文| 林招松　國立臺灣大學

 

    心靈導師與捉天鵝

 

    我在1987 年6 月畢業于國立臺灣大學機械工程學系，同年9 月進到機械研究所制造組潘永寧教授實驗室，研究A356 鋁合金的鑄造凝固冷卻參數、鑄件孔洞率、與鑄件機械性質的關系。在機械所就讀的同時，我在臺大材料研究所修習了材料熱力學、材料動力學、物理冶金、金屬凝固學和電子顯微鏡學等課程，也因此發現自己對材料很感興趣。

 

    1991 年服完兵役后，我便申請美國材料研究所的博士班，并在同年10 月進到美國西北大學材料科學與工程研究所Meshii 教授實驗室，研究汽車用熱浸鍍鋅鋼板的界面反應、鍍層微結構與鋼板成型性的關系。當初在西北大學材料系選填指導教授時，每位學生可以填列三個研究主題，我在臺大機械所就讀期間臺灣中鋼公司甫成立不久，臺大材料所創所所長張順太教授即是由中鋼公司第一任研發處處長轉任， 課堂上張教授多次談到臺灣中鋼生產的鋼鐵單價僅有日本鋼鐵的一半，每次我都感受很深，心想鋼鐵基礎知識在提升鋼鐵質量與附加價值是如何的重要。所以，我填的三個志愿都和鋼鐵有關，事后想想自己何其有幸進到Meshii 教授的實驗室。他不僅是一位指導教授更是一位心靈導師，

 

    我的博士論文研究從準備橫截面TEM 試樣開始，然而在一年級期間的研究可以說是履試屢敗，因為鐵和鋅的物理與機械性質差異大，鐵和鋅的機械研磨、離子減薄、與化學腐蝕速率很難控制到相當，一直無法獲得鐵/ 鋅界面有足夠的電子束穿透薄區。我還記得在1992 年春季結束時， Meshii 教授曾找我到他的辦公室，然后說要講一個捉鵝的故事給我聽。

 

    Meshii 教授說：“如果我要你到西北大學校園的湖（緊鄰密西根湖邊有一個約足球場大的小湖）里捉一只天鵝回來，你可不可能做到？”

 

    我回答：“沒有辦法達成！”

 

    他問：“為什么？”

 

    我答：“因為我沒有在湖里看過天鵝！”

 

    “對！因為湖里沒有天鵝！”Meshii 教授哈哈大笑，接著這樣子跟我說：“所以， 如果這個研究題目做不出來，那并不是執行者的問題，而是下指令人的問題。”在教授這樣的鼓勵與支持之下，最終，我才成功克服困難，以橫截面TEM 分析了熱浸鍍鋅層的微結構，解析了鋼板碳含量和磷含量對熱浸合金化反應速率與相衍生的影響。Meshii 教授用講故事的方式來指導我， 鼓勵我如何看待研究上的失敗，這樣的方式深深影響了我，20 年來我也用同樣的方式教育我的學生，看到他們研究上的失敗（其實研究上常常是一直的挫敗與滿滿的沮喪），不斷嘗試，最終能完成論文，是我當老師的最大樂趣。
 

 

 

Meshii教授2002年退休紀念會合影（左邊第三位為Meshii教授、右二為林招松）
 

    像傻子一樣做電鍍基礎研究

 

    拿到博士學位之后，我在1995 年3 月回到臺灣，就像當年立志到美國學鋼鐵， 中鋼公司原本是我就業的第一志愿。然而， 中鋼公司于1994 年民營化，正值所有人事凍結的時期，所以我當時并未如愿。不過由于中鋼雖有電鍍鋅產線，卻沒有熱浸鍍鋅產線，我就和中鋼開始合作進行“電鍍鋅鎳合金”的基礎研究。這是我的研究上從火法冶金轉換跑道到濕式冶金的第一個重要轉折點。我記得我在承接中鋼公司連鑄銅模的電鍍鎳建教合作計劃時，中鋼公司新材料研究發展處的黃重裕處長對我說， “臺灣竟然還有有沖勁的傻子愿意做電鍍的研究”；而之后，隨著微機電（MEMS） 制程開始受到重視，我們在電鍍鎳基合金的成果也有了新的應用領域。

 

    而在建立了電化學相關研究的基礎之后，我們也開始集中心力研究替代六價鉻鈍化處理與電鍍硬鉻的制程。而這些研究則以鋁合金及鎂合金的鈍化處理為主。2006/7 歐盟公布有害物質限用指令（RoHS） 限用六價鉻和鉛等物質，對臺灣表面處理產業沖擊很大整體而言，制造業約占臺灣GDP 的30%，所制造的相關產品大都外銷， 所以遵守國際相關規范與指令相對非常重要。而我們的研究正是著眼于此，以開發可適用于鋁合金及鎂合金的非鉻鈍化處理為目標。

 

    以輕金屬而言，鎂和鋁都是不錯的材料，但兩者在耐蝕性上差異很大。鋁的氧化層致密，化成處理可以提升其抗蝕性， 同時做為后續涂裝層的中介層，提升其附著性。目前鋁合金在建筑上大量用于鋁門窗， 其六價鉻化成處理有很好的障蔽保護性能， 同時大大提升涂裝層的附著性， 如果改為無鉻處理， 仍有抗蝕能力不足的問題， 所以臺灣部分在地用的鋁門窗還是使用六價鉻化成處理。相反地， 臺灣航空用鋁合金產業主要是承接國際民航客機零組件的代工，受到RoHS 指令影響， 目前也積極改用三價鉻化成處理。而這些制程所用的藥水和操作參數，都必須遵守國際代表廠商的認證。我們針對2- 系列和7- 系列的高強度鋁合金析出物的效應， 藉由建立析出物種類與形貌和酸洗以及化成參數的關系，對應到最終抗蝕性（鹽霧試驗）與腐蝕行為（蝕孔衍生與合并）的了解，修正認證藥水的前處理，已獲得性質符合國際規范的三價鉻鈍化處理制程。在未來大家乘坐的飛機中，都會有三價鉻鈍化處理鋁合金零組件在上面。

 

    和要求高可靠度的航空用鋁合金相比， 鎂合金現階段的應用仍著重在3C 殼件的部分。由于3C 產品的使用周期較短，對耐蝕性的要求亦較低，所以目前鎂合金3C 部件都已采用非鉻的鈍化處理。但即使如此， 我們仍不斷研究并試圖開發各種不同鎂合金化成處理，以期尋求一個真正足以在抗蝕能力上取代六價鉻化成處理的系統，使得鎂合金的應用得以進一步擴展至不同領域。然而這一點并不容易達成。由于鎂本身的化學性質過于活潑，此一事實是無法改變的，因此在大多數的化成系統中，無可避免地會形成大量的氫氧化鎂。而與鋁合金表面的氧化鋁或氫氧化鋁不同的是， 從化學性質來看，氫氧化鎂并不足以提升鎂合金的抗蝕能力。除此之外，當氫氧化鎂的量過多時，鈍化膜容易因為干燥脫水而造成體積收縮產生裂紋，對于抗蝕能力也有很大的殺傷力。因此，如何設計一個鈍化處理，可以有效降低氫氧化鎂的影響， 并藉此制備一個致密無裂紋的鈍化膜，一直是我們的目標。

 

    整體而言，鎂的機械性質與化學性質， 提供了我們在材料開發與應用上很大的想象空間。基于我們目前已完整建立的鎂合金鈍化膜成膜機制、缺陷與抗蝕性的關系， 同時感謝丁文江院士在《腐蝕防護之友》提出的“腐蝕可控即為利”的概念，我們正試著以控制鈍化膜缺陷來調控鎂合金的抗蝕性，或許不久將來可以利用鎂合金高化學活性的特性，發展特殊的腐蝕工藝制程，進而拓展鎂合金的應用領域，例如作為生物可降解結構材。