Filmes de cromo e filmes de nitrito de cromo
Jan 05, 2018| Filmes de cromo
Os revestimentos duros de cromo existem por muito tempo e podem ser usados para aumentar o desgaste e a resistência à corrosão de ferramentas e componentes de máquinas, por exemplo, anéis de pistão, cilindros hidráulicos e moldes. Filmes de cromo muito finos são frequentemente utilizados para fins decorativos na indústria de automóveis ou de mobiliário. Outro tipo de aplicação de cromo é a máscara de cromo em vidro para fotolitografia na indústria de microeletrônica. O método de deposição tradicional para Cr é cromagem, um método eletrolítico úmido. No entanto, este método utiliza cromo hexavalente que é cancerígeno e, portanto, é necessário substituí-lo por métodos de deposição saudáveis e ambientais, por exemplo, um método PVD. O arco crônico ou o arco catódico evaporado Cr, CrN e CrC, mas também revestimentos livres de cromo como carbono de diamante (DLC), são considerados possíveis substitutos de revestimentos de cromo duro galvanizados em aplicações industriais de grande escala.
O pulverizador de crómio é bastante lento. Nos revestimentos multicamadas Cr / CrN e Cr / Cr 2 Cr, misturados com magnetron, as camadas de cromo foram pulverizadas por um magnetron φ150 mm a uma taxa de 10 μm / h (≈170 nm / min) em substratos de aço polarizados de -20V a uma corrente alvo de 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
O desenvolvimento de textura em filmes de RF com pulverização de RF é discutido em um trabalho de Feng et al. onde é proposto um modelo baseado na minimização das energias superficiais e interfaciais. O modelo foi testado em deposições de Cr em substratos de vidro em diferentes condições. Os filmes sempre tiveram textura Cr (110) quando depositados em substratos de vidro à temperatura ambiente, mas quando pré-aquecido a 250 ° C, a textura (110) ou (002) foi determinada pela quantidade de energia depositada a partir de íons Ar ou átomos de Cr. A orientação preferida Cr (110) foi favorecida pelo bombardeamento do substrato de vidro. O controle da orientação preferida é importante, por exemplo, quando os filmes Cr são usados como uma camada inferior para filmes magnéticos baseados em cobalto, onde a textura Cr (200) é desejável.
Filmes de nitreto de cromo
Os filmes de nitreto de cromo apresentam excelentes propriedades de corrosão e desgaste e uma alta estabilidade térmica. É possível depositar filmes CrN espessos (vários 10 μm) graças à estrutura de grão fino e baixa tensão. Esse fato, juntamente com o CrN, é menos frágil que o TiN, mas ainda é bastante difícil, torna o CrN mais adequado para a proteção da superfície em substratos relativamente suaves, como ligas de alumínio e aços inoxidáveis. A adesão ao aço é muitas vezes boa, mas pode ser reforçada por uma camada intermediária Cr. Os revestimentos de CrN estequiométricos ou quase estequiométricos possuem estruturas de NaCl cúbicas. Com baixo teor de nitrogênio, as fases hexagonais mais difíceis de Cr 2 N podem aparecer. O cromo é um metal menos reativo do que o titânio e isso tem uma conseqüência para PVD reativo. A pressão parcial de nitrogênio requerida para formar filmes CrN sistêmicos é maior do que para o TiN estequiométrico. As propriedades típicas de um revestimento comercial são uma dureza de 1750 HV e uma estabilidade térmica até 700 ° C.
A alta estabilidade térmica torna os revestimentos CrN muito adequados para proteção contra desgaste e corrosão em processos de trabalho a temperaturas elevadas, por exemplo, em fundição sob pressão. Exemplos de componentes revestidos com CrN são moldes de plástico, matrizes de extrusão e ferramentas para usinagem e formação a frio de metais como Cu e Ti.
Os métodos comuns de deposição para filmes CrN são o pulverizador catódico reativo e a evaporação do arco. A pulverização por magnetron DC foi utilizada para investigar o efeito da orientação preferida nas propriedades mecânicas dos revestimentos de CrN. Dois revestimentos foram produzidos a uma pressão total de 0,27 Pa (2 mTorr), uma corrente alvo de 2,5 A, fluxo de N 2 controlado por OEM e a diferentes tensões de polarização DC a) 70 V e b) 120 V. A taxa de deposição foi ~ 18 e ~ 28 nm / min, respectivamente. Os filmes resultantes foram a) CrN com uma orientação preferencial de (200), estrutura colunar e uma dureza de 2300 HV e b) Cr 2 N com uma orientação preferida de (111), estrutura densa e uma dureza um pouco maior (2400 HV) mas com uma adesão mais fraca aos substratos de aço (SKD11).
Uma deposição de alta taxa de CrN x por pulverização por magnetron DC com uma polarização CC pulsada foi estudada por Nam et al. Os filmes foram pulverizados com uma densidade de potência alvo de 13 W / cm2 a uma pressão constante de argônio de 0,24 Pa (1,8 mTorr) e um fluxo de nitrogênio variou de 0 a 45 sccm e uma tensão de polarização variada. Isso possibilitou o controle da microestrutura e da composição da fase dos filmes CrN x . A taxa máxima de deposição foi de 210 nm / min para Cr 2 N (89% da taxa de deposição pura de Cr) e a dureza máxima foi de 2250 kg / mm 2 (Knoop) para CrN + Cr de uma fase mista. O mesmo grupo também fez um estudo das propriedades dos filmes CrN x depositados a diferentes taxas de deposição. Neste estudo, eles usaram uma tensão de polarização constante de -100V e uma pressão constante de argônio de 0,2 Pa (1,5 mTorr) e usou as densidades de potência alvo 5, 10 e 13,2 W / cm2 e o fluxo de nitrogênio variou de 0 a 160 sccm. Eles concluíram que a taxa de deposição de CrN aumentou linearmente com a densidade de potência alvo (máximo 430 nm / min a 13,2 W / cm 2 ) e que o estímulo do filme foi alterado de tração para compressão e aumento da taxa de deposição. Além disso, a maior dureza e a melhor adesão foram encontradas para o filme depositado na maior densidade de potência alvo devido a um alto estresse de compressão e alta mobilidade de adatadores.
As ferramentas de carboneto revestidas com filmes de Cr x N e por pulverização por magnetron de RF foram testadas em usinagem de madeira. Para análise estrutural e química, as películas foram depositadas em substratos de Si. As deposições foram feitas em potências de RF de 450 W e 650 W e uma pressão total variada de 0,1 a 1 Pa. Os tempos de deposição foram selecionados entre 15 e 80 minutos com uma taxa de deposição máxima de 4,4 μm / h (73 nm / min) para Cr 2 N. Os filmes de Cr 2 N tinham uma estrutura em coluna, enquanto os filmes de CrN pareciam estar sem características com uma dureza máxima de 2100 HV. Os filmes de Cr 2 N foram mais difíceis, mas menos aderentes do que os filmes CrN.
Uma pulverização por magnetron de RF também foi utilizada para um estudo de filmes CrN x depositados dentro de uma ampla faixa de pressão parcial de nitrogênio de 0,005 a 30 Pa, onde as propriedades químicas e mecânicas foram analisadas. A potência alvo foi mantida constante a 300 W (a densidade de potência alvo foi de 6,8 W / cm 2 ) e a constante de pressão parcial de Ar a 0,3 Pa. Foi obtido Cr 2 N estequiométrico para pressões parciais de nitrogênio entre 0,02 e 0,04 Pa e um CrN estoquimétrico foi obtido para 0,3 Pa, enquanto para outras pressões as fases CrN e Cr 2 N foram misturadas. A conclusão foi de que o teor de nitrogênio em filmes CrN x pode ser controlado alterando a pressão parcial de nitrogênio, mas não independentemente da taxa de deposição e da microestrutura. Os filmes Cr 2 N foram muito difíceis (27,1 GPa) e rígidos (E = 348 GPa), um CrN monofásico foi quase tão difícil como Cr 2 N, mas mais elástico (E = 300 GPa) e a taxa de deposição foi menor.
A microestrutura e as propriedades mecânicas dos filmes de nitruro de cromo depositados em substratos de aço de alta velocidade por evaporação de arco reactivo foram estudadas por Odén et al. As películas de 10 μm de espessura foram depositadas durante 220 min a uma pressão parcial de nitrogênio de 8 Pa e diferentes preconceitos de substrato negativos de 20 a 400 V. A microestrutura das películas era densa e colunar, a orientação preferida era CrN (220) e CrN (220) o coeficiente de textura aumentou com uma inclinação negativa crescente até 200V. Uma Nanohardness Máxima de 29 GPa foi atingida por um viés de substrato de -100 V.
Os revestimentos CrN para uma aplicação dedicada, ferramentas de corte para usinagem de cobre, foram produzidos por um revestimento de íons com arco catódico. Esses filmes foram depositados à pressão parcial de nitrogênio de 4 Pa e diferentes preconceitos negativos do substrato, de 0 a 200 V. A orientação preferida foi CrN (111) e a microestrutura era densa e colunar. O tamanho do grão diminuiu com um viés crescente e uma micro dureza máxima de Vickers foi alcançada para uma polarização de 100 V, bem como o estresse residual compressivo máximo. Os testes de desempenho de corte indicaram que a dureza do filme e o estresse residual não podem ser considerados como uma medida do desempenho na fresagem de cobre.
