Verschleissmindernde aluminiumreiche CVD-TiAlN-Schichten

Antrieb für die Entwicklung neuer und immer leistungsfähigerer Verschleißschutzschichten sind die stetig steigenden Anforde­rungen an die Schneidwerkzeuge, die sich aus der Zunahme von Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung sowie der Zerspanung hochfester und schwer spanbarer Materialien er­geben. An der Schneidkante und insbesondere auf der Span­fläche werden bei hohen Schnittgeschwindigkeiten Tempera­turen von über 1000 °C erreicht. Neben einer hohen Härte müssen moderne Verschleißschutzschichten deshalb auch eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen und chemisch inert gegenüber dem Werkstückmaterial sein. Im Laufe der letzten Jahre ist Ti_1-xAl_xN mit kubischer Struktur eine wichtige Standard­schicht für den Verschleißschutz geworden. Aluminiumreiche Ti_1-xAl_xN-Schichten, die vorwiegend die harte kubische Phase enthalten, bieten eine wesentlich bessere Verschleißbestän­digkeit im Vergleich zu Ti_1-xAl_xN-Schichten mit geringeren Aluminiumgehalten. Mit konventionellen PVD-Verfahren, wie dem Magnetronsputtern oder dem Arc-Verfahren, sind

Ti_1-xAl_xN-Schichten mit vorwiegend kubischer Struktur und ho­hen Aluminiumgehalten von x > 0,65 bisher nicht herstellbar. Mit thermischer CVD kann kubisches Ti_1-xAl_xN mit x > 0,65 auf Hartmetallsubstraten abgeschieden werden. Die Ursachen für die Stabilisierung der kubischen Phase im CVD-Prozess bei sehr hohen Aluminium-Gehalten sind jedoch nicht geklärt. Daher wird am Fraunhofer IKTS das Ziel verfolgt, die Mechanismen der CVD-Abscheidung tiefer zu untersuchen und anhand dieser Ergebnisse die Struktur weiter zu verbessern. Die CVD-Abschei­dung erfolgte in einem horizontalen Unterdruck-Heißwandreaktor mit getrennter Einleitung der reaktiven Gase. Als Aus­gangsstoffe wurden für die Ti_1-xAl_xN-Schichten die Reaktanten TiCl₄, AlCl₃ und NH₃ sowie Ar, H₂ und N₂ eingesetzt.

Variiert wurden die Abscheidungsparameter Temperatur (700–900 °C), Druck (5–60 mbar) und Gaszusammensetzung. Durch eine gezielte Einstellung des NH₃/H₂-Verhältnisses konnte der Anteil an weichem, wurzitischen AlN in den abgeschiedenen kubischen Ti_1-xAl_xN-Schichten minimiert werden. Damit wurde eine Erhöhung der Eindruckhärte von 25 auf 32 GPa realisiert. Die Mikrostruktur zeigt die Bildung großer Al-reicher kubischer Ti_1-xAl_xN-Säulenkristallite, die entlang der <110>-Richtung wachsen. Unter günstigen Abscheidungsbedingungen kann die Bildung von nanolamellaren Strukturen – so genannte Fischgrätenstruktur (Bild 2) – innerhalb der aluminiumreichen kubischen Ti_1-xAl_xN-Kristalle gezielt eingestellt werden. Diese Säulenkristallite zeichnen sich durch periodisch angeordnete Al- und Ti-reiche kubische Ti_1-xAl_xN-Domänen aus, die beim Scannen von TEM mit EDS und EELS beobachtet werden. Die entwickelten aluminiumreichen Ti_1-xAl_xN CVD-Schichten besitzen eine hervorragende Verschleißfestigkeit, die aus ihrer hohen Härte, den intrinsischen Druckeigenspannungen und der guten Oxidationsbeständigkeit resultiert.

Danksagung: Die durchgeführten Arbeiten wurden im Rahmen des SAB-Projekts AlTiNTec (Fördernummer 100299546/3103) von der EU und dem Freistaat Sachsen finanziell gefördert.