領袖觀點｜模具材料的脈動與發展趨勢
2023年的尾聲裡，回顧模具產業脈動與思考未來發展，模具的演化也代表著一部工業的演進史。綜觀其變化，從過去機械加工傳統模具到精密模具的印象，嚴然已經又跨越至模具產業數位轉型的階段。在後疫情大環境裡更加飛躍式的加速其進展。且透過諸產業先進的努力奔走，充分鏈結官產學研之四股強大力量，已將此一趨勢牢牢深植每位新生世代參與者，也為模具產業注入一股新源泉。所謂工欲善其事，必先利其器，不管在塑料或金屬、甚至於多樣複合材等之成形，要滿足多樣應用的產品需求，成形所需的模具必須充分發揮其功能。凡舉模具所需之鋼材能力有機械強度、韌性、抗熱、抗蝕、加工性等等。從過去客戶設計者只會對鋼材供應者提出能力皆要最高的思維也轉變為如何方能適材適所的運用。因此，過去單純的量產模式也逐步轉型成專業快速客製生產模式。這需要龐大的資料管理，也給鋼材提供者也帶來了新挑戰。所需數位管理系統其範圍不再只有客戶資料整理，而是必須拓展從煉鋼、精煉、重溶到熱處理，還有自動化庫存倉到最終客戶訊息等涵括全方位的範圍。
光學產品的日新月異，也將模仁模具鋼材對拋光性與射塑穩定性的需求推往最高峰。此需求也讓沃斯田鐵系不繡鋼中特殊元素高濃度含量技術實現在硬化型麻田散鐵系不繡鋼之中。要如何在硬化型麻田散鐵系不繡鋼中穩定置入特殊元素原子則需配合能對鋼材進行保護氣高壓加壓重溶技術。此重溶製程也另外對提高金屬清淨度與降低金屬組織偏析影響 (組織均一性) 有很大的貢獻。重溶製程的最佳化能力，也成為對鋼廠評價的重要指標。現在對於加工尺度達1-2 µm，光學模的量具能力已達0.15 µm的級別下，對於模仁表面要求點狀影響則為0.5 µm在以上的技術整合下，方能透過對不銹鋼的組織細緻化制御來達到高拋光性的境界，進一步實現高光學性能透鏡的製作。在先端光學手機鏡頭性能得以逐步的提昇的成果，就也充分印證了這使用鋼材製造領航者奧地利BÖHLER M333 ISOPLAST光學模具鋼是唯一的途徑。
電動車的普及依靠電源供應器的續航力之外，藉由車體強韌輕量化降低能量耗損也是接下來重要的課題。這方面複合材料就成為首要的選項，結合注塑技術的玻璃纖維強化塑膠複合材料，其具有高強度比與高剛性比，加上減重輕量的特性，已經多方研究驗證，可應用於取代部分傳統金屬構件。但是玻璃纖維於射塑過程中的流動將對模具與螺桿零件、塑膠射出缸內襯等的損傷則必須被克服。雖然一般狀況下鍍層是最容易被考慮，但在需要考慮脫模、失效剥離汙染與成本的考量下，這並非最佳解法。如果基於安全設計，還必須採用耐燃性塑料時，此則對模具更加一層的施以化學強腐蝕作用。也因此，採用高耐蝕高硬度型鋼種方能對應。粉末製程煉鋼BÖHLER M368、M390 MICROCLEAN超微淨粉末鋼在未來的這應用裡將得以發揮伸展。
一般車用大型模具，眾所皆知，廣泛使用P20塑膠模具鋼。正由於是大型大斷面的金屬鋼材，如何硬度均勻、強度均勻就成為首要的注意點。從Buderus 2711合金鎳含量的調整，就提高鋼材內部的硬度均勻性。現今高級車組件用大型模具，必須要能實現多層立體幾何咬花的完美藝術。這就有賴鋼材的低碳合金化、組織與成分的低偏析度、以及能提高金屬洛氏硬度40HRC等級來達標。德國Buderus BPM-HHH就是為此而被開發，且具有諸多實績。
金屬成型用熱作鋼模具，無論壓鑄產業、沖壓產業、衝模產業、鍛造產業，隨著機台設備的自動快速化與高壓化，耐高溫特性要求日亦嚴苛。高階模具從早期低硬度的需求也提昇至50-56HRC，快速模具也需採用預硬30-40HRC來對應。熱作鋼首重抗熱性與抗沖蝕性。趨勢上產業由於設備能力的提昇得以短縮Cycle Time的同時，對模具的需求上抵抗冷熱交變熱疲勞的能力也日益變得重要。熱作鋼方面對於微量元素成分的影響機制研究在學界已趨成熟。這些微量元素成分的運用，也已經可見實用化在熱作鋼裡。
從選材角度為出發，一直聚焦於模仁的選材運用的同時，對生產穩定性的執著追求下也引領出在塑膠、壓鑄、鍛造以及其他產業，喚醒出需要對模座是要如何足以穩固模仁此議題再次進行探討。簡言之，僅只有模仁提昇，模座卻沒有含入一體的考慮將會事倍功半。
若說合金成分決定金屬的本質，那麼要如何將金屬本質特性充分引領而出就仰賴於金屬組織控制之熱處理。近年來對零件材質組織控制的視點也一改以往只要達到硬度要求為首要的傳統思維，邁入了細小要韌要質精，大型件則要強要通透的兩大要點技術展開。金屬工業研究中心致力於研發精微元件連續式熱處理系統，就為熱處理業開拓出新方向，也促進產業高值化。凡舉各種熱處理法如液態法、氣態法等之中，對高階工具鋼零組件、零件的應用就莫屬真空熱處理不可。高壓真空熱處理設備從初代3bar壓力到9bar壓力，透過自動控制系統，昇溫冷卻快慢得以精準控制下，開啟了新世代優質化工具鋼熱處理。這也為各大產業奠定下穩固的基礎。透過高真空耐超高壓設備建構技術的進步，近年也多見超高壓設備13-15bar的問世，也讓大型件真空熱處理法得以在產業界一展身手。
綜觀今年的時局變動，淨零碳排、淨零綠生活已從口號到定義、到盤查，開始如火如荼的在進行。鋼廠在提昇煉鋼技術的同時，亦開始必須致力於對高耗能的高熱煉鋼熔爐與循環系統進行系統性的廢熱回收與再利用。奧地利BÖHLER也就因應而生全自動化煉鋼廠，得以進行全數位化管理，也於今年完成建置並開始投產。相信未來，這已明顯樹立了材料製造者們的明確目標。不僅如此，作為台灣鋼材供應鏈一環的梧濟工業，也必須跟上腳步。自力發展系統可針對各種尺寸鋼材進行嚴謹的掌握，從條碼管理、自動切料管理到自動倉管理一體連線整合，以邁向AI智慧自動化為終極目標。眾所皆知，可稱之為工業之母的熱處理本是高耗能產業之一，如何提高熱效率則在未來成為各專家與經營者的課題。轉型已是時勢所需，機會永遠會留給準備好的，以及對於未來具有樂觀展望的先驅者們。
…本文未結束
更完整的內容 歡迎訂購 2023年12月號 489期
機械工業雜誌‧每期240元‧一年12期2400元
我要訂購