ZrN-based hard coatings deposited by chemical and physical vapor deposition

Titel in Übersetzung: ZrN basierte Hartstoffschichten abgeschieden mittels chemischer und physikalischer Gasphasenabscheidung

Florian Frank

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Hartstoffschichten werden seit mehreren Jahrzehnten verwendet, um die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Hartmetall-Schneidwerkzeugen für Zerspanungsanwendungen zu verbessern. Die Anforderungen an diese Schichten sind sowohl eine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, als auch eine gute thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Chemische und physikalische Gasphasenabscheidung (englisch Chemical Vapor Deposition, CVD, und Physical Vapor Deposition, PVD) sind häufig verwendete Methoden, um diese Hartstoffschichten abzuscheiden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von ZrN basierten Hartstoffschichten und die fundamentale Untersuchung ihrer Mikrostruktur, der mechanischen- und thermischen Eigenschaften. Um die Schichteigenschaften zu verbessern, wurden verschiedene Ansätze angewandt. Im ersten Ansatz wurde der Einfluss der Zugabe von C zu CVD ZrN auf die Schichteigenschaften untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Härte der Schichten mit dem C Anteil steigt, was auf eine kleinere Korngröße und einen stärkeren Anteil kovalenter Bindungen zurückgeführt werden kann. Eine detaillierte Untersuchung des Oxidationsverhaltens mittels in-situ Hochtemperatur Synchrotron-Röntgendiffraktion hat gezeigt, dass das Vorliegen von C in den Schichten die Oxidationsstabilität erhöht, wobei ZrC0.4N0.6 den höchsten Beginn der Oxidation bei einer Temperatur von ~570 °C aufwies. Die höhere Oxidationsbeständigkeit von ZrC0.4N0.6 und ZrC gegenüber ZrN kann auf eine Stabilisierung der kubischen und/oder tetragonalen ZrO2 Phase durch amorphen C und eine kleinere Korngröße zurückgeführt werden. Im zweiten Ansatz wurden ZrN/Ti(Al)N Multilagenschichten mittels PVD abgeschieden und der Einfluss der Lagendicken auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften untersucht. Zuerst wurden ZrN/TiN Multilagenschichten mit unterschiedlichen Lagendicken, sowie ZrN und TiN Einzellagenschichten untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Multilagenarchitektur im Vergleich zu den Einzellagenschichten die Härte sowie die Bruchfestigkeit erhöht. Zweitens wurden die Mikrostruktur und die Eigenspannungen einer gradierten ZrN/TiAlN Multilagenschicht mit konstanter TiAlN und schrittweise größer werdender ZrN Einzellagendicke detailliert mittels positionsaufgelöster Querschnitts-Röntgen-Nanodiffraktion untersucht. Die Schicht wies (semi-)kohärentes Lagenwachstum und eine größer werdende Korngröße sowie sinkende Druckeigenspannungen mit zunehmender ZrN Einzellagendicke auf. Zusammenfassend hebt diese Doktorarbeit etliche Ansätze hervor, um die Eigenschaften von CVD und PVD ZrN basierten Schichten zu verbessern. Außerdem wird die Bedeutung von fortschrittlichen hochauflösenden in-situ und positionsaufgelösten Charakterisierungsmethoden für die Untersuchung von Hartstoffschichten hervorgehoben, welche zu einem tieferen Verständnis der Beschichtung-Struktur-Eigenschaften Beziehung von ZrN basierten Hartstoffschichten beiträgt.
Titel in ÜbersetzungZrN basierte Hartstoffschichten abgeschieden mittels chemischer und physikalischer Gasphasenabscheidung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mitterer, Christian, Betreuer (intern)
  • Llanes Pitarch, Luis, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Keckes, Jozef, Beurteiler A (intern)
  • Kiener, Daniel, Mitbetreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • ZrN
  • TiN
  • TiAlN
  • CVD
  • PVD
  • Hartstoffschichten
  • Multilagen
  • in-situ Synchrotron
  • Nanodiffraktion
  • Hoch Energie Röntgenbeugung
  • CSnanoXRD
  • Bruch Zähigkeit

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