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离子镀膜技术

发布时间:2021-04-28浏览次数:载入中...
离子镀膜技术
离子镀在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离,并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀(空心阴极蒸镀法)、多弧离子镀(阴极电弧离子镀)等。

离子镀时,蒸发料粒子是以带电离子的形式在电场中沿着电力线方向运动,因而凡是有电场存在的部位,均能获得良好镀层,这比普通真空镀膜只能在直射方向上获得镀层优越得多。因此,这种方法非常适合于镀复零件上的内孔、凹槽和窄缝。等其他方法难镀的部位。用普通真空镀膜只能镀直射表面,蒸发料粒子尤如攀登云梯一样,只能顺梯而上;而离子镀则能均匀地绕镀到零件的背面和内孔中,带电离子则好比坐上了直升飞机,能够沿着规定的航线飞抵其活动半径范围内的任何地方。
镀层质量好离子镀的镀层组织致密、无针孔、无气泡、厚度均匀。甚至棱面和凹槽都可均匀镀复,不致形成金属瘤。像螺纹一类的零件也能镀复,由于这种工艺方法还能修补工件表面的微小裂纹和麻点等缺陷,故可有效地改善被镀零件的表面质量和物理机械性能。疲劳试验表明,如果处理得当,工件疲劳寿命可比镀前高百分之二、三十。离子镀技术最早由D. M. Mattox于1963年提出并付诸实践的。其原理是在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质离化,在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时,把蒸发物或其他反应物镀在基片上的工艺。

离子镀由于是利用高能离子轰击工件表面,使大量的电能在工件表面转换成热能,从而促进了表层组织的扩散作用和化学反应。然而,整个工件,特别是工件心部并未受到高温的影响。因此这种镀膜工艺的应用范围较广,受到的局限性则较小。通常,各种金属、合金以及某些合成材料、绝缘材料、热敏材料和高熔点材料等均可镀复。即可在金属工件上镀非金属或金属,也可在非金属上镀金属或非金属,甚至可镀塑料、橡胶、石英、陶瓷等。

根据膜层粒子的获得方式,离子镀可分为蒸发型离子镀和溅射型离子镀,其中蒸发型离子镀根据放电原理不同又可分为直流二级型离子镀、热丝弧离子镀、空心阴极离子镀以及热阴极离子镀等。直流二级离子镀,是稳定的辉光放电;空心阴极离子镀与热丝弧离子镀,是热弧光放电,产生电子的原因均可简单概括为金属材料由于被加热到很高的温度,导致核外电子的热发射;阴极电弧离子镀的放电类型与前面几种离子镀的放电类型均不相同,它采用的是冷弧光放电。

在众多离子镀膜技术中阴极电弧离子镀可谓是其中的集大成者,其目前已经逐步发展为硬质薄膜领域的主力。它采用冷弧光放电,膜层粒子离化率在众多PVD镀膜技术中最高。下面小编将结合阴极电弧离子镀示意图简要介绍其工作原理。

首先,带有正电位的引弧针(阳极)靠近带有负电位的靶材(阴极),阴阳两极距离足够小时,两极间的气体会被击穿,形成弧电流,这与电焊的引弧相类似。以上图为例,此时,部分N2发生离化,形成氮的阳离子以及电子。

受到电场力的吸引,接下来氮的阳离子会向飞向阴极即靶材附近,而电子则会飞向引弧针,但是由于离子的质量远远大于电子,因此在受到相同电场力的情况下,电子的移动距离会大于阳离子的移动距离,于是当电子到达阳极时,离子将不会到达阴极靶面,而是在距离靶面较近的位置处富集,形成正离子堆积层,如下图所示。

阳离子与阴极靶面的距离很小,可达微米级。根据E=U/d,可知此时空间中的电场强度极高,这种极强的电场会把靶材中的电子“扯”出来。被“扯”出的电子从阴极靶面飞向正离子堆积层,形成电流,堆积层与靶面被导通,于是在靶面附近产生电弧。

电弧会使靶材发生蒸发,同时正离子会被阴极靶面吸引,使得正离子轰击靶表面,产生溅射。由于不论蒸发还是溅射出的膜层粒子都需要经过正离子堆积层,如下图所示,并且在其飞出阴极靶面的过程中,膜层粒子会受到靶面处电弧的作用,因此到达工件处的粒子绝大多数为离子态。

工件处一般会加有负偏压,于是正离子受到电场力作用飞向工件,并对工件产生轰击,这种轰击会提高膜层的附着力,并使得磨蹭致密,这对于改善膜层质量是十分有益的。

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