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含金属类钻碳膜特性及其在模具工业上之应用

以物理蒸镀法被覆薄膜具有高硬度、耐蚀及美观等优点，近二十年来在欧美及日本先进国家已广泛地的被应用，国内引进此一技术也将近有十余年历史，从早期取其美观特性用于装饰性蒸镀如手表、皮带扣等，逐渐发展应用至取其高硬度特性的耐磨产品如冲、切、剪、钻、铣等之机械加工之刀、工、模具上，对使用寿命的提升有显著的效果。氮化钛(TiN)具有高硬度(Hv2000以上)及美丽金黄色泽是物理蒸镀薄膜领域最早被广泛使用，随后被开发应用的有氮碳化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、氮化铬(CrN)等均属于硬质镀膜的范围，主要取其高硬度特性来增加耐磨耗性的思考逻辑；本文将介绍另一种思考逻辑所发展出的镀膜，即当镀膜具有相当低的摩擦系数使工具在加工过程降低表面所承受的剪切应力，则将产生另一种耐磨耗的特性，此一镀膜称之固体润滑膜如类钻碳膜，本文中将说明以封闭式非平衡磁控溅射法蒸镀含金属类钻碳膜的机械性质、耐腐蚀性并举例说明其在工业上实际的应用案例。

关键词﹕物理蒸镀、非平衡磁控溅射法、含金属类钻膜、摩擦系数、耐磨耗性

一、碳基镀膜之组织结构

所谓的碳基镀膜即以碳为原料，利用物理或化学的方法沉积于基材表面所形成之薄膜材料。由于碳原子能以SP³、SP²及SP¹等三种混成轨道存在，随着此三种混成轨道比例之不同，碳基镀膜能表现出各种不同的物理及机械性质。依C－C键结比例之不同，碳基镀膜共可区分为(1)钻石膜(diamond films)：C－C形成100%SP³键结，(2)类钻膜(diamond like)：C－C形成Sp³/SP² 混合键结，(3)石墨(graphite)：C－C形成100%SP²键结，(4)类聚合物薄膜(polymer like films)：C－C形成Sp¹/SP² 混合键结，属于非晶质膜。若依碳基镀膜之机械性质区分，则可分为硬质碳膜和软质碳膜，其中钻石薄膜及类钻膜因硬度较高属于硬质碳膜，而石墨及类聚合物膜因硬度低属于软质碳膜。硬质碳膜除了硬度非常高之外尚具有非常低的摩擦系数及优越的电绝缘性和超高热传导性、耐酸碱性、化学钝性、光穿透性、生物兼容性、光滑及耐磨耗性等，由于具有这些优越特性，使得在机械、电子、半导体等工业之应用日益广泛。