_多弧离子镀膜工艺的技术开发
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表进行外设计 .
2. 3 实验及测试数据
对内表的每一个工艺参数组合条件均按外表的 6种搭配进行实验 . 共进行 54次实验 ,每
第 1期
曾凤章等: 多弧离子镀膜工艺的技术开发
12 9
个实验需 2块实验件 (图 1) . 采用 5-60型轮廓仪测量膜层厚度数据 108个 ,测量精度为 0. 1μm; 用 ПМТ-3型显微硬度
j= 1
1 V0
V
i=
Li
1
2
; Ve
为随机误差方差 , Ve= Se /f e; VN 为总误差方差 , VN = SN /f N .
灵敏度的计算公式为
S=
10
lg
1 V
(
SU-
Ve
).
( 3)
并可用下式估计 U值:
U= ( SU- Ve ) /V= 10S /20 .
( 4)
运用式 ( 2) ( 3)可分别计算出内表各工艺参数组合条件的膜厚信噪比和灵敏度 (表 4) .
仪器测量膜层硬度数据 108个 (见表 4) .
表 4 内表膜厚及显微硬度原始数据及信噪比和灵敏度数据表
实验号 1
M1, N 1 1. 3
( 1 664. 3)
·
·
·
·
·
·
10
3. 4
( 2 655. 5)
·
·
·
·
·
·
不同组合条件原始膜厚 /μm
M1, N2
M2 , N 1
M2 ,N 2
M3, N 1
第 19卷 第 1期 1999年 2月
北 京理 工大 学学 报 Jo urnal of Beijing Institute o f Technolog y
V o l. 19 No . 1 Feb. 1999
多弧离子镀膜工艺的技术开发
曾凤章
徐新乐 吴玉广
(北京理工大学管理与经济学院 , 北京 100081) (北方工业总公司新技术推广研究所 , 北京 100081)
关键词 多弧离子镀 ; 动态特性 ; 静态 特性 ; 信噪比 ; 灵敏度 分类号 T G 174. 445
多弧离子镀膜技术是 80年代兴起的高新表面处理技术 ,它对产品 ,特别是刃具等工具表 面起着装饰和提高寿命的作用 . 其基本原理是: 在真空条件下 ,弧源产生电弧并电离气体形成 等离子体 ; 在离子轰击工件的同时 ,所需要的反应物渗透、沉积在工件上形成薄膜 . 由于影响 膜层质量的因素多而复杂 [1, 2 ] ,本实验力图运用日本田口玄一创立的稳健性优化设计方法开发 质量稳定的、可满足不同用户膜厚要求的系列工艺条件 .
1. 8
1. 6
1. 7
1. 1
( 2 173. 8) ( 2 396. 6) ( 2 173. 8) ( 1 812. 2)
·
·
Yij (X ij )
·
·
·
( i= 1, 2)
·
·
·
( j= 1, 2, 3)
·
5. 0
4. 8
5. 2
5. 6
( 2 173. 8) ( 2 173. 8) ( 2 396. 6) ( 2 958. 7)
总平均 T= - 7. 214 18
总平均 T= - 7. 740 20
总平均 T= - 1 196. 91
对信噪比是显著影响因素 ,故为稳定因素 . t3 是灵敏度的显著影响因素 , 只能通过调 整 t3 调整 U值 ,但 t3 的调整将会使膜厚的 稳定受到影响 . 其余的因素为次要因素 (见表 6) .
由表 5可知 ,此时膜厚的信噪比和灵敏度的工程平均估计值为 Z最佳 = V21+ t33+ p22 - 2T =
- 4. 171 54- 5. 226 93- 5. 715 44- 2( - 7. 214 18) = - 0. 685 58 dB.
S最佳 = t33= - 5. 442 18 dB. 由式 ( 4)最佳条件下的 U估计值为 U最佳 = 10 = ( - 5. 442 18 /( 10× 2) ) 0. 534 45. 由表 5,膜层硬度信噪比的工程平均估计值为 Z最佳 = t12= 613. 79 / 9= 68. 19 dB.
了寻求适合各种膜厚要求的系列工艺参数组合 ,将理想功能定义为
Y = UM ,
( 1)
式中 Y 为计测指标 ,选膜层厚度 ,μm; M 为信号因素 ,选弧电流 , A. 只要通过实验确定了式
( 1)中的 U值 ,调整 M 则可得到膜厚为 Y 的镀层 . 膜厚属动态特性 .
此外 ,膜层硬度也取决于膜层的结晶状态 ,
位级
1 2 3
轰击时间 轰击偏压
t1 / mi n
V 1 /V
t 11
V11
t 12
V12
V13
表 1 可 控因素位级表
偏压 V2 /V
出炉时间 镀膜时间
t2 / min
t3 / mi n
V21
t21
t31
V22
t22
t32
V23
t23
t33
A r分压 p1 / Pa
p11 p12 p13
N2 分压
摘 要 目的 研究膜层 牢固度好、满 足各种用户对膜层 厚度要求、质量一致性 好的多弧 离子镀膜工艺参数组 合 . 方法 运用日本田口玄一创立的稳健性设计方 法进行研究 . 结果 与原工艺膜 厚相比均匀性提高 约 6. 5 d B,并 找出膜厚与弧电流之 间的线性关系 ;硬度一致 性提 高约 3. 4 dB,显 微硬度值提高约 937 kg· mm- 2. 结 论 动态特性的稳 健性设计是一 种高效率、高再现性的技术开发方法 .
t3 / min
- 8. 426 83 - 7. 988 73 - 5. 226 95 - 10. 868 90 - 6. 909 50 - 5. 442 18 396. 29 404. 61 396. 01
p 1 / Pa
- 5. 841 21 - 7. 266 45 - 8. 534 85 - 8. 662 06 - 7. 320 23 - 7. 238 30 404. 42 399. 08 393. 41
转速
p 2 / Pa n / ( r mi n- 1)
p 21
n1
p 22
n2
p 23
n3
在镀膜过程中 ,工件形状以及摆放位置和方向不同 ,是造成膜层厚度不均匀的误差因素 , 每个误差因素均为 2位级 (见表 2) .
根据有关理论及生产实践 ,对膜厚指标可综合为如下两位级的综合误差因素: N 1: A′2B′2 C′2 (使膜厚趋向最小值的综合条件 ) , N 2: A′1B′1 C′1 (使膜厚趋向最大值的综合条件 ) . 上述误差因素对硬度的影响没有规律 ,因此这种综合对硬度没有意义 . 但为了减少实验 次数 ,利用膜厚外表中信号因素与综合误差因素的各种搭配 (见表 3) ,作为硬度的各种误差因 素位级组合 .
收稿日期: 1997 12 30
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北 京理 工大 学学 报
第 19卷
尺寸和形状的刃具或工件 ,也为更便于进行膜厚、硬度等质量特性的测试 .
2 实验设计与实施
2. 1 可控因素、误差因素与信号因素 根据实际工作经验 ,选定 8个可以人为调节与控制的主要工艺参数作为可控因素 (见表
1) ,其中轰击时间 t1 为 2位级因素 ,其余均为 3位级因素 .
1 计测特性、理想功能与实验件设计
离子镀的基本功能是将电能转换为膜层与工件及膜层内部的结合能 ,因此 ,将结合力作为
计测特性是理想的 ,但无论从技术上还是从经济上都是难以实现的 .
膜层厚度在一定程度上反映了膜层内部及膜层与工件之间的结合、渗透状况 ; 在一个复杂
形状上 ,膜层厚度的均匀性直接影响膜层的功效 ; 刃具上膜层厚度越均匀越厚 ,其寿命越长 . 为
V2 /V t2 / min
- 4. 171 54 - 8. 679 37 - 8. 791 60 - 8. 382 18 - 5. 863 01 - 8. 975 40 409. 59 392. 31 395. 01 - 7. 791 69 - 7. 467 73 - 6. 383 09 - 7. 694 93 - 7. 018 28 - 8. 507 38 404. 69 400. 36 391. 86
2. 2 内设计与外设计 采用 L 18 ( 21× 37 )正交表安排可控因素 ,安排可控因素的正交表称为内表 ,即以 L 18 ( 21×
37)正交表作为内表进行内设计 ,得到 18种工艺参数组合条件 (见表 4) . 在实验中安排误差因素和信号因素的表称为外表 . 对于膜厚和硬度均采用表 3所示的外
表 2 误差因素位级表
位级 1 2
形状 A′ 摆放位置 B′ 摆放方向 C′ 平面 A′1 距靶源近 B′1 面向靶源 C′1 死角 A′2 距靶源远 B′2 背向靶源 C′2
表 3 膜厚外表中各因素 搭配
M1
M2
M3
N1
Y11
Y21
Y 31
N2
Y12
Y22
Y 32
用户对膜厚要求是变动的 ,本实验通过调整弧电流达到实现不同膜厚目标值的目的 ,即弧 电流作为信号因素 . 根据实际状况确定弧电流的 3个位级为: M1 , M2 , M3 .
硬度属望大静态特性 ,其信噪比公式为
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北 京理 工大 学学 报
第 19卷
∑ ∑ Z=
-
10 lg
1 V0 n i= 1
K j= 1
1 xi2j
,Leabharlann ( 5)同理 ,运用式 ( 5)可计算出内表各号工艺参数组合条件硬度的信噪比 (表 4) .
2. 3 实验及测试数据
对内表的每一个工艺参数组合条件均按外表的 6种搭配进行实验 . 共进行 54次实验 ,每
第 1期
曾凤章等: 多弧离子镀膜工艺的技术开发
12 9
个实验需 2块实验件 (图 1) . 采用 5-60型轮廓仪测量膜层厚度数据 108个 ,测量精度为 0. 1μm; 用 ПМТ-3型显微硬度
j= 1
1 V0
V
i=
Li
1
2
; Ve
为随机误差方差 , Ve= Se /f e; VN 为总误差方差 , VN = SN /f N .
灵敏度的计算公式为
S=
10
lg
1 V
(
SU-
Ve
).
( 3)
并可用下式估计 U值:
U= ( SU- Ve ) /V= 10S /20 .
( 4)
运用式 ( 2) ( 3)可分别计算出内表各工艺参数组合条件的膜厚信噪比和灵敏度 (表 4) .
仪器测量膜层硬度数据 108个 (见表 4) .
表 4 内表膜厚及显微硬度原始数据及信噪比和灵敏度数据表
实验号 1
M1, N 1 1. 3
( 1 664. 3)
·
·
·
·
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·
10
3. 4
( 2 655. 5)
·
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不同组合条件原始膜厚 /μm
M1, N2
M2 , N 1
M2 ,N 2
M3, N 1
第 19卷 第 1期 1999年 2月
北 京理 工大 学学 报 Jo urnal of Beijing Institute o f Technolog y
V o l. 19 No . 1 Feb. 1999
多弧离子镀膜工艺的技术开发
曾凤章
徐新乐 吴玉广
(北京理工大学管理与经济学院 , 北京 100081) (北方工业总公司新技术推广研究所 , 北京 100081)
关键词 多弧离子镀 ; 动态特性 ; 静态 特性 ; 信噪比 ; 灵敏度 分类号 T G 174. 445
多弧离子镀膜技术是 80年代兴起的高新表面处理技术 ,它对产品 ,特别是刃具等工具表 面起着装饰和提高寿命的作用 . 其基本原理是: 在真空条件下 ,弧源产生电弧并电离气体形成 等离子体 ; 在离子轰击工件的同时 ,所需要的反应物渗透、沉积在工件上形成薄膜 . 由于影响 膜层质量的因素多而复杂 [1, 2 ] ,本实验力图运用日本田口玄一创立的稳健性优化设计方法开发 质量稳定的、可满足不同用户膜厚要求的系列工艺条件 .
1. 8
1. 6
1. 7
1. 1
( 2 173. 8) ( 2 396. 6) ( 2 173. 8) ( 1 812. 2)
·
·
Yij (X ij )
·
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·
( i= 1, 2)
·
·
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( j= 1, 2, 3)
·
5. 0
4. 8
5. 2
5. 6
( 2 173. 8) ( 2 173. 8) ( 2 396. 6) ( 2 958. 7)
总平均 T= - 7. 214 18
总平均 T= - 7. 740 20
总平均 T= - 1 196. 91
对信噪比是显著影响因素 ,故为稳定因素 . t3 是灵敏度的显著影响因素 , 只能通过调 整 t3 调整 U值 ,但 t3 的调整将会使膜厚的 稳定受到影响 . 其余的因素为次要因素 (见表 6) .
由表 5可知 ,此时膜厚的信噪比和灵敏度的工程平均估计值为 Z最佳 = V21+ t33+ p22 - 2T =
- 4. 171 54- 5. 226 93- 5. 715 44- 2( - 7. 214 18) = - 0. 685 58 dB.
S最佳 = t33= - 5. 442 18 dB. 由式 ( 4)最佳条件下的 U估计值为 U最佳 = 10 = ( - 5. 442 18 /( 10× 2) ) 0. 534 45. 由表 5,膜层硬度信噪比的工程平均估计值为 Z最佳 = t12= 613. 79 / 9= 68. 19 dB.
了寻求适合各种膜厚要求的系列工艺参数组合 ,将理想功能定义为
Y = UM ,
( 1)
式中 Y 为计测指标 ,选膜层厚度 ,μm; M 为信号因素 ,选弧电流 , A. 只要通过实验确定了式
( 1)中的 U值 ,调整 M 则可得到膜厚为 Y 的镀层 . 膜厚属动态特性 .
此外 ,膜层硬度也取决于膜层的结晶状态 ,
位级
1 2 3
轰击时间 轰击偏压
t1 / mi n
V 1 /V
t 11
V11
t 12
V12
V13
表 1 可 控因素位级表
偏压 V2 /V
出炉时间 镀膜时间
t2 / min
t3 / mi n
V21
t21
t31
V22
t22
t32
V23
t23
t33
A r分压 p1 / Pa
p11 p12 p13
N2 分压
摘 要 目的 研究膜层 牢固度好、满 足各种用户对膜层 厚度要求、质量一致性 好的多弧 离子镀膜工艺参数组 合 . 方法 运用日本田口玄一创立的稳健性设计方 法进行研究 . 结果 与原工艺膜 厚相比均匀性提高 约 6. 5 d B,并 找出膜厚与弧电流之 间的线性关系 ;硬度一致 性提 高约 3. 4 dB,显 微硬度值提高约 937 kg· mm- 2. 结 论 动态特性的稳 健性设计是一 种高效率、高再现性的技术开发方法 .
t3 / min
- 8. 426 83 - 7. 988 73 - 5. 226 95 - 10. 868 90 - 6. 909 50 - 5. 442 18 396. 29 404. 61 396. 01
p 1 / Pa
- 5. 841 21 - 7. 266 45 - 8. 534 85 - 8. 662 06 - 7. 320 23 - 7. 238 30 404. 42 399. 08 393. 41
转速
p 2 / Pa n / ( r mi n- 1)
p 21
n1
p 22
n2
p 23
n3
在镀膜过程中 ,工件形状以及摆放位置和方向不同 ,是造成膜层厚度不均匀的误差因素 , 每个误差因素均为 2位级 (见表 2) .
根据有关理论及生产实践 ,对膜厚指标可综合为如下两位级的综合误差因素: N 1: A′2B′2 C′2 (使膜厚趋向最小值的综合条件 ) , N 2: A′1B′1 C′1 (使膜厚趋向最大值的综合条件 ) . 上述误差因素对硬度的影响没有规律 ,因此这种综合对硬度没有意义 . 但为了减少实验 次数 ,利用膜厚外表中信号因素与综合误差因素的各种搭配 (见表 3) ,作为硬度的各种误差因 素位级组合 .
收稿日期: 1997 12 30
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尺寸和形状的刃具或工件 ,也为更便于进行膜厚、硬度等质量特性的测试 .
2 实验设计与实施
2. 1 可控因素、误差因素与信号因素 根据实际工作经验 ,选定 8个可以人为调节与控制的主要工艺参数作为可控因素 (见表
1) ,其中轰击时间 t1 为 2位级因素 ,其余均为 3位级因素 .
1 计测特性、理想功能与实验件设计
离子镀的基本功能是将电能转换为膜层与工件及膜层内部的结合能 ,因此 ,将结合力作为
计测特性是理想的 ,但无论从技术上还是从经济上都是难以实现的 .
膜层厚度在一定程度上反映了膜层内部及膜层与工件之间的结合、渗透状况 ; 在一个复杂
形状上 ,膜层厚度的均匀性直接影响膜层的功效 ; 刃具上膜层厚度越均匀越厚 ,其寿命越长 . 为
V2 /V t2 / min
- 4. 171 54 - 8. 679 37 - 8. 791 60 - 8. 382 18 - 5. 863 01 - 8. 975 40 409. 59 392. 31 395. 01 - 7. 791 69 - 7. 467 73 - 6. 383 09 - 7. 694 93 - 7. 018 28 - 8. 507 38 404. 69 400. 36 391. 86
2. 2 内设计与外设计 采用 L 18 ( 21× 37 )正交表安排可控因素 ,安排可控因素的正交表称为内表 ,即以 L 18 ( 21×
37)正交表作为内表进行内设计 ,得到 18种工艺参数组合条件 (见表 4) . 在实验中安排误差因素和信号因素的表称为外表 . 对于膜厚和硬度均采用表 3所示的外
表 2 误差因素位级表
位级 1 2
形状 A′ 摆放位置 B′ 摆放方向 C′ 平面 A′1 距靶源近 B′1 面向靶源 C′1 死角 A′2 距靶源远 B′2 背向靶源 C′2
表 3 膜厚外表中各因素 搭配
M1
M2
M3
N1
Y11
Y21
Y 31
N2
Y12
Y22
Y 32
用户对膜厚要求是变动的 ,本实验通过调整弧电流达到实现不同膜厚目标值的目的 ,即弧 电流作为信号因素 . 根据实际状况确定弧电流的 3个位级为: M1 , M2 , M3 .
硬度属望大静态特性 ,其信噪比公式为
13 0
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∑ ∑ Z=
-
10 lg
1 V0 n i= 1
K j= 1
1 xi2j
,Leabharlann ( 5)同理 ,运用式 ( 5)可计算出内表各号工艺参数组合条件硬度的信噪比 (表 4) .
