Folie chromowe i filmy azotkowe chromowe
Jan 05, 2018| Filmy chromowe
Powłoki twardo-chromowe istnieją od dłuższego czasu i mogą być stosowane do zwiększania odporności na zużycie i korozję narzędzi i elementów maszyn, np. Pierścieni tłokowych, cylindrów hydraulicznych i form. Bardzo cienkie folie chromowe są często wykorzystywane do celów dekoracyjnych w przemyśle samochodowym lub meblarskim. Innym rodzajem zastosowania chromu są maski z chromu na szkle do fotolitografii w przemyśle mikroelektronicznym. Tradycyjną metodą osadzania Cr jest chromowanie, mokra metoda elektrolityczna. Jednak ta metoda wykorzystuje sześciowartościowy chrom, który jest rakotwórczy i dlatego konieczne jest zastąpienie go przez przyjazne dla zdrowia i środowiska metody osadzania, na przykład metodę PVD. Sproszkowany lub katodowy łuk odparowany Cr, CrN i CrC, ale także powłoki bez chromu, takie jak diamentopodobny węgiel (DLC), są uważane za możliwe substytuty powlekanych galwanicznie powłok twardego chromu w zastosowaniach przemysłowych na dużą skalę.
Rozpryskiwanie chromu jest dość powolne. W wielowarstwowych powłokach magnetronowych napylanych Cr / CrN i Cr / Cr 2 N warstwy chromu były napylane za pomocą magnetronu φ150 mm z szybkością 10 μm / h (≈170 nm / min) na podłożach stalowych obciążonych -20V przy prądzie docelowym 4 A (≈ 23 mA / cm2).
Rozwój tekstur w foliach Cr sterowanych przez RF omówiono w pracy Fenga i in. gdzie zaproponowano model oparty na minimalizacji energii powierzchniowej i międzyfazowej. Model był testowany na osadzeniach Cr na szklanych podłożach w różnych warunkach. Folie miały zawsze teksturę Cr (110) po naniesieniu na szklane podłoża w temperaturze pokojowej, ale po podgrzaniu do 250 ° C tekstura (110) lub (002) została określona przez ilość osadzonej energii z atomów Ar lub atomów Cr. Preferowana orientacja Cr (110) była faworyzowana przez bombardowanie szklanego podłoża. Kontrola preferowanej orientacji jest ważna, np. Gdy folie Cr są stosowane jako warstwa dolna dla filmów magnetycznych na bazie kobaltu, gdzie pożądana jest tekstura Cr (200).
Folie azotkowe chromu
Folie z azotku chromu wykazują doskonałe właściwości korozyjne i zużycie oraz wysoką stabilność termiczną. Możliwe jest nakładanie grubych (kilka 10 μm) folii CrN dzięki drobnoziarnistej i niskiej strukturze naprężeń. Fakt ten wraz z tym CrN jest mniej kruchy niż TiN, ale nadal dość twardy, czyni CrN bardziej odpowiednim do ochrony powierzchni przy stosunkowo miękkich podłożach, takich jak stopy aluminium i stale nierdzewne. Przyczepność do stali jest często dobra, ale może być wzmocniona przez pośrednią warstwę Cr. Stechiometryczne lub prawie stechiometryczne powłoki CrN mają sześcienne struktury NaCl. Przy niskiej zawartości azotu mogą pojawić się twardsze sześciokątne fazy Cr 2 N. Chrom jest mniej reaktywnym metalem niż tytan, a to ma konsekwencje dla reaktywnego PVD. Wymagane ciśnienie cząstkowe azotu do tworzenia stechiometrycznych filmów CrN jest wyższe niż dla stechiometrycznego TiN. Typowe właściwości komercyjnej powłoki to twardość 1750 HV i stabilność termiczna do 700 ° C.
Wysoka stabilność termiczna sprawia, że powłoki CrN doskonale nadają się do ochrony przed zużyciem i korozją w procesach roboczych w podwyższonych temperaturach, np. Przy odlewaniu pod ciśnieniem. Przykładami elementów pokrytych CrN są formy z tworzyw sztucznych, matryce do wytłaczania oraz narzędzia do obróbki skrawaniem i kształtowania na zimno metali, takich jak Cu i Ti.
Powszechnymi metodami osadzania filmów CrN są reaktywne rozpylanie magnetronowe i odparowywanie łuku. Napylanie magnetronowe DC zostało wykorzystane do zbadania efektu preferowanej orientacji na właściwości mechaniczne powłok CrN. Wytworzono dwie powłoki o ciśnieniu całkowitym 0,27 Pa (2 mTorr), natężeniu docelowym 2,5 A, sterowanym przez OEM strumieniu N 2 i przy różnych napięciach napięcia stałego a) 70 V i b) 120 V. Szybkość osadzania wynosiła ~ Odpowiednio 18 i ~ 28 nm / min. Powstałe folie były a) CrN o korzystnej orientacji (200), strukturze kolumnowej i twardości 2300 HV i b) Cr2N o korzystnej orientacji (111), gęstej strukturze i nieco wyższej twardości (2400 HV) ale ze słabszą przyczepnością do podłoży stalowych (SKD11).
Wysoką depozycję CrN x przez rozpylanie magnetronowe DC z pulsacyjnym odchyleniem DC badali Nam et al. Folie napylano z docelową gęstością mocy 13 W / cm2 przy stałym ciśnieniu argonu 0,24 Pa (1,8 mTorr) i natężeniu przepływu azotu wahało się od 0 do 45 sccm i zmiennym napięciu polaryzacji. Umożliwiło to kontrolowanie mikrostruktury i składu fazowego filmów CrN x . Maksymalna szybkość osadzania wynosiła 210 nm / min dla Cr 2 N (89% szybkości dla czystego osadzania Cr), a maksymalna twardość wynosiła 2250 kg / mm2 (Knoop) dla CrN + Cr. Ta sama grupa przeprowadziła również badanie właściwości folii CrN x osadzonych przy różnych szybkościach osadzania. W tym badaniu zastosowano stałe napięcie polaryzacji -100V i stałe ciśnienie argonu 0,2 Pa (1,5 mTorr) i używano docelowych gęstości mocy 5, 10 i 13,2 W / cm 2, a przepływ azotu zmieniał się od 0 do 160 sccm. Stwierdzili, że szybkość osadzania CrN wzrasta liniowo z docelową gęstością mocy (maks. 430 nm / min przy 13,2 W / cm2) i że naprężenie folii zostało zmienione z rozciągania na ściskające ze wzrostem szybkości osadzania. Ponadto najwyższą twardość i najlepszą adhezję stwierdzono dla folii osadzonej przy najwyższej docelowej gęstości mocy dzięki wysokiemu naprężeniu ściskającemu i wysokiej ruchomości adatomu.
Narzędzia z węglika pokryte powłokami Cr x Ny metodą rozpylania z wykorzystaniem magnetronu RF zostały przetestowane w obróbce drewna. W celu analizy strukturalnej i chemicznej folie osadzono na podłożach Si. Osadzanie wykonano przy mocach RF 450 W i 650 W i zmiennym ciśnieniu całkowitym od 0,1 do 1 Pa. Czasy osadzania wybierano pomiędzy 15 a 80 minut z maksymalną szybkością osadzania 4,4 μm / h (73 nm / min) dla Cr 2 N. Folie Cr 2 N miały strukturę kolumnową, podczas gdy folie CrN wydawały się pozbawione cech o maksymalnej twardości 2100 HV. Stwierdzono, że filmy Cr 2 N są twardsze, ale mniej adhezyjne niż filmy CrN.
Napylanie magnetronowe RF było również wykorzystywane do badania filmów CrN x osadzonych w szerokim zakresie ciśnienia cząstkowego azotu 0,005 - 30 Pa, gdzie analizowano właściwości chemiczne i mechaniczne. Docelowa moc była utrzymywana na stałym poziomie 300 W (docelowa gęstość mocy wynosiła 6,8 W / cm2), a ciśnienie cząstkowe Ar było stałe 0,3 Pa. Stechiometryczny Cr 2 N uzyskano dla ciśnień cząstkowych azotu między 0,02 a 0,04 Pa i stechiometrycznego CrN otrzymano dla 0,3 Pa, podczas gdy dla innych ciśnień zmieszano fazy CrN i Cr2N. Stwierdzono, że zawartość azotu w filmach CrN x można kontrolować zmieniając ciśnienie parcjalne azotu, ale nie niezależnie od szybkości osadzania i mikrostruktury. Folie Cr 2 N były bardzo twarde (27,1 GPa) i sztywne (E = 348 GPa), jednofazowe CrN było prawie tak twarde jak Cr 2 N, ale bardziej elastyczne (E = 300 GPa), a szybkość osadzania była niższa.
Mikrostruktura i właściwości mechaniczne warstw azotku chromu osadzonych na stalowych podłożach o dużej prędkości w wyniku parowania reaktywnego łuku zostały zbadane przez Odén et al. Folie o grubości 10 μm osadzano przez 220 min pod ciśnieniem cząstkowym azotu wynoszącym 8 Pa i różne ujemne naprężenia podłoża od 20 do 400 V. Mikrostruktura folii była gęsta i kolumnowa, preferowaną orientacją była CrN (220) i CrN. (220) współczynnik tekstury wzrósł wraz ze wzrostem odchylenia ujemnego do 200V. Maksymalną nanomotyczność 29 GPa osiągnięto przy odchyleniu podłoża wynoszącym -100 V.
Powłoki CrN do dedykowanej aplikacji, narzędzia tnące do obróbki miedzi, zostały wyprodukowane przez katodowe powlekanie jonami łukowymi. Folie te osadzano przy ciśnieniu cząstkowym azotu wynoszącym 4 Pa i przy różnych ujemnych nachyleniach podłoży, 0-200 V. Korzystna orientacja była CrN (111), a mikrostruktura była gęsta i kolumnowa. Wielkość ziarna zmniejszyła się wraz ze wzrostem odchylenia i osiągnięto maksymalną twardość Vickersa dla naprężenia 100 V, jak również maksymalnego naprężenia ściskającego. Testy wydajności cięcia wykazały, że twardość folii i naprężenie szczątkowe nie mogą być brane pod uwagę jako miara wydajności mielenia miedzi.
