[发明专利]基于硅、碳、氢和氮的耐腐蚀涂层

说明书

本分案申请是基于申请号为200680036545.1，申请日为2006年9月28日，发明名称为“基于硅、碳、氢和氮的耐腐蚀涂层”的原始中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及部件的保护，该部件的表面对（干或湿）腐蚀敏感，并且任选地，在较小的程度上，对摩擦（frottement）和磨损（usure）敏感。更具体地，本发明的领域涉及旨在耐腐蚀（伴有或没有摩擦和磨损）的表面的处理和涂覆。

本发明所针对的部件实际上是可腐蚀的金属部件，非限制性的实例是由钢、铝合金、镁合金制成的部件，或者是涂覆有可腐蚀金属的非金属部件，优选结构或表面机械部件，非排它性地例如是在汽车和建筑领域中。

背景技术

用于在材料表面上沉积赋予其良好耐（干或湿，酸或碱）腐蚀性的层的表面处理和涂覆方法为人所知已有很长时间了。可以引述所有用于沉积油漆和清漆的方法。还存在电解方法，用于沉积保护性金属，例如锌以用于保护钢，或者更一般地，镍、铬等，一般地，厚度大于10μm。总之，这些方法和材料赋予被涂覆的部件以或多或少有效的耐腐蚀性（特别依据它们的厚度），但通常（除去涉及铬的情况）并不提供任何特别的耐机械侵蚀如摩擦和磨损的性质。

而且，利用陶瓷如搪瓷层或者某些金属层如铬层来使部件的表面防摩擦和磨损在现有技术中是已知的。但是，在这种情况下，耐腐蚀性是低的，除非沉积的保护层非常厚（通常几十微米厚）。最近的涂层在耐磨损方面具有非常高的效率。它们是过渡金属的氮化物如TiN、CrN、TiAlN等。它们非常高的硬度赋予了它们非常高的耐磨损性，但目前的沉积技术不能将它们沉积到大的厚度，因此，它们几乎不能提供腐蚀保护。这同样也适用于无定形碳涂层，该无定形碳涂层有效地防摩擦和磨损，但其厚度在最佳情况下也不超过几微米，因此不能提供有效的腐蚀保护。

电解沉积镉或铅这种工艺已经使用了很长时间，但由于这些材料的毒性和它们对环境的负面影响现在已被放弃。电解沉积铬对环境也有负面影响，并且有关废物的法规的发展使得它们越来越难以被使用。

目前，使得铁合金能够同时耐腐蚀和摩擦和磨损的解决方案基本上基于氮化和氧化的组合，但它们的使用需要高温，在所有情况下均高于500℃。目前，大量的部件是下述这样的金属和合金来生产的：这些金属和合金在高于200℃下加热时会变形或者丧失它们的机械特性。

因此，目前仍然需要这样的涂层，该涂层使得可腐蚀材料（无论是钢、铝合金还是镁合金）的结构或表面部件能够耐腐蚀，并且同时至少在一定程度上耐摩擦和磨损，而不需要高的处理温度或过大的厚度。

发明内容

本发明基于以下的令人吃惊且出人意料的发现，即发现基于硅并且还包含碳、氮和氢的复合组合物的厚层的性质，这四种元素Si、C、H和N以明确定义的比例存在。已经发现：即使是大约一微米的低厚度，这些层例如在暴露于盐雾中几百个小时的过程中也能够有效地保护铁类金属，同时它们的高硬度赋予了它们与上述金属氮化物相当的耐磨损性。

这种结果是完全出乎意料的，因为通常接受和被证明的是：除阴极保护（通过锌和铝保护钢）之外，薄层不可避免地具有缺陷并且因此是多孔的，从而允许侵蚀性液体到达并腐蚀基材，因而产生众所周知的针孔腐蚀现象。

基于硅的薄层在其它应用中本身是已知的。因此，在聚合物上用作阻挡层或者用于织物防水处理的含氮（SiO_x）薄层本身是已知的。含碳和氢的硅薄层（常称作“a-SiC:H”）本身也是已知的，并且从摩擦学的角度来看是有益的，但并不赋予任何腐蚀保护。

在现有技术的状态下，由这些SiCHN薄层提供的保护仍然是不可解释的。

更具体地，本发明提出了用于部件防腐蚀的薄层涂层，该部件由可腐蚀金属材料制成或者由涂覆有可腐蚀金属层的材料制成，例如基于Fe、Al或Mg的合金，该涂层基本上由硅、碳、氢和氮组成，所具有的组成是：

-通过ERDA技术测定的氢的原子含量是20±5原子%，

-通过卢瑟福背散射（RBS）技术测定的硅的原子含量是15-28原子%，

-氮和碳的原子浓度的比率（N/C）大于0.9,

-材料的硬度小于或等于2100daN/mm²。