[发明专利]铝及铝合金表面的氮化方法

说明书

 

技术领域

    本发明涉及一种铝合金的热处理工艺，尤其涉及一种铝及铝合金的表面氮化方法。

背景技术

铝合金具有比强度高, 导电、导热性好, 耐蚀性好及塑性和成型性好等优点, 已成为除钢铁之外在工业上使用最多的金属材料，应用范围十分广泛，涉及轻工、电力、电气、电子、汽车、机械制造、建筑、包装等行业，是国民经济发展的重要基础材料。但随着工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，因而强化铝合金使之满足服役条件成为铝合金研究之重点。

对铝合金进行氮化处理，在其表面生成AlN化合物，可以有效提高铝合金及工件表面的硬度和耐磨性，是正在发展的铝合金具有良好效果的强化方法之一。

由于铝的化学性质很活泼, 纯铝及铝合金表面都存在稳定性很好的自然氧化膜。根据环境中水分含量, 氧化膜的厚度最厚可达0.1μm 左右, 严重阻碍了氮原子向铝基体中的扩散，也严重影响了铝及铝合金氮化工艺所产生的效果。为了消除氧化膜的影响和实现铝合金表面氮化，目前主要研究和采用辉光放电等离子体渗氮工艺。

常规的直流辉光放电等离子体渗氮工艺一般采用双极系统，工件为阴极，真空容器为阳极，在阴、阳极间加上直流电压，使气体辉光放电产生等离子体，正离子在外加偏压的作用下向阴极工件加速运动，与工件表面碰撞并渗入表面，完成渗氮的过程。但是这种方法常常需要在渗氮前进行预溅射以消除氧化膜。同时温度较高，有的甚至达到650℃,引起铝合金局部熔化。

近年来，为降低铝的渗氮温度，提高渗氮质量，研究人员主要从改变产生等离子体的方法入手，即对渗氮装置进行改进：

① 增强等离子体离子渗氮

    增强等离子体离子渗氮是利用改进的渗氮装置获得低压、高能的增强等离子体。这种装置使得热电子在加速运动中与氮原子和氮分子发生剧烈碰撞，在较低的压力下就可形成等离子体，因此渗氮可在低温（300℃左右）下进行。该渗氮工艺的特点表现为电离化程度高，气压低，能量高，甚至可以在没有进行预溅射处理的情况下，利用高能离子的轰击有效地去除铝表面的氧化膜，这一点与离子注入的效果相近，但也有同样的缺点，就是渗氮层深度较浅。

    ② 激光诱导等离子体渗氮

    激光诱导等离子体渗氮是利用激光扫描时产生的高温，使氮在铝中的扩散，在几个微米的深度内改变了铝表面的成分和结构，达到了硬化的目的。另外，要处理的区域可被精确定位，并可通过等离子体区的连续移动扩展到大的表面范围。

其中单位面积激光脉冲数和扫描方式（逐步扫描和重叠扫描）对渗氮质量的有很大影响。随激光脉冲数的增加，氮的渗入量增加，当脉冲数为500个/ cm² 时达最大值，超过这个范围，则因为激光束对表面的剥离作用占优势而抑制了氮的渗入，同时脉冲数的增加会增大表面粗糙度，这对抗磨损性能是不利的。

③ ECR（electron cyclotron resonance）微波等离子体渗氮

ECR的特点是可以在比通常的微波放电更低的压力下也可以产生等离子体，这种ECR 等离子体能更有效地产生低能领域的离子，是一种磁活化等离子体，具有密度高，电离度高，参数易控制等优点，目前已有利用ECR 等离子体装置对纯铝进行了渗氮试验的报道。

④ 射频（高频）等离子体渗氮

由于渗氮层一般由AlN 构成，AlN 的电阻很高，在普通的直流辉光放电渗氮时，随AlN 层的增厚，为维持放电过程，必须改变工艺参数，这就增加了渗氮难度，也决定了渗氮层不可能太厚。

为了克服AlN的电绝缘性给渗氮带来的困难，同时也为了增加氮化层的厚度，出现了铝的射频等离子体渗氮。但用单独的射频等离子体去除表面氧化膜的效果不好，所以有的研究将脉冲直流与射频发生器结合起来，利用转换开关控制二者与阴极相连，这样，直流等离子体用于渗氮前的溅射清洗和初期渗氮，当铝表面生成一薄层AlN后，转换开关换到射频发生器一边，再继续进行渗氮。

    此外，铝及铝合金气体渗氮也有报道，渗氮时添加洁净剂氯化铵和活化剂稀土，利用氯离子与氧化膜中铝的作用，破坏氧化膜的完整性，并利用稀土的活化催化作用，使铝及铝合金渗氮。 

上述铝及其铝合金的氮化工艺，设备要求及生产成本高、操作复杂难控制，对于大尺寸和结构复杂的工件很难得到理想均匀的氮化层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种氮化层均匀可控，成本低，且工艺简单易行的铝及铝合金氮化方法。所述铝及铝合金表面的氮化方法的按如下步骤施行：