[发明专利]非金属涂层和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及非金属涂层并涉及在金属衬底的表面上形成非金属涂层的方法。

背景技术

涂覆在金属部件的表面上的呈氧化物陶瓷层形式的非金属涂层被广泛用于现代工程应用中，典型地来说，所述部件必需具有高耐磨性或抗蚀性。在正兴起的高科技应用中，非金属涂层还显示了值得注意的前景。

举一个例子，在铝或铝合金部件上所形成的氧化铝基陶瓷表面层为所述部件提供保护并增强它们的功能性。这是由于氧化铝的优异物理和化学稳定性，如高硬度、高电阻率和化学稳定性。这类表面层被广泛用为机械部件(尤其是用于移动会经历高接触负荷和应变的零件的部件)的耐磨和抗蚀涂层、电学和电子工程方面的绝缘涂层、建筑方面的装饰涂层以及化学工程应用方面的化学惰性涂层。

可通过许多不同的方法而在金属衬底上形成氧化物陶瓷涂层。例如，可通过从前体氧化物进行沉积、提供刷涂、喷淋或从气相或液相进行冷凝而形成涂层。还可通过所述金属衬底的表面的一部分的热或电化学作用而转化成氧化物来形成涂层。

虽然沉积涂布技术允许利用广泛范围的氧化物材料，但是未必能始终提供良好的涂层黏着力、均匀性和表面光洁度。

虽然转化技术可得到更佳的黏着力，但是可有效作为涂层的氧化物材料范围受限于母金属的组成。

热活化的转化法不适于硬化和低熔点金属衬底的处理，所述衬底优选通过电化学技术而涂布。有关的电化学转化法都是基于金属表面在水性电解液中的阳极氧化反应，并且被分成常规的低电压阳极氧化和高电压等离子体辅助方法，如等离子体电解氧化(PEO)。PEO也称为微电弧或微等离子体氧化或火花阳极氧化。这些电化学方法可用于处理广泛范围的材料，包括阀金属(例如Mg、Al、Ti、Zr、Nb以及Ta)以和半金属和半导体(例如Si、Ge以及GaAs)。

阳极氧化处理是最常用的多功能电化学转化技术，并且可轻易地按比例扩大并自动化以便可以同时处理高达100m²的表面积。用以阳极氧化一个部件的方法通常包括以下步骤：(i)将所述部件浸渍在含电解液并配备对电极的槽内；(ii)在所述部件与相对电极之间施加电位差以在所述电解质内产生电流，以及(iii)维持所述电位差一段时间以获得所需厚度的氧化物层。

兼用酸性和碱性电解液(电解质)来进行阳极氧化处理，然而，仅可在前者内形成真实的氧化物。在碱性溶液内，阳极氧化处理会导致具有较差保护性质和功能性质的多孔状或类凝胶氢氧化物沉积物的形成(如US7,780,838中所述)。由于所涉及部件的危险性质，所以某些基于酸的方法(例如铬酸阳极氧化)目前受限于法律。

在阳极氧化期间，经由以下阳极电化学方法可形成氧化物层：

在氧化物-电解质界面：

在金属-氧化物界面：

净反应：

氧-阴离子对于电化学方法的贡献可忽略，因为它们的并入阳极膜结构内的作用主要是由于吸附作用而发生。因此，通过改变所述氧-阴离子含量而控制所述膜化学组成的作用受到限制，并且任何性能的增强仅可通过另外的后阳极氧化处理而实现。这类处理包括为了抗蚀和磨润性能而进行的密封和浸渍、为了光学和美学外观而进行的着色和染色以及为了催化性能与纳米导线的制造而进行金属装填。

重要的是，根据反应(1)所释放的质子会在阳极的附近导致局部电解质的酸化，这会增加氧化物溶解的风险。如果金属衬底是非均质的或如果表面受污染，那么这种风险会急剧地升高。因此，在阳极氧化前，金属部件的小心制备和清洗非常重要。

当暴露于具有小于4的pH的电解质时，即便在清洁和均匀的表面上，Al₂O₃也会变为化学上不稳定的。这会将最大许可电流密度限制在介于3A/dm²与5A/dm²之间，这又会限制膜生长速率并对电解质和温度控制强加严格的要求。这些问题可通过采用电解质冷却、电解质的精确循环以及阳极极化的暂停(例如通过应用脉冲模式或AC电流模式)而解决。因此，普遍使用低至介于0℃与5℃之间的冷冻法来制造具有可达介于30μm与50μm之间的厚度和介于500HV与600HV之间的硬度的阳极氧化铝膜。