Chromové fólie a filmy s nitridem chromu
Jan 05, 2018| Chromové fólie
Tvrdé chromové povlaky jsou dlouhou dobu a lze je použít ke zvýšení opotřebení a odolnosti proti korozi nástrojů a strojních součástí, např. Pístních kroužků, hydraulických válců a forem. Velmi tenké chromové fólie se často používají pro dekorativní účely v automobilovém průmyslu nebo ve výrobě nábytku. Dalším typem použití chrómu jsou chromové skleněné masky pro fotolitografii v mikroelektronickém průmyslu. Tradiční způsob ukládání pro Cr je chromování, mokrá elektrolytická metoda. Tato metoda však využívá šestimocný chróm, který je karcinogenní, a proto je nutné ho nahradit metodami pro ukládání vhodnými pro zdraví a životní prostředí, například metodou PVD. Odpařený Cr, CrN a CrC, ale také povlaky bez chrómu, jako je diamantový uhlík (DLC), jsou pokládány za možné náhrady za elektrolyticky pokryté tvrdé chromové povlaky ve velkých průmyslových aplikacích.
Naprašování chrómu je poměrně pomalé. V magnetronových napráskovaných vrstvách Cr / CrN a Cr / Cr2N vícevrstvé povlaky byly vrstvy chromu rozprašovány pomocí magnetronu o velikosti φ150 mm rychlostí 10 μm / h (≈ 170 nm / min) na ocelové substráty s polaritou 20 V při cílovém proudu 4 A (≈ 23 mA / cm2).
Vývoj textury v RF filmech s naprašováním Cr je popsán v práci Feng et al. kde je navržen model založený na minimalizaci povrchových a mezifázových energií. Model byl testován v depozicích Cr na skleněných substrátech za různých podmínek. Filmy měly vždy strukturu Cr (110), když byly uloženy na skleněných substrátech při pokojové teplotě, ale při předehřátí na 250 ° C byla struktura (110) nebo (002) určena množstvím nanesené energie z iontů Ar nebo Cr. Preferovaná orientace Cr (110) byla podporována bombardováním skleněného substrátu. Kontrola upřednostňované orientace je důležitá, např. Když jsou filmy Cr používány jako podložka pro magnetické filmy na bázi kobaltu, kde je žádoucí struktura Cr (200).
Filmy z nitridu chromu
Filmy z nitridu chromu vykazují vynikající vlastnosti proti korozi a opotřebení a vysokou tepelnou stabilitu. Kvůli jemné zrnitosti a struktuře s nízkým napětím je možné ukládat silné (několik 10 μm) CrN filmy. Tato skutečnost společně s touto CrN je méně křehká než TiN, ale stále poměrně tvrdá, činí CrN vhodnější pro ochranu povrchu na relativně měkkých substrátech, jako jsou hliníkové slitiny a nerezové oceli. Přilnavost k oceli je často dobrá, ale může být zvýšena mezivrstvou vrstvou Cr. Stechiometrické nebo téměř stechiometrické povlaky CrN mají krychlové struktury NaCl. Při nízkém obsahu dusíku se mohou objevit tvrdší hexagonální fáze Cr2N. Chróm je méně reaktivní kov než titan, což má za následek reaktivní PVD. Požadovaný parciální tlak dusíku pro vytvoření stechiometrických CrN fólií je vyšší než u stechiometrického TiN. Typickými vlastnostmi komerčního povlaku je tvrdost 1750 HV a tepelná stabilita až do 700 ° C.
Díky vysoké tepelné stálosti jsou povrchové vrstvy CrN velmi vhodné pro ochranu proti opotřebení a proti korozi v pracovních procesech při zvýšených teplotách, např. Při odlévání pod tlakem. Příklady součástí pokrytých CrN jsou plastové formy, vytlačovací lisy a nástroje pro obrábění a tváření za studena kovů jako Cu a Ti.
Obvyklé způsoby nanášení pro CrN filmy jsou reaktivní magnetronové rozprašování a odpařování oblouku. DC magnetronové rozprašování bylo použito k vyšetření vlivu preferované orientace na mechanické vlastnosti povlaků CrN. Byly vyrobeny dva povlaky při celkovém tlaku 0,27 Pa (2 mTorr), cílový proud 2,5 A, OEM řízený průtok N2 a při různých stejnosměrných napětích a) 70 V a b) 120 V. Rychlost nanášení byla ~ 18 a 28 nm / min. Výsledné filmy byly a) CrN s výhodnou orientací (200), sloupcovou strukturou a tvrdostí 2300 HV a b) Cr2N s výhodnou orientací (111), hustou strukturou a poněkud vyšší tvrdostí (2400 HV) ale se slabší přilnavostí k ocelovým (SKD11) substrátům.
Vysoké ukládání CrN x pomocí DC magnetronového rozprašování s impulsním stejnosměrným zkreslením bylo studováno v Nam et al. Filmy byly naprašovány cílovou hustotou výkonu 13 W / cm2 při konstantním tlaku argonu 0,8 Pa (1,8 mTorr) a průtok dusíku se pohyboval od 0 do 45 sccm a různým zkresleným napětím. To umožnilo řídit mikrostrukturu a fázové složení filmů CrN x . Maximální rychlost nanášení byla pro Cr2N (89% rychlosti čistého ukládání Cr) 210 nm / min a maximální tvrdost 2250 kg / mm2 (Knoop) pro směsnou fázi CrN + Cr. Stejná skupina také provedla studii vlastností vrstev CrN x uložených při různých rychlostech nanášení. V této studii používaly konstantní předpětí napětí -100V a konstantní tlak argonu 0,2 Pa (1,5 mTorr) a používaly hustoty výkonu 5,10 a 13,2 W / cm2 a průtok dusíku se měnil od 0 do 160 sccm. Dospěli k závěru, že rychlost nanášení CrN se lineárně zvyšuje s cílovou hustotou výkonu (max. 430 nm / min při 13,2 W / cm2) a že napětí filmu bylo změněno z tahu na kompresi se zvyšující se rychlostí nanášení. Dále byla zjištěna nejvyšší tvrdost a nejlepší přilnavost k filmu uloženému při nejvyšší hustotě cílového výkonu kvůli vysokému tlaku v tlaku a vysoké mobilitě adatomu.
Nástroje karbidu potažené fóliemi Cr x Ny pomocí RF magnetronového rozprašování byly testovány při obrábění dřeva. Pro konstrukční a chemické analýzy byly filmy uloženy na substrátech Si. Depozice byly prováděny při RF výkonech 450 W a 650 W a různém celkovém tlaku od 0,1 do 1 Pa. Doba ukládání byla zvolena mezi 15 a 80 minutami s maximální rychlostí nanášení 4,4 μm / h (73 nm / min) pro Cr 2 N. Filmy Cr 2 N měly sloupcovou strukturu, zatímco filmy CrN se zdají být bez rysů s maximální tvrdostí 2100 HV. Bylo zjištěno, že Cr2N filmy jsou tvrdší, ale méně přilnavé než CrN filmy.
Pro studium CrNx filmů uložených v širokém rozmezí parciálních tlaků 0,005 - 30 Pa, kde byly analyzovány chemické a mechanické vlastnosti, bylo také použito RF magnetronové rozprašování. Cílová síla byla udržována konstantní na 300 W (cílová hustota výkonu byla 6,8 W / cm2) a konstantní Parciální tlak konstantní na 0,3 Pa. Stochiometrický Cr2N byl získán pro parciální tlaky dusíku mezi 0,02 a 0,04 Pa a stechiometrický CrN byl získán pro 0,3 Pa, zatímco pro další tlaky byly fáze CrN a Cr2N smíšeny. Závěrem bylo, že obsah dusíku v filmech CrN x může být řízen změnou parciálního tlaku dusíku, ale ne nezávisle na rychlosti depozice a mikrostruktuře. Cr2N filmy byly velmi tvrdé (27,1 GPa) a tuhé (E = 348 GPa), jednosložková CrN byla téměř stejně tvrdá jako Cr2N, ale pružnější (E = 300 GPa) a rychlost nanášení byla nižší.
Mikrostruktura a mechanické vlastnosti vrstev nitridu chromitého nanesených na vysokorychlostních ocelových substrátech reaktivním obloukovým odpařováním byly studovány v Oden et al. Tloušťky filmu o tloušťce 10 μm byly uloženy 220 min při parciálním tlaku dusíku 8 Pa a různé negativní substrátové zkreslení od 20 do 400 V. Mikrostruktura filmů byla hustá a sloupcovitá, preferovaná orientace byla CrN (220) a CrN (220) zvýšil koeficient textury se stoupajícím negativním zkreslením až na 200V. Byla dosažena maximální hlučnost 29 GPa při substrátové zkreslení -100 V.
Povlaky CrN pro speciální použití, řezné nástroje pro obrábění mědi, byly vyrobeny katodickým pokovením iontového oblouku. Tyto filmy byly uloženy při parciálním tlaku dusíku 4 Pa a různých negativních substrátových předpisech 0 až 200 V. Výhodná orientace byla CrN (111) a mikrostruktura byla hustá a sloupcovitá. Velikost zrna klesla s rostoucím zkreslením a byla dosažena maximální tvrdost Micro Vickers pro zkreslení 100 V, stejně jako maximální tlakové zbytkové napětí. Zkoušky účinnosti řezání ukázaly, že tvrdost filmu a zbytkový stres nemohou být považovány za měřítko výkonu při mletí mědi.
