氮氣流量對磁控濺射TiN膜層色澤的影響

呂長東， 黃美東， 劉 野， 許世鵬， 薛 利

(天津師范大學物理與電子信息學院，天津 300387)

引 言

TiN硬質薄膜的出現，成倍地提高了刀具的切削壽命，獲得很好的加工精度和生產效率，在機械加工行業獲得了廣泛的應用［1-5］。事實上，TiN鍍層在裝飾行業也有著廣闊的應用，占據著重要的地位，這是因為TiN不僅具有較好的耐磨性和耐蝕性，而且通常為金黃色，是理想的仿金裝飾膜。目前通常采用電弧離子鍍膜方式將TiN鍍制在金屬基體上作仿金裝飾，已有部分鍍膜工藝參數對鍍層顏色的影響方面的報道［6-8］。但電弧離子鍍膜過程中由于高溫電弧對靶材燃燒時通常噴濺出液滴而在鍍層表面形成大顆粒污染，在一定程度上影響色澤和表面粗糙度，此外，鍍膜時基體溫度較高，限制了TiN薄膜用于裝飾鍍的應用范圍。磁控濺射是新興的一種物理氣相沉積(PVD)鍍膜方法，與電弧離子鍍相比，該方法沉積溫度低，得到的薄膜表面光滑，很適合于裝飾鍍膜，裝飾TiN大都用于仿金鍍，鍍層顏色比較單一。為了滿足日益增強的彩色裝飾鍍膜的市場需求，本研究考察氮氣流量對反應磁控濺射TiN膜層色澤的影響，旨在通過改變氮氣流量獲得生產實際中所需要的膜層色澤。

1 實驗方法

在國產SA-6T型離子鍍膜機上利用直流磁控濺射方法制備試樣。試樣尺寸15mm×10mm×10mm，基體材料為W18Cr4V高速鋼，首先用砂紙打磨，然后拋光至試樣表面呈鏡面光澤。將試樣浸入酒精溶液中超聲清洗20min，用丙酮溶液浸浴，吹風機烘干。然后將試樣固定在真空沉積室的試樣架上進行鍍膜。鍍膜前背底真空抽至3mPa，并對表面進行離子轟擊清洗3min。

在不同氮氣流量下鍍制TiN薄膜樣品。鍍膜過程中工藝參數為固定濺鍍源功率為400W，偏壓為0V，沉積 t為 20min，N2流量分別為 0.98、1.40、3.32、3.68 和 3.95cm3/s。

通過SHIMADZU SSX-550型掃描電子顯微鏡觀測樣品的表面形貌。用WGS-9型色度計測定薄膜表面的色度，該系統采用國際照明委員會(CIE)規定的標準色度系統來測定物體的色度。在理論上采用平面直角色度坐標來定量表示顏色:

2 結果與討論

2.1 表面形貌

通過掃描電子顯微鏡(SEM)在放大1000倍下觀察TiN薄膜表面形貌，雖然通過N2流量不同，但5個樣品表面形貌基本相同，圖1只顯示了4號樣品的SEM照片。由圖1照片可以看出，薄膜質量良好，平整、致密，無明顯的孔洞存在，也沒有電弧離子鍍薄膜表面的大顆粒污染［9-10］。這種光潔的表面具有良好的反光性能，對其色澤的均勻性非常有益。

圖1 4號樣品SEM照片

2.2 顏 色

在不同氮氣流量條件下，獲得TiN薄膜的顏色有明顯差異。這是因為氮氣是反應氣體，在鍍膜過程中氮氣流量變化時，參與成膜的N原子和Ti原子的組分發生改變，TiN膜層的組織和顏色也都隨之變化［11］。當氮氣流量很小時，N2和Ti反應不充分，主要生成α-Ti相，α-Ti為銀白色，樣品顏色為銀白色;隨著氮氣流量的增加，N2和Ti反應充分，具有淺黃色的ε-Ti2N相和深黃色的α-TiN相的比例逐漸增多，薄膜表面顏色也逐漸變為金黃色。當氮氣過量時，顏色為藍色和紫色。利用色度計對不同氮氣流量時TiN薄膜試樣色度測試，結果見表1。

表1 TiN薄膜色度測試結果

根據表1TiN薄膜色度測試結果可以看出，N2的流量對薄膜顏色的影響很大。隨著氮氣流量的增加，TiN薄膜的色度由淺變深。可見，調節和控制氮氣流量，可以獲得所需要的薄膜顏色，這一技術可以廣泛應用于彩色裝飾鍍膜。

3 結論

在國產SA-6T型離子鍍設備上，通過改變氮氣流量，利用直流磁控濺射方法可制備出不同顏色的TiN薄膜。要想獲得某一種或多層顏色的裝飾鍍層，只需要調節氮氣流量這一工藝參數，簡單可行，有望廣泛應用于彩色裝飾鍍膜行業。

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