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陰極電弧蒸鍍鋁鈦鉻鈮矽硼多元合金氮化物薄膜之高溫性質與不銹鋼切削分析

為了解決NX200 討論的問題，作者黃凱群 這樣論述：

本研究中採用陰極電弧蒸鍍技術(CAE)，搭配鋁鉻(AlCr)、鋁鉻硼(AlCrB)、鈦鋁鈮(TiAlNb)、鈦鋁鈮矽(TiAlNbSi)，沉積氮化鋁鉻(AlCrN)、氮化鋁鉻硼(AlCrBN)、氮化鈦鋁鈮(TiAlNbN)及氮化鈦鋁鈮矽(TiAlNbSiN)薄膜。同時利用兩個靶材共鍍AlCrN/TiAlNbN與AlCrBN/TiAlNbSiN多元多層氮化物薄膜，再針對AlCrB及TiAlNbSi靶電流進行優化，調整薄膜元素原子比例以提升薄膜高溫性質。接著進行真空退火(800、900、1000 ℃)與氧化退火(900 ℃)，針對薄膜多層薄膜的微結構、機械性質進行探討。最後在碳化鎢刀具上鍍製多層

膜，以測試多元多層合金氮化物薄膜應用於刀具鍍膜的可行性。本研究使用場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)與場發射穿透式電子顯微鏡(FE-TEM)觀察薄膜橫截面微結構；使用場發射電子微探儀(EPMA)進行薄膜元素成分分析；利用低掠角薄膜X光繞射儀(GIXRD)分析薄膜晶體結構與結晶相分析。機械性質分析先以洛式壓痕試驗機評估薄膜與基材之間的附著力，再利用奈米壓痕試驗機與球對盤磨耗試驗機量測薄膜機械性質(硬度和彈性係數)與抗磨耗性能。對於薄膜的高溫抗氧化性質實驗，利用二次離子質譜儀(TOF-SIMS)與化學分析電子光譜儀(ESCA)針對薄膜氧化層進行分析，探討氧化層生長機制。最後將AlCrN/TiA

lNbN、AlCrBN/TiAlNbSiN薄膜鍍製於碳化鎢端銑刀，對SUS304不銹鋼進行循環切削測試，以乾式與濕式切削探討薄膜對於刀具壽命的影響。根據研究結果顯示AlCrBN/TiAlNbSiN系列薄膜相較於AlCrN/TiAlNbN薄膜，因矽與硼的添加導致晶粒細化抑制晶粒成長，形成緻密的奈米複合膜結構，同時受到奈米多層膜的強化機制使其獲得高硬度(34.8 GPa)與低磨耗率(4.65x10-7 mm3/Nm)。在高溫真空退火後，AlCrBN/TiAlNbSiN薄膜仍保有34 GPa高硬度而具有熱穩定性。在900 ℃大氣氧化一小時後，AlCrBN/TiAlNbSiN薄膜中的奈米晶複合結構可以

阻礙氧原子藉由晶界進入薄膜內部，且Al2O3、Cr2O3和SiO2氧化物的產生延緩氧原子擴散至薄膜內層的速率，使其氧化層僅有83 nm。根據切削實驗結果得知，適當成分配比之AlCrBN/TiAlNbSiN鍍膜刀具的磨耗量最少具有最佳的抗磨耗性能與球對盤磨耗試驗結果相符。因薄膜在高溫條件下仍保有高硬度與高溫抗氧化能力，使其在加工不銹鋼時能夠減少刀具磨耗，保持刀腹平整與均勻磨耗。相較於未鍍膜刀具，在濕式切削的條件下能夠有效提升刀具壽命566%，在乾式切削下能夠使刀具壽命提升300%、磨損量下降44%。