CN105506567B - 用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳铝基过渡涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压铸铝合金外壳的铝基过渡涂层制备方法，用真空磁控溅射离子镀设备，采用多个电弧Cr基靶或Ti基靶在压铸铝合金手机外壳表面沉积形成Cr基底层或Ti基底层后，以多对均匀安装在炉体内壁的平面Al靶作为Al的来源，高纯Ar作为溅射气体，保证有效的辉光放电过程和靶材溅射，再在Cr基底层或Ti基底层上制备纯Al涂层。制备的压铸铝合金外壳，经后续阳极氧化处理后测试，氧化层外观色泽均匀，呈现各种色泽，氧化层显微硬度为Hv500，样品弯折180度后涂层无脱落，中性盐雾试验的耐蚀性超过48小时，完全达到了铝合金外壳的氧化涂层质量技术指标要求。

Description

用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳铝基过渡涂层制备 方法

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳表面的铝基过渡涂层设计及其制备方法。

背景技术

智能手机一般要求轻质和便于携带，其外壳应具有完美的装饰性，以及抗划伤、耐腐蚀、耐磨损等优异的使用性能。因此，手机外壳多以不锈钢、铝合金、镁合金或塑料等材料制成，特别是铝合金金属外壳近年来普遍流行并得到广泛应用，其外观及触摸质感极佳，而且其易于上色，更能表现产品美观及设计感，这是不锈钢和工程塑料所无法比拟的。铝合金质量轻，但本身硬度不高，耐磨损性能不足，而电位又比较负，在空气中长时间放置就会氧化腐蚀。因此，铝合金手机外壳表面一般均采用阳极氧化技术来改善其外观装饰性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能。其原理是在含有氧化剂的电解液中，通过电压放电，外壳作阳极发生氧化反应，在表面生成一层厚度约十几微米的Al₂O₃各种鲜艳色彩的陶瓷涂层，同时显著改善了外壳的耐磨损、抗划伤和抗腐蚀性能及良好的手感。

目前铝合金手机外壳主要采用数控机床加工(CNC)而成，但由于外壳形状复杂，加工工艺繁杂、加工精度高、生产周期长，难以满足大批量和高效率的生产要求，导致铝合金手机外壳采用CNC加工成本一直居高不下，市场竞争力下降。基于此，近期手机制造行业正在研发铝合金压铸一次成型技术以替代CNC加工技术，有望显著提高手机外壳的加工效率，生产成本也会大幅下降。但铝合金外壳压铸过程中很容易产生一些收缩气孔、杂质成分偏析、残余应力和显微组织改变等，这对外壳后续氧化处理时的表面质量带来很大影响，主要表现为氧化层光洁度差、针孔多、氧化色泽不均匀和局部变形等。目前压铸外壳产品表面氧化处理的合格率仅20％左右。因此，急需研发针对压铸成型铝合金外壳的表面处理新工艺。

真空等离子体气相沉积镀膜技术在手机外壳表面防护涂层处理领域的成功应用已有十余年历史，该方法采用真空等离子体气体放电原理沉积涂层，具有工艺过程稳定、生产效率高、涂层综合性能优良，以及生产过程绿色环保等诸多优点。近年来不锈钢手机外壳采用真空中频磁控溅射镀膜技术，先后镀制出满足不同市场需要的TiN、TiO₂、CrN、TiC、DLC、ZrN等高品质涂层，不但外观装饰效果优异，而且其耐磨和耐蚀性能也显著提高，获得了消费者的广泛认可和好评。然而，铝合金手机外壳还未见真空镀膜技术的应用报道，特别是以苹果手机为代表的新一代压铸铝合金外壳仍采用单一的阳极氧化处理工艺，氧化层外观光洁度、色泽的均匀性和稳定性等，相对于CNC加工外壳，出现不同程度下降，产品的合格率亟待提高。分析认为，主要原因是氧化之前的高温压铸成型过程中出现了铝合金变形应力、收缩气孔、成分偏析等，这些压铸工艺缺陷在随后氧化时极易导致涂层外观光洁度或色泽较差，而性能不均易使涂层在使用过程中早期脱落，或不耐磨损，或不耐腐蚀。综上看出，基于真空等离子体气相沉积镀膜技术的工艺优势，以及生产过程的高效环保等显著优点，在此基础上研发具有优异的外观装饰性能和综合使用性能的压铸铝合金手机外壳表面处理新技术已显得越来越重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳的铝基过渡涂层制备方法，该方法采用真空磁控溅射离子镀技术，制备的铝基过渡涂层具有稳定均匀的金属光泽，表面光滑致密，消除了压铸铝合金外壳的各种表面缺陷，完全可以满足后续阳极氧化涂层工艺加工要求。

为了实现上述任务，本发明采取如下的解决方案：

一种用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳铝基过渡涂层制备方法，其特征在于，用真空磁控溅射离子镀设备，采用多个电弧Cr基靶或Ti基靶在压铸铝合金手机外壳表面沉积形成Cr基底层或Ti基底层后，以多对均匀安装在炉体内壁的平面Al靶作为Al的来源，高纯Ar作为溅射气体，保证有效的辉光放电过程和靶材溅射，再在Cr基底层或Ti基底层上制备纯Al涂层。

本发明的用于后续阳极氧化处理压铸铝合金外壳的铝基过渡涂层制备方法，其主要技术效果在于，在压铸铝合金外壳表面上完成底层Cr基或Ti基制备后，设计了一个纯Al过渡涂层，用于后续氧化工艺处理需要，以保证氧化涂层的外观色泽均匀，耐磨性能和耐腐蚀性能显著提高。

采用本发明，相对于单一阳极氧化技术直接在压铸铝合金基体上制备氧化涂层，制得的该复合涂层技术有许多显著优点，例如，单一结构的Al2O3涂层与铝合金基体结合不好，特别是压铸外壳产生的针孔等缺陷难以在氧化过程中消除，综合性能指标也无法满足用户需要。本申请采用先进的等离子体气相沉积技术，预先制备出理想的铝基过渡涂层，不但满足了氧化涂层成分和微观结构的匹配，消除了压铸件表面缺陷，而且保证了氧化涂层综合使用性能的技术要求。另外，在本申请中，Cr基底层或Ti基底层主要是改善Al涂层与基体的结合力及基体防腐蚀性能，Al涂层主要是满足后续氧化工艺处理需要。

本发明制备的压铸铝合金外壳，具有金属光泽的Cr基(或Ti基)底层/Al过渡涂层，其表面光滑致密，涂层总厚度为5.0～8.0μm，其中Cr基(或Ti基)底层和Al涂层厚度分别为0.2μm～1μm和4.8μm～7μm。经后续阳极氧化处理后测试，氧化层外观色泽均匀，呈现各种色泽，氧化层显微硬度为Hv500，样品弯折180度后涂层无脱落，中性盐雾试验的耐蚀性超过48小时，完全达到了铝合金外壳的氧化涂层质量技术指标要求。

附图说明

图1为本发明的真空磁控溅射镀膜设备的靶材结构示意图。

以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1：

本实施例给出一种1050纯铝合金(市售，其中含量：Al：99.50％，余量为Si、Cu、Mg及其不可避免的杂质)压铸手机外壳表面制备Al基过渡涂层的方法。需要说明的是，本发明的方法制备的Al基过渡涂层，可以在任何铝合金压铸的手机外壳、笔记本电脑外壳及其它智能终端机外壳等上进行，不限于以下的实施例。

本实施例的具体制备过程是：

(1)采用尺寸为145mm×75mm×6mm的1050纯铝合金压铸的手机外壳作为样品，经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水。

(2)将预处理好的样品放入真空磁控溅射离子镀设备(带有观察窗)的转架台上，如图1所示，转架台可以转动，保证了镀膜过程的均匀性。

(3)采用靶材尺寸为760mm×100mm×10mm的3对平面Al靶作为相应Al的来源，如图1所示，平面Al靶均匀安装在炉体内壁上，并通过调整中频脉冲电源的电流控制上述平面Al靶的溅射率；采用3个φ100mm×20mm电弧Cr基靶作为底层Cr基的来源；采用高纯Ar作为靶材溅射气体。

(4)磁控溅射离子镀制备Al基过渡涂层的优化工艺条件为：

A)样品等离子体清洗：

样品装入真空磁控溅射离子镀设备的真空室后，抽真空并加热到100℃，保持真空室温度始终不变。通入50ml/min的高纯Ar进入到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开启偏压电源，调整偏压为-150V，对真空室内的样品表面进行刻蚀轰击，持续30min。

B)Cr底层制备：

调节氩气流量到30ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，然后开启3个Cr电弧靶电源，调节Cr基靶电流为70A，偏压电源的偏压为-100V，在样品表面制备Cr基底层，沉积时间20min。

C)Al涂层制备：

Cr基底层制备完成后，关闭3个Cr基电弧靶，电源偏压-100V和氩气流量30ml/min不变，在真空室温度100℃、气压0.3Pa下，打开3对Al磁控靶，每对Al磁控靶电流为25A，在Cr底层上制备纯Al涂层，沉积时间200min。

在上述工艺条件下，制备的Cr底层/Al过渡涂层表面光滑致密，涂层总厚度为5.0μm，其中Cr基底层和Al涂层厚度分别为0.2μm和4.8μm。经后续阳极氧化处理后测试，氧化层外观色泽均匀，氧化层显微硬度为Hv500，样品弯折180度后涂层无脱落，中性盐雾试验的耐蚀性超过48小时。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同的是，将3个φ100mm×20mm电弧Cr基靶换成Ti基靶，制备Ti底层/Al过渡涂层，其制备过程及过程涉及的参数均同实施例1。

制备的压铸铝合金外壳经后续阳极氧化处理后测试，氧化层外观色泽均匀，氧化层显微硬度为Hv500，样品弯折180度后涂层无脱落，中性盐雾试验的耐蚀性超过48小时。

Claims (1)

1.一种用于后续阳极氧化处理的压铸铝合金外壳铝基过渡涂层制备方法，其特征在于，具体按照下列步骤进行：

(1)纯铝合金压铸外壳经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水；

(2)将清洗处理的纯铝合金压铸外壳放入真空磁控溅射离子镀设备的转架台上，转架台可以转动，以保证镀膜过程的均匀性；

(3)采用多个电弧Cr基靶或Ti基靶作为底层Cr基或Ti基的来源，在压铸铝合金外壳表面沉积形成Cr基底层或Ti基底层；

(4)以多对均匀安装在炉体内壁上的平面Al靶作为Al的来源，用高纯Ar作为靶材溅射气体，通过调整中频脉冲电源的电流控制所述多对平面Al靶的溅射率，在Cr基底层或Ti基底层上制备纯Al涂层；

镀膜工艺条件为：

A)压铸铝合金手机外壳等离子体清洗：

压铸铝合金外壳装入真空磁控溅射离子镀设备的真空室后，抽真空并加热到100℃，保持真空室温度始终不变，通入50ml/min的高纯Ar进入到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开启偏压电源，调整偏压为-150V，对真空室内的压铸铝合金外壳表面进行刻蚀轰击，持续30min；

B)Cr基底层或Ti基底层制备：

压铸铝合金外壳经等离子体清洗后，调节氩气流量到30ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，然后开启Cr电弧靶或Ti基电弧靶电源，调节Cr基靶或Ti基靶电流为70A，偏压电源的偏压为-100V，在压铸铝合金外壳表面制备Cr基底层或Ti基底层，沉积时间20min；

C)Al涂层制备：

Cr基底层或Ti基底层制备完成后，关闭Cr基电弧靶或Ti基电弧靶，电源偏压-100V和氩气流量30ml/min不变，在真空室温度100℃、气压0.3Pa下，打开Al磁控靶，每对Al磁控靶电流为25A，在Cr基底层或Ti基底层上制备纯Al涂层，沉积时间200min；

经后续阳极氧化工艺处理后测试，氧化层外观色泽均匀，氧化层显微硬度为Hv500，样品弯折180度后涂层无脱落，中性盐雾试验的耐蚀性超过48小时。