ฟิล์มโครเมียมและฟิล์มไนโตรเจนโครเมียม
Jan 05, 2018| ภาพยนตร์โครเมี่ยม
เคลือบโครเมียมแข็งมีรอบเป็นเวลานานและสามารถใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อนของเครื่องมือและส่วนประกอบเครื่องจักรเช่นแหวนลูกสูบกระบอกสูบไฮดรอลิและแม่พิมพ์ ฟิล์มโครเมียมบางมากมักใช้เพื่อการตกแต่งในอุตสาหกรรมรถยนต์หรือเครื่องตกแต่ง อีกรูปแบบหนึ่งของการใช้โครเมียมคือมาสก์โครเมี่ยมบนกระจกสำหรับ photolithography ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ วิธีการสะสมแบบดั้งเดิมสำหรับ Cr คือการชุบโครเมี่ยมวิธีการ electrolytic แบบเปียก อย่างไรก็ตามวิธีนี้ใช้โครเมียมเฮกซะวาเลนต์ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็งดังนั้นจึงจำเป็นต้องแทนที่ด้วยวิธีการสะสมที่เป็นมิตรและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมตัวอย่างเช่นวิธีการ PVD ส่วนที่เป็นประกายหรือขั้วลบระเหย Cr, CrN และ CrC แต่ยังไม่มีการเคลือบโครเมี่ยมเช่นคาร์บอนเหมือนเพชร (DLC) ถือว่าเป็นสารทดแทนที่เป็นไปได้ในการเคลือบผิวด้วยโครเมียมที่เคลือบด้วย electroplated ในงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
การสปัตเตอร์ของโครเมียมค่อนข้างช้า ในชั้นเคลือบหลายชั้นของ Crane / CrN และ Cr / Cr 2 N ชั้นโครเมียมถูก sputtered ด้วย magneticron φ150 mm ในอัตรา 10 μm / h (≈170นาโนเมตร / นาที) ลงบนพื้นผิวเหล็กที่มีความลำเอียง -20V ที่กระแสเป้าหมายของ 4 A (≈ 23 mA / cm 2)
การพัฒนาเนื้อสัมผัสในฟิล์ม RF sputtered Cr ได้กล่าวถึงในงานของ Feng et al. ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ขึ้นอยู่กับการลดขนาดของผิวและพลังงานเชื่อมต่อ แบบจำลองได้รับการทดสอบในการสะสมของ Cr บนพื้นผิวแก้วในสภาวะที่ต่างกัน ฟิล์มมีพื้นผิวของ Cr (110) อยู่เสมอเมื่อวางบนพื้นผิวแก้วที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อถูกอุ่นด้วย อุณหภูมิ 250 องศาเซลเซียส (1102) หรือ (002) เนื้อที่ถูกกำหนดโดยปริมาณของพลังงานที่สะสมจากอะเรสาร์บิวด์หรืออะตอมของ Cr การวางแนว Cr (110) ที่ชื่นชอบได้รับการสนับสนุนโดยการทิ้งระเบิดของพื้นผิวแก้ว การควบคุมการปฐมนิเทศที่ต้องการเป็นสิ่งสำคัญเช่นเมื่อฟิล์ม Cr ถูกใช้เป็นแผ่นรองพื้นสำหรับฟิล์มแม่เหล็กโคบอลต์ที่ต้องการพื้นผิว Cr (200)
ฟิล์มไนโตรเจนโครเมียม
ฟิล์มไนโตรเจนโครเมียมมีคุณสมบัติการกัดกร่อนและการสึกหรอที่ยอดเยี่ยมและมีเสถียรภาพทางความร้อนสูง มีความเป็นไปได้ในการฝากฟิล์ม CrN หนา (หลาย 10 μm) ด้วยเนื้อละเอียดและโครงสร้างความเค้นต่ำ ความจริงเรื่องนี้พร้อมกับ CrN มีความเปราะน้อยกว่า TiN แต่ยังค่อนข้างแข็งทำให้ CrN เหมาะสำหรับการป้องกันพื้นผิวที่พื้นผิวที่ค่อนข้างอ่อนเช่นอลูมิเนียมอัลลอยและเหล็กกล้าไร้สนิม การยึดเกาะกับเหล็กมักเป็นสิ่งที่ดี แต่สามารถเพิ่มได้โดยการใช้ Cr ชั้นกลาง สารเคลือบ CrN แบบสโตอิลิโอเมตริกหรือใกล้เคียงกับสตามีโอลิเมอร์มีโครงสร้าง NaCl เป็นรูปสามเหลี่ยม ที่มีปริมาณไนโตรเจนต่ำอาจเกิดเฟส Cr 2 N ที่แข็งขึ้นได้ โครเมี่ยมเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยาน้อยกว่าไททาเนียมและมีผลต่อปฏิกิริยา PVD ความดันของไนโตรเจนที่จำเป็นในการสร้างฟิล์ม Critical Sticheticometric สูงกว่าไททามิเตอร์ไททาเนียม คุณสมบัติทั่วไปของการเคลือบเชิงพาณิชย์คือความแข็ง 1750 HV และความเสถียรทางความร้อน สูงถึง 700 ° C
เสถียรภาพทางความร้อนสูงทำให้ CrN- coatings เหมาะสำหรับการป้องกันการสึกหรอและการกัดกร่อนในกระบวนการทำงานที่อุณหภูมิสูงเช่นในการหล่อขึ้นรูปด้วยความดัน ตัวอย่างของชิ้นส่วนที่เคลือบด้วย CrN คือแม่พิมพ์พลาสติกแม่พิมพ์อัดรีดและเครื่องมือสำหรับการตัดเฉือนและการขึ้นรูปเย็นของโลหะเป็น Cu และ Ti
วิธีการสะสมที่พบบ่อยสำหรับฟิล์ม CrN คือปฏิกิริยาสตรูตเตอร์ magnetron และปฏิกิริยาการระเหยของส่วนโค้ง การใช้ DC magnetron sputtering ถูกนำมาใช้ในการตรวจสอบผลของการวางแนวที่ต้องการต่อสมบัติเชิงกลของสารเคลือบผิว CrN มีการผลิตสารเคลือบสองชนิดที่ความดันรวม 0.27 Pa (2 mTorr) ซึ่งเป็นกระแสเป้าหมายของ 2.5 A, การไหลของ N 2 ที่ ควบคุมโดย OEM และแรงดันไฟฟ้าแบบ DC ที่แตกต่างกัน a) 70 V และ b) 120 V. อัตราการสะสมเป็น ~ 18 และ ~ 28 นาโนเมตร / นาทีตามลำดับ ผลการศึกษาพบว่ามีความเป็นไปได้คือก) CrN ที่มีความต้องการในการปฐมนิเทศ (200) โครงสร้างคอลัมน์และความแข็ง 2300 HV และ b) Cr 2 N โดยมีการปฐมนิเทศที่ต้องการ (111) โครงสร้างที่มีความหนาแน่นและมีความแข็งสูงกว่า (2400 HV) แต่มีการยึดเกาะที่อ่อนลงกับพื้นผิวเหล็ก (SKD11)
การสะสมของ CrN x โดย DC magnetron sputtering ด้วยพัลซิ่งดีเอ็นเอถูกศึกษาโดย Nam et al. ฟิล์มมีความหนาแน่น 13 W / cm 2 ที่แรงดันอาร์กอนคงที่ 0.24 Pa (1.8 mTorr) และการไหลของไนโตรเจนมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 45 sccm และมีแรงดันไฟฟ้าอคติแตกต่างกัน ทำให้สามารถควบคุมโครงสร้างจุลภาคและเฟสของฟิล์ม CrN x ได้ อัตราการปลดปล่อยสูงสุดคือ 210 nm / min สำหรับ Cr 2 N (89% ของอัตราการสะสม Cr บริสุทธิ์) และความแข็งสูงสุดคือ 2250 กก. / มม. 2 (Knoop) สำหรับ CrN + Cr แบบผสม Cr. กลุ่มเดียวกันได้ทำการศึกษาสมบัติของฟิล์ม CrN x ที่ฝากด้วยอัตราการสะสมที่แตกต่างกัน ในการศึกษานี้ได้ใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่ 100V และความดันอาร์กอนคงที่ 0.2 Pa (1.5 mTorr) และใช้ความหนาแน่นของพลังงานเป้าหมาย 5, 10 และ 13.2 W / cm 2 และการไหลของไนโตรเจนมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 160 SCCM สรุปได้ว่าอัตราการเกิดการสะสมของ CrN เพิ่มขึ้นอย่างเป็นเส้นตรงโดยใช้ความหนาแน่นของพลังงานเป้าหมาย (สูงสุด 430 นาโนเมตรต่อนาทีที่ 13.2 W / cm 2 ) และความเครียดของฟิล์มเปลี่ยนจากแรงดึงไปเป็นกำลังรับแรงอัด นอกจากนี้ยังพบว่ามีความแข็งและความยึดเกาะที่ดีที่สุดสำหรับฟิล์มที่เก็บได้ที่ความหนาแน่นของพลังงานเป้าหมายมากที่สุดเนื่องจากความเค้นแรงอัดสูงและความคล่องตัวของอะตอมสูง
เครื่องมือคาร์ไบด์ที่เคลือบด้วยฟิล์ม Cr x N y โดย RF magnetron sputtering ได้รับการทดสอบในงานกลึงไม้ สำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างและสารเคมีฟิล์มถูกนำไปฝากบนพื้นผิว Si การเก็บรักษาถูกสร้างขึ้นด้วยกำลังของคลื่นความถี่วิทยุ 450 W และ 650 W และความดันรวมต่างกันตั้งแต่ 0.1 ถึง 1 Pa เวลาในการฝังตัวได้รับการคัดเลือกระหว่าง 15 ถึง 80 นาทีโดยมีอัตราการสะสมสูงสุดที่ 4.4 ไมโครเมตร / ชม. (73 นาโนเมตรต่อนาที) 2 N. ภาพยนตร์ Cr 2 N มีโครงสร้างแบบคอลัมน์ขณะที่ฟิล์ม CrN ดูเหมือนจะไม่มีคุณลักษณะที่มีความแข็งสูงสุดที่ 2100 HV พบว่าฟิล์ม Cr 2 N มีความแข็งกว่า แต่ไม่ยึดติดกับฟิล์ม CrN น้อย
การใช้สแมทเทอร์มิเตอร์ magnetron ด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RF magnetron sputtering) ถูกนำมาใช้ในการศึกษาฟิล์ม CrN x ที่ ฝากไว้ภายในช่วงความดันของไนโตรเจนกว้าง 0.005 - 30 Pa เมื่อวิเคราะห์สมบัติทางเคมีและทางกล พลังงานเป้าหมายมีค่าคงที่ที่ 300 W (ความหนาแน่นของพลังงานเป้าหมายเท่ากับ 6.8 W / cm 2 ) และค่าความดันคงที่ของอาร์กิวเมนต์ที่ 0.3 Pa Stoichiometric Cr 2 N ได้รับแรงกดระหว่าง 0.02 และ 0.04 Pa และค่าความเข้มข้นของ CrN ได้รับสำหรับ 0.3 Pa ในขณะที่สำหรับแรงกดดันอื่น ๆ ทั้ง CrN และ Cr 2 N ผสมกัน สรุปได้ว่าปริมาณไนโตรเจนในฟิล์ม CrN x สามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนความดันของไนโตรเจนบางส่วน แต่ไม่เป็นอิสระจากอัตราการสะสมและโครงสร้างจุลภาค ฟิล์ม Cr 2 N มีความแข็งมาก (27.1 GPa) และแข็ง (E = 348 GPa) ระยะ CrN แบบเดี่ยวมีความแข็งเช่นเดียวกับ Cr 2 N แต่มีความยืดหยุ่นมากกว่า (E = 300 GPa) และอัตราการเคลือบต่ำกว่า
สมบัติทางจุลภาคและสมบัติเชิงกลของฟิล์มไนโตรเจนโครเมียมที่วางบนพื้นผิวเหล็กความเร็วสูงโดยการระเหยของอะตอมที่เกิดปฏิกิริยามีการศึกษาโดยOdén et al. ฟิล์มความหนา 10 μmฝากไว้ที่ 220 นาทีที่ความดันส่วนหนึ่งของไนโตรเจน 8 Pa และค่าความต่างของพื้นผิวลบต่างกันตั้งแต่ 20 ถึง 400 โวลต์โครงสร้างจุลภาคของฟิล์มมีความหนาแน่นและคอลัมน์มากที่สุดคือ CrN (220) และ CrN (220) เพิ่มขึ้นเมื่อมีการเพิ่มอคติเชิงลบถึง 200V มีความยาวคลื่นสูงสุดที่ 29 GPa เพื่อให้ได้ค่าความอับเฉาของพื้นผิวที่ -100 V.
การเคลือบผิวด้วย CrN สำหรับการประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้านเครื่องมือตัดสำหรับการตัดเฉือนของทองแดงได้รับการผลิตขึ้นโดยการเคลือบผิวด้วยเส้นโค้งแบบ cathodic arc ion plating ฟิล์มเหล่านี้ถูกเก็บรักษาไว้ที่ความดันบางส่วนของไนโตรเจน 4 Pa และมีค่าความต่างของค่าความเป็นลบเท่ากับ 0 ถึง 200 V. การวางแนวที่ต้องการคือ CrN (111) และโครงสร้างขนาดเล็กมีความหนาแน่นและคอลัมน์ ขนาดเม็ดลดลงเมื่อมีความลำเอียงที่เพิ่มขึ้นและความแข็งของไมโครวิคเคอร์สูงสุดได้ถึงความลำเอียง 100 V และความเค้นตกค้างสูงสุด การทดสอบสมรรถนะของเครื่องตัดระบุว่าความแข็งของฟิล์มและความเค้นตกค้างไม่สามารถวัดได้ว่าเป็นสมบัติในการทำสีทองแดง
