TWI458857B

TWI458857B - 工作模具及其製造方法

Info

Publication number: TWI458857B
Application number: TW101136361A
Authority: TW
Inventors: Chia Hung Huang; Chi Wen Chu; Guo Yuan Yeng; Ching Fu Yang
Original assignee: Metal Ind Res & Dev Ct
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-11-01
Also published as: TW201414873A

Description

工作模具及其製造方法

本發明是有關於一種工作模具及其製造方法，特別是指一種具有鍍層的工作模具及其製造方法。

用以壓鑄工件材料形成工件初坯的工作模具除了適當的模具設計外，工作模具的基材與其表面的鍍膜膜層的材料選用皆會對於壓鑄過程中的工件初坯表面精度、良率有所影響，更甚者，特別在一些高溫(高於600℃)的壓鑄製程中，工作模具在反覆開模/關模的成型過程便需要承受高溫/低溫變化的熱衝擊而有可能影響到工作模具壓鑄表面的精度與其使用壽命，除此之外，高溫環境下材料間活性亦較高而使得工件材料與工作模具可能產生反應導致成型的產品表面品質降低、或局部沾黏情形導致頂出離模時產品破裂。

參閱美國US20090101502A1專利案，該案揭示一種氣體偵測元件上的抗熱衝擊膜層，利用電漿熔射(Plasma spray)方式在基材上形成一層γ-相氧化鋁(Gamma Alumina)而能令氣體偵測元件可承受500℃以上高溫超過60小時，但該案揭示的膜層雖有較佳的耐熱衝擊表現，卻受限於工作模具的鍍膜還需有抗沾黏性的功能性質且電漿熔射製程溫度較高，因此仍有待改善。

再參閱台灣I351442專利案，該案揭示一種模造玻璃模仁及其製造方法，由於模造玻璃需要在高溫(大約600℃)及高壓(10-30KN)下進行，所以模仁必須耐熱衝擊性，由此，該案提及其模仁是先以微波電漿化學氣相沉積方法(Micro Wave Plasma Chemical Vapor Deposition)利用甲烷(CH₄ )氣體在底材上濺鍍形成中介層；接者以石墨為濺鍍靶材，氮氣為濺鍍氣體於中介層表面鍍製含有氮原子之類鑽石膜所形成的保護膜，令保護膜能緊密附於底材上且模仁亦可用於較高的模造溫度，換言之，該案是藉由氮原子於高溫下具有較佳之穩定性而用以改善類鑽石膜高溫下易於石墨化之缺點。

由前述說明可知，用於高溫環境壓鑄的工作模具必須具備低沾黏、耐熱衝擊的條件以維持產品良率、改善工作模具使用壽命、進一步地降低整體壓鑄製程的成本，而此亦是本技術領域者持續研究開發的方向之一。

因此，本發明之目的，即在提供一種耐熱衝擊、低沾黏、高硬度且耐高溫腐蝕的工作模具。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種可良好控制鍍膜組成比例而製造耐熱衝擊、機械性質佳的工作模具的製造方法。

於是，本發明工作模具，用以塑形一工件材料形成一工件初坯，包含一基材，及一鍍膜。

該基材具有一靠近工件材料的表面，而該鍍膜結合於該基材的表面且該鍍膜包括一功能鍍層，該功能鍍層的組成材料含有鉭(Ta)-鈦(Ti)-氮(N)化合物。

另外，本發明工作模具的製造方法包含下列步驟：

(A)將一基材設置於一物理氣相沉積系統中。

(B)將一組合式靶材設置於該物理氣相沉積系統中的預定位置，其中，該組合式靶材包括複數交錯且依序排列的材料單元而每一材料單元至少具有預定原子比例的固態鉭金屬及鈦金屬。

(C)於該物理氣相沉積系統中通入一包括氮氣的反應氣體。

(D)啟動該組合式靶材而與該反應氣體配合進行反應性的物理氣相沉積，並於該基材表面形成一含有鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層的鍍膜。

本發明之功效在於：利用反應性物理氣相沉積形成該具有鉭-鈦-氮化合物所構成的功能鍍層的鍍膜，並令其均勻且附著良好地形成於該基材表面，再藉由鉭-氮-鈦化合物為主要構成的功能膜層所具有的耐熱衝擊特性，保護該工作模具在壓鑄工件材料時不易受損、且抗沾黏性亦佳，此外利用本發明製造方法可良好的控制該鍍膜的成分比例並兼具鍍層品質而製得本發明耐熱衝擊的工作模具。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明具有耐熱衝擊鍍膜的工作模具之一第一較佳實施例是包含一基材1，及一形成於該基材1上的鍍膜2。

該基材1是用以塑形工件材料(圖未示)形成工件初坯(圖未示)，一般來說是經過特別設計以配合工件初坯成形的態樣形狀，因此該基材1的材質需是固態並具有一定硬度的，通常可選擇的材料有陶瓷、半導體、金屬、合金、玻璃或塑膠等。

但因為該基材1通常在壓鑄工件材料時會有黏附，或是在高溫、高壓操作下容易令該基材1損害，因此，必須在該基材1用來塑形的一表面11鍍覆形成該用以保護該基材1並提高整體工作模具壽命、工作效能的鍍膜2。

特別的是，在本第一較佳實施例中該鍍膜2是一具有鉭(Ta)-鈦(Ti)-氮(N)化合物的功能鍍層21，並利用物理氣相沉積鍍覆於該基材1的表面11，其詳細製程步驟容後再述，而此鉭-鈦-氮化合物具有非常優異的耐熱衝擊性、高溫時的抗沾黏性，令本發明工作模具在使用上不僅可減低離形劑的噴塗次數、擴大塑形工作的應用範圍，甚至於延長工作模具的使用壽命。

補充說明的還有，該功能鍍層21除包含鉭-鈦-氮化合物之外，還另外包含選自氫(H)、氧(O)、碳(C)、氟(F)或此等所成的群組；較佳地，可再包含選自鋯(Zr)、鉿(Hf)、矽(Si)、鋁(Al)、硼(B)、鎢(W)或此等所成的群組。

而本第一較佳實施例亦以上述材料所構成的該功能鍍層21的組成比例提供兩種實際製作出，且機械性質良好的具體製造例。

具體例A，以該功能鍍層21的整體重量為100wt%計，該功能鍍層21具有15~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫，及4~10wt%的碳。

具體例B，以該功能鍍層21整體重量為100wt%計，該功能鍍層21具有10~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫、3~10wt%的碳，及10~25wt%的鋯。

針對本發明所使用含鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層21進一步說明的是，由於鉭元素是一高熔點金屬(熔點接近3000℃)且有良好的機械性質及抗腐蝕性，因此配合鈦、氮所形成的鉭-鈦-氮化合物結構可以具有耐高溫、高硬度、抗沾黏且耐熱衝擊的功能，而另外添加的氫、氧、碳、氟，或鋯、鉿、矽、鋁、硼、鎢等元素材料則能再增進該功能鍍層21的機械性質，如硬度等(以該具體例B添加鋯為例，即能提升該功能鍍層21的硬度)，可令本發明工作模具的使用壽命提升、維護成本降低。

以下再配合本第一較佳實施例的製造方法的詳細說明，當可對本第一較佳實施例的構造、成分比例有更清楚的了解。

參閱圖1、圖2，首先是進行一步驟31，將該基材1設置於物理氣相沉積系統(Physical Vapor Deposition System, PVD System)中薄膜預定沉積的位置；同時進行另一步驟32，將一組合式靶材設置於該物理氣相沉積系統中的預定位置，配合圖3所示的該組合式靶材包括複數交錯且依序排列的材料單元900，而每一材料單元900至少具有預定原子比例的固態鉭金屬901及鈦金屬902，特別說明的是，該組合式靶材組成在此製程中的每一材料單元900分別為鈦金屬902佔70at%、鉭金屬901佔30at%而製得該第一較佳實施例，更特別的是，本發明所使用的組合式靶材是不同於一般常見的合金靶，能令後續濺鍍製程上各元素的含量、均勻性更佳，而令該功能鍍層21的組成比例更精確，同時其結構特性亦更容易掌握控制。

設置好該基材1與該組合式靶材後封閉該物理氣相沉積系統，並抽真空使該物理氣相沉積系統內的壓力低於3×10^-5 torr，接著進行下一步驟33，在該物理氣相沉積系統中對該基材1以離子源(Ion Source)進行前處理，該離子源可以是氬氣(Ar)、氮氣(N₂ )、氧氣(O₂ )或乙烷(C₂ H₆ )，除了能清潔該基材1的表面11外，還能進一步的活化該基材1的表面11，也就是說利用離子源處理令該基材1的表面11帶有正電荷而能令後續濺鍍形成的膜層對該表面11的結合力更高。

再來是進行步驟34，於該物理氣相沉積系統中通入一包括氮氣的反應氣體。該反應氣體可另外包含氣態碳氫化合物(如甲烷、乙烷)、氧氣(O₂ )、氫氣(H₂ )、氟化碳氣體(CF_X )，更詳細地，在製造本第一較佳實施例時，該反應氣體之組成為分壓比20~50%的氮氣與25~50%的乙烷。

最後是進行步驟35，啟動該組合式靶材而與該反應氣體配合進行反應性的物理氣相沉積。更詳細地說，是控制該物理氣相沉積系統壓力為5×10^-3 torr、濺鍍溫度300℃以下，令該反應氣體-氮氣、乙烷與該組合式靶材的材料-鉭、鈦進行反應性物理氣相沉積而在該基材1的表面11形成該含有鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層21。

可以了解的是，藉由該組合式靶材上的各元素的比例與通入的反應氣體流量能控制最後形成於該基材1表面11的鍍膜2組成，再配合該物理氣相沉積系統製程參數的調整而能在控制該鍍膜2的整體厚度，便能製作得到本發明具有耐熱衝擊性、高抗沾黏性，且機械性質佳的工作模具。

參閱圖4，本發明工作模具之一第二較佳實施例與該第一較佳實施例相似，其不同之處在於該鍍膜2還包括一與該基材1的表面11連接且由鈦及/或鉻(Cr)所構成的緩衝膜層22，而該功能鍍層21則形成於該緩衝膜層22上。

這是因為當該基材1之材質與該功能鍍層21材料間的結合力不足時，可藉由該緩衝膜層22的輔助令該功能鍍層21可以良好且穩定的附著於該基材1上而不易剝離，因此，該緩衝膜層22的材質選擇是取決於該基材1、該功能鍍層21的材料性質。

而在本第二較佳實施例中，是以工具鋼(SKD11,DSC53)為基材1的構成材料，該功能鍍層22的材料則有鉭-鈦-氮化合物、碳、氫，因此選用鈦為本第二較佳實施例的緩衝膜層22的具體實施材料，

配合參閱圖5，透過本第二較佳實施例的製造方法的詳細說明，當可對本第二較佳實施例的構造、成分比例有更清楚的了解，而本第二較佳實施例的製造方法亦與上述第一較佳實施例的製造方法相似。

首先是進行一步驟31，將該基材1設置於物理氣相沉積系統(Physical Vapor Deposition System,PVD System)中薄膜預定沉積的位置；同時進行另一步驟32’，該步驟32’是將該組合式靶材與另一個第一靶材設置於該物理氣相沉積系統中的預定位置，該第一靶材材料是根據該緩衝膜層22材質所選擇，如鉻，或鈦與鉻之組合，而在本第二較佳實施例的實施中則是以鈦金屬為該第一靶材的構成材料。

設置好該基材1與該組合式靶材、第一靶材後封閉該物理氣相沉積系統，並抽真空使該物理氣相沉積系統內的壓力低於3×10^-5 torr，接著進行下一步驟33，在該物理氣相沉積系統中對該基材1以離子源(Ion Source)進行前處理，該離子源可以是氬氣(Ar)、氮氣(N₂ )、氧氣(O₂ )或乙烷(C₂ H₆ )，除了能清潔該基材1的表面11外，還能進一步的活化該基材1的表面11，也就是說利用離子源處理令該基材1的表面11帶有正電荷而能令後續濺鍍形成的膜層對該表面11的結合力更高。

再來是進行下一步驟36，該步驟36是於該物理氣相沉積系統中進行物理氣相沉積而在該基材1的表面11形成該由鈦所構成的緩衝膜層22，詳細地說，是啟動該第一靶材並控制該物理氣相沉積系統於預定反應環境，更清楚說明的是，先通入氬氣於該物理氣相沉積系統中至預定壓力，再設定電流、電壓以啟動該第一靶材進行物理氣相沉積，而在該基材1的表面11濺鍍厚度在0.1μm~0.3μm，由鈦組成之緩衝膜層22，厚度可由濺鍍時間等製程參數加以制，而除了使用氬氣外，其他鈍氣氣體亦是很好的選擇，此為本技術領域通常知識者所周知，故不在此多加贅述。

再來與前述第一較佳實施例的製造方法相似，進行步驟34、步驟35。先於該物理氣相沉積系統中通入一包括氮氣、乙烷的反應氣體，該反應氣體之組成為分壓比20~50%的氮氣與25~50%的乙烷，然後啟動該組合式靶材與該第一靶材而與該反應氣體配合進行反應性的物理氣相沉積。更詳細地說，是控制該物理氣相沉積系統壓力為5×10^-3 torr、濺鍍溫度300℃以下，令該反應氣體-氮氣、乙烷與該組合式靶材的材料-鉭、鈦進行反應性物理氣相沉積而在該緩衝膜層22上再形成該含有鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層21，而該緩衝膜層22、功能鍍層21共成構成本發明鍍膜2並製得本發明第二較佳實施例。

本第二較佳實施例配合由鈦構程的該緩衝膜層22令該包含鉭-氮-鈦化合物的功能鍍層21良好的結合於該基材1上，更具體的來說，本第二較佳實施例以工具鋼為基材1，該鍍膜2的緩衝膜層22材料是鈦，功能膜層21包含鉭-鈦-氮化合物、氫及碳，且以該功能膜層21整體重量為 100wt%計，該功能膜層21具有15~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫，及4~10wt%的碳。

同時，以本發明第二較佳實施例進行測試分析後，測得該功能鍍層21具有良好的附著力(HF=1~2)，且硬度佳(Hv≧2000)，表面粗糙度小(Ra≦2.5nm)；再配合附件1、2照片比較，附件1是本第二較佳實施例在製程溫度700℃下進行塑形後的工作模具表面狀況，附件2則是不具有本發明功能鍍層21的一般模具在製程溫度400℃下進行壓鑄後的狀況，可明顯分辨出本第二較佳實施例並無沾黏現象發生，而一般模具則有成品沾黏的問題，且再經過實驗測試，本第二較佳實施例可在經過500次的高溫壓鑄後仍不需噴塗離形劑或石墨潤滑劑，而一般模具在進行高溫壓鑄製程時因為溫度高而容易產生沾黏情況，因此幾乎必須每次壓製後都必須噴塗離形劑、避免後續成品嚴重沾黏、影響產品品質、模具壽命的問題，但本發明利用該具有鉭-氮-鈦化合物的功能鍍層21的保護，不僅可增加工作模具的耐熱衝擊強度且也兼具很好的抗沾黏效果，不僅可降低製程成本外，亦可避免離形劑的毒性對環境與人體的危害。

綜上所述，本發明工作模具在該基材1上濺鍍形成該緩衝膜層22、與該含有鉭-氮-鈦化合物而耐熱衝擊性高的功能膜層21，而利用鉭-氮-鈦化合物中的鉭元素使得該功能鍍膜21具有預定的耐熱衝擊強度，令本發明工作模具在高溫操作下仍能維持很好的抗沾黏性、耐蝕性與表面精度，而能降低離形劑的使用；且在製作方法中，又配合該組合式靶材的應用令該功能鍍層21組成比例與均勻度有較佳的表現，且還利用離子源的前處理使該基材1表面11與該鍍膜2間的結合力提升，亦能使本發明工作模具的壽命更長，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧基材

11‧‧‧表面

2‧‧‧鍍膜

21‧‧‧功能鍍層

22‧‧‧緩衝膜層

31‧‧‧步驟

32‧‧‧步驟

32’‧‧‧步驟

33‧‧‧步驟

34‧‧‧步驟

35‧‧‧步驟

36‧‧‧步驟

900‧‧‧材料單元

901‧‧‧鉭金屬

902‧‧‧鈦金屬

圖1是一剖視示意圖，說明本發明耐熱衝擊的工作模具之一第一較佳實施例；圖2是一流程圖，說明該第一較佳實施例的製造方法；圖3是一立體示意圖，說明該製造方法中所使用的組合式靶材態樣；圖4是一剖視示意圖，說明本發明耐熱衝擊的工作模具之一第二較佳實施例；及圖5是一流程圖，說明該第二較佳實施例的製造方法。

【附件簡單說明】

附件1是一照片，說明本發明耐熱衝擊的工作模具高溫使用狀況；及附件2是一照片，說明目前的工作模具高溫使用狀況。

31‧‧‧步驟

32‧‧‧步驟

33‧‧‧步驟

34‧‧‧步驟

35‧‧‧步驟

Claims

一種工作模具，用以塑形一工件材料形成一工件初坯，包含：一基材，具有一靠近該工件材料的表面；以及一鍍膜，結合於該基材的表面且該鍍膜包括一功能鍍層，該功能鍍層的組成材料選自含有鉭、鈦、氮、氫、氧、碳、氟化合物或此等所組成的群組；其中，以該功能鍍層整體重量為100wt%，該功能鍍層具有15~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫，及4~10wt%的碳。
依據申請專利範圍第1項所述之工作模具，其中，該功能鍍層的組成材料進一步還含有選自鋯、鉿、矽、鋁、硼、鎢或此等所成的群組。
依據申請專利範圍第1或2項所述之工作模具，其中，該鍍膜還包括一與該基材表面連接且由鈦及/或鉻所構成的緩衝膜層，而該功能鍍層則形成於該緩衝膜層上。
依據申請專利範圍第2項所述之工作模具，其中，以該功能鍍層整體重量為100wt%，該功能鍍層具有10~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫、3~10wt%的碳，及10~25wt%的鋯。
一種工作模具製造方法，包含：(A)將一基材設置於一物理氣相沉積系統中；(B)將一組合式靶材設置於該物理氣相沉積系統中的預定位置，其中，該組合式靶材包括複數交錯且依序排列的材料單元而每一材料單元至少具有預定原子比例的固態鉭金屬及鈦金屬；(C)於該物理氣相沉積系統中通入一包括選自於氣態碳氫化合物、氧氣、氫氣、氟化碳氣體、氮氣、乙烷或此等氣體之組合的反應氣體；以及(D)啟動該組合式靶材而與該反應氣體配合進行反應性的物理氣相沉積，並於該基材表面形成一含有鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層的鍍膜；其中，當該反應氣體是氮氣與乙烷時，其組成分壓比分別是：氮氣20~50%，乙烷25~50%。
依據申請專利範圍第5項所述之工作模具的製造方法，還包含一步驟(E)，該步驟(E)是在該物理氣相沉積系統中對該基材以離子源進行前處理令該基材的表面清潔並活化以增強該鍍膜對該基材的接合力。
依據申請專利範圍第5項所述之工作模具的製造方法，還包含一步驟(F)，該步驟(F)是於該物理氣相沉積系統中進行物理氣相沉積而在該基材的表面形成一由鈦及/或鉻所構成的緩衝膜層，而該步驟(D)中含有鉭-鈦-氮化合物的功能鍍層則是形成於該緩衝膜層上並與該緩衝膜層共同構成該鍍膜。
依據申請專利範圍第5項所述之工作模具的製造方法，其中，該步驟(D)所形成的鍍膜中，以其功能鍍層的整體重量為100wt%計，該功能鍍層包含15~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫及 4~10wt%的碳。
依據申請專利範圍第5項所述之工作模具的製造方法，其中，該步驟(B)中之組合式靶材的每一材料單元還具有選自鋯、鉿、矽、鋁、硼、鎢，或此等所成的群組所構成的固態元素。
依據申請專利範圍第9項所述之工作模具的製造方法，其中，該步驟(D)所形成的鍍膜中，以其功能鍍層的整體重量為100wt%計，該功能鍍層具有10~25wt%的鉭、25~50wt%的鈦、5~15wt%的氮、5~15wt%的氫、3~10wt%的碳，及10~25wt%的鋯。