Recubrimiento de TiCN basado en placas de iones de arco al vacío

- Jan 09, 2018-

Métodos de preparación del recubrimiento de TiCN


Desde 1985, After Knotke publicó por primera vez investigaciones sobre la tecnología de recubrimiento TiCN, People expresó gran interés por su excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas y buen rendimiento de aplicación, y hasta el momento había desarrollado una variedad de tecnología física de deposición de vapor. En la actualidad, existen tres métodos de preparación del recubrimiento de TiCN, que son el método de chapado iónico por pulverización de magnetrón, el método de chafado de radiofrecuencia y el método de chapado iónico de múltiples arcos, en los que el método de chapado iónico con ionización de magnetrón y el método de chapado de iones múltiples usado y bajo costo.


Magnetron sputter ion plateado.


La técnica de sputtering de Magnetron se desarrolló a principios de la década de 1970, como la profundización de la tecnología y la investigación, se ha utilizado ampliamente en el campo de la industrialización de películas y energía eléctrica, óptica, industrial mecánica, etc. y se ha convertido en una de las preparaciones más utilizadas de TiCN métodos de película. En el proceso de recubrimiento, los iones Ti se generan mediante el uso de iones Ar generados por la descarga luminosa del gas Ar para bombardear el objetivo Ti, y por aceleración electrostática volar a la pieza de trabajo y depositar así la película. Este método tiene una alta tasa de deposición, un espesor uniforme de la película, y el recubrimiento iónico puede mejorar la capacidad de combinación del revestimiento y la interfaz del sustrato y hacer que la organización de la película sea más densa. Al mismo tiempo, los objetivos susceptibles a la contaminación y la baja tasa de deposición en el proceso de recubrimiento son su principal debilidad. Se ha encontrado que cuando la presión parcial de carbono y nitrógeno aumenta, la velocidad de deposición disminuirá.


Enchapado iónico multi-arco.


El revestimiento de iones multi-arco pertenece a un método mejorado de recubrimiento iónico, desarrollado por primera vez por los soviéticos, a principios de la década de 1980, la primera práctica de la US Multi-Arc. El principio básico es tomar la fuente meta del metal como el cátodo, descargar por arco entre la coraza del ánodo y hacer que el objetivo se evapore e ionice, formando plasma espacial, y luego depositando recubrimiento sobre la pieza de trabajo. En comparación con otras tecnologías de membrana, la ventaja es que el cátodo produce plasma directamente, y el objetivo del cátodo se puede organizar arbitrariamente, lo que simplifica enormemente el accesorio de muestra. Además, la energía de partícula incidente multi-arco es alta, la tasa de ionización puede alcanzar 60% ~ 80%, la densidad de la membrana es alta, la fuerza y ​​durabilidad son buenas, la interfaz de la película y la matriz es fácil de producir difusión atómica y la adherencia de la película es buena.


La técnica de placas de iones de vacío usa un campo electromagnético de plasma para filtrar, lo que puede reducir o eliminar de manera efectiva partículas grandes. En comparación con el recubrimiento de revestimiento de iones de arco convencional, la macropartícula de revestimiento por arco filtrado de tipo arco no presenta impurezas, una estructura homogénea y densa, y puede cumplir los requisitos de la película óptica, microelectrónica. También hay algunas desventajas para la fuente de arco filtrada, es decir, el diámetro del haz es pequeño, generalmente inferior a 200 nm, y matriz de fuente de múltiples arcos difícil de formar, lo que hace que la producción masiva de área grande no se pueda lograr y la transmisión la eficiencia no es alta, la eficacia de transmisión máxima de la estructura de doblez es aproximadamente del 30%, la corriente de iones solo del 2% al 3% de la corriente de arco.


Influencia del flujo de gas en la estructura de recubrimiento


El cambio de la presión parcial de N2 (flujo) causará la densidad iónica del ion catiónico y el cambio de energía, lo que afectará la combinación con el átomo de metal, haciendo que cambie la orientación de crecimiento preferida, afectando así el rendimiento del recubrimiento. Los investigadores encontraron que bajo la condición de presión total 0.8Pa y Ar flujo 20sccm, cuando el flujo de nitrógeno es menor que 6sccm, la orientación preferida es (111), cuando el flujo de nitrógeno es mayor a 6sccm, (111) la intensidad máxima disminuye, y (200 ) la intensidad pico aumenta, principalmente porque en la estructura de fcc-TiCN, (111) la energía superficial plana es baja, bajo bajo flujo de nitrógeno los átomos son migración al plano (111), con el aumento del flujo de nitrógeno, la tasa de migración atómica disminuye, pero (200) la superficie del cristal con alta energía superficial tiene una densidad de paso alta, y la distancia de difusión fuera de los puntos de malla de baja energía es corta, beneficia el crecimiento preferencial del cristal a lo largo de la superficie del cristal (200). Los investigadores descubrieron que cuando el flujo de nitrógeno es 1sccm, las muestras obtenidas son de estructura amorfa, cuando el flujo de nitrógeno es mayor a 2sccm, existe una estructura columnar en la película, límite de grano existente, cuando el flujo de nitrógeno aumenta a 6sccm, la película se vuelve densa y respectivamente, prefiere a la microestructura de la isotrópica y el refinamiento del grano, principalmente como el aumento del flujo de nitrógeno, la tasa de migración atómica se reduce, la superficie de la membrana cambia en potencial químico local. Los investigadores encontraron que con el flujo de nitrógeno aumentando, el grano recogido en la película es menor, la superficie se vuelve más densa y lisa, la rugosidad disminuye gradualmente hasta que sea constante.


Ahora la fuente de carbono utilizada por la preparación de TiCN de los investigadores es el gas C 2 H 2 o CH 4 principalmente, porque TiN y TiC son estructura cúbica centrada en la cara tipo NaCl, el radio del átomo de N y el átomo de C está muy cerca, N es 0.071nm, C es 0.077nm, los dos pueden ser reemplazados mutuamente para formar un material monofásico TiC (N) o de TiN (C). Bajo ciertas condiciones, puede haber una estructura de dos fases apareció. En el espectro de difracción XRD, los picos de ellos son muy cercanos, e incluso se solapan, lo que da como resultado la complejidad del análisis de fase, por lo que comúnmente se escribe como TiCxN1-x.


Factores de influencia del rendimiento de recubrimiento de TiCN


Temperatura

La calidad del recubrimiento de TiCN se ve afectada principalmente por los factores de proceso, como la composición, la temperatura y la atmósfera. La diferente temperatura de la matriz causará que el tamaño de grano, la forma y la estructura del recubrimiento sean completamente diferentes. La temperatura de deposición demasiado alta y la velocidad de deposición demasiado rápida hará que el cristal recubierto muestre ramificaciones gruesas, afectando la calidad del recubrimiento; la temperatura de deposición es demasiado baja, tiende a formar sedimentos porosos y sueltos, lo que afecta la fuerza de unión del recubrimiento y la matriz. Por lo tanto, una elección razonable de temperatura es una condición necesaria para obtener un recubrimiento de alta calidad. Mc.Cormell, etc. depositó recubrimiento de TiCN en acero inoxidable con el método PVD, incluyendo que su dureza, fuerza de adhesión y coeficiente de fricción no cambiará cuando la temperatura sea inferior a 250 ℃. Después del tratamiento térmico de 450 to para las muestras, el coeficiente de fricción del recubrimiento TiCN es 0.2 antes de 250 ℃, y hasta 0.3 a 250 ℃, pero aún más bajo que el coeficiente de fricción de TiN, porque el recubrimiento de TiCN C ha desempeñado un papel lubricante. Los estudios muestran que cuando la temperatura está por debajo de 200 ° C, el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste del recubrimiento de TiCN aumentan al aumentar la temperatura.


Sesgo pulsado

La existencia de polarización pulsada juega un papel muy importante para reducir la gotita y mejorar la calidad del recubrimiento. El sesgo negativo que atrae a la pieza de trabajo de chisporroteo de carga positiva puede hacer que los iones de titanio cerca del objetivo del cátodo aceleren la mosca, aumentar la probabilidad de colisión con nitrógeno en el plasma y la gota, y al mismo tiempo aumentar la fuerza de enlace del titanio y el nitrógeno. Si se mantiene constante la presión de vacío, el flujo de nitrógeno aumenta al aumentar el sesgo negativo, pero el contenido de nitrógeno en la película disminuye al aumentar el sesgo negativo. Esto es principalmente la capacidad de unión de Ti-Ti es más fuerte que el Ti-N, y con el aumento del sesgo negativo, la capacidad de reblandecimiento del titanio es más fuerte que el nitrógeno. Además, con el aumento del sesgo, las partículas de plasma hacen que las partículas de energía vuelen al cambio de matriz, afectando la estructura organizativa de la película.


Corriente de arco

Considerado desde la perspectiva de la aplicación de producción industrial, el aumento de la corriente de arco puede mejorar la productividad y la dureza de la película y el desgaste. El aumento de la corriente de arco significa que la temperatura global objetivo aumenta, las gotitas correspondientes aumentarán y el tamaño de las gotas aumentará también.


El aumento de las gotitas y el tamaño de las gotas conducirá inevitablemente a la disminución de la resistencia a la corrosión de la película, especialmente gotitas de gran diámetro, con aproximadamente 1/3 enterrado en la película en dirección de altura y los pequeños agujeros irregulares en la parte inferior. Cuando se encuentran sustancias corrosivas como ácido y álcali, etc., estos agujeros se corrompen primero y forman orificios en forma de aguja, por lo tanto, su existencia es la razón principal por la que se reduce la resistencia a la corrosión del revestimiento. Por lo tanto, en la aplicación práctica, para la coordinación de la contradicción entre aumentar la corriente de arco y la gota, se pueden usar algunas formas optimizadas, como aumentar el área de evaporación del objetivo, fortalecer el efecto de enfriamiento del objetivo o diseñar nueva fuente de arco que pueda inhibir las gotas producen.


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