TWI763238B - 一種具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料與其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明是關於一種碳鋼表面陽極處理，乃是使用兩種可量產之產業界技術分別為熱熔射與陽極處理技術應用在碳鋼表面陽極處理，首先利用金屬熔射法先在碳鋼表面噴塗一層厚的鋁膜，再利用陽極處理法使鋁材表面產生一層陽極膜，此層陽極膜可以有效地提升碳鋼表面的性質，例如硬度耐電壓、多樣化色彩、耐腐蝕等特性。

Description

一種具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料與其製造方法

為了能接上國際市場發展的腳步，本專利提出一具有結合鋼鐵與陽極處理技術等傳統產的創新應用，應用於公共工程或高科技產業所需材料，必能在國際市場上占有一席之地，藉由陽極處理技術改質碳鋼的表面性質，例如硬度、色澤、質感、抗腐蝕能力、與絕緣性等，用以提昇碳鋼的應用價值，使新一代陽極處理技術能夠配合未來鋼鐵產業的新應用發展。

碳鋼是近代工業中使用最早，用量最大的基本材料，目前碳鋼的產量在各國鋼總產量中的比重，約保持在80%左右，它不僅廣泛套用於建築、橋樑、鐵道、車輛、船舶和各種機械製造工業，而且在近代的石油化學工業、海洋開發等方面，也得到大量使用。碳鋼可根據其碳含量被分為三類：低碳鋼、中碳鋼、和高碳鋼，低碳鋼通常用於汽車車身部件，結構形狀(工字鋼，槽鋼和角鐵)，管道，建築和橋樑部件以及食品罐；中碳鋼由於其高強度，耐磨性和韌性，中碳鋼經常用於鐵路，火車車輪，曲 軸，齒輪和需要這種性能組合的機械零件；高碳鋼由於其高耐磨性和硬度，高碳鋼被用於切削工具，彈簧高強度線材和模具。

由於碳鋼本身材質的特性例如不耐腐蝕、電絕緣性差、硬度低等工程應用上的限制，為了改善碳鋼材在特殊環境或工件上的限制，習知的工程用碳鋼在工程上應用的限制，例如表面硬度大概介於150~200HV之間，表面經磨耗後易產生變形與刮痕，碳鋼的新鮮表面置於空氣中數分鐘內即會產生一層鐵銹，具有導電性的碳鋼無法用於絕緣材等。然而，因為碳鋼具有高密度值、普遍性使用、低價格、磁性、與易於機械加工等特性，在工程設備的部分組件或機台外殼上的應用目前還是處於廣受使用的情形。針對鋼鐵表面的硬度與抗腐蝕能力的提升，習知技術中常以電鍍硬鉻、電鍍鎳、噴/塗/烤漆、電泳、遮護等技術來處理。

本發明包含碳鋼基材陽極前處理(基材表面熱噴塗鋁、工件退火應力消除、試片尺寸修整、表面研磨、表面拋光)；普陽處理(低電壓常溫普陽處理)；；陽極處理(高電壓低溫硬陽處理)；陽極後處理(脫酸、封孔、拋光)等步驟，結構示意圖如第1圖所示。

本發明專利之創新點在於(1)利用噴塗鋁與陽極處理法使鋁陽極膜附著於碳鋼表面上，使碳鋼獲得高硬度、耐磨耗、耐腐蝕、顏色多樣化等表面特性。(2)碳鋼表面的噴塗鋁層經過滾壓後可以降低鋁層內的氣孔率並阻擋住電解液滲透至碳鋼基材表面，使陽極處理技術可以直接在碳鋼表面實施。(3)為了使碳鋼表面獲得高品質的陽極處理膜，本發明的陽極前 處理步驟包含：碳鋼基材表面噴砂、噴塗鋁膜、工件退火應力釋放、熱滾壓、清洗、表面研磨、表面拋光等。(4)本發明利用硫酸+草酸+乙二醇水溶液來進行硬陽處理，硬陽處理步驟包含：直流高壓低溫陽極處理、脫酸、封孔、拋光等。(5)本發明利用硫酸水溶液來進行普陽處理，硬陽處理步驟包含：直流低壓常溫陽極處理、脫酸、染色、水洗、封孔、拋光等。

本發明提出在碳鋼表面上進行陽極處理的研究，用以提升碳鋼表面的耐腐蝕性、硬度、耐磨耗性、與電絕緣等特性，本發明利用電漿熔射法在碳鋼表面噴塗一層鋁材，再利用陽極處理法使鋁材表面產生一層陽極膜，此層陽極膜可以有效地改善碳鋼表面的性質，例如使碳鋼表面的硬度由150HV提升至500HV的軋延滾輪上的應用；使碳鋼表面的抗腐蝕性由原本的數分鐘內易產生銹蝕的現象改善至數十年內不會受到腐蝕的影響，此特性使碳鋼材可在高腐蝕環境上的應用；使原本碳鋼表面的導電性轉變成絕緣性良好的表面，此特性可使碳鋼材在靜電吸附板上的應用；使原本僅具金屬色澤的碳鋼表面具有多樣化色彩的特性，此特性可使碳鋼材更具有商品化的或是價值例如機電組件、設備部件、或公共工程產品上。

鋁或鋁合金經過硬質陽極氧化處理後可以生產出多孔且耐腐蝕的氫氧化鋁膜，此膜具有接近藍寶石的硬度，並且具有優良的耐磨性和耐化學侵蝕性，在陽極氧化過程中，一些氧化物在金屬-氧化物界面形成，而一些已經形成的氧化物同時溶解在陽極氧化膜的表面，在硬質陽極處理中，所產生的氧化物具有蜂窩狀結構，該蜂窩狀結構具有細孔，電解質可穿透該細孔，並且電流可通過該細孔，通過以各種方式密封該膜可以提高氧化膜的保護價值，常規的密封方法採用含有鉻酸鹽的熱水或沸騰的純水來水合部分氧化鋁並密封孔。硬質陽極氧化通過賦予鋁及其合金以使其與 通常被認為比鋁和鋁合金更堅硬的材料(如鋼)更具競爭力的特性，不斷發現其在工業上的廣泛應用，硬質陽極氧化鋁和鋁合金的磨損質量可以等於或優於表面硬化鋼，因此鋁部件可用於以前僅使用硬化鋼的應用。

純鋁置於大氣、室溫下表面易自然生成一厚度約1~10nm的Al₂O_3(α)薄膜，即使置於高溫爐內表面氧化層的最大厚度約為100nm，因此以該方法所產生的奈米孔洞，其孔洞之深度明顯不足，而以陽極處理方式所產生之AlOOH或Al(OH)₃厚度可達1~500um，在210~900℃間很安定、理論密度值為3.29~3.47g/cm³，具有吸濕性、且易被酸類侵蝕，因AlOOH或Al(OH)₃具有以上之特性，因此適用於產生奈米孔洞之材料。

陽極處理氧化鋁模板(AAO，Anodic Aluminum Oxide)，其可以形成具有垂直於基材表面之高度有序排列孔，而且AAO也具有極佳機械性質(高硬度、耐高溫)，所以極適合用於板法的製程。控制鋁陽極處理條件，使鋁基材表面產生一鋁陽極氧化膜，該氧化膜具有規則性排列奈米洞。

表面處理是適用於高強度重量比但易受表面劣化影響的材料的實用解決方案，鋁合金屬於活性材料，表面非常適合於陽極處理，陽極氧化物是自其母體基底生長出來的自組裝，高度有序的奈米氧化物管胞，這種氧化膜使鋁合金表面實現了高硬度同時具有良好的防護性的特徵。鋁表面氧化膜或陽極膜的特徵點可以歸納如下：

1. Al於大氣、室溫下表面易自然生成一厚度約10~100Å的Al₂O_3(α)薄膜。

2. Al₂O_3(α)的結晶構造為Rhombohedron，理論密度值為3.96g/cm²，實測密度值為3.99g/cm³，熔點為2050℃。

3. AlOOH或Al(OH)₃晶體結構為非晶，理論密度值為3.29~3.47g/cm³。

4. AlOOH或Al(OH)₃異於其它相的，有吸濕性，且易被酸類侵蝕。

5. AlOOH或Al(OH)₃在210~900℃間很安定。

6. 將AlOOH或Al(OH)₃加熱到750~1000℃，則AlOOH或Al(OH)₃漸變成Al₂O_3(α)。

7. 在900~1200℃間易引起AlOOH或Al(OH)₃相再結晶，而轉換為Al₂O_3(α)相。

8. 電解拋光可得實質上無氧化皮膜的表面。

9. 將Al加熱至600℃，氧化約8小時，可得Al₂O_3(α)厚度約200Å。

10. 經陽極處理所產生之Al₂O_3(α)氧化層厚度範圍為1~500μm。

11. 由陽極處理所生成的氧化膜為AlOOH膜。

12. 經陽極處理所產生之AlOOH氧化層厚度，因電解液種類及電解條件而異，而溫度易會影響氧化膜的溶解速率。

13. 陽極皮膜可抗弱酸及弱鹼，但溶於強酸及強鹼中。

14. 陽極處理之酸液可為過濾酸、硫酸、硼酸、草酸、磷酸鹽、草酸鹽、檸檬酸鹽、碳酸鹽、酒石酸鹽、錳酸鹽、矽酸鹽、鉻酸鹽及其它有機鹽。

15. 利用硼酸為主的陽極處理液，條件為硼酸：9~15%、電壓：50~500V(DC)、溫度：90~95℃，可生成厚度為0.1~0.3μm的彩虹色氧化層。

16. 利用草酸為主的陽極處理液，條件為草酸：3~5%、電壓：40~60V(DC)、溫度：3~5℃，可生成厚度為600μm的黃色氧化層。

17. H₂SO₄：90~100%，溫度：80~90℃、電壓從90增高至500V，電流密度為0.2~6/dm²，則所生成的氧化皮膜硬且抗蝕性佳。

18. AlOOH在有水分之處加熱時成為Al(OH)₃，其體積膨脹，以過熱水蒸氣將陽極皮膜處理短時間，皮膜會膨脹，閉塞小孔，成為不吸水性之氧化層，所以抗蝕性良好。

19. 電流密度過大逸散的氧量增加。

20. 電解液溫度上升，所生成皮膜的溶解量亦相對地增加。

本發明中所使用的兩種可量產之產業界成熟技術分別為熱熔射與陽極處理技術，熱熔射技術特徵與應用簡述如下：熱熔射塗層是一種以低溫製作厚膜的技術，在噴塗過程中同步對基材表面進行冷卻，可使基材表面溫度維持在150℃以下。熱熔射技術自1902年開發至今，陸續發展出其它相關的技術，如火焰熔射(Flame spraying)、高速火焰熔射(High Velocity Oxygen-Fuel；HVOF)、爆炸熔射Detonation gun；D-Gun)、直流電弧熔射(Arc spraying)、電漿熔射(Plasma spraying)、直流電弧-電漿熔射(DC Arc Plasma spraying)、射頻感應電漿熔射(RF induction plasma spray)、冷噴(Cold Spray)等，其中以HVOF可得最低孔隙率(1%以下)，Cold Spray有高堆積率、低氧 化物含量，Arc spraying具快速成型、堆積效率高、與低成本之特性，並適合大面積之噴塗作業。熱熔射技術早期被應用於重工業，如航空、汽車、發電廠、石油管路、與橋梁之表面改質，而近年來隨著半導體業的發展，熱熔射塗層也陸續的被應用於真空腔體、晶圓夾製具、或電極板的表面改質。陽極處理技術特徵與應用簡述如下：陽極處理由來被定義為成熟的傳統產業，其主要的應用如表面抗腐蝕、塗裝、裝飾、電絕緣、表面電鍍、耐磨性等表面改質應用，由於陽極氧化膜的多孔性結構，其後續需再經封孔處理步驟，應用時方能具有美觀與多色彩化的緻密膜。

本發明利用電弧熔射法在固體基材表面例如中碳鋼表面噴塗一層鋁膜再利用陽極處理製程於鋁膜表面成長一層高品質的陽極膜，包含(a)中碳鋼基材表面噴塗一層鋁膜，(b)工件熱滾壓，(c)陽極前處理、(d)陽極處理、(e)陽極後處理。

中碳鋼基材表面經過電漿熔射後可附著一層厚度約數百μm的噴塗鋁膜層在其表面上，然而，經電漿熔射後的鋁膜結構殘留有許多孔洞(大氣孔率)，這些孔洞將會使得後續的陽極處理過程中電解液直接接觸到碳鋼表面，而使得陽極處理失敗，為了確保噴塗鋁層在陽極處理過程中具有阻擋電解液接觸的碳鋼基材的功能，本發明進一步將熔射鋁層經過滾壓後可得到局部緻密的鋁層，其中靠近鋁層上表面為局部緻密，靠近碳鋼基材為多孔性熱噴塗鋁層，其中熱噴塗鋁層在未經過滾壓之多孔性熱噴塗鋁層的表面粗糙度為Ra=4.0~7.0μm，但在將該熱噴塗鋁層經過滾壓後，其表面之緻密性熱噴塗鋁層的表面粗糙度為Ra=0.5~3.0，另外，滾壓包括熱 滾壓製程、冷滾壓製程、或熱/冷滾壓複合製程，其中熱滾壓製程係將鋼材於150~350℃溫度，進行30%~80%變形加工，冷滾壓製程係將鋼材於室溫下，進行30%~80%變形加工。

本發明之一種碳鋼表面陽極處理其結構包含碳鋼基材、多孔性熱噴塗鋁層、緻密性熱噴塗鋁層、陽極處理層，其中多孔性熱噴塗鋁層的厚度介於100至1000μm之間、緻密性熱噴塗鋁層的厚度介於30至300μm之間、陽極處理層的厚度介於10至200μm之間，另外，陽極處理方式包含普通陽極處理或硬質陽極處理。

在化學反應中常常伴隨著吸熱或放熱反應發生，尤其是當大型工件進行化學反應時，此吸/放熱現象更是明顯，吸/放熱反應將影響到反應液的恆溫並使化學反應變得更不穩定，在吸/放熱的化學反應中又以通電輔助的電化學反應更是加速了反應熱量的產生，一般最簡單的做法是將反應槽直接置入溫控槽中，用來移除工件所產生的熱量，然而其限制乃是溫控槽的容量需大於反應槽的容量，更進一步的做法是將溫控槽內的液體抽出並循環於較大型的容器中，再將反應槽置入該大型的容器中，其可解決溫控槽容器的問題，以上反應槽所產生的熱量乃是利用反應槽壁將熱量傳給溫控槽，然而當工件體積較大時所需的反應槽勢必將增大，則反應槽中遠離槽壁的熱量將無法及時透過反應槽壁將熱量傳給溫控槽，而造成在吸熱或放熱反應過程中反應槽內的液溫持續的下降或增加，使得化學反應變得不穩定。

一基本的電化學反應系統應包含陽極、陰極、與電解液等三部分，本發明中將使用到電化學反應中的電解拋光與陽極處理步驟，一般 的文獻或教科書對於電化學的反應的描述為：電子在二電極間的外部金屬導線中移動，而離子則是由電解液傳遞，這種電子與離子的同步移動，構成了基本的電化學迴路，陽極又稱為氧化極，於反應過程中易失去電子或產生離子化，陰極又稱為還原極，於反應過程中易得到電子或接受離子，而電解液的濃度與外加電壓值則控制反應速率的快慢，電化學的應用包括：電鍍、電解、陽極處理、電池、與雙層電容器等應用，在相關的電化學製程量產中的標準設計，常將一開放式的陽極與陰極直接置入含有電解液的電解槽中，然而，開放式的陽極或陰極，將使電化學反應中產生，反應面積不易估算與電極邊緣反應速率較快等缺點。為了改善以上於實際電化學反應中所產生之缺點，工作電極必需被安置在特定的模具中，且電化學反應槽需要經過特別的設計。

第1圖 碳鋼表面陽極處理結構示意圖。

第2圖 碳鋼基材表面經普陽處理照片。

第3圖 碳鋼基材表面熱噴塗鋁顯微照片；(a)鋁膜厚度約540μm，(b)滾壓後鋁膜的厚度約250μm，(c)SEM照片顯示滾壓後的鋁膜，(d)SEM mapping AISI 1045的代表元素為Fe，噴塗鋁的代表元素為Al。

第4圖 碳鋼基材表面熱噴塗鋁經硬陽處理後的顯微照片；(a)蝕刻前，(b)蝕刻後。

當鋁置於特定的電解液中且控制適當的陽極處理參數，所形成的氧化膜具有規則狀的胞狀(cell)或奈米管結構，奈米管末端與鋁材的介面 則形成半球形的阻障層，奈米管的直徑、管密度、管壁厚度、與管長則依陽極處理參數而定。鋁於陽極處理時於表面生成氫氧化鋁陽極膜，該陽極膜成長之初以六角形孔洞往上方成長，隨著時間的增加該六角形孔洞周圍原子的排列漸成非規則性(disorder)的排列，所以孔洞漸轉為圓形孔洞。

鋁的陽極氧化膜在水中有兩種形式的反應；一是，在較低溫(40℃以下)，pH<4的水中，與水結合成(Al(OH)₃)，此反應在外加電壓(流)下可獲得較高的陽極模成長速率，稱之為陽極處理。另一種是在較高溫(80℃以上)的中性水中，Al(OH)₃與水化合成水合氧化鋁，這就是通常所指的水合封孔的反應過程，並且堵塞了胞狀氧化膜的孔隙。鋁陽極處理薄膜為管胞狀結構，為了提高鋁件表面的品質和染著色牢固，離子或色料著色後必須將氧化膜層的微細孔隙予以封閉，經過封閉處理後表面變的均勻無孔，形成致密的氧化膜，經封閉後的氧化膜不再具有吸附性，可避免吸附有害物質而被汙染或早期腐蝕，從而提高了陽極氧化膜的防汙染、抗蝕等性能。常用的著色後的封孔方法有水合封孔、無機鹽溶液封孔、透明有機塗層封孔。為了使陽極膜具有較高的乾淨度本研究利用沸騰的去離子水進行水合封孔。

陽極處理包含：陽極處理時間：5~120min、陽極處理液溫度：-4~30℃、陽極處理電流密度：0.5~12A/cm²、陽極處理電壓：7~110V。陽極處理液包含硫酸液、草酸液、磷酸液或混酸液等，詳細的操作條件如下：

硫酸液：含15~20vol.%硫酸，電壓是14~22伏特，操作溫度18~25℃，處理時10~60分鐘，皮膜厚度3~35μm，皮膜呈無色透明。硫酸液製程所得皮 膜抗蝕性良好，而且抗磨耗性佳，此製程若將操作溫度降至5℃以下，硫酸濃度降至7vol.%左右，處理電壓提高至23~120伏特，可以長時間處理以獲得厚至200μm以上的硬質陽極皮膜，應用於需耐磨耗的場合。

草酸液：含3~5wt.%草酸，電壓是40~60伏特，操作溫度0~20℃，處理時40~60分鐘，皮膜呈黃色，厚度10~65μm，此製程成本高於硫酸液製程。操作溫度可以降至3~5℃，經長時間處理以獲得厚達625μm的皮膜。草酸液的色澤較多樣化。

磷酸液：例如含1vol.%%磷酸，電壓是120~200伏特，操作溫度0℃以下，處理時間1~24小時，皮膜呈無色，厚度10~500μm；磷酸液處理之皮膜孔隙較大，適於後續電鍍。

以上3種陽極處理液較常用，其原因是，這3種電解液中形成皮膜時，實際上有一定的孔隙，允許鋁持續溶出以形成皮膜，同時其皮膜具有一定的溶解度，因此皮膜可以持續成長至其溶解速度與成長速度相等為止，但是，它種電解液如硼酸液，酒石酸液等，其生成的皮膜很緻密，不易再允許鋁經由電解溶出，因之僅能形成很薄的皮膜。皮膜管胞的大小為硫酸<草酸<磷酸。

根據以上的製程之電壓、電解液成份、陽極處理時間的變化、與擴孔時間等參數改變，則陽極氧化鋁的孔徑可被控制於10至500nm內，例如(i)利用10vol.% H₂SO₄電解液、18V外加電壓可製得10至25nm孔徑的陽極氧化鋁，(ii)利用3wt.% C₂H₂O₄電解液、40V外加電壓可製得30至90nm孔徑的陽極氧化鋁，(iii)利用1vol.% H₃PO₄、195V外加電壓電解液可製得180至500nm的陽極氧化鋁。

【實施例1】

鋁的硬陽層是通過在含有酸(例如硫酸，磷酸，草酸或鉻酸)的強電解質中對鋁進行電化學氧化而產生的，這些酸可以歸類為“硬陽極氧化酸”，調整電解液的濃度、電解液溫度、電流密度，以使氧化膜的形成速率大於氧化膜溶解的速率，使電解液銹導出鋁材表面的鋁離子並形成硬質氧化膜，其中硫酸的濃度通常在5~10vol.%濃度範圍內、電解液的溫度通常低於0℃、陽極氧化開始時的直流電壓介於15至18伏之間，過程結束時介於40至90伏之間、陽極氧化時間約為0.5~2小時、鋁合金種類合決定了陽極氧化過程中溫度，電壓，電解液濃度和時間的條件。

【實施例2】

陽極前處理：噴塗鋁膜表面的乾淨度、粗糙度、亮度、或殘留應力層等是影響後續陽極處理膜品質的重要因素，陽極處理表面前處理包括：

碳鋼基材表面噴砂(#60氧化鋁砂)：功能為碳鋼基材表面除銹、快速使基材表面的粗糙度達到均勻化、與提升基材表面的粗糙度以利於後續噴塗鋁膜的附著；

噴塗鋁膜：(電弧熱熔射)經過噴塗製程後碳鋼基材表面可以附著一層厚度約數百μm的鋁膜；

退火應力釋放(200℃、30min)：若表面殘留應力不均勻將造成後續陽極膜的厚度不均勻與陽極膜顏色的色差等現象；

熱滾壓(200℃、滾輪滾壓進行30%~80%變形加工)：提升噴塗鋁膜的緻密性、

清洗、除油(脫脂劑、超音波震盪、10min)：表面需要除去的污染物包括工件在機械加工過程中沾染的各種油污、殘餘拋光膏、手印跡、油封、表面蠟質等；

表面研磨(SiC水砂紙#100~#1000)：控制噴塗鋁表面粗糙度、

表面拋光：包含機械拋光(0.3μm氧化鋁拋光粉)或化學拋光(95 ℃磷酸溶液、10min)：提升噴塗鋁表面的亮度效果。

【實施例3】

陽極處理與後處理：陽極前處理與後處理可協助鋁材經過陽極處理後在其表面形成一高品質的陽極膜，陽極前處理包括：

基材退火應力消除(200℃、30min)、

試片尺寸裁減、

表面研磨(#1200 SiC砂紙)、

表面拋光(氧化鋁拋光粉)；陽極處理：硬膜陽極處理(0.5~2hr、-4℃、75V、1~10A/cm²(ASD))；陽極後處理包括：

脫酸(去離子水、25℃、5min)、

中和(10wt.%碳酸氫鈉、25℃、5min)、

水洗(清水)、

封孔(去離子水)等、

表面拋光(氧化鋁拋光粉)等。

【實施例4】

硬膜陽極處理：硬膜陽極處理又稱硬陽處理，其膜厚超過50μm以上，但是皮膜因厚度的增長超過正常的極限而產生推擠現象，所以皮膜會有較粗糙的現象發生，所以一般處理超硬膜處理的工件往往需要再做一次機械性的加工或研磨，再將皮膜研磨去除約10μm，此時的皮膜硬度將會比未研磨前的硬度更堅硬而潤滑度更優良。常見的硬膜陽極處理的製程步驟包含：

軟化(Softening；硫酸，50℃)

退膜(Stripping；氫氧化鈉，75℃)、

化學清洗(Chemical Cleaning；硝酸，25℃)、

化學拋光(Chemical Polishing；磷酸，95℃)、

化學粗化(Slight chemical polishing；氟化銨25℃)、

陽極處理(Anodization；硫酸，-4℃)、

脫酸(deacidification,；清水，60℃)

封孔(Sealing；清水，100℃)、

乾燥(Drying；熱風，50℃)等。本發明硬膜陽極處理簡化以上步驟，主要的步驟包含：(1)將表面拋光後 的樣品置入治具中並移入含有硫酸+草酸+乙二醇的混酸溶液(6vol.% H₂SO₄+2.4wt.% C₂H₂OH+5vol.% EG)電化學槽中進行硬膜陽極處理(1~10A/cm²、75V、-4℃、0.5~2hr)；(2)將樣品移出電化學槽後移入脫酸槽(H₂O、60℃、5min)；(3)封孔(H₂O、100℃、40min)；(4)拋光(1μm氧化鋁拋光粉)。

【實施例5】

普通陽極處理：普陽極處理可在酸性浴或鹼性浴中進行，本研究普陽處理的電解液乃是利用10vol.%的硫酸溶液，常見的陽極處理的製程步驟包含：除油、除油水洗、鹼蝕水洗1、鹼蝕、鹼蝕水洗2、出光、出光水洗1、出光水洗2、陽極氧化、氧化水洗1、氧化水洗2、電解著色、著色水洗1、著色水洗2、著色水洗3、著色水洗4、電泳、電泳水洗1、電泳水洗2、封孔、封孔水洗、風乾和固化等複雜步驟。本研究普陽處理簡化以上步驟，主要的步驟包含：(1)將表面拋光後的樣品置入治具中並移入含有硫酸溶液的電化學槽中進行普陽處理(15V、20℃、20min)；(2)將樣品移出電化學槽後移入脫酸槽(H₂O、60℃、5min)；(3)將樣品移入染色槽中(染色溶液、50℃、3min)；(4)清洗樣品表面的殘留色料溶液；(5)封孔(H₂O、100℃、40min)；(6)拋光(1μm氧化鋁拋光粉)。經普陽後所呈現的照片如第2圖所示

【實施例6】

碳鋼基材表面經過電漿熔射後可附著一層厚度約540μm的噴塗鋁膜層在其表面上，然而，經電漿熔射後的鋁膜結構殘留有許多孔洞(大氣孔率)，這些孔洞將會使得後續的陽極處理過程中電解液直接接觸到碳鋼表面，而使得陽極處理失敗，為了確保噴塗鋁層在陽極處理過程中具有阻 擋電解液接觸的碳鋼基材的功能，本發明進一步將熔射鋁層經過滾壓後可得到緻密的鋁層，第3圖顯示AISI 1045碳鋼基材表面熱噴塗鋁顯微照片；(a)噴塗鋁膜具有多孔性的顯微結構，表面具有大粗糙度(Ra=5.25)，鋁膜的厚度約540μm，(b)經過滾壓後鋁膜的厚度下降至約250μm，厚度減薄率為53.7%，且表面粗糙度大幅的下降(Ra=1.84)，粗糙度下降率為65.0%，(c)SEM照片顯示滾壓後的鋁膜可以崁入碳鋼表面因噴砂所造成的凹槽中，進而強化鋁膜在碳鋼表面上的附著力，(d)SEM mapping AISI 1045的代表元素為Fe，噴塗鋁的代表元素為Al，經由mapping的影像可以明顯的看出鋁膜崁入碳鋼的凹槽內。

【實施例7】

噴塗鋁經過硬陽處理後可在其表面形成一層陽極膜，第4圖顯示AISI 1045碳鋼基材表面熱噴塗鋁經硬陽處理後的顯微照片，此照片也說明了噴塗鋁經過滾壓後確實可以阻擋住電解液滲透至碳鋼基材表面，(a)顯示硬陽膜仍然殘留有許多的孔洞缺陷，(b)顯示利用5wt.% NaOH溶液來蝕刻噴塗鋁與硬陽膜，5Vol.%硝酸+酒精溶液來蝕刻碳鋼後，可看出更明顯得顯微結構，其中噴塗鋁與硬陽膜殘留有大量的缺陷，雖然硬陽膜殘留有大量的缺陷，然而硬陽膜的高硬度與抗腐蝕能力足以提供碳鋼表面的保護作用。

Claims (6)

1. 一種具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料，包括：碳鋼基材、鋁層與鋁陽極處理層；進一步地該鋁層包括局部緻密性熱噴塗鋁層以及局部多孔性熱噴塗鋁層，該局部多孔性熱噴塗鋁層係靠近碳鋼基材一側，該局部緻密性熱噴塗鋁層係靠近鋁陽極處理層一側；其中，該局部多孔性熱噴塗鋁層係崁入碳鋼基材表面由噴砂所形成的凹槽中。
2. 如請求項1之一種具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料，其中多孔性熱噴塗鋁層的厚度介於100至1000μm之間，緻密性熱噴塗鋁層的厚度介於30至300μm之間，鋁陽極處理層的厚度介於10至200μm之間。
3. 如請求項1之一種具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料，其中該緻密性熱噴塗鋁層的表面粗糙度為Ra=0.5~3.0μm。
4. 一種製造具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料的方法，依序包括以下步驟：碳鋼基材表面噴砂、熱噴塗鋁膜、退火應力釋放、滾壓、清洗、除油、表面研磨表面拋光、表面陽極處理；其中碳鋼基材表面噴砂係使用#60氧化鋁砂進行，上述步驟係用以依序產生具備下列結構之鋼鐵材料，包括：碳鋼基材、鋁層與鋁陽極處理層；其中該鋁層包括局部緻密性熱噴塗鋁層以及局部多孔性熱噴塗鋁層，該局部多孔性熱噴塗鋁層係靠近碳鋼基材一側，該局部緻密性熱噴塗鋁層係靠 近鋁陽極處理層一側；其中該局部多孔性熱噴塗鋁層係崁入碳鋼基材表面由噴砂所形成的凹槽中。
5. 如請求項4之一種製造具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料的方法，其中滾壓係將碳鋼基材於150~350℃溫度下，進行30%~80%變形加工。
6. 如請求項4之一種製造具有表面陽極處理結構之鋼鐵材料的方法，其中滾壓係將碳鋼基材於室溫下，進行30%~80%變形加工。

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