[发明专利]具有Al-Si-O-N抗磨耐蚀层的铝基合金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗磨耐蚀铝基合金材料制备方法，尤其是涉及一种具有Al-Si-O-N抗磨耐蚀层的铝基合金制备方法。

背景技术

铝基合金是工业领域广泛应用的轻质结构材料，然后铝基合金刚度低，摩擦系数大，难以润滑，耐磨性和抗咬合性差等性能的不足，影响了铝基合金的应用范围和使用寿命，极大限制铝基合金在具有相对滑动要求的汽车、摩托车、航空航天零部件上的应用。

铝的化学性能活泼，铝基合金表面往往拥有致密的天然氧化膜，但几十埃厚度天然氧化膜机械强度低，易遭破坏，对基体的保护作用十分有限，无法满足现代工业发展的各种严格要求。表面强化处理是提升铝基合金综合性能的关键，如阳极氧化、等离子体电解氧化、微弧氧化等铝合金表面强化处理，这些工艺虽可适当提高铝材的表面硬度、获得与基体较强结合的表面涂层，但铝基合金表面形成的多孔质结构氧化铝层，不能抵抗含有氯离子介质环境的腐蚀，同时耐磨性和抗咬合性的提高不明显。随着现代应用技术的发展，等离子体喷涂法和激光熔覆处理方法相继在铝基合金表面强化处理获得应用，如专利CN86105732A公开了铝及铝合金表面渗氮方法，以提高铝及铝合金强度和耐磨性，可是较高处理温度要求的特点对于熔点较低的铝合金极不合适，易造成基体材料性能的严重破坏。而溶胶一凝胶法、电刷镀局部高速电沉积法，化学复合镀阳极氧化铝细孔填充润滑性物质，以求增强铝基合金的减摩抗磨性能，专利CN1227282A公开了铝合金气缸内壁镍陶(Ni-SiC)复合电镀工艺，使发动机气缸经久耐用，功率稳定，但这种表面复合层和基体之间存在成分突变，表层与基体组织不连续，存在较大的热应力，引起镀层在使用过程中出现起皮、龟裂、微裂纹及起泡等现象，导致性能无法达到使用要求而未能真正为实际生产所采纳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有Al-Si-O-N抗磨耐蚀层的铝基合金制备方法，应用化学气相法在铝基合金材料、零件表面均匀沉积Al-Si-O-N抗磨耐蚀层，形成新的表面结构，改善铝基合金的耐磨减摩、抗腐蚀性能。

Al-Si-O-N是一种具有陶瓷特性的沉积层，它耐高温、高强度，有一定的韧性，具有异常高硬度、抗弯强度、减摩耐磨、耐腐蚀、耐热冲击性和耐辐射性，良好的电绝缘性和导热性。铝合金材料表面常有的Al-O基团、与Si-O、Si-N基团结构相似，在适当条件下可以互渗、互溶形成Al-Si-O-N陶瓷层。本发明采用铝基合金表面预氧化，氨与硅烷气体低温分解、化学气相反应沉积获得Al-Si-O-N结构的新型表面，通过精细调节Si、Al、O、N元素的成分比例，控制Si、Al、O、N元素的扩散和渗透过程，改变铝基合金表面层成分、结构及与基体的结合力，获得致密、粘着、结构精细可控的Al-Si-O-N陶瓷层，提高铝基合金的综合机械性能。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：铝基合金基体进行预氧化处理

(1-1)机械抛光，去除表面污物及氧化物；

(1-2)超声波丙酮溶液清洗10～15min，去离子水冲洗，清除表面沾污及脱脂除油；

(1-3)用NaOH或KOH化学除油，浓度为2～5g/L，除油时间为2～10min，用硝酸中和，硝酸浓度为100～200g/L，中和时间为2～10min；

(1-4)预氧化，在纯碱∶铬酸钠重量百分比为1∶3～5，浓度为50～100g/L，处理温度90～100℃，预氧化时间3～8min，去离子水冲洗，吹干，得到具有预氧化膜的表面结构；

步骤2：具有预氧化膜的铝基合金基体进行等离子CVD沉积处理，制备含有Al、O、Si和N组分的表面层

(2-1)将预处理后的试样装入PECVD化学气相沉积室中，系统抽真空到3Pa，通高纯H₂开射频，产生辉光放电预轰击净化活化铝合金表面10～20min，使其表面活化、净化，加热升温到300～500℃；

(2-2)以N₂为载气，通SiH₄和NH₃工作气源，气体流速为120ml/min～200ml/min，源气体流量比：N₂∶SiH₄∶NH₃＝9∶1∶2～9，沉积气压10～200Pa，射频功率60～150w，沉积时间10～30min，得到含有Al、O、Si和N组分的表面层；

步骤3：含有Al、O、Si和N组分的表面层铝基合金基体进行热扩散处理