[发明专利]镁合金表面制备硬质防护膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及镁合金表面处理和表面改性技术，具体地说是在镁合金表面沉积CrN单层或Cr/CrN多层硬质防护膜的方法，用以提高镁合金构件的耐蚀性、耐磨性，扩大镁合金构件的使用范围。

背景技术

镁合金作为一种轻质工程结构材料，具有比强度高、 弹性模量低、热传导率高、电磁屏蔽、阻尼性能好、高的尺寸稳定性、切削加工性好以及易于回收等和对环境污染小等一系列优良的性能。在交通工具、通讯产品、航空航天、武器装备等领域有着广泛的应用。这些特性使得镁合金成为颇具诱惑力的钢铁和铝的替代材料，成为21 世纪最具发展前景的工程材料之一。但目前的镁合金应用量还很低，年生产量大约只有铝合金的1%。造成镁合金的实际应用受到限制的原因在于镁具有一些固有的性能缺陷，如耐腐蚀性差、合金化强化效果差、韧性不足以及耐磨性差等缺点。尤其是低劣的耐蚀性和耐磨损性使镁合金的应用迄今为止只能局限于静载零件。腐蚀和磨损都是材料的表面现象，因而最直接且有效地提高镁合金耐蚀性、耐磨性的途径是进行表面处理和表面改性。常见的镁合金的表面处理和表面改性方法主要有电镀、微弧氧化（包括阳极氧化）、热喷涂、激光表面处理、气相沉积技术等。然而，由于镁是一个化学性质极其活泼的元素，在电镀工艺过程中表面很容易发生腐蚀、氧化，因此，镁合金表面电镀的前处理过程复杂并十分困难，同时有些镀液污染环境；镁合金表面微弧氧化（包括阳极氧化），可在镁合金表面形成一层氧化膜，但此膜疏松多孔，膜层的性能不理想，虽然也有一些封孔的做法，但大件的微弧氧化处理，需要大功率的电源；热喷涂产生的膜层也因多空疏松而性能得不到提高；激光表面处理因处理面积有限不利于大规模生产；气相沉积技术可生成致密的过渡族金属氮化物或碳化物膜层，是镁合金较为理想的表面改性处理方法。

电弧离子镀技术离化率高、镀膜速率快，能够制备一定厚度的膜层，是制备硬质防护膜较为理想的技术。利用电弧离子镀在镁合金表面沉积过渡金属氮化物膜层不同于在钢铁和铝合金表面，由于镁合金化学活性极大，极易在表面形成较厚的疏松氧化膜，常规情况下，在沉积前的离子轰击清洗也难于完全去掉这层氧化膜，这使沉积膜与镁合金衬底的结合力很差，膜层极易脱落。一般而然，高能离子对表面的轰击造成表层区的高密度缺陷,如空位、间隙原子、位错等。金属原子可以通过空位、位错向内部扩散，N原子也可以通过间隙和位错向内部扩散，从而能在衬底表面形成过渡层。过渡层的存在形成了一个纵深的界面，降低因晶格错配而产生的内应力，从而提高结合力。从这个意义上讲，温度越高，离子轰击能量越大，越有利于获得高的结合力。但是，我们的实验表明，对于电弧离子镀在镁合金上沉积过渡金属氮化物膜而言，偏压过高也不利于牢固结合力的获得，其原因主要在于两个方面。首先，高偏压导致的温度过高加剧了 AZ系列镁合金的组成相 β-Al₁₂Mg₁₇ 的软化，片状试样会出现严重的因为温度不均匀而造成的弯曲变形。另外，镁和N₂气在高温下还能发生化学反应，生成粉状的Mg₃N₂，使镁合金表面受到严重刻蚀和蒸发。其次，由于 Mg 与过渡金属氮化物的热膨胀系数相差很大，沉积温度过高将导致冷却后膜层与衬底之间产生较大的拉应力， 从而降低了薄膜的结合力。因此，从降低界面的热应力和镁合金衬底因素考虑，温度不宜过高。这样，在镁合金上直接沉积过渡金属氮化物膜层的沉积温度不易掌控。由于电弧离子镀制备的薄膜会出现一定数量的大颗粒和生长缺陷（微孔、柱状晶界等），加上镁合金电极电位很负，极易腐蚀，在存在腐蚀介质时，易形成微孔和大颗粒处的原电池腐蚀过程。这样，单纯的过渡金属氮化物膜不能具有很好的防护作用，可以选用电镀金属Ni层，起到防止介质与镁合金表面接触腐蚀。采用多层膜是为了提高膜层的韧性，不易形成裂纹；同时，多层膜的层界还可以减少氮化物膜中贯穿的微孔数量，提高膜层的耐腐蚀性。

目前，还没有在镁合金上获得金属氮化物层与金属Ni层组合的且结合力好的CrN系列膜层的技术。

发明内容

发明目的：本发明提供一种镁合金表面制备硬质防护膜的方法，其目的是解决以往的镁合金上膜层效果不理想的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种镁合金表面制备硬质防护膜的方法，其特征在于： 先采用电弧离子镀，选择高纯Cu靶和使用Ar气作为工作气体，沉积金属Cu层；然后通过电镀，沉积金属Ni层；最后通过电弧离子镀，选择高纯高纯Cr靶，使用高纯Ar 气和N₂气作为工作气体，在镁合金上表面沉积CrN单层膜或Cr/CrN多层膜，具体包括以下步骤：