[发明专利]铜及其合金的复合离子注入表面改性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料技术领域的方法，具体是一种铜或其合金的复合离子注入表面改性的方法。

背景技术

铜是一种古老而又年轻的有色金属材料，随着铜材料的超强的抗菌性能被人们所认识，以及人们随生活水平提高而日益增强的健康意识，铜的应用范围也更加广泛。目前已有很多文献报道，铜及其合金具有极强的抗菌、抑菌功能。如对金黄色葡萄球菌、埃希氏大肠杆菌、绿脓杆菌和白色念珠菌等的抑菌率可达99.99％，远胜于常用的水家电材料。目前铜及其合金除了在电力、冷热交换器、军工和工艺品等传统领域中广泛使用外，在日常生活用品中铜制把手、铜锁、铜质龙头、水管、铜质炊具等也已非常普及；为防止“二次污染”而研发和生产的铜质抗菌洗衣机、饮水机内胆等相关产品也已开始进入市场。但是，多数铜制品的耐磨性较差，易氧化变色，且在氨、氧化性的硝酸和硫酸存在的环境中易腐蚀，往往难以满足使用要求。以紫铜为例，尽管其抗菌、抑菌能力最强，但其强度、硬度都很低，且易腐蚀。

经对现有技术文献检索的发现，中国发明专利公开号为：CN 1616715A，发明人：徐群杰、周洋等人，专利名称：“铜缓蚀剂”，该专利公开了一种铜缓蚀剂，铜的腐蚀速率得到有效控制，其机理为：缓蚀剂与铜共同作用，在铜的表面生成一层钝化保护膜。但其缺陷是：此专利所提出的方法和试剂尽管能减缓铜的腐蚀，却无法明显提高铜的表面的硬度和耐磨性，而正是铜的低强度在很大程度上限制了其更广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铜或其合金的复合离子注入表面改性的方法。采用在铜或其合金表面注入其他金属和非金属元素的方法，使其强度和硬度等力学性能得到显著提高，且改善其耐腐蚀性能。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明具体包括如下步骤：

步骤一：首先对铜或者铜合金表面进行研磨，并抛光至1200#-1500#，再用去离子水和有机液对样品表面进行清洗，烘干后备用；

步骤二：采用复合离子注入工艺，将铜及其合金放入离子注入复合镀膜设备内，实现在铜或其合金表面依次注入金属元素和非金属元素。

步骤一中，所述的有机液，是指：无水乙醇或无水丙酮。

步骤二中，所述的复合离子注入工艺，是指：将气体或金属元素的蒸气进行电离，并经高压电场加速成具有几万甚至几百万电子伏特能量的载能束，射入工件表面，与表层中原子不断发生核碰撞、电子碰撞和电荷交换后，其能量不断减少，最终停留在工件表层内。离子注入后引起材料表面的元素种类、成分比例乃至组织结构改变，进而使其物理、化学、力学以及生物医学等方面性能发生变化，从而达到材料表面改性之目的。

所述的复合离子注入工艺，具体步骤为：

1).将步骤一处理后的铜或者铜合金放入离子注入复合镀膜设备的真空室内，用机械泵和分子泵组合将其抽至真空度为1×10^-3Pa～5×10^-3Pa；

2).设定加速电压为30kV～70kV，束流密度为20μA/cm²～40μA/cm²；

3).对铜及其合金基体进行离子注入，使注入剂量控制在如下范围：1×10¹⁷～6×10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)。

步骤二中，所述注入非金属元素，是指：N或B；所述的注入金属元素，是指：Zn和Ti或Al和Ti金属元素。

本发明步骤二中所述的离子注入复合镀膜设备，参见公告号为CN 1206386C的中国专利。其结构特点为：气体离子源、金属离子源、直流磁控溅射靶源、中频脉冲磁控溅射靶源和两套直流磁过滤电弧离子镀源等六个源头共用一个真空室，并固定在复合镀膜机的外壳上，气体离子源垂直位于真空室上部的正中，金属离子源位于气体离子源的一侧，斜插于真空室上部，直流磁控溅射靶源和中频磁控溅射靶源、两个直流磁过滤电弧离子镀源则分布在二条对角线上，并位于真空室两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台工件上，真空抽气系统与真空室连接。其功用：该设备集几种材料表面改性技术于一体，除可用来对材料进行离子注入外，还可用于磁控溅射，也可用于多弧离子镀膜。