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2014年2月27日

化學機械平坦化 Chemical-Mechanical Planarization / CMP

化學機械平坦化 (英語Chemical-Mechanical Planarization, CMP),又稱化學機械研磨Chemical-Mechanical Polishing),是半導體器件製造工藝中的一種技術,使用化學腐蝕及機械力對加工過程中的矽晶圓或其它襯底材料進行平坦化處理。

CMP技術早期主要應用於光學鏡片拋光晶圓的拋光。
20世紀70年代,多層金屬化技術被引入到集成電路製造工藝中,此技術使晶片的垂直空間得到有效的利用,並提高了器件的集成度。但這項技術使得矽片表面不平整度加劇,由此引發的一系列問題(如引起光刻膠厚度不均進而導致光刻受限)嚴重影響了大規模集成電路(LSI)的發展。針對這一問題,業界先後開發了多種平坦化技術,主要有反刻玻璃迴流旋塗膜層等,但效果並不理想。80年代末,IBM公司將CMP技術進行了發展使之應用於矽片的平坦化,其在表面平坦化上的效果較傳統的平坦化技術有了極大的改善,從而使之成為了大規模集成電路製造中有關鍵地位的平坦化技術。

化學機械平坦化是表面全局平坦化技術中的一種,既可以認為是化學增強型機械拋光也可以認為是機械增強型濕法化學刻蝕。該工藝使用具有研磨性和腐蝕性的磨料,並配合使用拋光墊支撐環。拋光墊的尺寸通常比矽片要大。拋光墊和矽片被一個可活動的拋光頭壓在一起,而塑料的支撐環則用於保持矽片的位置。矽片和拋光墊同時轉動(通常是以相反的方向轉),但是它們的中心並不重合。在這個過程中矽片表面的材料和不規則結構都被除去,從而達到平坦化的目的。平面化後的矽片表面使得干法刻蝕中的圖樣的成型更加容易。平滑的矽片表面還使得使用更小的金屬圖樣成為可能,從而能夠提高集成度。

化學機械平坦化是在機械拋光的基礎上根據所要拋光的表面加入相應的化學添加劑從而達到增強拋光和選擇性拋光的效果。

氧化矽拋光

氧化矽拋光主要被應用於平坦化金屬層間澱積層間介質(ILD),其基本機理是Cook理論。磨料中的水和氧化矽發生表面水合作用,從而使氧化矽的硬度、機械強度等有效降低,在機械力的作用下將氧化矽去除。氧化矽的去除速率主要由Preston方程表達。


金屬拋光

金屬拋光與氧化矽拋光機理有一定的區別,採用氧化的方法使金屬氧化物在機械研磨中被去除。

研磨液

磨料是平坦化工藝中研磨材料和化學添加劑的混合物,研磨材料主要是石英二氧化鋁氧化鈰,其中的化學添加劑則要根據實際情況加以選擇,這些化學添加劑和要被除去的材料進行反應,弱化其和分子聯結,這樣使得機械拋光更加容易。在應用中的通常有氧化物磨料、金屬磨料、金屬磨料以及一些特殊應用磨料。台灣主要的廠商有長興科技公司。

拋光墊

拋光墊通常使用聚亞胺脂(Polyurethane)材料製造,利用這種多孔性材料類似海綿的機械特性和多孔特性,表面有特殊之溝槽,提高拋光的均勻性,墊上有時開有可視窗,便於線上檢測。通常拋光墊為需要定時整修和更換之耗材,一個拋光墊雖不與晶圓直接接觸.

CMP設備與晶圓生產中的拋光設備有相似之處(見上圖),但集成電路矽片中很多材料的加入以及金屬層的增加使得CMP設備不能如同拋光設備那樣簡單,而需要加入特別的過程獲得平坦化的效果。這主要體現在對拋光厚度、拋光速率的檢測上,被稱作終點檢測,通常有電機電流終點檢測、光學終點檢測。

在拋光工藝過程中,磨料和被拋光對象都會造成矽片的沾污,清洗的主要目的就是為了清除這些沾污物質,使矽片的質量不致受到影響。所採用到的清洗設備有毛刷洗擦設備、酸性噴淋清洗設備、兆聲波清洗設備、旋轉清洗乾燥設備等。清洗步驟主要有氧化矽清洗、淺溝槽隔離清洗、多晶矽清洗、鎢清洗、銅清洗等。

化學機械拋光主要用於以下幾個方面
  • 深槽填充的平面化
  • 接觸孔和過孔中的金屬接頭的平面化
  • 生產中間步驟中氧化層和金屬間電介層的平面化

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EMAG ECM GmbH (ECM / PECM / uECM) 精微電化學加工技術在未來各種細微加工應用中佔有極大的優勢。該技術之優點係在於其加工能力與材料硬度無關,且能加工出微細及形狀複雜之表面結構,經由該製程加工後之產品表面具有粗糙度佳、無殘留應力及無裂縫產生, 無毛邊刺等優良特性,常應用於航太、光電半導體、醫療器材、綠色能源、模具等產業上,本次研討會中特別邀請國內外知名學者及專家,介紹於精微電化學領域內之各種加工技術,可應用於燃料電池雙極板、生物晶片、微流體動壓軸承、微噴嘴、次世次流體分配閥元件、模具等產品加工上,機會難得,精彩可期。 EMAG ECM GmbH為精密電化學切削的工程公司,其領先的技術,已在精密電化學切削領域達到量產化的水準。供顧客PECM精密電化學切削生產技術和客制化的製程設備。

2014年2月26日

去毛刺工藝的要求–金屬電解加工

形狀複雜的工件往往包含可達性很差的加工位置。後棱、凹腔、內腔交叉孔的相慣線等對機械加工來說並不是什麼大不了的事情,然而當涉及到給這些可達性差的位置去毛刺時卻會讓許多人束手無策,因為要在不影響材料特性的情況下完成精密去毛刺不是輕而易舉的事情。採用傳統去毛刺法,如機械法、高溫法、或高壓水清洗法等,很難達到預想的高效性、經濟性或均一性。在大中批量的生產中,由於內腔存在的毛刺會嚴重影響工件性能,所以去毛刺質量成了人人關注的焦點。與此同時,在去毛刺實踐中還存在著一個技術問題,就是所謂的二級去毛刺:也就是說,在用普通機加方式去毛刺時會形成後續毛刺或形成倒毛現象,即毛刺游離,從而出現事先未定義的加工狀態。

借助電解法實現無接觸去毛刺–金屬電解加工
採用電解加工法(ECM)不僅可以精密去毛刺或使工件表面圓滑,而且非常經濟有效。由於夾具可同時夾緊幾個工件並列加工,所以節拍時間可根據產能需求設計,最短節拍時間可低於10秒鐘/每件。採用電解去毛刺的優點是刀具磨損小,去毛刺精密,工件和刀具無接觸,加工經濟有效。採用電解法對高壓共軌技術的泵體進行去毛刺加工對高壓共軌技術的泵體去毛刺是複雜零件去毛刺的一個實例。初一看會覺得泵體的機械加工和去毛刺都是當今常見的技術,不值得一提。然而深究其里便可以發現掌控整個生產工藝是實現經濟有效生產的關鍵。埃馬克集團能提供從切削加工、工件自動輸送、到去毛刺的整個工藝鏈。去毛刺雖然只是小事一樁,但如果事先考慮不周的話,會瞬間成為大事,去毛刺的意義由此可見一斑。為了避免這種現象,必須在在製定工藝或加工流程之初就確定切削方向,只有這樣,才能經濟有效地達到精密去毛刺的目的。和傳統去毛刺工藝(機械法或高壓水清洗法)相比,電解去毛刺工藝的加工成本可大大降低,而且由於模塊化結構的設備可後續拓展,所以節拍時間也可根據產量要求在生產起動或生產階段匹配。


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化學去毛刺介紹

根據機械零件加工方式的不同,毛刺可以分為鍛造毛刺、鑄造毛刺、電氣焊毛刺、沖壓毛刺、切削加工毛刺、塑料成型毛刺等等。毛刺的存在不僅影響產品的外觀的質量,更導致產品內在質量的降低。危害整個機械系統的可靠性、穩定性。
      在美、日、德有專門的研究機構,對毛刺產生的機理,去毛刺的工藝和檢測方法等進行大量研究工作,世界毛刺技術委員會(WBTC)成立於1994年,現已經成為全世界表面精飾和毛刺技術的領導中心。
去毛刺作業使零件的製造成本增加10%,美國每年花20億美元用來清除零件毛刺,但獲得的收益遠遠高出好多,東西方的觀念就在於此。國內一般企業不重視這個問題,為什麼都說國外的東西精緻,價格高,質量好。我們必須要改變一些觀念了。

去毛刺的方法:
1. 手工去毛刺
2. 純化學去毛刺
3. 電解去毛刺
4. 超聲波去毛刺
5. 高壓水噴射去毛刺
6. 熱爆炸去毛刺
7. 冷凍修邊去毛刺
8. 磁力去毛刺機
9. 去毛刺機械手
10. 噴砂噴丸
11. 震動滾磨

純化學去毛刺是在一定化學介質中通過化學反應使金屬表面光亮,平整的一種工藝。
許多複雜殼體零件內有一,二百個交叉孔,台肩孔,盲孔等,要求去除各交叉孔的毛刺都是十分困難的,往往要採用很多種方法都很難解決。化學去毛刺工藝採用浸泡工藝來去除毛刺,不管你工件的內孔有多少,有多小,只要是藥水能進入的地方毛刺都可以去除。

傳統的化學去毛刺
1. 硝酸體系。化學去毛刺液效果好,鋼材表面光潔度高,原料便宜,但是產生的黃煙,嚴重污染環境和危害人體健康,去毛刺時間在1-3分鐘。
2. 縮合磷酸體系。把磷酸加熱到150度脫水而得,工作溫度要維持在180到250度,操作麻煩,耗能。去毛刺時間在5到10分鐘。

已經淘汰的傳統化學去毛刺的缺點
1、化學去毛刺的質量不如電解去毛刺。
2、化學去毛刺所用溶液的調整和再生比較困難,在應用上受到限制。
3、化學去毛刺操作過程中,硝酸散發出大量黃棕色有害氣體,對環境污染非常嚴重。

純化學去毛刺的基本組成包括,腐蝕劑,氧化劑,添加劑和水。腐蝕劑的主要成分,與金屬機體反應,氧化劑和添加劑可抑制腐蝕過程,使去毛刺過程或得最高的光潔度。水調節溶液濃度,便於反應物的擴散。

現代的化學去毛刺
1.雙氧水體系。用雙氧水取代硝酸作為氧化劑,它不產生有害氣體,是一種無害的去毛刺工藝。去毛刺時間在3分鐘左右

硝酸體系的去毛刺配方:
                                   範圍 最佳值
磷酸(密度=1.70) 50%-54% 52%
硫酸(密度=1.84) 31%-34% 32%
硝酸(密度=1.40) 7%-9% 8%
水 6%-10% 8%
溫度 100-110 110
時間 1-3分鐘 1.5分鐘

縮合磷酸體系:
縮合磷酸(P2O3-72%-75%) 90%-100%
硫酸(98%) 0-10%
溫度 80*-250*
時間 >10分鐘
縮合磷酸是在150度脫水製得,這個工藝適合高碳鋼。

不銹鋼則可在下列溶液中進行化學去毛刺:
配方(1)
硫酸(H2SO4)(d=1.84) 227mL 水 660mL
鹽酸(HC1)(d=1.19) 67mL 溫度50℃~80℃
硝酸(HN03)(d=1.40) 40mL 時間3min~20min
拋光時要抖動零件,避免氣泡在表面停滯。加入甘油,可以改善拋光質量。

配方(2)
鹽酸(HC1) 66g/L~77g/L 檸檬酸飽和溶液60mL/L  
硝酸(HN03) 180g/L~200g/L 磷酸氫二鈉飽和溶液60mL/L
氫氟酸(HF) 70g/L~90g/L 溫度50℃~60℃
硝酸鐵(Fe(N03)3) 18g/L~25g/L 時間0.5min~5min
冰醋酸(CH3COOH) 20g/L~25g/L

橡膠、塑料製品、鋅鎂鋁合金等製品飛邊(或毛刺)的厚度比製品的厚度要薄很多,所以飛邊(或毛刺)的脆化速度要比製品的脆化速度快,在飛邊(或毛刺)脆化而製品沒有脆化這一時間段裡,冷凍去毛刺(修邊)機通過拋射彈丸來擊打製品,從而去除處於脆化的飛邊(或毛刺)。

傳統的去毛刺液的組成(質量分數)為70%磷酸+12%草酸+18%水,去毛刺時控制溶液溫度在45~60、時間為10~45 min即可。

運用體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-ray衍射儀和維氏硬度計等手段考察了此化學去毛刺技術處理有色金屬制精密零件的效果, 認為此化學去毛刺技術可以達到精度要求、技術要求和質量要求,不改變零件的性能,且具有一定的光亮作用。

電化學去毛刺
利用電解作用去除金屬零件毛刺的一種電解加工方法,英文簡稱ECD。將工具陰極(一般用黃銅)固定放置在工件有毛刺的部位附近,兩者相距一定的間隙(一般為0.3~1毫米)。工具陰極的導電部分對準毛刺棱邊,其他表面用絕緣層覆蓋起來,使電解作用集中在毛刺部分。加工時工具陰極接直流電源負極,工件接直流電源正極。壓力為0.1~0.3兆帕的低壓電解液(一般用硝酸鈉或氯酸鈉水溶液)流過工件。

對於表面較粗糙的不銹鋼板要達到裝飾效果,必須載滾輪架上用砂帶拋光機拋光,首先用120#砂帶,拋到表面顏色一至時,換240#砂帶,拋到表面顏色一至時,再換800#砂帶,拋到表面顏色一至時,再換1200#砂帶,就拋到裝飾不銹鋼板的效果了。

化學去毛刺機理:
金屬表面獲得光亮度可分為宏觀整平和微觀整平兩個過程,前者指表面粗糙度>1um的表面整平,後者指表面粗糙度

金屬表面在去毛刺液中氧化劑的作用下形成一層鈍化膜,該鈍化膜在毛刺處的化學活性較大,而凹陷處更穩定,結果毛刺處的鈍化膜溶解破壞程度比凹陷處大,最終獲得穩定,緻密的鈍化層。達到微觀整平,光亮的效果。

利用含70%磷酸和12%草酸的水溶液,先經17 ℃、10 min保溫處理,再經45~60 ℃保溫10~45 min,可以高效去除不銹鋼精密零件表面的毛刺,處理後零件精度和質量合格,且性能不受影響;所用處理方法設備簡單,且對零件表面產生一定的光亮作用。

毛刺的控制和去除 
根據毛刺產生的機理,採取以下措施防止切屑與刀具發生黏結或變形強化,即可能避免毛刺的產生。 
①提高刀具前刀面的光潔度; 
②增大刀具的前角; 
③減少切削厚度; 
④對工件適當熱處理,減少塑性變形; 
⑤採用抗黏結性能好的切削液; 
⑥根據零件的塑性,適當調整切削速度。實際工作中,選擇適當的去毛刺方法,會提高產品質量,降低成本。否則不但影響生產效率和產品質量,還會增加產品成本。具體地說,有些產品較粗糙,只要用普通刷子或銼刀、砂紙打磨一下即可。有些產品要求較高,由於毛刺較牢固,不經過切削加工是很難脫落的。而高精產品,特別是安全性要求特別高和價值極高的產品,如用於飛機、衛星等的產品就要求徹底清除毛刺,即使非常牢固的毛刺也要經過切削加工清除,毛刺脫落會造成不可估量的損失。 
(3)毛刺的檢測方法及選擇的原則目前還沒有統一標準來對毛刺和棱邊進行評價,設計時也很少標明對毛刺和棱邊的具體要求。

化學去毛刺處理後,電鍍效果更佳,表面光滑,光亮,鍍層緊密。
易彎曲。易損的工件不受到機械負荷,因為用的是浸泡工藝。有專用掛具,加工不受其結構和大小的限制。

問答:
Q:我們的產品是不銹鋼管件,管徑一般在Φ50-Φ130,管件壁厚1.2—2.0mm,長度100—1000mm之間的都有;其中一道工序是鋸切,鋸切之後產生毛刺,現在我們大都採用機械方法去毛刺,不知道你這種化學方法是否適用?另外,這幾種強酸的配比,腐蝕性很強,堪比王水,處理後對管件的物理性能、機械性能是否有影響?比如金相結構、抗拉強度等是否會產生變化?還有,需要什麼樣的設備,對環境的要求,廢液處理等方面,能否簡單介紹一下?
A:不銹鋼最好用電化學去毛刺,但成本比較高。或者物理滾磨,振動方法。用純化學的傳統方法,經濟但污染性強。用不銹鋼專用拋光砂輪就可以解決毛刺和變色的問題,用硬鋁的銼刀效果很不錯。

Q: 對精孔和表面光潔度會不會有影響啊?
A: 對精孔沒有影響,表面粗糙度都可以控製到0.1U。去毛刺是在公差範圍內進行。

Q: 我是加工齒輪的,切削後都有毛刺,現有的只有人工去毛刺,但是去除的不干淨,老遭客戶投訴,如何解決?
A: 對於齒輪用電解化學比較好,但是前期投入費用高,它不用考慮毛刺大小,主要是消耗電能,用純化學去毛刺建議在熱處理過後使用,因為它消耗藥劑,毛刺小節約成本。

Q:低碳合金件能用化學方法去毛刺嗎?
A:中、低碳合金件,處理後表面光亮,效果很好,是非常合適的。

Q:我們是做閥塊的,目前的去毛刺工藝是用熱能去毛刺,目前的情況是鐵件還行,但鋁件不理想,調高參數後產品容易變形,但在交叉部位還是能夠看到有不規則的毛刺,目前也是比較頭痛的一個問題,我不知道你們可不可以幫我們做幾個樣件,另外有一個問題主要是我們的產品有幾個比較關鍵的尺寸,如孔徑D3H7,還有粗糙度Ra0.4,不知道這些經過你說的雙氧水工藝去毛刺有沒有影響?
A:對壓鑄,澆注材質的鋁,鐵,都不能用這個工藝,原因是這樣的產品,密度不高,處理了會提高粗糙度。如果是精加工產品,除鋁產品粗糙度會提高,其他材質都很好提高光潔度。
熱能去毛刺,有的材質不會很黑嗎,效率也不怎麼高啊。這個工藝變形是客觀存在,避免不了的。

Q:噴砂,瞭解多不,求教幾個問題?
A:噴砂的好處:
1.可以噴掉鋼板上的鐵鏽和其他污染物。
2.如果噴砂完成後要噴油漆,可以增加油漆的附著力。
3.噴砂使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度,使工件表面的機械性能得到改善,因此提高了工件的抗疲勞性,增加了它和塗層之間的附著力,延長了塗膜的耐久性,也有利於塗料的流平和裝飾。
4.讓外觀更加漂亮。
5.讓產品更加有特色和時尚。
6.可以遮醜。
7.還有很多,就是技術的問題。

噴砂工藝與其它清理工藝(如酸洗,工具清理)相比有以下特點:
1.噴砂處理是最徹底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。
2.噴砂處理可以在不同粗糙度之間任意選擇,而其它工藝是沒辦法實現這一點的。手工打磨可以打出毛面但速度太慢,化學溶劑清理則清理表面過於光滑不利於塗層粘接。


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不鏽鋼化學拋光液的特性

作為不銹鋼的化學拋光液,要求對被拋光材料有均勻的化學溶解,同時溶出的金屬離子同拋光液反應能形成可溶於水的黏性液,這是化學拋光的必備條件。不銹鋼的電拋光液較早已被發現,但在不通電的情況下它不能均勻化學溶解不銹鋼,因而無法用它來進行化學拋光。

   由於不銹鋼具有優良的耐蝕性,普通碳鋼的化學拋光液對它也不起拋光作用,這是因為把硫酸鹽、硝酸鹽和其他氧化劑加到一定濃度的硫酸中,它會使不銹鋼鈍化,而無法溶解它。硝酸是一種強氧化性的酸,也會使不銹鋼鈍化。但是,當溫度由常溫逐漸升高至80℃前後,反應變得劇烈而出現溶解作用,但這種溶解是不均勻的溶解,只能得到粗糙的不銹鋼表面,得不到光亮的拋光錶面。同時這樣的溶解也容易產生點腐蝕,在表面上形成不溶性鹽。

   不銹鋼較易受到鹵化物的侵蝕。在三氧化鐵中最容易被腐蝕,同時在氯化錳中在高溫下會形成不溶性鹽膜。這樣說來,不銹鋼對於強酸而言,隨著酸的種類、液溫的不同會出現鈍化、點蝕和溶解等不同的現象。因此,用單一酸做不銹鋼的化學拋光液時,往往得不到良好的拋光效果,通常要用幾種酸的混合物才有效。例如腐蝕性最強的王水:
   硝酸HNO    l份
   鹽酸HCl     3份
   水         1份
   液溫       常溫
   當它用作不銹鋼的酸洗液時,由於大量反應熱放出,液溫會上升,結果反應速度加快,液溫會越來越高,甚至發生自然分解。因此,只有及時抑制反應熱的生成或控制好液溫,不銹鋼的酸洗才能獲得良好的效果。但直接用王水做化學拋光液的效果仍然是不好的,人們於是用王水作為基礎進行改良,從而衍生出一系列的化學拋光液。

   呂戊辰提出的一種不銹鋼化學拋光液的配方為:
   硝酸   65%   抑製劑   0.5%
   鹽酸   20%   溫度     50 ℃
   硫酸   10%
   
這種溶液可在短時間內除去不銹鋼的表面膜,然後在15%硝酸和1%氫氟酸的混酸溶液中浸漬,可以獲得銀白色美麗的外觀。若把上述溶液適當改造,則可獲得黑色光澤的不銹鋼,其配方如下:

   硝酸   1份   硫酸    0.5%
   鹽酸   4份   抑製劑   5mL
   水     1份   溫度     60 ℃~80℃
   在此配方中提高鹽酸的含量,不銹鋼的溶解增加。提高硫酸含量,由於硝酸的分解加快而使溶解能力下降,促進不銹鋼的鈍化,造成溶解困難。添加抑製劑的目的是防止形成針孔,以得到光亮的表面。此溶液的壽命比上兩者更長。

    上述的酸洗配方只適於單獨除去不銹鋼表面的各種膜層,其平滑與光亮作用並不好,而且使用過程中會伴隨著組分的分解,溶液的壽命較短。此外,在調整溶液時,液溫會隨之變化,容易形成粗糙的表面。在酸洗液中,為防止鋼鐵的氫脆,常常加入各種防氫脆的有機添加劑,這些有機物也容易分解而使酸洗液不穩定。
   根據化學拋光的黏液膜理論,上述組成的溶液的黏度較低,難以獲得較好的拋光效果。因此,直接用不銹鋼的酸洗液作為拋光液是很困難的,只有經過改進以後才有可能。
   改進酸洗液的提案很多,一種是基於提高溶液的黏度,選用黏性大的磷酸作為不銹鋼化學拋光液的基礎,再加入改善不銹鋼均勻溶解的各種有機、無機添加劑。下列配方就是其中的一例:

   磷酸   50mL   甘油   8mL
   鹽酸   30mL   光亮劑   5g
   硝酸   10mL   液溫   100 ℃
  
 此液在高溫時不僅可以溶解碳鋼,而且可以溶解18-8不銹鋼,溶液的黏度較高,調整溶液組分時溫度的變化較小。此外添加硝酸、鹽酸後可提高對鎳的溶解能力,但它們容易分解,溶液老化快,因此不宜多加。
   有機添加劑對化學拋光有重大影響,加與不加時的拋光效果差別很大。選擇添加劑時應考慮它本身在拋光液中的穩定性,尤其是在王水系列的強氧化性酸中,許多有機添加劑會被氧化破壞。


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精密表面處理館http://lifung.pixnet.net/blog
利豐非傳統加工科技館 http://blog.sina.com.tw/lifung
專門提供表面研磨拋光優化處理技術皆集中於去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨,拋光, 表面優化, deburring, smoothingand polishing. 還有VTD PVD 超硬工具鍍膜 tool coating, ta-C雷射鑽石鍍膜, 精密光學鍍膜 optical coating, 真空金屬鍍膜 metalization 和 absolute chemiePVD/CVD 退鍍工藝和 EMAG ECM / Precise Electrochemical Machining 精密電化學加工技術, 去毛邊刺等工藝. 

針對不同不鏽鋼的研磨拋光

不鏽鋼以其優良的耐腐蝕性能,良好的力學性能和加工性能及較好的焊接性能,成為被廣泛選用的工程材料。同時, 通過不同的拋光加工方法, 可以使各種不鏽鋼板材、管材、棒材、異型材的表麵具有不同等級的表麵光潔度,大大改善了不鏽鋼的外觀,使之達到美學效果,增加了對消費者的吸引力,給人們以美的享受。在日常生產和生活中,都得到廣泛使用。如不鏽鋼化工管道、不鏽鋼容器、不鏽鋼旗杆、不鏽鋼防盜門窗、不鏽鋼樓梯扶手、不鏽鋼水桶、不鏽鋼門碰珠、不鏽鋼廚房器皿等。
 

一、不鏽鋼板材的拋光

1. 不鏽鋼大板(鋼廠成品板)

不鏽鋼大板的拋光,有用研磨砂、砂帶和紗筋研磨材料的多種拋光方式。根據不同的用途,可選擇不同的或組合的拋光方式。

(1)用GB2477所規定的粒度為100~120號研磨材料對冷軋不鏽鋼素板進行拋光精整後,不鏽鋼表麵是一種半拋光表麵。表麵粗糙度Ra值為0.4~1.5μm。適用於作建築材料、廚房器皿以及用於製造後需進一步精加工的場合。

(2)用GB2477所規定的粒度為150~180號的砂帶對冷軋不鏽鋼素板進行拋光精整後,不鏽鋼表麵是表麵更亮的細拋光表麵,表麵粗糙度Ra值為0.2~1.5μm。廣泛用於餐廳廚房設備、醫療設備、容器正麵,並適合作建築物履麵及建築物幕牆的緣飾。這種細拋光表麵,上麵不容易留下指印,也適合於製作不鏽鋼鋼門。這種表麵具有鏡麵似的反射效果,具有反射各種光源的特殊性能。由於使用砂帶拋光,無論光源外形如何,反射後都是明亮的直線。不管不鏽鋼板的位置和入射的角度如何,這條明亮的直線總是與拋光方向垂直。根據鋼板安裝的方向不同,它可能會在建築物上出現一條水平亮線,也可能出現一條垂直亮線。如果亮線呈水平,則說明鋼板表麵拋光紋路是豎直的。這種使用方式,鋼板表麵不容易積沉灰塵,也便於衝洗,這一點對高層建築的維護非常重要。

(3)用GB2477所規定的粒度為240號的砂帶對冷軋不鏽鋼素板進行拋光精整所得到的表麵,相當於日本標準的240號表麵。適用於廚房器皿。

(4)用GB2477所規定的粒度為W63號研磨材料對150~180號的砂帶拋光過後的冷軋不鏽鋼素板再進行拋光精整,不鏽鋼表麵有較好的金屬光澤,表麵柔和,反光性弱而且不反射圖像,很適合製作建築物幕牆和建築物緣飾,也廣泛用作廚房器皿。

(5)用GB2477所規定的粒度為W50號研磨材料對不鏽鋼板進行拋光,具有高度反射率的準鏡麵。相當於美國標準用600號旋轉拋光輪進行精細拋光所得表麵。主要用於建築物和裝飾品上。

許多不鏽鋼板銷售商,為了降低成本、更好的服務客戶,自購不鏽鋼板材拋光設備。有的銷售商從不鏽鋼板生產廠家買來成噸的不鏽鋼板後,在設備上使用紗筋研磨材料對不鏽鋼板進行浮動式幹磨或/和濕磨拋光,由於操作工不懂磨料磨具,往往達不到拋光的理想效果。

2. 不鏽鋼小平板

對不鏽鋼成品板分解後,會得到許多不同規格尺寸的小的不鏽鋼板。這些小的不鏽鋼板,是在生產中最大量使用的不鏽鋼工件。由於各個廠家或拋光“作坊”情況不同,他們會采用不同的方法來進行拋光。

(1)“布輪粘砂”拋光

“布輪粘砂”拋光是用布輪粘結研磨材料的拋光。在過去是最常見的拋光不鏽鋼的方法。在馬達驅動的單頭或雙頭拋光機(砂輪機演變過來)的旋轉的布輪上塗上拋光膏,操作工手持不鏽鋼工件進行拋光。勞動強度大,工作環境差,車間工人受汙染程度高,經常需要戴口罩操作。

不鏽鋼拋光主要采用氧化鉻和粘結劑製成的堅硬銳利、去除能力強的青蠟。青蠟為拋光蠟的一種。拋光蠟(膏)為拋光材料的固體形式,主要由磨料、有機膏體及添加劑組成,其中磨料的種類、晶型、粒度以及有機膏體的種類、配比等都是影響拋光質量的重要因素。

(2)砂紙拋光

把不鏽鋼工件放在一個桌子或其它平台上,更換粗、細砂紙,利用人力,進行拋光。這種拋光方法與操作工的技能休戚相關。操作工技能高,會拋得比較好。但由於拋光速度低,達到與機器操作的同等級的表麵粗糙度,是辦不到的。

(3)角磨機拋光

操作工手持角磨機,在角磨機上安裝120號或/和220號的PVA小磨片(角磨片),對工件進行拋光。拋光之前,有時需要先安裝普通樹脂角磨片,來進行粗磨。PVA小磨片拋光後,有時還會用毛氈輪再拋光,以達到更亮的表麵。

(4)氣動砂輪機拋光

在生產車間的氣動砂輪機上安裝研磨拋光輪,拋光麵積1平方米以下的不鏽鋼板。(注意:研磨拋光輪的限用線速度應匹配氣動砂輪機,否則出安全事故。)

(5)磨床拋光

在平麵磨床上,安裝PVA砂輪,選取合適的工件速度、徑向進給量、砂輪轉速,進行拋光不鏽鋼工件工作,可獲得高光澤度的表麵質量。

(6)浮動磨頭拋光

在一個自製的浮動磨頭上,自製昂貴材料的布輪,對麵積1平方米左右的不鏽鋼板進行拋光。可得到一個霧狀鏡麵的效果。

還有一些其它方法,如振動拋光等。

二、不鏽鋼管材的拋光

1.不鏽鋼圓管

隨著物質和文化生活水平的不斷提高,社會對不鏽鋼圓管(含不鏽鋼複合管)的需求量越來越大,對不鏽鋼管材的拋光也提出了更高的要求。從而不鏽鋼管的拋光生產線(不鏽鋼管拋光機)應運而生。圓管拋光機主要由上料裝置、拋光主機、下料裝置組成,由一台調速電機聯動拋光機的三部分進行原料的同步傳送。拋光主機由六組拋磨頭組成,每組由一台三相電機帶動。

不鏽鋼圓管粗拋、半精拋采用砂布頁輪,精拋采用PVA砂輪,表麵粗糙度Ra值可達0.1~0.05μm 。

小直徑的不鏽鋼圓管,有采用單個磨頭拋光的,設備類似無心磨床,可使用PVA砂輪和砂布頁輪。砂子的粒度應選取180號以細的研磨砂。 

2.不鏽鋼方矩管

方管拋光機由上料裝置、拋光主機、下料裝置組成。拋光主機由調速電機帶動,實現原料的進給傳送,拋光主機由四組平拋機構和四組側拋機構組成。

方管粗拋采用砂布頁輪,精拋改用布輪塗以氧化鉻拋光膏拋磨。拋後表麵粗糙度Ra值可達0.1μm。

在拋光不鏽鋼圓管和方矩形管方麵,也有的小企業采用簡單的不鏽鋼管拋光機(單組拋光機)。多次更換砂輪、多次操作來達到技術要求。

三、異型不鏽鋼材的拋光

人均GDP越提高,人均耗用的不鏽鋼量越多。有的台灣老板,正是從日、韓、台灣看到這一趨勢,才來到大陸投資於不鏽鋼產業。而人均GDP的提高,個性化需求得到發展,千奇百怪、五花八門的不鏽鋼製品層出不窮,各種異型不鏽鋼產品大放異彩。如圖1的不鏽鋼手電筒。 

1.不鏽鋼防盜門

人均GDP很低、家家都很窮的的時候,不需要防盜門。現在,不但需要防盜門;而且,鋥光瓦亮的不鏽鋼防盜門是許多家庭的首選。對於高品質的不鏽鋼防盜門的拋光,普遍使用工業百潔布,很少用砂帶。在打磨方法上,多用手工的方法。手工打磨效率不及機器,但卻有更好的靈活性。由於不鏽鋼門存在很多的邊角溝槽,手工打磨具有更好的局部打磨效果。

2.不鏽鋼表扣

由於不鏽鋼表扣的曲麵結構,很難采用流水線作業拋光。不鏽鋼表帶的拋光,目前仍延續采用“布輪粘砂”拋光。這可能也是成本最低又能達到要求的拋光方法。

3.不鏽鋼筆帽

拋光不鏽鋼筆帽,上海的技術人員和工人,曾研製出一條多個磨頭的拋光生產線。可惜,當初專利、保密意識不強,被跨國公司參觀後仿製了。據說,這個跨國公司,就是美國“派克”公司。鄭州紡織機械廠,改革開放之初,在不鏽鋼衝壓方麵,在日本人麵前,也犯過類似錯誤。

4.不鏽鋼菜刀

不鏽鋼菜刀,有采用PVA砂輪進行拋光的。 

5.不鏽鋼潔具配件

目前有四軸不鏽鋼潔具配件自動拋光機,用拋光蠟、砂帶等拋光不鏽鋼潔具配件。

6.不鏽鋼大罐內壁

目前有不鏽鋼大罐內壁吊掛式拋光機,由傳動軸組件、動力機構、空壓機、集電環、升降架、手動牽引機構、砂帶磨頭、吊掛機構等組成,利用傳動軸帶動升降架旋轉和手動牽引機構帶動升降架上、下滑動,進而帶動砂帶磨頭實現對大罐內壁的表麵拋光。

7.不鏽鋼滾筒外壁

在較大的不鏽鋼滾筒外壁方麵,有單位自製設備,使用砂布頁輪進行拋光。

以上所列異型不鏽鋼產品,掛一漏萬。在拋光異型不鏽鋼產品方麵,八仙過海,各顯其能。采用多種機器和工具,采用各種研磨材料的都有。甚至有人用牙膏和牙刷來拋光不鏽鋼異形件(特殊情況下,不失為最好的選擇)。異型不鏽鋼產品和工件的不統一性,造就了各式各樣的拋光方法。

四、結論

1.根據不同的用途,選擇相適應的不鏽鋼拋光方法、相適應的研磨拋光材料可獲得最佳經濟效果。
2.機械拋光方法目前是最簡單的、也是最有效的、成本最低的不鏽鋼拋光方法。

3.PVA砂輪會在不鏽鋼拋光上更加多的發揮作用。

4.不鏽鋼不同的拋光加工拓寬了不鏽鋼使用的內涵。可以使用一種拋光加工,也可以通過幾種不同加工方法的組合,生產出更多更靚麗的表麵,從而擴展了不鏽鋼的使用範圍,提高了人們的生活情調和檔次。

5.目前,我國正由小康社會向更加富足的小康社會邁進,不鏽鋼的需求尚有很大潛力。因此,研究、發展不鏽鋼的拋光具有廣闊的前景,它也會進一步拓展不鏽鋼的應用範圍,給我們帶來更加優美的環境、更加舒愉的內心。

2014年2月25日

塑膠模具拋光方法

塑膠模具拋光方法

隨著塑膠製品日溢廣泛的應用,如日化用品和飲料包裝容器等,外觀的需要往往要求塑膠模具型腔的表面達到鏡面拋光的程度。而生產光學鏡片、鐳射唱片等模具對表面粗糙度要求極高,因而對拋光性的要求也極高。拋光不僅增加工件的美觀,而且能夠改善材料表面的耐腐蝕性、耐磨性,還可以使模具擁有其他優點,如使塑膠製品易於脫模,減少生產注塑週期等。因而拋光在塑膠模具製作過程中是很重要的一道工序。 

1 拋光方法 目前常用的拋光方法有以下幾種: 

1.1 機械拋光 機械拋光是靠切削、材料表面塑性變形去掉被拋光後的凸部而得到平滑面的拋光方法,一般使用油石條、羊毛輪、砂紙等,以手工操作為主,特殊零件如回轉體表面,可使用轉臺等輔助工具,表面品質要求高的可採用超精研拋的方法。超精研拋是採用特製的磨具,在含有磨料的研拋液中,緊壓在工件被加工表面上,作高速旋轉運動。利用該技術可以達到Ra0.008μm的表面粗糙度,是各種拋光方法中最高的。光學鏡片模具常採用這種方法。 

1.2 化學拋光 化學拋光是讓材料在化學介質中表面微觀凸出的部分較凹部分優先溶解,從而得到平滑面。這種方法的主要優點是不需複雜設備,可以拋光形狀複雜的工件,可以同時拋光很多工件,效率高。化學拋光的核心問題是拋光液的配製。化學拋光得到的表面粗糙度一般為數10μm。 

1.3 電解拋光 電解拋光基本原理與化學拋光相同,即靠選擇性的溶解材料表面微小凸出部分,使表面光滑。與化學拋光相比,可以消除陰極反應的影響,效果較好。電化學拋光過程分為兩步: (1)宏觀整平 溶解產物向電解液中擴散,材料表面幾何粗糙下降,Ra>1μm。 (2)微光平整 陽極極化,表面光亮度提高,Ra<1μm。 

1.4 超聲波拋光 將工件放入磨料懸浮液中並一起置於超聲波場中,依靠超聲波的振盪作用,使磨料在工件表面磨削拋光。超聲波加工宏觀力小,不會引起工件變形,但工裝製作和安裝較困難。超聲波加工可以與化學或電化學方法結合。在溶液腐蝕、電解的基礎上,再施加超聲波振動攪拌溶液,使工件表面溶解產物脫離,表面附近的腐蝕或電解質均勻;超聲波在液體中的空化作用還能夠抑制腐蝕過程,利於表面光亮化。 

1.5 流體拋光 流體拋光是依靠高速流動的液體及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的。常用方法有:磨料噴射加工、液體噴射加工、流體動力研磨等。流體動力研磨是由液壓驅動,使攜帶磨粒的液體介質高速往復流過工件表面。介質主要採用在較低壓力下流過性好的特殊化合物(聚合物狀物質)並摻上磨料製成,磨料可採用碳化矽粉末。 

1.6 磁研磨拋光 磁研磨拋光是利用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷,對工件磨削加工。這種方法加工效率高,品質好,加工條件容易控制,工作條件好。採用合適的磨料,表面粗糙度可以達到Ra0.1μm。 

2 機械拋光基本方法 在塑膠模具加工中所說的拋光與其他行業中所要求的表面拋光有很大的不同,嚴格來說,模具的拋光應該稱為鏡面加工。它不僅對拋光本身有很高的要求並且對表面平整度、光滑度以及幾何精確度也有很高的標準。表面拋光一般只要求獲得光亮的表面即可。

鏡面加工的標準分為四級:AO=Ra0.008μm,A1=Ra0.016μm,A3=Ra0.032μm,A4=Ra0.063μm,由於電解拋光、流體拋光等方法很難精確控制零件的幾何精確度,而化學拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光等方法的表面品質又達不到要求,所以精密模具的鏡面加工還是以機械拋光為主。 

2.1 機械拋光基本程式 要想獲得高品質的拋光效果,最重要的是要具備有高品質的油石、砂紙和鑽石研磨膏等拋光工具和輔助品。而拋光程式的選擇取決於前期加工後的表面狀況,如機械加工、電火花加工,磨加工等等。機械拋光的一般過程如下: 

(1)粗拋 經銑、電火花、磨等工藝後的表面可以選擇轉速在35 000—40 000 rpm的旋轉表面拋光機或超聲波研磨機進行拋光。常用的方法有利用直徑Φ3mm、WA # 400的輪子去除白色電火花層。然後是手工油石研磨,條狀油石加煤油作為潤滑劑或冷卻劑。一般的使用順序為#180 ~ #240 ~ #320 ~ #400 ~ #600 ~ #800 ~ #1000。許多模具製造商為了節約時間而選擇從#400開始。 

(2)半精拋 半精拋主要使用砂紙和煤油。砂紙的號數依次為:#400 ~ #600 ~ #800 ~ #1000 ~ #1200 ~ #1500。實際上#1500砂紙只用適於淬硬的模具鋼(52HRC以上),而不適用於預硬鋼,因為這樣可能會導致預硬鋼件表面燒傷。 

(3)精拋 精拋主要使用鑽石研磨膏。若用拋光布輪混合鑽石研磨粉或研磨膏進行研磨的話,則通常的研磨順序是9μm(#1800)~ 6μm(#3000)~3μm(#8000)。9μm的鑽石研磨膏和拋光布輪可用來去除#1200和#1500號砂紙留下的發狀磨痕。接著用粘氈和鑽石研磨膏進行拋光,順序為1μm(#14000)~ 1/2μm(#60000)~1/4μm(#100000)。 精度要求在1μm以上(包括1μm)的拋光工藝在模具加工車間中一個清潔的拋光室內即可進行。若進行更加精密的拋光則必需一個絕對潔淨的空間。灰塵、煙霧,頭皮屑和口水沫都有可能報廢數個小時工作後得到的高精密拋光表面。

2.2 機械拋光中要注意的問題 用砂紙拋光應注意以下幾點: 

(1)用砂紙拋光需要利用軟的木棒或竹棒。在拋光圓面或球面時,使用軟木棒可更好的配合圓面和球面的弧度。而較硬的木條像櫻桃木,則更適用於平整表面的拋光。修整木條的末端使其能與鋼件表面形狀保持吻合,這樣可以避免木條(或竹條)的銳角接觸鋼件表面而造成較深的劃痕。 

(2)當換用不同型號的砂紙時,拋光方向應變換45°~ 90°,這樣前一種型號砂紙拋光後留下的條紋陰影即可分辨出來。在換不同型號砂紙之前,必須用100%純棉花沾取酒精之類的清潔液對拋光表面進行仔細的擦拭,因為一顆很小的沙礫留在表面都會毀壞接下去的整個拋光工作。從砂紙拋光換成鑽石研磨膏拋光時,這個清潔過程同樣重要。在拋光繼續進行之前,所有顆粒和煤油都必須被完全清潔乾淨。 

(3)為了避免擦傷和燒傷工件表面,在用#1200和#1500砂紙進行拋光時必須特別小心。因而有必要載入一個輕載荷以及採用兩步拋光法對表面進行拋光。用每一種型號的砂紙進行拋光時都應沿兩個不同方向進行兩次拋光,兩個方向之間每次轉動45°~ 90°。 

鑽石研磨拋光應注意以下幾點: 

1)這種拋光必須儘量在較輕的壓力下進行特別是拋光預硬鋼件和用細研磨膏拋光時。在用#8000研磨膏拋光時,常用載荷為100~200g/cm2,但要保持此載荷的精准度很難做到。為了更容易做到這一點,可以在木條上做一個薄且窄的手柄,比如加一銅片;或者在竹條上切去一部分而使其更加柔軟。這樣可以幫助控制拋光壓力,以確保模具表面壓力不會過高。 具體方法如圖1所示 圖1 有彈性的拋光工具 

2)當使用鑽石研磨拋光時,不僅是工作表面要求潔淨,工作者的雙手也必須仔細清潔。 

3)每次拋光時間不應過長,時間越短,效果越好。如果拋光過程進行得過長將會造成“橘皮”和“點蝕”。 

4)為獲得高品質的拋光效果,容易發熱的拋光方法和工具都應避免。比如:拋光輪拋光,拋光輪產生的熱量會很容易造成“橘皮”。 

5)當拋光過程停止時,保證工件表面潔淨和仔細去除所有研磨劑和潤滑劑非常重要,隨後應在表面噴淋一層模具防銹塗層。 

3 影響模具拋光品質的因素 由於機械拋光主要還是靠人工完成,所以拋光技術目前還是影響拋光品質的主要原因。除此之外,還與模具材料、拋光前的表面狀況、熱處理工藝等有關。優質的鋼材是獲得良好拋光品質的前提條件,如果鋼材表面硬度不均或特性上有差異,往往會產生拋光困難。鋼材中的各種夾雜物和氣孔都不利於拋光。 

3.1 不同硬度對拋光工藝的影響 硬度增高使研磨的困難增大,但拋光後的粗糙度減小。由於硬度的增高,要達到較低的粗糙度所需的拋光時間相應增長。同時硬度增高,拋光過度的可能性相應減少。 零件硬度與研磨性能和拋光性能的關係如圖2所示。 圖2 零件硬度與研磨性能和拋光性能的關係圖 

3.2 工件表面狀況對拋光工藝的影響 鋼材在切削機械加工的破碎過程中,表層會因熱量、內應力或其他因素而損壞,切削參數不當會影響拋光效果。電火花加工後的表面比普通機械加工或熱處理後的表面更難研磨,因此電火花加工結束前應採用精規准電火花修整,否則表面會形成硬化薄層。如果電火花精修規准選擇不當,熱影響層的深度最大可達0.4mm。硬化薄層的硬度比基體硬度高,必須去除。因此最好增加一道粗磨加工,徹底清除損壞表面層,構成一片平均粗糙的金屬面,為拋光加工提供一個良好基礎。


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