Полный процесс вакуумного напыления для ювелирных изделий: золочение, титанирование и другие покрытия

Технология вакуумного напыления, преимущественно физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD), произвела революцию в ювелирной промышленности, предлагая экологически чистые, долговечные и высококачественные решения для финишной обработки поверхности при золочении, титанировании и нанесении других декоративных покрытий. В отличие от традиционного гальванического покрытия, которое полагается на токсичные химикаты, вакуумное напыление работает в герметичной среде низкого давления, обеспечивая соответствие международным экологическим стандартам, таким как EU RoHS и REACH. Процесс включает в себя ряд взаимосвязанных этапов, от предварительной обработки до контроля после нанесения покрытия, где точность каждого этапа напрямую влияет на внешний вид, адгезию и долговечность конечного продукта. В этой статье подробно описан полный рабочий процесс вакуумного напыления для ювелирных изделий с акцентом на ультразвуковую очистку, требования к полировке поверхности и отличительные характеристики — включая периоды сохранения цвета — настоящего золотого и титанового покрытия.

Предварительная обработка: основа высококачественного покрытия

Предварительная обработка общепризнана как наиболее важный этап вакуумного напыления, поскольку поверхностные загрязнения, такие как масло, воск, оксиды и пыль, могут привести к разрушению покрытия, включая отслаивание, образование пузырей и неравномерное осаждение. Этот этап состоит из двух основных процессов: полировки поверхности и многоступенчатой очистки, при этом ультразвуковая технология играет ключевую роль в достижении тщательной дезактивации.

Требования к полировке поверхности

Полировка необходима для создания гладкой, однородной подложки, которая улучшает адгезию покрытия и визуальную привлекательность. Процесс следует последовательному подходу «грубая полировка → средняя полировка → тонкая полировка» с использованием оборудования, такого как полировальные круги из ткани и абразивные полировальные станки. Для декоративных ювелирных изделий, требующих зеркальной отделки, шероховатость поверхности должна контролироваться в пределах Ra 0,030 мкм, обеспечивая постоянство отражения света и однородность покрытия. Для изделий с текстурными эффектами (например, пескоструйная обработка или браширование) эти текстуры наносятся после тонкой полировки, чтобы избежать повреждения желаемого рисунка поверхности. Для функциональных ювелирных изделий, таких как медицинские аксессуары для пирсинга, полировка направлена на умеренную шероховатость (Ra 0,1-0,3 мкм) для создания микро-ям, которые действуют как «якоря» для покрытия, усиливая адгезию. Полировальные материалы различаются в зависимости от подложки: пасты из оксида алюминия используются для основных металлов, таких как сплавы меди, а алмазные пасты предпочтительны для более твердых материалов, таких как титановая сталь.

Ультразвуковая очистка и многоступенчатая дезактивация

Ультразвуковая очистка использует высокочастотные звуковые волны (обычно 40 кГц) для создания микроскопических пузырьков в чистящих растворах, которые схлопываются, удаляя загрязнения даже из сложных областей, таких как гравировки и полые структуры. Процесс очистки следует строгому порядку для удаления различных типов примесей:

• Удаление воска: Полированные ювелирные изделия погружают в слабый щелочной растворитель воска (концентрация 8-10%) при 75±2°C на 240±10 секунд. Раствор, содержащий сложные эфиры жирных кислот и кокосовый диэтаноламид, эффективно растворяет остатки полировального воска. Дополнительный поток воды 3 л/24 ч поддерживает эффективность раствора, рекомендуется еженедельная замена.
• Обезжиривание: Затем изделия подвергаются ультразвуковому обезжириванию в 4-5% щелочном обезжиривателе при 55±2°C в течение 240±10 секунд. Этот этап удаляет органические загрязнения, такие как отпечатки пальцев, смазочно-охлаждающие жидкости и кожное сало. Состав обезжиривателя, включающий алкилфенолэтоксилаты и кокосовые алканоламины, обеспечивает тщательную эмульгирование масла без повреждения подложки.
• Активация поверхности: Чтобы удалить наноразмерные оксидные пленки, образовавшиеся при полировке (которые препятствуют адгезии покрытия), ювелирные изделия обрабатывают смешанным раствором KMnO4 (100±10 г/л) и NaOH (20±5 г/л) при 50±2°C в течение 240±10 секунд. Этот мягкий процесс травления освежает металлическую поверхность, улучшая ее реакционную способность с материалом покрытия.
• Нейтрализация и промывка: После активации ювелирные изделия нейтрализуют в растворе щавелевой кислоты (H2C2O4) (50±10 г/л) при комнатной температуре для удаления остаточных окислителей. Затем их промывают деионизированной водой в три последовательных этапа для удаления химических остатков, с заключительной промывкой чистой водой для предотвращения минеральных отложений.
• Сушка: Очищенные ювелирные изделия сушат в вакуумной печи при 80-100°C в течение 30-60 минут для удаления всей влаги. Даже следы водяного пара могут испаряться в вакуумной камере, вызывая дефекты в виде пор в покрытии. На протяжении всего процесса очистки между каждым этапом выполняется распылительная промывка (5 л/мин) для предотвращения перекрестного загрязнения.

Вакуумное напыление: основные процессы осаждения

После предварительной обработки ювелирные изделия переносятся в вакуумную камеру для нанесения покрытия. Камера вакуумируется до давления ниже 5×10⁻³ Па, чтобы минимизировать взаимодействие молекул газа, обеспечивая образование плотной, однородной пленки. Для золочения и титанирования используются две основные технологии: магнетронное распыление и многодуговое ионное напыление.

Настоящее золочение (PVD золотое покрытие)

PVD настоящее золочение наносит тонкий слой чистого золота (Au) или золотого сплава (например, Au-Pd) на поверхность ювелирных изделий, предлагая экономичную альтернативу цельному золоту, сохраняя при этом подлинный золотой вид. В процессе обычно используется магнетронное распыление, при котором ионы аргона ускоряются электрическим полем для бомбардировки золотой мишени, выбрасывая атомы золота, которые осаждаются на вращающиеся ювелирные изделия. Ключевые параметры включают:

• Уровень вакуума: Поддерживается на уровне 2×10⁻³ Па для предотвращения окисления атомов золота.
• Температура осаждения: Контролируется на уровне 150-200°C, чтобы избежать деформации подложки (критично для деликатных конструкций).
• Толщина покрытия: 0,5-1,5 мкм для декоративных ювелирных изделий; более толстые слои (2-3 мкм) используются для изделий с высокой степенью износа, таких как кольца.
• Улучшение адгезии: Тонкий промежуточный слой титана (Ti) или хрома (Cr) часто наносится первым для улучшения сцепления золота с подложкой.

Для ювелирных изделий премиум-класса гибридный процесс сочетает в себе многодуговое ионное напыление (для промежуточного слоя) и магнетронное распыление (для золотого слоя), в результате чего получается покрытие с твердостью HV 1500-2000 — в 30 раз тверже, чем традиционное гальваническое золото. Это повышает устойчивость к царапинам и долговечность.

Сохранение цвета настоящего золотого покрытия

Период сохранения цвета PVD настоящего золотого покрытия составляет от 2 до 5 лет в нормальных условиях эксплуатации (т. е. ограниченное воздействие агрессивных химикатов, пота и истирания). Ключевые факторы, влияющие на долговечность, включают:

• Толщина покрытия: Более толстые слои (2-3 мкм) могут продлить сохранение цвета до 4-5 лет, в то время как более тонкие слои (0,5-1 мкм) могут немного выцветать через 2-3 года.
• Воздействие окружающей среды: Контакт с косметикой, духами, хлором (бассейны) или кислым потом ускоряет окисление, уменьшая сохранение цвета на 30-50%.
• Качество подложки: Высокочистые основные металлы (например, титановая сталь) минимизируют гальваническую коррозию, сохраняя золотой слой дольше, чем сплавы низкого качества.

Титанирование (покрытие нитридом титана)

Титанирование, обычно называемое «титановым золотом» (TiN), создает прочное, коррозионностойкое покрытие с характерным золотисто-бронзовым оттенком. В процессе используется многодуговое ионное напыление, которое ионизирует атомы титана с помощью высоковольтных дуг, ускоряя их к ювелирным изделиям с отрицательным смещением (-500–1000 В) для улучшения адгезии. Основные этапы включают:

• Подготовка мишени: Для обеспечения целостности покрытия используются мишени из титана высокой чистоты (99,99%).
• Введение реактивного газа: Азот (N₂) впрыскивается в камеру для реакции с ионами титана, образуя TiN.
• Контроль процесса: Температура осаждения устанавливается на уровне 200-300°C, с толщиной покрытия 1-2 мкм. Полученный слой TiN обладает исключительной износостойкостью (выдерживает 48-часовые испытания солевым туманом без коррозии) и отражающей способностью с отражающей способностью 95% после полировки.

Для нестандартных цветов (например, титан цвета розового золота) используются сплавные мишени (Ti-Al) или корректировки газовой смеси (соотношение N₂/Ar) для изменения оптических свойств покрытия.

Сохранение цвета титанового покрытия

Титановое покрытие обеспечивает превосходное сохранение цвета по сравнению с настоящим золотым покрытием, в диапазоне от 3 до 8 лет при нормальном износе. Его долговечность объясняется:

• Инертность материала: TiN химически стабилен, устойчив к окислению, коррозии и реакции с кожным салом или бытовыми химикатами.
• Твердость: Обладая твердостью HV 2000-2500, покрытие обладает высокой устойчивостью к царапинам, предотвращая повреждение поверхности, которое обнажает подложку и вызывает обесцвечивание.
• Плотность слоя: Многодуговое ионное напыление создает плотную пленку без пор, которая действует как барьер против факторов окружающей среды. Даже при частом ношении (например, кольца, которые носят ежедневно) сохранение цвета остается выше 70% через 5 лет.

Сравнение между настоящим золотым покрытием и титановым покрытием

Чтобы предоставить четкую ссылку для производителей и потребителей, ключевые различия между PVD настоящим золотым покрытием и титановым покрытием обобщены ниже:

Обработка после нанесения покрытия и контроль качества

Заключительный этап обеспечивает соответствие покрытия эстетическим и эксплуатационным стандартам, включая охлаждение, отделку и строгие испытания.

Охлаждение и отделка

После осаждения вакуумная камера постепенно заполняется азотом для сброса давления, и ювелирные изделия охлаждаются до комнатной температуры в течение 2-4 часов. Следует избегать быстрого охлаждения, чтобы предотвратить растрескивание, вызванное термическим напряжением. Для декоративных изделий окончательная полировка мягким тканевым кругом удаляет незначительные дефекты поверхности и улучшает блеск. Для текстурированных ювелирных изделий дополнительная полировка не выполняется для сохранения желаемого рисунка поверхности.

Контроль качества

Протоколы контроля охватывают несколько показателей производительности:

• Измерение толщины: Цифровой измеритель толщины (точность 0,1 мкм) проверяет однородность покрытия, отклонения, превышающие ±0,1 мкм, требуют переделки.
• Испытание на адгезию: Для обеспечения отсутствия отслаивания или сколов покрытия используются испытание скотчем (ASTM D3359) и испытание надрезом.
• Испытание на твердость: Измеритель микротвердости измеряет твердость покрытия с минимальными требованиями HV 1200 для титанового покрытия и HV 800 для золотого покрытия.
• Эстетическая оценка: Визуальный осмотр при стандартизированном освещении проверяет наличие обесцвечивания, пор или неравномерности.
• Проверка сохранения цвета: Ускоренные испытания на старение (например, 1000-часовое УФ-облучение, 500-часовое погружение в пот) предсказывают долговечность в реальных условиях; золотое покрытие должно сохранять ≥80% цвета после 500 часов, а титановое покрытие должно сохранять ≥90%.
• Функциональные испытания: Для высокопроизводительных ювелирных изделий проводятся испытания на коррозионную стойкость (солевой туман) и износостойкость (испытания на истирание).

Преимущества и применение в промышленности

Вакуумное напыление предлагает многочисленные преимущества по сравнению с традиционными методами: экологическая устойчивость (отсутствие токсичных отходов), превосходные характеристики покрытия (плотность, адгезия и долговечность) и универсальность для различных материалов (золото, серебро, титановая сталь, пластмассы) и конструкций (полые, гравированные, микрокомпоненты). Настоящее золотое вакуумное напыление широко используется в роскошных легких ювелирных изделиях (например, ожерелья и серьги из розового золота) для баланса между стоимостью и роскошным видом, в то время как титановое напыление доминирует на рынках функциональных ювелирных изделий (например, спортивные часы, медицинский пирсинг) из-за его устойчивости к царапинам и коррозии. По мере роста потребительского спроса на экологически чистые и долговечные ювелирные изделия технология вакуумного напыления продолжает развиваться, с тенденциями, включающими многофункциональные композитные покрытия (износостойкие + антибактериальные) и интеллектуальное управление процессом (мониторинг толщины в реальном времени).