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Niederdruck-CVD Technologie für TiAlN Beschichtungen

15 September 2013

Die Entwicklung von neuartigen und effizienteren Verschleißschutzschichten für Zerspanungswerkzeuge resultiert aus dem stetig wachsenden Anteil an Hochgeschwindigkeitsprozessen, Trockenbearbeitungen und Hartzerspanungsaufgaben. Die Werkstoffpalette beinhaltet sowohl hochfeste Stähle und Gußwerkstoffe, sowie höherfeste Legierungen für die Automobilindustrie und die Luftfahrt. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten können an der Schneidkante Temperaturen von mehr als 1000 °C auftreten. Daher müssen moderne Verschleißschutzschichten neben hoher Härte und Zähigkeit auch eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen und chemisch inert sein gegenüber dem Werkstoff, der zerspant werden soll.

Während der letzten Dekaden haben kubisch flächenzentrierte (kfz) Ti1-xAlxN Beschichtungen einen signifikanten Stellenwert im Bereich Verschleißschutz erlangt. Dabei können diese metastabilen Strukturen bis heute nur mit Beschichtungsmethoden abgeschieden werden, die bei vergleichbar niedrigen Temperaturen ablaufen wie PVD-Prozesse. Allerdings lassen diese Prozesse bei Ti1-xAlxN auch nur kfz-Strukturen zu mit einem auf 67% begrenzten Aluminiumanteil zu und schränken dadurch die Oxidationsbeständigkeit ein. Verschiedene Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit einer Erhöhung des Aluminiumanteils in solchen Schichten. IHI Ionbond hat hierzu einen speziellen CVD-Prozess entwickelt, der in kubisch flächenzentrierten Ti1-xAlxN Schichten einen Al-Anteil von 91% ermöglicht. Allerdings besitzt die kubische  Ti1-xAlxN Phase ein sehr enges Prozessfenster, beispielsweise eine Abscheidetemperatur < 850 °C, geringen Prozessdruck sowie ein definiertes Verhältnis AlCl3 / TiCl4. Bei einem zu geringen Verhältnis wird beispielsweise zusätzlich TiN abgeschieden. Bei einem zu hohen Verhältnis dagegen treten AlN-Phasen auf mit einer Wurtzit-Struktur. Temperaturen > 850 °C führen zu gleichzeitiger Abescheidung von TiN und AlN. Höhere Anteile dieser Sekundärphasen sind jedoch unerwünscht, da sie sowohl die Härte, als auch die Oxidations- und Verschleißbeständigkeit reduzieren.

Als Startsubstanzen finden Aluminumtrichlorid (AlCl3) und Titantetrachlorid (TiCl4) Anwendung. Flüssiges TiCl4 wird verdampft und AlCl3 in-situ gebildet, bevor es in die CVD Kammer gelangt. Zusätzlich dient Ammoniak (NH3) als Stickstoffquelle. Zu diesem Zweck wurde von IHI Ionbond eigens ein Modul entwickelt, das den Precursor zuführen kann. Weitere Schritte zur Produktionsreife des Prozesses bestanden in der Optimierung des Gaszusammensetzung und der Gasverteilung, sowie eine Anpassung des Beladungssystems. Als letzte Prozesscharakteristik ist der Niederdruckbereich erforderlich, damit bevorzugt kfz Ti1-xAlxN Strukturen gebildet werden können. Hierfür hat IHI Ionbond für die CVD-Anlage ein spezielles Pumpensystem realisiert, das den Prozess bei einem Druck von 10 hPa ermöglicht.

Das Beispiel zeigt eine Ti1-xAlxN Beschichtung mit einem erhöhten Aluminiumanteil von 83%, die fast ausschließlich aus der kubisch flächenzentrierten TiAlN-Phase besteht. Die Schicht weist bei Raumtemperatur eine hohe Härte von ca. 29 GPa auf bei moderaten Druckeigenspannungen von bis zu -3 GPa.

Für weitere Fragen kontaktieren Sie bitte Hristo Strakov