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研究生： 游展青
Yu, Cheng-Ching
論文名稱： 高功率脈衝磁控濺鍍類鑽碳鍍層於不同脈衝功率與氬氣通量之機械與磨潤性質研究
Effect of Pules Power and Argon flux on Mechanical and Tribological Properties of DLC coatings used HiPIMS Technology
指導教授： 蘇演良
Su, Yean-Liang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 41
中文關鍵詞： HiPIMs 、類鑽碳 、磨潤性質
外文關鍵詞： HiPIMs, Diamond-Like Carbon, Wear
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    • 本研究採用高功率脈衝磁控濺鍍法沉積一系列類鑽碳鍍層，探討鍍層之成份、組織、結構、基本機械性質、磨潤性質等。進一步進行微鑽削的工業應用之研究。
    鍍層製備參數研究採兩個階段進行：第一階段研究最佳基底鍍層參數，以光發射光譜儀器(OES)觀察濺鍍環境，變化多種濺鍍參數得到一系列鍍層，再以硬度作為參考訂定基底鍍層，以為後續使用。第二階段以基底鍍層出發，改變不同脈衝功率與氬氣通量設計一系列鍍層，分析此二參數對於性質的影響。
    於第一階段中，發現較高的脈衝電流與脈衝功率可使內部離子化程度上升，使用脈衝功率5kW、氬氣通量100sccm的類鑽碳鍍膜具有較佳硬度性質，以此為基底度層進入第二階段。
    於第二階段中，由SEM斷面結構中發現較高的功率下可得較厚的鍍層，拉曼分析中可知整體參數的D 峰皆往較高波數偏移，於5kW脈衝功率下偏移幅度相較其他脈衝功率少，顯示於5kW功率下碳結構失序和內部缺陷相對較少， D1、D2與D5參數的G峰位置偏移往較低波數，而D2偏移往低波數的趨勢最明顯，顯示他們的類鑽石鍵結結構增加，參照D峰與G峰位置偏移情形後，推測D2鍍層可能有最高的C-C sp3鍵結比率，此部分於XPS分析中得到驗證，D2具有最高的C-C sp3含量。
    機械性質與附著性分析中，C-C sp3比例與硬度成正比，以D2鍍層具有最高奈米硬度(21.1GPa)，但附著性是所有鍍層中最差的。由磨耗試驗中得知，對磨氧化鋁球相比對磨鉻鋼球，對磨氧化鋁球可得較低的摩擦係數，而磨耗深度以對磨氧化鋁球較高。於三種不同荷重的磨耗試驗中，D2鍍層於6N荷重下表現出最低的磨耗深度，於較高荷重(10N、14N)下因低附著性使鍍層磨耗率上升，整體磨潤性質以脈衝功率5kW、氬氣通量80 sccm的D5鍍層，於三種不同荷重與兩種對磨球中皆具有極低的磨耗深度與磨耗率。

    In this study, a series of diamond-like carbon (DLC) coatings were deposited by high-power pulsed magnetron sputtering (HPIMs) to investigate the composition, struc-ture, mechanical and tribological properties. Coating preparation parameters were stud-ied in two stages. For the first stage, the highest hardness of coating was studied ac-cording to that the optical emission spectrometer (OES) was observed in the sputtering environment. The second stage, based on parameters of the highest hardness, a series of DLC coatings were designed by varying the pulse power and argon flux. The influence of these two parameters on the coating properties was analyzed.
    The DLC coating with a pulse power of 5 kW and an argon flux of 100 sccm had the highest hardness in the first stage. In the analysis of mechanical and adhesive prop-erties, the C-C sp3 ratio is proportional to the hardness. The coating (specimen code: D2) has the highest nano-hardness (21.1 GPa) and high C-C sp3 ratio (36.66%), but the adhesive properties is the worst among all the coatings. From the wear test results, it was found that coatings sliding against Al2O3 counterpart, a lower friction coefficient was obtained compared to the AISI 52100 counterpart. The D5 coating with a pulse power of 5 kW and an argon flux of 80 sccm possesses the lowest wear depth and wear rate. The wear depth is reduced by around 30 times and the wear rate is reduced by al-most 200 times compared with the substrate. The D3 coating with a pulse power of 4 kW and an argon flux of 100 sccm possessed the highest critical load (Lc=94), therefore it displayed the longest wear life (129,756 cycles) as sliding against Al2O3 ball. On the other hand, the wear life of all coatings sliding against AISI 52100 ball that display the excellent tribological property, all coatings possess over 150,000 cycles

    總目錄 口試合格證明 I 摘要 II SUMMARY IV 誌謝 XXXVIII 總目錄 XL 表目錄 XLII 圖目錄 XLIII 第1章 緒論 1 1-1 前言 1 第2章 文獻回顧 4 2-1 高功率脈衝磁控濺鍍法原理 4 2-2 類鑽碳鍍層 5 2-3 小結 6 第3章 實驗方法與步驟 7 3-1 實驗目的 7 3-2 實驗流程 7 3-3 試片製作與設備安排 9 3-3-1 試件製備 9 3-3-2 分析設備 11 3-3-3 磨耗實驗 13 3-4 實驗設備 15 第4章 實驗結果與討論 17 4-1 第一階段：基底鍍層性質提升 17 4-1-1 濺鍍環境觀察 17 4-1-2 濺鍍參數調整 18 4-1-3 第一階段小結 20 4-2 第二階段：以不同脈衝功率與氬氣通量濺鍍類鑽碳鍍層 21 4-2-1 濺鍍環境與鍍層成分分析 21 4-2-2 鍍層結構分析 23 4-2-3 機械與附著性質分析 29 4-2-4 磨潤性質分析 32 第5章 結論 36 參考文獻 38 表目錄 表 2-1 直流磁控濺鍍與高功率脈衝磁控濺射濺鍍環境條件比 5 表 3-1 JIS SKH51原材化學成份(wt.%) 9 表 3-2 鍍層濺鍍參數 10 表 4-1 初期類鑽碳鍍層濺鍍參數表 17 表 4-2 濺鍍環境碳離子比例比較表 21 表 4-3 鍍層成分分析 22 表 4-4 Raman Id/Ig分析結果 24 表 4-5 Raman 峰值位移分析結果 24 表 4-6 XPS C1s光譜擬合後之鍵結比例 25 表 4-7 鍍層厚度與表面粗糙度結果 28 表 4-8 機械性質各項性質分析 31 圖目錄 圖1-1 直流磁控濺鍍(DCMS)與高功率脈衝磁控濺射(HiPIMS)鍍層成形環境示意圖 3 圖2-1 高功率脈衝磁控濺鍍圖 5 圖 3-1 實驗流程圖 8 圖 3-2 靶材配置示意 10 圖 3-3 披覆層附著性等級示意圖[34] 13 圖 3-4 迴轉式磨耗試驗機(左)結構示意圖(右)實際機台 14 圖 4-1 OES濺鍍環境觀察 17 圖 4-2 鍍層斷面SEM 26 圖 4-3 鍍層表面形貌SEM 27 圖 4-4 HRC壓痕SEM 29 圖 4-5 D1鍍層刮痕SEM 30 圖 4-6荷重10N對磨氧化鋁球磨耗曲線 32 圖 4-7荷重10N對磨鉻鋼球磨耗曲線 33 圖 4-8不同對磨球於荷重10N之磨耗深度與磨耗率分析 34

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    下載圖示 校內：2023-07-01公開
    校外：2023-07-01公開
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