CN109423613A - 耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法 - Google Patents

耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法，其步骤为：（1）对基底表面进行表面化学预处理清除污渍；（2）通入氩气，使用高能氩离子对金属表面进行轰击，去除基底表面残余污物；（3）通入氮气并同时启动磁过滤阴极蒸发弧，沉积氮化锆纳米薄膜；（4）在氮气保护下进行退火处理，最后自然冷却至室温，制备装饰性纳米复合薄膜。该方法制备薄膜时工作温度较低、沉积薄膜速率较高，制备的薄膜具有耐腐蚀、表面粗糙度低、装饰性好和易于工业化生产等优点。

Description

耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面着色方法，特别涉及一种在不锈钢表面沉积氮化锆薄膜的制备方法，属于涂层制备领域。
背景技术
涂层是现代的产品制造工艺中的一个重要环节，防锈、防蚀涂层质量是产品全面质量的重要方面之一。近30年间，人们对于工业产品的外观越来越重视，各个工业产品面临着对产品表面着色的问题。具有吸引眼球和优良性能结合的功能特性的装饰性表面涂层不仅反映了产品防护、装饰性能 , 而且也是构成产品价值的重要因素。 如，不锈钢的出现和大量使用，推动了不锈钢工业的发展进程。不锈钢由于具有优良的性能和闪闪发光的外表，而备受人们青睐。随着对不锈钢的应用范围的扩大，人们对其表面色彩的要求也在不断提高。彩色不锈钢的生产和应用，近年来已进入高潮，并不断高级化和多样化发展。
近年来氮化锆薄膜由于具备较好的稳定性，耐蚀性，较高的硬度和耐磨性以及亮度较低的金黄色彩，引起了国内外装饰等行业极大关注和研究兴趣。目前作为优良金属化物氮化锆的物理机械性能早已被大众接受，但随着大众审美观念的提高改变，仿金色的氮化锆已经不能满足人们对产品外观的追求。采用磁过滤直流阴极弧沉积方法作为一种有效的方法制备高质量薄膜的金属、合金、碳 （非晶金刚石）等其他化合物薄膜表现出的性能优异，吸引着越来越多的关注。镀膜过程中，工作温度不高（约100°C）、产生的颗粒带有高能量(约几十电子伏特)，并且在反应沉积过程中反应室的反应气体成分对其影响较小。这种方法可以形成致密膜并极大地减少空隙、 柱状生长等表面缺陷。因此，该方法具备制备薄膜效率高、可控制薄膜的组成和结构及薄膜与基底之间的高结合力的作用。现已存在多几种方式制备氮化锆薄膜，如： D.Wu采用直流反应磁控溅射方法制备氮化锆薄膜，Gotoh Y采用离子束溅射沉积方法制备氮化锆薄膜，Chou W J采用离子电镀方法制备氮化锆薄膜。以上制备方法均可得到具有一定电学性能、化学性能或力学性能的氮化锆薄膜。但其制备的氮化锆薄膜颜色单一，薄膜表面色泽度较差，不能用于装饰涂层领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法，该方法制备薄膜时工作温度较低、沉积薄膜速率较高，制备的薄膜具有耐腐蚀、表面粗糙度低、装饰性好和易于工业化生产等优点。
本发明的目的是这样实现的：一种耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法，包括如下步骤：
第一步：对基底表面进行表面化学预处理清除污渍；
第二步：通入氩气，使用高能氩离子对金属表面进行轰击，去除基底表面残余污物；
第三步：通入氮气并同时启动磁过滤阴极蒸发弧，沉积氮化锆纳米薄膜；
第四步：在氮气保护下进行退火处理，最后自然冷却至室温，制备装饰性纳米复合薄膜。
进一步的，第一步中，预处理采用去离子水浸泡超声清洗后，再分别采用无水乙醇和丙酮进行超声清洗后干燥。
进一步的，第二步中，在2A和330V条件下产生氩离子对金属表面进行轰击。
进一步的，第三步中，沉积参数为：阴极弧电流为10~200A，沉积时间为2~30min。
进一步的，第四步中，退火温度为200℃~250℃。
与现有技术相比，本发明利用磁分离阴极弧金属等离子体直流弧蒸发器在不锈钢表面沉积氮化锆薄膜，制备的薄膜具有以下特点：1）该薄膜厚度为纳米级，光泽度好且颜色饱和度较好，作为装饰性薄膜使用时不影响其主要功能的使用；2）该装饰性薄膜的膜-基结合力高、表面粗糙度低且具有较好的耐腐蚀性，作为装饰性薄膜使用具有较好的使用寿命；3）该法沉积的氮化锆薄膜速率较高，且氮化锆薄膜的颜色可调控；4）该法沉积氮化锆薄膜时，工作环境温度低、制备过程具有连续性、易于工业化生产且不产生工业“三废”等。
附图说明
图1 为本发明所述的装饰性耐腐蚀纳米氮化锆的原子力显微镜照片，其中（a）为实施案例1样品照片，（b）为实施案例2的样品照片，（c）为实施案例3的样品照片。
图2 为本发明所述的装饰性耐腐蚀纳米氮化锆的耐腐蚀性照片。
具体实施方式
下述实施过程中，采用的锆靶材纯度大于99.6%；氮气纯度大于99.9%；基底采用304不锈钢。
实施案例1
第一步：不锈钢基底用去离子水浸泡超声清洗后，分别用无水乙醇和丙酮进行超声清洗；清洗结束后将基底放入清洁烘箱干燥；
第二步：将经过步骤一处理后的不锈钢基底放入实验设备中，通入氩气，使用高能氩离子对基底表面进行低压轰击，去除表面残余污物；
第三步：通入氮气，并设置真空箱氮气分压为10–1 Pa，启动磁过虑阴极蒸发弧，沉积ZrN纳米薄膜；
第四步：调节阴极电流50A，薄膜沉积时间为10min，实现薄膜性能最优化；
第五步：在氮气保护下进行退火处理，退火温度为200°C。
制备的氮化锆薄膜厚度为151.9nm，该薄膜在不锈钢上显深蓝色，其原子力显微镜照片见图1（a）。由图2可知，该薄膜相比于不锈钢具有较小的腐蚀电流，即具有一定的耐腐蚀性。
实施案例2
第一步：不锈钢基底用去离子水浸泡超声清洗后，分别用无水乙醇和丙酮进行超声清洗；清洗结束后将基底放入清洁烘箱干燥；
第二步：将经过步骤一处理后的不锈钢基底放入实验设备中，通入氩气，使用高能氩离子对基底表面进行低压轰击，去除表面残余污物；
第三步：通入氮气并设置真空箱氮气分压为10–2Pa，启动磁过虑阴极蒸发弧，沉积ZrN纳米薄膜；
第四步：调节阴极电流55A，薄膜沉积时间为6min，实现薄膜性能最优化；
第五步：在氮气保护下进行退火处理，退火温度为220°C。
制备的氮化锆薄膜厚度为60nm。
制备的氮化锆薄膜厚度为60nm，该薄膜在不锈钢上显银白色，其原子力显微镜照片见图1（b）。由图2可知，该薄膜相比于不锈钢具有较小的腐蚀电流，即具有一定的耐腐蚀性。
实施案例3
第一步：不锈钢基底用去离子水浸泡超声清洗后，分别用无水乙醇和丙酮进行超声清洗；清洗结束后将基底放入清洁烘箱干燥；
第二步：将经过步骤一处理后的不锈钢基底放入实验设备中，通入氩气，使用高能氩离子对基底表面进行低压轰击，去除表面残余污物；
第三步：通入氮气并设置真空箱氮气分压为10–3Pa，启动磁过虑阴极蒸发弧，沉积ZrN纳米薄膜；
第四步：调节阴极电流60A，薄膜沉积时间为：10min，实现薄膜性能最优化；
第五步：在氮气保护下进行退火处理，退火温度为240℃。
制备的氮化锆薄膜厚度为142.1nm，该薄膜在不锈钢上显浅白色，其原子力显微镜照片见图1（c）。由图2可知，该薄膜相比于不锈钢具有较小的腐蚀电流，即具有一定的耐腐蚀性。

Claims (5)

1.一种耐腐蚀装饰薄膜氮化锆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：对基底表面进行表面化学预处理清除污渍；
第二步：通入氩气，使用高能氩离子对金属表面进行轰击，去除基底表面残余污物；
第三步：通入氮气并同时启动磁过滤阴极蒸发弧，沉积氮化锆纳米薄膜；
第四步：在氮气保护下进行退火处理，制备装饰性纳米复合薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，预处理采用去离子水浸泡超声清洗后，再分别采用无水乙醇和丙酮进行超声清洗后干燥。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，在2A和330V条件下产生氩离子对金属表面进行轰击。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，沉积参数为：阴极弧电流为10~200A，沉积时间为2~30min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，退火温度为200℃~250℃。
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