Ny TiN belægning til temperatursensitive materialer
TiN er en velkendt, hård og slidstærk belægning med en karakteristisk gylden farve. TiN anvendes indenfor forskellige industrisegmenter til forbedring af ydeevne og levetid af værktøjer og komponenter. Derudover benyttes TiN til dekorative formål. Det kræver normalt en forholdsvis høj deponeringstemperatur at opnå en god kvalitet af en TiN belægning. Dette udelukker brugen af TiN belægninger på temperaturfølsomme overflader, som f.eks. hærdet lavlegeret stål, martensitisk rustfrit stål, nogle koldbearbejdede værktøjsstål og en række magnetiske materialer. Tribologicentret ved Teknologisk Institut har ved hjælp af en særlig PVD-teknik (Physical Vapor Deposition) udviklet en ny TiN belægning, som deponeres ved lav temperatur og derfor kan benyttes på temperaturfølsomme emner.
Sputtering
PVD omfatter en stor gruppe deponeringsteknikker til fordampning fra faste materialer i vakuum. Et eksempel er fordampningsteknikken DC magnetron sputtering (DCMS), hvor materiale fordampes fra et såkaldt target (f.eks. titanium) ved bombardement med gas-ioner (figur 1). Bombardementet sker, fordi de positive gas-ioner tiltrækkes af targetmaterialet via en påtrykt negativ spænding. Det fordampede materiale, som hovedsageligt består af neutrale partikler (atomer), kondenserer i form af en tyndfilm på de overflader, der skal belægges. Teknikken er meget alsidig og ved at anvende reaktive gasser, som f.eks. nitrogen (N), kan keramiske forbindelser som f.eks. TiN fremstilles. Ved traditionel DCMS af TiN kræves en temperatur på omkring 400 °C for at fremme filmvækst og en kemisk reaktion mellem Ti og N, som er nødvendig for at opnå en hård TiN belægning.
Figur 1: Illustration af DCMS processen.
High-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS)
Ved hjælp af den specielle HiPIMS-teknik er det muligt at fremstille TiN belægninger ved temperaturer helt ned til 130 oC. Den største forskel på HiPIMS og traditionel DCMS er de strømforsyninger, der anvendes i deponeringsudstyret. Under DCMS holdes effekten på targets konstant på nogle få kW, mens den under HiPIMS-processen pulseres, hvorved der opnås meget høje effekter over korte tidsintervaller. De korte pulser i HiPIMS (typisk 5 µs til 50 µs) er tidsmæssigt adskilt fra hinanden, som vist i figur 2. Energien i hver enkelt puls er ekstremt høj, mens den gennemsnitlige effekt er sammenlignelig med den, der anvendes i DCMS. Den høje energi i hver puls giver anledning til en større andel af ioner i det fordampede materiale, hvilket resulterer i en TiN belægning af høj kvalitet. Da energien kun er til stede i meget kort tid i de enkelte HiPIMS-pulser, er varmeudviklingen begrænset. Typisk er belægninger fremstillet med HiPIMS tættere og glattere sammenlignet med traditionelle belægninger.
Figur 2: Effekt på target som funktion af tid. Den grønne linje viser den konstante effekt (10 kW), der anvendes i en DCMS-proces. Til forskel er effekten i en HiPIMS signifikant højere, men kun i korte tidsintervaller.
TiN-HP-LT til temperaturfølsomme emner
Ved hjælp af HiPIMS-teknologien er det muligt at fremstille hårde TiN belægninger ved en lav temperatur på 130 oC, mens den traditionelle TiN belægning fremstilles ved temperaturer på ca. 400-450 oC. Med den lave fremstillingstemperatur er valget af basismaterialer ikke længere er begrænset til temperaturbestandige materialer. Hårdhed, duktilitet og vedhæftning af den nye TiN belægning er de samme som for den traditionelle TiN belægning. Som følge af den pulserende HiPIMS-konfiguration og lave temperatur er belægningsprocessen imidlertid langsommere end en gængs DCMS-proces. Den nye TiN-HP-LT belægning skal derfor ikke betragtes som en erstatning for den traditionelle TiN belægning, men snarere som en mulighed i de tilfælde, hvor man ønsker at anvende basismaterialer med begrænset temperaturbestandighed.
Figur 3: Elektronmikroskopibillede af tværsnittet af den nye TiN-HP-LT-belægning deponeret på et Si-substrat. Målestokken er 500 nm.
Top foto: Testemner belagt med den nye TiN-HP-LT-belægning.