Einfluss von Biasspannung und Heizleistung auf TiSiBCN-Nanokomposite
Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt „Grundlagenuntersuchung zur temperaturabhängigen Selbstorganisation von PACVD- und PVD-TiSiBCN-Dünnschichten“ in Kooperation mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der TU Braunschweig erforscht neuartige TiSiBCN-Mehrphasenbeschichtungen. Diese sollen die Verschleißbeständigkeit von TiCN, die chemische Stabilität und Härte von TiB₂ sowie die Oxidationsbeständigkeit von TiSiN vereinen und machen die Schichten zu potenziellen Kandidaten für Schutzbeschichtungen in der Aluminiumumformung.
Die resultierenden Nanokomposite bestehen aus (Ti,C,N)B- und (Ti,C,N)B₂-Nanokristallen, eingebettet in eine amorphe Matrix, deren Anteile gezielt durch die Prozessparameter der Magnetron-Kathodenzerstäubung eingestellt werden können. Während die chemische Zusammensetzung die Phasenbildung stark beeinflusst (siehe https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131643 ), steuern Biasspannung und Substrattemperatur die Kristallitgröße und das Verhältnis von amorphen zu kristallinen Phasen.
Eine erhöhte Temperatur fördert Diffusionsvorgänge, Phasensegregation sowie das Kristallitwachstum, während die Biasspannung die Wachstumshemmung der Kristallite, Gittereinlagerungen sowie eine Amorphisierung begünstigen kann. Bis zu einem gewissen Grad, können diese Mechanismen z.B. Härtemaximum herbeiführen. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von Biasspannung Ub und Heizleistung Ph auf die strukturelle und tribo-mechanischen Eigenschaften von TiSiBCN-Nanokompositen systematisch zu untersuchen.
Ausgangspunkt war eine zuvor identifizierte Schichtauswahl mit hoher Härte (IH), niedriger Reibung (Iμ) und geringem Verschleiß (Ik). Von diesen Referenzschichten (Ub = 100 V; Ph = 5 kW, T ≈ 350 °C) ausgehend, erfolgte eine Variation der Biasspannung auf −150 V und −200 V und der Heizleistung auf 2 kW und 8 kW (T ≈ 240 °C und 440 °C).
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Wirkung von Biasspannung Ub und Heizleistung Ph stark von der initialen Nanostruktur der TiSiBCN-Nanokomposite abhängt. In überwiegend kristallinen Schichten führt eine Erhöhung der Biasspannung zwar zu einer Verfeinerung der Kristallite, gleichzeitig aber auch zu Defekteinbau, gestörter amorpher Matrix und hohen Druckeigenspannungen, was eine Abnahme der Härte bewirkt. Dagegen führt eine erhöhte Heizleistung durch gesteigerte Adatom-Mobilität zu Phasensegregation, Eigenspannungsrelaxation und ausgeprägten Nanokristall-Matrix-Grenzflächen, was die Härte auf 41 GPa ansteigen lässt.
Jedoch zeigen die überwiegend kristallinen Nanokomposite eine erhöhte Reibung gegenüber der Aluminiumlegierung AW6060 aufgrund oxidischer Verschleißpartikel und Oberflächenunebenheiten. In initial amorphen Nanokompositen reduziert eine inerte, C- und N-reiche Matrix Aluminium-Aufschmierungen und folglich die Reibung.
Alle Ergebnisse der umfangreichen Untersuchung der TiSiBCN Dünnschichten wurden in der Special Issue „51th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2025)” des Journals „Surface and Coatings Technology” veröffentlicht und steht unter folgendem Link zur verfügung: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.132728
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