Der Einfluss der Magnetfeldstärke des TiSi-Targets auf die Eigenspannungen der mittels Lichtbogen-Ionenplattierung abgeschiedenen TiAlSiN-Hartbeschichtung

Referenz: CHEN YF, GUO ZM, HUI Y, et al. Der Einfluss der Magnetfeldstärke des TiSi-Targets auf die Eigenspannungen von TiAlSiN-Hartmetallschichten, die mittels Lichtbogen-Ionenplattierung abgeschieden wurden [J]. Vacuum and Cryogenics, 2024, 30 (1): 57–63.

Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass TiAlN-Beschichtungen im Vergleich zu TiN-Beschichtungen eine höhere Härte und Standzeit aufweisen, ihre Beständigkeit bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und Temperaturen jedoch begrenzt ist. Die Zugabe von Elementen wie Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Bor (B) kann die Hochtemperaturleistung verbessern. TiAlSiN-Beschichtungen bieten aufgrund ihrer Nanokompositstruktur eine ausgezeichnete Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit, jedoch schränken Eigenspannungen ihre praktischen Anwendungen ein. Während sich Untersuchungen zu Eigenspannungen überwiegend auf TiN-Beschichtungen konzentrieren, finden TiAlSiN-Beschichtungen vergleichsweise wenig Beachtung. Daher ist die Erforschung der Mechanismen, die Eigenspannungen in TiAlSiN-Beschichtungen bestimmen, von großer Bedeutung.

Verfahren:

Probenvorbereitung: Die TiAlSiN-Beschichtung wurde mittels Lichtbogen-Ionenplattierung (AIP) mit dem von Guangdong Huasheng Nanotechnology Co., Ltd. entwickelten Kompositbeschichtungssystem MA800 plus hergestellt. Dieses System verfügt über vier Lichtbogenquellenmodule mit jeweils zwei Einheiten und einem maximalen Ausgangsstrom von 400 A pro Einheit. Im Versuchsaufbau wurden zwei Ti50Al50-Targets und ein Ti85Si15-Target mit einer Reinheit von jeweils 99,99 % verwendet. Das Ti50Al50-Target war mit einer MAG3-Magnetfeldkonfiguration ausgestattet, während das Ti85Si15-Target sowohl mit der MAG3- als auch mit der MAG6-Konfiguration bestückt wurde. Das MAG3-Magnetron besteht aus Permanentmagneten und elektromagnetischen Spulen, das MAG6-Magnetron hingegen nur aus einer elektromagnetischen Spule. Der Basisdruck der Vakuumkammer beträgt etwa 0,5 mPa. Das Ti50Al50-Target wird mit einem Strom von 150 A betrieben, und die Probenvorspannung variiert zwischen −40 und −60 V. Zur Aufrechterhaltung eines Vakuumdrucks von 2,3–4,6 Pa während der Abscheidung der Übergangsschicht wurde Stickstoffgas zugeführt. Anschließend wurde ein Ti85Si15-Target aktiviert, um die TiAlSiN-Funktionsschicht abzuscheiden. Die Gesamtschichtdicke betrug 2,5 μm ± 0,3 μm.

Merkmal: Die Oberflächenmorphologie der beschichteten Proben wurde mit einem Zeiss Sigma 300 Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop analysiert. Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und Zusammensetzungsanalyse wurden die Atomprozente von Ti, Al, Si und N bestimmt. Die Dickenmessungen im Querschnitt erfolgten mit Kugel- und Schnittpunkt-Rasterelektronenmikroskopie. Die Haftfestigkeit der Beschichtungen unter verschiedenen Magnetfeldern wurde mit einem Anton Paar Revetest® Hochlast-Ritzprüfgerät gemessen. Die Belastungskraft wurde dabei mit einer Rate von 238 N/min von 1 N auf 120 N erhöht, die Ritzlänge betrug 3 mm und die Ritzgeschwindigkeit 6 mm/min. In der Mitte jeder Probe wurden drei Ritzspuren erzeugt, der niedrigste Wert wurde als Haftfestigkeit der Beschichtung erfasst. Die Prüfung der inneren Spannungen erfolgte mit einem SuProFST1000 Filmspannungsmessgerät nach dem Prinzip der Substratbiegung und unter Verwendung der Stony-Gleichung zur Berechnung.

Schneidetest: Der mit WNMG080408 beschichtete Hartmetall-Schneideinsatz wurde einem Schneidtest mit 316L-Edelstahl (Härte ≤ 200 HV) als Werkstück unterzogen. Die Parameter waren: Schnittgeschwindigkeit Vc = 200 m/min, Vorschub Fn = 0,2 mm/U und Schnitttiefe Ap = 1,5 mm. Die Kühlung erfolgte mit wassergekühlter Emulsion. Schneidkantenversagen wurde anhand einer Verschleißbreite VB ≥ 300 μm nach dem Schnitt oder durch Schneidkantenbruch definiert. Ein digitales Mikroskopsystem der Serie Kansai VHX-7000 wurde verwendet, um die Verschleißmuster an Vorder- und Rückseite der Schneidkante alle 3 Minuten zu fotografieren und aufzuzeichnen.

Ergebnisse und Analyse

Abbildung 1: Magnetfeldverteilung von MAG3(a) und MAG6(b) und Bewegung des Lichtbogenflecks auf der Ti85Si15-Zieloberfläche unter MAG3(c) und MAG6(d)

Magnetfeld- und Lichtbogenanalyse: Die Magnetfeldverteilung wurde mit COMSOL modelliert (siehe Abb. 1(a) und 1(b)). Daraus geht hervor, dass das MAG3-Target an seinem Rand und in der Mitte vertikale Magnetfelder aufweist, während zwischen diesen Bereichen parallele Felder verlaufen. Die MAG6-Spule hält die gleiche Stromstärke von 0,5 A wie MAG3 aufrecht und erzeugt ein zentrales vertikales Magnetfeld sowie periphere parallele Felder. MAG3 erzeugt deutlich stärkere Magnetfelder als MAG6. Unter dem Einfluss von MAG3 bilden sich Lichtbogenflecken überwiegend zwischen dem Rand und der Mitte des Targets. Im Gegensatz dazu führt das schwächere Magnetfeld von MAG6 zu einer zufälligeren Bewegung der Lichtbogenflecken. Bei einer Vorspannung von 50 V erreichen die Teilströme unter MAG3 und MAG6 Werte von ca. 4,5 A bzw. 5,5 A, was auf höhere Abscheidungsraten bei niedrigeren Magnetfeldern hindeutet.

Abbildung 2: Die Oberflächenmorphologie und Querschnittsmorphologie der Proben M3-1 und M6-1

Analyse der Oberflächen- und Querschnittsmorphologie: Proben, die mit dem Magnetfeld MAG3 hergestellt wurden, wiesen in M3-1 weniger Oberflächenpartikel auf, während Proben, die mit dem Magnetfeld MAG6 hergestellt wurden, in M6-1 zahlreichere und größere Partikel zeigten (siehe Abbildung 2). Die Dicke von M6-1 betrug ca. 2,8 μm, verglichen mit 2,2 μm bei M3-1. Dies ist auf den höheren Vorspannungsstrom und die schnellere Abscheidungsrate von M6-1 zurückzuführen. Die Elementaranalyse ergab für M3-1 Atomprozentsätze von 49,14 % N, 32,68 % Al, 16,81 % Ti und 1,37 % Si, während M6-1 Atomprozentsätze von 49,17 %, 33,52 %, 15,15 % bzw. 2,16 % aufwies. Dies deutet darauf hin, dass das Magnetfeld an der Oberfläche des Lichtbogens den Atomprozentsatz der N-Elemente in der Beschichtung nicht beeinflusst, sondern primär den Ionenanteil der Ionisierung des Zielmaterials beeinflusst und dadurch die Elementaggregation und Nukleationsprozesse sowie die endgültigen Atomprozentsätze der verschiedenen Elemente beeinflusst.

Abbildung 3: Röntgenbeugungsdiagramme und vergrößerte Ausschnitte von M3-1 und M6-1

Analyse der Beschichtungsstruktur: Die XRD-Spektren zeigen starke Beugungspeaks an den Kristallflächen (111), (200) und (220) von M3-1 und M6-1. Die kubische Aluminiumnitridphase (c-AlN) auf der (200)-Ebene deutet auf eine höhere Härte und bessere Verschleißfestigkeit der Beschichtung hin. M6-1 weist im Vergleich zu M3-1 stärkere Beugungspeaks und schmalere Halbwertsbreiten sowohl an der (111)- als auch an der (200)-Ebene auf, was auf eine höhere Kristallinität und eine feinere Korngröße in M6-1 schließen lässt. Dies deutet darauf hin, dass M6-1 mehr Silizium (Si) enthält und kleinere Kristallkörner als M3-1 aufweist.

Mechanische Eigenschaften und Elementaranalyse: Die Haftfestigkeit der Proben M3-1 und M6-1 betrug 104,2 N bzw. 100,6 N, die Härtewerte lagen bei 40,6 GPa bzw. 35,9 GPa. Beide Proben zeigten eine vergleichbare Haftfestigkeit von über 90 N, was auf eine ausgezeichnete Haftung hinweist. Die innere Spannung und die Härte der Beschichtung nahmen mit abnehmender Magnetfeldstärke auf der Ti85Si15-Targetoberfläche deutlich ab: Die innere Spannung sank von −5,84 GPa auf −3,16 GPa, die Härte von 40,6 GPa auf 35,9 GPa. Obwohl M6-1 einen höheren Siliziumgehalt als M3-1 aufwies, zeigte M3-1 eine höhere Härte. Insgesamt war die Härte von M6-1 um 11 % geringer als die von M3-1, die innere Spannung jedoch um etwa 50 % reduziert. Das H3/E2-Verhältnis und die MDP-Parameter wiesen darauf hin, dass M3-1 eine höhere Zähigkeit als M6-1 aufwies.

Abbildung 4: Die Flankenverschleißbreite von M3-2 und M6-2

Analyse des Schneidtests: Zwei beschichtete Klingenproben (M3-2 und M6-2) wurden jeweils zwei Schneidtests unterzogen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verschleißbandbreite auf der Klingenoberfläche der Gruppe M3-2 nach 24 Minuten 950 μm erreichte und Absplitterungen auftraten, während die Verschleißbandbreite der Gruppe M6-2 nach 27 Minuten unter 300 μm blieb. Eine umfassende Analyse ergab, dass die mit MAG6 hergestellte Beschichtungsprobe M6-2 im Vergleich zur mit MAG3 hergestellten Beschichtungsprobe M3-2 eine geringere innere Spannung und eine höhere Verschleißfestigkeit aufwies.

Gesamtschlussfolgerung

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass zwei TiAlSiN-beschichtete Proben durch Modifizierung der Magnetfeldkonfiguration von Ti85Si15-Targets hergestellt wurden. Bei Änderung des Magnetfelds von MAG3 auf MAG6 (mit abnehmender Feldstärke von 1 mT auf 0,5 mT) sank die innere Spannung der TiAlSiN-Beschichtung um 46 % von −5,84 GPa auf −3,16 GPa. Die Studie belegt, dass die unter niedrigen Magnetfeldern hergestellten Beschichtungen nahezu unveränderte Haftfestigkeit und Härte aufweisen und gleichzeitig eine um 30 % verbesserte Schnittstandzeit erzielen.

Erläuterung und Analyse: Die geringe Magnetfeldstärke reduziert die Ionisierungsrate der vom Target verdampften Materialien, wodurch die inneren Spannungen in der Beschichtung verringert und die Standzeit des Werkzeugs deutlich verlängert werden. Obwohl die Härte abnimmt, werden die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit der Beschichtung verbessert, sodass das beschichtete Werkzeug bei Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitungen überlegene Leistung erbringt.

Wichtig: Diese Studie liefert wertvolle experimentelle Daten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von TiAlSiN-Beschichtungen, insbesondere durch die Anpassung der Magnetfeldstärke bei der Magnetron-Sputterbeschichtungstechnologie zur Optimierung der inneren Spannung der Beschichtung. Dies bietet eine neue Idee und technische Unterstützung für die Anwendung von Hochleistungsbeschichtungen in der Werkzeugindustrie.