多弧离子镀调研报告.doc

精品文档多弧离子镀技术的现状调研引言物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术，并向着环保型、清洁型趋势发展。20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面得到越来越为广泛的应用。离子镀技术是在真空蒸镀和真空溅射的基础上于20世纪60年代初发展起来的新型薄膜制备技术，于1963年由DMMattox提出，1971年Chamber等发表了电子束离子镀技术，1972年又出现了反应蒸发镀（ARE）技术，并制作了TIN及TIC超硬膜。同年，MOLEY和SMITH将空心阴极技术应用于镀膜。多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，是离子镀技术中的皎皎者。最早由苏联人开发，80年代初，美国的Multi-Arc公司首先把这种技术实用化，至此离子镀达到工业应用水平。离子镀种类很多，蒸发远加热方式有电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热等 然而多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。由于多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好等特点，使多弧离子镀镀层在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛，并将占据越来越重要的地位。离子镀技术是当前使用面最为广泛、最为先进的表面处理技术之一，而多弧离子镀更是其中的佼佼者。据不完全统计，国内外有近一半以上表面处理使用多弧离子镀技术， 尤其是那些需要耐磨、耐蚀及特殊要求的场合。随着社会的进步，科学的发展，离子镀技术必将加完善。目录引言11 物理气相沉积技术31.1物理气相沉积技术种类31.2物理气相沉积技术主要厂商31.2.1 PLATIT涂层设备公司31.2.2 赛利涂层技术有限公司41.2.3 欧瑞康巴尔查斯有限公司41.2.4 德国PVT涂层有限公司41.2.5 瑞士Sulzer41.2.6 亚特梯尔镀层科技有限公司51.2.7 爱恩邦德技术有限公司51.2.8 豪泽（Hauzer）技术镀层公司51.2.9 北京丹普表面技术有限公司61.3 物理气相沉积技术总结62多弧离子镀62.1多弧离子镀原理及工艺62.2多弧离子镀工艺特点72.3多弧离子镀膜设备72.3.1多弧离子镀膜设备构成72.3.2多弧离子镀膜设备厂家83多弧离子镀技术制备银膜93.1多弧离子镀设备制备银膜的特点93.2破坏银膜的主要因素93.3多弧离子镀设备制备银膜的改善94生产成本分析94.1成本分析的目的94.2成本分析的根本任务104.3影响产品成本的主要因素：104.3.1建厂时带来的固有因素104.3.2宏观经济因素104.3.3企业经营管理因素104.3.4生产因素114.3.5其他影响因素115多弧离子镀工艺问题分析和改进方向115.1基体沉积温度115.2反应气体压强与流量115.3靶源电流115.4基体负偏压125.5基体沉积时间126结语131 物理气相沉积技术1.1物理气相沉积技术种类物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术是在真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物理气相沉积的主要方法有（1）真空蒸镀；（2）溅射镀膜；（3）离子镀膜。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。1.1.1真空蒸镀真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子束、激光束、离子束高能轰击镀料，使其蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。1.1.2溅射镀膜溅射镀膜基本原理是充氩气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩原子电离成氩离子，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。1.1.3离子镀膜离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。1.2物理气相沉积技术主要厂商1.2.1 PLATIT涂层设备公司PLATIT公司总部位于瑞士，属于BCI集团旗下企业。该公司是目前唯一只做设备不做涂层服务的公司。目前在国内的市场主要由代理商科汇负责，科汇最早在香港开了涂层中心，于2006年在深圳成立分厂，但现在基本都转移到深圳。PLATIT的最大优点是开发纳米结构涂层，而且宣传的非常好，PLATIT的设备是目前在国内销售的最多的外国涂层设备。1.2.2 赛利涂层技术有限公司 赛利涂层技术有限公司原是天威赛利涂层技术有限公司，由天威集团与德国CemeCon AG共同投资成立。公司成立于2003年09月。2005年04月，天威赛利成功通过德国TV（莱茵公司）的ISO9001:2000质量认证，2008年06月顺利完成了由德国CemeCon独资的股权变更，公司名称变更为：保定赛利涂层技术有限公司。公司主营业务为：PVD（物理气相沉积）与金刚石涂层产品、涂层设备、配件与耗材的制造、销售与售后服务。1.2.3 欧瑞康巴尔查斯有限公司 欧瑞康巴尔查斯涂层(苏州)有限公司是瑞士独资公司，注册成立于2003年，目前全国有7个涂层中心，分别位于天津、江苏苏州、浙江温岭、陕西汉中和西安、四川成都、广州东莞。目前我们正在建设两个新的涂层中心，分别位于在重庆市和山东济南市。欧瑞康已涉足六大领域：涂层、真空、光学和航空元件、纺织品、推进系统、半导体等。欧瑞康巴尔查斯产品在国市场的占有份额约为1520，这一份额已经是国内最大的PVD涂层公司，比其它涂层公司要高出很多，目前巴尔查斯在全球市场所占份额约为三分之一。1.2.4 德国PVT涂层有限公司德国PVT涂层有限公司，是由德国PVT公司在中国投资设立的涂层加工中心，公司总部在德国的本斯海姆，目前该公司自己在国内有四个涂层中心：黑龙江哈尔滨、江苏常州、浙江温岭、广东东莞。德国PVT公司是当今世界上最先进的超硬涂层技术研发和设备制造公司之一，是专门开发设计具有世界领先水平的离子和等离子真空镀膜设备的高科技公司，主要集涂层设备制造，涂层新工艺研发及涂层加工于一体。特别是其动态磁场设计，电弧运动速度快，而且遍布整个靶面，能够提高膜层均匀性、提高靶材利用率、减小液滴等特点。1.2.5 瑞士Sulzer瑞士Sulzer公司成立于1984年，1987年在德国Bevgisch Gladbach建立独立的涂层中心，主要以MAXIT耐磨涂层为主。1992年开始生产制造设备，并扩大了涂层服务，1997年兼并了Klocknev Ionon GmbH公司，业务范围扩展到等离子渗氮领域，即IONIT R耐磨保护，1999扩展到装饰涂层领域。2001年该公司被瑞士Sulzer公司收购，2002年扩大了Bergisch Gladbach的IONIT和IONIT OX的生产规模，成为最大的工业等离子表面处理制造商。2003年兼并了美国前DB薄膜公司，开始从事MAXIT、IONIT、IONITOX生产服务。1.2.6 亚特梯尔镀层科技有限公司亚特梯尔镀层科技有限公司是由香港Art Technology Development LTD与英国Teer Coating LTD共同投资组建的外资企业。Teer coating主要强项是非平衡磁控溅射，公司位于东莞市凤岗镇塘沥村福民工业区，主要从事机械加工用的刀、模具的镀层处理，目前主要生产CrAlTiN、Graphit-iC和MoST三种高性能的镀层。1.2.7 爱恩邦德技术有限公司 爱恩邦德技术有限公司于2005年由IonbondAG集团投资140万美金成立了爱恩邦德涂层（苏州）有限公司，公司下设苏州、昆山两个工厂分别位于苏州工业园区和昆山经济技术开发区。IonbondAG集团中国总部-爱恩邦德（无锡）技术有限公司设于无锡市高新科技技术区，IonbondAG集团致力于CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、PACVD（离子加强化学气相沉积）以及CVA（铝化学气相沉积）等多种表面膜层技术及其设备的研发与生产。1.2.8 豪泽（Hauzer）技术镀层公司豪泽（Hauzer）技术镀层公司是PVD技术的全球供应商，该技术广泛应用于切削刀具、汽车零部件及卫浴五金件。母公司易普森国际是市场上领先的真空热处理技术供应商，易普森工业炉（上海）有限公司是其在中国的生产基地。豪泽公司以易普森上海为其在中国的基地，为豪泽公司先进的镀层和PVD系统的用户提供本地化的服务支持。除了为切削刀具提供一流的硬镀层外，豪泽公司也为硬质钢的干式高速加工以及铝、不锈钢和钛合金的切削刀具提供最优化的工具镀层技术和减磨镀层技术。Hauzer在汽车发动机零部件涂层上的市场份额是全球第一的，另外他最突出的涂层技术是在DLC膜上，这几年刀具涂层方面的业务发展迅速。1.2.9 北京丹普表面技术有限公司北京丹普表面技术有限公司是由北京丹鹏表面技术研究中心和意大利普罗泰克表面技术有限公司于2000年4月共同投资兴建的中意股份合作企业。主要从事物理气相沉积（PVD）技术的研究和开发。主营产品为阴极电弧离子蒸发系统和非平衡磁控溅射系统， AS系列和Propower(简称PP)系列计算机全自动控制离子镀膜设备是其主打产品。1.3 物理气相沉积技术总结磁控溅射技术和电弧技术在工具涂层领域各有优势，到目前为止还很难说哪种技术更好。磁控溅射技术这几年发展很快，世界涂层领域在工具涂层上溅射技术做的最好的还是德国的Cemecon公司，而且涂层的产品几乎全是刀具。在刀具涂层领域，涂层设备的设计制造也有一些新的趋势。一些知名的国外涂层设备制造商纷纷推出电弧加溅射的涂层设备，例如Sulzer的Domino系列涂层设备，Balzers的Innova，以及豪泽公司的涂层设备。因此溅射技术还是存在电弧技术代替不了的优势的。最近两年来，高能脉冲磁控溅射技术炒的很热。以Cemecon和Hauzer公司为代表，已经推出了采用这种技术的涂层设备。从原理上讲，这确实是一种能够结合电弧和溅射技术所有优点的涂层技术。如果发展的顺利，高能脉冲磁控溅射技术将代表工具涂层技术未来的发展方向。在国内物理气相沉积镀膜设备主要是以进口为主，目前国内在物理气相沉积技术方面还属于引进的阶段，缺少自主知名品牌，在市场上没有竞争力，这也同时预示着国内物理气相沉积技术的发展空间。总体技术的差距导致国外公司的垄断，在这方面应该加大投资，研发具有自主知识产权的高性能设备与产品提高竞争力。2多弧离子镀2.1多弧离子镀原理及工艺多弧离子镀的蒸发源结构由水冷阴极、磁场线圈、引弧电极等组成。阴极材料即是镀膜材料，在10-1 10 Pa真空条件下，接通电源并使引弧电极与阴极瞬间接触，在引弧电极离开的瞬间，由于导电面积的迅速缩小，电阻增大，局部区域温度迅速升高，致使阴极材料熔化，形成液桥导电，最终形成爆发性的金属蒸发，在阴极表面形成局部的高温区，产生等离子体，将电弧引燃，低压大电流的电源维持弧光放电的持续进行。在阴极表面形成许多明亮的移动变化的小点，即阴极弧斑。阴极孤斑是存在于极小空间的高电流密度、高速变化的现象。阴极弧斑的尺寸极小，有关资料测定为1 100m；电流密度可高达105 10 7A / cm2 。每个弧斑存在的时间很短，在其爆发性地离化发射离子和电子，将阴极材料蒸发后，在阴极表面附近，金属离子形成空间电荷，又建立起弧斑产生的条件，产生新的弧斑，众多的弧斑持续产生, 保持了电弧总电流的稳定。阴极材料以每一个弧斑60% 90%的离化率蒸发沉积于基片表面形成膜层。阴极弧斑的运动方向和速度受磁场的控制，适当的磁场强度可以使弧斑细小分散，对阴极表面实现均匀刻蚀。多弧离子镀的基本原理就是把金属蒸发源(靶源)作为阴极，通过它与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，对工件进行沉积镀覆。2.2多弧离子镀工艺特点多弧离子镀是20世纪70年代开始研究的一种新的物理气相沉积工艺，这种工艺的特点如下：1）阴极电弧蒸发源不产生溶池，可以任意设置于镀膜室适当的位置，也可以采用多个电弧蒸发源，提高沉积速率使膜层厚度均匀，并可简化基片转动机构。2）金属离化率高，可达80%以上，因此镀膜速率高，有利于提高膜基附着性和膜层的性能。3）一弧多用。电弧既是蒸发源和离化源又是加热源和离子溅射清洗的离子源。4）沉积速度快，绕镀性好。5）入射粒子能量高，膜的致密度高，强度和耐磨性好。工件和膜界面有原子扩散，因而膜的附着力高。2.3多弧离子镀膜设备2.3.1多弧离子镀膜设备构成多弧离子镀设备一般比较简单，整个设备主要由真空镀膜室、弧源、真空获得系统、偏压源等几大部分组成。弧源是多弧离子镀设备的关键部件，现在国内一般使用小弧源，直径为 6080mm，厚度为直径的 1/2。少数离子镀膜机采用柱状弧源设计，一台镀膜机只装一个柱状弧源于真空室中央，工件置于四周。国外有些离子镀膜机使用大弧源，直径达100 mm， 厚度约为直径的1/4，一台镀膜机上装有 1232 个弧源，待镀工件置于真空室中央。2.3.2多弧离子镀膜设备厂家1、目前国际上一流的PVD设备制造商有欧瑞康巴尔查斯、豪泽、苏尔寿等欧瑞康巴尔查斯研发出拥有专利的新工艺，使用该工艺可以制备具有高硬度、热稳定性和化学稳定性的氧化铝涂层，支持层和氧化铝层都是在低于600的温度下通过单一渠道生成。豪泽公司在电弧蒸发与磁控溅射技术的基础上研制出系统设备（电弧蒸发+磁控溅射）是一款多功能研发生产型设备，使用该设备可制备结合强度高、表面光滑致密的涂层，且可制备渗金属DLC涂层。苏尔寿公司开发出具有专利的 AEGD（电弧增强辉光放电）技术，涂层前使用该技术对工件表面进行清理，涂层后可获得极好的涂层与基体结合强度。2、国内比较知名的多弧离子镀膜设备厂家表1厂家明细序号公司名称地址1上海法德机械设备有限公司上海2上海沃家真空设备有限公司3北京丹普表面技术有限公司北京4北京德泰隆科技发展有限公司5北京隆冠科技有限公司6东莞汇成真空科技公司广东东莞7东莞至成真空有限公司8东莞爱加真空科技公司9温州市佳能真空电镀设备科技有限公司浙江温州10肇庆市振华真空机械有限公司广东肇庆11肇庆市华泰真空设备制造有限公司12常州翔宇设备公司江苏常州3、目前国内厂家提供的国产多弧离子镀膜设备与国外厂家相比虽然具有价格优势，但是技术差距还是比较明显的，现在国内的主要市场还是被进口设备控制，有实力的镀膜生产厂家还是使用进口设备，镀膜效果好于国产，这也是以后国产设备努力的方向。随着真空镀膜技术的发展，对设备的要求也越来越高，中国市场容量巨大，研制高性能镀膜设备以及工艺对中国真空镀膜技术的发展有很大的帮助。3多弧离子镀技术制备银膜3.1多弧离子镀设备制备银膜的特点Ag具有较好的真空摩擦学性能、良好的导电性和对光的高反射率，因此Ag薄膜在空间技术具有较多应用，被用作精密运动部件的固体润滑剂、太阳能电池板组件间的互联片和反射镜面等。3.2破坏银膜的主要因素在某些空间环境条件下，Ag 薄膜可能会面临原子氧 ( Atomic Oxygen，AO) 的辐照，研究表明原子氧辐照可引起Ag薄膜的氧化，氧化层的开裂和剥落会导致Ag薄膜的结构破坏和摩擦学性能的恶化。因此，改善Ag薄膜的耐原子氧性能，对其在空间环境的可靠应用具有重要意义。3.3多弧离子镀设备制备银膜的改善采用多弧离子镀膜技术可以很好的改善银膜的特性，研究表明，薄膜的结构对其耐氧化性能和摩擦学性能均具有明显的影响，致密的薄膜结构有利于提高其耐氧化和耐磨损性能。采取低温多弧离子镀膜技术镀银薄膜，可明显改变单相薄膜的组织结构，导致薄膜结构由柱状晶向细密球型晶的转变。采取低温多弧离子镀膜技术可以增加银膜的附着力、银膜的结构密度、银膜的均匀性，从而能够改善氧原子对银膜的破坏。4生产成本分析4.1成本分析的目的成本分析报告是企业在生产经营活动中，对构成产品（商品）成本的诸多因素进行量化分析，即按一定的方法，利用成本计划、成本核算和其他有关资料，揭示成本计划完成情况，查明成本升降的原因，寻求降低成本的途径和方法，以求控制实际成本支出，以实现用最少的消耗取得最大经济效益的研究分析报告。成本分析是成本管理的重要组成部分，是寻求降低成本途径的重要的手段。成本分析可以大大提高企业的管理水平，从而为降低生产成本、提高企业经济效益。4.2成本分析的根本任务成本分析报告的根本任务是为了挖掘降低成本潜力，促使企业以较少的劳动消耗生产出更多更好的使用价值，实现更快的价值增值。因而，成本分析的核心就是围绕着提高经济效益，不断挖掘降低成本的潜力，充分认识未被利用的劳动和物资资源，寻找利用不完善的部分和原因，发现进一步提高利用效率的可能性，以便从各方面揭露矛盾，找出差距，制定措施，使企业经济效益愈来愈好。4.3影响产品成本的主要因素：4.3.1建厂时带来的固有因素1、厂房建设的固定投资；2、设备购买的固定投资；3、生产保障配套设施的固定投资；4、支付周边生产服务单位的投入；4.3.2宏观经济因素1、直接原材、辅助材料成本的浮动；2、直接人工成本的变动；3、生产运营制造费用的改变；4、产品市场价格变动；4.3.3企业经营管理因素1、管理企业运营费用的支出；2、销售产品过程费用的支出；3、财务管理运营费用支出；4.3.4生产因素1、最大生产力资源利用的比例；2、生产设备维护、更新的费用支出；3、生产不良品的费用消耗；4、生产技术成本的投入；4.3.5其他影响因素 5多弧离子镀工艺问题分析和改进方向由于影响涂层质量的因素多而复杂，因此研究工艺参数与涂层性能指标之间的关系，以实现涂层性能预测与工艺优化设计，始终是研究人员致力的目标。国内外研究表明多弧离子镀的主要工艺参数有：基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等。5.1基体沉积温度基体沉积温度对涂层的生成、生长及涂层的性能产生直接的影响。根据吉布斯的吸附原理可知，温度越高基体对气体杂质的吸附越少。因此，一般说来，基体沉积温度高，有利于涂层的生成、生长，增大沉积速率；也有利于提高涂层与基体的附着力，使涂层晶粒长大，表面平整光亮。但温度太高，会引起晶 粒粗大，强度和硬度下降。5.2反应气体压强与流量反应气体的压强与流量大小直接影响涂层的化学成分、组织结构及性能。5.3靶源电流弧斑的数目与靶源电流成正比，阴极斑点的数目随着靶源电流的增大而增加，较多的弧斑可以使燃烧的稳定性增加。在一定的靶源电流范围内，薄膜厚度随靶源电流的升高而增加，通过对靶源电流大小的控制可以实现对薄膜制备厚度的控制。但是对于一定的靶材，增加靶源电流意味着靶材整体温度的升高，产生的液滴会随之增多，而且液滴的尺寸也会增大，这些液滴大大降低了涂层的各种性能。一般而言，用于装饰涂层时靶源电流应小些，而对刀具进行涂层时靶源电流可稍微大些。5.4基