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新型鍍膜技術 - 高能量脈衝式等離子磁控濺射技術製作厚離子鍍層
發展真空離子電鍍技術
發展純鈀電鍍技術
發展電鍍的循環洗水系統
發展應用於鐘錶及眼鏡製造業的鈦合金表面處理技術
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前言
香港表面處理學會及香港生產力促進局早在90年代已為香港的廠家開發和引入離子電鍍科技(Ion Plating,簡稱IP),自90年代後期推出以來,超過九成的鐘錶業電鍍加工商已使用的是離子鍍。現時,在香港本地,離子電鍍技術經已被超過300家製造業工廠廣泛應用在鐘錶、手機殼、汽車零部件、刀具及模具等行業。最近,各大品牌公司致力將產品的鍍層厚度提升致大於3micron,以提高其高科技形象。厚離子鍍層的陶瓷塗層具有耐磨、防腐蝕,或其他特殊的外觀、顏色與低摩擦係數等物理及化學性能。無可否認,厚離子電鍍層的陶瓷塗層愈來愈受到重視。目前,越來越多地被用於電器、生物醫療儀器、關鍵部件及鐘錶零件上面等等。

但是,目前本港及珠江三角洲的製造技術,并不足以生產穩定的3micron厚離子鍍層。由於有限的電離百分比(>10%),以常用的磁控濺射製作的厚離子鍍層(>2micron)的附著力差。此外,以陰極電弧蒸發的鍍層由於大顆粒噴出,所以表面粗糙及光潔度欠佳。為了協助本地製造商擴大市場及維持本香港的作為高科技產物製造中心的地位,香港金屬表面處理學會與香港生產力促進局先進表面處理技術發展中心合作,於2011年獲得創新科技署的創新及科技支援計劃撥款支助「發展高能量脈衝式等離子磁控濺射以制作厚離子鍍層」的項目,發展出高離化脈衝式等離子磁控濺射(High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering,簡稱HPPMS)系統以制作厚離子鍍層。研究項目己於去年底完成,至今已進行了多個專利項目的申請,可為該工藝在業界的應用提供有關技術。

突破的真空離子電鍍 - 提升厚度成未來趨勢
技術上,真空離子電鍍可透過不同的物理方法,在真空狀態下沉積,利用磁控濺射、電弧蒸鍍或電子束蒸鍍的方法,形成鍍層。隨著市場對真空離子電鍍的需求有增無減,電鍍技術亦開始不斷改進。發展至今,電鍍亦由早期的單元素鍍層,發展至多層鍍和納米複合鍍層。
從功能角度而言,鍍膜愈厚,其效能則愈高。對於汽車零件或加工部件,愈厚的鍍膜可提高耐磨能力。目前,不少大型品牌已將產品的鍍層厚度提升至3μm或以上,以提高產品附加值,從而進一步開拓市場。

相對之下,本港和珠三角廠商製作的鍍層厚度只有1μm至2μm(1μm相等於0.001mm),離化率相對較低(10%),影響鍍層的附著力。加上以傳統磁控濺射或電弧蒸鍍的形成方法,均有不足之處(如表面粗糙度、附著力差),影響產品質素。為擴闊市場空間,實有必要提升真空離子電鍍技術,生產穩定的3μm厚離子鍍層。

「高能量脈衝式磁控濺射」技術
高能量脈衝式等離子磁控濺射技術(HPPMS)是結合「高能量」和「脈衝式」兩大特徵的新型磁控濺射系統。 在鍍層過程上,電源(Power Supply)扮演重要的角色。採用「高能量」和「脈衝式」的放電方式,於短時間(可少於2微秒)發出強大的能量(高達1500V
輸出電壓),猶如閃電現象。由於過程中釋放大量的離子,消除了鍍膜的內應力,因此可製成厚離子鍍層,無損產品或工件的表面。這種方式可提高離化率(Ionization Rate),即改善塗層在產品表面的附著力。

是次開發的高能量脈衝式等離子磁控濺射(HPPMS)技術,超越傳統的磁控濺射方法,成功製作出高質量的厚離子鍍層(> 3μm)。由於高能量脈方式有利增加離子的密度,加強了鍍層與底材之間的應力連接,因此可減低表面粗糙度,在功能性部件上可進一步增強耐磨能力及減少替換次數,而對裝飾性強的產品來說,可保持外觀及更耐用。因此,以高能量脈衝式製作鍍層,能有效利用等離子體,從而控制塗層的結構,其最大特色是可沉積在光滑致密的微細結構,減低摩擦系數,提升耐腐蝕性及表面光潔度;又或是可沉積在複雜的幾何工件之上,達致更均勻的塗層。

莊龍三會長認為:「此技術可說是真空離子電鍍的延伸技術,有助廠商開拓更高技術水平的市場。要知道,既要製作厚密而又保持質量水平的鍍層並不容易,需累積豐富的經驗才能掌握箇中的技巧,是次研發可說是一大技術突破,足見本地鍍層技術有能力踏上更高的發展台階。」此技術可協助金屬加工業(鐘表、電子產品、刀具及模具業等)擴展市場,提供更高質量及高效能的產品,長遠提升競爭力。

盧偉賢副會長表示:「廠商只需在現有的離子電鍍設備上作出簡單的改動,以及添置高能量脈衝機,即可使用新技術,有助減少額外支出及成本壓力,適合廠商升級轉型,因此極具成本效益。」

項目當中的高能量脈衝式磁控濺射方法及其磁控濺射裝置已完成多項專利的申請,重點在於此技術可控制和改變鍍層的化學成份,可調配不同顏色的鍍膜,為鐘表及其他產品製造商帶來多元化的產品和服務。

盧偉賢博士及謝貫堯博士及莊龍三認為,表面處理的最大作用是提升工具和工件的使用壽命,並鼓勵業界以這種環保方式製作鍍層。

致力提升綠色形象
參考了海外先進國家的應用模式,本地業界近年積極將等離子體在應用於表面處理技術上,HPPMS便是採用這種方法,製作厚離子鍍層。由於在真空環境下工作,過程不需用水或化學品,亦不會產生廢氣,因此屬於環保技術。

莊龍三會長表示,因應大眾愈來愈重視環保,學會正計劃申請「發展品牌、升級轉型及拓展內銷市場的專項基金」(簡稱「BUD專項基金」)。「外間視『表面處理』行業等同污染環境的元兇。為了擺脫這個負面形象,我們期望透過此項目協助本地從事表面處理的廠商,以使用最少化學品和清潔生產的方式,助他們在技術上進行升級轉型,讓公眾知道表面處理、電鍍不一定是污染的工作,並且了解表面處理的好處,是在於延長工具和工件的壽命,亦同時減少產品或工具的替換次數。」

盧偉賢副會長補充,高增值行業必須得到表面處理的支持,才能提升產品質素,並且提高企業的品牌價值。

他們期望,未來有更多廠商採用此技術,領略厚鍍層的好處,為提升行業帶來新景象。有關「高能量脈衝式等離子磁控濺射」項目詳情及專利的受權,可聯絡:香港生產力促進局材料及製造科技部高級顧問盧偉賢博士,電話:2788 5520,電郵:wylo@hkpc.org


由於過程中使用了不同氣體控制鍍層的化學成份,故可造出不同顏色的鍍層表面,不失其增強硬度功能。


生產力局設立先進表面處理技術發展中心,備有真空爐,最新添置了高能量脈衝機,為廠商提供各類鍍層的生產及研發等支援服務。
 
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