Impact of Al on structure and mechanical properties of NbN and TaN

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit(peer-reviewed)

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Abstract

Hartstoffschichten, wie Übergangsmetallnitride (TMN) werden häufig wegen ihres Verschleiß - Widerstandes in Bearbeitung, Gieß - oder Warmumformung eingesetzt. Allerdings oxidieren TMN Schichten bei höherer Temperatur sehr schnell zu Übergangsmetalloxiden, dessen oft poröse Morphologie ein schnelles Wachstum der Oxidschicht ermöglicht. Daher werden ternäre Al-hältige Verbindungen (TM,Al)N auf ihre Oxidationsbeständigkeit und ihre mechanischen Eigenschaften geprüft um TMN Schichten zu verbessern. Die herausragende Oxidationsbeständigkeit und optimierten mechanischen Eigenschaften stellen sich aber hauptsächlich für die kubisch-flächen-zentrierte (kfz) Phase ein. Deshalb ist die Kenntnis der einzelnen Phasengebiete in den ternären Systemen wichtig. In dieser Arbeit wurden eine Reihe von NbNy und TaNy Schichten auf Si-Substraten und austenitischem Stahl mit einem zunehmenden N2-Partialdruck über eine reaktive Magnetron Sputter Technik hergestellt. Das Ziel dieser Untersuchungen war es, einphasiges kfz NbN und TaN zu finden. Die kfz-NbN und kfz-TaN Schichten werden durch zulegieren von Al zu ternären Nb1-xAlxN und Ta1-xAlxN übergeführt. Mit zunehmendem N2-Partialdruck bei der Herstellung der NbNy-Schichten bilden sich folgende Phasen, hex-Nb2N, hex-Nb2N+kfz-NbN, hex-NbN+kfz-NbN, und annähernd einphasiges kfz-NbN. Diese Strukturen wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) nachgewiesen. Im Vergleich dazu bilden die TaNy Schichten folgende Phasen, hex-Ta2N, hex-Ta2N+kfz-TaN, und schließlich kfz-TaN+hex-TaN. Die einzelnen Strukturen haben veränderte mechanische Eigenschaften, die durch Messungen mittels Nanoindenter ermittelt wurden. Die kfz-NbN Schicht weist eine Härte von ~28 GPa auf. Einphasiges kfz-TaN konnte nicht hergestellt werden. Jedoch ist die Härte der kfz+hex-TaN Schicht vergleichbar mit der Härte der kfz-NbN Schicht. Diese binären Nitride wurde durch zulegieren mit Al, x=Al/(Nb,Ta+Al), von x=0.11 bis 0.70 zu ternären Nitriden übergeführt. Die einphasige kfz-Nb1-xAlxN Schicht existiert im Bereich von x=0.11 bis 0.44. Aufgrund des steigenden Aluminium Gehalts verringert sich der Gitterparameter und die Härte steigt bis zu ~32 GPa. Im Al-Gehaltbereich von x=0.44 bis x=0.61 weisen die Nb1-xAlxN Schichten zwei Phasen, kfz-Nb1-xAlxN + wur-Nb1-xAlxN, auf. In diesem Bereich kommt es zu einer Abnahme der Härte. Ein Einphasengebiet von wur-Nb1-xAlxN stellt sich oberhalb von x=0.61 mit einer Härte von ca. 22-23 GPa ein. Im Vergleich dazu existiert für die Ta1-xAlxN Schichten im Bereich von x=0.36-0.65 der Zweiphasenbereich. Der höchste ermittelte Härtewert für einphasiges kfz-Ta1-xAlxN beträgt 34 GPa bei x=0.36. Die Härtewerte der einphasigen wur-Ta1-xAlxN Schichten sind ~23-24 GPa. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die NbNy und TaNy Schichten eine hohe Anzahl komplexer kristallographischer Phasen bilden. Durch zulegieren von Al lässt sich die kfz-Struktur bis zu einem Al-Gehalt von x=0.44 (Nb1-xAlxN) und x=0.36 (Ta1-xAlxN) stabilisieren. Höhere Al-Gehalte begünstigen die Wurtzit Phase.

Details

Titel in ÜbersetzungEinfluss von Al auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von NbN und TaN
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung8 Apr. 2011
StatusVeröffentlicht - 2011