Raman Spectroscopy Analysis of CVD Hard Coatings Deposited in the TiC1-xNx, TiBxCyNz and Ti-B-N System

Abstract

In the present thesis LPCVD hard coatings, deposited in the TiC1-xNx, TiBxCyNz und Ti-B-N system, are characterized using Raman spectroscopy, WDS, XRD, SEM and XPS with regard to their composition, oxidation and tribological behavior. For the TiC1-xNx and TiBxCyNz coatings, even small changes in the C:N ratio result in systematical shifts of the Raman modes. These shifts are highly correlating to changes in the lattice constants, which are independently derived from XRD measurements. For Ti-B-N coatings, the high sensitivity of Raman spectroscopy regarding composition changes further enabled the clear identification of TiB in low boron containing coatings (B < 18 at %). The oxidation behavior of the different coatings after being annealed for 1h at 300, 500 and 700°C under ambient conditions is studied by characterizing the oxidation products using Raman spectroscopy, GIXRD and WDS. The degree of oxidation (oxide layer thickness as well as oxidation products) is largely dependent on the coating composition (C:N ratio and boron concentration). The characterization of tribological wear tracks formed on Ti-B-N and TiN coatings during ball-on-disk testing against Al2O3 as well as 100Cr6 by means of Raman spectroscopy demonstrates a good correlation between the detected compounds and the observed friction coefficient. Furthermore, the identification of different oxide phases on the rake faces of inserts used in turning tests allows an estimation of contact temperatures and wear behavior.

In der vorliegenden Arbeit werden TiC1-xNx, TiBxCyNz und Ti-B-N Hartstoff-Beschichtungen, hergestellt durch ein LPCVD Verfahren, hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihres Oxidationsverhaltens und ihrer tribologischen Eigenschaften untersucht. Die vornehmlich genutzte Analysemethode ist hierbei die Raman Spektroskopie, welche auf dem Gebiet der Charakterisierung von Hartstoffschichten bisher nur wenig Anwendung fand. Ergänzend dazu werden noch weitere Analysemethoden wie WDX, XRD, REM und XPS verwendet, welche als Standardanalyseverfahren für oben genannte Schichtsysteme gelten. Für das TiC1-xNx und TiBxCyNz System wird eine gute Übereinstimmung zwischen den erhaltenen Daten der Raman Spektroskopie und den XRD- sowie WDX-Messungen gefunden. Durch Variation des Kohlenstoff- und Stickstoffgehaltes wird eine charakteristische Verschiebung der Raman Moden festgestellt. Diese korreliert sehr gut mit der einer systematischen Änderung der Gitterkonstante. Weiterhin kann im im Ti-B-N System, aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Raman Spektroskopie, bei Schichten mit einem Bor-Gehalt < 18 Atom-%, das Vorhandensein einer TiB-Spezies nachgewiesen werden. Dies konnte durch die Synthese und Charakterisierung einer Referenzsubstanz bestätigt werden. Das Oxidationsverhalten der Schichten, nach einstündigem Tempern bei 300, 500 und 700°C unter aeroben Bedingungen, zeigt eine starke Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung (Verhältnis: Kohlenstoff/Stickstoff und Bor-Gehalt). Des Weiteren erweist sich die Raman Spektroskopie als ein geeignetes Analyseverfahren, mit dem sich, durch die Bestimmung von Oxidationsprodukten, Informationen über die tribologischen Eigenschaften – z.B. den Reibwert - gewinnen lassen. Durch die gewonnenen Daten ist es außerdem möglich, Kontakttemperaturen beim Bearbeiten von Stahl abzuschätzen. Hierzu können die gebildeten Verschleißprodukte in der Kontaktzone nach dem Drehen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten mittels Raman Spektroskopie identifiziert.