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研究生：	林靜波 Lin, Jing-B0
論文名稱：	摻雜鋯元素於混合式碳源類鑽碳膜磨潤性能之研究 ribological performance of mixed carbon source DLC films with zirconium dopant
指導教授：	蘇演良 Su, Yan-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：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	70
中文關鍵詞：	類鑽碳鍍磨、混合式碳源、鋯
外文關鍵詞：	DLC, mixed carbon source, zirconium dopant
相關次數：	點閱：86 下載：5
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　　Diamond like carbon，DLC，類鑽碳由於一些良好的機械與膜潤性質，例如具有極高的硬度、低摩擦係數、高化學穩定性……等等，這些性質使得類鑽碳經常被用為切削工具與耐磨耗的薄膜，但在無法添加切削液以及高速切削環境下產生的高溫，使一般被覆類鑽碳刀具的壽命下降並增加換刀的次數與時間，以及類鑽碳鍍膜因為內應力過大使鍍膜附著性不佳，最後將導致生產成本的提高。

　　為因應類鑽碳鍍膜不良之耐熱性與附著性，本文將提出利用非平衡磁控濺鍍法，有別於一般單獨使用固體碳靶作為類鑽碳碳源，添加碳氫氣體-甲烷作為碳源，並添加金屬鋯降低內應力以提高類鑽碳鍍膜附著性，在高速鋼基材上製備具低摩擦係數、高硬度與耐高溫的類鑽碳鍍膜，並實際於車削與微鑽削試驗下探討類鑽碳鍍膜的磨潤與耐熱性質。

　　經由實驗結果可得知當基材偏壓越高所產生的類鑽碳鍍膜硬度越高，摩擦係數及耐磨耗性能均有一定的提升。在鍍膜的車削性能測試中，添加5sccm甲烷的刀具壽命為未添加甲烷氣體鍍膜的2.5倍，為未被覆鍍膜刀具的5倍；在鍍膜的微鑽削性能測試中，添加甲烷5sccm的刀具壽命為未添加甲烷氣體鍍膜的2倍，為未被覆鍍膜刀具的3倍。實際的結果顯示添加甲烷氣體能降低刀具磨耗同時提升刀具壽命。

　As it is well know that Diamond-like carbon (DLC) films present excellent mechanical and tribological properties, such as low friction and high wear resistance. DLC films can be separated generally from hydrogenated diamond-like carbon films (amorphous hydrogenated carbon coatings, a-C:H) and hydrogen-free diamond-like carbon films(tetrahedral amorphous hydrogen-free carbon coatings, ta-C). In general, the wear resistance of the ta-C films was higher than a-C:H, but a-C:H exhibited lower friction coefficient compared to ta-C.

　In this study, zirconium metal target and carbon source of reactive gas and solid target were used to deposit Me-DLC coatings. The mechanical, adhesive and tribological properties of Me-DLC coatings with different metal content were discussed.

　To investigate the effect of various carbon sources on the properties of DLC films, we changed the flow rates of methane (CH4) from 0 sccm to 5 sccm. The detail of deposition parameters. The microstructures and mechanical properties of coatings have been measured by the experiments of SEM,. The tribological properties of the coatings have been tested against different counterbodies under unlubricated conditions using a SRV reciprocating sliding wear tester and a pin-on-disc sliding wear test in an atmosphere environment.

授權書…………………………………………………………………………………Ⅰ
考試合格證明書………………………………………………………………………Ⅱ
中文摘要………………………………………………………………………………Ⅲ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅵ
誌謝……………………………………………………………………………………Ⅴ
總目錄…………………………………………………………………………………Ⅵ
表目錄…………………………………………………………………………………Ⅷ
圖目錄…………………………………………………………………………………Ⅸ
第一章	緒論…………………………………………………………………………1
第二章	理論基礎與回顧……………………………………………………………3
	2-1類鑽碳………………………………………………………………… 3
	  2-1-1類鑽碳膜之由來及發展………………………………………… 3
	  2-1-2類鑽碳膜的分類………………………………………………… 3
	  2-1-3類鑽碳膜之基本特性…………………………………………… 4
	2-2以磁控濺鍍製做類鑽碳鍍膜………………………………………… 5
 	2-3碳氮化鋯……………………………………………………………… 6
	2-4刀具壽命理論………………………………………………………… 7
	2-5 PCB鑽孔……………………………………………………………… 8
	  2-5-1鑽針簡介………………………………………………………… 8
	  2-5-2微鑽針磨耗破壞………………………………………………… 9
	  2-5-3印刷電路板……………………………………………………… 9
第三章	實驗方法與內容……………………………………………………………10
	3-1實驗目的……………………………………………………………… 10
	3-2實驗流程……………………………………………………………… 10
	3-3鍍膜製備……………………………………………………………… 11
	  3-3-1 ZrDLC鍍膜製備………………………………………………… 11
	  3-3-2 ZrCN鍍膜製備……………………………………………………12
	3-4實驗內容……………………………………………………………… 13
	  3-4-1鍍膜成分與元素分析…………………………………………… 13
	  3-4-2鍍膜微結構分析………………………………………………… 14
	  3-4-3硬度實驗………………………………………………………… 15
	  3-4-4附著性實驗……………………………………………………… 15
	  3-4-5磨耗實驗………………………………………………………… 16
	  3-4-6耐熱實驗………………………………………………………… 17
	  3-4-7車削實驗………………………………………………………… 17
	  3-4-8鑽削實驗………………………………………………………… 18
	3-5實驗設備……………………………………………………………… 19
第四章	實驗結果與討論……………………………………………………………21
	4-1第一部份第一階段鍍膜基本性質…………………………………… 21
	  4-1-1鍍膜之附著性…………………………………………………… 21
	  4-1-2底材偏壓對鍍膜硬度之影響…………………………………… 21
	  4-1-3鍍膜厚度與成分分析…………………………………………… 21
	  4-1-4 X光繞射微結構分析…………………………………………… 22
	4-2第一部份第一階段鍍膜磨潤性質…………………………………… 22
	4-3第一部份第二階段鍍膜微結構分析………………………………… 22
	  4-3-1鍍層厚度與成分………………………………………………… 23
	  4-3-2鍍層X光繞射分析…………………………………………………23
	  4–3–3鍍層拉曼光譜分析…………………………………………… 23
	4-4第一部份第二階段膜鍍之機械性質………………………………… 25
	  4-4-1鍍膜之鍍層硬度值……………………………………………… 25
	  4-4-2鍍膜之附著性…………………………………………………… 25
	4-5第一部份第二階段膜鍍磨潤性質…………………………………… 26
	  4-5-1SRV往復式磨耗試驗………………………………………………26
	  4-5-2Pin-On-Disc迴轉式磨耗試驗……………………………………27
	4-6鍍膜的耐熱性能……………………………………………………… 27
	4-7鍍膜車削性能測試…………………………………………………… 28
	4-8鍍膜PCB鑽削測試………………………………………………………28
	4-9第二部份膜鍍之性質………………………………………………… 29
第五章	結論…………………………………………………………………………31
第六章	參考文獻……………………………………………………………………33

表目錄
表3-1	ZrDLC第一部分鍍層參數表……………………………………………… 37
表3-2 	ZrDLC第二部分鍍層參數表……………………………………………… 38
表3-3	ZrCN鍍層參數表……………………………………………………………39
表3-4	SRV磨耗實驗參數表……………………………………………………… 39
表3-5	Pin-On-Disc磨耗實驗參數表…………………………………………… 39
表3-6	車削實驗參數表……………………………………………………………40
表3-7	鑽針的機械性質表…………………………………………………………40
表3-8	FR4雙面板之物理機械性質……………………………………………… 40
表4-1	第一部分鍍膜刮痕臨界力與壓痕等級……………………………………41
表4-2	第一部分鍍膜微硬度值與厚度結果………………………………………41
表4-3	第二部分鍍膜厚度與GDS成分分析……………………………………… 41
表4-4	第二部分鍍膜拉曼分析……………………………………………………42
表4-5	第二部分鍍膜壓痕等級與臨界荷重………………………………………42
表4-6	第二部分ZrCN鍍膜性質表…………………………………………………42
		
圖目錄
圖2-1	濺鍍系統示意圖……………………………………………………………43
圖2-2	輝光放電示意圖……………………………………………………………43
圖2-3	捨棄式車刀磨耗量之表示圖………………………………………………44
圖2-4	微鑽針幾何外形……………………………………………………………45
圖2-5	鑽針的磨耗型態……………………………………………………………46
圖3-1	實驗流程圖…………………………………………………………………47
圖3-2	非平衡磁控濺鍍系統簡圖…………………………………………………48
圖3-3	ZrDLC鍍膜安排…………………………………………………………… 48
圖3-4	刮痕試驗機裝置圖…………………………………………………………49
圖3-5	壓痕等級示意圖……………………………………………………………49
圖3-6	往復式磨耗試驗機配置圖…………………………………………………50
圖3-7	迴轉式磨耗試驗示意圖……………………………………………………51
圖3-8	車刀磨耗型態圖……………………………………………………………52
圖3-9	PCB立式三軸工具機(ProSyS1型)…………………………………………52
圖3-10	微鑽針磨耗圖………………………………………………………………53
圖4-1	第一階段鍍膜XRD分析…………………………………………………… 53
圖4-2	第一階段鍍膜100N線乾磨摩擦係數與磨耗深度比較……………………54
圖4-3	第二階段鍍膜各爐次厚度…………………………………………………54
圖4-4	第二階段鍍膜XRD微結構分析…………………………………………… 55
圖4-5	第二階段鍍膜拉曼分析……………………………………………………56
圖4-6	非晶質碳膜三種狀態模式…………………………………………………56
圖4-7	第二階段鍍膜斷面SEM圖………………………………………………… 57
圖4-8	第二階段鍍膜各爐次硬度…………………………………………………57
圖4-9	ZrDLC鍍膜附著性刮痕試驗之臨界應力比較圖………………………… 58
圖4-10	第二階段鍍膜50N、720秒線乾磨摩擦係數與磨耗深度比圖……………59
圖4-11	第二階段鍍膜100N、720秒線乾磨摩擦係數與磨耗深度比較圖……… 60
圖4-12	第二階段鍍膜100N、5000秒線乾磨摩擦係數與磨耗深度比較…………61
圖4-13	第二階段鍍膜線乾磨上試件SEM磨痕與EDS成分分析圖…………………62
圖4-14	第二階段鍍膜25N、720秒點乾磨摩擦係數與磨耗深度比較……………63
圖4-15	第二階段鍍膜10N Pin-On-Disc 15000圈摩擦係數與磨耗深度比較… 64
圖4-16	第二階段鍍膜於高速鋼基材熱處裡前後硬度比較………………………64
圖4-17	第二階段鍍車削試驗後車刀刀腹磨耗量比較……………………………65
圖4-18	第二階段鍍車削試驗後車刀刀腹磨耗SEM圖…………………………… 66
圖4-19	第二階段鍍披覆鍍膜微鑽針2000孔數刀腹刀角磨耗……………………67
圖4-20	第二部分ZrCN鍍膜XRD微結構分析……………………………………… 68
圖4-21	ZrCN硬度比較………………………………………………………………69
圖4-22	第二部分ZrCN鍍膜10N、600秒線乾磨摩擦係數與磨耗深度比較………69
圖4-23	第二部分ZrCN鍍膜10N、180秒點乾磨摩擦係數與磨耗深度比較………70
圖4-24	第一階段ZrDLC鍍膜於M2高速鋼底材負載40N之刮痕深度與摩擦係數…70
                                    

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校內：2006-06-15公開
校外：2006-06-15公開

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