CN1033655A - 铝合金表面离子沉积(Ti，Al)N硬质膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种在铝合金表面上离子沉积(Ti，Al) N硬质膜的方法。它采用空心阴极离子镀法，将钛、 铝料共同蒸发和电离，并通入反应气体N2生成(Ti， Al)N化合物，在200℃左右的低温下沉积于铝合金 表面。用该法得到的(Ti，Al)N膜的硬度高，耐磨和 耐蚀性好，结构致密，与基体结合牢固。该方法是一 种在铝合金表面生成有效硬质保护镀层的好方法。

Description

本发明涉及铝合金表面处理的方法。
通常，铝合金表面处理的方法主要有涂漆和阳极氧化法。
涂漆的目的是使金属和环境隔绝，以便起到防腐作用。但油漆复盖在铝合金上会使其导热性降低，同时耐磨作用也较差。
阳极氧化法是通过在铝合金表面产生Al2O3膜来起保护作用。此膜使铝合金表面的硬度可达HV＝400～600，但这种膜的表面是多孔的，所以对耐蚀性的改进不大。另外，Al2O3膜有脆性，膜厚和硬度不稳定，对铝合金表面耐磨性和抗咬合性能的提高作用也不明显。
国外为解决铝合金的装饰性，在物理气相沉积方面做过工作。如JP昭55-97469涉及一种铝制手表用指示零件的表面处理。该处理的方法是在铝材料制成的手表指针表面，采用离子镀或溅射镀Cr膜后，再离子镀或溅射镀Au膜。处理的目的主要是解决铝指针的装饰性和提高耐蚀性，并未考虑铝材料表面的耐磨性。
在硬质膜的镀复处理上，JP昭52-7879和JP昭57-161058中都是采用单纯的金属钛蒸发、电离后，再通入反应气体在钢铁基体上生成TiC，TiN和Ti（C，N）膜，由于存在较大的内应力，缺乏韧性，所以不适宜于作为铝合金材料表面的硬质镀层。同时，JP昭57-161058中处理时使用的温度（550℃）也较高，不适用于铝合金材料这种低熔点（＜660℃）的金属，处理时还容易使铝基材料产生严重热变形。
本发明的目的是提供一种在铝合金表面产生一种耐磨、耐蚀、韧性好的（Ti，Al）N硬质保护膜的方法。
本发明的方案是：采用空心阴极离子镀法，将钛和铝共同蒸发和电离，并通入反应气体N2反应生成（Ti，Al）N化合物，在200℃左右的低温下沉积于铝合金表面。
上述共同蒸发和电离的钛、铝料的重量配比分别为90～95%（钛）和5～10%（铝）。
为使被镀膜的铝合金基体温度不超过200℃，在镀膜过程中采用对主弧电流、工作真空度和烘烤电流三个工艺参数进行综合控制。
为使膜层与铝合金有牢固的结合力和使膜层结构致密，本发明通过改变磁场聚集线圈产生的磁场的极性，来改变炉内气体的离化率和电子束束斑的聚焦程度。
图一是铝合金表面的（Ti，Al）N膜和Ti-Al合金中间层示意图。
图二是炉内磁场极性分布的两种方式简图。
图三是铝合金表面的（Ti，Al）N膜的元素分析曲线。
图四是铝合金表面的TiN的磨痕形貌。
图五是铝合金表面的（Ti，Al）N的磨痕形貌。
下面对本发明作进一步详细解释：
本发明方案中所说的采用空心阴极离子镀法，是说所采用的设备为空心阴极离子镀装置。所说的共同蒸发和电离的钛、铝料是按上述给出的配比放入空心阴极离子镀装置中的坩埚里，其放置的方法是钛料在上面，铝料在下面。在空心阴极电子枪产生的电子束的作用下，先将上层的纯钛料熔化，后依靠钛熔液迅速使铝熔化。在蒸镀过程中，靠电子束在聚焦线圈磁场作用下产生的搅拌作用来使Ti-Al熔液保持均匀混合。当钛、铝料在真空下熔化蒸发后，在不通入反应气体的情况下，在工件上施加-30～-50v的负偏压，先蒸镀3～5分钟，以此在铝合金基体1上和（Ti，Al）N膜3之间获得一层Ti-Al合金中间过渡层2。以便增加（Ti，Al）N膜和铝合金基体的结合力。
前面所说的对三个工艺参数进行综合控制的控制范围为：主弧电流80～130A，工作真空度6.67×10-2～6.67×10-1Pa，烘烤电流0～80A。控制的原则是：在开始阶段，即蒸镀3～5分钟形成Ti-Al合金中间过渡层阶段，可在较高的真空度下进行，此时主弧电流可开得大些。在开始阶段以后，由于离子的不断轰击作用和坩埚中熔液的热辐射效应，会造成工件温度有升高的趋势，此时应关小主弧电流，但是为维持炉内的等离子放电状态，可以将真空度降低，以便再次保持炉内工作的稳定。烘烤电流在沉积中要逐步降低，在沉积的中间阶段即可全部关掉，只依靠离子的轰击作用和坩埚里熔液的热辐射效应就可以维持工件温度在200℃左右。
图二是用于改变炉内气体离化率和电子束束斑聚焦程度的两种不同的炉内磁场极性分布方式示意图。其中图二（a）中磁场极性为NS-NS分布，此种分布方式对电子枪4所发射的电子束7进行聚焦的两个线圈5，6所产生的磁场极性，会使得对电子束斑聚焦作用大，束斑小，能量密度高。这样对坩埚8中金属的熔化能力大，结果使钛、铝料在开始阶段就会迅速熔化。在钛、铝料已经熔化，并在工件上沉积了一层Ti-Al合金中间过渡层2之后，可将图二中的（a）方式转换成（b）方式的磁场极性分布。（b）方式的磁场极性为NS-SN分布，此种方式对电子枪4发射的电子束聚焦作用小，束斑大，能量密度低，但却使炉内气体的离化率增大。当钛和铝已熔成一体，成为钛-铝合金熔液后，其熔点远低于纯钛的熔点，此时利用能量密度低的电子束轰击也足以维持蒸发。这时大束斑的电子束有利于提高炉内气体的离化率，使得沉积膜层的质量得到改善;沉积的速度也提高，从而缩短了沉积所需要的时间，工件的温度也不致于升高。图二中磁场极性的改变是通过在聚焦电路中加接一个双向闸刀开关来实现的。
本发明与现有技术相比的积极效果是：
1、本发明实现的（Ti，Al）N膜和铝合金基体结合牢固，结构致密。
2、本发明的方法沉积速度快，只要40～45分钟即可达5μm左右。图三为经本发明工艺所镀膜层的表面元素分析曲线。
3、经本发明沉积的（Ti，Al）N膜层硬度高，使铝合金表面的耐磨性大大提高。表1为显微硬度值和磨损试验的结果。磨损试验的条件为上试样是灰口铸铁（HT20-40），下试样是铝合金，正压力75kg，用30号机械油润滑，磨损一小时。
表1    试样表面的显微硬度、膜厚和磨损试验结果
＊硬度不均匀。
4、（Ti，Al）N膜中的Al可使其内应力降低。表2为膜层内应力和加铝量的关系。
表3 膜层的内应力和加Al量的关系
膜的种类 应力σ（×103Mpa
纯TiN膜加5％Al的（Ti,Al)N膜加10％Al的（Ti,Al)N膜 -74.48-61.33-46.97
5、与TiN镀层相比，（Ti，Al）N镀层的韧性好。在相同的磨损条件下，TiN的磨屑呈脆性的片状剥落，而（Ti，Al）N膜的磨屑呈细小的游离粒子脱离，如图四和图五所示。
6、本发明的工艺过程节能、节水、无公害，劳动条件好。
下面是本发明的具体实施例：
利用本发明可在不同牌号的铸铝合金和电工用纯铝材表面进行离子沉积（Ti，Al）N膜。在有广泛代表性的材料ZL108铸铝制造的解放牌汽车活塞上沉积（Ti，Al）N膜的具体工艺如下：
（1）、经称重后将95%的Ti料（牌号TA1）和5%的纯A1料放入空心阴极离子镀装置的石墨坩埚中。装料方式如前所述。
（2）被镀工件严格清洗。先在三氯乙烯中用超声波清洗五分钟，再用丙酮清洗并用细纱布擦干，然后立即装入真空炉内。
（3）关上炉门，开启机械泵、扩散泵，使炉内真空度抽至6.67×10-3pa以上。
（4）通入氩气，使炉内真空度降至6.67pa，工件上施加一1.5kv的负高压，溅射清洗15～20分钟。
（5）关闭氩气，再对炉内抽真空，使炉内真空度恢复至6.67×10-3pa后，接通烘烤电流，在高真空度下烘烤20～30分钟，烘烤电流大约为100～120A。烘烤温度不得超过铸铝合金的时效温度（＜300℃）。烘烤时，要开动工件架的转动马达，使工件转动，以保证烘烤时工件温度的均匀性。烘烤结束后，降烘烤电流至80A。
（6）当工件降温至200℃后，通入氩气，将真空度降至6.67×10pa，引燃电子枪，引弧电压约220V，电流约12A。然后迅速开启主弧电流，调节主弧电压为65v，主弧电流约为120A左右。使炉内真空度升至6.67×10-2pa后，再次使主弧电压和电流恢复到上述数值，关闭引弧电流。此时，坩埚磁场聚焦线圈的极性采用如图二中的（a）方式，金属料迅速熔化。
（7）待金属料完全熔化后，打开坩埚上方的挡板，在工件上沉积一层Ti-Al合金层，沉积时间约为3分钟。此时工件上加-30v负偏压，工件始终保持转动，烘烤电流要逐步降低，使工件温度不超过200℃。
（8）沉积Ti-Al合金层3分钟后，通过切换坩埚磁场聚焦电路中的双向闸刀开关，把坩埚磁场的极性从图二中的（a）方式变为（b）方式。通入高纯度的反应气体N2（99.99%），使炉内工作真空度变为9×10-2pa，此时，炉内迅速发生放电反应，从观察窗上可以观察到桔黄色的美丽的辉光。
（9）为了使工件的温度维持200℃，随着处理的进行，如发现工件温度有上升时，可以关小主弧电流，并增加氩气通入量，降低真空度，这样可以继续维持炉内等离子放电状态，主弧电流可逐步降至80A，工作真空度可逐步调节到6.67×10-1pa。烘烤电流可以降为0，此时只需利用离子轰击和坩埚内熔液的热辐射作用就能维持工件温度不变。
（10）沉积时间为40分钟，沉积过程中始终使工件转动，并施加-30v的负偏压，沉积层的厚度约为5μm左右。
（11）沉积结束后，关小主弧电流和电压后，切断主弧电源，电子枪熄弧。关闭氩气（Ar）和氮气（N2），将炉内真空度抽至6.67×10-3pa以上冷却。此时，工件仍需保持转动。
（12）待工件冷至80℃以下后，可以出炉。

Claims (4)

1、一种在铝合金表面上离子沉积(Ti，Al)N硬质膜的方法，采用空心阴极离子镀，其特征在于：将钛、铝共同蒸发和电离，并通入反应气体N2反应生成(Ti，Al)N化合物，在200℃左右的低温下沉积于铝合金表面。
2、根据权利要求1所述的一种在铝合金表面上离子沉积（Ti，Al）N硬质膜的方法，其特征在于钛和铝的重量配比分别为：90～95%（钛）和5～10%（铝）。
3、根据权利要求1所述的一种在铝合金表面上离子沉积（Ti，Al）N硬质膜的方法，其特征在于所说的200℃左右的低温是采取工艺参数综合控制，即既控制主弧电流和真空度，又控制烘烤电流来实现。
4、根据权利要求1所述的一种在铝合金表面上离子沉积（Ti，Al）N硬质膜的方法，其特征在于在沉积过程中电离的电离度和电子束束斑的聚焦程度是通过改变电子束聚焦线圈磁场的极性来实现。
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