鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法

2023-07-23 23:39:46

專利名稱：鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂及其合金表面強化的製備方法，特別涉及鎂合金表面真空鍍層的製備方法。
背景技術：
鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，具有比重輕、強度和剛度高，阻尼性、導熱性和切削加工性、鑄造性能好，電磁屏蔽能力強、尺寸穩定、易回收等一系列優點，顯示出了極大的應用前景。我國的鎂資源儲量居世界首位，也是鎂金屬最大的出口國。
由於鎂及其合金耐蝕性極差，為改善鎂合金的耐蝕性及多樣化的外觀效果，鎂合金必須進行適當的表面強化。但是，由於鎂及其合金性質特別活潑，在生產過程中很容易與空氣中的氧氣尤其是水氣迅速氧化，表面形成疏鬆的氧化膜，導致膜層材料與鎂合金基體附著力差，因此預處理方法的效果將直接影響鍍制膜層與基底的結合與性能。傳統的預處理工藝，即除油、除鏽工藝，主要是利用化學的方法，通過酸洗、鹼洗，清除表面的氧化物、氫氧化物和油汙，以增強附著性。但是由於鎂合金的負電位低，令化學反應很難控制，甚至表面出現過腐蝕，嚴重影響鎂合金產品的光潔度等。更主要的是對於鎂合金真空鍍膜法，由於鎂合金表面疏鬆的結構，如在水溶液中進行除鏽、除油等預處理，則會將水在鎂合金表面殘留，除對鎂合金的電偶腐蝕外，更主要的是在物理氣相沉積過程中由於高能離子的轟擊與快速沉積，表面出現汽化，導致膜層「發泡」現象，嚴重影響鎂合金基體與膜層的附著，甚至膜層根本無法沉積。

發明內容
本發明的目的在於避免現有技術的不足之處而提供一種鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法。該方法的預處理直接利用機械打磨的方法進行除鏽、除油處理，有效地防止鎂合金表面的電偶腐蝕和常規酸洗的過腐蝕，達到徹底除油除鏽。
本發明的另一個目的該方法避免了由於鎂合金表面結構疏鬆而造成水殘留，導致水殘留致使的「發泡」現象，以確保鎂合金基體與金屬鍍層等結合力良好。
本發明的目的可以通過採用以下技術方案來實現一種鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其主要特點是包括有如下步驟(1)預處理在非水溶液環境下，直接利用機械打磨進行除鏽、除油處理，鎂及其合金的基體溫度為180℃以下；(2)採用惰性氣體衝洗，其壓力為5-10Mpa；速度為5-10s/cm2；採用惰性氣體可防止氧化，並能在非水溶液環境下將材料表面的浮塵去除；(3)在惰性氣體衝洗完後，在1-10min之內送入真空鍍膜設備內進行鍍膜。
所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，所述的機械打磨包括有對鎂合金表面的粗糙度要求從0.1到0.4-0.8μm；固定砂輪的轉速為800-1600r/m，磨削速度為5mm/s-20mm/s。控制砂輪的轉速及磨削速度都是為了保證在機械打磨進行除鏽、除油的過程中，鎂及其合金的基體溫度為180℃以下，使鎂及其合金不被再氧化。對於較硬的AM系列，則進度要慢些，對於較軟的AZ系列則可以快些。
所述的對鎂合金表面的粗糙度要求從0.1到0.8μm其拋光工序為依次用250號、400-600號、800-1000號、1200-1500號砂布打磨。
所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，所述的機械打磨為噴沙，噴砂壓力P為200-400kg/m2；磨料的類型S為球形磨料，其粒度為250-800號；噴槍的距離H為200-500mm；噴砂速度為30-120s/cm2。控制噴砂壓力、磨料的類型、噴槍的距離、噴砂速度也是為了保證在機械噴沙進行除鏽、除油的過程中，鎂及其合金的基體溫度為180℃以下，使鎂及其合金不被再氧化。
所述的惰性氣體為氮氣和氬氣。考慮到費用，一般用工業氮氣。
所述的真空鍍膜包括有真空離子鍍、多弧離子鍍和磁控濺射鍍。
本發明的有益效果是鎂合金表面真空鍍膜處理預處理工藝，能保證鎂合金在真空鍍膜時鎂及合金與鍍層結合力的同時不會對工件產生過腐蝕。它採用表面直接機械拋光、機械打磨的方法清除鎂合金表面的雜質，包括油汙，氧化膜等，使得鎂合金與金屬膜層直接接觸，由於相同化學鍵的物質之間更易結合，使得鎂合金基體與鍍層結合良好。經過該工藝處理後，能大大提高鎂合金在PVD處理時與金屬膜層的結合力，同時克服了常規化學工藝帶來的過腐蝕現象和由於鎂合金表面結構缺陷導致水殘留致使的「發泡」現象。保證了膜層的質量。在提高鎂合金材料的表面強度、硬度、耐磨、及耐腐蝕等性能的同時，由於處理過程中不使用任何酸鹼試劑，因此不會對環境造成汙染和危害人體健康。


圖1為AZ91鎂合金經常規預處理工藝處理後的PVD鍍制膜層的表面SEM圖；圖2為AZ91鎂合金經本發明預處理工藝處理後的PVD鍍制膜層的表面SEM圖；圖3為AM50鎂合金經本發明預處理工藝處理後的PVD鍍層結合力測試圖；圖4為AM50鎂合金經本發明預處理工藝處理後的磁控濺射鍍層結合力測試圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示之最佳實施例作進一步詳述實施例1一種鎂及其合金表面真空多弧離子(鈦/氮化鈦)鍍鍍層的製備方法，現選用AZ91D鎂合金壓鑄件按照下列方法進行預處理和真空多弧離子鍍膜處理。
下面結合具體實例對本發明作進一步具體的描述，但本發明的實施方式不限於此，其主要特點是包括有如下步驟(1)預處理在非水溶液環境下，直接利用機械打磨進行除鏽、除油處理，AZ91D鎂合金的基體溫度為180℃以下；所述的機械打磨包括有對鎂合金表面的粗糙度要求從0.1到0.4-0.8μm；固定砂輪的轉速為800-1200r/m，磨削速度為10mm/s-20mm/s。也就是從最光的鏡面效果到較粗糙，拋光工序為依次用250號、600號、1000號砂布打磨。
(2)採用惰性氣體為氮氣衝洗，其壓力為5-10Mpa；速度為5-10s/cm2。採用惰性氣體可防止預處理後的鎂及合金被再次氧化，同時為了將機械拋光和打磨過程中鎂合金表面產生的金屬碎屑清除，以確保基體與膜層直接接觸。
(3)在惰性氣體衝洗完後，在1-10min之內，立即送入真空多弧離子鍍膜設備內進行鍍膜。避免了除鏽處理後的表面被再次氧化。真空多弧離子(鈦/氮化鈦)鍍膜的工藝為抽真空(本底真空3E-3)；主弧轟擊(偏壓500V，佔空比50％，5分鐘)；多弧鍍膜(Ti/TiN各5分鐘，厚度各約1μm)；冷卻出爐。
實施例檢測如下

圖1為是經常規預處理工藝處理後的多弧離子鍍制膜層的表面SEM圖；圖2為是經本發明預處理工藝處理後的多弧離子鍍制膜層的表面SEM圖。
經上述兩圖對比目測測試標準的附著力是SO2409，中性鹽霧實驗標準為ASTM-B117，在高溫高溼試驗中50℃95％50h；經常規酸洗、鹼洗前處理工藝處理的鎂合金經PVD鍍膜後，表面有塵，其附著力在20mN以下甚至根本不能附著，中性鹽霧試驗200h有嚴重腐蝕，在高溫高溼試驗中有「氣泡」現象。
經該發明處理後再經PVD鍍膜處理，目測表面附著牢固，其附著力約130mN以上，中性鹽霧試驗200h後無腐蝕，在高溫、高溼試驗中無明顯變化。
實施例2一種鎂及其合金表面真空離子鍍鍍層的製備方法，現選用AM50等系列合金材料壓鑄件按照下列方法進行處理。
下面結合具體實例對本發明作進一步具體的描述，但本發明的實施方式不限於，其主要特點是包括有如下步驟(1)在非水溶液環境下，保證AM50鎂合金的基體溫度為180℃以下；直接利用噴沙進行除鏽除油處理，噴砂壓力P為300-400kg/m2；磨料的類型S為球形磨料，其粒度為600-800號；噴槍的距離H為200-400mm；噴砂速度t為50-100s/cm2。
(2)採用惰性氣體衝洗為氮氣，其壓力為5-10Mpa；速度為5-10s/cm2。採用惰性氣體可防止噴砂處鏽的AM50合金被再次氧化，同時為了將噴砂過程中AM50合金表面產生的金屬碎屑及玻璃珠清除，以確保基體與膜層直接接觸。
(3)在惰性氣體衝洗完後，在1-10min之內，立即送入真空離子鍍鍍膜設備內進行鍍膜。避免了處理後的表面被再次氧化。鍍膜的工藝為抽真空(本底真空3E-3)；主弧轟擊(偏壓500V，佔空比50％，5分鐘)；多弧鍍膜(Ti/TiN各6分鐘，過程壓力為0.5Pa，厚度各約1μm)；冷卻出爐。
實施例經CSM顯微劃痕測試儀(微米量級)檢測，膜層附著牢固，膜基結合力在30N以上，檢測結果見圖3，膜層複合硬度達500HV。
實施例3一種鎂及其合金表面磁控濺射鍍鍍層的製備方法，現選用AM60系列鎂合金材料壓鑄件按照下列方法進行處理。
下面結合具體實例對本發明作進一步具體的描述，但本發明的實施方式不限於此，其主要特點是包括有如下步驟(1)在非水溶液環境下，保證AM60鎂合金的基體溫度為180℃以下；直接利用噴沙進行除鏽、除油處理，噴砂壓力P為350-400kg/m2；磨料的類型S為球形磨料，其粒度為600-800號；噴槍的距離H為100-200mm；噴砂速度t為60-100s/cm2。
(2)採用惰性氣體為氮氣衝洗，其壓力為5-10Mpa；速度為5-10s/cm2。；採用惰性氣體可防止氧化，同時為了將機械拋光和打磨過程中鎂合金表面產生的金屬碎屑清除，以確保基體與膜層直接接觸。
(3)在惰性氣體衝洗完後，在1-10min之內，立即送入磁控濺射鍍膜設備內進行鍍膜。避免了處理後的鎂及合金表面被再次氧化。鍍膜的工藝為抽真空(本底真空1E-4)；磁控濺射鍍膜(鍍膜時間60分鐘，濺射壓強0.6Pa，濺射功率150W，厚度各約1μm)；冷卻出爐。
實施例經CSM顯微劃痕(納米量級)測試儀檢測，膜層附著牢固，膜基結合力在120mN以上，檢測結果見圖3，膜層複合硬度達450HV。
權利要求
1.一種鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是包括有如下步驟(1)預處理在非水溶液環境下，直接利用機械打磨進行除鏽、除油處理，鎂及其合金的基體溫度為180℃以下；(2)採用惰性氣體衝洗，其壓力為5-10Mpa；速度為5-10s/cm2；(3)在惰性氣體衝洗完後，在1-10min之內送入真空鍍膜設備內進行鍍膜。
2.如權利要求1所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是所述的機械打磨包括有對鎂合金表面的粗糙度要求從0.1到0.4-0.8μm；固定砂輪的轉速為800-1600r/m，磨削速度為5mm/s-20mm/s。
3.如權利要求2所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是所述的對鎂合金表面的粗糙度要求從0.1到0.8μm其拋光工序為依次用250號、400-600號、800-1000號、1200-1500號砂布打磨。
4.如權利要求1所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是所述的機械打磨為噴沙，噴砂壓力P為200-400kg/m2；磨料的類型S為球形磨料，其粒度為250-800號；噴槍的距離H為200-500mm；噴砂速度t為30-120s/cm2。
5.如權利要求1所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是所述的惰性氣體為氮氣和氬氣。
6.如權利要求1所述的鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其特徵是所述的真空鍍膜包括有真空離子鍍、多弧離子鍍和磁控濺射鍍。
全文摘要
本發明涉及一種鎂及其合金表面強化的製備方法，特別涉及鎂合金表面真空鍍層的製備方法。一種鎂及其合金表面真空鍍層的製備方法，其主要特點是包括有如下步驟(1)預處理在非水溶液環境下，直接利用機械打磨進行除鏽、除油處理，鎂及其合金的基體溫度為180℃以下；(2)採用惰性氣體衝洗，其壓力為5－10MPa；速度為5－10s/cm
文檔編號C23C14/02GK101086057SQ200710017500
公開日2007年12月12日 申請日期2007年3月6日 優先權日2007年3月6日
發明者範多旺, 王成龍, 範多進, 鄧志傑, 令曉明, 苗樹翻, 趙富軍 申請人:蘭州大成自動化工程有限公司, 蘭州交通大學