封闭磁场非平衡磁控溅射偏压对CrN镀层摩擦学性能影响

2010-02-26 徐雪波宁波工程学院材料科学与工程研究所

　　采用Teer UDP 650 型闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备沉积CrN 镀层,通过调变偏压获得不同结构和性能的CrN镀层。试验用划痕法测定了镀层结合强度、用球- 盘方法测定了镀层摩擦系数和比磨损率、用压入法评价镀层韧性,硬度测试在维氏硬度计上进行。实验结果表明,随着溅射偏压的升高,离子速流提高,偏压过低或过高均使沉积速率下降, -50V～-70V 偏压时沉积速率基本保持稳定。CrN 镀层的硬度随偏压的升高而升高,但伴随着韧性的下降。高偏压下沉积的镀层摩擦系数呈下降趋势,偏压在- 40V～-70V 间制备的镀层对磨WC 球时几乎不磨损,但当偏压从- 70V 提高到- 80V 时,磨损明显加剧。

　　与工业应用最早的TiN 硬镀层相比,CrN 镀层由于Cr 元素和钢中Fe 的亲和力比Ti 高,有可能进一步提高膜基结合强度;Cr 与氧的亲和力比Ti 低,可能提高镀层抗氧化能力,同时CrN 硬度虽然比TiN 低,但韧性可能高,CrN 不如TiN 脆,也使得镀层内应力低,从而可以制备厚度较大的镀层,Cr 和氮低亲和力也可提高靶抗中毒性能。诸多的优点使CrN 镀层获得了越来越广泛的应用。

　　不同制备方法获得CrN 镀层的性能具有较大的差别,众多文献对CrN 镀层的组成、微观结构、硬度和致密度及摩擦学性能与镀层沉积方法和工艺参数间的关系进行了较为详尽的研究。R.Hoy等的研究结果认为随偏压的升高,CrN 镀层硬度和致密度提高,偏压小于- 50V 时,离子能量和束流均很小,但超过- 50V 后因存在二次等离子而使得内应力明显下降。J.J.Olaya认为非平衡磁控溅射沉积CrN 镀层时,脉冲偏压能量对Cr/N 比无影响,施加- 100V 偏压时,CrN 镀层呈明显的(200) 取向,但镀层晶粒尺寸有所长大,镀层的硬度和耐蚀性提高了。JyhWei Lee也发现了偏压对硬度影响明显, - 290V 时硬度提高到20GPa , 取向从(111) 向(200) 转变,但偏压对结合力无明显影响,有无偏压时镀层结合强度均较高。Min J . Jung认为钢基体上CrN 镀层在100V 偏压时取向由(200) 变为(220) ,但在玻璃和Si 基体上镀层取向不随偏压而变化;E.Forniés等研究了偏压对CrN 镀层磁控溅射沉积速率、镀层结构、硬度以及耐磨性的影响,结果表明偏压过高时,会因为离子束流能量太高而引起二次溅射。同时高N2 流量条件下也可能因靶中毒而引起沉积速率下降。还发现偏压增加,镀层结构由柱状晶变为等轴晶,硬度提高,N2 高流量时磨损率会下降。S. Ortmann1的研究结果指出,无偏压时CrN呈多孔型结构,各柱状晶间相互独立;偏压升高到-150V 后柱状晶被明显压致密了,而且出现了多面体结构,晶粒尺寸约50nm ,并出现类针状结构,偏压继续提高到- 300V 后晶粒长大到250nm - 300nm ,此时镀层表面变得粗糙。

　　上述文献在偏压对CrN 镀层的致密度、晶粒度和取向、以及硬度、耐蚀性等取得了一些研究成果,但是试验结果也不甚一致,对镀层韧性和摩擦学性能研究涉及不多,而这些性能对镀层的工业应用起到关键作用。本文应用闭合磁场非平衡磁控溅射系统制备了不同偏压条件下的系列镀层,分析研究偏压对镀层沉积速率、结合强度、硬度和摩擦系数、磨损率以及镀层韧性的影响规律,为该类镀层的工业应用提供理论依据。

1、实验方法

　　用Teer UDP550 型非平衡磁控溅射离子镀系统制备CrN 镀层,试样基体为M42 高速钢圆片和(100)单晶硅片,钢质基体表面用1μm 金刚石研磨抛光,用于镀层厚度、摩擦系数、比磨损率测试,在硅片试样上采用压入法测定四角裂纹长度以间接评价镀层韧性。所有试样安装在同一个可以三轴转动的试样架上。镀膜时背底真空度2.7 ×10 ^{- 3} Pa ,工作气压4×10^{- 1} Pa ,Cr 靶输入功率214kW,氩气流量10sccm。镀膜过程中通过检测靶表面溅射原子激发时产生的辉光强弱来调节反应气体N2 的流量,以维持等离子体中溅射粒子数的动态恒定,从而达到精确控制镀层成分的目的。试验中靶表面辉光相对强度用OEM值表征,假设未通入反应气体(本实验反应气体为N2) 时,靶表面溅射离子某波长的辉光强度为100 % ,当通入一定流量的反应气体开始沉积后,靶表面溅射离子该波长的辉光强度因部分溅射离子与反应气体反应生成了化合物而将降低到一定值,此值即定义为OEM值。CrN 镀层沉积时OEM 值设置为60 %恒定不变,通过改变基体脉冲偏压大小调节离子对镀层生长时的轰击强度,调变镀层组织结构以及性能,脉冲偏压频率250Hz ,脉冲宽度500ns。不同镀层样品的沉积参数如表1。

表1 　镀层工艺及薄膜厚度

镀层工艺及薄膜厚度

　　用球坑仪测量镀层厚度。在MH - 5 型显微硬度计用努氏压头测定镀层硬度,压入载荷25g。用英国Teer 公司研制的ST2200 划痕仪定量测量镀层的结合强度,载荷从10N 加到85N ,滑动速度10mm·min - 1 。用POD2I 型球盘摩擦磨损试验测定镀层摩擦系数,并在磨损轨迹上做球坑以确定镀层的比磨损率SWR(Specific wear rate) ,摩擦配副为直径5 mm的WC26 %Co 球,载荷20N ,相对摩擦速度200mm·s - 1 ,摩擦时间30min。镀层韧性采用在硅片试样上用维氏压头在一定载荷下压入后,测定压坑四角裂纹总长的方法来间接评价。

2、实验结果

2.1、不同偏压下偏压电流和沉积速率的变化

　　图1 为CrN 薄膜在非平衡磁控溅射沉积中的基体偏压和偏压电流的关系。由于镀膜过程中采用了相同的三轴转动工作台,试样数量、形状不变,因此可以认为整个阴极(工作台) 表面积一定,这样就用偏压电流间接评价试样表面获得的离子轰击束流密度。结果表明,提高基体偏压,离子束流逐渐增加,但随着偏压的进一步增加,离子束流增加速度逐渐减慢。从图1 中不同偏压下镀层的沉积速率变化曲线可见,提高基体偏压,开始时沉积速率呈下降趋势, -50V～ -70V 偏压沉积速率基本稳定,继续增加偏压又开始下降。