クロム膜とクロム窒化膜

- Jan 05, 2018-

クロムフィルム


硬質クロム皮膜は長時間使用されており、ピストンリング、油圧シリンダ、金型などの工具や機械部品の耐摩耗性を向上させるために使用できます。 非常に薄いクロムフィルムは、自動車または家具産業において装飾目的で使用されることが多い。 クロムの別のタイプの用途は、マイクロエレクトロニクス産業におけるフォトリソグラフィ用のクロム・オン・グラス・マスクである。 Crの従来の堆積方法は、湿式電解法であるクロムめっきである。 しかし、この方法は発癌性である6価クロムを使用するため、PVD法などの健康および環境に優しい堆積方法で置換する必要があります。 スパッタリングまたはカソードアーク蒸発Cr、CrN、およびCrCだけでなく、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)のようなクロムフリーコーティングも、大規模な工業用途における電気めっきされた硬質クロムコーティングの可能な代替物と考えられている。


クロムのスパッタリングは非常に遅いです。 マグネトロンスパッタされたCr / CrNおよびCr / Cr 2 N多層コーティングでは、クロム層を、-20μmのバイアスされた鋼基材上に10μm/ h(約170nm /分)の速度でφ150mmマグネトロンにより、 4A(≒23mA / cm 2)。


RFスパッタされたCr膜における組織の発達は、Fengらによる研究で議論されている。 ここでは、表面および界面エネルギーの最小化に基づくモデルが提案される。 このモデルは、異なる条件でガラス基板上のCr堆積において試験された。 室温でガラス基板上に堆積された場合、膜は常にCr(110)テクスチャを有するが、250 に予熱された場合、(110)または(002)テクスチャは、ArイオンまたはCr原子からの堆積エネルギーの量によって決定される。 Cr(110)優先配向は、ガラス基板のボンバードメントによって好まれた。 好ましい配向の制御は、例えばCr膜がCr(200)組織が望ましいコバルト系磁性膜の下層として使用される場合に重要である。


窒化クロム膜


窒化クロム膜は、優れた腐食および摩耗特性および高い熱安定性を示す。 微細で低応力の構造により、厚い(数10μmの)CrN膜を堆積することが可能である。 このCrNと一緒になって、CrNはTiNよりも脆くなく、依然としてかなり硬く、CrNはアルミニウム合金やステンレス鋼のような比較的柔らかい基材の表面保護に適しています。 鋼への接着性はしばしば良好であるが、中間のCr層によって向上させることができる。 化学量論的または準化学量論的CrNコーティングは、立方晶NaCl構造を有する。 窒素含有量が低いと、より硬い六方晶Cr 2 N相が現れることがある。 クロムはチタンよりも反応性が低い金属であり、これは反応性PVDに帰結する。 化学量論的CrN膜を形成するのに必要な窒素分圧は、化学量論的TiNよりも高い。 市販のコーティングの典型的な特性は、1750HVの硬度および 700℃までの 熱安定性である


高い熱安定性により、CrNコーティングは、加圧下でのダイカストなどの高温での加工プロセスにおける摩耗および腐食保護に非常に適している。 CrNで被覆された部品の例は、プラスチック金型、押出ダイ、および金属をCuおよびTiとして機械加工および冷間成形するための工具である。


CrN膜の一般的な堆積方法は、反応性マグネトロンスパッタリングおよびアーク蒸発である。 DCマグネトロンスパッタリングを使用して、CrNコーティングの機械的性質に対する好ましい配向の効果を調べた。 0.27Pa(2mTorr)の全圧、2.5Aの目標電流、OEM制御されたN 2流量、および異なるDCバイアス電圧a)70Vおよびb)120Vで、2つのコーティングが生成された。 18および〜28nm /分である。 (200)、柱状構造及び2300HVの硬度を有するCrN、及び(111)、稠密構造及び幾分高い硬度(2400HV)を有するCr 2 Nであった。鋼(SKD11)基材に対する弱い接着性を有する。


パルスDCバイアスを用いたDCマグネトロンスパッタリングによるCrN xの高速堆積が、Namらによって研究された。 この膜を、0.24Pa(1.8mTorr)の一定アルゴン圧力で13W / cm 2の目標出力密度でスパッタリングし、窒素流量を0〜45sccmおよび変化したバイアス電圧で変化させた。 これにより、CrN x膜の微細構造および相組成を制御することが可能になった。 最高堆積速度は、Cr 2 N(純粋なCr堆積の速度の89%)については210nm /分であり、混合相CrN + Crについての最大硬度は2250kg / mm 2 (ヌープ)であった。 同じグループは、異なる堆積速度で堆積されたCrN x膜の特性の研究も行った。 この研究では、-100Vの一定のバイアス電圧と0.2Pa(1.5mTorr)の一定のアルゴン圧力を使用し、目標出力密度を5,10,13.2W / cm 2とし、窒素流量を0〜160 sccm。 彼らは、CrNの堆積速度が目標出力密度(13.2W / cm 2で最大430nm /分)で直線的に増加し、堆積速度の増加に伴って膜応力が引っ張りから圧縮に変化したと結論付けた。 さらに、高い圧縮応力および高い原子移動度のために、最高の目標出力密度で堆積された膜について、最高の硬度および最良の接着が見出された。


RFマグネトロンスパッタリングによってCr x N y膜で被覆された炭化物工具は、木材加工において試験されている。 構造および化学分析のために、膜をSi基板上に堆積させた。 堆積は、450Wおよび650WのRF電力および0.1〜1Paの変化した全圧で行われた。堆積時間は、Crに対して最大堆積速度4.​​4μm/ h(73nm /分)で15〜80分の間で選択されたCr 2 N膜は柱状構造を有し、CrN膜は2100HVの最大硬さを特徴としなかった。 Cr 2 N膜はCrN膜よりも硬いが接着性は低いことが分かった。


また、RFマグネトロンスパッタリングは、化学的および機械的特性が分析された0.005〜30Paの広い窒素分圧範囲内に堆積されたCrN x膜の研究にも用いられた。 ターゲット電力を300Wで一定に保ち(目標出力密度は6.8W / cm 2であった )、Ar分圧は0.3Paで化学量論的Cr 2 Nが得られ、窒素分圧は0.02〜0.04Pa、化学量論的CrN他の圧力についてはCrNおよびCr 2 N相を混合した。 結論として、CrN x膜の窒素含有量は、窒素分圧を変化させることによって制御することができるが、堆積速度および微細構造とは独立して制御することができなかった。 Cr 2 N膜は非常に硬く(27.1GPa)、硬い(E = 348GPa)、単相CrNはCr 2 Nほど硬く、弾力性が高く(E = 300GPa)、堆積速度は遅かった。


反応性アーク蒸発によって高速度鋼基材上に堆積された窒化クロム膜の微細構造および機械的性質はOdénらによって研究された。 厚さ10μmの膜を窒素分圧8Paで220分間堆積させ、異なる負の基板バイアスを20〜400Vに堆積させた。膜の微細構造は密で柱状であり、好ましい配向はCrN(220)であり、CrN (220)テクスチャ係数は200Vまでの負のバイアスを増加させると増加した。 -100Vの基板バイアスに対して29ナノメータの最大ナノ硬度に達した。


専用アプリケーション用のCrNコーティング、銅の切削工具は、陰極アークイオンプレーティングによって製造されました。 これらの膜は、4Paの窒素分圧および0〜200Vの異なる負の基板バイアスで堆積された。好ましい配向はCrN(111)であり、微細構造は密で柱状であった。 粒径はバイアスが増加するにつれて減少し、100Vのバイアスおよび最大圧縮残留応力について最大のビッカース微小硬度に達した。 切削性能試験は、フィルムの硬度および残留応力が、銅のミリングにおける性能の尺度としてとらえられないことを示した。


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