鐘表行業(yè)先進(jìn)離子鍍膜技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

趙可淪+劉海華+宋鵬濤

摘 要：文章介紹了國(guó)內(nèi)鐘表行業(yè)內(nèi)離子鍍膜技術(shù)的現(xiàn)狀；并著重闡述了磁過(guò)濾電弧離子鍍技術(shù)、離子注入化學(xué)沉積技術(shù)、離子注入與磁過(guò)濾復(fù)合技術(shù)和高功率磁控濺射技術(shù)四大新興先進(jìn)離子鍍膜技術(shù)的技術(shù)工藝特點(diǎn)及其在鐘表行業(yè)和表面處理改性行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鐘表；離子鍍；磁過(guò)濾；離子注入；鍍膜

1 概述

現(xiàn)代鐘表產(chǎn)品愈加青睞新材質(zhì)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，這也是現(xiàn)代鐘表產(chǎn)品順應(yīng)市場(chǎng)需求和客戶體驗(yàn)的直觀表現(xiàn)。不銹鋼表面納米薄膜涂層具有低摩擦、高耐磨、高耐蝕和高生物相容性等技術(shù)特點(diǎn)，因此在國(guó)外中高端手表產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)前鐘表行業(yè)廣泛采用的離子鍍膜材料所面臨的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）采用傳統(tǒng)的電弧離子鍍技術(shù)制備的鍍層中含有從陰極靶材濺射出的微米級(jí)顆粒物，使得膜層表面的平整度下降、色澤欠佳，同時(shí)過(guò)多的顆粒狀物質(zhì)的存在將嚴(yán)重影響膜層的物理和化學(xué)性能；（2）由于鐘表外觀件主要采用不銹鋼材料，因此業(yè)內(nèi)廠商盡管令其硬質(zhì)涂層表面硬度不斷提高，但是界面結(jié)合強(qiáng)度表現(xiàn)不佳影響其推廣規(guī)模；（3）國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)硬質(zhì)涂層的研究更多關(guān)注涂層成分的多元化、復(fù)合化以及涂層結(jié)構(gòu)的多層化及其新技術(shù)的研發(fā)等。雖然，納米涂層的制備技術(shù)在不停更新和發(fā)展，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商對(duì)新型離子鍍膜技術(shù)和復(fù)合工藝的關(guān)注度卻不是很高。

2 磁過(guò)濾電弧離子鍍技術(shù)

電弧離子鍍因離化率高、成本低和效率高等特點(diǎn)，常用于沉積金屬、金屬合金及化合物等。但因其鍍膜過(guò)程中有“大顆?！钡年帢O靶材物質(zhì)沉積于膜層，使其難在光學(xué)和電子學(xué)范圍內(nèi)應(yīng)用，同時(shí)使其在精密加工和摩擦學(xué)等方面的應(yīng)用亦受到極大限制。研究表明，與直流偏壓相比，脈沖偏壓能有效減少電弧離子鍍過(guò)程中的大顆粒污染，在改善薄膜表面形貌的同時(shí)在一定程度上減少了殘余應(yīng)力使結(jié)合強(qiáng)度增大[1]，摩擦系數(shù)減??；而磁過(guò)濾陰極弧離子鍍技術(shù)則可在一定程度上降低等離子體中的微米級(jí)“顆?！?，獲得表面光滑、致密、均勻度更好的膜層；脈沖偏壓磁過(guò)濾電弧離子鍍工藝結(jié)合弧線型過(guò)濾電弧技術(shù)由此將成為具有極大發(fā)展?jié)摿Φ碾x子鍍技術(shù)。研究表明，脈沖偏壓-磁過(guò)濾電弧離子鍍工藝綜合了雙重的去除“大顆?！蔽廴拘?yīng)，從而顯著提升膜層的表面形貌，并有效提高界面結(jié)合強(qiáng)度和宏觀性能。

3 離子注入化學(xué)沉積技術(shù)

離子注入技術(shù)作為一種新穎有效的材料表面改性方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料表面改性領(lǐng)域，其中一種是由美國(guó)Conrad發(fā)明的等離子體源離子注入技術(shù)。另外一種則是由美國(guó)Brown等發(fā)明的金屬蒸氣真空弧離子源技術(shù)，利用離子注入所得到的改性層沒(méi)有成分突變的層界面，注入元素在深度范圍內(nèi)大體呈高斯分布，并且可以通過(guò)改變注入能量控制注入元素的分布，因而一般不存在覆層與基底間結(jié)合力問(wèn)題。等離子體湮沒(méi)式離子注入（Plasma Immersion Ion Implantation，PIII）技術(shù)是將工件浸沒(méi)在等離子體中并加上負(fù)脈沖高壓，從等離子體鞘層中引出正離子，令其全方位注入工件表面，從而一舉解決了離子注入復(fù)雜工件表面“視線加工”的困難。采用MEVVA源的離子注入系統(tǒng)可省去加速系統(tǒng)，磁鐵分析系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)、使注入機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化、成本降低、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，有利于離子注入材料表面改性技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；研究表明，采用離子注入改性形成的納米晶層顯著提升了離子鍍膜的表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度。

4 離子注入與磁過(guò)濾復(fù)合技術(shù)

離子注入與磁過(guò)濾鍍膜復(fù)合技術(shù)是由北京航空航天大學(xué)課題組將金屬蒸汽真空弧離子源的離子注入材料表面改性和磁過(guò)濾電弧離子鍍膜這兩種技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展創(chuàng)制而成。這種離子鍍膜先進(jìn)復(fù)合技術(shù)（尚在研發(fā)階段），首先對(duì)基體材料表面進(jìn)行離子束清洗，接著改變離子能量，進(jìn)行離子注入改善基體材料表面性能；使得基體材料表面與將要沉積的薄膜性能非常接近，然后再進(jìn)行磁過(guò)濾電弧離子鍍膜。這樣得到的薄膜與基體結(jié)合非常牢固（猶如從基體內(nèi)往外生長(zhǎng)）薄膜質(zhì)量很好，能夠滿足許多精密，高結(jié)合強(qiáng)度要求的表面處理需求。

5 高功率磁控濺射技術(shù)

磁控濺射技術(shù)作為物理氣相沉積的主要薄膜制備技術(shù)之一，具有沉積溫度低、膜厚可控性高，濺射成膜過(guò)程中基本無(wú)大顆粒產(chǎn)生，且粒子能量適中等優(yōu)點(diǎn)。然而研究表明[2]，常規(guī)的直流磁控濺射技術(shù)（DCMS）濺射材料離化率低，粒子可控性差這一缺點(diǎn)使其在進(jìn)一步提高膜基結(jié)合力，提高粒子繞射性等方面的應(yīng)用受到限制；目前，高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HPPMS）應(yīng)運(yùn)而生，其核心思想是把傳統(tǒng)直流磁控的放電電壓（400V左右）改成低頻，高幅值脈沖放電電壓（600～1000V）；高功率脈沖磁控濺射技術(shù)利用高能量耦合解決傳統(tǒng)磁控放電等離子體密度低的問(wèn)題。然而其系統(tǒng)的放電穩(wěn)定性和重復(fù)性已成為高功率磁控濺射鍍膜質(zhì)量好壞和鍍膜工藝選擇的重要因素。高功率磁控濺射設(shè)備工藝主要受制于其系統(tǒng)所需的高功率電源技術(shù)，目前僅由國(guó)外少數(shù)公司掌握該關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)亦僅有臺(tái)灣、香港和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等少數(shù)科研院所具備一定研發(fā)能力，香港城市大學(xué)朱劍豪教授團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該技術(shù)工藝設(shè)備的自行研制及商業(yè)化。

6 技術(shù)應(yīng)用展望

荷蘭的豪澤涂層技術(shù)有限公司具有目前最先進(jìn)，最成熟的離子鍍膜復(fù)合技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化新型鍍膜工藝設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)具備該工藝自行生產(chǎn)制造能力并已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)科研院所等研究機(jī)構(gòu)；例如，中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器股份有限公司已可提供多弧離子鍍和磁控濺射復(fù)合鍍膜機(jī)械設(shè)備，但對(duì)于配備磁過(guò)濾裝置的離子鍍膜和離子注入表面改性技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備仍然處于研發(fā)階段，還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。羅西尼品牌針對(duì)手表外觀件裝飾涂層應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)博士后科研工作分站與華南理工大學(xué)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目合作，對(duì)不銹鋼手表外觀件表面上制備優(yōu)良耐磨、耐蝕性能和高表面硬度以及靚麗外觀的納米涂鍍層所面臨的行業(yè)難題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和新型復(fù)合工藝驗(yàn)證與產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐。目前，羅西尼先后實(shí)施了高檔裝飾IP玫瑰金耐磨防變色技術(shù)研究開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用和手表表殼用納米薄膜涂覆制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究項(xiàng)目，相關(guān)技術(shù)成果已申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)（已獲授權(quán)1項(xiàng)）、發(fā)表科技論文5篇。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉芳，張巖，田林海，等.脈沖偏壓磁過(guò)濾電弧離子鍍TiN薄膜的組織結(jié)構(gòu)及耐磨性研究[J].材料熱處理技術(shù)，2010，39（20）：120-122.

[2]楊坤，胡志強(qiáng)，王海權(quán)，等.不同基底的ITO薄膜制備及其光電性能[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（2）：135-138.