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        復(fù)合鍍膜技術(shù)在半鈦眼鏡架的研發(fā)及應(yīng)用

        2021-08-31 02:24:30張世黎

        張世黎

        (誠(chéng)益光學(xué)(廈門(mén))有限公司,福建 廈門(mén) 361000)

        0 引言

        金屬材料的化學(xué)鍍技術(shù)、離子鍍技術(shù)均在眼鏡電鍍生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用,來(lái)保證眼鏡產(chǎn)品表面符合人體佩戴和使用需求。隨著半鈦眼鏡架的產(chǎn)生,其復(fù)合鍍膜技術(shù)可以迅速降低成本,達(dá)到各類測(cè)試的要求。因此該技術(shù)得到了各眼鏡制造企業(yè)的廣泛認(rèn)可和推廣。

        1 半鈦眼鏡架

        半鈦眼鏡架的上鏡腿部分是由鈦合金制成,而其他的一些部件是由其他的金屬材料組成,例如框線、鼻梁采用不銹鋼或銅鎳合金制成,鏡腿或鏡腿的部分則是采用鈦合金制成。因?yàn)殓R腿與人體皮膚的接觸面最大,采用這種半鈦結(jié)構(gòu)的眼鏡框具有與人體皮膚親和度高不易過(guò)敏的優(yōu)點(diǎn)。使眼鏡框的鏡腿的部分具有特殊的性能,從而達(dá)到眼鏡框使用的最佳狀態(tài)。眼鏡架表面需要著色,因此不同的材料對(duì)鍍膜技術(shù)也有不同的要求。

        2 復(fù)合鍍膜技術(shù)

        該文論述一種半鈦眼鏡架的復(fù)合鍍膜技術(shù)。首先在半鈦材料表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,作為底鎳以消除半鈦眼鏡架不同材料的性能差異,會(huì)影響后續(xù)真空蒸鍍等表面處理。然后再以真空蒸鍍鍍膜技術(shù)對(duì)半鈦眼鏡架進(jìn)行著色。

        2.1 化學(xué)鍍鎳技術(shù)

        2.1.1 預(yù)鍍鎳總體思路

        半鈦眼鏡架除了鈦合金(表1)外還有其他金屬材料,如銅鎳合金(表2)、不銹鋼(表3)等,若直接在半鈦眼鏡架上進(jìn)行真空蒸鍍等表面處理,各類材質(zhì)很難達(dá)到理想的效果。

        表1 GB/T 3620.1-2007 鈦合金 主要化學(xué)成分及占比 wt%

        表2 NS106 白銅主要化學(xué)成分及占比 wt%

        表3 GB/T3280-2007 304HC 不銹鋼主要化學(xué)成分及占比 wt%

        因此,需要先對(duì)半鈦眼鏡架表面進(jìn)行處理,獲得均一的表面。

        2.1.2 預(yù)鍍鎳工藝研究

        由于鈦合金及不銹鋼和高鎳、鉻合金鋼的表面上有一層鈍化膜,如果按常規(guī)鋼鐵件表面預(yù)處理的方式進(jìn)行處理,化學(xué)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度很差,很難保證結(jié)合力,因此,半鈦眼鏡架在預(yù)鍍鎳前須進(jìn)行除油和陽(yáng)極處理[1],建議配方及工藝參數(shù)見(jiàn)表4。研究結(jié)論:陽(yáng)極處理是在濃酸中對(duì)半鈦眼鏡架進(jìn)行活化,消除鈍化膜的影響,經(jīng)以上工藝配方及參數(shù)實(shí)驗(yàn)證明,符合預(yù)鍍鎳前處理工藝要求。前處理后的半鈦眼鏡架表面已較好地去除氧化還原產(chǎn)物,已為預(yù)鍍鎳做好充分的準(zhǔn)備[2]。建議預(yù)鍍鎳配方及工藝參數(shù)[3]見(jiàn)表5。

        表4 預(yù)鍍鎳前處理工藝配方及參數(shù)

        表5 預(yù)鍍鎳工藝配方及參數(shù)

        研究結(jié)論:經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)配方及參數(shù)驗(yàn)證,半鈦眼鏡架在預(yù)鍍鎳時(shí)鎳層能夠與基材形成強(qiáng)且均勻的附著力,已改善鍍層與基材的結(jié)合強(qiáng)度,符合預(yù)鍍鎳層的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

        2.2 真空蒸鍍鍍膜技術(shù)

        2.2.1 真空蒸鍍鍍膜總體思路

        眼鏡行業(yè)一般采用化學(xué)電鍍的方法進(jìn)行表面顏色處理,半鈦材質(zhì)已預(yù)鍍鎳后進(jìn)行二次化學(xué)電鍍,會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)、脆化,導(dǎo)致斷裂,品質(zhì)極其不穩(wěn)定,不良率高,且不環(huán)保。因此,該文介紹了一種半鈦眼鏡架預(yù)鍍鎳后進(jìn)行真空蒸鍍鍍膜的鍍層技術(shù)。針對(duì)半鈦眼鏡架預(yù)鍍鎳后顏色無(wú)光澤、不耐磨以及不耐腐蝕等問(wèn)題,需要在眼鏡表面再進(jìn)行真空蒸鍍二次表面處理,如附上一層金屬膜,從而起到防止腐蝕,提高耐磨性、增進(jìn)美觀等作用。

        真空蒸鍍技術(shù)(圖1),即利用電子束集中轟擊不同的鍍材,加熱使其蒸發(fā),沉積于半鈦眼鏡架表面,獲得所需的功能膜層和裝飾效果。

        圖1 真空蒸鍍示意圖

        2.2.2 鍍材選擇原則

        根據(jù)半鈦眼鏡架產(chǎn)品不同的功能和顏色需求,以及蒸鍍鍍材的物理力學(xué)性能對(duì)鍍材進(jìn)行篩選。

        2.2.2.1 純度

        純度是鍍材的主要性能指標(biāo)之一,因?yàn)殄儾牡募兌葘?duì)薄膜的性能影響很大。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)鍍材的純度要求也不盡相同。

        2.2.2.2 雜質(zhì)含量

        鍍材固體中的雜質(zhì)和氣孔中的氧氣和水氣是沉積薄膜的主要污染源。不同用途的鍍材對(duì)不同雜質(zhì)含量的要求也不同。例如半導(dǎo)體工業(yè)用的純鋁及鋁合金鍍材,對(duì)堿金屬含量和放射性元素含量都有特殊要求。

        2.2.2.3 密度

        為了減少鍍材固體中的氣孔,提高薄膜的性能,通常要求鍍材具有較高的密度。鍍材的密度不僅影響蒸鍍速率,還影響著薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。鍍材密度越高,薄膜的性能越好。此外,提高鍍材的密度和強(qiáng)度使鍍材能更好地承受蒸鍍過(guò)程中的熱應(yīng)力。密度也是鍍材的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

        2.2.2.4 晶粒尺寸及晶粒尺寸分布

        通常鍍材為多晶結(jié)構(gòu),晶粒大小可由微米到毫米量級(jí)。對(duì)于同一種鍍材,晶粒細(xì)小的靶的蒸鍍速率比晶粒粗大的靶的蒸鍍速率快;而晶粒尺寸相差較?。ǚ植季鶆颍┑陌姓翦兂练e的薄膜的厚度分布更均勻。

        2.2.2.5 不同鍍材的蒸汽壓與溫度曲線關(guān)系

        通常不同鍍材的蒸汽壓與溫度曲線關(guān)系(圖2),選擇不同鍍材對(duì)應(yīng)不同的熔點(diǎn),得出不同的蒸汽壓。

        圖2 不同鍍材的蒸汽壓——溫度曲線

        2.2.2.6 不同的鍍材得到的膜系不同

        通過(guò)更換不同的鍍材(如鋁、銅、不銹鋼、鈦、鎳靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。不同鍍材物理性能見(jiàn)表6。

        表6 不同鍍材與功能關(guān)系表

        2.2.2.7 不同鍍材鍍膜顏色不同

        鍍材與顏色關(guān)系表見(jiàn)表7。

        表7 鍍材與顏色關(guān)系表

        2.2.3 真空蒸鍍鍍膜工藝技術(shù)研究(以真空蒸鍍鈦鋁膜為例)

        2.2.3.1 鍍材基本性能

        該文研究選擇的鍍材為鈦鋁(TiAl)合金(表8),鈦鋁(TiAl)合金為鈦與金屬Al 生成金屬間化合物,鈦鋁(TiAl)合金鍍材熔融點(diǎn)1 660 ℃,密度4.0 g/cm3,無(wú)磁性,耐磨性能好,抗氧化和抗腐蝕能力強(qiáng)(≥600 ℃),如圖3 所示。

        圖3 鈦鋁合金鍍材圖

        表8 鈦鋁(TiAl)合金主要化學(xué)成分及占比 wt%

        2.2.3.2 半鈦眼鏡架鍍鈦后的要求

        半鈦眼鏡架鍍鈦后的要求:1)真空蒸鍍后的半鈦眼鏡架表面要求:高硬度≥H、耐磨、防腐蝕、金屬色澤華麗、不褪色、鍍膜壽命長(zhǎng),相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表9。2)真空蒸鍍鈦半鈦眼鏡架的顏色設(shè)計(jì):加入N2,電鍍后為金色;加入C2H2,顏色為黑色;加入O2,顏色為藍(lán)色;同時(shí)加入N2和C2H2,顏色為玫瑰金。

        2.2.3.3 真空蒸鍍工序

        半鈦眼鏡架真空蒸鍍工序如下:建議清洗→上真空掛具→進(jìn)爐→抽真空(粗抽/細(xì)抽)→蒸鍍→后期處理。

        2.2.3.4 真空蒸鍍關(guān)鍵參數(shù)

        2.2.3.4.1 飽和蒸氣壓(PV)

        在一定的溫度下,真空室中蒸發(fā)材料的蒸氣在與固體或液體平衡過(guò)程中所表現(xiàn)的壓力.飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線對(duì)于薄膜制作技術(shù)有重要意義,它可以幫助我們合理選擇蒸發(fā)材料和確定蒸發(fā)條件。

        2.2.3.4.2 真空度

        P≤ 10-3Pa(保證蒸發(fā),粒子具分子流特征,以直線運(yùn)動(dòng))。

        2.2.3.4.3 基片距離(相對(duì)于蒸發(fā)源)

        10 cm~50 cm(兼顧沉積均勻性和氣相粒子平均自由程)蒸發(fā)出的原子是自由、無(wú)碰撞的,沉積速度快[4]。

        2.2.3.4.4 膜層厚度

        根據(jù)蒸發(fā)原料的質(zhì)量、蒸發(fā)時(shí)間、襯底與蒸發(fā)源的距離、襯底的傾角、材料的密度等計(jì)算薄膜的厚度。

        2.2.3.4.5 蒸發(fā)裝置

        W、Mo、Ta,耐高溫的金屬氧化物、陶瓷或石墨坩堝。

        2.2.3.4.6 加熱裝置

        電子束加熱:電子束通過(guò)5kV~10kV 的電場(chǎng)后加速,然后聚焦到被蒸發(fā)的材料表面,把能量傳遞給待蒸發(fā)的材料使其熔化并蒸發(fā)。采用電子束加熱,以較大的功率密度實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā),防止合金分餾;可同時(shí)安置多個(gè)坩堝,同時(shí)或分別蒸發(fā)多種不同物質(zhì);大部分電子束蒸發(fā)系統(tǒng)采用磁聚焦或磁彎曲電子束,蒸發(fā)物質(zhì)放在水冷坩堝內(nèi)。蒸發(fā)發(fā)生在材料表面,有效抑制坩堝與蒸發(fā)材料之間的反應(yīng);蒸發(fā)分子動(dòng)能較大,能得到比電阻加熱更牢固致密的膜層。但電子束蒸發(fā)源會(huì)使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離,有時(shí)會(huì)影響膜層質(zhì)量;電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴;產(chǎn)生的軟X 射線對(duì)人體有一定的傷害。

        研究結(jié)論:經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)配方及參數(shù)驗(yàn)證,半鈦眼鏡架在預(yù)鍍鎳后,以真空蒸鍍的鍍膜技術(shù)進(jìn)行復(fù)合膜層,能夠與鎳層形成強(qiáng)且均勻的膜層,符合半鈦眼鏡架復(fù)合膜層的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

        2.3 技術(shù)指標(biāo)

        半鈦眼鏡架復(fù)合鍍膜后,經(jīng)檢測(cè)眼鏡性能及功能,具體的技術(shù)指標(biāo)及實(shí)際值見(jiàn)表9。

        表9 半鈦眼鏡架復(fù)合鍍膜技術(shù)指標(biāo)實(shí)際值

        研究結(jié)論:經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)以上技術(shù)路線及配方工藝的試驗(yàn)半鈦眼鏡架制品,蒸鍍膜層均勻性較好,無(wú)燒黑變黃,光澤度高,附著力強(qiáng),具備一定應(yīng)用性。

        3 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,該文研究的復(fù)合鍍膜技術(shù)是2 種鍍膜工藝的組合應(yīng)用,能較好地解決含鈦材的眼鏡架膜層質(zhì)量問(wèn)題,提高了鈦材的利用率,發(fā)揮鈦材的性能優(yōu)勢(shì),能夠有效降低半鈦眼鏡架成本。雖然復(fù)合鍍膜技術(shù)在半鈦眼鏡架的著色技術(shù)還屬于初級(jí)應(yīng)用階段,但是復(fù)合鍍膜技術(shù)因其本身所具備的性能,在半鈦眼鏡架表面著色方面已經(jīng)取得一定的質(zhì)量成效,且獲得了行業(yè)的推廣。下一步還需要對(duì)復(fù)合鍍膜技術(shù)不斷地優(yōu)化,拓寬其應(yīng)用范圍,更好地提升半鈦眼鏡架的表面著色質(zhì)量,希望通過(guò)該文的研究成果,能夠讓復(fù)合鍍膜技術(shù)在半鈦眼鏡架的著色上有更大的提高,技術(shù)應(yīng)用有更廣闊的發(fā)展前景。

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