Konturgetreue CrAlN-Beschichtung komplexer Geometrien mittels HPPMS

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2 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Konturgetreue CrAlN-Beschichtung komplexer Geometrien mittels HPPMS Zusammenfassung: Gestiegene Leistungsanforderungen an Werkzeugmaschinen und Fertigungsprozesse spiegeln sich unter anderem in der Forderung nach höheren Drehzahlen, kürzeren Verfahrzeiten usw. wieder. Um diese Anforderungen realisieren zu können, müssen die verwendeten Maschinenelemente entsprechend ausgelegt werden. Teilweise können die Anforderungen nur noch durch einen Wechsel der Werkstoffe zu Hochleistungswerkstoffen bewältigt werden, die noch höhere Rohstoffkosten aufweisen. Daher wird versucht, alternative Lösungen zu entwickeln. Eine Alternative können hier neuartige Werkstoffverbunde, wie sie z.b. durch die PVD-Beschichtung (Physical Vapor Deposition) von Komponenten entstehen, darstellen. Durch die Applikation von Verschleißschuchtzschichten auf die Grundwerkstoffe können leistungsfähige Werkstoffverbunde entwickelt werden, die den gestiegenen Anforderungsprofilen gerecht werden. Das Ziel des Vorhabens bestand in der Erforschung und Entwicklung haftfester und konturgetreuer HPPMS-PVD-Beschichtungen für komplexe Geometrien, wie sie an Maschinenelementen und Werkzeugen auftreten. Hierbei wurde eine neuartige PVD-Technologie genutzt werden, die vielversprechende Ansätze für eine konturgetreue Niedertemperatur-Beschichtung bietet. Hierbei handelt sich um die High Power Pulse Magnetron Sputter (HPPMS) Technologie. Zunächst wurde die Auswirkung unterschiedlicher in-situ Plasmareinigungstechnologien auf die Haftfestigkeit zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung untersucht. Darüber hinaus wurden Parametervariationen für den eigentlichen Niedertemperatur- Beschichtungsprozess durchgeführt. Die behandelten Oberflächen und abgeschiedenen Beschichtungen wurden analysiert. Die Ergebnisse der Analyse wurden in den Entwicklungsprozess rückgekoppelt, um geeignete Prozessfenster zu bestimmen. Dabei wurden zusätzlich plasmaanalytische Messungen im Beschichtungsprozess durchgeführt, um die ermittelten Plasmaparameter zu evaluieren. Aufgrund des Einsatzes des Hartstoffsystems (Cr,Al)N als Verschleißschutzschicht wurden die tribologischen Kennwerte der Beschichtungen in grundlegenden Tribometer- Untersuchungen ermittelt, um Aussagen zum Reib- und Verschleißverhalten der (Cr,Al)N Niedertemperatur-Beschichtungen zu treffen. Die Untersuchung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung hat gezeigt, dass der entwickelten DC- MSIP/HPPMS Prozess zu einer Verbesserung der Schichtdickenverteilung auf komplexer Geometrie im Vergleich zu dem konventionellen MF-Prozess führt. In den tribologischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es mit (Cr,Al)N Niedertemperatur-Beschichtungen möglich ist, den Verschleiß des beschichteten Körpers deutlich zu senken. Somit kann festgehalten werden, dass es durch die Durchführung der grundlegenden Arbeiten in diesem Projekt gelungen ist, Erkenntnisse zur Herstellung haftfester (Cr,Al)N Verschleißschutzschichten für die Anwendung auf komplexen Bauteilen und Werkzeugen zu generieren. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Seite 1 von 60

3 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Zielsetzung 4 3 Lösungsansatz 5 4 Untersuchungsmethoden und Vorgehensweise Vorgehensweise Auswahl der Grundwerkstoffe Auswahl des PVD-Verfahrens Substratvorbehandlung Parameter der Beschichtungsprozesse HPPMS CrAlN DC-MSIP/HPPMS CrAlN MF-CrAlN Untersuchungsmethoden Verbundanalyse Systemanalyse 17 5 Ergebnisse Plasmavorbehandlung Schichteigenschaften HPPMS CrAlN DC-MSIP/HPPMS CrAlN MF CrAlN Verbundeigenschaften HPPMS CrAlN DC-MSIP/HPPMS CrAlN Systemeigenschaften Tribologische Untersuchung mittels Schwing-Verschleiß- Tribometer Abrasionsprüfung mittels Pin-on-Disk Tribometer Tribologische Untersuchung mittels Impact-Tester Untersuchung der thermischen Stabilität Prozess- und Plasmadiagnostik 53 6 Zusammenfassung 55 7 Nutzen der erzielten Ergebnisse für KMU 56 8 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit 57 Seite 2 von 60

4 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 3 9 Einsatz von wissenschaftlich-technischem Personal, Geräten und Leistungen Dritter Zusammenstellung aller Arbeiten, die im Zusammenhang mit dem Vorhaben veröffentlicht wurden oder in Kürze veröffentlicht werden Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft Förderhinweis 60 Seite 3 von 60

5 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 4 1 Einleitung Die Forderung nach Leistungssteigerungen z.b. im Bereich der Fertigungstechnologie führt dazu, dass die Anforderungsprofile an Maschinenelemente und Werkzeuge, die sich in einem tribologischen Kontakt befinden, stark steigen, um die geforderten Leistungssteigerung zu erreichen. Teilweise kann diesen Forderungen durch Neukonstruktionen begegnet werden. Zunehmend muss aber auch die Wahl der Werkstoffe überdacht werden, da die bislang eingesetzten Werkstoffe an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Neuartige Werkstoffkonzepte wie beschichtete Bauteile sind Alternativen zu bisherigen Lösungen, die den erhöhten Anforderungen z.b. im Bereich des Verschleißverhaltens standhalten können. Jedoch sind derartige Werkstoffkonzepte gerade im Bereich der Maschinenelemente und des Formenbaus bis heute nicht großflächig realisiert und stehen somit dem Anwender nur bedingt zur Verfügung, obwohl bereits in verschiedenen Forschungsvorhaben das Anwendungspotenzial für PVD (Physical Vapour Deposition) Beschichtungen auf Maschinenelementen und Bauteilen aus dem Formenbau nachgewiesen wurde. Gründe hierfür liegen zum einen in der ungleichmäßigen Schichtdickenausbildung auf den Bauteilen, die für PVD Verfahren eine komplexe Geometrie darstellen. Zum anderen stellt die steigende Nachfrage nach immer leistungsfähigeren Bauteilen immer höhere Anforderungen an die Werkstoffverbundhaftung, die jedoch maßgeblich durch die Prozesstemperatur, die im Hinblick auf die Verwendung temperatursensibler Werkstoffe möglichst niedrig gehalten werden muss, beeinflusst werden. Diese beiden Aspekte wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens für eine neuentwickelte PVD-Technologie, dem High Power Pulse Magnetron Sputtern (HPPMS) eingehend betrachtet. Der HPPMS Prozess zeigt aufgrund der erzielbaren, stark erhöhten Ionisierungsgrade im Vergleich zum Magnetron Sputtern ein sehr hohes Potenzial, diese Herausforderungen zu lösen. Der HPPMS Prozess gehört zu den Verfahren der PVD Technologie und ist eine Neuentwicklung der letzten Jahre. Während insbesondere die Magnetron Sputter Verfahren maßgeblich durch die Sichtliniencharakteristik gekennzeichnet sind, zeichnet sich im HPPMS Prozess eine veränderte Schichtdickenverteilung ab. Die Sichtliniencharakteristik beschreibt den Effekt, dass nur Flächen, die sich unmittelbar und parallel im Sichtfeld der Materialquellen (Targets oder Ingots) befinden, einen gleichmäßigen Schichtauftrag erhalten. Daher ist die Sichtliniencharakteristik der limitierende Faktor bei der Beschichtung von Bauteilen mit Hinterschneidungen, gekrümmten oder winkligen Flächen sowie Bohrungen, deren Tiefe den Bohrungsdurchmesser übertrifft, also Bauteilen mit komplexen Geometrien aus der Sicht eines PVD-Beschichters. 2 Zielsetzung Das Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der Entwicklung konturtreuer und haftfester HPPMS CrAlN Beschichtungen für komplexe Bauteile und Werkzeuge. Wesentlich hierfür ist die Entwicklung eines Niedertemperaturprozesses, der die Anforderungen der Bauteil- und Werkzeugwerkstoffe berücksichtigt und gleichzeitig herausragende Seite 4 von 60

6 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 5 Schichteigenschaften erzeugt, die den Anforderungen der wirkenden Belastungskollektive gerecht wird. Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens ist es, die mittels HPPMS Technologie erzeugbaren höheren Ionisierungsgrade dahingehend zu nutzen, das Plasma aktiv zu beeinflussen, um eine gleichmäßige Schichtbildung auch auf komplexen Geometrien zu erreichen. Schwerpunkt liegt dabei auf dem Winkelbereich zwischen 0 (parallel) und 90 (senkrecht) bezogen auf die Kathodenfläche. Die durch die HPPMS Technologie erreichbaren Verbesserungen im Bereich der Schichteigenschaften werden dahingehend genutzt, eine (Cr,Al)N Beschichtung im Hinblick auf eine mögliche Erweiterung der Einsatzbereiche von beschichteten Bauteilen und Werkzeugen für tribologische Kontakte zu entwickeln. 3 Lösungsansatz Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Parameterfenster für einen Niedertemperatur HPPMS Prozess zur konturgetreuen (Cr,Al)N Beschichtung komplexer Geometrien ermittelt. Hierzu wurden Parametervariationen für den Plasmavorbehandlungsprozess und den eigentlichen Beschichtungsprozess durchgeführt. Im Anschluss wurden die behandelten Oberflächen und abgeschiedenen Beschichtungen analysiert. Die Ergebnisse der Analysen wurden in den Entwicklungsprozess rückgekoppelt, um ein geeignetes Prozessfenster zu bestimmen. Hierzu wurden zusätzlich plasmaanalytische Messungen im Beschichtungsprozess durchgeführt, um die ermittelten Parameter zu evaluieren. Aufgrund des Einsatzes des Hartstoffsystems (Cr,Al)N als Verschleißschutzbeschichtung wurden die tribologischen Kennwerte der Beschichtungen ermittelt, um Aussagen zum Reib- und Verschleißverhalten der (Cr,Al)N Niedertemperatur-HPPMS-Beschichtungen treffen zu können. 4 Untersuchungsmethoden und Vorgehensweise In diesem Kapitel werden die verwendeten Untersuchungsmethoden behandelt. Hier werden die einzelnen Methoden zur Analyse der Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften vorgestellt. Zuerst wird jedoch die Vorgehensweise bei der Auswahl der Grundwerkstoffe und der Prozesstechnik erläutert. 4.1 Vorgehensweise Auswahl der Grundwerkstoffe Im Rahmen dieses Vorhaben wurden zwei unterschiedliche Grundwerkstoffe gewählt. Einerseits wird der nichtrostende martensitische Stahl (X90CrMoV18) und andererseits der Cr-Mo-V legierte Kaltarbeitstahl CP4M von der Dörrenberg Edehlstahlwerke verwendet. Der Werkstoff wird in der Automobilindustrie zur Herstellung von Kolbenringen eingesetzt. Zur Erhöhung der Randschichthärte wird dieser Werkstoff gasnitriert. Dadurch besitzt dieser Werkstoff eine Ranschichthärte von Seite 5 von 60

7 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N HV 0,1. Im Gegensatz dazu wird der Kaltarbeitstahl CP4M für Werkzeuge für die Kalt- und Warmumformung von Blechen mit hoher Festigkeit verwendet. Dieser Werkstoff zeigt eine Härte von 670 HV 0,1 (60 HRC) nach der Wärmebehandlung. Die chemischen Zusammensetzungen beider Materialien sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Verwendete Substratwerkstoffe Werkstoff-Nr. Chemische Zusammensetzung in wt% C Cr Mo V Fe ,90 18,0 1,10 0,10 Rest CP4M 0,60 5,0 + + Rest Auswahl des PVD-Verfahrens Für die Abscheidung der Beschichtungen wurde die gepulste Magnetron Sputter Ion Plating (MSIP) PVD Technologie verwendet. Hierzu stand die Beschichtungsanlage CC800/9 HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) zur Verfügung. Diese Beschichtungsanlage ist mit drei HPPMS Leistungsversorgungen und zwei DC Quellen ausgestattet. HPPMS ist eine Weiter entwicklung des Mittelfrequenz Pulsens, wobei aber eine um drei Magnituden höhere Plasmadichte im Vergleich zum konventionellen DC Sputtern erreicht wird. Eine außergewöhnlich hohe Ionisation des abgeschiedenen Spendermaterials ergibt sich durch sehr hohe Kathodenpeakleistungen bei relativ niedriger mittlerer Leistung. Dabei sorgt die extrem hohe Ionisation für Vorteile wie z. B. sehr hohe Härte und dichte Schichten sowie eine hohe Schichtdickengleichförmigkeit auf komplex gestalteten Substraten. Die Beschichtungsanlage sowie die Anordnung der Kathoden innerhalb der CC800/9 HPPMS sind in Abbildung 1 wiedergegeben. K 1 K 3 K 4 K2 Abbildung 1: Anordnung der Targets innerhalb der CC800/9 HPPMS Beschichtungsanlage [Quelle: CemeCon AG]. Seite 6 von 60

8 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Substratvorbehandlung Um eine zuverlässige Beschichtung herzustellen und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, ist eine gründliche Probenvorbereitung und Kontrolle unerlässlich. An erster Stelle wurde das Substrat CP4M zur Erhöhung der Härte thermisch behandelt. Das Substrat CP4M wurde gehärtet. Im Gegensatz dazu wurde der Werkstoff gasnitriert. Dies ist notwendig, um die Stützwirkung der Substratwerkstoffe zu erhöhen. Des Weiteren müssen die Proben vor der Beschichtung einen Schleif- und Polierprozess durchlaufen. Dazu wurde das CP4M Substrat mit Hilfe einer 6 μm- Diamantsupension und unter Zugabe von Kühlschmiermittel geschliffen und poliert (Ra = 0,100 μm). Das Substrat wurde im polierten Zustand (Ra = 0,160 μm) durch den Projektpartner Mahle GmbH zur Verfügung gestellt. Plasmavorbehandlung Vorgeschaltet vor jede Beschichtung ist das Plasmaätzen, eine Reinigung der Oberfläche durch Ionenbeschuss. Diese Plasmavorbehandlung wird so bei allen Beschichtungsprozessen verwendet. Zu der Vorbehandlung zählen ein MF-Glimmätzen und ein Booster-unterstütztes DC-Ätzen. Letzteres wirkt besonders auf die Kanten und sorgt somit auch bei komplexen Geometrien für eine gute Schichthaftung. Die verwendeten Prozessparameter beider Verfahren sind in Tabelle 2 beschrieben. Tabelle 2: Parameter der untersuchten Plasmaätzprozesse Prozessschritt Zeit [s] Parameter Wert MF-Ätzen 1800 Frequenz 240 khz Revisionszeit 1600 ns Booster-Ätzen 1800 Anodenstrom 20 A 4.2 Parameter der Beschichtungsprozesse In diesem Kapitel werden die Prozessparameter für die Herstellung der betrachteten Schichtsysteme dargestellt HPPMS CrAlN Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein Cr- und ein AlCr20-Target für die Abscheidung des HPPMS CrAlN Schichtsystems verwendet. Mittels dieser Kathodenkonfiguration wurden in vorherigen Arbeiten positive Ergebnisse erreicht. Hierbei wurden zwei HPPPMS (Cr,Al)N Schichten mit relativ niedriger Heizleistung (500W und 3000W) synthetisiert. Die weiteren Beschichtungs- und Ätzparameter wurden konstant gehalten Seite 7 von 60

9 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 8 (siehe Tabelle 3). Tabelle 3: Parameter der HPPMS (Cr,Al)N Beschichtung Prozessschritt Zeit [s] Parameter Wert MF-Ätzen 1800 Heizleistung 500 W / 3000 W Frequenz Revisionszeit 240 khz 1600 ns Booster-Ätzen 1800 Heizleistung 500 W / 3000 W Anodenstrom 20 A (Cr,Al)N Abscheidung K1 (AlCr20) + K2 (Cr) 800 V Heizleistung Biasspannung N 2 -Fluss Druck Frequenz 500 W / 3000 W -100 V druckgeregelt 500 mpa 500 Hz DC-MSIP/HPPMS CrAlN Die allgemeinen Prozessparameter zur Abscheidung der DC-MSIP/HPPMS CrAlN Schichten mittels CC800/9 HPPMS Anlage sind in Tabelle 4 aufgelistet. Der Unterschied zwischen diesem Schichtsystem und dem oben erwähnten HPPMS CrAlN liegt in der Verwendung von zwei weiteren DC-Kathoden während des Beschichtungsprozesses. Seite 8 von 60

10 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 9 Tabelle 4: Allgemeine Parameter der DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtung Prozessschritt Zeit [s] Parameter Wert MF-Ätzen 1800 Heizleistung 500 W Frequenz Revisionszeit 240 khz 1600 ns Booster-Ätzen 1800 Heizleistung 500 W Anodenstrom 20 A (Cr,Al)N Abscheidung Var. K1 + K2 800 V K3 + K4 Heizleistung N 2 -Fluss Frequenz 4000 W 500 W druckgeregelt 500 Hz MF-CrAlN Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Niedertemperatur MF-CrAlN als Referenzschicht abgeschieden, die in vorherigen Arbeiten positive Ergebnisse gezeigt hat. Dazu wurden vier CrAl20-Targets und die CC800/9 SinOx Anlage verwendet. Die weiteren Beschichtungs- und Ätzparameter sind in Tabelle 5 aufgelistet. Seite 9 von 60

11 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Tabelle 5: Allgemeine Parameter der MF-(Cr,Al)N Beschichtung Prozessschritt Zeit [s] Parameter Wert MF-Ätzen 1800 Heizleistung 0 W Frequenz Revisionszeit 250 khz 1600 ns (Cr,Al)N Abscheidung K1: CrAl W K2: CrAl W K3: CrAl W K4: CrAl W DC Biasspannung Druck N 2 -Fluss Frequenz -100 V 650 mpa druckgeregelt 18,51 khz 4.3 Untersuchungsmethoden In diesem Kapitel werden Analysemethoden vorgestellt, die zur Bestimmung der Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften eingesetzt werden. Hierzu zählen neben der Schichtdicke auch die mechanischen Eigenschaften wie z. B. die Schichthärte beziehungsweise die chemische Zusammensetzung der Schicht. Des Weiteren werden die diversen Methoden zur Analyse der Haftung zwischen Beschichtung und Grundsubstrat sowie zur Untersuchung der tribologischen Eigenschaften der betrachteten Tribopartner vorgestellt. Kalottenschliff zur quantitativen Schichtdickenbestimmung Mithilfe eines Kalottenschliffes kann auf einfache Weise die Schichtdicke nach DIN bestimmt werden. Dazu wird die beschichtete Probe schräg eingespannt und darauf eine gehärtete Stahlkugel zum Schleifen gedreht, wie links in Abbildung 2 zu sehen ist. Die meisten Schichten haben allerdings eine höhere Härte als die verwendete Stahlkugel. Deswegen wird beim Schleifprozess zusätzlich eine Diamantsuspension eingesetzt. Diese steht mit den Korngrößen 1 μm, 3 μm oder 6 μm zur Verfügung. Seite 10 von 60

12 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 2: Prinzip des Kalottenschliffs; links: schematische Darstellung; rechts: Bemaßung der Kugelkalotte Nach dem Schleifprozess ist unter einem Lichtmikroskop eine Projektion der Schichtdicke zu erkennen, wie rechts in Abbildung 2 gezeigt ist. Dabei ist der innere Kreis der Übergang zwischen Substrat und Schicht und der äußere ist der Übergang zwischen Schicht und Oberfläche. Diese Durchmesser werden unter Berücksichtigung der Vergrößerung vermessen. Handelt es sich um eine Multilayer-Schicht (Mehrlagenschicht), sind entsprechend mehrere Ringe zu erkennen und auszuwerten. Mithilfe von Gleichung 1 kann dann die gesamte Schichtdicke oder die Dicken einzelner Multilayer- Lagen ausgerechnet werden d 2 = D h R R Gleichung 1 2 h: Schichtdicke 2 d: Durchmesser innerer Kreis D: Durchmesser äußerer Kreis R: Radius der Hartmetallkugel Mechanische Eigenschaften (Härte und E-Modul) Das Verfahren der Nanoindentation wird eingesetzt, um die mechanischen Materialeigenschaften Härte und E-Modul der Schichten zu bestimmen. Mit diesem Verfahren lassen sich diese Werte bei Dünnschichten ohne Einfluss des Substrat werkstoffs bestimmen. Bei dem Messverfahren wird ein Berkovich-Diamant mit gleicher oder zunehmender Kraft in die Probe gedrückt (siehe Abbildung 3) und dabei laufend die Eindringtiefe gemessen. Seite 11 von 60

13 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 3: Eindruck eines Berkovich-Indenters Anhand der Daten wird ein Last-Eindringtiefen-Profil gewonnen, aus dem die Härte und der E-Modul der Schicht berechnet werden können. Die Härte des Werkstoffs berechnet sich aus der maximalen Belastung bezogen auf die projizierte Eindruckfläche des Indenters. Der E-Modul der Schicht wird im oberen Drittel der Entlastungskurve über die Steifigkeit, die der Steigung der Entlastungskurve entspricht, bestimmt. Schichtmorphologie Die Schichtmorphologien werden an Querbrüchen der beschichteten Proben mittels eines ZEISS DSM 982 Gemini Rasterelektronenmikroskop (REM) aufgenommen. Die Proben werden vor den Aufnahmen angesägt und dann in flüssigem Stickstoff gebrochen. Die Querbruchfläche wird im Anschluss mit Isopropanol gereinigt und mit Stickstoff getrocknet. Rauwertbestimmung Eine wichtige Oberflächeneigenschaft ist die mittlere Rauheit Ra, also der arithmetische Mittelwert aller Abstände des Rauheitsprofils R von dessen Mittellinie. Für die Erzeugung reibungsreduzierender Oberflächen ist eine geringe Oberflächenrauheit von entscheidender Bedeutung. Das Tastschnittgerät T2000 der Firma Hommel Etamic GmbH, VS-Schwenningen, ermöglicht die Rauwertermittlung über eine berührende Methode. Hierbei wird eine definierte Diamantspitze über die Oberfläche gezogen, welche in einem Tastarm gelagert ist (siehe Abbildung 4). Abbildung 4: Funktionsprinzip der taktilen Rauwertbestimmung Seite 12 von 60

14 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Chemische Schichtzusammensetzung Zur Bestimmung der Schichtzusammensetzung wird vor allem die energiedispersive Röntgenspektroskopie (engl. energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX) verwendet. Hierbei wird im Vakuum ein Elektronenstrahl auf die Oberfläche einer Probe fokussiert. Durch die auftreffenden Elektronen werden die Schichtatome angeregt und emittieren Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Energie. Nach geeigneter Kalibrierung kann so auf die Elementzusammensetzung zurückgeschlossen werden. Zur Elementanalyse steht ein ZEISS DSM 982 Gemini REM zur Verfügung, an das eine Oxford EDX angeschlossen ist. Phasenanalyse Die Phasenanalyse wird mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Zur Verfügung steht ein Röntgendiffraktometer XRD 3003 der Firma General Electric, München, mit einer Gracing Incidence Messeinstellung für Dünnschichten. Bei dieser Art der Röntgendiffraktometrie wird ein Röntgenstrahl mit bekannter Wellenlänge λ in einem streifenden Einfall unter konstantem Winkel Θ auf die Probenoberfläche gelenkt. Durch die Beugung des Röntgenstrahls an geordneten Kristallstrukturen mit dem Netzebenenabstand d entsteht ein Interferenzmuster, dass durch einen ortsempfindlichen Detektor aufgenommen werden kann (siehe Abbildung 5). Dieser Detektor wurde im Rahmen dieses AiF-Vorhabens (AiF-Nr N) für das am Institut für Oberflächentechnik (IOT) vorhandene Röntgendiffraktometer (XRD) beschafft. Das Röntgendiffraktometer mit dem neu eingebundenen Detektor ist in der Lage, Beugungsphänomene von Röntgenstrahlung zu messen. Dieses Gerät dient zur Analyse kristallographischer Phasen sowie deren Textur. Die Ausprägung der Phasenund Texturverteilung hängen stark von den vorherrschenden energetischen Bedingungen während des Beschichtungsprozesses ab und spiegeln so die Einflüsse der einzelnen Beschichtungsparameter auf die Beschichtung wider. Daher ist die Röntgendiffraktometrie ein wesentliches Element im Rahmen der Schichtanalytik. Für die präzise Ermittlung kristallographischer Phasen ist es wichtig, einen möglichst großen Winkelbereich in sehr hoher Auflösung zu erfassen, um die Beugung an höheren Ordnungen der Netzebenen korrekt identifizieren zu können. Dies ist notwendig, um unterschiedliche Phasen sehr genau identifizieren zu können. Hierfür ist dieser XRD-Detektor erforderlich. Aufgrund der hohen Messauflösung, die dieser Detektor bietet, sowie des hohen erfassbaren Winkelbereichs können hiermit auch kleine Veränderungen in der Kristallstruktur schnell und effektiv festgestellt werden, die durch die Parametervariationen hervorgerufen werden. Dieser Detektor nimmt die Interferenzmuster in Abhängigkeit des Austrittswinkels aus der Probenoberfläche auf. So entstehen eindeutige Peaks, die bestimmten Kristallstrukturen zugeordnet werden können. Die Spektren werden mit Hilfe von JCPDS-Karten analysiert und ausgewertet. Seite 13 von 60

15 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 5: Prinzip der Röntgendiffraktometrie Schichtdickenverteilung auf komplexen Geometrien Zur Untersuchung der Schichtdickenverteilung auf komplexen Geometrien ist eine strukturierte Musterprobe hergestellt und beschichtet werden. Die Probe wurde mit vier Kavitäten (Tiefe: 10 mm und 5 mm) mit unterschiedlichen Spaltbreiten (2 mm und 3 mm) vorgesehen. Die Abmessung der Kavitäten wurde hinsichtlich der anspruchsvollen Geometrie eines Werkzeuges für Reifenherstellung der Firma Dahmen GmbH ausgewählt. Nach der Abscheidung wird die strukturierte Probe in der Mitte getrennt und mit einer Ni-Schutzschicht beschichtet. Des Weiteren wird die Probe eingebettet und metallographisch präpariert (Abbildung 6). Nach der metallographischen Präparation wird die strukturierte Probe mittels Lichtmikroskop analysiert. Abbildung 6: Strukturierte Probe zur Analyse der Schichtdickenverteilung Zur weiteren Untersuchung der Schichtdickenverteilung auf komplexen Geometrien wurde in einem zweiten Schritt eine Geometrieprobe (siehe Abbildung 7) hergestellt und beschichtet. Die Abmessung der Probe wurde hinsichtlich der anspruchsvollen Winkelverhältnisse eines geradverzahnten Zahnrades ausgewählt. Nach der Beschichtung wurde die Geometrieprobe getrennt und hinsichtlich der Schichtdickenverteilung und mechanischen Eigenschaften untersucht. Seite 14 von 60

16 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 7: Geometrieprobe zur Analyse der Schichthomogenität Verbundanalyse Die Haftung der erzeugten Werkstoffverbunde ist eine wichtige Kenngröße für den späteren Einsatz. Dabei kann gezielt untersucht werden, ob der Grundwerkstoff genügend Stützwirkung für die PVD-Schicht bietet und welche Versagensmechanismen zwischen Schicht und Interface auftreten. Es gibt diverse Methoden, um die Haftung zu charakterisieren und zu bewerten. Im Rahmen der Arbeiten wurden zum einen die Rockwell-Eindringprüfung (gemäß VDI Norm 3198) und zum anderen der Scratchtest (gemäß DIN EN ) verwendet. Diese werden im Folgenden näher erläutert. Rockwell-Eindringprüfung (VDI Norm 3198) Für PVD-Schichten, die auf einem Werkzeug- oder Schnellarbeitsstahl mit einer Härte von mindestens 54 HRC abgeschieden wurden, kann die Rockwell-Eindringprüfung zur Bestimmung der Haftklasse verwendet werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Schichtdicke 5 μm nicht überschreiten darf. Bei der Rockwell-Eindringprüfung wird ein kegelförmiger Diamant mit 120 Spitzenwinkel (Form C - cone) in die Oberfläche eingedrückt, wodurch eine plastische Verformung des Grundmaterials entsteht (siehe Abbildung 8). Anhand des erzeugten Rissnetzwerks bzw. der Schichtausbrüche im Randbereich des Eindrucks kann die Haftung des Werkstoffverbundes bewertet werden (VDI Richtlinie 3198). Die Prüfbedingungen im Rockwelltest betragen: Last: 150 kp, Eindringdauer: 4 s. Seite 15 von 60

17 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 8: Rockwelleindruck und die daraus resultierende plastische Verformung Es erfolgt eine Einteilung in sechs unterschiedliche Haftklassen, wobei 1 sehr gut bzw. 5 und 6 nicht geeignet für den Einsatz (siehe Abbildung 9) sind. HK1 HK2 HK3 HK4 HK5 HK6 Abbildung 9: Typische Schadensbilder bei der Rockwelltest-Eindringprüfung Scratchtest (DIN EN ) Eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Haftfestigkeit bietet der Scratchtest, auch Ritztest genannt. Hierbei wird ein Diamantkegel mit Rockwell-C-Geometrie mit einer definierten Kraft in die Oberfläche gedrückt und die Probe gleichzeitig translatorisch bewegt (siehe Abbildung 10). Abbildung 10: Funktionsprinzip des Scratchtests Seite 16 von 60

18 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Der entstehende Scratch ( Ritz ) und die auftretenden Verformungsmerkmale des Werkstoffverbundes werden mittels Licht- oder Rasterelektronenmikroskopie ausgewertet und dienen zur Ermittlung einer kritischen Last, bei der es zu einer Schädigung der Beschichtung kommt. Die Versagenstypen im Scratchtest werden entscheidend von der Beschichtung und dem Grundwerkstoff bestimmt. Anhand von Rissausbildungen und Abplatzungen kann zwischen kohäsivem Versagen (Versagen innerhalb der Beschichtung) und adhäsivem Versagen (Versagen an der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat) unterschieden werden. Das Verfahren des Ritztests ist in DIN EN normiert. Ermittelt wird im Ritztest die kritische Scratchlast L c, bei der noch kein Versagen auftritt. Erst beim Überschreiten dieser Last versagt der Werkstoffverbund adhäsiv, kohäsiv oder durch eine Mischung beider Versagensarten. Die Prüfbedingungen beim Scratchtest sind: Konstante Ritzgeschwindigkeit von 10 mm/min Konstante Last bei den einzelnen Ritzen Steigerung der Last jeweils um 10 N von Ritz zu Ritz Spitzengeometrie des verwendeten Diamantindenters Systemanalyse Tribologische Untersuchung mittels Schwing-Verschleiß-Tribometer (SVT) Im SVT-Prüfstand werden die Werkstoffverbunde bezüglich des tribologischen Verhaltens unter einer reversierenden Gleitbewegung untersucht (Abbildung 11). Hierbei wird eine flache Probe fest eingespannt, während der Gegenkörper (100Cr6 Kugel) in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Die Last wird hier über ein Antriebssystem aufgebracht. Linearmotor Antriebssystem Linearmotor Gegenkörper Probenhalter Abbildung 11: Schematischer Aufbau des SVT Tribometers Seite 17 von 60

19 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Die verwendeten Versuchsparameter sind in Tabelle 6 aufgelistet. Diese wurden nach Vorversuchen und in Absprache mit dem Projektpartner Mahle GmbH festgelegt. Jede SVT-Messung wurde zweimal mit den gleichen Versuchsparametern durchgeführt. Tabelle 6: Parameter der SVT-Tribometer-Versuche Parameter Gegenkörpermaterial Kugelradius Distanz Hublänge Frequenz Last Atmosphäre Schmierstoff Schmierstoffmenge Wert 100Cr6 Kugel (vergütet) 6 mm 500 m 4 mm 10 Hz 100 N Luft Shell Helix Plus 5W-40 (Motoröl) 0,125 ml (1 Tropfen) Temperatur 200 C Im Anschluss wird eine grundlegende Analyse der Proben zur Bewertung des Reib- und Verschleißverhaltens durchgeführt. Dabei werden die Verschleißspuren zunächst lichtmikroskopisch hinsichtlich der Verschleißerscheinung untersucht. Mittels des Tastschnittverfahrens werden die Verschleißspuren hinsichtlich des Verschleißprofils untersucht, um die Verschleißraten zu berechnen. Abrasionsprüfung mittels Pin-on-Disk-Tribometer (PoD) Das Pin-on-Disk Tribometer dient dazu, das tribologische Verhalten der Werkstoffverbunde unter gleichmäßig gleitender Bewegung zu bewerten. Dazu wird die Probe in eine rotierende Halterung eingespannt und eine Al 2 O 3 Kugel wird mit einer Normalkraft von 10 N auf die Probe gedrückt (siehe Abbildung 12). Seite 18 von 60

20 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N Abbildung 12: Schematischer Aufbau des PoD Tribometers Durch das Zusammenspiel von Probe, Kugel und Umgebungsbedingungen entsteht ein definierter tribologischer Kontakt, der sich als Abrasion auswirkt. Über Sensoren ist es möglich, die Querkräfte der Bewegung und so den Reibungskoeffizienten zu bestimmen. Mit Hilfe eines Tastschnitgerät werden die Oberflächenprofile ermittelt. Zur Berechnung der Verschleißrate werden die Daten des Tastschrittgeräts mithilfe des Softwareprogramms Origin aufbereitet und ausgewertet, um die Verschleißfläche bzw. -volumen zu berechnen. Anhand dieser Daten wird das Verschleißvolumen durch die Normalkraft und den Laufweg geteilt, um die Verschleißrate der Probe berechnen zu können. Jede PoD-Messung wurde zweimal mit den gleichen Versuchsparametern, die in Tabelle 7 aufgelistet sind, durchgeführt. Tabelle 7: Parameter der PoD-Tribometer-Versuche Parameter Gegenkörpermaterial Kugelradius Distanz Radius der Laufbahn Geschwindigkeit Last Atmosphäre Temperatur Wert Al 2 O 3 Kugel 6 mm 500 m 2,5 mm 10 cm/s 10 N Luft RT Seite 19 von 60

21 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Das Gegenkörpermaterial Al 2 O 3 wurde für die Untersuchung der Abrasionsbeständigkeit der Schicht ausgewählt. Die Geschwindigkeit und die Normalkraft wurden in Absprache mit den Projektpartnern festgelegt. Tribologische Untersuchung mittels Impact Tester Eine weitere Methode um die tribologischen Eigenschaften dünner Beschichtungen zu ermitteln ist der Impact-Tester. Dieser simuliert eine dauerhafte stoßende Belastung auf eine Oberfläche. Mit einer Frequenz von 50 Hz wird eine Hartmetallkugel (5 mm) mit einer definierten Kraft und einer vorgegebenen Schlagzahl auf die Schicht geschlagen. Anschließend erfolgt eine lichtmikroskopische Auswertung der Eindrücke. Durch verschiedene Kombinationen aus Schlagkraft und Schlagzahl können erste Aussagen über die Leistungsfähigkeiten des Werkstoffverbundes getroffen werden. In Abbildung 13 ist das Funktionsprinzip des Impact-Testers skizziert. Abbildung 13: Funktionsskizze des Impact-Testers 5 Ergebnisse Im Folgenden werden die Forschungsergebnisse dargestellt, die im Rahmen des Vorhabens erzielt wurden. Nachdem die Ergebnisse der Substratvorbehandlung präsentiert werden, werden dann die Ergebnisse der reinen HPPMS (Cr,Al)N Beschichtung sowie des DC-MISP/HPPMS (Cr,Al)N Schichtsystems dargestellt. 5.1 Plasmavorbehandlung Zur Untersuchung der Auswirkung der Plasmavorbehandlung auf die Temperaturentwicklung in der Beschichtungskammer wurde die Probentemperatur mittels Schleppzeiger ermittelt. Die dazu verwendeten Ätzparameter sind im Unterkapitelkapitel aufgelistet. Abbildung 14 zeigt die gemessene Probentemperatur nach 30 min. Ätzprozess bei einer Heizleistung von 0 kw. Hierbei zeigt das Booster-Ätzen bzw. die Kombination beider Ätzverfahren eine starke Erhöhung der Probentemperatur von 190 C bis ca. 200 C. Dies lässt sich durch die höhere Ionisation des Booster-Ätzens im Vergleich zum MF-Ätzen erklären. Seite 20 von 60

22 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Abbildung 14: Einfluss des Ätzprozesses auf die Probentemperatur nach 30 min Plasmaätzen (Probentemperatur ermittelt mittels Schleppzeiger, Heizung 0 kw) Um die Oberflächentopographie der Substrate nach dem Ätzangriff zu untersuchen, wurde die Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet. In Abbildung 15 und Abbildung 16 sind REM-Aufnahmen der Grundwerkstoffe und CP4M nach 30 min. (a)mf-, (b) Booster- und (c) MF+Booster-Ätzen zu finden. Insbesondere die Kombination MF-/Booster-Ätzen scheint einen starken Einfluss auf die Plasmareinigung der Substratoberfläche zu haben. Diese effektive Oberfächenreinigung lässt sich durch die höhere Ionisation des Booster-Ätzens im Vergleich zum MF-Ätzen erklären. Aufgrund der niedrigen Härte des Werkstoffes ist eine deutliche Veränderung der Oberflächenmorphologie zu erkennen, aber keine Beschädigung der Oberfläche. Bei dem Material CP4M ist ein leichtes Aufrauen der Oberfläche erst nach dem MF+Booster-Ätzen zu sehen. Zur weiteren Analyse der Auswirkung der Ätztechnologien auf die Plasmareinigung der Substratoberflächen wurden Haftfestigkeitsprüfungen an beschichteten Proben durchgeführt. Diese Ergebnisse sind in Kapitel Verbundeigenschaften zu finden. Abbildung 15: REM-Obeflächenaufnahme des Werkstoffes nach 30 min. Plasmaätzen; (a)mf- (b) Booster- (c) MF+Booster-Ätzen Seite 21 von 60

23 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Abbildung 16: REM-Obeflächenaufnahme des Werkstoffes CP4M nach 30 min. Plasmaätzen; (a)mf- (b) Booster- (c) MF+Booster-Ätzen Vor dem Hintergrund, dass der Werkstoff gasnitriert ist, wurden tiefenaufgelöste Härtemessungen nach den unterschiedlichen Plasmavorbehandlungen durchgeführt. Bei diesen Messungen sollte überprüft werden, ob eine Änderung der Randschichthärte des Werkstoffes nach der Vorbehandlung stattgefunden hat. In Abbildung 17 sind die Ergebnisse der Härtemessung dargestellt. Hierbei ist keine deutliche Abnahme der Randschichthärte bei den behandelten Proben im Vergleich zu der ungeätzten Probe zu erkennen. Abbildung 17: Tiefenaufgelöste Härtemessung des nitrierten Werkstoffes nach unterschiedlichen Plasmavorbehandlungen. 5.2 Schichteigenschaften HPPMS CrAlN Zu Beginn des Projektes wurden zwei HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungen synthetisiert. Durch die grundlegenden Untersuchungen der HPPMS-Technologie anhand der Abscheidung von (Cr,Al)N Schichtsystemen soll gezeigt werden, dass HPPMS Niedertemperaturschichtsysteme sehr gute mechanische Eigenschaften besitzen. Für Seite 22 von 60

24 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 die Abscheidung wurden ein Cr- und ein AlCr20-Target verwendet. Mittels dieser Kombination wurden in vorherigen Arbeiten positive Ergebnisse im HPPMS-Betrieb erzielt. Hierbei wurden zwei unterschiedlichen (Cr,Al)N Beschichtungen mit relativ niedriger Heizleistung (500W und 3000W) abgeschieden. Nach der Abscheidung der (Cr,Al)N Beschichtungen wurden die unterschiedlichen HPPMS Schichten grundcharakterisiert. Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen sind in Tabelle 8 dargestellt. Anhand der Ergebnisse ist zu erkennen, dass mit steigender Beschichtungstemperatur die Härte der HPPMS (Cr,Al)N Beschichtung steigt und der E-Modul sinkt. Tabelle 8: Grundcharakterisierung der HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungen Abscheidetemperatur [ C] Schichtsystem Schichtdicke [μm] Schichtrate parallel zur Kathode [μm/h] Härte [GPa] E-Modul [GPa] 180 (Cr 0,54 Al 0,46 )N 3,5 1,08 16 ± ± (Cr 0,54 Al 0,46 )N 3,5 1,08 21 ± ± 23 Abbildung 18 zeigt REM-Querbruchaufnahmen der beiden Beschichtungen. Die (Cr 0,54 Al 0,46 )N Schicht abgeschieden bei einer Heizleistung von 500 kw (links) zeigt eine deutliche kolumnare Morphologie im Vergleich zu der anderen Beschichtung (rechts), die eine feinkristalline und dichte Morphologie aufweist. Diese Veränderung in der Schichtmorphologie kann der Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse der mechanischen Eigenschaften sein. Abbildung 18: REM-Querbruchaufnahme der HPPMS (Cr 0,54 Al 0,46 )N Beschichtungen abgeschieden bei 180 C (a) und 350 C (b) Weiterhin wurde eine Phasenanalyse mittels XRD an den (Cr 0,54 Al 0,46 )N Beschichtungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 19 zu sehen. Deutlich zu erkennen ist die Ausbildung von stabilen, kubischen (Cr,Al)N Mischkristall-Phasen sowohl bei der Seite 23 von 60

25 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Niedertemperaturbeschichtung (180 C) als auch bei der bei 350 C abgeschieden. Jedoch weisen die untersuchten Bechichtungen unterschiedliche Vorzugsorientierung auf. Während die Orientierung (220) bei der 180 C Probe überwiegt, dominiert bei der anderen Beschichtung die Vorzugsorientierung (200). Abbildung 19: XRD-Analyse der HPPMS (Cr 0,54 Al 0,46 )N Beschichtungen abgeschieden bei 180 C und 350 C DC-MSIP/HPPMS CrAlN Im Weiteren werden die Ergebnisse des DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Schichtsystems in Abhängigkeit von den Prozessparametern wie Kathodenzusammensetzung, Druck und Biasspannung vorgestellt. Die weiteren Beschichtungs- und Ätzparameter wurden konstant gehalten und sie sind im Unterkapitel zu finden. Einfluss der Schichtzusammensetzung auf die Schichteigenschaften Durch die Variation der Kathodenzusammensetzung wurde der Aluminiumgehalt von 22 % bis 88 % im DC-MSIP/HPPMS-Betrieb variiert. Hierbei wurde der optimale Arbeitspunkt (475 mpa) durch Variation des Beschichtungsdruckes ermittelt. Danach wurden die abgeschiedenen (Cr,Al)N Beschichtungen bezüglich ihrer Zusammensetzung mittels EDX analysiert. Die Kathodenkonfiguration für die Abscheidung sowie die Ergebnisse der Grundcharakterisierung sind in Tabelle 9 dargestellt. Seite 24 von 60

26 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Tabelle 9: Grundcharakterisierung unterschiedlicher DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungen HPPMS- Target DC- Target Schichtsystem Schichtdicke [μm] Schichtrate [μm/h] Härte H [GPa] E-Modul E [GPa] H/E AlCr20 Cr AlCr20 Cr AlCr20 Cr Al Cr AlCr20 AlCr20 Cr AlCr20 CrAl20 AlCr20 AlCr20 Al AlCr20 Al Al Al (Cr 0,78 Al 0,22 )N 4,14 4,14 18 ± 1,3 339 ± 21 0,053 (Cr 0,69 Al 0,31 )N 4,00 4,00 20 ± 1,7 370 ± 27 0,054 (Cr 0,49 Al 0,51 )N 3,20 3,20 20 ± 1,5 400 ± 23 0,050 (Cr 0,45 Al 0,55 )N 3,03 3,03 19 ± 2,4 412 ± 46 0,046 (Cr 0,12 Al 0,88 )N 3,48 2,78 17 ± 1,6 324 ± 36 0,052 Die Ergebnisse der Grundcharakterisierung zeigen, dass die DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungsprozesse wesentlich höhere Schichtraten im Vergleich zu den HPPMS-Prozessen (1,08 μm/h) aufweisen. Der Grund dafür liegt in der Verwendung von zwei DC- und zwei HPPMS-Kathoden statt zwei HPPMS-Kathoden. Jedoch ist eine Senkung der Schichtrate der DC-MSIP/HPPMS Beschichtungen bei zunehmendem Al- Gehalt zu beobachten. Der Grund dafür kann in der Bildung von nichtleitenden AlN- Schichten auf der Kathodenoberfläche (Kathodenvergiftung) bei zunehmendem Al- Gehalt während des Beschichtungsprozesses liegen. Bei den Ergebnissen der mechanischen Eigenschaften ist eine hohe Härte der Schichten über einen sehr breiten Bereich der Zusammensetzung zu erkennen. Die Härtewerte liegen zwischen 17 GPa (88 at.% Al) und 20 GPa (31 und 51 at.% Al). Hinsichtlich hoher Härte bei gleichzeitig niedrigem E-Modul zeigt die (Cr 0,69 Al 0,31 )N Schicht das beste Cr:Al Verhältnis. Zur besseren Darstellung der ermittelten mechanischen Eigenschaften wurden die Härteund die E-Modulwerte in Abbildung 20 noch mal zusammengefasst. Seite 25 von 60

27 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Abbildung 20: Mechanische Eigenschaften unterschiedlicher DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungen in Abhängigkeit des Al-Gehaltes (Beschichtungsdruck 475 mpa) Zur Analyse der Phasen in Abhängigkeit des Al-Gehalts wurde jede beschichtete Probe mittels Röntgendiffraktometrie untersucht (Abbildung 21). Die durchgeführten Phasenanalysen der (Cr,Al)N Beschichtungen mit einem Al-Gehalt bis zu 55 at.% zeigen eine deutliche Ausbildung des Mischkristalls aus kubischem c-craln. Die Bildung des c-craln Mischkristalls ist der Grund für die hohe Härte dieser Schichten. Wird der Aluminiumanteil über 66% gesteigert, bildet sich zusätzlich hexagonales AlN, was zu einem Härteverlust führt. Dieser Effekt ist bei der Schicht mit 88 at.% Al zu erkennen. Abbildung 21: Phasenanalyse der DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtungen in Abhängigkeit des Al-Gehaltes Seite 26 von 60

28 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Einfluss des Beschichtungsdruckes auf die Schichteigenschaften Aufbauend auf den vielversprechenden mechanischen Eigenschaften der (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung werden im Weiteren die Ergebnisse dieses Schichtsystems in Abhängigkeit des Beschichtungsdruckes vorgestellt. Dabei wurde der Druck von 475 mpa bis zu 525 mpa variiert und die Biasspannung bei -100 V konstant gehalten. Abbildung 22 zeigt die Hysterese des ausgewählten DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Prozesses mit den Druckbereichen, die im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wurden. Abbildung 22: Hysterese des ausgewählten DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N-Prozesses (Kathodenkonfiguration K1:AlCr20, K2:Cr, K3:CrAl20, K4:AlCr20) Nach der Abscheidung bei unterschiedlichen Drücken wurden die beschichteten Proben hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften untersucht (Abbildung 23). Anhand der Ergebnisse wurde festgestellt, dass das Verhältnis Härte/E-Modul mit steigendem Druck abnimmt. Hierbei zeigt die bei 475 mpa abgeschiedene Beschichtung hohe Härte (20 GPa) bei gleichzeitig niedrigem E-Modul (370 GPa) im Vergleich zu den anderen Beschichtungen. Die hohe Schichthärte bei niedrigem Druck ist auf die Erhöhung der freien Weglänge der Ionen in der Beschichtungskammer zurückzuführen. Dies führt zum hochenergetischen Ionenbombardement der Beschichtung, so dass Beschichtungen mit hoher Eigenspannung und hoher Härte entstehen. Seite 27 von 60

29 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Abbildung 23: Mechanische Eigenschaften der DC-MSIP/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung in Abhängigkeit vom Beschichtungsdruck (Biasspannung 100 V) Weiterhin wurden die (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtungen mittels XRD analysiert, die bei unterschiedlichen Drücken abgeschieden wurden. Die Ergebnisse sind in Abbildung 24 aufgeführt. Deutlich zu erkennen sind kubische (Cr,Al)N Mischkristall-Phasen. Jedoch ist eine deutliche Veränderung in der Peakintensität bei höherem Druck festzustellen. Von 475 mpa bis 500 mpa überwiegt die (200) Vorzugsorientierung in der Kristallstruktur des Schichtsystems. Im Gegensatz dazu ist die (111) Vorzugsorientierung bei einem Beschichtungsdruck von 525 mpa zu erkennen. Abbildung 24: Phasenanalyse der DC-MSIP/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung in Abhängigkeit vom Beschichtungsdruck (Biasspannung -100 V) Seite 28 von 60

30 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 2 Einfluss der Biasspannung auf die Schichteigenschaften Zur weiteren Optimierung der Eigenschaften der (Cr 0,69 Al 0,31 )N Schicht wurde die am Substrat angelegte Biasspannung von 0 V bis 200 V variiert. Hierbei wurde die bei 475 mpa abgeschiedene (Cr 0,69 Al 0,31 )N Schicht aufgrund der günstigen mechanischen Eigenschaften betrachtet. Abbildung 25 zeigt die hier erzielten mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Biasspannung. Anhand der Ergebnisse ist eine eindeutige Steigerung der Härte (H) und des E-Moduls (E) der Schicht abgeschieden bei -100 V (H=20 GPa; E=370 GPa) im Vergleich zu der Schicht ohne Biasspannung (H=9 GPa; E=249 GPa) zu erkennen. Die Erhöhung der Bias von -100 V auf -150 V bzw V führt zu keiner großen Änderung der mechanischen Eigenschaften. Abbildung 25: Mechanische Eigenschaften der DC-MSIP/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung in Abhängigkeit von der Biasspannung (Beschichtungsdruck 475 mpa) Zusätzlich wurden die Phasen der (Cr 0,69 Al 0,31 )N Schichten abgeschieden bei unterschiedlichen Biasspannung mittels XRD analysiert (Abbildung 26). Eindeutig zu zu sehen sind kubische Mischkristall-Phasen aus c-(cr,al)n. Dennoch ändert sich die Vorzugsorientierungen der Phasen bei Verwendung von Biasspannung. In diesem Fall überwiegt die (200) Vorzugsorientierung in der Kristallstruktur des Schichtsystems. Seite 29 von 60

31 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 3 Abbildung 26: Phasenanalyse der DC-MSIP/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung in Abhängigkeit von der Biasspannung (Beschichtungsdruck 475 mpa) Zur Analyse der Schichtmorphologie in Abhängigkeit von der Biasspannung wurden Bruchaufnahmen der beschichteten Proben mittels REM durchgeführt. Die Aufnahmen sind in Abbildung 27 zu sehen. Die REM-Bilder zeigen, dass alle hier betrachteten Niedertemperaturschichten eine kristalline Morphologie besitzen. Jedoch ist eine dichtere, glattere und weniger kolumnare Morphologie der (Cr 0,69 Al 0,31 )N Schichten bei zunehmender Biasspannung festzustellen. Hinsichtlich der Schichtdickenverteilung bezogen auf einen Winkelbereich bis zu 90 zur Kathodennormalen wurden im Rahmen dieses Vorhabens einige Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkung der Biasspannung auf das Schichtwachstum zu erforschen. In Abbildung 28 sind die Ergebnisse der Schichtrate senkrecht und parallel zur Kathode dargestellt. Dabei ist eine Absenkung der Schichtrate mit zunehmender Biasspannung sowohl auf Oberfläche parallel als auch senkrecht zum Target zu erkennen. Dies wird durch eine Verdichtung der Schicht durch die Erhöhung der angelegten Bias erklärt, wie in Abbildung 27 zu sehen ist. Der Unterschied in der Schichtrate senkrecht und parallel zur Kathode liegt bei 1,3 μm/h bei der Probe, die ohne Bias beschichtet wurde. Eine Verbesserung der Schichtdickenverteilung ist bei der Beschichtung, die bei -100 V bzw. 150 V abgeschieden wurde. Hierbei ist ein Unterschied in der Schichtrate von 0,8 μm/h bzw. 0,6 μm/h zu erkennen. Seite 30 von 60

32 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 3 a) 0 V b) 100 V 2 μm c) 150 V 2 μm d) 200 V 2 μm 2 μm Abbildung 27: REM Querbruch-Aufnahme der Schichtmorphologie der DC- MSIP/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung auf abgeschieden bei unterschiedlichen Biasspannungen: 0 V (a), -100 V (b), -150 V (c) und -200 V (d) (Beschichtungsdruck 475 mpa) Abbildung 28: Einfluss der Biasspannung auf die Schichtrate der (Cr 0,69 Al 0,31 )N Beschichtung senkrecht und parallel zur Kathode Seite 31 von 60

33 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 3 Untersuchung der Schichtdickenverteilung auf komplexen Geometrien Abbildung 29 zeigt einige lichtmikroskopische Aufnahmen sowie die normierte Schichtdicke der strukturierten Proben, die an unterschiedlichen Positionen ermittelt wurden. Hierbei wurde die Schichtdickenverteilung der vielversprechenden DC/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N mit der Referenzbeschichtung MF-(Cr 0,78 Al 0,22 )N verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen Abscheiderate der beiden PVD Prozessen ist einen direkten Vergleich der Schichtdicke nicht sinnvoll. Dazu wurde die Schichtdicke der Oberfläche parallel zum Target (Positon A) auf 1 normiert. Bei den anderen Positionen wurde die normierte Schichtdicke gemäß Gleichung 2 berechnet. s s n = Gleichung 2 s A S n = normierte Schichtdicke. S = Schichtdicke an der angegebenen Position S A = Schichtdicke auf der Oberfläche parallel zum Target (Position A). Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass der DC-MSIP/HPPMS Prozess zu einer Verbesserung der Schichtdickenverteilung auf komplexer Geometrie im Vergleich zu dem MF-Prozess führt. Abbildung 29: Normierte Schichtdicke der DC/HPPMS (Cr 0,69 Al 0,31 )N und der MF- (Cr 0,78 Al 0,22 )N Beschichtung an unterschiedlichen Positionen der strukturierten Probe Seite 32 von 60

34 Abschlussbericht zu IGF-Vorhaben N 3 Einfluss der Bias-Leistungsversorgung auf die Schichteigenschaften In Hinblick auf Optimierung des Beschichtungsprozesses wurde im Rahmen des Vorhabens der Einfluss der Bias-Leistungsversorgungen auf die Eigenschaften der DC- MSIP/HPPMS Beschichtung untersucht. Abbildung 30 zeigt die Kennlinien einer DC- Biasquelle der Firma Chemifilt (links) und der neuen Leistungsversorgung der Firma CemeCon (rechts). Strom [A] & Spannung [V] Alte Bias-Versorgung U Kathode -800 U Bias I Bias Zeit / s x 10-3 Abbildung 30: Strom [A] & Spannung [V] Neue Bias-Versorgung U Kathode I Bias U Bias Zeit / s x10-3 Kennlinien der alten (links) und neuen Bias-Leistungsversorgungen (rechts) bei 100 V (DC) Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse der Schichteigenschaften der DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N abgeschieden mittels unterschiedlicher Bias-Leistungsversorgungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue Bias-Leistungsversorgung zur Erhöhung der Härte und des E-Moduls der Schicht führt. Tabelle 10: Schichteigenschaften der DC-MSIP/HPPMS (Cr,Al)N Beschichtung abgeschieden mittels unterschiedlicher Bias-Leistungsversorgungen HPPMS Target DC Target Bias Chemische Zusammensetzung Härte H [GPa] E-Modul E [GPa] H/E AlCr20 Cr CrAl20 AlCr20 alt (-100 V) (Cr 0,69 Al 0,31 )N 20 ± 1,6 370 ± 20,0 0,054 AlCr20 Cr CrAl20 AlCr20 neu (-100 V) (Cr 0,67 Al 0,33 )N 23 ± 1,9 406 ± 34,2 0,056 Einfluss der Gaszufuhr auf die Schichteigenschaften Ein weiterer Ansatzpunkt zur Optimierung des Beschichtungsprozesses ist die Variation der Gaszufuhr und die Verwendung von Anoden in dem Beschichtungsprozess. Die Gase (N 2, Ar, Kr) wurden entweder über Geweih oder über Booster in die Anlage zugeführt (siehe Abbildung 31). Seite 33 von 60