掺金离子镀氮化钛技术及设备的制作方法

专利名称：掺金离子镀氮化钛技术及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于真空离子镀膜技术领域。
本发明的目的在于提供一种新的、低成本、高质量的掺金氮化钛镀膜方法。
作为装饰、黄金色泽近来愈为人们所欢迎，但由于黄金的价格昂贵，对于大多数制品来说，利用纯金(或金合金)制作是不经济的。为了获得低成本，且有黄金色泽的制品，通常的作法是在产品的外表面上镀一层金，这种产品虽然具有真实的黄金色泽，但很不耐磨。一件新镀金制品，使用两叁个月镀层就会大量磨损脱落，露出基底本色，非常难看。若增加镀金层厚度，则会大大增加生产成本，不能适应一般广大消费者的需要。因此，一般镀金制品已不再受广大顾客的喜爱。
由于镀金制品存在上述致命弱点，因此人们搞了许多与黄金色泽相近的仿金镀膜制品例如①亚金制品(一种与金颜色近似的铜合金)一般用于低档仿金首饰，玩具，器皿等。②真空溅射镀铜在低档陶瓷，石膏，塑料等制品上使用。这两种方法生产的制品表面颜色与金色相差很大，也不耐磨，因而从七十年代开始，国内外技术人员大都采用真空离子溅射，中空阴极，磁控电弧等方法制备仿金氮化钛(TiN)薄膜。
TiN膜层非常光亮耐磨，被誉为永不磨损型仿金镀层。但美中不足的是TiN光谱曲线上在5000埃附近光谱反射率与黄金(Au)相比较有明显区别，因此TiN的色泽与Au相比较有点发青，有“冷色”的感觉。
为了祢补TiN膜层的这个缺陷，人们设想在TiN制品表面上用化学方法电镀一层Au，但经多方实验均未成功。因而，一些专家们就研究利用真空离子镀技术实现掺金氮化钛，这样膜层不仅具有与黄金一样的色泽，而且还具有一定的耐磨性能。
目前，国内及国外引进的离子镀设备中均使用大平面离子溅射技术实现掺金离子镀膜。其中金溅射靶为600×150×1mm，按此计算一块金靶重为1739克，共需四块，共计近7公斤。其利用率约50%。这样使产品的价格将比较高。而且膜层与基材结合力较差。耐磨性不够好，在国内不宜推广使用。另一种方法是利用真空蒸发技术，其方法是在高真空中，利用旁热法使被镀工件升温至350℃左右，在工件近下方置一坩埚，黄金在坩埚中被加热蒸发，在工件表面沉积一层黄金膜。膜层与TiN膜结合不牢，不耐磨易脱落。
本发明的目的就是提供一种新的掺金氮化钛离子镀方法，以克服现有技术的不足。其方法是利用磁控电弧蒸发器法离子镀与变真空蒸发镀相结合的方法，获得具有真实黄金色泽及优良耐磨性产品本方法的具体方案是首先对工件表面作严格的清洗，以保证TiN膜层与基低的结合牢固度。然后将工件放入镀膜室内进行镀膜。过程如下先在工件表面镀制一层TiN膜，然后在TiN膜上镀制一层金膜，本发明的关键之一是使这两层膜间有一个混合层，增加了黄金膜与TiN膜之间的结合力。最后又在金膜外再镀一层很薄的TiN膜，用以增加金膜层的耐磨能力。所以使用本发明所镀掺金氮化钛膜，不仅色泽与黄金一样，而且膜层与基材结合力强，耐磨性好。即使在很长时间使用后，也不会变色及脱落。
本发明所用设备为我们研制的改进型AE-700型离子镀膜机。其主要结构如

图1所示，主要由①磁控电弧蒸发源，②主弧电源，③黄金蒸发坩埚，④蒸发电源，⑤工件转动支架，⑥偏压电源，⑦进气系统，⑧真空系统等部分组成。
具体镀膜过程及工艺如下1、镀膜前所镀工件必须使用丙酮、四氯乙烯、金属清洗剂、氟里昂、硫酸、盐酸等化学试剂进行严格的清洗，以去除工件表面的油污及氧化膜等。这是提高膜层质量的关键。否则膜层将镀不上，即使镀上了也很易脱落。清洗后再将工件装入镀膜室。
2、镀膜室予抽真空至10-3Pa。提高前置真空可以减少空气中杂质气体对膜层的影响。
3、充入Ar气，N2气，Ar∶N2＝1∶4。真空度为1～6×10-1Pa点弧后，弧流为70A至110A。此时，磁控电弧源产生的钛蒸气与Ar，N2一同电离，使镀膜室内充满了等离子体。被镀工件加负偏40～300V。这样在工件上沉积TiN薄膜。镀膜时间一般为10至15分钟。TiN膜层厚度为1μm左右。
随后给坩埚通电加热(加热电流80～120A)。使坩埚中的黄金逐渐蒸发，并参加电离，同时改变镀膜室内的真空度从10-1至10-2Pa这样可在TiN膜层外镀制一层黄金膜。膜厚为几百埃( )一克黄金可镀表壳200多只。
5、最后再次通入N2，点弧(工艺与3同)在金膜外再镀一层很薄的TiN膜。厚度仅几十埃。这样在工件表面上形成了TiN-Au-TiN三层混合膜。色泽与黄金相同大大优于TiN，而耐磨性要优于Au。
权利要求
1.一种掺金离子镀氮化钛的方法，包括被镀工件首先严格清洗，放入镀膜室予抽真空达10-3以上，利用磁控电弧法在工件表面镀TiN膜，再使坩埚中的黄金蒸发并参加电离，使TiN膜上镀一层结合牢固的金膜，特征在于镀膜时采用变真空度的方法和在金膜上镀一层薄TiN膜。
2.根据权力要求1的方法，蒸Au时必须使Au参加电离，从离子镀金转变到真空蒸金。
3.根据权力要求1的方法，镀膜时真空度可改变，其范围为10-1-10-2Pa
4.根据权力要求1的方法，其特征在于最后在Au膜上镀很薄一层TiN，厚度约几十埃
5.根具权力要求1的方法，其特征在于镀第一层TiN时，充Ar和N2;Ar∶N2为1∶4，真空度为1-6×10-1Pa，点弧电流为70～110A，偏压为50～300V，时间为10至15分钟。
6.根据权力要求1的方法，其特征在于镀金时坩埚电流为80～110A。
7.实施权力要求1方法的设备，包括磁控电弧蒸发器，黄金蒸发坩埚，自工转工件支架，电源等。
全文摘要
掺金离子镀氮化钛技术及设备属于真空离子镀技术领域。本发明的目的在于提供一种新的，低成本，高质量的掺金氮化钛镀膜方法。镀黄金制品成本高，不耐磨。一般仿金制品效果差，且不耐磨，氮化钛仿金耐磨但发青色与黄金色有区别。本发明利用离子镀技术实现氮化钛掺金，膜层有黄金一样的光泽，还具有一定耐磨性能。
文档编号C23C14/14GK1053645SQ9010034
公开日1991年8月7日 申请日期1990年1月24日 优先权日1990年1月24日
发明者田大准, 周以仁, 汪小平, 田美风, 刘振忠 申请人:机械电子工业部北京机械工业自动化研究所