Хромирани филми и хромирани нитридни филми
Jan 05, 2018| Филми от хром
Твърдите хромирани покрития са от дълго време и могат да се използват за повишаване на износоустойчивостта и устойчивостта на корозия на инструментите и компонентите на машините, напр. Бутални пръстени, хидравлични цилиндри и калъпи. Много тънките хромирани филми често се използват за декоративни цели в автомобилната индустрия или в производството на мебели. Друг вид приложение на хром са хромови стъклени маски за фотолитография в микроелектрониката. Традиционният метод за отлагане на Cr е хромиране, мокър електролитен метод. Този метод обаче използва хексавалентен хром, който е канцерогенен и следователно е необходимо да се замени с методи за натрупване, благоприятстващи здравето и околната среда, например метод на PVD. Замърсените или катодните дъги се изпаряват от Cr, CrN и CrC, но също така и покрития без хром като диамантоподобен въглерод (DLC) се считат за възможни заместители на покрития от галванично покритие с хромирани галванични покрития в широкомащабни индустриални приложения.
Разпрашването на хром е доста бавно. При магнитронно покритие от Cr / CrN и Cr / Cr2N многослойни покрития, хромните слоеве се разпръскват с магнетрон φ150 mm със скорост 10 μm / h (~ 170 nm / min) върху ориентирани стоманени субстрати от -20V при прицелен ток от 4 А (≈ 23 mA / cm2).
Развитието на текстурата в РР разпитите Cr филми се обсъжда в работата на Feng et al. където се предлага модел, базиран на минимизирането на повърхностните и междуфазови енергии. Моделът е тестван в Cr отлагане върху стъклени субстрати при различни условия. Филмите винаги имат текстура на Cr (110), когато се депозират на стъклени субстрати при стайна температура, но при предварително загряване до 250 ° С текстурата (110) или (002) се определя от количеството на натрупаната енергия от аргини или от атоми на Сг. Предпочитаната ориентация на Cr (110) е благоприятна чрез бомбардиране на стъкления субстрат. Контролът на предпочитаната ориентация е важен, например когато филмите Cr се използват като под-слой за магнитни филми на основата на кобалт, където е желателна структурата на Cr (200).
Хлорни нитридни филми
Фламите от хром-нитрид имат отлични свойства на корозия и износване и висока термична стабилност. Възможно е да се депонират дебели (няколко 10 μm) CrN филми благодарение на фино зърнестата и ниско напрежената структура. Този факт, заедно с този CrN е по-малко крехък от TiN, но все още доста твърд, прави CrN по-подходящ за защита на повърхността при сравнително меки субстрати като алуминиеви сплави и неръждаеми стомани. Адхезията на стоманата често е добра, но може да бъде подобрена от междинен Cr-слой. Стехиометричните или почти стехиометрични CrN покрития имат кубични структури на NaCl. При ниско съдържание на азот могат да се появят по-твърдите шестоъгълни фази на Cr2N. Хромът е по-малко реактивен метал от титана и това води до реактивно PVD. Необходимото парциално налягане на азота за образуване на стехиометрични CrN филми е по-високо, отколкото при стехиометричния TiN. Типичните свойства на търговското покритие са твърдост 1750 HV и термична стабилност до 700 ° C.
Високата термична стабилност прави покритията на CrN много подходящи за износване и защита от корозия при работни процеси при повишени температури, например при леене под налягане. Примери за компонентите, покрити с CrN, са пластмасови форми, екструзионни матрици и инструменти за обработка и студено формоване на метали като Cu и Ti.
Обичайните методи за отлагане на CrN филми са реактивното магнетроново разпрашване и изпаряването на дъгата. Процесът на разсейване на DC магнетрон се използва за изследване на ефекта на предпочитаната ориентация върху механичните свойства на CrN покритията. Получават се две покрития при общо налягане от 0.27 Pa (2 mTorr), прицелен ток от 2.5 А, OEM контролиран N2 поток и при различни напрежения DC пристрастия а) 70 V и b) 120 V. Скоростта на отлагане е ~ 18 и ~ 28 nm / min съответно. Получените филми са а) CrN с предпочитана ориентация на (200), колонна структура и твърдост 2300 HV и b) Cr2N с предпочитана ориентация на (111), гъста структура и малко по-висока твърдост (2400 HV) но с по-слаба адхезия към стоманените (SKD11) субстрати.
Високото отлагане на CrNx чрез DC магнетронно разпрашване с импулсно DC пристрастие беше изследвано от Nam et al. Филмите се разпръскват с целева плътност на мощността 13 W / cm2 при постоянно налягане на аргона от 0.24 Pa (1.8 mTorr) и потокът от азот варира от 0 до 45 sccm и вариращо напрежение на пристрастие. Това направи възможно да се контролира микроструктурата и фазовата композиция на филмите CrNx. Максималната скорост на отлагане е 210 nm / min за Cr2N (89% от скоростта за чисто Cr отлагане) и максималната твърдост е 2250 kg / mm 2 (Knoop) за смесена фаза CrN + Cr. Същата група направи проучване на свойствата на филмите CrNx, депозирани при различни скорости на отлагане. В това изследване те използват постоянно напрежение на напрежение -100V и постоянно налягане на аргон от 0.2 Pa (1.5 mTorr) и използват целевите плътности на мощността 5, 10 и 13.2 W / cm2 и азотният поток варира от 0 до 160 sccm. Те стигат до извода, че скоростта на отлагане на CrN се увеличава линейно с целевата плътност на мощността (максимум 430 nm / min при 13.2 W / cm2) и че напрежението на филма се променя от опъване до компресия с нарастваща скорост на отлагане. Освен това най-висока твърдост и най-добра адхезия се откриват за филма, депониран при най-висока целева плътност на мощността, поради високо напрежение при компресиране и висока мобилност на адатом.
Карбидните инструменти, покрити с филми Cr x Ny чрез RF магнетрон, са изпитани при обработката на дърво. За структурен и химичен анализ филмите се отлагат върху Si субстрати. Полаганията се правят при RF мощности от 450 W и 650 W и варира общо налягане от 0,1 до 1 Ра. Времето на отлагане се избира между 15 и 80 минути с максимална скорост на отлагане от 4,4 μm / h (73 nm / min) за Cr 2 N. Слоевете на Cr2N имат колонна структура, докато филмите CrN сякаш са безцветни с максимална твърдост 2100 HV. Намерени са Cr2N филми, които са по-твърди, но по-малко прилепнали от филмите CrN.
RF разсейване с магнетрон също се използва за изследване на CrNx филми, депозирани в широк обхват на азот при частично налягане 0,005 - 30 Ра, където се анализират химическите и механичните свойства. Целевата мощност се поддържа постоянна при 300 W (целевата плътност на мощността е 6,8 W / cm2) и параметърът Ar на постоянно налягане при 0,3 Ра. Стехиометричен Cr2N е получен за частично налягане на азота между 0,02 и 0,04 Ра и стехиометричен CrN беше получено за 0,3 Ра, докато за други налягания фазите CrN и Cr2N бяха смесени. Изводът е, че съдържанието на азот в филмите CrNx може да се контролира чрез промяна на парциалното налягане на азота, но не и независимо от скоростта на отлагане и микроструктурата. Слоевете Cr2N са много твърди (27.1 GPa) и твърди (E = 348 GPa), еднофазният CrN е почти толкова твърд, колкото Cr 2N, но по-еластичен (E = 300 GPa) и скоростта на отлагане е по-ниска.
Микроструктурата и механичните свойства на филмите от хром нитрид, депозирани върху високоскоростни стоманени субстрати чрез изпаряване с реакционна дъга, са изследвани от Odén et al. Дебелините от 10 цт филми се отлагат за 220 min при парциално налягане на азота от 8 Ра и различни отрицателни отклонения на субстрата от 20 до 400 V. Микроструктурата на филмите е гъста и колонна, предпочитаната ориентация е CrN (220) и CrN (220) коефициентът на текстура нараства с нарастващо отрицателно отклонение до 200V. Беше постигната максимална устойчивост на защита от 29 GPa при субстрата от -100 V.
Грундовите покрития за специални приложения, режещи инструменти за обработка на мед, се произвеждат чрез катодно дъгообразно покритие. Тези филми се отлагат при парциално налягане на азот от 4 Ра и различни отрицателни отклонения на субстрата, от 0 до 200 V. Предпочитаната ориентация е CrN (111) и микро структурата е гъста и колонарна. Размерът на зърното е намалял с нарастващо отклонение и е постигната максимална микро твърдост на Vickers при отклонение от 100 V, както и максималния компресионен остатъчен стрес. Тестовете за ефективност на рязане показват, че твърдостта на филма и остатъчното напрежение не могат да бъдат взети като мярка за ефективността при смилането на мед.
