Synthesis-Structure-Property Relations for Arc Evaporated Al-Cr-O Hard Coatings

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Verschleißschutzschichten aus Al2O3 in Korundstruktur (α-Al2O3) werden unter anderem häufig in der Metallzerspanung eingesetzt. Ihre Synthese, welche typischerweise über chemische Gasphasen-Abscheideverfahren erfolgt, setzt eine zuverlässige Beherrschung der Verfahrenstechnik voraus und erfordert Abscheidetemperaturen über 800 °C. Aus diesem Grund ist ihre Anwendung auf temperaturbeständige Substrate wie WC-Co Hartmetalle limitiert. α-Al2O3 über physikalische Gasphasenabscheidung bei Temperaturen unterhalb von 600 °C herzustellen erwies sich als schwierig. Als Alternative erlangten deshalb (AlxCr1-x)2O3 Schichten zunehmende wissenschaftliche und industrielle Aufmerksamkeit. Durch das Legieren von Al2O3 mit Cr2O3, welches im gleichen Korundgitter kristallisiert und sehr ähnliche Gitterparameter aufweist, lässt sich die erforderliche Abscheidetemperatur in den gewünschten Bereich senken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden über Lichtbogenverdampfung von Al-Cr Verbundkathoden hergestellte Schichten hinsichtlich ihrer Phasenzusammensetzung, ihrer thermischen Stabilität sowie ihrer mechanischen und tribologischen Eigenschaften eingehend untersucht. Im Zentrum stand die grundlegende Analyse des Wechselwirkungsdreieckes Abscheidung – Struktur – Eigenschaften basierend auf systematischen Variationen elementarer Abscheidebedingungen wie O2 Fluss und Bias-Potential sowie des Al/(Al+Cr) Verhältnisses in den verdampften Kathoden. Der erste Themenschwerpunkt lag auf den Vorgängen an der Verdampferkathode und deren Einfluss auf Morphologie und Mikrostruktur der Schicht. Daraus resultierte eine umfangreiche Beschreibung der im Lichtbogen umgeschmolzenen Bereiche an der Kathodenoberfläche und deren direkte Auswirkung auf in die aufwachsende Schicht eingebaute Makropartikel. In weiterer Folge beleuchtete eine schrittweise Anhebung des Al2O3 Gehaltes in der Schicht von 25 auf 85 Mol% die Grenzen der Korundstrukturbildung. Eine thermisch stabile Korundstruktur stellte sich bis zu einem Al2O3 Gehalt von ~50 Mol% ein. Darüber bildete sich eine aus stabilen und metastabilen Komponenten zusammengesetzte mehrphasige Schichtstruktur. Die darin relevanten metastabilen Übergangstrukturen wandelten während einer Vakuumglühung bei ~1000 °C in die stabile Korundmodifikation um. Ziel eines weiteren Versuchsblockes war es, in einem zweilagigen Schichtaufbau das Korundwachstum in hoch Al2O3-haltigem (AlxCr1-x)2O3 durch die Verwendung einer (Al0.25Cr0.75)2O3 Basisschicht zu stimulieren. Die abschließend durchgeführte systematische Veränderung der Biasspannung und der Bias-Pulscharakteristika zeigte eine Abhängigkeit der Schichteigenschaften und -struktur von Amplitude und Form der Spannungspulse. Im Detail führte die Erhöhung der Spannungsamplitude von 40 auf 160 V zu einer Verringerung der Kristallitgröße und zur Bildung einer ausgeprägten Schichttextur, während das Verhältnis von positiver zu negativer Pulsdauer die Kristallitgröße, die Eigenspannungen und die mechanischen Eigenschaften der Schicht beeinflusst.

Details

Titel in ÜbersetzungSynthese-, Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen für lichtbogenverdampfte Al-Cr-O Hartstoffschichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2018