Fólie na báze chrómu a filmy s nitridom chrómu

Filmy z chrómu

Tvrdé chrómové povlaky sú už dlhší čas a môžu sa použiť na zvýšenie odolnosti nástrojov a komponentov strojov, napr. Piestnych krúžkov, hydraulických valcov a foriem proti opotrebovaniu a korózii. Veľmi tenké chrómové filmy sa často používajú na dekoratívne účely v automobilovom alebo interiérovom priemysle. Ďalším typom použitia chrómu sú chrómové sklenené masky na fotolitografiu v mikroelektronickom priemysle. Tradičnou metódou depozície pre Cr je pochrómovanie, mokrá elektrolytická metóda. Táto metóda však používa šesťmocný chróm, ktorý je karcinogénny, a preto je potrebné ho nahradiť metódami depozície vhodnými pre zdravie a životné prostredie, napríklad metódou PVD. Odparovanie Cr, CrN a CrC odparovaním alebo katódovým oblúkom, ale tiež povlaky bez chrómu, ako je diamantový uhlík (DLC), sa považujú za možné náhrady za galvanické povlaky z tvrdeného chrómu vo veľkých priemyselných aplikáciách.

Naprašovanie chrómu je dosť pomalé. Pri viacvrstvových povlakoch Cr / CrN a Cr / Cr2N nanášaných na magnetróne boli chrómové vrstvy naprašované magnetrónom φ150 mm rýchlosťou 10 μm / h (≈ 170 nm / min) na oceľové substráty so zaťažením -20V pri cieľovom prúde 4 A (≈ 23 mA / cm2).

Vývoj textúry v RF fóliách s rozstrekovaným Cr sa diskutuje v práci Feng et al. kde je navrhnutý model založený na minimalizácii povrchových a medzifázových energií. Model bol testovaný na Cr depozitách na sklenených substrátoch za rôznych podmienok. Filmy vždy mali textúru Cr (110), keď boli uložené na sklenených substrátoch pri izbovej teplote, ale pri predhrievaní na 250 ° C bola štruktúra (110) alebo (002) štruktúra určená množstvom uloženej energie z atómov Ar alebo Cr. Preferovaná orientácia Cr (110) bola favorizovaná bombardovaním skleneného substrátu. Kontrola uprednostňovanej orientácie je dôležitá, napr. Keď sú filmy Cr použité ako podklad pre magnetické filmy na báze kobaltu, kde je žiaduca štruktúra Cr (200).

Filmy s nitridom chrómu

Filmy s nitridom chrómu vykazujú vynikajúce vlastnosti proti korózii a opotrebeniu a vysokú tepelnú stabilitu. Je možné uložiť hrubé (niekoľko 10 μm) CrN filmy vďaka jemnozrnnej štruktúre a štruktúre s nízkym napätím. Táto skutočnosť spolu s touto CrN je menej krehká ako TiN, ale stále dosť tvrdá, robí CrN vhodnejšou na ochranu povrchu na relatívne mäkkých substrátoch, ako sú hliníkové zliatiny a nehrdzavejúce ocele. Priľnavosť k oceli je často dobrá, ale môže byť zvýšená strednou Cr vrstvou. Stechiometrické alebo takmer stechiometrické vrstvy CrN majú kubické štruktúry NaCl. Pri nízkom obsahu dusíka sa môžu objaviť tvrdšie šesťhranné fázy Cr2N. Chróm je menej reaktívny kov ako titán, čo má za následok reaktívne PVD. Požadovaný parciálny tlak dusíka na vytvorenie stechiometrických CrN fólií je vyšší ako pri stechiometrickom TiN. Typickými vlastnosťami komerčného povlaku je tvrdosť 1750 HV a tepelná stabilita až do 700 ° C.

Vysoká tepelná stabilita spôsobuje, že CrN-povlaky sú veľmi vhodné na opotrebovanie a ochranu proti korózii pri pracovných procesoch pri zvýšených teplotách, napr. Pri odlievaní pod tlakom. Príklady komponentov potiahnutých CrN sú plastové formy, vytláčacie formy a nástroje na obrábanie a tvárnenie kovov za studena ako Cu a Ti.

Bežné metódy depozície pre CrN filmy sú reaktívne magnetrónové rozprašovanie a odparovanie oblúka. DC magnetronové naprašovanie bolo použité na skúmanie účinku preferovanej orientácie na mechanické vlastnosti povlakov CrN. Dva povlaky boli vyrobené pri celkovom tlaku 0,27 Pa (2 mTorr), cieľový prúd 2,5 A, OEM kontrolovaný prietok N2 a pri rôznych napätiach DC predpätia a) 70 V a b) 120 V. Rýchlosť ukladania bola ~ 18 a 28 nm / min. Výsledné filmy boli a) CrN s výhodnou orientáciou (200), stĺpcovou štruktúrou a tvrdosťou 2300 HV a b) Cr2N s výhodnou orientáciou (111), hustou štruktúrou a o niečo vyššou tvrdosťou (2400 HV) ale so slabšou priľnavosťou k oceľovým (SKD11) substrátom.

Vysoké ukladanie CrN _x pomocou DC magnetrónového naprašovania s impulzným DC zaujatím bolo študované v Nam et al. Filmy boli naprašované cieľovou silovou hustotou 13 W / cm2 pri konštantnom argónovom tlaku 0,24 Pa (1,8 mTorr) a prúd dusíka sa menil od 0 do 45 sccm a rozdielne napätie predpätia. Toto umožnilo riadiť mikroštruktúru a fázové zloženie filmov CrNx. Maximálna rýchlosť nanášania bola pre Cr2N (89% rýchlosti pri čistom ukladaní Cr) 210 nm / min a maximálna tvrdosť bola 2250 kg / mm2 (Knoop) pre zmiešanú fázu CrN + Cr. Rovnaká skupina urobila štúdiu vlastností vrstiev CrN _x filmov uložených pri rôznych rýchlostiach nanášania. V tejto štúdii používali konštantné napätie predpätia -100 V a konštantný tlak argónu 0,2 Pa (1,5 mTorr) a použili hustoty cieľového výkonu 5, 10 a 13,2 W / cm2 a prietok dusíka sa menil od 0 do 160 SCCM. Prišli k záveru, že rýchlosť nanášania CrN sa zvýšila lineárne s cieľovou hustotou výkonu (max. 430 nm / min pri 13,2 W / cm2) a že stres filmu sa zmenil z ťahu na stlačenie so zvyšujúcou sa rýchlosťou nanášania. Ďalej bola zistená najvyššia tvrdosť a najlepšia priľnavosť k filmu uloženému pri najvyššej cieľovej hustote výkonu vďaka vysokému tlaku v tlaku a vysokej mobilite adatomu.

Nástroje z tvrdokovu potiahnuté fóliami Cr _{x Ny} pomocou RF magnetrónového naprašovania boli testované pri obrábaní dreva. Pre štrukturálne a chemické analýzy boli filmy uložené na substrátoch Si. Zloženia boli uskutočnené pri RF s výkonom 450 W a 650 W a rôznym celkovým tlakom od 0,1 do 1 Pa. Doby depozície sa vybrali medzi 15 a 80 minútami s maximálnou rýchlosťou nanášania 4,4 μm / h (73 nm / min) pre Cr ₂ N. Filmy Cr2N mali stĺpcovú štruktúru, zatiaľ čo filmy CrN sa zdajú byť bezvýtvarné s maximálnou tvrdosťou 2100 HV. Zistilo sa, že Cr2N filmy sú tvrdšie, ale menej priľnavé ako CrN filmy.

Na štúdium CrN _x filmov uložených v širokom rozsahu parciálneho tlaku dusíka 0,005 až 30 Pa sa použilo RF magnetronové rozprašovanie, kde sa analyzovali chemické a mechanické vlastnosti. Cieľová sila bola udržiavaná konštantná pri 300 W (hustota cieľového výkonu bola 6,8 W / cm2) a konštantný parciálny tlak Ar bol 0,3 Pa. Stechiometrický Cr2N bol získaný pre parciálne tlaky dusíka medzi 0,02 a 0,04 Pa a stechiometrický CrN bola získaná pre 0,3 Pa, zatiaľ čo pre iné tlaky boli fázy CrN a Cr2N zmiešané. Záverom bolo, že obsah dusíka v filmoch CrNx môže byť kontrolovaný zmenou parciálneho tlaku dusíka, ale nie nezávisle od rýchlosti nanášania a mikroštruktúry. Cr2N filmy boli veľmi tvrdé (27,1 GPa) a tuhé (E = 348 GPa), jednofázový CrN bol takmer tak tvrdý ako Cr2N, ale elastický (E = 300 GPa) a rýchlosť nanášania bola nižšia.

Mikroštruktúra a mechanické vlastnosti vrstiev nitridu chrómu naneseného na vysokorýchlostných oceľových substrátoch reaktívnym odplynovaním boli študované Odenom a spol. Filmy s hrúbkou 10 μm sa naniesli počas 220 minút pri parciálnom tlaku dusíka 8 Pa a rôznych negatívnych substrátových odchýlkach od 20 do 400 V. Mikroštruktúra filmov bola hustá a stĺpcová, preferovaná orientácia bola CrN (220) a CrN (220) zvýšil koeficient textúry s rastúcim záporným skreslením až na 200V. Maximálna nanohardita 29 GPa bola dosiahnutá pri zaťažení substrátu -100 V.

Povlaky CrN pre špecializované aplikácie, rezné nástroje na obrábanie medi, boli vyrobené katódovým pokovovaním iónovým pokovovaním. Tieto filmy sa naniesli pri parciálnom tlaku dusíka 4 Pa ​​a rôznych negatívnych substrátových zaujatostiach 0 až 200 V. Výhodná orientácia bola CrN (111) a mikroštruktúra bola hustá a stĺpcová. Veľkosť zŕn sa znížila so stúpajúcim skreslením a dosiahla sa maximálna tvrdosť Vickersova mikroskopu pre zaujatosť 100 V, ako aj maximálne tlakové reziduálne napätie. Skúšky rezného výkonu ukázali, že tvrdosť filmu a zvyškový stres nemožno považovať za meradlo výkonu pri mlece medi.