碳氮化钛系列镀层离子镀工艺制造技术

本发明专利技术属于物理气相沉积工艺中碳氮化钛离子镀层工艺。现有的装饰镀层工艺是只解决和改进某种特定的单一色调的工艺。而本发明专利技术将表面色调与界面结合力等技术统一，采用变参数分层过渡和多元色调的独特工艺，获得了金色、紫色、褐色、枪色、黑色等系列外观色调，同时保证具有优良的界面结合力。本工艺可适用于以铁、钢、铜、铝以及铝合金及其相似的金属为基材的钟表、眼镜、文具、首饰、五金和手工艺品等各种装饰镀层。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理气相沉积工艺中碳氮化钛离子镀层工艺。所谓离子镀层系指在真空室内，金属材料与反应气体同时被蒸发和离化，并在电场作用下沉积化合在被镀件表面，形成有耐磨和耐腐蚀性能并有美观色泽的合金和化合物镀层。离子镀层的方法由于其镀层质量优异、界面结合力与均匀性好而广泛应用于耐磨、耐腐蚀和耐高温等功能性镀层和装饰镀层。离子镀氮化钛(TiN)镀层坚硬致密，耐磨、耐腐蚀，其外观酷似黄金，光亮度好，目前已在国内外广泛使用。近年来国内外采用物理气相沉积或化学气相沉积方法制备装饰镀层的技术中，只限于解决或改进某一种颜色的色调，基本上采用单层工艺，如美国专利、英国和日本等专利分别解决了仿金色调的工艺技术。英国专利，日本专利分别解决了TiNC黑色镀层的单一镀层技术。此外，日本专利虽采用了TiN+TiC+TiN三层叠加工艺，但由于其目的在于解决工具镀硬化层的结合力问题，而末考虑表层色调问题。目前为了进一步提高镀层质量和增加新的装饰色彩，正在不断开拓新的镀层。碳氮化钛即是其中的一种，其膜层致密坚硬，可兼顾硬度和韧性的要求(TiN韧性好而硬度稍差，TiC则硬度高而韧性稍差)。特别是碳氮化钛作为装饰层，调色范围广，可以产生金色、黑色及其间的所有过渡色，如紫色、褐色、枪色(铁灰色)和灰色，而且每种颜色深浅可调。由于碳氮化钛所具有的优良特性，使其具有广泛的用途。然而若制备具有上述特性的碳氮化钛系列镀层则存在着两个技术难点一是如何提高界面结合力;二是如何保证作为装饰镀层的正确色调。一、界面为结合力问题。制备碳氮化钛镀层时，一般采用氮(N2)和碳氢化合物作反应气体，但是由于碳氢化合物离化率低，形成的碳氮化钛镀层内应力大，镀层与基材之间有孔洞，因而造成结合力差。提高被镀件温度以及偏压和电流密度是提高界面结合力的有效途径。但是，被镀件温度过高时，某些材料将逸出污染物，从而严重影响装饰镀层的色调与光泽，因此，要很好地控制温度，也即是说，改进结合力的措施不应影响正确的色调。二、碳氮化钛镀层的色调问题。氮化钛镀层用氮作反应气体，碳化钛镀层用乙炔或甲烷作反应气体。这两种镀层均为二元化合物，其调色范围很小，基本上是单一的色调，如氮化钛基本是金黄色;而碳化钛基本是黑灰色。如果同时使用氮和乙炔(或甲烷)作反应气体，则形成碳氮化钛三元化合物。由于钛、氮、碳三元调色，颜色的可变范围大大加宽了。但是，要得到所要求的色调正的各种装饰色，碳、氮、碳必须选择对应各色的最佳配比，而不同的碳氢化合物，镀层的工艺条件相差很大，特别是为获得某些较深颜色而需要增大碳含量时，镀层和基材之间的结合力明显下降，也就是，调色时又对界面结合力产生了影响。由上述可看出保证色调与界面结合力所采取的某些技术措施是相互矛盾的。过去，由于这个问题末能很好地解决，而限制了碳氮化钛离子镀层的实际应用。本专利技术的目的在于，提供一种既保证获得系列的镀层外观色调，又保证界面结合力，适用于常用金属基材的碳氮化钛系列镀层的离子镀工艺。本专利技术所使用的实验设备如附图说明图1所示。其中，1为真空镀层室;2为真空电弧蒸发源组件;3为有公转和自转的镀件夹具;4为加热烘烤装置;5为Ar，N2和C2H2(或CH4)的进气管;6为蒸发源电弧电源;7为偏压电源;8为加热电源;9为抽气管路。镀膜时，待真空抽至5×10-5托，启动烘烤加热至适当温度(同时启动镀件夹具旋转)，继之启动电弧蒸发源，镀件夹具和蒸发源之间施加偏压开始镀膜层。首先只通Ar气至3×10-3托镀Ti层，第二层通N2气镀TiN层，以后根据不同颜色的要求，N2/C2H2采用不同比例分若干层镀TiNC层，逐渐过渡至表层所要求色调的钛、氮、碳配比。分层过程期间，蒸发源电流和偏压也相应变化。前几层蒸发源电流和偏压取较大数值，以保证镀层的结合力;后几层两参数取较小数值，以保证表面的光泽。本专利技术保证碳氮化钛系列镀层色调和界面结合力的离子镀工艺特征在于采用变参数分层与变参数多元色调工艺。这种工艺的具体内容包括金色、紫色、褐色、灰色、枪色、黑色及相应的深浅不同的颜色的碳氮化钛镀层对应于各该最佳的钛氮、碳配比，即对应于一定的钛蒸发速率(以蒸发源电流值表征);一定的镀层真空度(以N2+C2H2分压表征);一定的N2和C2H2(或CH4)比率(分别以其流量值表征)。在确定了钛蒸发速率与镀层真空的情况下，金色、紫色、褐色、灰色、枪色、黑色及相应的深浅不同的颜色的TiNC镀层即对应于各该N2/C2H2(或N2/CH4)比率，为同时保证界面结合力，采用变参数分层过渡的工艺方法。基于上述两点，本专利技术将金色、紫色、褐色、灰色、枪色、黑色及相应的深浅不同的颜色的TiNC整个镀层分为2+i个层次，变参数分层过渡连续完成，同时保证了优良的结合力和美观的色泽。第一层预镀Ti，第二层镀TiN，以后i层镀TiNC。在镀TiNC时，将N2和C2H2的流量各分为i个值，即将N2/C2H2的比率分为i个值，N2流量由(N2)1变为(N2)i，随颜色变深逐渐减小;C2H2流量由(C2H2)1变为(C2H2)i，随颜色变深逐渐增大，最后一层对应于所要求颜色的钛、氮、碳最佳配比。前几层选用较大蒸发源电流和较高工件偏压，以增加界面扩散和提高结合力;最后几层选用较小蒸发源电流和较低工件偏压，以保证表层有优良的光泽。为保证表层的色调，最后一层的镀层时间较长。在本专利技术的镀层工艺过程中，使用多元调色解决TiNC镀层的色调。通过实验证明，二元化合物氮化钛或碳化钛的调色范围很有限，而同时用N2和C2H2(或CH4)作反应气体形成的TiNC为三元化合物，C2H2的微量变化即引起其色调明显地改变。因此，调节钛、氮和碳的比率，即调节Ti的蒸发速率，N2+C2H2的分压和N2/C2H2的比率，就可制备出从金黄色到黑色所有的过渡色。图2表示了TiN-TiNC间Hunter色差。可以看出，钛-氮层系曲线1对氮量变化的反应，色调变化几乎是单一的金黄色;而氮中添加了乙炔气之后的曲线Ⅱ和Ⅲ色调变化范围很宽，这就是二元化合物与三元化合物的差异所带来的影响。曲线Ⅱ为加入N295CC/分+C2H2;曲线Ⅲ为加入N285cc/分+C2H2。金色、紫色、褐色、灰色、枪色、黑色及相应的深浅不同的颜色的镀层对应于各该钛、氮、碳最佳配比。镀层时，分层次将N2分压逐渐减小，C2H2分压逐渐增加，则颜色逐渐加深，最后的表层则对应于该颜色所对应的钛、氮、碳最佳配比。当Ti蒸发量(以蒸发源电流表征)和镀层真空(即N2+C2H2分压)确定时，该颜色即对应于各该N2/C2H2最佳比率。几种颜色的钛、氮、碳最佳配比如下黑色蒸发源电流60A，N2+C2H2分压4×10-3托，原子比Ti15～40%，N210～25%，C40～80%，灰色蒸发源电流60A，N2+C2H2分压4×10-3托，原子比Ti15～40%，N20.1～10%(N2也可为零)，C45～80%。枪色蒸发源电流50A，N2+C2H2分压1.2×10-3托，原子比Ti20～40%，N20.1～10%(N2也可为零)，C45～80%。褐色蒸发源电流60A，N2+C2H2分压2×10-3托，原子比Ti25～40%，N225～60%，C5～10%。紫色蒸发源电流60A，N2+C2H2分压2.5×10-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳氮化钛镀层离子镀工艺，其特征在于采用碳、氮、钛三元调色，变参数分层过渡工艺，适用于以金属为基材的碳氮化钛系列镀层的离子镀工艺方法，这种方法包括，（１）每种颜色的碳氮化钛镀层对应于每种确定的钛、氮、碳最佳配比，确定的钛蒸发速率（ 以蒸发源电流值表征），确定的镀层真空度（以Ｎ↓［２］＋Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］分压表征），确定的Ｎ↓［２］和Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］（或ＣＨ↓［４］）比率（分别以流量值表征），（２）整个镀层分为２＋ｉ个层次，变参数分层过渡连续完成，第一 层先镀钛，第二层镀氮化钛，以后ｉ层镀碳氮化钛，Ｎ↓［２］流量由（Ｎ↓［２］）１变为（Ｎ↓［２］）ｉ，随颜色变深而逐渐减小，Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］流量由（Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］）１变为（Ｃ↓［２］Ｈ↓［２］）ｉ，随颜色变深而逐渐增大，最后一层碳氮化钛对应于所要求颜色的钛、氮、碳最佳配比，（３）在分层过渡中，前几层选用较大蒸发源电流和较高偏压，最后几层则选用较小蒸发源电流和较低偏压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨铁三，黄经筒，游本章，齐克修，吴振华，
申请(专利权)人：北京中科电气高技术公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]