Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7008
TiN und/oder ZrN enthaltende nanolaminierte Kompositschichten: Übersicht, neuartige Schichtkonzepte und Anwendungen
C. Ziebert, S. Ulrich, M. Stüber, E. Nold, H. Holleck
Zusammenfassung
Es wird ein neues Konzept für
Verschleißschutzschichten im Bereich der Zerspanung vorge-stellt, das auf
nanolaminierten Titannitrid-Zirkonnitrid (TiN/ZrN)-Kompositschichten basiert.
Des Weiteren wird eine umfassende Literaturübersicht über nanolaminierte
Kompositschich-ten, die TiN oder/und ZrN als einen Bestandteil enthalten,
gegeben. Die bisherigen Entwick-lungen auf diesem Gebiet werden zusammengefasst
und einer kritischen Bewertung unter-zogen. Das neue Schichtkonzept sieht die
gezielte Einstellung einer stängelförmigen Mor-phologie vor, um die
Nano-Hohlräume zwischen den Stängeln als Depot für Kühlschmiermit-tel nutzen zu
können. Durch eine Optimierung der Abscheidebedingungen konnten Werte für die
Haftfestigkeit erzielt werden, die man normalerweise nur mit einer kompakten
Morpholo-gie erreichen kann (kritische Last des Versagens im Scratchtest >
40 N). Zur Realisierung wurden nanolaminierte TiN/ZrN-Kompositschichten mittels
reaktivem DC-Magnetronzerstäubens von metallischen Titan- und Zirkontargets in
einem Argon/Stickstoffplasma her-gestellt. Diese dienten zugleich als
Modellsystem für eine umfassende Charakterisierung von nanolaminierten
Kompositschichten und deren Grenzflächen von der Mikrometer- bis hinab zur
Nanometerskala. Auf diese Weise gelang es eine Korrelation zwischen ihrem
Aufbau (Charakterisierung durch: REM, XRD, TEM, HR-TEM,
Rasterkraftmikroskopie), ihren Eigen-schaften (Härte: 2000 - 2600 HV0,015,
reduzierter E-Modul: 330 - 420 GPa, Eigenspannun-gen: < 1 GPa, kritische
Last des Versagens im Scratch-Test: 30 – 85 N) und ihres Verhaltens im Einsatz
beim Zerspanen von Schrauben aus Automatenstahl der Qualität 11SMnPb30 (AISI
12L13, DIN 1,0718) bei einer Schnittgeschwindigkeit von 125 mm/min mit
beschichte-ten Sägeblättern aus Hochgeschwindigkeitsstahl (AISI M2, DIN 1,3343)
herzustellen. An-hand der nanolaminierten TiN/ZrN-Kompositschichten wurde die
Schrägschliff-Methode (SSM) zur tiefenaufgelösten Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften von nanolami-nierten Kompositschichten entwickelt, für die erste
Ergebnisse präsentiert werden.
Nanolaminated
composite coatings containing TiN and/or ZrN: Review, novel Coating Concepts,
and Applications
Abstract
A
novel concept for wear protective coatings in the area of machine cutting
applications is presented, that is based on nanolaminated titanium
nitride/zirconium nitride (TiN/ZrN) com-posite coatings. In addition an
comprehensive literature review of nanolaminated composite coatings containing
TiN and/or ZrN as a component is given. The developments made in this field so
far are summarized and critically evaluated. The new concept comprises the
con-trolled adjustment of a columnar growth morphology to use the nano-cavities
between the columns as a depot for cooling lubricants. The challenge was to
optimize the deposition pa-rameters in order to increase the adhesion to reach
values which usually are only possible with a compact morphology (critical load
of failure in the scratchtest > 40 N). To realize this concept nanolaminated
TiN/ZrN composite coatings were deposited by reactive dc-magnetron sputtering
of metallic titanium and zirconium targets in an argon/nitrogen plasma. These
nanolaminated composite coatings also served as a model system for a complete
characterization of nanolaminated composite coatings and their interfaces from
the microme-ter down to the nanometer scale. This way it was possible to correlate their constitution
(characterization by: SEM, XRD, TEM, Scanning Force Microscopy), properties
(hardness: 2000 - 2600 HV0.015, reduced elastic modulus: 330 - 420 GPa,
internal stress: < 1 GPa, critical load of failure in the scratchtest: 30 -
85 N) and their and their performance in cutting screws made of freecutting
steel of quality 11SMnPb30 (AISI 12L13, DIN 1.0718) at a cutting speed of 125
mm/min with coated high speed steel (HSS) saw blades (AISI M2, DIN 1.3343). On
the basis of the nanolaminated TiN/ZrN composite coatings, the small-angle cross
sec-tion method (SACSM) was developed for use in depth-resolved investigations
of mechanical properties of nanolaminated composite coatings and first results
will be presented.
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