Kromfilmer og kromnitridfilmer
Jan 05, 2018| Krom filmer
Hardkrombelegg har eksistert lenge, og kan brukes til å øke slitasje og korrosjonsbestandighet av verktøy og maskinkomponenter, for eksempel stempelringer, hydrauliske sylindere og støperier. Meget tynne kromfilmer brukes ofte til dekorative formål i bil- eller innredningsindustrien. En annen type anvendelse av krom er krom-på-glassmasker for fotolitografi i mikroelektronikkindustrien. Den tradisjonelle avsetningsmetoden for Cr er krombelegg, en våt elektrolytisk metode. Imidlertid bruker denne metoden hexavalent krom som er kreftfremkallende, og det er derfor nødvendig å erstatte det med helse- og miljøvennlige deponeringsmetoder, for eksempel en PVD-metode. Sputtered eller katodisk buen fordampet Cr, CrN og CrC, men også kromfrie belegg som diamantlignende karbon (DLC), betraktes som mulige erstatninger for elektroplaterte harde krombelegg i industrielle anvendelser i stor skala.
Sputtering av krom er ganske treg. I magnetron-sputterte Cr / CrN- og Cr / Cr 2N-flerlagsbelegninger ble kromlagene sputteret med en φ150 mm magnetron med en hastighet på 10 μm / t (≈ 170 nm / min) på -20V forspente stålunderlag ved en målestrøm av 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Utviklingen av tekstur i RF sputtered Cr-filmer diskuteres i et arbeid av Feng et al. der det foreslås en modell basert på minimering av overflaten og grensesnittet. Modellen ble testet i Cr-avsetninger på glassubstrat under forskjellige forhold. Filmene hadde alltid Cr (110) tekstur når de ble avsatt på glassubstrat ved romtemperatur, men når forvarmet til 250 ° C ble (110) eller (002) tekstur bestemt av mengden avsatt energi fra Ar ioner eller Cr-atomer. Cr (110) foretrukket orientering ble favorisert ved bombardement av glasssubstratet. Kontroll av den foretrukne orientering er viktig, for eksempel når Cr-filmene benyttes som et underlag for koboltbaserte magnetiske filmer, hvor Cr (200) tekstur er ønskelig.
Kromnitridfilmer
Kromnitridfilmer har gode korrosjons- og slitegenskaper og høy termisk stabilitet. Det er mulig å sette inn tykke (flere 10 μm) CrN-filmer takket være den fine kornet og en lav spenningsstruktur. Dette faktum sammen med det CrN er mindre sprø enn TiN, men fortsatt ganske vanskelig, gjør CrN mer egnet for overflatebeskyttelse ved relativt myke underlag som aluminiumlegeringer og rustfritt stål. Vedheftingen til stål er ofte god, men den kan forbedres med et mellomliggende Cr-lag. Støkiometriske eller nærstøkiometriske CrN-belegg har kubiske NaCl-strukturer. Med lavt nitrogeninnhold kan de vanskeligere sekskantede Cr 2 N-fasene vises. Krom er et mindre reaktivt metall enn titan, og dette har en konsekvens for reaktiv PVD. Det nødvendige nitrogenpartialtrykk for å danne støkiometriske CrN-filmer er høyere enn for støkiometrisk TiN. Typiske egenskaper ved et kommersielt belegg er en hardhet på 1750 HV og en termisk stabilitet på opptil 700 ° C.
Den høye termiske stabiliteten gjør CrN-belegg svært egnet for slitasje og korrosjonsbeskyttelse i arbeidsprosesser ved forhøyede temperaturer, for eksempel ved støping under trykk. Eksempler på de CrN-belagte komponentene er plastformer, ekstruderingsformer og verktøy for bearbeiding og kaldforming av metaller som Cu og Ti.
De vanlige avsetningsmetodene for CrN-filmer er den reaktive magnetron-sputtering og buen-fordampningen. DC magnetron sputtering ble brukt til å undersøke en effekt av foretrukket orientering på mekaniske egenskaper av CrN belegg. To belegg ble produsert ved et totalt trykk på 0,27 Pa (2 mTorr), en målestrøm på 2,5 A, OEM-kontrollert N 2- strømning og ved forskjellige DC-spenningsspenninger a) 70 V og b) 120 V. Avsetningshastigheten var ~ 18 og ~ 28 nm / min. De resulterende filmer var a) CrN med en foretrukket orientering av (200), kolonneformet struktur og en hardhet på 2300 HV og b) Cr2N med en foretrukket orientering av (111) tett struktur og en noe høyere hardhet (2400 HV) men med en svakere adhesjon til stål (SKD11) substratene.
En høyhastighetsavsetning av CrN x ved DC magnetronsputtering med en pulserende DC-forspenning ble studert av Nam et al. Filmene ble sputteret med en målkraftdensitet på 13 W / cm2 ved et konstant argontrykk på 0,24 Pa (1,8 mTorr) og en nitrogenstrøm variert fra 0 til 45 sccm og en variert forspenning. Dette gjorde det mulig å kontrollere mikrostruktur og fasesammensetning av CrN x -filmene. Maksimal deponeringshastighet var 210 nm / min for Cr2N (89% av hastigheten for ren Cr-avsetning) og maksimal hardhet var 2250 kg / mm2 (Knoop) for en blandet fase CrN + Cr. Den samme gruppen har også gjort en undersøkelse av egenskapene til CrN x- filmene avsatt ved forskjellige avsetningshastigheter. I denne studien brukte de en konstant biaspenning på -100V og et konstant argontrykk på 0,2 Pa (1,5 mTorr) og brukte måltetthetene 5, 10 og 13,2 W / cm2 og nitrogenstrømmen varierte fra 0 til 160 SCCM. De konkluderte med at avsetningshastigheten til CrN økte lineært med målkraftens tetthet (maks 430 nm / min ved 13,2 W / cm 2 ) og at filmspenningen ble forandret fra strekk til komprimering med økende avsetningshastighet. Videre ble den høyeste hardheten og den beste adhesjon funnet for filmen avsatt ved høyeste målkraft tetthet på grunn av høy komprimeringsspenning og høy adatom mobilitet.
Karbidverktøy belagt med Cr x N y filmer ved RF magnetron sputtering har blitt testet i trebearbeiding. For strukturell og kjemisk analyse ble filmene avsatt på Si-underlag. Deposisjoner ble utført ved RF-krefter på 450 W og 650 W og et variert totalt trykk fra 0,1 til 1 Pa. Deponeringstider ble valgt mellom 15 og 80 minutter med en maksimal avsattningshastighet på 4,4 μm / t (73 nm / min) for Cr 2 N. Cr 2 N-filmene hadde en kolonnekonstruksjon mens CrN-filmene syntes å være featurløse med en maksimal hardhet på 2100 HV. Cr 2 N-filmer ble funnet å være vanskeligere, men mindre adherent enn CrN-filmene.
En RF magnetron sputtering ble også brukt for en studie av CrN x filmer avsatt i et stort nitrogen-partialtrykksområde på 0,005 - 30 Pa hvor de kjemiske og mekaniske egenskaper ble analysert. Målkraften ble holdt konstant ved 300 W (målkraftens tetthet var 6,8 W / cm2) og Ar-partialtrykkskonstanten ved 0,3 Pa. Stoichiometrisk Cr2N ble oppnådd for nitrogen-partialtrykk mellom 0,02 og 0,04 Pa og en støkiometrisk CrN ble oppnådd for 0,3 Pa, mens for andre trykk ble CrN- og Cr2N-fasene blandet. Konklusjonen var at nitrogeninnholdet i CrNx-filmer kan styres ved å endre nitrogenpartialtrykket, men ikke uavhengig av avsetningshastigheten og mikrostrukturen. Cr 2 N-filmene var svært harde (27,1 GPa) og stive (E = 348 GPa), en enkeltfas CrN var nesten like vanskelig som Cr 2 N, men mer elastisk (E = 300 GPa) og avsetningsraten var lavere.
Mikrostrukturen og mekaniske egenskaper av kromnitridfilmer avsatt på høyhastighetsstrålsubstrater ved reaktiv buefordampning ble studert av Odén et al. De 10 pm tykke filmene ble avsatt i 220 minutter ved et nitrogen-partialtrykk på 8 Pa og forskjellige negative substratforspenninger fra 20 til 400 V. Mikrostrukturen av filmene var tett og kolonneformet, den foretrukne orienteringen var CrN (220) og CrN (220) teksturkoeffisient økt med en økende negativ forspenning opp til 200V. En maksimal nanohardhet på 29 GPa ble nådd for en substratforspenning på -100 V.
CrN belegg for en dedikert applikasjon, skjæreverktøy for bearbeiding av kobber, ble produsert av en katodisk buejonering. Disse filmene ble avsatt ved nitrogenpartialtrykk på 4 Pa og forskjellige negative substratforspenninger, 0 - 200 V. Den foretrukne orienteringen var CrN (111) og mikrostrukturen var tett og kolonnert. Kornstørrelsen ble redusert med en økende forspenning, og en maksimal Vickers mikrohårdhet ble nådd for en bias på 100 V, så vel som den maksimale kompressive restspenningen. Klippprestasjonstestene indikerte at filmhardheten og restspenningen ikke kunne tas som et mål på ytelsen ved fresing av kobber.
