TW201433451A - 改善覆著力的複合材料及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明改善覆著力的複合材料及其製造方法中，複合材料主要包含材質為含鐵或銅的金屬基底、含鋁覆膜與含鋁陶瓷層。為了改善金屬基底的陶瓷層的覆著力，首先利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，或利用熱浸或無水鍍鋁，而將含鋁覆膜形成在金屬基底上，然後再利用微弧氧化含鋁覆膜，而在含鋁覆膜的表面上形成含鋁陶瓷層。如此，利用金屬基底、含鋁覆膜之間金屬的較佳覆著力，又利用含鋁覆膜相轉變所形成的陶瓷層覆著力也較佳，進而達到改善覆著力的效果。

Description

改善覆著力的複合材料及其製造方法

本發明係關於一種複合材料及其製造方法；特別關於一種在鋼或銅基材上具有陶瓷層的複合材料及其製造方法。

在許多工業製程環境中，機械工件均被要求必須能耐腐蝕、耐磨，而傳統鋼材不能滿足這些要求。如果採用不銹鋼，在具有腐蝕性的環境下使用，壽命通常只有幾個月。

相較之下，陶瓷具有良好的耐腐蝕、耐磨特性，故在機械工件形成陶瓷層是解決耐蝕耐磨問題之有效方法。然而，傳統上的方法均因陶瓷層與鋼材機械工件之結合度不佳，很容易在外力衝擊下，導致陶瓷層脫落之情形，導致失去腐蝕、耐磨之功能，或被撞破而毀損。

一般來說，如果要提高陶瓷層在金屬材質表面上的覆著力，不是採用微弧氧化(Micro Arc Qxidization,MAO)陶瓷技術，就是採用熔射陶瓷覆膜技術。不過，如果單獨採用微弧氧化陶瓷技術，熔射陶瓷覆膜技術來形成陶瓷層，不是製造成本偏高，就是結合力仍然不足，甚至在工業量產上根本形不通等問題。

在習知技術中，已有微弧氧化陶瓷技術，亦即透過微弧氧化處理後形成於輕金屬(如鋁、鈦、鎂及其合金)基部表面之陶瓷膜。微弧氧化陶瓷技術的原理是在工件表面生成陽極化膜的同時，通過微電弧瞬時7000K高溫把極化 膜轉化成陶瓷相。該陶瓷層硬度高、高耐磨、韌性好、與基體結合力強、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣性好，特別適用于高速運動且需要高耐磨、耐腐蝕、抗高溫沖擊的輕金屬合金零部件。微弧氧化技術具有以下特點：(1)大幅度地提高了材料的表面硬度，顯微硬度在1000至2000HV，可與硬質合金相媲美，大大超過熱處理後的高碳鋼、高合金鋼和高速工具鋼的硬度；(2)良好的耐磨損性能；(3)良好的耐熱性及抗腐蝕性；(4)有良好的絕緣性能，絕緣電阻可達100M Ω以上；(5)基體原位生長陶瓷膜，結合牢固，陶瓷膜致密均勻。

然而，如果直接在材質為含鐵或銅的機械工件上進行微弧氧化處理時，由於缺乏形成陶瓷所需的鋁原子，因此無法在材質為含鐵或銅的機械工件上形成所需的陶瓷層。因此，採用微弧氧化陶瓷技術，大多應用在具有輕金屬的電子裝置殼體或其他應用，並不適用於為含鐵或銅的機械工件。

為了解決這個問題，已有人提出在鋼鐵或不銹鋼表面進行微弧氧化的方法，但在工業量產上仍無法應用。這類方法還須採用極大的電流密度(30A~150A/dm²)，但過大的電源供應器將導致問題重重，而且製程中必需要用脈衝(pulse)電源，除了導致成本較高，能源使用效率低(一個周期有很大比例為反向工作電壓，消耗電能不再生產)。此外，在該方法中，為了直接在鐵材上形成陶瓷層，須由電解液中的鋁酸鈉提供產生氧化層(與陶瓷層)的鋁原子，也因此氧化鋁硬化膜內一定含有元素態的鐵，外部疏鬆層次更有未結晶的鐵元素，這會造成未來硬化膜的鐵氧化成為疏鬆且絕緣性差的三氧化二鐵，這對絕緣需求與可靠度有一定的影響。為了克服其所形成的 陶瓷膜含鐵所帶來的問題，必須額外考慮絕緣的問題，而且還需要形成非常厚的膜層(100μm)，但在形成上述厚膜時，由於是直接以大電流密度形成，其應力非常大，在大面積操作，並不可行。

相對地，熔射陶瓷覆膜技術來形成陶瓷層時，主要是利用高電能產生之電漿燄為熱源，將陶瓷的熔射材料熔解，藉高速氣流將噴覆材料加速與霧化，使熔融噴材微粒以高速衝擊至工件表面，並經由攤平與固化作用，進而產生所需要之熔射塗層。電漿熔射塗層之應用乃是由基材提供工件所需之形狀與強度特性，而由塗層提供工件與使用環境間所需之介面特性。此技術是一門先進之表面改質加工專業技術，已被廣泛應用於抗磨耗、再生修補、間隙控制、高溫防蝕、生物醫學、絕熱、耐燒蝕、導電及抗導電塗層等特殊用途上。隨著時代的進步，各種功能性塗層因應而生，如介電塗層、導電塗層、抗輻射塗層等，而塗層上亦常要求需產生特色規則或不規則之幾何形狀以滿足使用需求。

然而，以陶瓷作為熔射材料，其所需的熔解溫度相當高，對整個製程的要求與成本都相對顯著提高，同時熔射陶瓷覆膜技術所形成的陶瓷層仍然與基底為含鐵或銅之間存在著結合力不佳等問題。

如果單獨採用已知技術之微弧氧化陶瓷技術或熔射陶瓷覆膜技術來形成陶瓷層，不是製造成本偏高，就是結合力仍然不足，甚至在工業量產上根本形不通等問題。

因此，需要發展一種結合力佳，同時製程條件溫度等條件 要求較低，而能在工業量產上為可行，同時製造成本低。

本發明之改善覆著力的複合材料及其製造方法中，複合材料主要包含材質為含鐵或銅的金屬基底、含鋁覆膜與含鋁陶瓷層。為了改善金屬基底的陶瓷層的覆著力，首先利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，或利用熱浸或無水鍍鋁，而將含鋁覆膜形成在金屬基底上，然後再利用微弧氧化含鋁覆膜，而在含鋁覆膜的表面上形成含鋁陶瓷層。

如此，本發明之改善覆著力的複合材料主要利用金屬基底、含鋁覆膜之間均屬金屬的較佳覆著力，又利用含鋁覆膜相轉變所形成的陶瓷層覆著力也較佳，進而達到改善覆著力的效果。

關於本創作之優點與精神可以藉由以下的新型詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

10‧‧‧金屬基底

10a‧‧‧結合層

12‧‧‧含鋁覆膜

14‧‧‧含鋁陶瓷層

第一A~一B圖係本發明改善覆著力的複合材料之製造方法示意圖。

第二A~二C圖係本發明改善覆著力的複合材料之另一製造方法示意圖。

請參考第一A~一B圖，第一A~一B圖係本發明改善覆著力的複合材料之製造方法示意圖。如一A圖所示，在本發明改善覆著力的複合材料之製造方法中，首先利用熔射(例如電漿熔射、電弧熔射、火焰熔射、高速火焰熔射) 金屬鋁或鋁合金的金屬粒子(鋁合金可為鋅鋁、錫鋁、矽鋁)，或利用熱浸或無水鍍鋁，而在金屬基底10上形成含鋁覆膜12。這其中，金屬基底10的材質為含鐵或銅。接下來，如第一B圖所示，利用微弧氧化含鋁覆膜12，而在含鋁覆膜12的表面上形成含鋁陶瓷層14。如果利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，或利用熱浸或無水鍍鋁，而在金屬基底10上所形成的含鋁覆膜12的粗糙度太高，還可以經過機械拋光處裡後，再微弧氧化含鋁覆膜12而形成含鋁陶瓷層14，同時可以依附原有金屬基底10的形狀處理。

在利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子之前，須先準備好粒徑為1 μm~1000 μm的金屬鋁或鋁合金之金屬粒子，然後以特定熔射操作參數對金屬基底10進行熔射，而在金屬基底10上形成厚度為1μm~1mm的含鋁覆膜12。熔射操作參數如下：(i)熔射距離：10 cm；(ii)熔射壓力：2 MPa；(iii)壓縮空氣壓力：0.5 MPa；(iv)壓縮空氣流量：1 m³/h；(v)乙炔壓力：0.05 MPa；(vi)乙炔流量：1.2m³/h；(vii)氧氣壓力：0.4 MPa；(viii)氧氣流量：1.8m³/h。鋁層之抗拉強度可達7MPa。

在利用熱浸鍍鋁時，將被鍍的金屬基底10浸漬於鹼性槽，脫脂之後，經水洗，酸洗的事前處理工程；將事前處理過之被鍍的金屬基底10浸漬於包括氧化鋅、氯化亞鍚、鹼金屬塩或鹼土金屬塩之一種或兩種以上及脂肪族氮衍化物之一種或兩種以上之助熔劑的助熔劑處理工程；將經助熔劑處理過之被鍍的金屬基底10浸漬於熱浸鍍金屬槽，俾形成浸鍍皮膜的浸鍍槽浸漬工程；及將形成浸鍍皮膜之被鍍的金屬基底10浸漬於冷卻水或予以空氣冷卻之冷卻工程，而在金屬基底10上形成厚度為1μm~1mm的含鋁覆膜12。

在利用無水熔鹽鍍鋁時，利用AlCl₃-NaCl-KCl三元無機熔鹽體系在碳鋼基 材上進行鍍鋁，AlCl₃為80wt%，鍍浴溫度控制於200℃情況下，輸入電流密度3.3~4.0 A/dm²，電鍍時間45~90 min，鍍層為銀白色鋁鍍層。

在金屬基底10上形成含鋁覆膜12後，需要利用微弧氧化含鋁覆膜12時，按照預定的步驟與所需的製程條件，即可在含鋁覆膜12的表面上形成厚度為1μm~200μm的含鋁陶瓷層14。為了形成含鋁陶瓷層14，微弧氧化含鋁覆膜12的過程中會消耗掉部分的弧氧化含鋁覆膜12，讓弧氧化含鋁覆膜12的厚度變薄，因此在製程前所形成的含鋁覆膜12的厚度為預定的含鋁覆膜12與含鋁陶瓷層14的厚度總和，以便在微弧氧化形成含鋁陶瓷層14時有足夠的鋁原子來源。

預定的步驟與所需的製程條件中，首先將具有含鋁覆膜12的金屬基底10固定在支架上，並浸入含有弱鹼性水溶液之微弧氧化槽中。在微弧氧化槽中，具有含鋁覆膜12的金屬基底10作為微弧氧化之一個電極，導電棒則作為另一個電極。上述弱鹼性水溶液可為偏矽酸鈉水溶液，並且其中偏矽酸鈉之濃度優選為10g/l、氫氧化鈉之濃度優選為2 g/l。

將具有含鋁覆膜12的金屬基底10浸入含有弱鹼性水溶液之微弧氧化槽中後，在兩電極間通以直流電源，並以較低的電流密度操作(1~5A/dm²)，又或是通以0~500伏特之正脈衝電壓與0~150之負脈衝電壓，脈衝頻率為0~60赫茲，脈衝波形為方形，正負脈衝之幅度與寬度可單獨調節。這其中，調節正脈衝電壓之寬度可延長氧化時間，提高陶瓷膜之生長速率，而調整負脈衝電壓則可促進氧離子滲透到陶瓷膜中去，增加陶瓷膜之質量密度，較佳抗腐蝕性。

為了進一步強化金屬基底10與含鋁覆膜12之間的結合力，還可以在二者 之間增加結合層。

請參考第二A~二C圖，第二A~二C圖係本發明改善覆著力的複合材料之製造方法示意圖。在本發明改善覆著力的複合材料之製造方法中，如二A圖所示，首先利用電鍍金屬鎳、銅、錫、鋅或金屬鎳、銅、錫、鋅的合金，而在金屬基底10上形成結合層10a。接著，如第二B圖所示，同樣利用熔射，或利用熱浸或無水鍍鋁，而在金屬基底10的結合層10a上形成含鋁覆膜12。最後，如第二C圖所示，同樣利用微弧氧化含鋁覆膜12，而在含鋁覆膜12的表面上形成含鋁陶瓷層14。

如此一來，先利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，或利用熱浸或無水鍍鋁所形成在金屬基底10上的含鋁覆膜12，金屬基底10與含鋁覆膜12之間具有較佳的結合性，而沒有習知技術利用熔射陶瓷粒子所需的高溫，也沒有金屬與陶瓷之間結合性不佳等問題。同時，在本發明方法中，含鋁覆膜12又可做為後續微弧氧化陶瓷技術所需的鋁原子來源，而能順利地在含鋁覆膜12的表面上形成含鋁陶瓷層14，但卻沒有習知技術含鐵所帶來的絕緣需求或其他問題。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創作之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。

10‧‧‧金屬基底

12‧‧‧含鋁覆膜

14‧‧‧含鋁陶瓷層

Claims (10)

1. 一種改善覆著力的複合材料，包括：一金屬基底，其材質為含鐵或銅；一含鋁覆膜，利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，或利用熱浸或無水電鍍鋁，而被形成在該金屬基底上；以及一含鋁陶瓷層，利用微弧氧化該含鋁覆膜，而被形成在該含鋁覆膜的表面上。
2. 根據申請專利範圍第1項之改善覆著力的複合材料，其中該含鋁覆膜的厚度為1μm~1mm，而該含鋁陶瓷層的厚度為1μm~300μm。
3. 根據申請專利範圍第1項之改善覆著力的複合材料，其中該金屬基底與該含鋁覆膜之間進一步包含：一結合層，利用電鍍金屬鎳、銅、錫、鋅或金屬鎳、銅、錫、鋅的合金，而被形成在該金屬基底上；其中，該含鋁覆膜被形成在該結合層上。
4. 根據申請專利範圍第1項之改善覆著力的複合材料，其中鋁合金可為鋅鋁、錫鋁、矽鋁。
5. 一種改善覆著力的複合材料之製造方法，包括：利用熔射金屬鋁或鋁合金的金屬粒子，而在一金屬基底上形成一含鋁覆膜，該金屬基底的材質為含鐵或銅；利用微弧氧化該含鋁覆膜，而在該含鋁覆膜的表面上形成一含鋁陶瓷層。
6. 根據申請專利範圍第5項之改善覆著力的複合材料之製造方法，其中該含鋁覆膜的厚度為1μm~1mm，而該含鋁陶瓷層的厚度為1μm~300μm。
7. 根據申請專利範圍第5項之改善覆著力的複合材料之製造方法，其中在形成該含鋁覆膜之前，進一步包含：利用電鍍金屬鎳、銅、錫、鋅或金屬鎳、銅、錫、鋅的合金，而在該金屬基底上形成一結合層；其中，該含鋁覆膜被形成在該結合層上。
8. 根據申請專利範圍第5項之改善覆著力的複合材料之製造方法，其中金屬鋁或鋁合金的金屬粒子的粒徑為1μm~1000μm。
9. 根據申請專利範圍第5項之改善覆著力的複合材料之製造方法，其中鋁合金可為鋅鋁、錫鋁、矽鋁。
10. 根據申請專利範圍第5項之改善覆著力的複合材料之製造方法，其中所形成的該含鋁覆膜的厚度為預定的該含鋁覆膜與該含鋁陶瓷層的厚度總和，以便在該微弧氧化形成該含鋁陶瓷層時有足夠的鋁原子來源。