本實驗分為微型搪研工具製作與搪研應用兩部分。第一部份是使用微放 電加工修整微搪研工具基材外型，並進行線上複合沉積，第二部分再針對 SKD11 模具鋼之既有微孔進行搪研拋光實驗。實驗流程如圖 4-1 所示。
圖 4-1 實驗流程圖
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4-1 電鍍液排放模式實驗
微放電加工將微型搪研工具基材修整後，移至複合沉積槽進行複合沉積
。鍍液本身屬於酸性液體，具有侵蝕性與腐蝕性，容易與金屬產生氧化，在 槽體鍍液循環中，要特別注意鍍液流動的穩定性。再者，由於複合沉積槽必 須安置於微型綜合加工機台，若鍍液液位未控制穩定而溢出槽體，則會嚴重 損壞加工機台。因此，如何在複合沉積過程中控制鍍液液位高低，顯得更加 重要。當鍍液進入複合沉積槽時，鍍液的流入量與排出量將會影響複合沉積 槽鍍液液位高度。若鍍液進入流量大於鍍液排出流量，則會溢出沉積槽外；
反之，鍍液很快就從複合沉積槽排出，而無法進行沉積。
圖4-2 為自行開發設計之『分離式複合沉積槽』示意圖，槽體主要分為 溫度控制槽與複合沉積槽。溫度控制槽為控制液溫，鍍液由循環泵送至沉積 槽中，使鍍液產生循環，再利用鍍液之重力位能回流至溫度控制槽。複合沉 積槽安裝於微型綜合加工機上，進行線上微搪研工具之複合沉積實驗。為避 免鍍液汙染微型綜合加工機，因此如何控制複合沉積槽之鍍液液位高低，是 相當重要的設計課題，本實驗以三種排水法進行測試，分別為漩渦法、隔板 法與階梯斜面法，如下所述。
(a) 線上微型分離式複合沉積槽 (b) 鍍液循環示意圖 圖4-2 微型綜合加工機與複合沉積槽
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4-1-1 漩渦法
漩渦式複合沉積槽設計如圖 4-3 所示。經由循環泵將鍍液導引至複合沉 積槽，鍍液依循漩渦方式旋轉，由槽底排出鍍液。此設計最大的特色是鍍液 能產生迅速的旋轉並排出槽體，鍍液在槽體內快速流動循環，由於漩渦式的 槽體設計，鍍液流動循環克服了鍍液之黏滯力，使鍍液易於排出槽體，但因 鍍液排出流速太快，導致鍍液很難在槽體中維持穩定高度，所以無法進行複 合沉積。
圖4-3 漩渦式示意圖 圖4-4 隔板式示意圖
4-1-2 隔板法
為有效控制槽體鍍液液位，想出另一種隔板法的設計。隔板法複合沉積 槽設計如圖4-4 所示。鍍液經由循環泵導引至沉積槽，槽體主要分為複合沉 積區與排水區。此設計最大的特色是當鍍液進入到複合沉積區時，鍍液液位 能維持與隔板相同的高度，此隔板設計能有效的控制鍍液液位高低。複合沉 積區之鍍液液位可以受到隔板控制，提供一個固定的液面高度。在鍍液排出 方面，卻沒有漩渦法順暢，鍍液易因表面張力而堵塞溢出，無法順利進行沉 積。
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4-1-3 隔板與階梯斜面法
穩定控制鍍液的流入與排出是相當重要的。實驗隔板式複合沉積槽能有 效控制鍍液液位，當鍍液溢過隔板時，為了能夠使鍍液容易排出槽體，排水 區以階梯斜面設計，如此，鍍液能類似流入漏斗的方式排出。如圖4-5 所示。
此複合沉積槽設計，可藉由隔板將鍍液維持穩定的液位高度，亦能順暢的由 階梯斜面排出。
(a)示意圖 (b)階梯斜面示意圖 圖4-5 複合沉積槽示意圖
4-2多孔性載體複合沉積模具
複合沉積過程中，希望能節省磨粒使用含量，因此，研究提出一種『多 孔性載體複合沉積模具』的設計，尺寸如圖4-6(a)所示。實驗過程中，預計 將磨粒置入模具中間微小孔，再將此沉積模具置入複合沉積槽中進行複合沉 積實驗，如圖4-6(b)所示。在金屬沉積模具材質選用中，由於鍍液為酸性液 體，模具必須能耐酸性及耐腐蝕。金屬材質易於氧化生鏽，並不適合當沉積 模具材料。陶瓷法氧化鋁砂輪磨塊能耐酸且不易腐蝕。且屬於多孔隙材質，
如圖4-6(c)(d)所示。
本實驗希望微型搪研工具基材進行複合沉積過程中，鍍層厚度能夠均勻
的成長。因此，未放入CBN 磨粒之前，先將碳化鎢基材做『純電鍍』實驗。
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(a) 多孔性載體複合沉積模具 (b) 複合沉積CBN磨粒示意圖
(c) 複合沉積模具－氧化鋁砂輪 (d) 氧化鋁砂輪表面，孔隙5μm 圖4-6 複合沉積模具設計
陶瓷法氧化鋁砂輪材質具有許多微孔隙，使用此沉積模具進行純電鍍實 驗。當沉積模具置入複合沉積槽時，由於多層微孔隙導致鍍液滲透速度緩慢，
仍須等待約 10 分鐘後，且確定沉積模具內孔有鍍液滲入，才能進行電鍍實 驗，如圖4-7(a)所示。經過實驗得知，使用陶瓷法氧化鋁砂輪沉積模具，鎳 離子可穿透砂輪孔壁進入到模具內孔，使微型搪研工具基材得到鎳層沉積，
如圖 4-7(b)所示。且能夠使微型搪研工具基材鎳層均勻的成長，如圖 4-7(c) 所示。
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(a) 鎳離子能穿透沉積模具孔壁
(b) 鎳層與碳化鎢 (c) 鎳層可均勻的成長 圖4-7 陶瓷法氧化鋁砂輪材質沉積模具實驗
針對複合沉積模具材質的選用，另外針對壓克力材質沉積模具進行純電 鍍實驗。此實驗主要是要探討經過電鍍沉積之後，陰極基材鎳層成長現象。
壓克力並非多孔隙材質之材料，如圖4-8(a)(b)所示。
首先，先將壓克力沉積模具的微孔頂部高過於鍍液液面。由於壓克力並 非多孔隙材質。因此，鍍液完全無法進入沉積模具內孔。以至於無法進行鎳 離子沉積。若要使用壓克力模具進行電鍍實驗，一定要將鍍液液位高過於沉 積模具內孔，鍍液才能流入沉積模具內孔進行純電鍍實驗，如圖4-8(c)所示。
由於鎳離子無法穿透壓克力模具孔壁。因此，鎳離子必須從沉積模具的上端 流入微孔內。經過實驗得知，微型搪研工具基材底部的鎳層成長厚度較薄；
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靠近孔外區域的鎳層成長厚度較厚，如圖4-8(d)所示。使用壓克力沉積模具 進行純電鍍實驗，並無法使鎳層厚度均勻成長。
(a) 複合沉積模具－壓克力 (b) 壓克力表面
(c) 鎳離子無法穿透沉積模具孔壁 (d) 鎳層無法均勻成長 圖4-8 壓克力材質沉積模具實驗
4-3 多孔性載體孔隙大小與磨粒含量關係
4-3-1 沉積模具之孔隙大小影響
複合沉積加工中，CBN 磨粒加入砂輪模具中，鍍液經由泵，形成循環 效果，使鍍液流向複合沉積槽，使鍍液滲入沉積模具中，並且將微搪研工具 基材(陰極)放入砂輪模具內孔，進行 CBN 磨粒複合沉積，如圖 4-9 所示。其 中，砂輪模具孔隙大小可能會影響沉積模具內孔鍍液之置換性，相對的也將 會影響 CBN 磨粒的分布性與均勻性。因此，針對不同孔隙之砂輪孔壁，進
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行CBN 磨粒的含量探討。複合沉積鍍液組成成分如表 4-1 所示。
表4-1 鍍液組成成分
複合沉積過程中，砂輪模具具有多層微孔隙，能將粒徑 0~2μm 之 CBN 磨粒阻擋於砂輪模具內孔。砂輪孔隙僅有數微米，本實驗針對不同孔隙砂輪 進行複合沉積實驗，砂輪號數分別為#1000 號、#1500 號、#2000 號及#2500 號的陶瓷法氧化鋁砂輪。主要探討不同孔隙的沉積模具對於CBN 磨粒含量 的影響性。圖4-10 為不同孔隙沉積模具之表面 SEM 圖。
參數 成分
氨基磺酸鎳 600g/l 氯化鎳 3~7g/l 硼酸 35~45g/l 溫度 45℃
pH 4
時間 5min
CBN 含量 0.1g/l
(a) 複合沉積槽 (b) 複合沉積模具局部放大 圖4-9 複合沉積CBN磨粒示意圖
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(a) #1000號砂輪孔隙約20μm (b) #1500號砂輪孔隙15μm
(c) #2000號砂輪孔隙10μm (d) #2500號砂輪孔隙5μm 圖4-10 不同孔隙沉積模具之表面SEM圖
本實驗主要使用不同孔隙之砂輪沉積模具當成多孔性載體，進行複合沉 積實驗，主要是要探討沉積模具孔隙大小，對模具內孔的鍍液置換性與CBN 磨粒含量的影響。圖4-11 至 4-14 分別為複合沉積後，微型搪研工具基材 CBN 磨粒含量的SEM 圖。為了計算單位面積的 CBN 磨粒含量，將 SEM 圖型分 成16 個方格，然後計算 CBN 的磨粒數，再取平均值。
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(a) CBN磨粒含量 (b)單位面積平均數 圖4-11 使用#1000 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面
(a) CBN磨粒含量 (b)單位面積平均數 圖4-12 使用#1500 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面
(a) CBN磨粒含量 (b)單位面積平均數 圖4-13 使用#2000 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面
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(a) CBN磨粒含量 (b)單位面積平均數 圖4-14 使用#2500 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面
由於砂輪模具擁有多層微細孔隙，經實驗結果得知，砂輪沉積模具號數
#1000 號~#2500 號之砂輪孔隙都能使鍍液與金屬離子滲透進入到沉積模具 內孔，且砂輪孔隙也都能將CBN 磨粒阻擋在砂輪模具內孔裡。
因為鍍液流速慢，經多孔隙載體進入沉積區時，鍍液流動能量已大幅減 緩，對磨粒沒有任何衝擊作用，且磨粒因重力而沉降，故實驗所選磨塊的孔 隙，均具阻擋磨粒流出的效果。
CBN 磨粒沉降後，當微型搪研工具基材置入沉積模具內孔進行複合沉積 時。模具內孔底部的 CBN 磨粒量濃度高。因此，微型搪研工具基材試棒底 部A 區域的 CBN 磨粒濃度含量也較高，如圖 4-15(a)(b)所示。此區域能夠快 速的將 CBN 磨粒附著於微型搪研工具基材表面。由於主要沉積深度約為底 部1mm 之深度，在試棒 B 區域則為 CBN 磨粒沉積的交界區，此區為 CBN 磨粒含量不穩定區域，如圖4-15(c)所示。在試棒 C 區域幾乎無法沉積磨粒，
如圖4-15(d)。因此，當微型搪研工具在進行複合沉積 CBN 磨粒時，則選擇 模具內孔底部A 區域進行沉積。
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(a) 複合沉積微搪研工具基材 (b) A區域CBN磨粒含量
(c) B區域CBN磨粒含量 (d) C區域CBN磨粒含量 圖4-15 複合沉積示意圖
4-3-2 結果與討論
此複合沉積方法可在5分鐘內內，得多層CBN磨粒，厚度約10µm，且磨 粒間距自然形成(約2-3µm)，這是因為工具基材被磨粒包圍，磨粒為非導體 且非整齊排列，第一層鎳沉積層由基材表面開始成長，只有接觸基材表面的 磨粒才有機會被鎳離子固定與包覆，第二層也是只有靠近鎳積層的磨粒才能 被包覆，故藉由磨粒非整齊排列的特性，可使磨粒間距自然形成。此間距恰 能提供一種屑袋(Chip pocket)空間，使搪研過程中，具有很好的容屑功能。
而磨塊間隙則具排渣效果。
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4-4 微型搪研工具外型設計
微型搪研工具設計方面，為增加微型搪研工具的使用強度，本研究採用 粒徑0.3μm超微粒碳化鎢材料當工具心軸。首先，使用微放電加工修整出工
微型搪研工具設計方面，為增加微型搪研工具的使用強度，本研究採用 粒徑0.3μm超微粒碳化鎢材料當工具心軸。首先，使用微放電加工修整出工