内齿齿环的传统加工工艺与电铸的比较

李军

【摘 要】在制作手表内齿齿环时，传统加工工艺无法满足手表内齿环的精度要求，故引用了电铸技术。使用电铸技术来制作内齿齿环，首先要分析离子束的离子源，因为设计好的离子源是实行离子溅射的关键，然后设计离子束溅射沉积薄膜（电铸时使用的模具）的装置，进行内齿齿环的加工和后期处理，测量其精度尺寸是否达到预想结果。最后进行电铸加工秒齿环工艺和传统加工工艺的比较与分析。

【关键词】内齿齿环；电铸；离子束沉积薄膜；溅射

一、电铸技术的发展现状

1.离子束溅射和电铸加工

自1954年出现定向电铸离子束溅射材料的方法一直到今日，电铸离子束溅射沉积薄膜技术已经问世40年。在这40年中，电铸技术发展迅速，电铸技术简单来说是运用利用离子发射器使离子源产生一定能量的离子束，用离子束来轰击处于高真空中的靶材料，使其靶材料的原子溅射出来，沉积在基底成膜的过程。换句话说使用离子束加工是有条件的，一般是在真空情况下，先由离子源里的电子枪发射出电子束，离子束被发射到真空并且充满惰性气体（通常在工业生产中都是用氩离子）的电离室中，电室中的惰性气体被电离。由电室里的负极引出阳离子，电离的惰性气体又经加速、集束等步骤，获得具有一定能量、一定速度的离子束，离子被投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。

2.电铸技术工艺流程

电铸加工零件是利用金属的电解沉积的原理，发生置换反应，在阴极沉积形成需要的零件，能够精准的复制某些复杂和一些特殊形状的零件的加工方法。1837年俄国学者Б.С.雅可比于发明了电铸技术。电铸技术是在已经做好的模具表面沉积金属，然后把模具和零件分离来制取零件的工艺。电铸技术的基本原理与电镀相似，它们的区别在于电铸层要与基材（芯模）分离，而电镀层要与基体材料牢固结合，电镀加工的零件的厚度会有几微米到几十微米，而电铸加工出的零件有零点几毫米到几十毫米。

二、电铸原膜的薄膜制造

1.离子束沉积（IBD）薄膜原理

使用发射离子束，运用离子束轰击靶材料制取材料薄膜的过程被称为离子束沉积（IBD）。离子束沉积（IBD）有很多种方法，其基本方法是离子束溅射沉积（IBSD），其他方法皆由此演变而来。

离子束沉积薄膜可用多种气体离子，使氩（Ar）氪（Kr）氦（He）氙（Xe）氖（Ne）等惰性气体离子用作轰击离子。因为其稳定的化学性质而被使用，惰性气体的离子束发生的溅射现象为物理现象，不会改变沉积材料的化学性质，同过这一性质可以分析溅射离子、原子的化学性质及其物理性质是否被改变，生长薄膜的性质与结构正是这些粒子互相作用的产物。

离子溅射沉积薄膜的概念是轰击材料靶，使材料靶上的原子发生移动，同时原子上还具有能量，原子会引起靶面表面层原子的碰撞，靶原子变成溅射原子。在溅射原子的通量加一个底衬来改变其通量，那么溅射原子会沉积于底衬之上，随着溅射和沉积时间的加长，在衬底的表面就会形成一个由沉积原子形成的生长薄膜。在离子束溅射沉积薄膜过程中，离子束溅射使材料发生了位置和形态的改变：位置的变化主要是指离子束轰击使靶材原子转移到薄膜表面和沉底上；形态的转变是指靶材的体材料转化为薄膜材料。

2.离子束非热平衡沉积薄膜原理

在离子源发射离子到达靶面的过程中，离子也许会与其他气体粒子或者原子發生相互作用，在发生作用时，离子会损失部分能量。离子与原子碰撞所损失的能量大概在15%左右。在离子束运输过程中要带有一个正电荷的单荷离子，还要带2个电荷的双荷离子。使用中和阴极向离子束中发射中和的电子，使带正电荷的离子束变为离子与电子的混合的离子体，如果采用离子束中和不充分，就会使离子束失去能量，改变离子束的运输特征。

离子束溅射薄膜处于非热平衡状态。常规热平衡沉积薄膜系统中，很难制备熔点高的材料薄膜，有些材料根本无法制作材料薄膜，所以在一些情况下，制作离子束溅射技术来制作薄膜既简单又可行。

控制离子束溅射薄膜的性质及结构的最基本是离子的能量，离子溅射材料靶与沉积粒子生长薄膜过程处在非平衡状态，形成这种状态的条件就是离子与原子的稳定能量差。

3.惰性气体离子的气体效应

在离子束溅射薄膜中，不同种类的气体离子束会导致溅射沉积薄膜的结构及其性质产生差异，这类现象被称为惰性气体离子的气体效应。

使用不同气体离子束溅射同一种金属会出现金属薄膜质量厚度不均匀，这说明溅射金属原子通量的分布受气体粒子的种类影响。在生长中的薄膜如果受到能力粒子轰击，会导致部分粒子沉积到薄膜中，会引起薄膜的晶粒发生晶格膨胀或者收缩。

4.离子束溅射薄膜技术

（1）控制生长薄膜结构及性质的方法

离子束溅射薄膜可用于开发新的薄膜材料和其他薄膜，可制取单层或者多层薄膜。离子束溅射薄膜可用其他形式的靶。在薄膜成长过程中有许多影响能影响其生长速率，如：离子种类、离子流动的通量、通入离子源放电室的气体、沉积温度等。在离子溅射薄膜过程中会出现一个特殊现象，就是在轰击离子会在靶面产生气体原子，气体原子会随溅射原子一起射到薄膜或者底衬上，同样也会在底衬或薄膜上产生能量转移或者交换的相互作用，会引起沉积原子的再溅射、沉积表面原子的转移，会导致沉积层的性质，改变薄膜的生长速率。

M-D模型沉积薄膜结构，M-D模型原理认为，决定沉积薄膜晶型结构主要是：沉积薄膜过程中的气体压强和薄膜的生长温度。遮蔽效应会引起低密度的锥状晶珠，会形成粗糙的薄膜表面。这种方式的成长薄膜，晶体间会有空隙，随着温度的增加，沉积原子会向四周分散使晶柱变粗并排列均匀。沉积薄膜内部如果产生原子扩散，会生成类似体材料的结晶。

溅射沉积和其他沉积方法有所差别，主要表现为：

（1）溅射原子携带能量，能量的大小依然能影响成长薄膜的结构，引起沉积薄膜表面的温度升高、沉积薄膜表面原子的移动、影响沉积薄膜的界面层、改变沉积表面的密度、快速原子的掺气量等。