Synthese, Struktur und Verformungsverhalten von superharten und schadenstoleranten Hochentropienitrid-Beschichtungen

Hochentropienitride sind eine neue Klasse von Hartstoffen. Sie bestehen aus mindestens fünf nitridbildenden Elementen, welche zusammen mit Stickstoff stabile kubisch flächenzentrierte Nitride bilden. Die Klasse der Hochentropienitride (HEN) ist charakterisiert durch hohe Härten und thermische Stabilitäten. Für eine erfolgreiche Anwendung als Werkzeugbeschichtung muss eine Hartstoffschicht jedoch nicht nur hart sein, sondern sie muss auch in der Lage sein, äußeren mechanischen Belastungen standzuhalten, ohne funktionskritische Schäden davon-zutragen. Diese Eigenschaft wird im Sinne dieser Arbeit als Schadenstoleranz dünner Schichten bezeichnet. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Charakterisierung der Schadenstoleranz von Hochentropienitridschichten. Zu diesem Zweck wurden sechs verschiedene Schichtsysteme mit dem Verfahren der DC-Vakuumbogenverdampfung abgeschieden und Korrelationen zwischen den Abscheidebedingungen, der resultierenden Mikrostruktur und den resultieren-den mechanischen Eigenschaften aufgestellt. Zwei der untersuchten Schichten (AlCrNbSiTiV)N und (HfNbTaTiVZr)N wurden ausgewählt und durch den Designansatz von HEN/TiN-Multilagenschichten modifiziert, um ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. An aus-gewählten Schichtsystemen wurde die Schadenstoleranz untersucht. Dies wurde erreicht, in dem die mechanischen Prüfverfahren der Mikrobalkenbiegung, Zugprüfung beschichteter Substrate, Ritztests mit zwei Indentergeometrien und Kalottenverschleißtests unter Berücksichtigung der zugrundeliegenden Belastungen mit den Schichteigenschaften der Härte, dem Verhältnis aus Härte und Elastizitätsmodul, den Schichteigenspannungen und der Bruchzähigkeit verglichen wurden. Die abgeschiedenen HEN wiesen einphasige kubisch flächenzentrierte Mikrostrukturen auf. Für drei der untersuchten Schichten ((AlCrTaTiZr)N, (AlCrMoTaTiZr)N und (AlCrNbSiTiV)N) wurde eine deutliche Kornfeinung mit steigender Substratvorspannung festgestellt. Dies war nicht der Fall für die drei rein refraktären Schichten: (HfNbTiVZr)N, (CrHfTiVZr)N und (HfNbTa-TiVZr)N). Für einzelne Schichten ließen sich zudem Schichthärten nahe dem superharten Be-reich (Härte > 40 GPa) realisieren. Korrelationen zwischen den Kennwerten der mechanischen Prüfverfahren und den Schichteigenschafen wurden aufgestellt und es wurde gezeigt, dass die Schadenstoleranz weder durch eine einzelne Schichteigenschaft noch durch ein einzelnes Prüfverfahren abgeschätzt werden kann. Vielmehr müssen auf Grundlage der in der potentiellen Anwendung vorliegenden mechanischen Belastungen die Schichteigenschaften gezielt gewählt werden, um eine hohe Schadenstoleranz zu realisieren.