TWI467042B - 鋁合金表面防腐處理方法及其製品 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種鋁合金表面防腐處理方法及其製品。
鋁合金具有品質輕、散熱性能好等優點，在通訊、電子、交通運輸、建築及航太航空等領域應用廣泛。在空氣中鋁合金表面會形成氧化鋁保護膜，在一般的大氣環境下，鋁合金表面的氧化鋁膜能夠有效地對鋁合金基體進行保護，但在含有電解質的濕氣中，例如海洋表面大氣環境，鋁合金表面容易出現點蝕，嚴重破環鋁合金製品的外觀，同時導致製品使用壽命縮短。
耐鹽霧侵蝕性能係鋁合金耐腐蝕性能的一個重要參數，為了提高鋁合金的耐鹽霧侵蝕性能，通常需要對鋁合金表面進行表面成膜處理，常見的處理手段有陽極氧化處理、烤漆等，但這些工藝都存在較大的環境污染問題。而真空鍍膜(PVD)技術雖係一種非常環保的鍍膜工藝，且可鍍製的膜層種類豐富、耐磨性能優異，但PVD工藝沉積的薄膜往往係以柱狀晶形態生長，因此膜層存在大量的晶間間隙，導致薄膜緻密性不夠而無法有效地防止鹽霧的侵蝕。
有鑒於此，有必要提供一種可效提高鋁合金耐鹽霧侵蝕性能的鋁合金表面防腐處理方法。
另外，還有必要提供一種由上述方法製得的鋁合金製品。
一種鋁合金表面防腐處理方法，包括以下步驟：
採用無水乙醇對鋁合金基材進行超聲波清洗；
以純鈦為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在鋁合金基材表面濺鍍鈦氧氮化合物層；
以純鉻為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在該鈦氧氮化合物層上濺鍍鉻氧氮化合物層。
一種鋁合金製品，包括鋁合金基材及形成於該鋁合金基材表面的複合薄膜，該複合薄膜包括形成於鋁合金基材表面的鈦氧氮化合物層及形成於該鈦氧氮化合物層上的鉻氧氮化合物層。
相較於習知技術，由上述鋁合金表面防腐處理方法所製得的鋁合金製品由於其表面具有由鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜，該複合薄膜由比較細小的晶粒組成，晶間間隙比較小，該複合薄膜表面非常緻密，可有效防止鹽霧侵蝕，因此可有效提高鋁合金的抗腐蝕性能。
本發明鋁合金表面防腐處理方法主要包括如下步驟：
（1）採用無水乙醇對鋁合金基材進行超聲波清洗，以除去試樣表面油污。
（2）以純鈦為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在經清洗後的鋁合金基材表面濺鍍鈦氧氮化合物(TiON)層。該步驟在磁控濺射設備中進行，濺射參數如下：真空腔內真空度為5×10-3
Pa~9×10-3
Pa，腔體溫度為100~180℃，轉架轉速為0.5~1轉/分鐘，氬氣流量為150~300sccm（標準狀態毫升/分鐘），氧氣流量為10~100sccm，氮氣流量為10~80sccm，鈦靶功率為6~12kw，偏壓為-100~-300V，占空比為40%~60%，濺射0.5~1.5小時。
（3）以純鉻為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在鈦氧氮化合物薄膜表面濺鍍鉻氧氮化合物（CrON）層。該步驟在磁控濺射設備中進行，濺射參數如下：真空腔內真空度為5×10-3
Pa~9×10-3
Pa，腔體溫度為100~180℃，轉架轉速為0.5~1轉/分鐘，氬氣流量為150~300sccm，氧氣流量為10~150sccm，氮氣流量為10~100sccm，鉻靶功率為6~12kw，偏壓為-100~-300V，占空比為40%~60%，濺射0.5~3小時。由此在鋁合金基材表面獲得由鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜。該複合薄膜的厚度大約0.6~2.5μm。
較佳地，步驟（2）和步驟（3）在同一磁控濺射設備中進行。
較佳地，上述步驟（3）中（即濺鍍該鈦氧氮化合物層時）總的氣壓大於上述步驟（2）中（即濺鍍該鉻氧氮化合物層時）總的氣壓。
較佳地，步驟（2）和步驟（3）中氮氣流量與氧氣流量之比大約為1：1~1：3。
請參閱圖1，由上述鋁合金表面防腐處理方法所獲得的鋁合金製品10，包括鋁合金基材11及形成於鋁合金基材11表面的複合薄膜13，該複合薄膜13包括直接形成於該鋁合金基材11表面的鈦氧氮化合物層131，及形成於該鈦氧氮化合物層131上的鉻氧氮化合物層132。其中，該鈦氧氮化合物層131中鈦原子個數百分比為40%~65%，氧原子個數百分比為25%~50%，氮原子個數百分比為10%~20%。該鉻氧氮化合物層132中鉻原子個數百分比為50%~70%，氧原子個數百分比為20%~45%，氮原子個數百分比為5%~10%。該複合薄膜13由直徑大約為4~7nm的晶粒組成。
下麵藉由實施例來對本發明進行具體說明。
實施例1
採用無水乙醇對鋁合金試樣進行超聲波清洗大約30分鐘。將清洗好的鋁合金試樣放入中頻磁控濺射鍍膜機的真空腔中。本實施例所使用的中頻磁控濺射鍍膜機為深圳南方創新真空技術有限公司生產，型號為SM-1100H。
開啟真空泵對真空腔抽真空並設定真空度為8×10-3
Pa，開啟轉架並設定轉速為0.5轉/分鐘，開啟真空腔烘烤並設定真空腔內溫度為120℃。
待真空腔的真空度抽至上述設定值後，通入工作氣體氬氣及反應氣體氧氣和氮氣，氬氣流量為150sccm，氧氣流量為30sccm，氮氣流量為20sccm，開啟鈦靶並調節鈦靶功率為8kw，鈦靶偏壓為-200V，占空比為50%，濺射0.5小時，以在鋁合金表面形成一層鈦氧氮化合物層。
然後關閉鈦靶，調節氧氣流量為40sccm，氮氣流量為30sccm，開啟鉻靶並調節鉻靶功率為8kw，鉻靶偏壓-200V，占空比為50%，濺射1小時，以在鈦氧氮化合物層上形成一層鉻氧氮化合物層，從而在鋁合金基材表面獲得由鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜。
實施例2
實施例2與實施例1類似，不同之處在於，本實施例開啟鉻靶時氧氣流量調節為80sccm，氮氣流量調節為50sccm，其他條件均與實施例1相同。按照實施例2亦可製得表面形成有由鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜的鋁合金製品。
由實施例1和實施例2製得的鋁合金製品的複合薄膜形貌、結構比較類似，且具有類似的防腐性能。
對比例
採用與實施例1相同的中頻磁控濺射鍍膜機對鋁合金試樣進行濺射，與實施例1不同的係靶材為鉻靶，反應氣體為氮氣，氮氣流量為60sccm，鉻靶功率為8kw，鉻靶偏壓為-200V，占空比為50%，濺射0.5小時，在鋁合金試樣表面濺鍍單組分氮化鉻(CrN)薄膜。
對實施例1鍍製的鈦氧氮化合物和鉻氧氮化合物複合薄膜和對比例鍍製的氮化鉻(CrN)薄膜分別用掃描電鏡觀察其表面形貌，所用掃描電鏡儀為日本電子生產的型號為JSM-6701F的場發射掃描電鏡儀。圖2為本發明實施例1鍍製的鈦氧氮化合物和鉻氧氮化合物複合薄膜的掃描電鏡圖，圖3為對比例鍍製的氮化鉻(CrN)薄膜的掃描電鏡圖。相較於圖2，圖3示出的單組分氮化鉻(CrN)薄膜由比較粗大的晶粒構成，且表面存在大量較大的晶間間隙；而由鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜由非常細小的晶粒組成，晶粒平均直徑大約為4~7nm，晶間間隙比較小，該複合薄膜表面非常緻密。
對由本發明的方法所製備的鍍覆有所述複合薄膜的鋁合金試樣和對比例所製得的鍍覆氮化鉻(CrN)薄膜的鋁合金試樣進行35℃中性鹽霧（NaCl濃度為5%）測試。結果發現，對比例所製得的表面鍍覆氮化鉻(CrN)薄膜的鋁合金試樣4小時後就發生明顯腐蝕；而由本發明實施例的方法所製備的表面鍍覆有複合薄膜的鋁合金試樣在72小時後才出現有腐蝕現象。
可見，由本發明的鋁合金表面防腐處理方法所製得的鋁合金製品由於其表面具有鈦氧氮化合物層和鉻氧氮化合物層組成的複合薄膜，該複合薄膜可有效防止鹽霧侵蝕，因此可提高鋁合金的抗腐蝕性能。
10．．．鋁合金製品
11．．．鋁合金基材
13．．．複合薄膜
131．．．鈦氧氮化合物層
132．．．鉻氧氮化合物層
圖1為由本發明較佳實施例的鋁合金表面防腐處理方法所製得的鋁合金製品的剖視示意圖。
圖2為本發明一實施例製備的複合薄膜的放大10萬倍的掃描電鏡圖。
圖3為一採用磁控濺鍍法製備的氮化鉻薄膜的放大5萬倍的掃描電鏡圖。
10．．．鋁合金製品
11．．．鋁合金基材
13．．．複合薄膜
131．．．鈦氧氮化合物層
132．．．鉻氧氮化合物層
Claims (12)
- 一種鋁合金表面防腐處理方法，包括以下步驟：
採用無水乙醇對鋁合金基材進行超聲波清洗；
以純鈦為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在鋁合金基材表面濺鍍鈦氧氮化合物層；
以純鉻為靶材，以氬氣為工作氣體，氮氣和氧氣為反應氣體，採用磁控濺射法在該鈦氧氮化合物層上濺鍍鉻氧氮化合物層。 - 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述濺鍍鈦氧氮化合物層步驟和濺鍍該鉻氧氮化合物層的步驟中，氮氣流量與氧氣流量之比均為1：1~1：3。
- 如申請專利範圍第2項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述濺鍍鈦氧氮化合物層步驟中氧氣流量為10~100sccm，氮氣流量為10~80sccm。
- 如申請專利範圍第3項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述濺鍍鈦氧氮化合物層步驟還在如下參數條件下進行：真空腔內真空度為5×10-3 ~9×10-3 Pa，腔體溫度為100~180℃，轉架轉速為0.5~1轉/分鐘，鈦靶功率為6~12kw，氬氣流量為150~300sccm，鈦靶偏壓為-100~-300V，占空比為40%~60%，濺射0.5~1.5小時。
- 如申請專利範圍第2項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述濺鍍鉻氧氮化合物層的步驟中氧氣流量為10~150sccm，氮氣流量為10~100sccm。
- 如申請專利範圍第5項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述濺鍍鉻氧氮化合物層的步驟還在如下參數條件下進行：真空腔內真空度為5×10-3 ~9×10-3 Pa，腔體溫度為100~180℃，轉架轉速為0.5~1轉/分鐘，鈦靶功率為6~12kw，氬氣流量為150~300sccm，鉻靶偏壓為-100~-300V，占空比為40%~60%，濺射0.5~3小時。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述鈦氧氮化合物層中鈦原子個數百分比為40%~65%，氧原子個數百分比為25%~50%，氮原子個數百分比為10%~20%；該鉻氧氮化合物層中鉻原子個數百分比為50%~70%，氧原子個數百分比為20%~45%，氮原子個數百分比為5%~10%。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金表面防腐處理方法，其中所述鈦氧氮化合物層與該鉻氧氮化合物層由直徑為4~7nm的晶粒組成。
- 一種鋁合金製品，包括鋁合金基材及形成於該鋁合金基材表面的複合薄膜，其改良在於：該複合薄膜包括形成於鋁合金基材表面的一鈦氧氮化合物層及形成於該鈦氧氮化合物層上的鉻氧氮化合物層。
- 如申請專利範圍第9項所述之鋁合金製品，其中所述該鈦氧氮化合物層中鈦原子個數百分比為40%~65%，氧原子個數百分比為25%~50%，氮原子個數百分比為10%~20%；該鉻氧氮化合物層中鉻原子個數百分比為50%~70%，氧原子個數百分比為20%~45%，氮原子個數百分比為5%~10%。
- 如申請專利範圍第9項所述之鋁合金製品，其中所述複合薄膜由直徑為4~7nm的晶粒組成。
- 如申請專利範圍第9項所述之鋁合金製品，其中所述複合薄膜的厚度為0.6~2.5μm。
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