Filmi kromovih filmov in kromovega nitrida
Jan 05, 2018| Kromovi filmi
Trde kromove prevleke so dolgo obstajale in jih je mogoče uporabiti za povečanje odpornosti proti obrabi in koroziji orodij in strojev, npr. Batnih obročkov, hidravličnih cilindrov in plesni. Zelo tanki filmi iz kroma se pogosto uporabljajo za dekorativne namene v avtomobilski industriji. Druga vrsta uporabe kroma so kromirane steklene maske za fotolitografijo v mikroelektronski industriji. Tradicionalna metoda usedanja za Cr je kromiranje, mokra elektrolitska metoda. Vendar pa ta metoda uporablja heksavalentni krom, ki je rakotvoren in jo je zato treba nadomestiti z metodami zdravja in okolju prijazne depozicije, na primer s PVD metodo. Kot napihnjeni ali katodni obločni izparjeni Cr, CrN in CrC, pa tudi premazi brez kroma, kot so diamantni ogljik (DLC), veljajo kot možni nadomestki za elektrolizirane trde kromove prevleke v velikih industrijskih aplikacijah.
Krojenje kroma je precej počasno. V magnetronskih brizganih Cr / CrN in Cr / Cr 2 N večplastnih prevlekah so plasti kroma napolnile s magnetronom φ150 mm s hitrostjo 10 μm / h (≈170 nm / min) na pristranske jeklene podlage v višini -20V pri ciljnem toku 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Razvoj teksture v filmih RF z razprševanjem Cr je opisan v delu Feng et al. kjer je predlagan model, ki temelji na minimizaciji površinskih in medfaznih energij. Model smo testirali v odlagališčih Cr na steklenih podlagah v različnih pogojih. Filmi so vedno imeli teksturo Cr (110), ko so bili deponirani na steklenih podlagah pri sobni temperaturi, toda ko je bila segreta na 250 ° C, je bila tekstura (110) ali (002) določena s količino odložene energije iz atomov Ar ali Cr. Prednostna orientacija Cr (110) je bila prednostna z bombardiranjem steklene podlage. Nadzor prednostne orientacije je pomemben, npr. Kadar se Cr-filmi uporabljajo kot podlage za magnetne filme na osnovi kobalta, kjer je želena struktura Cr (200).
Kromove nitridne folije
Kromovi nitridni filmi kažejo odlične lastnosti korozije in obrabe ter visoko toplotno stabilnost. Zaradi fino zrnate in nizke stresne strukture je mogoče dati debele (več 10 μm) CrN filmov. To dejstvo skupaj s tem CrN je manj krhko kot TiN, vendar še vedno precej trdo, naredi CrN bolj primeren za površinsko zaščito na relativno mehkih podlagah, kot so aluminijeve zlitine in nerjavna jekla. Adhezija jekla je pogosto dobra, vendar jo lahko izboljša vmesna Cr-plast. Stehiometrični ali skoraj-stehiometrični CrN premazi imajo kubične NaCl-strukture. Z nizko vsebnostjo dušika se lahko pojavijo težje šestkotne faze Cr 2 N. Krom je manj reaktivna kovina kot titan in to ima za posledico reaktivne PVD. Potreben delni tlak dušika, da se tvorijo stehiometrične CrN folije, je višji kot pri stehiometričnem TiN. Tipične lastnosti komercialnega premaza so trdota 1750 HV in toplotna stabilnost do 700 ° C.
Zaradi visoke toplotne stabilnosti so CrN-prevleke zelo primerne za zaščito pred obrabo in korozijo v delovnih procesih pri povišanih temperaturah, npr. Pri litjem pod tlakom. Primeri CrN obloženih komponent so plastični kalupi, orodja za brizganje in orodja za obdelavo in hladno oblikovanje kovin kot Cu in Ti.
Skupne metode nanašanja za CrN folije so reaktivno magnetronsko brizganje in izhlapevanje lokov. V DC magnetronsko brizganje smo uporabili, da bi raziskali učinek prednostne orientacije na mehanske lastnosti prevlek CrN. Dva premaza sta bila proizvedena pri skupnem tlaku 0,27 Pa (2 mTorr), ciljni tok 2,5 A, pretok N2 nadzorovan z OEM in pri različnih napetostih DC napetosti a) 70 V in b) 120 V. Hitrost usedanja je bila ~ 18 in ~ 28 nm / min. Nastali filmi so bili a) CrN s prednostno usmerjenostjo (200), kolonsko strukturo in trdoto 2300 HV in b) Cr 2 N s prednostno orientacijo (111), gosto strukturo in nekoliko višjo trdnostjo (2400 HV) vendar s šibko adhezijo na jeklene (SKD11) substrate.
Visokostopenjsko odlaganje CrN x z DC magnetronsko brizganjem z impulznim DC-pristranskostjo smo preučili z Nam in sodelavci. Filmi so bili razpršeni z gostoto ciljne moči 13 W / cm 2 pri stalnem tlaku argona 0,24 Pa (1,8 mTorr) in pretok dušika je variiral od 0 do 45 sccm in različno pristranskost napetosti. To je omogočilo nadzor mikrostrukture in fazne sestave filmov CrN x . Najvišja stopnja usedanja je za Cr 2 N znašala 210 nm / min (89% hitrosti za čiščenje iz čistega Cr), najvišja trdota pa je bila 2250 kg / mm 2 (Knoop) za mešano fazo CrN + Cr. V isti skupini smo izvedli tudi študijo lastnosti filmov CrN x, deponiranih pri različnih stopnjah usedanja. V tej študiji so uporabili konstantno napetost pristranskosti -100V in konstanten tlak argona 0,2 Pa (1,5 mTorr) in uporabili gostoto ciljne moči 5, 10 in 13,2 W / cm2, pretok dušika pa je bil od 0 do 160 sccm. Ugotovili so, da se hitrost usedanja CrN linearno poveča z gostoto ciljne moči (maksimalno 430 nm / min pri 13,2 W / cm 2 ) in da je filmska obremenitev z naraščajočim na tlačilnost spremenjena z naraščajočo hitrostjo odlaganja. Nadalje je bila najdena najvišja trdota in najboljša adhezija za film, ki je bil pri visoki ciljni gostoti močan zaradi visoke tlačne obremenitve in visoke mobilnosti adatata.
Karbidna orodja, prekrita s filmi Cr x N y z RF magnetronskim brizganjem, smo testirali pri obdelavi lesa. Za strukturno in kemijsko analizo so filmi odlagali na substratih Si. Vloge so bile narejene pri moči RF 450 W in 650 W ter raznovrstnem skupnem tlaku od 0,1 do 1 Pa. Časi nanašanja so bili izbrani med 15 in 80 minutami z največjo hitrostjo odlaganja 4.4 μm / h (73 nm / min) za Cr 2 N. Filmi Cr 2 N so imeli stolpično strukturo, medtem ko so bili CrNovi filmi brezstopenjski z največjo trdnostjo 2100 HV. Ugotovili smo, da so filmi Cr 2 N težji, a manj privlači kot CrN filmi.
RF magnetronsko brizganje je bilo uporabljeno tudi za študijo CrN x filmov, deponiranih v širokem dušikovem območju delnega tlaka 0,005 - 30 Pa, kjer so bile analizirane kemijske in mehanske lastnosti. Ciljna moč je bila konstantna pri 300 W (gostota ciljne moči je bila 6,8 W / cm 2 ) in konstanta delnega tlaka Ar pri 0,3 Pa. Stohiometrični Cr 2 N smo dobili za delne tlake dušika med 0,02 in 0,04 Pa in stehiometrično CrN smo dobili pri 0,3 Pa, medtem ko smo pri drugih tlakih mešali faze CrN in Cr 2 N. Ugotovili smo, da je vsebnost dušika v CrN x filmih mogoče nadzorovati s spremembo parcialnega tlaka dušika, vendar ne glede na hitrost usedanja in mikrostrukturo. Cr 2 N filmi so bili zelo trdni (27,1 GPa) in trdni (E = 348 GPa), enofazni CrN je bil skoraj tako trd kot Cr 2 N, bolj elastičen (E = 300 GPa) in hitrost usedanja je bila nižja.
Mikrostrukturo in mehanske lastnosti filmov kromovega nitrida, deponiranih na substratih z visoko hitrostjo, z izhlapevanjem z reaktivnim lokom, so proučevali Odén et al. Debele plasti 10 μm smo odložili 220 min pri delnem tlaku dušika 8 Pa in različnih negativnih substratnih odstopanjih od 20 do 400 V. Mikrostruktura filmov je bila gosta in kolonarna, prednostna orientacija je bila CrN (220) in CrN (220) se je teksturni koeficient povečal z naraščajočo negativno pristranskostjo do 200V. Najvišja nanohardnost 29 GPa je bila dosežena pri pristranskosti podlage v višini -100 V.
Prevleke CrN za namensko aplikacijo, rezalna orodja za obdelavo bakra, so nastali z ionskim premazom iz katodnih oblog. Te filme smo odložili pri delnem tlaku dušika 4 Pa in različnim negativnim odstopanjem substrata od 0 do 200 V. Prednostna orientacija je bila CrN (111), mikro struktura pa je bila gosta in kolonarna. Velikost zrn se je z naraščajočim pristranskostjo zmanjševala in dosežena je bila največja mikro trdota Vickersa za pristranskost 100 V, kot tudi maksimalna tlačna preostala napetost. Preizkusi rezalne uspešnosti so pokazali, da trdota filma in preostala napetost ni mogoče uporabiti kot merilo uspešnosti pri rezkanju bakra.
