Kromfilm og kromnitridfilm
Jan 05, 2018| Kromfilm
Hårde krombelægninger har eksisteret i lang tid og kan bruges til at øge slid og korrosionsbestandighed af værktøj og maskinkomponenter, f.eks. Stempelringe, hydrauliske cylindre og forme. Meget tynde kromfilm anvendes ofte til dekorative formål i bil- eller møbelindustrien. En anden type anvendelse af krom er krom-på-glasmaskerne til fotolitografi i mikroelektronikindustrien. Den traditionelle deponeringsmetode for Cr er forkromning, en våd elektrolytisk metode. Denne metode bruger dog hexavalent chrom, der er kræftfremkaldende, og det er derfor nødvendigt at erstatte det med sundheds- og miljøvenlige deponeringsmetoder, f.eks. En PVD-metode. Sputteret eller katodisk buen fordampes Cr, CrN og CrC, men også kromfrie belægninger som diamantlignende kulstof (DLC) betragtes som mulige erstatninger til elektropletterede hårde krombelægninger i industrielle anvendelser i stor skala.
Forstøvningen af krom er ret langsom. I magnetron-sputterede Cr / CrN- og Cr / Cr 2N-flerlagsbelægninger blev kromlagene sputteret med en φ150 mm magnetron med en hastighed på 10 μm / h (≈170 nm / min) på -20V forspændte stålunderlag ved en målstrøm af 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Udviklingen af tekstur i RF-sputterede Cr-film diskuteres i et arbejde af Feng et al. hvor der foreslås en model baseret på minimering af overfladen og grænsefladerne. Modellen blev testet i Cr-aflejringer på glassubstrater under forskellige betingelser. Filmene havde altid Cr (110) tekstur, når de blev deponeret på glassubstrater ved stuetemperatur, men når forvarmet til 250 ° C blev (110) eller (002) tekstur bestemt af mængden af deponeret energi fra Arioner eller Cr-atomer. Cr (110) foretrukne orientering blev begunstiget ved bombardement af glassubstratet. Kontrol af den foretrukne orientering er vigtig, fx når Cr-filmene anvendes som et underlag til koboltbaserede magnetiske film, hvor Cr (200) tekstur er ønskelig.
Kromnitridfilm
Kromnitridfilm udviser fremragende korrosions- og slidegenskaber og høj termisk stabilitet. Det er muligt at deponere tykke (flere 10 μm) CrN-film takket være den fine kornede og en lav spændingsstruktur. Denne kendsgerning sammen med det CrN er mindre skør end TiN, men stadig ret hårdt gør CrN mere egnet til overfladebeskyttelse ved relativt bløde underlag som aluminiumlegeringer og rustfrit stål. Vedhæftningen til stål er ofte god, men den kan forbedres med et mellemliggende Cr-lag. Stoichiometriske eller nærstøkiometriske CrN-belægninger har kubiske NaCl-strukturer. Med lavt nitrogenindhold kan de hårdere sekskantede Cr 2 N-faser vises. Chrom er et mindre reaktivt metal end titanium, og dette har en konsekvens for reaktiv PVD. Det nødvendige nitrogenpartialtryk til dannelse af støkiometriske CrN-film er højere end for støkiometrisk TiN. Typiske egenskaber ved en kommerciel belægning er en hårdhed på 1750 HV og en termisk stabilitet op til 700 ° C.
Den høje termiske stabilitet gør CrN-coatings meget velegnet til slid- og korrosionsbeskyttelse i arbejdsprocesser ved forhøjede temperaturer, fx ved trykstøbning under tryk. Eksempler på de CrN overtrukne komponenter er plaststøbninger, ekstruderingsdyser og værktøjer til bearbejdning og kolddannelse af metaller som Cu og Ti.
De almindelige aflejringsmetoder for CrN-film er den reaktive magnetronsputtering og buenafdampningen. DC magnetron sputtering blev brugt til at undersøge en virkning af foretrukket orientering på mekaniske egenskaber af CrN coatings. To belægninger blev fremstillet ved et totalt tryk på 0,27 Pa (2 mTorr), en målestrøm på 2,5 A, OEM-styret N 2- strømning og ved forskellige DC-spændingsspændinger a) 70 V og b) 120 V. Aflejringshastigheden var ~ 18 og ~ 28 nm / min. De resulterende film var a) CrN med en foretrukken orientering af (200) kolonneformet struktur og en hårdhed på 2300 HV og b) Cr2N med en foretrukken orientering af (111) tynd struktur og en noget højere hårdhed (2400 HV) men med en svagere vedhæftning til stålets (SKD11) substrater.
En højhastighedsaflejring af CrN x ved DC magnetron-sputtering med en pulserende DC-bias blev undersøgt af Nam et al. Filmene blev sputteret med en målkraftdensitet på 13 W / cm2 ved et konstant argontryk på 0,24 Pa (1,8 mTorr) og en nitrogenstrøm varieret fra 0 til 45 sccm og en varieret forspænding. Dette gjorde det muligt at kontrollere mikrostrukturen og fasesammensætningen af CrN x- filmene. Den maksimale depositionshastighed var 210 nm / min for Cr2N (89% af hastigheden for ren Cr-aflejring) og den maksimale hårdhed var 2250 kg / mm2 (Knoop) for en blandet fase CrN + Cr. Den samme gruppe har også lavet en undersøgelse af egenskaber af CrN x filmene deponeret ved forskellige aflejringshastigheder. I denne undersøgelse anvendte de en konstant biaspænding på -100V og et konstant argontryk på 0,2 Pa (1,5 mTorr) og anvendte målkraftdensiteterne 5, 10 og 13,2 W / cm2, og nitrogenstrømmen var varieret fra 0 til 160 sccm. De konkluderede, at deponeringshastigheden for CrN øgede lineært med målkraftdensiteten (maks. 430 nm / min ved 13,2 W / cm2), og at filmspændingen blev ændret fra træk til kompression med stigende aflejringshastighed. Endvidere blev den højeste hårdhed og bedste vedhæftning fundet for filmen deponeret ved højeste målkraftdensitet på grund af en høj kompressionsspænding og høj adatom mobilitet.
Carbide værktøjer belagt med Cr x N y film ved RF magnetron sputtering er blevet testet i træbearbejdning. Til strukturel og kemisk analyse blev filmene deponeret på Si-substrater. Deponeringer blev foretaget ved RF-beføjelser på 450 W og 650 W og et varieret totaltryk fra 0,1 til 1 Pa. Deponeringstider blev valgt mellem 15 og 80 minutter med en maksimal aflejringshastighed på 4,4 μm / h (73 nm / min) for Cr 2 N. Cr 2 N-filmene havde en kolonneformet struktur, medens CrN-filmene syntes at være featurløse med en maksimal hårdhed på 2100 HV. Cr 2 N-film viste sig at være sværere, men mindre klæbende end CrN-filmene.
En RF magnetronsputtering blev også anvendt til en undersøgelse af CrN x- film deponeret inden for et stort nitrogen-partialtryksområde på 0,005 - 30 Pa, hvor de kemiske og mekaniske egenskaber blev analyseret. Målkraften blev holdt konstant ved 300 W (mål-effekttætheden var 6,8 W / cm2) og Ar-partialtrykskonstanten ved 0,3 Pa. Stoichiometrisk Cr2N blev opnået for nitrogenpartialtryk mellem 0,02 og 0,04 Pa og en støkiometrisk CrN blev opnået for 0,3 Pa, mens for andre tryk blandedes CrN- og Cr2N-faserne. Konklusionen var, at nitrogenindholdet i CrNx-film kan styres ved at ændre nitrogenpartialtrykket, men ikke uafhængigt af aflejringshastigheden og mikrostrukturen. Cr 2 N-filmene var meget hårde (27,1 GPa) og stive (E = 348 GPa), en enkeltfase CrN var næsten lige så hård som Cr 2 N, men mere elastisk (E = 300 GPa) og aflejringshastigheden var lavere.
Mikrostruktur og mekaniske egenskaber af kromnitridfilm, der blev deponeret på højhastighedstalsubstrater ved reaktiv buefordampning blev undersøgt af Odén et al. De 10 μm tykke film blev aflejret i 220 minutter ved et partialtryk på nitrogen på 8 Pa og forskellige negative substratforspændinger fra 20 til 400 V. Mikrostrukturen af filmene var tæt og kolonneformet, den foretrukne orientering var CrN (220) og CrN (220) teksturkoefficient steg med en stigende negativ forspænding op til 200V. En maksimal nanohardhed på 29 GPa blev nået for en substratforspænding på -100 V.
CrN coatings til en dedikeret applikation, skæreværktøjer til bearbejdning af kobber, blev fremstillet ved en katodisk bueplating. Disse film blev deponeret ved nitrogenpartialtryk på 4 Pa og forskellige negative substratforspændinger, 0 - 200 V. Den foretrukne orientering var CrN (111), og mikrostrukturen var tæt og kolonneret. Kornstørrelsen faldt med en stigende forspænding, og en maksimal Vickers mikrohårdhed blev nået til en bias på 100 V såvel som den maksimale kompressive restspænding. Afprøvningsprøvningerne viste, at filmens hårdhed og restspændingen ikke kunne tages som et mål for ydeevnen ved fræsning af kobber.
