多弧离子镀膜过程中几个参数的研究

摘要

多弧离子镀是在真空电弧和离子镀技术基础上发展起来的一门镀膜技术.经过近三十年的发展,多弧离子镀技术以其高离化率、易于进行反应镀、散射性好、膜层致密以及附着力强等优点,在刀具、模具、小五金以及装饰品等镀制耐磨、耐蚀薄膜的行业得到了广泛的应用,尤其是在TiN系列的镀层工业中,多弧离子镀几乎成为了唯一的生产工艺.在多弧离子镀膜过程中,对膜层质量产生影响的因素很多,包括工件温度、工件偏压、弧源工作状态、反应气体压力、靶基距等.该文以AC-8型多弧离子镀膜机为实验设备,对在表带上镀制TIN薄膜过程中的一些闯题进行了研究.在TiN薄膜的生长过程中,温度过低或者过高都不利于生成致密的膜层.温度过低薄膜生长不充分,表面粗糙,耐蚀性和显微硬度下降;温度过高则易于生成粗大柱状晶结构,同时还可能造成基体材料组织恶化,无法形成良好的膜基结合力,膜层性能下降.该文通过在AC-8机上进行不同温度范围表带样品的镀制,得出了铜质表带和锌基合金表带合适的镀膜温度范围.为了对镀膜过程中工件的温度进行预测,该文从能量的角度分析了影响工件温度的各种因素,根据能量守恒定律,建立了工件温度和各参数之间的关系方程.运用Mathematica和Matlab软件对方程进行求解,可以得出各种参数下工件温度的变化情况,从而为实际生产中工艺参数的选择提供参考.多弧靶磁场不仅可以改变阴极弧斑的运动形貌,而且能很大程度的抑制阴极液滴的发射,提高薄膜性能,因此获得合理的靶面磁场非常重要.针对AC-8机平面弧源,该文分析了磁场对弧斑的作用,并用Ansys软件对不同结构尺寸下Ti靶和Ni靶表面的磁场进行了计算,通过与磁场实测值的比较,验证了计算的正确性.TiN薄膜的颜色随着N离子含量的增加而加深,为了得到色泽差别小的产品,就必须保证镀膜室内反应气体N<,2>的分布尽量均匀.该文建立了镀膜室横纵截面两个模型,用FLUENT软件对模型中充气口方向与个数变化时N<,2>的压力分布进行了模拟,在对镀膜区压力分布情况进行比较后,得出了比较合理的充气孔结构形式.

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1引言

1.2多弧离子镀技术的研究概况

1.2.1多弧离子镀技术的背景

1.2.2多弧离子镀设备的发展概况

1.2.3薄膜质量影响因素的研究情况

1.3课题的来源及研究内容

1.3.1课题的来源

1.3.2研究内容及方法

第二章多弧离子镀的实践与发现

2.1设备介绍

2.2表带镀制TiN的工艺流程

2.3温度对TiN膜质量的影响

2.3.1工件温度的测量

2.3.2表带镀TiN沉积温度的确定

2.4多弧靶磁场的实验研究

2.5镀膜室气体分布对TiN膜颜色均匀性的影响

2.6本章小结

第三章镀膜过程工件温度分析

3.1引言

3.2影响工件温度因素的分析计算

3.2.1离子轰击热

3.2.2加热管辐射热

3.2.3电弧辐射热

3.2.4反应热

3.2.5工件向炉壁辐射散热

3.2.6工件架轴传导散热

3.2.7对流散热

3.3工件温度的计算

3.3.1计算公式求解

3.3.2不同参数下工件温度的模拟

3.3.3计算值与实际值的比较

3.4本章小结

第四章多弧靶磁场分析

4.1磁场对电弧的作用

4.2圆形平面靶面磁场的计算

4.2.1物理模型的建立

4.2.2基本数学模型

4.2.3有限元法离散

4.2.4磁感应强度的计算

4.2.5用Ansys软件进行磁场计算

4.3计算结果分析

4.3.1 Ti靶表面磁场分析

4.3.2Ni靶表面磁场分析

4.4本章小结

第五章镀膜室的压力场模拟

5.1引言

5.2模型的基本介绍

5.3气体流态的判断

5.4基本方程

5.5二次辉光过程镀膜室压力场的模拟

5.5.1网格的生成

5.5.2计算结果及分析

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

附表