模具複合處理技術介紹

作者：

劉俊呈

刊登日期：2023/11/30

摘要：本文旨在介紹財團法人金屬工業研究發展中心執行之科專計畫「模具產業鏈整體數位轉型關鍵技術開發計畫」，其中2.3子項於全程(四年期)所開發之針對冷鍛與溫熱鍛模具之複合處理技術。介紹複合處理技術特點：過飽和滲氮、無白層滲氮、PVD (Physical Vapor Deposition) 鍍膜、強形變細晶化、深層擴散氮化，並將應用此技術之成果進行說明。

Abstract：This article aims to introduce the conducting project of the Metal Industry Research and Development Center -"Key Technology Development Project for the Overall Digital Transformation of the Mold Industry Chain", of which 2.3 sub-items are developed throughout the four years composite treatment technology for cold forging and hot forging dies. Introduce the characteristics of composite treatment technology : supersaturated nitriding, without white layer nitriding, PVD (Physical Vapor Deposition) coating, strong deformation and fine graining, deep diffusion nitriding, and explain the results of applying this technology.

關鍵詞：複合處理、過飽和滲氮、無白層滲氮、強形變細晶化、深層擴散氮化

Keywords：Composite treatment、Supersaturated nitriding、Nitriding without white layer、Strong deformation fine crystallization、Deep diffusion nitriding

前言

模具為工業之母，在產業高值與規模化過程中，模具扮演非常重要的關鍵角色，可快速帶動產業發展。從數據統計來看，2021年國內模具產值雖僅為新台幣513億元，但衍生產品產值卻超過新台幣2.8兆元，實為極高度關聯性產業。從產業環境面來看，國內模具面對國際激烈競爭，尤其是中國大陸、韓國低價模具搶單競爭，間接壓縮我國模具出口；再加上急單、交期短、產品性質要求高等需求日益增加，廠商面臨快速回應生產壓力；而且國內模具小廠多採傳統/訂單式生產，因受市場需求改變、國外大廠生產競爭壓力而面臨倒閉危機；特別是下游應用產品生產轉向多品種、少批量、複雜、大型、精密、更新換代速度快的變化特點，迫使模具業朝向數位、智慧、高效、高速、高精度、長壽命、自動化..等方向發展。其中，影響模具壽命的重要問題為聚焦在如何協助模具可達耐蝕性、耐磨性、高溫磨耗與耐沖蝕性之議題，技術發展主軸為以複合處理技術提升現有的模具特性。執行計畫上，先以產業迫切需解決之需求為優先考量。逐年內容依序如下：冷作模具鋼較常遇到的塑膠模具耐蝕性、螺絲沖切模具之耐磨性；再處理熱作模具較常遇到的鈦合金溫熱鍛模具高溫磨耗性、汽機車壓鑄模具耐沖蝕性。

複合處理技術

本計畫之2.3子項針對模具壽命提升之議題，進行國內產業拜訪及國內外文獻參考，發現國內產業提升模具壽命之方式多採用單一鍍膜處理以提升表面硬度，增加耐磨性，但所選用之鍍膜製程屬於高溫CVD (Chemical Vapor Deposition) 製程，此製程溫度將使模具處於高溫回火環境，使模具基材之基礎硬度降低，致使模具表面與表面鍍膜之間介面硬度差異過大，將導致表層鍍膜容易剝離，此將進一步造成模具壽命不如原先所預期的壽命提升，反而會有下降的情事。經過國內外文獻參閱[1-12]，發現國外業界會先將模具基材表面進行硬化熱處理，使表面硬度提升至Hv1000以上，再進行表面鍍膜，且採用之鍍膜製程溫度低於模具基材之回火溫度，使模具在不受回火影響硬度的情況下，且表面鍍膜之硬度與表層硬化層硬度差異縮小，致使表面鍍膜之附著性得以提升，使模具實質提升使用壽命，且製程穩定度高，模具處理後之良率大於9成。故本子項進行複合處理技術之開發，於四年期計畫中，前兩年針對冷作模具，後兩年針對溫熱鍛模具，並以表面淡化熱處理及低溫複合式PVD鍍膜技術進行搭配，進而提升兩種類別模具壽命。分年度技術開發路徑圖如下圖1至圖4，分別為109~112年度開發技術。圖5~圖7為四年期技術所使用之製程設備。本文將針對四年期技術分別應用之載具作成果說明。