模具鋼材應用研究---如何延長DC53的使用壽命
         模具的利用是產業大量生產最為重要的方式之一，然而在生產過程中，模具不斷承受沖擊與磨耗，若希望模具有良好的使用壽命，需要依賴模具材料的堅硬耐磨，因此業界與相關研究單位莫不致力于如何使模具鋼提高硬度、耐磨耗性及韌性的研究。所以模具表面的改質，能具明顯效益而強化模具壽命，故探討具效益之模具表面強化方法，是模具領域中重要之研究課題。
         本研究系采用目前業界使用最多之DC53 模具鋼為研究對象，實驗分成素材和處理材兩個部分，素材為施以放電加工，處理材則于放電加工后之素材再個別進行PVD 披覆氮化鈦鍍膜、滲硫氮化與真空熱處理三種強化處理。分別對素材與處理材所得之不同組織與性質，檢測其機械性質，并進行沖蝕及磨耗實驗。利用OM、SEM 等儀器進行結構與顯微分析，以了解強化處理前后變質層與強化層的顯微結構變化，并分析沖蝕與磨耗試驗結果，比較其表面改質強化前后所造成之影響，以判定最具效益的壽命改善技術。
       針對素材和處理材兩個部分，經過放電加工后，素材作金相組織觀察與機械性質測試，處理材個別作PVD 披覆氮化鈦、滲硫氮化與真空熱處理， 實驗結果如下：
1. 強化處理后的試片均較放電加工素材之表面硬度值提高，而且強化處理后基地之顯微組織，均顯現出大量的碳化物析出，硬度隨之增加。
2. 以6kg 沖蝕砂總量得到沖蝕表面之外觀圖，無論放電加工與強化處理材之試片，由于噴嘴噴射出之沖蝕顆粒成圓錐形，在較低角度（15°）時，沖蝕顆粒與試片接觸對沖蝕之影響層面會較大，當90°角度沖蝕時，受沖蝕面積最小。實際觀察亦發現45°時，試片所受沖蝕顆粒之影響較15°與90°的沖蝕角度為大且較深。
3. 以SEM 觀察所有試片之沖蝕正表面影像，低角度沖蝕時所有試片之表面，有較深之凹坑，形狀多以長條狀，類似河流之溝槽為主，而基地組織較軟的放電加工素材，表面產生的塑性變形情形較其它強化處理材明顯，在45o 沖蝕時所有試片之表面，因垂直分力與水平分力交互作用，產生堆擠以及凹坑的現象，也是基地組織較軟的放電加工素材，較另外三種明顯。對于90o 正向垂直沖擊的沖蝕表面，均顯現凹坑以及唇片重復堆棧的現象。若以耐抵抗沖蝕能力而言，除低角度的PVD-TiN 表面鍍膜強化處理材有好的表現外，于中、高角度數值而言，耐抵抗沖蝕能力的材料依序為：放電加工材＞PVD-TiN 表面鍍膜＞滲氮滲硫＞真空
熱處理。
4. 分析沖蝕角度與沖蝕磨耗率之變化關系，在沖蝕角度小于45°時，呈現水平直線約略相同之沖蝕磨耗率，之后則隨沖蝕角度增加其沖蝕磨耗率會逐漸減少，于90o 角度時沖蝕磨耗率最小，呈現出典型之延性材料沖蝕曲線，而PVD-TiN 強化處理材呈現延脆性沖蝕曲線。
5. 最大沖蝕深度出現在45°沖蝕角度附近，是因為45°附近有最大沖蝕分力，因此會產生最大之沖蝕深度，另最大沖蝕率也發生在45°附近。
6. 分析磨耗測試結果顯示，放電加工素材的試片有明顯的動摩擦第一階段，同時發現摩擦系數曲線變動很大，表示摩擦面間的磨耗粒子不斷的排出。經過強化處理的試片，因為表面硬度增加，相對滑動摩擦時也維持較穩定的摩擦系數，經過PVD-TiN 強化處理表面的微硬度最高，其摩擦系數較低。
       模具的應用在產業中占有重要的地位，其使用壽命的延長往往是提升競爭力之重要因素。由模具鋼作沖蝕磨耗實驗所顯示之結果，表面改質可改善材料機械性質，并提供模具鋼放電加工后，較佳表面強化機制選擇之依據。
資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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