CN106756827B - 一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺 - Google Patents

一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺。本发明基于双层辉光等离子表面处理技术，利用辉光放电所产生的低温等离子体轰击强化原子，使源级靶材中能使千足金硬化的合金原子吸附并扩散至升温至一定温度且保温一段时间的千足金表面，形成硬化合金层，其中，使用的靶材成分为Au：60％～75％，Ti：5～35％，Dy：2％～18％，Te：1～10％，靶材与千足金饰品的间距为200mm～500mm，源级电压为800～1000V，工件极电压为50～200V，工作气压为100～1000Pa。本发明提出的表面硬化千足金在色彩度与普通足金相当的同时，硬化层厚度达到5～15微米，硬度达到HV190～250以上，可满足各类首饰材料的选用。

Description

一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺
技术领域
本发明涉及首饰黄金制造技术领域，具体是一种用于首饰生产的表面硬化处理工艺。
背景技术
高纯度的千足金首饰一直以来都受到中国人的喜爱青睐，在中国首饰市场占据极高的比例。然而，普通足金的硬度很低，在日程佩戴过程中容易磨损或变形，影响首饰的外观、亮度，甚至导致镶嵌宝石的脱落。因此，非常有必要在保证千足金成色的前提下，大幅度提高足金饰品的硬度，以提高产品的市场竞争力。
通常情况下，首饰用千足金通过两种方式进行硬化。一种是通过电镀工艺生产的薄壁件首饰，也被称为3D硬金。但是应用这种工艺生产的首饰只能以薄壁件的款式出现，且难以进行焊接处理，电镀过程中使用的电解液还有大量的氰化物，也带来了巨大的环境成本，不利于当前可持续发展的趋势。
国内外的技术人员还提出了一些通过合金化的方式提高金的硬度的方法。比如，潘明等公开发明的“首饰用超强高纯合金材料”提出使用钛作为强化元素可以有效的提高足金的硬度，其中提高足金硬度的有效强化析出相为Au4Ti化合物。另外，很多其它元素也有很好的强化效果，比如轻金属元素Ca,Li等，以及一些稀土元素，比如镝(dy)，铽(Te)等。但是，使用微合金强化的方式来硬化足金，仍然难以达到理想的效果。
千足金的硬化首先要求掺杂微量的合金元素，这些元素与金原子形成化合物，达到硬化的效果。但是由于千足金中对于金含量的限制，可以掺杂的强化合金元素不可能高于0.1％。这部分掺杂元素中，还有相当大的比例是以固溶态的形式存在于千足金中，能够与足金形成化合物的元素微乎其微。因此，当前市场上微合金掺杂后的所谓硬质千足金，即使通过长时间的时效处理，仍然难以达到理想的硬化效果。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种通过表面处理的方式提高首饰用足金硬度的工艺方法，在保证千足金成色，即金含量不低于99.9％的前提下，显著提高足金硬度，同时保持足金的塑性和加工性能。
实现本发明所要解决技术问题的解决方案如下：
一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺，采用双层辉光等离子表面处理技术，利用辉光放电所产生的低温等离子体，使源级靶材中能使千足金硬化的合金原子，经离子轰击溅射出来，抵达被离子轰击升温至500-800℃，保温10-30min的千足金饰品表面，经过吸附和扩散在千足金饰品表面形成硬质合金层。
进一步的，源极靶材采用粉末冶金工艺制备，其合金重量比例为Au：60％～75％，Ti：5～35％，Dy：2％～18％，Te：1～10％。
进一步的，硬质合金层厚度5-15微米，其硬度达到HV190-250以上。
进一步的，源级电压为800-1000V，工件极电压为50-200V，工作气压为100-1000Pa，极间距为200mm-500mm。
进一步的，源极靶材为一端封闭的层间距为1-3cm的双层圆柱体结构，且其上设有均匀分布的圆孔。
与现有技术相比，本发明所述工艺适应常规的首饰加工，可以用于各种千足金首饰；经表面处理过的饰品表面质量好，饰品表面粗糙度低，合金层组织致密，无气孔、裂纹等缺陷；且工艺过程完全在高真空下进行，不存在氢脆现象和氧化问题，工件能够大面积处理，工作效率高，无环境污染。
附图说明
图1为本发明所述的源极靶材的结构示意图。
图2为本发明等离子表面硬金工艺原理示意图。
其中，1-源极靶材，2-工件，3-底面，4-第一侧面，5-第二侧面，6-圆孔。
具体实施方式
与常规的真空熔炼法制备微合金硬化千足金工艺不同，本发明在传统千足金饰品加工完成之后，进行表面处理，将硬化原子富集在首饰表层，随后经过一体化热处理工艺，形成具有极高硬度的化合物析出。表面工程技术常用的有热喷涂、离子镀膜、磁控溅射和PCD、CVD等多种真空沉积技术。本发明的方法是基于双层辉光等离子表面处理技术，利用辉光放电所产生的低温等离子体的条件下，使靶材中的千足金硬化的合金原子，经离子轰击溅射出来，抵达被离子轰击而加热至高温的工件表面，经过吸附和扩散而形成表面合金层。
如图1，源极靶材1为一端封闭的双层圆柱体结构，其中，圆柱体封闭端所在的底面3直径为500mm，厚度为3mm；圆柱体所在的最外一层侧面即第一侧面4由1570mm×50mm×3mm的长方体板材围成，圆柱体所在的最内一层侧面即第二侧面5由1381～1507mm×50mm×3mm的长方体板材围成，第一侧面4与第二侧面5之间的层间距为1-3cm，底面3、第一侧面4与第二侧面5上均设置均匀分布的圆孔6，圆孔6的直径为5mm-10mm。该靶材结构能够提高轰击出来硬质合金离子的覆盖面积。利用辉光放电中的空心阴极效应增强溅射效果，从而获得更高的源极元素离子浓度增加硬化合金元素的供给量。
适用于首饰用硬质千足金的表面处理工艺的设备及工作原理如图2所示。在一个真空容器中，设置两个阴极，分别是源级靶材1(即硬化合金靶材)和工件2(即千足金样品)，源级靶材1设置在工件2上方，源级靶材1开口端所在的平面(即底面3相对的另一面)与工件2相对设置。当通入一定气压的氩气，正极上的辉光放电所产生的氩离子轰击源级靶材1，溅射出靶极元素；工件2的工件极电压低于源级靶材1的源极电压设定，同时使源极功率密度高于工件功率密度。这样，源极溅射量将远大于阴极的反溅射量，从而保证样品沉积效率，源级靶材1中的硬化合金元素经沉积和扩散在工件2表面形成合金层，该源极靶材用一定配比的金、钛、镝、铽合金通过粉末冶金工艺成型制备。
工艺过程中，通过改变源极电压、工件极电压、极间距(靶材下表面与工件上表面的间距)、工作气压、工作温度、保温时间等工艺参数可对合金层的表面硬度、厚度、表面质量、合金层与基体的结合强度得到最优化控制。
进一步的，其具体处理步骤如下：
1.对源级靶材和千足金工件进行超声清洗处理，干燥放入等离子表面硬化处理炉内；
2.调整工件与源级靶材的距离即极间距为200mm-500mm，罩好炉罩并关闭放气阀门和通气阀门，开启机械泵，抽真空至极限真空度达到1Pa以下；开分子泵，抽真空至10-3Pa以下；
3.打开氩气气阀，通入氩气至50-100Pa；开启工件极和源级靶材起辉，清洗、活化源级靶材和工件表面10-20分钟；
4.增大氩气源流量，调节工作气压至100-1000Pa；待辉光稳定后调整源级电压至800-1000V，工件极电压至50-200V；
5.待工件温度升至500-800℃时，保温10-30min；
6.达到保温时间后，缓慢降低工件极电压和源极靶材电压至微弱辉光状态；
7.待30min后逐渐减小氩气气压使辉光逐步减弱；关闭电源，关闭气源，抽真空，使工件在炉内真空环境下冷却至室温；
8.关闭真空泵，开启放气阀门，升起炉罩取出工件。
实施例1
选用靶材成分为Au：70％，Ti：20％，Dy:5％，Te：5％。千足金样品与靶材的间距为300mm。对靶材和千足金样品进行超声清洗处理，吹干后放入腔体内。抽真空至2*10-3Pa后，通入氩气至略低于工作气压；开启工件极和靶材起辉，清洗、活化靶材和千足金样品表面12分钟；增大氩气源流量，调节气压至工作气压；待辉光稳定后调整各工艺参数至实验方案预定值；工件温度升至600℃后进行一定时间的保温处理；随后缓慢降低工件极电压和靶材源极电压至微弱辉光状态。30分钟后逐渐减小氩气气压使辉光逐步减弱，处理工艺完成。然后关闭电源，关闭气源，使千足金样品在炉内真空环境下冷却至室温；最后关闭真空泵，开启放气阀门，升起炉罩取出样品。测试硬度，任意选择4个点，取平均值，结果见表1。切取截面观察硬度层厚度，约为13微米。
实施例2
选用靶材成分为Au：75％，Ti：10％，Dy:12％，Te：3％。千足金样品与靶材的间距为400mm。对靶材和千足金样品进行超声清洗处理，吹干后放入腔体内。抽真空至3*10-3Pa后，通入氩气至略低于工作气压；开启工件极和靶材起辉，清洗、活化靶材和千足金样品表面15分钟；增大氩气源流量，调节气压至工作气压；待辉光稳定后调整各工艺参数至实验方案预定值；工件温度升至580℃后进行一定时间的保温处理；随后缓慢降低工件极电压和靶材源极电压至微弱辉光状态。30分钟后逐渐减小氩气气压使辉光逐步减弱，处理工艺完成。然后关闭电源，关闭气源，使千足金样品在炉内真空环境下冷却至室温；最后关闭真空泵，开启放气阀门，升起炉罩取出样品。测试硬度，任意选择4个点，取平均值，结果见表1。切取截面观察硬度层厚度，约为9微米。
实施例3
选用靶材成分为Au：:62％，Ti：30％，Dy:3％，Te：5％。千足金样品与靶材的间距为200mm。对靶材和千足金样品进行超声清洗处理，吹干后放入腔体内。抽真空至3*10-3Pa后，通入氩气至略低于工作气压；开启工件极和靶材起辉，清洗、活化靶材和千足金样品表面18分钟；增大氩气源流量，调节气压至工作气压；待辉光稳定后调整各工艺参数至实验方案预定值；工件温度升至550℃后进行一定时间的保温处理；随后缓慢降低工件极电压和靶材源极电压至微弱辉光状态。30分钟后逐渐减小氩气气压使辉光逐步减弱，处理工艺完成。然后关闭电源，关闭气源，使千足金样品在炉内真空环境下冷却至室温；最后关闭真空泵，开启放气阀门，升起炉罩取出样品。测试硬度，任意选择4个点，取平均值，结果见表1。切取截面观察硬度层厚度，约为14微米。
实施例4
选用靶材成分为Au：66％，Ti：22％，Dy:3％，Te：9％。千足金样品与靶材的间距为500mm。对靶材和千足金样品进行超声清洗处理，吹干后放入腔体内。抽真空至2*10-3Pa后，通入氩气至略低于工作气压；开启工件极和靶材起辉，清洗、活化靶材和千足金样品表面15分钟；增大氩气源流量，调节气压至工作气压；待辉光稳定后调整各工艺参数至实验方案预定值；工件温度升至700℃后进行一定时间的保温处理；随后缓慢降低工件极电压和靶材源极电压至微弱辉光状态。30分钟后逐渐减小氩气气压使辉光逐步减弱，处理工艺完成。然后关闭电源，关闭气源，使千足金样品在炉内真空环境下冷却至室温；最后关闭真空泵，开启放气阀门，升起炉罩取出样品。测试硬度，任意选择4个点，取平均值，结果见表1。切取截面观察硬度层厚度，约为8微米。
表1实施例样品硬度结果
实施例 硬度点1 硬度点2 硬度点3 硬度点4 平均值
1 218.3 215.5 211.8 217.3 215.7
2 194.2 199.1 192.3 189.5 193.6
3 232.2 240.8 233.3 239.1 236.4
4 199.7 204.2 203.1 198.9 201.5

Claims (9)

1.一种首饰用硬质千足金的表面处理工艺，其特征在于，采用双层辉光等离子表面处理技术，利用辉光放电所产生的低温等离子体，使源级靶材中能使千足金硬化的合金原子，吸附和扩散在升温至一定温度且保温一段时间的千足金饰品表面，形成硬质合金层；
其中，源极靶材采用粉末冶金工艺制备，其合金重量比例为Au：60％～75％，Ti：5～35％，Dy：2％～18％，Te：1～10％。
2.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，硬质合金层厚度为5～15微米，其硬度达到HV190～250以上。
3.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，源级电压为800～1000V。
4.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，工件极电压为50～200V。
5.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，工作气压为100～1000Pa。
6.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，极间距为200mm～500mm。
7.如权利要求1所述的表面处理工艺，其特征在于，所述升温至一定温度为500～800℃，保温一段时间为10～30min。
8.如权利要求1或2所述的表面处理工艺，其特征在于，源极靶材为一端封闭的层间距为1～3cm的双层圆柱体结构，其上设置均匀分布的圆孔。
9.如权利要求8所述的表面处理工艺，其特征在于，圆孔直径为5mm～10mm。
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