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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳鴻麟
研究生(外文):Hung-Lin Wu
論文名稱:電解沉積氧化鋯/氧化鋁陶瓷薄膜在STAVAX420模具鋼上之抗腐蝕性研究
論文名稱(外文):Corrosion Resistance of Electrolytic ZrO2/Al2O3 Coatings on STAVAX 420 Mold Tooling Steel
指導教授:顏秀崗顏秀崗引用關係
指導教授(外文):S. K. Yen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:材料工程學系所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:電解沉積氧化鋁氧化鋯循環極化抗腐蝕被覆420系不�袗�雙層薄膜模具鋼
外文關鍵詞:electrolytic depositionAl2O3ZrO2cycle polarizationcorrosion resistancecoatingSTAVAX 420double layer thun filmmold tooling steel
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本實驗使用電解沉積法於基材STAVAX 420上先沉積一氧化鋯再沉積氧化鋁陶瓷之雙層薄膜。而藉著不同的電化學參數(濃度、電位及時間)和不同的燒結條件來控制,用以決定出最佳之沉積鍍膜製程條件,並且利用恆電位儀、SEM/EDS、X-ray、硬度測試、磨耗試驗、刮痕硬度試驗和動態的極化作用測試等來探討基材沉積薄膜後之各項性質(特性),特別再針對抗腐蝕的能力作進一步的研究與分析。
藉由選定的電解液濃度對基材掃出陰極極化曲線,並找出最佳沉積電位與時間,再搭配最佳燒結溫度,可得到最好的沉積薄膜與其特性。
由XRD的結果發現,此法所製備的氧化鋯/氧化鋁在450℃燒結時為γ-Al2O3相。實驗結果顯示,薄膜表面狀態對抗腐蝕性有極大的影響,厚度太厚時,薄膜會發生龜裂現象,薄膜相變化也會影響抗腐蝕性的高低。由實驗結果得知,氧化鋯/氧化鋁在沉積600到800秒,燒結溫度在450℃時有較佳的抗腐蝕性。
硬度試驗得知燒結溫度越高,薄膜的相就愈趨穩定,相對硬度也會增加。磨耗試驗使用聚碳酸酯(PC)作為PIN,經被覆薄膜的試片的重量損失僅為基材的1/5。刮痕試驗指出這層薄層的附著力強度比金屬基材的降服應力大。在刮痕的最末端從SEM/EDS顯示ZrO2及Al2O3薄膜很均勻地附著在基材上。
從循環極化分析的結果顯示,沉積ZrO2/Al2O3陶瓷薄膜的抗蝕效果比基材本身來得好。用1 M CH3COOH 和3.5%的NaCl的水溶液在電化學極化作用被覆的樣品和無被覆的樣品比,在SEM 觀察的試驗顯示腐蝕電流下降為1/10。
從各種分析的結果顯示ZrO2/Al2O3薄膜對於模具用STAVAX 420不�袗�有很好的抗腐蝕性。
The electrolytic deposition of alumina(Al2O3) coatings on post electrolytic zirconia(ZrO2) deposited STAVAX 420 mold tooling steel. The better condition of ZrO2/Al2O3 coated on specimens were determined by controlling different electrical-chemical parameter (concentration、potential、time) and different sintering conditions. The followed characterizations were conducted by using Potentiostat、SEM/EDS、XRD、hardness tests、wear tests、scratch test and dynamic polarization tests.
Sweeps the cathode polarization curve because of the designation electrolyte consistency to the metal substrate, and discovers the best deposition electric potential and the time, matches the best annealing temperature again, may obtain the best deposition thin film and its characteristic.
XRD diagrams indicate from this method prepares ZrO2/Al2O3 coated on specimens when 450℃ annealed is γ-Al2O3. The experimental result showed that thin film surface condition resistance corrosiveness has the enormous influence, when thickness is too thick, the thin film can have the crack appearance, the thin film phase transformations will also affect the corrosion resistance height. Knew by the experimental result that the ZrO2/Al2O3 coated on specimens in deposits 600 to 800s annealing temperature when 450℃ has the good corrosion resistance.
The hardness tests indicated that the increasing annealing temperature enhanced the hardness increase in the coatings. The wear tests using polycarbonate (PC) as a pin, weight loss of the coated specimen was only 1/5 of the uncoated materials. The scratch tests indicated that the adhesion strength of the coating was greater than the yield stress of the metal substrate. In the vestige end part of alumina and zirconia still remains on the STAVAX 420 Mold Tooling Steel from SEM/EDS analysis.
Cycle polarization tests in Hank’s solution indicate that the ZrO2/Al2O3 coating has a better quality in resistance corrosion than the STAVAX 420 Mold Tooling Steel. Electrochemical polarization tests of the coated specimen and SEM observation revealed 1/10 lower corrosion current than the uncoated in 1 M CH3COOH and 3.5% NaCl aqueous solutions.
From all kinds of analysis to show that electrolytic deposition of ZrO2/Al2O3 ceramic thin film on STAVAX 420 Mold Tooling Steel have good corrosion resistivity.
總 目 錄

中文摘要…………………………………………………………………i
英文摘要…………………………………………………………………ii
總目錄……………………………………………………………………iv
圖目錄…………………………………………………………………viii
表目錄……………………………………………………………………x

第一章 緒論……………………………………………………………1

1-1 前言……………………………………………………………1
1-2 研究動機………………………………………………………3

第二章 文獻回顧………………………………………………………5

2-1 STAVAX 420模具鋼……………………………………………5
2-1.1 簡介與特性……………………………………………5
2-1.2 物理性質………………………………………………5
2-1.3 STAVAX 420之應用……………………………………6
2-2 氧化層之抗蝕特性……………………………………………6
2-3 電極動力學……………………………………………………7
2-3.1 過電壓…………………………………………………7
2-3.2 腐蝕行為………………………………………………9
2-3.3 電解沉積………………………………………………9
2-4 氧化鋯陶瓷…………………………………………………11
2-5 氧化鋁陶瓷…………………………………………………13
2-5.1 氧化鋁水合物(Hydrated Alumina)…………………13
2-5.1.1 種類、結晶構造及生成條件…………………13
2-5.1.2 氧化鋁-水系統平衡相圖……………………14
2-5.2 氧化鋁…………………………………………………14
2-5.2.1 氧化鋁的性質…………………………………14
2-5.2.2 氧化鋁的種類…………………………………14
2-5.2.3 結晶構造………………………………………15
2-5.2.4 氧化鋁的主要用途……………………………15

第三章 實驗方法與步驟………………………………………………17

3-1 試片之準備及前處理………………………………………17
3-2 電解沉積……………………………………………………18
3-2.1 陰極極化………………………………………………18
3-2.2 最佳沉積電位…………………………………………18
3-2.3 最佳沉積時間…………………………………………18
3-3 陰乾…………………………………………………………18
3-4 燒結…………………………………………………………19
3-5 X光繞射(XRD)分析…………………………………………19
3-6 鍍層厚度及粗糙度…………………………………………20
3-7 硬度試驗……………………………………………………20
3-8 磨耗試驗……………………………………………………20
3-9 刮痕(Scratch)試驗…………………………………………21
3-10 SEM/EDS表面型態觀察……………………………………21
3-11 電化學動態循環極化試驗…………………………………21

第四章 結果與討論……………………………………………………23

4-1 表面形態……………………………………………………23
4-2 晶體結構……………………………………………………23
4-3 硬度…………………………………………………………24
4-4 抗磨耗………………………………………………………24
4-5 附著力………………………………………………………24
4-6 抗腐蝕………………………………………………………24

第五章 結論……………………………………………………………26

參考文獻…………………………………………………………………27

圖 目 錄

圖1-1 1996~2007年我國模具產銷分析………………………………29
圖2-1 STAVAX 420經回火處理後之抗腐蝕性………………………30
圖2-2 STAVAX 420沃斯田鐵化溫度與硬度的關係圖………………30
圖2-3 STAVAX 420回火溫度與硬度及殘留沃斯田鐵的關係圖……31
圖2-4 STAVAX 420回火溫度與尺寸改變的關係……………………31
圖2-5 氧化膜形成之連續階段過程示意圖…………………………32
圖2-6 濃度極化的還原作用…………………………………………33
圖2-7 濃度極化和電流的關係………………………………………33
圖2-8 極限電流和溫度、濃度、流速的關係………………………33
圖2-9 極化過電壓和電流的關係……………………………………34
圖2-10 電解沉積氧化鋯之步驟程序圖………………………………34
圖2-11 Al2O3-H2O系的相圖…………………………………………35
圖2-12 氧化鋁的抗拉強度及壓縮強度圖……………………………35
圖3-1 STAVAX 420模具鋼切割之尺寸外形(單位:mm)……………36
圖3-2 實驗操作流程圖………………………………………………37
圖3-3 表面粗度儀Surface Mapping Microscope(ADE Phase Shift)……………………………………………………………………………38
圖3-4 經臥式磨床研磨後之粗糙度(Ra=0.31μm)…………………39
圖3-5 經水砂紙手工進行研磨拋光後之粗糙度(Ra=0.036μm)……39
圖3-6 試片前處理流程圖……………………………………………40
圖3-7 電解沉積之實驗裝置…………………………………………41
圖3-8 0.03125 M之ZrO(NO3)2 水溶液之陰極極化曲線……………42
圖3-9 0.01 M之Al(NO3)3 水溶液之陰極極化曲線…………………42
圖3-10 先沉積Zr(OH)4 膠體且陰乾好之試片,再進行0.01 M之Al(NO3)3 水溶液之陰極極化曲…………………………………………43
圖3-11 氧化膜之燒結條件……………………………………………43
圖3-12 掠角X光繞射儀的幾何關係示意圖…………………………44
圖3-13 氧化鋯/氧化鋁雙層薄膜之燒結條件………………………44
圖3-14 表面粗度儀示意圖(SE3500K,Kosaka Laboratory Ltd, Japen )…………………………………………………………………45
圖3-15 探針式探測器…………………………………………………45
圖3-16 磨耗試驗機示意圖……………………………………………46
圖3-17 刮痕試驗機示意圖……………………………………………47
圖4-1 SEM觀察(a) 氧化鋯被覆試片,(b) 氧化鋁被覆試片,因陰乾過程不當所造成的乾裂…………………………………………………48
圖4-2 SEM觀察(a)氧化鋯被覆試片,(b)氧化鋁被覆試片和(c)氧化鋯/氧化鋁雙層被覆試片,燒結溫度為T5℃並持溫ti hrs…………49
圖4-3 SEM觀察經修正沉積時間(a)氧化鋯被覆試片,(b) 氧化鋯/氧化鋁雙層被覆試片,燒結溫度為T5℃並持溫ti hrs…………………50
圖4-4 STAVAX 420基材之XRD圖………………………………………51
圖4-5 氧化鋯薄膜被覆試片未燒結的XRD圖…………………………52
圖4-6 氧化鋯薄膜被覆試片經T5℃燒結ti時間的XRD圖……………52
圖4-7 氧化鋯薄膜被覆試片的XRD圖…………………………………53
圖4-8 氧化鋯/氧化鋁薄膜被覆試片未燒結的XRD圖………………54
圖4-9 氧化鋯/氧化鋁薄膜被覆試片經T3℃燒結ti時間的XRD圖…54
圖4-10 氧化鋯/氧化鋁薄膜被覆試片經T4℃燒結ti時間的XRD圖…55
圖4-11 氧化鋯/氧化鋁薄膜被覆試片經T5℃燒結ti時間的XRD圖…55
圖4-12 氧化鋯/氧化鋁薄膜被覆試片的XRD圖………………………56
圖4-13 維克式硬度試驗,將未沉積和經氧化鋯/氧化鋁雙層薄膜的試片,各在不同燒結溫度所量測的硬度值……………………………57
圖4-14 在氧化鋯/氧化鋁雙層薄膜在T5 ℃並持溫ti hrs之刮痕試驗荷重和摩擦力的關係……………………………………………………58
圖4-15 SEM觀察且進行EDS製圖,於氧化鋯/氧化鋁雙層薄膜在T5 ℃並持溫ti hrs,在(a)20N,(b)100N刮痕荷重周圍…………………59
圖4-16 未被覆之基材的試片,在3.5%NaCl(模擬海水)水溶液裡的極化曲線…………………………………………………………………60
圖4-17 經氧化鋯/氧化鋁雙層膜被覆的試片,在3.5%NaCl(模擬海水)水溶液裡的極化曲線………………………………………………60
圖4-18 未被覆之基材與經氧化鋯/氧化鋁雙層膜被覆的試片,在3.5%NaCl(模擬海水)水溶液裡的極化曲線比較……………………61
圖4-19 未被覆之基材的試片,在1M醋酸水溶液裡的極化曲線……62
圖4-20 經氧化鋯/氧化鋁雙層膜被覆的試片,在1M醋酸水溶液裡的極化曲線…………………………………………………………………62
圖4-21 未被覆之基材與經氧化鋯/氧化鋁雙層膜被覆的試片,在1M醋酸水溶液裡的極化曲線比較…………………………………………63
圖4-22 在SEM觀察,(a)沒被覆的試片,和(b)被覆氧化鋯/氧化鋁的試片,在3.5%NaCl(模擬海水)水溶液極化後之表面形貌…………64
圖4-23 在SEM觀察,(a)沒被覆的試片,和(b)被覆氧化鋯/氧化鋁的試片,在1M醋酸水溶液裡極化後之表面形貌…………………………65

表 目 錄

表1-1 2007年模具進出口國家別統計表……………………………66
表1-2 全球主要模具生產國家優劣勢分析…………………………67
表2-1 STAVAX 420之主要化學成分…………………………………68
表2-2 STAVAX 420物理特性表………………………………………68
表2-3 STAVAX 420不同硬度之抗彎強度值…………………………69
表2-4 STAVAX 420 100×100×25mm 鋼板,淬火時之尺寸變形量…69
表2-5 STAVAX 420在各種型式模具常使用之硬度值………………70
表2-6 氧化鋁水合物的結晶型態及性質……………………………70
表2-7 氧化鋁的結晶型態及性質……………………………………71
表2-8 各種高氧化鋁陶瓷的硬度值…………………………………71
表2-9 氧化鋁陶瓷的抗蝕性(重量損失,mg/cm^2 )………………71
表2-10 代表性氧化物陶瓷對熔融金屬的耐蝕性比較………………72
表4-1 未被覆與被覆氧化鋯/氧化鋁薄膜試片在不同燒結溫度下的重量損失……………………………………………………………………72
表4-2 未被覆之基材和氧化鋯/氧化鋁雙層薄膜試片的腐蝕電位與腐蝕電流(3.5%NaCl模擬海水和1M醋酸水溶液)………………………73
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