超硬合金深冷處理之研究

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1、超硬合金深冷處理之研究Theresearchofsub-zerotreatmentonhardmetal張桓、邱松茂HungCheng,S.M.Chiu金屬工業研究發展中心摘要傳統的超硬合金模具或工具的製作，僅注重素材的選用及加工的方法，極少對超硬合金再加以熱處理，本文即針對超硬合金的深冷處理加以研究，首先以帕姆奎斯特法找出最佳之深冷處理製程，再配合實際模具的線上使用壽命量測，驗證深冷處理的效益，結果顯示超硬合金的性能可藉由深冷處理大幅提昇，此提昇的效果於鈷含量較高時更為顯著。關鍵詞﹕超硬合金、深冷處理、帕姆奎斯特法一、前言超硬

2、合金具有高剛性及高耐磨耗性，因此在需要高精度及高產量的IC製造業中有極多的應用[1]，傳統的超硬合金模具或工具的製作，僅注重素材的選用及加工的方法，極少對超硬合金再加以熱處理，文獻中也很少有相關的研究，但因為台灣特殊的產業環境，對於IC製造業模具的需求量極大，所以金屬中心一直積極尋求提昇超硬合金刀具及模具的使用壽命[2]，以服務業界，降低製造成本，提昇競爭力。超硬合金主要由碳化鎢(WC)及鈷(Co)組成[3,4]，配合性能上的需求再添加TaC，TiC，NbC等碳化物，碳化鎢是超硬合金的主要成份，有極高的硬度，維氏硬度2400kg

3、/mm2～2500kg/mm2，常溫的彈性模數可達668～707Gpa，熱膨脹係數則較低，常溫時於a軸為5.2×10-6K-1，於c軸為4.2×10-6K-1。鈷在超硬合金中是binder的角色，硬度低(124Brinell)，常溫的彈性模數為211Gpa。超硬合金自燒結的高溫冷卻下來，因碳化鎢與鈷的熱膨脹係數不同，鈷的收縮量約為碳化鎢的三倍，造成熱收縮量較大的鈷承受拉伸應力，熱收縮量較小的碳化鎢承受壓應力。超硬合金燒結後的粗胚必需加工後方能製作精密的工具或模具，放電加工或線切割除了造成表面白層外，還會對超硬合金表層造成熱影響區

4、，此急速冷卻的區域，有嚴重不利的熱應力分佈，同時因為鈷的β→α相變化是一種遲緩的(extremelyslugglish)麻田散相變化(matensitictransformation)，在冷速快的時候會有殘留常溫β鈷，這些殘留常溫β鈷如果於使中進行相變化造成鈷相收縮，則鈷相拉應力情形更加嚴重，不利於使用壽命。將超硬合金深冷處理，可以將超硬合金的內部應力逆向調整，即是減少鈷中的拉伸應力，甚至調整至適當的壓縮應力，如此可以減少裂紋的起始，提昇耐疲勞強度，增加裂紋成長的阻力，提高韌性，並增加鈷對碳化鎢的結合性，減少碳化物剝離，提昇對黏

5、著磨耗的耐力，同時減少殘留β鈷，避免使用中的β→α相變化。一般評估超硬合金的性能，可以用硬度、矯頑磁力及抗折力等方法，本研究為了將超硬合金性質上微小的變化加以定量化處理，採用帕姆奎司特法分析[5]，即是以鑽石針頭對試片施以不同的荷重，記錄壓痕之裂紋長度合之變化，再由荷重對裂紋長度關係圖可以得到裂紋趨勢斜率，因為此斜率與破裂韌性有關[6]，所以用此斜率作為超硬合金深冷處理後的性能變化的參數。二、實驗結果與與討論選取國內外知名的四家超硬合金製造廠出品之12種常用超硬合金材料，進行深冷處理實驗，並用帕姆奎司特法分析其效益，圖1為A組試

6、片之深冷處理前後之荷重與裂紋長關係圖，依此圖可求得裂紋長與荷重線性關係斜率，簡稱為裂紋趨勢斜率；由圖1可以看出深冷處理後超硬合金的裂紋趨勢斜率有降低的現象，表示藉由材料內部的應力調整，破裂韌性得以提昇。利用此法可以求出不同的材料深冷處理前後裂紋趨勢斜率變化，如表1所示，雖然不同廠家的產品，其受到深冷處理的影響，會因為製程、成份及碳化物顆粒大小的不同，而有差異，例如C組試片幾乎不受處理過程的影響，但整體而言，可以看出鈷含量較高或硬度較低的超硬合金，受到深冷處理提昇性能的效益越顯著，如將表1之結果整理作圖，可得不同材料之裂紋趨勢斜率

7、與硬度關係圖，如圖2所示，可以明顯看出對硬度越低的超硬合金，裂紋趨勢斜率降低的越多。不同的深冷處理條件，對超硬合金產生的影響也不同，圖3是D1材料於承受不同條件之深冷處理後，以帕姆奎司特法分析的結果，顯示對不同的超硬合金材料，需要以不同的處理條件配合，以達到最佳的效果。實際超硬合金工具及模具的線上使用壽命量測，也驗證深冷處理的效益，以沖切IC導線架用的超硬合金PUNCH為例，沖切壽命提昇50%，而成本僅增加3~5%，此顯示超硬合金的性能可藉由深冷處理大幅提昇，而只需增加極低的處理成本。三、結論1.以帕姆奎斯特法對超硬合金的深冷處

8、理加以研究，可以將超硬合金性質上微小的變化加以定量化處理，並找出最佳之深冷處理製程。2.本研究以裂紋趨勢斜率為指標，結果顯示超硬合金的性能可藉由深冷處理大幅提昇，此提昇的效果於鈷含量較高時更為顯著。3.由實際超硬合金工具及模具的線上使用壽命量測，可驗證深冷處理是