Haftungsoptimierung harter und superharter Schichten

Dünne Schichten sind in der Lage, nahezu unabhängig von den Eigenschaften der Grundwerkstoffe, die Eigenschaften der Bauteiloberflächen für die Anwendung zu optimieren. Besonders harte Schichten, wie amorphe Kohlenwasserstoff (a-C:H)- und kubische Bornitrid (cBN)-Schichten erlauben den Einsatz von preiswertem Bulkmaterial für Bauteile und sind daher für die Industrie sehr interessant. Ein großes Problem stellt aber die oft ungenügende Haftung dieser harten Schichten auf dem Bauteil dar. Im Rahmen dieser Arbeit werden Möglichkeiten aufgezeigt die Haftung von a-C:H- und cBN-Schichten zu verbessern. Als Haftvermittler für die a-C:H-Schicht auf Stahl diente Titan und Aluminium, welches mittels Sputterprozeß auf das Substrat aufgebracht wurde. Trotz des Haftvermittlers versagten die Schichten in manchen Fällen während des Rockwell-Haftungstests großflächig. Analysen der Interfaceschicht a-C:H/Ti gaben den eindeutigen Hinweis, daß die Enthaftungen mit dem Sauerstoffgehalt in der Titanschicht korrelierte. Die a-C:H-Schichten enthafteten nur bei erhöhtem Sauerstoffgehalt im Titan. Hierbei bildeten sich Titanoxidbindungen, die eine für gute Haftung notwendige Titankarbidbildung verhindern können. Kubische Bornitrid-Schichten (cBN) auf Stahl sind für die Anwendung und als Ersatz von Diamantschichten sehr interessant. Da die kubische Phase nicht ohne eine hexagonale (hBN) Phase abgeschieden werden kann und auf HSS-Stählen eine cBN-Deposition nicht ohne eine dicke hBN-Schicht möglich ist, wurde das hexagonale Bornitrid als haftvermittelnde Schicht bewußt dick deponiert. Die dabei entstehende hBN-Oberflächenrauhigkeit führt zu mechanischen Spannungen im Interface cBN/hBN. Daher sollte diese Rauhigkeit durch Variation der Beschichtungsparameter verringert werden. Es zeigte sich, daß ein bestimmtes, optimales Verhältnis zwischen hBN-Rauhigkeit und hBN-Schichtdicke für die cBN-Haftung vorteilhaft ist. Als zusätzliche Delaminationsursache der cBN-Schichten hat sich die Luftfeuchtigkeit erwiesen. Dabei reagiert das Bornitrid mit der Feuchtigkeit der Luft und vergrößert so das Schichtvolumen. Die dadurch auftretenden Schichtspannungen führen zur Enthaftung vom Substrat. Diese Reaktion wurde mit einer Stickstoffplasmanachbehandlung der Schicht unterbunden.