Chemical Vapor Deposition of Hard Coatings in the System Ti-B-C-N

Titel in Übersetzung: Chemische Gasphasenabscheidung von Hartstoffschichten im System Ti-B-C-N

Christina Kainz

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die wirtschaftliche Forderung der Zerspanungsindustrie nach immer höheren Schneidgeschwindigkeiten bei gleichzeitig längerer Werkzeuglebensdauer erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung der eingesetzten Werkstoffe. Die Verwendung von Hartstoffschichten, welche industriell über chemische Gasphasenabscheidung (englisch Chemical Vapor Deposition, CVD) hergestellt werden können, ermöglicht es, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung von harten und gleichzeitig zähen Schichten im Ti(B,C,N) System mit für die Anwendung optimierten thermophysikalischen Eigenschaften. Zur Verbesserung der Härte und Zähigkeit wurden die folgenden zwei Ansätze untersucht: (i) Legierung von CVD TiN Schichten mit B und C und (ii) Verwendung einer mehrlagigen Schichtarchitektur. Dazu wurden TiN, TiB0.13N0.87, TiC0.29N0.71 und TiB0.1C0.36N0.54 Einzellagenschichten und TiN/TiB0.13N0.87 Multilagenschichten mit unterschiedlichen Lagendicken hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Phasenzusammensetzung und bruchmechanischen Eigenschaften verglichen. Letztere wurden anhand von mikro-mechanischen Versuchen an freistehenden Biegebalken der Schicht evaluiert. Sowohl die Zugabe von B und C, als auch die Anwendung einer Multilagenstruktur verbessert die (mikro-)mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu einlagigem TiN maßgeblich. Die quaternäre TiB0.1C0.36N0.54 Schicht wies die höchste Härte und Festigkeit auf, wohingegen die TiN/TiB0.13N0.87 Multilagenschicht mit der höchsten Anzahl an Einzellagen sich als die zäheste herausstellte. Kenntnisse über die Eigenschaften der Schicht bei der tatsächlichen Anwendungstemperatur erlauben eine Vorhersage des Verhaltens während der Zerspanung. Deshalb wurden die thermische Stabilität und die Wärmeausdehnung von CVD TiN, TiB2 und vier TiBxNy Schichten mit variierendem B Gehalt bis 1000 °C mittels hochenergetischer Röntgenstrahlung untersucht. Die Zugabe von B führt zu einer geringeren Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat, wodurch die Gefahr der Bildung von thermischen Rissen verringert wird. Darüber hinaus nimmt mit zunehmendem B-Gehalt die Wärmeleitfähigkeit ab, was in Bezug auf die Wärmeverteilung im Material vorteilhaft ist. Die Herstellung von CVD TiCxN1-x Schichten erfolgt meist unter Einsatz von CH4 im Hochtemperatur- oder CH3CN im Mitteltemperaturprozess. Teil dieser Arbeit war zudem, die Möglichkeit des Einsatzes von C2H6 als alternative C Quelle zu untersuchen. Die Verwendung dieses Precursors ermöglicht die Verringerung des Energieeintrags während der Beschichtung und bietet zudem die Möglichkeit, den Kohlenstoffgehalt gänzlich frei zu wählen. Fünf Schichten mit C/(C+N) Verhältnissen von 0 bis 0.8 wurden durch diese neue Methode hergestellt und sodann in Bezug auf ihre Mikrostruktur, (mikro-)mechanischen Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit verglichen. Es stellte sich heraus, dass ein moderater bis hoher C Gehalt in Bezug auf Härte, Zähigkeit und thermische Leitfähigkeit die für die Zerspanung günstigsten Eigenschaften aufweist.
Titel in ÜbersetzungChemische Gasphasenabscheidung von Hartstoffschichten im System Ti-B-C-N
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mitterer, Christian, Betreuer (intern)
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Beurteiler B (extern)
  • Keckes, Jozef, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Hartstoffschichten
  • Chemische Gasphasenabscheidung
  • Thermo-physikalische Eigenschaften
  • Mechanische Eigenschaften
  • Zerspanungswerkzeuge

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