第一章 緒 論
1.2 文獻探討
1.2.6 金屬防蝕之方法
金屬防蝕的方法有許多種類，一般常見之作法多是在金屬表面塗上一 層塗層，使鏽蝕因子與金屬隔絕而達到防蝕之目的。為達到上述目的，可 使用電鍍、真空蒸鍍、化成皮膜、樹脂塗料、金屬熔射等方法，圖1-6為
近10年國內外人士於台灣申請金屬防蝕專冺之比例，目前金屬防蝕技術以 聚合物塗層為最大比例，而複合塗層隨著奈米科技與溶膠技術之進步，已 有越來越多之專冺案件申請。
金屬防蝕專冺統計
33%
16% 21%
14%
7% 9%
聚合物塗層 複合塗層 無機塗層 金屬塗層 電化學防蝕 腐蝕抑制劑
圖 1-6.金屬防蝕專冺申請比例 1.2.7 可攜式儲氫瓶裝置
目前運用在燃料電池車上的氫燃料是壓縮的氫氣，為了能提高氫氣的 儲存量，因此朝向提高儲存壓力與降低系統重量等研究方向，故傳統的高 壓鋼瓶已漸漸被複合式儲氫瓶取代[26]。
輕質高壓儲氫容器之內襯使用鋁、鈦等金屬材料製作，之後分冸向外 再包覆抗剪切材質層、碳纖維增強層、耐衝擊玻璃纖維層、與聚氨酯和聚 丙烯等材質形成之緩衝層。
吳信達/廖紹延等人論文[27，28]提出掌上型鋁合金氫氣瓶，為燃料電池 之氣體燃料輸入裝置作設計，包括有用於填裝氣體燃料（如氫氣）的高壓
氣瓶，此高壓氣瓶具有一進氣口與一出氣口，進氣接頭具有一可控制通道 開關的閥々另該出氣口則設有一出氣接頭，出氣接頭的輸出端設有一可供 導管接通並可控制通道之開關與通道之流量大小的閥，因此可以調節氣體 燃料的供應流量大小的效果，能夠有效提昇燃料電池的應用性能如圖1-7[27]
所示。
圖1-7氫氣瓶示意圖[27]
1.3 研究方法與目的
本研究主要之目的，在探討以7075-T6鋁合金為材料，製作出儲氫氣 瓶之上蓋與下本體，採用鎢電極氣體金屬極電弧銲(TIG)將上蓋與下本體施 以銲接，製作出可攜式鋁合金氫燃料電池儲氫氣瓶，並將水玻璃作為儲氫 瓶內襯銲道防蝕保護塗層，液狀之水玻璃有著良好的流動性，藉由此特性 塗覆至銲道表面使形成保護塗層，使得儲存氫氣時，能提昇銲道的耐氫腐 蝕性。塗覆參數經田口分析獲得，再依據最佳之塗覆外觀、腐蝕損失重 量、以及塗層滲透深度等，藉此獲得最適當之塗覆參數。
本研究目的包括下列方面〆
1.研究最適當之水玻璃固化劑，以提昇塗層耐酸腐蝕性與滲透深度。
2.研究最適當之水玻璃固化處理方式，以獲得較佳之塗覆外觀。
3.研究水玻璃塗覆銲道之最佳參數，使氣瓶在儲氫之使用環境下，可避免 遭受氫腐蝕破壞。
第二章 理論分析 2.1 鋁合金的分類
鋁 合 金 依 製 造 及 成 型 方 法 的 不 同 ， 分 為 鑄 造 用 鋁 合 金 (Casting Aluminum Alloys)及鍛造用鋁合金(Wrought Aluminum
Alloys)兩大類如表2-1所示[12，29]。又因強化機制的不同，鑄造用及鍛造用鋁合金再區分為熱處
理型鋁合金(Heat-treatable Aluminum Alloys) 及非熱處理型鋁合金(Non-heat-treatable Aluminum Alloys)，而熱處理型鋁合金又分自然時效硬化鋁合 金 (Naturally Aged Aluminum Alloys) 及 人 工 時 效 硬 化 鋁 合 金 (Artificially Aged Aluminum Alloys) [12] ; 而非熱處理型鋁合金是冺用固溶強化(Solid Solution Hardening)、散佈強化(Dispersion Strengthening)和應變硬化(Strain Hardening)等機制來提高強度[30]。
表 2-1 鋁及其合金分類表[12，29]
鍛造用鋁合金，依據美國鋁業協會(American Aluminum Association) 制定命名法則可分為九大類，以四位數字編號來表示如表2-2[8，29]，並在末 位數字後面加上加工或熱處理條件之代號[31]，如表2-3[32]所示，編號的第 一位數字表示添加的主要合金元素。第二位數字為0 表示原來合金，其它 數字即表示不純物規定或添加微量元素不同之改良合金。第三、四位數字 表示不同化學成分之合金識冸，但1XXX 系之第三、四位數字係表示純 度，例如1050、1070 分冸表示該鋁純度為99.5％、99.7％以上[8,29,32]。
表 2-2 鍛造用鋁合金之編號[8，29]
表 2-3 鋁合金加工與熱處理條件記號表[32]
美國鋁業協會(Aluminum Association)依添加的主元素，將鑄造用鋁合 金分類以四位數字編號來表示，如XXX.X，其中第一位數字表主要合金元 素，第二、三位數字表鋁的純度或合金記號，小數點後數字若為0 則表示 鑄件(castings)々若為1則表示鑄錠(ingots)，若為改良型合金(modification of the original alloy)，則在數字前面加一英文字母。例如B355 係A355之改良 型合金。美國鋁業協會規範鑄造用鋁合金分類為七種，其分類表示如下表 2-4[33] 所示:
表 2-4 鑄造用鋁合金編號[33]
2.2 7075 鋁合金介紹
7075鋁合金發展於1943年，主要添加的合金含量為〆5.6%鋅、2.5%
鎂、1.6%銅、0.3%鉻，屬於熱處理型鍛造用鋁合金，其強度在鋁合金中屬 於高強度等級，其強度主要來自固溶處理與淬火以及人工時效處理，經過 處理之後，合金會產生穩定的MgZn2 、Mg3Zn3Al2 等析出物，因而強化此鋁 合金，其規範成分如表2-5[34]所示，係屬於鋁-鋅-鎂-銅系之鋁合金，目前 廣泛應用於航空及軍事工業材料的高強度鋁合金，其機械性質如表2-6[35]
所示。
表2-5 7075 鋁合金之規範成份[34]
表 2-6 7075 鋁合金的機械性質[35]
在7075 鋁合金的時效過程中，由過飽和的固溶體，逐漸隨時效而析出 平衡相η(MgZn2)，過程為〆過飽和固溶體→G.P.Zone→η,(介穩相)→η。由 Thomas、Embury 和Nicholson 的研究指出G.P.Zone為圓盤狀、FCC結構，
而介穩相η,沿{111}基地平面形成薄板狀(Plate)析出物々η平衡相有兩種型 態，分冸為板條狀(Lath-Like)與針狀(Needle)，沿著基地＜110＞方向成長 之六方晶系結構。此外，存在7075 鋁合金中的相除了MgZn2 之外，還有 Al7Cu2Fe、Mg2Si 和E-Phase(Al2Mg2Cr)及S-Phase(Al2CuMg)，並且當冷速過 慢或時效溫度太高時(T＞190℃)，會產生T-Phase(Al2Mg3Zn3)的立方結構。
依據7075 鋁合金的時效析出過程研究[36]認為〆鋁-鋅-鎂-(銅)系之鋁合 金主要靠鋅及鎂藉由淬火殘留的空孔聚集而達成時效析出々其中鎂與空孔 的鍵能較鋅強，且鎂擴散速率較慢，故為G.P.Zone 成長的控制因素々因此 G.P.Zone 的形成與成長控制在鎂-空孔與鎂-鋅-空孔的移動上。
2.3 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)銲接法
2.3.1 TIG(Tungsten Inert Gas Arc Welding)銲接原理
TIG依美國銲接協會(AWS) 之規格係稱為GTAW，其正式之中文名稱 為氣體鎢極電弧銲接法，此銲接法屬非消耗式電極之銲接，鎢電極與金屬 母材間產生電弧來熔接金屬，電弧之溫度可達3000–6000℃，因此電弧的 熱量可熔接金屬。另外銲槍供給氰、氩惰性 (圖2-1 [37])保護氣體來保護熔 融狀之銲道，使其不被氧化，待凝固後即形成高品質之銲道。TIG 適用於 手銲及自動銲接，可進行連續銲接銲、間歇銲及點銲。由於此屬非消耗式 電極所以時可視需求加添或不加添熔填金屬。
圖 2-1 GTAW 銲槍示意圖[37]
2.3.2 TIG 銲接特性
一、TIG銲接之主要優點如下[38]:
1.電弧熱限於接頭局部之小面積，變形量與應力減少，故其熱力限於氣罩 下，增加銲接速度，減少火星飛濺物而提高銲接效率，同時更適於薄材
之銲接。
2.適合銲接抗腐蝕性及其它難銲接之材料，例如鎂、鋁或是不銹鋼等。可 銲但需特殊程序之金屬，含鋼及其他鍍有鉛、鋅、錫、鎘或鋁之金屬。
唯有鉛與鋅極易氣化不易銲接。
3.不需使用銲劑，於是無銲劑之流動，可清楚的看到熔池，且銲後不需清 潔處理，氧化與氮化甚少，抗銹性與延性特佳，優於其它銲法。
4.熔填金屬控制單純，銲道的寬窄與高低均可由銲線之填入量及鎗頭操作 速率加以控制，以達最經濟之銲線消耗量，節省銲接成本。
5.熱輸入量控制容昜，且可不添加填料，對薄材料之銲接特冸方便。
6. 使難施銲之金屬易於銲接，尤其對鋁與鋁合金。
7. 銲件品質優良、銲道美觀且滲透性佳，且煙霧少，銲接環璄良好。
二、TIG 銲接之缺點
1.銲接及堆積速率慢，對較厚斷面的銲接需額外加工開槽，費時且昂貴。
2.電極容易沾上熔池的金屬而更換費時。
3.填料方式及某些位置之銲接自動化不易進行。
2.4 金屬防蝕
金屬材料發生腐蝕主要原因是受到化學或電化學之作用，而導致其性 質退化之現象。防止腐蝕最正確的方式是藉由瞭解腐蝕機構與腐蝕的成
因，再找出適當的防蝕方法。如前所述，發生腐蝕的主要原因包括化學及 電化學作用，如果能阻止或抑制腐蝕的發生，選用適當的耐蝕材料，或是 將金屬表面和腐蝕環境隔開，是最簡單且有效的方法[39]。
2.4.1 金屬防蝕方式
而金屬的防蝕方式可分為三大類，但主要是冺用環境隔離防蝕與電化 學防蝕兩大類，其細分如下圖2-2[40]所示:
圖2-2 金屬防蝕方法[40]
一、 環境隔離防蝕
可冺用有機塗層或無機塗層、塗裝、耐蝕金屬包覆等方式，達到以塗 層或耐蝕金屬來遮斷金屬材料與環境接觸。然而最簡單普遍的方法是塗
覆(裝)防蝕，塗覆防蝕簡單的說就是冺用化學或機械方法將一層保護物 放置於材料與腐蝕環境之間，以保護材料免受於腐蝕，從另一方面來 看，塗覆物的保護作用是由下列各種作用所達成〆
(1)「防止」塗覆下物質與腐蝕環境接觸。
(2)「限制」塗覆下物質與腐蝕環境接觸。
(3)「生成抑制性物質」保護塗覆下物質不受腐蝕環境侵襲。
(4)「產生電流」保護塗覆下物質。
而塗覆的效果與介入腐蝕環境與受塗覆物質間之程度和減少腐蝕環境之 侵襲程度有關。主要的保護物種類很多，大致上可分為金屬塗覆物、無 機物質塗覆物、有機物質塗料等，就無機塗覆物質而言有多種，包括有 水泥、陶瓷、玻璃、矽和矽酸鹽等，可阻止金屬材料表面形成之局部電 池之存在，抑制電化學反應之進行，進而保護材料表面不受腐蝕反應 [41]。
二、 電化學防蝕 (1) 陰極防蝕
所謂陰極防蝕是藉由外加電流使陰極極化，超過腐蝕電位到達陽極的 開路電位，兩電極保持相同的電位，則陽極不再發生腐蝕，為陰極防蝕的 基本原理。此種防蝕通常適用在兩種金屬，且頇兩者的開路電位相差頗大
[42]。
(2) 陽極防蝕
陽極防蝕技術係冺用外加陽極電流，使欲被保護的金屬物作為陽極，
陽極防蝕技術係冺用外加陽極電流，使欲被保護的金屬物作為陽極，