微粒子珠擊對模具材料表面特性提升之研究

前言

微粒子珠擊法(Micro-shot Peening)為一種材料表面強化技術，能夠提升材料之機械性質，如表面硬度和疲勞強度等機械性質[1-2]。微粒子珠擊為透過高硬度之微小球形粒子( 直徑小於100μm)，如鑄鋼、高速鋼或陶瓷粒子，結合高壓空氣加速粒子，對材料表面進行高速撞擊，從而引發表面塑性變形，實現表面強化的同時，於材料表層形成壓縮殘留應力(Compressive Residual Stress)[3-5]。

在室溫下，如陶瓷、碳化鎢或硬鉻鍍層等脆性材料，對超過彈性限應力之反應不同，通常在發生塑性變形之前即產生破損(Fracture)。因此，對於強化陶瓷材料表面將具有一定挑戰。然而，目前已有研究表明[6-7]，在特定之珠擊條件下，能夠有效引入殘留壓縮應力於陶瓷材料之表面，而提升材料表面之壽命，並可將其應用於刀具及軸承等應用場合[8-9]。因此，本文選用P20碳化鎢材料作為實驗材料，並選用微粒子粉末對其執行珠擊處理，目的在於實現P20碳化鎢之表面強化，同時仍能夠保持良好之表面完整性(Surface Integrity)，避免材料表面產生明顯之破損。

SKD11模具鋼是一種高碳高鉻之冷作工具鋼，以其卓越之耐磨性和高硬度而廣泛應用於金屬沖壓、剪切模具等應用場合。隨著工業技術之發展，對其在高應力環境下之性能需求日益增加，傳統之表面處理技術已難以滿足這些要求。因此，本文將利用微粒子珠擊法對模具鋼進行微粒子珠擊，並藉由田口法(Taguchi Method)分析製程參數對表面粗糙度之變化及影響，最終尋得對材料表面完整性最佳之參數組合，以達到表面強化並保持良好表面品質之效果。

實驗材料與方法

本文選用SKD11模具鋼及P20碳化鎢作為實驗材料，所有試片在進行微粒子珠擊處理前，均經過研磨及拋光至表面粗糙度Ra 0.02μm，隨後進行微粒子珠擊實驗。實驗過程中，將使用白光干涉儀測量表面粗糙度和3D 形貌之變化，以分析微粒子珠擊對表面品質之影響。同時，藉由X 射線繞射儀測量表面殘留應力，以確認其表面強化效果。微粒子珠擊實驗之示意圖如圖1所示，可透過高度平台及角度平台來調整噴射距離及角度。

本實驗採用田口實驗設計法中之L9(34)直交表進行實驗設計，其實驗參數如表1所示。微粒子珠擊參數包含噴射時間(A)、噴射壓力(B)、噴射角度(C)和噴嘴距離(D)等四項，每個因子將設置三個水準，如表2所示。通過L9直交表設計計算出各參數的信噪比(Signal-to-noise Ratio)，從而系統性探討微粒子珠擊對材料表面完整性之影響，最終尋求最佳之製程參數組合。