簡報大綱 前言 原理導論 液態電漿技術 超臨界電漿技術 真空電漿技術 結論 1 2 3 4 5 6

液態電漿拋光技術之不鏽鋼錶殼研究 結案報告 計畫主持人：王昭凱 博士

報告內容 一、研究背景 二、不鏽鋼材料簡介 三、學理理論 四、實驗裝置 五、電漿拋光劑 六、表面特性測定 七、試驗技術資料 八、結論 九、計畫成果查核 十、參考文獻

一、研究背景—前言 不鏽鋼金屬製品的拋光技術，是一項雖有多年發展歷史，卻至今仍被又髒又累的手工勞動所主導的生產過程。 現有的拋光方法有：（1）各種機械拋光及隨後的清洗程序、（2）化學拋光、（3）電解拋光。上述這些方法中，法（1）不但要依靠又髒又累的體力勞動，而且針對有圖案的表面及複雜外型的零件很難達到是所希望的高質量外觀。（2）、（3）種方法都要使用對環境有污染和損害生產者健康的化學物品，且成本高，但是成效有限。 液體電漿拋光技術使用一項完全不同前述（1）、（2）、（3）的最新拋光方法，本方法不使用又髒又累的體力勞動，不使用對環境有污染和損害生產者健康的化學物品，而且能夠達到前者很難達到的高質量，拋光速度快，生產成本低 。此種最新拋光方法基於等離子體的繞射效果，和拋光作用的原理，且適用於具有蝕刻紋路的一般和複雜工件。  

一、研究背景—拋光方法比較 化學拋光 電解拋光 液體電漿拋光 拋 光 液 價格 貴 很低 毒性 大 無 老化 難再生 只需定期補充 廢液 多   化學拋光 電解拋光 液體電漿拋光 拋 光 液 價格 貴 很低 毒性 大 無 老化 難再生 只需定期補充 廢液 多 很少 廢液處理 難處理 無污染 拋前處理 複雜 不需前處理 拋後處理 需去除有害物 簡單沖洗 整平效果 差 較好 好 光亮效果 很好 對複雜零件 可 實現自動化 容易 操作 較難 拋光速度 慢 較快 快 對表面硬度影響 不明顯 有提高  

一、研究背景—液態電漿技術指標

二、學理理論—緒論 2.1 陰極還原反應 2.2 電漿侵蝕反應 2.3 電解副反應 在適當的操作條件下，工件表面會出現穩定的蒸氣氣體層，該氣體層會把被處理表面與電解質水溶液隔開，從而導致表面與電解液蒸氣之間產生強烈的等離子體化學和電化學反應，使被處理表面產生陰極還原反應，同時又使陰極氧化層受到電漿侵蝕反應，在還原速度與侵蝕速度相等時出現拋光效果，其表現為粗糙度下降及反射率提高

二、學理理論---操作條件 Electrolyte stable operation Temperature vapor thin film applied voltage arc discharge 2.1 陰極還原反應 2.2 電漿侵蝕反應

二、學理理論—電漿電壓 V = (V anode – V cathode) + I Relectrol + I RConduct V anode:陽極氧化電位 RConduct:電解質溶液電阻 V anode:陰極氧化電位 Relectrol:導體通路電阻

二、學理理論—電化學反應 Anode Cathode DC electric field 250V~350V Bulk electrolyte Gas layer Difussion layer DC electric field 250V~350V Metal Metaln+ + ne- metal corrosion H2 2H+ + 2e- hydrogen oxidation 2H2O O2+ 4H+ + 4e- oxygen evolution O2 + 2H2O + 4e- 4OH- oxygen reduction 2H2O + 2e- H2 + 2OH- hydrogen evolution Metaln+ + ne- Fe2+ Metal reduction

金屬還原電化學反應 2.1 陰極還原反應 MO + ne -  M + nOH – Example : Fe2O3 + 3e -  2Fe + 3OH – NiO2 + 2e -  Ni + 2OH – Cr2O3 + 3e -  2Cr + 3OH –

2.2 電漿侵蝕反應

Electron vs. Neutrals Excitation: e- + A → A* + e- 2.2 電漿電化學反應 Electron vs. Neutrals Excitation: e- + A → A* + e- Dissociation: e- + AB → A + B + e- Ionization: e- + A → A+ + 2e- Dissociative Ionization: e- + AB → A+ + B + 2e- Electron Attachment: e- + A → A- Dissociative Attachment: e- + AB → A- + B

Electron vs. Ions Metastable Collision Recombination: e- + A+ → A Disscociative Recombination: e- + A+B → A + B Metastable Collision A* + G → G+ + A + e- M* + M* → M + M+ + e- e- + M* → M+ + 2e-

A+ + CB (film) → A+C (film) + B (film) Ion vs. Neutrals A+ + BC → A+B + C Surface Reaction AB → A (film) + B A+ + CB (film) → A+C (film) + B (film)

2.3電化學副反應

2.3電化學副反應—陰極 H+ ions are attracted to negatively charged cathode; upon reaching it they acquire an electron and combine into molecules of hydrogen gas 2H+ + 2e  H2 (gas)

2.3電化學副反應—陽極 The SO4= ions are attracted to the anode, transferring electrons to it to form additional sulfuric acid and liberate oxygen 2SO4= ‑ 4e + 2 H2O  2H2SO4 + O2

三、不鏽鋼簡介 ※ 不銹鋼的成分與種類      不銹鋼是由鐵、鉻、碳及眾多不同元素所組成的合金，鐵是主要成分元素，鉻是第一主 要的合金元素。一般而言，鉻含量至少要占11%才能稱為不銹鋼，因為如果鉻含量不 足，則不銹鋼外表將無法形成那層緻密的氧化鉻保護膜，而失去防銹﹝腐蝕﹞的功能。不銹鋼之所以不易生銹，是因其含有鉻，在鋼表面上形成一層緻密的氧化鉻保護膜，厚    度約10~50A ﹝1A=10-8cm﹞。    若鉻的含量足夠，在常溫大氣中，是不會生銹的。      市場上可見的標準型不銹鋼就有180餘種，一般依其金相組織可以分為五大類： 

3.1 奧斯田系不銹鋼 no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 3.1 奧斯田系不銹鋼      平時最常看到的304不銹鋼即為此類，其標準成分是18%鉻加8%鎳，即一般所稱的18-8    不銹鋼。此類不銹鋼的特性為無磁性、無法藉由熱處理方法來改變其金相組織結構、加     工性佳，又因含合金元素--鎳，所以抗蝕性優於只含鉻﹝不含鎳﹞的另兩類不銹鋼。300系不銹鋼主要的用途有：一般民生用途如廚房餐具、建材、醫療衛生器材、食品加 工用材、交通工具、化工設備及管件、機械設備及零件。在一般人的心目中，所謂的不    銹鋼就是指300系不銹鋼等﹝尤其是指304不銹鋼﹞。  no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Remark 304 0.08 1.5 0.04 8.0~10.5 18.0~20.0

3.2 麻田散系不銹鋼      這類不銹鋼的代表性鋼種為410，其化學成分含13%鉻、0.15%以下的碳及少量的其他元 素合金。原料價格較便宜，具有磁性、可經由熱處理硬化、增加強度。但因不含鎳，其 抗腐蝕性劣於一般的304不銹鋼，故只能用於輕度腐蝕環境。一般用途有軸承、醫療用具及刀具等。  no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Remark 410 0.15 1.0 0.04 0.03 11.5~13.5

3.3 肥粒系不銹鋼      這類不銹鋼的代表性鋼種為430，其標準化學成份為16~18%鉻，含碳量低。此類不銹鋼 具有磁性，若我們所看見的不銹鋼板片可被磁鐵吸附住，很有可能便屬於此類不銹鋼。 因不含鎳而價格較廉，典型用途有廚房用具、織網及飾品等。  no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Remark 430 0.10 1.0 0.04 0.5 1.5~2.2 15.5~17

3.4 析出硬化型不銹鋼      美國鋼鐵協會AISI編號為600系不銹鋼。這類不銹鋼除了含鉻與鎳之外，還含有析出硬 化的元素如銅、鋁與鈦，使材料硬化、強度升高。這類不銹鋼的典型用途為：閥件、馬 達軸心、石化設備及高爾夫球頭等。  no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Remark 17-4PH 0.06 1.0 0.04 0.03 2.8~3.5 3.6~4.6 15.5~17.7 Nb 0.15~0.4

3.5 雙相不銹鋼      這類不銹鋼的典型鋼種為2205，即22%鉻和5%鎳。這類鋼種的特性是：強度佳﹝遠優於 304﹞耐蝕性亦佳，因此常用於石化業管線、壓力容器及心軸等。  no C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Remark 225 0.05 1.0 0.04 0.03 1.8~2.3 5.0~6.5 25~27 2.9~3.5 N 0.10~0.25 Nb 0.1~0.2

四、實驗裝置-電源供應器

4.2電漿拋光反應槽

4.3過濾循環裝置

4.4 恆溫裝置

五、液態電漿拋光劑—5.1化學特性 NH4---RR/K-RR RR: patented group Physical State: Solid Boiling Point: Not Applicable Solubility in Water: Appreciable – 70g/100ml Vapor Pressure: Not Applicable Melting Point: Decomposes at 280oC Vapor Density: Not Applicable pH: 3.9 (10% Solution) Flashpoint: Not Applicable Specific Gravity: 1.7 @ 60 o F Evaporation Rate: Not Applicable Appearance and Odor: Brown-gray to white crystals; slight ammonia odor Price: NT 4/g

5.2、液態電漿拋光劑—拋光液配製 取適量的自來水或純水(H2O)一份系1升 水溫加熱至70~80oC 一份(H2O)配製20~50g(NH4---RR )拋光劑 完全溶解後液態電漿拋光液即可操作使用 拋光液成本 NT100~200/kg

5.2、液態電漿拋光劑—拋光液分析 實驗原理 4NH4+ + 6HCHO = (CH2)6N4H+ + 6H2O + 3H+ NH4+是NH3的共軛酸，由于NH4+的解離常數(K =5.6×10-10)太小，因此不能用標準溶液直接滴定。本法採用甲醛法滴定。 NH4+和甲醛作用，按化學計量生成酸，它包括H+離子和離子化的六次甲基四胺，其反應如下： 4NH4+ + 6HCHO = (CH2)6N4H+ + 6H2O + 3H+ 生成的酸可用標準溶液直接滴定。生成的六次甲基四胺是一种弱的有机物使溶液微鹼性，可採用酚作指示撙，又由于上述反應是可逆的，在酸性溶液中反應不能定量完成只有滴定到微鹼性才能確定反應完全。

5.2、液態電漿拋光劑—拋光液分析 儀器與藥品 儀器：分析天平，滴定管，錐形瓶(250mL)，移液管（25 mL）。 藥品：0.1MNaOH 標準溶液，40﹪甲醛溶液，1﹪酚酞指示劑。

6.2、液態電漿拋光劑—拋光液分析 實驗步驟 l. 甲醛溶液的處理 甲醛常含有微量酸，事先用鹼液中和。可取原瓶中的甲醛清液倒於燒杯中，用水稀釋一倍，加入1 滴酚酞指示劑，用0.1MNaOH溶液滴定至甲醛溶液呈淡綻色。 2. 拋光液中氮含量的滴定 準確取樣品50~100ml，定量移至250mL容量瓶中，塞緊瓶塞，搖勻后平行移取25mL三份，分別置於250mL錐形瓶中， 各加水25mL，加入10mL的甲醛溶液，再加酚酞指示劑2滴，充分搖勻后鏡置10 分鐘。 用0.1MNaOH 標準溶液滴定至粉綻色，維持30 秒不褪色為止，記錄體積讀數,V 。 以w%=0.1M x V(ml)/1000 x 17.1計算拋光液的百分含量。 w%值的最適操作範圍:3~7% 。

七、金屬拋光表面特性—光澤度測定 光澤度計 Portable Gloss Meter 日本 1.20°/60°測定角可選擇 分離式感測頭，適用於折角處或狹窄面積測量    測量範圍0~100(解析度1)再現性±5%F.S.,±1 digit顯示範圍0~199受測面積60°時:6*3mm;   20°時:4*3mm光源LED,波長890mm受光器SPD,高精度矽光感應器校正方式ZERO,SPAN兩點校正

六、金屬拋光表面特性—粗糙度測定 主要技術參數: 測量參數：Ra、Rz、Ry、Rq、Rp、Rm、Rt、R3z、 顯示範圍：Rz、 Ry、Rt、Rp、Rmax、：0.02μ～160μ； Sm、S：1mm； tp：1～100%(%Ry)； 取樣長度l：0.25mm, 0.8mm, 2.5mm； 評定長度ln：1l～5l（可選）； 測量行程長度：3l～7l（可選）； 示值誤差：±10%； 示值變動性：<6%； 感測器類型：電感感測器； 針尖角度：90°； 針尖半徑：5μ； 針尖材料：金剛石； 最高分辨力：0.01μ； 可測量最小孔徑：2mm； 可測量曲面最小曲率半徑：3mm； 濾波器：RC、PC-RC、GAUSS、D-P； 標準：符合ISO/DIN/JIS/ANSI； 輪廓曲線：濾波輪廓、不濾波輪廓和tp曲線； 顯示：128×64點陣液晶（帶背光），可顯示全部參數及圖形； 資料輸出：標準RS232介面，可連接PC機和印表機； 列印輪廓放大比：Vv：200x～20000x Vh：20x、50x、200x； 電池容量：10000mAh(大於3000次測量)； 工作溫度：5～40℃； 主機外形尺寸：141mm×56mm×48mm；

六、金屬拋光表面特性—晶相測定 1.長工作距離鏡頭設計，中途更換倍率也不會碰損珍貴樣品。 2.優良PL平場高倍率物鏡，造就極佳影像品質。 3.三眼攝影頭設計，觀測即攝影分離，使用更便利。 4.內建上部平行光源，搭配完整濾鏡組，及簡易偏光裝置。 5.下部光源搭配阿貝式聚光鏡組及光欄，可用背光模式觀測或透光性元件。 6.高品質數位相機轉接目鏡，提供各大廠牌數位相機轉接攝影。

SUS303 18Cr-8Ni-0.15C SUS304 18Cr-9Ni-0.06C SUS316 18Cr-12Ni-0.06C 七、液態電漿拋光技術資料—試片測試 SUS303 18Cr-8Ni-0.15C SUS304 18Cr-9Ni-0.06C SUS316 18Cr-12Ni-0.06C Strip rate 1.2um/mim. 1um/mim. roughness ~0.1um ~0.08um brightness 75% 95% hardness 235+20HV 220+20HV 200+20HV

SUS304晶相圖 拋光前 拋光後 10分鐘 20分鐘

SUS316晶相圖 拋光後 拋光前 10分鐘 20分鐘

This is due to the fact that the oxidation layer is thin on the microscopically crowned region. And the strength of the electric field is high, the metal at the pointed position is strongly activated and can easily be corroded. When the oxidation speed and corrosion speed are the same, the coarse surface can be improved and the roughness of substrate can decreased sharply. Figure 2 Polishing effect on roughness of various substrates (SUS 303, 304 and 316) at 75ºC and 285 Volts

As the polishing time is increased, the oxidation layer is getting thinner and at the same time lower roughness to enhance the surface leveling , the highest reflectivity could be achieved. Figure 3 Polishing effect on Brightness of various substrates (SUS 303, 304 and 316) at 75ºC and 285 Volts

The higher hardness can be obtained as the increase of polishing time because the better performance(lower roughness and high leveling to enhance the hardness of substrate Figure 4 Polishing effect on Hardness of various substrates (SUS 303, 304 and 316) at 75ºC and 285 Volts

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,30min

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,20min

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,30min

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,30min

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,20min

7.5A. 不鏽鋼錶殼實體照片--- :300~315V, 80~85oC,30min

八、結論 1.錶殼表面光澤度可提升至>90% 2.實體電流負載: 6~15A/1個完整錶殼 3.錶殼表面粗糙度可降低至<0.15mm 4. 最適化拋光液化學組成有A(R-NH4). B (R-K)兩組 5.最適化拋光物理條件:300~315V, 80~85oC,20~35min 6.實體拋光速率~0.01~0.02g/min 7.最適化拋光液成本NT100~200/kg

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