Film di cromo e film di nitruro di cromo
Jan 05, 2018| Film di cromo
I rivestimenti in cromo duro sono in circolazione da molto tempo e possono essere utilizzati per aumentare l'usura e la resistenza alla corrosione di utensili e componenti di macchinari, ad es. Fasce elastiche, cilindri idraulici e stampi. Le pellicole di cromo molto sottili vengono spesso utilizzate per scopi decorativi nell'industria automobilistica o dell'arredamento. Un altro tipo di applicazione del cromo sono le maschere cromate su vetro per la fotolitografia nell'industria della microelettronica. Il metodo di deposizione tradizionale per Cr è la cromatura, un metodo elettrolitico a umido. Tuttavia questo metodo utilizza il cromo esavalente che è cancerogeno ed è quindi necessario sostituirlo con metodi di deposizione rispettosi della salute e dell'ambiente, ad esempio un metodo PVD. Cr evaporati o catodici evaporati Cr, CrN e CrC, ma anche rivestimenti senza cromo come il carbonio simile al diamante (DLC), sono considerati come possibili sostituti per rivestimenti elettrolitici di cromo duro nelle applicazioni industriali su larga scala.
Lo sputtering di cromo è piuttosto lento. In rivestimenti multistrato di magnetron Cr / CrN e Cr / Cr 2 N gli strati di cromo sono stati spruzzati con un magnetron di φ150 mm a una velocità di 10 μm / h (≈170 nm / min) su substrati di acciaio polarizzati a -20V a una corrente target di 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Lo sviluppo della tessitura in film con sputtered RF è discusso in un'opera di Feng et al. dove viene proposto un modello basato sulla minimizzazione della superficie e delle energie interfacciali. Il modello è stato testato in deposizioni di Cr su substrati di vetro in condizioni diverse. I film avevano sempre una consistenza Cr (110) quando venivano depositati su substrati di vetro a temperatura ambiente, ma quando preriscaldati a 250 ° C la trama (110) o (002) era determinata dalla quantità di energia depositata dagli ioni Ar o dagli atomi di Cr. L'orientamento preferito di Cr (110) è stato favorito dal bombardamento del substrato di vetro. Il controllo dell'orientamento preferito è importante ad esempio quando i film Cr vengono utilizzati come sottostrato per film magnetici a base di cobalto, dove è desiderabile la texture Cr (200).
Pellicole al nitruro di cromo
Le pellicole di nitruro di cromo presentano eccellenti proprietà di corrosione e usura e un'elevata stabilità termica. È possibile depositare film CrN spessi (diversi 10 μm) grazie alla struttura a grana fine ea bassa sollecitazione. Questo fatto, insieme a quel CrN, è meno fragile del TiN, ma ancora piuttosto difficile, rende CrN più adatto per la protezione della superficie su substrati relativamente morbidi come leghe di alluminio e acciai inossidabili. L'adesione all'acciaio è spesso buona, ma può essere migliorata con uno strato intermedio Cr. I rivestimenti di CrN stechiometrici o quasi stechiometrici hanno strutture cubiche di NaCl. Con un basso contenuto di azoto possono apparire le fasi di Cr 2 N esagonali più dure. Il cromo è un metallo meno reattivo del titanio e questo ha una conseguenza per il PVD reattivo. La pressione parziale di azoto richiesta per formare film di CrN stechiometrici è superiore a quella per TiN stechiometrico. Le proprietà tipiche di un rivestimento commerciale sono una durezza di 1750 HV e una stabilità termica fino a 700 ° C.
L'elevata stabilità termica rende i rivestimenti CrN molto adatti all'usura e alla corrosione nei processi di lavorazione a temperature elevate, ad esempio nella pressofusione sotto pressione. Esempi di componenti rivestiti con CrN sono stampi in plastica, matrici per estrusione e utensili per la lavorazione e la deformazione a freddo di metalli come Cu e Ti.
I metodi di deposizione comuni per i film di CrN sono lo sputtering del magnetron reattivo e l'evaporazione dell'arco. Lo sputtering a magnetron DC è stato utilizzato per studiare un effetto dell'orientamento preferito sulle proprietà meccaniche dei rivestimenti CrN. Sono stati prodotti due rivestimenti con una pressione totale di 0,27 Pa (2 mTorr), una corrente target di 2,5 A, flusso N 2 controllato dall'OEM, e con diverse tensioni di polarizzazione CC a) 70 V eb) 120 V. Il tasso di deposito era ~ 18 e ~ 28 nm / min rispettivamente. I film risultanti erano a) CrN con un orientamento preferito di (200), struttura colonnare e una durezza di 2300 HV eb) Cr 2 N con un orientamento preferito di (111), struttura densa e una durezza un po 'più elevata (2400 HV) ma con un'adesione più debole ai substrati di acciaio (SKD11).
Una deposizione ad alta velocità di CrN x mediante sputtering di magnetron CC con polarizzazione DC pulsata è stata studiata da Nam et al. I film sono stati spruzzati con una densità di potenza bersaglio di 13 W / cm 2 ad una pressione di argon costante di 0,24 Pa (1,8 mTorr) e un flusso di azoto variava da 0 a 45 sccm e una tensione di polarizzazione variata. Ciò ha permesso di controllare la microstruttura e la composizione di fase delle pellicole CrN x . La velocità massima di deposizione era di 210 nm / min per Cr 2 N (89% della velocità per deposizione pura di Cr) e la massima durezza era di 2250 kg / mm 2 (Knoop) per una fase mista CrN + Cr. Lo stesso gruppo ha anche effettuato uno studio delle proprietà dei film CrN x depositati a differenti velocità di deposizione. In questo studio hanno usato una tensione di polarizzazione costante di -100V e una pressione di argon costante di 0,2 Pa (1,5 mTorr) e hanno utilizzato le densità di potenza target 5, 10 e 13,2 W / cm 2 e il flusso di azoto è stato variato da 0 a 160 SCCM. Essi conclusero che il tasso di deposizione di CrN aumentava linearmente con la densità di potenza bersaglio (max 430 nm / min a 13,2 W / cm 2 ) e che lo stress del film veniva cambiato da trazione a compressione con aumento della velocità di deposizione. Inoltre è stata trovata la massima durezza e la migliore adesione per il film depositato alla massima densità di potenza target a causa di un elevato stress da compressione e di una elevata mobilità adatomica.
Utensili in metallo duro rivestiti con film Cr x N y con polverizzazione magnetron RF sono stati testati nella lavorazione del legno. Per l'analisi strutturale e chimica i film sono stati depositati su substrati di Si. Le deposizioni sono state effettuate con potenze RF di 450 W e 650 W e una pressione totale variata da 0,1 a 1 Pa. I tempi di deposizione sono stati selezionati tra 15 e 80 minuti con una velocità di deposizione massima di 4,4 μm / h (73 nm / min) per Cr 2 N. I film Cr 2 N avevano una struttura colonnare mentre i film CrN sembravano privi di caratteristiche con una durezza massima di 2100 HV. I film di Cr 2 N sono stati trovati più duri ma meno aderenti rispetto ai film CrN.
Uno sputtering con magnetron RF è stato anche utilizzato per uno studio di film di CrN x depositati all'interno di un ampio intervallo di pressione parziale di azoto 0,005 - 30 Pa dove sono state analizzate le proprietà chimiche e meccaniche. La potenza target è stata mantenuta costante a 300 W (la densità di potenza target era 6,8 W / cm 2 ) e la costante di pressione parziale Ar a 0,3 Pa. Stechiometrica Cr 2 N è stata ottenuta per pressioni parziali di azoto tra 0,02 e 0,04 Pa e un CrN stechiometrico è stato ottenuto per 0,3 Pa, mentre per altre pressioni sono state miscelate le fasi CrN e Cr 2 N. La conclusione è stata che il contenuto di azoto in film di CrN x può essere controllato modificando la pressione parziale dell'azoto, ma non indipendentemente dalla velocità di deposizione e dalla microstruttura. I film Cr 2 N erano molto duri (27,1 GPa) e rigidi (E = 348 GPa), un CrN monofase era quasi duro come Cr 2 N ma più elastico (E = 300 GPa) e il tasso di deposizione era più basso.
La struttura microstrutturale e le proprietà meccaniche delle pellicole di nitruro di cromo depositate su substrati di acciaio ad alta velocità mediante evaporazione ad arco reattivo sono state studiate da Odén et al. I film di 10 um di spessore sono stati depositati per 220 minuti ad una pressione parziale di azoto di 8 Pa e differenti polarizzazioni negative del substrato da 20 a 400 V. La microstruttura dei film era densa e colonnare, l'orientamento preferito era CrN (220) e il CrN (220) coefficiente di consistenza aumentato con una polarizzazione negativa crescente fino a 200V. È stata raggiunta una nanohardness massima di 29 GPa per una polarizzazione del substrato di -100 V.
I rivestimenti CrN per un'applicazione dedicata, utensili da taglio per la lavorazione del rame, sono stati prodotti con una placca ionica ad arco catodico. Questi film sono stati depositati con una pressione parziale di azoto di 4 Pa e differenti polarizzazioni negative del substrato, 0 - 200 V. L'orientamento preferito era CrN (111) e la microstruttura era densa e colonnare. La granulometria diminuiva con una polarizzazione crescente e si raggiungeva una micro durezza Vickers massima per una polarizzazione di 100 V e la massima sollecitazione residua di compressione. I test delle prestazioni di taglio indicavano che la durezza del film e lo stress residuo non potevano essere presi come misura delle prestazioni nella macinazione del rame.
