TWI400357B - 表面強化基體及其製備方法 - Google Patents

Description

表面強化基體及其製備方法

本發明涉及一種表面強化基體及該表面強化基體之製備方法。

為了保護一些基體，如表殼、眼鏡架、手機、電腦等不受損傷，經常會在這些基體表面設置一強化膜從而形成一表面強化基體。過渡金屬氮化合物如氮化鉻或過渡金屬碳化物如碳化鉻由於具有高硬度、高抗摩擦磨損性與良好之化學穩定性，常用來直接設置在基體表面形成所述強化膜。然，在實際應用中，所述強化膜如氮化鉻膜、碳化鉻膜具有高脆性、高殘餘應力、與基體結合力差等缺點，且均為單質強化膜。因此隨著膜厚之增加與溫度之增高，這些單質強化膜會出現大之柱狀晶結構，從而容易發生脆裂與脫落，使表面強化失效。

有鑒於此，提供一種強化膜與基體結合良好之表面強化基體及其製備方法實為必要。

一種表面強化基體，包括一基體及設置在該基體一表面之一 強化膜。所述強化膜包括一第一合金層與一第二合金層，所述第一合金層設置在所述基體表面與第二合金層之間。所述第一合金層包括兩種過渡金屬，所述第二合金層包括所述兩種過渡金屬與碳氮元素。

一種表面強化基體，包括一基體以及所述基體之一表面設置之一具有多層結構之強化膜。該強化膜至少包括一過渡層及一硬質層，該過渡層與硬質層依次設置在所述基體表面。所述過渡層為由兩種過渡金屬形成之合金層，所述硬質層為含所述兩種過渡金屬與非金屬元素之合金層。

一種表面強化基體，包括一基體及一設置在該基體一表面之強化膜。所述強化膜為含有兩種過渡金屬之合金膜，且該強化膜遠離所述基體之一側包括有碳氮元素。

一種表面強化基體之製備方法，其包括如下步驟：提供一基體；以及在該基體之一表面通過濺鍍之方式依次形成一第一合金層與一第二合金層，所述第一合金層包括兩種過渡金屬，所述第二合金層包括所述兩種過渡金屬與碳氮元素。

相較於先前技術，所述強化膜中由兩種過渡金屬形成之第一合金層具有良好之化學穩定性及與基體良好之親和性，可緩解所述強化膜受力時之內部應力變化，提高薄膜與基體之間之結合力；而由所述兩種過渡金屬與碳氮元素形成之第二合金層則具有較高之硬度。因次，所述強化膜能夠與基體結合良好，且具有一定之抗磨損性。

100‧‧‧表面強化基體

10‧‧‧基體

20‧‧‧強化膜

21‧‧‧第一合金層

22‧‧‧第二合金層

圖1為本發明實施例提供之表面強化基體之結構示意圖。

圖2為採用輝光放電光譜技術(Glowd ischargeopticalemissionspectroscopy,GD OES)分析圖1中表面強化基體在截面不同位置元素含量之變化曲線。

以下將結合附圖對本發明實施例進行詳細說明。

請參見圖1，本發明實施例提供一種表面強化基體100，所述表面強化基體100包括一基體10及設置在所述基體10表面之強化膜20。

所述基體10可為各種產品之本體或者外殼，如模具、刀刃、各種電子產品之外殼等。所述基體10包括鎂基體、鋁基體、鋼基體等金屬基體，也包括含有金屬材料之複合材料基體。在本實施例中，所述基體10為鋼基體。

所述強化膜20用於覆蓋在所述基體10表面使該基體10表面與環境隔離，同時增加該基體10表面之硬度，從而有效保護所述基體10。該強化膜20之厚度可根據實際需求而設置，對於一般產品之需求，所述強化膜20之厚度在500奈米到5微米之間。該強化膜20為一多層結構，該強化膜20包括依次設置在所述基體10表面一第一合金層21、一第二合金層22及一修飾層(圖未示出)。

所述第一合金層21設置在基體10表面與第二合金層22之間作為過渡層，以使所述基體10與第二合金層22結合良好。所述第一合金層21為與基體10結合良好且具有一定硬度之鎳鉻(Ni-Gr)合金層。所述鎳鉻合金層中之鎳有著良好之韌性與高溫穩定性，與金屬基體之結合性能較好。所述鎳鉻合金層中之鉻元素用於提高第一合金層21之硬度。所述鎳鉻合金層中之鎳之質量百分含量大致在20%到80%之間。所述鎳鉻合金層之厚度在100奈米到3000奈米之間。在本實施例中，所述鎳鉻合金層在厚度大致為150奈米且鎳之質量百分含量大致為60%時，與基體10與第二合金層22具有較佳之結合性能且具有一定之硬度。

所述第二合金層22設置在所述第一合金層21遠離所述基體10之表面作為硬質層，以增加所述強化膜20之硬度。所述第二合金層22為與第一合金層21結合良好且具有較大硬度之含鎳鉻元素之合金層，如鎳鉻碳(Ni-Gr-C)合金、鎳鉻氮(Ni-Gr-N)合金，優選地，所述第二合金層22為鎳鉻碳氮(Ni-Gr-C-N)合金層。該鎳鉻碳氮合金層中之鉻容易與碳或氮合成生成碳化鉻或氮化鉻硬質相，而該鎳鉻碳氮合金層中之鎳則主要用於提高第二合金層22與第一合金層21之結合能力。所述鎳鉻碳氮合金層之厚度不限，可根據實際應用而設置。一般地，所述鎳鉻合金層之厚度在100奈米到3000奈米之間。所述鎳鉻碳氮合金中之鎳、鉻、碳及氮元素之質量百分含量不限，可根據實際應用而設置。具體地，所述碳元素 之質量百分含量在1%到50%之間，所述氮元素之質量百分含量在1%到50%之間，且滿足所述碳氮之總質量百分含量在1%到90%之間。在本實施例中，當所述鎳鉻碳氮合金中之鎳元素之質量百分含量大致為62%，鉻元素之質量百分含量大致為16%，碳元素之質量百分含量大致為12%及氮元素之質量百分含量大致為10%時，所述第二合金層22與第一合金層21、修飾層具有較佳之結合性能及較大之硬度。

形成所述第一合金層21與第二合金層22之材料並不限於鎳鉻，還可為其他兩種或者兩種以上之過渡金屬組成之合金，只要滿足第一合金層21中之過渡金屬與第二合金層22中之過渡金屬至少有兩種相同以增加第一合金層21與第二合金層22之親和性，且其中一種過渡金屬與基體10具有良好之結合能力如鎳或鈀等，其中一種過渡金屬能夠與非金屬元素如碳氮形成硬質相如鉻、鎢等以增加第二合金層22之硬度。所述過渡金屬還可為銠(rhodium)、鈷(cobalt)、錳(cobalt)、鈦(titanium)、鎘(cadmium)或鋯(zirconium)等。

所述修飾層設置在第二合金層22遠離所述基體10之表面以使所述表面強化基體100得到想要之表面顏色，如該修飾層可為油漆、有機層等。在本實施例中，所述修飾層本身還具有較大之硬度，能提高所述強化膜20之抗磨損性能。製備所述修飾層之材料可為鉻化合物、鎢化合物等，所述鉻化合物包括氮化鉻、碳化鉻或氮化鉻與碳化鉻之組合。可理解，由於所述第二合金層22已能達到保護所述基體10之目之，因此所 述修飾層為根據實際需要可選或者可不選。

所述強化膜20中之第一合金層21(鎳鉻合金層)不僅具有良好之化學穩定性還與基體10及第二合金層22(鎳鉻碳氮合金層)具有相近之熱膨脹係數，因此在所述表面強化基體100受熱時，能夠有效緩解強化膜20受力時之內部應力變化，從而提高強化膜20與基體10之間之結合力及提高基體10之耐磨性。請參見圖2，為本實施例中之表面強化基體100在截面不同位置元素含量之變化曲線圖。從圖中可看出，各個元素在各個區域之過渡較為平穩，從而有效提高了該強化膜20與基體10之間之附著力。

需要指出之是，雖然所述強化膜20為多層結構，但由於各層之厚度一般較小，各種元素相互滲透。因此，從圖2中看出鎳鉻合金層與鎳鉻碳氮合金層並沒有嚴格按照厚度來分佈，即鎳鉻合金層與鎳鉻碳氮合金層並沒有嚴格意義上之分界線。因此，僅由鎳鉻合金層與鎳鉻碳氮合金層組成之強化膜20之也可整體上看作為一鎳鉻合金膜。該強化膜20遠離所述基體10之一側鎳鉻合金材料含量較多，從而與基體10具有較好之親和力。該強化膜20遠離所述基體10之一側包碳氮元素逐漸增多，碳氮元素可與鎳鉻合金形成硬質相從而該使得該強化膜20遠離所述基體10之一側具有較大硬度。

本發明實施例還提供一種表面強化基體100之製備方法，具體包括如下步驟：步驟S10，提供一基體10；以及步驟S20，在該基體10之一表面通過濺鍍之方式依次形成一第一合金層 21與一第二合金層22，所述第一合金層21包括兩種過渡金屬，所述第二合金層22包括所述兩種過渡金屬與碳氮元素。在本實施例中，所述第一合金層21為鎳鉻合金層，所述第二合金層22為鎳鉻碳氮合金層。

在步驟S10中，所述基體10在其表面形成鎳鉻合金層及鎳鉻碳氮合金層前還包括如下步驟S11，將該基體10進行表面化學超聲波清洗；步驟S12，將該基體10放入真空環境中，用稀有氣體對該基體10進行離子清洗。

在步驟S11中，清洗該基體10之溶劑可為丙酮、無水乙醇等有機溶劑。在步驟S12中，所述基體10可放入具有真空環境之真空金屬濺鍍機中，保持真空度在3.0×10^-5托左右，使用高純氬氣轟擊該基體3到10分鐘。

在步驟S20中，所述基體10之溫度控制在100攝氏度到200攝氏度之間以使所述鎳鉻合金層及鎳鉻碳氮合金層與基體10緊密結合。在所述步驟S20中，所述鎳鉻合金層及鎳鉻碳氮合金層之形成方法進一步包括如下步驟：步驟S21，提供一磁控濺射鎳鉻合金靶；步驟S22，開啟該磁控濺射鎳鉻合金靶對該基體10表面進行濺鍍；以及步驟S23，在該基體10表面通入含氮氣體與含碳氣體。

在步驟S21中，所述鎳鉻合金靶中鎳之質量百分含量在20%到 80%之間。

在步驟S22中，所述真空金屬濺鍍機之偏壓設置在-100伏特到-300伏特之間，當開啟所述磁控濺射鎳鉻合金靶濺鍍20分鐘到60分鐘時，所述基體10表面形成有一層100奈米到3000奈米之間之鎳鉻合金層。

在步驟S23中，所述含氮氣體為氮氣或氨氣，所述含碳氣體為乙炔或甲烷。當所述含氮氣體與含碳氣體通入到所述基體10表面時，所述鎳鉻元素依然從所述鎳鉻合金靶濺射出來。而從所述鎳鉻合金靶濺鍍出來之鎳、鉻與含氮氣體與含碳氣體反應，而在所述鎳鉻合金層上再形成鎳鉻碳氮合金層。即通入含氮氣體與含碳氣體後，新形成之鎳鉻合金層中摻雜有碳氮元素。

所述表面強化基體100之製備方法在步驟S20後還可包括一步驟S30：在該鎳鉻碳氮合金層表面形成一鉻化合物層。所述鉻化合物層之形成方法與S20之原理基本相同，通過開啟一磁控濺射純鉻靶，同時通入所需氣體，鎳鉻碳氮合金層表面形成一鉻化合物層。所述氣體根據實際需要選擇，譬如，如果需要形成碳化鉻層，則選擇乙炔，甲烷等含碳氣體，如果需要形成氮化鉻層，則選擇氮氣、氨氣等含氮氣體。

所述表面強化基體100之製備方法中，所述強化膜20通過濺鍍之方式即可形成，不需要化學沈積等複雜之化學方法，工藝簡單，易於操作，切對基體10表面之形貌也沒有特殊要求 。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧表面強化基體

10‧‧‧基體

20‧‧‧強化膜

21‧‧‧第一合金層

22‧‧‧第二合金層

Claims (18)

1. 一種表面強化基體，包括一基體及設置在該基體一表面之一強化膜，其改進在於，所述強化膜包括一第一合金層與一第二合金層，所述第一合金層包括兩種過渡金屬，所述第二合金層包括所述兩種過渡金屬與碳氮元素，所述第一合金層設置在所述基體表面與第二合金層之間。
2. 如請求項1所述之表面強化基體，其中，所述基體為金屬基體。
3. 如請求項1所述之表面強化基體，其中，所述過渡金屬包括鎳、鉻、銠、鈷、錳、鈦、鎢、鈀、鎘或鋯。
4. 如請求項1所述之表面強化基體，其中，所述第一合金層為鎳鉻合金層，所述第二合金層為鎳鉻碳氮合金層。
5. 如請求項4所述之表面強化基體，其中，所述鎳鉻合金層之厚度在100奈米到3000奈米之間。
6. 如請求項4所述之表面強化基體，其中，所述鎳鉻合金層中鎳之質量百分含量在20%到80%之間。
7. 如請求項4所述之表面強化基體，其中，所述鎳鉻碳氮合金層中碳元素之質量百分含量在1%到50%之間，所述氮元素之質量百分含量在1%到50%之間，且所述碳氮之總質量百分含量在1%到90%之間。
8. 如請求項1所述之表面強化基體，其中，所述強化膜之厚度在500奈米到5微米之間。
9. 如請求項4所述之表面強化基體，其中，所述強化膜進一步包括一鉻化合物層設置在所述鎳鉻碳氮層遠離所述基體之表面。
10. 如請求項9所述之表面強化基體，其中，所述鉻化合物包括氮化鉻、碳化鉻或氮化鉻與碳化鉻之組合。
11. 一種表面強化基體，包括一基體以及所述基體之一表面設置之一具有多層結構之強化膜，其改進在於，該強化膜至少包括一過渡層及一硬質層，該過渡層與硬質層依次設置在所述基體表面；所述過渡層為由兩種過渡金屬形成之合金層，所述硬質層為含所述兩種過渡金屬與非金屬元素之合金層。
12. 如請求項11所述之表面強化基體，其中，所述強化膜進一步包括一含鉻化合物之修飾層設置在硬質層遠離所述基體之表面。
13. 一種表面強化基體，包括一基體及一設置在該基體一表面之強化膜，其中，所述強化膜為含有兩種過渡金屬之合金膜，且該強化膜遠離所述基體之一側包括有碳氮元素。
14. 一種表面強化基體之製備方法，其包括如下步驟：提供一基體；以及在該基體之一表面通過濺鍍之方式依次形成一第一合金層與一第二合金層，所述第一合金層包括兩種過渡金屬，所述第二合金層包括所述兩種過渡金屬與碳氮元素。
15. 如請求項14所述之表面強化基體之製備方法，其中，所述第一合金層為鎳鉻合金層，所述第二合金層為鎳鉻碳氮合金層。
16. 如請求項15所述之表面強化基體之製備方法，其中，所述基體在形成第一合金層與第二合金層之前，進一步包括如下步驟：將該基體進行表面化學超聲波清洗；將該基體放入真空環境中，用稀有氣體對該基體進行離子清洗。
17. 如請求項15所述之表面強化基體之製備方法，其中，所述基體之溫度保持在100攝氏度到200攝氏度之間。
18. 如請求項15所述之表面強化基體之製備方法，其中，所述鎳鉻合金層及鎳鉻碳氮合金層之形成方法進一步包括如下步驟：提供一磁控濺射鎳鉻合金靶；啟該磁控濺射鎳鉻合金靶對該基體表面進行濺鍍；以及在該基體表面通入含氮氣體與含碳氣體。