Wang Chengbiao
1 소개
가공품의 파손은 일반적으로 표면 손상으로 인해 발생합니다. 형태, 화학적 조성 및 구조를 개선하십시오. 재료 표면 및 표면 근처 구조와 성능은 공작물의 품질을 향상시키고 서비스 수명을 연장하며 고장을 방지하는 효과적이고 경제적인 수단입니다. 표면공학은 소재를 전처리한 후 표면 개질, 표면 코팅 또는 다중 표면 기술 복합 처리를 통해 소재 표면의 형태, 화학적 조성, 조직 구조 및 성능을 개선하여 필요한 표면 특성을 얻는 체계적인 엔지니어링입니다.
표면공학은 '표면'과 '인터페이스'라는 연구 핵심을 바탕으로 관련 학문의 이론적 기반을 바탕으로 다양한 표면공학, 복합표면공학 기술을 적용해 불량에 따른 소재 개선을 진행하고 있다. 재료 표면의 메커니즘. 성능의 과학. 내용에는 표면공학의 기초이론, 표면기술 및 복합표면기술, 표면처리기술, 표면검출 및 제어기술, 표면설계 등이 포함되며 표면공학의 기술적 기초이자 핵심이다.
표면 기술 및 복합 표면 기술은 전자, 진공, 플라즈마, 물리학, 화학, 야금, 재료 및 기타 기술을 결합하여 재료 표면과 매트릭스를 통일된 전체로 처리하여 재료의 성능을 향상시키거나 새로운 것을 얻습니다. 것들. 일반적으로 사용되는 표면 기술은 표면 개질 기술, 표면 코팅 기술, 복합 표면 기술로 나눌 수 있습니다.
2 표면 개질 기술
표면 개질 기술은 원래 표면의 거시적 기하학적 치수를 변경하지 않고 표면의 물리적, 화학적 특성만 변경합니다. 표면 개질 기술에는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 화학적 열처리 및 이온 주입을 포함하여 공작물 표면의 화학적 조성을 변경하고, 다른 하나는 공작물 표면의 화학적 조성을 변경하지 않고 표면 조직 상태만 변경합니다. 표면 변형 강화, 표면 상 변화 및 강화 등
2.1 화학적 열처리
화학적 열처리는 하나 이상의 요소가 표면에 침투하여 작업물을 활성 매질에 배치함으로써 표면의 화학적 조성, 구조 및 성능을 향상시킵니다. 절연을 위한 특정 온도. 화학적 열처리는 가공물의 표면 강도, 경도, 내마모성 및 기타 특성을 향상시키는 동시에 코어의 우수한 강도와 인성을 유지하여 제품에 더 높은 포괄적인 기계적 특성을 부여하여 물리적 특성과 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 공작물 표면의 화학적 특성.
일반적으로 사용되는 화학적 열처리에는 침탄, 질화, 황화, 붕소화, 실리콘화, 알루미늄화, 크로마이징, 아연화, 바나듐화, 탄질화, 황 탄질화* ** 침투, 기타 다중 침투 등이 포함됩니다. 화학적 열처리에 사용되는 매체에 따라 고체 침투, 액체 침투, 가스 침투, 염욕 침투, 진공 침투 및 플라즈마 화학 열처리로 나눌 수 있습니다. 침탄, 질화, 탄질화 등은 가공물의 표면 경도, 내마모성 및 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 황화, 황 질화 침탄, 황 질화 침탄 및 기타 공정은 가공물의 표면 경도, 내마모성 및 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 마찰감소, 내마모성, 바이트저항성 등
가공품의 표면 성능 요구 사항이 향상됨에 따라 화학적 열처리의 유형과 처리 방법이 다양해지면서 원래의 합금 시스템과 처리 방법은 다양한 작업 조건에서 서비스 조건의 요구 사항을 완전히 충족할 수 없습니다. 침투 및 복합 처리와 같은 방법이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 화학적 열처리에 새로운 에너지를 제공하기 위해 다양한 신기술이 등장하고 있으며, 플라즈마 화학적 열처리, 레이저 표면 합금, 전자빔 표면 합금이 산업에 적용되기 시작했습니다.
2.2 이온 주입
이온 주입의 원리는 특정 원소의 원자를 고전압 전기장의 작용으로 가속시킨 후 이온으로 이온화하는 것입니다. 매우 빠른 속도로 고체에 충돌합니다. 입사된 이온은 물질 내의 원자 또는 분자와 일련의 물리적, 화학적 상호작용을 거쳐 점차적으로 에너지를 잃고 최종적으로 물질 내에 머무르면서 물질의 표면 조성 및 구조의 변화를 일으키고 물질의 표면 특성을 최적화하거나 몇 가지 새로운 우수한 속성.
이온 주입은 공작물의 표면 경도, 내마모성, 피로 강도, 내식성, 내산화성 및 기타 물리적, 화학적 특성을 크게 향상시키며 절삭 공구, 금형, 정밀 내마모성에 널리 사용됩니다. 부품 및 부식 방지 부품, 의학 및 마이크로 전자 공학 및 기타 분야.
2.3 표면 변형 강화
표면 변형 강화의 원리는 기계적 방법을 사용하여 재료 표면에 강한 소성 변형을 생성하여 일정 두께의 냉간 가공 경화층을 생성하는 것입니다. 표면에 잔류압축응력을 발생시켜 표면피로저항성과 내식성을 향상시킵니다. 표면 변형 방법으로는 쇼트 피닝, 압연, 압출, 초음파 충격 등이 있습니다.
2.4 표면 상변화 강화
표면 상변화 강화는 표면에 열처리를 하여 표면층의 화학적 조성을 바꾸지 않고 재료의 구조와 성질을 변화시키는 열처리 공정이다. 공작물의 표면. 공정 원리는 전자기 유도, 화염, 레이저, 전자빔 및 기타 가열 방법을 사용하여 상변태 임계점 이상으로 공작물의 표면을 빠르게 가열하여 표면 재료가 미세한 오스테나이트 구조로 변환되는 반면 핵심 재료는 여전히 상변태의 임계점 아래에 남아 원래 구조가 유지된 다음 공작물의 중심 또는 외부의 급속 냉각으로 표면층이 담금질되어 미세한 마르텐사이트 조직을 얻고 표면 경도와 내마모성이 향상됩니다. 가공물의 심장은 여전히 좋은 강도와 인성의 원래 특성을 유지합니다.
표면 상변화 강화에는 기어에 흔히 사용되는 유도 가열 표면 담금질, 화염 가열 표면 담금질, 전자빔 표면 경화, 레이저 표면 상변화 경화 및 고에너지 밀도 빔 표면 담금질 등이 있으며, 샤프트 공작물 및 실린더 실린더 라이너, 피스톤 등의 표면 강화.
3 표면 코팅 기술
표면 코팅 기술은 전기 도금, 화학적 도금을 포함하여 기판과의 확실한 경계를 가지고 기판 표면에 새로운 물질의 층을 성장시키는 프로세스입니다. , 열분사, 물리기상증착, 화학기상증착, 전환코팅 기술 등
3.1 전기도금 및 무전해 도금
3.1.1 전기도금
전기도금은 전기화학적 방법을 사용하여 기판 표면에 금속이나 합금을 증착하는 기술입니다. 용액에 균일하게 용해된 금속 이온은 용액/기판 접촉 표면에서 전자를 얻도록 정렬되고 기판 표면에 증착된 금속 원자로 환원되어 금속 또는 합금 코팅을 형성합니다.
전기도금층에는 단일 금속 코팅, 합금 코팅, 복합 코팅 등이 포함됩니다. 실용적인 코팅은 일반적으로 다양한 단일 금속 코팅 또는 서로 다른 특성을 가진 코팅을 결합하여 우수한 종합 성능을 갖춘 결합 코팅을 형성합니다. 전기 도금 층은 주로 공작물의 내식성, 장식, 내마모성 및 기타 기능을 향상시키는 데 사용됩니다.
3.1.2 브러시 도금
브러시 도금 기술은 특수 DC 전원 공급 장치를 사용합니다. 전원 공급 장치의 양극은 브러시 도금 펜에 연결되고 음극은 브러시 도금 펜에 연결됩니다. 전원 공급 장치는 공작물에 연결되며 브러시 도금 펜은 일반적으로 고순도 미세 흑연 블록을 양극 재료로 사용하고 흑연 블록은 면 및 내마모성 폴리에스테르 면 커버로 포장됩니다. 브러시 도금 시, 도금액에 적셔진 브러시 도금 펜은 적절한 압력 하에서 일정 속도로 공작물 표면을 이동합니다. 브러시 도금 펜이 공작물과 접촉하는 부분에서 도금 용액의 금속 이온은 전계력의 작용으로 공작물의 표면으로 확산되고 금속 원자로 환원되어 표면에 침전됩니다. 공작물의 코팅을 형성합니다.
브러쉬 도금은 도금탱크가 필요 없으며, 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 현장에서 사용하기 쉽고, 증착률이 높다. 마모된 공작물 수리, 기계 외 제품 교정, 공작물 표면 강화, 공작물 내식성 향상, 공작물 마찰 계수 감소 및 장식 분야에서 널리 사용됩니다.
3.1.3 무전해 도금
무전해 도금은 용액에 환원제를 사용하여 금속 이온을 감소시켜 공작물 표면에 침전시키는 공정입니다. 일반적으로 사용되는 무전해 도금 공정에는 무전해 니켈 도금, 무전해 구리 도금, 복합 무전해 도금이 포함됩니다. 무전해 도금은 복잡한 가공물의 표면에 균일한 코팅을 얻을 수 있으며 코팅의 밀도가 좋고 내식성이 좋으며 경도가 높아 가공물의 내마모성, 내식성, 장식성 및 기타 물리적, 화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 석유화학, 전자, 자동차, 기계 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
3.2 열 분사
열 분사 기술은 특정 열원을 사용하여 분사 재료를 용융 또는 반용융 상태로 가열하고, 이를 전처리된 기판 표면에 분사하여 증착시키는 기술입니다. 기판 표면에 특별한 기능을 부여하는 목적을 달성하기 위해 코팅 층을 형성하는 특정 속도. 열분사에 의한 코팅 형성 과정은 일반적으로 분사 물질의 가열 및 용융 단계, 미립화 단계, 비행 단계, 충돌 증착 단계의 4단계를 거친다. 사용되는 다양한 열원에 따라 열 분사는 주로 화염 분사, 아크 분사, 플라즈마 분사, 레이저 분사 등으로 구분됩니다.
화염 분사는 연료 가스 또는 액체와 연소 보조 가스를 일정 비율로 혼합 연소하여 발생하는 열을 이용하여 분사 물질을 가열하여 녹인 후 2단계로 작업물의 표면에 분사하는 방식입니다. 코팅을 형성하기 위한 특정 속도. 초기 스프레이 재료는 분말 형태, 막대 모양, 코어 와이어 모양 또는 선형일 수 있습니다. 여기에는 와이어 화염 분사, 세라믹 막대 화염 분사, 분말 화염 분사, 고속 화염 분사 및 분말 화염 분사 용접 등이 포함됩니다.
아크 분사는 분사되는 물질의 두 개의 금속선을 소모성 전극으로 사용하는데, 두 개의 금속선을 단락시켜 아크를 점화시키면 아크의 높은 온도를 이용하여 전극 물질을 녹여 분사하게 된다. 표면에 코팅을 형성한 후, 계속해서 금속 와이어를 공급하여 용융된 부분을 보충하여 아크의 안정적인 연소를 유지합니다.
플라즈마 용사란 스프레이 분말을 플라즈마 불꽃에 투입해 녹거나 반쯤 녹을 때까지 가열한 후 일정 속도로 공작물 표면에 분사하는 열용사 공정이다. 화염 온도가 높고 용융 입자의 비행 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 플라즈마 분사에 사용할 수 있는 재료는 현재 분말로 만들 수 있는 모든 재료를 포함합니다. 플라즈마 스프레이에는 대기 플라즈마 스프레이, 제어된 분위기 플라즈마 스프레이, 저압 플라즈마 스프레이, 플라즈마 스프레이 용접 등이 포함됩니다.
다양한 코팅 재료와 공정 방법을 선택하면 열 분사를 사용하여 마찰 방지, 내마모성, 내식성, 고온 산화 저항성, 열 차단 기능, 촉매 기능, 생체 적합성, 적외선 복사 및 기타 기능성 코팅. 열 분사는 공작물의 표면 특성을 개선하고 마모 및 부식 공작물을 수리하기 위해 기계, 운송, 석유 화학 산업, 항공 우주, 야금, 에너지, 국방 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
3.3 물리적 기상 증착
물리적 기상 증착은 물질의 열 증발 또는 스퍼터링과 같은 특정 물리적 공정을 사용하여 원료 물질에서 물질 표면까지 물질의 제어 가능한 이동을 달성합니다. 기판 원자 전달 과정. 물리적 증착의 주요 특징은 다음과 같습니다. ① 증착 공정의 원료로 고체 또는 용융 물질을 사용해야 합니다. ② 원료는 물리적 공정을 통해 기체 상태로 들어갑니다. ③ 상대적으로 낮은 가스 압력 환경이 필요합니다. 일반적인 물리적 기상 증착 공정은 진공 증발, 스퍼터링 및 이온 도금으로 나눌 수 있습니다.
3.3.1 진공 증발
진공 증발은 특정 열원을 사용하여 진공 조건에서 원료를 가열하여 기화시켜 특정 증기압으로 증기 및 증기 입자를 형성하는 것입니다. 흐름은 기판쪽으로 향하고 기판 표면에서 결정화되어 얇은 필름을 형성합니다. 진공 증발의 물리적 과정에는 다양한 에너지원이 열에너지로 변환되어 원료 물질이 기화되고, 증기 입자의 흐름이 기판 표면으로 이동하고, 기체 입자가 기판 표면에서 응축되어 핵이 생성되는 과정이 포함됩니다. 고체 필름으로 성장하고 필름을 구성하는 원자가 재배열되거나 화학 결합이 발생합니다.
진공증착 공정에서 원료를 가열하는 방법으로는 저항가열, 전자빔가열, 유도가열, 아크가열, 레이저가열 등이 있다. 진공증착법은 순수 금속막, 합금막, 복합막을 제조할 수 있으며, 증착 속도가 빠르고 진공도가 높으며 막 품질이 상대적으로 좋다는 장점이 있지만 제조된 막의 밀도가 낮고 접착력이 떨어지는 등의 문제도 있습니다. 기판으로.
진공증착은 포장재 표면의 Al박막 증착이 가장 큰 응용 분야이며, 광학 필름, 장식 필름 및 필름 제조에서도 일정한 위치를 차지합니다. 전도성 필름.
3.3.2 스퍼터링
스퍼터링 기술은 전기장에 의해 가속된 하전 이온을 사용하여 스퍼터링된 타겟 전극에 충격을 가하는 것입니다. 이온 에너지가 적절할 때 입사 이온이 타겟 표면과 상호 작용합니다. 원자가 충돌하는 동안 후자는 스퍼터링되어 특정 운동 에너지를 가지고 기판을 향해 특정 방향으로 발사되어 기판 표면에 얇은 필름을 형성합니다.
주요 스퍼터링 방법으로는 DC 스퍼터링, 무선 주파수 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링, 반응성 스퍼터링 등이 있습니다. 이러한 방법은 라디오와 같은 여러 가지 바이어스 적용 방법을 결합할 수도 있습니다. 주파수 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링 및 반응성 스퍼터링은 반응성 무선 주파수 측정 및 제어 스퍼터링을 형성합니다.
3.3.2.1 DC 스퍼터링
디지털 DC 스퍼터링은 스퍼터링된 재료를 음극으로 사용하고 기판에 수천 볼트의 전압을 양극으로 적용합니다.
시스템을 고진공으로 진공화하고 적절한 압력의 불활성 가스로 채운 후, 가스 원자는 양극과 음극 사이의 고압 하에서 대량으로 이온화됩니다. 이온화 과정은 Ar 원자를 Ar과 전자로 이온화하고, 양극 충전된 Ar은 고전압 전기장에 의해 가속되어 음극이 되어 타겟을 향해 고속으로 날아가고, 타겟과 충돌하는 동안 다수의 타겟 원자가 상당한 에너지를 얻어 타겟의 제약을 벗어납니다. 고에너지의 타겟 원자가 기판 표면으로 날아가서 얇은 막을 형성합니다.
다이오드 DC 스퍼터링 장치는 간단하고 금속 타겟과 반도체 타겟을 스퍼터링하는 데 적합합니다. 그러나 방전 전압이 높고 기판 온도가 상승하며 음극 타겟 전류가 낮고 쉽게 손상됩니다. 스퍼터링 속도가 낮고 고진공에서 스퍼터링할 수 없습니다. 다이오드 DC 스퍼터링의 단점을 피하기 위해 사람들은 다이오드 스퍼터링 장치에 가열 필라멘트 음극을 도입하고 열 전자 방출을 사용하여 스퍼터링 가스의 이온화를 향상시켜 스퍼터링 가스의 압력과 스퍼터링 전압을 줄입니다. 방전 전류를 증가시키고 독립적인 제어를 가능하게 합니다.
3.3.2.2 무선 주파수 스퍼터링
박막을 증착하기 위해 DC 스퍼터링 방법을 사용하려면 타겟 재료의 전도성이 좋아야 하며 비금속 타겟을 사용하는 것은 적합하지 않습니다. 전도성이 좋지 않아 얇은 필름을 제조할 수 있습니다. 두 전극 사이에 교류 전류를 가하면 교류 주파수가 50kHz를 초과하면 두 전극 사이를 끊임없이 진동하는 전자가 고주파 전기장으로부터 충분한 에너지를 얻어 가스 분자를 이온화할 수 있습니다. 두 전극보다 더 높은 주파수에서 스퍼터링될 수 있습니다. 필요한 공기 압력은 스퍼터링에 필요한 공기 압력보다 한 단계 더 낮습니다. 또한 고주파 전기장은 다른 임피던스 형태를 통해 증착 챔버에 결합될 수 있습니다. 전극이 도체라는 제한을 제거합니다. 무선 주파수 스퍼터링은 금속 타겟뿐만 아니라 유전체 타겟도 스퍼터링할 수 있습니다. 무선 주파수 스퍼터링은 주로 13.56MHz를 사용합니다.
3.3.2.3 마그네트론 스퍼터링
다이오드 스퍼터링의 스퍼터링 속도를 높이고 2차 전자가 기판에 충돌하여 가열되는 역효과를 약화시키기 위해 다이오드 스퍼터링의 음극은 A입니다. 링 모양의 폐쇄 자기장이 타겟 표면에 형성되고 타겟 표면에 평행한 자기장 성분과 타겟 표면에 수직인 전기장이 2차 전자를 가두는 전자 트랩을 형성합니다. 타겟 표면에서 생성된 2차 전자는 가속되어 캐소드 드롭존에서 에너지를 얻어 고에너지 전자가 되며, 직교 전자기장의 전자 트랩에 떨어지면 애노드에 직접 흡수되지 않고 회전하게 됩니다. 2차 전자의 이동은 양극에 도달하기 전의 거리를 크게 증가시키고 스퍼터링 가스와의 충돌 가능성을 증가시키며 스퍼터링 전류 및 스퍼터링 속도를 증가시킵니다. 또한, 마그네트론 스퍼터링 장치의 양극은 음극 근처에 있고 기판은 양극 위에 있지 않으므로 2차 전자에 의한 기판의 충격 및 가열을 크게 억제합니다.
일반적으로 사용되는 마그네트론 스퍼터링 타겟 형태에는 평면 마그네트론 스퍼터링 타겟, 원통형 마그네트론 스퍼터링 타겟 및 S-건 마그네트론 스퍼터링 타겟이 포함됩니다. 원래의 마그네트론 스퍼터링은 대상 표면 근처의 자기장을 폐쇄했으며 작업물 근처의 플라즈마 밀도는 매우 낮았고 필름 증착에 대한 간섭 효과는 분명하지 않았습니다. 적절한 에너지의 고밀도 이온 흐름을 이용하여 기판에 충격을 가하여 필름의 품질을 향상시키기 위해 비평형 마그네트론 스퍼터링 장비를 개발하였으며, 이는 표유 자기장을 증가시켜 기판까지 플라즈마 범위를 확장시키는 것이 특징입니다 이온 충격 간섭을 사용하여 필름 증착 공정을 통해 필름의 특성을 향상시킵니다.
3.3.2.4 반응성 스퍼터링
스퍼터링은 화합물을 타겟 재료로 사용하여 달성할 수 있지만 어떤 경우에는 스퍼터링 공정 중에 화합물이 분해되어 화학적 특성이 발생합니다. 증착된 필름의 구성은 타겟 물질과 상당히 다릅니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 스퍼터링 챔버의 가스 조성과 압력을 조정하여 화합물 분해 과정을 제한하는 것입니다. 또한, 스퍼터링 가스에 적당량의 활성가스를 혼합할 수 있으며, 스퍼터링 증착 중에 화학반응이 일어나 특정 화합물을 생성하여 스퍼터링부터 반응, 증착까지의 공정이 완성되는 과정을 반응성 스퍼터링이라고 합니다.
반응성 스퍼터링으로 제조된 필름은 순도가 높고, 조성 제어성이 좋으며, 증착 온도가 낮고, 기판에 대한 제약이 적습니다. 그러나 대면적, 균일한 코팅 및 산업 생산에 적합합니다. 고저항 유전체 필름을 준비하기 어렵습니다. 반응 가스 압력이 너무 높으면 타겟 피독, 아크, 양극 소멸 등이 발생하여 스퍼터링 공정이 불안정해지고 필름 품질이 저하됩니다.
이러한 역효과를 피하기 위해서는 반응가스의 전원공급방식과 가스공급방식을 변경하는 것이 필요하며, 선택할 수 있는 전원공급방식으로는 자동소호전원, 비대칭 펄스 스퍼터링 전원, 중간주파 등이 있다. AC 전원 공급 장치 반응 가스의 공급 모드에는 분할 공기 공급 장치, 펄스 공기 흡입구 등이 포함됩니다.
3.3.2.5 중주파 마그네트론 스퍼터링
중주파 마그네트론 스퍼터링은 일반적으로 트윈 타겟 구조를 사용하며 음의 반주기에 있을 때 AC 전원 공급 장치를 두 타겟에 연결합니다. , 첫 번째 타겟은 음극 역할을 하며 양이온에 의해 충격을 받고 스퍼터링되는 반면, 다른 타겟은 양극 역할을 합니다. 이때 첫 번째 타겟은 양극이 됩니다. 타겟 표면으로 가속되어 타겟 표면을 중성화합니다. 양전하는 절연 부분에 축적되고 다른 타겟은 음극으로 작용하여 스퍼터링됩니다. 교류의 주파수가 특정 값에 도달하면 두 타겟이 서로 음극과 양극 역할을 하여 아크 및 양극 소멸을 제거하여 스퍼터링 공정의 안정성을 보장할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 전원 공급 방법에는 대칭 전원 공급 장치, 사인파, 40kHz, 자체 정합 네트워크가 있는 AC 전원 공급 장치가 있습니다.
중주파 마그네트론 스퍼터링 타겟은 불균형 자기장을 사용하여 최적화된 반응성 가스 공급 모드를 채택하여 스퍼터링 공정의 안정성을 채택함으로써 필름 증착 공정에 대한 플라즈마의 개입 효과를 향상시킵니다. 이는 전도성이 좋지 않은 다양한 고성능 필름을 제조하는 이상적인 방법으로 DLC(Diamond Like Carbon) 필름을 비롯한 다양한 기능성 필름이 개발되었습니다.
DLC 필름은 sp2와 sp3 결합을 포함하는 공간 네트워크 구조를 가진 비정질 탄소 필름으로, 다이아몬드와 유사한 특성을 많이 갖고 있으며 증착 온도가 낮고 표면이 매끄러우며 상대적으로 성숙한 기술이 사용됩니다. 많은 응용 분야에서 다이아몬드 필름보다 더 많은 장점을 가지고 있습니다. 현재 절삭 공구, 금형, 정밀 내마모 부품, 스피커, 광 디스크, 자기 디스크, 광학 반사 방지 및 보호 필름, 전계 방출에 널리 사용됩니다. 평면 디스플레이 장치, 태양 전지, 의학 및 기타 분야.
3.3.2.6 스퍼터링 코팅 적용
스퍼터링 코팅은 순수 금속막, 합금막, 복합막 등을 제조할 수 있으며 기계, 전자 산업, 태양 에너지 분야에서 널리 사용됩니다. 활용, 광학, 장식, 화학 산업, 군사, 생물 의학 및 기타 분야.
3.3.3 이온 도금
이온 도금은 진공증착 및 스퍼터링 기술을 기반으로 개발된 새로운 코팅 기술입니다. 이온 도금은 가스 방전을 이용하여 진공 상태에서 가스 또는 증발된 물질을 부분적으로 이온화하고, 작동 가스 이온 또는 증발된 물질의 이온 충격 작용으로 증발된 물질 또는 그 반응물을 기판 표면에 증착시키는 공정입니다. 플라즈마의 활성은 화합물의 합성 온도를 낮추고, 이온 충격은 필름과 매트릭스의 밀도, 조직 구조 및 결합 강도를 향상시킬 수 있습니다.
이온 도금은 DC 다이오드 이온 도금, 삼중극 및 다중 음극 이온 도금, 고주파 이온 도금, 중공 음극 이온 도금, 열선 아크 이온 도금, 진공 음극 이온 도금 및 자기 제어 스퍼터링으로 나눌 수 있습니다 이온 도금 등
3.3.3.1 DC 다이오드 이온 도금
DC 다이오드 이온 도금은 증발원과 가공물 사이에 DC 전압을 적용하며, 가공물은 음극 사이의 전압을 사용합니다. 2극 글로우 방전은 작업 가스와 증발된 물질을 이온화하고 형성된 이온은 기판 근처의 음극 드롭 존에 의해 가속되고 기판 표면을 고속으로 충격시켜 필름의 증착을 방해합니다.
3.3.3.2 삼극성 및 다중 음극 이온 도금
DC 다이오드 이온 도금의 이온화 속도는 낮으며 글로 방전을 자극하고 유지하기가 어렵습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 증발원과 기판 사이에 전자방출체와 전자집전체를 추가하고, 고온의 필라멘트에서 방출된 전자를 대량으로 플라즈마 영역으로 유입시켜 증발과의 충돌 확률을 높인다. 입자를 제거하고 이온화 속도를 향상시킵니다. 따라서 이온 도금 공정을 삼극성 이온 도금이라고 합니다. 때때로 이온화 속도를 더욱 향상시키기 위해 다중 전자 방출기가 DC 다이오드 이온 도금 장비에 도입되는데, 이를 다중 음극 이온 도금이라고 합니다.
3.3.3.3 무선 주파수 이온 도금
무선 주파수 이온 도금은 기판과 증발 소스 사이에 고주파 유도 코일을 설정하여 작동 가스의 이온화를 향상시킴으로써 달성됩니다. 증발, 이온화, 가속의 세 가지 별도 공정을 갖춘 이온 도금 공정입니다. 이 방법은 이온화 속도가 높고 고진공 하에서 증착이 가능하며 활성 반응성 이온 도금을 쉽게 수행할 수 있습니다.
3.3.3.4 중공 음극 이온 도금
고융점 금속 탄탈륨(또는 텅스텐) 튜브를 음극으로 사용하고 도가니를 양극으로 사용합니다. 진공, 탄탈륨 튜브는 진공에 사용됩니다. 방은 아르곤 가스로 채워지고 아크 전원 공급 장치가 켜져 가스를 점화하고 중공 음극 효과로 인해 음극 글로우 방전을 생성합니다. 중공 탄탈륨의 전류 밀도. 튜브는 매우 크며 다량의 Ar이 탄탈륨 튜브의 벽에 충격을 가하여 온도가 2000K 이상으로 상승하고 탄탈륨 튜브는 많은 양의 열전자를 방출하여 글로우 방전을 아크 방전으로 변환하고 고밀도 전자 충격은 도가니의 재료를 기화시킵니다. 도가니를 향해 이동하는 과정에서 전자는 아르곤 가스 및 증발된 물질과 지속적으로 충돌하여 이온화됩니다. 특정 음의 바이어스 전압이 기판에 가해지면 필름이 증착되는 동안 많은 수의 이온이 기판 표면에 충격을 가하게 됩니다. . 중공 음극 이온 도금은 이온화 속도가 높고 도금 특성이 양호하며 금속 필름, 합금 필름 및 복합 필름에 사용할 수 있습니다.
3.3.3.5 열선 아크 이온 도금
열선 아크 이온 도금 장비 상단에 열음극 이온건 챔버가 설치됩니다. 열음극은 내화성 금속으로 만들어집니다. 고온에서 다수의 열전자가 방출되며, 다수의 열전자가 열음극 이온총 챔버의 아르곤 가스와 충돌하여 아크 방전을 발생시켜 고밀도 플라즈마를 생성합니다. 열음극에 대해 양전하를 띠는 보조 양극 또는 도가니가 열음극 이온건 챔버와 코팅 챔버 바닥에 설치되어 이온건 챔버 내 플라즈마의 전자가 코팅 챔버로 유입되어 증착 공간에서 안정적인 고밀도 저에너지 전자빔은 증발원 및 이온화원의 역할을 합니다. 열선 아크 이온 도금의 특징은 하나의 아크가 여러 용도로 사용된다는 것입니다. 열음극 이온총은 증발원일 뿐만 아니라 증발된 물질의 이온화원, 기판의 가열원 및 충격 정화원이기도 합니다. 금속 이온화 속도가 높고, 플라즈마 밀도가 높으며, 박막의 품질이 좋고 TiN, TiCN, TiAlN, 다이아몬드형 탄소(DLC), 다이아몬드 및 기타 박막을 증착하는 데 적합합니다. 그 중에서도 TiN 필름은 경도, 인성, 화학적 안정성이 잘 조합되어 있는 가장 성숙한 보호 필름 시스템으로 건축 자재, 장식 재료, 공구 재료, 음향 재료 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. TiN 필름의 합금화 및 다층화는 TiN 필름의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
3.3.3.6 진공 음극 아크 이온 도금
진공 음극 아크 이온 도금은 음극 아크를 사용하여 코팅된 물질을 직접 증발시키고 고도로 이온화합니다(현재 입자의 이온화 속도는 75~ 95) 공작물 바이어스의 작용으로 고도로 이온화된 입자가 높은 에너지로 공작물 표면에 증착되어 고체 막을 형성합니다. 증착 분위기에 반응성 가스를 도입하면 활성 반응성 이온 플레이팅을 수행하여 화합물 필름을 생성할 수 있습니다.
진공 음극 아크 증착 기술은 다양한 금속막, 합금막, 복합막, 다층막, 복합막 등을 제조할 수 있으며, 특히 절삭공구 보호막, 금형 보호막, 내마모막 등에 적합하다. 또한, 내식성 및 고급 장식용 도료 제조에 적합하며 국방, 기계, 화학공업, 경공업, 섬유, 생활철물 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
3.3.3.7 마그네트론 스퍼터링 이온 도금
마그네트론 스퍼터링 이온 도금은 마그네트론 스퍼터링과 이온 도금을 결합한 코팅 기술로, 일반적인 마그네트론 스퍼터링과 차이점이 있습니다. 기판에 음의 바이어스 전압을 인가하여 기판 표면에 도달하는 이온의 에너지를 변조함으로써 마그네트론 타겟의 안정적인 스퍼터링을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 고에너지 타겟 이온이 성막 공정에 개입할 수 있다는 것입니다. .
마그네트론 스퍼터링 이온 도금은 경질 필름, 내식성 필름, 장식 필름, 광학 필름, 마이크로 전자 필름, 의료 필름 및 기타 분야에 널리 사용되는 금속 필름, 합금 필름 및 화합물 필름을 준비할 수 있습니다. .
3.4 화학 기상 증착
화학 기상 증착은 기체 전구체 반응물을 사용하여 고체 표면의 원자와 분자의 화학 반응을 통해 고체 필름을 생성하는 프로세스입니다.
이는 혼합 가스와 기판 표면 사이의 상호 작용을 통해 혼합 가스의 특정 성분이 분해되어 기판 표면에 금속, 합금 또는 화합물 막을 형성하게 됩니다.
반응속도론 관점에서 증착반응이 일어나기 위해서는 초기 혼합가스와 고체표면의 상호작용과 증착반응 과정에서 일정량의 활성화 에너지가 있어야 한다. 다양한 활성화 방법에 따라 화학 기상 증착은 열화학 기상 증착, 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PACVD), 레이저 보조 화학 기상 증착(LCVD), 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 등으로 구분됩니다.
열화학기상증착법은 혼합가스와 표면 사이의 상호작용을 이용해 특정 온도 조건에서 박막을 생성하는 방식으로, 장비가 간단하고 반복성이 좋으며 권취 특성이 좋고 필름 간 접착력이 높다는 장점이 있다. 그러나 증착 온도가 높고 기판의 선택이 제한적입니다. 주로 초경합금이나 세라믹 도구에 단단한 필름을 준비하는 데 사용됩니다.
PACVD는 고체 표면에서 가스의 화학 반응을 활성화하기 위해 플라즈마 에너지에 의존합니다. 이는 전자 산업에서 널리 사용되어 왔으며 절삭 공구 표면에 보호 필름을 증착하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 금형 및 내마모성 부품이 증가합니다.
LCVD는 레이저를 이용해 화학기상증착 공정을 유도하고 촉진하는 공정으로, 레이저와 반응성 가스 또는 기판 표면 사이의 상호 작용 과정으로 태양전지, 집적회로, 특수 기능성 필름 등에 사용된다. 광학 이는 박막, 경질 필름 및 초경질 필름의 제조에 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.
무기 화학 기상 반응 전구체 대신 금속 유기 화합물을 사용하면 화학 기상 반응 온도를 크게 낮출 수 있습니다. MOCVD는 다양한 무기물을 저온에서 증착할 수 있으며 마이크로웨이브 및 광전자소자, 첨단 레이저 등에 널리 사용된다.
3.5 화성코팅 기술
알루미늄 합금 소재를 전해액에 양극으로 넣고 전기분해를 통해 표면에 화성피막을 형성해 표면 경도와 내식성을 향상시킬 수 있다. 하드 아노다이징 처리 후 알루미늄 합금 표면에 두께 30~50m, 경도 Hv500 정도의 피막층을 형성할 수 있어 내식성, 내마모성, 절연성, 화학적 안정성, 흡착성이 우수합니다. 아노다이징 처리는 실린더 라이너, 피스톤, 기어, 임펠러, 가이드 레일, 베어링 및 금형 엔지니어링 부품에도 적합합니다. 또한 우수한 코팅 베이스 필름입니다.
4 복합 표면 기술
단일 표면 기술은 실제 응용 분야에서 특정 제한이 있는 경우가 많으며 서비스 조건에 필요한 더 높은 성능 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이를 위해서는 여러 표면을 결합해야 합니다. 장점을 극대화하고 단점을 방지하며 공작물의 표면 특성을 크게 향상시키는 가공 기술을 복합 표면 기술이라고 합니다. 예를 들어, 증착된 필름과 기판 사이의 결합 강도를 향상시키기 위해, 일반적으로 필름을 증착하기 전에 기판에 화학적 열처리를 실시하여 더 두껍고 경도가 높은 전이층을 얻습니다. 열 분사와 레이저 재용해를 결합하면 코팅의 내부 응력이 줄어들고 코팅의 치밀성과 기판과의 결합 강도가 향상됩니다. 이온빔 보조 증착은 이온 주입과 증발 또는 스퍼터링 기술을 결합하여 개발되었으며, 이는 박막의 성능을 크게 향상시킵니다.
5 결론
가공물의 성능을 향상시키기 위한 효과적이고 경제적인 수단으로 표면 기술이 급속히 발전하여 다양한 첨단 표면 기술과 표면 소재가 널리 사용되고 있습니다. 발전시켜 국가경제 발전에 중요한 기여를 해왔습니다. 그러나 공작물의 서비스 조건이 점점 더 까다로워짐에 따라 기존의 표면 기술과 표면 재료는 업계에서 점점 더 엄격해지는 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이를 위해서는 재료 설계, 표면에서 새로운 표면 기술과 표면 재료의 지속적인 개발이 필요합니다. 기술 장비 및 프로세스, 서비스 조건 및 기타 측면을 기반으로 기판, 표면 및 환경을 시스템으로 처리하고 다양한 표면 기술을 결합하여 공작물의 표면 성능을 더욱 향상시킵니다.
참고자료
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