Development of wear resistant coatings based on complex metallic alloys for functional application

Abstract

Da eine fortschreitende Abnützung von Maschinenkomponenten zu einem drastischen Anstieg an Energieverbrauch und Kosten führt, hat die Entwicklung neuer, hoch abnützungsresistenter Materialien große Bedeutung für verschiedenste industrielle Anwendungen. Ihre einzigartige Kombination von mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften macht komplexe Metallverbindungen (CMAs), insbesondere das quasikristalline Al59Cu25.5Fe12.5B3 und AlMgB14 zu vielversprechenden und kosteneffizienten Materialen für abnützungsresistente Schutzschichten.<br />Zur Abscheidung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 und AlMgB14 Schichten mittels Magnetron Sputtern, wurde ein geeignetes Beschichtungssystem konstruiert. Entsprechende Targets wurden durch Heißpressen eines Elementarpulvergemisches hergestellt. Zur Herstellung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 Targets konnte zusätzlich das kommerziell erhältliche Pulver St Gobain Cristome F1 verwendet werden. Zur Schichtabscheidung wurden verschiedene Substrate wie: Hartmetall WC-Co, Stahl K600 und K890, epitaktisches Si und keramisches Al2O3 verwendet. Um die Haftbarkeit zu verbessern und übermäßige Diffusion zu vermeiden, wurden folgende Materialien als mögliche Zwischenschicht getestet: Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Mangan (Mn) und Nickel (Ni). Zur Optimierung der Schichteigenschaften wurden die Beschichtungsleistung, der Substrat-Target Abstand, der Arbeitsgasdruck, die Substrattemperatur und die Bias Spannung variiert. Die Targets und die abgeschiedenen Schichten wurden mit folgenden Methoden analysiert: Induktiv-gekoppelte-Plasma Massen Spektroskopie (ICP-MS), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Rasterelektronenmikroskop (SEM), Röntgen Diffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterkraftmikroskop (AFM).<br />Während die AlMgB Targets aus 90 % AlMgB14 Phase und etwa 10 % Al2MgO4 bestehen, enthalten die bei 600 °C auf WC-Co Hartmetall abgeschiedenen Schichten nur eine amorphe Bor Phase. Auch ein nachträgliches Erhitzen auf 900 °C bewirkt nicht die Ausbildung einer kristallinen AlMgB14 Schicht. Der Beschichtungsprozess mit RF Magnetron Sputtern beinhaltet auch einige technische Schwierigkeiten wie: Bruch-/Rissbildung in den AlMgB Targets auch bei niedriger Beschichtungsleistung (3.8 W/cm2) und sehr niedrige Beschichtungsraten (20 nm/min für eine Beschichtungsleistung von 15.2 W/cm2).<br />AlCuFeB Targets mit der chemischen Zusammensetzung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 aber ohne die quasikristalline Struktur konnten durch Heißpressen bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Da die Targets nur aus metallischen Phasen bestehen, kann DC Magnetron Sputtern zur Schichtabscheidung verwendet werden. Mit diesen Targets können AlCuFeB Schichten, bestehend aus 40 % quasikristalliner AlCuFe Phase und 60 % Al50Cu40Fe10 ß Phase abgeschieden werden. Die Schichten bestehen aus einer Al50Cu40Fe10 ß Phasen Matrix, in der quasikristalline Körner mit einem Durchmesser von etwa 10 nm eingebettet sind. Die AlCuFeB Schichten haften gut auf den verschiedenen Substraten. Jedoch zeigen sich auf Si, ab einer Schichtdicke von etwa 1 mym, Ablösungserscheinungen. Die AlCuFeB Schichten weisen günstige Eigenschaften für die Nanoimprint Lithograpie (NIL) auf und können daher als potentielle abnützungsresistente Schutzschichten in diesem Bereich angesehen werden. Bei Abspanversuchen mit Aluminium konnte die Lebensdauer des Abspanwerkzeuges gegenüber einer kommerziell verfügbaren TiB2 Schutzschicht erhöht werden.<br />

Da eine fortschreitende Abnützung von Maschinenkomponenten zu einem drastischen Anstieg an Energieverbrauch und Kosten führt, hat die Entwicklung neuer, hoch abnützungsresistenter Materialien große Bedeutung für verschiedenste industrielle Anwendungen. Ihre einzigartige Kombination von mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften macht komplexe Metallverbindungen (CMAs), insbesondere das quasikristalline Al59Cu25.5Fe12.5B3 und AlMgB14 zu vielversprechenden und kosteneffizienten Materialen für abnützungsresistente Schutzschichten.<br />Zur Abscheidung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 und AlMgB14 Schichten mittels Magnetron Sputtern, wurde ein geeignetes Beschichtungssystem konstruiert. Entsprechende Targets wurden durch Heißpressen eines Elementarpulvergemisches hergestellt. Zur Herstellung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 Targets konnte zusätzlich das kommerziell erhältliche Pulver St Gobain Cristome F1 verwendet werden. Zur Schichtabscheidung wurden verschiedene Substrate wie: Hartmetall WC-Co, Stahl K600 und K890, epitaktisches Si und keramisches Al2O3 verwendet. Um die Haftbarkeit zu verbessern und übermäßige Diffusion zu vermeiden, wurden folgende Materialien als mögliche Zwischenschicht getestet: Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Mangan (Mn) und Nickel (Ni). Zur Optimierung der Schichteigenschaften wurden die Beschichtungsleistung, der Substrat-Target Abstand, der Arbeitsgasdruck, die Substrattemperatur und die Bias Spannung variiert. Die Targets und die abgeschiedenen Schichten wurden mit folgenden Methoden analysiert: Induktiv-gekoppelte-Plasma Massen Spektroskopie (ICP-MS), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Rasterelektronenmikroskop (SEM), Röntgen Diffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterkraftmikroskop (AFM).<br />Während die AlMgB Targets aus 90 % AlMgB14 Phase und etwa 10 % Al2MgO4 bestehen, enthalten die bei 600 °C auf WC-Co Hartmetall abgeschiedenen Schichten nur eine amorphe Bor Phase. Auch ein nachträgliches Erhitzen auf 900 °C bewirkt nicht die Ausbildung einer kristallinen AlMgB14 Schicht. Der Beschichtungsprozess mit RF Magnetron Sputtern beinhaltet auch einige technische Schwierigkeiten wie: Bruch-/Rissbildung in den AlMgB Targets auch bei niedriger Beschichtungsleistung (3.8 W/cm2) und sehr niedrige Beschichtungsraten (20 nm/min für eine Beschichtungsleistung von 15.2 W/cm2).<br />AlCuFeB Targets mit der chemischen Zusammensetzung von Al59Cu25.5Fe12.5B3 aber ohne die quasikristalline Struktur konnten durch Heißpressen bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Da die Targets nur aus metallischen Phasen bestehen, kann DC Magnetron Sputtern zur Schichtabscheidung verwendet werden. Mit diesen Targets können AlCuFeB Schichten, bestehend aus 40 % quasikristalliner AlCuFe Phase und 60 % Al50Cu40Fe10 ß Phase abgeschieden werden. Die Schichten bestehen aus einer Al50Cu40Fe10 ß Phasen Matrix, in der quasikristalline Körner mit einem Durchmesser von etwa 10 nm eingebettet sind. Die AlCuFeB Schichten haften gut auf den verschiedenen Substraten. Jedoch zeigen sich auf Si, ab einer Schichtdicke von etwa 1 mym, Ablösungserscheinungen. Die AlCuFeB Schichten weisen günstige Eigenschaften für die Nanoimprint Lithograpie (NIL) auf und können daher als potentielle abnützungsresistente Schutzschichten in diesem Bereich angesehen werden. Bei Abspanversuchen mit Aluminium konnte die Lebensdauer des Abspanwerkzeuges gegenüber einer kommerziell verfügbaren TiB2 Schutzschicht erhöht werden.