CN111621783A - 用于提高耐腐蚀性和使用寿命的金属紧固件的表面镀层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在腐蚀性极强的极限环境下有效防止由反应性气体和化学物质引起的腐蚀，并能够长时间保持耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性等性能，由此能够实现长使用寿命的金属紧固件的表面镀层方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高耐腐蚀性和使用寿命的金属紧固件的表面镀层方法。
背景技术
螺栓是用于固定建筑材料或机械部件的机械元件，通常是指带有螺纹的圆柱杆。通常，螺栓带有六角形头部，但也有方形、圆柱形、碟形等头部形状。最广泛使用的螺栓是贯穿螺栓，将螺栓插入到拧紧对象的孔中，然后用螺母拧紧。
另一方面，垫圈是介于螺母和螺栓与固定对象之间的环形部分，并显示分散压力的效果。其具体类型包括位于螺栓头部的下方并分散压力来保护工作表面的平垫圈、防止螺钉松动并起弹簧作用的略微呈螺旋形的锁紧垫圈、外侧有突起以使螺钉被牢固拧紧并不会松动的外齿锁紧垫圈、内侧有突起以使螺钉被牢固拧紧并不会松动的内齿锁紧垫圈等。
另一方面，这种螺栓或垫圈通常由铁(Fe)合金和作为铁合金之一种的不锈钢(stainless steel，SUS)制成，但这些材料根据使用环境在严苛的条件下频繁发生腐蚀，导致发生蚀刻现象。
然而，在结构上要求硬性的部件必须使用不锈钢材料来制成。为了在这些极限环境中使用不锈钢材料，需要改善不锈钢材料的耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子体性。因此，需要镀覆镍等，在根据现有技术的常规镀镍方法中，由于镀层剥离等问题而难以长时间保持如耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子体性等性能，且由于使用寿命较短而需要频繁更换。
发明内容
(技术问题)
本发明是为了现有技术的问题而研制的，其目的在于提供在极限环境下有效防止由反应性气体引起的腐蚀，并能够长时间保持耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性等性能，由此能够实现长使用寿命的金属紧固件的表面镀层方法及通过该方法进行表面镀层的金属紧固件。
本发明的技术问题并不限定于以上所述的技术问题，通过下述的记载，从业者可以明确地理解到未提及或者其他的技术问题。
(解决问题的方案)
在本说明书中,提供一种金属紧固件的表面镀层方法，其包括：步骤a)，去除金属紧固件的表面污染物；步骤b)，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆上述金属紧固件的表面来形成第一镀层；步骤c)，在400至1200℃的温度范围内对上述金属紧固件进行热处理，以使第一镀层渗透并扩散到上述紧固件的表面和内部；及步骤d)，在上述步骤c)后，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆金属紧固件来形成第二镀层。
并且，在本说明书中,提供一种金属紧固件，其为通过上述方法制造的经过表面镀层的金属紧固件，且上述金属紧固件的镀层从上述金属紧固件表面在金属紧固件内部方向上穿透并扩散到0.1至30μm范围的深度。
下面，对根据本发明的具体实施例的金属紧固件的表面镀层方法和经过表面镀层的金属紧固件进行更详细的说明。
如上所述，根据本发明的一实施例，可以提供一种金属紧固件的表面镀层方法，其包括：步骤a)，去除金属紧固件的表面污染物；步骤b)，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆上述金属紧固件的表面来形成第一镀层；步骤c)，在400至1200℃的温度范围内对上述金属紧固件进行热处理，以使第一镀层渗透并扩散到上述紧固件的表面和内部；及步骤d)，在上述步骤c)后，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆金属紧固件来形成第二镀层。
本发明的发明人通过实验发现，在结构上要求硬性的部件即由不锈钢材料制成的金属紧固件中，具体而言，在由不锈钢材料制成的螺栓或垫圈中，在形成第一镀层后进行热处理来使得镀层向母材(紧固件)的表面和内部方向渗透并扩散，以增强金属紧固件的表面和内部，然后以包含与第一镀层相同的成分的方式进行附加镀覆(形成第二镀层)时，就可以在极限环境中有效地防止母材腐蚀，并能够长时间保持如耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性等性能，以实现长使用寿命，从而完成了本发明。
首先，去除金属紧固件的表面污染物(步骤a))。
上述步骤是用于在金属紧固件的表面上形成镀层之前有效地去除上述紧固件表面上的杂质来顺利形成镀层的步骤，其可以通过本发明所属技术领域中常用的方法执行。作为一例，其可以通过酸洗或使用刷子的工序执行。
另一方面，本发明的金属紧固件是用于结合部件和部件或将部件结合到框架侧的紧固工具，其包括通过具备带有螺纹部分的螺栓和螺母、连接钩等来扣合的弹簧搭扣、位于螺栓头部下方并分散压力来保护工作表面的垫圈(washer)等各种紧固工具。具体而言，本发明的一实施例的金属紧固件可以为由金属制成的螺栓或垫圈，更具体而言，可以为由不锈钢材料制成的螺栓(bolt)或垫圈。
本发明的一实施例的螺栓是用于固定建筑材料或机械部件的机械元件，其可以为带有螺纹的圆柱杆，也可以为具有六角形头部的螺栓，但不受特别限制。
本发明的一实施例的垫圈为介于螺母和螺栓与固定对象之间的环形部件，也是显示分散压力的效果的机械元件。其可以为平垫圈、锁紧垫圈、外齿锁紧垫圈或内齿锁紧垫圈等，但不受特别限制。
其次，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆上述金属紧固件的表面来形成第一镀层(步骤b))。
在本步骤中进行的镀覆用于向金属紧固件，具体而言，向螺栓或垫圈赋予耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性。通过进行上述镀覆来形成的镀层(第一镀层)可以包括选自由镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、银(Ag)及铂(Pt)组成的组中的至少一种金属，更具体而言，可以包括耐腐蚀性良好的镍。
另一方面，根据本发明的一实施例，上述步骤可以通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法执行。另一方面，干镀可以是通过化学蒸汽沉积(chemical vapor deposition，CVD)或物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)镀覆方法形成镀层的，且湿镀可以通过电镀或化学电镀方法来进行。作为一例，在使用镍的电镀方法的情况下，使用代替硫酸镍、氯化铵、硼酸溶液或氯化铵添加氯化镍的溶液来将镍用作正极且将上述螺栓或垫圈作为负极通电来执行。另一方面，在使用镍的化学镀方法的情况下，可以在次磷酸盐的存在下化学还原镍离子来进行镀覆，且存在碱性槽和氧化槽。另一方面，在镀金包括钛的情况下，上述步骤可以通过干镀方法执行。
另一方面，本说明书中所用的术语“第一”、“第二”等应理解为任意排序以用于相互区分。
根据本发明的一实施例，通过上述步骤获得的第一镀层可以通过干镀形成且具有0.1μm的厚度或通过湿镀形成且具有10μm的厚度。另一方面，通过使第一镀层以上述厚度范围镀在紧固件表面上，能够确保高耐腐蚀性。
其次，在400至1200℃的温度范围内对上述金属紧固件进行热处理，以使第一镀层渗透并扩散到上述紧固件的表面和内部(步骤c))。
上述步骤是用于将所形成的第一镀层扩散到作为母材的金属紧固件，具体而言，用于将所形成的第一镀层扩散到螺栓或垫圈表面和内部来增强紧固件的表面和内部镀金的步骤。若通过上述步骤进行热处理，则可以有效地防止镀层的脱落。
本发明的一实施例的上述步骤可以在400至1200℃的温度范围热处理来执行。另一方面，热处理时间可以根据要将第一镀层的成分扩散并渗透到作为母材的紧固件(例如，螺栓或垫圈)的表面和内部的深度而选择性地调节，例如，可以为10分钟至5小时。
另一方面，根据本发明的一实施例，在母材为由不锈钢制成的金属螺栓或垫圈且在第一镀层中所含的成分为镍的情况下，当热处理温度和时间在上述范围内时，第一镀层的成分易于渗透并扩散到作为母材的紧固件表面和内部，且能够进一步去增强形成在螺栓和垫圈上的第一镀层，由此可以有效地防止根据使用和时间经过的镀层的脱落。具体而言，通过上述步骤，上述镀层成分可以以0.1至30μm范围的深度渗透并扩散到螺栓或垫圈的表面和内部。
其次，在上述步骤c)后，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆金属紧固件来形成第二镀层(步骤d))。
与上述步骤b)相同地，在本步骤中执行的镀覆用于向金属紧固件，具体而言，向螺栓或垫圈赋予耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性。通过在形成上述第一镀层后进一步形成上述第二镀层来增强渗透并扩散到母材表面和内部的由耐腐蚀性金属制成的第一镀层，由此具有进一步保护母材的效果。
另一方面，通过进行上述镀覆来形成的镀层(第二镀层)可以包括选自由镍、钛、铬、金、银及铂组成的组中的至少一种金属。具体而言，根据本发明的一实施例形成的第二镀层可以包括与上述第一镀层相同的成分，更具体而言，可以包括选自镍、钛及金钟的至少一种金属。根据本发明的一实施例，上述第一镀层和上述第二镀层可以分别基于总重量包含80wt％或更多的相同成分。如上所述，当第一镀层和第二镀层分别基于总重量包含80wt％或更多的相同成分时，第一镀层与第二镀层之间的相互结合力显著得到提高，因此能够更有效地防止镀层的脱落。
另一方面，根据本发明的一实施例，上述步骤可以通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法执行。另一方面，干镀可以是通过CVD或PVD镀覆方法形成镀层的，且湿镀可以通过电镀或化学电镀方法来进行。作为一例，在使用镍的电镀方法的情况下，使用代替硫酸镍、氯化铵、硼酸溶液或氯化铵添加氯化镍的溶液来将镍用作正极且将上述螺栓或垫圈作为负极通电来执行。另一方面，在使用镍的化学镀方法的情况下，可以在次磷酸盐的存在下化学还原镍离子来进行镀覆，且存在碱性槽和氧化槽。另一方面，在镀金包括钛的情况下，上述步骤可以通过干镀方法执行。
另一方面，根据本发明的一实施例，通过上述步骤获得的上述第二镀层可以通过干镀形成且具有0.1μm的厚度，或通过湿镀形成且具有3μm的厚度。另一方面，通过使第二镀层以上述厚度范围形成在第一镀层上来具有进一步增强第一镀层的效果。
另一方面，根据本发明的一实施例通过包括上述步骤a)至步骤d)的一系列步骤形成镀层的金属紧固件可以为镀层从上述金属紧固件表面在金属紧固件内部方向上穿透并扩散到0.1至30μm范围的深度的金属紧固件。另外，上述金属紧固件，具体而言，螺栓或垫圈可以进一步经过最后的清洗工序。上述清洗工序可以根据本发明所属技术领域的常规方法进行，而不受特别限制。
根据如上说明的本说明书的金属紧固件的表面镀层方法，可以在极限环境下有效防止由反应性气体引起的腐蚀，且能够长时间保持耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性等性能，由此能够实现长使用寿命，因此，可期待在极限环境中有利地使用。
(发明的效果)
根据本发明的金属紧固件的表面镀层方法使螺栓或垫圈能够长时间保持耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性等性能，从而实现长使用寿命。
并且，作为根据本发明的金属紧固件的表面镀层方法制造的金属紧固件的螺栓或垫圈可在极限环境中有利地使用。
附图说明
图1为示出根据本发明的一实施例制造的螺栓的第一镀层和第二镀层的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)照片。
图2为示出对根据本发明的一实施例制造的螺栓进行散能分光计(Energydispersive spectrometer，EDS)线扫描来测量作为镀覆材料的镍渗透到母材中的深度。
图3为示出根据本发明的一实施例制造的垫圈的第一镀层和第二镀层的SEM照片。
图4为示出根据本发明的一实施例制造的垫圈进行EDS线扫描来测量作为镀覆材料的镍渗透到母材中的深度。
图5示出根据本发明的一实施例进行表面镀层处理的金属紧固件(左侧)及根据本发明的比较例未进行表面镀层处理的金属紧固件(右侧)。
具体实施方式
以下，参照本发明的附图，对本发明的实施例进行详细说明。但在对本发明进行说明的过程中，为了清楚本发明的要旨，将省略对于已经公知的性能和结构的说明。
实施例1至2
分别准备由不锈钢制成的螺栓和垫圈，使用超声波清洗机进行清洗。其次，通过非电解镀镍方法对上述螺栓和垫圈进行镀覆，使得镀覆厚度为10μm，工序时间为约70分钟。
具体的镀覆方法如下。首先，进行超声波清洗，通过浸渍脱脂和电解脱脂处理完全除去产品外部的污染物，然后进行水洗和酸洗来进行在镀覆前的表面活化处理。此后，通过镍冲击工序进行非电解镀镍。在通过上述工序形成第一镀层之后，将其经过水洗和干燥工序。
接下来，在真空气氛条件下进行热处理工序，其中，热处理温度为950℃且保持时间为3小时。在进行该工序之后，经过冷却工序。
其次，进行用于形成第二镀层的镀覆工序，具体而言，除了以镀覆厚度为4μm的方式进行非电解镀镍之外，以与上述第一镀层形成方法相同的方法进行镀覆工序，从而制造形成有镀层的螺栓(参照实施例1和图1)和垫圈(参照实施例2和图2)。
比较例1和2
准备购买自工具商的常规使用的由不锈钢材料制成的螺栓(比较例1)和垫圈(比较例2)。
实验1:测定镀覆成分渗透到母材的深度
对于根据上述实施例1、2制造的螺栓和垫圈，通过使用SEM来观察到作为镀覆材料的镍分别渗透到母材中(参照图1和图3)。并且，对于根据实施例1、2制造的螺栓和垫圈，通过进行EDS线扫描来测量作为镀覆材料的镍渗透到母材中的深度(参照图2和图4)。
实验2:对于耐腐蚀性、耐化学性及耐等离子性性能的实验
另一方面，使用通过上述工序制造的螺栓(实施例1)和垫圈(实施例2)以及比较例1、2的螺栓和垫圈作为在半导体设备中使用高腐蚀性气体的腔室中的组装部件，以长时间暴露6个月。
作为上述实验的结果，在常规使用的不锈钢螺栓和垫圈的情况下，发生红色腐蚀。与此相反，可以确认在根据本发明制造的螺栓和垫圈的情况下，黑色镍化合物保护母材，以具有优异的耐久性。
如上所述，对本发明的特定实施例进行了说明，但本发明并不限于上述实施例，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围之内，可以对本发明进行各种修改和变形。因此，这种修改例或变形例不应理解为脱离本发明的精神和观点，而变形实施例均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，包括:
步骤a)，去除金属紧固件的表面污染物；
步骤b)，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆上述金属紧固件的表面来形成第一镀层；
步骤c)，在400至1200℃的温度范围内对上述金属紧固件进行热处理，以使第一镀层渗透并扩散到上述金属紧固件的表面和内部；及
步骤d)，在上述步骤c)后，通过选自干镀和湿镀中的至少一种方法镀覆金属紧固件来形成第二镀层。
2.根据权利要求1所述的金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，上述金属紧固件为由不锈钢材料制成的螺栓或垫圈。
3.根据权利要求1所述的金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，上述第一镀层或上述第二镀层包括选自由镍、钛、铬、金、银及铂组成的组中的至少一种金属。
4.根据权利要求1所述的金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，上述第一镀层通过干镀形成且具有0.1μm的厚度，或通过湿镀形成且具有10μm的厚度。
5.根据权利要求1所述的金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，上述第二镀层通过干镀形成且具有0.1μm的厚度，或通过湿镀形成且具有3μm的厚度。
6.根据权利要求1所述的金属紧固件的表面镀层方法，其特征在于，上述第一镀层和上述第二镀层分别基于总重量包含80wt％或更多的相同成分。
7.一种金属紧固件，其为通过权利要求1所述的方法制造的经过表面镀层的金属紧固件，上述金属紧固件的特征在于，上述金属紧固件的镀层从上述金属紧固件表面在金属紧固件内部方向上穿透并扩散到0.1至30μm范围的深度。
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