不锈钢材料磨耗性实验探究

　　在科技普及的時代，3C 產品幾乎成了熱門的產業之一，再不斷要求創新下，除了多功能與方便性為基本要素外，求新求變更是一門重要的學問。而現今手機設計越來越薄且方便性與外觀性也越來越重視，所以在手機上需要就是一種創新，從直板式、折疊式、旋轉式延生至滑蓋式手機。滑蓋式手機的優點是在於可將手機顯示螢幕與控制元件做重疊設計，在螢幕尺寸方面便可增大，外型也較具有時尚感。然而，在滑蓋手機內的 304 不鏽鋼的滑軌由於耐磨性不夠，所以若在長期使用下，常常會因為磨耗的影響，造成滑軌表面的磨損，使其手機無法正常運作而送修，這不僅造成使用者困擾，也使得該產品的聲譽受到損傷，因此如何提升滑蓋手機滑軌的磨耗壽命，是手機廠商相當重視的研究課題。
　　類鑽碳膜（diamond-like carbon film）是一種介於石墨與鑽石之間特性的材料，同時具有石墨（sp2 鍵）與鑽石（sp3鍵）鍵結的非晶質（amorphous）碳膜，而其中含鑽石相結構遠高於石墨相結構，因此擁有相當多近於鑽石的特性。但若進一步細分，可分為含氫類鑽碳膜 （ hydrogenateddiamond-like carbon film ） 與非含氫類鑽碳膜（hydrogenated-free diamond-like carbon film）。含氫類鑽碳膜又稱為非晶質碳氫膜（amorphous hydrogenated carbonfilm），簡稱為 a-C:H，其結構多為非晶質與微晶?等。另一種為非含氫類鑽碳膜又可稱為非晶質碳膜（amorphoushydrogenated-free carbon film），簡稱為 a-C，其結構有單晶、複晶、微晶與非晶質等[9,11, 15]。類鑽碳在各種硬質薄膜中在高硬度且具優良耐磨耗性及低摩擦係數與耐強酸強鹼等特性的硬質薄膜，其很多特點與鑽石類似，現今應用於生醫材 料 及 光 學 方 面 等 各 領 域 極 為 受 到 重 視 [1,2,6-8,10,12-14,16-18]。
　　Chabot 首先利用?子束沉積法研究開發出來[4]，並且造就往後數十?的研究熱潮。隨著時代科技的進步，類鑽碳膜的批覆方法已有相當的進展且多元化，而技術的種類更是琳瑯滿目。而不同的製程方式所鍍出的類鑽碳膜會有不同的特性，一般常使用的製作方式包括有：磁控濺鍍法（MagnetronSputtering）、?射沈積法（Laser Ablation）、?子束沈積法（Ion Beam Assisted Deposition）、脈衝式真空陰極電弧法（Pulsed Vacuum Arc Discharge）、電子迴旋共振化學氣相沈積法（Electron Cyclotron Resonance, ECR）、電漿輔助化 學 氣 相 沈 積 法 （ Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD）等方式。
　　本實驗研究係以乙炔為主要的反應氣體，使用電漿輔助化學氣相沈積法為製程的方法，將手機滑軌材料 304 不鏽鋼表面覆蓋一層類鑽碳薄膜，再利用不同的實驗儀器試驗，希望能了解鍍類鑽碳薄膜 304 不鏽鋼的耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命，同時也將傳統所使用黑色及銀色烤漆進行比較。此外，本研究也考慮三種類鑽碳膜厚分別為 1、2及 2.5mm，同時也進行上述相關特性的實驗測試，以了解膜厚對相關上述特性的影響。
　　
　　實驗方法、試件及步驟
　　電漿輔助化學氣相沈積法在成長薄膜的過程中有化學反應發生，故屬於「化學氣相沉積」，特別之處是在於電漿的存在。電漿可促進反應氣體分子的分解、化合、激發、和解?的程度，並促進反應活性基團的生成，因而降低反應沉積的溫度範圍，使得原本需要在高溫進行的反應過程得以在低溫實現。由於只需高真空，可以大量且快速地在基板上沉積，成本較低，適合工廠大量生產。而原料是氣相，所以更可均勻的沈積於基板，其中反應氣體在電磁場中獲得能，化學反應就在電漿體中迅速地進行，高能電子撞擊反應物氣體分子，使之激發並電?，產生化學性質很活潑的自由基團。另外?子撞擊底材表面，產生更活潑的表面結構，加快了化學反應[3]。
　　本實驗的類鑽碳膜是以乙炔為主要的反應氣體，使用電漿輔助化學氣相沈積法方式製作，將手機滑軌材料 304 不鏽鋼表面批覆一層類鑽碳膜，再利用 RCA 耐磨測試機、Rockwell 硬度實驗機、SRV 往復式磨耗試驗機、環境掃描式電子顯微鏡和顯微拉曼光譜儀觀察耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命及拉曼 I(D)/I(G)比。實驗步驟如下:
　　（一）製作樣本：製作 304 不鏽鋼底材樣本。
　　（二）初步檢查：利用電子顯微鏡觀察底材樣本外表是否有缺陷。
　　（三）鍍膜：利用電漿輔助化學氣相沈積法將類鑽碳鍍膜於304 不鏽鋼上，其中考慮三種不同膜厚分別為 1、2及 2.5mm。
　　（四）實驗：利用 RCA 耐磨測試機（圖 1）、Rockwell 硬度實驗機（圖 2）、SRV 往復式磨耗試驗機（圖 3）、環境掃描式電子顯微鏡（圖 4）和顯微拉曼光譜儀（圖5）進行相關的實驗。
　　（五）整理結果：根據各實驗裝備所測試的結果，整理出耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命及拉曼 I(D)/I(G)比。
　　
　　實驗結果與討論
　　RCA 耐磨測試機（圖 1）係以固定粗糙度的捲帶摩擦紙，並加上一定重量的壓力（一般設定在 175g）於受測試的產品表面，然後給予一定的速度捲動摩擦紙。由實驗結果得知，鍍 1mm 類鑽碳薄膜的 304 不鏽鋼其耐磨耗性與現有製程的黑色烤漆相比，有非常顯著的改善。圖 6 顯示，鍍1mm 類鑽碳膜的 304 不鏽鋼試片在 100、300、500、700 至1100 圈時 RCA 耐磨測試機仍未磨耗出 304 不鏽鋼底材，但塗黑色烤漆的 304 不鏽鋼試片在 RCA 耐磨測試機於 20、25、30、50 至 100 圈中，在第 30 圈便已磨耗出 304 不鏽鋼底材，如圖 7 所示。
　　壓痕實驗係利用 Rockwell 硬度機（圖 2）的圓頭鑽石錐，施加 150kgf 的荷重於鍍膜上，而當力量釋放移去後，圓頭鑽石錐會在試片表面上形成壓痕，在以壓痕邊緣的破裂形態來評估鍍膜的附著性。依據壓痕周圍的裂紋和鍍膜剝?的程度可分成五個等級如圖 8 所示，其中 A 等級表示鍍膜有佳的附著性，而 E 等級表示差的附著性。圖 9 為以環境掃描式電子顯微鏡（圖 3）所拍攝的壓痕實驗結果照片，由左至右順序分別為：黑色烤漆、銀色烤漆、1mm 類鑽碳膜、2mm類鑽碳膜及 2.5mm 類鑽碳的 304 不鏽鋼試件，而壓痕等級由左至右分別為：E 等級、D 等級、A 等級、A 等級及 A 等級。這顯示類鑽碳膜的附著性皆為佳的 A 等級，而烤漆的附著性皆為較差的 D 或 E 等級。
　　SRV 往復式磨耗試驗機（圖 4）係以鉻鋼球為上試件，以圓盤形的產品試件為下試件進行往復式磨耗試驗。其中的實驗參數為:荷重=10 N、衝程=1 mm、頻率=50 Hz。實驗結果顯示，所求得的摩擦係數分別顯示於圖 10-14，其中各實驗結果的摩擦係數分別求得為：黑色烤漆=0.8、銀色烤漆=0.69、1mm 類鑽碳膜=0.17、2mm 類鑽碳膜=0.13 及 2.5mm類鑽碳膜=0.12。至於鉻鋼球對未鍍膜 304 不鏽鋼試片的摩擦係數為 0.8。表 1 中顯示實驗不同鍍膜材料的磨耗壽命，其中磨耗壽命係指以 SRV 往復式磨耗試驗機對烤漆或類鑽碳膜摩擦，以肉眼觀察當顯露出 304 不鏽鋼底材時的時間（秒）。實驗結果顯示，摩擦係數越低則磨耗度就越低，磨耗壽命也就越高。