Films de chrome et films de nitrure de chrome
Jan 05, 2018| Films de chrome
Les revêtements de chrome dur existent depuis longtemps et peuvent être utilisés pour augmenter la résistance à l'usure et à la corrosion des outils et des composants des machines, par exemple les segments de piston, les cylindres hydrauliques et les moules. Des films de chrome très minces sont souvent utilisés à des fins décoratives dans l'industrie automobile ou de l'ameublement. Les masques de chrome sur verre pour la photolithographie dans l'industrie de la microélectronique sont un autre type d'application du chrome. La méthode de dépôt traditionnelle pour Cr est le chromage, une méthode électrolytique humide. Cependant cette méthode utilise du chrome hexavalent qui est cancérigène et il est donc nécessaire de le remplacer par des méthodes de dépôt favorables à la santé et à l'environnement, par exemple une méthode PVD. Les couches Cr, CrN et CrC évaporées à l'arc cathodique ou cathodique, mais aussi les revêtements sans chrome comme le carbone de type diamant (DLC), sont considérés comme des substituts possibles des revêtements de chrome dur électrolytiques dans les applications industrielles à grande échelle.
La pulvérisation du chrome est assez lente. Dans les revêtements multicouches pulvérisés au magnétron Cr / CrN et Cr / Cr2N, les couches de chrome ont été pulvérisées par un magnétron φ150 mm à une vitesse de 10 μm / h (≈170 nm / min) sur des substrats en acier polarisés à -20V à un courant cible de 4 A (≈ 23 mA / cm 2).
Le développement de la texture dans les films Cr pulvérisés RF est discuté dans un travail de Feng et al. où un modèle basé sur la minimisation des énergies de surface et interfaciales est proposé. Le modèle a été testé dans des dépôts de Cr sur des substrats de verre dans différentes conditions. Les films ont toujours la texture Cr (110) lorsqu'ils sont déposés sur des substrats en verre à température ambiante mais préchauffés à 250 ° C, la texture (110) ou (002) est déterminée par la quantité d'énergie déposée des ions Ar ou Cr. L'orientation préférée de Cr (110) a été favorisée par le bombardement du substrat de verre. Le contrôle de l'orientation préférée est important, par exemple lorsque les films Cr sont utilisés comme sous-couche pour des films magnétiques à base de cobalt, où la texture Cr (200) est souhaitable.
Films de nitrure de chrome
Les films de nitrure de chrome présentent d'excellentes propriétés de corrosion et d'usure et une grande stabilité thermique. Il est possible de déposer des films CrN épais (plusieurs dizaines de μm) grâce à la structure à grains fins et à faible contrainte. Ce fait ensemble avec ce CrN est moins fragile que TiN, mais toujours assez dur, rend CrN plus approprié pour la protection de surface sur des substrats relativement mous tels que les alliages d'aluminium et les aciers inoxydables. L'adhérence à l'acier est souvent bonne, mais elle peut être améliorée par une couche de Cr intermédiaire. Les revêtements CrN stoechiométriques ou quasi-stoechiométriques ont des structures NaCl cubiques. Avec une faible teneur en azote, les phases Cr 2 N hexagonales plus dures peuvent apparaître. Le chrome est un métal moins réactif que le titane et ceci a une conséquence sur le PVD réactif. La pression partielle d'azote requise pour former des films de CrN stoechiométriques est plus élevée que pour le TiN stoechiométrique. Les propriétés typiques d'un revêtement commercial sont une dureté de 1750 HV et une stabilité thermique jusqu'à 700 ° C.
La stabilité thermique élevée rend les revêtements CrN très appropriés pour la protection contre l'usure et la corrosion dans les processus de travail à des températures élevées, par exemple en coulée sous pression. Des exemples de composants revêtus de CrN sont des moules en plastique, des matrices d'extrusion et des outils pour l'usinage et le formage à froid de métaux tels que Cu et Ti.
Les procédés de dépôt courants pour les films CrN sont la pulvérisation réactive par magnétron réactif et l'évaporation à l'arc. La pulvérisation cathodique magnétron DC a été utilisée pour étudier un effet d'orientation préférée sur les propriétés mécaniques des revêtements CrN. Deux revêtements ont été produits à une pression totale de 0,27 Pa (2 mTorr), un courant cible de 2,5 A, un débit N2 contrôlé par l'OEM et à différentes tensions de polarisation CC a) 70 V et b) 120 V. Le taux de dépôt était ~ 18 et ~ 28 nm / min respectivement. Les films résultants étaient a) CrN avec une orientation préférée de (200), une structure colonnaire et une dureté de 2300 HV et b) Cr 2 N avec une orientation préférée de (111), une structure dense et une dureté légèrement supérieure (2400 HV) mais avec une adhérence plus faible aux substrats en acier (SKD11).
Un dépôt à vitesse élevée de pulvérisation de magnétron CrN x par DC avec une polarisation continue pulsée a été étudié par Nam et al. Les films ont été pulvérisés avec une densité de puissance cible de 13 W / cm2 à une pression d'argon constante de 0,24 Pa (1,8 mTorr) et un écoulement d'azote variait de 0 à 45 sccm et une tension de polarisation variée. Ceci a permis de contrôler la microstructure et la composition de phase des films de CrN x . La vitesse de dépôt maximale était de 210 nm / min pour Cr 2 N (89% du taux de dépôt pur de Cr) et la dureté maximale était de 2250 kg / mm 2 (Knoop) pour une phase mixte CrN + Cr. Le même groupe a également étudié les propriétés des films de CrN x déposés à différentes vitesses de dépôt. Dans cette étude, ils ont utilisé une tension de polarisation constante de -100 V et une pression d'argon constante de 0,2 Pa (1,5 mTorr) et ont utilisé les densités de puissance cible 5, 10 et 13,2 W / cm 2 et le flux d'azote a varié de 0 à 160 sccm. Ils ont conclu que le taux de dépôt de CrN augmentait linéairement avec la densité de puissance cible (maximum 430 nm / min à 13,2 W / cm 2 ) et que la contrainte de film était modifiée de la traction à la compression avec une vitesse de dépôt croissante. En outre, la dureté la plus élevée et la meilleure adhérence ont été trouvées pour le film déposé à la densité de puissance cible la plus élevée en raison d'une contrainte de compression élevée et d'une grande mobilité adatomique.
Les outils en carbure revêtus de films Cr X N y par pulvérisation cathodique magnétron RF ont été testés dans l'usinage du bois. Pour l'analyse structurale et chimique, les films ont été déposés sur des substrats de Si. Des dépôts ont été réalisés à des puissances RF de 450 W et 650 W et une pression totale variable de 0,1 à 1 Pa. Les temps de dépôt ont été choisis entre 15 et 80 minutes avec un taux de dépôt maximal de 4,4 μm / h (73 nm / min) 2 N. Les films de Cr 2 N avaient une structure en colonnes tandis que les films de CrN semblaient sans relief avec une dureté maximale de 2100 HV. Les films Cr 2 N se sont révélés plus durs mais moins adhérents que les films CrN.
Une pulvérisation cathodique magnétron RF a également été utilisée pour l'étude de films de CrN x déposés dans une large gamme de pressions partielles d'azote de 0,005 à 30 Pa où les propriétés chimiques et mécaniques ont été analysées. La puissance cible a été maintenue constante à 300 W (densité de puissance cible 6,8 W / cm 2 ) et la constante de pression partielle Ar à 0,3 Pa. Cr 2 N stoechiométrique pour des pressions partielles d'azote comprises entre 0,02 et 0,04 Pa et un CrN stoechiométrique a été obtenu pour 0,3 Pa, tandis que pour les autres pressions, les phases CrN et Cr 2 N ont été mélangées. La conclusion était que la teneur en azote dans les films de CrN x peut être contrôlée en changeant la pression partielle d'azote, mais pas indépendamment de la vitesse de dépôt et de la microstructure. Les films Cr 2 N étaient très durs (27,1 GPa) et rigides (E = 348 GPa), un CrN monophasé était presque aussi dur que Cr 2 N mais plus élastique (E = 300 GPa) et le taux de dépôt était plus faible.
La microstructure et les propriétés mécaniques des films de nitrure de chrome déposés sur des substrats en acier à haute vitesse par évaporation à arc réactif ont été étudiées par Odén et al. Les films de 10 μm d'épaisseur ont été déposés pendant 220 min à une pression partielle d'azote de 8 Pa et différents biais négatifs de substrat de 20 à 400 V. La microstructure des films était dense et colonnaire, l'orientation préférée était CrN (220) et le CrN (220) coefficient de texture augmenté avec une polarisation négative croissante jusqu'à 200V. Une nano-dureté maximale de 29 GPa a été atteinte pour une polarisation du substrat de -100 V.
Les revêtements CrN pour une application dédiée, les outils de coupe pour l'usinage du cuivre, ont été réalisés par un placage ionique à arc cathodique. Ces films ont été déposés à une pression partielle d'azote de 4 Pa et à différents polarisations négatives du substrat, de 0 à 200 V. L'orientation préférée était CrN (111) et la structure micro était dense et colonnaire. La taille des grains a diminué avec une polarisation croissante et une micro-dureté Vickers maximale a été atteinte pour une polarisation de 100 V ainsi que la contrainte résiduelle maximale de compression. Les essais de performance de coupe ont indiqué que la dureté du film et la contrainte résiduelle ne pouvaient pas être prises comme une mesure de la performance dans le broyage du cuivre.
