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1、HCD法离子镀梯度镀层组成的研究台湾成功大学材料科学与工程系李世钦杨耀升?-摘要一般的高真空高E离子链会导致加丁钩表面粗糙u二物温度上升.因而影响镀层质而HCD珐j泼:这缺极适台下_I业应用.研究HCD弦t1孟温24-0c寻SKH51热作工具钢卜破覆Tlc.N?瑚爱哮豆镀改变反应气体组成百比lc:H:N,来探讨冀所彤镀膜特性关键词一HCDi塑旦塑兰盟学科码14055450302043055991引言三相(triphase)组成的碳氮化钛因为碳化钛膜的高硬度和氮化钛的高韧性,井具有高附着性优.因此其性质均较单一化的碳化钛或氯化钛镀层有较好的机械性质I1-51其中EDamondandPJacquo
2、t曾以不同组成的CBq比,做单一镀层的综合性质研究,其结果也是如此.而在离子镀不同的的镀层时,存在于镀层间的高应力极易使工具在使用中产生镀层脱落,缩短工具的使用寿命困此能减少镀层间应力的梯度层被覆便广受注意梯度层被覆乃是在被覆镀层的过程中,由改变不同的制程.如改变反应气体流量,改变电流小等方式,来达到镀层随着厚度的不同而逐渐改变其镀层组成,以获得低内应力的镀层nAIN及TiCN是梯度镀层中,两种较受注目的材料I其中由于TiC,TiN和TiC.N均为NaCl型结晶结构(crystallinestructure1.且TiC的晶格常数(1atticeconstant)为4347A,TiN晶格常数为4
3、238A.使得TiCN的晶格常数介于4238A和4347A之间随着C含量的增加其晶棒常数逐渐变大,因此在离子镀硬质薄膜时.镀层组织若能糟着厚度的成长而逐渐改变其组成.则和多层薄膜相(multilayer比起来,其不会有镀蛊与镀层间的内应力产生为了避免高温冉e处理制程影响离子镀薄膜的应用性质有许多研究者在低于250.C状态下离子镀硬质薄膜II本研究主要是利用空心阴极放电祛(HollowCathodeDischarge,HCD)在低温的状态下制备TiCN梯度硬质薄膜,井且利用各种分析仪器探讨在低温下所制备的TiCN梯度硬质薄膜的性质,并选择其中一种条件下所制备的TiCN梯度普男副教援牦犒2011(
4、10214f槲硬质薄膜,利用x光的各种技术来测量其优先结构方向,晶粒大小等相关常数.2试验方法21试片准备试片的基材使用经过淬火,回火热处理的JISSKH51三具钢.其硬度值为65HRC.试片的尺寸为25mm,厚度8mm在镀膜处理前,每一个试片都加以抛光至表面粗糙度达到算数平均值约为RaO3um试片的处理顺序如下:在丙酮中以超声波清洗5rain.并且在10%的HSO一溶液中酸洗l5s.接着放在三氯乙烯中脱脂5rain,在丙酮中以超声波清洗3rain,然后把试片保存在分析纯丙酮中,使其表面不会受到再次污染.进行HCD镀膜处理时.将试片从分析纯丙酮中取出干燥并且放入反应室中.在反应室中所有的试件被
5、固定在一个长方形夹具(1o0mm200mm)的中间点.图l所示为离子镀处理的流程.首先将反应室抽到真空度为】333I(rPa.再进行加热升温,温度稳定在240.C并且充入Ar气体使压力回升为l33322Pa.接下来将试片做离子清洗,在偏压l000V下使用Ar离子轰击20rain,然后抽真空到0266Pa进行离子镀穗目柏皿Rf翟障应气/,/.时n衄巨1离子镀处理的流程Fig1Linedrawofexperimentalprocedure鼍RHCD泣了镀梯度镀成晌,Il乍:表1固定的沉积条件基片温度沉积力主柬电参数慵压j桩氲柬既速240C266644Pa2o0A2OV8OVl5m1i130sccl
6、n表2变动的沉积参数Table2Variationparametersofdeposition12试片离子镀条件本研究以4组不同制程条件离子镀的试片做对照.表I至表2分别列出固定的和变动的沉积条件参数13分析试验设备使用GDOS(GlowDischargeOpticalSpecuOscopy)来测量镀层中Ti,C,N和Fe成分的分布情况GDOS仪器的发射源为直径4mm.所以分折的区域面积大约12mm.在连续离子镀表面的过程中使用离子柬,离子镀的条件为699V.214mA和150w为了了解梯度镀层其组成及结晶结构的变化:因此采用研磨(polishing)的方式逐渐研磨掉薄膜以便做1侧试.然而为避
7、免因为研磨过程影响到薄膜原来的状态,因此在研磨试片面是利用t3ueher公司所制造的自动研磨抛光轭设定载荷为04536kg.转速200r/rain.使用Buehler所生产的1m悬浮钻石抛光液作研磨材牡.每次研磨600S后做结晶结构测试.本研究每次的研磨厚度约为003004rn/次.在本文中各深度数据的获取方式是利用总研磨次数除以薄膜的总厚度,得到一个平均的研磨次数值.再依其厚度取其相对的测试数据.例如试片薄膜被研磨的总厚度为5m时研磨次数总计若为160次则平均为32次/m.则以第16次研磨后所删得的结果为深度05的数据薄膜厚度的洲量是在SEM中观察薄膜横断面.两点百z距离由仪器自动计算长度而
8、获得.用EDX做微,区域成分鉴定及线扫描(1inescan-操作条件加速电压20kV,电流lnAXray绕射分析是使用RigukuD/MaxIVXray绕仪以CuKl=I54052A)绕射来获得镀层相的从优取日射操条件设定在加速电压30kV,电流20mA愤删射角度的范围为3080,扫描速度为4/min.利用Xray来测量TiC,N梯度薄膜优先方向,在其【1I1)以及(222)缝射峰上还个重要的参数(FullWidthatHaltMaximumbAHM),亦被用来计算梯度薄膜中各深度的晶粒大个绕射峰上的半高宽度会受到晶牡的犬L和晶格的应变量e所影响.其影响程度可月下列两式表示:kI/Lcos0=
9、4etanl1)因此于绕射峰上半高宽度的总影响量可用+来表示.其中若假设其结晶晶粒为圆形则其形状因子k=1:则其半高宽度为:=I/LCOS0十4etan0f!在上面所提及的式子中.晶粒大小导致芈高宽度影响量a:晶格应变量导致半高宽厦影州量.:Xray绕射时的波长9:绕射角度:c应变量=L晶粒尺寸.上式适合于主绕射峰强度很强而第二绕射峰强度极弱时.用来计其晶粒大小及其内应力本研究由由于主绕射峰(I1【1强度和第二绕峰(222)强度均极为明显.因此若(I1II翻(222-的皇高宽分别为和其绕射角度为.和,剐利用l2)式可将其改为,一=!.一cos01sin0一p,cosOn01本研究利用【3)式来
10、探讨薄膜各不同深度层m晶粒大小的分布状态3试验结果与分析3I薄膜组成图2为不同制程条件,反应气体CH的流量,和分别以XIay及GDOS的不同方式所测得薄膜组成关系图,其中TiC,N梯度薄膜的组成成分自表面以每05m为一删试距离深度至基材的连续成分组成表.叫-.2小制程条件反体流鼍和以小H方t所删r薄组成的关系ig2RelationofcoatingstructurewithdifferentNowfatc,lteationgasesandpreparingconditiong在率研究中所镀出的TiCN梯度薄膜成分均L过化学计量(over.stoichometric)组成.且其筐醴着(cH,/N
11、+cH:)比值降低而趋近于I.其主要因素为在低温中所沉淀的TiC薄膜中部分含碳量较高的薄膜组成,无足够热量和时间由扩散咋用而达到较为平衡的状态.因此产生较多的过化学计量组成组织.当c,H流量比较大时:会有较不完全反应的现象产生使薄膜上生成含碳量较高的碳化物沉积于薄膜之中,而氮含量较多时一般则被真空系统所带走和碳元素比较起来,不会以氮化物沉积使在分析时产生含碳元素较高的过化学计量组成.由图2所示不管在哪一个制程条件i-其C/C+N的值均随着C,H/N+c,H的比值埠低而有哗低的趋势.可知薄膜中碳氯含量随着反应气体的变化趋势而改变.但是通入反应气体的比值耗实际生成的碳氮比例并不一致由于通八的反应气
12、体和钛形成反应的能量和结构均不同.在冶金热力学由Ti+N,_N+GITi.+c_+11c+G其中>G故三G二GG<(j.冈此碳元素比较容易和钛反应.所以少量的乙烯(cthylene反直气体在离子镀过程中即可生威TiC组成薄膜.披通八反应气体的比值和实际生成的碳氮比例并致.使在图2中.其反应气体流量C,H/N,+c,H的值都比以不同方式所测得薄膜组成巾所宙碟量百分比低在圈2制程条件为GV3和GV4利月rav分析得到晶格常数所推测的薄膜组成舅C/C+N的值均比用GDOS所测得的成分换算_m榍的薄膜组成C/C+N的值低,其素除了仪器,司.对亍所涮得的组成有不同的灵敏度之外.j蔓因素为使用
13、GDOS测量成分来推测薄膜组域是仅所侦测到的元素做百分比的分配.并末考虑到其间可能存在的缺陷,孔洞及杂物等素El影庖.但是x1ay扫描riCN梯度硬质薄噗再用晶格常数来推算其组成时容易受到缺陷f.洞及内应力等因素的影啊.故两者所推算的绀戒有所差异.在低温中所沉淀的_riC,N.薄膜中部分舍碳量较高的薄膜组成对于以GDOS酬量成分设备而言.无法别其是否为TiC,N薄膜组成或是碳元素的沉积,因此使其侦测结果均鞍xnv扫描结果为高在图2制程条件为GVl秆GV2时.其C:H/N+c的比值达到约20%时,其组敢是利用晶格常数所推测的薄膜组成.其C/C+N的值I均比用GDOS所测得的成分换算而得的薄膜组成
14、C/C+N的值高.推测主要因素是为当C,H,+cH的比值达到2O呢时,TiC,N摊度硬腰薄膜所含碳元素已高达50%以上使得部分含量较高的薄膜组成对于以GDOS删的影响鞍0另外由于是过化学计量组成.使以晶格常数推批自薄膜组成均较以GDOS测量为高.HCD法高了镀梯度镀层成的删李lll钹等3.2薄膜晶粒的大小砉乏盖图3不同制程条件各薄膜深度的晶粒太小关系圈Fig3Grainsizeatdifferentdepthofcoadngfordifferentpreparingconditions由图3所示.不管在那一制程条件.其晶粒的大小由基材至表面均是先逐渐变大再逐渐变小其从基材开始.由较小的晶粒而逐渐变大.是因为刚在薄膜成长初期仅有TiN成分.而随着薄膜成长时TiC组成的加入,使其晶粒逐5ji的成长.并当乙烯流量逐渐增加时,其反应生成TiC组成成分较多.而在TiC组成中一般均是以(200)或(222)面为晶格排列方式.影响了原本较有序的【11I)面晶格排列方式另外由于随着薄膜的成长.薄膜上面的实际温度较所侦测的温度为低.而且nC的融点温度较TiN为高,这两个原因在ThorntonS区域模型中均是使其由区域T结晶结构转变为区域I结构的重要因素.使得图3在晶粒达到一个最高值后又逐渐变小?ml.j
