Właściwości azotku molibdenu otrzymanego metodą katodowego odparowania łukowego

• Autorzy: Gilewicz A. , Warcholiński B. , Murzyński D.

Warianty tytułu

EN

The properties of molybdenum nitride coatings obtained by cathodic arc evaporation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wśród wielu technik nakładania powłok Mo-N: rozpylania magnetronowego AC i DC, implantacji jonowej, katodowego odparowania łukowego, ta ostatnia jest najbardziej wszechstronna ze względu na duży stopień jonizacji. Powłoki otrzymywane tą metodą charakteryzują się dużą gęstością i dobrą jakością. Struktura fazowa powłok Mo-N silnie zależy od parametrów technologicznych ich nakładania, głównie od ciśnienia azotu w komorze roboczej i napięcia polaryzacji podłoża. Wzrost ciśnienia azotu powoduje zmianę mikrostruktury fazowej z sieci regularnej przestrzennie centrowanej molibdenu Mo, przez regularną γ-Mo 2 N do heksagonalnej δ-MoN (rys. 1, 3). Fazy te ze względu na różne struktury sieci krystalograficznej charakteryzują się różnymi właściwościami fizycznymi. Reakcje na powierzchni powłoki są bezpośrednio związane z energią cząstek, a ta pośrednio z napięciem polaryzacji podłoża podczas procesu formowania powłoki i prądu wyładowania źródła łukowego. Wzrost napięcia polaryzacji podłoża inicjuje tzw. rozpylanie wsteczne powłoki, podczas którego zachodzi wybijanie atomów azotu z powłoki. Wpływa to na zmiany w składzie chemicznym (rys. 4) i morfologii powłok. Jest ono prawdopodobnie przyczyną tworzenia się regularnej fazy γ-Mo 2 N w warunkach występowania fazy heksagonalnej δ-MoN (rys. 2 i 3). Katodowe odparowanie łukowe – metoda nakładania powłok Mo-N – charakteryzuje się z jednej strony dużą szybkością nanoszenia, z drugiej natomiast gorszą jakością powierzchni w porównaniu z na przykład metodą rozpylania magnetronowego. Występuje dość duża liczba makrocząstek na powierzchni powłoki zależna od ciśnienia azotu i napięcia polaryzacji podłoża (tab. 1). Chropowatość powierzchni Ra powłoki nakładanej przy napięciu polaryzacji podłoża powyżej –70 V jest stosunkowo niewielka i prawie niezależna od ciśnienia azotu. Powłoki otrzymywane przy napięciu polaryzacji –10 V charakteryzują się ponad dwukrotnie większą chropowatością Ra malejącą ze wzrostem ciśnienia cząstkowego azotu (rys. 6).

EN

Among the many techniques for coating Mo-N coating deposition: AC and DC magnetron sputtering, ion implantation, cathodic arc evaporation, the latter one is the most comprehensive because of the high degree of ionization of the plasma, high density and quality of the coatings. Phase structure of Mo-N coatings is strongly dependent on the technological parameters of deposition, mainly on the nitrogen pressure in the working chamber and the substrate bias voltage. The increase of nitrogen pressure changes the phase structure of body-centered cubic lattice of molybdenum Mo, by cubic γ-Mo 2 N to the hexagonal δ-MoN (Fig. 1, 3). These phases, due to different structure of the crystal lattice show different physical properties. From the energetic point of view, reactions on the film surface are directly related to energy particles, and this indirectly with substrate bias voltage during film formation process and the current arc discharge source. The increase in substrate bias voltage initiates the resputtering of the coating, in which there is a reduction of nitrogen atoms in the coating. This affects the changes in chemical composition (Fig. 4) and the morphology of the coatings. It is likely the cause of formation of the cubic phase of γ-Mo 2 N in deposition conditions of the hexagonal δ-MoN phase (Fig. 2, 3). Cathodic arc evaporation – a method of deposition of Mo-N coatings, is characterized on the one hand, high deposition rate, on the other – poorer surface quality compared to e.g. magnetron sputtering method. There is a relatively large number of macroparticles on the surface of the coating depends on nitrogen pressure and substrate bias voltage (Tab. 1). Surface roughness Ra of the coating deposited at the substrate bias voltages above –70 V is relatively small and almost independent of nitrogen pressure. The coatings obtained at –10 V of substrate bias voltage are characterized by more than twice the surface roughness Ra decreasing with increasing partial pressure of nitrogen (Fig. 6).

Słowa kluczowe

PL

katodowe odparowanie łukowe; fazy MoN; chropowatość powierzchni; napięcie polaryzacji podłoża

EN

cathodic arc evaporation method; MoN phases; surface roughness; substrate bias voltage

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 5
• Strony: 477--480
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gilewicz A.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

autor

Warcholiński B.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

autor

Murzyński D.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Gulbiński W.: Cienkie warstwy do pracy w warunkach suchego tarcia w podwyższonej temperaturze. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin (2006).
• [2] Karta danych rentgenowskich JCPDS 42-1120.
• [3] Karta danych rentgenowskich JCPDS 24-0768.
• [4] Karta danych rentgenowskich JCPDS 25-1368.
• [5] Karta danych rentgenowskich JCPDS 75-1150.
• [6] Karta danych rentgenowskich JCPDS 25-1366.
• [7] Karta danych rentgenowskich JCPDS 25-1367.
• [8] Perry F., Baouchi A. W., Petersen J. H., Pozder S. D.: Crystal structure of molybdenum nitride films made by reactive cathodic arc evaporation. Surf. Coat. Technol. 54-55 (1992) 261÷265.
• [9] Ürgen M., Eryilmaz O. L., Çakir A. F., Kayali E. S., Nilüfer B., Işik Y.: Characterization of molybdenum nitride coatings produced by arc- -PVD technique. Surf. Coat. Technol. 94-95 (1997) 501÷506.
• [10] Suszko T.: Wysokotemperaturowe właściwości tribologiczne azotku molibdenu Mo2N domieszkowanego miedzią. Praca doktorska, ITME Warszawa (2005).
• [11] Kazmanli M. K., Ürgen M., Çakir A. F.: Effect of nitrogen pressure, bias voltage and substrate temperature on the phase structure of Mo-N coatings produced by cathodic arc PVD. Surf. Coat. Technol. 167 (2003) 77÷82.
• [12] Oden M., Almer J., Hakansson G.: The effects of bias voltage and annealing on the microstructure and residual stress of arc-evaporated Cr-N coatings. Surf. Coat. Technol. 120-121 (1999) 272÷276.
• [13] Wang D. Y., Weng K. W.: Deposition of CrN coatings by currentmodulating cathodic arc evaporation. Surf. Coat. Technol. 137 (2001) 31÷37.
• [14] Warcholinski B., Gilewicz A., Ratajski J., Kuklinski Z., Rochowicz J.: Ananalysis of macroparticle-related defects on CrCN and CrN coatings in dependence of the substrate bias voltage. Vacuum 86 (2012) 1235÷1239.
• [15] Sarioglu C., Demirler U., Kazmanli M.K., Urgen M.: Measurement of residual stresses by X-ray diffraction techniques in MoN and Mo2N coatings deposited by arc PVD on high-speed steel substrate. Surf. Coat. Technol. 190 (2005) 238÷243.
• [16] Su Y. D., Hu C. Q., Wen M., Wang C., Liu D. S., Zheng W. T.: Effects of bias voltage and annealing on the structure and mechanical properties of WC0.75N0.25 thin films. J. Alloys Compd. 486 (2009) 357÷364.
• [17] Wan X. S., Zhao S. S., Yang Y., Gong J., Sun C.: Effects of nitrogen pressure and pulse bias voltage on the properties of Cr-N coatings deposited by arc ion plating. Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 1800÷1810.
• [18] Romero J., Gómez M. A., Esteve J., Montalà F., Carreras L., Grifol M., Lousa A.: CrAlN coatings deposited by cathodic arc evaporation at different substrate bias. Thin Solid Films 515 (2006) 113÷117.
• [19] Creasey S., Lewis D. B., Smith I. J., Munz W. D.: SEM image analysis of droplet formation during metal ion etching by a steered arc discharge. Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 163÷175.
• [20] Munz W. D., Smith I. J., Lewis D. B., Creasey S.: Droplet formation on steel substrates during cathodic steered arc metal ion etching. Vacuum 48 (1997) 473÷481.
• [21] Harris S. G., Doyle E. D., Vlasveld A. C., Dolder P. J.: Dry cutting performance of partially filtered arc deposited titanium aluminium nitride coatings with various metal nitride base coatings. Surf. Coat. Technol. 146-147 (2001) 305÷311.
• [22] Harris S. G., Doyle E. D., Wong Y. C., Munroe P. R., Cairney J. M., Long J. M.: Reducing the macroparticle content of cathodic arc evaporated TiN coatings. Surf. Coat. Technol. 183 (2004) 283÷294.
• [23] Michalski A. J.: Fizykochemiczne podstawy otrzymywania powłok z fazy gazowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa (2000).
• [24] CRC Handbook of Chemistry and Physics. 82 ed. CRC Press LLC, (2001÷2002).
• [25] Dobrzański L. A., Dobrzańska-Danikiewicz A. D.: Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich. Open Access Library 5 (2011) 1÷480.

Uwagi

PL

Praca współfinansowana ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, działanie 1.3 – 2007÷2013. Tytuł projektu: Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna.