TW201404944A - 金屬氧化層之製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種金屬氧化層之製造方法，其包含下列步驟：首先，提供一金屬件，再置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件，最後，形成一金屬氧化層於該金屬件之表面；其中，該電解液中包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉；如此，該金屬件產生高硬度之表面以避免破壞或磨損，且其係具有較小之微孔洞於金屬件表面，如此金屬件表面可防止異物之堆積，進而具有高實用性。

Description

金屬氧化層之製造方法

    本發明係一種氧化層之製作方法，其尤指一種具有高硬度氧化層之金屬氧化層之製造方法。

    按，習知對金屬之表面通常會進行表面處理以使其表面上生成一硬度高、耐腐蝕性強之氧化膜層，而微弧氧化技術係為現今最重要的表面處理方法之一。微弧氧化技術(又稱等離子體氧化、微電漿體氧化、陽極火花沉積、火花放電陽極沉積和表面陶瓷化等)係一種直接在金屬表面原位生長氧化膜層之技術。在微弧氧化過程中，基體金屬與氧離子、電解質離子在熱化學、電化學、電漿體化學的共同作用下發生強烈反應，經歷熔融、噴發、結晶、高溫相變，最終在基體表面熔覆、燒結形成陶瓷層。
    微弧氧化處理過程中，所形成的金屬氧化物層與基體呈冶金熔合，具有很高的結合強度；氧化物經歷了熔融、冷卻及相變，以晶體形式存在，因此賦予了陶瓷層結構緻密，韌性好，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫衝擊和電絕緣等特性，亦能滿足隔熱、催化、抑菌、親生物等性能要求。一般而言，微弧氧化處理可以處理一般金屬或其合金，且處理能力強，適用範圍廣；通過改變工藝條件，在一定程度上可調整陶瓷層的微觀結構、特徵，進而實現陶瓷層性能的控制。再者，處理液一般為鹼性，可以無重金屬鹽添加，處理過程無有毒害氣體產生，是一種比較環保的表面處理技術。
    然，目前金屬或合金進行表面處理以使其表面具有硬度高、耐腐蝕性強等特性之方法，具有在金屬或合金鑄造過程中預先埋入合金鑄鐵，俾歷經後續加工、研磨後可形成不同於金屬或合金材質之壁面；或在金屬或合金直接施予電鍍或化學鎳鍍，以使金屬或合金表面具有一不同材質的硬質金屬鍍層等。前述該等方法所形成的金屬或合金，確實可增加硬度或抗腐蝕性，一般鑄鐵的厚度還是不足，亦使表面造成磨耗。再者，前述方法所得到的金屬或合金表面與其內部金屬或合金具有材質上之差異，若該金屬或合金係用於高溫產品或設備時，因其性質或膨脹係數不同，導致產生裂縫甚而發生裂開之情形。
    故，透過上述該些表面處來方法效果較差，而需用微弧氧化處理使金屬或合金表面產生硬度較高之氧化陶瓷層，但現有之微弧氧化處理上具有一些問題待改善，如現有之製成所形成之氧化陶瓷層之硬度不足，還是會有磨耗情形發生，又，現有之製成所形成之氧化陶瓷層之表面孔洞過大，易有異物填入堆積，故現有之製成還具有相當大之改善空間。
    由於現有技術尚無法完善處理此類問題，所以有加以突破、改善、解決之必要。因此，如何提升表面硬度、實用性與經濟效益，此為業界應努力解決、克服之重點項目。
    緣此，本發明人有鑑於習知微弧氧化處理之問題缺失未臻理想之事實，本案發明人即著手研發其解決方案，希望能開發出一種更具磨耗性、實用性與高經濟效益之金屬氧化層之製造方法，以促進製造產業之發展，遂經多時之構思而有本發明之產生。

    本發明之主要目的，係提供一種金屬氧化層之製造方法，其係使金屬件產生高硬度之表面，如此金屬件具有高硬度以避免破壞。
    本發明之次要目的，係提供一種金屬氧化層之製造方法，其係具有較小之微孔洞於金屬件表面，如此金屬件表面可防止異物之堆積，具有高實用性。
    為了達到上述之目的，本發明係揭示一種金屬氧化層之製造方法，其包含下列步驟：提供一金屬件;置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件；形成一金屬氧化層於該金屬件之表面；其中，該電解液中包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉。

    為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    習知技術之金屬表面處理，其係於金屬或合金鑄造過程中預先埋入合金鑄鐵以形成不同於金屬或合金材質之壁面，或於金屬或合金直接施予電鍍或化學鎳鍍以使金屬或合金具有一不同材質的硬質金屬鍍層等，而上述方法硬度不高，且有意於損壞之問題，而現有之微弧氧化處理又具有孔洞過大之問題，且於硬度上還具有進步之空間，故本發明針對該些缺失，設計此金屬氧化層之製造方法以達成高硬度及高實用性之目標。
    首先，請參考第一圖，其係為本發明之一較佳實施例之步驟流程圖；如圖所示，本發明之一種金屬氧化層之製造方法，其步驟為：
步驟S10：提供一金屬件；
步驟S11：置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件；及
步驟S12：形成一金屬氧化層於該金屬件之表面。
    上述之實施例，請一併參考第二圖，其係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，如步驟S10之提供一金屬件10，該金屬件10之材料可為一般金屬或其合金，如鋁、鎂、鈦或其合金，該金屬件10亦可為航太、汽車、電子、半導體等所現有的零件，以汽車工業來說，該金屬件10可為一汽車引擎之活塞或管壁。再如步驟S11，置放該金屬件10至一電解液(未圖示)中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件10，其中該電解液中包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉。最後，如步驟S12，形成一金屬氧化層102於該金屬件10之表面。
    如此，本發明透過將該金屬件10置入包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉的電解液中，可使該金屬件10之表面生成高硬度之該金屬氧化層102，當該金屬件10受撞擊或摩擦時，該金屬件10因該金屬氧化層102而具有較強的自我保護能力，以避免受撞擊或摩擦時而導致該金屬件10破裂或磨損，故該金屬件10具有高硬度之表面以避免破壞。
    又，一般此領域具通常知識者皆知，當金屬經過微弧氧化製程之處理後，表面均會產生粗糙之表面，換言之，金屬表面會產生孔洞以導致表面粗糙，然，本發明因將該金屬件10置入包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉的電解液中以進行微弧氧化製程，故本案生成於該金屬氧化層102表面之複數個孔洞104較小，如此避免異物堆積於孔洞當中，更可使該金屬件10不必再進行後續拋光處理，減少製造的時間與成本，且因該些孔洞104不易堆積異物而能增長使用壽命。另可參閱附件一，其係微弧氧化陶瓷膜性能表，由表中可知不同材料使用本方法之性能差異。
    如，透過本發明之方法將汽車引擎之活塞或管壁（鋁合金金屬件）表面生成氧化層，不僅能增加硬度以避免磨損，更因降低孔洞大小以避免積碳的情形發生，故具有高實用性。又如，透過本發明之方法將散熱模組（如散熱鰭片）之表面生成氧化層，如此不僅能增加散熱模組之散熱性，更因降低孔洞大小以避免灰塵堆積的情形發生。此外，本發明之方法另可使用於鋁製炊具、電子零件（如機殼）與壓縮機內所使用的鋁製零件，如此可增加該些物品之表面硬度，進而避免該些物品表面受外力碰撞而剝落、刮傷或破壞，而且使用具有氧化層之鋁製炊具能縮短食物之加熱時間。
    然，習知技術之其它表面處理技術具有硬度不佳且易受損之問題，而習知之微弧氧化製程亦尚有改良進步之空間，本發明解決上述之問題，透果改變習知微弧氧化製程之電解液，使金屬氧化層具有習知技術無法預知的極佳硬度與極小孔洞，故增進金屬或其合金的使用壽命增加，具有高實用性。此外，可參閱附件二，其係微弧氧化、陽極和硬陽的性能比較表，由表中可知不同金屬表面處理方法的性能差異，再透過本發明之電解液，可更得知微弧氧化之優勢。
    請再參閱第二圖與第三圖，於此進一步說明本發明之微弧氧化製程之細部流程，其步驟為：
步驟S10：提供一金屬件；
步驟S102：置放金屬件至清洗槽內以清除金屬件表面的油污；
步驟 S104：置放金屬件至純水槽內清洗；
步驟S11：置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件；
步驟S12：形成一金屬氧化層於該金屬件之表面；及
步驟S13：置放金屬件至熱水中以清洗金屬件表面之電解液。
    首先，如步驟S10、S102及S104，提供一金屬件10並將該金屬件放至清洗槽內以清除該金屬件10表面的油污，再將該金屬件10放入純水槽內清洗，如此可去除清洗槽之清潔液或其他溶液。再如步驟S11，置放該金屬件10至一電解液中以使表面形成很薄的氧化絕緣層，其中該電解液包含之六偏磷酸鈉之濃度介於10 至20g/L，該矽酸鈉之濃度介於3至10g/L，該偏鋁酸鈉之濃度介於3至8g/L，該氫氧化鈉之濃度介於1至3g/L，該鎢酸鈉之濃度介於2至4g/L，該碳酸鈉之濃度介於4至8g/L，而透過該些化合物所組成之該電解液之PH值介於8至12之間。
    再者，於該金屬件10及該電解液體中通入電流，當電壓超過某一臨界值時，會產生微弧放電現象，該金屬件10產生火花，使電阻較小處之氧化絕緣層被電擊穿，再使該處形成新的氧化層，如此經過一段時間後，如步驟S12，該金屬件10表面就形成該金屬氧化層102（又稱陶瓷層），該金屬氧化層102可保護內部未氧化之一金屬層100，該金屬氧化層102之硬度介於300至3000HV（維氏硬度）。其中，該微弧氧化製程所使用之一最大恆定正電壓介於350V至750V，而所使用之一最大恆定負電壓介於20V至200V。此外，該微弧氧化製程之處理溫度介於攝氏20度至50度，該微弧氧化製程之處理時間介於30至120分鐘以產生適當之氧化層厚度。最後，如步驟S13，置放該金屬件10至熱水中以清洗該金屬件10表面之電解液，即避免電解液殘留於該金屬件10之表面，其中熱水之溫度介於70℃至90℃。
    本發明之金屬氧化層之製造方法藉由前述完成，透過微弧氧化製程使金屬件表面形成一金屬氧化層，而微弧氧化製程所需之該電解液中包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉，故該金屬氧化層具有更高硬度以避免金屬件被磨損或破壞，且該金屬氧化層表面具有更小之孔洞以避免異物堆積，再者，透過本發明金屬氧化層之製造方法後之金屬件較不需要進行後續處理的拋光動作，節省了製造時間與成本，進而帶給製造者之便利。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
    本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。

10．．．金屬件

100．．．金屬層

102．．．金屬氧化層

104．．．孔洞

第一圖：其係為本發明之一較佳實施例之步驟流程圖；
第二圖：其係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖；及
第三圖：其係為本發明之另一較佳實施例之步驟流程圖。

【附件】
附件一：其係為微弧氧化陶瓷膜性能表；及
附件二：其係為微弧氧化、陽極和硬陽的性能比較表。

Claims (10)

1. 一種金屬氧化層之製造方法，其包含下列步驟：
   提供一金屬件;
   置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件；及
   形成一金屬氧化層於該金屬件之表面；
   其中，該電解液中包含有六偏磷酸鈉、矽酸鈉、偏鋁酸鈉、氫氧化鈉、鎢酸鈉及碳酸鈉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中提供一金屬件之後及置放該金屬件至一電解液中以利用一微弧氧化製程處理該金屬件之前，更包含下列步驟：
   置放金屬件至清洗槽內以清除金屬件表面的油污；及
   置放金屬件至純水槽內清洗。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該電解液之PH值介於8至12。
4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該微弧氧化製程所使用之一最大恆定正電壓介於350V至750V。
5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該微弧氧化製程所使用之一最大恆定負電壓介於20V至200V。
6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該微弧氧化製程之處理溫度介於攝氏20度至50度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該微弧氧化製程之處理時間介於30至120分鐘。
8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該六偏磷酸鈉之濃度介於10 至20g/L，該矽酸鈉之濃度介於3至10g/L，該偏鋁酸鈉之濃度介於3至8g/L，該氫氧化鈉之濃度介於1至3g/L，該鎢酸鈉之濃度介於2至4g/L，該碳酸鈉之濃度介於4至8g/L。
9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該金屬氧化層之硬度介於300至3000HV。
10. 如申請專利範圍第1項所述之金屬氧化層之製造方法，其中該金屬件係為一鋁合金金屬件。