TW201411685A

TW201411685A - 鋁之電子束拋光

Info

Publication number: TW201411685A
Application number: TW102110374A
Authority: TW
Inventors: Simon Regis Louis Lancaster-Larocque; Raharjo Purwadi; Kensuke Uemura
Original assignee: Apple Inc
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-03-16
Also published as: CN104271804A; US20130248374A1; WO2013142442A1; TWI480916B; US20130248486A1

Abstract

一鋁基板上之一經高度拋光表面係使用任何數目個機械加工程序而形成。在該機械加工程序期間，金屬間化合物通常產生於該鋁基板之一頂部表面區域處，其係由在切割程序期間產生於工具邊緣與該鋁基板之切割尖端之間的局部熱造成。該等金屬間化合物可在習知機械拋光操作之後留下表面不完美性，其致使該鋁基板之該表面歸因於該等金屬間化合物自該頂部表面之剝離而難以獲得一所要高光澤度。為了移除該等金屬間化合物之效應，將一電子束施加至該表面，從而引起焦耳加熱以熔融一頂部表面區。以此方式，任何工具加工痕跡及金屬間化合物得以消除。

Description

鋁之電子束拋光

所描述實施例大體上係關於金屬之表面處理。詳言之，描述鋁基板之電子束拋光。

在一些狀況下，經擠壓鋁塊體需要應用機械加工程序來達成更接近地類似於所要幾何形狀之形狀。在彼機械加工程序期間，金屬間化合物通常產生於鋁塊體之頂部表面區域處，其係由在該機械加工程序期間產生於工具邊緣與鋁塊體之切割尖端之間的局部熱(spot heat)造成。金屬間化合物可造成在習知拋光之後留下表面不完美性(被稱為「橘皮狀(orange peel)」)。此等橘皮狀致使鋁塊體之表面歸因於在機械拋光操作期間金屬間化合物自頂部表面之剝離而難以拋光至所要高光澤度及米勒表面(miller surface)。

因此，需要一種用於以具製造效率之方式拋光鋁部件之技術。

本論文描繪與一種用於鋁之非機械拋光之方法、裝置及電腦可讀媒體有關的各種實施例。

在一第一實施例中，一種拋光一鋁部件之一表面之方法，其包括至少以下步驟：(1)藉由酸蝕刻該鋁部件來化學上預處理該鋁部件；及(2)藉由一電子束來電子束處理該鋁部件之該經酸蝕刻表面。該電子束處理的特徵為介於約10 kV與25 kV之間的該電子束之一加速電壓、介於約50微秒與150微秒之間的一電子束脈衝持續時間，及介於約1 Hz與10 Hz之間的一電子束脈衝頻率。該電子束處理亦包括用該電子束來掃描該鋁部件之一表面部分。該鋁部件之該表面之一所得表面熔融消除實質上所有金屬間化合物且實質上擴大該鋁部件之該表面之晶界。

在另一實施例中，揭示一種經組態以拋光一鋁部件之電子束拋光機器。該電子束拋光機器包括至少以下各者：(1)一電子束發射器；(2)一真空腔室；及(3)一夾具，其經組態以在至少兩個軸線上平移該鋁部件。該電子束發射器經組態以在一電子束拋光操作期間以介於約10 kV與25 kV之間的一加速電壓、介於約50微秒與150微秒之間的一脈衝持續時間及介於約1 Hz與10 Hz之間的一脈衝頻率而操作。該鋁部件之該平移造成一經發射電子束橫越該鋁部件之一表面進行掃描，從而造成該鋁部件之該表面之一所得表面熔融，藉此消除實質上所有金屬間化合物且實質上擴大該鋁部件之該表面之晶界。

在又一實施例中，揭示一種用於拋光一鋁部件之拋光總成。該拋光總成包括至少以下各者：(1)用於酸蝕刻該鋁部件之一構件；(2)用於用一組操作參數來組態一電子束之一構件，該等操作參數包括介於約10 kV與25 kV之間的一加速電壓、介於約50微秒與150微秒之間的一脈衝持續時間，及介於約1 Hz與10 Hz之間的一脈衝頻率；(3)用於啟動該電子束之一構件；及(4)用於經由該電子束而操縱一鋁部件以使得該電子束橫越該鋁部件之一表面之實質上全部進行掃描之一構件。

102‧‧‧鋁部件/鋁塊體/鋁外殼

104‧‧‧鈦合金板

106‧‧‧穿孔

108‧‧‧鐵絲

110‧‧‧板固持器/塔盤固持器

112‧‧‧流體進入開口

114‧‧‧板支撐架

222‧‧‧酸蝕刻槽

224‧‧‧熱交換器

232‧‧‧水基中和槽

234‧‧‧入口

236‧‧‧出口

400‧‧‧電子束拋光機器

402‧‧‧電子束發射器

404‧‧‧電子束

406‧‧‧觸發器

408‧‧‧電弧

410‧‧‧加速電壓源

412‧‧‧工件

414‧‧‧工件操控器

500‧‧‧熱輸送固定架

502‧‧‧Teflon®固持器

504‧‧‧熱輸送固定架外殼/熱輸送固定架導管

506‧‧‧金屬固持器

508‧‧‧水通道

510‧‧‧永久環形磁鐵

600‧‧‧電子束拋光機器

602‧‧‧腔室

604‧‧‧夾具

702‧‧‧夾具扣件

704‧‧‧傳動系統

706‧‧‧旋轉軸線

710‧‧‧方向

712‧‧‧齒輪

714‧‧‧邊緣部分

802‧‧‧夾具扣件支撐樑

902‧‧‧金屬間化合物

904‧‧‧鋁表面

1002‧‧‧金屬間化合物

1004‧‧‧晶界

1300‧‧‧電子器件

1302‧‧‧處理器

1304‧‧‧檔案系統

1306‧‧‧快取記憶體

1308‧‧‧使用者輸入器件

1310‧‧‧顯示器

1311‧‧‧網路/匯流排介面

1312‧‧‧資料鏈路

1313‧‧‧控制器

1314‧‧‧設備控制匯流排

1316‧‧‧資料匯流排

1320‧‧‧隨機存取記憶體(RAM)

1322‧‧‧唯讀記憶體(ROM)

1324‧‧‧電池

1326‧‧‧感測器

藉由結合隨附圖式之以下詳細描述，將容易地理解實施例，在該等圖式中，類似參考數字表示類似結構元件，且在該等圖式中：圖1A展示經擠壓鋁部件，其已與鈦合金板並排地被表面機械加工；圖1B展示鈦合金板，其具有配置於其內且由鐵絲篩網覆蓋之數個鋁部件；圖1C展示鈦合金板，其經裝載有鋁部件且置放於板固持器內；圖1D展示數個鈦板，其插入至板固持器中；圖2展示用於酸蝕刻配置於板固持器內部之鋁部件之所說明程序；圖3A展示說明在已被應用表面工具加工之後但在酸蝕刻程序之前經擠壓鋁基板之一個橫截面之表面輪廓的線圖；圖3B展示說明在將離子化處理應用於鋁基板歷時約8分鐘之後對鋁基板之表面輪廓之效應的線圖；圖3C展示說明在將離子化處理應用於鋁基板歷時約15分鐘之後對鋁基板之表面輪廓之效應的線圖；圖4展示電子束拋光機器之方塊圖；圖5展示經調適以保持薄鋁外殼之形狀之熱輸送固定架的橫截面側視圖；圖6展示電子束拋光機器之一實施例的透視圖；圖7A展示經組態以在電子束拋光操作期間操縱鋁部件之夾具的透視圖；圖7B展示夾具扣件之近距透視圖；圖8A至圖8C展示使鋁部件經由旋轉軸線而旋轉之夾具扣件的側視圖；圖9展示在電子束拋光操作之前及之後的鋁基板之以EPMA為基礎之頂部表面視圖及側橫截面視圖；圖10A展示在電子束拋光操作之前的經機械加工鋁基板之橫截面側視圖；圖10B展示在電子束拋光操作之後的經機械加工鋁基板之橫截面側視圖；圖11A至圖11B展示有用於拋光鋁之電子束拋光機器的參數圖；圖12展示描述用於經擠壓鋁部件之形成及拋光程序的高階方塊圖；及圖13展示可結合所描述實施例而使用之電子器件。

此章節中描述根據本申請案之方法及裝置之代表性應用。此等實例僅僅被提供用以添加上下文且幫助理解所描述實施例。因此，對於熟習此項技術者將顯而易見，可在無此等特定細節中之一些或全部的情況下實踐所描述實施例。在其他例子中，尚未詳細地描述熟知程序步驟，以便避免不必要地混淆所描述實施例。其他應用係可能的，使得以下實例不應被視為限制性的。

在以下詳細描述中，參看隨附圖式，該等圖式形成該描述之部分且該等圖式中作為說明而展示根據所描述實施例之特定實施例。儘管充分詳細地描述此等實施例以使熟習此項技術者能夠實踐所描述實施例，但應理解，此等實例並非限制性的；使得可使用其他實施例，且可在不脫離所描述實施例之精神及範疇的情況下進行改變。

在一些狀況下，經擠壓鋁部件可被形成為接近地匹配於經精整部件之幾何形狀的形狀。不幸地，擠壓程序通常引起超過最大深度之表面切口及刻痕，其中拋光及表面精整獨自地不會完全地移除此等瑕疵。工業中之標準實務係將塊體擠壓為稍微大於原本所要之大小的大小，使得可應用機械加工程序以有效地移除鋁部件中之大缺陷。表面機械加工程序可包括將諸如圓形轉角之特徵機械加工至鋁部件之表面中。或者，亦可在精整操作中之稍後時刻藉由(例如)砂磨操作來使轉角變圓。即使機械加工程序傾向於縮減大缺陷或凹坑在鋁部件之表面中之出現，機械加工程序仍可留下可使拋光有問題之顯著隆脊及工具加工線。在此狀況下，可引入酸浴程序，其中移除或實質上縮減諸如隆脊或凹坑之機械加工人為產物。酸浴亦可有效於移除已形成於鋁上方之任何氧化物層。雖然酸浴確實使該部件之整體表面平滑，但金屬間化合物之集合由於表面機械加工程序而仍可保持嵌入於鋁部件之表面中。在表面機械加工程序期間，金屬間化合物通常產生於鋁基板之頂部表面區域處，其係由在切割程序期間產生於工具邊緣與鋁部件之切割尖端之間的局部熱造成。所形成之金屬間化合物通常沿著諸如Al₃Fe_x之鋁鐵合金之線。在一些狀況下，亦可在金屬間化合物中發現痕量之聚矽氧。金屬間化合物傾向於具有小晶粒且亦傾向於包括眾多不同合金，藉此沿著鋁部件之外部表面部分引起可包括廣泛不同之材料屬性的表面部分。因此，歸因於此等不同材料屬性，表面處理鋁部件可相當困難。習知機械加工操作可引起形成傾向於在機械拋光操作期間剝落或剝離之表面不完美性(有時被稱為橘皮狀)。可使用相對寬束電子束拋光程序以使金屬間化合物溶解或蒸發於鋁部件之表面之10微米至20微米內。以此方式，可沿著鋁部件之表面產生均質表面，從而使容易得多地達成後續拋光或磨光。

在一實施例中，可利用化學蝕刻程序。化學蝕刻程序涉及將鋁部件插入至酸浴中。酸浴可具有移除表面人為產物(諸如，毛邊)及表面氧化物之效應。在一特定配置中，酸浴程序可包括在由鈦、石墨或軟鋼之合金形成之板中支撐數個鋁部件。接著可將該板(及其中之部件)浸潤至在約60℃至約75℃之溫度下之酸浴中，該酸浴包括磷酸(H₃PO₄：66重量百分比至71重量百分比)及硝酸(HNO₃：5重量百分比至9重量百分比)之溶液。鋁部件與金屬合金籠之間的電流電位差電壓(galvanic potential gap voltage)在鋁部件之一部分上產生一電子濃度，該部分接著係藉由使金屬合金籠固持器在酸浴中振動歷時介於約5分鐘與15分鐘之間而溶解於混合酸中。因為化學蝕刻程序性質上並非機械的，所以其不傾向於造成通常與金屬間化合物及機械拋光相關聯之橘剝皮程序。在一些應用中，化學蝕刻程序可提供足夠平滑之表面精整以放棄額外表面加工操作。在此狀況下，在化學蝕刻程序之後，可將諸如陽極化層之保護層施加至經拋光鋁表面。

在另一實施例中，可在化學蝕刻步驟之後執行電子束拋光步驟。雖然電子束已用以拋光鋼及鈦合金，但電子束先前尚未用以拋光鋁。經組態以拋光鈦及鋼之電子束通常具有約0.5 mm之直徑，而在鋁之狀況下已發現，部分地歸因於鋁之柔軟性，介於約20 mm與30 mm之間的直徑更適當。在許多狀況下，亦需要額外冷卻來預防鋁免於被過度地加熱。一種此狀況為在鋁罩殼需要機械加工時。在此狀況下，可需要水冷卻式熱交換器來防止罩殼歸因於由電子束造成之熱積聚而變形。電子束藉由橫越鋁部件之表面進行掃描來實現電子束之拋光步驟。在電子束之掃描期間，電子束將鋁部件之表面加熱至足以造成嵌入於鋁部件之表面內之金屬間化合物蒸發或耗散的溫度。以此方式，可產生下至約10微米至20微米之深度無金屬間化合物之實質上均質表面。電子束亦能夠影響離軸表面；然而，在約30度下，效能快速地下降。藉由在電子束處理步驟期間將鋁部件附接至夾具，鋁部件之各種表面可在拋光程序期間朝向電子束而重新定向，藉此允許鋁部件之多個面在任何給定時間被電子束拋光。此外，離軸束效能亦允許具有顯著曲率之表面之拋光。在一組試驗中，需要僅約1分鐘之曝露來適當地拋光一批鋁部件。在電子束拋光操作完成之後，可起始機械磨光及拋光操作，此係因為已自鋁部件之表面移除金屬間化合物。此情形允許鋁部件之表面獲得高光澤度及米勒表面。

下文參看圖1A至圖13來論述此等及其他實施例；然而，熟習此項技術者將容易地瞭解，本文關於此等圖所給出之詳細描述係僅出於解釋性目的且不應被解釋為限制性的。

圖1A至圖1D展示用於在酸蝕刻操作之前將大批鋁部件裝載至板固持器中之程序。酸蝕刻操作可具有移除諸如毛邊及表面氧化物之表面人為產物的效應。在圖1A中，與鈦合金板104並排地展示已被表面機械加工之經擠壓鋁部件102。如所描繪，鈦合金板104可包括安置於鈦合金板104之底部表面中之數個穿孔106，藉此允許流體在酸蝕刻操作期間更容易地進入鋁部件102。在一些實施例中，鋁部件102可被挖空，而在其他實施例中，鋁部件102可為實心鋁部件。應注意，在一些替代性實施例中，鈦合金板104可由軟鋼或低碳鋼建構而成，而非由鈦合金建構而成。如圖1B所示，鈦合金板104可固持數個鋁部件102。在一實施例中，亦如所描繪，鈦合金板104可包括橫越鋁部件102之下部表面及/或上部表面而延行之鐵(Fe)絲108的篩網。鐵絲108可藉由幫助使鋁移除集中於沿著鋁部件之表面部分之突起部上來增強酸蝕刻程序之效能。在一些實施例中，如所描繪而使用僅平行金屬絲，而在其他實施例中，可使用垂直及水平延行之鐵絲108之矩陣，藉此最小化鋁部件102之表面部分與鐵絲108之間的距離。圖1C描繪置放於板固持器110中之經裝載鈦合金板104。板固持器110可包括圍繞板固持器110而安置之流體進入開口112，從而使流體容易地進出板固持器110。圖1C中亦描繪沿著板固持器110之兩個對置側而配置之板支撐架114。板支撐架114允許數個鈦合金板104便利地插入至板固持器110及自板固持器110移除。圖1D展示插入至板固持器110中之數個鈦合金板104。此情形允許較大數目個鈦合金板104且因此允許甚至更大數目個鋁部件102在單一酸蝕刻程序期間被同時地處理，藉此允許酸蝕刻程序為有效率程序。

圖2說明酸蝕刻程序200。在第一步驟210中，將板固持器110填充有如參看圖1A至圖1D所描述之數個鈦合金板104。在步驟220中，將酸蝕刻槽222填充有包括以下酸之混合酸浴：磷酸(H₃PO₄：66重量百分比至71重量百分比)；及硝酸(HNO₃：5重量百分比至9重量百分比)。酸浴溫度經設定至介於約60℃與75℃之間。一系列熱交換器224可用以在將板固持器110置放於酸蝕刻槽222內之前設定酸浴之溫度，使得酸蝕刻程序之所有部分可在固定溫度下發生。一旦已達成酸浴之工作溫度，就將板固持器110置放於酸蝕刻槽222中。酸蝕刻槽222可為良好地適合於防止酸蝕刻槽222之內部表面之腐蝕的雙壁槽。酸蝕刻槽222亦可包括攪拌器或攪動輪，其經設計成攪動酸蝕刻槽222內之酸，從而使酸循環通過酸蝕刻槽222之各種部分。酸蝕刻槽222亦包括用於在鋁部件102與鐵絲108之間產生運動的機械振動裝置(未圖示)。振動會促進產生固態電極電位差而不自電源施加任何電流，自電源施加任何電流通常為更習知之電拋光操作所需要。在反應期間，鈦合金板104充當陽極，而鋁部件102充當陰極，從而在鋁與鈦合金之間產生約0.8 V之電壓。以此方式，一電子濃度形成於沿著鋁部件102之表面部分所發現之凸狀表面突起部上，該表面部分隨後溶解於混合酸浴中。實際化學反應係根據以下程序而發生。

將鋁部件曝露至混合酸浴內之硝酸會造成鋁之氧化根據反應式1而氧化：反應式1：2Al+6HNO ₃ → Al ₂ O ₃+3H ₂ O+6NO ₂

在氧化鋁層形成之後，磷酸溶解氧化鋁(Al₂O₃)。在將鋁塊體102浸潤於混合酸浴中時，氧化及溶解之循環繼續；然而，因為0.8 V之自然電流電位差電壓存在於鋁塊體102與鈦合金板104之間，所以電子自鋁塊體102之表面之移除係如先前所陳述沿著凸狀突起部而集中，從而引起受影響表面之實質拋光。此自然電拋光程序相比於更習知之電拋光程序可產生鋁之更均質的表面精整。在更習知之電拋光程序中，外部施加之電流可無意中非均一地集中，從而引起不良的表面變化。酸蝕刻步驟220可進行歷時介於約5分鐘與25分鐘之間的持續時間。在彼時間期間，可自鋁部件102之表面部分移除電子濃度。圖3A至圖3C中進一步詳述剖面正規化結果。在步驟230中，在以離子化為基礎之化學蝕刻程序完成之後，可排泄且用水來清洗酸浴，或可將塔盤固持器110移動至水基中和槽232，在此期間，可將塔盤固持器110及關聯鋁部件102清洗為無任何酸殘餘物。可藉由迫使水通過中和槽232之入口234且返回離開中和槽232之出口236來實現清洗及沖洗。在後續步驟240中，可在中和槽232被排泄之後使熱風吹過中和槽232，從而引起在最終步驟250處鋁部件102之逐漸乾燥。

圖3A至圖3C展示表示在以離子化為基礎之化學蝕刻程序之前及之後的鋁基板之外部表面的曲線圖。圖3A展示在已將表面工具加工應用於經擠壓鋁基板之後的經擠壓鋁基板之一個橫截面之表面輪廓。垂直軸線展示以微米為單位的鋁基板之表面之高度，且水平軸線展示出此特定曲線圖表示該表面之0.7微米寬拉伸。如由圖3A中之曲線圖所示之表面輪廓包括眾多尖銳峰值及谷值，其在一些例子中產生接近2微米之深度梯度。此等大深度梯度傾向於負面地影響鋁基板之表面精整。圖3B展示在將離子化處理應用於鋁基板歷時約8分鐘之後對鋁基板之表面的效應。或許最顯著地，深度梯度自圖3A中之1.863微米極大地縮減至圖3B中之0.849微米，達大於50%之縮減。亦應注意，谷值及峰值更均勻地傾斜，尖銳峰值及谷值顯著地不存在。在圖3C中，允許離子化處理繼續歷時總共15分鐘。雖然深度梯度自額外時間進一步縮減，但結果並不與在剛好8分鐘內達成之結果一樣顯著。在此狀況下之深度梯度縮減至僅0.846微米。因此，在製造時刻表之效率理想的狀況下，較短時間可理想。舉例而言，在一組試驗中已發現，當與下文將進一步詳細地論述之電子束拋光操作進行組合時，僅5分鐘之離子化時間最佳。

雖然以離子化為基礎之化學蝕刻程序可實質上改良橫越鋁部件102之表面部分的表面精整，但其並未解決沿著表面而配置之金屬間粒子的問題，此係因為酸蝕刻僅與鋁部件102之表面部分接觸。橫越經酸蝕刻鋁部件102之表面的後續機械拋光仍可引起剛好嵌入於鋁部件102之表面部分下方之金屬間粒子的剝離，藉此防止或至少實質上阻礙有效機械拋光操作。在需要比可藉由以離子化為基礎之化學蝕刻程序獲得之拋光更精細之拋光的狀況下，可應用後續電子束拋光程序。

在圖4中，顯示電子束拋光機器400之方塊圖。自電漿陰極發射之電子束的直徑為約20 mm。全文係以引用方式併入的論文[2004年7月25日至29日，俄羅斯托木斯克，第7屆用粒子束及電漿流進行材料改質國際會議，V.N. Devjatkov等人之Installation for Treatment of Metal Surface by Low Energy Electron Beam，第43頁至第48頁]中良好地描述可與本實施例一起使用之一特定電子束實施例。應注意，所併入論文所描述之程序係關於鈦及鋼電子束拋光，而本實施例尤其係關於鋁束拋光。鋁電子束拋光需要電子束拋光機器以使用實質上不同於與鋼及鈦一起使用之參數及束寬度的參數及束寬度。舉例而言，與鈦或鋼之慣例電子束拋光相關聯之電子束相比於經調適以用於鋁之電子束通常具有小得多的有效電子束直徑，經調適以用於鋁之電子束具有約20 mm至30 mm之有效直徑。在圖4中，說明展示與電子束拋光機器400相關聯之組件的方塊圖。電子束發射器402可發射電子束404，電子束404通常具有一高斯分佈(Gaussian distribution)，其中剛好在20 mm至30 mm之直徑外，與電子束404相關聯之功率位準下降至最大功率之約60%。在約46 mm之直徑下，有效性完全地下降。此外，電子束可有效地拋光離軸高達約30度之鋁表面，此時，該束之有效性快速地下降。應注意，在一些應用中，電子束之直徑可縮減至約10 mm。電子束發射器402電耦接至觸發器406、電弧408及加速電壓源410。經發射電子束404可與工件412之表面接觸。工件操控器414可使電子束404保持橫越工件412之表面進行掃描。亦應注意，歸因於電子束拋光效應之逐漸衰減，用以在受電子束影響部分與非電子束部分之間產生明顯區別之一方式為藉由遮蔽無需電子束拋光之表面部分。已發現，以下參數在應用於鋁時用電子束拋光機器400產生可接受結果：介於5 kV與25 kV之間的加速電壓；上部線圈中之約5 A及下部線圈中之約2 A的磁性線圈電流；及介於約50 μs與200 μs之間的電子束脈衝持續時間，其中伴隨脈衝頻率為1 Hz至10 Hz。

圖5說明熱輸送固定架500。熱輸送固定架500經組態以在電子束拋光操作期間支撐空心鋁外殼102。在此實施例中，鋁外殼102可具有小至約0.6 mm之厚度。因此，電子束404之施加可引起鋁外殼102之過度加熱。為了在鋁外殼102薄時防止翹曲或其他熱相關改變，可將鋁外殼102置放於如圖5所示之熱輸送固定架中，該熱輸送固定架藉由移除由電子束404沈積於該薄鋁外殼中之大量過度熱能而充當熱交換器。熱輸送固定架亦可提供針對鋁外殼102之機械支撐。在一實施例中，電子束404之施加可造成10 J/cm²之能量的轉移，從而引起超過300 K之溫度增加。為了減輕此出現，熱輸送固定架500具有建置至其中之水冷卻系統用於自鋁外殼102有效率地移除熱，藉此防止鋁外殼102在電子束拋光操作期間之過度加熱。熱輸送固定架500包括Teflon®固持器502，其用來將鋁外殼102之上部表面相抵於熱輸送固定架外殼504而固持於適當位置。Teflon®固持器502係由金屬固持器506緊固。熱輸送固定架導管504包括水通道508，其經設計成沿著鋁外殼102之下部表面載運冷卻水。冷卻水可由使冷卻水循環通過水通道508之泵驅動通過水通道508。在一些組態中，鋁外殼102可與水通道508進行直接接觸，從而防止在熱轉移程序期間之氣隙且提供增加之熱轉移效率。在其他實施例中，可需要一封閉系統，其中上部壁作為熱輸送固定架外殼504之部分包括於水通道導管508與鋁外殼102之間，因此，水源可保持圍封於一封閉系統內。永久環形磁鐵510可沿著熱輸送固定架500之下部表面而配置以在電子束拋光操作期間幫助聚焦電子束。應注意，在一些狀況下，實心鋁部件之電子束拋光歸因於較大質量及/或對該鋁部件之變形的較低靈敏性而可無需熱輸送固定架500。

圖6說明電子束拋光機器600。電子束拋光機器600包括協助其在圖6上被特定地註解之功能的數個較小組件。特別關注的是，電子束拋光係在近真空條件下實現，因此，電子束拋光機器600包括腔室602，其經組態以產生真空以使電子束拋光機器400在該真空中操作。在一組試驗中，真空內之壓力為約0.06 Pa。在建立電子束拋光作為高容量製造程序之部分的情況下，可在腔室602之任一側上設置一系列水閘腔室(sluice chamber)。以此方式，在數個鋁部件正經受電子束拋光時，另一組鋁部件可在鄰近第一水閘腔室中減壓。在完成電子束拋光操作後，鋁部件102即可在經減壓鋁部件移動至腔室602中之前轉移至加壓第二水閘腔室。以此方式，可維持連續電子束拋光操作而不必在每一電子束拋光操作之後等待耗時的加壓及減壓步驟。電子束拋光機器600亦包括夾具604，其經組態以在電子束404下操縱數個鋁部件。應注意，電子束拋光機器600可利用前述參數以電子束拋光汽車引擎中之模鑄鋁汽車用活塞頭。該程序很大程度上相同，然而，歸因於鋁活塞頭之較大體積，可無需先前所描述之冷卻程序。

圖7A說明夾具604之較大視圖。夾具604可沿著X軸及Y軸分離地或同時地平移一群鋁部件102。此平移可由電腦數值控制器控制作為電腦控制製造程序之部分。夾具604在製作操作期間之運動可允許鋁部件102在電子束404下以約20 mm/sec之速度通過。取決於鋁部件102之大小，電子束404橫越鋁部件102之表面的數次通過可用以橫越鋁部件102中之一者之整個表面完全地應用拋光效應。如圖7B所描繪，夾具604亦可包括夾具扣件702。夾具扣件702可經組態以使鋁部件102在電子束拋光操作期間旋轉。夾具扣件702包括傳動系統704，其允許鋁外殼102圍繞旋轉軸線706之旋轉。可藉由在方向710上操縱齒輪齒708而使夾具扣件旋轉。齒輪齒708之移動造成齒輪712旋轉，此情形將在圖8A至圖8C中予以說明。因為電子束404在用自其定向30度以上之表面予以呈現時可失去顯著拋光有效性，所以夾具扣件702可在電子束拋光操作期間藉由在適當時間間隔期間使鋁部件102之邊緣部分714朝向電子束404而定向來協助電子束拋光操作。應注意，在一些實施例中，熱輸送固定架可包括於夾具扣件702中，藉此允許電子束拋光如所描繪之薄的經挖空鋁部件或實心鋁部件。

圖8A至圖8C展示鋁部件102相對於夾具扣件702之旋轉。在圖8A中，夾具扣件702係在一方向上旋轉。因為齒輪712機械地耦接至夾具扣件702，所以夾具扣件702與齒輪712一起旋轉，而夾具扣件支撐樑802可保持其在夾具604之其餘部分內的定向。在圖8B中，隨著齒輪齒708在X軸上平移，鋁部件102返回至與夾具604之表面部分平行的位置。最後，在圖8C中，齒輪齒在X軸上之繼續平移造成鋁部件102定向於與第一方向相對之方向上。以此方式，電子束404可在拋光操作期間便利地進入鋁部件102之邊緣部分714。

圖9展示如由電子探針微分析器(EPMA)觀測的電子束拋光操作之結果。EPMA非常相似於掃描電子顯微鏡，其中額外能力為能夠進行化學分析。所顯示結果係基於使用15 kV之加速電壓及電子束拋光機器。頂部表面之前視圖及後視圖展示金屬間化合物902之急劇縮減。金屬間化合物902並非鋁基板中之合金的部分且作為夾雜物存在於該基板中。在一些實施例中，金屬間化合物可為含有鋁、鐵及聚矽氧之混合物的合金。雖然在此黑白圖式中不明顯，但沿著鋁基板之表面部分的殘餘痕跡及工具加工標記亦係藉由電子束拋光操作實質上消除。側橫截面視圖展示在電子束拋光操作完成之後的鋁表面904之實質平坦化。此外，雖然在此特定試驗中通常僅自與表面相隔最初10微米至20微米起移除金屬間化合物，但自至該表面中超過30微米起實質上不存在金屬間化合物。

圖10A展示在電子束拋光操作之前的經機械加工鋁基板之橫截面側視圖。此視圖係藉由電子背向散射繞射圖案(EBSP)提供。EBSP圖像展示材料在經機械加工鋁基板內之結晶定向，其通常用以展示多晶材料之紋理或較佳定向。EBSP亦涉及使用掃描電子顯微鏡，而且包括電子背向散射繞射偵測器，其得到電子背向散射繞射圖案。圖10A清楚地展示沿著鋁基板之表面部分而配置之金屬間化合物1002的大濃度。此描繪中亦存在晶界1004，其表示鋁在基板內之不同定向。圖10B展示在電子束拋光操作之後的經機械加工鋁基板之橫截面側視圖。主要關注的是，自鋁基板之上部表面起幾乎完全地不存在金屬間化合物1002。此外，直至至鋁基板中深約20微米才存在金屬間化合物。晶界在電子束拋光操作之後亦實質上擴大。相比於圖10A中，晶界展開得多且更接近地對準，藉此得到針對鋁基板之較平滑表面精整。此外，因為已自鋁基板之表面部分排空金屬間化合物，所以機械拋光操作可提供針對鋁基板之甚至更精細的拋光一致性。

圖11A及圖11B展示有用於拋光鋁之電子束拋光機器的參數圖。圓圈表明有利結果，而叉形展示不利結果。在5A及2A之線圈電流分別施加至磁性線圈之上部及下部的情況下，且進一步在目標鋁基板為約1.4 mm厚且掃描速度為20 mm/sec時，收集所顯示結果。應注意，圖11A使用100 μs之固定脈衝持續時間，且圖11B使用5 Hz之固定脈衝頻率。在圖11A中展示達成有利結果之脈衝頻率及加速電壓的表示。當脈衝頻率經設定得太高(在此狀況下，高於9 Hz)時，掃描線之間的晶界及焊口開始沿著鋁基板之表面部分而出現。當加速電壓經設定得太低(在此狀況下，低於15 kV)時，所得電子束(EB)層(基本上穿透均質表面)並未穿透得足夠深以耐受機械拋光操作。在圖11B中，小於10 kV之加速電壓引起具有前述問題之薄EB層。介於50 μs與180 μs之間的脈衝持續時間引起有利結果。然而，河流圖案(river pattern)開始以200 μs之脈衝持續時間形成於鋁基板之表面中。河流圖案及掃描線可足夠深以使得經應用以移除該等河流圖案及掃描線之機械拋光操作可磨掉所產生EB層，藉此犧牲與該程序相關聯之任何優勢。

圖12展示描述用於形成及拋光鋁基板之程序1200的高階方塊圖。在程序1200之第一步驟1202中，藉由擠壓程序來形成數個鋁部件。經擠壓鋁部件可由諸如ASTM A6063之鋁合金製成。在步驟1204中，可使用機械加工工具以自經擠壓鋁部件移除大刮痕及結垢。在一些實施例中，機械加工程序亦可沿著經擠壓鋁部件產生特徵或甚至挖空鋁部件以用作外殼。機械加工操作沿著經擠壓鋁部件之表面部分產生局部加熱，從而引起數個金屬間化合物變得嵌入於該等鋁部件之表面部分中。在步驟1206中，將酸蝕刻程序應用於鋁部件。酸蝕刻程序發生於包括以重量計之磷酸(H₃PO₄：66重量百分比至71重量百分比)及硝酸(HNO₃：5重量百分比至9重量百分比)之溶液的酸浴中。酸蝕刻可應用於配置於塔盤固持器內部之大批鋁部件。塔盤固持器可浸潤於以介於約60℃至約75℃之溫度而製備的酸浴中。在酸蝕刻程序期間，可使鋁基板振動以藉由在鋁部件與配置於板固持器內之鈦合金板之間產生固態電極電位差來幫助刺激電拋光程序。鐵絲可經置放成與鋁棒及鈦合金板接觸，從而進一步增加酸蝕刻程序之有效性。在酸蝕刻預處理之後，在步驟1208中，可施加寬束電子束以橫越該電子束之表面部分產生表面熔融。藉由將大量能量施加至鋁部件之表面部分，可使在較早機械加工程序期間產生之金屬間化合物蒸發或剝離，藉此產生良好地適合於機械拋光操作之實質上均質表面層。在步驟1210中，可使用機械拋光及磨光程序。一般而言，有效磨光深度係在奈米範圍內或至多為微米深度，因此，清楚的是，存在於深於10微米至20微米處之金屬間化合物並未影響磨光程序。然而，因為電子束產生至少10微米至20微米之表面熔融，所以可有效率地消除淺層金屬間化合物(亦即，在表面之10微米至20微米內)。應注意，在一些實施例中，後續陽極化或噴砂程序可應用於經拋光表面之某些部分。藉由在陽極化程序期間遮蔽經拋光表面之一部分，磨亮形狀及文字可由更柔和的無光澤環繞物清楚地環繞。

圖13為適合於控制所描述實施例中之一些程序之電子器件的方塊圖。電子器件1300可說明代表性計算器件之電路。電子器件1300可包括處理器1302，其附屬於用於控制電子器件1300之總體操作的微處理器或控制器。電子器件1300可在檔案系統1304及快取記憶體1306中包括附屬於製造指令之指令資料。檔案系統1304可為一儲存磁碟或複數個磁碟。在一些實施例中，檔案系統1304可為快閃記憶體、半導體(固態)記憶體，或其類似者。檔案系統1304通常可為電子器件1300提供高容量儲存能力。然而，因為對檔案系統1304之存取時間可相對慢(尤其是在檔案系統1304包括機械磁碟機的情況下)，所以電子器件1300亦可包括快取記憶體1306。舉例而言，快取記憶體1306可包括由半導體記憶體提供之隨機存取記憶體(RAM)。對快取記憶體1306之相對存取時間可實質上短於針對檔案系統1304之存取時間。然而，快取記憶體1306可不具有檔案系統1304之大儲存容量。另外，檔案系統1304在作用中時相比於快取記憶體1306可消耗更多電力。當電子器件 1300為由電池1324供電之攜帶型器件時，電力消耗常常可為一顧慮。電子器件1300亦可包括RAM 1320及唯讀記憶體(ROM)1322。ROM 1322可儲存待以非揮發性方式執行之程式、公用程式或處理程序。RAM 1320可諸如為快取記憶體1306提供揮發性資料儲存。

電子器件1300亦可包括使用者輸入器件1308，使用者輸入器件1308允許電子器件1300之使用者與電子器件1300互動。舉例而言，使用者輸入器件1308可採取多種形式，諸如，按鈕、小鍵盤、撥號盤、觸控螢幕、音訊輸入介面、視覺/影像擷取輸入介面、呈感測器資料形式之輸入，等等。更進一步，電子器件1300可包括顯示器1310(螢幕顯示器)，顯示器1310可由處理器1302控制以向使用者顯示資訊。資料匯流排1316可促進在至少檔案系統1304、快取記憶體1306、處理器1302及控制器1313之間的資料傳送。控制器1313可用以經由設備控制匯流排1314而與不同製造設備介接且控制不同製造設備。舉例而言，控制匯流排1314可用以控制電腦數值控制(CNC)研磨機、衝壓機、射出成形機器或其他此設備。舉例而言，在某一製造事件發生後，處理器1302即可供應指令以經由控制器1313及控制匯流排1314而控制製造設備。此等指令可儲存於檔案系統1304、RAM 1320、ROM 1322或快取記憶體1306中。

電子器件1300亦可包括網路/匯流排介面1311，網路/匯流排介面1311耦接至資料鏈路1312。資料鏈路1312可允許電子器件1300耦接至主機電腦或附件器件。可經由有線連接或無線連接而提供資料鏈路1312。在無線連接之狀況下，網路/匯流排介面1311可包括無線收發器。感測器1326可採取用於偵測任何數目個刺激之電路之形式。舉例而言，感測器1326可包括用於監視製造操作之任何數目個感測器，諸如，回應於外部磁場之霍爾效應(Hall Effect)感測器、音訊感測器、諸如光度計之光感測器、電腦視覺感測器、用以監視化學反應之溫度感測器，等等。

出於解釋之目的，前述描述使用特定命名法以提供對本發明之透徹理解。然而，對於熟習此項技術者將顯而易見，無需特定細節以便實踐本發明。因此，出於說明及描述之目的而呈現本發明之特定實施例之前述描述。該等描述不意欲為詳盡的或不意欲將本發明限於所揭示之精確形式。對於一般熟習此項技術者將顯而易見，鑒於以上教示，許多修改及變化係可能的。

選擇及描述該等實施例以便最佳地解釋本發明之原理及其實務應用，以藉此使熟習此項技術者能夠最佳地利用本發明及具有如適合於所預期之特定用途之各種修改的各種實施例。本發明之範疇意欲係由以下申請專利範圍及其等效者界定。

102‧‧‧鋁部件/鋁塊體/鋁外殼

400‧‧‧電子束

600‧‧‧電子束拋光機器

602‧‧‧腔室

604‧‧‧夾具

Claims

一種經組態以拋光一鋁部件之一表面之電子束拋光機器，其包含：一電子束發射器；一真空腔室；及一夾具，其經組態以在至少兩個軸線上平移該鋁部件，其中該電子束發射器經組態以在一電子束拋光操作期間以介於約10 kV與25 kV之間的一加速電壓、介於約50微秒與150微秒之間的一脈衝持續時間及介於約1 Hz與10 Hz之間的一脈衝頻率而操作，且其中該鋁部件之該平移造成一經發射電子束橫越該鋁部件之一表面進行掃描，從而造成該鋁部件之該表面之一所得表面熔融，藉此消除實質上所有金屬間化合物且實質上擴大該鋁部件之該表面之晶界。
如請求項1之電子束拋光機器，其中藉由在一起使用該鋁部件與該電子束拋光機器之前執行之一酸蝕刻程序來實質上縮減沿著該鋁部件之一表面部分的變化。
如請求項2之電子束拋光機器，其進一步包含一熱輸送固定架，該熱輸送固定架將該鋁部件機械地耦接至該夾具，該熱輸送固定架包含：一固定架，其用於支撐該鋁部件；複數個固持器，其用於將該鋁部件緊固至該固定架；一導管，其穿過該固定架；及一泵，其用於使冷卻水快速地循環通過該導管。
如請求項3之電子束拋光機器，其中該夾具經組態以使該鋁部件相對於該熱交換器之該固定架圍繞至少一旋轉軸線而旋轉。
如請求項4之電子束拋光機器，其中該至少一旋轉軸線允許該鋁部件之邊緣部分在該電子束拋光操作期間朝向該電子束發射器而配置。
如請求項2之電子束拋光機器，其中該電子束發射器經組態以提供具有介於約20 mm與30 mm之間的一有效電子束拋光直徑之一射束。
如請求項2之電子束拋光機器，其中該電子束發射器經組態以橫越該鋁部件之一表面部分造成一表面熔融，該表面熔融實質上移除在該鋁部件之該表面之約20微米內的金屬間化合物。
一種用於拋光一鋁部件之一表面部分之拋光總成，其包含：用於酸蝕刻該鋁部件之一構件；用於用一組操作參數來組態一電子束之一構件，該等操作參數包含：介於約10 kV與25 kV之間的一加速電壓；介於約50微秒與150微秒之間的一脈衝持續時間；及介於約1 Hz與10 Hz之間的一脈衝頻率；用於啟動該電子束之一構件；及用於經由該電子束而操縱一鋁部件以使得該電子束橫越該鋁部件之一表面之實質上全部進行掃描之一構件。
如請求項8之拋光總成，其中該電子束可有效地拋光與該電子束成高達約30度而定向之表面。
如請求項9之拋光總成，其中一主動冷卻式散熱片機械地耦接至該鋁部件以在一電子束拋光操作期間移除熱。
如請求項8之拋光總成，其中該鋁部件之厚度為約0.6 mm。
一種酸蝕刻總成，其包含：複數個金屬板，每一金屬板經組態以支撐複數個鋁部件；一板固持器，其經組態以支撐複數個金屬板；一酸蝕刻槽，其含有一混合酸浴，該混合酸浴包含：66重量百分比至71重量百分比之磷酸(H₃PO₄)；及5重量百分比至9重量百分比之硝酸(HNO₃)；一熱交換器，其經組態以將該混合酸浴加熱至約60℃至約75℃之一溫度；及一振動裝置，其經組態以在該板固持器定位於該酸蝕刻槽內時使該板固持器振動，其中當該複數個金屬板及該複數個鋁部件浸潤於該混合酸浴中時在該複數個金屬板與該複數個鋁部件之間顯現一電流電位差，從而使一電拋光操作應用於該複數個鋁部件之一表面部分。
如請求項12之酸蝕刻總成，其中該複數個金屬板包含選自由軟鋼及鈦合金組成之群之一金屬。
如請求項13之酸蝕刻總成，其進一步包含：一酸中和槽，其經組態以在一酸蝕刻操作之後自該板固持器清洗掉來自該混合酸浴之殘餘酸。
如請求項14之酸蝕刻總成，其進一步包含：一鐵篩網，其安置於該複數個鋁部件中每一者與該複數個鈦合金板中之一者之間。
如請求項13之酸蝕刻總成，其中該板固持器具有數個流體進入開口，該等流體進入開口經組態以允許該混合酸浴容易地循環通過該板固持器。
如請求項12之酸蝕刻總成，其中該複數個金屬板各自包括複數個穿孔，該複數個穿孔使該混合酸浴容易地循環橫越該複數個鋁部件。
一種用於自一鋁部件之一表面部分移除金屬間化合物之酸蝕刻總成，該酸蝕刻總成包含：用於在一酸蝕刻槽內製備一混合酸浴之一構件，該混合酸浴包含：66重量百分比至71重量百分比之磷酸(H₃PO₄)；及5重量百分比至9重量百分比之硝酸(HNO₃)；用於將該混合酸浴之一溫度設定至介於約60℃至約75℃之間的一構件；用於將由一鈦板支撐之一鋁部件浸潤於該混合酸浴內歷時約5分鐘至15分鐘之一時間的一構件；及用於在該鈦板浸潤於該混合酸浴內時使該鈦板振動之一構件。
如請求項18之酸蝕刻總成，其中用於浸潤該鋁部件之該構件包含：用於將複數個鋁部件浸潤於該混合酸浴中之構件，該等鋁部件係由一鈦板支撐且與一鐵篩網進行直接接觸。
如請求項18之酸蝕刻總成，其中該鈦板在該酸浸潤步驟期間充當一陽極，從而使氧化形成於該複數個鋁部件之一表面部分上。