Wpływ napięcia polaryzacji podłoża na właściwości powłok CrN i CrCN otrzymywanych metodą katodowego odparowania łukowego

• Autorzy: Warcholiński B. , Gilewicz A.

Warianty tytułu

EN

Effect of substrate bias voltage on the properties of CrN and CrCN coatings obtained by cathodic arc evaporation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Azotki metali przejściowych formowane metodami PVD charakteryzują się właściwościami będącymi przedmiotem wielu zastosowań. Powłoki z azotku chromu wykazują większą odporność na utlenianie w porównaniu z innymi powłokami azotkowymi oraz dobrą odporność na zużycie. Wprowadzenie do azotku chromu niewielkiej ilości węgla poprawia właściwości użytkowe powłok: zwiększa ich twardość, obniża współczynnik tarcia i wskaźnik zużycia. Inną drogą poprawy właściwości powłok jest optymalizacja parametrów procesu ich formowania. W prezentowanej pracy opisano wpływ jednego z parametrów technologicznych, napięcia polaryzacji podłoża, na niektóre właściwości mechaniczne oraz stan powierzchni otrzymywanych powłok. Powłoki CrCN i CrN formowano metodą katodowego odparowania łuko- wego na podłożach ze stali szybkotnącej HS6-5-2. Zmiennym parametrem podczas procesu nanoszenia powłok było napięcie polaryzacji podłoża (w zakresie od –10 V do –300 V). Badano skład fazowy powłok, koncentrację powierzchniową i rozmieszczenie makrocząstek na powierzchni, twardość i ich przyczepność do podłoża. Wyniki badań wskazują, że ze wzrostem napięcia polaryzacji chropowatość powłok Ra zmniejsza się. Chropowatość powłok CrCN jest o połowę większa w porównaniu z powłokami CrN. Największa liczba makrocząstek na powierzchni powłoki zawiera się w przedziale wielkości do 1 μm. Przy niskich napięciach polaryzacji podłoża powłoki krystalizują w strukturze kolumnowej, wzrost napięcia powoduje zmniejszenie ziaren. Efekt ten jest szczególnie widoczny w powłokach CrCN. Twardość powłok CrN i CrCN jest zbliżona i zawiera się w przedziale od 18 GPa (dla powłok otrzymanych przy napięciu –10 V) do 26 GPa (–150 V). Przyczepność powłok CrN do podłoża zmniejsza się od 96 N do 74 N ze wzrostem napięcia polaryzacji od –10 V do –300 V, natomiast w przypadku powłok CrCN nie zależy od napięcia polaryzacji.

EN

Transition metal nitrides deposited using PVD methods are characterized by properties which are the subject of many applications. Chromium nitride coatings exhibit better oxidation resistance compared to other nitride coatings and good wear resistance. A small amount of carbon added to chromium nitride improves the properties of coatings: it increases their hardness, reduces coefficient of friction and wear rate. Another way of improving the properties of the coatings is to optimize the process parameters of deposition. This paper describes the effect of one of the technological parameters, the substrate bias voltage on some mechanical properties and surface quality of the coatings. CrCN and CrN coatings were deposited using cathodic arc evaporation on HS6-5-2 steel substrates. Variable parameter during the deposition pro- cess of the coating was the substrate bias voltage (in the range from –10 V to –300 V). The phase composition of coatings, the surface distribution of macroparticles, the hardness and adhesion were investigated. The results indicate that with increasing bias voltage of coatings’ surface roughness Ra is lower. Roughness of CrCN coatings is about 50% higher compared to the CrN coatings (Tab. 1). The largest number of macroparticles on the surface of the coatings is in the range up to 1 μm (Fig. 1, 2). At lower substrate bias voltages the coatings show column structure. The increase in voltage causes a reduction of grain. This effect is particularly evident in the CrCN coatings. The hardness of CrN and CrCN coatings is similar and ranges from 18 GPa (for coatings obtained at a bias voltage of –10 V) to 26 GPa (–150 V). CrN coatings adherence to the substrate is reduced from 96 N to 74 N with increasing bias voltage from –10 V to –300 V, while in the case of CrCN coatings does not depend on bias voltage.

Słowa kluczowe

PL

CrN; CrCN; napięcie polaryzacji podłoża; chropowatość powierzchni; twardość; próba zarysowania

EN

CrN; CrCN; substrate bias voltage; surface roughness; hardness; scratch test

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 5
• Strony: 460--463
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Warcholiński B.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

autor

Gilewicz A.

• Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Oden M., Ericsson C., Hakansson G., Ljungcrantz H.: Microstructure and mechanical behaviour of arc-evaporated CrN coatings. Surf. Coat. Technol. 114 (1999) 39÷51.
• [2] 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.
• [3] Wang D. Y., Weng K. W.: Deposition of CrN coatings by current-modulating cathodic arc evaporation. Surf. Coat. Technol. 137 (2001) 31÷37.
• [4] Bull S. J.: Can scratch testing be used as a model for the abrasive wear of hard coatings? Wear 233-235 (1999) 412÷423.
• [5] Huang S. W., Ng M. W., Samandi M., Brandt M.. Tribological behavior and microstructure of TiCxN(1−x) coatings deposited by filtered arc. Wear 252 (2002) 566÷579.
• [6] Anders A.: Cathodic arcs: from fractal spots to energetic condensation. Springer, New York (2008).
• [7] Warcholinski B., Gilewicz A., Ratajski J., Kuklinski Z., Rochowicz J.: An analysis of macroparticle-related defects on CrCN and CrN coatings in dependence of the substrate bias voltage. Vacuum 86 (2012) 1235÷1239.
• [8] 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.
• [9] Burakowski T.: Rozważania o synergizmie w inżynierii powierzchni, Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom (2004).
• [10] 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.
• [11] Chunyan Y., Linhai T., Yinghui W., Shebin W., Tianbao L., Bingshe X.: The effect of substrate bias voltages on impact resistance of CrAlN coatings deposited by modified ion beam enhanced magnetron sputtering. Appl. Surf. Science 255 (2009) 4033÷4038.
• [12] 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.
• [13] Rebholz C., Ziegele H., Leyland A., Matthew A.: Structure, mechanical and tribological properties of nitrogen-containing chromium coatings prepared by reactive magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 115 (1999) 222÷229.
• [14] Lee S. C., Ho W. Y., Lai F. D.: Effect of substrate surface roughness on the characteristics of CrN hard films. Mater. Chem. Phys. 43 (1996) 266÷273.
• [15] Holmberg K., Matthews A.: Coatings tribology: properties, mechanisms, techniques and applications in surface engineering. Tribology and Interface, Engineering Series, No. 86, Elsevier (2009).
• [16] Almer J., Odén M., Håkansson G.: Microstructure, stress and mechanical properties of arc-evaporated Cr-C-N coatings. Thin Solid Films 385 (2001) 190÷197.
• [17] Yao S. H., Su Y. L.: The tribological potential of CrN and Cr(C,N) deposited by multi-arc PVD process. Wear 212 (1997) 85÷94.
• [18] Ehiasarian A. P., Hovsepian P. Eh., Hultman L., Helmersson U.: Comparison of microstructure and mechanical properties of chromium nitridebased coatings deposited by high power impulse magnetron sputtering and by the combined steered cathodic arc/unbalanced magnetron technique. Thin Solid Films 457 (2004) 270÷277.
• [19] Lin J., Sproul W. D., Moore J. J, Wu Z. L., Lee S. L.: Effect of negative substrate bias voltage on the structure and properties of CrN films deposited by modulated pulsed power (MPP) magnetron sputtering. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 425305.
• [20] Tlili B., Mustapha N., Nouveau C., Benlatreche Y., Guillemot G., Lambertin M.: Correlation between thermal properties and aluminum fractions in CrAlN layers deposited by PVD technique. Vacuum 84 (2010) 1067÷1074.

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”.