CN108893739A - 铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金材料及其制备方法。该铝合金材料包括铝合金基体、经化学反应和/或电化学反应形成在所述铝合金基体的表面的转换膜以及形成在所述转换膜上的PVD膜层，所述转换膜的硬度大于所述铝合金基体的硬度。在铝合金基体的表面形成转换膜，并且转换膜的硬度大于铝合金基体的硬度，并且转换膜能够有效地覆盖铝合金基体的表面，从而克服了铝合金基体的硬度低且活泼性高的缺点。

Description

铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，更具体地，涉及一种铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金材料的应用越来越广泛，尤其在3C领域。铝合金材料的加工性能良好，但其硬度较软，并且耐蚀性较差。传统的表面处理工艺难以在其表面形成耐磨性、耐蚀性良好的膜层。
目前，不锈钢的PVD(Physical Vapor Deposition-物理气相沉积)技术已经很成熟。该技术不仅可以使基材获得更高的硬度，提高耐磨性，同时兼具耐蚀性、外观色彩丰富的优点。
然而，因为铝合金材料的质软、表面活性高等原因，无法形成理想的PVD膜。
因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种铝合金材料的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种铝合金材料。该材料包括铝合金基体、经化学反应和/或电化学反应形成在所述铝合金基体的表面的转换膜以及形成在所述转换膜上的PVD膜层，所述转换膜的硬度大于所述铝合金基体的硬度。
可选地，所述铝合金基体为铸造铝合金、轧制铝合金和挤压铝合金中的至少一种。
可选地，所述转换膜为铝合金氧化膜或者钝化膜。
可选地，所述铝合金氧化膜为普通阳极氧化膜、硬质阳极氧化膜或者微弧氧化膜。
可选地，所述转换膜为铝合金氧化膜，所述铝合金氧化膜为不封孔状态的氧化膜或者经封孔后镜面抛光的氧化膜。
可选地，所述PVD膜层为金属氮化物和金属碳氮化物中的至少一种。
可选地，所述PVD膜层为TiCN氧化膜、TiN氧化膜、CrN氧化膜、TiN氧化膜、AlCrN氧化膜和AlTiN氧化膜中的至少一种或者多层复合膜。
可选地，所述铝合金氧化膜通过普通阳极氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为280-500Hv。
可选地，所述铝合金氧化膜通过硬质阳极氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为400-1000Hv。
可选地，所述铝合金氧化膜通过微弧氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为1000Hv以上。
可选地，所述PVD膜层的硬度大于所述转换膜的硬度。
可选地，所述转换膜的厚度为8-200μm。
可选地，所述PVD膜层的厚度为1-10μm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种铝合金材料的制备方法。该方法包括：经化学反应和/或电化学反应在铝合金基体的表面上形成转换膜，所述转换膜的硬度大于所述铝合金基体的硬度；在所述转换膜上进行物理气相沉积，以形成PVD膜层。
可选地，在所述在铝合金基体的表面上形成转换膜的步骤之前还包括：对所述铝合金基体的表面进行第一次抛光处理，并对所述铝合金基体进行第一次脱脂处理。
可选地，在所述在铝合金基体的表面上形成转换膜的步骤之后还包括：对所述转换膜的表面进行第二次抛光处理，并对所述转换膜的表面进行第二次脱脂处理。
可选地，所述转换膜为铝合金氧化膜或者钝化膜。
根据本公开的一个实施例，经化学反应和/或电化学反应在铝合金基体的表面形成转换膜，并且转换膜的硬度大于铝合金基体的硬度，转换膜能够有效地覆盖铝合金基体的表面，从而克服了铝合金基体的硬度低且活泼性高的缺点。
此外，转换膜有效地提高了PVD膜层的附着力以及耐蚀性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的一个实施例的铝合金材料的制备方法的流程图。
图2是根据本发明的一个实施例的铝合金材料的剖视图。
附图标记说明：
11：铝合金基体；12：铝合金氧化膜；13：PVD膜层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的一个实施例，提供了一种铝合金材料。该铝合金材料可以用于制作手机、平板电脑、智能手表、VR设备、AR设备等电子设备的壳体。
如图2所示，该铝合金材料包括铝合金基体11、经化学反应和/或电化学反应形成在铝合金基体11的表面的转换膜以及形成在转换膜上的PVD膜层13。其中，转换膜的硬度大于铝合金基体11的硬度。
具体地，铝合金基体11可以为铸造铝合金、轧制铝合金或者挤压铝合金。例如，5系铝合金、6系铝合金或者7系铝合金等。上述材料的来源广泛，成本低，结构强度高，可加工性能良好。铝合金材料的二次加工可以采用压铸、锻造等方式。
优选地，铝合金基体11的硬度为100Hv以上。该硬度范围的铝合金基体11能使铝合金材料具备较高的硬度，并且形成的转换膜的附着力强。
转换膜为形成在铝合金基体11的表面的氧化膜，其硬度大于铝合金基体11的硬度。经化学反应和/或电化学反应，铝合金基体表面的活性金属被氧化，从而形成转换膜。转换膜能显著提高铝合金基体的表面的硬度，并降低表面的活性。
优选地，转换膜的硬度为300Hv以上，厚度为8-200μm。该硬度范围使得PVD膜层13的附着力更强，结构强度更高。此外，该厚度范围的转换膜在铝合金基体11的表面的附着力强。
优选地，转换膜为铝合金氧化膜12。例如，通过阳极氧化的方式形成铝合金氧化膜12。可选地，铝合金氧化膜12为普通阳极氧化膜、硬质阳极氧化膜或者微弧氧化膜。普通阳极氧化是指将铝合金基体放置到硫酸溶液或者硫酸与有机酸的混合溶液中，在较低的电流下进行阳极氧化，从而形成铝合金氧化膜。例如，电流为1.5安/平方分米以下。该方法能够形成的铝合金氧化膜12的厚度可达20μm，硬度可达280-500Hv。
硬质阳极氧化是指将铝合金基体放置到硫酸与有机酸的混合溶液中，在较低温度、较高电流条件下进行阳极氧化，从而形成铝合金氧化膜。例如，温度为5℃以下，电流为2安/平方分米以上。该方法能够形成的铝合金氧化膜12的厚度可达20-100μm，硬度可达400-1000Hv。
微弧氧化是指将铝合金基体放置到弱碱性的槽液中，逐步调高电压进行阳极氧化，从而形成具有α-氧化铝和β-氧化铝结构的铝合金氧化膜。该方法能够形成的铝合金氧化膜12的厚度可达30-200μm。相对于普通阳极氧化膜和硬质氧化膜，微弧氧化膜具有超高硬度、高附着力、高致密度的特点，其硬度可高达1000Hv以上，经镜面抛光后可获得陶瓷质感，这使得PVD膜层13的附着力更强。
当然，转换膜还可以是其他膜层，例如，经浓酸或者氧化剂钝化处理而形成的钝化膜等。
在其他示例中，铝合金基体被放置到氧化性的溶液中，同时进行化学和电化学反应，从而在表面形成铝合金氧化膜。通过这种方式，转换膜的形成速度快。
可选地，转换膜的厚度为8-50μm。例如，经阳极氧化形成的铝合金氧化膜12的厚度为8-50μm。该厚度范围的转换膜具备较高的硬度，并且孔隙(例如，纳米孔)少。
可选地，铝合金氧化膜12为不封孔状态的氧化膜或者经封孔后镜面抛光的氧化膜。不封孔状态的氧化膜是指铝合金氧化膜12形成后未经过封孔处理工序。铝合金氧化膜12存在孔隙，例如纳米孔。在PVD膜层13形成过程中，PVD靶材能够沉积到孔隙中，封堵孔隙，并形成完整的膜层。
例如，封孔处理是采用封孔剂对上述孔隙进行封堵，从而形成完整、光洁的表面。完整、光洁的表面使得PVD膜层13的附着力更强，并且PVD膜层13的硬度、耐磨性和耐蚀性更好。镜面抛光是指对封孔处理后的转换膜进行抛光处理，以形成镜面。镜面的平整度、光洁度高，利于PVD膜层的形成。
优选地，PVD膜层13的厚度为1-10μm。该厚度的PVD膜层13具有硬度高的特点。
优选地，PVD膜层13的硬度为1000Hv以上。该硬度范围使得铝合金材料不易发生形变，尤其在跌落过程中，能保持材料表面形貌的完整。
可选地，PVD膜层13为金属氮化物和金属碳氮化物中的至少一种。上述两种膜层的硬度、耐磨性和耐蚀性良好。
在本发明实施例中，在铝合金基体11的表面形成转换膜，并且转换膜的硬度大于铝合金基体11的硬度，转换膜能够有效地覆盖铝合金基体11的表面，从而克服了铝合金基体11的硬度低且活泼性高的缺点。
此外，转换膜有效地提高了PVD膜层13的附着力以及耐蚀性。
此外，转换膜有效地提高了铝合金材料的耐人工汗液腐蚀的能力。
在一个例子中，PVD膜层13的硬度大于转换膜的硬度。该铝合金材料的硬度高，做成的铝合金制品的结构强度高，不易产生局部形变，并且PVD膜层13的附着力强。
在一个例子中，PVD膜层13为TiCN氧化膜、TiN氧化膜、CrN氧化膜、TiN氧化膜、AlCrN氧化膜和AlTiN氧化膜中的至少一种或者多层复合膜。例如，可以是形成上述单一材料的PVD膜层13，也可以是经过多次沉积形成不同材料的复合层。还可以是，在不同的部位沉积不同种类的PVD膜层，以形成不同颜色或者不同纹理的材料。
本领域技术人员可以根据实际需要选择PVD膜层13的种类和层数。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种铝合金材料的制备方法。如图1-2所示，该制备方法包括：
S1、经化学反应和/或电化学反应在铝合金基体11的表面上形成转换膜。例如，铝合金基体11为5系铝合金、6系铝合金或者7系铝合金等。
优选地，转换膜为铝合金氧化膜12。例如，通过硬质氧化、普通氧化、微弧氧化等方式形成铝合金氧化膜12。
还可以是，转换膜为通过在浓酸或者氧化剂中浸泡钝化的方式形成钝化膜。
S2、在转换膜上进行物理气相沉积，以形成PVD膜层13。将带有转换膜的铝合金基体11放置到PVD设备中，进行物理气相沉积。其中，靶材可以是但不局限于TiCN、TiN、CrN、TiN、AlCrN和AlTiN等材料。
在一个例子中，在S1步骤之前还包括：对铝合金基体11的表面进行第一次抛光处理，并对铝合金基体11进行第一次脱脂处理。抛光处理是指利用机械、化学或电化学的方法，使铝合金基体11的表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面，例如形成镜面。在进行切削加工、抛光处理等工序时，铝合金材料上会附着油脂。油脂会降低转换膜的附着力。脱脂处理是指利用脱脂剂去除铝合金基体11，尤其是表面的油脂。
可选地，脱脂剂为有机溶剂、NaOH溶液或者NaCO3溶液等。采用浸泡的方式进行脱脂处理。
在一个例子中，在S1步骤之后还包括：对转换膜的表面进行第二次抛光处理，并对转换膜的表面进行第二次脱脂处理。通过第二次抛光处理，转换膜的表面更加光洁。
可选地，在进行第二抛光处理前，还可以采用封孔剂对转换膜的表面进行封孔处理，以封堵转换膜表面的孔隙。通过这种方式，能够有效地避免孔隙对PVD工序造成不利影响。
在其他示例中，PVD材料可以直接沉积到孔隙中，以进行封孔；然后，继续沉积，以形成完整的PVD膜层13。
优选地，在上述第一次脱脂处理和第二次脱脂处理之后还包括对材料进行烘干，以去除材料表面的水份。烘干后的材料表面更光洁，能避免水对PVD工序造成不利影响。例如，出现气孔，PVD膜层13附着力低，易脱落等。
实施例一：
该例子提供了一种6061铝合金材质表壳。其中，铝合金基体11的硬度为110Hv。
S11、对铝合金基体11的表面进行第一次抛光处理和第一次脱脂处理。
S12、在硫酸溶液中进行硬质阳极氧化。经硬质阳极氧化获得铝合金氧化膜12，其厚度为20μm，硬度为300-350Hv。
S13、该铝合金氧化膜12无需封孔处理。经水洗后置于PVD设备中，再经物理气相沉积获得TiN的PVD膜层13。
经检测，该PVD膜层13的硬度＞1000Hv，并且具有良好的耐磨性。在45℃-55％的湿度条件下，浸入人工汗液中达48h以上。经观察，表壳的表面无腐蚀现象且没有露出铝合金基体11，表明该表壳具有良好的耐汗液腐蚀的性能。
实施例二：
该例子提供了一种7系铝合金材质表壳。铝合金基体11的硬度为145Hv。
S21、对铝合金基体11的表面进行第一次抛光处理和第一次脱脂处理。
S22、在硫酸溶液中进行硬质阳极氧化。经硬质阳极氧化获得铝合金氧化膜12，其厚度为40μm，硬度为400-500Hv。
S23、该铝合金氧化膜12采用封孔剂进行封孔处理。
S24、经第二次抛光处理以及第二次脱脂处理。
S25、置于PVD设备中进行PVD工序，在铝合金氧化膜12的表面形成TiCN的PVD膜层13。
经检测，该PVD膜层13的硬度＞1000Hv，并且具有良好的耐磨性。在45℃-55％的湿度条件下，浸入人工汗液中达48h以上。经观察，表壳的表面无腐蚀现象且没有露出铝合金基体11，表明该表壳具有良好的耐汗液腐蚀的性能。
实施例三：
该例子提供了一种7系铝合金材质表壳。铝合金基体11的硬度为145Hv。
S31、对铝合金基体11的表面进行第一次抛光处理和第一次脱脂处理。
S32、在硫酸溶液中进行微弧氧化。经微弧氧化获得铝合金氧化膜12，其厚度为100μm，硬度为1000Hv以上。
S33、该铝合金氧化膜12采用封孔剂进行封孔处理。
S34、经第二次抛光处理，以形成具有陶瓷质感的表面，并第二次脱脂处理。
S35、置于PVD设备中进行PVD工序，在铝合金氧化膜12的表面形成TiCN的PVD膜层13。
经检测，该PVD膜层13的硬度＞1000Hv，并且具有良好的耐磨性。在45℃-55％的湿度条件下，浸入人工汗液中达48h以上。经观察，表壳的表面无腐蚀现象且没有露出铝合金基体11，表明该表壳具有良好的耐汗液腐蚀的性能。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种铝合金材料,其特征在于,包括铝合金基体、经化学反应和/或电化学反应形成在所述铝合金基体的表面的转换膜以及形成在所述转换膜上的PVD膜层，所述转换膜的硬度大于所述铝合金基体的硬度。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金基体为铸造铝合金、轧制铝合金和挤压铝合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述转换膜为铝合金氧化膜或者钝化膜。
4.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金氧化膜为普通阳极氧化膜、硬质阳极氧化膜或者微弧氧化膜。
5.根据权利要求3所述的铝合金材料，其特征在于，所述转换膜为铝合金氧化膜，所述铝合金氧化膜为不封孔状态的氧化膜或者经封孔后镜面抛光的氧化膜。
6.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述PVD膜层为金属氮化物和金属碳氮化物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述PVD膜层为TiCN氧化膜、TiN氧化膜、CrN氧化膜、TiN氧化膜、AlCrN氧化膜和AlTiN氧化膜中的至少一种或者多层复合膜。
8.根据权利要求3所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金氧化膜通过普通阳极氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为280-500Hv。
9.根据权利要求3所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金氧化膜通过硬质阳极氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为400-1000Hv。
10.根据权利要求3所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金氧化膜通过微弧氧化制备而成，所述铝合金氧化膜的硬度为1000Hv以上。
11.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述PVD膜层的硬度大于所述转换膜的硬度。
12.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述转换膜的厚度为8-200μm。
13.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述PVD膜层的厚度为1-10μm。
14.一种铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括：
经化学反应和/或电化学反应在铝合金基体的表面上形成转换膜，所述转换膜的硬度大于所述铝合金基体的硬度；
在所述转换膜上进行物理气相沉积，以形成PVD膜层。
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