復(fù)合鍍膜技術(shù)在半鈦眼鏡架的研發(fā)及應(yīng)用

張世黎

（誠益光學(xué)（廈門）有限公司，福建 廈門 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，達到各類測試的要求。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。因為鏡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敏的優(yōu)點。使眼鏡框的鏡腿的部分具有特殊的性能，從而達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)對半鈦眼鏡架進行著色。

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行真空蒸鍍等表面處理，各類材質(zhì)很難達到理想的效果。

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，需要先對半鈦眼鏡架表面進行處理，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)處理的方式進行處理，化學(xué)鍍層的結(jié)合強度很差，很難保證結(jié)合力，因此，半鈦眼鏡架在預(yù)鍍鎳前須進行除油和陽極處理[1]，建議配方及工藝參數(shù)見表4。研究結(jié)論：陽極處理是在濃酸中對半鈦眼鏡架進行活化，消除鈍化膜的影響，經(jīng)以上工藝配方及參數(shù)實驗證明，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)鍍鎳做好充分的準備[2]。建議預(yù)鍍鎳配方及工藝參數(shù)[3]見表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)以上實驗配方及參數(shù)驗證，半鈦眼鏡架在預(yù)鍍鎳時鎳層能夠與基材形成強且均勻的附著力，已改善鍍層與基材的結(jié)合強度，符合預(yù)鍍鎳層的相關(guān)技術(shù)指標。

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)電鍍的方法進行表面顏色處理，半鈦材質(zhì)已預(yù)鍍鎳后進行二次化學(xué)電鍍，會出現(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)鍍鎳后進行真空蒸鍍鍍膜的鍍層技術(shù)。針對半鈦眼鏡架預(yù)鍍鎳后顏色無光澤、不耐磨以及不耐腐蝕等問題，需要在眼鏡表面再進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)性能對鍍材進行篩選。

2.2.2.1 純度

純度是鍍材的主要性能指標之一，因為鍍材的純度對薄膜的性能影響很大。不過在實際應(yīng)用中，對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度使鍍材能更好地承受蒸鍍過程中的熱應(yīng)力。密度也是鍍材的關(guān)鍵性能指標之一。

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。對于同一種鍍材，晶粒細小的靶的蒸鍍速率比晶粒粗大的靶的蒸鍍速率快；而晶粒尺寸相差較小（分布均勻）的靶蒸鍍沉積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），選擇不同鍍材對應(yīng)不同的熔點，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1 660 ℃，密度4.0 g/cm3，無磁性，耐磨性能好，抗氧化和抗腐蝕能力強（≥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，相應(yīng)的技術(shù)指標見表9。2）真空蒸鍍鈦半鈦眼鏡架的顏色設(shè)計：加入N2，電鍍后為金色；加入C2H2，顏色為黑色；加入O2，顏色為藍色；同時加入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→進爐→抽真空（粗抽/細抽）→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程中所表現(xiàn)的壓力.飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線對于薄膜制作技術(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，以直線運動）。

2.2.3.4.3 基片距離（相對于蒸發(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)時間、襯底與蒸發(fā)源的距離、襯底的傾角、材料的密度等計算薄膜的厚度。

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5kV～10kV 的電場后加速，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現(xiàn)快速蒸發(fā)，防止合金分餾；可同時安置多個坩堝，同時或分別蒸發(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)源會使蒸發(fā)氣體和殘余氣體電離，有時會影響膜層質(zhì)量；電子束蒸鍍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴；產(chǎn)生的軟X 射線對人體有一定的傷害。

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

2.3 技術(shù)指標

半鈦眼鏡架復(fù)合鍍膜后，經(jīng)檢測眼鏡性能及功能，具體的技術(shù)指標及實際值見表9。

表9 半鈦眼鏡架復(fù)合鍍膜技術(shù)指標實際值

研究結(jié)論：經(jīng)過實驗驗證，根據(jù)以上技術(shù)路線及配方工藝的試驗半鈦眼鏡架制品，蒸鍍膜層均勻性較好，無燒黑變黃，光澤度高，附著力強，具備一定應(yīng)用性。

3 結(jié)語

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)量問題，提高了鈦材的利用率，發(fā)揮鈦材的性能優(yōu)勢，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。