1、靶電流對CrCN薄膜機械性質(zhì)影響之研究楊玉森1?葉瀚文1?林嘉豪2?1國立高雄第一科技大學機械與自動化工程系2國立高雄第一科技大學工程科技研究所摘要摘要本研究利用反應(yīng)性非平衡磁控濺鍍於SKH51高速鋼表面上濺鍍CrCN薄膜，主要是要探討靶電流對CrCN薄膜機械性質(zhì)之影響。實驗固定參數(shù)為乙炔流量40%、氬氣25sccm、基板偏壓75V、基板頻率75KHz、工作距離9cm、基材轉(zhuǎn)速9rpm、離子轟擊電壓400V。改變靶電流參數(shù)由5A逐漸降至

2、1A。CrCN薄膜之晶體結(jié)構(gòu)及顯微組織是由XRD、TEM及拉曼分析。薄膜之摩擦係數(shù)及磨耗率是由ballondisk磨耗實驗量測。實驗結(jié)果顯示，薄膜之摩擦係數(shù)與磨耗率會隨靶材電流之增加而增加。在靶電流3A以上時，薄膜結(jié)構(gòu)為Cr23C6Cr7C3，摩擦係數(shù)介於0.5~0.6之間，隨著靶電流降低至2A以下時，薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷з|(zhì)DLC結(jié)構(gòu)嵌入碳化物CrC，摩擦係數(shù)由0.5降至0.26。磨耗率則由1.67E05mm3?N1?m1降至4.17E06m

3、m3?N1?m1。關(guān)鍵字:DLC、CrC、非晶質(zhì)英文摘要InthisstudytheCrCNfilmsaredepositedonhighspeedtoolsteel(SKH51)bythereactiveunbalancedmagronsputteringprocess.ThispaperisaimedtoinvestigatetheeffectsoftargetcurrentonthemechanicalpropertiesofCr

4、CNcoatings.ThecrystalmicrostructuresofCrCNfilmswereexaminedbyXRDTEMRamenthewearpropertiesweretestedbyballondisk.TheexperimentalresultsshowthatthefrictioncoefficientwearrateofCrCNfilmswereincreasedwithincreasingtargetcurr

5、ent.Attargetcurrentbiggerthan3AthecrystalstructurewasidentifiedasCr23C6Cr7C3phasethefrictioncoefficientwearrateoffilmsweretestedbetween0.5~0.61.67E05mm3?N1?m1respectively.Attargetcurrent2Athecrystalstructurewasidentified

6、tobeCrCimbeddedinDLCthefrictioncoefficientoffilmsdecreaseto0.26thewearrateisreducedfrom1.67E05mm3?N1?m1to4.17E06mm3?N1?m1.Keywd:DLC、CrC、amphous一、一、前言前言近來二十年來發(fā)展的陶瓷薄膜中，鉻系薄膜已廣泛應(yīng)用於各產(chǎn)業(yè)中，其中CrN薄膜是一個具有高硬度、高附著力、抗沾黏、高溫抗氧化性和耐蝕性，其中又

7、因抗沾黏的特性，使模具有良好的脫模力，故常被應(yīng)用在射出成型模具上[1]；CrC薄膜硬度為Hv1500~1800，雖然硬度低於CrN薄膜，但碳化鉻可提升材料的強度、韌性及減少磨耗行為。CrCN薄膜會隨著碳氮比例不同，具有CrC與CrN薄膜混合的特性，文獻指出當CrN膜中加入C元素後，形成之CrCN薄膜具更高硬度，微硬度HV2200~4430[23]、更好的耐磨性[4]及耐腐蝕性5，降低摩擦係數(shù)於0.4至0.5之間[3]，同時具有不錯的抗沾

8、黏性質(zhì)，但抗氧化性能及附著力因加入碳元素後有所下降[3]。當以CrC為基底添加N元素之CrCN薄膜，其硬度略為提升，約在Hv1600~20006，具有低摩擦係數(shù)約為0.27及耐磨料磨耗的特性。由於CrCN具有高硬C2H2flowrateN2flowrate=25sccm2.22.2薄膜晶體性質(zhì)檢測薄膜晶體性質(zhì)檢測晶體結(jié)構(gòu)則是利用低掠角X光繞射儀(LowAngleXRD)及穿透式電子顯微鏡(TEM)來判別；XRD激發(fā)源採用CuKα靶作為X

9、光源，特性波長1.54，操作電壓40kV，操作電流40mA，掃描速度32θmin，入射角1，繞射角度2θ角由30~80。穿透式顯微鏡之型號FEITecnaiG220STwin，發(fā)射源為六硼化鑭(LaB6)，加速電壓200Kv，試片製備利用punch擷取直徑3mm銅片，於特定參數(shù)下濺鍍十分鐘後，再以雙面電解拋光機(Twinjet)拋單面得到薄區(qū)，腐蝕液為30%磷酸。利用微光致螢光拉曼光譜儀來判斷薄膜中之SP2和SP3鍵結(jié)，本研究設(shè)定擷取拉

10、曼散射的遷移波數(shù)Range為900~1800cm1、Confocalhole為200μm、objective為100X，時間為10sec、laser強度633。2.32.3薄膜機械性質(zhì)檢測薄膜機械性質(zhì)檢測利用FUTURETECHFM700微硬度計進行鍍膜硬度量測，使用維克氏壓痕器為正四稜錐形的金剛石壓頭，其相對面夾角為136，加壓荷重為10g，持壓時間為10秒，並利用B.Jonsson提出的薄膜真實硬度轉(zhuǎn)換公式[8]計算。磨耗試驗係利用

11、球?qū)ΡP磨耗試驗機（Ballondiskweartester），對磨球採用AISI52100軸承用鉻鋼球，試驗在室溫無添加任何潤滑劑下進行對磨，其磨耗條件為施加荷重5N、迴轉(zhuǎn)半徑10mm、滑移速度0.3ms、磨耗距離為1000m，以量測薄膜與對磨材間的摩擦係數(shù)，並利用3D輪郭儀量測斷面面積，掃描探針為尖端45之鑽石探針，掃描速率為30μms，量測其磨耗軌跡並計算磨耗體積及磨耗率，其中磨耗體積之算式如式1.1所示，磨耗率則為評量薄膜耐磨耗性

12、之重要參考依據(jù)，計算方式為單位磨耗長度及單位荷重下之磨耗體積[9]。(1.1)???????????????????????????????111111111)()3631(2niiiniiiiiiixyyxyyyyyynxrRAV??其中V為體積，R為質(zhì)心半徑，A為不規(guī)則形狀面積。在刮痕實驗方面則以一200μm鑽石刮針對薄膜進行刮犁動作，其條件為10mmmin的速度、100Nmin荷重增加率，由10N到100N連續(xù)施加荷重，當鑽石刮針

13、穿透鍍膜到達基材表面，所對應(yīng)之荷重被稱為臨界荷重(Criticalload)，它可代表附著力的大小三、結(jié)果與討論三、結(jié)果與討論3.13.1成份及晶體結(jié)構(gòu)分析成份及晶體結(jié)構(gòu)分析在改變靶電流實驗中，CrCN薄膜經(jīng)Xray繞射檢測，如圖2所示?？闯霎敯须娏髟?A~3A時，為一寬化波，當隨著靶電流降低至2A以下，在繞射角2Θ為44及65有明顯峰值產(chǎn)生，為CrC(002)、(022)；為進一步確認其晶體結(jié)構(gòu)，利用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察靶電