碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法

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專利名稱：碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法
技術領域：
本發明涉及一種碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法。
技術背景
隨著人們生活水平的提高，高爾夫球運動也迅速發展起來，市場上對高爾夫球具 的需求量也迅速增加。
高爾夫球桿是高爾夫球運動中的基本裝備，由球頭、桿身、握把組成。高爾夫球頭 對表面質量要求非常嚴格，甚至超過了對航空鈦合金精鑄件的最高質量級別的標準。為了 使高爾夫球頭符合使用要求，往往需要對高爾夫球頭進行表面處理。
表面處理高爾夫球頭的方法以往採用表面電鍍一層純金屬，比如鉻，這種方法嚴 重汙染環境，逐漸被淘汰。
申請號為200610083651. 7、發明名稱為「高爾夫球頭表面硬化處理方法」的中國發 明專利申請於2007年12月5日公開了一種高爾夫球頭表面硬化處理方法，包括一備制高 爾夫球頭的備制步驟，及一光束照射步驟，該光束照射步驟是將該高爾夫球頭置入一充滿 保護性氣體的腔體內，利用一可產生高能量光束的光束產生器照射該高爾夫球頭，藉以進 行熱處理，而使該高爾夫球頭的表面達到硬化的效果。利用該光束產生器的高能量光束照 射於該高爾夫球頭的局部表面，並配合保護性氣體形成保護表面與冷卻效果，達到表面的 硬化並可控制硬化區域與硬化層的深度。但該專利的光束照射設備價格昂貴，難以實施。
還有採用自動沉積塗料、通過化學反應、使塗料自動覆蓋在高爾夫球頭表面的方 法，採用丙稀酸乳液或環氧樹脂為基本材料製作自動沉積塗料，這種方法的缺點在於丙稀 酸乳液自動沉積塗料易產生熱粘冷脆性能，因而抗回粘性和耐熱性均不佳，而且環氧樹脂 自動沉積塗料的戶外耐候性差。
近來也有採用氮化鈦、碳化鈦等單一的金屬化合物塗層，然而這種化合物在組織 結構上易形成間隙相，即形成它們的非金屬元素和金屬元素的原子半徑比值均小於0. 59， (這在金屬學上稱之為間隙相)。因而其性能上存在的共同的特點就是硬而脆，這是因為單 一的金屬化合物塗層在成膜長大過程中都是以柱狀晶粒成膜並長大，為了獲得一定的厚 度，這種垂直於工件表面生長的柱狀晶常常較為發達，在柱狀晶晶粒之間往往存在著較多 的雜質，因此抗晶間腐蝕性能差，表面光潔度不佳，內應力也大，極易剝落。發明內容
本發明需要解決的技術問題就在於克服現有技術的缺陷，提供一種碳氮鈦鉻複合 塗層表面處理高爾夫球頭的方法，所述方法為在真空條件下，將純金屬鈦、鉻和石墨氣化， 然後通入氬氣、氮氣和乙炔氣體，並形成等離子體，通過合金化原理，利用物理氣相沉積的 方法，在高爾夫球頭表面形成一種碳氮鈦鉻的複合塗層。經本發明方法處理後的高爾夫球 頭表面具有珍珠般的亮黑色外觀，具有良好的耐溶劑性能、耐腐蝕性、耐衝擊性能和良好的 金屬附著牢固度。同時，塗層具有良好的綜合機械性能，既具有一定的硬度，又具有一定韌性，完全滿足高爾夫球頭的表面質量要求。
為解決上述問題，本發明採用如下技術方案本發明提供了一種碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法，所述方法為在真空 條件下，將純金屬鈦、鉻和石墨氣化，然後通入氬氣、氮氣和乙炔氣體，並形成等離子體，通 過合金化原理，利用物理氣相沉積的方法，在高爾夫球頭表面形成一種碳氮鈦鉻的複合塗 層。
具體地，所述方法包括下列步驟(一)、設備準備設備包括以下幾個部分1.真空室真空室也稱爐體，是一個用不鏽鋼板焊接而成的真空容器，在真空室頂板上吊裝布置 著多個成對的柱狀中頻磁控靶和一隻柱狀電弧蒸發靶，柱狀中頻磁控靶分別為兩對鈦靶、 一對鉻靶和一對石墨靶；兩對鈦靶分別為1#鈦靶和3#鈦靶，一對鉻靶為4#鉻靶，一對石墨 靶為姊石墨靶，一隻柱狀電弧蒸發靶也稱柱弧；在真空室底板上安裝有用來裝卡高爾夫球頭工件的工件架，工件架成星形輪系分布， 兼有公轉和自轉，轉速為每轉1-2分鐘；2.真空系統由高真空分子泵，低真空羅茨泵和旋片式機械泵，以及閥門管道構成，用以提供塗層工 藝必須的真空室的真空狀態；極限真空度為6X10—4帕，壓升率即漏氣率為每小時小於0. 5 帕；3.供氣系統由高壓氣瓶、質量流量計和不鏽鋼管路構成，為完成塗層工藝提供工作氣體氬氣，及反 應氣體氮氣和乙炔氣。
4.加熱系統在真空室頂板上吊裝布置有輻射管式加熱器和鎧裝熱電偶測溫裝置，以提供塗層工藝 必須的溫度，以保證塗層所需的溫度在室溫至300°C隨意調節；5.供電系統由自動控制電器櫃和動力電源櫃組成；自動控制電器櫃提供設備工作時所需的精準的各種程序動作的控制，如泵，閥門、工件 架旋轉及轉速、供氣等；動力電源櫃提供塗層工藝所需的大功率的動力電源，如柱狀中頻磁控靶電源，直流電 壓20V，電流0-150A ；工件偏置脈衝電源，功率為30千瓦佔空比0 90%可調；供電可分低、 中、高三檔；最高電壓為1200V ；動力電源是產生金屬等離子體不可缺少的動力來源；6.塗層材料塗層材料分為氣體和固體兩類；a)、氣體材料為99.99%高純度氬氣、氮氣和乙炔氣，由市售標準高壓氣瓶提供；b)、固體材料為金屬鈦、金屬鉻和石墨；(二)、工藝流程 1.抽真空抽真空用以獲得起始的真空度，也稱本底真空度；首先開啟低真空旋片式機械泵，粗抽使真空室壓力達2-4帕，然後開啟高真空分子 泵,使真空室壓力達4X 10_3 帕至6. 5X ΙΟ"3帕，同時開啟加熱器，使真空室溫度加熱到 1750C 215°C ；
2.清洗 清洗工件表面1)輝光清洗用氬離子轟擊工件表面往真空室導入氬氣，400sCCm，真空室壓力為2. 1帕；開啟工件偏壓電源，電壓1000V，電流3A，佔空比50%，時間900秒；2)鈦離子轟擊清洗用金屬鈦離子轟擊工件表面，導入真空室氬氣為85 sccm，真空室壓力為UXKT1帕； 開啟柱狀電弧蒸發源電壓25V，電流120A.開啟工件偏壓電源，電壓800V，電流1. 5A，佔空比60%，時間600秒；3)綜合清洗用金屬鈦離子、鉻離子和碳離子共同轟擊清洗工件表面，氬氣增至180 sccm，真空 室壓力為2.8X10—1帕；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V,電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶1#鈦靶電壓483V，電流29. 8A ；3#鈦靶電壓472V，電流29. 8A ；2#石墨靶電壓49IV，電流4. 6A ；4#鉻靶電壓466V，電流17. 7A ；開啟工件偏壓電源，電壓700V，電流6A ；時間480秒；
3.複合塗層第一步氬氣為180 sccm，氣壓3 X KT1帕，開啟始導入氮氣10 sccm;開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓478V，電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓464V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓492V，電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓413V，電流198A ；開啟工件偏壓電源，電壓500V，電流6. 6A，佔空比70%，時間 180秒；第二步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣20 sccm ；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓473V，電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓461V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓493V，電流4. 7A ；開啟4#石墨靶，電壓466V，電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓350V，電流5. 7A ，佔空比70%，時間180秒；第三步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣30 sccm ；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓493V，電流4. 7A ；開啟4#石墨靶，電壓410V,電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓200V，電流5. 4A，佔空比70%，時間240秒；第四步氬氣180 sccm，氣壓3X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣20 sccm ；關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓499V，電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓480V,電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓180V，電流3. 9A，時間180秒；第五步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣40 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. OA ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓506V,電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓482V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓150V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第六步氬氣180 sccm,氣壓3 X KT1帕，氮氣7 sccm,乙炔氣55 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓457V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓505V,電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓486V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓120V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第七步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣70 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓461V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓458V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓477V，電流16. 6A ； 開啟4#石墨靶，電壓500V,電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓 100V，電流3. 9A 佔空比70%，時間180秒；第八步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣85 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓465V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓463V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓502V,電流16. 9A ；開啟4#石墨靶，電壓513V，電流15. 7A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第九步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣100 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓469V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓530V,電流25. 9A ；開啟4#石墨靶，電壓491V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第十步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣115 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓474V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓530V,電流26. OA ；開啟4#石墨靶，電壓523V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第^^一步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣125 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓476V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓523V，電流26. IA ；開啟4#石墨靶，電壓507V,電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒； 第十二步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣135 sccm ； 繼續關閉柱狀電弧蒸發靶； 按下列條件開啟中頻磁控靶 開啟1#鈦靶，電壓472V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ； 開啟2#鉻靶，電壓528V,電流26. IA ； 開啟4#石墨靶，電壓535V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第十三步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣145 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓475V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓529V,電流26. IA ；開啟4#石墨靶，電壓514V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2A，時間180秒；塗層工藝全部完成。
本發明處理後的高爾夫球頭表面具有珍珠般的亮黑色，具有良好的耐溶劑性能， 耐腐蝕性，耐衝擊性能和良好的金屬附著牢固度。塗層具有良好的綜合機械性能，既具有一 定的硬度，又具有一定韌性，完全滿足高爾夫球頭的表面質量要求。
形成多元合金複合金屬化合物以及它們的多層複合膜塗層是本發明的創新點 1.第一層膜的形成在清洗過程中完成。
該層是以鈦膜為主、逐漸向鈦加碳化鉻鈦複合金屬化合物層過渡的混合膜層。
在對工件轟擊清洗的同時，由於工件偏壓較高，以鈦離子轟擊清洗工件為主，但因 柱弧電流較大，所以實際上已有一部分高能的鈦離子開始沉積到工件表面，工件的基材是 鈦合金，它與鈦有很好的親合力，所以結合牢固，為塗層奠定了一個堅實的底層。
在轟擊清洗的後期開啟了中頻磁控鈦靶、鉻靶和石墨靶，在對工件進行鈦離子、鉻 離子和碳離子綜合清洗的同時，開始形成碳化鉻鈦複合金屬化合物，固而純鈦層得到了強 化，它的硬度強度均高於基材，為將要形成的複合塗層提供了很好的過渡層，增強了它和基 材的結合力，但因工件偏壓較高，所以這一層較薄。
2.第二層膜的形成主要在複合塗層的前三步完成。
這一階段中頻磁控靶中的鈦、鉻和石墨及柱弧全部工作，同時導入氮氣而且逐步 增加，所以這一層碳氮鈦鉻膜層開始形成。
3.第三層膜的形成主要是在複合塗層的第四到第六步完成。
這一階段要關閉柱弧，全部由中頻磁控靶完成，而且各自的電壓電流基本保持不 變。氮氣降至7 sccm，保持到全部工藝完成，開始導入乙炔，並有規律的遞增，這是一個穩定 形成碳氮鈦鉻的階段。
4.第四層膜的形成在前一過程的基礎上在複合塗層的第七步到第八步完成。
乙炔氣繼續遞增，石墨靶電流明顯增加，這一層在碳氮鈦鉻的基礎上開始形成非 晶碳膜，但因乙炔氣和石墨電流還較低，因而非晶碳膜是少量的。
5.第五層膜的形成主要由複合塗層中的第九步到第十三步完成。
第五層膜是碳氮鈦鉻加非晶碳膜層，而且非晶碳膜已比前一層多，均勻地覆蓋在 工件表面。
工件表面顏色變成珍珠般的亮黑色，塗層工藝全部結束。
乙炔氣和石墨均可提供碳離子，為了精確控制碳的有序增加，這一階段將石墨靶 電流固定，只通過乙炔氣量的不斷遞增，以保證非晶碳膜的形成，原則是只要在工件表面均 勻覆蓋一層薄薄的非晶碳膜，工藝即可圓滿完成。
乙炔增加必須緩慢有序不可增加過快。
非晶碳膜一但形成，工件表面和爐體內壁電阻會迅速增加，陽極逐漸消失，電子通 道受阻，等離子體失去平衡，工藝進入不穩定狀態，出現表面色差而形成為不良品。
本發明有堅實的碳氮鈦鉻做為基材膜層，非晶碳膜只是使其達到珍珠般的亮黑色 的潤滑層，非晶碳膜層摩擦係數極小，光滑，無指紋效應，是一層極好的裝飾，潤滑層不需要 很厚，因而本發明給出的工藝流程足以滿足高爾夫球頭質量要求。
因而，本發明1.工藝簡單，重顯性好，有利於批量生產。本發明全部在真空條件下建立起等離子體， 利用物理氣相沉積原理完成，無環境汙染，包括無噪聲汙染。
2.物理氣相沉積僅僅在工件上形成幾個微米的複合塗層，綜合性能即可大輻度提 高，減少了鈦合金材料的消耗，同時工藝在真空條件下完成，沒有通常大氣中的氧化鏽蝕帶 來的浪費，同時工藝原材料消耗極少，但卻使球頭價質大幅度提高，美國Adidas公司將其 稱為萬爾黑，一支這樣的R7球頭售價達人民幣1萬元以上，經濟效益顯著。
3.碳氮鈦鉻比單一的氮化鈦、碳化鈦、碳化鉻或氮化鉻性能優越，不僅硬度高而且 內應力小，脆性小，採用了複合塗層，抑制了柱狀晶的生長，固而提高了抗晶間腐蝕能力，是 高爾夫球頭優良的表面塗層，它是在真空條件下利用物理氣相沉積技術在爐內通過合金化 原理獲得的一種新型材料塗層，彌補了目前冶金行業尚未有的產品空白，是高新技術領域 的產物。
4.裝飾效果獨特，具有珍珠般的亮黑色的外觀色著，是目前國際上最時髦的高爾 夫球頭之一。售價極高。
5.塗層硬度高達HM950，耐磨性、耐衝擊性優良。在高爾夫行業中用公認的檢查 方法磨砂法試驗3次，耐磨試驗達10000次，厚度小於一個微米，完全滿足高爾夫球頭的質 量要求。


圖1為本發明所述碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法使用的設備結 構示意圖。
圖2為本發明所述真空室頂板結構示意圖。
具體實施方式
(一)、設備準備如圖1所示，設備包括以下幾個部分 1.真空室1 真空室也稱爐體，是一個用不鏽鋼板焊接而成的真空容器，如圖2所示，在真空室頂板 上吊裝布置著多個成對的柱狀中頻磁控靶和一隻柱狀電弧蒸發靶，柱狀中頻磁控靶分別為兩對鈦靶，一對鉻靶，一對石墨靶；兩對鈦靶分別為1#鈦靶1-1和3#鈦靶1-3，一對鉻靶為 4#鉻靶1-4，一對石墨靶為姊石墨靶1-2，一隻柱狀電弧蒸發靶1-5也稱柱弧；在真空室底板上安裝有用來裝卡高爾夫球頭工件的工件架，工件架成星形輪系分布， 兼有公轉和自轉，轉速為每轉1-2分鐘；
2.真空系統2由高真空分子泵2-1，低真空羅茨泵和旋片式機械泵2-2，以及閥門管道2-3構成，用以 提供塗層工藝必須的真空室的真空狀態；極限真空度為6X10_4帕，壓升率即漏氣率為每小 時小於0. 5帕；
3.供氣系統3由高壓氣瓶3-1、質量流量計3-2和不鏽鋼管路3-3構成，為完成塗層工藝提供工作氣 體氬氣，及反應氣體氮氣和乙炔氣。
4.加熱系統4 在真空室頂板上吊裝布置有輻射管式加熱器4-1和鎧裝熱電偶測溫裝置，以提供塗層 工藝必須的溫度，以保證塗層所需的溫度在室溫至300°C隨意調節；
5.供電系統5:由自動控制電器櫃5-1和動力電源櫃5-2組成；自動控制電器櫃提供設備工作時所需的精準的各種程序動作的控制，如泵，閥門、工件 架旋轉及轉速、供氣等；動力電源櫃提供塗層工藝所需的大功率的動力電源，如柱狀中頻磁控靶電源，直流電 壓20V，電流0-150A ；工件偏置脈衝電源，功率為30千瓦佔空比0、0%可調；供電可分低、 中、高三檔；最高電壓為1200V ；動力電源是產生金屬等離子體不可缺少的動力來源；
6.塗層材料塗層材料分為氣體和固體兩類；a)、氣體材料為99.99%高純度氬氣、氮氣和乙炔氣，由市售標準高壓氣瓶提供；b)、固體材料為金屬鈦、金屬鉻和石墨；(二 )、工藝流程1.抽真空抽真空用以獲得起始的真空度，也稱本底真空度；首先開啟低真空旋片式機械泵，粗抽使真空室壓力達2-4帕，然後開啟高真空分子泵， 使真空室壓力達4X 10_3 帕一6. 5X ΙΟ"3 帕，同時開啟加熱器，使真空室溫度加熱到 1750C "215°C ；2.清洗清洗工件表面1)輝光清洗用氬離子轟擊工件表面往真空室導入氬氣，400sCCm，真空室壓力為2. 1帕；開啟工件偏壓電源，電壓1000V，電流3A，佔空比50%，時間900秒；2)鈦離子轟擊清洗用金屬鈦離子轟擊工件表面，導入真空室氬氣為85 sccm，真空室壓力為1.2X KT1帕；開啟柱狀電弧蒸發源電壓25V，電流120A.
幵啟工件偏壓電源，電壓800V，電流1. 5A，佔空比60%,時間600秒； 3)綜合清洗
用金屬鈦離子、鉻離子和碳離子共同轟擊清洗工件表面，氬氣增至180 sccm，真空 室壓力為2.8X10—1帕；
幵啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V,電流120A ；
按下列條件開啟中頻磁控靶
1#鈦靶電壓483V，電流29. 8A ；
3#鈦靶電壓472V，電流29. 8A ；
2#石墨靶電壓49IV，電流4. 6A ；
4#鉻靶電壓466V，電流17. 7A ；
幵啟工件偏壓電源，電壓700V，電流6A ；時間480秒；
3.複合塗層
第一步氬氣為180 sccm，氣壓3 X ICT1帕，開啟始導入氮氣10 sccm;
開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；
按下列條件開啟中頻磁控靶
幵啟1#鈦靶，電壓478V，電流29. 8A ；
幵啟3#鈦靶，電壓464V，電流29. 8A ；
幵啟2#鉻靶，電壓492V，電流4. 6A ；
幵啟4#石墨靶，電壓413V，電流198A ；
幵啟工件偏壓電源，電壓500V，電流6. 6A，佔空比70%,時間 180秒；
第二步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣20 sccm ；
開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；
按下列條件開啟中頻磁控靶
幵啟1#鈦靶，電壓473V，電流29. 8A ；
幵啟3#鈦靶，電壓461V，電流29. 8A ；
幵啟2#鉻靶，電壓493V，電流4. 7A ；
幵啟4#石墨靶，電壓466V，電流15. 8A ；
開啟工件偏壓電源，電壓350V，電流5. 7A ，佔空比70%，時間180秒；
第三步氬氣180 sccm，氣壓3 X IiT1巾白，氮氣30 sccm；
開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；
按下列條件開啟中頻磁控靶
幵啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. 8A ；
幵啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；
幵啟2#鉻靶，電壓493V，電流4. 7A ；
幵啟4#石墨靶，電壓410V,電流15. 8A ；
開啟工件偏壓電源，電壓200V，電流5. 4A，佔空比70%，時間240秒； 第四步氬氣180 sccm，氣壓3X ICT1巾白，氮氣7 sccm,乙炔氣20 sccm ； 關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；
開啟2#鉻靶，電壓499V，電流4. 6A ；
開啟4#石墨靶，電壓480V,電流15. 8A ；
開啟工件偏壓電源，電壓180V，電流3. 9A，時間180秒；
第五步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣40 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. OA ；
開啟3#鈦靶，電壓456V，電流28. 8A ；
開啟2#鉻靶，電壓506V,電流4. 6A ；
開啟4#石墨靶，電壓482V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓150V,電流3. 9A,佔空比70%,時間180秒；
第六步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣55 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓457V，電流28. 8A ；
開啟2#鉻靶，電壓505V,電流4. 6A ；
開啟4#石墨靶，電壓486V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓120V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；
第七步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣70 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓461V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓458V,電流28. 8A ；
開啟2#鉻靶，電壓477V，電流16. 6A ；
開啟4#石墨靶，電壓500V,電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓 100V，電流3. 9A 佔空比70%，時間180秒；
第八步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣85 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓465V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓463V，電流28. 8A ；
開啟2#鉻靶，電壓502V,電流16. 9A ；
開啟4#石墨靶，電壓513V，電流15. 7A ；
開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒； 第九步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣100 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶； 按下列條件開啟中頻磁控靶 開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ； 開啟3#鈦靶，電壓469V，電流28. 8A ； 開啟2#鉻靶，電壓530V,電流25. 9A ； 開啟4#石墨靶，電壓491V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；
第十步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣115 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓474V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；
開啟2#鉻靶，電壓530V,電流26. OA ；
開啟4#石墨靶，電壓523V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；
第^^一步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣125 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓476V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；
開啟2#鉻靶，電壓523V，電流26. IA ；
開啟4#石墨靶，電壓507V,電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；
第十二步氬氣180 sccm，氣壓3 X ICT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣135 sccm ；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓472V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；
開啟2#鉻靶，電壓528V，電流26. IA ；
開啟4#石墨靶，電壓535V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；
第十三步氬氣180 sccm，氣壓3 X IiT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣145 sccm；
繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；
按下列條件開啟中頻磁控靶
開啟1#鈦靶，電壓475V，電流29. IA ；
開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；
開啟2#鉻靶，電壓529V，電流26. IA ；
開啟4#石墨靶，電壓514V，電流15. 6A ；
開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2k,時間180秒；塗層工藝全部完成。本發明處理後的高爾夫球頭表面具有珍珠般的亮黑色，具有良好的耐溶劑性能， 耐腐蝕性，耐衝擊性能和良好的金屬附著牢固度。塗層具有良好的綜合機械性能，既具有一 定的硬度，又具有一定韌性，完全滿足高爾夫球頭的表面質量要求。形成多元合金複合金屬化合物以及它們的多層複合膜塗層是本發明的創新點 1.第一層膜的形成在清洗過程中完成。該層是以鈦膜為主、逐漸向鈦加碳化鉻鈦複合金屬化合物層過渡的混合膜層。在對工件轟擊清洗的同時，由於工件偏壓較高，以鈦離子轟擊清洗工件為主，但因 柱弧電流較大，所以實際上已有一部分高能的鈦離子開始沉積到工件表面，工件的基材是 鈦合金，它與鈦有很好的親合力，所以結合牢固，為塗層奠定了一個堅實的底層。在轟擊清洗的後期開啟了中頻磁控鈦靶、鉻靶和石墨靶，在對工件進行鈦離子、鉻 離子和碳離子綜合清洗的同時，開始形成碳化鉻鈦複合金屬化合物，固而純鈦層得到了強 化，它的硬度強度均高於基材，為將要形成的複合塗層提供了很好的過渡層，增強了它和基 材的結合力，但因工件偏壓較高，所以這一層較薄。2.第二層膜的形成主要在複合塗層的前三步完成。這一階段中頻磁控靶中的鈦、鉻和石墨及柱弧全部工作，同時導入氮氣而且逐步 增加，所以這一層碳氮鈦鉻膜層開始形成。3.第三層膜的形成主要是在複合塗層的第四到第六步完成。這一階段要關閉柱弧，全部由中頻磁控靶完成，而且各自的電壓電流基本保持不 變。氮氣降至7 sccm，保持到全部工藝完成，開始導入乙炔，並有規律的遞增，這是一個穩定 形成碳氮鈦鉻的階段。4.第四層膜的形成在前一過程的基礎上在複合塗層的第七步到第八步完成。乙炔氣繼續遞增，石墨靶電流明顯增加，這一層在碳氮鈦鉻的基礎上開始形成非 晶碳膜，但因乙炔氣和石墨電流還較低，因而非晶碳膜是少量的。5.第五層膜的形成主要由複合塗層中的第九步到第十三步完成。第五層膜是碳氮鈦鉻加非晶碳膜層，而且非晶碳膜已比前一層多，均勻地覆蓋在 工件表面。工件表面顏色變成珍珠般的亮黑色，塗層工藝全部結束。乙炔氣和石墨均可提供碳離子，為了精確控制碳的有序增加，這一階段將石墨靶 電流固定，只通過乙炔氣量的不斷遞增，以保證非晶碳膜的形成，原則是只要在工件表面均 勻覆蓋一層薄薄的非晶碳膜，工藝即可圓滿完成。乙炔增加必須緩慢有序不可增加過快。非晶碳膜一但形成，工件表面和爐體內壁電阻會迅速增加，陽極逐漸消失，電子通 道受阻，等離子體失去平衡，工藝進入不穩定狀態，出現表面色差而形成為不良品。本發明有堅實的碳氮鈦鉻做為基材膜層，非晶碳膜只是使其達到珍珠般的亮黑色 的潤滑層，非晶碳膜層摩擦係數極小，光滑，無指紋效應，是一層極好的裝飾，潤滑層不需要 很厚，因而本發明給出的工藝流程足以滿足高爾夫球頭質量要求。因而，本發明
1.工藝簡單，重顯性好，有利於批量生產。本發明全部在真空條件下建立起等離子體，利用物理氣相沉積原理完成，無環境汙染，包括無噪聲汙染。2.物理氣相沉積僅僅在工件上形成幾個微米的複合塗層，綜合性能即可大輻度提 高，減少了鈦合金材料的消耗，同時工藝在真空條件下完成，沒有通常大氣中的氧化鏽蝕帶 來的浪費，同時工藝原材料消耗極少，但卻使球頭價質大幅度提高，美國Adidas公司將其 稱為萬爾黑，一支這樣的R7球頭售價達人民幣1萬元以上，經濟效益顯著。3.碳氮鈦鉻比單一的氮化鈦、碳化鈦、碳化鉻或氮化鉻性能優越，不僅硬度高而且 內應力小，脆性小，採用了複合塗層，抑制了柱狀晶的生長，固而提高了抗晶間腐蝕能力，是 高爾夫球頭優良的表面塗層，它是在真空條件下利用物理氣相沉積技術在爐內通過合金化 原理獲得的一種新型材料塗層，彌補了目前冶金行業尚未有的產品空白，是高新技術領域 的產物。4.裝飾效果獨特，具有珍珠般的亮黑色的外觀色著，是目前國際上最時髦的高爾 夫球頭之一。售價極高。5.塗層硬度高達HV2950，耐磨性、耐衝擊性優良。在高爾夫行業中用公認的檢查 方法磨砂法試驗3次，耐磨試驗達10000次，厚度小於一個微米，完全滿足高爾夫球頭的質 量要求。本發明表面處理的高爾夫球頭測試結果如下 塗層厚度0.8微米。用日本美能達測色儀測試L=39. 3，a=0. 5，b=0. 3。標準光源箱顏色比配良好。耐鹽霧腐蝕試驗24小時通過。附著力試驗用3M膠帶測試通過。落沙試驗，3次不露白通過。耐磨試驗500次通過。耐熱試驗3次無剝落通過。以上性能數據滿足高爾夫球頭質量要求。最後應說明的是顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並 非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做 出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引 申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。
權利要求
1.一種碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法，其特徵在於所述方法為在真 空條件下，將純金屬鈦、鉻和石墨氣化，然後通入氬氣、氮氣和乙炔氣體，並形成等離子體， 通過合金化原理，利用物理氣相沉積的方法，在高爾夫球頭表面形成一種碳氮鈦鉻的複合塗層。2.如權利要求1所述的碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法，其特徵在於 所述方法包括下列步驟(一)、設備準備設備包括以下幾個部分1.真空室真空室也稱爐體，是一個用不鏽鋼板焊接而成的真空容器，在真空室頂板上吊裝布置 著多個成對的柱狀中頻磁控靶和一隻柱狀電弧蒸發靶，柱狀中頻磁控靶分別為兩對鈦靶、 一對鉻靶和一對石墨靶；兩對鈦靶分別為1#鈦靶和3#鈦靶，一對鉻靶為4#鉻靶，一對石墨 靶為2#石墨靶，一隻柱狀電弧蒸發靶也稱柱弧；在真空室底板上安裝有用來裝卡高爾夫球頭工件的工件架，工件架成星形輪系分布， 兼有公轉和自轉，轉速為每轉1-2分鐘；2.真空系統由高真空分子泵，低真空羅茨泵和旋片式機械泵，以及閥門管道構成，用以提供塗層工 藝必須的真空室的真空狀態；極限真空度為6X10—4帕，壓升率即漏氣率為每小時小於0. 5 帕；3.供氣系統由高壓氣瓶、質量流量計和不鏽鋼管路構成，為完成塗層工藝提供工作氣體氬氣，及反 應氣體氮氣和乙炔氣；4.加熱系統在真空室頂板上吊裝布置有輻射管式加熱器和鎧裝熱電偶測溫裝置，以提供塗層工藝 必須的溫度，以保證塗層所需的溫度在室溫至300°C隨意調節；5.供電系統由自動控制電器櫃和動力電源櫃組成；自動控制電器櫃提供設備工作時所需的精準的各種程序動作的控制，如泵，閥門、工件 架旋轉及轉速、供氣等；動力電源櫃提供塗層工藝所需的大功率的動力電源，如柱狀中頻磁控靶電源，直流電 壓20V，電流0-150A ；工件偏置脈衝電源，功率為30千瓦佔空比0、0%可調；供電可分低、 中、高三檔；最高電壓為1200V ；動力電源是產生金屬等離子體不可缺少的動力來源；6.塗層材料塗層材料分為氣體和固體兩類a)、氣體材料為99.99%高純度氬氣、氮氣和乙炔氣，由市售標準高壓氣瓶提供；b)、固體材料為金屬鈦、金屬鉻和石墨；(二)、工藝流程1.抽真空抽真空用以獲得起始的真空度，也稱本底真空度；首先開啟低真空旋片式機械泵，粗抽使真空室壓力達2-4帕，然後開啟高真空分子 泵，使真空室壓力達4X10_3帕至6.5X10_3帕，同時開啟加熱器，使真空室溫度加熱到 1750C "215°C ；
2.清洗 清洗工件表面1)輝光清洗用氬離子轟擊工件表面往真空室導入氬氣，400sCCm，真空室壓力為2. 1帕；開啟工件偏壓電源，電壓1000V，電流3A，佔空比50%，時間900秒；2)鈦離子轟擊清洗用金屬鈦離子轟擊工件表面，導入真空室氬氣為85 sccm，真空室壓力為UXKT1帕； 開啟柱狀電弧蒸發源電壓25V，電流120A.開啟工件偏壓電源，電壓800V，電流1. 5A，佔空比60%，時間600秒；3)綜合清洗用金屬鈦離子、鉻離子和碳離子共同轟擊清洗工件表面，氬氣增至180 sccm，真空 室壓力為2.8X10—1帕；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V,電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶1#鈦靶電壓483V，電流29. 8A ；3#鈦靶電壓472V，電流29. 8A ；2#石墨靶電壓49IV，電流4. 6A ；4#鉻靶電壓466V，電流17. 7A ；開啟工件偏壓電源，電壓700V，電流6A ；時間480秒；
3.複合塗層第一步氬氣為180 sccm，氣壓3 X KT1帕，開啟始導入氮氣10 sccm;開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓478V，電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓464V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓492V，電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓413V,電流198A ；開啟工件偏壓電源，電壓500V，電流6. 6A，佔空比70%，時間 180秒；第二步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣20 sccm ；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓473V，電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓461V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓493V，電流4. 7A ；開啟4#石墨靶，電壓466V,電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓350V，電流5. 7A ，佔空比70%，時間180秒；第三步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣30 sccm ；開啟柱狀電弧蒸發靶，電壓25V，電流120A ；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. 8A ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓493V,電流4. 7A ；開啟4#石墨靶，電壓410V,電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓200V，電流5. 4A，佔空比70%，時間240秒；第四步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣20 sccm ；關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流29. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓499V，電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓480V,電流15. 8A ；開啟工件偏壓電源，電壓180V，電流3. 9A，時間180秒；第五步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣40 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓470V,電流29. OA ；開啟3#鈦靶，電壓456V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓506V,電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓482V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓150V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第六步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣55 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓457V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓505V,電流4. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓486V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓120V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第七步氬氣180 sccm,氣壓3 X KT1帕，氮氣7 sccm,乙炔氣70 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓461V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓458V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓477V，電流16. 6A ；開啟4#石墨靶，電壓500V,電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓 100V，電流3. 9A 佔空比70%，時間180秒；第八步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣85 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓465V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓463V,電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓502V,電流16. 9A ；開啟4#石墨靶，電壓513V，電流15. 7A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流3. 9A，佔空比70%，時間180秒；第九步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣100 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓467V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓469V，電流28. 8A ；開啟2#鉻靶，電壓530V,電流25. 9A ；開啟4#石墨靶，電壓491V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第十步氬氣180 sccm，氣壓3X10—1帕，氮氣7 sccm，乙炔氣115 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓474V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓530V,電流26. OA ；開啟4#石墨靶，電壓523V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第^^一步氧氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣125 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓476V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓523V，電流26. IA ；開啟4#石墨靶，電壓507V,電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓100V，電流4. 2k,佔空比70%，時間180秒；第十二步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣135 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓472V，電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V，電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓528V,電流26. IA ； 開啟4#石墨靶，電壓535V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2A，佔空比70%，時間180秒；第十三步氬氣180 sccm，氣壓3 X KT1巾白，氮氣7 sccm，乙炔氣145 sccm ；繼續關閉柱狀電弧蒸發靶；按下列條件開啟中頻磁控靶開啟1#鈦靶，電壓475V,電流29. IA ；開啟3#鈦靶，電壓476V,電流28. 7A ；開啟2#鉻靶，電壓529V,電流26. IA ；開啟4#石墨靶，電壓514V，電流15. 6A ；開啟工件偏壓電源，電壓80V，電流4. 2A，時間180秒；塗層工藝全部完成。
全文摘要
本發明公開了一種碳氮鈦鉻複合塗層表面處理高爾夫球頭的方法，它是在真空條件下，將純金屬鈦，鉻，石墨氣化然後通入氬氣、氮氣和乙炔氣體，並形成等離子體，通過合金化原理，利用物理氣相沉積的方法，在高爾夫球頭表面形成一種碳氮鈦鉻的複合塗層。經本發明方法處理後的高爾夫球頭具有珍珠般的亮黑色外觀，良好的耐溶劑性能、耐腐蝕性、耐衝擊性能和良好的金屬附著牢固度。同時，塗層具有良好的綜合機械性能，既具有一定的硬度，又具有一定韌性，完全滿足高爾夫球頭的表面質量要求。
文檔編號C23C14/06GK102031483SQ20101055067
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者楊子偉, 範文波 申請人:範文波