Lapisan Vakum Ganda: Pelapisan Warna + Lapisan Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan pada Perhiasan Perak, Tembaga, dan Baja Tahan Karat

1. Pendahuluan

Di pasar perhiasan global, konsumen semakin mencari produk yang menyeimbangkan keanggunan estetika dengan fungsionalitas jangka panjang. Noda sidik jari, oksidasi permukaan, dan memudarnya warna telah menjadi masalah yang terus-menerus bagi perhiasan perak, tembaga, dan baja tahan karat—bahkan setelah pelapisan tradisional. Teknologi mesin pelapisan vakum mengatasi tantangan ini melalui sistem deposisi dua lapis: a lapisan dasar spesifik warna (emas, mawar emas, perak) yang memberikan daya tarik visual, dan a lapisan atas anti-sidik jari & anti-oksidasi transparan yang menjaga kinerja tanpa mengorbankan penampilan. Artikel ini secara sistematis merinci pemilihan material target, protokol pra-perlakuan, proses pelapisan langkah demi langkah, dan karakteristik film dua lapis untuk tiga aplikasi inti: lapisan berlapis emas + lapisan anti-sidik jari/anti-oksidasi, lapisan berlapis mawar emas + lapisan anti-sidik jari/anti-oksidasi, dan lapisan berlapis perak + lapisan anti-sidik jari/anti-oksidasi. Dengan mengklarifikasi komposisi material dan sinergi fungsional dari setiap lapisan, artikel ini memberikan panduan teknis yang dapat ditindaklanjuti bagi produsen perhiasan yang bertujuan untuk meningkatkan daya tahan produk dan daya saing pasar.

2. Pemilihan Material Target: Sinergi Dua Lapis untuk Warna dan Perlindungan

Kinerja pelapisan dua lapis sepenuhnya bergantung pada kompatibilitas dan komplementaritas fungsional dari material target untuk lapisan warna dan lapisan atas transparan. Setiap target harus memenuhi persyaratan ketat: target lapisan warna memastikan warna yang jelas dan konsisten serta adhesi ke substrat, sementara target anti-sidik jari/anti-oksidasi transparan menjamin kejernihan optik, energi permukaan rendah (anti-sidik jari), dan sifat penghalang yang padat (anti-oksidasi). Semua target mematuhi "Standar Keamanan Pelapisan Permukaan Perhiasan" (EN 1811:2019) dan memiliki kemurnian ≥99,95% untuk menghindari cacat seperti lubang jarum atau kabut.

2.1 Target untuk Lapisan Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan Berlapis Emas +

• Target Lapisan Warna:

◦ Target Titanium Nitrida (TiN): Paling banyak digunakan untuk pelapisan emas, karena TiN membentuk film seperti emas 18K yang hangat dengan kekerasan 2000–2500 HV. Doping dengan 5–8% aluminium (Al), target TiN-Al meningkatkan adhesi ke substrat perak dengan mengurangi ketidakcocokan ekspansi termal dan menghambat pembentukan perak sulfida.

◦ Target Zirkonium Nitrida (ZrN): Pilihan untuk perhiasan tembaga, ZrN menunjukkan ketahanan korosi yang unggul terhadap oksidasi inheren tembaga, mempertahankan warna emas cerah selama bertahun-tahun.

◦ Target Paduan TiN-Au (kandungan Au: 10–15%): Digunakan untuk perhiasan baja tahan karat, penambahan emas meningkatkan kejenuhan warna agar sesuai dengan emas alami, sementara fase keramik TiN memberikan ketahanan aus dasar.

• Target Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan:

◦ Target Silikon Oksida Doping Fluorin (F-SiO₂): Pilihan inti untuk lapisan atas, F-SiO₂ mengendapkan film transparan skala nano (15–25 nm) dengan energi permukaan . Doping fluorin menciptakan sifat hidrofobik/oleofobik (anti-sidik jari), sementara matriks silika membentuk penghalang padat terhadap oksigen dan kelembaban (anti-oksidasi).

◦ Target Karbon Mirip Berlian Terfluorinasi (F-DLC): Untuk aplikasi kelas atas, F-DLC menawarkan peningkatan ketahanan aus (kekerasan: 1800–2200 HV) bersamaan dengan transparansi (transmisi cahaya ≥95%) dan kinerja anti-sidik jari. Struktur karbon amorf menghalangi difusi ion, mencegah oksidasi substrat dan degradasi lapisan warna.

2.2 Target untuk Lapisan Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan Berlapis Mawar Emas +

• Target Lapisan Warna:

◦ Target Paduan Titanium-Kromium (Ti-Cr) (kandungan Cr: 30–40%): Disputter dalam atmosfer nitrogen, Ti-Cr-N membentuk film emas kemerahan lembut yang ideal untuk perhiasan perak. Kromium meningkatkan adhesi ke perak, sementara doping nitrogen menyempurnakan rona mawar (kandungan nitrogen yang lebih tinggi memperdalam rona merah muda).

◦ Target Ti-Cr-N Doping Nitrogen: Digunakan untuk perhiasan tembaga, target pra-nitrida menghilangkan fluktuasi nitrogen di dalam ruang, memastikan warna yang seragam dan membentuk penghalang nitrida yang menghambat difusi ion tembaga ke permukaan.

◦ Target Paduan Silikon-Kromium (Si-Cr) + Komposit TiN: Untuk perhiasan baja tahan karat, Si-Cr (Si: 20%, Cr: 80%) yang disputter dengan TiN menciptakan film mawar emas dengan ketangguhan yang ditingkatkan. Silikon memprakondisi permukaan untuk adhesi lapisan atas yang lebih baik.

• Target Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan:

◦ Target Silikon Nitrida (Si₃N₄): Target keramik yang sangat transparan (transmisi ≥96%) yang membentuk film padat dan tahan korosi. Porositas rendah Si₃N₄ menghalangi kelembaban dan oksigen, sementara permukaannya dapat dimodifikasi dengan fluorin pasca-deposisi untuk mencapai sifat anti-sidik jari (sudut kontak air >115°).

◦ Target Komposit F-SiO₂-TiO₂: Komponen TiO₂ meningkatkan ketahanan gores (kekerasan: 2000 HV) tanpa mengorbankan transparansi, sehingga cocok untuk perhiasan yang rentan terhadap pemakaian sehari-hari (misalnya, gelang, cincin).

2.3 Target untuk Lapisan Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan Berlapis Perak +

• Target Lapisan Warna:

◦ Target Titanium Murni (Ti): Ideal untuk pelapisan dasar perhiasan perak, Ti membentuk lapisan penghalang padat tipis (0,1–0,2 μm) yang mencegah oksidasi perak sambil mempertahankan warna perak yang cerah dan reflektif.

◦ Target Aluminium (Al): Digunakan untuk perhiasan tembaga, reflektifitas cahaya tinggi Al (≥92%) meniru perak murni, dan kompatibilitasnya dengan tembaga menghindari korosi galvanik.

◦ Target Paduan Ti-Si (kandungan Si: 15–20%): Untuk perhiasan baja tahan karat, Ti-Si mengendapkan film perak dengan sifat anti-noda yang ditingkatkan. Silikon mengurangi kekasaran permukaan, menciptakan dasar yang halus untuk lapisan atas transparan.

• Target Anti-Sidik Jari & Anti-Oksidasi Transparan:

◦ Target Aluminium Oksida (Al₂O₃): Pilihan hemat biaya dengan transparansi yang sangat baik (transmisi ≥94%) dan kinerja anti-oksidasi. Struktur kristal heksagonal Al₂O₃ membentuk penghalang yang kedap air, sementara perawatan permukaan dengan senyawa terperfluorinasi (PFC) memberikan fungsionalitas anti-sidik jari.

◦ Target Komposit F-SiO₂-ZrO₂: Zirkonium oksida (ZrO₂) meningkatkan stabilitas termal, membuat lapisan atas tahan terhadap fluktuasi suhu (misalnya, selama pembersihan perhiasan). Film mempertahankan transparansi dan sifat anti-sidik jari bahkan setelah terpapar 150°C.

3. Proses Pra-Perlakuan: Fondasi untuk Adhesi Dua Lapis

Pra-perlakuan sangat penting untuk menghilangkan kontaminan permukaan (minyak, oksida, residu pemolesan) dan mengaktifkan substrat, memastikan adhesi yang kuat antara logam dasar, lapisan warna, dan lapisan atas transparan. Semua proses mengikuti standar perlindungan korosi ISO 12944-4:2018 dan disesuaikan dengan sifat unik perak, tembaga, dan baja tahan karat.

3.1 Pra-Perlakuan untuk Perhiasan Perak

Kerentanan tinggi perak terhadap sulfidasi (perak sulfida hitam) membutuhkan pembersihan yang ditargetkan:

1. Pemolesan Presisi: Gunakan pasta berlian 0,5–1 μm untuk pemolesan mekanis untuk menghilangkan goresan, diikuti pasta alumina 0,1 μm untuk hasil akhir seperti cermin.

2. Pembersihan Ultrasonik: Rendam dalam larutan alkali (natrium hidroksida: 50 g/L, natrium karbonat: 30 g/L, surfaktan non-ionik: 5 g/L) pada 55±5°C selama 12–15 menit. Frekuensi ultrasonik (40 kHz) memastikan penghilangan residu lilin pemolesan dari celah.

3. Pengelupasan Oksida: Celupkan dalam larutan asam sitrat 6–8% pada 25°C selama 3–4 menit untuk melarutkan Ag₂S, lalu bilas dengan air deionisasi (air DI) pada 40°C untuk menetralkan asam.

4. Aktivasi Plasma: Perlakukan dalam ruang plasma argon (Ar) (daya RF: 350–450 W, tekanan: 5×10⁻² Pa) selama 2,5–3 menit. Ion Ar berenergi tinggi menghilangkan air yang teradsorpsi dan bahan organik, meningkatkan energi permukaan dari 35 mN/m menjadi ≥50 mN/m untuk meningkatkan adhesi lapisan.

5. Pengeringan Vakum: Keringkan pada 70±5°C selama 15 menit dalam oven vakum (tekanan: 1×10⁻¹ Pa) untuk mencegah re-oksidasi.

3.2 Pra-Perlakuan untuk Perhiasan Tembaga

Kecenderungan tembaga untuk membentuk patina hijau (CuO/CuCO₃) menuntut penghilangan oksida yang ketat:

1. Penggilingan Bertingkat: Mulai dengan amplas 400-mesh untuk menghilangkan lapisan oksida tebal, lalu amplas 1000-mesh dan 2000-mesh untuk penghalusan permukaan.

2. Pembersihan Alkali: Rendam dalam bak yang dipanaskan (natrium hidroksida: 100 g/L, natrium fosfat: 50 g/L, natrium silikat: 20 g/L) pada 75±5°C selama 18–20 menit. Pengadukan (50 rpm) memastikan pembersihan yang seragam.

3. Aktivasi Asam: Perlakukan dalam larutan asam sulfat 10% pada 25°C selama 1,5–2 menit untuk menghilangkan oksida sisa, lalu bilas dengan air DI tiga kali (masing-masing 2 menit) untuk menghilangkan sisa asam.

4. Pembersihan Plasma Dua-Gas: Gunakan plasma Ar-H₂ (Ar:H₂ = 3:1, daya RF: 450–550 W) selama 3–3,5 menit. Hidrogen mereduksi CuO yang tersisa menjadi tembaga murni, sementara ion Ar mengukir permukaan untuk ikatan mekanis yang lebih baik.

5. Pengeringan Vakum: Keringkan pada 75°C selama 20 menit dalam ruang vakum yang dibersihkan dengan nitrogen untuk menghindari penodaan ulang.

3.3 Pra-Perlakuan untuk Perhiasan Baja Tahan Karat

Film pasif kromium oksida (Cr₂O₃) baja tahan karat harus dimodifikasi untuk kompatibilitas lapisan:

1. Pembersihan Ultrasonik: Bersihkan dalam larutan deterjen netral (pH 7–8) pada 45±5°C selama 10 menit (frekuensi ultrasonik: 60 kHz) untuk menghilangkan debu dan minyak.

2. Pengukiran Film Pasif: Rendam dalam larutan asam klorida 5% pada 25°C selama 2–2,5 menit untuk mengukir film Cr₂O₃, memperlihatkan substrat Fe-Cr-Ni yang segar.

3. Pengukiran Plasma Oksigen: Perlakukan dalam ruang plasma oksigen (O₂) (daya RF: 550–650 W, tekanan: 4×10⁻² Pa) selama 3–4 menit. Oksigen mengoksidasi kontaminan permukaan dan membentuk gugus hidroksil (-OH), meningkatkan kemampuan basah dari bahan pelapis.

4. Pengeringan Cepat: Keringkan pada 80°C selama 10 menit dalam oven udara bersih untuk memastikan permukaan bebas kelembaban.

4. Proses Pelapisan Vakum: Deposisi Dua Lapis Langkah demi Langkah

Proses ini mengadopsi sputtering magnetron—yang dikenal karena ketebalan film yang seragam, kontrol komposisi yang tepat, dan adhesi yang kuat—dengan tahap terpisah untuk lapisan warna dan deposisi lapisan anti-sidik jari/anti-oksidasi transparan. Parameter kunci dioptimalkan untuk setiap kombinasi substrat-warna untuk memastikan konsistensi.

4.1 Persiapan Pra-Pelapisan

1. Pemuatan dan Penyegelan Ruang: Tempatkan perhiasan yang telah dipra-perlakuan pada perlengkapan yang berputar (kecepatan rotasi: 10–15 rpm) untuk memastikan pelapisan yang seragam. Segel ruang vakum dan lakukan uji kebocoran (laju kebocoran ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s).

2. Pemompaan Vakum:

◦ Pemompaan primer: Gunakan pompa mekanis untuk mengurangi tekanan menjadi 7,0 Pa (menghilangkan 90% uap air/udara).

◦ Pemompaan vakum tinggi: Aktifkan pompa turbomolekuler untuk mencapai tekanan akhir 3×10⁻⁳ Pa. Lingkungan kemurnian tinggi ini mencegah gangguan molekul gas dengan atom target yang disputter, menghindari porositas di kedua lapisan.

4.2 Pemboman Plasma (Aktivasi Pasca-Pemompaan)

Masukkan gas argon pada laju aliran 220–280 sccm dan terapkan tegangan bias negatif (-350 hingga -450 V) ke perlengkapan perhiasan. Ion Ar berenergi tinggi membombardir permukaan selama 6–9 menit:

• Perhiasan perak/tembaga: 6–7 menit (untuk menghindari kerusakan permukaan).

• Perhiasan baja tahan karat: 8–9 menit (untuk memperdalam aktivasi permukaan).

Langkah ini menghilangkan kontaminan sisa dan menciptakan kekasaran mikro, meningkatkan penguncian mekanis antara substrat dan lapisan warna.

4.3 Deposisi Lapisan Warna (Lapisan Pertama)

Sesuaikan parameter sputtering berdasarkan material target dan substrat: