Grundlagenuntersuchung zur temperaturabhängigen Selbstorganisation von PACVD und PVD-TiSiBCN-Dünnschichten

Die steigenden Anforderungen in den Applikationen der Warmformgebung, wie beispielsweise in der Warmmassivumformung oder dem Leichtmetalldruckguss an Formen und Werkzeuge bezüglich höherer Standzeiten, erfordern neuartige Verschleißschutzschichten, die auch bei hohen Einsatztemperaturen thermisch und mechanisch stabil bleiben. Prozesse der Warmformgebung zeichnen sich durch zyklische hohe mechanische Beanspruchungen bei gleichzeitiger thermischer Wechselbeanspruchung aus. Gleichzeitig werden durch den Materialfluss während der Formgebung sehr hohe tribologische Verschleißbedingungen an der Oberfläche der formgebenden Werkzeuge und Formen erzeugt. Um die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsverfahren zu erhalten und eine weitere Steigerung der Anforderungen an die Oberflächen zu ermöglichen, sind neue Schichtwerkstoffe notwendig. Diese können durch nanostrukturierte Mehrphasenschichtsysteme bereitgestellt werden, die aus entsprechend thermisch stabilen Verbindungen des Übergangsmetalls Titan als Karbide, Nitride, Boride oder auch Siliziumverbindungen aufgebaut sind.

Als Stand der Technik werden Beschichtungen eingesetzt, die auf binären und ternären Zusammensetzungen basieren, und den tribologisch verursachten Verschleiß reduzieren. Hier sind beispielsweise Schichten mit TiN, TiC, TiB₂ oder TiCN, TiBN im Einsatz, die jedoch thermisch gerade unter oxidierenden Umgebungsbedingungen limitiert sind. Diese gebräuchlichen binären und ternären Werkzeugverschleißschutzschichten sollen für Hochtemperaturanwendungen um die Elemente Silizium und/oder Kohlenstoff zu quaternären bzw. quinären Schichtsystemen erweitert werden (vgl. nachfolgende Abbildung). Von diesen mit den Dünnschichttechnologien PVD und PACVD erzeugten Mehrphasenkompositsystemen wird vor allem bei Hochtemperaturanwendungen (700 bis 1000°C) durch Voruntersuchungen ein deutlich reduzierter Verschleiß erwartet. Wesentlich dafür sind die bei hohen Temperaturen sehr stabilen mechanischen Eigenschaften, die durch die Möglichkeit zur Umstrukturierung des nanokristallinen Aufbaus in der Anwendung teilweise sogar noch gesteigert werden können. Diese Eigenschaften sollen im Vorhaben durch analytische Untersuchungen in-situ unter hohen thermischen Umgebungsbedingungen für die unterschiedlich im PVD- als auch PACVD-Verfahren synthetisierten Systeme nachgewiesen werden. Weiterhin werden zur Evaluierung der tribologischen Eigenschaften Untersuchungen an den entwickelten Schichten durchgeführt.

Am Ende des Vorhabens stehen Erkenntnisse, wie Mehrphasensysteme eingestellt werden müssen, um sich positiv auf die Standzeit von Werkzeugen der Warmmassivumformung auszuwirken.