3. Statuskolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF

„Innovative Methoden zur Auslegung von Umformwerkzeugen

 im Fahrzeugbau“, GNS mbH, Braunschweig, 04.11.2009

 

 

Tribologische Untersuchung von gesputterten V-C-Al-N-Schichten mittels REM, EDX und TEM

 

C. Ziebert, M. Stüber, S. Ulrich

 

Institut für Materialforschung I, Karlsruher Institut für Technologie

 

Zur Untersuchung des Einflusses des CH4-Anteils im Sputtergas auf die Mikrostruktur und die tribologischen Eigenschaften gesputterer V-C-Al-N-Schichten diente ein kombi-natorischer materialwissen­schaftlicher Ansatz mit hälftig segmentierten VC/AlN-Target. Beim Magnetronsputtern von diesem Target wurden in jedem Experiment 6 Substrate in einer Linie gegenüber dem Target in Position gebracht, so dass 6 Schichten mit unterschiedlichem chemischen Aufbau von VC-reich auf Position 1 bis AlN-reich auf Position 6 und/oder Mikrostruktur hergestellt werden konnten. Bei einer Targetleistung von 250 W, einem Gasdruck von 0,6 Pa, einer Substrattemperatur von 150 °C und ohne Substratvorspannung wurden in einer Leybold Z550 Sputteranlage 5 Versuchserien mit einer Beschichtungsdauer von 4 h gefahren: Serie 1 nicht-reaktiv mit reinem Ar und die Serien 2-5 reaktiv mit steigendem CH4-Anteil von 1 %, 2 %, 4 % und 8 %.

Die in Kugel-Scheibe-Geometrie gegen 100Cr6 durchgeführten tribologischen Untersuchungen (Kugeldurchmesser = 3 mm, F = 10 N; v = 3 cm/s; s = 500 m; T = 25 °C; 50 % r. F.) wurden durch Analysen der Reibspuren mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Spektros­kopie (EDS) ergänzt. Während sich auf den Positionen 1 bis 3 nur eine geringere Veränderung der Oberfläche nach dem Tribometerversuch zeigte, wiesen die Positionen 4 bis 6 eine Oberfläche mit zahlreichen Abplatzungen auf und mittels EDS konnte zusätzlich ein Eisenübertrag von der 100Cr6-Kugel nachgewiesen werden. Dies steht in guter Übereinstimmung mit dem Anwachsen der Reibwerte zwischen Pos. 3 und 4 von 0,15 auf 0,4. Um zu untersuchen, ob dieser Unterschied durch die Mikrostruktur der Schichten hervorgerufen wird, wurden von den beiden Schichten durch Ionenätzen Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) präpariert und Hellfeld- (HF), Dunkelfeld- (DF), sowie Feinbereichs-Beugungsaufnahmen angefertigt. In beiden Fällen zeigte sich jedoch die gleiche feinskalige kolumnare federartige Struktur in den HF- und DF-Aufnahmen und es konnte keine amorphe Phase festgestellt werden. Dies bestätigt jedoch, dass es sich um nanokristalline metastabile kfz (V,Al)(C,N)-Schichten handelt. Auch die mittels Raster­kraftmikroskopie im Kontaktmodus bestimmte Abhängigkeit der Oberflächenrauheit von der Probenposition konnte nicht zur Aufklärung des tribologischen Verhaltens beitragen, da sowohl der arithmetischen Mittenrauhwert als auch die mittlere Profilhöhe von den Positionen 1 bis 6 abnimmt.