杨保健*，陈玉华，何鑫

（1.五邑大学机电工程学院，广东 江门 529020；2.湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 5240573；3.五邑大学应用物理与材料学院，广东 江门 529020）



【工艺开发】

不锈钢表面真空蒸镀铜合金仿金薄膜

杨保健1，*，陈玉华2，何鑫3

（1.五邑大学机电工程学院，广东 江门 529020；2.湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 5240573；3.五邑大学应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

为了解决目前电镀技术制备铜合金仿金薄膜时“三废”对环境的污染，采用“真空蒸镀 + 退火”工艺，以黄铜和铝青铜为靶材，在 304不锈钢基片上制备铜合金仿金薄膜。通过电子比色卡和比色软件对薄膜表面色泽进行分析，以正交试验研究了真空度、退火温度、两种铜合金的质量份数对所制薄膜色泽的影响。结果表明，退火温度对仿金薄膜成色影响显著。制备仿金铜合金薄膜的最佳工艺条件为：真空室气压7 × 10-3Pa，黄铜与铝青铜的质量份数比10∶1，退火温度410 °C。所得膜层的颜色可与16K-24K黄金相媲美。

不锈钢；仿金薄膜；黄铜；铝青铜；真空蒸镀；退火；正交试验

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

随着人们生活水平逐步提高，人们对产品的外观装饰要求越来越高。金是一种色泽瑰丽夺目、化学性能稳定的贵金属，但非常昂贵，用于装饰极不现实［1］。寻求价格低廉且性能类似金的代用品，制作各种功能或装饰性物品已成为迫切的需要。仿金饰品材料是代替黄金的有效材料，有“人造金”之美称，其颜色可与16K-22K黄金的色泽相媲美，而且有较好的耐蚀性、耐磨性和加工性能［2］。

仿金工艺主要有4种：真空镀铜合金或氮化钛，多种镀层组合仿金工艺，镀厚黄铜后抛光，电泳仿金色漆。在这些工艺中，目前研究和应用较多的是第一种。该工艺在真空中进行，金属蒸气到达基材表面不会被氧化，且沉积速率快，操作简便。真空镀仿金膜广泛应用于塑料件、日用五金件等制品［3］。目前，工业上大多采用氮化钛在基材表面制备仿金镀层。氮化钛涂层的膜结构稳定、耐磨，但钛材成本高，沉积速率较低［4］。

与氮化钛仿金膜相比，真空镀铜基仿金膜具有加工效率高、工艺成本低、原材料熔点低、仿金膜色泽可定量控制等优点。目前，铜基仿金合金的研究主要针对黄铜系以及青铜系。Zn能使赤红色的铜变为黄色，是产生金黄色泽的主要元素。Al能明显提高黄铜的力学性能以及耐腐蚀能力，同时影响黄铜的色度［5］。

基于此，本文创新性地将真空蒸镀技术引入到不锈钢表面铜基仿金薄膜的制备中，展开相关工艺研究，这将填补国内外采用真空蒸镀法制备不锈钢表面仿金薄膜的研究空白。

1　实验

1. 1 材料及仪器

采用黄铜（即Cu-Zn合金H62，含Cu 60.5% ～ 63.5%、Ni 0.5%、Fe 0.15%、Pb 0.08%、Zn余量）和铝青铜（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）作为靶材，基片选用尺寸为30 mm × 60 mm × 0.2 mm的304不锈钢。实验所用蒸镀设备为安徽嘉硕真空科技有限公司的JSD400-Z多功能高真空热蒸发镀膜机（如图1所示），自行设计的真空蒸镀电感加热蒸发器如图2所示。

图1 多功能高真空热蒸发镀膜机Figure 1 Multifunctional high-vacuum evaporation coating machine

图2 电感加热蒸发器的结构Figure 2 Structure of induction heating evaporator

1. 2 镀制过程

首先依次用丙酮、酒精、去离子水对不锈钢基片作超声波清洗，各10 min。然后放入烤箱，在120 °C烘干后置于基片架上。在两个加热子上分别缠绕上黄铜丝和铝青铜丝，在真空度达到相应设定值时，经电感加热至大约1 000 °C，分馏出的Cu、Zn、Al、Ni等原子相互作用并沉积在基片上，生成仿金薄膜。最后把样片取出，装在坩埚中，再放入沈阳真空技术研究所的VAF-1212真空退火炉中退火处理。

选用L16（45）正交表来设计实验（如表1所示），考察真空室气压、退火温度以及黄铜与铝青铜的质量份数对膜层色泽的影响。考虑到原材料成分的均匀性及直径相同（均为0.5 mm）的条件，文中采用长度代表原材料的份数。其中，铝青铜质量份数“1”代表长度为26 mm的铝青铜，约0.038 g；黄铜质量份数“1”代表长度为60 mm的黄铜丝，约0.102 g。

表1　正交试验方案Table 1 Scheme of orthogonal test

1. 3 性能测试

使用PowerShot SX50 HS高清相机在自然光下拍摄所有试样，然后用GetColor取色软件取5点色值求平均。由于所取色值为RGB颜色空间，为了更接近人类的感观，把色值从RGB颜色空间转到HSV颜色空间［6］。

用欧氏距离∆S（即色差）来衡量样片（H样，S样，V样）与标准金色（H准，S准，V准）的相似度［7］：

∆S越小，相似度越高。

2　结果与讨论

通过正交试验获得16枚样片，其结果如表2和图3所示，方差分析（ANOVA）结果见表3。

表2　正交试验结果Table 2 Result of orthogonal test

图3　不同因素对色差的影响Figure 3 Effects of different factors on color difference

表3　正交试验方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test

从表2可以看出，11号试样的仿金薄膜颜色可与16K-24K黄金的色泽相媲美。从表3可看出在95%的置信水平上，B因素（即退火温度）对制备仿金不锈钢的影响非常显著。黄铜与铝青铜质量份数对其影响次之。

由图3可确定最优的工艺条件为A3B3C2D1。在该条件下所得仿金薄膜颜色如图4所示，其色差为1.02，即在真空度7 × 10-3Pa及退火温度410 °C的条件下，黄铜与铝青铜质量份数比为10∶1时所得仿金薄膜的颜色比3∶1时更接近16K-24K黄金的颜色。

图4 优化工艺所得仿金铜合金薄膜的颜色Figure 4 Color of the gold-imitation copper alloy thin film produced by the optimized process

3　结论

在304不锈钢基片上采用“真空蒸镀 + 退火”的工艺制备铜合金仿金镀层，通过进行正交试验，以电子比色卡和比色软件对薄膜表面色泽进行分析研究，得到以下结论：

（1） 该工艺可在不锈钢表面制备仿金薄膜，且在真空室气压为7 × 10-3Pa，黄铜与铝青铜质量份数比为10∶1，退火温度为410 °C的条件下制备的仿金薄膜颜色可与16K-24 K黄金的色泽相媲美。

（2） 仿金薄膜的颜色相似度受真空室气压、退火温度以及黄铜与铝青铜质量分数比影响，其中退火温度对仿金薄膜颜色相似度的影响最为显著。

［1］ 马雅琳， 王云燕， 秦毅红. 仿金电镀工艺的现状及发展前景［J］. 电镀与精饰， 1999， 21 （3）: 16-19.

［2］ 马光. 提高仿金饰品材料性能的几个途径［J］. 稀有金属材料与工程， 1989 （5）: 74-76.

［3］ 高元成. 金属表面仿金镀层技术进展［J］. 表面技术， 1989 （3）: 28-32.

［4］ 马冲. 氮化钛仿金涂层工艺［J］. 材料保护， 1987 （1）: 33-35， 38.

［5］ 向雄志， 马松峰， 白晓军. 铝黄铜仿金合金色度研究［J］. 特种铸造及有色合金， 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］ 张忠林， 曹志宇， 李元韬. 基于加权欧式距离的k_means算法研究［J］. 郑州大学学报（工学版）， 2010， 31 （1）: 89-92.

［ 编辑：温靖邦 ］

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

五邑大学博士启动项目（2013zkqd13）；广东省大学生创新训练项目（201511349053）。

杨保健（1982-），男，湖北随州人，讲师，博士，主要从事表面改性与镀膜技术研究。

作者联系方式：（E-mail） kurt.yang@163.com。