TWI493067B - 殼體及其製造方法 - Google Patents

Description

殼體及其製造方法

本發明涉及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。

提高鋁或鋁合金耐腐蝕性的方法通常為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塗層的耐腐蝕性能降低，對鋁或鋁合金的耐腐蝕能力的提高有限。

鑒於此，提供一種具有較好的耐腐蝕性的鋁或鋁合金的殼體。

另，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、依次形成於該鋁或鋁合金基體上的AlON梯度膜及離子注入膜，所述AlON梯度膜中N原子及O原子的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均呈梯度增加，所述離子注入膜中主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相，所述AlON梯度膜以磁控濺射鍍膜法形成，所述殼體還包括藉由磁控濺射鍍膜法形成於所述鋁或鋁合金基體與所述AlON梯度膜之間的鋁層。

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；以氮氣和氧氣為反應氣體，採用鋁靶為靶材，於該鋁或鋁合金基體的表面磁控濺射形成AlON梯度膜，所述AlON梯度膜中N原子及O原子的百分含量分別由靠近鋁或鋁合金基體至遠離鋁或鋁合金基體的方向均呈梯度增加；於該AlON梯度膜上注入鈰離子，形成主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相的離子注入膜。

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AlON梯度膜及離子注入膜，該AlON梯度膜及離子注入膜組成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‧‧‧鋁層

15‧‧‧AlON梯度膜

17‧‧‧離子注入膜

圖1為本發明較佳實施方式殼體的剖視示意圖。

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表面的鋁氧氮(AlON)梯度膜15及離子注入膜17。

所述AlON梯度膜15的厚度為0.3~2.0μm。所述AlON梯度膜15藉由磁控濺射鍍膜法形成。該AlON梯度膜15中N原子及O原子的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的方向均呈梯度增加。

該殼體10還包括形成於該鋁或鋁合金基體11與AlON梯度膜15之間的鋁層13。所述鋁層13的形成用以增強所述AlON梯度膜15與鋁或鋁合金基體11之間的結合力。所述鋁層13的厚度為50~200nm。

所述離子注入膜17主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相。

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放入盛裝有乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，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。

再對鋁或鋁合金基體11的表面進行電漿清洗，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。對鋁或鋁合金基體11的表面進行電漿清洗的方法包括如下步驟：將鋁或鋁合金基體11放入一真空鍍膜機(圖未示) 的鍍膜室內的工件架上，對該鍍膜室進行抽真空處理至真空度為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，在所述鍍膜室中形成高頻電壓，使所述氬氣發生離子化而產生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。所述電漿清洗的時間為3~10min。

所述真空鍍膜機除可用以進行電漿清洗外，還可用以多弧離子鍍膜、磁控濺射鍍膜以及離子注入等表面處理。

採用磁控濺射的方式在鋁或鋁合金基體11表面依次形成鋁層13及AlON梯度膜15。形成該鋁層13及AlON梯度膜15的具體操作方法及工藝參數為：在所述電漿清洗完成後，調節氬氣(工作氣體)流量至100~300sccm，加熱所述鍍膜室至50~180℃(即濺射溫度為50~180℃)；開啟已置於所述真空鍍膜機中的鋁靶的電源，並設定其功率為2~8kw，於鋁或鋁合金基體11上施加-50~-300V的偏壓，沉積鋁層13。沉積該鋁層13的時間為5~10min。

形成所述鋁層13後，以氬氣為工作氣體，向所述鍍膜室中通入初始流量為10~20sccm的反應氣體氮氣及初始流量為10~20sccm的反應氣體氧氣，於鋁或鋁合金基體11上施加-150~-500V的偏壓，沉積所述AlON梯度膜15。在沉積該AlON梯度膜15的過程中，每沉積10~15min分別增大氮氣及氧氣的流量10~20sccm，使N原子及O原子在AlON梯度膜15中的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的方向均呈梯度增加。沉積該AlON梯度膜15的 時間為30~90min。

所述AlON梯度膜15在其形成過程中可形成Al₂O₃相及AlN相，該兩相化合物的形成同時可相互抑制各相晶粒的生長，從而可降低各相晶粒的尺寸，增強所述AlON梯度膜15的緻密性，以提高所述殼體10的耐腐蝕性。

所述AlON梯度膜15中N原子及O原子的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的方向均呈梯度增加，可降低AlON梯度膜15與鋁層13或鋁或鋁合金基體11之間晶格不匹配的程度，有利於使濺射AlON梯度膜15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AlON梯度膜15和鋁或鋁合金基體11之間沉積了塑性較好的鋁層13，可改善AlON梯度膜15與鋁或鋁合金基體11之間的介面錯配度，當AlON梯度膜15中的殘餘應力較大時，可以借助於該鋁層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AlON梯度膜15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。

完成所述AlON梯度膜15的沉積後，於該AlON梯度膜15表面注入鈰離子，形成離子注入膜17。所述的注入鈰離子的過程為：將鍍覆有所述鋁層13及AlON梯度膜15的鋁或鋁合金基體11置於所述真空鍍膜機的鍍膜室中，該鍍膜機的離子源將鈰金屬蒸汽進行電離，並經高壓電場加速成具有幾萬甚至幾百萬電子伏特能量的鈰離子束，射入AlON梯度膜15的表面，與AlON梯度膜15表層中及其表面的原子或分子發生一系列的物理、化學反應，最終於該AlON梯度 膜15的表面沉積形成主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相的離子注入膜17。由於金屬Ce的氧化體積比係數大於1，當形成有所述離子注入膜17的殼體10暴露於空氣中時，Ce原子將擴散至該離子注入膜17的表層，與氧氣反應形成緻密的含有CeO₂的保護膜，從而進一步提高所述殼體10的耐腐蝕性。

本實施例中注入所述鈰離子的參數為：鍍膜室的真空度為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。

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上依次形成鋁層13及AlON梯度膜15，再於該AlON梯度膜15上形成離子注入膜17。該鋁層13、AlON梯度膜15及離子注入膜17組成的複合膜層顯著地提高了所述殼體的耐腐蝕性，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‧‧‧鋁層

15‧‧‧AlON梯度膜

17‧‧‧離子注入膜

Claims (9)

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AlON梯度膜及離子注入膜，所述AlON梯度膜中N原子及O原子的百分含量分別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，所述離子注入膜中主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相，所述所述AlON梯度膜以磁控濺射鍍膜法形成，所述殼體還包括藉由磁控濺射鍍膜法形成於所述鋁或鋁合金基體與所述AlON梯度膜之間的鋁層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之殼體，其中所述AlON梯度膜的厚度為0.3~2.0μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之殼體，其中所述鋁層的厚度為50~200nm。
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；以氮氣和氧氣為反應氣體，採用鋁靶為靶材，於該鋁或鋁合金基體的表面磁控濺射形成AlON梯度膜，所述AlON梯度膜中N原子及O原子的百分含量分別由靠近鋁或鋁合金基體至遠離鋁或鋁合金基體的方向均呈梯度增加；於該AlON梯度膜上注入鈰離子，形成主要含有Ce金屬相、Ce-O相及Ce-N相的離子注入膜。
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AlON梯度膜的工藝參數為：以氬氣為工作氣體，其流量為100~300sccm，設置氮氣及氧氣的初始流量分別為10~20sccm，於鋁或鋁合金基體上施加-150~-500V的偏壓；每沉積10~15min分別增大氮氣及氧氣的流量 10~20sccm，沉積時間為30~90min。
6. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中形成所述離子注入膜的工藝參數為：將形成有AlON梯度膜的鋁或鋁合金基體置於真空鍍膜機的鍍膜室中，抽真空該鍍膜室至真空度為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。
7. 如申請專利範圍第4項所述之殼體的製造方法，其中所述殼體的製造方法還包括濺射形成所述AlON梯度膜之前，於所述鋁或鋁合金基體的表面沉積鋁層的步驟。
8. 如申請專利範圍第7項所述之殼體的製造方法，其中沉積所述鋁層的工藝參數為：以鋁靶為靶材，設置其電源功率為2~8kw，於鋁或鋁合金基體上施加-50~-300V的偏壓，以氬氣為工作氣體，其流量為100~300sccm，濺射溫度為50~180℃，沉積時間為5~10min。
9. 如申請專利範圍第7項所述之殼體的製造方法，其中所述殼體的製造方法還包括在沉積所述鋁層之前對鋁或鋁合金基體進行電漿清洗的步驟。