓、鈦含量及氮含量，鍍膜的性質則測量鍍膜的沈積速率、硬度、磨擦係數、附著性等。
五、蒸鍍類鑽碳膜之應用例
　　在國外目前類鑽石碳膜被覆技術之應用已趨成熟，應用範圍愈來拗廣泛[6]，其應用之例子如：(1)應用於紡織業之纖維裁剪刀，在蒸鍍前每五秒需要再研磨一次，蒸鍍類鑽碳膜後可使用至一個小時以上不需研磨[8]。(2)直徑300 mm齒輪被覆DLC後使用壽命增加30％[9]，其他如成形工具，鋁擠製模，活塞，鋁合金裁切刀具等均有成功的應用。
　　目前所開發之類鑽碳膜被覆技術在工、模具上也有不少成功的應用例子，分述如下：
1.壓鑄鋁合金製品之裁邊刀具經類鑽碳膜被覆後，使用次數由10000次提升至50000次。
2.切削不鏽鋼鑽頭經類鑽碳膜被覆後，鑽孔次數由三十二孔增加至九十四孔，使用壽命提升約三倍。
3.IC成形模具經類鑽碳膜被覆後，由成形十批次研磨一次增加至五十一批次研磨一次。
六.鍍膜技術利弊各異
　以物理氣相沈積(PVD)被覆硬質薄膜具有高硬度、耐蝕及美觀等特點，在歐美與日本先進國家已廣泛地運用，台灣引進此一技術也有近十餘年的歷史，從早期取其美觀特性用於裝飾性蒸鍍，如手錶、皮帶扣等飾品，逐漸發展應用至取其高硬度特性的耐磨產品，如衝、切、剪、鑽、銑等機械加工之刀、工、模具上，對使用壽命有顯著的提升效果。精研模具技術多年的施議訓博士表示，一般模具使用約一、兩個月後，往往報銷必須重新再做。一般模具廠的觀念中，對於如何提升模具壽命，往往只懂得從材料方面下手，卻不清楚透過鍍膜技術，可提高模具品質與壽命。鍍膜在機械產業(如模具)的效用顯著，可增加表面硬度。藉著表面PVD超硬薄膜被覆處理，工具鋼、模具鋼或硬質合金工具，可提昇表面硬度3~5倍，減少工具的磨耗量。若鍍上DLC，壽命甚至可增加10~20倍。其次，可減少摩擦係數。藉著PVD超硬薄膜被覆處理，金屬氮化物(TiN、CrN)或潤滑式薄膜(DLC、MoS2)，可避免衝、剪及成型模具表面溶著、刮傷等問題，提高產品精度，降低模具耗損及延長模具壽命。此外，還能提高產品品質，藉著PVD超硬薄膜被覆處理，耐磨及耐熱特性的金屬氮化物(CrN、TiAlN)，可提昇加工速率，大幅提昇產能。
七.台灣鍍膜設備簡介及概況介紹
應用廣泛市場潛力十足鍍膜的應用範圍廣，尤其是3C產業及光學、光電產業及國防工業，未來潛在市場廣大。國立台灣師範大學工業教育研究所張秉書表示，真空鍍膜技術是近代薄膜合成方式的主流，已被大量運用在微電子、金屬切削刀具、光學元件、醫療器材上，例如TiN、TiCN及ZrN…等硬質膜，具有高硬度、耐磨耗、耐腐蝕與色澤美觀等優點，鍍在刀、工具上可大幅提升其機械性能與經濟價值；而像MoS2膜因具有似H.C.P的雙分子層層狀晶體結構，故具備良好磨潤特性，通常多應用在模具之表面鍍層。另由研究可知，在鍍MoS2膜時利用添加Ti金屬元素，在大氣環境下，Ti元素會比鍍膜元素先氧化形成TiO2化合物，有效減緩了MoS2的氧化反應，避免大氣環境中的氧擴散至其內部，從而提高模具抵抗環境溼度的能力。在戰機座艙罩上被覆硬度高、耐磨耗的類鑽碳膜，可讓戰機在頻繁應戰接敵的起飛與降落中，避免一些細小砂石刮傷艙罩之壓克力，或是亦可鍍上透明導電薄膜以提供除霜、去霧、抗靜電及紫外線與紅外線等功能。擔任海巡任務之直昇機其渦輪葉片上亦可鍍CrN膜，提升抗氧化及抗腐蝕性。紅外線感應飛彈彈頭視窗因有鍍上濾光膜，可讓目標物的輻射光通過，而對其他光沒有感應，使飛彈可鎖定敵機直接追擊。引進俄羅斯製膜設備技術而在製膜技術頗具實力的蘇聯，生產的高階設備還比中階設備便宜好用。蘇聯的工業技術非常強，但除了軍事工業之外，卻不知可以運用在哪裡，台灣最早引進PVD系統是運用在國防工業，中科院與蘇聯相關技術人員接觸很早，對薄膜製程相當熟悉。爾後有些台灣設備商找來蘇聯技術人員，將技術配上應用，開發出功能不錯的設備。業界專做PCB用之微小鍍膜銑刀及鑽針等刀具的環宇真空公司，其鍍膜技術即是從蘇聯引進，將太空科技轉為工商業用途。至於在光電業方面，如在OLED的玻璃基板上鍍的ITO導電膜；DWDM用之干涉濾光片等光學薄膜元件；PC產業中磁記錄薄膜及光儲存薄膜之應用；半導體製程中TiN薄膜的沉積以及在新興科技中諸如奈米技術、微機電系統…等，鍍膜皆是重要技術組成之一。隨著醫療技術的進步，諸如生醫材料、人工膝（髖）關節、人工心臟瓣膜等研究都有長足之進展。利用薄膜技術支援改進製造技術，在臨床已見到良好的效果。例如以ZrO2沉積於生醫用植入材料CoCrMo合金上，可以提高抗腐蝕性；而鑽石薄膜及類鑽碳膜(DLC)與生物體有高度親合性及生物相容性，被覆在人工心臟瓣膜上可降低與血小板的吸附，以及鍍在人工膝髖關節上可以提升活動承受度，由於鑽石硬度高，表面光滑，可降低摩擦係數。且因類鑽塗層與碳磨碎物具生物相容性，在體內相當安定，不會釋出有害離子而引起人體不適。
鍍膜設備市場持續成長
　這些真空鍍膜設備與半導體產業情形一樣，產值雖大，但所需設備都是由國外進口。台灣一年購置總值幾十億的真空鍍膜設備，約有90%以上都由國外進口。國立台灣師範大學工業教育研究所表示，真空鍍膜技術廣泛應用在半導體、平面顯示器、工具／五金、光學元件、3C產業等，這些產業為台灣重要的經濟命脈，然而其生產設備幾乎全仰賴進口。根據統計，2000年全球PVD設備市場需求為39.4 億美元，預估2005年將達66.1億美元，至於CVD設備方面，2000年全球市場需求值為42.5億美元，預估2005年將達71.4億美元，整體而言，真空鍍膜設備市場會受高科技產業之景氣影響，但長期仍為成長趨勢。真空鍍膜設備主要應用在半導體、儲存媒體(光碟、磁碟等)、平面顯示器等三大項，合計佔有率約80%。尤其在半導體與平面顯示器上，半導體商在製程上要求品質極高，不太願意採用台製品，因此像是工研院材料所等研究單位，雖然積極輔導廠商投入設備開發，但是半導體廠商寧願多花點錢購買國外設備，以確保品質。「大部分做設備的的錢都是流到國外！」程金保說：「如果台灣傳統機械業能夠轉型，製造這方面產品，並能獲得廠商信賴的話，反而讓這市場擴展開來，傳統產業不必轉到大陸設廠或漸趨沒落，而能在台灣本地市場拓展一片天。」
台灣廠商規模小研發不易
　真空鍍膜設備為典型寡佔市場，2000年台灣鍍膜設備市場約有20億美元，但自給率估計不到2%，大部分仰賴進口，導致大量資金外流。真空鍍膜設備為一技術密集、資本密集的產業，需要大量資金與技術、研發人才，因此大部分都是被壟斷，像是美國應用材料台灣分公司—台灣應材。因為這是資本密集，大者恆大，廠商若要發展鍍膜設備研發，事實上很不容易。要製造鍍膜機台，以單一產品線的投入研發來計算，從概念、設計、開發，到整體製造、測試完成，一般來說約要投入 2~3年，金額高達3,000萬美元，約需150~250位人力，以台灣的工業規模根本無法支撐。所以，策略性的發展有其必要，業界接收國外廠商技術轉移，與外商合作，有台灣能做的部分就先切入，等累積足夠經驗後再慢慢切進關鍵性零組件。台灣若要發展鍍膜設備產業，可先從技術引進、周邊支援體系建構、進入全球供應鏈開始，齊備之後才能逐步建立鍍膜設備的事業體。
產官學結合尚有一搏機會
　現在台灣發展真空鍍膜設備廠商遭遇的困境，包括缺乏政府輔導、研發資金投入太少等，廠商缺乏關鍵零組件的技術，即使像是國科會精密儀器發展中心研發真空泵浦，金屬中心致力在鍍膜技術的開發研究，但是人才培養及技術轉移跟不上市場變動，成果有限。在先天不足，後天缺乏的環境下，台灣廠商往往淪為組裝業。「前一陣子政府非常支持機械設備廠商去作半導體相關設備，但我認為在做之前，先要把關鍵零組件建立起來。」台中精機研發處專案經理韓志強認為，政府若要提升半導體工業，前提是要將產業的上游部分，包括設備、材料供應鏈體系先建立起來。他感嘆：「如果關鍵零組件都不在台灣做，我們就變成只是做組裝，這對產業升級的幫助實在不大。」在業界向更高層次提升的過程中，遭遇的困難往往在於第一步不知如何著手，雖然有心但不知如何進行，在此同時，學術界則徒具有真空鍍膜的觀念與研究成果，卻不知如何向業界介紹，兩者之間欠缺中間的橋樑。要提升產業技術，首先要提升的是廠商的知識與觀念。
刀具、模具鍍膜適合廠商投入
　部份業者認為，台灣投入半導體與平面顯示器的設備開發已經太慢，很難跟國外廠商競爭，即使投入更大資金進行研發，也不容易成功獲得市場的回饋，所以應致力於非獨佔性鍍膜技術應用設備的開發，如太陽電池、建築材料的鍍膜設備，以及刀工具、模具鍍膜技術等。對機械業界來說，這些領域的門檻不高，切入較為容易，在此領域經營有年，累積足夠研發能量，再朝更高精密的層次發展、擴大，才有機會提升台灣整體產業水準。真空零組件、閥門、流量控制器，以及控制自動化，值得去開發、整合、組裝，產業應有人帶頭做系統性規劃，建立較完整的上下組合鏈。在台灣師範大學工業教育研究所內擺放、進行研究的真空鍍膜設備，標示「上海閥門二廠」，所有的閥、泵浦等，都是在大陸製造，至於控制及組裝則則來自台中永源科技。
　台灣師範大學工業教育研究所表示，大陸的工件技術能力已可製造真空鍍膜的機構設備，其實這些東西說起來都是簡單的機構，以台灣工具機的技術水準早就可以生產製造，但是在台灣較少見到有廠商願意投入。
　「台製真空鍍膜設備需要有指標性的大廠採用，具示範鼓勵作用，讓其他工廠對台製品有信心。」
精密加工技術有用武之地
　台灣師範大學工業教育研究所認為，像是閥門等機構，都和以前工具機精密加工經驗與技術一樣，就是工具機業轉型很好的切入點，工具機廠精密加工技術，都可運用在真空鍍膜設備當中。不過，由於真空腔體要求的潔淨度高，在腔壁光滑度與材料材質、精密加工程度的要求非常嚴苛，對傳統機械業在製造經驗上「大概可以用就可以」的觀念，是一項嚴苛的考驗。「真空設備一點都不能馬虎。」不過，台灣師範大學工業教育研究所也樂觀地認為，倘若調整技術和心態，搭配關鍵零組件的開發，切入這領域指日可待，「產業要提升，就不能再停留在傳統加工觀念，要提昇技術與觀念，迎向時代競爭。」
八、鍍膜心得
　　本組對平衡磁控濺鍍法蒸鍍類鑽碳膜及類鑽碳膜在工、模具之應用研究，獲得以下心得：
1.基板偏壓愈高，鍍膜成長速率與摩擦係數愈低。無氮氣時，鍍膜附著力變差。鍍膜中鈦含量增加時，附著力增加，但成長速率下降。
2.鍍膜的應用在需求低摩擦及低黏著磨耗的使用場合如鋁合金及銅合金及封裝模具的使用場合可發揮極大的效果。
九.未來展望
奈米纖維可協助製造奈米導管美國科學家將碳奈米纖維(carbon nanofibres)垂直排列做為模板，用來製作玻璃奈米導管(nonopipe)。由Oak Ridge國家實驗室、康乃爾大學及田納西大學共組的研究小組首先在氮化矽(Si3N4)薄膜上沉積鎳粒子做為觸媒點，然後以電漿輔助化學氣相沉積 (PECVD)法長出垂直的碳奈米纖維，再以PECVD法在奈米纖維覆上100奈米厚的二氧化矽，製成含有奈米管的玻璃厚片。研究人員接著以反應性離子蝕刻(reactive-ion etching)打開奈米導管的頂端，再以硝酸移除鎳粒子，然後以氧電漿蝕掉碳纖維，最後以奈米管做為光罩，以反應性離子蝕刻打穿最底下的氮化矽薄膜，得到暢通的二氧化矽玻璃導管。以此方法製作出來的奈米導管內徑可小至30奈米。該小組同時以這個奈米導管裝置進行DNA與螢光分子的流體實驗。這項成果可望應用在需要奈米級管狀結構的生物及化學實驗上。現在電漿輔助化學氣相沉積台灣的技術尚未成熟、外國不但利用電漿輔助化學氣相沉積且結合奈米技術這是我們更要努力的方向。發展鍍膜設備讓台灣更有機會、中國砂輪鑽石鍍膜技術睥睨業界。提到真空鍍膜技術運用在機械產業的刀工具、模具，就不得不特別提及鍍膜材料。鍍膜材料中最為特殊也最為熱門的，當屬鑽石鍍膜。位於鶯歌，專業生產傳統砂輪、鑽石砂輪的中國砂輪，外界譽為「全台灣最大的鑽石工具公司及全世界最先進的鑽石鍍膜公司」，中國砂輪副總經理宋健民博士對於鑽石的特性瞭若指掌，談鑽石鍍膜不做第二人想。宋健民博士說：「中砂的鑽石鍍膜技術可以在CVD化學氣相沈積長出十二英吋大的鑽石晶圓。」顯見隨著真空鍍膜技術的進步，鑽石鍍膜的應用也隨之開展。半導體在製程中，晶圓表面的「平坦化」是重要的一道製程。為了在更小的面積上堆積更密集的線路，晶圓每層的厚度與平整度都要嚴格要求，平坦化過程有賴拋光磨平。而平坦化機制稱為CMP(化學機械平坦化)。在進行 CMP時，晶圓磨下的碎屑會填滿拋光墊表面，使拋光墊表層硬化，通常需要鑽石碟間歇性的修整，以恢復拋光墊的拋光作用，並延長其壽命。所以，鑽石碟的良窳影響IC生產效率與良率。
鑽石為熱門鍍膜材料
　在自然界當中，鑽石材料的性能特殊，以硬度、傳熱速度、散熱性質來說，鑽石與鑽石碟的不銹鋼基材兩種材料相差太多，當基材鍍上鑽石，由於鑽石熱膨脹係數遠比基板小，溫度增大之後，不易熱膨脹的鑽石容易脫落。傳統的鑽石碟乃以金屬(如電鍍鉻)為黏著劑，將鑽石磨粒附在不銹鋼基材上，但金屬易被製程中所用的大量酸液所腐蝕，因此傳統的鑽石碟僅能在製程完成，以純水沖洗拋光墊後，才能修整拋光墊。事後修整不僅增加工作時間而減低晶圓產能，而且修整不能及時，傳統鑽石碟不能耐酸而使得CMP產能難以發揮。為了對抗酸液的侵蝕，近年來有以鑽石膜取代電鍍鎳來附著磨粒的鑽石碟，鑽石膜以CVD被覆在矽晶片的基材上，這種鑽石碟雖然耐酸，但CVD沈積的鑽石膜無法有效抓穩磨粒，且CVD製程昂貴，故目前使用者不多。至於中國砂輪推出的鑽石陣鑽石碟的表面，則是以物理氣相沈積法(PVD)被覆約1微米厚度的薄層的「無晶鑽石」(Amorphous Diamond)，無晶鑽石是不含氫的純碳類鑽碳(Diamond-Like Carbon 即DLC)，與一般DLC特性不同，其內所含的鑽石鍵結高達85%，故無晶鑽石與CVD沈積的鑽石性質相似。宋健民博士指出，無晶鑽石極耐強酸及氧化劑，甚至丟到王水裡也不會有反應。在這層鑽石盾的保護下，鑽石陣就可有效在酸液內工作。因此中國砂輪的鑽石陣鑽石碟是金屬製程理想的修整器。據了解，中國砂輪在傳統砂輪營業額雖然下滑，但是在CMP的市場成長超過傳統砂輪的衰退，整體而言可逆勢成長超過30%。
DLC於機械工業用途廣泛
　除了無晶鑽石之外，另一項鑽石鍍膜材料DLC (類鑽石碳膜)的鍍膜技術，也是業界關注的焦點，在機械工業的應用極廣，發展潛力不容小覷。台中精機研發處專案經理韓志強就表示，未來台中精機薄膜製程中心也希望與金屬中心合作發展DLC薄膜製程技術。DLC一般用途廣泛，可鍍在金屬、玻璃、刀具(車刀、鑽頭)、模具(光碟或封裝用)、功能元件(硬碟、磁頭)的護膜上。運用在光電中，像是華南科技發展「鑽石冷陰極螢光技術」，在兩個電極表面塗上一層DLC後發射電流，運用在PDA、掃描器、汽車燈泡等民生工業上效果突出。加工技術的發展歷史反映在切削刀具演進的趨勢上，以切削刀具而言，由工具鋼，經碳化鎢、陶瓷，乃至於最終的鑽石覆膜切削刀具，鑽石切削刀具可說是製造工業最先進的「利器」。近年來鑽石鍍膜的技術突飛猛進，現已可在cWC上以物理器相沈積鍍上一層極薄(＜3μm)的DLC，或以化學氣相沈積加上一層稍厚(約50μm)的純鑽石膜。由於CVD鑽石(CVDD)為純鑽石，可耐溫至攝氏1200度，因此在高速切削時壽命可超越 PCD(Polycyrstalline Diamond 多晶鑽石，以鈷燒結製造的傳統鑽石刀具)。CVDD不僅在壽命上與PCD相當，且其較耐溫，切削速率可再提升，成為切削刀具的極品。由於CVDD覆蓋在韌性的cWC基材上，因此比PCD更耐撞擊，且CVDD不含鈷，在切削時不會黏附工件表面，如果刀鋒尖銳，工件表面會閃閃發亮，是鏡面加工的理想刀具。
PVD法適用於模具業
　宋健民博士表示，中國砂輪擁有全球最大的鑽石鍍膜設備可以鍍在車刀及鑽桿上，因此可生產大量的CVDD刀具，提供產業理想的切削刀工具。一般模具鍍膜多是鍍在工具鋼與模具鋼上，但是鑽石不耐高溫的缺點，同樣成為DLC應用上的缺點。宋健民表示，鍍DLC時，溫度不得高於500°C以上，否則鑽石即無法沈積形成覆膜。但是一般模具製造溫度都在1000°C以上，運用CVD法溫度甚至到達1200°C。若欲將DLC運用CVD鍍在微小的碳化鎢模具、車刀上以延長壽命，並提高附加價值與價格，則基材也必須要選用耐高溫材料。以PVD物理氣相沈積法鍍DLC，是在常溫下進行，而CVD化學氣相沈積法則要超 900°C，對於大部分材料採用模具鋼的模具而言，溫度較低的PVD法較可行。以鑽石材料而言，PVD物理氣相沈積法的特色是被覆DLC的膜厚薄、溫度低、附著性好。而CVD化學氣相沈積法的膜厚較厚，需高溫下進行，但卻也較為耐磨。宋健民表示，PVD所鍍的DLC膜厚太薄，只適用於特殊的切削刀具，如微針鑽頭等。CVD鑽石的膜厚必須超過25μm，才能成為有效切割與耐磨的材質。
產業不需妄自菲薄
　中國砂輪的產品與台灣產業發展與提升有很大關連，因此，對於台灣傳統製造業面臨的瓶頸，宋健民博士有極深的體會。他表示，許多公司談到產品要接近市場，卻不知如何接近？像是傳統機械廠在觀念上想切入高新科技產業，卻與半導體產業互動少，使得傳統產業無法藉由半導體在台灣的優勢而順利轉型，只能轉往大陸繼續做原來的機種。現階段看不到高科技產業與機械業的互動，殊為可惜。台灣過去的製造業何以能超越美國？舉凡聖誕燈、雨傘、起重機，到PVC、ABS、PC，任何東西台灣做了美國就別想做。那種「非拚到第一不可」的企圖心，是台灣企業的活力。台灣島面積不大，任何一種構想、創意出來，所需的各項物件，開車半小時就可取得各類材料，包括電、光、熱等能源。機動性快，可說是台灣優勢。反觀美國做一項產品設計，需要橫越整個美國，若不符合客戶需求，退件又需要半日，在時間上耗時費日。外界常稱台灣傳統產業是變形蟲產業，隨著市場需求調整變動，使台灣常保競爭優勢。宋健民博士贊成高科技產與傳統產業要有密切互動配合，並認為這是心態問題。「每個公司應認清自己角色及優勢，像中砂是鑽石公司，要跨入各類民生工業就要與其他專業廠合作。台灣公司規模雖小，但是各企業發揮其專長優勢，結合在一起就能形成完整供應鏈，若能結合各類行銷管道做綜合行銷，相信對台灣工業有正面幫助。」
許多的專家對台灣的鍍膜工業及技術還是抱有很大的信心、但是現在受限設備必須仰賴進口，所以有些關鍵的技術還無法突破，但是以台灣的實力來說相信在不久的未來一定可以突破這類技術使台灣也可以做出鍍膜的設備、現階段只能以製程來取勝、以現有的設備做出媲歐美設備先進的鍍膜產品出現、這就是台灣的精神也可以說是台灣人不服輸的精神吧！

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Dec 07 Mon 2009 14:28
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作者：陳仁英
現職：廣融貿易有限公司（德國 Buhler PARTEC 公司台灣總代理）專案經理
奈米科技是本世紀科技發展的重要技術領域，藉由奈米科技之發展，將創造另一波技
術創新及產業革命。其應用領域非常廣，遍及電子產業､光電產業､醫藥生化產業､化纖
產業､建材產業､金屬產業､基礎產業､…等。不論其應用之領域為何，所需要用的材料
均為次微米或奈米級尺度之材料。如何得到奈米級之粉體及如何將奈米級之材料於適當的
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文將介紹如何將量身打造之界面改質劑，利用高速攪拌珠磨機為工具，將其包覆在奈米粉
體表面上做一適當之改質，以期得到穩定且奈米化的最終產品。
關鍵詞：轉化技術(Converting technology)、奈米微粒之分散(nanoparticle dispersing)、界
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大專院校､工研院､中科院及私人企業針對”新一代高效率微粒研磨及界面改質技術之現
況及發展”為主題演講超過五百場，已規劃過六百多個案子，並在台灣已有銷售數百廠之
實績。主要之應用領域可以1998 年為區分點，1998 年以前，企業界所面臨的問題為如何
提高分散研磨效率以降低勞力成本，如染料､塗料､油墨､…等產業；而1998 年以後，
產業之技術瓶頸則為如何得到微細化（奈米化）之材料及如何將奈米化之材料分散到最終
產品裡，如光電業之TFT-LCD､Jet ink､電子､醫藥､食品､紡織…等行業。
在傳統產業奈米化的過程中，最常遇到的共同問題為所添加的奈米粉體因未經改質
而易再次凝聚，不易被分散開來，導致預期的奈米現象並沒有產生。所以如何量身打造
地設計適當的界面改質劑、如何將其分散到最終的產品中，已成為新一代分散研磨及界面
改質技術最重要之課題。
本文將針對奈米粉體於市場上應用之現況與發展､界面改質技術及結論等三大主題加
以探討。
1. 奈米粉體於市場上應用之現況與發展
奈米微粒粒子應用範圍之廣及其潛在市場之大是大家不可否認的事實，依據 USNSF(
National Science Foundation ) 之預測，在 2010-2015 前，奈米粉體之潛在市場規模
2
將達 3,400 億美金。多年來，世界各地的奈米專家不斷地在開發奈米粉體的新應用，例如
有人希望能將傳統工業奈米化，以便提昇產品之價值及性能，其應用之領域諸如塗料、
油墨、塑膠、樹脂、功能性色膏、陶瓷粉，…等傳統產業之奈米化；又有人想利用奈米材
料之特性開發出消費性新產品，如光學膜、光觸媒、醫藥，……等產品，奈米科技可說是
產業的另一次大革命 !
然而，儘管 US-NSF 大膽地預測奈米市場之潛在規模如此大，同時美、日、德等國家
亦已投入相當大之人力物力來開發奈米粉體之應用（如德國 Degussa 公司開發奈米級之
SiO2,….等），然而在2003 年一年中，全世界之奈米陶瓷粉之產值僅為 1.5 億美金，與
預測值相距甚遠 ! 其原因不外乎如下 :
1.1 價值鏈之落差 :
奈米粉體仍無法成功地被應用於量產階段，其主要原因為生產者尚未將傳統工業於奈
米化時，掌握住所有製程之轉化條件，其中包括製程之設計，奈米粉體之前處理，奈米粉
體之轉化條件等，尤其是奈米粉體因凡得瓦爾力之作用易產生團聚之現象，若只靠傳統之
分散技術，並無法將奈米粉體分散開來，因此若要成功地將傳統工業奈米化，首先要瞭解
的關鍵技術，即是如何先將奈米粉體適當地轉化，使其於添加到下一個界面後仍為奈米粒
子，沒有團聚之現象產生。說到這裡，吾人不難瞭解為何至今仍有那麼多奈米粉體無法成
功地被應用！其主要原因為市面上大部分的奈米粉體皆尚未被適當地改質，因此無法直
接使其成功地被應用到奈米產品之開發與製造。
到今日為止，市面上至少有 200 種奈米產品已被開發出來，可惜的是大部分的粉體例
如 SiO2、 Al2O3、TiO2、 ZrO2 及 ITO,…等粉體皆尚未被依需求而量身打造地改質，所以
無法成功地被應用。同時，至少有成千上萬之企業想從事奈米產品之開發，但大部份的
人找不到適合他們用的改質過的粉體，所以如何先將奈米粉體做一適當地改質，並使其可
以成功地應用到產品端，將是從事奈米科技的人不可不學的課程 !
1.2 奈米粉體需要因不同之應用而加以改質 :
目前市面上已有多家的化學品公司及新成立的奈米分散液公司，宣稱可提供一些標準
的奈米分散液，但因市面上大部分的奈米分散液尚未被量身打造地改質，因此仍無法直接
使其被應用到最終奈米產品之開發與應用。其原因為當尚未被適當改質之奈米分散液於添
加到最終之產品時，往往因界面不相容而產生團聚之現象產生，所亦奈米之效果並無法被
展現出來。例如有些應用將奈米之 ZnO 塗佈到光學膜上，由於該 ZnO 粉體並未先做適當
之界面改質，所以光學膜於塗佈該 ZnO 粉體後抗 UV 之效果非但沒有增加，穿透率卻反
而大幅降低 !
瑞士Buhler 公司為了幫客戶解決上述問體，自2003 年起，已與德國新材料開發中心
( INM, Institute of New Material ) 從事奈米研究的專家合作，負責幫客戶開發並量身打造
所需之界面改質劑，並於2003 年6 月併下世界知名分散研磨設備之提供者 -德國 Drais 公
司，如此 Buhler 公司不但可以經由 INM幫客戶開發配方 ( 設計所需之界面改質劑)，同時
3
又可借 Drais 設備之經驗，提供幫客戶完整之服務，使欲從事奈米材料應用之客戶可以心
想事成 !
2. 界面改質技術之概念
2.1 化學機械製程 :
在導入界面改質技術概念前，先前吾人可利用三滾筒分散機、珠磨機，…等分散研磨
設備將材料分散研磨到微米或次微米級，但卻很難達到奈米的尺度 ! 其主要原因為一旦材
料之顆粒大小被機械力分散研磨奈米化後，此時粉體之比表面積急遽增加，凡得瓦爾力效
應及布朗運動轉為明顯，粉體因而容易再度凝聚在一起，所以不管再怎麼分散研磨，粒徑
總是降不下來 ! 為了解決此問體，我們在此介紹一個非常有效的方法 -化學機械製程法
(chemomechanical processing )。
此製程的主要概念如下圖一所示，將量身打造好之界面改質劑，利用高速攪拌珠磨機
(high speed agitated beads mill) 為工具，將奈米粉體做適當之界面改質，以避免奈米粉體之
再凝聚，一直分散研磨到粒徑達到要求為止。
圖一 : 化學機械製程法 ( Chemomechanical processing )
2.2 以攪拌珠磨機當反應器 ( Agitator bead mill reactor )
在使用化學機械製程法時，攪拌珠磨機於奈米粉體之分散研磨及界面改質的過程中，
提供了很多的優點，並扮演著重要的角色。本系統採用濕式分散研磨方法( wet
grinding )，因為是濕式，所以漿料溫度之變化較不易因研磨而急速上升，也因此可以選
用較小之磨球，如 0.05 -0.1 mm 磨球為研磨介質，再搭配研磨機之高攪拌速度 (約 10 ~ 16
m/s )，以縮短分散研磨及反應所需之時間。本製程之另一個好處為所有的研磨參數，如攪
拌器之轉速、磨球之充填率、流量，…皆可以因需要而調整到最佳化之研磨條件，並可以
等比例放大( scale up )以供日後正式量產時使用。在使用化學機械製程法時(請參閱下圖圖
二所示)，吾人只需先行將界面改質劑加入欲改質粉體漿料內，再依最終之粒徑要求來設
分散研磨參數
界面改質劑
未改質前之奈米
粉,有聚集現象,
粒徑較大,粒徑分
佈也較寬
•
高速攪拌珠磨機
改質後之奈米
粉,粒徑較小,粒
徑分佈也較窄
4
定研磨機所需之消耗電力及比能量值 (specific energy )，利用循環操作模式(circulation
operation mode )來做分散、研磨及界面改質之工作，研磨機於運轉過程中將自動累積所消
耗之電力，直到所設定之比能量達到時將自動停機，如此可以確保研磨品質之均一性。
圖二. 攪拌珠磨機當反應器之示意圖
由過去之經驗得知，在分散或研磨奈米粉體之漿料時，若未添加適當之界面改質劑，
單靠研磨機之機械力量來做分散研磨，一般只能分散研磨到100 ~ 200 nm 就無法再將粒徑
往下降，其理由為當粒徑小於300 nm 時，粉體之比表面積急速上升且凡得瓦爾力( Van
der Waals forces) 效應加劇，此時粉體處於非常不穩定且容易再凝聚之狀態，即使聚集之
粉體被磨球打開來了，也非常容易再凝聚回來，除非添加了適當之界面改質劑，才可能繼
續降粒徑往下降到一次粒徑之大小。
2.3 化學界面改質劑之設計( Chemical surface modification ) :
一般處理漿料界面的方法，有藉由複雜交互作用力，如靜電排斥力、立體排斥力及體
積排除作用力（Electrostatic, steric and excluded volume interaction）等力形成固體或液
體界面的穩定狀態，其目的不外乎是避免粉體再凝聚之產生，其中最簡單的方法為藉由
PH 值的調整，來讓奈米粉體表面帶電荷，使粉體與粉體間產生電斥力 ( electric
repulsion )，然而，奈米粉體因受限於其最終產品應用及配方之限制，適用此方法之應用
並不多；第二種常用的方法為藉由立體排斥作用力來形成固體與固體，固體與液體間的穩
定狀態，此方法最常選用具高分子量之高分子或單體來當分散劑，當漿料之粒徑要求為微
米或次微米時，此方法效果相當好；但當所欲分散或研磨之漿料的粒徑要求小於 100 nm
時，若仍選用具高分子量之高分子或單體來當分散劑，當粉體被奈米化時，漿料內之大部
分體積已被高分子量之高分子或單體所形成之障礙物所佔據，此時漿料容易遇到下列之問
題 :
1. 固成分大幅降低，一般為 35 % wt 以下
2. 漿料之黏滯性因而提高,不利研磨機內小磨球之運動，導致最後之粒徑降不下來
3. 粉體容易產生再凝聚之現象，導致奈米現象無法產生
為了避免上述問題之產生，本文所介紹之化學機械製程法，將選用較低分子量之官能
機來當界面改質劑。根據溶液化學 (solution chemistry )的概念，較小分子量之化學鍵所形
成之官能機，將較易被接到奈米粉體的表面上, 如下圖三之範例所示, 所選用之界面改質劑
為低分子量之有機酸之官能機。.
5
圖三. 界面改質劑選用之法則與範例
原則上，所選用之界面改質劑同時具有下列兩個官能機：一個官能機被設計來接到
奈米粉體表面，使奈米粉體表面產生一個穩定相，以避免粉體之再凝聚產生；另一個官能
機之設計，乃根據日後該奈米粉體所計畫被添加之界面(Matrix) 而定，以避免不相容之現
象發生。因為本界面改質製程所採用之工具為濕式分散研磨設備，所以所選用的界面改質
劑需能與所使用之溶劑相容。儘管所選用之界面改質劑之分子量很小，但仍可在奈米粒子
表面產生 2 ~ 5 nm 厚度之薄膜，足夠產生一個立體障礙並支撐奈米粒子之穩定性，相信根
據上述原理所量身打造之界面改質劑，可以滿足下列之要求 :
1. 固成分可以大大提高到 35 ~ 45 % 以上
2. 粒徑可以降到粉體一次粒徑之大小 (例如10 nm 左右 )
3. 漿料之黏滯性不再受粒子粒徑下降之影響而急速上升
4. 粉體將不易產生再凝聚之現象，即使添加到後段之製程仍為奈米粒子
2.4 應用實例 :
如下圖四所示，奈米之氧化鋯粉體，一次粒徑小於 10 nm (primary particle size < 10
nm)，左圖為尚未經過改質前之奈米氧化鋯，粉體因產生凝聚之現象，所以仍無法被應用
於後段之加工，右圖為該粉體經由本文所介紹的化學機械法改質後， 90% 的粉體粒已小
於 30 nm (d90, volume distribution)。此改質後的奈米氧化鋯粉體，可以容易地被添加到一
些塗料以增加其表面硬度(hardness)及折射率(refractive index) 。
OH
H
+ O R
O
O
R
表面活性機(surface active
group)
官能機
(functional
group )
6
I. 電子顯微鏡( TEM )下之氧化鋯 ( ZrO2 ) ，左邊之照片為未經改質前
II. 電子顯微鏡( TEM )下之氧化鋯 ( ZrO2 )，右邊之照片為改質後
III. 下方之樣品為 40 %之氧化鋯，於研磨分散 1、2、3、4、5、6 及7 小時候之
情形.
圖四. 於電子顯微鏡( TEM )下之氧化鋯 ( ZrO2 )，左邊之照片為未經改質前，右邊之照為
改質後
比例尺長度: 50 nm.
另一個應用實例為奈米級二氧化矽之應用，奈米級二氧化矽已大量地被添加到傳統之
塗料上，以便增加薄膜表面之強度且不影響到原先光之穿透率。其理由除了二氧化矽之價
格低廉外、又容易與大多數之有機高分子相容。由下圖五可得知之二氧化矽膠體之粒徑分
佈為 D90 < 12 nm，儘管如此，於添加到塗料前仍先對其做適當之界面改質，以避免添加
到塗料後產生再凝聚之情形，因而產生而影響到穿透率。由下圖六可以瞭解到當使用不
同界面改質劑及不同粒徑大小之二氧化矽膠體時與穿透率之關係，其中從傳動係數
(transmission coefficient) γ 值的大小可以得到其與穿透率之關係，原則上，傳動係數
(transmission coefficient) γ 值愈小，穿透率將愈大，當 γ值 > 100 時表示完全不透光。由該
圖可以得知，只要選擇好適當的界面改質劑，並對二氧化矽做適當之改質，將其添加到塗
料後，不僅可以提高塗料之硬度，且不會影響到其穿透率；但對同一之界面改質劑，若
7
添加入不相容的溶劑到塗料時，則可能產生反效果，例如圖六之 theory, 當100 nm 之二氧
化矽溶膠被添加到以乙酸丁酯(butylacetate)為溶劑的塗料後,塗料之穿透率反而變差了 !
圖五矽溶膠 (colloidal silica) 之粒徑分佈, 90% < 12 nm.
圖六塗料於添加奈米二氧化矽後與光穿透率之關係,原則上, γ值越大,表示光之穿透率越低
3. 結論
由上述報告可以得知，若想將傳統工業成功地奈米化，或想得到一個奈米級的分散
液，量身打造的界面改質技術是不可或缺的 ! 所有的粉體均需要先被量身打造地來設計
所需之界面改質劑，再利用本文所介紹之化學機械製程法，來進行奈米粉體表面界面改
質之工程，如此想得到一個穩定的奈米級產品將不再是一個夢想
參考文獻
[1] 陳仁英先生
奈米級粉體之研磨及其分散技術之探討，工業材料雜誌第205 期
P.160-167, 2004
8
[2] Dr. N. Stehr
陳仁英先生
超微細研磨技術在奈米科技上之應用，工業材料雜誌第185 期
P.171-182, 2002
[3] Dr. S. Pilotek
Dr. F. Tabellion
Tailoring Nanoparticled for Coating Applications, 2005
[4] Mr. S. Schaer
Dr. F. Tabellion
Converting of Nanoparticles in Industrial Product Formulation :
Unfolding the Innovation Potential, Tecchnical Proceedings of the
2005 NSTI Nanotechnology Conference and Trade show, Volume 2,
P 743-746
[5] Dr. D. Bertram
Mr. H. Weller
Zerkleinerung und Materialtransport in einer Rührwerkskugelmühle.
1982. Ph. D.-Thesis, TU-Braunschweig
[5] Dr. H. Weit
Phys, Journal. 1 , 2002, Nr 2, P 47-52
[6] Dr. H. Schmidt
Dr. F. Tabellion
Nanoparticle Technology for Ceramics and Composites, 105th Annual
Meeting of The American Ceramic Society, Nashville, Tennessee,
USA ( 2003)
[7] Dr. N. Stehr
Residence. Time Distribution in a Stirred Ball Mill and their Effect on
Comminution. Chem.Eng.Process.,18 (1984) 73-

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

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Dec 07 Mon 2009 14:18
奈米粉體設備與分散技術 www.tool-tool.com

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發展目標

• 因應奈米粉體應用潛力大，研發高效率、高均勻分佈、可量產之奈米粉體設備與
分散技術，應用於食品、化妝品、光學複合材料之製造，提昇產品性能
• 結合特殊產品需求，創新研發專用模組，提供國內產業客製化生產線服務

技術特色與創新

• 研磨分散技術
- 創新主軸攪拌器冷卻流道設計，有效抑制升溫
- 創新離心輔助分離系統設計，提高研磨效率
- 具高能量作用，微粒粉碎效果佳
• 高壓均質技術
- 創新對撞式高壓均質閥流道設計，增加流場對撞
速度，提高微粒化、均質化效果
- 具潔淨生產特色

專利
•設備關鍵模組技術專利6項：
- 微粒研磨方法及其裝置2002 台灣/日本/美國
- 微粒研磨裝置2003 台灣/大陸
- 珠磨機之冷卻裝置2004 台灣/大陸
- 珠磨機之離心式分離裝置2004 台灣
- 高壓均質裝置2005 台灣/大陸
- 動態粒徑量測與控制系統2006 台灣/大陸

產業應用

• 建立奈米粉體研磨分散和高壓均質製程測試平台，
可供研究單位進行前瞻研究與創新產品製程研發
• 可與廠商合作進行奈米化商品量產製程驗證
• 已輔導協城等多家傳統設備廠商從事奈米微粒設備
及製程之研發，成功轉型進入奈米產業
• 促成新創公司”精釭奈米”成立

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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個人分類：學術研究

Dec 07 Mon 2009 14:09
磁性陶瓷粉末 www.tool-tool.com

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小時候大家都有這種經驗，當鐵釘靠近一塊磁鐵時，磁鐵就會把鐵釘吸住，或是將兩塊磁鐵
靠近時，會出現異極相吸、同極相斥的有趣現象。利用這些物質的磁特性，開發了很多有用的設
備或儀器，例如指南針、馬達、電腦硬碟與光碟，甚至磁浮列車等。
有關「磁性」的命名由來有兩種說法。第一個是傳說在古代的時候，有一位名叫馬格尼斯
（Magnes）的牧人，在克利特島的艾達山上遊覽時，他鞋上的鐵釘被一個黑色的岩石吸住了，就
這樣發現了磁性，後來人們為了紀念他就把磁性稱為Magnetism。另一種說法則是認為，具有磁性
的岩石最早是在小亞細亞一個叫做瑪格尼西亞（Magnesia）的地方發現的，因此把磁性叫做
Magnetism。
磁性由來與磁性材料
怎樣才會有磁性呢？簡單地說，任何帶電的粒子在移動或運動的過程中，都會產生磁場。物
質是由許多不同的元素彼此鍵結所形成的，每個元素的原子則是由原子核（包含了質子與中子）
及環繞在它外圍的電子所組成的，原子中每個電子所處的狀態（也就是它的量子態）都不盡相
同。
根據鮑立不相容原理，當原子有許多電子時，每一個電子會在特定的軌域上運行，且每個電
子軌域最多僅能容納兩個自旋方向相反的電子。電子因在電子軌域上運行及本身自旋的關係而產
生磁性。若電子軌域內填滿兩個電子，這兩個電子自旋運動所產生的磁性，因方向相反會互相抵
銷，如此不會影響元素整體的磁性質。但元素中若含有未成對的電子時，它們自旋所產生的磁性
就無法抵銷。
相關研究與量測已指出，元素的磁性主要是由電子自旋運動所貢獻的，而電子繞行原子核所
造成的磁性影響是可以忽略的。因此對於內部具有未成對電子的原子或離子（如鐵族、稀土族、
錒族等元素）而言，它們的淨磁矩不是零而呈現磁特性。當元素互相進行化學鍵結形成分子或晶
體時，它們各自所含的最外層電子會因電子轉移或共用，而
使最外層電子軌域擁有成對電子或形成空軌域，除非鍵結元
素內層電子軌域（d －或f－軌域）含有未成對的電子，否則
這類分子或晶體不會具有磁性。
根據在磁場中物質磁化的強度與磁化方向，所有的物質
可區分成反磁性、順磁性、鐵磁性、陶鐵磁性（或稱亞鐵磁
性）及反鐵磁性物質，一般所說的磁性材料都是屬於鐵磁性
或陶鐵磁性物質。
鐵磁性物質中的原子或分子，因含有一個或多個未成對
的電子，而具有一小小的磁矩。當施予一外加磁場時，這些
磁矩互相產生強烈的正交互作用，彼此同向平行排列，因此產生了很強的自生磁化，進
而產生巨觀的磁性質，一般
常見的金屬磁鐵就是屬於鐵
磁性物質。陶鐵磁性和鐵磁
性類似，主要發生在離子化
合物上，由於不同的離子在
晶體結構上的位置不同且其
磁矩大小各異，當磁化時其
磁矩間會產生負交互作用，因此所產生的自生磁
化較弱。
磁性材料一般分為「硬磁材料」與「軟磁材
料」兩類，這裡所謂的硬和軟並不是指力學性能
上的硬和軟，而是指磁學性能上的硬和軟，判斷
磁性材料軟硬的最簡單方法，就是直接看它的矯
頑磁力（coercive force）的高低。
當一磁性物質受到一逐漸增強的外加磁場
（H）作用時，其磁化強度（I）也會隨著增強，
但當外加磁場減為零時，它的磁化強度並不會完
全消失，而會
有殘留磁化強
度（D）存在。
若要把這個磁
性物質的殘留
磁化強度移
除，則需外加
一反向磁場，
此消除物質殘
留磁化強度所
需的反向磁場強
度（E）就是矯頑磁力。矯頑磁力大於200
奧斯特（Oe）的磁性物質
通稱為硬磁材料，它的特
點是難磁化但不易被消
磁，而矯頑磁力低於20 奧
斯特（Oe）的磁性物質通
稱為軟磁材料，它的特點
是易磁化且易退磁。
磁性材料最早的應用可追溯至數千年前，
中國歷史記載的指南車、航海用的羅盤等。現
今磁性材料已被廣泛運用在民生、資訊、量
測、電機、電子等工業上，尤其在經歷20世紀
後半期電子產業的革命性發展後，磁性材料更
大量地應用在電機及微電子產品中。
依它們的構成元素與原子結構的不同，常
見的磁性材料有金屬磁性材料與陶瓷磁性材料
兩類。陶瓷磁性材料因具有良好的導磁率、高
的電阻係數、低的損耗等特性，且它們的磁特
性可藉由成分的調整來滿足各種不同應用的需
求，是一種非常重要的工業用磁性材料。
磁性陶瓷種類
目前被廣泛使用的磁性陶瓷材料都是金屬
氧化物，因其化學組成通常是以三價鐵為主，
再搭配或摻入不同金屬的氧化物，所以又統稱
為「鐵氧磁體」（或稱「鐵酸鹽類」）。鐵氧磁體
會因分子結構的不同而呈現不同的磁特性。具
有低保磁力的軟磁性鐵氧磁體，它們的晶體結
構屬立方晶系，如鎳鋅系鐵氧磁體、錳鋅系鐵
氧磁體、γ－氧化鐵等，而具有高保磁力的硬

磁性磁體則是六方晶系鐵氧磁體，如鋇系鐵氧
磁體、鍶系鐵氧磁體等。
立方晶系磁性陶瓷以具有反尖晶石晶體結
構的鐵氧磁體為主，它們的化學通式可表示為
MFe2O4（或MO．Fe2O3），其中M代表二價的
金屬元素（如鎂、鎳、鋅、錳等）。這類軟磁性
鐵氧磁體常用來製作變壓器磁蕊、濾波器元
件、隨身聽或磁碟機的讀取頭等材料。電視機
中能讓螢光體的色彩表現得更為均勻飽和，同
時能降低畫面失真的映像管偏向軛，也是由這
類鐵氧磁體製成的。
硬磁性六方晶系鐵氧磁體的化學通式是
MFe12O19（或MO．6Fe2O3），其中MO是離子
半徑較大的二價金屬氧化物。依照不同的製
程，六方晶系鐵氧磁體可製成等向性或異向性
的磁性體，它們主要的差別就是在磁體成形的
時候，異向性磁鐵會額外置入一磁
場，使鐵氧粉體的易磁化軸平行於
磁場方向，然後再把磁晶方向加以
固定，以得到良好的磁體異向性。
電腦硬碟中所使用的記錄媒體
就是鋇系鐵氧磁體，由於其優良的
磁性質再配合奈米科技的發展、塗
布技術的進步，使得現在的硬碟儲
存容量越來越大、體積卻越來越
小。
製程
鐵氧磁體材料或以粉體型態、
或以燒結塊體型態、或與有機聚合物結合形成
塊體或帶狀材料，應用於相關的工商業產品
上，但不論是以何種型態使用，它們的製程起
始物都是相關磁性物質粉體，再經一連串的加
工程序製得各式各樣的磁性元件。鐵氧磁體粉
體的物理與化學性質，直接影響到最終產品微
結構和磁性質的發展，進而影響產品的品質。
一般而言，鐵氧磁體粉體應具有化學組成均
勻、純度高、燒結性佳等特性，且由單一磁域
的、粒徑小且粒徑分布狹窄的、可控制型態
的、以及分散的粒子所構成。
固態反應法目前工業上大都以傳統的粉
體冶金技術製備鐵氧磁體粉體。雖因材料種類
或用途的不同，其製程不盡完全相同，但鐵氧
磁體粉體固態反應製程，大致可歸納為5個主要
步驟：原料準備、混合、煆燒、研磨和造粒。

首先選取含有所需金屬的適當氧化物或碳
酸鹽等，並依所需化學計量精秤，然後充分均
勻混合。混合好的粉體接著置入控制氣氛（例
如某特定氧含量的氣體環境或鈍性氣體）的爐
中進行煆燒（加熱溫度通常在攝氏800∼1,100
度之間），這個步驟主要是讓這些原料反應成所
需的鐵氧磁體相態。熱處理後的粉體須加以研
磨，以減少粒子凝聚現象並提升化學組成的均
勻度，同時降低粉體的平均粒徑。
最後，為了使粉體的流動性良好，以利後
續輸送與處置，製得的細微粉體通常會經造粒
步驟，讓粉體粒子適當團聚，以產生大小均一
且流動性佳的球形粒子團，這個步驟大都以噴
霧乾燥法來進行。如此所得到的鐵氧磁體粉
體，再依其用途或產品需求進行後段的處理，
如成形、燒結、混煉等。
固態反應法的優點是製程簡單、成本低、
無需考慮溶劑的移除問題，以及可以適用於大
量生產。但缺點是反應物混合的均勻度受限於
反應物粒子的大小、煆燒溫度高、最終粉體的
粒子形狀與粒徑大小分布不易控制、化學均勻
性不一、以及鐵氧磁體粒子無法達到奈米尺
寸。
因科技的發展與進步，相關產品已朝輕量
化、小體積的方向發展，傳統粉體固態製程所
製備的鐵氧磁體粉體，已漸漸無法滿足需求。
為了產製符合需求特性（如精準的金屬元素配
比、極高的純度、良好的燒結性、奈米尺寸等）
的鐵氧磁體粉體，有別於固態製程的各種不同
陶瓷粉體合成技術，已陸續投入或正在積極研
究開發，以應用於鐵氧磁體粉體的製備。依反
應相態的不同，可大致區分為液相與氣相製程
兩大類。
液相製程是在粉體製備的過程中，在液
相中進行主要的化學反應。過程中先把反應物
均勻溶解或分散在適當的液體中，然後在原子
或分子階程進行反應，以產製所需磁性陶瓷粉
末的先驅物，再經適當熱處理以製得所需粉

體。由於在液相中化學反應機制的不同，液相
製程又可以細分為好幾種，例如沉澱法、溶凝
膠法、氣膠反應法等。
舉例而言，沉澱法是把含有所需金屬離子
的鹽類溶於適當的溶劑（常用水或醇類）裡，
然後加入螫合劑（通常是多元酸，如檸檬酸）
或沉澱劑（如鹼金族氫氧化物、氨水、草酸
等），與溶解的金屬離子反應成難溶的金屬化合
物並沉澱析出，接著經固液分離、乾燥、熱處
理等步驟，製得磁性陶瓷粉體。
至於溶凝膠法則是藉由金屬氫氧化物溶膠
液中溶膠粒子彼此間的聚縮合作用，製得奈米
級的氧化物粉體。溶膠液是一穩定的固態粒子
懸浮液，其中粒子的大小介於1∼100 奈米間
（1奈米等於十億分之一公尺）。溶凝膠法的起始
原料可以是無機金屬鹽類或有機金屬鹽類：無
機金屬鹽類常用的有金屬氯化物或金屬硝酸鹽

類等，有機金屬鹽類則以金屬羥氧化物（或稱
醇氧化物）使用最廣。
氣膠反應法是先把參與的反應物以溶液態
配製後，藉由霧化產生器轉換成無數微米級的
球形液滴（即氣膠），氣膠的尺寸依所使用的
霧化產生器種類及操作條件而異，一般介於1
∼50 微米間（1 微米等於一百萬分之一公尺）。
接著，這些氣膠被連續引入一控制溫度與氧含
量的反應器中，並在懸浮狀態下進行溶劑蒸發
與相關化學反應，以轉化為所需的固態粉體。
氣膠反應法是一連續製程，可連續產製品
質穩定的固態粉體，且在產製過程中氣膠並沒
有與反應設備直接碰觸，可避免雜質污染，因
此能更有效地控制粉末的純度，並維持所產製
粉體品質的一致性。另外，它的生產過程所需
的變化都在個別單一的球形微粒中完成，如此
一來所製得的粉體不僅大都呈球狀，且可把變
化過程中可能產生的化學分離現象減至最低，
甚至能避免其發生。
液相法可以產製奈米尺寸的粉體，且具有
粉體化學均一性高、粒徑分布小等優點，它的
主要缺點則是製程較複雜，以及最終粉體容易
出現粒子凝聚的現象。
氣相製程氣相製程包含了物理氣相沉積
和化學氣相沉積二種不同的操作程序，一般在
製備鐵氧磁體粉體時，多採用化學氣相沉積
法。化學氣相沉積法是藉由氣相的化學反應過
科學發展2006年12月，408期23
磁性陶瓷粉末
程，把固體微粒由過飽和的氣氛中析出。過程
中先把原物料用雷射或電漿技術予以氣化，接
著經化學反應產生生成物的蒸氣。生成物的蒸
氣濃度超過臨界飽和度後，產生成核現象而生
成許多的核子（穩定的分子團），這些核子再經
由表面成長及凝聚而發展成最終的固態粒子。
化學氣相沉積法在製備陶瓷粉體上具有以
下優點：化學成分均勻、純度高、粉體分散良
好、表面積大、粒子尺寸小且粒徑分布狹小，
主要缺點則是成本高、操作條件控制較複雜、
不易量產等。
隨著科技不斷的進步，磁性陶瓷材料在日
常生活中的應用也越來越廣泛，電子與電機的
設備元件、資料儲存媒介、磁性流體、生醫材
料等，都與磁性陶瓷有關。國內磁性材料產業
的產值一年高達100 億以上，是一個景氣波動
幅度低、產品生命周期長的產業。
但是隨著越來越多國家的投入發展，市場
的競爭也日趨激烈，如何提升磁性陶瓷粉體的
性能及增加粉體的產量，是當前需要積極研究
的方向。本文僅簡單地介紹磁性陶瓷粉體的性
質、種類與製造方法，以期讀者對於磁性陶瓷
有基本的認識，若想進一步了解相關的技術和
知識，可以參考其他的書籍與文獻。

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