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多弧离子镀的工作原理和技术特点

浏览数:71 发布于:2021-08-03

多弧离子镀作为物理气相沉积技术的一个分支,是以真空蒸镀和真空溅射为基础的一种新型镀膜技术,又称真空电弧蒸镀,它利用真空电弧放电作为电弧蒸镀的源。多弧离子镀技术企业因其沉积速率高、附着力好、镀层致密、操作简单方便等优点,在材料以及表面改性研究领域得到了一个广泛发展应用。1963年,马托克斯首次提出并使用了离子镀技术;1972年,Bunshah等人开发了反应蒸发(ARE)技术。1973年,Mulayama等人发明了射频激励离子镀;20世纪80年代,离子镀已经成为全世界的高科技产业。主要通过产品是高速钢和硬质材料合金进行刀具上的TiN、TiAlN耐磨层和TiN仿金装饰以及涂层。1982年,美国多弧公司首次引进多弧离子镀商用设备,1986年,我国开始生产多弧离子镀设备。20世纪90年代,离子镀技术发展取得了一个长足的进步。与八十年代相比,离子电镀设备和工艺有了很大的改进。近年来,根据不同的要求,国内外制造了各种离子镀机,其中一些已经达到工业生产水平。以下问题主要通过介绍多弧离子镀技术的工作基本原理、特点、工艺设计参数和研究方法进展,以及多弧离子镀技术在刀具进行涂层中的应用。


  多弧离子镀的工作原理
多弧离子镀技术的原理主要是基于冷阴极真空电弧放电理论。图1是多弧离子镀工作基本原理分析示意图。真空电弧点燃后,阴极靶面上出现一些不连续的各种大小和形状的亮点,它们在阴极表面快速不规则地移动。当一些点熄灭时,一些点在其他部分形成,以保持电弧的燃烧。阴极斑点的电流密度为104~105A/cm2,以1000m/s的速度发射金属蒸气,其中每发射10个电子就能发射出一个金属原子,然后这些原子电离成高能正离子(如Ti),在真空室中运行的同时与其他离子(如TiN与N)结合,沉积在工件表面形成涂层。
  图1多弧离子镀工作基本原理分析示意图


  图2是真空电弧放电的示意图。根据真空电弧放电理论,电场电子发射和正离子电流并存,相互制约,是电流传递的主要方式。在放电发展过程中,阴极材料需要大量蒸发,这些不同蒸发的原子可以产生的正离子在阴极表面以及附近的短距离内产生一个非常强的电场。在如此强大的电场下,电子可以直接从金属的铁能水平逃逸到真空中,从而产生所谓的"场电子发射"。

图2真空电弧放电示意图


  多弧离子镀的技术特点


  多弧离子镀工艺的突出特点是我们可以通过产生由高度电离的蒸发物质文化组成的等离子体,其中离子之间具有一定很高的动能。蒸发、电离和加速都集中在阴极斑及其附近的一小块区域。其特点如下:
(1)最显著的特点是从阴极直接产生等离子体。
  (2)入射产生粒子进行能量高,涂层材料密度高,强度和耐久性好。
  (3)电离率高,一般达到60% ~ 80%。
  (4)沉积速度快,镀覆能力好。
(5)设备相对简单,用低压电源工作更安全。
  (6)一弧多用。电弧产生既是蒸发源和电离源,也是一个离子进行溅射数据清洗的加热源和离子源。
(7)外加磁场可以改善电弧放电,细化电弧,细化涂层颗粒,提高带电粒子的比例,改善阴极靶的刻蚀均匀性,提高靶的利用率。
  多弧离子镀设备及技术的研究进展
  多弧离子镀设备进行一般来说比较可以简单,整个教学设备主要由真空镀膜室、弧源、真空采集信息系统、偏压源等组成。弧源是多弧离子镀技术设备的关键核心部件。现在中国国内企业普遍可以采用小弧源,直径60 ~ 80 mm,厚度为直径的1/2。几离子镀膜机采用圆柱弧源设计,一台镀膜机只从真空室中心安装一个柱状弧,工件放置在四周。国外一些离子镀膜机使用直径100mm、厚度约为直径1/4的大弧源。一台镀膜机配有12~32个弧源,待镀工件材料置于一个真空室中心。丹普公司积极与国内外企业和科研机构合作。并在一些常用的涂料应用领域取得了可喜的成绩。该涂层工艺可生产出硬度高、热稳定性好、化学稳定性好的氧化铝涂层,利用该工艺可制备各种物理气相沉积涂层,如氮化钛、TiCN、氮化钽、氮化钽、氮化钽、氮化铬和类金刚石碳。


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