TY - THES

T1 - Mechanische Eigenschaften nanokristalliner PVD-Hartstoffschichten

AU - Geier, Markus

PY - 2005/10/4

Y1 - 2005/10/4

N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit genauen Untersuchungen von Hartstoffschichten und dem Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften mit der Schichtstruktur. Die Schichtherstellung im System Ti-N erfolgte mittels reaktivem Magnetron Sputtern, die Schichten in den Systemen Ti-B und Ti-B-N wurden durch nicht reaktives Magnetron Sputtern erzeugt. Um eine Variation der Schichteigenschaften zu erlangen, wurden die Beschichtungsparameter so eingestellt, dass sich zwei wesentliche Bedingungen gezielt geändert haben. Diese waren das Verhältnis zwischen Ionen-Fluß und Ti-Fluß (Jion/JTi) [(J tief ion / J tief Ti)] und die Energie des Ionenbeschusses (Ei) [(E tief i)] während des Schichtwachstums. Der dadurch geänderte nanostrukturierte Schichtaufbau beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Schichten sehr stark. Um die Schichten miteinander zu vergleichen, wurden sie hinsichtlich ihres kristallographischen Aufbaus (Röntgendiffraktometrie), der Schichtspannungen (Biegebalkenmethode), der Zähigkeit (Vier-Punkt Biegeversuch und Eindringversuch), der chemischen Zusammensetzung und ihrer Härte (Mikrohärteprüfung) untersucht. Die Röntgendiffraktometrie-Untersuchungen zeigten eine große Abhängigkeit der Korngröße und der Orientierungsverteilung von den jeweiligen Beschichtungsparametern. Weiters konnte ein direkter Zusammenhang der Schichteigenspannungen mit der Ionisationsdichte festgestellt werden.Eine Variation der Ionisationsdichte führt zur Ausbildung unterschiedlicher Korngrößen und Defektdichten und somit zu unterschiedlichen Spannungsverhältnissen (Zug- oder Druckeigenspannungen) in den Schichten. So wurde bei den TiN Schichten der höchste Wert für die Schichteigenspannungen mit etwa -13 GPa gemessen. Die größte gemessene Härte beträgt ca. 52 GPa. Schichten im System Ti-B erreichten maximal Eigenspannungen von -2,3 GPa und Härtewerte von ca. 60 GPa. Bei Ti-B-N, dem dritten untersuchten System, wurden Schichteigenspannungen von maximal ca. -950 MPa gemessen. Die maximale Härte beträgt ca. 37 GPa. Durch die genaue Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur, und des Spannungszustandes der hergestellten Schichten konnten deren individuelle Einflüsse auf die Härte und Zähigkeit der Schichten in den Systemen Ti-N, Ti-B und Ti-B-N aufgezeigt werden.

AB - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit genauen Untersuchungen von Hartstoffschichten und dem Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften mit der Schichtstruktur. Die Schichtherstellung im System Ti-N erfolgte mittels reaktivem Magnetron Sputtern, die Schichten in den Systemen Ti-B und Ti-B-N wurden durch nicht reaktives Magnetron Sputtern erzeugt. Um eine Variation der Schichteigenschaften zu erlangen, wurden die Beschichtungsparameter so eingestellt, dass sich zwei wesentliche Bedingungen gezielt geändert haben. Diese waren das Verhältnis zwischen Ionen-Fluß und Ti-Fluß (Jion/JTi) [(J tief ion / J tief Ti)] und die Energie des Ionenbeschusses (Ei) [(E tief i)] während des Schichtwachstums. Der dadurch geänderte nanostrukturierte Schichtaufbau beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Schichten sehr stark. Um die Schichten miteinander zu vergleichen, wurden sie hinsichtlich ihres kristallographischen Aufbaus (Röntgendiffraktometrie), der Schichtspannungen (Biegebalkenmethode), der Zähigkeit (Vier-Punkt Biegeversuch und Eindringversuch), der chemischen Zusammensetzung und ihrer Härte (Mikrohärteprüfung) untersucht. Die Röntgendiffraktometrie-Untersuchungen zeigten eine große Abhängigkeit der Korngröße und der Orientierungsverteilung von den jeweiligen Beschichtungsparametern. Weiters konnte ein direkter Zusammenhang der Schichteigenspannungen mit der Ionisationsdichte festgestellt werden.Eine Variation der Ionisationsdichte führt zur Ausbildung unterschiedlicher Korngrößen und Defektdichten und somit zu unterschiedlichen Spannungsverhältnissen (Zug- oder Druckeigenspannungen) in den Schichten. So wurde bei den TiN Schichten der höchste Wert für die Schichteigenspannungen mit etwa -13 GPa gemessen. Die größte gemessene Härte beträgt ca. 52 GPa. Schichten im System Ti-B erreichten maximal Eigenspannungen von -2,3 GPa und Härtewerte von ca. 60 GPa. Bei Ti-B-N, dem dritten untersuchten System, wurden Schichteigenspannungen von maximal ca. -950 MPa gemessen. Die maximale Härte beträgt ca. 37 GPa. Durch die genaue Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur, und des Spannungszustandes der hergestellten Schichten konnten deren individuelle Einflüsse auf die Härte und Zähigkeit der Schichten in den Systemen Ti-N, Ti-B und Ti-B-N aufgezeigt werden.

KW - Nanostruktur

KW - Ionenbombardement

KW - Eigenspannungen

KW - Härte

KW - Zähigkeit

KW - nanostructure

KW - ion bombardment

KW - ion energy

KW - residual stresses

KW - hardness

KW - ductility

M3 - Diplomarbeit

ER -