Metalloxid-Dünnfilme als Verschleißschutzschichten: Abscheidung, Nanohärte und Mikro- / Nanostruktur

Abstract

Diese Arbeit beinhaltet eine vollständige und geschlossene Abfolge, die von der Dünnfilmabscheidung, zur strukturellen und chemischen Analyse bis hin zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften reicht. An 1 µm dicken Dünnfilmen wurden die mechanischen Eigenschaften mittels Härtemessung bestimmt. Um die Rissausbreitung und plastische Deformation im Detail zu analysieren wurden an den Härteeindrücken mikroskopische Untersuchungen bis hin zur hochauflösenden Elektronenmikroskopie durchgeführt. Zur Herstellung der Dünnfilme wurde das reaktive Duale Magnetron Sputtern (DMS) eingesetzt. Die Temperatur der Hartmetallsubstrate während dem Beschichtungsvorgang war 550 °C. Für die hier hergestellten Dünnfilme ergaben sich eine Härte von 2348 Vickers und ein Elastizitätsmodul von 315 GPa. Die gamma-Al2O3 Dünnfilme zeichnen sich gegenüber solchen mit alpha-Al2O3 Struktur durch die höhere Risszähigkeit aus, nur dadurch wird die wesentlich höhere Standzeit erreicht. Die höhere Risszähigkeit wurde durch Härteeindruckmessungen an den Dünnfilmen experimentell bestimmt. Röntgenbeugung der Dünnfilme ergab Diffraktogramme mit nur einem sehr kleinen Röntgenpeak, der der gamma-Al2O3 Struktur zugeordnet wurde. Dieses Ergebnis war unbefriedigend, deshalb wurde, um die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Dünnfilme aufzuklären, analytische Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt. Im Transmissionselektronenmikroskop. Die chemische Analyse der Dünnfilme wurde mittels energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX) im TEM durchgeführt. Hierbei wurden nur die Kationen quantitativ vermessen und auf 100 at% normiert, der Sauerstoff-Atomzahlanteil wurde nicht bestimmt. Elektronenbeugung an den Al2O3 Dünnfilmen zeigte bei kleinen Streuwinkeln eine für amorphe Strukturen typische Intensitätsverteilung. Bei großen Streuwinkeln wurden punktförmige Reflexe beobachtet, die auf Ringen angeordnet waren. Diese Reflexe hatten den Netzebenenabstand der (400) und (440) Reflexe des gamma-Al2O3. Für die nanokristallinen Dünnfilme wurde eine Korngröße von 50 nm festgestellt. Zum ersten Mal wurden Dunkelfeldabbildungen an solchen Dünnfilmen erhalten, die zeigten, dass Körner sowohl zur Beugungsintensität bei großen (kristallin) als auch kleinen (amorph) Streuwinkeln beitragen. Bisher wurden Beugungsbilder in der Literatur nicht quantitativ ausgewertet und nur unzureichend mit der gamma-Al2O3 Phase verglichen. Abweichungen in den Beugungsintensitäten zu kleinen Streuwinkeln und insbesondere der fehlende (222) Reflex zeigten die fehlende Fernordnung der unbekannten Aluminiumoxidphase der Dünnfilme im Vergleich zu dem von Snyder (1991) untersuchten gamma-Al2O3. Deshalb wurde für die Kristallstruktur der Al2O3-Dünnfilme mit fehlender Fernordnung, aber einer nachweisbaren Nahordnung, in dieser Arbeit die Bezeichnung Pseudo gamma-Al2O3 eingeführt, um den signifikanten Unterschied zu gamma-Al2O3 zu unterstreichen. Bisher wurde bei gesputterten Al2O3 Dünnfilmen häufig gamma-Al2O3 identifiziert, meistens nur anhand der intensiven (400) und (440) Beugungsreflexe. Jedoch treten genau diese zwei Reflexe auch bei weiteren Al2O3 Phase auf und sind deshalb nicht eindeutig. Die quantitative chemische Analyse der Dünnfilme mit pseudo gamma-Al2O3 ergab außerdem neben 94 at% Al 6 at% Ar, und eine homogene Verteilung des Ar. Der homogene Ar-Anteil von 6 at% ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zwischen pseudo gamma-Al2O3 und gamma-Al2O3, in dem nach Snyder zusätzlich Wasserstoff aber kein Ar gebunden ist. Sowohl Härte als auch Elastizitätsmodul der Dünnfilme nahmen mit steigendem Argon Anteil zu.

Alumina thin films deposited by PVD are of high interest due to their outstanding mechanical and thermal properties. The crystal structure of these films is usually referred to as gamma-Al2O3, however the crystal structure of gamma-Al2O3 is not well defined even not for bulk materials. Alumina thin films were deposited by reactive dual magnetron sputtering (dms) at 550 °C on cemented carbide substrates. The alumina grain size is smaller than 50 nm measured by dark field imaging in the transmission electron microscope (TEM). The crystal structure was analyzed by energy-filtered electron diffraction showing a characteristic background due to a disordered structure different from gamma-Al2O3 and any other known alumina phase. Indicating this we call the structure of the thin films pseudo gamma-Al2O3. Reflections belonging to gamma-Al2O3 with d lattice spacings between 0.2 nm and 0.4 nm were not visible but an intensity distribution corresponding to an amorphous structure was detected. Texture as origin for the missing reflections could be ruled out. Diffraction analysis was performed at room temperature and -145 °C and showed the static character of the disorder. Radial intensity distribution functions were determined from diffraction patterns and were compared to x-ray diffraction data published for gamma-Al2O3. Differences between the two crystal structures were highlighted and discussed with respect to lattice spacings and intensities of the various reflections. For analyzing the crystal structure of these materials, energy filtering is absolutely necessary to identify reflections with small intensity on top of a large background. The films contained Ar with a mole fraction of about 5.6 at% as shown by energy dispersive x-ray (EDX) spectroscopy in the TEM. The plasmon energy of the disordered phase was found to be 26.1 eV as determined by electron energy-loss spectroscopy (EELS). This value corresponds to that of bulk alpha alumina. A model is presented showing Ar and Al atoms as being primarily responsible for the disorder. Mechanical properties of the films were investigated by nanoindenting. A Young modulus of 315 GPa was found. For bulk sapphire the Young modulus is 381 GPa and for the CVD deposited alpha-Al2O3 the Young modulus is 315.8 GPa.