ISSN 0351-9716 MIKROSTRUKTURNA KARAKTERIZACIJA TRDIH PREVLEK (Ti,Al)N IN Cr(C,N) Zoran Samard`ija, Miran ^eh, Peter Panjan, Miha ^ekada Institut "Jo`ef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija POVZETEK Danes sta vrsti~na elektronska mikroskopija (SEM) in energijsko disperzijska spektroskopija (EDXS) standardni tehniki, ki se uporabljata za {tudij mikrostrukture in sestave masivnih vzorcev. V tem prispevku opisujemo mo`nosti uporabe omenjenih analitskih tehnik pri raziskavah tankih plasti. Microstructural characterization of (Ti,Al)N and Cr(C,N) hard coatings ABSTRACT Nowadays scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDXS) are standard techniques for microstructural and compositional study of bulk materials. In this paper we described the possibility and limitations of these techniques for study of thin films. 1 UVOD Trde prevleke (Ti,Al)N in Cr(C,N), pripravljene s fizikalnimi (vakuumskimi) postopki, se `e vrsto let uporabljajo v industrijski proizvodnji za za{~ito orodij iz legiranih orodnih jekel in karbidne trdine. Nana{a-mo jih lahko s postopki ionskega prekrivanja z uporabo nizkoenergijskega plazemskega curka, z napr{e-vanjem ali z naparevanjem s katodnim lokom (1). V tem prispevkuporo~amo o rezultatih mikro-strukturne karakterizacije izbranih trdih prevlek (Ti,Al)N in Cr(C,N), ki smo jih dobili z vrsti~no elektronsko mikroskopijo (SEM) in energijsko disper-zijsko spektroskopijo (EDXS). SEM-posnetke smo naredili s sekundarnimi (SE) in povratno sipanimi elektroni (BE). Sekundarni elektroni nastanejo z neelasti~nim sipanjem primarnih elektronov. Sliko, ki nastane s sekundarnimi elektroni, odlikuje velik topografski kontrast. Del vpadlih primarnih elektronov pa se na atomih preiskovanega materiala siplje elasti~no. Sipalni presek oziroma {tevilo povratno sipanih elektronov je odvisno od vrstnega {tevila atoma (Z). Zato nam posnetki, ki jih dobimo s tak{nimi elektroni z uporabo t. i. faznega kontrasta, dajo tudi kvalitativno informacijo o kemijski sestavi. Bistvo EDXS-spektroskopije je energijska analiza rentgenskih `arkov, ki nastanejo kot posledica neeleasti~nega sipanja primarnih elektronov na atomih materiala podlage. Primarni elektroni, ki imajo zadostno visoko energijo, lahko izbijejo enega ali ve~ elektronov iz atomskih orbital. Vrzeli, ki pri tem nastanejo, zapolnijo elektroni iz vi{jih orbital, pri ~emer nastanejo karakteristi~ni rentgenski `arki s to~no dolo~eno valovno dol`ino oziroma energijo. Rentgenske `arke zaznamo s polprevodni{kim Si(Li)-detektorjem. V energijskem spektrukarakteristi~nim rentgenskim `arkom ustrezajo ostri vrhovi, ki so zna~ilni za izbrani material. Poleg karakteristi~nih ~rt je v spektru tudi kontinuum ozadja, ki je posledica zavornega sevanja. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Meritve so bile narejene na konvencionalnem vrsti~nem elektronskem mikroskopuJEOL JSM 5800 z volframovo katodo, ki je opremljen z analitskim sistemom EDXS (Link ISIS-300). Da bi prepre~ili nabijanje elektri~no neprevodnih delov vzorca, smo na povr{ino vzorcev nanesli tanko plast ogljika (» 20 nm). Pospe{evalno napetost elektronov, nagib vzorca, razdaljo vzorca od izvira elektronov in gostoto toka elektronov smo izbrali tako, da smo optimizirali kvaliteto SEM-posnetkov in mikroanalizo. Topografijo povr{ine vzorca in plast na prelomuvzorca smo opazovali tako s sekundarnimi (SE) kot tudi povratno sipanimi primarnimi elektroni (BE). Pri EDXS-analizi smo omejeni z deblino prevleke. Pri korektni EDXS-analizi mora biti vzbujen volumen vzorca, v katerem nastanejo rentgenski `arki, znotraj plasti, ki jo analiziramo. Pri analizi vzorcev, ki vsebujejo Ti, Al, Cr, C, N in O s spektralnimi linijami K„, lahko prostorsko lo~ljivost EDXS-analize izbolj{amo pod » 0,5 µm, ~e za vzbujanje vzorca uporabimo elektrone z manj{o energijo (< 10 keV) (2). Lahke elemente (C, N, O) lahko analiziramo samo kvalitativno. Da bi dolo~ili atomsko razmerje med titanom in aluminijem v prevlekah (Ti,Al)N, smo naredili EDXS-to~kovno analizo na metalografskem obrusu vzorca. Na obrusu smo naredili tudi kvalitativno EDXS-linijsko profilno analizo, ki nam poka`e porazdelitev posameznih elementov po globini trdih prevlek (Ti,Al)N in Cr(C,N). 3 REZULTATI Slika 1 prikazuje SEM-posnetek prelomljene podlage, prekrite z dvoplastno za{~itno prevleko (Ti,Al)N--WC/C (WC/C-prevleka se uporablja kot trdo mazivo za za{~ito rezalnih in preoblikovalnih orodij za suho obdelavo ter za obrabno za{~ito in zmanj{anje trenja pri strojnih delih). Na sliki 1 vidimo tudi SEM-posnetek topografije vrhnje plasti WC/C. SEM-posnetek VAKUUMIST 24/4 (2004) 21 ISSN 0351-9716 WC Slika 1: SEM-posnetek preloma dvoplastne prevleke (Ti,Al)N--WC/C na podlagi iz orodnega jekla (zgoraj) in topografija vrhnje plasti (slika spodaj) metalografskega obrusa iste strukture, narejen s povratno sipanimi elektroni, pa je prikazan na sliki 2. Kvalitativna linijska profilna analiza (slika 2) potrjuje, da ima prevleka (Ti,Al)N homogeno sestavo po globini. To~kovna EDXS-analiza (slika 2) je pokazala, da je atomsko razmerje Ti/Al 70/30. Na sliki 3 je prikazan SEM-posnetek ve~plastne strukture TiN/(Ti,Al)N, nanesene na polirano Al2O3- im** N 4VWC \ Fe A______ Slika 2: SEM-posnetek dvoplastne prevleke (Ti,Al)N-WC/C, narejen s povratno sipanimi elektroni (zgoraj levo), linijska profilna analiza elementne sestave (spodaj levo) in to~kovna EDXS-analiza (Ti,Al)N ter WC/C (desno) podlago. Posnetek je bil narejen s povratno sipanimi elektroni. Pri veliki pove~avi je razvidno (slika 4), da ima vsaka od plasti {e substrukturo z zna~ilnimi debelinami okrog 200 nm. Na sliki 5 je prikazan SEM-posnetek metalograf-skega obrusa prevleke CrC, nanesene na polirano TiAlN TiN Al2O3/ Slika 3: Posnetek metalografskega obrusa ve~plastne strukture TiN/(Ti,Al)N na polirani podlagi iz aluminijoksidne keramike (levo) in posnetek preloma iste strukture (desno) Slika 4: SEM-posnetek povr{ine ve~plastne strukture TiN/(Ti,Al)N (levo) in submikrometrska struktura posameznih plasti TiN in (Ti,Al)N (desno) 22 VAKUUMIST 24/4 (2004) ISSN 0351-9716 Cr,Oq kristalna zrna CrC r Sf %*i^*>SV*è#>. iwwä Al203 Slika 5: SEM-posnetek metalografskega obrusa prevleke CrC na polirani podlagi iz aluminijevega oksida po nanosu (levo) in posnetek povr{ine istega vzorca po 15-urni oksidaciji na 900 °C (desno) ^ Al r**H*Cr «A ^*SO ¦ -HiJ **¦¦¦¦ ¦ ¦¦ ¦- Cr Slika 6: SEM-posnetek metalografskega obrusa dveh prevlek CrN na polirani podlagi iz aluminijevega oksida po oksidaciji (levo) in linijska profilna analiza elementne sestave (desno). CrN-prevleka na zgornjem posnetkuje bila po nanosusestavlje-na iz dveh plasti CrN z razli~no koncentracijo du{ika, prevleka CrCN na spodnjem posnetkupa je bila enoplastna. kerami~no podlago. Tudi ta posnetek je bil narejen z povratno sipanimi elektroni. Zelo lepo je vidna tanka plast ~istega kroma, ki smo jo nanesli na podlago, da bi izbolj{ali oprijemljivost prevleke. Po 15-urni oksi-daciji na 900 °C v kisikovi atmosferi je plast CrC v celoti oksidirala (slika 5). Na povr{ini so vidni veliki kristali kromovega oksida. Na sliki 6 sta prikazana SEM-posnetka dveh razli~no pripravljenih prevlek po 21-urni oksidaciji na 830 °C v atmosferi kisika. Ena od prevlek je sestavljena iz dveh plasti CrN z razli~no koncentracijo du{ika, druga je bila enoplasten CrN. Posnetek je bil narejen s povratno sipanimi elektroni. Na isti sliki spodaj je prikazan linijski koncentracijski profil obeh struktur po oksidaciji. V prvem primeru imamo triplastno strukturo: plast CrN z manj du{ika (na podlagi), plast CrN z ve~ du{ika (v sredini) in vrhnja plast, ki je kromov oksid. V drugem primeru opazimo, tako kot smo pri~akovali, dve plasti: plast CrCN (na podlagi) in vrhnjo plast kromovega oksida. 4 SKLEPI Tehniki SEM in EDXS smo uporabili za karak-terizacijo mikrostrukture in sestave trdih prevlek (Ti,Al)N in Cr(C,N). Ugotovili smo, da lahko s kon-vencionalnim vrsti~nim elektronskim mikroskopom s primerno izbiro parametrov SEM-analize jasno razlo-~imo mikrostrukturne zna~ilnosti prevleke z zna~ilno dimenzijo tudi pod 1 µm. Tudi pri linijski profilni analizi EDXS lahko izmerimo elementno porazdelitev na mikrometrski skali. V primerjavi s konvencionalnim SEM imajo moderni FEG-SEM-mikroskopi s katodo, ki deluje na poljsko emisijo, {e bolj{o lo~ljivost in omogo~ajo dokaj enostavno opazovanje submikrometrskih detajlov velikosti nekaj nanometrov. 5 LITERATURA 1P. Panjan, B. Navin{ek, M. ^ekada, A. Zalar, Vacuum 53 (1999), 127–131 2J. Goldstein, G. Lawes, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Plenum Press, NY, 1992 3M. ^ekada, M. Ma~ek, D. Kek, P. Panjan, Thin Solid Films 433 (2003) 174–179 VAKUUMIST 24/4 (2004) 23