AlCr(Si,B)N – Design and Performance of Quaternary Nitride Coatings

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Al-Cr-N ist ein etabliertes Schichtmaterial, das sowohl bei Schneidwerkzeugen als auch beim Warmschmieden und in der Metallverformung zum Einsatz kommt. CrN basierende Schichten verfügen über gute mechanische Eigenschaften, gute thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Jedoch wird durch die ständig steigende Nachfrage nach Schichten für Hochtemperaturanwendungen die Entwicklung von Metallnitrid-Schichten mit herausragendem Einsatzverhalten vorangetrieben. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Verbesserung von Al-Cr-N Schichten behandelt. Die chemische Zusammensetzung wurde durch Zugabe von unterschiedlichen Gehalten an Si und B modifiziert und quaternäres Al-Cr-Si-N bzw. Al-Cr-B-N gebildet. Des weiteren wurde der Einfluss unterschiedlicher Bias-Spannungen auf die Eigenschaften dieser quaternären Schichtsysteme untersucht. Schließlich wurden Multilagen-Schichten, bestehend aus Al-Ti-N und Al-Cr-B-N Einzellagen, mit unterschiedlicher Schichtarchitektur abgeschieden. Ziel war es die Vorzüge beider Schichten zu kombinieren und die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge im Einsatz weiter zu verbessern. Alle Schichten wurden mittels kathodischer Lichtbogenverdampfung in einer Industriebeschichtungsanlage abgeschieden, was die Ergebnisse direkt für die Anwendung nutzbar macht. Sowohl Al-Cr-Si-N als auch Al-Cr-B-N basieren auf dem Al-Cr-N Schichtsystem. Die Zugabe von Elementen wie Si und B resultiert, abhängig vom Legierungsgehalt, entweder in der Bildung einer einphasigen Struktur oder einer Nanoverbundstruktur, bestehend aus Al-Cr-(Si,B)-N Körnern eingebettet in einer amorphen SiNx- oder BNx Phase. Die wesentlichen Härtemechanismen in diesen quaternären Schichten sind Mischkristallhärtung, Kornfeinung und Härtung durch die Nanoverbundstruktur. Kleine Mengen an Si oder B werden in der kubisch-flächenzentrierten AlCrN-Phase eingebaut und verursachen lokale Spannungsfelder und somit höhere Härte. Höhere Gehalte an Legierungselementen begünstigen die Bildung einer Nanoverbundstruktur, in welcher die amorphe Phase das Wachstum der Al-Cr-(Si,B)-N Körner behindert, wodurch ein zusätzlicher Härteanstieg gemäß der Hall-Petch-Beziehung erzielt wird. Al-Cr-Si-N Schichten besitzen eine höhere Oxidationsbeständigkeit als Al-Cr-N Schichten, da sich an der Oberfläche eine langsam wachsende Oxidschicht bestehend aus (AlxCr1-x)2O3 und SiOx bildet. Im Gegensatz dazu zeigen Al-Cr-B-N Schichten erhöhte Verschleißbeständigkeit, welche sich im Vergleich zu Al-Cr-N in einem um eine Größenordnung verringerten Verschleißkoeffizienten erkennen lässt. Im Vergleich zu Al-Cr-B-N und handelsüblichen Al-Cr-N und Al-Ti-N Einzellagen-Schichten verfügen Al-Ti-N/Al-Cr-B-N Multilagen-Schichten über ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Multilagen-Schichten konnten auch in Zerspannungstests bestätigt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungAlCr(Si,B)N – Design und Performance von quaternären nitridischen Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2013