3. Statuskolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF

„Innovative Methoden zur Auslegung von Umformwerkzeugen

im Fahrzeugbau“, Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik, 14.04.2010

Aufklärung des tribologischen Verhaltens von gesputterten V-C-Al-N-Schichten mittels XRD, AFM, TEM und HR-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 %.

Aufgrund der Ergebnisse der tribologischen Messungen wurde die ausführliche Charakterisierung der Schichten unter Fokussierung auf die Versuchsserie 3 fortgeführt, da sie einen kontinuierlichen Übergang von geringen Reibzahlen bei den Positionen 1, 2 und 3 (m » 0.15) zu hohen Reibzahlen bei den Positionen 4, 5 und 6 (m » 0,35-0,45) aufwiesen. Zunächst wurde basierend auf den Ergebnissen der Analyse der Schichtzusammensetzung folgendes Modell erstellt: bei den Pos. 1 bis 3 genügt der vorhandene Kohlenstoffüberschuss von 7 - 10 %, um eine geschlossene Kohlenstoffhaut um die metastabilen Nanokristallite aus der (V,Al)(C,N)-Phase auszubilden, was zu einem niedrigen Reibwert führt. Ab Position 4 ist dies nicht mehr möglich, da der überschüssige Kohlenstoffanteil auf weniger als 5 % und schließlich bei Pos. 6 auf weniger als 2 % absinkt. Daher steigt der Reibwert deutlich an. Die Versuche, das Modell mittels Röntgendiffraktometrie, Transmissionselektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie im Phasenkontrastmodus zu bestätigen, ergaben lediglich erste Hinweise. Erst durch den Einsatz der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie gelang mittels direkter Gitterabbildung die Bestätigung des Modells. Während an Pos. 3 eine vollständige amorphe Kohlenstoffhaut die einzelnen Nanokristallite umgibt, reicht die Kohlenstoff-Konzentration an Pos. 4 dafür nicht mehr aus, so dass die Kristallite teilweise direkt aneinander stoßen, was den Reibwert deutlich erhöht.