專利名稱：金屬鍍層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造金屬鍍層的方法。具體而言，本發(fā)明涉及薄膜金屬鍍層，制造薄膜金屬鍍層的方法，以及對該鍍層的使用和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
已知的制造聚合物和其它塑料材料的方法，是將加熱后的聚合物或是液相的塑料材料在一個模具中冷卻下來，以形成具有該模具形狀的物體。通常，制造塑料物體的模具是由經(jīng)過熱處理的金屬制成的。該模具的表面被涂上各種鍍層，以確保制成的塑料物體能夠成功地從模具中脫離出來。一種已知的鍍層是氮化鈦。
在制造環(huán)氧聚合物時，該聚合物會比其它聚合物更加容易粘在模具的表面。為了減少這樣的粘合，已知的方法是在模具的表面鍍上一層薄的金屬鉻。典型的鍍層方法是使用電鍍的技術(shù)，而有時該鍍層也被稱為“硬鉻”鍍層。
在理想的情況下，該硬鉻鍍層應(yīng)當是薄而均勻地被鍍在物質(zhì)的表面。然而，現(xiàn)有的硬鉻鍍層技術(shù)所存在的一個問題，就是在物質(zhì)表面的各處，鍍層并不均勻。當該物質(zhì)被用來制造模具時，這是一個典型的問題。
不均勻的鍍層，來自于物質(zhì)表面的角落和交界處的電場效應(yīng)。這些電場效應(yīng)導致了物質(zhì)表面的角落和交界處鍍層較多，而物質(zhì)表面的平面部分鍍層較少。緩解這個問題的一種方法，就是重新設(shè)計模具的形狀，這樣不均勻的鍍層就不會導致塑料成型的困難，例如模具懸垂導致的困難。然而，為了解決電鍍的問題，而采用的任何特定的對模具的重新設(shè)計，都是不理想的，因為這樣的工作既費時又困難。
另一個已知的與硬鉻鍍層有關(guān)的問題是，盡管硬鉻鍍層比其它鍍層有較小的粘性，對于聚合物成型而言，理想的鍍層應(yīng)當具有更加小的粘性。另外，電鍍的過程傾向于產(chǎn)生一個含有微孔的鉻鍍層。其結(jié)果是，該鍍層的密度是金屬鉻密度的70-80％。為了實現(xiàn)一個完整無缺的，光滑的鍍層，這樣的密度需要提高。
電鍍硬鉻鍍層的硬度，通常是在8Gpa和10Gpa之間。對于很多應(yīng)用而言，其硬度需要提高。
濺射涂膜技術(shù)也可以被用來在模具上鍍鉻，但是同樣的，這些技術(shù)會產(chǎn)生不均勻的，低密度的鍍層，這樣的鍍層在開始時或是經(jīng)過一段時間后，會變得很粘，其結(jié)果就是，塑料物質(zhì)很難從模具中脫離出來。
本發(fā)明的特點克服了，或者至少是改善了上述的一個或是多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的，在于提供一個形成金屬鍍層的方法，包含下列步驟(a)在目標金屬上產(chǎn)生一個電弧，以在一個處于充分的真空環(huán)境或是充分的惰性環(huán)境下的腔體內(nèi)，制造金屬離子；(b)將金屬離子鍍在一個物質(zhì)的表面，以在其上形成一個金屬鍍層；以及(c)控制腔體中的氣體數(shù)量，以在該金屬鍍層上形成一個主要的金屬-氣體化合物鍍層，并且在該主要的金屬-氣體化合物鍍層上，形成一個次要的金屬-氣體化合物鍍層，其中該主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層，有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的一個特點，在于提供了一個形成氮化鉻鍍層的方法，包含下列步驟(a)在鉻金屬上產(chǎn)生一個電弧，以在一個處于充分的真空環(huán)境或是充分的惰性環(huán)境下的腔體內(nèi)，制造鉻金屬離子；
(b)將鉻離子鍍在一個物質(zhì)的表面，以在其上形成一個鉻金屬鍍層；以及(c)控制腔體中的氮氣數(shù)量，以在該鉻金屬鍍層上形成一個主要的氮化鉻鍍層，并且在該主要的氮化鉻鍍層上，形成一個次要的氮化鉻鍍層，其中該主要的和次要的氮化鉻鍍層，有不同的氮原子含量。
本發(fā)明的第二個目的，在于提供一個鍍層的基質(zhì)，其包含一基質(zhì)；一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的一個特點，在于提供一個鍍層的基質(zhì)，其包含一基質(zhì)；一鍍在該基質(zhì)上的鉻鍍層；一鍍在該鉻鍍層上的主要氮化鉻鍍層；以及一鍍在該主要氮化鉻鍍層上的次要氮化鉻鍍層，該次要氮化鉻鍍層與該主要氮化鉻鍍層相比，有不同的含氮量。本發(fā)明的另一個特點是，主要的氮化鉻鍍層的含氮量少于次要的氮化鉻鍍層的含氮量。
本發(fā)明的第三個目的，在于提供一個多鍍層的基質(zhì)，其包含一基質(zhì)；一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；以及鍍在該金屬鍍層上的多個金屬-氣體化合物鍍層，該多個鍍層中，至少有兩個含有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的第四個目的，在于通過過濾陰極真空電弧(Filtered CathodicVacuum Arc，F(xiàn)CVA)法，提供一個多鍍層的基質(zhì)，其包含一基質(zhì)；
一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；以及鍍在該金屬鍍層上的多個金屬-氣體化合物鍍層，該多個鍍層中，至少有兩個含有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的第五個目的，在于為一基質(zhì)提供多鍍層，該多鍍層包含一金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的第六個目的，在于為一基質(zhì)提供一鍍層，該鍍層包含一金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的第七個目的，在于提供一被鍍層的基質(zhì)，該鍍層是根據(jù)本發(fā)明的第一個目的所述的方法而制備的。
本發(fā)明的第八個目的，在于提供一鍍層的模具，該鍍層包含一金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
本發(fā)明的第九個目的，在于提供一多鍍層的模具，該多鍍層包含一金屬鍍層；鍍在該金屬鍍層上的多個金屬-氣體化合物鍍層，該多個鍍層中，至少有兩個含有不同的氣體原子含量。
定義在此使用的以下詞語和術(shù)語，應(yīng)當具有指定的意思正如在此使用的，術(shù)語“金屬-氣體化合物”，是指由金屬原子和氣體原子所構(gòu)成的化合物。該金屬原子可能與該氣體原子直接成鍵，或是通過其它原子而間接相連。該金屬-氣體化合物可能包含多種金屬原子和多種氣體原子。
正如在此使用的，術(shù)語“氣體原子”，是指在25℃和101.3kPa的情況下，以原子或是分子形式存在時，呈氣態(tài)的原子。用于舉例的氣體原子包括了氮原子(N)，其在25℃和101.3kPa的情況下，以氣態(tài)的分子形式(N2)存在。
正如在此使用的，術(shù)語“氣體原子含量”，是指氣體原子數(shù)目相對于金屬-氣體化合物中的總原子數(shù)的比例。
正如在此使用的，術(shù)語“化學計量的金屬-氣體化合物”，是指含有氣體原子的金屬-氣體化合物，其中氣體原子的數(shù)目，是在理論上，能夠與特定的金屬原子數(shù)目進行反應(yīng)的最大氣體原子數(shù)目。例如，如果鉻(Cr)與氮氣(N2)之間有如下反應(yīng)(1)在(1)中形成的化合物CrN是熱力學平衡情況下的化學計量金屬化合物，其中化學計量的氮原子數(shù)量相對于一個鉻原子而言是一。
除非另有說明，術(shù)語“包含”，是指“開放式的”或是“包含在內(nèi)的”，它們包含了引用的元素，也允許包含額外的，沒有被引用的元素。
具體實施例方式
金屬鍍層的方法和金屬鍍層物質(zhì)的舉例用的，非限定性的特點將在此公開。公開的特點涉及了鍍層，鍍層的方法及其使用，該鍍層的基礎(chǔ)是交替的金屬與金屬-氣體化合物鍍層。公開的特點也涉及了使用過濾陰極真空電弧(FCVA)技術(shù)來鍍上金屬-氣體化合物鍍層，以及這些特點的結(jié)合。
該氣體可以包含選自氮(N)，氧(O)，氫(H)，硫(S)及其混合物的一種或是多種原子。該氣體可以是純氣體的形式，例如純的氮氣(N2)，氫氣(H2)或是氧氣(O2)，或者，該氣體可以包含氣體原子的分子。舉例而言的氣體原子的分子包括了氨氣，氮的氧化物，硫的氧化物，氧化二氮，和氫的硫化物。
優(yōu)先的，該金屬-氣體化合物是金屬和一種或是多種氣體原子的化合物。本發(fā)明的一個特點是，該氣體是氮氣，而金屬化合物是金屬的氮化物。本發(fā)明的其它特點是，該金屬化合物選自于金屬氧化物，金屬硫化物和金屬氫化物。
本發(fā)明的優(yōu)點是，主要的金屬-氣體化合物鍍層中的氣體原子含量，不同于次要的金屬-氣體化合物鍍層中的氣體原子含量，使兩個鍍層之間的壓力減小。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，由于主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層含有的氣體原子含量，優(yōu)先得少于化學計量的金屬-氣體化合物鍍層含有的氣體原子含量，相對于化學計量的金屬-氣體化合物鍍層，該主要的和次要的鍍層中至少有一個具有較低的粘度和改進了的硬度。該主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層也可以連接到其它金屬或是金屬化合物鍍層上，例如化學計量的氮化鉻。
本發(fā)明的一個特點在于，該方法可以進一步包含在金屬-氣體化合物鍍層上鍍上金屬化合物的步驟，該金屬化合物具有的氣體原子的化學計量比率大大超過金屬原子。
本發(fā)明的一個特點在于，基質(zhì)上的鍍層包含了四個交替的鍍層(a)在基質(zhì)上形成的金屬鍍層，(b)在金屬鍍層上形成的主要的金屬-氣體化合物鍍層，以及(c)在主要的金屬-氣體化合物鍍層上形成的次要金屬-氣體化合物鍍層，其中主要和次要的鍍層中的氣體原子含量互不相同。本發(fā)明的一個備選特點是，該次要鍍層的金屬-氣體化合物是化學計量的金屬-氣體化合物，而該主要的金屬-氣體化合物鍍層含有的氣體含量少于次要的金屬-氣體化合物。本發(fā)明的一個特點在于，該方法可以進一步包含在其上進一步鍍上與(b)不同的金屬-氣體化合物。如果主要層的金屬化合物是金屬氮化物，那么次要層可以是金屬氧化物。
本發(fā)明的另一個特點在于，提供了一種在基質(zhì)上鍍層的方法，包含了在一層或是多層金屬-氣體化合物上交替地鍍上多層金屬鍍層。同樣的，在金屬和金屬-氣體化合物中可以交替地鍍上其它的化合物鍍層。
本發(fā)明中特定特點的鍍層，可以使用FCVA來實現(xiàn)，而金屬可以是任何一種FCVA中的目標金屬。本發(fā)明的一個特點在于，該金屬可以選自元素周期表中的第三副族，第四主族和第六主族以及它們的合金。用于舉例的金屬是鉻(Cr)，鈦(Ti)，鉭(Ta)，鋁(Al)和鋯(Zr)。
FCVA鍍層是在一個真空的腔體中被鍍上的，因此氣體被通入以產(chǎn)生金屬化合物鍍層，接著氣體被移走，例如，通過腔體中的連續(xù)除氣。其結(jié)果就是金屬鍍層一般而言并不純凈，因為在鍍層過程中，腔體內(nèi)有殘留的氣體，導致了金屬鍍層中以原子數(shù)目計算的氣體含量為3％或是更低。優(yōu)先的氣體含量為2％或是更少。金屬鍍層的純度至少為97％，優(yōu)選的純度為至少98％，更優(yōu)選的是99％或更高。
金屬-氣體化合物的氣體原子的不足，是通過控制真空腔體中的氣體數(shù)目而產(chǎn)生的。
一般而言，金屬-氣體化合物鍍層的總體成分，可以由該普遍分子式來代表MxGy其中，M代表了金屬化合物鍍層中的一種或是多種金屬原子，G代表了金屬化合物鍍層中的一種或是多種氣體原子，其中x代表了金屬化合物鍍層中的金屬原子分數(shù)，y代表了金屬化合物鍍層中的氣體原子分數(shù)，而x+y＝1。
本發(fā)明的一個特點在于，y的數(shù)值選自0.08到0.35，0.08到0.30，0.08到0.25，0.08到0.2，0.08到0.18，0.08到0.16，0.08到0.15，0.08到0.14，0.08到0.13，0.08到0.12，以及0.08到0.11。本發(fā)明的一個特點在于，x的數(shù)值選自0.92到0.65，0.92到0.7，0.92到0.75，0.92到0.8，0.92到0.82，0.92到0.84，0.92到0.85，0.92到0.86，0.92到0.87，0.92到0.88以及0.92到0.89。
本發(fā)明的一個特點在于，金屬氣體化合物中的氣體原子的重量百分比選自2％到13％，2％到12％，2％到10％，2％到8％，2％到6％，2％到4％，4％到13％，6％到13％，8％到13％，10％到13％，以及12％到13％，其余的絕大部分是金屬原子。
本發(fā)明的一個特點在于，M是鉻(Cr)，G是氮(N)，其分子式為CrxNy。對于化學計量的熱力學平衡的化合物CrN，所有以上公開的范圍都是氮不足的情況，因為對于CrN，x和y的化學計量熱力學平衡數(shù)值是x＝0.5和y＝0.5。本發(fā)明的另一個特點在于，對于化學計量的熱力學平衡的化合物CrN，所有以上公開的范圍都是氮不足的情況，因為x小于2/3而y小于。其它用于舉例的金屬-氣體化合物包括了(a)TixNy，相對于TiN是氣體原子不足；(b)(TiAl)xNy，相對于(TiAl)N是氣體原子不足；(c)TaxNy，相對于TaN是氣體原子不足；以及(d)TixOy，相對于TiO2是氣體原子不足。
公開特點中的鍍層已經(jīng)被鍍在了金屬基質(zhì)上，例如用來作磁盤模具的硬質(zhì)鋼，并且我們發(fā)現(xiàn)與電鍍的鉻鍍層相比，這些鍍層的硬度和粘度得到了改善(也就是說，粘度降低了)。金屬和金屬-氣體化合物的結(jié)合帶來了這樣的屬性。在不受理論限制的情況下，我們相信，個別的金屬和金屬-氣體化合物鍍層足夠得薄，以使鍍層有效地包含了一個金屬格子和金屬-氣體化合物格子，其結(jié)果就是結(jié)合在一起的格子導致了上述性能的改進。在硬度和抗粘度測試中，在以下的實施例中制成的鉻/氮化鉻鍍層與已知的電鍍硬鉻模具鍍層相比，測試結(jié)果更好。
已知的硬鉻鍍層通常是3微米厚，但是本發(fā)明的鍍層更加致密和均勻，而且更薄，即使在厚度只有1微米時，硬度和抗粘度也有所改進。本發(fā)明的鍍層典型的單獨厚度為0.3-6nm(3-60埃)，特別是處于0.5-4nm(5-40埃)的范圍之內(nèi)，更優(yōu)先得處于0.8-25nm(8-25埃)之間。一個實施例的鉻/氮化鉻鍍層的鉻鍍層厚度大約為1nm(10埃)，而氮化鉻鍍層的厚度大約為2nm(20埃)。
實施例中使用的方法導致了金屬/金屬-氣體化合物的厚度比率，典型的為0.8∶2，0.8∶1.8，0.8∶1.5，0.8∶1.4，0.8∶1.2，0.8∶1.1，0.8∶1，1∶1，2∶0.8，1.8∶0.8，1.6∶0.8，1.4∶0.8以及1.2∶0.8，例如8nm∶20nm，8nm∶18nm，8nm∶15nm，8nm∶14nm，8nm∶12nm，8nm∶11nm，8nm∶10nm，20nm∶8nm，18nm∶8nm，16nm∶8nm，14nm∶8nm，12nm∶8nm，盡管在不同的生產(chǎn)中，這些比率會發(fā)生變化。
在金屬物體的表面鍍金屬離子時，氣體可以間歇地或是持續(xù)地被通入腔體中。通入的氣體數(shù)量可以通過改變真空腔體中的氣體分壓來控制。在金屬物體的表面鍍金屬離子時，真空腔體中的氣體分壓，可以處于以下范圍0.5-5×10-4torr(～0.0067-0.067Pa)，0.8-2×10-4torr(～0.01-0.027Pa)，1-2×10-4torr(～0.013-0.027Pa)，1.1-1.8×10-4torr(～0.0146-0.024Pa)，1.2-1.6×10-4torr(～0.016-0.02Pa)。
本發(fā)明的進一步更具體的公開特點，在于將金屬的氮化物鍍在一個基質(zhì)上的方法，該方法包含了在真空腔體中在金屬物體上產(chǎn)生電弧，以產(chǎn)生金屬離子，并在氮氣存在的情況下，將金屬離子鍍在金屬物體的表面上，其中腔體中的氮氣分壓受到控制，而按照原子數(shù)目計算，金屬氮化物的鍍層包含了8-35％的氮。
這些特點使用了FCVA方法，這個方法對所有的鍍層都是優(yōu)先使用的，而有一個優(yōu)先的鍍層包含了鉻，使用的是鉻金屬作為金屬物體。
在這類的鍍層中，壓力會被累積起來，而對物質(zhì)進行偏壓處理以較少壓力，是備選的。這些方法適當?shù)匕嗽谀硞€電壓下對物體進行偏壓處理，該電壓選自-600V to-4,000V。
組分和鍍層的基質(zhì)本身也形成了本發(fā)明的目的。因此，本發(fā)明也存在于按照本發(fā)明的任何方法而得到的鍍層基質(zhì)。
本發(fā)明的特點組分包含了鉻鍍層和多個氮不足的氮化鉻鍍層輪流或是交替出現(xiàn)的多層鍍層，其中每個鍍層的厚度單獨地位于0.3-5nm(3-50埃)。
對于組分的測試，例如在一個硬鋼鐵基質(zhì)上進行鍍層，顯示了鍍層的硬度至少有15GPa而摩擦系數(shù)為0.4或更低。對于特定的以鉻為基礎(chǔ)的鍍層，硬度可高達20Gpa。本發(fā)明的進一步特點，包含了多個輪流或是交互的鍍層(a)金屬，和(b)至少兩個有不同氣體原子含量的金屬-氣體化合物鍍層。
組分可以是分層的，通常是多層的，而鍍層的厚度可以是獨立地位于0.3-5nm(3-50埃)。
使用FCVA鍍層方法，可以制成高密度的鉻/氮不足的氮化鉻(chrome nitride)鍍層。因此，一個進一步的公開特點是一個包含金屬氮化物鍍層的物質(zhì)，其中，該鍍層的密度至少是金屬氮化物密度的90％，優(yōu)選的是至少95％，優(yōu)選的是至少98％，優(yōu)選的是至少99％。被鍍和被測試的鍍層，幾乎具有該材料的理論密度的100％。這樣的高密度表示了在鍍層中很少有微孔或甚至是沒有微孔，因此表示了一個平坦的，不粘的鍍層。一個特定的鍍層導致了一個包含氮化鉻鍍層的物質(zhì)，其中該鍍層的硬度為15GPa或是更高，摩擦系數(shù)為0.40或是更低，而水接觸角度為90°或更高。
對這些鍍層的一個特定應(yīng)用在于半導體設(shè)備的成型，因此，由本發(fā)明所制成的一個特定物質(zhì)就是使聚合物成型的模具，其鍍有本發(fā)明的任何組分。
用來鍍在此公開的鍍層的FCVA設(shè)備，可以在電鍍腔體內(nèi)包含一個加熱器。該加熱器可以被用來從模具中排除潮氣。一個離子束發(fā)射裝置也可以被用來在電鍍之前，清除和激活基質(zhì)的表面。
在鍍層之前，一個基本的鍍層會被鍍在那個需要鍍層的基質(zhì)上面。典型的，該基本鍍層是被用來鍍層的同種金屬，因此，在鉻/氮不足的氮化鉻鍍層中，基本的鍍層是鉻，而該基本鍍層的厚度可以是10-200nm(100-2,000埃)，通常是大約100nm(1,000埃)。在這個基本鍍層之上，一個鍍層被鍍上，以至于鍍層的總厚度為5微米或更少，優(yōu)先為2微米或更少。
本發(fā)明的一個特點在于，一個公開的鍍層可以有一個10-200nm的基本鍍層，一個200nm-2,000nm的鍍層，接著，備選的，一個100nm-1,000nm的頂端鍍層。這個頂端鍍層典型地是一個化學計量的氮化鉻鍍層。
本發(fā)明的一個特點在于，該鍍層具有(a)底部的鉻金屬鍍層；(b)一個中間鍍層，其含有主要的氮化鉻鍍層，該氮化鉻鍍層的含氮量較低，按照原子數(shù)目，其介于大約5％到大約15％之間，該中間鍍層也含有一個在主要鍍層之上的次要的氮化鉻鍍層，其含氮量較高，按照原子數(shù)目，其介于大約15％和大約25％之間，以及備選(c)一個化學計量CrN鍍層。
屬性我們發(fā)現(xiàn)被公開的鍍層，其水接觸角度大約是95度(有一個實施例，經(jīng)過測量，該角度為94.82度)，顯示了這些鍍層具有相對厭水，不粘的屬性。比較而言，特富龍的水接觸角是大約120度，而已知的硬鉻鍍層的水接觸角是大約75度(典型的為70-80度)。
這些鍍層通常比現(xiàn)有的鍍層有較低的磨損率，顯示了它們更加堅硬，正如摩擦測試所顯示的。公開的鍍層具有的磨損率為大約為10-7mm3/Nm，比已知的硬鉻鍍層所有的典型數(shù)值10-5mm3/Nm更有優(yōu)勢。
在抗粘度測試中，如果我們將硬鉻的數(shù)值歸一化為1，我們發(fā)現(xiàn)這些鍍層的數(shù)值為大約0.3。這顯示了與現(xiàn)存的鍍層相比，粘度降低了。一種合適的抗粘度測試包含了將一種聚合物成型在一個鍍有測試鍍層的模具表面。一個擠出孔被用來將材料從模具中擠出，該擠出所需要的力被測量并按照標準的表面(例如硬鉻)而歸一化。公開特點中的鍍層數(shù)值小于1，因此顯示了抗粘度屬性得到了改善。
偏壓處理本發(fā)明的一個特定的特點，(在下面得到了更具體的描述)，在于對金屬鍍層進行電鍍時，對該物質(zhì)進行了偏壓處理，條件是大約-1500伏特，脈沖在2kHz，每個脈沖為20微秒。然而，這個偏壓處理可以有所變化。對物質(zhì)進行偏壓處理，其優(yōu)勢在于我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過偏壓處理的鍍層顯示了，在處于一個外部力量的情況下，與沒有經(jīng)過偏壓處理的鍍層相比，其壓力降低了。
對于鍍上鍍層而言，偏壓處理不是必須的，但是一種優(yōu)先的方法使用的偏壓脈沖數(shù)值為-300V到-4000V，-300V到-3000V，-300V到-2500V，-300V到-2000V，-300V到-1500V，-300V到-1000V，-500V到-4000V，-1000V到-4000V，-1500V到-4000V，-2000V到-4000V，-2500V到-4000V，和-3000V到-4000V。本發(fā)明的一個特定特點，在于偏壓脈沖介于-800V到-3000V之間。
在以下詳細描述的特定特點中，電鍍含氮的金屬鍍層時，偏壓大約是-2400V，脈沖為2kHz，每個脈沖為20微秒。這個偏壓也可以改變。該偏壓優(yōu)先位于-500和-5000V之間，更優(yōu)先位于-1000和-4000V之間。
偏壓的頻率和脈沖持續(xù)時間也是可以改變的。典型的頻率介于0.5和10kHz之間，而典型的脈沖持續(xù)時間介于2和50微秒之間。


附圖顯示了一個公開的特點，被用來解釋該公開特點的原理。然而，我們要理解，這些圖只是為了演示的目的而設(shè)計的，而不是對本發(fā)明的局限性的定義。
圖1是一個FCVA裝置的示意圖，其被用來按照一個公開的特點而為一個物質(zhì)鍍層；圖2顯示了在抗粘度測試設(shè)備中的，通過本發(fā)明所公開的方法而形成的氮化鉻鍍層，或是文獻記載的硬鉻鍍層，其附在一個在模具中形成的聚合物基質(zhì)上；圖3顯示了在抗粘度測試設(shè)備中的，通過本發(fā)明所公開的方法而形成的氮化鉻鍍層，或是文獻記載的硬鉻鍍層，其附在一個從圖4的模具中被取出的聚合物物質(zhì)上；以及圖4顯示了在另一個公開的特點中形成的多鍍層的示例特點。
實施例鍍層在US 6031239和EP 0811237中描述的FCVA裝置，在這里被用來在物體上電鍍鉻/氮不足的氮化鉻鍍層，而該物體被固定在電鍍腔體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)式傳送帶上。
參照圖1，被用來實現(xiàn)本發(fā)明的裝置的示意圖為1，其包含一個過濾陰極真空電弧2以將離子鍍在位于電鍍腔體4中的旋轉(zhuǎn)的基質(zhì)固定器3上的基質(zhì)上，該腔體是FCVA2的真空腔體的連續(xù)?；|(zhì)固定器3由馬達3a驅(qū)動。加熱器5位于電鍍腔體4內(nèi)，對基質(zhì)加熱，例如在電鍍前除去潮氣。氮氣的輸入管道8將氮氣通過控制閥8a從氮氣罐8b充入腔體。一個系統(tǒng)控制器6控制著操作(i)FCVA 2(由虛線6a表示)；控制閥8a(由虛線6b表示)；馬達3a以轉(zhuǎn)動基質(zhì)固定器和偏壓裝置7(以虛線6c表示)。一個散熱監(jiān)視器9位于管道12a上，以監(jiān)視排出腔體4的氣體，以決定其中的氮氣含量，并允許控制器6來調(diào)整控制閥8a。泵12位于管道12a上，提供了腔體4內(nèi)的真空環(huán)境，并由控制器所控制。
在這樣的裝置中，當基質(zhì)固定器以恒定的速度轉(zhuǎn)動時，金屬和金屬化合物鍍層的各自的厚度比率是一個整數(shù)。在對鍍層進行測試時，鉻/氮化鉻化合物鍍層以1∶2的比率被鍍在基質(zhì)上，盡管這個比率是可以改變的。
在鍍層時，該FCVA和電鍍腔體處于持續(xù)的排氣狀態(tài)，因此在腔體中對氮氣的加入控制了氮氣的分壓，以及氮化物鍍層中的氮的含量。控制器6被當作物質(zhì)流動控制器來使用，以標準的立方分米SCCM進行標定。在使用時，氮氣以6SCCM通入腔體，形成的分壓為大約1×10-4torr(～1.33×10-2Pa)，而從理論上來看，這是氮氣過量了，因為只有一部分的氮氣和金屬離子發(fā)生了反應(yīng)，一個氮化鉻鍍層形成了，該氮化鉻鍍層所含的氮的含量少于化學計量的含氮量。
該FCVA使用鉻作為目標物體進行操作，條件是直流電100A-180A，優(yōu)先為140A-180A。該目標物體的直徑為70mm，而目標物體和電鍍腔體之間的FCVA管道，其直徑為200mm。旋轉(zhuǎn)式傳送帶的直徑為700mm，轉(zhuǎn)速為0.83rpm(每轉(zhuǎn)50秒)。該FCVA運作50秒來鍍含鉻的鍍層(厚度大約1nm)，運作100秒來鍍含氮的鉻鍍層(厚度大約2nm)。在電鍍金屬鍍層時，基質(zhì)在-1500volts，脈沖在2kHz，每個脈沖20微秒的條件下，經(jīng)過偏壓處理。
起始的基本的鉻鍍層的厚度為大約100nm(1,000埃)。在此之后，氮氣以特定的速度被通入真空腔體中，并且電鍍主要的氮化鉻鍍層，該鍍層比CrN的化學計量數(shù)目含有較少的氮的含量。操作真空泵，以產(chǎn)生大約10-6torr(～1.33×10-4Pa)的真空，在鉻鍍層中不斷地加入非常少量的氮氣(大約1％)。主要的氮化鉻鍍層的含氮量大約為12％(也就是Cr0.88N0.12)。
在形成主要的氮化鉻鍍層后，真空度被降低，以允許更多的氮氣進入腔體，大約在1.5％，以將氮加入鉻鍍層。次要的氮化鉻鍍層的含氮量是大約17％(也就是Cr0.83N0.17)。所以，次要的鉻鍍層中氮的含量要高于主要的鉻鍍層。這兩個形成了的主要的和次要的鉻鍍層與化學計量CrN相比，氮的含量均不足。
為了電鍍交替的鉻鍍層，氮氣的通入被停止，氮氣的分壓迅速地掉到了0.01mtorr(～1.33mpa)或以下。
離開FCVA導管的等離子體，在30Hz下被掃描到直徑為大約10cm，而電鍍繼續(xù)進行三個小時，導致了鍍層的厚度為大約0.8微米，對應(yīng)的電鍍速度為大約每秒1埃。300nm厚的氮不足的氮化鉻頂層鍍層，在此時被鍍在多層的鍍層上。
該鍍層由如下屬性
厚度 1微米水結(jié)束角 94.82度磨損率 10-7mm3/Nm摩擦系數(shù) 0.20硬度 20GPa抗粘度測試 0.3(在測試中，硬鉻的數(shù)值被歸一為1)。
抗粘度測試參照圖2和3，一個環(huán)氧類的聚合物20在模具21中成型，模具具有鋼的表面22，其上鍍有(1)按照上述的實施例而預(yù)備的鍍層，或是(2)文獻中記載的硬鉻鍍層23。該鋼鐵的表面是一個磁盤的樣子，中間有一個擠出口24，擠出口的尾端與鍍層的頂端25差不多高。在成型后，上半部分的模具被移開(參照圖3)，讓成型后的材料留在鍍層的鋼磁盤上。需要加在擠出口上的，要將成型的材料推出模具表面的力量，得到了測量。將成型的材料推出具有硬鉻表面的模具，所需要的力量被歸一化為1。使用這個測試，本發(fā)明的鍍層的數(shù)值為1/3，顯示了與硬鉻鍍層相比，該鍍層有較低的粘度。
實施例2在該裝置中，又形成了另一個鍍層，體制造條件與實施例1相同，不同的是，這次有多個氮化鉻化合物鍍層被鍍在鉻金屬上，而這些鍍層的含氮量小于化學計量CrN的含氮量。參照圖4，鍍層的構(gòu)成為(a)底層(q)鉻(Cr)金屬；(b)中間層，含有多個氮化鉻鍍層，其含氮量小于化學計量氮化鉻(CrN)；和(c)化學計量氮化鉻(CrN)頂層。
鉻金屬底層q是在真空的條件下被鍍在一個金屬的物質(zhì)上而形成的，其厚度為0.1μm。
中間層P包含了一個低含氮量(low nitrogen)的副層(L)，其由n個氮化鉻的鍍層構(gòu)成，這些鍍層的含氮量按照原子數(shù)目計算，在大約5％到大約15％。副層L中的各層是在將腔體4內(nèi)的含氮量從0.8×10-4torr增加到1×10-4torr(1.066×10-2Pa到1.33×10-2Pa)時逐個形成的，而各層中的含氮量也依次提高。所形成的副層(L)中的各層1，2，3，4....n大約是這樣的Cr(1-X1)NX1＝Cr0.95N0.5；Cr(1-X2)NX2＝Cr0.97N0.03；Cr(1-X3)NX3＝Cr0.9N0.1；Cr(1-X4)NX4＝Cr0.89N0.11；.....Cr(1-Xn)NXn＝Cr0.85N0.15。中間層P也包含了一個高含氮量的副層(H)，其由m個氮化鉻的鍍層構(gòu)成，這些鍍層的含氮量按照原子數(shù)目計算，在大約15％到大約25％。副層H中的各層是在將腔體4內(nèi)的含氮量從1×10-4torr增加到1.3×10-4torr(1.33×10-2Pa到1.73×10-2Pa)時逐個形成的，而各層中的含氮量也依次提高。所形成的副層(H)中的各層1，2，3，4....m大約是這樣的Cr(1-Y1)NY1＝Cr0.84N0.16；Cr(1-Y2)NY2＝Cr0.82N0.18；Cr(1-Y3)NY3＝Cr0.8N0.2；Cr(1-Y4)NY4＝Cr0.77N0.23；.....Cr(1-Ym)NYm＝Cr0.75N0.25。
在副層H和L中的每一層，其厚度都是大約0.1nm，最后形成厚度為0.9微米的中間層P。
最高層的化學計量氮化鉻CrN(Z)的厚度為0.5μm。它是通過將氮氣的分壓增加到1.4×10-4torr(1.866×10-2Pa)以上而形成的。因此，鍍層的總體厚度為1.5μm。
最后形成的薄膜鍍層顯示了粘度的降低，良好的硬度，以及鍍層壓力的減少。
本發(fā)明的公開特點的鍍層在為金屬模具提供一個堅硬的，不粘的鍍層方面特別有用。這類金屬模具被用來塑造塑料材料，特別是含環(huán)氧的塑料。然而，這些鍍層可以被用在大量的應(yīng)用方面，包括橡膠成型和各種各樣其它聚合物成型所用的模具方面。這些鍍層也可以用在家庭中，例如燉鍋和其它廚房用品，也可以用在加熱的元件上，例如那些熱水壺和其它熱水器。這些鍍層也可以鍍在玻璃和塑料上，因為對物質(zhì)進行偏壓處理對于這些鍍層來說，不是必要的。
多層的金屬氮化物鍍層，相對于化學計量金屬氮化物，有較低的含氮量，產(chǎn)生的鍍層相對于化學計量氮化物鍍層，有較小的壓力，并且有良好的硬度。
值得注意的是，本發(fā)明所公開的方法對已知的電鍍技術(shù)提供了一個有用的替代方法，以產(chǎn)生堅硬的鉻鍍層。而且，本發(fā)明所公開的方法提供了一個堅硬的鉻鍍層，其能夠薄而均勻地覆蓋在基質(zhì)的表面。所以，該方法克服了現(xiàn)有的硬鉻技術(shù)所存在的，鍍層不均勻，而且基質(zhì)表面有凹陷等等問題。
值得注意的是，通過該公開的方法制成的薄膜鍍層，其硬度要勝于已知的電鍍技術(shù)所制成的鍍層。
明顯的，對于本專業(yè)的普通技術(shù)人員，在閱讀了以上的公開說明后，在不偏離本發(fā)明的中心和范圍的情況下，對于本發(fā)明的各種其它改動和應(yīng)用，都是明顯的。而這類改動和應(yīng)用都在所附的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成金屬鍍層的方法，包含步驟(a)在目標金屬上產(chǎn)生一個電弧，以在一個處于充分的真空環(huán)境或是充分的惰性環(huán)境下的腔體內(nèi)，制造金屬離子；(b)將金屬離子鍍在一個物質(zhì)的表面，以在其上形成一個金屬鍍層；以及(c)控制腔體中的氣體數(shù)量，以在該金屬鍍層上形成一個主要的金屬-氣體化合物鍍層，并且在該主要的金屬-氣體化合物鍍層上，形成一個次要的金屬-氣體化合物鍍層，其中該主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層，有不同的氣體原子含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(d)在該次要的金屬-氣體復(fù)合鍍層上，鍍上一個或是多個額外的金屬-氣體化合物鍍層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該一個或是多個額外的金屬-氣體化合物鍍層，與該主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層中的至少一個，所含的氣體原子含量，互不相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該主要鍍層含有的氣體原子含量，少于該次要鍍層含有的氣體原子含量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(e)從氮原子(N)，氧原子(O)，氫原子(H)，硫原子(S)及其混合物所組成的組中選擇氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(f)從氮氣(N2)，氧氣(O2)，氫氣(H2)，氮氣的氧化物(nitrogen oxides)，硫的氧化物(sulfur oxides)，氫氣的硫化物(hydrogen sulfides)，氨氣(NH3)及其混合物中，選擇氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(g)從金屬氮化物(metal nitrides)，金屬亞胺羧(metal imides)，金屬酰胺(metal amides)，金屬氧化物(metal oxides)，金屬氫化物(metalhydrides)和金屬硫化物(metal sulfides)中，選擇金屬-氣體化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(h)從元素周期表的第三副族(IIIB)，第四主族(IVA)和第六主族(VIA)中，選擇金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包含步驟(hl)從鉻(Cr)，鈦(Ti)，鋁(Al)，鉭(Ta)和鋯(Zr)中選擇金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層，至少有一個的總體成分由該普遍的分子式來表示MxGy其中，M代表金屬化合物鍍層中的一個或是多個金屬原子；G代表金屬化合物鍍層中的一個或是多個氣體原子；x代表金屬化合物鍍層中，金屬原子的分數(shù)；y代表金屬化合物鍍層中，氣體原子的分數(shù)；而x+y＝1。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包含步驟(i)在以下范圍中選擇y的數(shù)值0.08到0.35，0.08到0.30，0.08到0.25，0.08到0.2，0.08到0.18，0.08到0.16，0.08到0.15，0.08到0.14，0.08到0.13，0.08到0.12，以及0.08到0.11。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包含步驟(j)在以下范圍中選擇x的數(shù)值0.92到0.65，0.92到0.7，0.92到0.75，0.92到0.8，0.92到0.82，0.92到0.84，0.92到0.85，0.92到0.86，0.92到0.87，0.92到0.88以及0.92到0.89。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包含步驟(k)從CrxNy；TixNy；(TiAl)xNy；TaxNy和TixOy中選擇MxGy。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該主要和次要的金屬-氣體化合物鍍層，至少有一個其厚度位于0.3nm到6nm(3-60埃)之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制步驟(c)包含了步驟(c1)控制真空腔體中的氣體分壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中控制步驟包含了步驟(c2)在真空腔體內(nèi)設(shè)定氣體分壓在0.5×10-4torr到5×10-4torr(～0.0067Pa到0.067Pa)的范圍之內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(l)將基質(zhì)(substrate)進行偏壓處理。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中偏壓步驟(1)包含步驟(11)將基質(zhì)在300V到-4000V的范圍內(nèi)進行偏壓處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包含步驟(m)選擇鉻(chrome)作為該金屬；以及(n)選擇氮化鉻(chrome nitride)作為該金屬-氣體化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包含步驟(o)在主要的氮化鉻鍍層中，在8％到35％，8％到30％，9％到20％，以及8％到16％的范圍之間，按照原子數(shù)目來選擇氮氣原子的含量。
21.一被鍍層的基質(zhì)，包含一基質(zhì)(substrate)；一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的被鍍層的基質(zhì)，進一步包含了鍍在該次要的金屬-氣體化合物鍍層上的，一個或是多個額外的金屬-氣體化合物鍍層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的基質(zhì)，其中該一個或是多個額外的金屬-氣體化合物鍍層，與該主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層中的至少一個，所含的氣體原子含量，互不相同。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中該主要鍍層含有的氣體原子含量小于該次要鍍層含有的氣體原子含量。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中金屬-氣體化合物含有選自氮(N)，氧(O)，氫(H)，和硫(S)的氣體原子。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中含有選自金屬氮化物，金屬亞胺羧，金屬酰胺，金屬氧化物，金屬氫化物和金屬硫化物的金屬-氣體化合物。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中金屬選自元素周期表的第三副族，第四主族和第六主族。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中金屬選自鉻(Cr)，鈦(Ti)，鋁(Al)和鉭(Ta)。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中主要的和次要的金屬-氣體化合物鍍層，至少有一個的總體成分由該普遍的分子式來表示MxGy其中，M代表金屬化合物鍍層中的一個或是多個金屬原子；G代表金屬化合物鍍層中的一個或是多個氣體原子；x代表金屬化合物鍍層中，金屬原子的分數(shù)；y代表金屬化合物鍍層中，氣體原子的分數(shù)；而x+y＝1。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的基質(zhì)，其中y的數(shù)值選自0.08到0.35，0.08到0.30，0.08到0.25，0.08到0.2，0.08到0.18，0.08到0.16，0.08到0.15，0.08到0.14，0.08到0.13，0.08到0.12，以及0.08到0.11。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的基質(zhì)，其中x的數(shù)值選自0.92到0.65，0.92到0.7，0.92到0.75，0.92到0.8，0.92到0.82，0.92到0.84，0.92到0.85，0.92到0.86，0.92到0.87，0.92到0.88以及0.92到0.89。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的基質(zhì)，其中金屬-氣體化合物選自CrxNy；TixNy；(TiAl)xNy；TaxNy和TixOy及其混合物。
33.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中該主要和次要的金屬-氣體化合物鍍層，至少有一個其厚度位于0.3nm到6nm(3-60埃)之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中金屬-氣體化合物是氮化鉻。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的基質(zhì)，其中主要的氮化鉻鍍層中的氮氣原子含量，按照原子數(shù)目，選自8％到35％，8％到30％，9％到20％，以及8％到16％。
36.根據(jù)權(quán)利要求21所述的基質(zhì)，其中該主要和次要的金屬-氣體化合物鍍層是通過過濾陰極真空弧過程(Filtered Cathodic Vacuum Arc Process)而形成的。
37.一多鍍層基質(zhì)，包含一基質(zhì)；一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；以及鍍在該金屬鍍層上的多個金屬-氣體化合物鍍層，該多個鍍層中，至少有兩個鍍層含有不同的氣體原子含量。
38.通過過濾陰極真空弧過程而形成的多鍍層基質(zhì)，包含一基質(zhì)；一鍍在該基質(zhì)上的金屬鍍層；以及鍍在該金屬鍍層上的多個金屬-氣體化合物鍍層，該多個鍍層中，至少有兩個鍍層含有不同的氣體原子含量。
39.一用于基質(zhì)的多層鍍層，包含一金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
40.一用于基質(zhì)的一鍍層，包含一金屬鍍層；一鍍在該金屬鍍層上的主要金屬-氣體化合物鍍層；以及一鍍在該主要金屬-氣體化合物鍍層上的次要金屬-氣體化合物鍍層，該次要金屬-氣體化合物鍍層與該主要的金屬-氣體化合物鍍層相比，有不同的氣體原子含量。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的鍍層，包含多個金屬鍍層，與該主要和次要的金屬-氣體化合物鍍層交替出現(xiàn)。
42.一鍍有根據(jù)權(quán)利要求40所述的鍍層的物質(zhì)。
43.一鍍有根據(jù)權(quán)利要求40所述的鍍層的模具。
全文摘要
一種形成金屬鍍層的方法，包含步驟(a)在目標金屬上產(chǎn)生一個電弧，以在一個處于真空環(huán)境或是惰性環(huán)境下的腔體內(nèi)，制造金屬離子；(b)將金屬離子鍍在一個物質(zhì)的表面，以在其上形成一個金屬鍍層；以及(c)控制腔體中的氣體數(shù)量，以在該金屬鍍層上形成一個主要的金屬－氣體化合物鍍層，并且在該主要的金屬－氣體化合物鍍層上，形成一個次要的金屬－氣體化合物鍍層，其中該主要的和次要的金屬－氣體化合物鍍層，有不同的氣體原子含量。
文檔編號C23C16/34GK1916238SQ20061010389
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者史旭, 謝麗康 申請人:納峰科技私人有限公司