CN1208498C - 一种氧化铬涂层制备工艺 - Google Patents

一种氧化铬涂层制备工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN1208498C
CN1208498C CN 02144707 CN02144707A CN1208498C CN 1208498 C CN1208498 C CN 1208498C CN 02144707 CN02144707 CN 02144707 CN 02144707 A CN02144707 A CN 02144707A CN 1208498 C CN1208498 C CN 1208498C
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix
chromium oxide
oxide coating
voltage
arc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 02144707
Other languages
English (en)
Other versions
CN1506492A (zh
Inventor
孙超
纪爱玲
闻立时
王启民
汪伟
汪爱英
郑静地
肖金泉
曹鸿涛
柯培玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Metal Research of CAS
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Metal Research of CAS filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Priority to CN 02144707 priority Critical patent/CN1208498C/zh
Publication of CN1506492A publication Critical patent/CN1506492A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1208498C publication Critical patent/CN1208498C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及一种氧化铬涂层制备工艺,采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,用氧气作反应气体,用Ar气作保护气体,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压,利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V,对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。采用本发明经济、无公害、沉积速度快,可在低温下沉积且致密度高。

Description

一种氧化铬涂层制备工艺
技术领域
本发明涉及氧化铬涂层,具体地说是一种氧化铬涂层制备工艺。
背景技术
在所有矿物和氧化物中,Cr2O3是最硬的材料之一。它具有极好的化学稳定性、抗高温性能、摩擦系数小等特点,可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外,Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差,作为太阳能吸收器的选择吸收层,也已经受到人们的广泛关注。以前研究结果表明,Cr2O3薄膜耐磨性能好和摩擦系数低,但硬度低于Cr2O3块体硬度值。
最近几年,哥伦布(美国俄亥俄州首府)的布山(Bhushan)等人在文献:[磁记录用氧化铬薄膜的摩擦性能研究(Tribological studies of chromium oxide films formagnetic recording applications),Bharat Bhushan,Gerad S.A.M.Theunissen,Xiaodong Li,固体薄膜(Thin Solid Films 311(1997)67~80)]中记载了利用溅射法制备出200nm厚的缺氧Cr2O3薄膜,其硬度值最高为29.5GPa。
瑞士(欧洲中部国家)的洪斯(P.Hones)等人在文献:[溅射工艺对Cr2O3薄膜的力学性能研究(Influence of depositon parameters on mechanical properties ofsputter-deposited Cr2O3 thin films),P.Hones and F.Levy,材料研究学报(J.Mater.Res.,Vol.14.NO.9,Sep 1999:3623~3629)]中记载了利用溅射法制备出2μm左右厚的Cr2O3薄膜,其硬度值最高达到32GPa。
目前,Cr2O3薄膜制备方法主要是溅射法和化学气相沉积法(CVD)。虽然这两种方法均可制备出Cr2O3薄膜,但每种方法都有其不足之处。溅射法多用靶材Cr2O3,成本高,并且所得多为非晶缺氧薄膜,热处理后,部分Cr2O3膜晶化,影响薄膜的性能,溅射法本身也有其不足之处:(1)在靶表面发生凹状侵蚀环,使整个靶的利用量仅达50%;(2)靶表面易变形开裂,因此,运行功率不能太高,使溅射速率受到限制。CVD是利用气相物质的热分解、热合成或化学传输等过程,在固体表面上生成固态沉积层的过程,利用CVD法,可通过分解Cr(C5H7O2)3和Cr(CO)6,获得了光滑平整的Cr2O3薄膜,但其也有不足之处:需要在高温下反应,因而对于可用来镀膜的基体材料种类加以限制,基体难于进行局部沉积,以及参加反应的源和反应后的余气都有一定毒性等,必须小心防护和操作。目前,未见采用电弧离子镀法制备氧化铬涂层的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、无公害、沉积速度快,可在低温下沉积且致密度高的氧化铬制备工艺。
为了实现上述目的,本发明技术方案是采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,用氧气作反应气体,用Ar气作保护气体,具体步骤如下:
1)抛光、清洗,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮或酒精中用超声清洗预处理;
2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2~6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2~8×10-2Pa,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压;
3)利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V;
4)对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。
所述真空室抽真空后,将基体加热至100~200℃后,再通入Ar气;所述高偏压为直流偏压或脉冲偏压;所述基体与靶材间距为:150~300mm;所述基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷;所述涂层厚度可视应用要求而通过控制生长时间来实现。
本发明具有如下优点:
1.一弧多用。本发明所述阴极电弧源既可作为蒸发源和离化源,又可作为加热源和轰击源,实现一弧多用。
2.本发明能实现低温沉积,室温下既可沉积致密均匀薄膜。
3.本发明入射粒子能量高,膜层致密度高、强度和耐久性好。
4.本发明沉积速度快,成膜速度快,可镀厚膜。
5.本发明绕镀性好。从铬靶阴极直接产生等离子体,不用熔池,镀膜过程中靶材保持固体状态,因而方位任意,可实现多源联合镀覆,转动基板机构简单,并可实现公转或自转,所以可镀覆任何形状的基体,绕镀性好。
6.本发明所用设备简单,采用低电压电源工作,使用安全,反应镀膜时,气氛的控制也是简单的全压力控制。
7.本发明成本低。采用纯铬靶,Ar气作保护原料,O2作反应原料,其原料易得,且成本低。
8.本发明无污染。由于不采用毒性、腐蚀性和危险性的气体,所以不存在环境污染。
9.本发明应用范围广。氧化铬涂层可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层。另外,Cr2O3薄膜太阳能吸收性能高和热发散性差,作为太阳能吸收器的选择吸收层。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同氧流量下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图2为本发明实施例2中不同脉冲偏压下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
图3为本发明实施例3中不同弧电流下沉积的Cr2O3薄膜的X射线衍射谱。
具体实施方式
本发明采用电弧离子镀法,制备了氧化铬涂层。该技术原理主要基于冷阴极真空放电理论,引弧电极在与阴极表面接触与离开的瞬间引燃电弧,一旦电弧被引燃,低压大电流电源将维持阴极和阳极之间弧光放电过程的进行,其电流一般为10~100安,工作电压为15-40V。这些辉点犹如很小的发射点,每个点的延续时间很短,约为几至几千微秒,在此时间结束后,电流就分布到阴极表面的其它点上建立起足够的发射条件,致使辉点附近的阴极材料大量地蒸发。
实施例1
所用设备为MIP-8-800型离子镀膜机,用纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,其电流为50A,电压为20V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为240mm,真空度达到8×10-3Pa时,先通入Ar气,压力为7×10-2Pa,镀膜前加-1000V的高偏压,所述高偏压为直流偏压,利用辉光放电轰击基体表面2min,弧电流Ia:50A,弧电压:20V,对基体轰击完后,通入氧气,只改变氧流量:60~190sccm,工作压强:6.0×10-1Pa,脉冲偏压为-300V,占空比为20%,沉积时间为30min,整个过程中均通入Ar气。
如图1所示,S代表基体,结果表明:利用电弧离子镀法可成功制备出Cr2O3薄膜。低氧流量时,在Cr2O3薄膜中发现存在未完全反应的Cr,其含量随氧流量的增加而减小,氧流量对Cr2O3薄膜的择优取向有较大影响,沉积速率随氧流量的增加而缓慢减小,在FO2=130sccm时,存在一明显转折点,超过130sccm后,沉积速率下降非常缓慢。
氧流量对薄膜的表面形貌有较大影响。低氧流量时,表面熔滴大且尺寸不均匀,数量多;氧流量较高时,表面熔滴小且均匀,数量少。
实施例2
与实施例1不同之处是:
直流电源的电流为100A,电压为40V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在酒精中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为150mm,装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2Pa,镀膜前加-700V的高偏压,所述高偏压为脉冲偏压;利用辉光放电轰击基体表面5min,弧电流Ia:50A,弧电压:20V;对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:130sccm,工作压强:4.0×10-1Pa,只改变脉冲偏压:0~-400V,占空比为20%,沉积时间为30min。
如图2所示,S代表基体,结果表明:偏压对薄膜的择优取向有较大的影响。在偏压为-100V时,Cr2O3呈现出(006)晶面择优取向;随着偏压的增加,(006)晶面X射线衍射峰消失,(300)晶面X射线衍射峰强度增加且为主要择优取向。Cr2O3薄膜的沉积速率随偏压增加而增大,但当偏压超过-200V时,沉积速率反而下降。这是由于较高偏压下,离子轰击作用增强,溅射过程明显所致。无偏压时,薄膜表面大熔滴多而尺寸不均匀;加偏压后,熔滴明显减少;随着偏压的增大,轰击作用增强,薄膜的表面质量得到改善。偏压对Cr2O3薄膜的硬度影响明显随着偏压的增大,硬度值增加,在Vp=-200V硬度值达到最大为36GPa。
实施例3
与实施例1不同之处是:
直流电源的电流为75A,电压为30V;基体尺寸为:15mm×10mm×2mm,材质为18-8不锈钢,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮中用超声波清洗15min,吹干后,放置于真空沉积室中的样品台上,基体与靶材的间距约为280mm,装炉后将真空室抽至真空度为6.0×10-3Pa,将基体加热至150℃后通入Ar气,压力为6×10-2Pa,镀膜前加-800V的高偏压,所述高偏压为脉冲偏压;利用辉光放电轰击基体表面3min,只改变弧电流Ia:30~60A,弧电压:20~40V;对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:130sccm,工作压强:8.0×10-1Pa,脉冲偏压为-300V,占空比为20%,沉积时间为30min。
如图3所示,S代表基体,结果表明:弧电流对氧化铬涂层的组织结构和表面形貌有较大影响。在Ia=30A时,出现了Cr2O3薄膜的(300)晶面X射线衍射峰的择优取向。随着弧电流的增大,(300)晶面X射线衍射峰的强度逐渐减小,而(104)、(110)晶面X射线衍射峰逐渐增强。随着电流的减小,膜层表面的熔滴明显减少,尺寸均匀,基本上无大颗粒,膜层致密且无孔洞。

Claims (5)

1.一种氧化铬涂层制备工艺,其特征在于采用电弧离子镀法,以纯铬作为阴极靶,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接在低压、大电流直流电源的负极和正极,所述直流电源的电流为10~100A,工作电压为15~40V,具体步骤如下:
1)抛光、清洗,基体经金相砂纸研磨抛光,在丙酮或酒精中用超声清洗预处理;
2)装炉后将真空室抽至真空度为2.0×10-2~6.0×10-3Pa,通入Ar气,压力为5×10-2~8×10-2Pa,镀膜前加-700V~-1000V的高偏压;
3)利用辉光放电轰击基体表面2~5min,弧电流Ia:30~60A,弧电压:15~40V;
4)对基体轰击完后,通入氧气,氧流量:60~270sccm,工作压强:4.0×10-1~8.0×10-1Pa,脉冲偏压Vp:0~-500V,占空比为0~40%。
2.按照权利要求1所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于真空室抽真空后,将基体加热至100~200℃后,再通入Ar气。
3.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于高偏压为直流偏压或脉冲偏压。
4.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于基体与靶材间距为:150~300mm。
5.按照权利要求1或2所述氧化铬涂层制备工艺,其特征在于基体为铁基、镍基合金、硬质合金或陶瓷。
CN 02144707 2002-12-06 2002-12-06 一种氧化铬涂层制备工艺 Expired - Fee Related CN1208498C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 02144707 CN1208498C (zh) 2002-12-06 2002-12-06 一种氧化铬涂层制备工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 02144707 CN1208498C (zh) 2002-12-06 2002-12-06 一种氧化铬涂层制备工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1506492A CN1506492A (zh) 2004-06-23
CN1208498C true CN1208498C (zh) 2005-06-29

Family

ID=34232071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 02144707 Expired - Fee Related CN1208498C (zh) 2002-12-06 2002-12-06 一种氧化铬涂层制备工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1208498C (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101307424B (zh) * 2007-05-16 2011-02-02 中国科学院金属研究所 一种氧化锆涂层制备工艺
CN100564266C (zh) * 2007-10-23 2009-12-02 南京大学 铁磁性铬氧化物纳米颗粒薄膜的低温低压气相制备方法
CN101805883B (zh) * 2009-02-13 2012-06-06 比亚迪股份有限公司 镀膜板及镀膜板的制备方法
CN104278234B (zh) * 2013-07-02 2017-02-22 中国科学院兰州化学物理研究所 一种室温到800℃宽温域自润滑涂层的制备技术
CN111334769B (zh) * 2020-04-02 2021-11-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种PbO-Cr2O3共掺杂薄膜及其制备方法与应用
CN112048702B (zh) * 2020-09-10 2022-07-01 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种航空发动机零部件涂层的制备方法
CN112962066A (zh) * 2021-02-04 2021-06-15 中国科学院兰州化学物理研究所 一种氧化铬宽温域自润滑自修复涂层的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1506492A (zh) 2004-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nakamura et al. Applications of wear-resistant thick films formed by physical vapor deposition processes
CN101444985B (zh) 一种非晶碳涂层及其制备方法和用途
Marechal et al. Silver thin films deposited by magnetron sputtering
EP3054200B1 (en) Piston ring
CN1208498C (zh) 一种氧化铬涂层制备工艺
CN1020158C (zh) 锗/硅红外光学镜头(片)镀类金刚石碳膜的方法
Yan et al. High power impulse magnetron sputtering and its applications
Kong et al. Microstructure and mechanical properties of Ti-Al-Cr-N films: Effect of current of additional anode
CN1056159A (zh) 太阳能选择性吸收膜及制备
CN114000115B (zh) 一种Ti-B-N纳米复合涂层及其制备方法
Nam et al. A study on plasma-assisted bonding of steels
CN100395371C (zh) 微波等离子体增强弧辉渗镀涂层的装置及工艺
CN112501553B (zh) 一种Mo掺杂型AlCrSiN/Mo自润滑薄膜及其制备方法
CN118234886A (zh) 通过溅射形成坚硬且超光滑a-C的方法
CN115896726A (zh) 一种MAX-Ag相复合涂层及其制备方法和应用
CN113667939B (zh) 具有高硬度与高温抗氧化性的Zr-B-N/ZrO2纳米多层复合涂层的制备工艺
CN113981385B (zh) 一种快速阴极电弧蒸发沉积硬质涂层的方法
CN113430488B (zh) 一种核反应堆燃料包壳纳米复合涂层及其制备方法
Bai et al. Effects of deposition parameters on microstructure of CrN/Si3N4 nanolayered coatings and their thermal stability
CN1015995B (zh) 铝合金表面离子沉积(Ti,Al)N硬质膜的方法
CN1219002C (zh) 一种用电子束物理气相沉积粘结层成分连续变化的梯度热障涂层的方法
CN1133756C (zh) C3n4/mn多层复合超硬薄膜及其合成装置和方法
CN111910161A (zh) 一种高功率单极脉冲磁控溅射CrSiCN膜的制备工艺
CN115404438B (zh) 高硬度与高耐磨性的AlCrSiN/AlCrMoSiN纳米多层复合涂层的制备工艺
CN1554801A (zh) 离子/等离子体辅助蒸发方法制备碳锗合金膜

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee