Filmele de crom și filmele cu nitură de crom

Filme cu crom

Acoperirile cu crom dur au fost îndelungate și pot fi utilizate pentru a spori rezistența la uzură și rezistență la coroziune a sculelor și componentelor mașinilor, de exemplu inele cu piston, cilindri hidraulici și matrițe. Filmele de crom foarte subțiri sunt adesea folosite în scopuri decorative în industria mașinilor sau a mobilierului. Un alt tip de aplicare a cromului este măștile de sticlă cromate pe sticlă pentru fotolitografie în industria microelectronică. Metoda tradițională de depunere pentru Cr este placarea cu crom, o metodă electrolitică umedă. Cu toate acestea, această metodă utilizează cromul hexavalent care este carcinogen și, prin urmare, este necesar să fie înlocuit prin metode de depunere ecologice și sănătoase, de exemplu o metodă PVD. Spray-ul sau argintul catodic evaporat Cr, CrN și CrC, dar și acoperiri care nu conțin crom, cum ar fi carbonul de tip diamant (DLC), sunt considerate ca înlocuitori posibili pentru acoperirea cu crom dur din electrozi, în aplicațiile industriale la scară largă.

Stropirea cromului este destul de lentă. În straturile de acoperire cu straturi multiple de Cr / CrN și Cr / Cr2N, straturile de crom au fost pulverizate cu un magnetron φ150 mm la o viteză de 10 μm / h (≈170 nm / min) pe substraturi de oțel părtinitoare de -20V la un curent țintă 4 A (≈ 23 mA / cm2).

Dezvoltarea texturii în filmele cu Cr sputtered RF este discutată într-o lucrare a lui Feng et al. unde se propune un model bazat pe minimizarea energiilor suprafeței și interfațiale. Modelul a fost testat în depunerile de Cr pe substraturi de sticlă în condiții diferite. Peliculele au întotdeauna textura Cr (110) atunci când au fost depuse pe substraturi de sticlă la temperatura camerei, dar când au fost preîncălzite la 250 ° C textura (110) sau (002) a fost determinată de cantitatea de energie depusă din ionii Ar sau Cr. Orientarea preferată de Cr (110) a fost favorizată prin bombardarea substratului de sticlă. Controlul orientării preferate este important, de exemplu atunci când filmele Cr sunt utilizate ca un strat substrat pentru filmele magnetice pe bază de cobalt, unde este de dorit textura Cr (200).

Filme cu nitură de crom

Filmele cu nitură de crom prezintă o excelentă rezistență la coroziune și uzură și o stabilitate termică ridicată. Este posibil să se depună pelicule groase (mai multe 10 μm) CrN grație structurii cu granulație fină și a unei structuri de tensiune joasă. Acest fapt împreună cu acel CrN este mai puțin fragil decât TiN, dar încă destul de dur, face ca CrN să fie mai adecvat pentru protecția suprafeței la substraturi relativ moi, cum ar fi aliajele de aluminiu și oțelurile inoxidabile. Aderența la oțel este adesea bună, dar poate fi îmbunătățită printr-un strat intermediar de Cr. Straturile stoichiometrice sau aproape stoichiometrice de CrN au structuri cubice de NaCl. Cu conținut scăzut de azot pot apărea fazele Cr ₂ N hexagonale mai grele. Cromul este un metal mai puțin reactiv decât titanul și are o consecință pentru PVD reactiv. Presiunea parțială necesară a azotului pentru formarea peliculelor CrN stoichiometrice este mai mare decât pentru TiN stoichiometric. Proprietățile tipice ale unei acoperiri comerciale sunt o duritate de 1750 HV și o stabilitate termică de până la 700 ° C.

Stabilitatea termică ridicată face acoperirea cu CrN foarte potrivită pentru uzură și protecție împotriva coroziunii în procesele de lucru la temperaturi ridicate, de exemplu în turnarea sub presiune. Exemple de componente acoperite cu CrN sunt matrițele de plastic, matrițele de extrudare și sculele pentru prelucrarea și formarea la rece a metalelor, cum ar fi Cu și Ti.

Metodele comune de depunere pentru filmele CrN sunt pulverizarea magnetronă reactivă și evaporarea arcului. Pulverizarea magnetronului DC a fost utilizată pentru a investiga un efect al orientării preferate asupra proprietăților mecanice ale acoperirilor CrN. Au fost produse două straturi de acoperire la o presiune totală de 0,27 Pa (2 mTorr), un curent țintă de 2,5 A, flux N2 controlat OEM și la diferite tensiuni de polarizare DC a) 70 V și b) 120 V. Rata de depunere a fost ~ 18 și respectiv 28 nm / min. Filmele rezultate au fost: a) CrN cu o orientare preferată a (200), structură coloană și o duritate de 2300 HV și b) Cr2N cu o orientare preferată a (111), o structură densă și o duritate oarecum mai mare (2400 HV) dar cu o aderență mai slabă la substraturile din oțel (SKD11).

O depunere cu rată ridicată de CrNx prin pulverizare cu magnetron DC cu o polarizare de impuls DC a fost studiată de Nam și colab. Peliculele au fost pulverizate cu o densitate de putere țintă de 13 W / cm2 la o presiune constantă de argon de 0,24 Pa (1,8 mTorr) și un debit de azot variat de la 0 la 45 sccm și o tensiune variată de polarizare. Acest lucru a făcut posibilă controlul microstructurii și al compoziției fazei filmelor CrN _x . Rata maximă de depunere a fost de 210 nm / min pentru Cr2N (89% din rata de depunere Cr pură) și duritatea maximă a fost 2250 kg / mm2 (Knoop) pentru o fază mixtă CrN + Cr. Același grup a făcut, de asemenea, un studiu al proprietăților filmelor CrN _x depuse la rate diferite de depunere. În acest studiu au folosit o tensiune de polarizare constantă de -100 V și o presiune constantă de argon de 0,2 Pa (1,5 mTorr) și au utilizat densitățile de putere țintă 5, 10 și 13,2 W / cm2 și debitul de azot a fost variat de la 0 la 160 SCCM. Ei au concluzionat că rata de depunere a CrN a crescut liniar cu densitatea de putere țintă (max. 430 nm / min la 13,2 W / cm2) și că tensiunea de film a fost schimbată de la tracțiune la compresiune cu creșterea ratei de depunere. În plus, cea mai mare duritate și cea mai bună aderență a fost găsită pentru filmul depus la densitatea maximă de putere țintă, datorită stresului ridicat la compresiune și mobilității ridicate a adatomului.

Instrumentele de carbură acoperite cu filme Cr _x Ny prin pulverizarea magnetron RF au fost testate în prelucrarea lemnului. Pentru analizele structurale și chimice, filmele au fost depuse pe substraturi Si. Depunerile au fost făcute la puteri RF de 450 W și 650 W și o presiune totală variabilă de la 0,1 până la 1 Pa. Timpii de depunere au fost selectați între 15 și 80 de minute cu o viteză maximă de depunere de 4,4 μm / h (73 nm / min) pentru Cr ₂ N. Filmele Cr2N au o structură coloană, în timp ce filmele CrN păreau fără caracteristici cu o duritate maximă de 2100 HV. Filmele de Cr ₂ N s-au dovedit a fi mai greu, dar mai puțin aderente decât filmele CrN.

Un pulverizare cu magnetron RF a fost de asemenea utilizat pentru studiul filmelor CrN _x depuse într-o gamă largă de presiuni parțiale de azot 0,005 - 30 Pa unde s-au analizat proprietățile chimice și mecanice. Puterea țintă a fost menținută constantă la 300 W (densitatea de putere țintă a fost de 6,8 W / cm2) și presiunea parțială Ar constantă la 0,3 Pa. S-a obținut stoichiometric Cr2N pentru presiuni parțiale de azot între 0,02 și 0,04 Pa și un Cr stoichiometric a fost obținut pentru 0,3 Pa, în timp ce pentru alte presiuni fazele CrN și Cr2N au fost amestecate. Concluzia a fost că conținutul de azot din filmele CrN _x poate fi controlat prin schimbarea presiunii parțiale a azotului, dar nu independent de rata de depunere și microstructura. Filmele Cr ₂ N au fost foarte dure (27,1 GPa) și rigide (E = 348 GPa), o singură fază CrN a fost aproape la fel de tare ca Cr2N, dar mai elastică (E = 300 GPa) și rata de depunere a fost mai mică.

Microstructura și proprietățile mecanice ale straturilor de nitrură de crom depozitate pe substraturi de oțel de mare viteză prin evaporare cu arc reactiv au fost studiate de Oden et al. Filmele de grosime de 10 pm s-au depus timp de 220 min la o presiune parțială de azot de 8 Pa și diferite biasuri substrat negative de la 20 la 400 V. Microstructura filmelor a fost densă și coloană, orientarea preferată fiind CrN (220) și CrN (220) coeficientul de textură a crescut cu o tendință negativă crescătoare până la 200V. A fost atinsă o nanoharditate maximă de 29 GPa pentru un substrat de -100 V.

Acoperirile CrN pentru o aplicație specială, unelte de tăiere pentru prelucrarea cuprului, au fost produse printr-o placare cu ioni de arc catodic. Aceste filme s-au depus la o presiune parțială de azot de 4 Pa ​​și diferite deviații negative ale substratului, 0 - 200 V. Orientarea preferată a fost CrN (111) și structura micro a fost densă și coloană. Dimensiunea granulelor a scăzut cu o tendință crescătoare și a fost atinsă o duritate maximă Vickers la o presiune de 100 V, precum și o tensiune reziduală maximă la compresiune. Testele de performanță de tăiere au indicat că duritatea peliculei și stresul rezidual nu au putut fi luate ca măsură a performanței în măcinarea cuprului.