Effect of Si alloying on Ti(Al)N hard coatings

Titel in Übersetzung: Einfluss des Legierens mit Si auf Ti(Al)N Hartstoffschichten

Yvonne Moritz

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Mittels physikalischer und chemischer Gasphasenabscheidung synthetisierte Hartstoffschichten werden häufig eingesetzt, um die Lebenszeit und Leistung von Schneidwerkzeugen zu verbessern. Diese Hartstoffschichten müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, wie z.B. eine hohe Härte, gute Verschleißbeständigkeit und Bruchzähigkeit, sowie eine gute thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe einer Auswahl an modernen Charakterisierungsmethoden ein tiefgreifendes Verständnis für den Zusammenhang von Mikrostruktur und Eigenschaften von Ti(Al,Si)N Hartstoffschichten zu entwickeln. Der erste Schritt dieser Arbeit bestand darin, die mechanischen Eigenschaften einschließlich der Bruchzähigkeit und Bruchfestigkeit des Ti(Al,Si)N Schichtsystems zu evaluieren und mit der jeweiligen chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur zu korrelieren. Sowohl TiSiN als auch TiAlSiN Schichten wiesen eine sehr feinkörnige, Nanokomposit Struktur und eine idente hohe Härte von ~40 GPa auf. Die TiAlSiN Schicht mit einem Al Gehalt im metallischen Gitter von 14 % zeigte darüber hinaus signifikant verbesserte Brucheigenschaften verglichen mit der Al-freien Schicht. Da die Oxidationsbeständigkeit von verschleißfesten Hartstoffschichten einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistung des Schneidwerkzeugs hat, bestand der nächste Schritt dieser Arbeit darin, den Oxidationsmechanismus von TiSiN Schichten im Detail zu verstehen, indem in-situ Synchrotron Röntgenbeugungs-Experimente sowie hochauflösende Rastertransmissionselektronenmikroskopie Messungen durchgeführt wurden. Es zeigte sich, dass während der Oxidation von Nanokomposit TiSiN Schichten - welche aus nanokristallinen TiN Körnern umgeben von einer amorphen SiNx (a-SiNx) Phase bestehen - zwei Phasen, nämlich Rutil und Anatas TiO2, bis zu einer Temperatur von ~1020 °C gebildet werden. Wenn diese Temperatur überschritten wird, wandelt sich die metastabile Anatas TiO2 Phase in die stabile Rutil TiO2 Modifikation um. Die Abscheidung eines dreilagigen SiNx/TiN/SiNx Modell Schichtsystems mittels Magnetronsputtern erlaubte darüber hinaus den Einfluss der Dicke der a-SiNx Phase auf die Oxidationsbeständigkeit von TiSiN Schichten zu untersuchen. Hierbei wurde beobachtet, dass eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit der kristallinen TiN Lage mit einer höheren Dicke der SiNx Lagen korreliert, wobei letztere verglichen mit der kristallinen TiN Phase eine signifikant bessere Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Des Weiteren wurde der Effekt der Zugabe kleiner Mengen Al auf die Oxidationsbeständigkeit von TiSiN Schichten untersucht, indem wiederum der Oxidationsmechanismus von zwei TiAlSiN Schichten mit unterschiedlich niedrigem Al Gehalt mittels in-situ Röntgenbeugung untersucht wurde. Ein etwas höherer Al Gehalt stand hierbei im Zusammenhang mit einer höheren Quantität der Anatas TiO2 Phase, was auf ein unterdrücktes Kornwachstum während der Oxidation zurückgeführt wurde. Zusammenfassend demonstrieren die wissenschaftlichen Ergebnisse, die in dieser Dissertation präsentiert werden, den Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften des Ti(Al,Si)N Schichtsystems und erlauben darüber hinaus ein detailliertes Verständnis des Oxidationsmechanismus von Ti(Al)SiN Schichten. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die Bedeutung der Kombination mehrerer moderner Charakterisierungsmethoden zur umfassenden Untersuchung von Hartstoffschichten hervorgehoben.
Titel in ÜbersetzungEinfluss des Legierens mit Si auf Ti(Al)N Hartstoffschichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schneider, Jochen, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Mitterer, Christian, Betreuer (intern)
  • Cavaleiro, Albano, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Keckes, Jozef, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung30 Juni 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Hartstoffschichten
  • Ti(Al
  • Si)N Schichten
  • in-situ Röntgenbeugung
  • Nanokomposite
  • Oxidationsbeständigkeit

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