3. Statuskolloquium des BMBF Projektes
PU2000 IMAUF
Industrielle
Prozesse zur reaktiven Abscheidung von
binären, ternären und quaternären Schichten im System V-C-Al-N
S. Kolozsvari1, P. Pesch1,
C. Ziebert2, M. Stüber2, S. Ulrich2
1Technologiezentrum für Oberflächentechnik Rheinbreitbach
GmbH
2Institut
für Materialforschung I, Karlsruher Institut für Technologie
Am
TZO wurden in einer Beschichtungsanlage von Typ CC800/8 der Firma CemeCon industrielle Beschichtungsprozesse zur Abscheidung
von binären, ternären und quaternären Schichten im System V-C-Al-N erarbeitet.
Die entwickelten Prozesse erlauben die Abscheidung von 2-3 mm
dicken Schichten auf runden Stahlproben (Werkstoffnummer: 1.2379) und auf (100)
orientierten Si-Referenzproben in Ar/N2-Atmosphäre bei einer
Leistung von 3 kW und einer Substrattemperatur von 350 °C.
Ziel ist die Erarbeitung von Konzepten und die Etablierung der
Prozesse zur Herstellung von 3 Schichten im System V-C-Al-N mit unterschiedlichem Reibwert: hoch (0,6<μ<0,8), mittel (0,4<μ<0,6) und niedrig (μ<0,4). Zunächst wurden derartige Prozesse
für die binären Randsysteme
V-N, Al-N und V-C erarbeitet. Nachfolgend wurden dann Prozesse für das ternäre
System V-Al-N und das quaternäre System V-C-Al-N entwickelt. Beim binären VC
konnte durch die Variation des CH4-Flusses eine deutliche Variation
des Reibwertes von 0,7 bis auf 0,25 erreicht werden. Dies stellt eine erste
Möglichkeit zur Herstellung einer Schicht mit niedrigem Reibwert dar. Die
Schichten wiesen jedoch geringe Härtewerte von maximal 700 HV0.001 auf und
zeigten eine schlechte Haftung. Daher wurden anschließend VC-Schichten
nichtreaktiv in reiner Argonatmosphäre abgeschieden. Es gelang eine
Härtesteigerung auf bis zu 2600 HV 0.001 zusammen mit einer guten Haftung zu
erzielen. In den am IMF I aufgenommenen Röntgendiffraktogrammen wurde ein
V-Überschuss gefunden, der auf eine V2C-Struktur dieser Schichten
hindeutet. Daher ist eine weitere Prozessoptimierung erforderlich, um weniger
Vanadium oder mehr Kohlenstoff einzubringen.
Mit
Hilfe eines V-Targets mit 20 Aluminumstopfen
gelang es einen Prozess zur Herstellung von superharten nanokristallinen
metastabilen VAlN-Schichten mit einer
(111)-Vorzugsorientierung und Härtewerten von bis zu 4600 HV0.001 zu erarbeiten.
Diese Schichten wiesen bei sehr guter Haftung einen Reibwert von 0,6-0,7 auf
und sind somit als Schicht mit hohem Reibwert geeignet.
Durch
Kombination der gut haftenden VAlN-Lage mit einer
nachfolgenden VAlNC-Lage lässt sich ein mittlerer
Reibwert realisieren. Beide Lagen konnten eindeutig als nanokristallin
und (111)-texturiert
in den Röntgendiffraktogrammen identifiziert werden. Die Kristallitgröße der VAlN-Lage betrug 5 nm und die der VAlNC-Lage
10 nm.
Die
nächsten Schritte bestehen in der Optimierung des Reibwertes des VAlNC-Schichtsystems mit Hilfe der umfangreichen
Charakterisierungsmethoden am IMF I durch Variation der Beschichtungsparameter
(Gaszufuhr CH4 oder C2H2). Sobald Prozesse für
alle drei Reibwertbereiche etabliert sind, sollen die drei optimierten
Schichten auf Streifenzieh-Werkzeuge und andere Modellumformwerkzeuge
aufgebracht und von den Projektpartnern Institut für Umformtechnik der
Universität Stuttgart sowie der ThyssenKrupp Steel
Europe AG getestet werden.