Nanostrukturierte Hartstoffschichten im System TixWyCrzB2
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projekts war die Herstellung und Charakterisierung von nanostrukturierten keramischen Beschichtungen im System (TixW yCrz)B2 sowie ein Verständnis der Bildungsprozesse des Gefüges und der thermischen Stabilität. Im Rahmen des Projektes wurden erfolgreich Schichten bis ca. 1 μm Dicke und mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung der Metalle mittels DC-Magnetronsputtern auf Si- und Stahl-Substrate aus (TixW yCrz)B2- Mischkristalltargets abgeschieden. Die Schichten weisen eine amorphe nanokolumnare Struktur auf, die für Glühungen bis 900 °C nicht wesentlich modifiziert wird. Bei Glühungen ab 1000 °C bilden sich für Schichten auf Si-Substraten nanokristalline Ausscheidungen vom Typ (Ti,W,Cr)B2 (P6/mmm) und β-(Ti,W,Cr)B (Cmcm) mit Korngrößen zwischen 10 und 60 nm. Das Substrat verhält sich relativ inert. Die Kristallisation und das Kornwachstum sind mit zunehmendem Cr-Gehalt beschleunigt. Die Kristallitgröße kann durch Variation der Temperatur, der Glühzeit und des Cr-Gehalts gezielt eingestellt werden. Im Vergleich zu Volumenmaterialien sind vor allem die geringere Korngröße der Ausscheidungen und die niedrigere Bildungstemperatur der Ausscheidungsphasen von Bedeutung. Bei den Schichten bilden sich die Ausscheidungen durch thermisch induzierte Kristallisation aus der amorphen Ausgangsphase, bei den Volumenproben jedoch aus Mischkristallen. Das Vorliegen der amorphen Phase erweitert somit die Strukturierungsmöglichkeiten des Gefüges, da die Limitierung der chemischen Zusammensetzung des Mischkristallbereiches wegfällt. Für das Stahl-Substrat bilden sich für Glühungen ab 900 °C vor allem nanokristalline Karbidphasen mit Korngrößen zwischen 10 und 50 nm durch eine reaktive Diffusion mit dem Substrat aus. Die Bildung der Boridphasen ist daher unterdrückt und der Cr-Gehalt zeigt keinen nennenswerten Einfluss auf die Phasenbildung. Es wurden an den amorphen Proben Härtemessungen durchgeführt, die einen Wert von max. 25 GPa ergaben. Schichten mit nanokristallinen Ausscheidungen zeigten keine signifikante Erhöhung der Härte. Eine systematische Untersuchung der Härte wurde durch eine schlechte Substrathaftung und das Auftreten von Nanoporen während der Ausscheidungsbildung in den Schichten behindert. Eine Verbesserung der Haftung durch das Aufbringen einer Titan Zwischenschicht zeigte keinen Erfolg. Durch Variation der Sputterparameter (geringer Argondruck) gelang es, nanoskalige Ausscheidungen schon während der Abscheidung zu erzeugen. Schichten, die aus einer gleichzeitigen reaktiven Abscheidung aus TiB2-, WB2-, und CrB2-Tragets resultieren, zeigen ein ähnliches Verhalten wie die aus Mischkristalltargets abgeschiedenen Proben. Bei den Volumenroben ergaben die Attritierung der Ausgangspulver und die Auslagerungsglühungen höhere Härtewerte und Risszähigkeit aufgrund feinerer Gefügestrukturen und geringerer Porosität. Es wurde eine neuartige γ-(Ti,W,Cr)B2 Mischkristallphase gefunden, deren Zerfall bei Ausscheidungsglühungen ein wichtige Rolle für die Bildung der β-WB- und W 2B4-Phasen spielt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gefüge und Bruch von Knautschzonen-Keramik, in: Proc. 9. Tagung „Gefüge und Bruch“, R. Danzer, M. Pohl, M. Panzenbröck [Hrsg.], „Gefüge und Bruch“, 22.-24.4.2009, Montanuniversität Leoben, im Selbstverlag, Leoben (2009) 203-207
R. Telle, A. Momozawa
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(Ti,W,Cr)B2 Coatings Produced by DC Magnetron Sputtering, Thin Solid Films 520 (2012), 1775
A. Newirkowez, B. Cappi, R. Telle, H. Schmidt
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Controlled precipitation of W2B4 platelets and of β-WB nanolaminates for the in-situ reinforcement of ternary TiB2-W2B4-CrB2 ceramics, J. Europ. Ceram. Soc. 32 (2012), 85
A. Momozawa, R. Telle
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Nanostrukturierte Hartstoffschichten im System TixWyCrzB2, in: Bericht des Clausthaler Zentrums für Materialtechnik (2012) im Selbstverlag, Clausthal (2012) 17
A. Newirkowez, S. Ohmann, H. Schmidt
