OVLIVNENÍ SUBSTRÁTU SLINUTÉHO KARBIDU IONTOVÝM BOMBARDEM PRED PVD DEPOZICÍ TENKÝCH VRSTEV

Transkript

1 OVLIVNENÍ SUBSTRÁTU SLINUTÉHO KARBIDU IONTOVÝM BOMBARDEM PRED PVD DEPOZICÍ TENKÝCH VRSTEV IMPACT OF ION BOMBARDMENT ON A SINTERED CARBIDE SUBSTRATE PRIOR TO THIN FILM PVD DEPOSITION Antonín Kríž ZCU v Plzni, Univerzitní 22, Plzen, kriz@kmm.zcu.cz Abstrakt Tento príspevek svými experimenty navazuje na výsledky presentované na predchozí konferenci METAL 03 pod názvem Vliv iontového bombardu na vlastnosti systému vytvárených PVD technologií. V záveru citovaného príspevku bylo konstatováno, že na povrchový stav substrátu mají vliv nejen parametry preddepozicního iontového bombardu, ale i jeho vlastnosti. S ohledem na problematiku iontového bombardu slinutých karbidu byly zvoleny ruzné slinuté materiály lišící se chemickým složením a velikostí karbidických zrn. Tento pokracující príspevek sleduje svými experimenty korelaci mezi stavem povrchu substrátu ovlivneného iontovým bombardem a výslednými vlastnostmi systému tvoreného vrstvou TiAlSiN. Opet je venována pozornost materiálovému vlivu substrátu v souvislosti s chemickým složením a strukturou. Vlastnosti jsou popsány výsledky tribologické analýzy Pin-on-Disc, adhezivne-kohezivním chováním sledované vnikací metodou, hloubkovými koncentracními profily spektrální analýzy. K dokumentaci byl použit svetelný i rádkovací elektronový mikroskop. Experiments conducted within this study follow up previous results, which had been presented at last-year METAL 03 conference. The article was titled Influence of ion bombardment upon properties of PVD-produced systems. Conclusions of the said article included the finding that the surface state of substrate is controlled not only by the parameters of prior ion bombardment but also by its properties. With regard to issues involved in ion bombardment of sintered carbides, different sintered materials have been selected for experiments. The difference consisted in chemical composition and grain size. This follow-up study traces the correlation between the substrate surface state, which had been influenced by ion bombardment, and resulting properties of the TiAlSiN thin film system. The effects of substrate properties with reference to chemical composition and structure has been investigated. For this purpose, Pin-on-Disc tribological test, indentation method describing the adhesive cohesive behaviour of the film and measurements of depth concentration profiles by means of spectral analysis have been used. Micrographs have been taken with use of light and scanning electron microscopes. 1. ÚVOD Jak již bylo uvedeno, tento príspevek navazuje na predchozí experimenty, jejichž závery byly uvedeny v práci[1], kde byl prokázán nejen vliv parametru preddepozicního procesu iontového bombardu, ale i vliv použitého substrátu - slinutého karbidu. Z tohoto duvodu nebude již v tomto clánku venována pozornost teoretickému popisu degradacních procesu slinutých karbidu iniciovaných iontovým bombardem, které jsou podrobne uvedeny v citované práci. 1

2 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Snahou provedených experimentu bylo zachytit vliv strukturního složení a velikosti zrn slinutých karbidu na degradacní procesy vyvolané následkem iontového bombardu, jehož vliv parametru byl rovnež sledován. Následující tabulka 1 zachycuje parametry použitých substrátu slinutých karbidu. Dalším cílem bylo provést korelaci mezi výslednými vlastnostmi systému tenká vrstva substrát a procesy sledovanými na substrátu po iontovém bombardu. Z tohoto duvodu byla depozice rozdelena na dve cásti. V první cásti (proces ) byl proveden pouze iontový bombard aplikovaný na uvedených substrátech. Tyto vzorky jsou oznaceny jako 1_26 až 4_26 (první císlo zachycuje použitý substrát). Druhý proces ( ) byl již kompletní tj. byly použity stejné podmínky preddepozicního procesu a následne depozice vrstvy TiAlSiN. Pro tuto vrstvu je charakteristické, že v oblasti rozhraní tenká vrstva substrát je adhezní monovrstva TiN. Tyto vzorky jsou oznaceny jako 1_29 až 4_29. Parametry techto procesu jsou zachyceny v tabulce 2. Parametry iontového bombardu byly zvoleny tak, aby se projevil vliv procesu na degradacní deje kobaltu v povrchových lokalitách substrátu. Z tohoto duvodu byla doba procesu oproti bežne používané technologii zdvojnásobena. Tabulka 1 Složení použitých slinutých karbidu Table 1 Chemical composition of sintered carbides znacení Pramet obsah WC Co TiC (Ta,Nb)C str. vel.zrn WC 1 S ,5 2 H10 91,5 7-1,5 1 3 H30 90,4 9-0,6 3 4 HF ,8 Tabulka 2 Parametry depozice a iontového bombardu Table 2 Deposition and ion bombardment parameters Parametr iontového bombardu ozn. procesu Tlak pred zacátkem procesu (Pa) 0,0056 0,0047 Teplota pred zacátkem procesu Doba cištení obloukem (min) Tlak behem cištení obloukem (Pa) 0,095 0,105 Bias behem cištení obloukem (V) Proud.hustota pri cištení obloukem (ma/cm2) 0,4 0,4 Teplota po skoncení iont.cištení 450 C 450 C Parametry procesu depozice vrstvy TiAlSiN tlak N 2 2,5 Pa 1. nosná vrstva: proud Ti 150A 2

3 proud AlSi bias teplota 120A 100V 450 C cca 2?? m 2. monovrstva AlSiTiN s vysokým oibsahem AlSi cca 0,5?? m 3. PROVEDENÉ ANALÝZY K potrebnému citlivému zachycení vlivu preddepozicního procesu iontového bombardu na povrchový stav substrátu a posléze i vlastnosti celého systému byly použity následující laboratorní analýzy a prístroje. Stav povrchu byl ve všech prípadech dokumentován nejen pomocí svetelného mikroskopu, ale i rádkovacím elektronovým mikroskopem. U vzorku 1_26 až 4_26 (tj. pouze iontove bombardovaných bez depozice) byla venována pozornost predevším lokalitám kobaltu, kde nastala zmena. Pomocí obrazové analýzy byly kvantifikovány titanové makrocástice. Pri vyhodnocování povrchu pomocí rádkovacího elektronového mikroskopu bylo s úspechem využito energiove disperzní mikroanalýzy. Pomocí spektrální mikroanalýzy GD-OES[1] byl u všech vzorku proveden hloubkový koncentracní profil. Hlavní pozornost byla opet venována prubehu kobaltu a titanu v povrchové lokalite substrátu. U všech vzorku byla provedena tribologická analýza metodou PIN-on-DISC [2]. Pro tuto analýzu byly použity následující parametry: materiál PIN telíska kulicka z Al 2 O 3 o polomeru 6 mm, zatížení F=10 N, polomer 4mm. Pocet cyk lu byl volen tak, aby se projevil vliv nejen iontove ovlivnené povrchové vrstvy substrátu, ale i neovlivneného materiálu. Z tohoto duvodu bylo u vzorku bez vrstvy použito cyklu a u vzorku s vrstvou cyklu. Tribologická stopa byla ve všech prípadech opet zdokumentována pomocí svetelného i rádkovacího elektronového mikroskopu. Pozornost byla venována i prubehu koeficientu trení a tribologické stope, jejíž profil byl rovnež zdokumentován. Po ukoncení testu byl vyhodnocen i rozsah poškození (oteru) PIN telíska. U vzorku, které byly po iontovém bombardu opatreny vrstvou TiAlSiN probehlo sledování adhezivne-kohezivních vlastností vnikací metodou[3]. Cílem bylo zachytit a popsat vliv iontového bombardu na adhezivne-kohezivní vlastnosti celého systému. Bohužel se v tomto prípade výrazneji než adhezivne-kohezivní chování tenké vrstvy projevil vliv substrátu. Poznatky získané ztohoto experimentu jsou cenné vtom, že jednoznacne prokazují casto opomíjeny vliv vlastností substrátu. U vzorku 1_29 došlo následkem pnutí iniciovaného vnikáním Rockwellova hrotu pri zatížení 1495 N k odtržení povrchové cásti substrátu. I v dalších prípadech se výrazneji projevil strukturní vliv substrátu než degradacní proces iniciovaný iontovým bombardem. Pri vyhodnocování adhezivne-kohezivního chování byla tato skutecnost zohlednena. S ohledem na množství informací a prostorové možnosti príspevku budou uvedeny snímky s podrobným hodnocením pouze u v praxi nejcasteji používaného substrátu uvedeného pod císlem 4. Ostatní vzorky budou popsány a snímky zachycující jejich stav budou uvedeny pri presentaci prednášky. Pro prehlednost budou uvedena hodnocení dle císelného oznacení. Jako první bude venována pozornost vzorku exploatovaným iontovým bombardem a následne vzorkum s vrstvou TiAlSiN. 4. VYHODNOCENÍ VLIVU IONTOVÉHO BOMBARDU 4.1. Vzorek 1_26 Na povrchu iontove exploatovaného vzorku je témer souvislá vrstva titanu (75% pokrytí). Pro její kompaktnost nelze vizuálne vyhodnotit stav kobaltu. Na povrchu je minimální množství klasických titanových makrocástic. Jejich velikost je však pomerne znacná mnohdy se pohybuje až okolo 20? m. Z výsledku hloubkového koncentracního profilu 3

4 vyplývá plošná souvislost této vrstvy. U zbylých trí vzorku nebylo analyzováno tak vysoké povrchové procento titanu. S ohledem na množství titanu v substrátu nenastává u tohoto vzorku tak výrazný pokles jeho koncentrace s hloubkou. Koeficient trení vzrost z pocátecní hodnoty 0,3 na témer ustálenou hodnotu 0,58. Z pozorování tribologické stopy vyplynula prícina této pomerne vysoké hodnoty. Souvislá vrstva mekkého titanu se plasticky deformovala a docházelo k vytvárení tzv. váznoucí vrstvy. Následkem toho docházelo k výraznému oteru PIN telíska (302? m), pricemž stopa dosahovala pouze šírky 70? m Vzorek 2_26 Jedinou prítomností titanu na povrchu tohoto vzorku jsou vyskytující se makrocástice titanu. Jejich množství je podstatne vetší než u predchozího vzorku (1_26) avšak nedosahují tak výrazné velikosti - 5? m. Ze snímku povrchu i z hloubkové koncentracní krivky vyplývá, že u tohoto vzorku došlo k vetšímu povrchovému úbytku kobaltu. Pro povrch tohoto vzorku jsou tak dominantní karbidická zrna. Koeficient trení na pocátku vzrostl z 0,3 na hodnotu 0,45. Po cca cyklech se koeficient trení ustálil na hodnote 0,3. Prubeh koeficientu trení byl poznamenán stavem povrchu, kdy v hodnote jeho rozptylu (i v okamžiku ustálení se pohybovala okolo 0,05) projevila vystupující tvrdá karbidická zrna a chybející místa kobaltu bez prítomnosti titanu. I pres prítomnost velmi tvrdých karbidických fází a vyšší drsnost povrchu nenastalo výrazné poškození PIN telíska (250? m). Naopak stopa dosahovala šírky okolo 140? m Vzorek 3_26 U tohoto vzorku byl prubeh hloubkové koncentracní krivky obdobný jako u predešlého vzorku (2_26) avšak zpusob rozložení titanu na povrchu více odpovídal vzorku 1_26. Na povrchu byly souvislé oblasti titanu (30%). Titan byl predevším v míste chybejícího kobaltu a vystupoval nad povrch pomerne cistých karbidických zrn. Koeficient trení vzrost z puvodních 0,15 na ustálenou hodnotu 0,45 s rozptylem jež odpovídal bežne ovlivnené tribologické stope. Tribologická stopa vykazovala malé množství povrchového titanu, který však nedosahoval tlouštky jako u vzorku 1_26. Zrejme z tohoto duvodu nenastalo vytvorení tzv. váznoucí vrstvy, která by zaprícinila vyšší koeficient trení. Poškození PIN telíska (260? m) bylo shodné tak jako šírka tribologické stopy (140? m) s predchozím vzorkem (2_26) Vzorek 4_26 Povrch tohoto vzorku je co do charakteru podobný povrchu vzorku 2_26. Opet je na povrchu pomerne velké množství malých makrocástic (do 5?? m). S ohledem na velmi jemnou strukturu strední velikost karbidických zrn 0,8? m, je obtížné i pomocí rádkovacího elektronového mikroskopu identifikovat rozsah odstranení kobaltu z povrchu. Z provedené bodové energiove disperzní mikroanalýzy vyplývá, že titan není v lokalitách chybejícího kobaltu. Z hloubkové koncentracní krivky nevyplývá výrazný úbytek kobaltu. Koeficient trení po pocátecním nárustu z hodnoty 0,32 na 0,45 opet klesl na ustálenou hodnotu 0,35. Témer po celou dobu dosahovala hodnota rozptylu okolo 0,15, až ke konci se rozptyl snížil na hodnotu 0,5. V tribologické stope nebyl zachycen titan. Pouze, tak jako ve všech prípadech byly místy zachyceny oblasti s ulpíváním materiálu z PIN telíska a odstraneného materiálu slinutého karbidu predevším kobaltu. Zvláštností je, že poškození PIN telíska dosahovalo nejnižších hodnot (215? m), pricemž tribologická stopa dosahovala naopak nejvyšších hodnot (180? m). 4

5 V následujících kapitolách budou uvedeny sledované vlastnosti analyzované na systému tvoreným iontove bombardovaným substrátem a vrstvou TiAlSiN. Jak již bylo uvedeno použitý iontový bombard byl stejných parametru, jako u predchozích vzorku bez vrstvy. U techto systému nebude venována pozornost stavu povrchu vrstvy, nebot rozložení makrocástic ve vrstve nemusí korespondovat s rozložením makrocástic vzniklých v preddepozicním procesu Vzorek 1_29 Z hloubkového koncentracního profilu, který zachycuje nejen chemické složení vrstvy, ale i substrátu vyplývá, že na povrchu substrátu je pomerne znacné množství titanu. Množství kobaltu v povrchových lokalitách substrátu nedoznalo výraznejších zmen. Tak jako u všech následne popisovaných systému je na rozhraní vrstva substrát vrstva TiN. U tohoto vzorku obsahuje substrát pomerne vysoké množství (15%) titanu - TiC. Koeficient trení se po celou dobu pohyboval na hodnote okolo 0,7 srozptylem 0,1. Z prubehu koeficientu trení není patrné, kdy došlo k odhalení substrátu. Z profilu tribologické stopy vyplývá, že její hloubka je okolo 3,4? m, tj. zasahuje již do substrátu. Šírka tribologické stopy je 529?m, pricemž v substrátu je odhalena stopa o rozmeru 84? m. Behem tribologické analýzy došlo k oteru PIN telíska o prumeru 175? m. Na snímcích z rádkovacího elektronového mikroskopu je v míste stopy sahající až do substrátu zachycena tzv. váznoucí vrstva titanu. I pres postupný prechod PIN telíska vrstvou až k substrátu nenastala zmena v hodnote koeficientu trení. Adhezivne-kohezivní vlastnosti systému hodnocené vnikací metodou byly klasifikovány stupnem A2/K3. Jak již bylo uvedeno, u tohoto vzorku se výrazneji, než adhezivne-kohezivní vlastnosti systému projevily vlastnosti substrátu, nebot vtiskem iniciované pnutí vyvolalo jeho destrukci Vzorek 2_29 U tohoto vzorku je z hloubkového koncentracního profilu z analýzy GD-OES prokazatelné, že v povrchové lokalite substrátu nastala zmena v rozložení kobaltu. Z prubehu koncentracních krivek byla stanovena hloubka zmeny na 0,1? m. Tato hodnota je v souladu se zkušenostmi, které byly získány z pozorování pouze iontove bombardovaného substrátu. Z uvedených zkušeností i z koncentracních krivek vyplývá, že iontovým bombardem se u zmíneného systému neinicioval vznik titanové vrstvy na povrchu substrátu. Po zhruba cyklech klesl koeficient trení z puvodní hodnoty 0,75 na hodnotu 0,45. Tato hodnota byla zjištena i u vzorku 2_26. Shoda techto hodnot rovnež poukazuje na stejný stav povrchu substrátu. Šírka tribologické stopy je 562? m, pricemž v substrátu je odhalena stopa o rozmeru 307? m. Rozmery tribologické stopy napovídají, že velká cást tribologického testu byla již po odhaleném substrátu. Tomu odpovídá i znacné poškození PIN telíska, které dosáhlo hodnoty 326? m. Detailní pozorování strední cásti tribologické stopy opet potvrdilo, že na povrchu substrátu se vytvorila pouze zanedbatelná vrstvicka titanu. Adhezivne - kohezivní chování systému bylo hodnoceno klasifikacním stupnem A2/K3, kdy opet prevládá kohezní poškození vrstvy. Rozmerove zanedbatelná adhezní poškození jsou predevším vyvolána kohezními defekty Vzorek 3_29 Obdobne, jako u predchozího vzorku nastala i u tohoto vzorku zmena koncentrace kobaltu na povrchu substrátu. Tato zmena je patrna z hloubkových koncentracních krivek, ale i ze snímku stredu tribologické stopy zasahující do substrátu. Pri iontovém bombardu se na povrchu substrátu vytvorila místy souvislá vrstva titanu - obdobne jako byla pozorována 5

6 u vzorku 3_26. Opet tato místa výskytu titanové vrstvy korespondují s lokalitami, kde je úbytek kobaltu. Tribologické vlastnosti je v tomto prípade obtížné hodnotit, nebot pri testu PIN-on-DISC došlo k uvolnení upevnení vzorku a následkem toho ke zmene trajektorie, címž se vytvorily dve protínající se tribologické stopy. Tato událost se odehrála zhruba v cyklech. Zbytek cyklu se již PIN telísko pohybovalo po nové dráze, na které v záveru nastalo poškození vrstvy až do oblasti substrátu. První tribologická stopa mela šírku 496? m, druhá dosahovala šírky 575? m. U tohoto vzorku se více než kde jinde projevil prednostne vliv materiálu substrátu pred adhezivne-kohezivním chováním systému tenká vrstva-substrát. Tento substrát má prumernou velikost karbidických zrn 3? m. S rostoucí hodnotou velikosti zrn dochází na jedné strane ke snižování ohybové pevnosti, na druhé však roste lomová houževnatost vyplývající z obtížnejšího šírení trhliny. Pnutí iniciované vniknutím Rockwellova indentoru melo za následek adhezní odtržení vrstvy ve vzdálených lokalitách. V okolí vtisku byla dominantní kohezivní poškození. Celkove byly defekty hodnoceny klasifikacním stupnem A4/K Vzorek 4_29 Jak již bylo uvedeno v úvodu, budou u tohoto vzorku uvedeny dokumentující snímky a grafy, jejímž cílem je priblížit slovní vyjádrení z predchozích popisu. Na obr.1. je zachycen prubeh hloubkových koncentracních krivek, z kterých vyplývá, že i u tohoto vzorku nastala následkem iontového bombardu zmena v koncentraci kobaltu. Tato zmena nedosáhla tak významného charakteru jako u predchozích systému. V oblasti rozhranní systému je pozorovatelná typická adhezní mezivrstva TiN. Zprubehu poklesu koncentrace titanu a ze snímku povrchu substrátu není duvod se domnívat, že se na jeho povrchu tento prvek vyskytuje. Obr. 1 Hloubkový koncentracní profil vzorku 4_29 Fig. 1 - Depth concentration profile of the 4_29 specimen Z prubehu koeficientu trení (obr.2) vyplývá, že pocátecní hodnota 0,75 byla konstantní po dobu cca 6000 cyklu, pak nastal jeho vzrust až k 0,9. Tato hodnota byla až na jeden okamžik konstantní po dobu cca cyklu. V záveru tribologického testu došlo k poklesu koeficientu trení až na hodnotu 0,6. Tato hodnota již odpovídá substrátu bez vrstvy. Narozdíl od vzorku 2_29, který má podobný povrchový stav substrátu nenastal pokles koeficientu trení až na hodnotu, která byla zjištena na vzorku 4_26 (koef. trení 0,32) tj. pouze iontove bombardovaném. Prícina vysoké hodnoty koeficientu trení je zrejme v pevne adhezne 6

7 ulpených cásticích obsahující jak materiál PIN telíska (Al 2 O 3 ), tak i substrátu vtribologické stope (obr. 3). V žádném prípade nebyl vysoký koeficient trení zpusoben, tak jako v nekterých predchozích prípadech, prítomností váznoucí titanové vrstvy. Vysokému koeficientu trení odpovídalo i nejvetší sledované opotrebení PIN telíska, které dosahovalo hodnoty 567? m (opotrebení u vzorku 3_29 není uvažováno, nebot tam nastala behem testu již popisovaná anomálie). Šírka tribologické stopy je 585? m, pricemž šírka odhaleného substrátu je 450? m. Adhezivne-kohezivní vlastnosti hodnocené vnikací metodou byly klasifikovány stupnem A1/K2. Tento systém tak dosahoval relativne nejlepších adhezivne-kohezivních výsledku. 4_29 pocet cyklu: ,9 0,8 0,7 koef. trení 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,000 0,032 0,064 0,096 0,128 0,160 0,191 0,223 0,255 0,287 0,319 0,351 0,383 0,415 0,447 0,479 Vzdálenost [km] Obr. 2 Prubeh koeficientu trení Fig. 2 - The course of friction coefficient a) b) Obr.3 Tribologická stopa zachycena pomocí a) svetelného mikroskopu; b) rádkovacího elektronového mikroskopu strední cást odkrytého substrátu s vyznacenými lokalitami bodové energiove disperzní mikroanalýzy. Fig.3 Tribological wear track micrograph obtained through a) light microscope; b) scanning electron microscope central part of the revealed substrate with marked locations, where energy-dispersive microanalysis has been performed. 7

8 Tabulka 3 Hodnoty chemického složení zjištené z bodové analýzy EDX Table 3 Chemical composition measured by EDX spot analysis Prvek Lokalita N 4,3 3,9 4,6 O 4,2 2,8 2,7 Al 1,6 1,8 1,8 Ti 1,4 1,4 1,6 Co 18,3 4,8 9,3 W 70,2 85, ZÁVER Z uvedených výsledku vyplývá, že ani extrémne zvolené podmínky iontového bombardu (dvojnásobný cas) nevyvolaly výrazné poškození substrátu. Na povrchu slinutého karbidu se v souvislosti s chemickým složením a velikostí karbidických zrn nepatrne zmenil obsah kobaltu, který byl v nekterých prípadech nahrazen titanem, který vytvárel až souvislé povrchové vrstvy. Prozatím nebyla prokázána žádná prímá souvislost mezi stavem povrchu substrátu a vlastnostmi celého systému. Krome prípadu, kdy došlo k výraznému úbytku kobaltu v povrchových lokalitách substrátu. Tato povrchová degradace se pak projevila ve výsledcích všech sledovaných vlastností vcetne trvanlivosti ostrí ovlivneného nástroje[1]. Z výsledku adhezivne-kohezivního chování vyplývá, jakou rozhodující roli mají v tomto prípade i vlastnosti substrátu. V prípade tribologického testu je rozhodující povrchový stav substrátu. Vlastnosti samotné vrstvy byly ve všech sledovaných prípadech shodné. V záveru analýzy bylo rozhodující, zda na povrchu substrátu byla vrstva titanu popr. zda se vytvárely adhezní vrstvicky z analyzovaného materiálu a PIN telíska. Další experimenty si budou klást za cíl najít materiál, který by bylo možné použít k iontovému bombardu nejen za úcelem, který má tento preddepozicní proces zajistit tj. ohrev a predevším ocištení, ale i pro zajištení lepších vlastností celého systému. Tento príspevek vznikl na základe rešení postdoktorandského grantu 106/03/P092 a spolupráce s firmou SHM s.r.o. LITERATURA [1] KRÍŽ, A.: Vliv iontového bombardu na vlastnosti systému vytvárených PVD technologií, Metal, Ostrava, [2] KRÍŽ, A.: Tribologická analýza Pin-on-Disc, Metal, Ostrava, [3] KRÍŽ, A.: Vlastnosti rezných nástroju s tenkými vrstvami TiN, ZrN. Disertacní práce, ZCU Plzen,

9 9