Microstructure and hardness of magnetron (Cr, Si)N coatings with up to 30 at. % Si

• Autorzy: Grzonka J. , Mania R. , Zimowski S. , Morgiel J.

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i twardość magnetronowych powłok (Cr, Si)N zawierających do 30% at. Si

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The reactive magnetron sputtering of Cr and CrSi targets having from 2 to 30 at. % Si was applied to deposit coatings on silicon substrates heated up to 600°C. The coating microstructure was characterized using TECNAI FEG (200 kV) transmission electron microscope equipped with EDS attachment. Thin foils were prepared showing coating microstructure both in plan-view and cross-section. The investigations showed that coatings of up to 2 um thickness were all characterized by a columnar microstructure. The analysis of the electron diffractions indicated only presence of the cubic CrN phase. The high resolution observation confirmed presence of high defect density in all coatings, but excluded presence of amorphous phase at crystallites boundaries. The EDS analysis helped to prove, that silicon was distributed uniformly within the coatings and its level exceed by 1÷3 at. % the one in the respective CrSi targets used for their deposition. The silicon additions resulted in decrease of the average column diameter from ~100 to ~25 nm accompanied by hardness increase from ~14 to ~37 GPa.

PL

Powłoki (Cr, Si)N osadzono na podłoża krzemowe techniką reaktywnego rozpylania magnetronowego tarcz Cr oraz CrSi zawierających do 30 at. % Si z wykorzystaniem podłoży wygrzewanych do 600°C. Obserwacje mikrostruktury prowadzono z wykorzystaniem mikroskopu TECNAI FEG (200 kV) wyposażonego w przystawkę EDS. Cienkie folie zostały wycięte w sposób prezentujący powłoki w przekroju poprzecznym i równoległym do powierzchni. Przeprowadzone badania wykazały, że powłoki o grubości <2 um charakteryzuje budowa kolumnowa. Analiza ich dyfrakcji elektronowych wskazała na wyłączną obecność fazy typu CrN. Obserwacje wysoko- rozdzielcze potwierdziły duże zdefektowanie krystalitów, ale wykluczyły obecność fazy amorficznej w ich granicach. Analizy składu chemicznego wykazały, że stosunek krzemu do chromu w powłokach jest zawyżony od 1 do 3 at. % Si względem tego w tarczach, z których były osadzane. Wprowadzanie krzemu spowodowało obniżenie średniej szerokości kolumn ze ~100 do ~20 nm oraz równoczesny wzrost twardości z ~14 do ~37 GPa.

Słowa kluczowe

EN

nonocomposite coatings; hard coatings; CrN/Si3N4 coatings; transmission electron microscopy; magnetron sputtering

PL

powłoki nanokomozytowe; twarde powłoki; powłoki CrN/Si3N4; transmisyjna mikroskopia elektronowa; rozpylanie magnetronowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 31, nr 3
• Strony: 431--434
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Grzonka J.

autor

Mania R.

autor

Zimowski S.

autor

Morgiel J.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Science,

Bibliografia

• [1] Archer N. J.: The plasma assisted chemical vapor deposition of TiC, TiN and TiCxN1-x. Thin Solid Films 80 (1981) 221.
• [2] Park J. H., Chung W. S., Cho Y. R., Kim K. H.: Synthesis and mechanical properties of Cr-Si-N coatings deposited by a hybrid system of arc ion plating and sputtering techniques. Surf. Coat. Technol. 188-189 (2004) 425-430.
• [3] Helmersson U., Todorova, S., Barnett, S. A., Sundgren J.-E.: Growth of single-crystal TiN/VN strained-layer superlattices with extremely high mechanical hardness. J. Appl. Phys. 62 (1987) 481.
• [4] Barnett S. A., Shinn M.: Plastic and elastic properties of compositionally modulated thin films. Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1994) 481.
• [5] Veprek S., Reiprich S.: A concept for the design of novel superhard coatings. Thin Solid Films 268 (1995) 64-71.
• [6] Veprek S.: Conventional and new approaches towards the design of novel superhard materials. Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 15-22.
• [7] Li S., Shi Y., Peng H.: Ti-Si-N films prepared by plasma – enhanced chemical vapor deposition. Plasma Chem. Plasma Process 12 (1992) 287-297.
• [8] Diserens M., Patscheider J., Levy F.: Mechanical properties and oxidation resistance of nanocomposite TiN-SiNx physical-vapor-deposited thin films. Surf. Coat. Technol. 120-121 (1999) 158-165.
• [9] Kauffmann F., Baohua J., Dehm G., Gao H., Arzt E.: A quantitative study of the hardness of superhard nanocrystalline titanium nitride/silicon nitride coating. Scripta Materialia 52 (2005) 1269-1274.
• [10] Kauffmann F., Dehm G., Schier V., Schattke A., Beck T., Lang S., Arzt E.: Microstructural size effects on the hardness of nanocrystalline TiN/ amorphous-SiNx coatings prepared by magnetron sputtering. Thin Solid Films 473 (2005) 114-122.
• [11] Veprek S., Mannling H.-D., Karvankova P., Prochazka J.: The issue of the reproducibility of superhard nanocomposites with hardness of ≥50 GPa. Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 3876-3885.