Хром-пленки и пленки нитрида хрома
Jan 05, 2018| Хромовые пленки
Твердые хромированные покрытия долгое время используются и могут быть использованы для увеличения износостойкости и коррозионной стойкости инструментов и компонентов оборудования, например поршневых колец, гидравлических цилиндров и пресс-форм. Очень тонкие пленки хрома часто используются для декоративных целей в автомобильной или мебельной промышленности. Другим типом применения хрома являются хромовые стекла для фотолитографии в микроэлектронике. Традиционным методом осаждения для Cr является хромирование, мокрый электролитический метод. Однако этот метод использует шестивалентный хром, который является канцерогенным, и поэтому его необходимо заменить его безопасными и экологически безопасными методами осаждения, например, методом PVD. Распыленные или катодные дуговые испарившиеся Cr, CrN и CrC, а также покрытия, не содержащие хрома, такие как алмазоподобный углерод (DLC), рассматриваются как возможные заменители гальванических покрытий из твердого хрома в крупномасштабных промышленных применениях.
Напыление хрома происходит довольно медленно. В многослойных покрытиях магнетронного распыления Cr / CrN и Cr / Cr 2 N слои хрома распылялись магнетроном φ150 мм со скоростью 10 мкм / ч (≈170 нм / мин) на подложки с подкладкой из -20V под целевым током 4 A (≈ 23 мА / см 2).
Развитие текстуры в напыленных пленках Cr в РФ обсуждается в работе Фэн и др. где предлагается модель, основанная на минимизации поверхностной и межфазной энергий. Модель тестировалась на отложениях Cr на стеклянных подложках в разных условиях. Пленки всегда имели текстуру Cr (110) при нанесении на стеклянные подложки при комнатной температуре, но при предварительном нагревании до 250 ° C текстуру (110) или (002) определяли количеством осажденной энергии из ионов Ar или атомов Cr. Предпочтительная ориентация Cr (110) благоприятствовала бомбардировке стеклянной подложки. Управление предпочтительной ориентацией важно, например, когда пленки Cr используются в качестве подслоя для магнитных пленок на основе кобальта, где текстура Cr (200) является желательной.
Нитридные пленки хрома
Нитридные пленки хрома демонстрируют отличные коррозионные и износостойкие свойства и высокую термическую стабильность. Благодаря мелкозернистой и низкой структуре напряжений можно наносить толстые (несколько 10 мкм) CrN-пленки. Этот факт вместе с тем, что CrN менее хрупкий, чем TiN, но все еще довольно твердый, делает CrN более подходящим для защиты поверхности на относительно мягких подложках, таких как алюминиевые сплавы и нержавеющие стали. Адгезия к стали часто хороша, но ее можно усилить промежуточным слоем Cr. Стехиометрические или почти стехиометрические покрытия CrN имеют кубические NaCl-структуры. При низком содержании азота могут образоваться более твердые гексагональные фазы Cr 2 N. Хром является менее реакционноспособным металлом, чем титан, и это имеет последствия для реактивного PVD. Требуемое парциальное давление азота для образования стехиометрических пленок CrN выше, чем для стехиометрического TiN. Типичными свойствами коммерческого покрытия являются твердость 1750 HV и термостойкость до 700 ° C.
Высокая термическая стабильность делает CrN-покрытия очень подходящими для защиты от износа и коррозии в рабочих процессах при повышенных температурах, например, при литье под давлением. Примерами компонентов, покрытых CrN, являются пластиковые формы, экструзионные матрицы и инструменты для обработки и холодного формования металлов в виде Cu и Ti.
Общими методами осаждения пленок CrN являются реактивное магнетронное распыление и испарение дуги. Для исследования влияния предпочтительной ориентации на механические свойства покрытий CrN использовалось магнетронное распыление DC. Были получены два покрытия при общем давлении 0,27 Па (2 мТорр), точечный ток 2,5 А, управляемый OEM поток N 2 и при разных напряжениях смещения постоянного тока а) 70 В и b) 120 В. Скорость осаждения составляла ~ 18 и ~ 28 нм / мин соответственно. Полученные пленки были а) CrN с предпочтительной ориентацией (200), столбчатой структурой и твердостью 2300 HV и b) Cr 2 N с предпочтительной ориентацией (111), плотной структурой и несколько более высокой твердостью (2400 HV) но с более слабой адгезией к стальным (SKD11) подложкам.
Высокоскоростное осаждение CrN x методом магнетронного распыления постоянного тока с импульсным смещением постоянного тока изучалось Nam et al. Пленки напылялись с удельной плотностью мощности 13 Вт / см 2 при постоянном давлении аргона 0,24 Па (1,8 мТорр), а расход азота варьировался от 0 до 45 см3 / мин и изменяемое напряжение смещения. Это позволило контролировать микроструктуру и фазовый состав пленок CrN x . Максимальная скорость осаждения составляла 210 нм / мин для Cr 2 N (89% от скорости чистого осаждения Cr), а максимальная твердость составляла 2250 кг / мм 2 (Knoop) для смешанной фазы CrN + Cr. Эта же группа также изучила свойства пленок CrN x, осажденных при различных скоростях осаждения. В этом исследовании они использовали постоянное напряжение смещения -100 В и постоянное давление аргона 0,2 Па (1,5 мТорр) и использовали плотности мощности мишени 5, 10 и 13,2 Вт / см 2, а поток азота изменялся от 0 до 160 СТД. Они пришли к выводу, что скорость осаждения CrN линейно возрастала с удельной плотностью мощности (макс. 430 нм / мин при 13,2 Вт / см 2 ) и что напряжение пленки было изменено от растяжения до сжатия с увеличением скорости осаждения. Кроме того, была обнаружена самая высокая твердость и наилучшая адгезия пленки, осажденной при максимальной плотности мощности мишени из-за высокого сжимающего напряжения и высокой подвижности адатомов.
Твердосплавные инструменты, покрытые пленками Cr x N y с помощью RF-магнетронного распыления, были протестированы при обработке древесины. Для структурно-химического анализа пленки осаждали на подложках Si. Отложения проводились при ВЧ-мощности 450 Вт и 650 Вт и различном общем давлении от 0,1 до 1 Па. Время осаждения выбиралось между 15 и 80 минутами с максимальной скоростью осаждения 4,4 мкм / ч (73 нм / мин) для Cr 2 N. пленки Cr 2 N имели столбчатую структуру, в то время как пленки CrN, казалось, были безликими с максимальной твердостью 2100 HV. Было обнаружено, что пленки Cr 2 N более твердые, но менее прилипающие, чем пленки CrN.
RF-магнетронное распыление также использовалось для исследования пленок CrN x, осажденных в широком диапазоне парциального давления азота 0,005-30 Па, где были проанализированы химические и механические свойства. Целевая сила поддерживалась постоянной при 300 Вт (плотность мощности мишени составляла 6,8 Вт / см 2 ) и постоянную парциального давления Ar при 0,3 Па. Стехиометрический Cr 2 N был получен для парциального давления азота между 0,02 и 0,04 Па и стехиометрическим CrN была получена для 0,3 Па, тогда как для других давлений фазы CrN и Cr 2 N были смешаны. Вывод состоял в том, что содержание азота в пленках CrN x можно регулировать путем изменения парциального давления азота, но не независимо от скорости осаждения и микроструктуры. Пленки Cr 2 N были очень твердыми (27,1 ГПа) и жесткими (E = 348 ГПа), однофазное CrN было почти таким же жестким, как Cr 2 N, но более эластичным (E = 300 ГПа), а скорость осаждения была ниже.
Микроструктура и механические свойства пленок нитрида хрома, нанесенных на высокоскоростные стальные подложки методом реактивного дугового испарения, были исследованы Odén et al. Пленки толщиной 10 мкм осаждали в течение 220 мин при парциальном давлении азота 8 Па и различных отрицательных смещениях подложки от 20 до 400 В. Микроструктура пленок была плотной и столбчатой, предпочтительной ориентации были CrN (220) и CrN (220) коэффициент текстуры увеличился с увеличением отрицательного смещения до 200 В. Достигнута максимальная нанотвердость 29 ГПа для смещения подложки -100 В.
Покрытия CrN для специального применения, режущие инструменты для механической обработки меди, были изготовлены катодной дуговой ионизацией. Эти пленки осаждались при парциальном давлении азота 4 Па и различных отрицательных смещениях подложки 0 - 200 В. Предпочтительной ориентацией был CrN (111), а микроструктура была плотной и столбчатой. Размер зерна уменьшался с увеличением смещения, а максимальная микротвердость по Виккерсу достигалась для смещения 100 В, а также максимального остаточного напряжения сжатия. Испытания эффективности резания показали, что твердость пленки и остаточное напряжение не могут быть приняты в качестве показателя эффективности фрезерования меди.
