Thermal expansion of sputter-deposited Ti(C,N) determined by high temperature X-ray diffraction

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Sowohl TiC als auch TiN werden üblicherweise für Werkzeuge, wie Bohrer oder Wendeschneidplatten als Beschichtungen bzw. Zwischenlagen in der Beschichtung verwendet. Diese Schichten dienen entweder der Verbesserung der Oxidations- und Verschleißbeständigkeit der Teile oder aber um die Adhäsion anderer Schichten auf dem Werkzeug zu erhöhen. Eine wichtige Eigenschaft für die Verwendung als Adhäsions- oder Zwischenlage stellt die thermische Ausdehnung dar. Diese kann durch Kombinieren der beiden Schichtmaterialien zu Ti(C,N) variiert werden. In dieser Arbeit wurde die thermische Ausdehnung von Ti(C,N) über den kompletten Zusammensetzungsbereich von reinem TiN bis zu reinem TiC bestimmt. Dafür wurden die Schichtmaterialien, nach dem Abscheiden durch Magnetronsputtern, durch Ätzen vom Substrat befreit, gemahlen und im Temperaturbereich von 25 bis 1000 °C durch Hochtemperaturröntgenbeugung untersucht. Um präzise Werte für die thermische Ausdehnung der gesputterten Materialien zu erhalten, wurde die Hochtemperaturkammer zuvor durch die Messung der thermischen Ausdehnung von Pt Pulver und die direkte Temperaturmessung mittels eines Thermoelements kalibriert. Dabei wurde eine Temperaturabweichung in der Kapillare von bis zu 20 °C verzeichnet, welche durch eine polynomische Korrekturfunktion beschrieben werden konnte. Die Gitterparameter der Ti(C,N) Proben zeigten einen linearen Anstieg mit wachsendem Kohlenstoffgehalt von 4,2460 Å für TiN bis 4,3219 Å für TiC bei 25 °C. Die Abhängigkeit der Temperatur konnte durch ein parabolisches Verhalten zwischen 25 °C und 1000 °C beschrieben werden, wobei die Gitterparameter bei 1000 °C auf 4,2859 Å für TiN und 4,3554 Å für TiC ansteigen. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Ti(C,N) Pulver nahm von 7,5 ∙ 10-6 °C-1 für TiC auf 8,1 ∙ 10-6 °C-1 für TiN bei 25 °C und auf 8,3 ∙ 10-6 °C-1 für TiC bzw. 11,0 ∙ 10-6 °C-1 für TiN bei 1000 °C zu. Sowohl die Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Zusammensetzung als auch von der Temperatur zeigten beide ein annähernd lineares Verhalten. Beim Vergleich der gewonnenen Ergebnisse mit Ergebnissen für heißgepresste Materialien wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Der Hauptunterschied bestand darin, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient für gesputterte Ti(C,N) eine geringere Veränderung über die Temperatur zeigte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von magnetrongesputtertem Ti(C,N) in dieser Arbeit erfolgreich mit Hilfe von Hochtemperaturröntgenbeugung bestimmt werden konnten. Dies ermöglicht in weiterer Folge den Ausdehnungskoeffizienten, durch gezielte Einstellung der Zusammensetzung, an die jeweilige Anwendung anzupassen. Die erhaltenen Ergebnisse konnten durch die Hochtemperaturkalibration berichtigt und durch den Vergleich mit den Daten einer umfangreichen Literaturrecherche untermauert werden.

Details

Titel in ÜbersetzungThermische Ausdehnung von magnetrongesputterten Ti(C,N), bestimmt mittels Hochtemperaturröntgenbeugung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung14 Dez 2018
StatusVeröffentlicht - 2018