Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Chemické metody přípravy vrstev Cr2O3 a CrN
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Chemické metody přípravy vrstev Cr2O3 a CrN

Prvky z různých kovových materiálů používané v chemických provozech, v jaderných a tepelných elektrárnách i jinde ve strojírenství jsou často vystaveny agresivnímu prostředí. K tomu, aby nedocházelo k jejich poškozování chemickou korozí, se musí povrchově chránit. Nejčastější ochranou je pokrytí povrchu antikorozní pasivační vrstvou.

Požadavky kladené na tento druh vrstev jsou značně vysoké. Patří k nim odolnost vůči kyselinám, vlhké a suché vodní páře (za různých teplot), dobrá adheze k povrchu chráněného materiálu, nízká porozita a vysoká tvrdost. Tyto požadavky splňuje jenom určitý typ vrstev, mezi něž v první řadě patří vrstvy chromu, titanu, zirkonia a vanadu nebo vrstvy různě kombinované. Z chromových vrstev jsou to oxid chromitý Cr2O3, nitrid chromu CrN, karbonitrid chromu Cr-N-C a karbidy chromu.

Příprava chromových vrstev

Kromě PVD metod se pro průmyslové aplikace dnes stále častěji používají též metody chemické, např. nanášení z plynné fáze metodou CVD. Jako příklad je možno uvést nanášení chromových vrstev z plynné fáze z různých halogen-derivátů chromu nebo nitridaci chromových povlaků v čpavkové atmosféře při teplotě 700 - 800 oC. V posledních letech se intenzívně hledají chemické postupy, které by danou teplotu přípravy podstatně snížily, a to tak, aby tyto reakce bylo možné použít též na materiály, které tak vysokou teplotu nesnášejí. Východiskem ke snížení teploty je použití organokovových sloučenin (pro vrstvy CrN a vrstvy karbidu chromu), různých alkoholátů nebo acetyl-acetonátu chromu pro přípravu Cr2O3 vrstev. Požadavkem pro průmyslové využití je, aby tyto sloučeniny nebyly samozápalné, toxické a navíc, aby se daly dobře zplyňovat.

Depozice Cr2O3

Jako vhodný prokurzor pro přípravu vrstev Cr2O3 , který splňuje požadavky na nízkou toxicitu a dá se dobře zplyňovat pro nanášení z plynné fáze, je acetyl-aceton chromu C15H21CrO6. Příprava vrstev pak probíhá v rozmezí teplot 350 - 550 oC . Nanášení se provádí za atmosférického tlaku metodou CVD (teplota 400 - 450 °C) nebo za sníženého tlaku metodou LPCVD (teplota 500 - 650 oC) nebo plazmaticky metodou PACVD (teplota 350 oC).
Přípravu vrstev Cr2O3 jsme prováděli všemi třemi způsoby na křemík Si(111) nebo na kovové materiály z různých ocelí, a to v oxidační atmosféře. Vrstvy připravené do 450 oC byly amorfní - obr. 1. Vrstvy připravované při teplotě 550 oC a výše byly polykrystalické - obr. 2. Naměřený index lomu vrstev se pohyboval v rozmezí 2,3 - 2,5. Dosažená tvrdost vrstev naměřená na Si substrátu byla 20 - 25 GPa. Složení vrstev měřené metodou EPMA (Electron Probe Microanalysis) ukázalo, že vrstvy kromě Cr a kyslíku obsahovaly vždy určité množství uhlíku v závislosti na zvolené metodě.

Příprava vrstev CrN

Vrstvy CrN je možné připravovat z organokovových sloučenin, které obsahuji chrom (nikoliv z alkoholátu). Typickým příkladem je použití bis(benzen)chromu. Je to organokovová sloučenina, která je při pokojové teplotě stálá a vzněcuje se na vzduchu až při teplotě 85 oC, a proto je vhodná pro průmyslové nanášení vrstev CrN nebo i samotného chromu již při teplotě 350 - 550 oC. Kromě uvedené sloučeniny pro nanášení CrN, lépe řečeno Cr-N-C, lze použít i jiné preparáty na bázi uhlíku a chromu.
Existují dva způsoby přípravy vrstev CrN - při prvním se vychází ze "single" zdroje, kde již molekula kromě chromu obsahuje dusík ve formě aminoskupiny a nanášení se provádí v inertní atmosféře. Vrstvy, které vznikají, obsahují hodně uhlíku. U druhého způsobu se vychází z "double" zdroje a jako prokurzor se používá bis(benzen)Cr, kde organokov obsahuje pouze chrom a nanášení se provádí za přítomností čpavku nebo hydrazinu. Výhodou této metody je, že v závislosti na tlaku NH3 v reakční komoře je možné ovlivňovat složení vrstev. Prováděné pokusy s bis(benzen)Cr potvrdily, že tento způsob přípravy je vhodný pro nanášení vrstev CrN. Teplota, které jsme při přípravě vrstev CrN dosáhli, byla 350 nebo 600 oC.

Závěr

Prokázalo se, že chemické metody přípravy chromových vrstev jsou vhodným technologickým postupem pro jejich depozici. Široké rozmezí teplot přípravy umožňuje nanášet vrstvy nejenom na materiály, které vysokou teplotu dobře snášejí, ale též na materiály s nižším bodem tání. Organokovové sloučeniny, ze kterých se vychází, jsou vhodné pro průmyslové použití nejenom pro svou nízkou teplotu rozkladu, ale také pro vysokou nanášecí rychlost.
Tato práce byla finančně podpořena interním grantem ČVUT č. 1002146.
J. Gurovič, M.Solar, F. Černý, I. Hüttel *
ČVUT FS, Praha, * VŠCHT Praha

Další články

Technologie pro povrchové úpravy

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: