[发明专利]一种在铝合金表面沉积ZrN薄膜工艺的研究

说明书

技术领域

本发明涉及一种在铝合金表面中频反应磁控溅射沉积ZrN薄膜的工艺，属于物理气相沉积磁控溅射制备薄膜的方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

众所周知，铝合金具有比强度高，良好的导热和导电性、反光性强、塑性好、成型性好、无低温脆性等优点，是一种具有优良综合性能的有色金属材料，被广泛应用于现代汽车工业、航天工业、电子通讯业、计算机业等领域。但是，铝的化学性质活泼，标准电极电位低，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约1～3nm的致密氧化膜，抗腐蚀性能差，硬度低，耐磨性差。为了克服铝合金表面性能方面的缺点，扩大应用范围，延长使用寿命，表面处理技术是非常重要的一环，用以解决或提高防护性、装饰性和功能性三大方面的问题。

目前，铝合金表面处理技术普遍采用电镀、化学镀、阳极氧化、粉末涂装和激光处理等方法。电镀镀层结晶细致，平滑光亮，内应力较小，与陶瓷金属化层结合力强，但电镀费时费力，而且电镀液中含有氰种剧毒物质，具有较强的污染，我国已经明令禁止采用电镀法。化学镀操作复杂，也具有一定的污染，而且表面镀层颜色单一。阳极氧化法镀层耐蚀性好，但力学性能差，膜层薄且与基体结合力小。粉末涂装工艺繁琐，具有一定污染性，表面膜层硬度低。激光处理对材料进行改性处理而提高、改善材料本身性能，主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆，但是激光处理只是改变了基材表面的组织，因此性能改普的幅度相对有限，特别是对基材表面有特殊性能要求时，激光处理就显得无能为力了。  

随着我国现代工业的高速发展，人们对铝及铝合金要求越来越高。因此加强铝及铝合金的表面改性研究，积极寻找新的表面处理工艺研究方法，降低成本，减少污染，提高其应用性能具有广泛的研究价值及应用前景。而ZrN属于过渡金属化合物，具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能及人们喜爱的金黄色，通过控制中频反应磁控溅射技术工艺参数沉积在铝合金表面，满足人们对铝合金表面的性能和色彩的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过中频反应磁控溅射在铝合金表面沉积ZrN薄膜的工艺，满足铝合金表面耐高温、耐腐蚀、耐磨损和色彩的需求。本发明采用SP-0707AS中频反应磁控溅射镀膜机，中频功率为5KW，本底真空度为6.0×10^-3Pa，真空室尺寸为Φ700×700mm，靶材为270×70×5 mm的长方形对称Zr靶，工作气体Ar气和反应气体N₂气的纯度均为99.99%，基体为铝合金镜面板，溅射气压为3.0×10^-1Pa，偏压为150V，占空比为80%。通过控制控制N₂气流量、溅射时间、溅射温度和膜层厚度可以得到满足需求的ZrN薄膜。

当N₂气流量控制在15sccm时，采用YWX/Q-250型盐雾腐蚀试验机进行薄膜耐蚀性试验，此时耐蚀性能最好；当镀膜时间在30min，镀膜温度在70-90℃时，ZrN薄膜在铝合金表面附着力最高；当镀膜厚度达到在20-120nm时，按照国际上通用的测量颜色的标准CIE1976(L*、a*、b*)来标定颜色，此时薄膜颜色由浅黄、浅黄、黄、金黄到暗黄，当镀膜厚度为70 nm时，L*值为 83，a*值为1，b*值为30，薄膜具有仿金色。

与铝合金其他表面处理技术相比，本发明通过中频反应磁控溅射工艺在铝合金表面沉积耐腐蚀、耐磨损和颜色亮丽的ZrN薄膜。通过控制N₂气流量、溅射时间、溅射温度和膜层厚度工艺参数，可以得性能优良和多种颜色的ZrN

薄膜。而且处理后的铝合金具有良好的耐蚀性、耐磨性和装饰性，可有多种用途。

本发明为解决其技术问题，提供如下技术方案：

实施例1

（1）采用SP-0707AS中频反应磁控溅射镀膜机，中频功率为5KW，本底真空度为6.0×10^-3Pa，真空室尺寸为Φ700×700mm，靶材为270×70×5 mm的长方形对称Zr靶，工作气体Ar气和反应气体N₂气的纯度均为99.99%，溅射气压为3.0×10^-1Pa，偏压为150V，占空比为80%。