VPLYV PARAMETROV NAPRAŠOVANIA NA ŠTRUKTÚRNE CHARAKTERISTIKY POVLAKOV AlCrN INFLUENCE OF DEPOSITION PARAMETERS ON THE STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF AlCrN LAYERS

doc. Ing. Ľubomír Čaplovič, PhD.1, Ing. Jozef Sondor2, Ing. Martin Sahul3
1MTF STU, J. Bottu 25, 917 24 Trnava, SR, +421 918 646 043, lubomir.caplovic@stuba.sk
2LISS, a.s., Dopravní 2603, 756 61 Rožnov pod Radhoštěm, ČR, + 420 602 766 105, j.sondor@liss.cz
3MTF STU, J. Bottu 25, 917 24 Trnava, SR, +421 902 258 749, martin.sahul@stuba.sk


Abstract
The aim of this contribution is to study the influence of deposition parameters on the structure characteristics of AlCrN coatings. The coatings were deposited on the HSS 6-5-2 tool steel. Glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy with EDX microprobe and Calotest method were used for evaluation of each coating. Quantitative depth profiling and SEM images were evaluated. Influence of current, bias voltage and working press on coating thickness was assessed.

ÚVOD
Až donedávna sa výrobcovia nástrojov a povlakov zameriavali predovšetkým na zvyšovanie obsahu Al v PVD povlakoch, pri jeho nanášaní s TiN za vzniku TiAlN a AlTiN. Cieľom tohto procesu bolo dosiahnutie vysokej teplotnej stability a tvrdosti povlaku. Odvtedy sa percentuálny podiel Al zvýšil z 33 na 60 % [1]. Nedávno bola predstavená nová generácia povlakov na báze AlCrN [2, 4, 5, 6, 7]. Povlak AlCrN obsahuje vyšší podiel Al v porovnaní s AlTiN [1]. Tento typ povlaku je charakteristický vynikajúcou odolnosťou voči abrazívnemu opotrebeniu a zlepšenou odolnosťou voči oxidácii [2, 8]. Aplikáciou povlaku AlCrN (obchodný názov Alcrona) sa dosiahlo zdvojnásobenie životnosti nástroja pri rýchlostiach a posuvoch vyšších o 35 %. Ďalší vývoj smeruje do oblasti nanokompozitov, ktoré sú zložené z vrstiev ako napr. TiAlN, zakotvených v amorfnej matrici Si3N4 [3]. Príspevok sa zaoberá sledovaním vplyvu zmeny depozičných parametrov pri CAV (Cathodic Arc Vacuum) technike na kvalitatívne zmeny tenkých vrstiev AlCrN, ktoré sú vyhotovené na oceľovom podklade. Na analýzu povlakov AlCrN na nástrojovej oceli HSS 6-5-2 bola použitá optická emisná spektroskopia v tlejivom výboji (GDOES), rastrovacia elektrónová mikroskopia (SEM) s EDX mikroanalýzou a metóda Calotest.

POUŽITÝ MATERIÁL A EXPERIMENTÁLNE TECHNIKY
Ako základný materiál (substrát) bola použitá nástrojová rýchlorezná oceľ HSS 6-5-2 ISO 4957, ktorá sa používa na výrobu rezných nástrojov (obrábanie kovových materiálov s pevnosťou do 900 MPa), nástrojov pre tvárnenie za studena a za tepla. Smerné chemické zloženie ocele je uvedené v tab. 1. Na každej vzorke bola pomocou procesu vákuového naprašovania nanesená vrstva AlCrN.



Maximálna prevádzková teplota povlaku AlCrN je 1000 ºC. Firma PLATIT AG udáva nanotvrdosť vrstvy až 32 GPa a koeficient trenia 0,6. Proces vákuového naprašovania bol realizovaný vo firme LISS a.s. Rožnov pod Radhoštěm, ktorá je dcérskou spoločnosťou firmy PLATIT AG so sídlom vo Švajčiarsku. Jednotlivé povlaky AlCrN boli deponované na zariadení PLATIT PL 1001 COMPACT (obr. 1). Parametre procesu vákuového naprašovania pre jednotlivé vzorky sú zaznamenané v tab. 2. Proces naprašovania každej vzorky trval po dobu 5,5 h. Na analýzu boli použité vzorky v tvare diskov s rozmermi Ø 20 mm x 4 mm. V procese vákuového naprašovania sa použil terč s obsahom prvkov Al a Cr (pomer prvkov 70:30 at. %).



Obr. 1 Zariadenie PLATIT PL1001 COMPACT [4]

Analýza chemického zloženia prvkov povlaku a substrátu (nástrojovej ocele) bola vykonaná s využitím metódy GDOES na spektrometri SPECTRUMA GDA 750 HP od firmy Spectruma Analytik GmbH. Ako budiaci zdroj bola použitá Grimmova lampa, pracujúca v režime tlejivého výboja. Každá vzorka bola analyzovaná pri konštantných parametroch (napätie zdroja: 1000 V, prúd zdroja: 15 mA). Vzhľadom na skutočnosť, že všetky vzorky sú elektricky vodivé, bol použitý vysokonapäťový DC režim.

Na pozorovanie štruktúry tenkých vrstiev bol použitý vysokorozlišovací rastrovací elektrónový mikroskop JEOL JSM 7600F s FEG katódou a EDS spektrometrom Oxford Instruments X-MAX 50. Vzorky pre pozorovanie boli pripravené metódu vytvorenia lomovej plochy v nanesenej vrstve (obr. 2) po rozdelení na menšie časti pomocou presnej píly IsoMet® 5000. Pred pozorovaním boli očistené v acetóne ultrazvukovou energiou. Hrúbka nanesenej vrstvy sa merala na zariadení Calotest CSM Instruments.


Obr. 2 Postup prípravy vzoriek pre pozorovanie lomových plôch pomocou SEM

DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY A DISKUSIA
Hĺbkové koncentračné profily jednotlivých prvkov, prítomných vo vybraných nanesených vrstvách a základnom materiáli sú dokumentované na obr. 3 (a až f). Zo závislosti zmeny atómovej koncentrácie prvkov od analyzovanej hĺbky vyplýva, že koncentrácia prvkov Al, Cr a N sa mení smerom od povrchu tenkej vrstvy do substrátu s maximom v strede hrúbky vrstvy. V povrchových vrstvách sme detekovali oxidické filmy s hrúbkou okolo 500 nm. Vrstva chrómu na rozhraní povlaku a substrátu mala strednú hrúbku 1, 5 μm. Hrúbka AlCrN vrstvy sa určovala v inflexnom bode zmeny koncentrácie tejto chrómovej vrstvy.

Výsledky hrúbok vrstiev pre všetky analyzované vzorky sú uvedené v Tab. 3. Aplikácia nižšej hodnoty prúdu sa prejavila nárastom hrúbky povlaku AlCrN 2. Hrúbka danej deponovanej vrstvy bola stanovená na hodnotu 2,27 μm (obr. 3b). Vzorky AlCrN 3, 4 a 5 boli opäť vyhotovené s rovnakými parametrami predpätia (U = 80 V) a tlaku (p = 3 Pa). Na nanesenie tenkých vrstiev boli aplikované rôzne prúdy (I3 = 180 A, I4 = 100 A a I5 = 130 A). Vzorka AlCrN 5 (obr. 3e) bola naprašovaná pomocou prúdu I5 = 130 A. Hrúbka naneseného povlaku dosahuje hodnotu 2,37 μm. Hrúbka povlaku vytvoreného použitím prúdu 180 A dosahovala hodnotu 2,85 μm (obr. 3c). Vrstva AlCrN 4 (obr. 3d) deponovaná oblúkom vo vákuu bola vytvorená použitím prúdu 100 A. Aplikácia nižšieho prúdu sa prejavila na výslednej hrúbke naneseného povlaku, ktorá bola stanovená na hodnotu 2,39 μm. Vzorka AlCrN 5 (obr. 3e) bola naprašovaná pomocou prúdu 130 A. Na základe porovnania parametrov, ktoré sa použili na nanesenie vrstvy na vzorky AlCrN 3, 4 a 5 bolo možné posúdiť vplyv prúdu na hrúbku vyhotovených povlakov. Možno konštatovať, že so znižovaním hodnoty prúdu bolo naopak pozorované zníženie hrúbky deponovaného povlaku. Je potrebné zdôrazniť, že rozdiel v hrúbkach povlakov AlCrN 4 a 5 predstavuje iba 0,02 μm. V tomto prípade sa vplyv použitého prúdu prejavil minimálne.

Na základe aplikovaných parametrov bolo možné vyhodnotiť vplyv použitého tlaku na hrúbku vytvorených povlakov. Vzorky AlCrN 5 a 6 boli vyhotovené s použitím rovnakej hodnoty prúdu (130 A) a predpätia (80 V). Rozdiel spočíval vo výške pracovného tlaku (p5 = 3 Pa, p6 = 4 Pa). Na základe priebehu zmeny koncentrácie prvkov vo vzorke AlCrN 6 (obr. 3f) bola hrúbka deponovanej vrstvy stanovená na hodnotu 1,35 μm. Z uvedeného vyplýva, že nárast tlaku o 1 Pa spôsobil zníženie výslednej hrúbky povlaku o 1,02 μm.

Z analýzy vplyvu použitého predpätia vyplýva, že pri zvýšení predpätia dochádza k nárastu hrúbky povlaku
deponovaného katódovým oblúkom vo vákuu.


Obr. 3 Zmena koncentrácie prvkov v závislosti od håbky a) vzorka AlCrN 1, b) vzorka AlCrN 2, c) vzorka AlCrN 3, d) vzorka AlCrN 4, e) vzorka AlCrN 5, f) vzorka AlCrN 6​


Vrstva AlCrN je charakteristická kolumnárnym rastom jednotlivých kryštálov. Charakter štruktúry závisí od parametrov procesu naprašovania. Snímky vyhotovené SEM mikroskopom preukázali prítomnosť mikročastíc v AlCrN povlaku, čo sa môže prejaviť nárastom drsnosti povlaku. Vzhľadom na vysokú tvrdosť vrstvy, sa potvrdil predpoklad, že lom sa šíril mechanizmom krehkého porušenia. SEM mikroskop umožnil priame odmeranie hrúbky jednotlivých deponovaných vrstiev (obr. 4 a až f). Na SEM snímkach možno pozorovať rozdiel vo svetlosti jednotlivých častí deponovanej vrstvy, kde sa oblasť nachádzajúca sa tesne pod povrchom javí ako svetlejšia. Tento rozdiel je spôsobený tzv. hranovým efektom, kedy je pri hranách emitované väčšie množstvo sekundárnychelektrónov.


Obr. 4 Lomová plocha povlaku a) AlCrN 1, b) AlCrN 2, c) AlCrN 3, d) AlCrN 4, e) AlCrN 5, f) AlCrN 6, zv. 18 000 x

EDX analýza pomocou čiarových koncentračných profilov ukázala vysokú zhodu s výsledkami získanými z GDOES. Na obr. 5 a až f je zaznamenaný priebeh zmeny koncentrácie prvkov Al, Cr a N naprieč vyhotovenými povlakmi AlCrN. Výsledky dosiahnuté EDX analýzou boli využité aj pri kalibrácii hĺbkových koncentračných profilov z GDOES. Priesečník medzi koncentráciami Al a Cr možno aj v tomto prípade považovať za rozhranie medzi vrstvou AlCrN a Cr medzivrstvou.


Obr. 5 Nekalibrované koncentračné profily z čiarovej EDX analýzy lomových plôch vrstiev a) AlCrN 1, b) AlCrN 2, c) AlCrN 3, d) AlCrN 4, e) AlCrN 5, f) AlCrN 6

Z priebehov zmeny koncentrácie Cr a Al vidieť, že ich vzájomný pomer sa mení od povrchu vzoriek po rozhranie so substrátom, pričom tesne pod povrchom bol detekovaný vyšší obsah hliníka s následným exponenciálnym poklesom na úkor rastu obsahu chrómu. V povrchovej vrstve cca 0,5 μm boli podobne ako pri metóde GDOES detekované výrazne nízke hodnoty Cr a Al. Je dôležité si uvedomiť, že elektrónový lúč na hrane vzorky generuje vyššie hodnoty všetkých produktov interakcie. Keďže obsah kyslíka sme nemerali, môžeme túto výraznú zmenu obsahu Cr a Al pripísať zvýšenému obsahu kyslíka na povrchu vrstiev, ako to dokumentujú výsledky GDOES.

Zo štruktúrneho hľadiska je vrstva AlCrN tvorená dvomi fázami s blízkymi kryštalografickými parametrami a to AlN a CrN. Vzhľadom na zmenu vzájomného pomeru Cr a Al môžeme konštatovať, že pri povrchu vzorky je vyšší podiel fázy AlN a pri rozhraní so substrátom, kde je Cr medzivrstva, vyšší podiel fázy CrN. Porovnanie hodnôt nameraných hrúbok všetkých deponovaných povlakov AlCrN získané z
experimentálnych analýz sú uvedené v tab. 3.



ZÁVER
Z nameraných koncentračných profilov a dokumentovaných hrúbok vrstvy vyplýva, že zníženie prúdu na katóde pri konštantnom tlaku sa prejavilo nárastom hrúbky naneseného povlaku. Podobné výsledky boli dosiahnuté aj pri hodnotení vplyvu predpätia, kde s jeho poklesom klesala hrúbka vrstvy. Pri použití parametrov 180 A a 3 Pa bola zaznamenaná redukcia hrúbky povlaku so zvýšením predpätia. Pri aplikácii prúdu 100 A a tlaku 3 Pa bol však pozorovaný nárast hrúbky vrstvy so zvyšujúcim sa predpätím. Nárast pracovného tlaku o 1 Pa spôsobil výraznú redukciu hrúbky povlaku AlCrN. Rozdiely v nameraných hrúbkach rôznymi metódami je možné vysvetliť rozdielnym objemom analyzovanej vrstvy. Rastrovacia elektrónová mikroskopia umožňuje veľmi presne analyzovať iba lokálnu zmenu, zatiaľ čo ostatné dve použité metódy predstavujú integrálne hodnoty z väčšieho objemu. Zo zmeny koncentrácie prvkov sa detekovala zmena pomeru koexistujúcich fáz AlN a CrN cez hrúbku vrstvy.

Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt Centrum pre vývoj a aplikáciu progresívnych diagnostických metód v procesoch spracovania kovových a nekovových materiálov, ITMS: 26220120014 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.



 

Obr. 1 Zariadenie PLATIT PL1001 COMPACT [4]


Obr. 2 Postup prípravy vzoriek pre pozorovanie lomových plôch pomocou SEM


Obr. 3 Zmena koncentrácie prvkov v závislosti od hĺbky a) vzorka AlCrN 1, b) vzorka AlCrN 2, c) vzorka AlCrN 3, d) vzorka AlCrN 4, e) vzorka AlCrN 5, f) vzorka AlCrN 6


Obr. 4 Lomová plocha povlaku a) AlCrN 1, b) AlCrN 2, c) AlCrN 3, d) AlCrN 4, e) AlCrN 5, f) AlCrN 6, zv. 18 000 x


Obr. 5 Nekalibrované koncentraèné profily z èiarovej EDX analýzy lomových plôch vrstiev a) AlCrN 1, b) AlCrN 2, c) AlCrN 3, d) AlCrN 4, e) AlCrN 5, f) AlCrN 6


Kontakt Contact

Dopravní 2603
Rožnov pod Radhoštěm
756 61

+420 571 116 237

LISS, akciová společnost LISS, a.s. LISS, Aktiengesellschaft

Akciová společnost LISS, patří do silné švýcarské skupiny B.C.I. group. Na středoevropském trhu nabízí svoje služby v oblasti high-tech PVD povlakování, galvanických vrstev, výroby vysoce precizních hodinářských komponentů, metalizace nevodivých materiálů, depozici optických vrstev a výroby precizních komponentů pro automobilový průmysl. LISS, a.s. působí na trhu již od roku 1991 a je zaměřena především na inovace, vlastní vývoj, zavádění nových technologií a postupů. Mimo technickou kompetentnost je samozřejmostí osobní přístup k řešení zákaznických požadavků. LISS, a.s. is part of the strong Swiss B.C.I. Group, On the Central European market it offers services in the field of high-tech PVD coating, electroplating coatings, production of high-precision watch components, metallization of non-conductive material, deposition of optical layers and manufacture of precision components for the automotive industry. LISS, a.s. has been established in the market since 1991 and is mainly focused on innovation, development, and introduction of new technologies and processes. Besides the high technical competence is personal approach to customer requirements our priority. LISS, Aktiengesellschaft gehört zu der starken schweizer Gruppe B.C.I. group. Auf dem Mitteleuropäischen Markt bietet sie Dienstleistungen auf dem Gebiet der High-Tech-PVD Beschichtung, Galvanikschichten, Produktion von hochpräzisen Uhrenkomponenten, Metallisierung von nicht leitenden Materialien, Abscheidung von optischen Schichten und Herstellung von präzisen Komponenten für die Automobilindustrie. LISS, Aktiengesellschaft ist etabliert auf dem Markt seit 1991 und basiert auf Innovation, Entwicklung, Einführung neuer Technologien und Prozesse. Neben der technischen Kompetenz ist natürlich persönlichen Ansatz zu Kundenanforderungen.




Máme Vám zavolat?