CN1037742A - 新型反光装饰材料镀膜技术 - Google Patents

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Abstract

一种采用磁控反应溅射技术在金属及其合金材 料、陶瓷、玻璃及耐温250℃以上的高分子化合物表 面上沉积ZrNx连续膜。通过改变氮气分压及偏压 来改善膜层结构及表面状态,从而得到不同反射率及 不同色泽的耐磨、耐腐蚀的反光装饰膜。该膜层制备 工艺简单、重复性好、对环境无污染,可广泛应用于反 光材料及装璜仿金膜。

Description

本发明属于真空物理气相沉积技术,将金属锆或锆基合金采用磁控反应溅射技术在金属、陶瓷、玻璃及耐温250℃以上高分子材料表面沉积一层ZrNx反光装饰膜。
以往反光膜一般为镀铝或银膜。由于膜层不耐磨而制成背面镜,光要通过玻璃二次吸收从而反射率下降,同时耐磨及耐候性较差使用寿命较短等缺点。作为反光装饰膜,特别是仿金膜,过去一般采用在被镀件表面镀制黄铜,再涂有机保护膜,这样不但工艺复杂而且保护膜不耐磨,磨损后起不到保护和装饰作用。从70年代采用离子蒸发镀膜,蒸发钛与氮反应生成氮化钛仿金膜,具有仿金色泽,但色泽较差特别是明亮度低,膜层反射率小。离子蒸发镀膜设备昂贵,操作复杂,氮化钛膜层较脆。如US4,226,082,昭和52-149277专利均采用离子蒸发镀膜技术镀TiN仿金膜,使用坩埚盛镀膜材料,材料利用率在 2/3 ~ 1/2 ,且坩埚使用寿命短易损坏,另外坩埚材料的渗入和蒸发易污染镀层而影响膜层质量。在可见光谱区氮化钛比氮化锆反射率低。特别在4000A~6000A区间。
本发明采用物理气相沉积技术中的先进工艺-磁控反应溅射技术,它具有节省镀膜材料一次装料(靶材)多次镀膜而节省装料时间及劳力,且无需在容器中熔化蒸发,直接由带电粒子轰击逸出,炉膛空间利用率高,镀膜工艺控制方便,工艺重复性好,对环境无污染是工业化生产的有利条件。采用锆及含铜或金元素重量百分比为1到10范围内的锆基合金为镀膜材料,锆熔点为1852℃,沸点为3580℃比钛高约300℃,这样采用离子蒸发镀的难度较大,镀膜过程很易断弧,若功率过大又会烧坏坩埚,所以采用磁控反应溅射就可克服上述缺点。
金属锆在物理性质上,锆的反射率比钛要高约10%,机械韧性比钛好、耐腐蚀性能比钛强。新型反光装饰材料由锆代替钛作镀膜材料,采用磁控反应溅射沉积氮化锆比氮化钛具有更好的反射率、明亮度高、更接近仿金色泽,又具有耐磨、耐腐蚀性能是一种理想的反光装饰材料。
为了达到该膜层的多种色泽的反射率、靶材除用纯锆外,亦可采用金或铜元素的锆基合金作靶材。为了减少膜层的内应力及剥落现象使膜层结合力良好,则整个膜层结构必须在较高偏压溅射一层很薄的锆膜,然后由锆逐渐向氮化锆膜的含氮量逐渐增加,这样膜层结构连续变化可使内应力减小及防止脱落。它明显地比有几层氮含量突然变化的多层膜的内应力小並且膜层结构緻密、针孔较少等优点。本发明采用对基体施加偏压及不断地调节氮气分压等措施,这种合适的参数来获得具有不同反射率及由银白色到金黄色的各种反光装饰膜。采用磁控反应溅射在不锈钢、碳钢、黄铜及铝和铝合金材料,陶瓷,玻璃和耐温250℃以上的高分子材料表面沉积一层ZrNx反光装饰膜,其x值在0≤x≤1之间变化,其工艺如下:
基体表面进行脱脂、取油,用取离子水冲洗、烘干处理后装炉。炉子有两个进气管由阀门控制,分别把氮气、氩气通入炉内。真空室由真空机组抽空到10-5乇后,基体加热到150~500℃,通入氩气使压力升到10-4~10-2乇,加直流电压为-500V~-1500V对基体表面轰击清洗5~30分钟,然后施加-50V~-700V偏压下,溅射靶加直流电压-300V~-800V进行镀膜。通过偏压,锆离子轰击到基体表面内层,从而提高膜层与基体的结合力,在表面生成厚度为10A~1000A的锆膜,再通入氮气其分压在10-3~10-5乇之间变化,调节氮气分压使膜层逐渐由纯锆膜向ZrNx结构变化,其x值在0≤x≤1区间,膜厚为0.2~2μm,然后关掉氮气再镀锆,其厚度在10A~200A。所以ZrNx膜层中x值为连续变化生成连续膜,其总膜厚在0.2~2.1μm,色泽随x值而变化,当x值由0到1时,则其颜色由银白色一直变到金黄色。当x值在0≤x≤0.15范围时,色泽为银白色,在0.15≤x≤0.5时,色泽为淡黄色,在0.5≤x≤0.9时,色泽为浅金黄色,在0.9≤x≤1时,色泽为金黄色。
采用上述工艺的优点是镀膜开始时,在偏压作用下生成与基体表面结合力强的锆膜基础上逐渐由它过渡到ZrNx膜层结构,膜层晶粒生长细化,又在反溅射作用而除去杂质使表面粒子移动,反应生成平滑的表面。这样改善了膜慕峁梗诘缇迪鹿鄄毂砻婢ЯO富⑵秸A硗庠谏す讨幸嗌晌淮砗涂昭拔⑿〉恼肟祝耸鼓げ愀饬痢⑵交谄棺饔孟略俣埔徊愫鼙〉娘だ刺畈贡砻嫒毕荩佣狗瓷渎省⑻乇鹗蔷捣瓷渎噬仙砻嫫秸麃K减少膜层的内应力,达到膜层的韧性得到改善及进一步提高耐磨性。上述工艺制备的反光装饰膜可由工件表面性质的要求调节工艺参数达到具有不同反射率、不同色泽、耐磨、耐腐蚀的膜层。在盐酸、碱及食盐的稀溶液中浸泡48小时无变化,显微硬度随膜厚在500~2000kg/mm2范围内变化。该膜层可广泛应用于聚光装置的反光膜、各种灯具的反光罩、工艺美术品、首饰、餐具、酒具、五金件及轻工、机械产品和一切需要工件表面的保护装饰膜。
本发明实施例
1、不锈钢基体用清洗剂清洗、丙酮脱脂、取离子水冲洗,最后酒精漂洗、烘干后装炉。由机组抽空到10-5乇,加热基体到约300℃,保温15分钟。通入氩气使真空到1×10-2乇对基体加-1500V左右电压轰击15分钟,然后偏压降到-500V左右,溅射靶加-400V电压溅射2分钟约150A。再通入N2气逐渐调节流量使分压由0上升到2×10-3乇镀膜达到膜厚约1μm,停止供N2气再镀1分钟左右,取掉溅射靶电源、偏压、关掉Ar气等,工件随炉冷却后取出,其膜层为浅金黄色。
2、玻璃基体表面处理后,脱脂取油、水洗、烘干装炉,抽空到10-5乇左右,玻璃加热到250℃,保温30分钟,通Ar气到8×10-3乇,施加-800V电压轰击清洗10分钟,然后加偏压-300V,通N2气使它的分压逐渐由0调到2×10-4乇,溅射电流密度为10mA/cm2沉积ZrNx膜,其膜厚达到0.5μm时停止通N2气,再溅射约1分钟锆膜约100A,所以其膜厚总共仍在0.5μm左右。停止溅射后,冷却取出其膜层具有银白色的色泽。

Claims (7)

1、一种采用磁控反应溅射真空炉中将基体加热到150℃~500℃时,在基体表面沉积一层锆或锆基合金的金属氮化物镀膜工艺,其特征是1、通入氩气使真空压强在10-2~10-4乇下,施加-500V~-1500V电压下轰击清洗,2、在-50V~-700V偏压下,靶电压在-300V~-800V时溅射一层10A~1000A的纯锆膜,3、反应溅射开始时通入氮气其分压值P在10-5≤P≤10-3乇之间变化沉积生成ZrNx,其x值在0~1之间变化,生成0.2~2μm的连续膜,4、最后关掉氮气再镀一层很薄(10A~200A)的锆膜,其总厚度为0.2~2.1μm的锆或锆基合金的金属氮化物膜层。
2、根据权利要求一所叙述的锆基合金,其特征为金属锆中含重量百分比在1到10之间变化的元素金或铜。
3、根据权利要求一至二所叙述的锆及锆基合金沉积在基体上生成ZrNx膜,其基体为不锈钢、碳钢、黄铜及铝和铝合金材料,陶瓷,玻璃和耐温250℃以上的高分子材料。
4、根据权利要求一至三中叙述的基体上沉积ZrNx膜层,其值在0≤x≤0.15范围内的膜层为银白色。
5、根据权利要求一至三中所叙述的基体上沉积ZrNx膜层,其值在0.15≤x≤0.5范围内的膜层为淡黄色。
6、根据权利要求一至三中所叙述的基体上沉积ZrNx膜层,其值在0.5≤x≤0.9范围内的膜层为浅金黄色。
7、根据权利要求一至三中所叙述的基体上沉积ZrNx膜层,其值在0.9≤x≤1范围内的膜层为金黄色。
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