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Influence of bias voltage and sputter mode on the coating properties of TiAlSiN

Abstract

Silicon offers promising opportunities to improve the characteristics of thin coatings. By adding silicon to TiAlN, the oxidation resistance as well as the tribological properties can be increased and improved. To analyze the influence of the silicon content on the coating properties of TiAlSiN, it is necessary to keep the ratio of the other coating elements constant by using the right target configuration. Within this study, TiAlSiN coatings were deposited on hot work steel AISI H11 by using magnetron sputtering (Cemecon CC800/9 sinox ML). This steel was previously plasma nitrided to increase the hardness and hence the carrying load of the substrate, avoiding shell egg effect during the analysis. Different sputter modes were used to analyze the possibility to produce TiAlSiN by utilizing a pure low conductive silicon target. The bias voltages were systematically varied to see their influence on the structure and chemical compositions of the coating which were investigated by means of scanning electron microscopy and energy dispersive X‐ray spectroscopy (EDX). Furthermore, the roughness of the surface of the coatings was measured by an optical three‐dimensional surface analyzer. The results of this study serve as a basis for further investigations regarding the variation of the silicon content of TiAlSiN coatings.

Translation abstract

Silizium bietet vielversprechende Möglichkeiten, die Eigenschaften von Dünnschichten zu verbessern. Durch die Inkorporation von Silizium in TiAlN können die Oxidationsbeständigkeit erhöht sowie die tribologischen Eigenschaften optimiert werden. Um den Einfluss des Siliziumgehaltes auf die Schichteigenschaften von TiAlSiN zu analysieren, ist es notwendig die Verhältnisse der anderen Schichtelemente konstant zu halten, indem die richtige Targetkonfiguration verwendet wird. Im Rahmen dieser Studie wurden TiAlSiN‐Schichten mit Hilfe von Magnetronsputtern (Cemecon CC800/9 sinox ML) auf den Warmarbeitsstahl AISI H11, abgeschieden. Dieser Stahl wurde vor der Beschichtung plasmanitriert, um die Härte und somit die Tragfähigkeit des Substrates zu erhöhen, um den Eierschaleneffekt während der Schichtanalysen zu vermeiden. Verschiedene Sputtermodi wurden verwendet, um zu untersuchen ob die Herstellung von TiAlSiN unter Verwendung eines reinen, schwach leitfähigen Siliziumtargets möglich ist. Die Biasspannung wurde systematisch variiert, um den Einfluss auf die Struktur, und die chemische Zusammensetzung mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) zu untersuchen. Außerdem wurde die Oberflächenrauheit der Schichten mittels optischen 3D‐Vermessungsgerät bestimmt. Die Ergebnisse dieser Studie dienen als Grundlage für weitere Untersuchungen, bei denen der Siliziumgehalt von TiAlSiN variiert wird.

Autoren:   W. Tillmann, M. Dildrop
Journal:   Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Band:   48
Ausgabe:   9
Jahrgang:   2017
Seiten:   855
DOI:   10.1002/mawe.201600731
Erscheinungsdatum:   05.09.2017
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