[发明专利]碳氮化钛系列镀层离子镀工艺

说明书

本发明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[US    4420498（1983），GB2195664（A）（1988）;GB2196021（A）（1988）;Jp昭62-170560（1986）]分别解决了仿金色调的工艺技术。英国专利[GB    2170821（A）（1986）]，日本专利[昭62-146255（A）（1987），昭61-183458（A）（1986）]分别解决了TiNC黑色镀层的单一镀层技术。此外，日本专利[昭61-170559（A）（1986）]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[如乙炔（C₂H₂）或甲烷（CH₄）等]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，钛、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。

本发明的目的在于，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。

本发明所使用的实验设备如图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。