Filem Chromium Dan Filem Chromium Nitride
Jan 05, 2018| Filem Chromium
Pelapisan kromium keras telah lama wujud dan boleh digunakan untuk meningkatkan rintangan haus dan kakisan komponen alat dan jentera, contohnya cincin omboh, silinder hidraulik, dan acuan. Filem kromium yang sangat tipis sering digunakan untuk tujuan hiasan dalam industri kereta atau perabot. Satu lagi jenis aplikasi kromium ialah topeng chrome-on-glass untuk photolithography dalam industri mikroelektronik. Kaedah pemendapan tradisional untuk Cr ialah penyaduran kromium, kaedah elektrolitik basah. Walau bagaimanapun kaedah ini menggunakan kromium heksavalen yang karsinogenik dan oleh itu perlu untuk menggantikannya dengan kaedah pemendapan kesihatan dan mesra alam, contohnya kaedah PVD. Arka sputtered atau cathodic menguap Cr, CrN, dan CrC, tetapi juga lapisan bebas kromium seperti karbon seperti berlian (DLC), dianggap sebagai pengganti yang mungkin untuk pelapis kromium keras electroplated dalam aplikasi perindustrian skala besar.
Keletihan kromium agak lambat. Dalam magnetron Cr / CrN dan Cr / Cr 2 N lapisan lapisan lapisan kromium dihancurkan oleh magnetron φ150 mm pada kadar 10 μm / h (≈170 nm / min) ke -20V substrat keluli yang berat sebelah pada arus sasaran 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Perkembangan tekstur dalam filem-filem RF yang berleluasa dibincangkan dalam karya oleh Feng et al. di mana model berdasarkan pengurangan permukaan dan tenaga antara muka dicadangkan. Model ini diuji dalam penafsiran Cr pada substrat kaca pada keadaan yang berbeza. Filem-filem tersebut sentiasa mempunyai tekstur Cr (110) apabila didepositkan pada substrat kaca pada suhu bilik tetapi apabila dipanaskan hingga 250 ° C , tekstur (110) atau (002) ditentukan oleh jumlah tenaga yang didepositkan daripada Ar ion atau atom Cr. Orientasi pilihan Cr (110) disukai oleh pengeboman substrat kaca. Kawalan orientasi pilihan adalah penting, contohnya apabila filem Cr digunakan sebagai lapisan bawah untuk filem magnetik kobalt, di mana tekstur Cr (200) adalah wajar.
Filem Chromium nitride
Filem Chromium nitride mempamerkan hakisan dan sifat pakai yang sangat baik dan kestabilan terma yang tinggi. Ia adalah mungkin untuk deposit tebal (beberapa 10 μm) filem CrN terima kasih kepada gred halus dan struktur tekanan yang rendah. Fakta ini bersama dengan CrN yang kurang rapuh daripada TiN, tetapi masih agak sukar, menjadikan CrN lebih sesuai untuk perlindungan permukaan pada substrat yang agak lembut seperti aloi aluminium dan keluli tahan karat. Lekatan ke keluli sering baik tetapi ia boleh dipertingkatkan oleh lapisan Cr pertengahan. Lapisan CrN stoikiometri atau berhampiran-stoikiometri mempunyai struktur NaCl padu. Dengan kandungan nitrogen yang rendah fasa heksagon Cr 2 N yang lebih keras boleh muncul. Chromium adalah logam kurang reaktif daripada titanium dan ini mempunyai akibat untuk PVD reaktif. Tekanan separa nitrogen yang diperlukan untuk membentuk filem CrN stoikiometri adalah lebih tinggi daripada TiN stoikiometri. Ciri khas salutan komersial ialah kekerasan 1750 HV dan kestabilan haba sehingga 700 ° C.
Kestabilan terma yang tinggi menjadikan CrN-coatings sangat sesuai untuk memakai dan perlindungan kakisan dalam proses kerja pada suhu tinggi, misalnya dalam pemutus mati di bawah tekanan. Contoh komponen bersalut CrN adalah acuan plastik, penyemperitan mati, dan alat untuk pemesinan dan membentuk logam sejuk seperti Cu dan Ti.
Kaedah pemendapan yang biasa untuk filem CrN ialah magnetron sputtering reaktif dan penyejatan arka. Pembiasan magnetron DC digunakan untuk menyiasat kesan orientasi pilihan pada sifat mekanik salutan CrN. Dua pelapis dihasilkan pada tekanan sebanyak 0.27 Pa (2 mTorr), arus sasaran 2.5 A, aliran kawalan N2 yang dikawal oleh OEM, dan voltan bias DC yang berbeza a) 70 V dan b) 120 V. Kadar pemendapan adalah ~ 18 dan ~ 28 nm / min masing-masing. Filem yang dihasilkan adalah a) CrN dengan orientasi yang lebih baik daripada (200), struktur kolumnar dan kekerasan 2300 HV dan b) Cr 2 N dengan orientasi yang lebih baik daripada (111), struktur padat dan kekerasan agak tinggi (2400 HV) tetapi dengan lekatan yang lemah terhadap substrat keluli (SKD11).
Pemendapan laju tinggi CrN x oleh DC magnetron sputtering dengan bias DC berdenyut telah dikaji oleh Nam et al. Filem-filem yang dipenuhi dengan ketumpatan kuasa sasaran 13 W / cm 2 pada tekanan argon yang tetap 0.24 Pa (1.8 mTorr) dan aliran nitrogen bervariasi dari 0 hingga 45 sccm dan voltan bias yang pelbagai. Ini membolehkan untuk mengawal komposisi mikro dan fasa filem CrN x . Kadar pemendapan maksimum adalah 210 nm / min untuk Cr 2 N (89% daripada kadar pemeliharaan Cr asli) dan kekerasan maksimum ialah 2250 kg / mm 2 (Knoop) untuk fasa campuran CrN + Cr. Kumpulan yang sama juga telah membuat kajian mengenai sifat-sifat filem CrN x yang didepositkan pada kadar pemendapan yang berlainan. Dalam kajian ini, mereka menggunakan voltan bias yang berterusan -100V dan tekanan argon yang berterusan sebanyak 0.2 Pa (1.5 mTorr) dan menggunakan ketumpatan kuasa sasaran 5, 10, dan 13.2 W / cm 2 dan aliran nitrogen berubah dari 0 hingga 160 sccm. Mereka membuat kesimpulan bahawa kadar pemendapan CrN meningkat secara linear dengan ketumpatan kuasa sasaran (max 430 nm / min pada 13.2 W / cm 2 ) dan tegasan filem telah berubah dari tegangan ke mampatan dengan peningkatan kadar pemendapan. Selanjutnya kekerasan tertinggi dan lekatan terbaik didapati untuk filem yang didepositkan pada ketumpatan kuasa sasaran tertinggi kerana tekanan mampatan yang tinggi dan mobiliti adatom yang tinggi.
Alat karbida yang dilapisi dengan filem Cr x N y oleh spektering magnetron RF telah diuji dalam pemesinan kayu. Untuk analisis struktur dan kimia, filem-filem telah disimpan di substrat Si. Deposisi dibuat pada kuasa RF 450 W dan 650 W dan tekanan total yang berbeza dari 0.1 hingga 1 Pa. Masa pemendapan dipilih antara 15 dan 80 minit dengan kadar pemendapan maksimum 4.4 μm / h (73 nm / min) untuk Cr 2 N. Filem Cr 2 N mempunyai struktur kolumnar manakala filem CrN kelihatannya tidak teratur dengan kekerasan maksimum 2100 HV. Filem Cr 2 N didapati sukar tetapi kurang berpengaruh berbanding filem CrN.
Satu magnetron sputtering RF juga digunakan untuk kajian filem CrN x yang didepositkan dalam pelbagai tekanan separa nitrogen yang luas 0.005 - 30 Pa di mana sifat kimia dan mekanikal dianalisis. Kekuatan sasaran dikekalkan pada 300 W (ketumpatan kuasa sasaran adalah 6.8 W / cm 2 ) dan Ar tekanan persamaan Ar pada 0.3 Pa. Stoichiometrik Cr 2 N diperolehi untuk tekanan separa nitrogen antara 0.02 dan 0.04 Pa dan CrN stoikiometri diperolehi untuk 0.3 Pa, manakala untuk tekanan lain, fasa CrN dan Cr 2 N bercampur. Kesimpulannya adalah bahawa kandungan nitrogen dalam filem CrN x dapat dikawal dengan mengubah tekanan separa nitrogen, tetapi tidak secara bebas daripada kadar pemendapan dan mikrostruktur. Filem Cr 2 N sangat keras (27.1 GPa) dan kaku (E = 348 GPa), satu fasa CrN hampir sama keras seperti Cr 2 N tetapi lebih elastik (E = 300 GPa) dan kadar pemendapan adalah lebih rendah.
Struktur mikro dan sifat mekanik filem kromium nitrida yang didepositkan pada substrat keluli berkelajuan tinggi oleh penyejatan arka reaktif telah dikaji oleh Odén et al. Filem tebal 10 μm didepositkan untuk 220 min pada tekanan separa nitrogen 8 Pa dan perbezaan substrat negatif yang berbeza dari 20 hingga 400 V. Struktur mikro filem adalah padat dan kolumnar, orientasi yang dipilih ialah CrN (220) dan CrN (220) pekali tekstur meningkat dengan peningkatan bias negatif sehingga 200V. Nanohardness maksimum 29 GPa dicapai untuk kecenderungan substrat daripada -100 V.
Lapisan CrN untuk aplikasi khusus, alat pemotong untuk pemesinan tembaga, dihasilkan oleh penyaduran ion arka ionik. Filem-filem ini didepositkan pada tekanan separa nitrogen 4 Pa dan kecenderungan substrat negatif yang berbeza, 0 - 200 V. Orientasi pilihan ialah CrN (111) dan struktur mikro adalah padat dan kolumnar. Saiz bijian berkurang dengan bias yang meningkat dan kekerasan mikro Vickers maksimum dicapai untuk berat sebelah 100 V serta tekanan sisa mampatan maksimum. Ujian prestasi memotong menunjukkan bahawa kekerasan filem dan tegasan sisa tidak boleh diambil sebagai ukuran prestasi dalam pengilangan tembaga.
