TW201406974A - 鍍膜件及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種鍍膜件，包括金屬基體，該鍍膜件還包括形成於金屬基體表面的TiSiN層及形成於TiSiN層上的TiN層，該TiSiN層中，矽元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度減少，氮元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度增加。本發明還提供一種上述鍍膜件的製備方法。

Description

鍍膜件及其製備方法

本發明涉及一種鍍膜件及其製備方法，尤其涉及一種具有較高硬度膜層的鍍膜件及其製備方法。

TiN膜層具有硬度高，耐磨性能好，被廣泛應用於刀具、工具及模具等功能塗層；同時，由於TiN膜層呈現金黃色，亦被廣泛於電子、家電、手錶殼等產品的裝飾性鍍膜。然TiN膜層於高達400-500℃以上時容易發生氧化。目前，電子產品競爭日益劇烈，除了要求具有裝飾性的特點，對膜層的硬度及耐磨性能的要求亦越來越高，故單一的TiN膜層難以滿足上述要求。

有鑒於此，本發明提供一種具有較高硬度膜層的鍍膜件。

另外，本發明還提供一種上述鍍膜件的製備方法。

一種鍍膜件，包括金屬基體，該鍍膜件還包括形成於金屬基體表面的TiSiN層及形成於TiSiN層上的TiN層，該TiSiN層中，矽元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度減少，氮元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度增加。

一種鍍膜件的製備方法，包括採用磁控濺射方法於該金屬基體11上沉積一TiSiN層以及於該TiSiN層上沉積一TiN層，其中，

沉積該TiSiN層係於濺射條件下，以鈦為靶材，以矽烷及氮氣為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到該金屬基體表面，濺射過程中，所述矽烷的流量從一初始值逐漸變小至0sccm；所述氮氣的流量從0-10sccm逐漸增加至一最大值。

沉積該TiN層係於濺射條件下，以鈦為靶材，以氮氣為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到該TiSiN層表面。

上述鍍膜件的表面形成有由TiSiN層與TiN層組成的複合鍍層，該TiSiN層中摻雜了矽，具有較高的抗高溫氧化性及較高的硬度。同時，TiSiN層中矽的含量隨膜層厚度的增加而遞減，減小了TiSiN層與TiN層結合介面的內應力，使TiSiN層與TiN層具有較好的結合力。TiN層則為鍍膜件提供金黃色的外觀，滿足產品的裝飾需求。

上述鍍膜件的製備方法藉由將反應氣體矽烷逐步遞減的方式，獲得矽含量的梯度塗層TiSiN層，即TiSiN層中矽含量逐步遞減，從而大大降低了TiSiN層與TiN層結合介面的內應力。

請參閱圖1，本發明較佳實施例的鍍膜件10包括金屬基體11、直接形成於金屬基體11表面的TiSiN層13及形成於TiSiN層13上的TiN層14。本發明中，膜層的化學表示式TiN、TiSiN不對膜層中各組成元素的原子個數比或含量進行限定。

金屬基體11可為不銹鋼，亦可為鈦合金、鋁合金等金屬。

該TiSiN層13中，矽元素的重量含量隨著該膜層厚度的增加而逐漸減少，即矽元素於該TiSiN層13中的重量含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向呈梯度減少，且矽元素的重量百分含量為0-13%；氮元素的重量含量隨著該膜層厚度的增加而增加，即氮元素於該TiSiN層13中的重量含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向呈梯度增加，且氮元素的重量百分含量為0-20%；鈦元素的重量百分含量為67%-85%。TiSiN層13的厚度為0.8-2.4μm。

該TiN層14直接形成於TiSiN層13表面。該TiN層14中，鈦元素的重量百分含量為70%-80%，氮元素的重量百分含量為20%-30%。TiN層14的厚度為1.5-2.0μm。TiN層14為金黃色。

該TiSiN層13與該TiN層14的複合硬度為700-800HV(25gf)。

上述鍍膜件10的表面形成有由TiSiN層13與TiN層14組成的複合鍍層，該TiSiN層13中摻雜了矽，具有較高的抗高溫氧化性及較高的硬度。同時，TiSiN層13中矽的含量隨膜層厚度的增加而遞減，減小了TiSiN層13與TiN層14結合介面的內應力，使TiSiN層13與TiN層14具有較好的結合力。TiN層14則為鍍膜件10提供金黃色的外觀。

所述TiSiN層13與TiN層14可分別藉由磁控濺射方法形成。

上述鍍膜件10的製備方法，主要包括採用磁控濺射方法於該金屬基體11上沉積TiSiN層13以及於TiSiN層13上沉積TiN層14。

沉積該TiSiN層13係於濺射條件下，以鈦為靶材，以矽烷(SiH4)及氮氣（N2）為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到金屬基體11表面形成該TiSiN層13。濺射過程中，所述矽烷氣體的流量從一初始值逐漸變小至0sccm(標準狀態毫升/分鐘)，所述初始值可為40-30sccm；所述氮氣的流量從0-10sccm逐漸增加至一最大值，所述最大值可為100-90sccm。

沉積該TiN層14係於濺射條件下，以鈦為靶材，以氮氣為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到TiSiN層13表面形成TiN層14。

所述磁控濺射條件包括以惰性氣體為濺射氣體，該惰性氣體可以為氬氣，其流量可為150sccm-250sccm；鍍膜壓力（即鍍膜時鍍膜室內的絕對壓力）為0.3Pa-0.7Pa；鍍膜溫度為130℃-180℃；對金屬基體11施加負偏壓50-200V。

所述電源可為習知之各種用於磁控濺射鍍膜的電源，優選為中頻電源。

上述鍍膜件的製備方法藉由將反應氣體矽烷逐步遞減的方式，獲得矽含量的梯度塗層TiSiN層13，即TiSiN層13中矽含量逐步遞減，從而大大降低了TiSiN層13與TiN層14結合介面的內應力。

下面藉由具體實施例對本發明進行進一步詳細說明。

實施例1

1. 超聲清洗

將304不銹鋼材質的金屬基體11放入乙醇溶液中進行超聲波清洗，以除去金屬基體11表面的雜質和油污等，清洗完畢後烘乾備用。

2. 鍍膜

採用磁控濺射設備（深圳南方創新真空技術有限公司生產，型號為SM-1100H）。該磁控濺射設備包括真空室、轉架、磁控靶和偏壓電源。磁控靶為對靶結構，包括兩對鈦靶，每對鈦靶的兩個靶之間形成有一定間距。金屬基體11固定於轉架上，轉架旋轉時帶動金屬基體11從每對鈦靶之間經過。

洗靶：將真空室中絕對壓力調至6.0×10^-3Pa，加熱真空室，使真空室內溫度為130℃，然後向真空室通入氬氣，氬氣流量為350sccm，開啟控制鈦靶的中頻電源，調節電源功率為8kW，對鈦靶進行輝光清洗8分鐘。

輝光清洗基體：關閉鈦靶的電源，調節氬氣流量為250sccm，對金屬基體11施加1000V的負偏壓，對金屬基體11進行輝光清洗15分鐘。

濺射TiSiN層13：調節氬氣流量為200sccm，同時向真空室通入矽烷氣體及氮氣。矽烷的初始流量為30sccm，於濺射TiSiN層13的過程中，矽烷的流量每3分鐘減少1sccm，直至流量為0sccm；氮氣的流量由0sccm以每2分鐘增加3sccm的速度逐漸增加至90sccm。控制真空室內鍍膜壓力為0.3Pa，開啟鈦靶的電源，調節電源功率為10kW，調節施加於金屬基體11上的負偏壓為100V，對金屬基體11濺射90分鐘，以於金屬基體11表面形成所述TiSiN層13。該TiSiN層13的厚度為1.5μm。該TiSiN層13中矽的重量百分含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向從13%逐漸減少至0；氮元素的重量含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向由0逐漸增加至20%；鈦元素的重量百分含量為76%。

濺射TiN層14：與上述操作不同之處在於，停止通入矽烷氣體，固定氮氣流量為100sccm，調節鈦靶的電源功率為12kW，對形成有TiSiN層13的金屬基體11濺射90分鐘，由此於TiSiN層13上沉積該TiN層14。TiN層14的厚度為1.5μm。TiN層14中鈦元素的重量百分含量為70%，氮元素的重量百分含量為30%。

關閉鈦靶電源及偏壓電源並停止通入氮氣，冷卻後取出鍍覆好的金屬基體11。

經測試，實施例1的樣品的TiSiN層13與TiN層14的複合硬度為750HV(25gf)。

實施例2

1. 超聲清洗

將304不銹鋼材質的金屬基體11放入乙醇溶液中進行超聲波清洗，以除去金屬基體11表面的雜質和油污等，清洗完畢後烘乾備用。

2. 鍍膜

採用磁控濺射設備（深圳南方創新真空技術有限公司生產，型號為SM-1100H）。該磁控濺射設備包括真空室、轉架、磁控靶和偏壓電源。磁控靶為對靶結構，包括兩對鈦靶，每對鈦靶的兩個靶之間形成有一定間距。金屬基體11固定於轉架上，轉架旋轉時帶動金屬基體11從每對鈦靶之間經過。

洗靶：將真空室中絕對壓力調至5.0×10^-3Pa，加熱真空室，使真空室內溫度為180℃，然後向真空室通入氬氣，氬氣流量為400sccm，開啟控制鈦靶的中頻電源，調節電源功率為12kW，對鈦靶進行輝光清洗2分鐘。

輝光清洗基體：關閉鈦靶的電源，調節氬氣流量為350sccm，對金屬基體11施加1100V的負偏壓，對金屬基體11進行輝光清洗20分鐘。

濺射TiSiN層13：調節氬氣流量為150sccm，同時向真空室通入矽烷氣體及氮氣。矽烷的初始流量為30sccm，於濺射TiSiN層13的過程中，矽烷的流量每2分鐘減少1sccm，直至流量為0sccm；氮氣的流量由10sccm以每2分鐘增加3sccm的速度逐漸增加至100sccm。控制真空室內鍍膜壓力為0.7Pa，開啟鈦靶的電源，調節電源功率為16kW，調節施加於金屬基體11上的負偏壓為150V，對金屬基體11濺射60分鐘，以於金屬基體11表面形成所述TiSiN層13。該TiSiN層13的厚度為2.0μm。該TiSiN層13中矽的重量百分含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向從10%逐漸減少至0；氮元素的重量含量由靠近金屬基體11至遠離金屬基體11的方向由3逐漸增加至18%；鈦元素的重量百分含量為73%。

濺射TiN層14：與上述操作不同之處在於，停止通入矽烷氣體，固定氮氣流量為120sccm，調節鈦靶的電源功率為17kW，對形成有TiSiN層13的金屬基體11濺射60分鐘，由此於TiSiN層13上沉積該TiN層14。TiN層14的厚度為2.0μm。TiN層14中鈦元素的重量百分含量為80%，氮元素的重量百分含量為20%。

關閉鈦靶電源及偏壓電源並停止通入氮氣，冷卻後取出鍍覆好的金屬基體11。

經測試，實施例2的樣品的TiSiN層13與TiN層14的複合硬度為800HV(25gf)。

本發的鍍膜件10可為筆記型電腦、個人數位助理等電子裝置的殼體，或為其他裝飾類產品的殼體。

10．．．鍍膜件

11．．．金屬基體

13．．．TiSiN層

14．．．TiN層

圖1係本發明一較佳實施例鍍膜件的剖視圖。

10．．．鍍膜件

11．．．金屬基體

13．．．TiSiN層

14．．．TiN層

Claims (10)

1. 一種鍍膜件，包括金屬基體，其改良在於：該鍍膜件還包括形成於金屬基體表面的TiSiN層及形成於TiSiN層上的TiN層，該TiSiN層中，矽元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度減少，氮元素的重量含量由靠近金屬基體至遠離金屬基體的方向呈梯度增加。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述TiSiN層中，矽元素的重量百分含量為0-13%，氮元素的重量百分含量為0-20%，鈦元素的重量百分含量為67%-85%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述TiSiN層的厚度為0.8-2.4μm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述TiN層中，氮元素的重量百分含量為20%-30%，鈦元素的重量百分含量為70%-80%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述TiN層的厚度為1.5-2.0μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鍍膜件，其中所述TiSiN層及該TiN層分別藉由磁控濺射方法形成。
7. 一種鍍膜件的製備方法，包括採用磁控濺射方法於該金屬基體上沉積一TiSiN層以及於該TiSiN層上沉積一TiN層，其中，
   沉積該TiSiN層係於濺射條件下，以鈦為靶材，以矽烷及氮氣為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到該金屬基體表面，濺射過程中，所述矽烷的流量從一初始值逐漸變小至0sccm；所述氮氣的流量從0-10sccm逐漸增加至一最大值；
   沉積該TiN層係於濺射條件下，以鈦為靶材，以氮氣為反應氣體，於靶材上施加電源使靶材物質濺射並沉積到該TiSiN層表面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述亮矽烷的流量初始值為40-30sccm。
9. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述氮氣的流量最大值為100-90sccm。
10. 如申請專利範圍第7項所述之鍍膜件的製備方法，其中所述磁控濺射條件包括以惰性氣體為濺射氣體，濺射氣體的流量為150sccm-250sccm；鍍膜壓力為0.3Pa-0.6Pa；鍍膜溫度為130℃-180℃；對該金屬基體施加負偏壓50-200V。