行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鑽石鍍膜表面之微電化學放電拋光之研究(2/2)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2212-E-110-006-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日
執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所)
計畫主持人： 邱源成
報告類型： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 10 月 11 日
鑽石鍍膜表面之微電化學放電拋光之研究(2/2)
Studies on the Micro Electro-Chemical Discharge Polishing
for Diamond-coated Layer
計畫編號：NSC-94 -2212-E-110 -006
執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日
計畫主持人：邱源成教授 國立中山大學機械與機電工程學系 教授
計畫參與人員：李群威、林詠偉 國立中山大學機械與機電工程學系研究生
摘 要
本研究以自行研製之高精度動態放電試驗機，氫氧化鉀水溶液為電解液，以鋼球為負極、鑽石膜試片為正 極，探討不同供應電壓和加工間隙下電化學放電行為，並分析加工特性。經由電流波形，可繪製電化學放電加 工電流-電壓(I-V)曲線圖。另一方面，藉由實驗後鑽石膜表面之 SEM 照片得知在供應電壓 100V 以下，尚無法看 出有加工的痕跡，當供應電壓介於 100～107V 之間有極輕微的加工損傷，當供應電壓達到 110V 以上加工損傷 已相當嚴重。而藉由改變加工間隙，發現加工間隙 80µm 以下時，仍有圓環狀加工損傷，當加工間隙介於 80µm ～95µm 之間無法看出圓環狀的加工損傷，但可發現鑽石膜峰端有輕微損傷，將加工間隙增加至 95µm 以上，即 無法看出加工損傷。因此設供應電壓為 105V，加工間隙為 90µm，延長加工時間為 10 min.，可發現鑽石膜峰端 有輕微加工損傷，且表面較為平坦，因此電化學加工對鑽石膜表面進行精加工是可行的。另一方面，由玻璃、 鑽石膜及壓克力所得之 I-V 曲線圖之比較結果，發現玻璃試片所得之電流值皆較高，故可得知玻璃較易於發生 離子化現象。當供應電壓為 110V 時，可發現隨時間增加，鑽石膜表面損傷也隨之增大。故可利用實驗結果之 SEM 照片建立電化學放電加工鑽石膜表面之加工模式圖。 關鍵詞：電化學放電加工，鑽石膜，加工模式圖1. 緒論
在一般非傳統加工法中，放電加工法（EDM）是 相當簡易的一種加工方法，因為它不受工件之材料強 度或硬度等機械性質所影響，故常被使用來加工高硬 度之工件。但其缺點為只能加工導電性之材料。現今 高科技材料如陶瓷材料、玻璃材料和鑽石薄膜等，在 工業上的應用相當普遍且相當受到重視。然而因其具 有高硬度、耐高溫和耐磨耗等機械性質，故不容易以 一般傳統加工法來進行加工，此時可採用不考慮工件 是 否 為 導 體 的 加 工 法 ， 稱 之 為 電 化 學 放 電 加 工 法 （ECDM）。 近年來，亦有許多學者致力於以 ECDM 加工高科 技之非導體材料，如玻璃材料、陶瓷材料和複合材料 等。1968 年，Kurafuji 和 Suda【1】首次運用此電化學 放電概念於加工非導體材料上，其在玻璃試片上進行 鑽孔加工。1991 年，Jain【2】以電化學放電加工結構 嚴謹之複合材料。1995 年， Raghuram【3】探討電化 學放電現象，以及放電過程中電壓與電流之間的關 係。1999 年， Bhattacharyya【4】【5】以電化學放電 加工法針對非導體之陶瓷材料進行實驗，並針對其加 工機制加以解釋，並歸納出加工陶瓷材料較佳之設定 參數。2001 年，Yan 等人【6】以電化學放電加工法在 矽酸硼鹽玻璃上進行鑽孔加工，加工過程中之材料移 除率(MRR)可達 1.5mm/min，且加工後表面粗糙度(Ra) 可達 0.08µm。2004 年，本實驗室吳添益【7】，以電化 學放電加工法加工玻璃，建立出電化學放電加工機 制，並探討其加工行為模式。2005 年，本實驗室陳翰 威【8】，以電化學放電加工法加工玻璃，建立出在不 同没入深度下之加工機制。 雖然電化學放電加工相關文獻已有許多。但將電化學放電加工應用於加工非導體材料(鑽石膜)之探討 尚有不足，因此本研究在不同之供應電壓與間隙高度 條件下探討加工非導體材料（鑽石膜）之加工現象， 以供往後拋光鑽石膜非導體材料之依據。
2. 實驗設備與方法
本研究使用自行研製之高精度的動態放電試驗機 如圖 1 所示。在放電試驗機中，正極、負極、直流電 源供應器與無感式電阻串聯構成回路。負極（鋼球） 前端小部分裸露而大部分由 PTFE 絕緣，可利用步進 馬達控制其前端小部分裸露沒入面積約為 23.6mm2、 室溫 25℃的 KOH 電解液中，，正極（白金）沒入電 解液面積為鋼球沒入面積的 5 倍，約為 118 mm2。本 實驗之供應電壓在 120V 以內，電流 10A 以內。在通 電過程中藉由數位儲存示波器量測正負兩極間之電壓 與電流變化並經資料擷取系統儲存，同時利用壓電 式、應變規式負荷計分別量測實驗過程中鋼球與試片 間瞬間爆發力及持續力量之變化。實驗所使用之鋼球 （加工電極）為市售軸承鋼 A 級鋼球，材料為一般常 用之軸承鋼(SUJ2)，直徑為 4.76mm(3/16 吋)；鑽石膜 材料為 CVD 鑽石膜，其直徑 25mm，厚度 25µm，兩 者之幾何形狀與尺寸如圖 2 所示。3. 實驗結果與討論
3.1 供應電壓對加工損傷之影響 實驗過程中，可經由數位儲存式示波器與負荷計 針對不同的供應電壓紀錄到相對應之電流與力量，如 圖 3~6 所示。利用此實驗的結果來探討不同供應電壓 與相對應的加工損傷關係。 當供應電壓在 90V 以內時，無法對鑽石膜產生損 傷。當供應電壓達到 90V 時，典型的電流與力量波形 如圖 3(a)~(c)所示。在圖 3(a)中，可發現在電流導通的 瞬間，電流值會迅速的升高，經過幾秒後，電流值即 下降至幾乎為零，之後便持續至實驗結束為止。在圖 3(b)中，可發現電流導通的一瞬間，壓電式負荷計量測 到一正向的力量，表示在通電的瞬間，所產生的氣泡 擠壓到鑽石膜試片，之後力量便維持穩定狀態，也就 是有持續對試片擠壓。圖 3(c)的應變規式負荷計所量 測到的則為力量逐漸的上升，且發現在 5 秒後，力量 逐漸的趨於平緩，這是由於小氣泡累積到成為一相當 大的氣泡，包覆住了整個鋼球電極，使得產生絕緣的 現象，也由於絕緣現象的產生，造成小氣泡無法再繼 續生成，導致原本小氣泡生成擠壓到鑽石膜試片的力 量降低，所以使力量有逐漸降低的情況發生，但實驗 結束後觀察鑽石膜試片表面並無加工損傷產生，故可 得知力量的產生是由於氣泡的關係，且力量與加工損 傷並無絕對的關係。 當供應電壓為 100V 時，典型的電流與力量波形如 圖 4(a)~(c)所示。圖 4(a)中，可發現電流的震盪更為明 顯，也說明了此時氣泡的生成與消失的速率更快，但 由於電壓相當大，所以氣泡一直持續在爆破與絕緣的 狀態，而無法像圖 3 仍維持在絕緣的狀態，所以電流 值才會如此不斷的震盪，直至實驗結束。但由圖 4(b) 中，可看出在電流導通的瞬間，同時有瞬間的衝擊力 量出現，之後便趨於平緩的趨勢，但是電流值仍保持 震盪，這表示持續產生絕緣與爆破，但所量測到的加 工力量卻已維持穩定的狀態，與圖 4(c)中應變規式負 荷計比較，更可以明顯的看出，整體的加工力量是持 續保持緩慢上升，可得知雖然加工期間，氣泡保持在 絕緣爆破狀態下，但由於速度相當快，故對於應變規 式負荷計而言，已幾近為一定值，而非為斷續的力量， 所以在負荷計上所看到的才會以持續增加的力量呈 現，實驗結束後觀察鑽石膜試片表面，並未看出有明 顯的加工損傷。 當供應電壓為 105V 時，典型的電流與力量波形如 圖 5(a)~(c)所示。圖 5(a)中，由電流波形圖可看出在電 流導通的瞬間，與供應電壓 100V 時相當相似，但在 10 秒左右可看出電流值有明顯的上升，且同時電流值 也明顯變得較為平緩，幾乎維持在 2A 左右，此時的放 電能量足以使鑽石膜表面產生離子化現象，使得溶液 內的離子濃度增加，因此電流值也隨之提升，圖 5(b) 中發現與 100V 時所量測的趨勢相當相似，但其前期時 的力量，明顯比 100V 時的力量來的大，圖 5(c) 發現 與 100V 時所量測的波形相當相似，但力量同樣比 100V 時高出許多，實驗結束後，觀察鑽石膜試片表 面，可發現已有輕微的加工損傷，可表示離子化現象 可能為加工鑽石膜時重要的主因之一。 當供應電壓達到 120V 時，典型的電流與力量波形 如圖 6(a)~(c)所示。圖 6(a)中可發現在電流導通的瞬 間，電流值忽然上升，但隨即維持在 8A 左右，這是由 於供應電壓過高，放電能量相當大，在電流導通的瞬 間，離子化現象便已發生。由圖 6(b)中可發現，雖然壓電式負荷計在電流導通的瞬間皆有衝擊力發生，且 實驗前期也都有力量緩慢上升的趨勢，卻可發現此時 力量上升並沒之前實驗所量測得的力量大，這是由於 供應電壓過高，在電流導通的瞬間，鑽石膜被打穿， 導致所量測得的力量偏低，由圖 6(c)中同樣可看出在 電流導通時力量緩慢上升，之後再度下降，而在實驗 後半段，有略微上升的趨勢，但卻比 100V 和 105V 所 量測得的力量小，這也是由於在電流導通的瞬間，鑽 石便被打穿所造成。加工後鑽石膜表面之 SEM 如圖 7 所示。 3.2 加工區域之分類 綜合以上各加工條件下的 SEM 照片，可以簡單將 I-V 曲線圖劃分為四個區域，如圖 8 所示。 （Ⅰ）非加工區 本實驗中，可加工的臨界電壓為 100V，在供應電 壓尚未到達臨界電壓前，在鑽石膜表面並無損傷，在 此過程中只有電解作用產生，因此將此區定義為非加 工區。 （Ⅱ）精加工區 當供應電壓在 100V～107V 時，此時可以在玻璃 表面上觀察到輕微損傷，當電壓越接近 107V 時，在玻 璃表面之損傷越嚴重，且在這區間的加工情況是分段 加工，因此每次加工移除量都較少，因此將此區定義 為精加工區。在不同情況下，找尋較適當的電壓來做 加工。若應用於拋光試片表面時，必須選擇較低的電 壓。 （Ⅲ）過渡區 在此區間中，呈現一較不穩定的狀態，介於精加 工與粗加工之間，相同電壓下有時可使鑽石膜精加 工，有時卻也可打穿鑽石膜，這是由於鑽石之降伏應 力相當高，故當加工力量達到某種程度後，便會使鑽 石膜表面片狀剝落，而形成有粗加工的情況發生。 （Ⅳ）粗加工區 當供應電壓超過 110V，因放電能量大，在加工面上會 有許多不規則的孔洞與較大的損傷面積。因此將此區 定義為粗加工區。 3.3 間隙高度對加工之影響 鑽石膜在供應電壓為 105V、不同加工間隙下，鑽 石膜表面損傷之 SEM 照片，如圖 9 所示。當間隙小於 80µm，鑽石膜試片上有明顯之圓環狀損傷，但當間隙 介於 80～95µm 之間，已無明顯之損傷，必須將放大 倍率調整至 5000 倍以上，如圖 10 所示，可看出在鑽 石膜表面，鑽石顆粒的峰端有輕微被移除之現象，而 當加工間隙超過 95µm，則無法在鑽石膜表面觀察到損 傷，故定義鑽石膜表面在供應電壓 105V 情況下之臨界 加工間隙為 95µm。 3.4 鑽石膜表面之電化學精加工之可行性 當間隙增加至 90µm 以上時，已經無法很明顯看 出損傷，必須將放大倍率提升至 5000 倍以上，才能看 到輕微損傷，但由於加工時間只有 30 秒，故無法得知 是否適合使用於面積較大之精加工，故延長加工時 間，來觀察鑽石膜表面之變化。發現將加工時間延長 至 10 分鐘，鑽石膜表面以及其放大倍率之 SEM，如 圖 11(a1)~(a4)所示，表面已被加工。其與鑽石膜表面未 加工過的 SEM，如圖 11(b1)~(b4)所示，可發現加工 10 分鐘之後鑽石膜表面已明顯較原本未加工之表面平坦 許多，且鑽石顆粒之邊緣以及峰端都有被加工過之損 傷，由此可知，本加工法用於加工鑽石膜表面相當具 有可行性。 3.5 非導體材料離子化之探討 為了瞭解鑽石膜的離子化特性，選用玻璃和壓克 力當作試片以便進行比較探討，如圖 12 所示。從圖中 可發現，利用壓克力所繪製出之 I-V 曲線圖，與鑽石 膜相當相似，在供應電壓達到 80V 之前，兩條 I-V 曲 線圖幾乎是重合的狀況，且玻璃的電流值不論是在達 到絕緣前或絕緣後，明顯都比鑽石膜與壓克力所得的 電流值來的高，而在供應電壓達到 80V 之後，可發現 鑽石膜的電流值已開始上升，而壓克力的電流值尚維 持在絕緣，這是由於放電能量足以使鑽石膜產生離子 化現象，但壓克力由於是聚合物，較不易產生離子化 現象。當供應電壓超過 100V，可能無法使壓克力產生 離子化，但放電能量足以衝破氫氣層，使電流值又再 度上升，故可得知，在電壓達到 100V 之前，玻璃之電 流值較高的主因之一便是由於易於離子化的緣故，於 是才會出現在相同供應電壓下，玻璃試片所得的電流 值皆較鑽石膜來的高。 3.6 放電損傷形成模式 當供應電壓為 110V，利用鑽石膜加工之電壓與損 傷關係，及間隙對損傷之關係，建立鑽石膜加工之放 電損傷形成模式，如圖 13(a)~(e)所示。當鋼球前端非 絕緣部分沒入電解液時，於通電初期，如圖 13(a)所示， 此時鋼球表面不斷射出電子(e -)與 KOH 電解液中的 H+ 鍵結成為 H 或 H2，且於鋼球表面產生許多微小氫氣 泡，電流仍是處於導通之狀態，觀察鑽石膜試片表面 並無明顯之損傷。當通電時間持續增加，如圖 13(b)所 示，鋼球表面之微小氣泡間合成為中氣泡，中氣泡合
成為較大氣泡。當鋼球表面被一層緻密之氣泡層所包 覆形成絕緣，如圖 13(c)所示，鋼球表面所射出之電子 (e-)撞擊氫氣(H2)而解離成氫離子(H+)產生離子化，形 成電暈放電(Corona discharge)，此時鋼球表面已有輕微 之損傷。當電暈放電(Corona discharge)的現象持續擴 大，進而產生劇烈之火花放電(Spark discharge)衝破氣 泡層形成電漿(plasma)反應，也使得鑽石膜表面有片狀 剝落的現象，如圖 13(d)所示。由於氫氣泡因放電時產 生之高溫（數千℃）而變成的蒸汽態氫氣泡會因高溫 高熱而爆發。且高溫高熱除了會使鑽石膜表面之分子 極不穩定外，亦會加速鑽石膜表面不穩定分子與 KOH 水溶液產生化學反應，亦會使鑽石膜表面材料被移 除，並非只是單獨由於離子化對鑽石膜表面加工，氣 泡的猛烈爆破，也同樣會對鑽石膜表面有材料移除的 效果，故會使得鑽石膜表面有相當嚴重之片狀剝落， 如圖 13(e)所示。
4. 結論
本研究使用高精度動態放電試驗機，以鋼球為負 極、鉑為正極、鑽石膜試片為被加工件，三者置於 KOH 電解液中，以供應電壓、間隙為主要參數，從實驗後 之鑽石膜試片 SEM、電流波形變化和所承受之力量變 化，加以探討電化學放電加工特性及加工後試片表面 損傷變化，主要結果如下： (1)間隙 80µm 以下，在鑽石膜表面上發現有圓環 狀的加工損傷，而將間隙調整至 95µm 以上無 法發現有被加工的損傷，故定義出鑽石膜在供 應電壓 105V 時，加工的臨界間隙為 95µm。 (2)藉由實驗得到的電流變化曲線與 SEM 觀察結 果，依照不同供應電壓，可將加工區域分類為： (a)供應電壓 100V 以下時，鑽石膜試片尚無法 看出有加工的痕跡，故歸類為非加工區。 (b)供應電壓 100～107V 時，可在鑽石膜試片 上發現極輕微之加工損傷，故歸類為精加 工區。 (c)供應電壓 107～110V 時，在此區間中，加 工狀態並不穩定，介於精加工與粗加工之 間，故歸類為過渡區。 (d)當供應電壓達到 110V 以上時，加工損傷皆 已相當嚴重，故歸類為粗加工區。 (3)固定供應電壓 105V，間隙調整至 90µm，延長 加工時間為 10 分鐘，鑽石膜表面可發現被加 工的痕跡較為平坦，所以可驗證電化學放電加 工法對鑽石膜表面精加工之可行性。 (4)從玻璃、鑽石膜與壓克力為加工試片時之 I-V 曲線圖，發現加工試片為玻璃時，電流值皆明 顯高出許多，由此可驗證出玻璃較易於產生離 子化現象。 (5)固定供應電壓 110V，在不同的加工時間下，可 發現鑽石膜表面損傷有隨時間增加而逐漸增 大之趨勢，並根據鑽石膜表面 SEM 照片，建 立電化學放電加工鑽石膜表面之加工模式圖。5. 自評
1. 如期完成本計畫之預期進度和目標。 2. 建 立鑽 石膜 電化學 放電 加工之 可行 加工條 件，尤其是以電暈放電之電氣條件可進行超 精密加工（僅微量逐步移除鑽石峰端）。 3. 本成果發表於第五屆精密機械製造學術研討 會(2006.11.11)，並擬投稿至 SCI 級國際學術期 刊。
6. 參考文獻
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Stepping motors -+ Pt (+) Personal computer Stepping motor
Worm gear reducer Loadcell, 1 , 2 workpiece Micrometer head , 3 rd Roller slide ,1st Electrical comparator Micrometer head , 2nd Micrometer head , 1st KOH tank DC power supply Steel Ball (-) Data acquisition system Variable resistor Oscilloscope Personal computer Worm gear reducers
Stepping motors Electrical comparator Micrometer head , 2nd Micrometer head , 1st KOH tank DC power supply Steel Ball (-) Data acquisition system Variable resistor Oscilloscope Personal computer Worm gear reducers
Stepping motors -+ Pt (+) Personal computer Stepping motor
Worm gear reducer Loadcell, 1 , 2 workpiece Micrometer head , 3 rd Roller slide ,1st 圖 1 高精度動態放電試驗機示意圖 Diamond film : 25μm Diamond film Si ψ20mm 4.76mm PTFE Cu Steel Ball φ Diamond film : 25μm Diamond film Si ψ20mm Diamond film : 25μm Diamond film Si ψ20mm 4.76mm PTFE Cu Steel Ball φ 4.76mm PTFE Cu Steel Ball φ 圖 2 鋼球與鑽石膜試片之幾何形狀與尺寸 圖 3 供應電壓 90V，加工間隙 5µm，電流波形 及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a) 電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷 計 圖 4 供應電壓 100V，加工間隙 5µm，電流波形 及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a) 電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷 計 圖 5 供應電壓 105V，加工間隙 5µm，電流波形 及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a) 電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷 計
圖 6 供應電壓 120V，加工間隙 5µm，電流波形 及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a) 電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷 計 V SEM (a) 100V (b) 105V (c) 120V 圖 7 不同供應電壓、加工間隙 5µm 下，加工後鑽石 膜表面之 SEM 照片 0 20 40 60 80 100 120 Voltage (V) 0 2 4 6 8 10 C u rr en t ( A ) 圖 8 在加工間隙 5µm 下，鑽石膜加工區域分類 示意圖 圖 9 不同間隙下對鑽石膜表面損傷之 SEM 照片 圖 10 不同間隙條件下鑽石膜表面損傷之 5000 倍 SEM 照片；(a)、(b)和(c)分別為圖 9(d)、(e) 和(f)之放大 (a1) (a2) (a3) (a4) 圖 11 鑽石膜表面損傷之 SEM 照片 (a)供應電壓 105V，加工間隙 90 µm， 加工時間 10 分鐘 (b)未加工 (e) 95µm (f) 100µm (d) 90µm Ⅰ II III IV (a) 5µm (b) 50µm (c) 80µm (a) 90µm (b) 95µm (c) 100µm (a1) x150 (a2) x1000 (a3) x5000 (a4) x10000 (b1) x150 (b2) x1000 (b3) x5000 (b4) x10000
0 20 40 60 80 100 120 Volatge (V) 0 2 4 6 8 10 C u rr en t ( A ) Diamond-coated Layer Glass Acrylic 圖 12 在加工間隙 0µm 鑽石膜、玻璃及壓克力，加工 時間 10 秒之 I-V 曲線圖比較 圖 13 供應電壓 110V，加工間隙 5µm 條件下之加工 示意圖及 SEM 照片 (a) (b) (c) (d) (e)
