內齒齒環的傳統加工工藝與電鑄的比較

李軍

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

【關鍵詞】內齒齒環；電鑄；離子束沉積薄膜；濺射

一、電鑄技術的發展現狀

1.離子束濺射和電鑄加工

自1954年出現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已經問世40年。在這40年中，電鑄技術發展迅速，電鑄技術簡單來說是運用利用離子發射器使離子源產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射出電子束，離子束被發射到真空并且充滿惰性氣體（通常在工業生產中都是用氬離子）的電離室中，電室中的惰性氣體被電離。由電室里的負極引出陽離子，電離的惰性氣體又經加速、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，產生濺射效應和注入效應。

2.電鑄技術工藝流程

電鑄加工零件是利用金屬的電解沉積的原理，發生置換反應，在陰極沉積形成需要的零件，能夠精準的復制某些復雜和一些特殊形狀的零件的加工方法。1837年俄國學者Б.С.雅可比于發明了電鑄技術。電鑄技術是在已經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。電鑄技術的基本原理與電鍍相似，它們的區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。因為其穩定的化學性質而被使用，惰性氣體的離子束發生的濺射現象為物理現象，不會改變沉積材料的化學性質，同過這一性質可以分析濺射離子、原子的化學性質及其物理性質是否被改變，生長薄膜的性質與結構正是這些粒子互相作用的產物。

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生了位置和形態的改變：位置的變化主要是指離子束轟擊使靶材原子轉移到薄膜表面和沉底上；形態的轉變是指靶材的體材料轉化為薄膜材料。

2.離子束非熱平衡沉積薄膜原理

在離子源發射離子到達靶面的過程中，離子也許會與其他氣體粒子或者原子發生相互作用，在發生作用時，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射中和的電子，使帶正電荷的離子束變為離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。常規熱平衡沉積薄膜系統中，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來制作薄膜既簡單又可行。

控制離子束濺射薄膜的性質及結構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，形成這種狀態的條件就是離子與原子的穩定能量差。

3.惰性氣體離子的氣體效應

在離子束濺射薄膜中，不同種類的氣體離子束會導致濺射沉積薄膜的結構及其性質產生差異，這類現象被稱為惰性氣體離子的氣體效應。

使用不同氣體離子束濺射同一種金屬會出現金屬薄膜質量厚度不均勻，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，會導致部分粒子沉積到薄膜中，會引起薄膜的晶粒發生晶格膨脹或者收縮。

4.離子束濺射薄膜技術

（1）控制生長薄膜結構及性質的方法

離子束濺射薄膜可用于開發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一個特殊現象，就是在轟擊離子會在靶面產生氣體原子，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生能量轉移或者交換的相互作用，會引起沉積原子的再濺射、沉積表面原子的轉移，會導致沉積層的性質，改變薄膜的生長速率。

M-D模型沉積薄膜結構，M-D模型原理認為，決定沉積薄膜晶型結構主要是：沉積薄膜過程中的氣體壓強和薄膜的生長溫度。遮蔽效應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。沉積薄膜內部如果產生原子擴散，會生成類似體材料的結晶。

濺射沉積和其他沉積方法有所差別，主要表現為：

（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構，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。