不銹鋼表面真空蒸鍍銅合金仿金薄膜

楊保健*，陳玉華，何鑫

（1.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 5240573；3.五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020）

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【工藝開(kāi)發(fā)】

不銹鋼表面真空蒸鍍銅合金仿金薄膜

楊保健1，*，陳玉華2，何鑫3

（1.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 5240573；3.五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020）

為了解決目前電鍍技術(shù)制備銅合金仿金薄膜時(shí)“三廢”對(duì)環(huán)境的污染，采用“真空蒸鍍 + 退火”工藝，以黃銅和鋁青銅為靶材，在 304不銹鋼基片上制備銅合金仿金薄膜。通過(guò)電子比色卡和比色軟件對(duì)薄膜表面色澤進(jìn)行分析，以正交試驗(yàn)研究了真空度、退火溫度、兩種銅合金的質(zhì)量份數(shù)對(duì)所制薄膜色澤的影響。結(jié)果表明，退火溫度對(duì)仿金薄膜成色影響顯著。制備仿金銅合金薄膜的最佳工藝條件為：真空室氣壓7 × 10-3Pa，黃銅與鋁青銅的質(zhì)量份數(shù)比10∶1，退火溫度410 °C。所得膜層的顏色可與16K-24K黃金相媲美。

不銹鋼；仿金薄膜；黃銅；鋁青銅；真空蒸鍍；退火；正交試驗(yàn)

First-author's address: School of Mechatronic Engineering， Wuyi University， Jiangmen 529020， China

隨著人們生活水平逐步提高，人們對(duì)產(chǎn)品的外觀裝飾要求越來(lái)越高。金是一種色澤瑰麗奪目、化學(xué)性能穩(wěn)定的貴金屬，但非常昂貴，用于裝飾極不現(xiàn)實(shí)［1］。尋求價(jià)格低廉且性能類似金的代用品，制作各種功能或裝飾性物品已成為迫切的需要。仿金飾品材料是代替黃金的有效材料，有“人造金”之美稱，其顏色可與16K-22K黃金的色澤相媲美，而且有較好的耐蝕性、耐磨性和加工性能［2］。

仿金工藝主要有4種：真空鍍銅合金或氮化鈦，多種鍍層組合仿金工藝，鍍厚黃銅后拋光，電泳仿金色漆。在這些工藝中，目前研究和應(yīng)用較多的是第一種。該工藝在真空中進(jìn)行，金屬蒸氣到達(dá)基材表面不會(huì)被氧化，且沉積速率快，操作簡(jiǎn)便。真空鍍仿金膜廣泛應(yīng)用于塑料件、日用五金件等制品［3］。目前，工業(yè)上大多采用氮化鈦在基材表面制備仿金鍍層。氮化鈦涂層的膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨，但鈦材成本高，沉積速率較低［4］。

與氮化鈦仿金膜相比，真空鍍銅基仿金膜具有加工效率高、工藝成本低、原材料熔點(diǎn)低、仿金膜色澤可定量控制等優(yōu)點(diǎn)。目前，銅基仿金合金的研究主要針對(duì)黃銅系以及青銅系。Zn能使赤紅色的銅變?yōu)辄S色，是產(chǎn)生金黃色澤的主要元素。Al能明顯提高黃銅的力學(xué)性能以及耐腐蝕能力，同時(shí)影響黃銅的色度［5］。

基于此，本文創(chuàng)新性地將真空蒸鍍技術(shù)引入到不銹鋼表面銅基仿金薄膜的制備中，展開(kāi)相關(guān)工藝研究，這將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外采用真空蒸鍍法制備不銹鋼表面仿金薄膜的研究空白。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料及儀器

采用黃銅（即Cu-Zn合金H62，含Cu 60.5% ～ 63.5%、Ni 0.5%、Fe 0.15%、Pb 0.08%、Zn余量）和鋁青銅（即Cu-Al合金QA17，含Al 6.0% ～ 8.5%、Fe 0.5%、Ni 0.5%、Zn 0.2%、Si 0.1%、Pb 0.02%、Cu余量）作為靶材，基片選用尺寸為30 mm × 60 mm × 0.2 mm的304不銹鋼。實(shí)驗(yàn)所用蒸鍍?cè)O(shè)備為安徽嘉碩真空科技有限公司的JSD400-Z多功能高真空熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)（如圖1所示），自行設(shè)計(jì)的真空蒸鍍電感加熱蒸發(fā)器如圖2所示。

圖1 多功能高真空熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)Figure 1 Multifunctional high-vacuum evaporation coating machine

圖2 電感加熱蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of induction heating evaporator

1. 2 鍍制過(guò)程

首先依次用丙酮、酒精、去離子水對(duì)不銹鋼基片作超聲波清洗，各10 min。然后放入烤箱，在120 °C烘干后置于基片架上。在兩個(gè)加熱子上分別纏繞上黃銅絲和鋁青銅絲，在真空度達(dá)到相應(yīng)設(shè)定值時(shí)，經(jīng)電感加熱至大約1 000 °C，分餾出的Cu、Zn、Al、Ni等原子相互作用并沉積在基片上，生成仿金薄膜。最后把樣片取出，裝在坩堝中，再放入沈陽(yáng)真空技術(shù)研究所的VAF-1212真空退火爐中退火處理。

選用L16（45）正交表來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（如表1所示），考察真空室氣壓、退火溫度以及黃銅與鋁青銅的質(zhì)量份數(shù)對(duì)膜層色澤的影響?？紤]到原材料成分的均勻性及直徑相同（均為0.5 mm）的條件，文中采用長(zhǎng)度代表原材料的份數(shù)。其中，鋁青銅質(zhì)量份數(shù)“1”代表長(zhǎng)度為26 mm的鋁青銅，約0.038 g；黃銅質(zhì)量份數(shù)“1”代表長(zhǎng)度為60 mm的黃銅絲，約0.102 g。

表1　正交試驗(yàn)方案Table 1 Scheme of orthogonal test

1. 3 性能測(cè)試

使用PowerShot SX50 HS高清相機(jī)在自然光下拍攝所有試樣，然后用GetColor取色軟件取5點(diǎn)色值求平均。由于所取色值為RGB顏色空間，為了更接近人類的感觀，把色值從RGB顏色空間轉(zhuǎn)到HSV顏色空間［6］。

用歐氏距離?S（即色差）來(lái)衡量樣片（H樣，S樣，V樣）與標(biāo)準(zhǔn)金色（H準(zhǔn)，S準(zhǔn)，V準(zhǔn)）的相似度［7］：

?S越小，相似度越高。

2　結(jié)果與討論

通過(guò)正交試驗(yàn)獲得16枚樣片，其結(jié)果如表2和圖3所示，方差分析（ANOVA）結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of orthogonal test

圖3　不同因素對(duì)色差的影響Figure 3 Effects of different factors on color difference

表3　正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test

從表2可以看出，11號(hào)試樣的仿金薄膜顏色可與16K-24K黃金的色澤相媲美。從表3可看出在95%的置信水平上，B因素（即退火溫度）對(duì)制備仿金不銹鋼的影響非常顯著。黃銅與鋁青銅質(zhì)量份數(shù)對(duì)其影響次之。

由圖3可確定最優(yōu)的工藝條件為A3B3C2D1。在該條件下所得仿金薄膜顏色如圖4所示，其色差為1.02，即在真空度7 × 10-3Pa及退火溫度410 °C的條件下，黃銅與鋁青銅質(zhì)量份數(shù)比為10∶1時(shí)所得仿金薄膜的顏色比3∶1時(shí)更接近16K-24K黃金的顏色。

圖4 優(yōu)化工藝所得仿金銅合金薄膜的顏色Figure 4 Color of the gold-imitation copper alloy thin film produced by the optimized process

3　結(jié)論

在304不銹鋼基片上采用“真空蒸鍍 + 退火”的工藝制備銅合金仿金鍍層，通過(guò)進(jìn)行正交試驗(yàn)，以電子比色卡和比色軟件對(duì)薄膜表面色澤進(jìn)行分析研究，得到以下結(jié)論：

（1） 該工藝可在不銹鋼表面制備仿金薄膜，且在真空室氣壓為7 × 10-3Pa，黃銅與鋁青銅質(zhì)量份數(shù)比為10∶1，退火溫度為410 °C的條件下制備的仿金薄膜顏色可與16K-24 K黃金的色澤相媲美。

（2） 仿金薄膜的顏色相似度受真空室氣壓、退火溫度以及黃銅與鋁青銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)比影響，其中退火溫度對(duì)仿金薄膜顏色相似度的影響最為顯著。

［1］ 馬雅琳， 王云燕， 秦毅紅. 仿金電鍍工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］. 電鍍與精飾， 1999， 21 （3）: 16-19.

［2］ 馬光. 提高仿金飾品材料性能的幾個(gè)途徑［J］. 稀有金屬材料與工程， 1989 （5）: 74-76.

［3］ 高元成. 金屬表面仿金鍍層技術(shù)進(jìn)展［J］. 表面技術(shù)， 1989 （3）: 28-32.

［4］ 馬沖. 氮化鈦仿金涂層工藝［J］. 材料保護(hù)， 1987 （1）: 33-35， 38.

［5］ 向雄志， 馬松峰， 白曉軍. 鋁黃銅仿金合金色度研究［J］. 特種鑄造及有色合金， 2011， 31 （9）: 874-877.

［6］ TAKENO T， MIKI H， SUGAWARA T， et al. A DLC/W-DLC multilayered structure for strain sensing applications ［J］. Diamond and Related Materials， 2008，17 （4/5）: 713-716.

［7］ 張忠林， 曹志宇， 李元韜. 基于加權(quán)歐式距離的k_means算法研究［J］. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2010， 31 （1）: 89-92.

［ 編輯：溫靖邦 ］

Gold-imitation copper alloy thin film prepared by vacuum evaporation on stainless steel

YANG Bao-jian， CHEN Yu-hua， HE Xin

To reduce the environment pollution caused by wasted water， gases and solids during the electroplating process of gold-imitation copper alloy coatings on 304-type stainless steel substrate， the vacuum evaporation with brass and aluminum bronze as targets and annealing technologies were adopted. The color and luster of the gold-imitation thin films prepared were analyzed using electronic color cards and colorimetry software， and their dependence on vacuum degree， annealing temperature and mass ratio of the two copper alloys were studied by orthogonal test. The results showed that annealing temperature has a great effect on the color of gold-imitation thin films. The optimal process conditions for preparing gold-imitation copper alloy thin films are: pressure of vacuum chamber 7×10-3Pa， mass ratio of brass to aluminum bronze 10:1 and annealing temperature 410 °C. The color of the thin films obtained thereunder is comparable with that of 16K to 24K gold.

stainless steel； gold-imitation thin film； brass； aluminum bronze； vacuum evaporation； annealing； orthogonal test

TG177

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0411 - 04

2015-09-29

2016-03-13

五邑大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目（2013zkqd13）；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201511349053）。

楊保?。?982-），男，湖北隨州人，講師，博士，主要從事表面改性與鍍膜技術(shù)研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） kurt.yang@163.com。