CN103233199B - 一种提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的一种方法，该方法待基材表面沉积氮化物硬质涂层后，利用惰性等离子体对该氮化物硬质涂层表面进行刻蚀，一方面惰性等离子体不会引起涂层的相结构转变，从而保持了涂层原有的化学性能；另一方面惰性等离子体的高能量改善了涂层致密度，进而同时改善了涂层光亮度。实验证实，本发明是一种改善基材表面氮化物硬质涂层色泽度与硬度的行之有效的方法，具有良好的应用前景。

Description

一种提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法

技术领域

本发明属于基材表面的硬质耐磨装饰涂层技术领域，特别是涉及一种提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法。

背景技术

随着社会的发展，越来越多的基材表面需要硬质耐磨涂层的装饰与保护，例如常用的卫浴五金、门窗配件，以及目前被广泛使用的电子设备，例如PDA、移动电话、数码相机等，因此对硬质耐磨涂层的性能要求也越来越高。

在众多的PVD(Physical Vapor Deposition)表面防护涂层中，氮化物因具有熔点高、硬度高、热稳定性好、抗腐蚀性和抗氧化性好等优点，常被选择为提高基材表面性能的耐磨装饰涂层材料。

但是，利用氮化物等硬质耐磨涂层对产品进行表面防护处理后，产品硬度与产品表面色泽之间存在着无法调和的矛盾。因为，为了提高处理后产品的硬度，不仅需要考虑PVD涂层的硬度，而且必须考虑产品本身的整体硬度，该整体硬度与构成产品的基材直接相关；典型的基材包括不锈钢、铝，以及带有铜-镍-铬等镀层的塑料(如ABS)等，但是它们通常并不具有由这些材料制成的高端产品所要求的合适硬度，而这种硬度又是产品的表面耐磨性所必需的，因此目前常用的做法是在基体与PVD涂层之间形成一层厚而硬的中间层；然而，由于中间层的增加，涂层整体的厚度也相应增加，导致涂层随着厚度的增大而变得粗糙，从而使涂层表面光亮度降低，而且中间层的引入也会额外地增加生产成本。

因此，如何制备出一种低成本、高硬度、高耐磨、高光亮的涂层是对PVD涂层技术的新挑战。

发明内容

本发明的技术目的是针对目前在基材表面沉积氮化物硬质装饰涂层后，仍然无法兼顾其同时具有高光亮色泽与高硬度的问题，提供一种同时提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种同时提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，该方法待基材表面沉积氮化物硬质涂层后，利用惰性等离子体对该氮化物硬质涂层表面进行刻蚀。

采用上述技术方案具有以下优点：

(1)基材表面沉积氮化物涂层后，采用惰性等离子体轰击，一方面由于惰性等离子体不与涂层中其他元素发生反应，因此不会引起涂层的相结构转变，从而保持了涂层原有的化学性能；另一方面惰性等离子体的高能量对涂层致密度产生影响，从而影响了薄膜表面的光洁度，进而同时影响了涂层光亮度；

(2)惰性等离子体的高能量对涂层致密度与光亮度的影响体现在两个方面，一方面能够将处于表层的结合力较弱的氮化物颗粒轰击掉或者将其结构打断，使涂层表面的孔洞等缺陷减少，从而提高涂层的致密度与光洁度；另一方面，惰性等离子体产生的高能量甚至还影响涂层内部氮化物颗粒，使其结构更加紧密，从而提高涂层的致密度与光洁度；

实验证实，采用本发明的方法，当基材表面沉积氮化物硬质涂层后，利用惰性等离子体对该氮化物硬质涂层表面进行刻蚀，能够同时提高该氮化物硬质涂层的硬度以及光泽度，因此，本发明是一种改善基材表面氮化物硬质涂层色泽度与硬度的行之有效的方法，具有良好的应用前景。

在具体实施中，可以选用线性离子束真空处理设备，将沉积了氮化物硬质涂层的基体放入该线性离子束真空处理设备中，对涂层表面进行刻蚀。

所述的惰性等离子体包括氩气、氦气、氖气、氪气、氙气等气体的等离子体，其中优选为氩气的等离子体。

所述的处理条件优选为：线性离子束电流为0.1A～0.5A，工作电压为1000V～1500V，气体压强为1～5mtorr；刻蚀时间为1～60min，进一步优选为5～30min。

所述的基材不限，包括不锈钢、钛合金、硅片、玻璃、塑料等各种金属与非金属材料。

所述的氮化物硬质涂层材料不限，包括一种金属元素的一元氮化合物，以及两种或两种以上金属元素的多元氮化合物，包括CrN、ZrN、(Cr,Al)N、(Ti,Zr)N、等中的一种或几种。

附图说明

图1是对比实施例1中硅片表面未经等离子体刻蚀以及实施例1中经等离子分别刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟的CrN涂层的SEM表面形貌图；

图2是对比实施例1中玻璃表面未经等离子体刻蚀以及实施例1中经等离子体分别刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟的CrN涂层的XRD图谱；

图3是对比实施例1中硅片表面未经等离子体刻蚀以及实施例1中经等离子体分别刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟的CrN涂层的硬度变化图。

图4是对比实施例1中玻璃表面未经等离子体刻蚀以及实施例1中经等离子体分别刻蚀5分钟、0分钟、15分钟、20分钟、30分钟的CrN涂层的光亮度L变化图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

对比实施例1：

本实施例是下述实施例1的对比实施例。

本实施例中，基材为硅片，在该基材表面磁控溅射沉积氮化物硬质涂层CrN。

为了清楚表征所沉积CrN薄膜的XRD结构，消除基材对CrN薄膜结构的背底峰影响，在硅片表面沉积CrN涂层时，同时采用玻璃基片，在该玻璃基片表面同时沉积CrN涂层。即，在沉积设备与沉积环境完全相同的条件下，同时在硅片表面以及玻璃基片表面沉积氮化物硬质涂层CrN。

上述硅片表面的CrN涂层的SEM表面形貌图如图1中(a)所示。经测色仪测试，该硅片表面的CrN涂层的光亮度L值为43.21。经纳米压痕仪测试，该硅片表面的CrN涂层的硬度为3.46GPa。

实施例1：

在上述对比实施例1中制得的表面沉积CrN涂层的硅片样品与玻璃样品中取出部分样品进行后处理，即将这些样品置于氩气的等离子体设备中，使氩气的等离子体对CrN涂层进行刻蚀。处理条件为，工作电流0.2A，电压1300V，工作气压2.3mtorr，处理时间分别为5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟，处理过程中无加热。

经氩气的等离子体刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟与30分钟后，硅片表面CrN涂层的SEM表面形貌图如图1中(b)-(f)所示。从图1中可以看出，与未经过氩气的等离子体刻蚀的CrN涂层形貌图(a)相比，经过氩气的等离子体刻蚀后的CrN涂层结构更加致密。

图2是上述对比实施例1中玻璃基片表面未经氩气的等离子体刻蚀以及实施例1中分别经氩气的等离子体刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟的CrN涂层的XRD图谱。从图2中可以看出，经氩气的等离子体刻蚀前后CrN涂层的相结构并未发生变化。

经纳米压痕仪测试，如图3所示，经氩气的等离子体刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟与30分钟后硅片表面CrN涂层的硬度分别为3.68GPa、4.39GPa、4.93GPa、4.81GPa、6.05GPa。

经测色仪测试，如图4所示，经氩气的等离子体刻蚀5分钟、10分钟、15分钟、20分钟与30分钟后硅片表面CrN涂层的光亮度L值分别为58.14、56.05、59、59.38、59.6。

即，与未经氩气的等离子体刻蚀的CrN涂层相比，经过氩气的等离子体刻蚀后的CrN涂层的相结构未发生变化，但是其致密度、光亮度与硬度均有所提高。

对比实施例2：

本实施例中，基材为硅片，在该基材表面磁控溅射沉积氮化物硬质涂层ZrN。

为了清楚表征所沉积ZrN薄膜的XRD结构，消除基材对ZrN薄膜结构的背底峰影响，在硅片表面沉积ZrN涂层时，同时采用玻璃基片，在该玻璃基片表面同时沉积ZrN涂层。即，在沉积设备与沉积环境完全相同的条件下，同时在硅片表面以及玻璃基片表面沉积氮化物硬质涂层ZrN。

实施例2：

在上述对比实施例2中制得的表面沉积ZrN涂层的硅片样品与玻璃样品中取出部分样品进行后处理，即将这些样品置于氩气的等离子体设备中，使氩气的等离子体对ZrN涂层进行刻蚀。处理条件为，工作电流0.3A，电压1500V，工作气压2.7mtorr，处理时间分别为15分钟，处理过程中无加热。

将对比实施例2中与实施2中所得硅片表面的ZrN涂层进行如下测试：

(1)观察SEM表面形貌图

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，与未经过氩气的等离子体刻蚀的ZrN涂层形貌图相比，经过氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层结构更加致密；

(2)ZrN涂层的XRD图谱

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀前后ZrN涂层的相结构并未发生变化；

(3)测色仪测试ZrN涂层的光亮度L值

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层的光亮度值由43.58提高至59.17；

(4)经纳米压痕仪测试ZrN涂层的硬度，

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层的硬度由3.5GPa提高至6GPa。

对比实施例3：

本实施例中，基材为硅片，在该基材表面磁控溅射沉积氮化物硬质涂层(Cr,Al)N。

为了清楚表征所沉积(Cr,Al)N薄膜的XRD结构，消除基材对(Cr,Al)N薄膜结构的背底峰影响，在硅片表面沉(Cr,Al)N涂层时，同时采用玻璃基片，在该玻璃基片表面同时沉积(Cr,Al)N涂层。即，在沉积设备与沉积环境完全相同的条件下，同时在硅片表面以及玻璃基片表面沉积氮化物硬质涂层(Cr,Al)N。

实施例3：

在上述对比实施例2中制得的表面沉积(Cr,Al)N涂层的硅片样品与玻璃样品中取出部分样品进行后处理，即将这些样品置于氩气的等离子体设备中，使氩气的等离子体对ZrN涂层进行刻蚀。处理条件为，工作电流0.1A，电压1500V，工作气压2.1mtorr，处理时间分别为5分钟，处理过程中无加热。

将对比实施例2中与实施2中所得硅片表面的ZrN涂层进行如下测试：

(1)观察SEM表面形貌图

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，与未经过氩气的等离子体刻蚀的ZrN涂层形貌图相比，经过氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层结构更加致密；

(2)CrN涂层的XRD图谱

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀前后ZrN涂层的相结构并未发生变化；

(3)测色仪测试CrN涂层的光亮度L值

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层的光亮度值由45.58提高至58.22；

(4)经纳米压痕仪测试ZrN涂层的硬度，

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的ZrN涂层的硬度由29GPa提高至32GPa。

对比实施例4：

本实施例中，基材为硅片，在该基材表面磁控溅射沉积氮化物硬质涂层(Ti,Zr)N。

为了清楚表征所沉积(Ti,Zr)N薄膜的XRD结构，消除基材对(Ti,Zr)N薄膜结构的背底峰影响，在硅片表面沉(Ti,Zr)N涂层时，同时采用玻璃基片，在该玻璃基片表面同时沉积(Ti,Zr)N涂层。即，在沉积设备与沉积环境完全相同的条件下，同时在硅片表面以及玻璃基片表面沉积氮化物硬质涂层(Ti,Zr)N。

实施例4：

在上述对比实施例2中制得的表面沉积(Ti,Zr)N涂层的硅片样品与玻璃样品中取出部分样品进行后处理，即将这些样品置于氩气的等离子体设备中，使氩气的等离子体对(Ti,Zr)N涂层进行刻蚀。处理条件为，工作电流0.1A，电压1500V，工作气压2.1mtorr，处理时间分别为5分钟，处理过程中无加热。

将对比实施例2中与实施2中所得硅片表面的(Ti,Zr)N涂层进行如下测试：

(1)观察SEM表面形貌图

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，与未经过氩气的等离子体刻蚀的(Ti,Zr)N涂层形貌图相比，经过氩气的等离子体刻蚀后的(Ti,Zr)N涂层结构更加致密；

(2)(Ti,Zr)N涂层的XRD图谱

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀前后(Ti,Zr)N涂层的相结构并未发生变化；

(3)测色仪测试(Ti,Zr)N涂层的光亮度L值

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的(Ti,Zr)N涂层的光亮度值由40.38提高至59.27；

(4)经纳米压痕仪测试(Ti,Zr)N涂层的硬度，

结果显示，类似对比实施例1与实施例1中的对比结果，经氩气的等离子体刻蚀后的(Ti,Zr)N涂层的硬度由28GPa提高至34GPa。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：待基材表面沉积氮化物硬质涂层后，利用惰性等离子体对该氮化物硬质涂层表面进行刻蚀；所述的氮化物硬质涂层材料是一种金属元素的一元氮化合物，或者是两种或两种以上金属元素的多元氮化合物。

2.如权利要求1所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：选用线性离子束真空处理设备，将沉积了氮化物硬质涂层的基体放入该线性离子束真空处理设备中，对涂层表面进行刻蚀。

3.如权利要求2所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的线性离子束电流为0.1A～0.5A，工作电压为1000V～1500V，气体压强为1mtorr～5mtorr。

4.如权利要求1所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的刻蚀时间为1min～60min。

5.如权利要求4所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的刻蚀时间为5min～30min。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的氮化物硬质涂层材料包括CrN、ZrN、(Cr,Al)N、(Ti,Zr)N中的一种或几种。

7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的惰性等离子体包括氩气、氦气、氖气、氪气、氙气气体中的一种或几种的等离子体。

8.如权利要求7所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的惰性等离子体为氩气等离子体。

9.如权利要求1至5中任一权利要求所述的提高基材表面氮化物硬质涂层光亮度及硬度的方法，其特征是：所述的基材包括不锈钢、钛合金、硅片、玻璃、塑料中的一种或几种。