Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Ti-Al-N Hartstoffschichten als Funktion der Glühtemperatur

Abstract

D Bestimmung von Materialeigenschaften von Hartstoffschichten wie Härte, Bruchzähigkeit und thermische Beständigkeit erfordert oftmals detaillierte experimentelle Untersuchungen. Wärmebehandlungen nach der Film Synthese können verwendet werden um die Schichteigenschaften zu modifizieren oder um die Wärme, die aufgrund der Reibung zwischen dem beschichteten Schneidwerkzeug und dem zu bearbeitenden Werkstück in Hochgeschwindigkeits-Zerspanungsprozessen entsteht, zu simulieren. Kenntnisse in diesem Bereich ermöglichen die Eigenschaften von Hartstoffschichten zu kontrollieren und maßzuschneidern. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit und Eigenspannungen von Ti-Al-N-Hartstoffschichten als Funktion der Glühtemperatur ermittelt. Die mechanischen Eigenschaften hängen mit dem strukturellen Aufbau der Schichten zusammen. Die Proben wurden durch physikalische Gasphasenabscheidung (reaktives Sputtern) auf Al2O3 (11 02) und Si (100) Substraten abgeschieden. Die Schichten auf den Si-Substraten wurden als Referenzproben herangezogen, um die experimentellen Ergebnisse mit früheren Untersuchungen vergleichen zu können. Die Glühversuche wurden in einem Vakuumofen in einem Temperaturbereich von 500 bis 1200 C durchgeführt. Die spinodale Entmischung von Ti-Al-N in kubische AlN- und TiN-reiche Domänen beziehungsweise die Phasenumwandlung von kubischem kfz-AlN in wurtzites hdp-AlN bei höheren Temperaturen wurden untersucht. Aufgrund der molaren Volumsdifferenz zwischen kfzund hdp-AlN (Volumsexpansion) bilden sich in der Schicht Druckeigenspannungen aus, welche Härte und Bruchzähigkeit positiv beeinflussen können. Bei 900 C Glühtemperatur steigen die Druckeigenspannungen von -0.67 (für die bei 600 C geglühte Probe) auf -1.97 GPa für die bei 1050 C geglühte Probe aufgrund der Bildung von wurtzitem AlN mit einem höheren molaren Volumen als das der kubischen Ti-Al-N-Matrix. Die Entwicklung der Bruchzähigkeit als Funktio

The knowledge of how the properties of hard coatings, such as hardness, fracture toughness, thermal stability depend on the deposition parameters and materials systems often require detailed experimental studies. Post-deposition treatments such as annealing heat treatments can be used to modify the film properties or to simulate the heat that arise due to friction between coated cutting tools and work piece in high speed dry cutting application. Gaining insight into this area opens the possibility to control and tailor the properties of hard coatings. Within the scope of this thesis, the hardness, elastic modulus, fracture toughness and residual stress of Ti-Al-N hard coatings were determined as a function of annealing temperature (under vacuum conditions). The mechanical properties were correlated with the film structural evolution. The samples were deposited by physical vapor deposition (reactive magnetron sputtering) on Al2O3 (1102) and Si (100) substrates. The coatings grown on the Si (100) substrates were taken as a reference, to compare the film as-deposited properties with earlier experimental studies. The annealing heat treatments of the samples were done in a vacuum furnace in the temperature range from 500 to 1200 C. The spinodal decomposition of Ti-Al-N into cubic AlN- and TiN-rich domains and the transformation of cubic c-AlN to wurtzite w- AlN at higher temperatures were studied. Because of the molar volume difference between c-Ti1-xAlxN and w-AlN, compressive residual stresses form in the coating, which can have a beneficial influence on hardness and fracture toughness. At 900 C annealing temperature, compressive residual stresses increase from -0.67 (for the sample annealed at 600 C) to -1.97 GPa for the sample annealed at 1050 C because of the formation of wurtzite AlN with a higher molar volume than the cubic Ti-Al-N matrix. The evolution of the fracture toughness as a function of annealing temperature and the structural evolution in Ti-Al-N were