TWI486468B - 殼體及其製造方法 - Google Patents

Description

殼體及其製造方法

本發明係關於一種殼體及其製造方法，特別涉及一種鋁或鋁合金的殼體及其製造方法。

鋁或鋁合金目前被廣泛應用於航空、航天、汽車及微電子等工業領域。但鋁或鋁合金的標準電極電位很低，耐腐蝕差，暴露於自然環境中會引起表面快速腐蝕。

提高鋁或鋁合金防腐蝕性的方法通常係在其表面形成保護性的塗層。傳統的陽極氧化、電沉積、化學轉化膜技術及電鍍等鋁或鋁合金的表面處理方法存在生產工藝複雜、效率低、環境污染嚴重等缺點。

真空鍍膜(PVD)為一清潔的成膜技術。然而，由於鋁或鋁合金的標準電極電位很低，且PVD塗層本身不可避免的會存在微小的孔隙，因此形成於鋁或鋁合金表面的PVD塗層容易發生電化學腐蝕，導致該PVD塗層的防腐蝕性能降低，對鋁或鋁合金的防腐蝕能力的提高有限。

鑒於以上情況，提供一種具有較好的耐腐蝕性的鋁或鋁合金的殼體。

另外，還提供一種上述殼體的製造方法。

一種殼體，包括鋁或鋁合金基體，其改良在於：該殼體還包括依次形成於該鋁或鋁合金基體上的鋁膜和防腐蝕膜，該防腐蝕膜為碳氮化鋁梯度膜層，其摻雜有鈰金屬離子，所述碳氮化鋁梯度膜層中N和C的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體至遠離鋁或鋁合金基體的方向呈梯度增加，所述鈰金屬離子的摻雜方式為離子注入方式，鈰離子注入劑量在1×10¹⁶ions/cm²到1×10¹⁸ions/cm²之間。

一種殼體的製造方法，其包括如下步驟：提供鋁或鋁合金基體；於該鋁或鋁合金基體的表面磁控濺射鋁膜；於鋁膜上磁控濺射碳氮化鋁梯度膜層，所述碳氮化鋁梯度膜層中N和C的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體向遠離鋁或鋁合金基體的方向呈梯度增加；對該碳氮化鋁梯度膜層注入鈰金屬離子，形成防腐蝕膜，其中鈰離子注入劑量在1×10¹⁶ions/cm²到1×10¹⁸ions/cm²之間。

本發明所述殼體的製造方法，在鋁或鋁合金基體上依次形成鋁膜和防腐蝕膜，該防腐蝕膜為藉由離子注入摻雜鈰金屬離子的碳氮化鋁梯度膜層，鋁膜和防腐蝕膜的複合膜層可顯著提高所述殼體的耐腐蝕性，且該殼體的製造工藝簡單、幾乎無環境污染。

10‧‧‧殼體

11‧‧‧鋁或鋁合金基體

13‧‧‧鋁膜

15‧‧‧防腐蝕膜

100‧‧‧鍍膜機

20‧‧‧鍍膜室

30‧‧‧真空泵

21‧‧‧軌跡

22‧‧‧鋁靶

圖1係本發明較佳實施方式殼體的剖視示意圖。

圖2係圖1殼體的製作過程中所用鍍膜機俯視示意圖。

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。

請參閱圖1，本發明一較佳實施例的殼體10包括鋁或鋁合金基體11、依次形成於該鋁或鋁合金基體11表面的鋁膜13、防腐蝕膜15，該防腐蝕膜15為藉由離子注入摻雜鈰金屬離子的氮碳化鋁梯度膜。

所述防腐蝕膜15的厚度為0.5~2.0μm。所述防腐蝕膜15藉由磁控濺射鍍膜法形成。

所述鋁膜13的形成用以增強所述防腐蝕膜15與鋁或鋁合金基體11之間的結合力。所述鋁膜13的厚度為100~300nm。

所述殼體10的製造方法主要包括如下步驟：

提供鋁或鋁合金基體11，該鋁或鋁合金基體11可以藉由沖壓成型得到，其具有待製得的殼體10的結構。

將所述鋁或鋁合金基體11放入盛裝有乙醇或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行清洗，以除去鋁或鋁合金基體11表面的雜質和油污。清洗完畢後烘乾備用。

對經上述處理後的鋁或鋁合金基體11的表面進行氬氣電漿清洗，進一步去除鋁或鋁合金基體11表面的油污，以改善鋁或鋁合金基體11表面與後續塗層的結合力。

請參閱圖2，提供一鍍膜機100，該鍍膜機100包括一鍍膜室20及 連接於鍍膜室20的一真空泵30，真空泵30用以對鍍膜室20抽真空。該鍍膜室20內設有轉架(未圖示)、二鋁靶22，轉架帶動鋁或鋁合金基體11沿圓形的軌跡21公轉，且鋁或鋁合金基體11在沿軌跡21公轉時亦自轉。

該電漿清洗的具體操作及工藝參數可為：對該鍍膜室20進行抽真空處理至本底真空度為8.0×10^-3Pa，以300~500sccm(標準狀態毫升/分鐘)的流量向鍍膜室20內通入純度為99.999%的氬氣(工作氣體)，於鋁或鋁合金基體11上施加-300~-800V的偏壓，在所述鍍膜室20中形成高頻電壓，使所述氬氣產生氬氣電漿對鋁或鋁合金基體11的表面進行物理轟擊，而達到對鋁或鋁合金基體11表面清洗的目的。所述氬氣電漿清洗的時間為3~10min。

採用磁控濺射的方式在鋁或鋁合金基體11表面依次形成鋁膜13及防腐蝕膜15。形成該鋁膜13工藝參數為：在所述電漿清洗完成後，通入高純氬氣100~300sccm，開啟鋁靶22，設置鋁靶22功率為2~8kw，調節鋁或鋁合金基體11的偏壓為-300~-500V，在鋁或鋁合金基體11表面沉積鋁膜13，沉積5~10分鐘。

製備防腐蝕膜15，該防腐蝕膜15為摻雜鈰金屬離子的碳氮化鋁梯度膜，所述鈰金屬離子的摻雜方式為離子注入。

碳氮化鋁梯度膜的製備工藝：以氬氣為工作氣體，其流量為100~300sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量分別為10~20sccm和10~100sccm，在鋁或鋁合金基體11上施加-150~-500V的偏壓，每沉積10~15min將氮氣和乙炔的流量增大10~20sccm，使氮原子和碳原子在碳氮化鋁梯度膜層中的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體11至遠離鋁或鋁合金基體11的方 向呈梯度增加。沉積該碳氮化鋁梯度膜層的時間為30~90min。

所述碳氮化鋁梯度膜層在其形成過程中可形成緻密的Al-C-N相，增強所述防腐蝕膜15的緻密性，以提高所述殼體10的耐腐蝕性。

所述碳氮化鋁梯度膜的N和C的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體11至遠離鋁或鋁合金基體11的方向呈梯度增加，可降低碳氮化鋁梯度膜與鋁膜13或鋁或鋁合金基體11之間晶格不匹配的程度，有利於將濺射碳氮化鋁梯度膜的過程中產生的殘餘應力向鋁或鋁合金基體11方向傳遞；又因為在碳氮化鋁梯度膜和鋁或鋁合金基體11之間沉積了塑性較好的鋁膜13，可改善防腐蝕膜15與鋁或鋁合金基體11之間的介面錯配度，當碳氮化鋁梯度膜中的殘餘應力較大時，可以借助於該鋁膜13以及鋁或鋁合金基體11的局部塑性變形實現殘餘應力的釋放，從而減少所述碳氮化鋁梯度膜內的殘餘應力，使殼體10不易發生應力腐蝕，以提高所述殼體10的耐腐蝕性。所述應力腐蝕係指在殘餘或/和外加應力及腐蝕介質的作用下，引起的金屬失效現象。

完成上述碳氮化鋁梯度膜層的沉積後，於該碳氮化鋁梯度膜表面離子注入鈰離子，從而形成上述防腐蝕膜15。所述的注入鈰離子的過程：將鍍覆有所述鋁膜13及碳氮化鋁梯度膜的鋁或鋁合金基體11置於強流金屬離子注入機(MEVVA)中，該離子注入機中採用鈰金屬靶材，該離子注入機首先將鈰金屬進行電離，使其產生鈰金屬離子蒸氣，並經高壓電場加速使該鈰金屬離子蒸氣形成具有幾萬甚至幾百萬電子伏特能量的鈰離子束，射入碳氮化鋁梯度膜的表面，與其表層中及其表面的原子或分子發生物理作用，最終於該防腐蝕膜15中的碳氮化鋁梯度膜層中注入鈰金屬離子。

本實施例中注入所述鈰離子的參數為：離子注入機的真空度為1×10^-4Pa，離子源電壓為30~100kV，離子束流強度為0.1~5mA，控制鈰離子注入劑量在1×10¹⁶ions/cm²到1×10¹⁸ions/cm²之間。

所述鈰金屬離子與所述碳氮化鋁梯度膜層中的原子為冶金結合，因此，該注入的鈰金屬離子不易脫落，且由於係在高能離子注入的條件下形成，該鈰金屬注入碳氮化鋁梯度膜層中後形成為非晶態，由於非晶態結構具有各向同性、表面無晶界、無位錯、偏析，均相體系等特點，故，經離子注入鈰金屬離子後的碳氮化鋁梯度膜層使殼體10在腐蝕性介質中不易形成腐蝕微電池，發生電化學腐蝕的可能極小，大大提高了殼體10的耐蝕性。

以下結合具體實施例對殼體10的製備方法及殼體10進行說明：

實施例1

電漿清洗：氬氣流量為280sccm，鋁或鋁合金基體11的偏壓為-300V，電漿清洗的時間為9分鐘；濺鍍鋁膜13：通入氬氣100sccm，開啟鋁靶22，設置鋁靶22功率為2kw，設置鋁或鋁合金基體11的偏壓為-500V，沉積5分鐘；製備防腐蝕層15：濺鍍碳氮化鋁梯度膜，以氬氣為工作氣體，其流量為100sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量為10sccm和10sccm，在鋁或鋁合金基體11上施加-500V的偏壓；每沉積10min將氮氣和乙炔的流量增大10sccm，沉積時間控制為30min；於碳氮化鋁梯度膜注入鈰金屬離子：設置真空度為1×10^-4Pa，離子源電壓為30kV，離子束流強度為0.1mA，控制鈰金屬離子注入 劑量為1×10¹⁶ions/cm²。

實施例2

電漿清洗：氬氣流量為230sccm，金屬鋁或鋁合金基體11的偏壓為-480V，電漿清洗的時間為7分鐘；濺鍍鋁膜13：通入氬氣200sccm，開啟鋁靶22，設置鋁靶22功率為5kw，設置鋁或鋁合金基體11的偏壓為-400V，沉積7分鐘；製備防腐蝕層15：濺鍍碳氮化鋁梯度膜，以氬氣為工作氣體，其流量為200sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量為15sccm和60sccm，在鋁或鋁合金基體11上施加-300V的偏壓；每沉積12min將氮氣和乙炔的流量增大15sccm，沉積時間控制為60min；於碳氮化鋁梯度膜注入鈰金屬離子：設置真空度為1×10-4Pa，離子源電壓為60kV，離子束流強度為2mA，控制鈰金屬離子注入劑量在1×10¹⁷ions/cm²。

實施例3

電漿清洗：氬氣流量為160sccm，鋁或鋁合金基體11的偏壓為-400V，電漿清洗的時間為6分鐘；濺鍍鋁膜13：通入氬氣300sccm，開啟鋁靶22，設置鋁靶22功率為8kw，設置鋁或鋁合金基體11的偏壓為-300V，沉積10分鐘；製備防腐蝕層15：濺鍍碳氮化鋁梯度膜，以氬氣為工作氣體，其流量為300sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量為20sccm和100sccm，在鋁或鋁合金基體11上施加-150V 的偏壓；每沉積15min將氮氣和乙炔的流量增大20sccm，沉積時間控制為90min；於碳氮化鋁梯度膜注入鈰金屬離子：設置真空度為1×10^-4Pa，離子源電壓為100kV，離子束流強度為5mA，控制鈰金屬離子注入劑量1×10¹⁸ions/cm²。

本發明較佳實施方式的殼體10的製造方法，在鋁或鋁合金基體11上依次形成鋁膜13及防腐蝕膜15，該防腐蝕膜15為氮碳化鋁梯度膜，其離子注入有鈰金屬離子。該鋁膜13、防腐蝕膜15組成的複合膜層顯著地提高了所述殼體10的耐腐蝕性，且該製造工藝簡單、幾乎無環境污染。

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‧‧‧殼體

11‧‧‧鋁或鋁合金基體

13‧‧‧鋁膜

15‧‧‧防腐蝕膜

Claims (8)

1. 一種殼體，包括鋁或鋁合金基體，其改良在於：該殼體還包括依次形成於該鋁或鋁合金基體上的鋁膜和防腐蝕膜，該防腐蝕膜為碳氮化鋁梯度膜層，其摻雜有鈰金屬離子，所述碳氮化鋁梯度膜層中N和C的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體至遠離鋁或鋁合金基體的方向呈梯度增加，所述鈰金屬離子的摻雜方式為離子注入方式，鈰離子注入劑量在1×10¹⁶ions/cm²到1×10¹⁸ions/cm²之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之殼體，其中所述防腐蝕膜的厚度為0.5~2.0μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之殼體，其中所述鋁膜的厚度為100~300nm。
4. 一種殼體的製造方法，其包括如下步驟：提供鋁或鋁合金基體；於該鋁或鋁合金基體的表面磁控濺射鋁膜；於鋁膜上磁控濺射碳氮化鋁梯度膜層，所述碳氮化鋁梯度膜層中N和C的原子百分含量由靠近鋁或鋁合金基體向遠離鋁或鋁合金基體的方向呈梯度增加；於氮碳化鋁梯度膜注入鈰金屬離子，形成防腐蝕膜，其中鈰離子注入劑量在1×10¹⁶ions/cm²到1×10¹⁸ions/cm²之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中磁控濺射所述氮碳化鋁梯度膜的工藝參數為：以氬氣為工作氣體，其流量為100~300sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量分別為10~20sccm和10~100sccm，在鋁或鋁合金基體上施加-150~-500V的偏壓；每沉積10~15min將氮氣和乙炔的流量增大10~20sccm，沉積時間控制 為30~90min。
6. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中對氮碳化鋁梯度膜注入鈰金屬離子的工藝參數為：以氬氣為工作氣體，其流量為100~300sccm，以氮氣和乙炔為反應氣體，設置氮氣和乙炔的初始流量分別為10~20sccm和10~100sccm，在鋁或鋁合金基體上施加-150~-500V的偏壓；每沉積10~15min將氮氣和乙炔的流量增大10~20sccm，沉積時間控制為30~90min。
7. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中沉積鋁膜的工藝參數為：設置真空度為8.0×10^-3Pa，通入氬氣100~300sccm，開啟鋁靶，設置鋁靶功率為2~8kw，設置鋁或鋁合金基體的偏壓為-300~-500V，沉積5~10分鐘。
8. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中殼體的製造方法還包括在沉積所述鋁膜之前對鋁或鋁合金基體進行電漿清洗的步驟。