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一、前言
近 年來由於電子產品走向小型、輕量、薄型、高速、高機能、高密度、低成本化，以及電子封裝技術亦朝向高腳數、精緻化(Fine)及集積化發展，因此對承載電 子零件的必需品印刷電路板的技術要求也日趨嚴格，並逐漸轉化為多樣少量之生產趨勢，周邊加工也從以前的模具加工轉變成現今擁有優良的加工精度，且適用於多 種類少量生產的刀工具加工。不過，由於印刷電路板等3C產品為避免電路遭受污染，一般無法於加工時添加切削液，在高速切削環境下易產生高溫而致使刀工具加 速磨耗，降低其使用壽命，增加換刀次數及時間而提高生產成本。[1-2]
在新發展的鍍膜中，碳化鉻薄膜因具有極佳的表面性質而受到相當的重視，並 已實際應用在成型模具上取代傳統的硬鉻膜。碳化鉻薄膜具有高硬度、良好的化學、熱穩定性及低的表面能[3]，被覆在塑膠射出成型模具上，可提升模具壽命、 增進脫膜性與成品的尺寸精度。再者，鋁及鉻氧化物於合金表面層可形成一層連續的Al2O3及Cr2O3保護層，而使其常溫抗蝕性優於普通碳鋼與低合金鋼， 而其氧化物薄膜亦可保護表面被覆層。[4-5]
本研究以常用之銑刀材料-高速鋼為研究之對象材料，主要目的為探討微小銑刀經非平衡磁控濺鍍碳化鋁 鉻薄膜後對其磨耗特性之影響，經由鍍膜硬度、附著力、耐磨耗性、成分組織及結構分析，藉以探討不同鋁含量及碳含量對薄膜特性之影響，期望對碳化鋁鉻薄膜有 更深一層的認識與瞭解，以助後續之研究。

二、實驗設計與配置
本研究主要探討非平衡磁控濺鍍碳化鋁鉻薄膜性質之影響，以鍍層成份分析、結構分析、機械性質分析與表面性質分析探討蒸鍍參數的影響，評估不同的鋁及碳含量對碳化鋁鉻鍍層之影響。如圖一為實驗流程圖。

2-1薄膜特性分析
a、 量測鍍膜硬度時，一般使用維克氏硬度計，量測因鍍膜厚度只有幾微米，荷重太大時，因壓痕深度過深，量測之硬度值會受基材影響而失去準確性；若選擇荷重較小 時壓痕過小，容易產生視覺誤差，本實驗使用25公克為實驗荷重，另加壓時間為15秒，取試片硬度5點平均值測量鍍膜硬度。
b、 以HITACHI S-2600H掃描式電子顯微鏡及EDS觀察鍍膜表面、斷面狀況及成分元素分佈，並量測鍍膜厚度。
c、 以壓痕試驗(indentation test)及刮痕試驗(scratch test)，評估鍍膜與基材的附著性。
d、 利用Pin-on disk磨耗試驗機，進行磨耗試驗。對磨材(上試件)採用AISI52100軸承用鉻鋼球(Cr Ball)，而下試件則以高速鋼試件為底材，於室溫且無添加任何潤滑劑下與鍍膜對磨，實驗所設定之磨耗條件為施加荷重10N，迴轉半徑20mm、轉速 286rpm、磨耗距離1000m，量測CrAlC鍍膜與鉻鋼球間之磨擦係數。

三、結果與討論
3-1鍍膜斷面分析
圖二為CrAlC鍍膜表面做能量分散光譜儀（EDX）分析之結果，其結果顯示Cr、Al、C各元素分佈相當均勻，無元素集中現象且鍍膜厚度均勻，顯示沉積之過程穩定。而在鍍膜斷面觀察方面，由圖三可得知CrAlC鍍膜相當緻密，並無明顯柱狀晶結構的發生。

3-2鍍膜附著力
對 於鍍膜附著力的測試，本實驗是以刮痕試驗機（Scratching Test）來進行附著力測試，以300μm 的鑽石刮針（stylus）在0.2 mm/sec 的平台速度，1.0 N/sec 的荷重增加，設定由0 至100N 的連續施加荷重方式刮除鍍膜。當鍍層產生破裂點時，壓痕器所施加的荷重定義為臨界破裂荷重。再利用光學顯微鏡觀察試件上的刮痕並記錄其破損的程度，並量測 起始點到破損的的距離，即可對照出此點的荷重。不同實驗參數所得的鍍膜附著力如表一所示。

3-3鍍膜摩擦係數
如圖四所示，隨著鋁含量的增加，由於鋁的潤滑性而使其摩擦係數相對減少。適當的基材偏壓所產生的離子轟擊，對於薄膜的性質是有益的，但如果基材上沒有負偏 壓或偏壓太小，離子轟擊太弱，則薄膜可能形成非晶質結構或剝離，如圖五所示，在偏壓-27V時已有剝離現象，隨著基材偏壓緩慢的上升，至基材偏壓-47V 時摩擦係數降低至0.498，由EDS分析結果（如表二），當偏壓上升時，其鋁原子含量亦上升，也是摩擦係數繼續下降之原因。

3-4鍍膜硬度測試
鍍 層硬度決定於晶粒大小、晶體結構、內應力、緻密度及孔隙率等，圖七為CrAlC鍍膜維氏硬度的量測結果。鉻靶電流量及乙炔流量固定下，硬度值隨著鋁含量越 多下降越多，以CrAl1C10鍍膜硬度值最低(Hv810)。而改變碳含量部分鍍膜維氏硬度的結果如圖八所示，添加碳於碳化鋁鉻鍍膜明顯的提昇鍍膜硬度 值，而且只要添加少量碳就可達提昇效果，CrAl0.8C8鍍膜碳含量約7.54W.%硬度值從Hv810提升到Hv1656.8。圖九所顯示是在不同基 材偏壓下所得到的CrAlC鍍膜之硬度變化曲線。基材偏壓改變範圍是-27〜-47V，而固定以下製程參數：鉻靶電流=2安培、鋁靶電流=0.8安培、乙 炔流量=10sccm及沉積時間45分鐘。由圖中可知，鍍膜硬度隨著偏壓的增加緩慢的上升至Hv1359.8，到了-47V時硬度便降低至 Hv1130.7，原因是當偏壓增高時鋁原子含量隨即增加至5.24W%，因此造成其硬度降低。

四、結論
1. 經由磨耗試驗結果發現，適當的施加鋁原子，有助於降低摩擦係數至0.517，相反的在硬度上卻會降至Hv810；調整碳原子含量，碳含量的增加，有助於提升硬度至Hv1656.8，但在磨耗試驗上，除了參數CrAl0.8C10外，其餘均變差。
2. 適當的調整基材偏壓，有助於CrAlC薄膜於高速鋼基材之附著性及降低摩擦係數至0.498；隨著基材偏壓逐漸增加，鋁原子含量漸增而使硬度降低至Hv1130.7。
3. 濺鍍過程中，鋁靶電流及乙炔流量在附著性測試結果，其附著性差異不大；除了基材偏壓-37V之附著力等及是HF3外，過大或過小的基材偏壓均造成附著力在等級HF6及HF5。

五、致謝
本研究承蒙金屬工業研究發展中心與富立風精機股份有限公司提供設備與耗材支援，特此致謝。

六、參考文獻
1、網路資料，http://www.asiamoney.
com.tw/research/industryreport/report227.htm。
2、網路資料，http://www.moea.gov.tw/
~ecobook/season/sab26.htm。
3、 Fan-shiong Chen,Pee-Yew Lee,Ming-Chyi Yeh,”Thermal reactive depositon of chromium carbide on die steel in a fluidized bed furnace”, Materials Chemistry and Physics,Vol 53,1998,p.19-27.
4、Takehiko Hirata, Katsunori Akirama, Hirokazu Yamamoto,”Sintering behavior of Cr2O3-Al2O3 ceramics”, Journal of Europen Seramic Society,Vol.20,2002,p.195-199.
5、Hans K. Pulker,，“Wear and corrosion resistant coatings by CVD and PVD”，ELLIS HORWOOD LIMITED Publisher,1989.

表一各參數之壓痕試驗結果
參 數
條 件
壓痕等級

鋁靶電流量
Al0.6
HF4

Al0.8
HF4

Al1
HF3

乙炔流量
C8
HF4

C10
HF3

C12
HF4

基材偏壓
2７
HF6

37
HF3

47
HF5


表二 EDS成分分析表
條件 鉻(W%) 鋁(W%) 碳(W%) 氧(W%) 其他
CrAl1C10 84.57 6.57 7.63 1.22 1.62
CrAl0.8C10 84.97 5.07 8.38 3.75 0.36
CrAl0.6C10 85.95 3.27 8.60 1.52 0.45
CrAl0.8C8 84.13 5.24 7.54 3.88
CrAl0.8C12 80.33 5.37 12.24 2.06 0.35
偏壓27 80.8 4.83 11.1 3.27
偏壓47 84.13 5.24 7.54 3.08


圖一實驗流程












圖二鍍膜表面各元素分佈圖

圖三鍍膜斷面
圖四CrAlC鍍膜摩擦係數與鋁含量之關係
圖五CrAlC鍍膜摩擦係數與碳含量之關係
圖六CrAlC鍍膜摩擦係數與偏壓之關係

圖七CrAlC鍍膜硬度與鋁含量之關係
圖八CrAlC鍍膜硬度與碳含量之關係
圖九CrAlC鍍膜硬度與偏壓之關係
引用：http://tw.myblog.yahoo.com/jw!fmKq9ymQBwD4cMhMwB79yMKVOg--/article?mid=1909

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