第一章 前言 1-1 研究動機
在全球輕量化、省能源及環保的趨勢下，鋁、鎂、鈦等輕金屬是常被 受到重用的金屬材料。以鎂合金而言，已廣泛應用在3C產業，如筆記型 電腦、行動電話、數位相機、可攜式電子產品外殼件…等等，但在歐美國 家，鎂合金則是應用於汽車零組件居多，如汽缸頭蓋、變速箱外殼、方向 盤、儀表板…等等。一般而言，鎂合金具有以下優點：
(1)比重小：鎂合金的比重為結構用金屬中最輕者，鎂合金的比重為 1.8g/cm3；鋁為2.7g/cm3、鈦為4.5g/cm3；鋼鐵7.9g/cm3。
(2)比強度佳：其比強度略高於鋁合金，且遠高於鋼材，適合用於汽車 等運輸工具或攜帶性電子產品上，可達到減重又不降低強度的目的。
(3)散熱性佳：鎂合金具有良好的熱傳導性，可以解決電子產品的散熱 問題。
(4)電磁遮蔽性佳：可降低電子產品所發射出來的電磁波，常應用於筆 記型電腦及手機的外殼部份。
(5)具環保性：鎂合金具有可回收再利用的用途。
論及鎂合金的缺點，最主要是因為鎂金屬化學活性大[1]，鎂標準還原 電位為-2.36V，是極易產生電化學腐蝕的現象。鎂合金在不含水氣的環境 中所生成的氧化鎂鈍化膜，通常可以隔絕材料本身與外界環境的接觸，提 供很好的保護性，阻止腐蝕繼續發生。但當鎂處於潮溼的大氣或水溶液環 境中，水將會穿過氧化鎂而滲透到鎂金屬表面發生腐蝕，生成多孔狀的氫 氧化鎂，並且會在最外層產生經溶解再沉澱的板狀鎂化合物[2-4]。根據 Song[5]等人研究以AZ系列的Mg-Al-Zn合金，利用添加不同鋁及鋅元素含
量，來控制鎂合金形成α相（鎂固溶體）及β相(Mg17Al12)的比例，以探 討合金元素對生成相及腐蝕的影響。
鎂組件經常於機械摩擦或濕式接觸下與不同金屬組件作接觸式組合，
其耐腐蝕及耐磨耗性經常被關切。由於鎂合金在結構用金屬中，其電化學 性能是最差的，必須通過表面處理來賦予金屬防腐性能，才能達到耐蝕及 保持美觀，所以使用表面處理是不可或缺的。目前傳統鎂合金常用的表面 處理方法有化成處理(chemical conversion coating)、陽極處理(anodizing)、
電鍍(electroplate)等。從上述的表面處理方法中，其化成處理主要優點是：
設備簡單，不需任何特別生產設備即可生產，且成本也較為低廉；但在缺 點方面：化成的皮膜相較於陽極處理，其皮膜較鬆軟且其抗磨耗性也較 差。另外，在化成處理後的鎂合金與陽極處理相同，並藉由後續的塗裝來 改善其外觀顏色以及增加其抗蝕性，應用時也較難呈現其原來的金屬光澤 及觸感。
然而，從國外文獻對於鎂合金表面處理之研究，不再只侷限於傳統液 相沉積的處理方法，它係使用半導體廠常見薄膜沉積的製程設備，即利用 物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)及化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)的原理來製備薄膜[6-7]。其中，Reiners & Griepentrog 在文獻中提及[8]：經由PVD及CVD的薄膜沉積技術，可以克服鎂合金其腐 蝕性及磨耗性不佳等問題。同時，由Frank Hollstein等人之研究結果[9]，也 顯示了各式硬質塗層使用不同的PVD技術，如氮化鈦塗層可以成功地沉積 在AZ31hp鎂合金上，並且展現出十分良好的附著力、高硬度及耐腐蝕之 性質。再加上現今在綠色環保的要求下，相較於過去的化成處理、陽極處 理、電鍍等技術，皆需繁複的前後處理，且會有環境污染之缺點。若經由
密性的薄膜結構，以改善鎂合金缺乏抗磨損及容易腐蝕的不利條件外，也 因為它具有低污染性的優勢存在。
1-2 研究目的
本實驗主要針對鎂合金高溫低強度、較差的磨損抵抗能力之缺點，
利用 PVD 的方式，以「直流式非平衡磁控濺鍍系統」(DC unbalance- magnetron sputtering coating system)之設備，沉積 TiN 薄膜於鎂合金上。
相對於 CVD 而言，它不需經過化學反應與太高的溫度即能在基材表面 形成鍍層，所以不會排放有毒物質影響環保，且整體設備系統簡單，較 容易維護。同時，使用非平衡磁控濺鍍系統製備薄膜，其優點為：可使 膜厚均勻、可保留基材原有的韌性、附著性佳、膜材結構緻密、靶材可 回收、具綠色環保訴求等多項優點。將氮化鈦鍍著在鎂合金上，除了可 以耐磨耗、耐腐蝕、薄膜硬度高外，亦可當裝飾膜用，表 1-1 為應用於 耐磨耗或抗腐蝕環境的保護性薄膜材料[10]。
濺鍍條件的控制大致包含有：直流電壓電流值、反應性氣體種類與流 量、基材溫度、靶材與基材的濺鍍距離、基材施加負偏壓、系統真空度、
基材材質與方位、鍍膜系統的幾何形狀、金屬原子對基材的入射角度、基 材自轉與公轉速率…等。不同的製程控制因素會影響鍍製薄膜的物理特性 一結構型態。本實驗所採用的控制條件分別為：基板溫度、靶材電流、負 偏壓、試片與靶材間的距離等四個製程參數，並以田口方法探討製程條件 的最適化參數；至於薄膜品質特性則透過薄膜的沉積速率、微硬度及薄膜 表面粗糙度來加以鑑定，以獲得最佳之鍍膜品質。
田口方法其特性除了重視品質意識之推廣外，主要目的在於以降低成 本、改善製程、提高生產品質及效率為指標，並且幫助企業做好品質的源 流管理和改善。另國內為了全面提昇產品的品質，先後在化工、紡織、電
豐碩的成果。本研究期望透過田口方法，能獲得製程參數最適化。
表 1-1 抗腐蝕與抗磨耗環境可選用之鍍膜材料[10]
碳化物 氮化物 氧化物 硼化物
抗腐蝕應用 HfC ZrC
Si3N4 HfN ZrN TiN
Al2O3 SiO2 TiO2 ZrO2 SnO2 MgO
TiB2 MoB WB NbB2 TaB2 ZrB2
抗磨耗應用 TiC HfC ZrC SiC B4C W2C Cr7C3 TaC VC NbC WC DLC
TiN HfN Si3N BN ZrN TaN AlN VN NbN TiAlN CrN
Al2O3 SiO2 TiO2 ZrO2 Ta2O5 Cr2O3 HfO2 V2O3
TiB2 MoB WB NbB2 TaB2 ZrB2 HfB2 VB
