Thermal stability and mechanical properties of arc evaporated Ti-Al-Zr-N hard coatings

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Autoren

Abstract

Verschiedenste Schichtsysteme wurden zur Verbesserung der Lebensdauer von Werkzeugen entwickelt. Eine entsprechende Schutzschicht ist Ti1-xAlxN, die wegen ihrer exzellenten thermischen Stabilität, guten Oxidationseigenschaften und ihrem guten Verschleißwiderstand gerne z.B. auf Wendeschneidplatten eingesetzt wird. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften von TiAlN hinsichtlich unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen, verschiedener Beschichtungsverfahren sind u.a. sehr gut erforscht. Das Verlangen nach immer stärkeren Beanspruchungsbedingungen (z.B. höhere Schnittgeschwindigkeiten) und längeren Standzeiten der Werkzeuge erfordert eine kontinuierliche Verbesserung der Schichtsysteme. Eine mögliche Weiterentwicklung ist Ti1-x-yAlxZryN, die durch Legieren von TiAlN mit Zr entsteht und begünstigte Hochtemperatureigenschaften und eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit besitzt. In dieser Arbeit wird der Einfluss der negativen BIAS-Spannung am Substrat und der Änderung des Al-Gehalts auf die Eigenschaften der TiAlZrN Schutzschichten analysiert. Als Targetmaterial standen pulvermetallurgisch hergestellte Ti0,475Al0,475Zr0,05 und Ti0,375Al0,575Zr0,05 zur Verfügung. Die Schichten wurden durch Lichtbogenverdampfen in einer INNOVA Balzers Beschichtungsanlage bei 500 °C in einer Stickstoff Atmosphäre bei 3,5 Pa auf einkristallinem Si, polykristallinem Al2O3 und Schnellarbeitsstahl Substratmaterial abgeschieden. Um den Substrateinfluss bei Glühbehandlungen und XRD-Messungen zu eliminieren, wurde auch eine Eisenfolie beschichtet, die durch chemisches Ätzen von den hergestellten Schichten entfernt wurde. Durch den Beschichtungsprozess entstanden aus den Ti0,475Al0,475Zr0,05 Targets Ti0,49Al0,44Zr0,07N Schutzschichten mit einphasiger, kubischer Struktur. Die Verwendung von Ti0,375Al0,575Zr0,05 Targets führt zu einer Schichtzusammensetzung von Ti0,39Al0,54Zr0,07N und einer 2-phasigen Struktur mit kubischen (c-) und hexagonalen (wurtzit, w-) Phasenanteilen. Durch Erhöhung der BIAS-Spannung von -40 auf -80 und -120V wird die Korngröße der Schicht verringert, aber die ausgebildete Schichtstruktur (einphasig, 2-phasig) ist davon unbeeinflusst. Die Schichten wurden in Vakuum bei Temperaturen (Ta) von 600°C bis zu 1400°C isotherm geglüht. Die Härte und strukturelle Veränderung des Schichtmaterials durch die Glühbehandlung wurden durch Nanoindentation und XRD-Messungen bestimmt. Die Messungen bei Ta=900°C zeigen, dass die Ti0,49Al0,44Zr0,07N Schicht eine Härte von ~35 GPa besitzt, welche nach der Glühung bei 1200°C immer noch über 24 GPa liegt. Die 2-phasigen, c/w-Schichten besitzen nach der Beschichtung Härtewerte von ~22 GPa, die bis zu Glühtemperaturen von 900°C auf ~25 GPa steigen und dann wieder abfallen. Das Oxidationsverhalten an Luft bei Temperaturen von 850°C und 950°C über 20h wurde nur an den einphasigen kubischen TiAlZrN Schichten untersucht. Bei 850°C werden alle Schichten durch die Bildung von dichten Al2O3/TiO2 Misch-Oxidschichten geschützt. Bei 950°C sind jedoch alle Schichten durchoxidiert und es liegen nur mehr Oxidprodukte vor. Die durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommenen Querschnittsaufnahmen der Schichten und durch Energiedispersive Röntgenspektroskopie erhaltenen Linescans zeigen nach der Oxidation bei 950°C eine Schichtstruktur, die auf ein wiederholtes Aufbrechen, Schließen und Neubilden der schützenden Oxidschicht zurückschließen lässt. In dieser Studie konnten wir zeigen, dass einphasige, kubische Ti0,49Al0,44Zr0,07N Schutzschichten durch Verwendung eines entsprechenden Targets durch Lichtbogenverdampfen hergestellt werden können. Desweiteren besitzen diese Schichten im Vergleich zu TiAlN eine höhere thermische Stabilität, bessere Oxidationsbeständigkeit und eine höhere Härte, unabhängig von der BIAS-Spannung. Jedoch führt ein zu hoher Al-Gehalt in der Legierung zu einer 2-phasigen Struktur, die die Schutzwirkung der Schicht erhebl

Details

Titel in ÜbersetzungThermische Stabilität und mechanische Eigenschaften von Lichtbogen verdampften Ti-Al-Zr-N Hartstoffschichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung28 Juni 2013
StatusVeröffentlicht - 2013