專利名稱：表面具有a1n區(qū)域的鋁材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用短時(shí)間在鋁材料表面制造厚的氮化鋁膜的方法，及通過(guò)該法得到的其表面具有氮化鋁厚膜區(qū)域的鋁材料。
背景技術(shù)：
此前，有多種方案提出在鋁材料或鋁合金表面形成氮化鋁，提高耐磨性的方法。例如，特開(kāi)昭60-211061號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)1)公開(kāi)了一種具有氮化鋁層的鋁材料制造方法，該法具有使鋁等被處理材料表面活化的工序；以及，使發(fā)生輝光放電，把該被處理材料表面離子氮化，在表面形成氮化鋁層的工序。
另外，特開(kāi)平5-179420號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)2)公開(kāi)了一種改進(jìn)特開(kāi)昭60-211061號(hào)公報(bào)的缺點(diǎn)，即AlN的膜厚小、耐磨性不均勻、AlN與基底金屬的密合性不充分等的方法。即，特開(kāi)平5-179420號(hào)公報(bào)公開(kāi)了一種鋁等基底金屬、在該基底金屬表面上具有Al-Ag的金屬間化合物層、及在該金屬間化合物層上具有AlN層的耐磨性優(yōu)良的鋁材。
然而，文獻(xiàn)1如同文獻(xiàn)2所記載的那樣，能形成的AlN層的膜厚，充其量為十幾μm，實(shí)際上局限于幾μm左右，不能形成足夠的膜厚。另外，為形成幾μm～十幾μm的AlN層，需要長(zhǎng)時(shí)間例如24小時(shí)以上，從成本方面考慮也是不理想的方法。由于所得到的AlN層也不均勻，故得不到所希望的耐磨性。另外，與作為被處理材料的鋁的密合性也不好，可觀察到剝離現(xiàn)象等，從這點(diǎn)看也得不到所希望的材料。
另外，文獻(xiàn)2解決了文獻(xiàn)1的部分缺點(diǎn)，但當(dāng)AlN的膜厚大于10μm時(shí)，則產(chǎn)生裂縫等問(wèn)題(文獻(xiàn)2 )。另外，由于用Ag作中間層，在成本方面也是不理想的方法。還有，如下所述，在文獻(xiàn)2中從選擇材料方面看也受到限制。即，(1)鋁材料必須含銀；(2)含銀的中間層必須以“膜狀”析出。另外，如這些局限不克服，由于通過(guò)該中間層形成AlN，故作為基底金屬的鋁材料和AlN層的密合強(qiáng)度依賴于該中間層，從而產(chǎn)生喪失機(jī)械強(qiáng)度的選擇性等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決表面具有AlN層的鋁材料的現(xiàn)有制造方法中產(chǎn)生的問(wèn)題。
本發(fā)明的具體目的是提供一種用短時(shí)間來(lái)制造表面具有氮化鋁區(qū)域厚膜的方法。特別是與上述目的不同或除上述目的外，本發(fā)明的目的是提供一種AlN區(qū)域的膜厚大、在區(qū)域內(nèi)均勻、與基底金屬的密合性高、表面具有AlN區(qū)域的鋁材料制造方法。
另外，與上述目的不同或除上述目的外，本發(fā)明又一目的是提供一種表面具有厚膜的AlN區(qū)域的鋁材料，特別是AlN區(qū)域的膜厚大、在區(qū)域內(nèi)均勻、與基底金屬的密合性高、表面具有AlN區(qū)域的鋁材料。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以CuAl2作為AlN的生成及成長(zhǎng)核是有效的。即，本發(fā)明人提供一種采用具有CuAl2的鋁材作為基底金屬，在其表面的規(guī)定區(qū)域內(nèi)具有AlN區(qū)域的鋁材。即，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)下列具體的發(fā)明。
一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料制造方法，該法包括準(zhǔn)備含有CuAl2的鋁材料工序以及對(duì)該鋁材料進(jìn)行等離子體氮化的工序，通過(guò)這些工序在上述鋁材表面生成氮化鋁(AlN)區(qū)域。
在上述[1]中，優(yōu)選等離子體氮化工序前還具有對(duì)鋁材料進(jìn)行濺射處理，除去鋁材料表面存在的Al2O3的工序。
在上述[1]或[2]中，優(yōu)選等離子體氮化工序于-167～630℃，優(yōu)選-167～550℃，更優(yōu)選-167～450℃進(jìn)行。
在上述[1]～[3]的任何一項(xiàng)中，等離子體氮化工序優(yōu)選包括以下處理工序在經(jīng)過(guò)活化的第1氮化性氣體氛圍下，對(duì)上述鋁材料施加-50V～-50kV的脈沖電壓0.1μs～10ms的施加工序以及后續(xù)的0.1μs～100ms的施加中止工序構(gòu)成的處理工序；或者包括施加-50V～-800V的連續(xù)直流電壓的處理工序。
在上述[4]中，第1氮化性氣體優(yōu)選含有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體，及/或具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w。當(dāng)為含有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體時(shí)，優(yōu)選NH3、或NH3與惰性氣體的混合氣體。當(dāng)為具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w時(shí)，優(yōu)選氮?dú)夥謮簽?.01～40托及氫氣分壓為0.01～100托。第1氮化性氣體更優(yōu)選的是，氮?dú)狻脷錃獾姆謮罕葹?∶3，及/或氮與氫的摩爾比(N∶H)為1∶3。
在上述[1]～[5]任何一項(xiàng)中，在等離子體氮化工序中，以0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上的速度，優(yōu)選以0.5～50μm/小時(shí)的速度生成AlN。
在上述[2]～[6]任何一項(xiàng)中，濺射處理工序，優(yōu)選在經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)活化的第2氮化性氣體氛圍氣下，以上述鋁材料作陰極，施加直流電壓-50V～-4000V來(lái)進(jìn)行，在第2氮化性氣體為氮時(shí)，其分壓為0.01～20托。
在上述[1]～[7]任何一項(xiàng)中，優(yōu)選在所得到的鋁材料的AlN區(qū)域中具有CuAl2。
一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料，上述AlN區(qū)域具有CuAl2。
一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料，CuAl2在上述AlN區(qū)域內(nèi)細(xì)微分散而構(gòu)成。
在上述[9]或[10]中，AlN區(qū)域的厚度為0.1μm或0.1μm以上，優(yōu)選2～2000μm，更優(yōu)選4～200μm。
在上述[9]～[11]任何一項(xiàng)中，AlN區(qū)域的生成速度為0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上，優(yōu)選0.5～50μm/小時(shí)。
在上述[9]～[12]任何一項(xiàng)中，AlN區(qū)域的維氏硬度(Hv)為4GPa或4GPa以上、優(yōu)選7～15GPa、更優(yōu)選7～14GPa。
在上述[9]～[13]任何一項(xiàng)中，AlN區(qū)域的導(dǎo)熱率為100W/mK或100W/mK以上，優(yōu)選100～340W/mK。
在上述[9]～[14]任何一項(xiàng)中，AlN區(qū)域和鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度，為該鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度或以上至15GPa或15GPa以下，優(yōu)選7～11GPa。
一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料制造方法，其中包括把含Cu的Al合金在溶化溫度下進(jìn)行因溶化處理的溶化工序；把上述工序得到的合金，在比上述溶化溫度更低的時(shí)效析出溫度下進(jìn)行加熱處理，使CuAl2析出，得到具有CuAl2的鋁材料的時(shí)效析出工序；以及，對(duì)該鋁材料進(jìn)行等離子體氮化的等離子體氮化工序，通過(guò)這些工序，在上述鋁材料表面生成氮化鋁(AlN)區(qū)域。
在上述[16]中，等離子體氮化工序可以通過(guò)控制其溫度而兼作溶化工序和時(shí)效析出工序中的任何一種工序或兩種工序，特別是可兼作時(shí)效析出工序。
在上述[16]或[17]中，在等離子體氮化工序前，優(yōu)選還具有對(duì)鋁材料進(jìn)行濺射處理，除去鋁材料表面存在的Al2O3的濺射處理工序。
在上述[18]中，濺射處理工序可通過(guò)控制其溫度而兼作溶化工序和時(shí)效析出工序中的任何一種工序或兩種工序，特別是可兼作時(shí)效析出工序。
在上述[18]或[19]中，濺射處理工序的溫度最好比時(shí)效析出溫度至少低10℃的溫度，優(yōu)選比時(shí)效析出溫度低10～50℃的溫度，借此，可以使時(shí)效析出工序中的CuAl2析出形態(tài)幾乎無(wú)變化。
在上述[16]～[20]任何一項(xiàng)中，等離子體氮化工序于-167～630℃，優(yōu)選-167～550℃，更優(yōu)選-167～450℃進(jìn)行。
在上述[16]～[21]任何一項(xiàng)中，等離子體氮化工序的溫度比時(shí)效析出溫度至少低10℃的溫度，優(yōu)選比時(shí)效析出溫度低10～50℃的溫度。借此，可以使時(shí)效析出工序中的CuAl2析出形態(tài)幾乎無(wú)變化。
在上述[16]～[22]任何一項(xiàng)中，等離子體氮化工序優(yōu)選具有以下處理工序在經(jīng)過(guò)活化的第1氮化性氣體氛圍下，對(duì)鋁材料施加-50V～-50kV的脈沖電壓0.1μs～10ms的施加工序和，其后的0.1μs～100ms的施加中止工序的處理工序；或者施加-50V～-800V的連續(xù)直流電壓的處理工序。
在上述[23]中，第1氮化性氣體是優(yōu)選含有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體，及/或具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w。當(dāng)為含有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體時(shí)，優(yōu)選NH3或NH3與惰性氣體的混合氣體。當(dāng)為具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w時(shí)，優(yōu)選氮?dú)夥謮簽?.01～40托及氫氣分壓為0.01～100托。更優(yōu)選第1氮化性氣體的氮?dú)狻脷錃獾姆謮罕葹?∶3，及/或氮與氫的摩爾比(N∶H)為1∶3。
在上述[16]～[24]任何一項(xiàng)中，在等離子體氮化工序中AlN以0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上的速度生成，優(yōu)選0.5～50μm/小時(shí)的速度生成。
在上述[18]～[25]的任何一項(xiàng)中，濺射處理工序，在經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)活化的第2氮化性氣體氛圍下，以上述鋁材料作為陰極施加直流電壓-50V～-4000V來(lái)進(jìn)行，而第2氮化性氣體優(yōu)選為氮?dú)猓浞謮簽?.01～20托。
在上述[16]～[26]的任何一項(xiàng)中，在所得到的鋁材料的AlN區(qū)域中優(yōu)選具有CuAl2。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1是表示CuAl2存在的Al-6Cu的SEM圖像。
圖2是表示CuAl2存在的Al-6Cu-0.5Mg的SEM圖像。
圖3是表示CuAl2存在的Al-6Cu-2Mg的SEM圖像。
圖4是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬而制備的B-2(濺射時(shí)間0.5小時(shí))及B-5(濺射時(shí)間2小時(shí))的X線衍射結(jié)果(入射角1°)圖。
圖5是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬而制備的B-3及采用Al-6Cu合金而制備的B-6的X線衍射結(jié)果(入射角1°)圖。
圖6是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬而制備的B-5及采用Al-6Cu合金而制備的B-7及采用Al-6Cu-2Mg合金而制備的B-8的X線衍射結(jié)果(入射角1°)圖。
圖7是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬，通過(guò)改變等離子體氮化處理時(shí)間而制備的B-1～B-4(時(shí)間2、4、6、8小時(shí))的X線衍射結(jié)果(入射角1°)圖。
圖8是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬而制備的B-2(等離子體氮化處理時(shí)間4小時(shí))的SEM截面圖。
圖9是采用Al-6Cu-0.5Mg合金作為基底金屬而制備的B-3(等離子體氮化處理時(shí)間6小時(shí))的SEM截面圖。
圖10是表示B-2及B-3截面硬度(維氏硬度)的測(cè)定結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種其表面具有AlN區(qū)域的鋁材料制造方法，該法包括具有CuAl2的鋁材料的準(zhǔn)備工序，以及對(duì)該鋁材料進(jìn)行等離子體氮化的工序，通過(guò)這些工序在上述鋁材料表面生成氮化鋁(AlN)區(qū)域。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CuAl2作為AlN的生成及成長(zhǎng)核存在于作為基底金屬的鋁材料上時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)有效形成厚的AlN層，并有效形成與基底金屬具有密合性的AlN層。
用作基底金屬的鋁材料，具有CuAl2。鋁材料(基底金屬)中含有的CuAl2的量，依賴于鋁材料表面上形成的所希望的AlN區(qū)域面積、等離子體氮化處理?xiàng)l件(例如，處理時(shí)間、處理溫度)等。用作基底金屬的鋁材料，把全部鋁材料作為100質(zhì)量％時(shí)，其Cu量在55質(zhì)量％或55質(zhì)量％以下，優(yōu)選0.5～6質(zhì)量％，或者，把全部鋁材料作為100體積％時(shí)，CuAl2的體積％為10體積％或10體積％以下，優(yōu)選0.5～6.5體積％的CuAl2。
如上所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以CuAl2為核使AlN成長(zhǎng)。因此，作為AlN成長(zhǎng)核的CuAl2，在鋁材料(基底金屬)中，例如通過(guò)均勻分散，AlN以該均勻分散的CuAl2作為核進(jìn)行成長(zhǎng)，因此，通過(guò)一定時(shí)間的等離子體氮化處理，在鋁材料表面的一面可形成均勻厚度的AlN層。另外，作為AlN成長(zhǎng)核的CuAl2，在鋁材料(基底金屬)表面，例如以直線狀配置，則在鋁材料表面形成直線狀或帶狀A(yù)lN層(AlN區(qū)域)。
在“具有CuAl2的鋁材料的準(zhǔn)備工序”中，還可以包含下述工序當(dāng)作為基底金屬的鋁材不含有CuAl2時(shí)，為了使之具有CuAl2，對(duì)該鋁基底金屬處理的工序。作為此時(shí)所用的不含有CuAl2的鋁基底金屬，可以舉出含銅的鋁合金、及含銅和除銅以外的合金元素的鋁合金等。另外，“具有CuAl2的鋁材料的準(zhǔn)備工序”，還包括直接采用具有CuAl2的鋁合金工序。
作為含有CuAl2的鋁材料，可以舉出Al-6Cu、Al-6Cu-0.5Mg、Al-6Cu-2Mg、Al-(0.2-55)Cu-(0.05-1)Ti、Al-(0.2-55)Cu-(0.1-10)Mg-(0.05-1)Ti等，但又不限這些。另外，如上所述，通過(guò)處理鋁基底金屬的工序使之具有CuAl2，也可以設(shè)計(jì)為把CuAl2配置成各種形狀。
還有，當(dāng)所用的材料不含有CuAl2時(shí)，所述“含有CuAl2的鋁材料的準(zhǔn)備工序”，優(yōu)選通過(guò)下列工序(1)～(4)進(jìn)行“含有CuAl2的鋁材料的準(zhǔn)備工序”。即，(1)含Cu的Al合金(Al-Cu合金)的溶制(溶化制造)工序；(2)鍛造·軋制工序；(3)溶化處理工序；及(4)時(shí)效析出處理工序。
在這里，溶化制造工序(1)，是當(dāng)所用的材料為Al單體、Cu單體等時(shí)所用的工序，是獲得含Cu的Al合金例如Al-Cu合金的工序。鍛造·軋制工序(2)，是把得到的Al合金進(jìn)行鍛造及/或軋制的工序。
另外，溶化處理工序(3)，是把Al合金加熱到元素(除Al之外)(例如，Al-Cu合金中的Cu)溶解度或溶解度以上的溫度(溶化溫度)，使該元素(除Al之外)過(guò)飽和地溶解進(jìn)去，充分固溶終止后，通過(guò)驟然冷卻，該冷卻速度不會(huì)產(chǎn)生該元素(除Al之外)或含該元素(除Al之外)的結(jié)晶等，常溫下制備過(guò)飽和的固溶狀態(tài)的工序。還有，當(dāng)為Al-Cu等合金時(shí)，不經(jīng)過(guò)時(shí)效析出處理工序(4)，而通過(guò)緩慢降低溶化工序的冷卻速度(緩慢冷卻)，也可以準(zhǔn)備具有CuAl2的鋁材料。
另外，時(shí)效析出處理工序(4)，是在比溶化工序(3)的溶化溫度低的溫度下，通過(guò)加熱保持使CuAl2析出的工序。一般情況下，通過(guò)該時(shí)效析出處理工序(4)，可以準(zhǔn)備具有CuAl2的鋁材料。還有，通過(guò)下述濺射工序及/或等離子體氮化工序的溫度及/或時(shí)間等條件，在該工序進(jìn)行時(shí)可使CuAl2析出。因此，下述濺射工序及/或等離子體氮化工序，有時(shí)該工序本身，也可作為時(shí)效析出處理工序，即“準(zhǔn)備具有CuAl2的鋁材料的工序”。
還有，鋁材料既可以是塊狀也可以是粉末狀。其中，所謂粉末狀，意指從平均粒徑為1mm左右的片狀至平均粒徑為1μm的粉末。因此，按照本發(fā)明，既可以提供在表面的規(guī)定區(qū)城有AlN區(qū)域的鋁粉末狀材料，也可以提供在表面的規(guī)定區(qū)城有AlN區(qū)域的鋁塊狀材料。
在鋁材料的準(zhǔn)備工序之后，接著對(duì)該鋁進(jìn)行等離子體氮化的工序。但是，在等離子體氮化前，最好設(shè)置有除去鋁材料表面存在的Al2O3的工序，例如濺射處理工序。
Al2O3的除去工序，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中使用的工序。例如，可以舉出用氯離子還原、氬離子濺射等，對(duì)此工序未作特別限定。但是，在本發(fā)明中，從與后面進(jìn)行的等離子體氮化處理工序的關(guān)系考慮，Al2O3的除去工序，優(yōu)選的是把作為基底金屬的鋁材料放置在容器內(nèi)，將該容器抽成真空，然后，在氮化性氣體中，優(yōu)選在1托氮下，用該鋁材料作陰極，施加-50V～-4000V的直流電壓，時(shí)間為1分鐘～數(shù)小時(shí)，對(duì)鋁材料進(jìn)行濺射處理。
濺射處理工序，優(yōu)選在經(jīng)過(guò)化學(xué)活化的第2氮化性氣體氛圍中進(jìn)行。這里，所謂“第2氮化性氣體”，最好是僅為N2氣，或N2氣和惰性氣體(例如Ar氣)的混合氣體。
還有，如上所述，濺射處理工序，取決于其溫度及/或時(shí)間等，有時(shí)可兼作“時(shí)效析出處理工序”，即有時(shí)也可兼作“準(zhǔn)備具有CuAl2的鋁材料工序”。
接著，把鋁材料供給等離子體氮化工序。通過(guò)該工序在鋁材料表面形成氮化鋁(AlN)區(qū)域。
等離子體氮化工序，也可按下列條件進(jìn)行。即，溫度條件為-167～630℃，優(yōu)選-167～550℃，更優(yōu)選-167～450℃下進(jìn)行。另外，除了溫度以外的條件，等離子體氮化工序包括下列工序在經(jīng)過(guò)活化的第1氮化性氣體氛圍下，以鋁材料作陰極，施加-50V～-50kV(優(yōu)選-50V～-1000V)的脈沖電壓0.1μs～10ms(優(yōu)選0.1μs～1ms)的施加工序以及后續(xù)的施加0.1μs～100ms(優(yōu)選10μs～100ms)的施加中止工序構(gòu)成的處理工序；或者施加-50V～-800V的連續(xù)直流電壓的處理工序。還有，在采用施加工序和施加中止工序的處理工序時(shí)，將施加工序和施加中止工序作為一組優(yōu)選多組進(jìn)行。處理工序，依賴AlN所希望的厚度，其處理時(shí)間不同，但一般處理工序進(jìn)行0.5小時(shí)或0.5小時(shí)以上，例如0.5～100小時(shí)。
還有，如上所述，等離子體氮化工序，取決于其溫度及/或時(shí)間等條件，有時(shí)可兼作“時(shí)效析出處理工序”，即也可兼作“準(zhǔn)備具有CuAl2的鋁材料工序”。
根據(jù)濺射工序及/或等離子體氮化工序的溫度，鋁材料中的CuAl2可改變其析出狀態(tài)。即，濺射工序及/或等離子體氮化工序的溫度，處于上述時(shí)效析出處理工序(4)的溫度附近(假定為Tj)，或者，例如比(Tj-10)℃高時(shí)，鋁材料中的CuAl2可改變其析出狀態(tài)。因此，在濺射工序及/或等離子體氮化工序中，在不試圖改變鋁材料中的CuAl2析出狀態(tài)時(shí)，濺射工序及/或等離子體氮化工序的溫度，比時(shí)效析出處理工序(4)的溫度至少低10℃，優(yōu)選低10～50℃((Tj-10)～(Tj-50)℃)。另一方面，在濺射工序及/或等離子體氮化工序中，為使鋁材料中的CuAl2析出狀態(tài)改變，可以選擇依賴于所希望的析出狀態(tài)的溫度。
另外，等離子體氮化工序的氛圍氣體，優(yōu)選是第1氮化性氣體的氛圍。這里，第1氮化性氣體優(yōu)選是具有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體，及/或具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w。所謂“由氮和氫構(gòu)成的氣體”，例如，意指像NH3氣等元素N和元素H構(gòu)成的氣體，所謂“具有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體”，例如，意指NH3氣和惰性氣體(例如Ar氣)的混合氣體。另外，所謂“具有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w”，既可以是僅由H2氣及N2氣構(gòu)成的氣體，也可以是其中再含有例如惰性氣體(例如Ar氣)的氣體。“具有由氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體”，優(yōu)選NH3氣，或NH3氣和Ar氣的混合氣?！熬哂械?dú)夂蜌錃獾臍怏w”，優(yōu)選氮?dú)夥謮簽?.01～40托及氫氣分壓為0.01～100托的氣體。第1氮化性氣體，也可以是例如具有NH3氣、H2氣及N2氣的氣體。優(yōu)選的是，第1氮化性氣體的氮?dú)夂蜌錃獾姆謮罕葹?∶3，或氮和氫的摩爾比為1∶3。
本發(fā)明的等離子體氮化工序，在AlN達(dá)到0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上的速度，優(yōu)選0.5～100μm/小時(shí)速度生成。
特別是在等離子體氮化工序的初期階段(從氮化工序開(kāi)始至4小時(shí))，AlN的形成速度為10～13μm小時(shí)，但其后階段(氮化工序后4～6小時(shí))，AlN的形成速度為10～30μm/小時(shí)。
通過(guò)上述方法，本發(fā)明可以提供其表面具有AlN區(qū)域的鋁材料。
AlN區(qū)域的厚度，通過(guò)改變上述方法中的各種參數(shù)，特別是通過(guò)改變等離子體氮化工序的參數(shù)，例如通過(guò)改變等離子體氮化時(shí)間等，可以加以控制。例如，可使AlN區(qū)域的厚度例如在0.01μm或0.01μm以上，優(yōu)選2～2000μm，更優(yōu)選4～200μm。
通過(guò)本發(fā)明得到的鋁材料，其表面具有AlN區(qū)域。該AlN區(qū)域具有CuAl2。CuAl2在AlN區(qū)域內(nèi)以下述狀態(tài)存在與基底金屬的鋁材料表面呈垂直的柱狀狀態(tài)及/或細(xì)微的粒狀狀態(tài)，及/或在形成的AlN區(qū)域與作為基底金屬的鋁材料表面的界面上，呈膜狀狀態(tài)。CuAl2的形態(tài)依賴于AlN的形成條件，特別是溫度條件。另外，還認(rèn)為由于CuAl2的存在，可以促進(jìn)AlN的成長(zhǎng)·形成。
在形成的AlN區(qū)域和作為基底金屬的鋁材料表面的界面上CuAl2形成為膜狀的物質(zhì)，可用作散熱基板即鋁材料層、CuAl2層及AlN層依次形成的物質(zhì)。即，AlN具有電絕緣性及優(yōu)良的導(dǎo)熱性，且內(nèi)部的CuAl2及鋁材料，由于具有高強(qiáng)度且優(yōu)良的導(dǎo)熱性，故這些層組合的物質(zhì)可用作散熱基板。
另外，本發(fā)明提供一種該AlN區(qū)域的維氏硬度(Hv)在4GPa或4GPa以上，優(yōu)選8～15GPa的鋁材料。特別是本發(fā)明中得到的鋁材料，由于AlN區(qū)域的厚度大，故不僅AlN表面，而且可以對(duì)AlN截面測(cè)定維氏硬度。
本發(fā)明中得到的AlN區(qū)域，與作為基底金屬的鋁材料的密合性高。例如，AlN區(qū)域與作為基底金屬的鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度，等于或大于該鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度，達(dá)到15GPa或15GPa以下，優(yōu)選8～11GPa。還有，在本說(shuō)明書中，除特別說(shuō)明外，所謂“AlN區(qū)域與作為基底金屬的鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度”，意指作為基底金屬的鋁材料的維氏硬度(Hv)和AlN區(qū)域的維氏硬度(Hv)之差，并顯示出AlN區(qū)域從作為基底金屬的鋁材料上，剝離所必要的強(qiáng)度。
由于AlN的導(dǎo)熱率為100～340W/mK，故本發(fā)明得到的鋁材料，可用作規(guī)定區(qū)域有AlN區(qū)域的散熱板。
另外，本發(fā)明得到的其表面有AlN區(qū)域的鋁材料可以用作滑動(dòng)機(jī)械部件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件、樹(shù)脂成型試驗(yàn)用模具、半導(dǎo)體用散熱基板等。
實(shí)施例下面通過(guò)實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明又不受這些實(shí)施例的限定。
實(shí)施例1準(zhǔn)備表1所示鋁合金A-1～A-3各約1.3g(尺寸厚約10mm×約8mm×約6mm)作為基底金屬。在進(jìn)行下述處理前，觀察鋁合金A-1～A-3的SEM圖像的結(jié)果如圖1～圖3所示，均確認(rèn)有CuAl2。
表1

把各種鋁合金放置在密閉容器內(nèi)，將容器抽至真空后在400℃、1托氮下對(duì)鋁合金表面進(jìn)行濺射工序。濺射工序的條件是，鋁合金作陰極，直流電壓為-250～-270V，0.1～0.2A；時(shí)間為0.5小時(shí)或2小時(shí)。然后，在1托氮(N2)及3托氫(H2)下，把得到的鋁合金作陰極，脈沖電壓為-200V；0.2A；及在673K條件下進(jìn)行2小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí)或8小時(shí)等離子體氮化處理，得到表面有氮化鋁層(AlN)的鋁合金B(yǎng)-1～B-8。還有，脈沖電壓反復(fù)施加16ms和中止施加32ms。鋁合金B(yǎng)-1～B-8、所用基底金屬的組成、所用濺射時(shí)間及等離子體氮化時(shí)間示于表2。
表2


圖4示出采用Al-6Cu-0.5Mg合金制備的B-2(濺射時(shí)間0.5小時(shí))及B-5(濺射時(shí)間2小時(shí))作為基底金屬的X線衍射結(jié)果(入射角1°)。B-2、B-5均可以確認(rèn)AlN的存在。由此可見(jiàn)，除去Al2O3的前處理的濺射時(shí)間即使很短，其表面仍可形成AlN。
圖5示出采用Al-6Cu合金及Al-6Cu-0.5Mg合金分別制備的B-6(Al-6Cu)及B-3(Al-6Cu-0.5Mg)作為基底金屬的X線衍射結(jié)果(入射角1°)。B-3、B-6均可以確認(rèn)AlN的存在。
圖6示出采用Al-6Cu合金、Al-6Cu-0.5Mg合金及Al-6Cu-2Mg合金分別制備的B-7(Al-6Cu)、B-5(Al-6Cu-0.5Mg)及B-8(Al-6Cu-2Mg)作為基底金屬的X線衍射結(jié)果(入射角1°)。B-5、B-7、B-8均可以確認(rèn)AlN的存在。
從圖5及圖6可知，采用存在CuAl2的鋁或鋁合金且采用本實(shí)施例的方法，可以制備表面具有AlN的材料。
圖7示出采用Al-6Cu-0.5Mg合金，等離子體氮化處理時(shí)間分別為2小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí)及8小時(shí)，制備的B-1～B-4作為基底金屬的X線衍射結(jié)果(入射角1°)。從圖7可知，當(dāng)延長(zhǎng)處理時(shí)間時(shí)，Al峰相對(duì)變小，AlN峰相對(duì)變大。由此可見(jiàn)，在基底金屬表面形成了AlN。另外，CuAl2峰在任何處理時(shí)間都被確認(rèn)。被認(rèn)為是由于不依賴于等離子體氮化處理時(shí)間，CuAl2在表面及其附近存在，該CuAl2促進(jìn)了AlN的形成。
圖8及圖9分別表示B-2及B-3截面的SEM圖像。另外，圖10表示測(cè)定B-2及B-3截面的硬度(維氏硬度)的結(jié)果。圖10中橫軸表示B-2及B-3離開(kāi)表面的距離(μm)，縱軸表示維氏硬度(單位GPa)。
從圖8、圖9及圖10可知，B-2(4小時(shí)氮化處理)其AlN層的厚度為約40μm，B-3(6小時(shí)氮化處理)其AlN層的厚度為約80μm。另外，從圖8、圖9可知，基底金屬與AlN層發(fā)生粘接。另外，在圖8、圖9中可以觀察到AlN層中存在白色區(qū)域。通過(guò)能量分散型X線分析，該白色區(qū)域確認(rèn)為CuAl2。
從上述分析可知，通過(guò)本實(shí)施例，在短時(shí)間內(nèi)具有密合性的AlN層較厚并在鋁合金表面形成。另外，可以認(rèn)為CuAl2的存在促進(jìn)了AlN層的形成。
權(quán)利要求
1.一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料的制造方法，該方法包括準(zhǔn)備含有CuAl2的鋁材料的工序，以及對(duì)該鋁材料進(jìn)行等離子體氮化的工序，由此在上述鋁材料的表面生成氮化鋁(AlN)區(qū)域。
2.按照權(quán)利要求1中記載的方法，其中，在上述等離子體氮化工序前還包括對(duì)所述鋁材料進(jìn)行濺射處理除去上述鋁材料表面存在的Al2O3的工序。
3.按照權(quán)利要求1或2中記載的方法，上述等離子體氮化工序于-167～630℃進(jìn)行。
4.按照權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)記載的方法，上述等離子體氮化工序包括在經(jīng)過(guò)活化的第1氮化性氣體氛圍中，由對(duì)上述鋁材料施加-50V～-50kV的脈沖電壓0.1μs～10ms的施加工序和其后續(xù)的0.1μs～100ms的施加中止工序構(gòu)成的處理工序；或者包括施加-50V～-800V的連續(xù)直流電壓的處理工序。
5.按照權(quán)利要求4中記載的方法，其中，上述第1氮化性氣體是具有氮和氫構(gòu)成的氣體的氣體，及/或含有氮?dú)夂蜌錃獾臍怏w。
6.按照權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)記載的方法，在上述等離子體氮化工序中，以0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上的速度生成AlN。
7.按照權(quán)利要求2～6中任何一項(xiàng)記載的方法，上述濺射處理工序，是在經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)活化的第2氮化性氣體氛圍下，以上述鋁材料作陰極，施加-50V～-4000V的直流電壓來(lái)進(jìn)行。
8.按照權(quán)利要求1～7中任何一項(xiàng)記載的方法，在所得到的鋁材料的AlN區(qū)域中具有CuAl2。
9.一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料，其特征在于，在該AlN區(qū)域內(nèi)具有CuAl2。
10.一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料，其特征在于，CuAl2在該AlN區(qū)域內(nèi)微細(xì)分散。
11.按照權(quán)利要求9或10中記載的材料，其中，上述AlN區(qū)域的厚度為0.1μm或0.1μm以上。
12.按照權(quán)利要求9～11中任何一項(xiàng)記載的材料，其中，上述AlN區(qū)域的生成速度為0.05μm/小時(shí)或0.05μm/小時(shí)以上。
13.按照權(quán)利要求9～12中任何一項(xiàng)記載的材料，其中，上述AlN區(qū)域的維氏硬度(Hv)為4GPa或4GPa以上。
14.按照權(quán)利要求9～13中任何一項(xiàng)記載的材料，其中，上述AlN區(qū)域的導(dǎo)熱率為100W/mK或100W/mK以上。
15.按照權(quán)利要求9～14中任何一項(xiàng)記載的材料，其中，上述AlN區(qū)域和鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度，為該鋁材料的拉伸斷裂強(qiáng)度或其以上至15GPa或15GPa以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種AlN區(qū)域的膜厚大、在區(qū)域內(nèi)均勻、與基底金屬的密合性高、表面具有AlN區(qū)域的鋁材料及其制造方法。本發(fā)明提供一種表面具有AlN區(qū)域的鋁材料制造方法，該方法包括準(zhǔn)備具有CuAl
文檔編號(hào)C23C8/36GK1742110SQ20048000276
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者相澤龍彥, 桑原秀行 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人應(yīng)用科學(xué)研究所