復合鍍膜技術在半鈦眼鏡架的研發及應用

張世黎

（誠益光學（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

金屬材料的化學鍍技術、離子鍍技術均在眼鏡電鍍生產作業中發揮著極其關鍵的作用，來保證眼鏡產品表面符合人體佩戴和使用需求。隨著半鈦眼鏡架的產生，其復合鍍膜技術可以迅速降低成本，達到各類測試的要求。因此該技術得到了各眼鏡制造企業的廣泛認可和推廣。

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，采用這種半鈦結構的眼鏡框具有與人體皮膚親和度高不易過敏的優點。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。眼鏡架表面需要著色，因此不同的材料對鍍膜技術也有不同的要求。

2 復合鍍膜技術

該文論述一種半鈦眼鏡架的復合鍍膜技術。首先在半鈦材料表面進行化學鍍鎳，作為底鎳以消除半鈦眼鏡架不同材料的性能差異，會影響后續真空蒸鍍等表面處理。然后再以真空蒸鍍鍍膜技術對半鈦眼鏡架進行著色。

2.1 化學鍍鎳技術

2.1.1 預鍍鎳總體思路

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，各類材質很難達到理想的效果。

表1 GB/T 3620.1-2007 鈦合金 主要化學成分及占比 wt%

表2 NS106 白銅主要化學成分及占比 wt%

表3 GB/T3280-2007 304HC 不銹鋼主要化學成分及占比 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，如果按常規鋼鐵件表面預處理的方式進行處理，化學鍍層的結合強度很差，很難保證結合力，因此，半鈦眼鏡架在預鍍鎳前須進行除油和陽極處理[1]，建議配方及工藝參數見表4。研究結論：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，經以上工藝配方及參數實驗證明，符合預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物，已為預鍍鎳做好充分的準備[2]。建議預鍍鎳配方及工藝參數[3]見表5。

表4 預鍍鎳前處理工藝配方及參數

表5 預鍍鎳工藝配方及參數

研究結論：經以上實驗配方及參數驗證，半鈦眼鏡架在預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合強度，符合預鍍鎳層的相關技術指標。

2.2 真空蒸鍍鍍膜技術

2.2.1 真空蒸鍍鍍膜總體思路

眼鏡行業一般采用化學電鍍的方法進行表面顏色處理，半鈦材質已預鍍鎳后進行二次化學電鍍，會出現變質、脆化，導致斷裂，品質極其不穩定，不良率高，且不環保。因此，該文介紹了一種半鈦眼鏡架預鍍鎳后進行真空蒸鍍鍍膜的鍍層技術。針對半鈦眼鏡架預鍍鎳后顏色無光澤、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（圖1），即利用電子束集中轟擊不同的鍍材，加熱使其蒸發，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

根據半鈦眼鏡架產品不同的功能和顏色需求，以及蒸鍍鍍材的物理力學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。不過在實際應用中，對鍍材的純度要求也不盡相同。

2.2.2.2 雜質含量

鍍材固體中的雜質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含量的要求也不同。例如半導體工業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和光學性能。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力。密度也是鍍材的關鍵性能指標之一。

2.2.2.4 晶粒尺寸及晶粒尺寸分布

通常鍍材為多晶結構，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系

通常不同鍍材的蒸汽壓與溫度曲線關系（圖2），選擇不同鍍材對應不同的熔點，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 不同鍍材與功能關系表

2.2.2.7 不同鍍材鍍膜顏色不同

鍍材與顏色關系表見表7。

表7 鍍材與顏色關系表

2.2.3 真空蒸鍍鍍膜工藝技術研究（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，相應的技術指標見表9。2）真空蒸鍍鈦半鈦眼鏡架的顏色設計：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 真空蒸鍍關鍵參數

2.2.3.4.1 飽和蒸氣壓（PV）

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

2.2.3.4.2 真空度

P≤ 10-3Pa（保證蒸發，粒子具分子流特征，以直線運動）。

2.2.3.4.3 基片距離（相對于蒸發源）

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

2.2.3.4.4 膜層厚度

根據蒸發原料的質量、蒸發時間、襯底與蒸發源的距離、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，然后聚焦到被蒸發的材料表面，把能量傳遞給待蒸發的材料使其熔化并蒸發。采用電子束加熱，以較大的功率密度實現快速蒸發，防止合金分餾；可同時安置多個坩堝，同時或分別蒸發多種不同物質；大部分電子束蒸發系統采用磁聚焦或磁彎曲電子束，蒸發物質放在水冷坩堝內。蒸發發生在材料表面，有效抑制坩堝與蒸發材料之間的反應；蒸發分子動能較大，能得到比電阻加熱更牢固致密的膜層。但電子束蒸發源會使蒸發氣體和殘余氣體電離，有時會影響膜層質量；電子束蒸鍍裝置結構復雜，價格昂貴；產生的軟X 射線對人體有一定的傷害。

研究結論：經以上實驗配方及參數驗證，半鈦眼鏡架在預鍍鎳后，以真空蒸鍍的鍍膜技術進行復合膜層，能夠與鎳層形成強且均勻的膜層，符合半鈦眼鏡架復合膜層的相關技術指標。

2.3 技術指標

半鈦眼鏡架復合鍍膜后，經檢測眼鏡性能及功能，具體的技術指標及實際值見表9。

表9 半鈦眼鏡架復合鍍膜技術指標實際值

研究結論：經過實驗驗證，根據以上技術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，具備一定應用性。

3 結語

綜上所述，該文研究的復合鍍膜技術是2 種鍍膜工藝的組合應用，能較好地解決含鈦材的眼鏡架膜層質量問題，提高了鈦材的利用率，發揮鈦材的性能優勢，能夠有效降低半鈦眼鏡架成本。雖然復合鍍膜技術在半鈦眼鏡架的著色技術還屬于初級應用階段，但是復合鍍膜技術因其本身所具備的性能，在半鈦眼鏡架表面著色方面已經取得一定的質量成效，且獲得了行業的推廣。下一步還需要對復合鍍膜技術不斷地優化，拓寬其應用范圍，更好地提升半鈦眼鏡架的表面著色質量，希望通過該文的研究成果，能夠讓復合鍍膜技術在半鈦眼鏡架的著色上有更大的提高，技術應用有更廣闊的發展前景。