Хромові плівки та плівки з нітриду хрому
Jan 05, 2018| Хромові плівки
Покриття твердого хрому довгий час існували і може бути використане для підвищення стійкості до зносу та корозії компонентів інструментів та машин, наприклад, поршневих кілець, гідроциліндрів та форм. Дуже тонкі хромові плівки часто використовуються для декоративних цілей у автомобілях та обладнанні. Інший тип застосування хрому - це хрому-на-склі маски для фотолітографії в галузі мікроелектроніки. Традиційним способом осадження Cr є хромування, вологий електролітний спосіб. Однак цей метод використовує шкенвалентний хром, який є канцерогенним, і тому його необхідно замінити методами осадження на здоров'я та довкілля, наприклад, методом PVD. Розплавлена або катодна дуга з випаровуванням Cr, CrN і CrC, але також безхромні покриття, такі як алмазоподібний вуглець (DLC), розглядаються як можливі заміни гальванічних твердих хромових покриттів у промислових масштабах.
Розпилення хрому відбувається досить повільно. У магнетронному розпиленому Cr / CrN та Cr / Cr 2 N багатошаровому покритті хромові шари нанесли на магнітрон з магнітом φ 150 мм зі швидкістю 10 мкм / год (≈170 нм / хв.) На стаціонарні підкладки -20 В упередженість на мішенному потоці 4 А (≈ 23 мА / см 2).
Розвиток текстури у фільтрах з розсіяним Cr-спектрометру обговорюється у роботі Фенґ та співавт. де запропонована модель, що базується на мінімізації поверхневої та міжфазної енергій. Модель була випробувана на осадженнях Cr на скляних підкладках в різних умовах. Плівки завжди мали Cr (110) текстуру, коли осаджували на стеклянні підкладки при кімнатній температурі, але при попередньому нагріванні до 250 ° С текстура (110) або (002) визначалася кількістю осадженої енергії з атомів Ar або Cr. Краща орієнтація Cr (110) сприяла бомбардуванням скляної підкладки. Контроль переважної орієнтації важливий, наприклад, коли Cr-плівки використовуються як підслой для магнітних плівок на основі кобальту, де бажана структура Cr (200).
Плівки нітриду хрому
Плівки нітриду хрому мають відмінну корозійну та зносостійкість та високу термостійкість. Завдяки дрібнозернистому та низькому напруженій структурі, можна покрити товсті (декілька 10мкм) плівки CrN. Цей факт разом з тим, що CrN менш крихкий, ніж TiN, але все ще досить міцний, робить CrN більш придатним для захисту поверхні на відносно м'яких підкладках, таких як алюмінієві сплави та нержавіючі сталі. Адгезія до сталі часто хороша, але її можна збільшити проміжним Cr-шаром. Стехіометричні або майже стехіометричні CrN-покриття мають кубічні NaCl-структури. При низькому вмісті азоту може з'явитися більш сильна гексагональна Cr 2 N фаза. Хром є менш реактивним металом, ніж титан, і це має наслідок реактивного ПВД. Необхідний парціальний тиск азоту для утворення стехіометричних плівок CrN вище, ніж для стехіометричного TiN. Типовими властивостями комерційного покриття є твердість 1750 Вт і термостійкість до 700 ° С.
Висока термічна стабільність робить CrN-покриття дуже підходящими для захисту від зносу та корозії при робочих процесах при підвищених температурах, наприклад, при лиття під тиском. Прикладами компонентів з покриттям CrN є пластмасові форми, штампи для екструзії та інструменти для механічної обробки та холодного формування металів як Cu та Ti.
Методами загального осадження плівок CrN є реактивне магнетронне розпилення та дуговий випар. Для дослідження впливу переважної орієнтації на механічні властивості CrN-покриттів використовувався магнетронний розпилювач постійного струму. Два покриття виготовлялись при загальному тиску 0,27 Па (2 мТорр), струму-мішені 2,5 А, регульованому з ПЕМ-регулюванням потоку N 2 та при різних напругах зміщення постійного струму а) 70 В і б) 120 Вт. Швидкість осадження складала ~ 18 та ~ 28 нм / хв відповідно. Отримані плівки були а) CrN з переважною орієнтацією (200), стовпчастої структури та твердості 2300 HV і b) Cr 2 N з переважною орієнтацією (111), щільною структурою та дещо вищою твердістю (2400 HV) але з слабкою адгезією до сталевих (SKD11) субстратів.
Високотемпературне осадження CrN x методом магнетронного розпилення постійним струмом з імпульсним зміщенням постійного струму було досліджено Nam et al. Плівки були розпилені цільовою щільністю потужності 13 Вт / см 2 при постійному тиску аргону 0,24 Па (1,8 мТорр), а потік азоту коливався від 0 до 45 см / с та різної напруги зміщення. Це дало змогу контролювати мікроструктуру та фазовий склад плівок CrN x . Максимальна швидкість осадження становила 210 нм / хв для Cr 2 N (89% від норми для чистого осадження Cr), а максимальна твердість - 2250 кг / мм2 (Knoop) для змішаної фази CrN + Cr. У цій же групі вивчено властивості плівок CrN x, нанесених на різних ступенях осадження. У цьому дослідженні вони використовували постійну напругу зміщення -100 В і постійний тиск аргону 0,2 Па (1,5 мТорр) і використовували щільність потужності 5, 10 та 13,2 Вт / см 2, а витрата азоту варіювало від 0 до 160 sccm Вони прийшли до висновку, що швидкість осадження CrN збільшується лінійно з цільовою щільністю потужності (максимум 430 нм / хв при 13,2 Вт / см 2 ) і що напруга плівки була змінена від стискування до стиснення з підвищенням швидкості осадження. Далі було виявлено найвищу твердість і кращу адгезію для плівки, нанесеної на найвищу щільність мішені потужності внаслідок високого стискуючого стресу та високої мобільності адатома.
Карбідні інструменти, покриті плівками Cr x N y за допомогою магнетронного розпилення РФ, були протестовані при обробці деревини. Для структурно-хімічного аналізу плівки осідали на підкладках Si. Депозиції проводились при потужності РФ 450 Вт та 650 Вт, а різний загальний тиск від 0,1 до 1 Па. Тривалість осадження була відібрана між 15 та 80 хвилинами з максимальною швидкістю осадження 4,4 мкм / год (73 нм / хв) для Cr 2 N. Плівки Cr 2 N мали стовпчасту структуру, тоді як плівки CrN, як здавалося, неповторні з максимальною твердістю 2100 НВ. Cr 2 N плівки виявилися більш твердими, але менш прихильними, ніж плівки CrN.
Магнетронне розпилення РФ використовувалось також для вивчення плівок CrN x, нанесених в межах широкого азотного парціального тиску 0,005 - 30 Па, де аналізували хімічні та механічні властивості. Цільова потужність залишалася постійною при 300 Вт (щільність мішені потужності становила 6,8 Вт / см2) та константа парціального тиску в Ар при 0,3 Па. Для парціального тиску азоту між 0,02 і 0,04 Па отримано стехіометричний Cr 2 N, а також стехіометричний CrN був отриманий для 0,3 Па, тоді як для інших тисків змішували фази CrN та Cr 2 N. Висновок полягав у тому, що вміст азоту в плівках CrN x можна контролювати шляхом зміни парціального тиску азоту, але не залежно від швидкості осадження та мікроструктури. Плівки Cr 2 N були дуже твердими (27,1 ГПа) та жорсткими (E = 348 ГПа), однофазні CrN були майже жорсткими, ніж Cr 2 N, але більш еластичними (E = 300 ГПа), і швидкість осадження була нижчою.
Мікроструктура та механічні властивості плівок нітриду хрому, нанесених на високошвидкісні сталеві підкладки за допомогою реактивного дугового випару, були вивчені Оденом та ін. Плівки товщиною 10 мкм осідали на 220 хв при парціальному тиску азоту 8 Па та різному негативному зміщенні підкладки від 20 до 400 В. Мікроструктура плівок була щільною та стовпчиною, переважна орієнтація - CrN (220) та CrN (220) коефіцієнт текстури збільшувався з збільшенням негативного зміщення до 200 Вт. Максимальна нанозахистність 29 ГПа була досягнута для зміщення субстрату до -100 В.
Покриття CrN для спеціального застосування, ріжучі інструменти для механічної обробки міді, були отримані шляхом катодного дугового іонного покриття. Ці плівки осідали на парціальному тиску азоту 4 Па та різному негативному зміщенні підкладки 0 - 200 В. Найважливішою орієнтацією була CrN (111), мікроструктура була щільною та стовпчиком. Розмір зерен зменшувався із збільшенням упередженості, а максимальна мікротвердість Віккерса була досягнута для зміщення 100 В, а також максимального стиснення залишкового стресу. Тестування різальних характеристик показало, що твердість плівки та залишковий напруга не можуть бути використані як показник продуктивності при фрезеруванні міді.
