提高金属焊接性能的表面处理方法及用该方法处理的工件的制作方法

专利名称：提高金属焊接性能的表面处理方法及用该方法处理的工件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料的表面处理方法及用该方法处理的工件，更具体而言，涉及一种可以改善材料表面焊接性能的表面处理方法，特别适用于容易氧化的金属的表面处理。
背景技术：
金属在空气中容易氧化而形成氧化膜，例如铝合金会在其表面形成一层氧化铝。生成的氧化膜的熔点往往比相应的金属材料高很多，而表面张力却远远低于相应的金属。例如氧化铝的熔点高于2000℃，而铝的熔点只有660℃；氧化铝的表面张力为0.56N/m，而铝的表面张力为1.91N/m。金属氧化膜的原子间往往通过共价键连接，塑性低，这样的结构与一般的金属结构相差很大，因此氧化膜很难与其他金属形成很好的结合。另外具有氧化膜的母材的表面张力的降低也影响了液态金属在母材上的铺展。这些都会极大地降低母材的焊接性能，而且在焊接时候的高温会增加氧化膜的形成速率。因此有效地去除金属母材上的氧化膜是获得优良焊接性能的关键。
常用的母材中，铝合金是最难以焊接的材料之一。这是因为氧化铝熔点高，化学稳定性高，非常难去除。而且氧化铝能够在焊接时候吸附大量的水分，使得在焊缝处形成大量的气孔。氧化铝的这些特性都严重地影响了铝合金的焊接质量。专利CN1014909B提供了一种利用金属活化净洗剂清洗金属的方法，专利CN1219603A中也提供了一种利用去污清洗剂清洗金属的方法，都能在一定程度上去除工件表面上生成的氧化膜。另外，利用电镀或者化学镀的方法在工件表面上镀上一层或者多层的“阻挡层”，也可以有效地防止母材的氧化。然而，一般的金属即使被暴露在大气中很短的时间也能在其上形成一层氧化膜，例如，将铝和铁暴露在大气中一分钟就能形成厚度为20埃的氧化膜，即使对于不锈钢在同样的条件下也能形成厚度为10埃的氧化膜。在专利CN1026670C中，提出在用常规方法去除氧化膜之后利用一种有机溶剂进行进一步处理，使得将新鲜的金属表面与大气隔绝以防止生成氧化膜。然而所使用的有机溶剂会在焊接的高温下分解或者挥发，使得其依然不能防止氧化膜在焊接完成前形成。
因此，在真空下去除金属表面的氧化膜会得到比较好的效果。专利US5833758和CN1124643A提供了一种在真空条件下清洗半导体器件表面的工艺，但是均没有后续的防止氧化膜形成的工艺，使得其依然不能很好地应用于焊接领域。专利CN1465738A中提供了一种在真空条件下沉积一层焊接润湿性好的材料的方法，用于提供零部件的可靠连接。然而此方法中并没有去除氧化膜的工艺，因此沉积的材料和工件之间难以形成很好的结合强度，而且如果没有对于沉积的材料的一定的保护，也会面临因在大气下或者在焊接的高温下在沉积的材料的表面上生成氧化膜而带来的焊接问题。

发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于真空环境下的表面处理方法，该表面处理方法能有效地去除金属表面的氧化膜，而且在金属表面上沉积多层膜，该多层膜至少包括一层保护膜和最外层的低熔点金属膜，所述保护膜是不易氧化的金属膜或者易氧化但其氧化膜在焊接时候容易去除的金属膜。该表面处理方法能够有效地解决因氧化膜带来的焊接问题，由此提高了焊接强度。
为了达到上述目的，依据本发明的表面处理方法包括以下的步骤(1)将工件装入真空室，然后烘烤真空室，同时将真空室抽至背底真空，随后通过高能重离子来轰击工件的表面以去除氧化膜，在此过程中或者在此过程之后将还原性的气体通入真空室以帮助去除工件表面上的氧化膜；(2)在工件的表面上沉积一层保护膜，所述保护膜是不易氧化的金属膜或者易氧化但其氧化膜在焊接时候容易去除的金属膜；(3)在保护膜上沉积一层低熔点的金属膜，该金属膜为沉积的多层膜的最外层膜。
在步骤(1)之前，可采用脱脂、脱水和去除氧化膜的工序，这样可以保证工件的表面上的洁净程度，而且也尽可能地减小工件在进入真空室之前其表面上形成的氧化膜的厚度。另外也可以有效地减小工件表面上可能残留的诸如油脂、水分等杂质在进入真空室后对真空度的影响。
在步骤(1)中，当工件进入真空室后，烘烤真空室能更好地排出水蒸气等杂气。通过离子源产生高能重离子，所述离子源可采用点状或线性的霍尔离子源或者考夫曼离子源。或者，也可以通过将射频或者微波引入真空室内来产生高能重离子，例如ICP离子源。另外，也可以根据情况在工件架上施加负偏压以加速离子，从而增强轰击工件的效果。可以使用氩气作为产生高能重离子的气体。可以使用氢气作为还原性气体。
在步骤(2)中，所述保护膜可以使用不易氧化的贵金属，诸如铂(Pt)、钯(Pd)和金(Au)以及它们的合金等。因为上述的金属比较昂贵，所以除此以外，所述保护膜还可以使用易氧化但其氧化膜容易在焊接时去除的金属，诸如铜(Cu)、银(Ag)及铜基或者银基的合金。所述保护膜能够很好地防止工件的氧化。如果所述保护膜与工件的材料不易结合时，步骤(2)还可以包括在它们中间沉积一层与它们都比较容易结合的材料作为过渡层。
在步骤(3)中，在保护膜的表面上沉积一层低熔点的金属膜作为工件的最外层。该金属膜的成分应尽可能地与焊料成分相同或相近。这样在焊接时候工件最外层的低熔点的膜与焊料都能处于熔融状态，使得两个液相之间能形成更充分和均匀的扩散，而且低熔点金属膜和焊料成分上的相同或相近能够在其界面上形成更好的结合。这一完全覆盖在工件的表面上的低熔点的金属膜还可以进一步起到防止工件氧化的作用。这些特性都有利于提高焊接强度。低熔点的金属膜包括锡和诸如锡锌、锡铅、锡银等锡基合金。此外，这些低熔点的金属膜形成的氧化膜，例如锡的氧化膜，在焊接时候都很容易被去除。


图1是经本发明的实施例1处理后的工件表面的结构示意图；图2是经本发明的实施例2处理后的工件表面的结构示意图。
图3是经本发明的实施例3处理后的工件表面的结构示意图。
图4是经本发明的实施例4处理后的工件表面的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述实施例1在铝合金工件1表面上依次沉积由铜层2，和锡层3组成的多层膜。其中铜的氧化物容易在焊接时去除，锡为低熔点金属。
具体操作方法如下通过将工件用丙酮超声清洗5-30分钟进行除油，经漂洗后再用浓度为0.5-2.0％的硫酸浸泡工件以去除工件表面上的氧化膜，再经自来水漂洗后用乙醇超声清洗脱水。将工件烘干后装入真空室，将真空室抽气至背底真空，并将真空室加热至200℃。
然后，打开离子源，将氩气通入真空室，通过高能离子轰击工件5-30分钟来部分去除工件上的氧化膜。随后关闭氩气流量，将氢气通入真空室，继续通过高能离子轰击工件5-30分钟以去除工件上的氧化膜。
接下来，关闭离子源和氢气流量，将氩气通入真空室，并将背底真空调整至工作压强。然后，开启铜的蒸发源，沉积铜层至所需厚度。
最后，关闭铜的蒸发源，开启锡的蒸发源，沉积锡层至所需厚度。
实施例2在铝合金工件4表面上依次沉积由金层5，和锡层6组成的多层膜。其中金不易氧化，锡为低熔点金属。
具体操作方法如下按照实施例1中所述方法去除氧化膜。然后，将氩气通入真空室，并将背底真空调整至工作压强，开启金的蒸发源，沉积金层至所需厚度。
最后，关闭金的蒸发源，开启锡的蒸发源，沉积锡层至所需厚度。
实施例3在铝合金工件7表面上依次沉积由镍层8，铜层9，和锡层10组成的多层膜。其中镍层为过渡层，铜的氧化物容易在焊接时去除，锡为低熔点金属。
具体操作方法如下按照实施例1中所述方法去除氧化膜。然后，将氩气通入真空室，并将背底真空调整至工作压强，然后，开启镍的蒸发源，沉积镍层至所需厚度。
接下来，关闭镍的蒸发源，开启铜的蒸发源，沉积铜层至所需厚度。
最后，关闭铜的蒸发源，开启锡的蒸发源，沉积锡层至所需厚度。
实施例4在铝合金工件11表面上依次沉积由镍层12，铜层13，镍层14，金层15和锡层16组成的多层膜。其中镍层为过渡层，铜的氧化物容易在焊接时去除，金不易生成氧化物，锡为低熔点金属。
具体操作方法如下按照实施例1中所述方法去除氧化膜。然后，将氩气通入真空室，并将背底真空调整至工作压强，然后，开启镍的蒸发源，沉积镍层至所需厚度。
接下来，关闭镍的蒸发源，开启铜的蒸发源，沉积铜层至所需厚度。
接下来，关闭铜的蒸发源，开启镍的蒸发源，沉积镍层至所需厚度。
接下来，关闭镍的蒸发源，开启金的蒸发源，沉积金层至所需厚度。
最后，关闭金的蒸发源，开启锡的蒸发源，沉积锡层至所需厚度。
本发明提供的表面处理方法能够有效地解决金属工件的氧化膜在焊接过程中带来的问题，从而达到提高焊接强度的目的。
权利要求
1.一种提高金属材料焊接性能的表面处理方法，包括以下步骤(1)在真空条件下，采用高能离子轰击工件的表面以去除其上的氧化膜；(2)在工件的表面上沉积至少一层保护膜，其中，所述保护膜是不易氧化的金属膜或者易氧化但其氧化膜在焊接时候容易被去除的金属膜；(3)在保护膜上沉积一层低熔点的金属膜。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，还包括在步骤(1)之前在工件的表面上进行脱脂、脱水和去除氧化膜等工序。
3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述工件由选自铝、铝合金、钛、钛合金、碳钢的一种材料组成。
4.根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述高能离子通过离子源、射频或者微波提供。
5.根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述保护膜包括选自金、铂和钯及其合金的一种不易氧化的材料。
6.根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述保护膜包括选自铜、银及铜基或者银基的合金的一种易氧化但氧化膜易于去除的材料。
7.根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述低熔点的金属膜包括锡和锡锌、锡铅、锡银等的锡基合金。
8.根据权利要求1所述的表面处理方法，还包括在所述工件与所述保护膜之间，或者所述保护膜和将形成的所述低熔点金属膜之间沉积一层与它们都比较容易结合的材料作为过渡层。
9.一种提高材料焊接性能的表面处理方法，包括以下步骤(1)在真空条件下，采用高能离子轰击工件的表面以去除其上的氧化膜；(2)在工件的表面上沉积至少一层第一保护膜，其中，所述第一保护膜是易氧化但其氧化膜在焊接时候容易被去除的金属膜；(3)在工件的表面上沉积至少一层第二保护膜，其中，所述第二保护膜是不易氧化的金属膜；(4)在保护膜上沉积一层低熔点的金属膜。
10.一种工件、包括在工件的表面上沉积的保护膜，其中，所述保护膜是不易氧化的金属膜或者易氧化但其氧化膜在焊接时候容易被去除的金属膜；在所述保护膜上沉积的低熔点金属膜。
全文摘要
一种提高金属焊接性能的表面处理方法及用该方法处理的工件，包括(1)在真空条件下，采用高能离子轰击工件的表面以去除氧化膜；(2)在工件的表面上沉积一层不易氧化的或者易氧化但其氧化膜在焊接时候容易被去除的金属或合金保护膜；(3)在保护膜上沉积一层低熔点的金属膜。本发明能有效地解决金属材料在焊接中因氧化膜以及界面带来的问题。
文档编号C23C14/14GK1778990SQ20051010556
公开日2006年5月31日 申请日期2005年9月27日 优先权日2005年9月27日
发明者张云龙, 徐健, 程云立 申请人:北京东方新材科技有限公司