內(nèi)齒齒環(huán)的傳統(tǒng)加工工藝與電鑄的比較

李軍

【摘 要】在制作手表內(nèi)齒齒環(huán)時，傳統(tǒng)加工工藝無法滿足手表內(nèi)齒環(huán)的精度要求，故引用了電鑄技術(shù)。使用電鑄技術(shù)來制作內(nèi)齒齒環(huán)，首先要分析離子束的離子源，因為設(shè)計好的離子源是實行離子濺射的關(guān)鍵，然后設(shè)計離子束濺射沉積薄膜（電鑄時使用的模具）的裝置，進(jìn)行內(nèi)齒齒環(huán)的加工和后期處理，測量其精度尺寸是否達(dá)到預(yù)想結(jié)果。最后進(jìn)行電鑄加工秒齒環(huán)工藝和傳統(tǒng)加工工藝的比較與分析。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)齒齒環(huán)；電鑄；離子束沉積薄膜；濺射

一、電鑄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.離子束濺射和電鑄加工

自1954年出現(xiàn)定向電鑄離子束濺射材料的方法一直到今日，電鑄離子束濺射沉積薄膜技術(shù)已經(jīng)問世40年。在這40年中，電鑄技術(shù)發(fā)展迅速，電鑄技術(shù)簡單來說是運用利用離子發(fā)射器使離子源產(chǎn)生一定能量的離子束，用離子束來轟擊處于高真空中的靶材料，使其靶材料的原子濺射出來，沉積在基底成膜的過程。換句話說使用離子束加工是有條件的，一般是在真空情況下，先由離子源里的電子槍發(fā)射出電子束，離子束被發(fā)射到真空并且充滿惰性氣體（通常在工業(yè)生產(chǎn)中都是用氬離子）的電離室中，電室中的惰性氣體被電離。由電室里的負(fù)極引出陽離子，電離的惰性氣體又經(jīng)加速、集束等步驟，獲得具有一定能量、一定速度的離子束，離子被投射到材料表面，產(chǎn)生濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。

2.電鑄技術(shù)工藝流程

電鑄加工零件是利用金屬的電解沉積的原理，發(fā)生置換反應(yīng)，在陰極沉積形成需要的零件，能夠精準(zhǔn)的復(fù)制某些復(fù)雜和一些特殊形狀的零件的加工方法。1837年俄國學(xué)者Б.С.雅可比于發(fā)明了電鑄技術(shù)。電鑄技術(shù)是在已經(jīng)做好的模具表面沉積金屬，然后把模具和零件分離來制取零件的工藝。電鑄技術(shù)的基本原理與電鍍相似，它們的區(qū)別在于電鑄層要與基材（芯模）分離，而電鍍層要與基體材料牢固結(jié)合，電鍍加工的零件的厚度會有幾微米到幾十微米，而電鑄加工出的零件有零點幾毫米到幾十毫米。

二、電鑄原膜的薄膜制造

1.離子束沉積（IBD）薄膜原理

使用發(fā)射離子束，運用離子束轟擊靶材料制取材料薄膜的過程被稱為離子束沉積（IBD）。離子束沉積（IBD）有很多種方法，其基本方法是離子束濺射沉積（IBSD），其他方法皆由此演變而來。

離子束沉積薄膜可用多種氣體離子，使氬（Ar）氪（Kr）氦（He）氙（Xe）氖（Ne）等惰性氣體離子用作轟擊離子。因為其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)而被使用，惰性氣體的離子束發(fā)生的濺射現(xiàn)象為物理現(xiàn)象，不會改變沉積材料的化學(xué)性質(zhì)，同過這一性質(zhì)可以分析濺射離子、原子的化學(xué)性質(zhì)及其物理性質(zhì)是否被改變，生長薄膜的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)正是這些粒子互相作用的產(chǎn)物。

離子濺射沉積薄膜的概念是轟擊材料靶，使材料靶上的原子發(fā)生移動，同時原子上還具有能量，原子會引起靶面表面層原子的碰撞，靶原子變成濺射原子。在濺射原子的通量加一個底襯來改變其通量，那么濺射原子會沉積于底襯之上，隨著濺射和沉積時間的加長，在襯底的表面就會形成一個由沉積原子形成的生長薄膜。在離子束濺射沉積薄膜過程中，離子束濺射使材料發(fā)生了位置和形態(tài)的改變：位置的變化主要是指離子束轟擊使靶材原子轉(zhuǎn)移到薄膜表面和沉底上；形態(tài)的轉(zhuǎn)變是指靶材的體材料轉(zhuǎn)化為薄膜材料。

2.離子束非熱平衡沉積薄膜原理

在離子源發(fā)射離子到達(dá)靶面的過程中，離子也許會與其他氣體粒子或者原子發(fā)生相互作用，在發(fā)生作用時，離子會損失部分能量。離子與原子碰撞所損失的能量大概在15%左右。在離子束運輸過程中要帶有一個正電荷的單荷離子，還要帶2個電荷的雙荷離子。使用中和陰極向離子束中發(fā)射中和的電子，使帶正電荷的離子束變?yōu)殡x子與電子的混合的離子體，如果采用離子束中和不充分，就會使離子束失去能量，改變離子束的運輸特征。

離子束濺射薄膜處于非熱平衡狀態(tài)。常規(guī)熱平衡沉積薄膜系統(tǒng)中，很難制備熔點高的材料薄膜，有些材料根本無法制作材料薄膜，所以在一些情況下，制作離子束濺射技術(shù)來制作薄膜既簡單又可行。

控制離子束濺射薄膜的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的最基本是離子的能量，離子濺射材料靶與沉積粒子生長薄膜過程處在非平衡狀態(tài)，形成這種狀態(tài)的條件就是離子與原子的穩(wěn)定能量差。

3.惰性氣體離子的氣體效應(yīng)

在離子束濺射薄膜中，不同種類的氣體離子束會導(dǎo)致濺射沉積薄膜的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)產(chǎn)生差異，這類現(xiàn)象被稱為惰性氣體離子的氣體效應(yīng)。

使用不同氣體離子束濺射同一種金屬會出現(xiàn)金屬薄膜質(zhì)量厚度不均勻，這說明濺射金屬原子通量的分布受氣體粒子的種類影響。在生長中的薄膜如果受到能力粒子轟擊，會導(dǎo)致部分粒子沉積到薄膜中，會引起薄膜的晶粒發(fā)生晶格膨脹或者收縮。

4.離子束濺射薄膜技術(shù)

（1）控制生長薄膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的方法

離子束濺射薄膜可用于開發(fā)新的薄膜材料和其他薄膜，可制取單層或者多層薄膜。離子束濺射薄膜可用其他形式的靶。在薄膜成長過程中有許多影響能影響其生長速率，如：離子種類、離子流動的通量、通入離子源放電室的氣體、沉積溫度等。在離子濺射薄膜過程中會出現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，就是在轟擊離子會在靶面產(chǎn)生氣體原子，氣體原子會隨濺射原子一起射到薄膜或者底襯上，同樣也會在底襯或薄膜上產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移或者交換的相互作用，會引起沉積原子的再濺射、沉積表面原子的轉(zhuǎn)移，會導(dǎo)致沉積層的性質(zhì)，改變薄膜的生長速率。

M-D模型沉積薄膜結(jié)構(gòu)，M-D模型原理認(rèn)為，決定沉積薄膜晶型結(jié)構(gòu)主要是：沉積薄膜過程中的氣體壓強(qiáng)和薄膜的生長溫度。遮蔽效應(yīng)會引起低密度的錐狀晶珠，會形成粗糙的薄膜表面。這種方式的成長薄膜，晶體間會有空隙，隨著溫度的增加，沉積原子會向四周分散使晶柱變粗并排列均勻。沉積薄膜內(nèi)部如果產(chǎn)生原子擴(kuò)散，會生成類似體材料的結(jié)晶。

濺射沉積和其他沉積方法有所差別，主要表現(xiàn)為：

（1）濺射原子攜帶能量，能量的大小依然能影響成長薄膜的結(jié)構(gòu)，引起沉積薄膜表面的溫度升高、沉積薄膜表面原子的移動、影響沉積薄膜的界面層、改變沉積表面的密度、快速原子的摻氣量等。