专利名称：钢铁、锌基合金真空离子镀铬工艺代替现行电镀铬工艺的制作方法
技术领域：
本发明属材料表面技术领域，涉及到用真空离子镀エ艺铬代替现行电镀装饰铬和离子镀超硬铬代替电鍍硬铬エ艺方法。
背景技术：
现行电镀装饰铬和电鍍硬铬エ艺，广泛应用在材料表面抗大气腐蚀装饰镀膜和耐磨镀膜。现行电镀铬エ艺方法上挂具-化学除油一水洗-电化学除油一水洗一酸活化-含氰电镀铜打底-水洗一镀光亮镍-水洗一镀铬一水洗一烘干-检验-包装-入库.
现行电镀铬エ艺缺点是电镀エ艺使用酸碱盐严重污染环境；电镀过程中产生有毒物质如六价铬，使用氰化物等对人体有害；电镀层中有镉、镍元素，易引起皮肤癌；电镀膜与エ件之间没有过渡层，影响附着性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是根除现行电镀铬エ艺的缺点。本发明技术方案是采用真空阴极电弧镀-磁控溅射-电子束离子镀技术，如图I所示。本发明エ艺过程步骤ーエ件6材质钢铁、锌基合金，经抛光清洗烘干装入真空窒I中。步骤ニ 真空室I抽真空5，真空度达到(l-3)X10_3Pa。步骤三开动加热装置8，钢铁エ件6加热温度< 200°C，锌基合金工件6加热温度く IOO0Co步骤四エ件6溅射清洗，由离子源通入氩气(Ar) 11，真空度调至l_5Pa，开动エ件6脉冲负偏压电源4，エ件6上施加脉冲负偏压エ艺电压-(900— 2000) V，占空比50%—70%,溅射清洗时间10-20min。步骤五エ件6离子镀底膜铬(Cr)或锆(Zr)代替现行电镀铬エ艺中氰电镀铜层，膜层与エ件6表面形成形成0. 5-4微米(P)厚度的过渡层，提高镀膜附着性，详见图2及图3，井能防止锌基合金中锌(Zn)元素在真空离子镀过程中挥发，真空室I抽真空5，由离子源通入氩气(Ar) 11，真空度调至(3-5) XIO-lPa，开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)或锆(Zr)原子沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为350V—550V,开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V，占空比 10-30%,时间 4-8min — -400V 占空比 10-30% 时间 2_4min — -600V 占空比 10-30% 时间 2-4min — - (900— 2000) V 占空比 10-30% 时间 6-lOmin — -300V 占空比 10-30% 时间2-4min。步骤六エ件6离子镀耐蚀镀膜代替现行电镀铬エ艺中电镀镍层，阴极电弧离子镀氮化锆(ZrN)、或氮化铬(CrN)，离子镀氮化锆(ZrN)及氮化铬(CrN)镀膜耐蚀性好于现行电镀铬エ艺中电镀镍层，详见表I、表2，氮化铬(CrN)镀层硬度好于现行电镀硬铬，详见表4，真空室I真空度调至在(3—5对10_中&，由离子源通入氩(Ar)和氮气(N2) 11，开动阴极电弧源电源9，从阴极电弧源10靶材上溅射出高能量粒子锆(Zr)或铬(Cr)，并与氮离子(N+)相互作用形成氮化锆(ZrN)或氮化铬(CrN)沉积在エ件6表面上，每个弧源电流达到额定电流80A或100A或120A，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-100 V -300V,占空比 20% 70%，镀膜时间 60_120min。步骤七エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti3O5)或三氧化ニ鋁(Al2O3)或ニ氧化硅(SiO2)或氧化锆(ZrO2)或氧化锌(ZnO)提高离子镀膜光亮性，真空室I真空度调至在(5—8) X10_2Pa，由离子源通入氩气(Ar)和氧气(02) 11，开动e型电子枪7，从e型电子枪7上坩埚中蒸发出五氧化三钛(Ti3O5)或三氧化ニ鋁(Al2O3)或ニ氧化硅(Si02)或氧化锆(ZrO2)或氧化锌(ZnO)，沉积在エ件6表面上，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲負偏压エ艺电压-200V，占空比10%-30%，时间10-60min，步骤七开始操作时间是在步骤六最后余下5min时开始,便于金属化合物光亮剂与离子镀氮化错(ZrN)、或氮化铬(CrN)镀膜进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。
步骤八エ件6离子镀铬(Cr)或离子镀钴(Co)代替现行电镀装饰铬エ艺中电镀铬层，离子镀铬(Cr)或离子镀钴(Co)镀膜耐蚀性好于现行电镀铬エ艺中镀铬层，详见表
I，表2，真空室I仃止送入氮气(N2 )，真空度调至在(3—5 )X10^Pa,开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)或钴(Co)原子并沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为350V — 550V，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-100 V-300V,占空比20% 70%，镀膜时间IOmin 30min。步骤九钢铁エ件真空离子镀超硬鉻镀膜エ艺代替现行电镀硬铬エ艺，开动阴极电弧源电源9，从阴极电弧源10靶材上溅射出高能粒子铬(Cr)与氮离子(N+)相互作用形成氮化铬(CrN)沉积在エ件6表面上，每个弧源电流达到额定电流80A或100A或120A，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-100 V -300V,占空比30% 70%，镀膜时间60-120min，仃止送入氮气，真空度调至3_5X10_lpa，开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)原子并沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为350V—550V,开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-100V -300V,占空比(20% 70%)，镀膜时间IOmin 30min。离子镀氮化铬(CrN)镀层硬度好于现行电镀硬铬，离子镀氮化铬(CrN)和厂离子镀铬(Cr)复合镀膜其硬度也好于现行电镀硬铬，详见表4。步骤十エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti3O5)或三氧化ニ鋁(Al2O3)或ニ氧化硅(SiO2)或氧化锆(ZrO2)或氧化锌(ZnO)提高离子镀膜光亮性，真空室I真空度调至在(5—8)X10_2Pa，由离子源通入氩气(Ar)和氧气(02) 11，开动e型电子枪7，从e型电子枪7上坩埚中蒸发出五氧化三钛(Ti3O5)或三氧化ニ鋁(Al2O3)或ニ氧化硅(SiO2)或氧化锆(ZrO2)或氧化锌(ZnO)沉积在エ件6表面上，镀膜时间为10 — 60min，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V，占空比10-30%，时间10-60min,步骤九开始操作时间是在步骤八最后余下5min时开始,便于金属化合物光亮剂与铬(Cr)或锆(Co)进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。步骤^^一 真空室冷却，冷却至70— 80°C后打开炉门取出エ件。
步骤十二 镀膜性能检测。步骤十三质量检查合格入库。本发明エ艺优点I、在真空条件下进行エ艺操作，不用酸碱盐，不允许用液体，没有三废排放，对环境没有污染，不需治理污染投资。2、生产过程中不产生六价铬、不用氰化物，离子镀对人体无害。3、离子镀层没有镉、镍元素不会易弓I起皮肤癌。4、镀膜与基材之间可以形成0. 5-4微米(U )宽度过渡层，所以镀膜的附着性比电镀膜好，如图2、图3、图4所示。
5、离子镀氮化铬和氮化锆耐蚀性好于电镀镍，离子镀铬和钴耐蚀性好于电镀铬，如表I、表2、表3所不。6、离子镀氮化铬(CrN)及离子镀氮化铬+离子镀铬复合镀层硬度均高于现行电镀硬铬，如表4所示。本发明的效果和益处是钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺和离子镀超硬铬代替电鍍硬铬エ艺，根除电镀对环境污染及对人体危害。
附图I是阴极电弧镀-磁控溅射-电子束离子镀装置示意图。图中1真空室；2磁控溅射靶；3磁控溅射靶电源；4脉冲偏压电源；5抽真空；6エ件；7e型电子枪；8加热装置；9阴极电弧源电源；10阴极电弧源；11通入Ar、N2、02离子源。附图2是钢鉄工件与离子镀铬膜之间过渡层电子探针分析图。图中(a)エ件脉冲负偏压-500V、(b)エ件脉冲负偏压-1000V(C)エ件脉冲负偏压-1500V、(d)エ件脉冲负偏压-2000V。エ件随脉冲负偏压增加，其过渡层也加宽，其厚度为0. 5-4微米(ii )。附图3是锌基合金离子镀铬电子探针分析图。鋅基合金离子镀鉻，エ件施加脉冲变負偏压エ艺电压-980V占空比20%，时间6min,可形成0. 8微米(MO厚度过渡层。附图4是钢鉄工件与离子镀铬膜之间过渡层电子探针分析图中エ件脉冲负偏压-1500V，钢铁エ件与离子镀铬膜之间过渡层，其厚度为3微米(ii )。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。实施例I.钢铁エ件真空离子镀铬エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺采用阴极电弧镀-磁控溅射-电子束离子镀技术如图I所示，进行钢鉄工件真空离子镀铬エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺。エ件名称小五金、窗框，エ件材质普通碳钢步骤ーエ件6经抛光清洗烘干装入真空窒I中。步骤ニ 真空室I抽真空5，真空度达到3X10_3Pa。
步骤三开动热加热装置8，エ件6温度く 200 V。步骤四エ件6溅射清洗，由离子源通入氩气(Ar)ll，真空度调至5Pa，开动エ件6脉冲负偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-1500V，占空比70%，溅射清洗时间15min。步骤五エ件6离子镀底膜铬(Cr)代替现行电镀铬エ艺中含氰电镀铜，膜层与エ件6表面形成2微米ひ)厚度的过渡层，提高镀膜附着性，详见图2，真空室I抽真空5，由离子源通入氩气(Ar)ll，真空度调至3X10-lPa，开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)原子沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为480V，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负变偏压エ艺电压-100V — -800V占空比20%时间2min — -1000V占空比20%时间IOmin — -300V占空比20%时间2min。步骤六エ件6离子镀耐蚀镀膜代替现行电镀铬エ艺中电镀镍层，阴极电离子镀氮化锆(ZrN)，离子镀氮化锆(ZrN)镀膜耐蚀性比电镀镍层好，详见表I，真空室I真空度 调至在3X10^8，由离子源通入氩(Ar)和氮气(N2) 11，开动阴极电弧源电弧源电源9，从阴极电弧源10上溅射出高能量锆(Zr)粒子，与氮离子(N+)相互作用形成氮化锆(ZrN)，沉积在エ件6表面上，每个弧源电流达到额定电流100A，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-200V，占空比50%，镀膜时间120min。步骤七エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti3O5)提高镀膜光亮性，真空室I真空度调至在8X10_2Pa，由离子源通入氩(Ar)及氧气(02)11，开动e_型电子枪7，从e_型电子枪7上坩埚中蒸发出五氧化三钛(Ti3O5)沉积在エ件6表面上。开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲負偏压エ艺电压-200V，占空比20%时间20min，步骤七开始操作时间是在步骤六最后余下5min时开始，便于金属化合物光亮剂与离子镀氮化锆(ZrN)镀膜进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。步骤八エ件6离子镀铬(Cr)代替现行电镀铬エ艺中电镀铬层，离子镀铬(Cr)镀层耐蚀性比电镀铬层好，详见表1，真空室I仃止送入氮气(N2) 11真空度调至在3X10^Pa,开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)并沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为-450V，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-200V，占空比50%，镀膜时间20min。步骤九エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti3O5)提高镀膜光亮性，真空室I真空度调至在8X10_2Pa，由离子源通入氩(Ar)及氧气(02)11，开动e_型电子枪7，从e_型电子枪7上坩埚中蒸发出五氧化三钛(Ti3O5)沉积在エ件6表面上，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V，占空比20%，时间20min，步骤九开始操作时间是在步骤八最后余下5min时开始，便于金属光亮剂与铬(Cr)进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。步骤十真空室冷却，冷却至80°C后打开炉门取出エ件。步骤十一钢铁真空离子镀铬エ艺代替现行电镀装饰铬性能测试。I.钢铁エ件与离子镀铬膜之间过渡层电子探针分析结果，如图2所示，エ件随脉冲负偏压增加，其过渡层也加宽，其厚度为0. 5-4微米(ii )。2.镀膜耐蚀性测试，测试项目极化曲线测试结果，如表I所示，测试条件设备名称Corrtest-CS350电化学工作站，辅助电极为Pt电极，參比电极为Ag/AgCl电极腐蚀液为3. 5%NaCl溶液，水域温度25°C。表I镀膜耐蚀性测试结果
材料自腐蚀电位Ecorr (mV)
电镀铬(Cr)-443. 9
电镀镍(Ni)-507. 7
离子镀氮化锆(ZrN)-420mV
离子镀铬(Cr)-314.1_
结论根据自腐蚀电位越高耐蚀性越好原则(I)离子镀氮化锆(ZrN)耐蚀性都好于电镀镍，完全可以代替电镀镍。(2)离子镀铬(Cr)耐蚀性都好于电镀铬。步骤十二 质量检查合格入库。实施例2.锌基合金真空离子镀鈷エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺，采用阴极电弧镀-磁控溅射-电子束离子镀技术如图I所示，进行锌基合金真空离子镀鈷エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺。エ件名称门窗把手、水龙头、浴室器具，材质锌基合金步骤ーエ件6经抛光、清洗、烘干装入真空窒I中。步骤ニ 真空室I抽真空5，真空度达到3X10_3Pa。步骤三エ件6开动加热装置8，エ件6温度< 90°C。步骤四エ件6溅射清洗，由离子源通入氩气(Ar)ll，真空度调至2Pa，开动エ件6冲负偏压电源4，エ件6上施加脉冲负偏压エ艺电压-980V，占空比60%，溅射清洗时间15min。步骤五エ件6离子镀底膜铬(Cr)代替现行电镀铬エ艺中电镀含氰铜层，膜层与エ件6表面形成0. 8微米(P)厚度的过渡层，提高镀膜附着性，详见图3，井能防止锌基合金中锌(Zn)元素在真空离子镀过程中挥发，真空室I抽真空5，由离子源通入氩气(Ar)ll，真空度调至4X10-lPa，开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出铬(Cr)原子并沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为450V，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V占空比20%，时间6min — -400V占空比20%时间2min — -600V占空比20%时间2min — -980V占空比20%时间6min — -300V占空比20%时间2min。步骤六エ件6离子镀耐蚀镀膜代替现行电镀铬エ艺中电镀镍层，阴极电弧离子镀氮化铬(CrN)，离子镀氮化铬(CrN)镀膜耐蚀性比电镀镍层好，详见表2，真空室I真空度调至在4X10^8，由离子源通入氬(Ar)和氮气(N2) 11，开动阴极电弧源电弧源电源9，从阴极电弧源10上溅射出高能量粒子铬(Cr)，与氮离子(N+)相互作用形成氮化铬(CrN)，沉积在エ件6表面上，每个弧源电流达到额定电流100A，开动エ件6脉冲偏压电源4エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-200V，占空比48%，镀膜时间120min。步骤七エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜三氧化ニ鋁(Al2O3)提高离子镀膜光亮性，真空室I真空度调至在8X10_2Pa，由离子源通入氩气(Ar)和氧气(02)11，开动e型电子枪7，从e型电子枪7上坩埚中蒸发三氧化ニ鋁(Al2O3)沉积在エ件6表面上，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲負偏压エ艺电压-200V，占空比20%，时间15min，步骤七开始操作时间是在步骤六最后余下5min时开始，便于金属化合物光亮剂与离子镀氮化鉻(CrN)镀膜进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。步骤八エ件6离子镀钴(Co)代替现行电镀铬エ艺中镀铬层，离子镀钴(Co)镀膜耐蚀性比电镀铬层好，详见表2，真空室I仃止送入氦气(N2)ll，真空度调至在AXKT1Pa,开动磁控溅射靶电源3，从磁控溅射靶2上溅射出钴(Co)原子并沉积在エ件6表面上，磁控溅射靶电源3电压为450V，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲负偏压エ艺电压-200V占空比50%镀膜时间20min。步骤九エ件6离子镀金属化合物光亮剂镀膜三氧化ニ鋁(Al2O3)提高离子镀膜光亮性，真空室I真空度调至在8X10_2Pa，由离子源通入氩气(Ar)和氧气(O2) 11，开动e型电子枪7，从e型电子枪7上坩埚中蒸发三氧化ニ鋁(Al2O3)沉积在エ件6表面上，开动エ件6脉冲偏压电源4，エ件6施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V，占空比20%，时间15min，步骤九开始操作时间是在步骤八最后余下5min时开始，便于金属光亮剂与钴(Co)进行掺杂，提高镀膜光亮性和附着性。步骤十真空室冷却，冷却至70°C后打开炉门取出エ件。步骤十一锌基合金真空离子镀鈷エ艺代替现行电镀装饰铬性能测试，I.锌基合金工件与离子镀铬膜之间过渡层电子探针分析结果，如图3所示，鋅基合金离子镀鉻，エ件施加脉冲变負偏压エ艺电压-980V占空比20%时间6min，可形成0. 8微米厚度过渡层。2.镀膜耐蚀性测试，测试项目极化曲线测试结果如表2所示，测试条件设备Corrtest-CS350电化学工作站，腐蚀液为3. 5%NaCl溶液，水域温度25°C。表2镀膜耐蚀性测试结果
权利要求
1.一种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，其特征是钢铁、锌基合金工件(6)采用真空阴极电弧镀-磁控溅射-电子束离子镀技术，进行离子镀铬エ艺代替现行电镀装饰铬エ艺和离子镀超硬铬代替电镀硬铬，离子镀底膜铬代替现行电镀铬エ艺中含氰电镀铜层，防止锌基合金工件(6 )锌元素挥发，离子镀膜与エ件(6 )之间形成过渡层提高离子镀膜附着性，离子镀氮化锆或氮化铬代替现行电镀铬エ艺中电镀镍层，离子镀鉻或离子镀钴代替现行电镀鉻エ艺中电镀铬层，离子镀氮化铬和离子镀铬复合镀膜代替电镀硬铬，离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti305)或三氧化ニ鋁(A1203)或ニ氧化硅(Si02)或氧化锆(Zr02)或氧化锌(ZnO)提高离子镀膜光亮性。
2.根据权利要求I所述的ー种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，其特征是エ件(6)施加脉冲变負偏压エ艺电压-200V占空比10-30%时间4-8min —-400V 占空比 10-30% 时间 2_4min —-600V 占空比 10-30% 时间 2_4min —-(900—2000) V占空比10-30%时间6-10min — -300V占空比10-30%时间2_4min，离子镀底膜铬(Cr)代替现行电镀铬エ艺中止氰电镀铜，膜层与エ件(6)之间形成0. 5-4微米(P)厚度的过渡层，提高镀膜附着性，同时也防止锌基合金中锌(Zn)元素在真空离子镀过程中挥发。
3.根据权利要求I所述的ー种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，其特征是离子镀耐蚀镀膜氮化锆(ZrN)或氮化铬(CrN)代替现行电镀铬エ艺中电镀镍层。
4.根据权利要求I所述的ー种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，其特征是离子镀铬或离子镀钴代替现行电镀装饰铬エ艺中电镀铬层。
5.根据权利要求I所述的ー种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，离子镀氮化铬和离子镀铬复合镀膜代替电镀硬铬。
6.根据权利要求I所述的ー种钢铁、锌基合金真空离子镀铬エ艺代替现行电镀铬エ艺，其特征是离子镀金属化合物光亮剂镀膜五氧化三钛(Ti305)或三氧化ニ鋁(A1203)或ニ氧化硅(Si02)或氧化锆(Zr02)或氧化锌(ZnO)提高离子镀膜光亮性。
全文摘要
一种钢铁、锌基合金真空离子镀铬工艺代替现行电镀铬工艺，属于材料表面技术领域。其特征是离子镀铬工艺代替现行电镀装饰铬工艺和离子镀超硬铬代替电镀硬铬。工件与真空室之间，施加有脉冲负变偏压，电压为100-2000V，膜层与工件之间有0.5－4微米(μ)的过渡层提高镀膜附着性，离子镀氮化锆、或氮化铬代替现行电镀装饰铬工艺中电镀镍层；离子镀铬或钴代替电镀装饰铬工艺中电镀铬层；离子镀超硬铬代替电镀硬铬，离子镀金属化合物光亮剂镀膜，如三氧化二鋁或二氧化硅提高离子镀膜光亮性。本发明的效果和益处是膜层中没有Ｎｉ元素，对人体无害；没有三废排放无须治理；附着性好，致密性好，耐蚀性强，硬度高耐磨性好。
文档编号C23C14/16GK102787297SQ20121025392
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者牟宗信, 王清, 王英敏, 羌建兵, 董闯, 陈宝清 申请人:大连理工大学