實驗步驟 - LZ91與AZ31鎂合金微弧氧化製程與耐腐蝕性質研究

3-1 實驗流程

圖 3-1 為本研究的實驗流程圖。

圖 3-1 實驗流程圖

3-2 試片前處理

本實驗使用煌傑金屬工業股份有限公司提供的 LZ91 和 AZ31 鎂合金，其主要化學成分經由感應耦合電漿原子發射光譜分析儀(ICP-MS)量測，如表 3-1 所示，其中 AZ31 之鋅含量偏低而鐵含量偏高，因為鋅元素可以抑制雜質之影響，而鐵元素會造成微伽凡尼腐蝕，故此成分的耐腐蝕性質可能有疑慮；而其板材之光學顯微鏡晶相如圖 3-2，AZ31 為等軸晶粒排列，晶粒大小約為 14.1

μm；而 LZ91 的雙相結構沿著滾軋方向排列，但其中的晶粒仍為等軸晶粒，大小約為 25.9 μm。將 LZ91 和 AZ31 鎂合金加工成 50 mm × 30 mm × 1.5 mm 的試片，接著使用研磨拋光機進行機械研磨，由 180 號砂紙研磨至 1000 號砂紙，

最後在試片頂部鑽孔並攻螺牙(M4)以連接電極掛具，如圖 3-3 所示，其螺牙與孔洞確保試片與掛具之間能傳導電流，再利用耐高溫 O-ring 使試片與掛具相互密合，以防止漏電之情形產生。在進行微弧氧化實驗前，先將試片以酒精和去離子水清洗，以防止試片表面沾有汙漬影響實驗。

表 3-1 LZ91 和 AZ31 鎂合金化學重量百分比成分(wt%)。

Li Al Zn Fe Mn Si Mg LZ91 8.5134 0.0044 0.6550 0.0025 0.0086 0.0055 Bal.

AZ31 - 2.7747 0.2724 0.0137 0.7963 0.0085 Bal.

AZ31B

(ASTM B90)

- 2.5-3.5 0.6-1.4 <0.005 0.2-1.0 <0.1 Bal.

圖 3-2 鎂合金在光學顯微鏡下的晶相 (a)AZ31 (b)LZ91 (c)LZ91 的放大圖

圖 3-3 鎂合金 50mm×30mm×1.5mm 鑽孔位置示意圖。

3-3 微弧氧化設備與製程

本研究使用的微弧氧化系統裝置包括電解槽、攪拌系統、冷卻系統、抽氣設備、電源供應器、脈衝整流器和電腦控制系統，其系統示意圖如圖 3-3 所示。實驗中電解槽使用 2 公升 304 不鏽鋼鍋作為容器，並以此不銹鋼鍋作為製程中的陰極；冷卻系統使電解槽內部維持在 10~15˚C；電源供應器使用欣亞電機科技有限公司製造的機台，型號 SY-P10600200，可提供正極 600V-10A 和負極 200V-10A 的電源供應極限。

圖 3-4 微弧氧化系統設備示意圖

表 3-3 電解液成分與編號對照表。

編號成分組成 (每公升克數)

10g Na

SiO

+ 30g NaF + 10g Na

B

O

+ 40g NaOH

10g Na

SiO

+ 30g NaF + 10g Na

B

O

+ 40g NaOH + 10g NaAlO

SAc

10g Na

SiO

+ 80g NaF + 10g Na

B

O

+ 60g NaOH + 10g NaAlO

10g Na

PO

+ 30g NaF + 10g Na

B

O

+ 40g NaOH

10g Na

PO

+ 30g NaF + 10g Na

B

O

+ 40g NaOH + 30g NaAlO

3-4 氧化層結構與成分分析

3-4-1 色度分析 (Colorimeter)

本研究使用分光色差儀定義氧化膜之色彩，本次檢測採取不同參數試片各取 5 點檢測，設備為分光色差儀 X-rite SP62，如圖 3-6 所示，分光色差儀採用 Lab 色彩空間，Lab 色彩模型是由亮度 L*及色彩之 a*、b*三種要素所構成。

L*、a*、b*三軸可以決定一個顏色，其坐標系如圖 3-7 所示。

圖 3-6 分光色差儀

圖 3-7 CIE 1976 L a b 均勻色彩空間圖⁷⁰

3-4-2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM)

本研究使用掃描式電子顯微鏡對不同參數的微弧氧化膜層進行微觀結構分析，儀器型號為 SEM JSM 6510，如圖 3-8 所示。研究中主要使用二次電子影像膜是(SEI)對微弧氧化膜層的表面形貌進行分析以及利用背向散射電子影像 (BEC)模式對微弧氧化膜層的橫截面進行分析，並搭配能量色散 X 射線光譜 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)進行定性及半定量的成分分析。

圖 3-8 掃描式電子顯微鏡 SEM JSM 6510

3-4-3 渦電流膜厚計 (Coating thickness gages)

本研究使用渦電流膜厚計來量測微弧氧化膜層之厚度，使用儀器之廠牌型號為 PosiTector^® 6000，如圖 3-9。其原理為在電極上產生渦電流流動，接近金屬表面時，金屬表面上會產生相對應的渦電流，此種渦電流隨著誘導線圈中與金屬的距離不同而變化，因此在誘導線圈兩端的電壓亦產生變化，這個電壓變化從電流值來讀取然後換算成膜厚。

圖 3-9 渦電流膜厚計 PosiTector^® 6000，

3-4-4 X 光光電子光譜儀 (X-ray photoelectron Spectroscopy, XPS)

本研究使用 XPS 對微弧氧化膜層進行成分與化學結構觀察，廠牌型號為 PHI5000 VersaProbe，如圖 3-10 所示。X 光光電子光譜儀亦稱為電子能譜化學分析儀(Electron Spectroscopy for Chemical Analyzer, ESCA)，主要藉由 X 光照射材料，使其放出光電子，並利用 X 光能量與其功函數來計算被分析材料的束縛能(Binding energy)，而此束縛能會因為材料中的化學鍵結不同而有所偏移，故能藉由此分析來判斷材料中成分的化學狀態。每次實驗前先以 1 kV 的氬離子槍清潔表面 1 分鐘再開始實驗。

圖 3-10 X 光光電子光譜儀分析 PHI5000 VersaProbe

3-4-5 X 光繞射分析 (X-ray Diffraction, XRD)

X 光繞射分析採用 X 光繞射分析儀，其廠牌型號為 Rigaku TTRAX3，如圖 3-11 所示。使用光源為 Cu K_α (1.5406 Å)，最高入射電壓 50 kV，電流 300 mA。本研究之 X 光繞射分析使用 2θ 模式分析，掃描條件為：掃描範圍 20~70˚、掃描間距為 0.01˚、掃描速率 1-4˚/min。

圖 3-11 X 光繞射儀分析儀 Rigaku TTRAX3

3-5 氧化層腐蝕分析

3-5-1 開路電位分析(Open Circuit Potential, OCP)

開路電位分析為量測材料的腐蝕電位的方式，本研究之設備為恆電位儀，

其廠牌型號為 EG&G instruments Potentialstat/Galvanostat Model 263A，如圖 3-12 所示。實驗中以微弧氧化膜層為工作電極(working electrode)，飽和甘汞電極(Saturated Calomel Electrode)電極當作參考電極(Reference Electrode)，而腐蝕溶液使用 3.5wt%氯化鈉溶液或是氫氧化鎂飽和的 3.5wt%氯化鈉溶液來進行開路電位分析，氫氧化鎂的添加是基於文獻指出此添加能提供更穩定的電化學分析結果⁶⁷。

開路電位分析是將試片浸泡於腐蝕溶液中，將腐蝕電位對於時間作圖，可以透過腐蝕電位之變化了解當材料浸泡在腐蝕溶液時的腐蝕行為，例如會形成鈍化層的材料在接觸腐蝕溶液時，通常腐蝕電位會因為空氣中的鈍化膜受到攻擊而先快速下降一小段時間，接著鈍化膜在溶液中生成使電位緩慢上升，而微弧氧化膜層因為有非常大量的孔洞，故腐蝕溶液會在腐蝕過程中滲入新的孔洞中，使其腐蝕電位產生會有大量的起伏。在進行極化曲線分析或交流阻抗分析前會先進行 30~60 分鐘的開路電位分析，待腐蝕電位穩定後才進行後續分析。

圖 3-12 恆電位儀 Model 263A (下)與高頻波形分析儀 FRD100 (上)

3-5-2 交流阻抗分析 (Eletrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)

本研究利用交流阻抗分析來分析微弧氧化膜層在腐蝕溶液中的腐蝕行為，

儀器設備為恆電為儀和高頻波形分析儀，後者廠牌型號為 Princeton Applied Research FRD100，如圖 3-12 所示。實驗中以微弧氧化膜層為工作電極，白金 (20mm×20mm)電極當作輔助電極(Counter Electrode)，飽和甘汞電極電極當作參

溶液阻抗(Electrolyte resistance, Rs)涉及溶液內離子傳導行為，決定於電解質溶液的電導值(Conductivity,κ)，影響此阻抗的因素有離子濃度、離子型態、

操作溫度與傳導離子路徑的幾何結構，用於解釋腐蝕溶液中腐蝕離子經過溶液而達到材料表面的行為。

恆相位元件(Constant phase element, CPE，或有時在電路中以 Q 表示)是用來敘述一個不完美的電容元件(例如保護性膜層)，在腐蝕電化學中常用 CPE 來

極化阻抗(Polarization resistance, Rp)，因為膜層在正、負極偏壓下受到的侵蝕現象不同而在開路電位下會產生電動勢，在膜層上發生極化(polarization)現

電荷傳導阻抗(Charge transfer resistance, Rct)成因於金屬表面與溶液接觸

虛擬電感(Virtual inductor, L)分為兩種，一種為高頻區的虛擬電感，在輸入頻率較高的區域會出現其效應使高頻的虛部阻抗呈現正值，有一說是因為恆電

圖 3-13 一個簡單的電化學系統的 Nyquist 圖形⁷¹

圖 3-14 一個簡單的電化學系統的 Bode 圖形⁷¹

圖 3-15 Randles cell 之電路圖⁷¹

3-5-3 極化曲線分析 (Potentiodynamic Polarization Test)

極化曲線測試(Potentiodynamic Polarization Test)，儀器設備為恆電位儀，其餘配置與交流阻抗分析相同，腐蝕液成份採取 3.5wt%氯化鈉溶液或是氫氧化鎂

圖 3-16 鹽霧試驗裝置示意圖⁷²

表 3-4 腐蝕面積率和分級數字的關係⁷²

腐蝕面積率 A（%）分級數字

0.01 10

A ≤ 0.02 9.8

0.02 < A ≤ 0.05 9.5 0.05 < A ≤0.07 9.3 0.07 < A ≤ 0.10 9 0.10 < A ≤ 0.25 8 0.25 < A ≤ 0.50 7 0.50 < A ≤ 1.00 6

1.0 < A ≤ 2.5 5

2.5 < A ≤ 5 4

5 < A ≤ 10 3

10 < A ≤ 25 2

25 < A ≤ 50 1

50 < A 0

圖 3-17 防蝕膠帶貼附於準備鹽霧試驗之試片4

在文檔中 LZ91與AZ31鎂合金微弧氧化製程與耐腐蝕性質研究 (頁 72-88)