TWI386495B - 一種具有多層鍍膜之模具 - Google Patents

Description

一種具有多層鍍層之模具

本發明涉及一種模具，尤其係一種具有多層鍍膜之模具。

隨著社會發展，科技進步，人們對於模具之性能要求愈來愈高。然，通常模具基材一般難以滿足較高綜合性能之要求，因此往往需採用表面處理技術於模具基材表面鍍上一些修飾材料，以於一定程度上彌補模具基材本身之不足。

近年來，於科學技術快速發展之推動下，表面處理技術中出現了一種類鑽碳鍍層。類鑽碳係結構中混合了SP² 石墨平面鍵結與SP³ 四面體鑽石共價鍵結之非晶態碳。類鑽碳中之SP² 鍵結之石墨組織，層與層之間以微弱之凡得瓦爾鍵鍵結，導致層與層間極易滑動，可使類鑽碳鍍層具有低摩擦係數與潤滑等效果，具有較好之脫膜性。

由於類鑽碳具有良好之鍍層性能，於模具表面處理技術中應用較多。然，先前技術常採用單層純類鑽碳鍍層來改善模具性能，而當類鉆碳鍍膜厚度太厚時，會產生較大內應力，使其與基材附著性不佳，易脫落；厚度太薄時，容易使基材元素擴散至保護膜表層，導致類鉆碳鍍膜變色而與基材發生反應，喪失其脫膜性。

有鑑於此，提供一種與基材附著性強，且脫膜性佳之鍍膜模具實為必需。

下面將以具體實施例說明一種與基材附著性強，且脫膜性佳之鍍膜模具。

一種具有多層鍍膜之模具，包括一基材，以及於該基材上依次形成之一鉻層或矽化鉻層，一矽層，一碳化矽層，一碳化矽與碳之組合層及一含氫類鑽碳層。

相較於先前技術，所述具有多層鍍膜之模具，藉由於基材上形成一鉻層或矽化鉻層以及一矽層，可增強後續鍍層與基材之附著性；最外層選用含氫類鉆碳材，可有效增強模具之脫膜性；另，碳化矽具有較強之硬度，中間採用一碳化矽層及一碳化矽與碳之組合層，可增強模具之耐磨性。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步之詳細說明。

請參見第一圖，一種具有多層鍍膜之模具100，包括：一基材110，以及一鉻層或矽化鉻層120，一矽層130，一碳化矽層140，一碳化矽與碳之組合層150及一含氫類鉆碳層160。

其中，該基材110之材質為不鏽鋼，如鐵碳鉻合金、鐵碳鉻鉬合金、鐵碳鉻矽合金、鐵碳鉻鎳鉬合金、鐵碳鉻鎳鈦合金、鐵碳鉻鎢錳合金、鐵碳鉻鎢釩合金、鐵碳鉻鉬釩合金或鐵碳鉻鉬釩矽合金等。

該鉻層或矽化鉻層120之厚度範圍為2~8奈米，優選為4~6奈米。

該矽層130之厚度範圍亦為2~8奈米，優選為4~6奈米。

設置該鉻層或矽化鉻層120之目的在於增加後續鍍層與基材110之附著性。

所述碳化矽層140及碳化矽與碳之組合層150之厚度範圍均為20~100奈米，優選均為40~80奈米。 所述含氫類鉆碳層160之厚度範圍為20~3000奈米，優選為100~2000奈米。

結合第二圖，提供一濺鍍裝置200，該濺鍍裝置200具有一密封腔室210，該密封腔室210內具有一底座212，其可自由旋轉，一基材110設置於該底座212上，其可隨底座212一起旋轉，亦可自轉。腔室210內與該底座212相對之位置設置有一可旋轉之固定裝置214，其上固定有一第一靶材222，一第二靶材232以及一第三靶材242。其中，該第一靶材222之材質可選用鉻或矽化鉻，第二靶材232之材質可選用矽或碳化矽，第三靶材242為石墨。

射頻電源224、234、244之負極分別與該第一靶材222、第二靶材232及第三靶材242連接，射頻電源224、234、244之正極均連接基材110。射頻電源224、234、244之工作頻率均為13.56百萬赫茲。一偏置電源250設置於底座212之一端，於底座212上施加一負偏壓，以加速正離子向基材110之沈積速度。偏置電源250可為直流或交流電源，本實施例中採用交流電源，其頻率為20~800千赫，優選為40~400千赫，其電壓為－100~－30伏，優選為－60~－40伏。

由於濺鍍時，腔室210內需充有工作氣體，工作氣體通常為不與靶材、基材110以及後續形成之鍍膜發生反應之惰性氣體，該惰性氣體可選用氬氣或氪氣。當然，根據待鍍膜層之需要，工作氣體可為上述惰性氣體與其他氣體之混合氣體，為此，該腔室210設置有一抽氣口260，一氣體輸入口270。

製作上述具有多層鍍膜之模具100包括以下步驟：於基材110上形成一鉻層或矽化鉻層120。具體步驟為：首先，從抽氣口260將腔室210抽為真空後，從氣體輸入口270向腔室210內充入氬氣或氪氣，開啟射頻電源224，射頻電源234、244均處於關閉狀態，旋轉固定裝置214或底座212，使第一靶材222處於與基材110垂直相對之位置，於第一靶材222與作為陽極之底座212之間發生輝光放電，由於氬氣分子於射頻電源224作用下會被離子化為帶正電荷之氬離子，於電場作用下，氬離子向負極即第一靶材222方向加速運動，並不斷撞擊第一靶材222之表面，氬離子之動能轉移至靶材原子，當靶材原子獲得足夠動能後，便脫離第一靶材222之表面而沈積於基材110上形成該鉻層或矽化鉻層120。該濺鍍過程中，基材110可進行自轉，以於基材110表面濺鍍上比較均勻之鉻層或矽化鉻層120。該自轉速度可為10~200轉/分鐘，優選為20~80轉/分鐘。且控制濺鍍時間，使沈積於基材110上之鉻層或矽化鉻層120之厚度為2~8奈米，優選為4~6奈米。

於鉻層或矽化鉻層120上形成一矽層130。與形成鉻層或矽化鉻層120原理類似，同樣使用濺鍍裝置200，開啟射頻電源234，關閉射頻電源224，244處於關閉狀態，旋轉固定裝置214或底座212，使第二靶材232處於與基材110垂直相對之位置，於第二靶材232與作為陽極之底座212之間發生輝光放電，從而於鉻層或矽化鉻層120上形成一矽層130，本步驟中第二靶材232之材質採用矽。該濺鍍過程中，基材110可進行自轉，以於鉻層或矽化鉻層120表面濺鍍上比較均勻之矽層130。該自轉速度可為10~200轉/分鐘，優選為20~80轉/分鐘。且控制濺鍍時間，使沈積於鉻層或矽化鉻層120上之矽層130之厚度為2~8奈米，優選為4~6奈米。

於矽層130上形成碳化矽層140。與形成矽層130原理類似，同樣使用濺鍍裝置200，不同之處係：本步驟中第二靶材232之材質採用碳化矽。射頻電源234處於開啟狀態，射頻電源224、244均處於關閉狀態，旋轉固定裝置214或底座212，使第二靶材232處於與基材110垂直相對之位置，於第二靶材232與作為陽極之底座212之間發生輝光放電，從而於矽層130上形成一碳化矽層140。該濺鍍過程中，基材110可進行自轉，以於矽層130表面濺鍍上比較均勻之碳化矽層140。該自轉速度可為10~200轉/分鐘，優選為20~80轉/分鐘。且控制濺鍍時間，使碳化矽層140之厚度為20~100奈米，優選為40~80奈米。

於碳化矽層140上形成一碳化矽與碳之組合層150。與形成碳化矽層140原理類似，同樣使用濺鍍裝置200，不同之處係：本步驟採用第二靶材232及第三靶材242共同濺鍍。射頻電源234處於開啟狀態，並開啟射頻電源244，射頻電源224處於關閉狀態，即，以第二靶材232與第三靶材242作為陰極，於第二靶材232、第三靶材242與底座212之間進行輝光放電，從而於碳化矽層140上形成一碳化矽與碳之組合層150。該濺鍍過程中，基材110可進行自轉，以於碳化矽層140表面濺鍍上比較均勻之碳化矽與碳之組合層150。該自轉速度可為10~200轉/分鐘，優選為20~80轉/分鐘。且控制濺鍍時間，使該碳化矽與碳之組合層150之厚度為20~100奈米，優選為40~80奈米。

於碳化矽與碳之組合層150上形成一含氫類鉆碳層160。與形成組合層150原理類似，同樣使用濺鍍裝置200，不同之處係：保持腔室210內之壓力條件下，從抽氣口260將腔室210抽真空，再從氣體輸入口270向腔室210中輸入一定比例之氫氣與氬氣之混合氣體，該比例滿足條件：氫氣於混合氣體中之體積比為5~20%。當然，亦可以輸入氫氣與氪氣之混合氣體，甲烷與氬氣之混合氣體或甲烷與氪氣之混合氣體，其中，氫氣與甲烷於其混合氣體中所占之體積比5~20%。射頻電源244處於開啟狀態，射頻電源224處於關閉狀態，將射頻電源234關閉，即，以第三靶材242作為陰極，且第三靶材242處於與基材110垂直相對之位置，於第三靶材242與底座212之間進行輝光放電，從而於碳化矽與碳之組合層150上形成一含氫類鑽碳層160。該濺鍍過程中，基材110可進行自轉，以於碳化矽與碳之組合層150表面濺鍍上比較均勻之含氫類鉆碳層160。該自轉速度可為10~200轉/分鐘，優選為20~80轉/分鐘。且控制濺鍍時間，使該含氫類鉆碳層160之厚度為20~3000奈米，優選為100~2000奈米。

經過上述製程，最終得到於基材110上形成有一鉻層或矽化鉻層120，一矽層130，一碳化矽層140，一碳化矽與碳之組合層150，以及一含氫類鉆碳層160之具有多層鍍膜之模具100。

本實施例所提供之具有多層鍍膜之模具100藉由於基材110上形成一鉻層或矽化鉻層120以及一矽層130，可增強後續鍍層與基材110之附著性；最外層選用含氫類鉆碳材，可有效增強模具100之脫膜性；另，碳化矽具有較強之硬度，中間採用一碳化矽層140及一碳化矽與碳之組合層150，可增強模具100之耐磨性。

綜上所述，本發明確已符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。

模具．．．100

基材．．．110

鉻層或矽化鉻層．．．120

矽層．．．130

碳化矽層．．．140

組合層．．．150

含氫類鉆碳層．．．160

濺鍍裝置．．．200

腔室．．．210

底座．．．212

固定裝置．．．214

靶材．．．222、232、242

射頻電源．．．224、234、244

偏置電源．．．250

抽氣口．．．260

氣體輸入口．．．270

第一圖係本實施例所提供之具有多層鍍膜之模具之示意圖。

第二圖係本實施例中形成該具有多層鍍膜之模具之裝置示意圖。

模具．．．100

基材．．．110

鉻或矽化鉻層．．．120

矽層．．．130

碳化矽層．．．140

組合層．．．150

含氫類鉆碳層．．．160

Claims (10)

1. 一種具有多層鍍膜之模具，包括一基材，以及於該基材上依次形成之一鉻層或矽化鉻層，一矽層，一碳化矽層，一碳化矽與碳之組合層及一含氫類鑽碳層。
2. 如申請專利範圍第1項所述具有多層鍍膜之模具，其中，該基材之材質選自鐵碳鉻合金、鐵碳鉻鉬合金、鐵碳鉻矽合金、鐵碳鉻鎳鉬合金、鐵碳鉻鎳鈦合金、鐵碳鉻鎢錳合金、鐵碳鉻鎢釩合金、鐵碳鉻鉬釩合金以及鐵碳鉻鉬釩矽合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述鉻層或矽化鉻層之厚度範圍為2~8奈米。
4. 如申請專利範圍第3項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述鉻層或矽化鉻層之厚度範圍為4~6奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述矽層之厚度範圍為2~8奈米。
6. 如申請專利範圍第5項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述矽層之厚度範圍為4~6奈米。
7. 如申請專利範圍第1項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述碳化矽層及碳化矽與碳之組合層之厚度範圍均為20~100奈米。
8. 如申請專利範圍第7項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述碳化矽層及碳化矽與碳之組合層之厚度範圍均為40~80奈米。
9. 如申請專利範圍第1項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述含氫類鉆碳層之厚度範圍為20~3000奈米。
10. 如申請專利範圍第9項所述具有多層鍍膜之模具，其中，所述含氫類鉆碳層之厚度範圍為100~2000奈米。