TWI612183B - 一種電化學加工電極及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種電化學加工電極及其製造方法，電化學加工電極包含一基體、一披覆層與一氧化絕緣層，製造方法係提供基體，並於基體上形成披覆層，披覆層包含一固溶層以及一金屬層，氧化該金屬層而形成氧化絕緣層於表面。本發明藉由固溶層將金屬層固著於基體，使得氧化該金屬層所形成之氧化絕緣層具有良好之固著性，而延展電化學加工電極之使用壽命。

Description

一種電化學加工電極及其製造方法

本發明係有關於一種電化學加工電極及其製造方法，其尤指一種具良好固著性之絕緣層的電化學加工電極及其製造方法。

隨著各類零組件的發展逐漸趨向於精微化，國內外相繼提出微加工技術與系統。製造商為能夠依據使用者之需求構建出具特殊幾何形體之產品，遂有微電化學加工技術衍生而出。微電化學加工（Electrochemical Micro-Machining EMM）亦稱微電解加工（Electrolytic Micro-Machining），其工作原理同電化學加工，可運用於傳統機械加工中難以進行之特殊幾何形狀加工，或者是針對特殊材質（硬質金屬、特殊金屬）進行加工，俾使產品形狀、品質能夠符合需求。同時微電化學加工之加工產品較為精密，可運用於國防、航太、醫療、半導體等領域。

經查一般電化學加工電極會披覆有絕緣層，其披覆於加工電極之非加工區域，以隔離電場而避免加工電極之非加工區域對工件進行電化學加工，且可提高電流從加工電極之欲加工處流出的精確度，而降低雜散電解效應。由於一般電化學加工電極之尺寸較大，因此可採用較厚之絕緣層加以隔離電場，而維持加工電極之良好加工精度。反觀，微電化學加工之工件、加工刀具（電極）的尺寸較為精微，因此相較於傳統電化學加工所遭遇之問題亦有所差異。於電化學反應發生之工件金屬移除效應中，因加工範圍僅達數微米至厘米之間，且存在著多種物理/化學衝擊效應，致使加工電極之絕緣層容易遭受破壞、剝離，進而造成加工產品之良率不佳，以及加工電極之使用壽命縮減等問題。

為提升加工產品之精度，以及延長電化學加工電極之使用壽命，本發明人遂針對電化學加工電極進行改善。俾提升加工電極之絕緣層的固著性，以在進行電化學加工過程中，避免加工電極之絕緣層剝離，而造成雜散電解之問題，如此可維持加工精度與加工電極之使用壽命。

本發明之一目的係提供一種電化學加工電極及其製造方法，其於一基體上形成一披覆層，披覆層包含一固溶層以及一金屬層，並氧化金屬層而形成一氧化絕緣層，藉由固溶層固著金屬層於基體，如此提升氧化絕緣層之固著性，進而可提升加工精度，以及提升電化學加工電極之使用壽命。

本發明之一目的係提供一種電化學加工電極及其製造方法，其藉由形成一填補層於氧化絕緣層，而填補氧化絕緣層之多孔結構，如此可降低氧化絕緣層發生剝離。

本發明為一種電化學加工電極之製造方法，其包含提供一基體；形成一披覆層於該基體，該披覆層包含一固溶層以及一金屬層，該固溶層固著該金屬層於該基體；氧化該金屬層而形成一氧化絕緣層於表面。

另外，本發明之電化學加工電極包含一基體；一披覆層，其位於該基體，且包含一固溶層以及一金屬層，該固溶層固著該金屬層於該基體；一氧化絕緣層，其由該金屬層氧化所形成而位於表面。

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，謹佐以實施例及配合詳細之說明，說明如後：

參閱第一圖，其為本發明之電化學加工電極運用於電化學加工裝置之示意圖。如圖所示，電化學加工裝置透過一進給裝置3之一夾持元件30夾持一加工電極1，以帶動加工電極1往一工件2移動，以進行電化學加工，例如對工件2作表面移除加工或者鑽孔加工。工件2係置放於一電解液槽體4，一電解液供應模組40提供一電解液402於加工電極1與工件2之間，以對工件2進行電化學加工，電解液402則回收於電解液槽體4。此外，一電源供應器5之負極與夾持元件30電性連接，而正極與工件2電性連接，以供應電源至加工電極1與工件2，而進行電化學加工。

參閱第二圖，其為本發明之電化學加工電極之第一實施例的截面圖。如圖所示，本發明之電化學加工電極1包含一基體10、一披覆層12與一氧化絕緣層16，披覆層12位於基體10，披覆層12包含一固溶層122以及一金屬層124，固溶層122固著金屬層124於基體10，氧化絕緣層16係由部分金屬層124氧化所形成而位於表面。固溶層122之生成係基體10之部分材料與金屬層124之部分材料互溶，而位於基體10與金屬層124之間。由於固溶層122係金屬層124與基體10固溶所形成，所以藉由固溶層122致使可提高金屬層124與基體10之固著力，如此相對提高氧化絕緣層16與基體10之固著力，也就可以提升加工電極1對工件2進行電化學加工之精度以及提升加工電極1之使用壽命。

另外，氧化絕緣層16係位於加工電極1之非加工區域，加工電極1之加工區域是不具有氧化絕緣層16，舉例來說，若加工電極1是用於利用端面進行電化學加工，例如鑽孔，如此加工電極1之端面是不具有氧化絕緣層16，而金屬層124或者基體10裸露於加工電極1之端面。基體10之材料係選自金屬單質、金屬合金、碳化鎢或者其他導電材料，金屬層124之材料選自可以被氧化之材料，例如鋁、鈦、鎂等，氧化絕緣層16可為氧化鋁層、氧化鈦層或者氧化鎂層等，但並不以此為限。

請一併參閱第三圖，其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第一實施例的流程圖。如圖所示，本發明之電化學加工電極之製造方法，首先如步驟S10所示，提供基體10；之後，如步驟S30所示，形成披覆層12於基體10，披覆層12包含固溶層122以及金屬層124，固溶層122固著金屬層124於基體10；以及如步驟S50所示，氧化部分金屬層124而形成氧化絕緣層16於表面。此外，使用者可依據加工需求而去除位於加工電極1之加工區域的氧化絕緣層16，而讓相對於加工區域之金屬層124或者基體10裸露於加工電極1之表面，以對工件2進行電化學加工。換言之，氧化絕緣層16是位於加工電極1之非加工區域。

復參閱第二、三圖，並一併參閱第四圖，其為本發明之電化學加工電極進行熱浸鍍製程之一實施例的示意圖。本發明形成披覆層12於基體10之方式，係可採用熱浸鍍製程。於本發明之一實施例中，基體10之材料可為燒結碳化鎢，以鈷作為黏接金屬，而將碳化鎢晶粒黏合形成，而金屬層124之材料為鋁。如第四圖所示，一進給裝置60之一夾持元件602夾持基體10，並於一爐體62中加熱熔解一鋁錠，而形成一鋁熔液622。利用進給裝置60往下帶動基體10，而將基體10浸泡於爐體62中，使鋁熔液622披覆於基體10，之後往上帶動基體10離開爐體62，如此反覆進行，即可形成披覆層12於基體10。披覆於基體10之金屬層124與基體10以熱擴散方式相互固溶，而形成固溶層122於基體10與金屬層124之間，而有著合金性質並且提供固著金屬層124於基體10之能力。

基體10置於熱浸鍍熔液（金屬熔液、鋁熔液622）中，其表面接觸高溫會氧化而形成氧化膜，氧化膜會影響熱浸鍍熔液披覆於基體10。因此，基體10進行熱浸鍍製程之前，係可先進行一前處理作業，如第五圖之步驟S12所示，遂先行將基體10之表面塗佈一第一助熔劑，以利於進行熱浸鍍製程之效果。此外，由於金屬於爐體62中加熱，其表面與空氣接觸後亦會形成氧化膜，此氧化膜會影響金屬熔液披覆於基體10之效果，因此如第五圖之步驟S14所示，可於熱浸鍍熔液（金屬熔液、鋁熔液622）加入一第二助熔劑以去除表面氧化膜。

復參閱第二、三圖，並一併參閱第六圖，其為本發明之電化學加工電極進行粉浴製程之一實施例的示意圖。本發明形成披覆層12於基體10之方式係可採用粉浴製程。基體10置入一粉浴爐70之一粉浴腔室702，粉浴腔室702中有與基體10進行粉浴製程之一粉浴粉末73，粉浴粉末73係為金屬粉末、鹵化物活性劑及惰性填充劑等依比例調和而成。一氣體輸入口704連通於粉浴腔室702，而可通以保護性氣體（例如，氬Ar）於粉浴腔室702，防止基體10在粉浴過程中氧化。保護性氣體則可從連通於粉浴腔室702之一氣體輸出口706排出。粉浴爐70置放於一熱處理爐75，以對粉浴爐70進行加熱，使粉浴粉末73之鹵化物活化劑在高溫下分解，並與金屬粉末形成金屬鹵化物氣體，其會形成氣相擴散，之後還原反應使金屬脫離鹵化物沉積在基體10，沉積於基體10之金屬會與基體10相互固溶擴散，如此即形成披覆層12。

復參閱第六圖，設置一感溫棒708於粉浴腔室702，其係用於感測粉浴腔室702內之溫度變化，以便於監測與調節基體10與粉浴粉末73進行粉浴製程之溫度。此外，粉浴爐70具有一冷卻腔室710，其用於冷卻粉浴腔室702，其位於粉浴腔室702之外圍，即粉浴腔室702位於冷卻腔室710內，一冷卻液輸入口712連通於冷卻腔室710，用於通以冷卻液，一冷卻液輸出口714連通於冷卻腔室710，以用於排放冷卻液。

復參閱第二、三圖，並一併參閱第七圖，其為本發明之電化學加工電極進行微弧氧化製程之一實施例的示意圖。形成披覆層12於基體10後，遂往下進行氧化金屬層124而生成氧化絕緣層16之作業。於本發明之一實施例中，可進行微弧氧化製程或者是退火氧化製程，使披覆層12之部分金屬層124氧化而生成氧化絕緣層16於表面。然而，氧化金屬層124之製程甚多，而並非僅能利用此兩種製程生成氧化絕緣層16。

本發明以第七圖之微弧氧化裝置作說明，微弧氧化裝置包含電源供應器5，電源供應器5之正極與加工電極1電性連接，加工電極1置放於一電解液槽體80，電解液槽體80容置有一電解液82，電源供應器5之負極與電解液槽體80電性連接。藉由電源供應器5提供電源至電解液槽體80與加工電極1，以進行微弧氧化製程，俾使部分金屬層124氧化而形成氧化絕緣層16。另外，電解液槽體80設置於一冷卻槽體90中，冷卻槽體90之一側設置一冷卻液輸入口902，冷卻槽體90之另一側設置一冷卻液輸出口904。藉由冷卻液輸入口902將冷卻液92注入於冷卻槽體90中，以對電解液槽體90進行冷卻，再透過冷卻液輸出口904將冷卻液92排出於冷卻槽體90外。

參閱第八A圖以及第八B圖，其分別為本發明之電化學加工電極之第二實施例的截面圖，以及氧化絕緣層之多孔結構的示意圖。如圖所示，本發明之加工電極1更可包含一填補層18，其形成於氧化絕緣層16，因生成氧化絕緣層16之過程可能會導致氧化絕緣層16具有一多孔結構162（如八B圖所示），為填補氧化絕緣層16之多孔結構162，以增加氧化絕緣層16之強度，遂形成填補層18覆蓋於氧化絕緣層16上。

參閱第八C圖，其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第二實施例的流程圖。如圖所示，此實施例與第一實施例之差異在於，更包含步驟S70，形成填補層18於氧化絕緣層16，填補層18覆蓋氧化絕緣層16，以填補多孔結構162。形成填補層18之方式可採用沸水封孔製程或者是電泳沉積製程。

參閱第九A圖，其為本發明之電化學加工電極之第三實施例的截面圖。如圖所示，本發明之加工電極1更可包含一阻隔層11，其位於基體10之表面。經由阻隔層11之設置，能夠避免金屬層124之材料與基體10之材料過度互溶，而避免金屬層124之金屬純度不佳。

參閱第九B圖，其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第三實施例的流程圖。如圖所示， 此實施例與第一實施例之差異在於，形成披覆層12於基體10之前，更可包含步驟S11，形成阻隔層11於基體10，形成阻隔層11之方式係可採用電鍍製程形成阻隔層11，而阻隔層11之材料可選自於鎳、鉻碳，或者鎳及鉻碳。

綜上所述，本發明之電化學加工電極及其製造方法，係可使加工電極之氧化絕緣層具有良好之固著力，於進行電化學加工時，不易剝離、脫落。另外，基體上形成之阻隔層係可避免金屬層之材料與基體之材料過度互溶。再者，針對優化氧化絕緣層所形成之填補層，係能夠覆蓋氧化絕緣層之多孔結構，以增加氧化絕緣層之強度。於此，本發明之電化學加工電極於進行電化學加工時，因氧化絕緣層與基體之固著力佳，而降低氧化絕緣層之剝離，故能維持工件之加工良率，同時亦能延展加工電極之使用壽命。

鑑此，本發明確實已經達於突破性之結構，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上利用性與進步性，當符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。

1‧‧‧加工電極

10‧‧‧基體

11‧‧‧阻隔層

12‧‧‧披覆層

122‧‧‧固溶層

124‧‧‧金屬層

16‧‧‧氧化絕緣層

162‧‧‧多孔結構

18‧‧‧填補層

2‧‧‧工件

3‧‧‧進給裝置

30‧‧‧夾持元件

4‧‧‧電解液槽體

40‧‧‧電解液供應模組

402‧‧‧電解液

5‧‧‧電源供應器

60‧‧‧進給裝置

602‧‧‧夾持元件

62‧‧‧爐體

622‧‧‧鋁熔液

70‧‧‧粉浴爐

702‧‧‧粉浴腔室

704‧‧‧氣體輸入口

706‧‧‧氣體輸出口

708‧‧‧感溫棒

710‧‧‧冷卻腔室

712‧‧‧冷卻液輸入口

714‧‧‧冷卻液輸出口

73‧‧‧粉浴粉末

75‧‧‧熱處理爐

80‧‧‧電解液槽體

82‧‧‧電解液

90‧‧‧冷卻槽體

902‧‧‧冷卻液輸入口

904‧‧‧冷卻液輸出口

92‧‧‧冷卻液

第一圖:其為本發明之電化學加工電極運用於電化學加工裝置之示意圖； 第二圖:其為本發明之電化學加工電極之第一實施例的截面圖； 第三圖:其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第一實施例的流程圖； 第四圖:其為本發明之電化學加工電極進行熱浸鍍製程之一實施例的示意圖； 第五圖:其為本發明之電化學加工電極進行熱浸鍍製程之前處理的流程圖； 第六圖:其為本發明之電化學加工電極進行粉浴製程之一實施例的示意圖； 第七圖:其為本發明之電化學加工電極進行微弧氧化製程之一實施例的示意圖； 第八A圖:其為本發明之電化學加工電極之第二實施例的截面圖； 第八B圖:其為本發明之電化學加工電極之第二實施例之氧化絕緣層之多孔結構的示意圖； 第八C圖:其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第二實施例的流程圖； 第九A圖:其為本發明之電化學加工電極之第三實施例的截面圖；以及 第九B圖:其為本發明之電化學加工電極之製造方法之第三實施例的流程圖。

1‧‧‧加工電極

10‧‧‧基體

12‧‧‧披覆層

122‧‧‧固溶層

124‧‧‧金屬層

16‧‧‧氧化絕緣層

Claims (7)

1. 一種電化學加工電極之製造方法，其包含以下步驟：提供一基體；形成一披覆層於該基體，該披覆層包含一固溶層以及一金屬層，該固溶層固著該金屬層於該基體，該固溶層為該基體之部分材料與該金屬層之部分材料互溶而形成，而位於該基體與該金屬層之間；氧化該金屬層而形成一氧化絕緣層於表面，該氧化絕緣層具有一多孔結構；以及形成一填補層於該氧化絕緣層，該填補層填補該氧化絕緣層之該多孔結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電化學加工電極之製造方法，更包含對該基體進行一粉浴製程或者一熱浸鍍製程，而形成該披覆層於該基體，其中該基體之材料係選自金屬單質、金屬合金、碳化鎢或者其他導電材料，該金屬層之材料係選自於鋁、鈦、鎂或者其它可以被氧化之材料，該氧化絕緣層為一氧化鋁層、一氧化鈦層或者一氧化鎂層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電化學加工電極之製造方法，更包含對該基體進行一熱浸鍍製程，而形成該披覆層於該基體，其中於進行該熱浸鍍製程，更包含：塗佈一第一助熔劑於該基體之表面；以及加入一第二助熔劑於該熱浸鍍製程之一熱浸鍍熔液。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電化學加工電極之製造方法，更包含形成一阻隔層於該基體，該阻隔層之材料選自於鎳、鉻碳，或者鎳及鉻碳。
5. 一種電化學加工電極，其包含：一基體； 一披覆層，其位於該基體，且包含一固溶層以及一金屬層，該固溶層固著該金屬層於該基體，該固溶層為該基體之部分材料與該金屬層之部分材料互溶而形成，而位於該基體與該金屬層之間；一氧化絕緣層，其由該金屬層氧化所形成而位於表面，該氧化絕緣層具有一多孔結構；以及一填補層，填補該氧化絕緣層之該多孔結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電化學加工電極，其中該基體之材料係選自金屬單質、金屬合金、碳化鎢或者其他導電材料，該金屬層之材料係選自於鋁、鈦、鎂或者其它可以被氧化之材料，該氧化絕緣層為一氧化鋁層、一氧化鈦層或者一氧化鎂層。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電化學加工電極，更包含一阻隔層，其位於該基體，該阻隔層之材料選自於鎳、鉻碳，或者鎳及鉻碳。