Vacuümcoating met dubbele laag: Kleurcoating + Transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatielagen op zilveren, koperen en roestvrijstalen sieraden

1. Inleiding

Op de wereldwijde sieradenmarkt streven consumenten steeds meer naar producten die esthetische elegantie combineren met functionaliteit op lange termijn. Vingerafdrukken, oppervlakteoxidatie en kleurvervaging zijn hardnekkige pijnpunten geworden voor zilveren, koperen en roestvrijstalen sieraden - zelfs na traditionele plating. Vacuümcoatingtechnologie pakt deze uitdagingen aan door middel van een afzettingssysteem met dubbele laag: een kleurspecifieke basislaag (goud, roségoud, zilver) die visuele aantrekkingskracht biedt, en een transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatie toplaag die de prestaties waarborgt zonder het uiterlijk aan te tasten. Dit artikel beschrijft systematisch de selectie van doelmaterialen, voorbehandelingsprotocollen, stapsgewijze coatingprocessen en kenmerken van de dubbele laag film voor drie kern toepassingen: verguld + anti-vingerafdruk/anti-oxidatielagen, roségoud verguld + anti-vingerafdruk/anti-oxidatielagen en verzilverd + anti-vingerafdruk/anti-oxidatielagen. Door de materiaalsamenstelling en functionele synergie van elke laag te verduidelijken, biedt het bruikbare technische begeleiding voor sieradenfabrikanten die de duurzaamheid van producten en het concurrentievermogen op de markt willen verbeteren.

2. Selectie van doelmaterialen: Synergie met dubbele laag voor kleur en bescherming

De prestaties van de coating met dubbele laag hangen volledig af van de compatibiliteit en functionele complementariteit van doelmaterialen voor de kleurellaag en de transparante toplaag. Elk doel moet aan strenge eisen voldoen: kleurellaagdoelen zorgen voor levendige, consistente tinten en hechting aan het substraat, terwijl transparante anti-vingerafdruk/anti-oxidatiedoelen optische helderheid, lage oppervlakte-energie (anti-vingerafdruk) en dichte barrière-eigenschappen (anti-oxidatie) garanderen. Alle doelen voldoen aan de "Veiligheidsstandaard voor oppervlaktecoating van sieraden" (EN 1811:2019) en hebben een zuiverheid van ≥99,95% om defecten zoals gaatjes of waas te voorkomen.

2.1 Doelen voor verguld + transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatielagen

• Kleurellaagdoelen:

◦ Titaniumnitride (TiN) doelen: Het meest gebruikte voor vergulden, aangezien TiN een warme, 18K goudachtige film vormt met een hardheid van 2000–2500 HV. Gedoteerd met 5–8% aluminium (Al), verbeteren TiN-Al doelen de hechting aan zilveren substraten door thermische uitzettingsmismatch te verminderen en zilver-sulfidevorming te remmen.

◦ Zirkoniumnitride (ZrN) doelen: De voorkeur voor koperen sieraden, ZrN vertoont een superieure corrosiebestendigheid tegen de inherente oxidatie van koper, waardoor een heldere goudkleur jarenlang behouden blijft.

◦ TiN-Au legering doelen (Au-gehalte: 10–15%): Gebruikt voor roestvrijstalen sieraden, de toevoeging van goud verbetert de kleurverzadiging om overeen te komen met natuurlijk goud, terwijl de TiN keramische fase zorgt voor fundamentele slijtvastheid.

• Transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatiedoelen:

◦ Fluor-gedoteerde siliciumoxide (F-SiO₂) doelen: De belangrijkste keuze voor de toplaag, F-SiO₂ zet een nanoschaal (15–25 nm) transparante film af met een oppervlakte-energie . Fluor-dotering creëert hydrofobe/oleofobe eigenschappen (anti-vingerafdruk), terwijl de silicamatrix een dichte barrière vormt tegen zuurstof en vocht (anti-oxidatie).

◦ Fluor-gedoteerde diamantachtige koolstof (F-DLC) doelen: Voor high-end toepassingen biedt F-DLC verbeterde slijtvastheid (hardheid: 1800–2200 HV) naast transparantie (lichtdoorlatendheid ≥95%) en anti-vingerafdrukprestaties. De amorfe koolstofstructuur blokkeert de ionendiffusie, waardoor substraatoxidatie en kleurlaagdegradatie worden voorkomen.

2.2 Doelen voor roségoud verguld + transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatielagen

• Kleurellaagdoelen:

◦ Titanium-chroom (Ti-Cr) legering doelen (Cr-gehalte: 30–40%): Gesputterd in een stikstofatmosfeer, vormt Ti-Cr-N een zachte roze-gouden film die ideaal is voor zilveren sieraden. Chroom verbetert de hechting aan zilver, terwijl stikstofdotering de roze tint verfijnt (een hoger stikstofgehalte verdiept de roze tint).

◦ Stikstof-gedoteerde Ti-Cr (Ti-Cr-N) doelen: Gebruikt voor koperen sieraden, elimineert het voorgeoxideerde doel stikstoffluctuatie in de kamer, waardoor een uniforme kleur wordt gegarandeerd en een nitridebarrière wordt gevormd die de diffusie van koperionen naar het oppervlak remt.

◦ Silicium-chroom (Si-Cr) legering doelen + TiN composiet: Voor roestvrijstalen sieraden creëert Si-Cr (Si: 20%, Cr: 80%) gesputterd met TiN een roségouden film met verbeterde taaiheid. Silicium pre-conditioneert het oppervlak voor een betere hechting van de toplaag.

• Transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatiedoelen:

◦ Siliciumnitride (Si₃N₄) doelen: Een zeer transparant (transmissie ≥96%) keramisch doel dat een dichte, corrosiebestendige film vormt. De lage porositeit van Si₃N₄ blokkeert vocht en zuurstof, terwijl het oppervlak na afzetting kan worden gemodificeerd met fluor om anti-vingerafdrukeigenschappen te verkrijgen (watercontacthoek >115°).

◦ F-SiO₂-TiO₂ composiet doelen: De TiO₂ component verhoogt de krasbestendigheid (hardheid: 2000 HV) zonder de transparantie op te offeren, waardoor het geschikt is voor sieraden die gevoelig zijn voor dagelijks gebruik (bijv. armbanden, ringen).

2.3 Doelen voor verzilverd + transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatielagen

• Kleurellaagdoelen:

◦ Pure titanium (Ti) doelen: Ideaal voor basisplating van zilveren sieraden, Ti vormt een dunne (0,1–0,2 μm) dichte barrièrelaag die zilveroxidatie voorkomt en tegelijkertijd een heldere, reflecterende zilverkleur behoudt.

◦ Aluminium (Al) doelen: Gebruikt voor koperen sieraden, de hoge lichtreflectie van Al (≥92%) bootst puur zilver na en de compatibiliteit met koper voorkomt galvanische corrosie.

◦ Ti-Si legering doelen (Si-gehalte: 15–20%): Voor roestvrijstalen sieraden zet Ti-Si een zilveren film af met verbeterde anti-aanslag eigenschappen. Silicium vermindert de oppervlakteruwheid, waardoor een gladde basis ontstaat voor de transparante toplaag.

• Transparante anti-vingerafdruk- en anti-oxidatiedoelen:

◦ Aluminiumoxide (Al₂O₃) doelen: Een kosteneffectieve optie met uitstekende transparantie (transmissie ≥94%) en anti-oxidatieprestaties. De hexagonale kristalstructuur van Al₂O₃ vormt een ondoordringbare barrière, terwijl oppervlaktebehandeling met geperfluoreerde verbindingen (PFC's) anti-vingerafdrukfunctionaliteit verleent.

◦ F-SiO₂-ZrO₂ composiet doelen: Zirkoniumoxide (ZrO₂) verbetert de thermische stabiliteit, waardoor de toplaag bestand is tegen temperatuurschommelingen (bijv. tijdens het reinigen van sieraden). De film behoudt transparantie en anti-vingerafdrukeigenschappen, zelfs na blootstelling aan 150°C.

3. Voorbehandelingsproces: Fundament voor hechting met dubbele laag

Voorbehandeling is cruciaal om oppervlakteverontreinigingen (olie, oxiden, polijstresten) te elimineren en het substraat te activeren, waardoor een sterke hechting ontstaat tussen het basismetaal, de kleurellaag en de transparante toplaag. Alle processen volgen de corrosiebeschermingsnormen van ISO 12944-4:2018 en zijn afgestemd op de unieke eigenschappen van zilver, koper en roestvrij staal.

3.1 Voorbehandeling voor zilveren sieraden

De hoge gevoeligheid van zilver voor sulfidering (zwart zilver-sulfide) vereist gerichte reiniging:

1. Precisie polijsten: Gebruik 0,5–1 μm diamantpasta voor mechanisch polijsten om krassen te verwijderen, gevolgd door 0,1 μm alumina pasta voor een spiegelafwerking.

2. Ultrasoon ontwaxen: Dompel onder in een alkalische oplossing (natriumhydroxide: 50 g/L, natriumcarbonaat: 30 g/L, niet-ionische oppervlakteactieve stof: 5 g/L) bij 55±5°C gedurende 12–15 minuten. Ultrasone frequentie (40 kHz) zorgt voor het verwijderen van polijstwasresten uit spleten.

3. Oxide verwijderen: Dompel onder in 6–8% citroenzuuroplossing bij 25°C gedurende 3–4 minuten om Ag₂S op te lossen, spoel vervolgens af met gedeïoniseerd water (DI-water) bij 40°C om zuur te neutraliseren.

4. Plasma-activering: Behandel in een argon (Ar) plasmakamer (RF-vermogen: 350–450 W, druk: 5×10⁻² Pa) gedurende 2,5–3 minuten. Hoogenergetische Ar-ionen verwijderen geadsorbeerd water en organisch materiaal, waardoor de oppervlakte-energie van 35 mN/m toeneemt tot ≥50 mN/m voor een betere laaghechting.

5. Vacuümdrogen: Droog bij 70±5°C gedurende 15 minuten in een vacuümoven (druk: 1×10⁻¹ Pa) om re-oxidatie te voorkomen.

3.2 Voorbehandeling voor koperen sieraden

De neiging van koper om groene patina (CuO/CuCO₃) te vormen, vereist rigoureuze oxideverwijdering:

1. Gegradueerd slijpen: Begin met 400-mesh schuurpapier om dikke oxidelagen te verwijderen, vervolgens 1000-mesh en 2000-mesh schuurpapier voor oppervlakte-egalisatie.

2. Alkalisch ontvetten: Dompel onder in een verwarmd bad (natriumhydroxide: 100 g/L, natriumfosfaat: 50 g/L, natriumsilicaat: 20 g/L) bij 75±5°C gedurende 18–20 minuten. Agitatie (50 rpm) zorgt voor uniform ontvetten.

3. Zuuractivering: Behandel in 10% zwavelzuuroplossing bij 25°C gedurende 1,5–2 minuten om resterende oxiden te verwijderen, spoel vervolgens drie keer af met DI-water (elk 2 minuten) om zuursporen te elimineren.

4. Plasma-reiniging met dubbel gas: Gebruik een Ar-H₂ plasma (Ar:H₂ = 3:1, RF-vermogen: 450–550 W) gedurende 3–3,5 minuten. Waterstof reduceert resterende CuO tot puur koper, terwijl Ar-ionen het oppervlak etsen voor een betere mechanische hechting.

5. Vacuümdrogen: Droog bij 75°C gedurende 20 minuten in een met stikstof gezuiverde vacuümkamer om opnieuw aanslag te voorkomen.

3.3 Voorbehandeling voor roestvrijstalen sieraden

De passieve chroomoxide (Cr₂O₃) film van roestvrij staal moet worden gemodificeerd voor laags compatibiliteit:

1. Ultrasoon reinigen: Reinig in een neutrale detergentoplossing (pH 7–8) bij 45±5°C gedurende 10 minuten (ultrasone frequentie: 60 kHz) om stof en olie te verwijderen.

2. Etsen van passieve film: Dompel onder in 5% zoutzuuroplossing bij 25°C gedurende 2–2,5 minuten om de Cr₂O₃ film te etsen, waardoor een vers Fe-Cr-Ni substraat wordt blootgelegd.

3. Zuurstofplasma-etsen: Behandel in een zuurstof (O₂) plasmakamer (RF-vermogen: 550–650 W, druk: 4×10⁻² Pa) gedurende 3–4 minuten. Zuurstof oxideert oppervlakteverontreinigingen en vormt hydroxylgroepen (-OH), waardoor de bevochtigbaarheid van coatingmaterialen wordt verbeterd.

4. Sneldrogen: Droog bij 80°C gedurende 10 minuten in een schone luchtoven om een vochtvrij oppervlak te garanderen.

4. Vacuümcoatingproces: Stapsgewijze afzetting met dubbele laag

Het proces maakt gebruik van magnetronsputteren - erkend voor uniforme filmdikte, precieze samenstellingscontrole en sterke hechting - met afzonderlijke fasen voor de afzetting van de kleurellaag en de transparante anti-vingerafdruk/anti-oxidatielaag. Belangrijke parameters worden geoptimaliseerd voor elke substraat-kleurcombinatie om consistentie te garanderen.

4.1 Voorbereiding voor het coaten

1. Laden en kamer afdichten: Plaats de voorbehandelde sieraden op een roterende armatuur (rotatiesnelheid: 10–15 rpm) om een uniforme coating te garanderen. Sluit de vacuümkamer af en voer een lektest uit (leksnelheid ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s).

2. Vacuümpompen:

◦ Primaire pompen: Gebruik een mechanische pomp om de druk te verlagen tot 7,0 Pa (verwijderd 90% van de lucht/waterdamp).

◦ Hoogvacuümpompen: Activeer een turbomoleculaire pomp om een einddruk van 3×10⁻⁳ Pa te bereiken. Deze hoogzuivere omgeving voorkomt interferentie van gasmoleculen met gesputterde doelatomen, waardoor porositeit in beide lagen wordt voorkomen.

4.2 Plasmabombardement (activering na pompen)

Introduceer argongas met een debiet van 220–280 sccm en pas een negatieve voorspanning (-350 tot -450 V) toe op de sieradenarmatuur. Hoogenergetische Ar-ionen bombarderen het oppervlak gedurende 6–9 minuten:

• Zilveren/koperen sieraden: 6–7 minuten (om oppervlakteschade te voorkomen).

• Roestvrijstalen sieraden: 8–9 minuten (om de oppervlakteactivering te verdiepen).

Deze stap verwijdert resterende verontreinigingen en creëert micro-ruwheid, waardoor mechanische vergrendeling tussen het substraat en de kleurellaag wordt verbeterd.

4.3 Afzetting van de kleurellaag (eerste laag)

Pas de sputterparameters aan op basis van het doelmateriaal en het substraat: