TY - THES

T1 - Superlattice effect for enhanced fracture toughness of hard coatings

AU - Hahn, Rainer

N1 - embargoed until 30-05-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Schützende Hartstoffschichten auf Schneidwerkzeugen werden im Einsatz hohen mechanischen Belastungen und extremen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Sie spielen hierbei eine entscheidende Rolle für Maschinenelemente da sie sowohl deren Lebensdauer verlängern als auch deren Eigenschaften verbessern. Idealerweise sollte eine solche Beschichtung hart genug sein um den auftretenden Kräften Stand zu halten als auch zäh genug um ein vorzeitiges Versagen durch Rissinitiierung und Rissausbreitung zu verhindern. In den 1970er Jahren sagte J.S. Koehler voraus, dass feste Materie, bei ausreichend dünnen Einzelschichten, aufgrund der unterbundenen Versetzungsgenerierung durch Frank Read Quellen, einen außerordentlich hohen Scherwiderstand und somit exzellente mechanische Eigenschaften besitzt. Diese sogenannten Superlattice Strukturen (SLS), bestehend aus zwei alternierenden, nur wenigen Nanometer dicken, keramischen Materialien und sind mittlerweile eine weit verbreitete Herangehensweise um eine Hartstoffschicht mit herausragender Härte zu entwerfen. Bisher wurden diese SLS seitens der Materialforschung intensiv untersucht und es wurde von Eindringhärten berichtet, die den herkömmlichen Wert der Einzellagen um ein Vielfaches übersteigen. Allerdings gibt es bis heute keine quantitativen Aussagen über den Einfluss einer Superlattice Struktur auf die Bruchzähigkeit dieser Hartstoffschichten. In dieser Diplomarbeit wurde die Auswirkung der Dicke der Einzellagen auf die Bruchzähigkeit von TiN/CrN Superlattice Strukturen untersucht. Alle Hartstoffschichten in dieser Arbeit wurden mittels eines Plasma-unterstütztem reaktivem Magnetron Sputtering Prozesses abgeschieden. Dabei wurde ein computergesteuertes Shutter System verwendet um alternierende TiN und CrN Lagen (mit gleicher Dicke) herzustellen. Mittels Röntgendiffraktometrie wurde nachgewiesen, dass eine ausschließlich kubische Struktur in der Schicht vorherrscht, und dass die Übergänge zwischen den beiden Einzelschichten von guter Qualität (möglichst dünn) sind. Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften, Härte und E-Modul, wurden mittels Nanoindentation ermittelt. Hierbei zeigte sich der vorhergesagte Superlattice-Effekt auf die Eindringhärte, der E-Modul wies keine Abhängigkeit von den Einzellagendicken auf. Die Ermittlung der Bruchzähigkeit (KIC) erfolgte durch mikromechanische in-situ Versuche bei denen ein freitragender Balken der zu untersuchenden Schicht durch eine abgerundete Diamantspitze bis zum Versagen belastet wurde. Es zeigte sich, dass bei größeren Einzellagendicken > 10nm der Wert der Bruchzähigkeit in etwa dem der Einzelschicht (CrN) entspricht, jedoch bei kleiner werdenden Einzellagendicken steigt und sein Maximum bei ca. 3nm erreicht. Für sehr dünne Lagen fällt der KIC Wert unter dem von CrN. Das Maximum der Bruchzähigkeit sowie der Härte werden bei annähernd identen Einzellagendicken von TiN und CrN erreicht. Dies lässt darauf schließen, dass ähnliche größenabhängige Mechanismen vorliegen. Diese Erkenntnis könnte einen möglichen Weg für die Überwindung der intrinsischen Sprödigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung von gewünschten Eigenschaften einer Hartstoffschicht darstellen. Es wäre somit möglich, kürzlich entwickelte Verschleißschutzschichten in Kombination mit anderen Hartstoffschichten durch Herstellung einer Superlattice Struktur weiter zu verbessern. Des Weiteren wird angenommen, dass der größenabhängige Effekt durch Optimierung der Wachstumsbedingungen während des Beschichtungsprozesses weiter gesteigert werden kann.

AB - Schützende Hartstoffschichten auf Schneidwerkzeugen werden im Einsatz hohen mechanischen Belastungen und extremen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Sie spielen hierbei eine entscheidende Rolle für Maschinenelemente da sie sowohl deren Lebensdauer verlängern als auch deren Eigenschaften verbessern. Idealerweise sollte eine solche Beschichtung hart genug sein um den auftretenden Kräften Stand zu halten als auch zäh genug um ein vorzeitiges Versagen durch Rissinitiierung und Rissausbreitung zu verhindern. In den 1970er Jahren sagte J.S. Koehler voraus, dass feste Materie, bei ausreichend dünnen Einzelschichten, aufgrund der unterbundenen Versetzungsgenerierung durch Frank Read Quellen, einen außerordentlich hohen Scherwiderstand und somit exzellente mechanische Eigenschaften besitzt. Diese sogenannten Superlattice Strukturen (SLS), bestehend aus zwei alternierenden, nur wenigen Nanometer dicken, keramischen Materialien und sind mittlerweile eine weit verbreitete Herangehensweise um eine Hartstoffschicht mit herausragender Härte zu entwerfen. Bisher wurden diese SLS seitens der Materialforschung intensiv untersucht und es wurde von Eindringhärten berichtet, die den herkömmlichen Wert der Einzellagen um ein Vielfaches übersteigen. Allerdings gibt es bis heute keine quantitativen Aussagen über den Einfluss einer Superlattice Struktur auf die Bruchzähigkeit dieser Hartstoffschichten. In dieser Diplomarbeit wurde die Auswirkung der Dicke der Einzellagen auf die Bruchzähigkeit von TiN/CrN Superlattice Strukturen untersucht. Alle Hartstoffschichten in dieser Arbeit wurden mittels eines Plasma-unterstütztem reaktivem Magnetron Sputtering Prozesses abgeschieden. Dabei wurde ein computergesteuertes Shutter System verwendet um alternierende TiN und CrN Lagen (mit gleicher Dicke) herzustellen. Mittels Röntgendiffraktometrie wurde nachgewiesen, dass eine ausschließlich kubische Struktur in der Schicht vorherrscht, und dass die Übergänge zwischen den beiden Einzelschichten von guter Qualität (möglichst dünn) sind. Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften, Härte und E-Modul, wurden mittels Nanoindentation ermittelt. Hierbei zeigte sich der vorhergesagte Superlattice-Effekt auf die Eindringhärte, der E-Modul wies keine Abhängigkeit von den Einzellagendicken auf. Die Ermittlung der Bruchzähigkeit (KIC) erfolgte durch mikromechanische in-situ Versuche bei denen ein freitragender Balken der zu untersuchenden Schicht durch eine abgerundete Diamantspitze bis zum Versagen belastet wurde. Es zeigte sich, dass bei größeren Einzellagendicken > 10nm der Wert der Bruchzähigkeit in etwa dem der Einzelschicht (CrN) entspricht, jedoch bei kleiner werdenden Einzellagendicken steigt und sein Maximum bei ca. 3nm erreicht. Für sehr dünne Lagen fällt der KIC Wert unter dem von CrN. Das Maximum der Bruchzähigkeit sowie der Härte werden bei annähernd identen Einzellagendicken von TiN und CrN erreicht. Dies lässt darauf schließen, dass ähnliche größenabhängige Mechanismen vorliegen. Diese Erkenntnis könnte einen möglichen Weg für die Überwindung der intrinsischen Sprödigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung von gewünschten Eigenschaften einer Hartstoffschicht darstellen. Es wäre somit möglich, kürzlich entwickelte Verschleißschutzschichten in Kombination mit anderen Hartstoffschichten durch Herstellung einer Superlattice Struktur weiter zu verbessern. Des Weiteren wird angenommen, dass der größenabhängige Effekt durch Optimierung der Wachstumsbedingungen während des Beschichtungsprozesses weiter gesteigert werden kann.

KW - Bruchzähigkeit

KW - Superlattice Zähigkeit

KW - nano-Schichten

KW - Hartstoffschicht

KW - mikromechanische Versuche

KW - fracture toughness

KW - superlattice toughness

KW - nanolayer

KW - hard coatings

KW - micromechanical testing

M3 - Diploma Thesis

ER -