Grundlagenuntersuchungen zur pre-prozess und in-operando Oxidation tribo-aktiver Hartstoffschichten

Im Forschungsvorhaben soll ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge von atomarem Aufbau, Mikrostruktur, Oxidationsbeständigkeit und Reibungsverhalten gesputterter Al-reicher AlCrVY(O)N-Dünnschichten erlangt werden. Dazu werden die Dünnschichten mittels Magnetron-Sputtering auf einem Hartmetall aus WC-Co abgeschieden, aus dem eine Vielzahl von Werkzeugen bestehen. Ziel ist die Abscheidung von AlCrVY(O)N Beschichtungen, die bei erhöhten Temperaturen von 500°C bis 1000°C selbstschmierende Vanadium-Oxidphasen, sogenannte Magnéli-Phasen, bilden, die den Reibungskoeffizienten signifikant vermindern. Zugleich ist von hoher Bedeutung, dass die bekannten positiven mechanischen Eigenschaften der AlCrN-Beschichtungen bei diesen hohen Temperaturen erhalten bleiben.

Reine AlCrN Dünnschichten eigenen sich jedoch auf Grund eines erhöhten Reibungskoeffizients bei erhöhten Temperaturen nicht für tribologische und insbesondere reibungsminimierende Anwendungen. Zentraler Aspekt ist die Analyse des Einflusses der Voroxidation während der Schichtsynthese auf die tribologischen Eigenschaften sowie die Änderung der Oxidphasen während des Einsatzes im Labormaßstab. Im Vergleich dazu werden ebenfalls sauerstofffreie AlCrVYN Dünnschichten hergestellt und gegenübergestellt. Dazu wird die temperaturinduzierte Änderung der Struktur von AlCrVY(O)N Dünnschichten, die mittels verschiedener Abscheidemethoden und somit unterschiedlich hochenergetisch synthetisiert werden, auf makroskopischer sowie atomarer Skala mittels Röntgendiffraktion (XRD) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (XANES) unter Nutzung von Synchrotronstrahlung hinsichtlich der Oxidationsbildung von Vanadiumphasen und der Oxidationsbeständigkeit der Al- und Cr-Phasen untersucht und miteinander gekoppelt.

Ziel ist das grundlegende Verständnis zwischen den Abscheideparametern und des voroxidierten Zustands auf die strukturellen Auswirkungen der Beschichtungseigenschaften und somit die Möglichkeit, für Hochtemperaturanwendungen reibungsminimierende Beschichtungen mit zugleich guten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln.

REM-Bilder der Oberfläche einer Y-freien AlCrVN-Dünnschicht im as-deposited und bei 400°C, 700°C und 900°C wärmebehandelten Zustand. Sie zeigen die Ausbildung von oberflächlichen Oxiden ab 700°C

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