臺灣博碩士論文加值系統

微弧處理(Micro-arc oxidation，MAO)是眾多表面處理技術中新興處理技術。該技術係將工件置於電解液中，並對工件與輔助電極間施加一電位差使之成為陽極，在工件表面會產生微弧放電現象，而生長出氧化膜，使用的電解液為低濃度鹼性溶液，不含重金屬與有機溶劑，是一環保製程。經微弧處理之表面，具高硬度及良好之耐蝕性，可茲用於金屬保護。
微弧處理中的電解液組成、電流密度、電源模式及工件種類均會影響氧化膜的晶體結構、微觀組織和機械性質，但目前文獻所探討側重於氧化膜的性質如硬度、防蝕及抗磨耗等特性之發掘以及各自的微觀組織之探討。是故本研究中嘗試使用直流(DC)、單極脈衝(Unipolar pulse)與雙極脈衝(Bipolar pulse)的電源模式探討AA1050鋁在矽酸鹽、磷酸鹽電解液中所生成氧化膜的晶體結構、微觀組織和機械性質的影響。
實驗結果顯示：矽酸鹽電解液所生成氧化膜的晶體結構主要為��-Al2O3、��-Al2O3、Al-Si-O和W。磷酸鹽電解液所生成氧化膜的晶體結構主要為��-Al2O3和��-Al2O3，電性參數影響電解液陰離子的移動與微弧行為為改變晶體結構的主要因素。
在直流電源模式中，無論是在矽酸鹽或是磷酸鹽電解液中，成長速率皆隨著電流密度的增加而增加，前者最高的成長速率為1.41 �慆/min，後者最高的成長速率為0.65�n�慆/min。單極脈衝電源模式中頻率對矽酸鹽及磷酸鹽的成長速率有相同的行為，成長速率會隨著頻率的增加而增加，頻率在5 kHz時，達到最高的成長速率，之後漸減。
在微弧處理後，AA1050鋁可得到高硬度的氧化膜，在直流電源模式中，矽酸鹽電解液中生成氧化膜的主要組成為Al-Si-O，最大硬度值為1604 Hv，磷酸鹽電解液中生成氧化膜主要組成為��-Al2O3，最大硬度值為1354 Hv。

Micro-arc oxidation(MAO) is a newly developed technology for metal surface treatment. It involves the usage of a liquid electrolyte by applying a voltage between metal workpiece and a counter-electrode, during which an electrical discharge occurs at the workpiece surface and leads to the formation of oxide layer.
The electrolyte normally used is low concentration alkaline solution without heavy ions and organic solvent and therefore is considered to be the environment friendly process. Micro-arc oxidation, the surface layers of MAO normally possess high hardness for wear resistance and good corrosion resistance, favorable of surface strengthening for protection purposes.
The electrolyte composition, current density, power input types, substrate materials in micro-arc oxidation process are known to effect the crystal structure, microstructure and mechanical properties, which have been reported extensively in literatures. Very little has been attempt for a systematic study to correlate different power input types to the crystal structure, microstructure, mechanical properties of oxide film. This motivated this study, that reveal the effect of using DC、unipolar、bipolar power mode to the microstructure and mechanical properties, surface hardness in particular of the oxide layer formed on AA1050 aluminum. Silicate and phosphate solutions were used as the electrolytes.
Experimental results show that the major crystal structure of the oxide layer synthesized in silicate electrolyte presents the ��-Al2O3、��-Al2O3、Al-Si-O and W, while that are synthesized in phosphate is ��-Al2O3 and ��-Al2O3 crystal structure mainly. The change in microstructure as affected by the process parameter is governed by the movement of anions and the micro-arc behavior in electrolyte.
In DC power mode, the growth rate increase monotonically with current density, to a maximum value of 1.41 �慆/min in silicate electrolyte, and 0.65 �慆/min in phosphate. In unipolar pulse power mode, the growth rate is affected by the frequency in both silicate and phosphate electrolyte. Oxide growth rate increase with frequency, and reach a maximum at 5 kHz then decrease.
In DC power mode, The crystal structure of oxide layers on AA1050 aluminum synthesized in silicate and phosphate electrolyte is ��-Al2O3 and Al-Si-O, respectively. The oxide layers on AA1050 aluminum synthesized in silicate and phosphate electrolyte exhibit maximum hardness of 1604 Hv and 1354 Hv, respectively.

中文摘要 I
英文摘要 III
總目錄 V
圖目錄 Ⅶ
表目錄 XII
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 4
2-1 陽極處理 4
2-1-1 陽極處理的歷史發展 4
2-1-2 陽極處理的技術應用 6
2-2 微弧處理 12
2-2-1 發展歷史 12
2-2-2 理論發展 13
2-2-3 微弧的物理及化學基礎理論 20
2-2-4 微弧技術 28
第三章 實驗方法與流程 33
3-1 試片規格與前處理 34
3-2 電解液調製 34
3-3 脈衝電源供應器 36
3-4 微弧處理 37
3-4-1 直流電源模式 40
3-4-2 單極脈衝電源模式 41
3-4-3 雙極脈衝電源模式 43
3-5 試片橫截面的準備 44
3-6 晶體結構與微觀組織分析 45
3-7 硬度測試 45
第四章 結果與討論 46
4-1 電源模式對氧化膜晶體結構的影響 46
4-1-1 矽酸鈉電解液的不同電源模式微弧處理的晶體結構 46
4-1-2 六偏磷酸鈉電解液的不同電源模式微弧處理的晶體結構 56
4-2 電源模式對氧化膜微觀組織的影響 66
4-2-1 矽酸鈉電解液的不同電源模式微弧處理的微觀結構 66
4-2-2 六偏磷酸鈉電解液的不同電源模式微弧處理的微觀結構 72
4-3 電源模式對成長速率的影響 76
4-4 電源模式對氧化膜機械性質的影響 79
第五章 結論 82
參考文獻 84
誌謝 89

1.蔣百靈、白力靜、蔣永鋒、張淑芬，“鋁合金微弧氧化技術”，西安理工大學學報，16(2000)138-142。
2.薛文斌、鄧志威、來永春、陳如意、張通和，“有色金屬表面微弧氧化技術評述”，金屬熱處理，1(2000)1-3。
3.劉文亮，“鋁合金在不同溶液中的微弧氧化膜層性能研究”，電鍍與塗飾、21(1999)9-11。
4.R. Hradcorsky, “Loated Valve Metal Article Formed By Spark Anodizing”, Us Patent, 3956080, (1976).
5.R. Hradcorsky, “Method of Loating Aluminum With Alkali Metal Molybdenate-Alkali Metal Silicate or Alkali Metal Tungstenate-Alkali Metal Silicate and Electroyltic Solutions”, Us Patent 5275713, (1991).
6.S. D. Brown and T. B. Van, “Analysis of Phase Distribution for Ceramic Coating Formed by Microarc Oxidation on Aluminum Alloy”, Journal of the American Ceramic Society, 54(1977)384-387.
7.薛文彬、鄧志威、來永春，“鋁微弧氧化電流效率的測定”，材料保護，29(1996)15-18。
8.姜兆華、辛世剛、王福平，“(NaPO3)6-NaAlO2體系鋁合金微等離子體氧化研究”，材料工程， 7 (2000)40-42。
9.S. D. Brown and K. J. Kuna, “Spark Deposition from Aqueous Solution of NaAlO2 and Na2SiO3”, Journal of the American Ceramic Society, 54(1977)384 -390.
10.K.V. Heber, “Studies on Porous Al2O3 Growth Physical Model”, Electrochimica Acta, 23(1978).
11.徐源、G. E. Thompson、B. B. Bethune，“壁壘型鋁陽極氧化膜的成分及電解質離子在膜中的漂移”，中國腐蝕與防護學報，7(1987)。
12.F. Keller, M. S. Hunter and D. L. Robinsio. “Structural Features of Anodic Oxide Films on Aluminum”, Journal of the Electrochemical Society, 1953(100).
13.G. E. Thompson, R. C. Furneaux and G. C. Wood, “Nucleation and Growth on Porous Anodic Films on Aluminum”, Nature, 30 (1978),272.
14.Y. Xu, G.E. Thompson, G.C. Wood. “Mechanism of Anodic Film Growth on Aluminum”, Trans. Inst. Met. Fin., 63 (1985).
15.高雲震、任繼嘉、寧福元編譯，鋁合金表面處理，北京：冶金工業出版社，(1991)。
16.林春華、葛祥榮、王大智，簡明表面處理手冊，北京：機械工業出版社，(1999)。
17.文斯雄，“鋁合金硫酸陽極化常見故障及對策”，腐蝕與防護，20(1999)29-30。
18.張志强，“硫酸陽極氧化工藝條件和材質對鋁材光澤度的影響”，材料保護，32(1999)18-19。
19.王賢、胡丙群，“鋁合金陽極氧化工藝的改進及應用”，表面技術，28(1999)25-26。
20.錢應平、陳洪、李堯，“LD5鋁合金陽極氧化工藝對氧化品質的影響”，表面技術，29(2000)12-14。
21.鞏運蘭、董向紅、高俊麗， “鋁在鉻酸中高壓陽極氧化的研究”，電鍍與塗飾，21(1999)5-7。
22.曹經倩、史少欣、曾為民，“鑄鋁合金上弱酸陽極氧化”，材料保護，33(2000) 22-23。
23.曾華梁、吳仲達、秦月文，電鍍工藝手冊，機械工業出版社，北京，(1994)。
24.張延松、張九淵、鄭國渠，“鋁表面的白色化塗飾”，表面技術，28(1999)16-18。
25.楊藺孝、楊岑，“鋁材耐磨耐燒蝕特種氧化機理的研究與應用”，電鍍與環保，12(1992)13。
26.阮陽屏，“鑄鋁合金脈衝硬質陽極氧化”，電鍍與環保，14(1994)。
27.周建軍、蔣忠錦、施東娥，“鑄造鋁合金硬質陽極氧化工藝研究”，材料保護，31(1998)15。
28.T. B. Van, S. D. Brown and G. P. Wirtz, American Ceramic Society Bulletin, 56 (1977) 563.
29.L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews and S. J. Dowey, “Plasma Electrolysis for Surface Engineering”, Surface and Coatings Technology, 122 (1999) 73-93.
30.鐘時俊，Oleg Demine，翁榮洲，“微電弧氧化表面處理原理與應用”，工業材料雜誌，194(2003)176-180。
31.G. Sundararajan and L. Rama Krishna, “Mechanisms Underlying the Formation of Thick Alumina Coatings Through the MAO Coating Technology”, Surface and Coatings Technology, 167 (2003) 269-277.
32.石玉龍、茹鳳虎、彭紅端、謝廣文，“鋁材表面的等離子微弧氧化技術研究”，電鍍與塗飾，19(2000)15-18。
33.襲建軍、辛鐵柱、羅晶、高彩橋，“鋁及鋁合金微弧氧化技術的特點及應用”，航天製造技術，4(2002)44-47。
34.薛文斌、鄧志威、來永春、陳如意、張通和，“有色金屬表面微弧氧化技術評述”，金屬熱處理，1(2000)1-3。
35.E. L. Schmeling, B. Roschenbleck, and M. H. Weidemann, “Method of Producing Protective Coatings That are Resistant to Corrosion and Wear on Magnesium and Magnesium Alloys”, US Patent 4978432, (1990).
36.D. E. Bartak, B. E. Lemieux, and E. R. Woolsey, “Two-step Electrochemical Process for Coating Magnesium Alloys”, US Patent 5264113, (1993).
37.http://210.31.64.61/brc_Chinese/MicArc.htm
38.W. McNiell and L.L. Gruss, “Anodic Spark Reaction Processes and Articles” US Patent 3293158, (1966).
39.W. McNiell and G.F. Nordbloom, “Method of Making Cadmium Niobate”, US Patent 2854390, September 30,(1958).
40.曠亞非、侯朝輝、劉建平，“陽極氧化過程中電擊穿理論的研究進展”，電鍍與塗飾，19(2000)38-45。
41.Voevodin, A. L. Yerokhin, V. V. Lyubimov, M. S. Donley and J. S. Zabinski, “Characterization of Wear Protective Al-Si-O Coatings Formed on Al-based Alloys by Micro-arc Discharge Treatment”, Surface and Coatings Technology, 86-87 (1996) 516-521.
42.Y. K. Wang, L.Sheng, R.Z. Xiong and B. S.Li, “Effect of Additives in Electrolyte on Characteristics of Ceramic Coatings Formed by Micraarc Oxidation”, Surface Engineering, 15 (1999) 109-111.
43.熊仁章，盛磊，郭洪光，“鋁合金微弧氧化陶瓷層的耐磨性能”，兵器材料科學與工程，23 (2000) 23-26
44.C. W. Burnham, Year book Carnegie inst. Washington, (1963) 158.
45.劉文亮，“鋁合金在不同溶液中的微弧氧化膜層性能研究”，電鍍與塗飾，21(1999)9-11。
46.P. Kurze, al et., “Colored ANOF Layers On Aluminum”, Crystal Research and Technology, 22(1987)53-58.
47.劉風嶺、駱更新、毛立信，“鋁合金表面陶瓷化”，材料保護，31(1998)，23-24。
48.蔣永鋒，李均明，蔣百靈和符長璞，“鋁合金微弧氧化陶瓷層形成因素的分析”，表面技術，30 (2001) 37-39。
49.S. D. Brown and K. J. Kuna, “Spark Deposition from Aqueous Solution of NaAlO2 and Na2SiO3”, Journal of the American Ceramic Society, 54(1977)384 -390.
50.姜兆華、辛世剛和王福平，“鋁合金在水玻璃KOH-NaAlO2體系中的微等離子體氧化”，中國有色金屬學報，4(2000)519-524。
51.H. Y. Zheng, Y. K. Wang, B. S. Li and G. R. Han, “The Effect of Na2WO4 Concentration on the Properties of Microarc Oxidation Coatings on Aluminum Alloy”, Material Letters, 59(2005) 139-142.
52.侯朝輝，“鑄鋁合金微弧氧化工藝研究”，電鍍與塗飾，23(2001)5-8。
53.J. A. Curran and T. W. Clyne, “Thermo-physical Properties of PEO Coatings on Aluminum”, Surface and Coatings Technology, (2003)-submmited.