CN103215603A - 电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用 - Google Patents

电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用 Download PDF

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金义栋
祝闻
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Abstract

本发明公开了一种电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用，采用电解腐蚀的方法对基体表面进行浸蚀，在基体表面形成特殊的粗化形貌，使涂层与基体间形成强烈的机械咬合，同时由于涂层的特殊形貌对涂层与基体界面应力具有明显的缓和效果，两方面的作用使涂层/基体界面结合强度明显提高，同时设备和材料成本低廉，操作简单。

Description

电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用
技术领域
本发明涉及化工技术领域，特别是涉及一种电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用。
背景技术
固态涂层材料与基体的结合强度是关系涂层能否发挥其功能作用的关键因素，如何提高膜基结合强度一直是功能涂层（薄膜）材料领域的热点研究课题。特别是采用物理气相沉积或化学气相沉积等低温非热平衡方法所制备的涂层，由于处理温度低，涂层与基体间难以形成牢固的冶金结合，使得涂层与基体间的结合强度较低。同时由于通常的涂层与基体属于不同种物质，涂层与基体在组成、结构及物理、化学性能上的差异必然导致界面处的不匹配和界面应力的产生，涂层也会在制备过程中残留足够使其脱落的残余应力。尤其是硬质涂层，其应力难以在涂层内以变形方式松弛，从而在涂层内贮存大量弹性能，并作用于涂层与基体的界面上，带来膜基结合强度上的问题，最终引发涂层的脱落而导致体系的失效。
目前降低涂层/基体界面应力或提高涂层/基体界面结合强度的主要技术手段包括：1) 基体镀膜前对其表面粗化预处理，如采用表面微粒子喷砂粗化预处理可以增强涂层与基体基界面机械咬合，消除应力集中;2)在界面间设置中间层、过度层、梯度层或多层膜；3)通过离子注入或热扩散在界面间形成混合区；4) 涂层沉积后退火处理。上述方法或单独使用或组合使用，已成为实际应用中最基本的方法。其中，基体表面粗化预处理由于效果显著，是最常用的方法之一。基体表面粗化预处理效果较好的是采用机械的方法或微粒子喷丸方法，但此法对设备和材料要求高，如微粒子的尺度要求达到数十纳米级(或以下)才有很好的效果，由于粒径小易团聚、且容易扬尘因此对设备的设计和制造要求较高，且微粒子价高、易耗损。为此，研究者正在寻求新的基体表面预处理方法。有人(李明, 蔺增, 巴德纯, 张海鸣. 不锈钢预处理对合成类金刚石碳膜的影响[J].真空, 2009, 43(5): 16-18 )研究了采用化学浸蚀的方法对基体进行表面粗化预处理，如利用纯硫酸、纯硝酸、纯盐酸等腐蚀基体后镀膜，以促进形核进而改变涂层的附着力，但没有取得效果。电解腐蚀常用于金相试样的制备、金属材料的表面抛光等。但到目前为止，尚无利用电解腐蚀进行金属或合金基体表面粗化预处理，从而提高涂层与基体结合强度的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用。本发明采用电解腐蚀的方法对金属或合金基体表面进行浸蚀，在其表面形成特殊的粗化形貌，然后再作涂层处理，使涂层与基体间形成强烈的机械咬合，同时由于涂层的特殊形貌对涂层与基体界面应力具有明显的缓和效果，两方面的作用使得涂层具有优良的界面结合强度。
本发明所述的电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用，采用常规的显示金属或合金金相组织的腐蚀剂作为电解液，对需要涂层处理的金属或合金基体进行电解腐蚀，使基体表面粗化，以增强在金属或合金表面进行涂层处理时涂层与基体的结合强度，具体技术方案如下：
以体积比浓度为50%的硝酸溶液为电解腐蚀液,在电压为3V、电流强度为1A的条件下对基体进行20s～50s的电解腐蚀，然后进行常规的涂层处理。
电解腐蚀后，在金属或合金表面上形成了均匀分布的亚微米级的致密微孔，这些微孔的形成有利于增加涂层与基体间的机械咬合或“钉扎”效应，从而提高了涂层与基体间的结合强度。同时，由于通过电解腐蚀后，基体表面呈现出一个个晶粒所特有的晶体学形貌，使后续涂层处理后，形成了为这些晶粒所分割的“分块断续涂层”，使原来连续涂层中的高残余应力获得释放，同时也增强了对外载荷应力作用的抵抗，最终反映为涂层与基体间结合强度的提高。
附图说明
图1是对不锈钢基体表面未采用和采用电解腐蚀预处理后镀硬质碳涂层，然后对其进行压痕实验后获得的涂层压痕扫描电镜照片：(a)未腐蚀（b）电解腐蚀35s。
图2是对不锈钢基体表面采用不同时间电解腐蚀预处理后镀硬质碳涂层，然后对其进行压痕实验后获得的涂层压痕金相显微镜照片：(a)未腐蚀 (b)电解腐蚀20s (c)电解腐蚀35s (d)电解腐蚀50s。
图3是对不锈钢基体表面未采用和采用电解腐蚀预处理后镀硬质碳涂层，然后采用扫描电子显微镜观察获得的涂层表面微观形貌的扫描电子显微镜照片：(a)基体未腐蚀涂层 (b)基体电解腐蚀后涂层。
图4是对不锈钢基体表面未采用和分别采用常规化学腐蚀及电解腐蚀预处理后，采用扫描电子显微镜观察获得的基体表面微观形貌的扫描电子显微镜照片：(a)原始基体表面形貌；(b)80s 化学腐蚀后基体表面形貌；(c) 35s 电解腐蚀后基体表面形貌。
本发明的有益效果是：将电解腐蚀应用于提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度，可使涂层/基体界面结合强度显著提高，同时设备和材料成本低廉，操作简单。
具体实施方式
实施例1：
采用镜面抛光304奥氏体不锈钢片作基体，用150ml硝酸+150ml纯净水混合液作为电解腐蚀液,电压为3V，电流保持在1A,对不锈钢样片基体进行20s的电解腐蚀。腐蚀完后利用超声波清洗仪在无水乙醇中清洗10min去除表面附着杂质，同时将没有作任何预处理的相同不锈钢样片作为对比件用同样方法清洗10min，将上述清洗后的基片冷风吹干后放入真空镀膜机，利用物理气相沉积工艺在其上镀上一层厚度约1μm的硬质碳涂层。然后利用洛氏硬度计对其进行压痕实验，采用扫描电子显微镜观察压痕边缘及内部涂层脱落情况，比较涂层结合强度的变化。如图1所示是压痕的扫描电镜照片，与未腐蚀基体相比，电解腐蚀后的涂层压痕的边缘几乎没有观察到涂层脱落情况，压痕内部的斑点状脱落也比未腐蚀的要少得多。可见，基体经过20s电解腐蚀后再涂层，涂层与基体的结合强度得到了明显的提高。
实施例2：
采用镜面抛光304奥氏体不锈钢片作基体，用150ml硝酸+150ml纯净水混合液作为电解腐蚀液,电压为3V，电流保持在1A,分别对不锈钢样片基体进行20s、35s、50s的电解腐蚀。腐蚀完后利用超声波清洗仪在无水乙醇中清洗10min去除表面附着杂质，同时将没有作任何预处理的相同不锈钢样片作为对比件用同样方法清洗10min，将上述清洗后的基片冷风吹干后放入真空镀膜机，利用物理气相沉积工艺在其上镀上一层厚度约1μm的硬质碳涂层。然后利用洛氏硬度计对其进行压痕实验，利用金相显微镜观察压痕边缘及内部涂层脱落情况，比较涂层结合强度的变化。如图2所示是压痕的金相显微镜照片，从图2可以看出，经过电解腐蚀后的涂层压痕边缘涂层的剥落现象比未经基体腐蚀的得到了大幅度缓解，且随着腐蚀时间的延长，涂层的剥落现象越不明显。由此可知，基体的电解腐蚀有利于涂层界面结合强度的提高，且在一定范围内随着电解腐蚀时间的延长效果越明显。 
实施例3：
采用镜面抛光304奥氏体不锈钢片作基体，用150ml硝酸+150ml纯净水混合液作为电解腐蚀液,电压为3V，电流保持在1A,对不锈钢样片基体进行35s的电解腐蚀。腐蚀完后利用超声波清洗仪在无水乙醇中清洗10min去除表面附着杂质，同时将没有作任何预处理的相同不锈钢样片作为对比件用同样方法清洗10min，将上述清洗后的基片冷风吹干后放入真空镀膜机，利用物理气相沉积工艺在其上镀上一层厚度约1μm的硬质碳涂层。然后利用扫描电子显微镜观察涂层的表面形貌。如图3所示是涂层的扫描电镜照片，撇开压痕区不看，对涂层区进行观察可以发现，基体未经电解腐蚀的涂层呈平滑连续状、而基体经过电解腐蚀后的涂层呈现出为基体晶粒所分割的“分块断续涂层”形貌，这种“分块断续形貌”有利于原来连续涂层中高残余应力的释放，同时也增强了对外载荷应力作用的抵抗，最终反映为涂层与基体间结合强度的提高。
实施例4：
采用镜面抛光304奥氏体不锈钢片作基体，用150ml硝酸+150ml纯净水混合液作为电解腐蚀液,电压为3V，电流保持在1A,对不锈钢样片基体进行35s的电解腐蚀。为了与一般的化学腐蚀作比较，同样采用镜面抛光304奥氏体不锈钢片作基体，用硝酸擦拭不锈钢基体表面，进行化学腐蚀，擦拭时间为80s。然后利用扫描电子显微镜观察基体的表面形貌。如图4所示是三种基体的表面扫描电镜照片，从图中可以看出，原始基体表面呈现出约5~10μm左右的奥氏体晶粒形貌，经化学腐蚀后，表面仍可观察到同样尺度的奥氏体晶粒，只是晶粒内出现了化学腐蚀导致的尺度约为1~2μm的粗大凹凸，而经过电解腐蚀的基体表面晶粒内呈现出均匀致密分布的尺度约为0.3~0.5μm的微孔，这些微孔的形成极大地增强了涂层与基体界面间的机械咬合，使得涂层与基体间的界面结合强度获得提高。而化学腐蚀后表面形成的较大的凸起，由于呈钝角状，对涂层与界面间的机械咬合贡献不大，因此对涂层与基体界面间的结合强度的改善并不明显。

Claims (4)

1. 电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用。
2.根据权利要求1所述的电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用，其特征在于，采用常规的显示金属或合金金相组织的腐蚀剂作为电解液，对需要涂层处理的金属或合金基体进行电解腐蚀，使基体表面粗化，以增强在金属或合金表面进行涂层处理时涂层与基体的结合强度。
3. 根据权利要求1或2所述的电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用，其特征在于，以体积比浓度为50%的硝酸溶液为电解腐蚀液,在电压为3V、电流强度为1A的条件下对基体进行20s～50s的电解腐蚀，然后进行常规的涂层处理。
4. 根据权利要求3所述的电解腐蚀在提高硬质涂层与金属或合金基体结合强度中的应用，其特征在于，电解腐蚀时间为35s。
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