TWI477652B - 鋁及鋁合金表面防腐處理方法及其鋁製品 - Google Patents

Description

鋁及鋁合金表面防腐處理方法及其鋁製品

本發明涉及一種鋁及鋁合金表面防腐處理方法及其鋁製品。

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，然，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，同時導致鋁製品使用壽命縮短。

為了提高鋁合金的耐腐蝕性能，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，然該等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，但鋁合金表面通常具有較多的凹陷或孔隙，而PVD工藝沉積的膜層通常具有基體表面的仿形結構，且沉積於該等凹陷或空隙內的膜層往往較其他區域的要薄，故於使用過程中，所述凹陷或空隙區域往往更容易發生點蝕，使膜層無法有效地防止鋁合金基體被防腐。

有鑒於此，有必要提供一種可有效提高鋁及鋁合金防腐性能的防腐處理方法。

另外，還有必要提供一種由上述方法製得的鋁製品。

一種鋁及鋁合金表面防腐處理方法，包括以下步驟：提供鋁基體；對鋁基體進行化學除油；對鋁基體進行浸鋅處理，以於鋁基體上形成鋅層；藉由真空鍍膜方法在該鋅層上形成由難熔化合物組成的陶瓷塗層。

由上述鋁及鋁合金表面防腐處理方法所製備的鋁製品，包括鋁基體、形成於鋁基體表面的鋅層及形成於該鋅層上的由難熔化合物組成的陶瓷塗層，該鋅層經對鋁基體進行浸鋅處理形成。

本發明的鋁及鋁合金表面防腐處理方法先藉由浸鋅處理於鋁基體上沉積一層鋅層，然後於該鋅層上鍍覆防腐、耐磨的陶瓷塗層。其中該鋅層將鋁基體表面平整化，提高陶瓷塗層的結合力，再配合外層防腐、耐磨的陶瓷塗層，使製備的鋁製品具有良好的抗腐蝕性能。

10‧‧‧鋁製品

20‧‧‧鋁基體

30‧‧‧鋅層

40‧‧‧陶瓷塗層

41‧‧‧氧化鋁層

42‧‧‧氮化鋁層

43‧‧‧氮氧化鋁層

44‧‧‧氮氧化鉻層

1‧‧‧磁控濺射設備

2‧‧‧真空室

3‧‧‧真空泵

4‧‧‧轉架

5‧‧‧鋁靶

6‧‧‧鉻靶

7‧‧‧氣源通道

圖1為由本發明一實施例的鋁及鋁合金表面防腐處理方法所製得的鋁製品的剖視示意圖。

圖2為由本發明另一實施例的鋁及鋁合金表面防腐處理方法所製得的鋁製品的剖視示意圖。

圖3為本發明一實施例的鋁及鋁合金表面防腐處理方法中所用真空鍍膜設備示意圖。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖與實施例對本發明進行進一步詳細說明。

本發明較佳實施例鋁及鋁合金表面防腐處理方法包括如下步驟：請參閱圖1，提供鋁基體20。該鋁基體20的材質可以為純鋁或鋁合金。

對鋁基體20進行化學除油。化學除油係將鋁基體20浸漬於60-80℃的除油溶液中30-60s。所用除油溶液為含25-30g/L碳酸鈉(Na₂CO₃)、20-25g/L磷酸三鈉(Na₃PO₄．12H₂O)及1-3g/L乳化劑的水溶液，其中所述乳化劑可用商品名為OP-10的乳化劑，其主要組分為烷基酚與環氧乙烷的縮合物。

對鋁基體20進行堿蝕處理。該堿蝕處理步驟係將鋁基體20浸漬於40-50℃的鹼性蝕刻液中3-5s。所用鹼性蝕刻液為含40-70g/L氫氧化鈉(NaOH)、10-20g/LNa₃PO₄．12H₂O、25-30g/LNa₂CO₃及40-50g/L氟化鈉(NaF)的水溶液。該堿蝕處理一方面用於溶解消低鋁基體20上突出的部位，使鋁基體20表面趨於平整，另一方面可進一步去除鋁基體20表面的油污。

對經上述堿蝕處理的鋁基體20進行浸鋅處理。該浸鋅處理係將鋁基體20浸入16-30℃的浸鋅液中20-120s。所用浸鋅液可為含130-150g/L氫氧化鈉、15-25g/L氧化鋅、75-95g/L添加劑、1-3g/L硝酸鈉及7-9ml/L品質濃度為55%的氫氟酸的混合溶液，該 浸鋅液的pH值為12-14。所述添加劑為含10-20g/L酒石酸鉀鈉、1-2g/L三氯化鐵(FeCl₃．6H₂O)及20-60g/L硫酸鋅(ZnSO₄．7H₂O)的混合溶液。較佳地，該浸鋅液為pH值為13，含140g/L氫氧化鈉、20g/L氧化鋅、85g/L添加劑、2g/L硝酸鈉及8ml/L品質濃度為55%的氫氟酸的混合溶液。較佳地，該浸鋅液的溫度為25℃，浸鋅時間為95-110s。經浸鋅處理的鋁基體20表面形成厚為0.2-0.4微米的鋅層30。

然後，對形成有所述鋅層30的鋁基體20進行真空鍍膜處理，以在鋅層30上形成由難熔化合物組成的陶瓷塗層40。該陶瓷塗層40包括一層或多層金屬難熔化合物層，該金屬難熔化合物可選自鈦、鋁、鉻、鋯及鈷的氮化物、氧化物、氮碳化物及氮氧化物中的一種或幾種的組合。在一實施例中，該陶瓷塗層40包括一層氧化鋁(Al₂O₃)層41、一層氮化鋁(AlN)層42及一層氮氧化鋁(AlON)層43，該氧化鋁層41直接形成於該鋅層30上，該氮化鋁層42形成於該氧化鋁層41上，該氮氧化鋁層43形成於該氮化鋁層42上。

請參閱圖2，在另一實施例中，該陶瓷塗層40包括一層氮氧化鋁(AlON)層43及一層氮氧化鉻(CrON)層44。該氮氧化鋁層43直接形成於該鋅層30上，該氮氧化鉻層44形成於該氮氧化鋁層43上。

該真空鍍膜處理可採用磁控濺射或電弧離子鍍，下麵以磁控濺射製備該氮氧化鋁層43及該氮氧化鉻層44為例對該真空鍍膜處理進行說明。

請參閱圖3，提供一磁控濺射設備1，磁控濺射設備1包括一真空室2、用以對真空室2抽真空的真空泵3以及與真空室2相通的氣源通道7。該真空室2內設有轉架4及相對設置的鋁靶5和鉻靶6。轉 架4帶動鋁基體20做圓周運行，且鋁基體20在隨轉架4運行的同時也進行自轉。鍍膜時，濺射氣體與反應氣體經由氣源通道7進入真空室2。

在該鋅層30上濺射該氮氧化鋁層43。將形成有該鋅層30的鋁基體20放置於磁控濺射設備1的轉架4上，對真空室2抽真空至6.0×10^-3~8.0×10^-3Pa後通入濺射氣體氬氣，氬氣流量為150~300sccm(標準狀態毫升/分鐘)，同時通入反應氣體氮氣和氧氣，氧氣流量為30~60sccm，氮氣流量為15~40sccm，鋁基體20施加偏壓至-100~-300V，開啟鋁靶5，鋁靶5的功率為8~10kw，調節真空室2內溫度為100~150℃，轉架4的轉速為0.5~1.0rpm(revolution per minute，轉/分鐘)，對鋁基體20濺射0.5~1小時，以於鋅層30表面形成該氮氧化鋁層43。

在氮氧化鋁層43上濺射該氮氧化鉻層44。關閉鋁靶5，開啟鉻靶6，鉻靶6的功率為8~10kw，調節氧氣流量為40~100sccm，氮氣流量為30~60sccm，其他參數保持不變，濺射0.5~2小時，以在該氮氧化鋁層43上沉積一層氮氧化鉻層44。

鍍膜結束後，關閉負偏壓及鉻靶6電源，停止通入氬氣和氮氣，待所述氮氧化鉻層44冷卻後，向真空室2內通入空氣，打開真空室門，取出鍍覆好的鋁製品10。

請參閱圖1，由上述鋁及鋁合金表面防腐處理方法所獲得的鋁製品10，包括鋁基體20、形成於鋁基體20表面的鋅層30及形成於該鋅層30上的由難熔化合物組成的陶瓷塗層40。該鋅層30經對鋁基體20進行浸鋅處理形成。該鋅層30的厚度為0.2-0.4微米。該陶瓷塗層40包括一層或多層金屬難熔化合物層，該金屬難熔化合物 可選自鈦、鋁、鉻、鋯及鈷的氮化物、氧化物、氮碳化物及氮氧化物中的一種或幾種的組合。本實施例中，該陶瓷塗層40包括一層氧化鋁(Al₂O₃)層41、一層氮化鋁(AlN)層42及一層氮氧化鋁(AlON)層43，該氧化鋁層41直接形成於該鋅層30上，該氮化鋁層42形成於該氧化鋁層41上，該氮氧化鋁層43形成於該氮化鋁層42上。

請參閱圖2，在另一實施例中，該陶瓷塗層40包括一層氮氧化鋁(AlON)層43及一層氮氧化鉻(CrON)層44。該氮氧化鋁層43直接形成於該鋅層30上，該氮氧化鉻層44形成於該氮氧化鋁層43上。

對由本發明的防腐處理方法所製備的鋁製品試樣和沒有經過浸鋅處理而直接於鋁基體上進行真空鍍膜處理製備的試樣共同進行35℃中性鹽霧(NaCl濃度為5%)測試。結果發現，在真空鍍膜處理所形成的陶瓷塗層相同的條件下，由本發明的防腐處理方法所製備的鋁製品試樣比沒有經過浸鋅處理而直接真空鍍膜處理獲得的試樣要遲8-12小時開始出現腐蝕現象，說明經本發明經過過浸鋅後再鍍覆陶瓷塗層獲得的鋁製品的防腐性能明顯提高，具有更好的防腐性能。

本發明的鋁及鋁合金表面防腐處理方法先藉由浸鋅處理於鋁基體20上沉積一層鋅層30，然後於該鋅層30上鍍覆防腐、耐磨的陶瓷塗層40。其中該鋅層30提高陶瓷塗層40的結合力，同時將鋁基體20表面平整化，使外層防腐、耐磨的陶瓷塗層40具有均勻的厚度，從而使鋁製品10在腐蝕性環境中不易發生點蝕，提高了鋁製品的抗腐蝕性能。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟 ，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，於爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧鋁製品

20‧‧‧鋁基體

30‧‧‧鋅層

40‧‧‧陶瓷塗層

41‧‧‧氧化鋁層

42‧‧‧氮化鋁層

43‧‧‧氮氧化鋁層

Claims (10)

1. 一種鋁及鋁合金表面防腐處理方法，包括以下步驟：提供鋁基體，該鋁基體的材質為純鋁或鋁合金；對鋁基體進行化學除油；對鋁基體進行浸鋅處理，以於鋁基體上形成鋅層；藉由真空鍍膜方法在該鋅層上形成由難熔化合物組成的陶瓷塗層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述浸鋅處理係將該鋁基體浸泡於16-30℃，含130-150g/L氫氧化鈉、15-25g/L氧化鋅、75-95g/L添加劑、1-3g/L硝酸鈉及7-9ml/L品質濃度為40%的氫氟酸的浸鋅液中20-120秒，該添加劑為含10-20g/L酒石酸鉀鈉、1-2g/L三氯化鐵及20-60g/L硫酸鋅的混合溶液，該浸鋅液的pH值為12-14。
3. 如申請專利範圍第2項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述浸鋅處理係將該鋁基體浸泡於25℃，含140g/L氫氧化鈉、20g/L氧化鋅、85g/L添加劑、2g/L硝酸鈉及8ml/L品質濃度為55%的氫氟酸的浸鋅液中95-110秒，該浸鋅液的pH值為13。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述陶瓷塗層包括一層或多層金屬難熔化合物層，該金屬難熔化合物選自鈦、鋁、鉻、鋯及鈷的氮化物、氧化物、氮碳化物及氮氧化物中的一種或幾種的組合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法其中所述陶瓷塗層包括一層氧化鋁層、一層氮化鋁層及一層氮氧化鋁層，該氧化鋁層直接形成於該鋅層上，該氮化鋁層形成於該氧化鋁層上，該氮氧化鋁層 形成於該氮化鋁層上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述陶瓷塗層包括一層氮氧化鋁層及一層氮氧化鉻層，該氮氧化鋁層直接形成於該鋅層上，該氮氧化鉻層形成於該氮氧化鋁層上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述真空鍍膜方法為磁控濺射或電弧離子鍍中的一種。
8. 如申請專利範圍第1項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述鋁合金表面防腐處理方法還包括在所述浸鋅處理前對鋁基體進行堿蝕處理的步驟，該堿蝕處理係將該鋁基體浸漬於40-50℃，含40-70g/LNaOH、10-20g/LNa₃PO₄．12H₂O、25-30g/LNa₂CO₃及40-50g/LNaF的水溶液中3-5s。
9. 如申請專利範圍第1項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法，其中所述化學除油係將鋁基體浸漬於60-80℃，含25-30g/LNa₂CO₃、20-25g/LNa₃PO₄．12H₂O及1-3g/L乳化劑的水溶液30-60s。
10. 一種由申請專利範圍第1-9項之任意一項所述之鋁及鋁合金表面防腐處理方法所製備的鋁製品。