Self-lubricious tool coatings for ecological metal cutting

  • Selbstschmierende Werkzeugbeschichtungen für ökologische Zerspanung

Reeswinkel, Thomas; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 2012,16
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIII, 77 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Übergangsmetalloxid-Magnéliphasen lassen sich als kristallografische Scherstrukturen beschreiben. Einige dieser Phasen besitzen eine geschichtete Kristallstruktur aus deformierten Metall-Sauerstoff-Oktaedern. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab initio-Berechnungen der Zusammenhang zwischen Struktur, Spaltungsenergie und elastischen Eigenschaften einiger Übergangsmetalloxide beschrieben. Zunächst sind sieben verschiedene Vanadiumoxide VOx (1 <= x <= 2.5) untersucht worden. Die C44-Werte für V6O13, V4O9, V3O7 und V2O5 sind deutlich niedriger als die für V2O3 und VO2. Dieser Unterschied steht im Einklang mit den berechneten Spaltungsenergien (Dekohäsionsenergien) für verschiedene Kristallebenen, die für V2O5ebenfalls beträchtlich niedriger sind als für VO2. Dieses Verhalten kann durch die vanadiumvalenzinduzierten Änderungen in der Kristall- und elektronischen Struktur sowie in den chemischen Bindungen verstanden werden. Mit steigender Vanadiumvalenz nimmt die Bindungslänge zu. Phasen mit Vanadiumvalenz >4 zeigen niedrige C44-Werte, hohe Anisotropie und besitzen nur schwache ionische Bindungen zwischen den Ebenen. Durch das abgeschirmte Coulomb-Potential wird die Bildung von leicht plastisch verformbaren Strukturen ermöglicht. Der größte Abstand und damit die schwächste Bindung wird bei V2O5 in der (002)-Ebene beobachtet. Bei Ausdehnung der Untersuchungen auf WO3, ReO3, MoO2, VO2, V2O5 und TiO2 hat sich gezeigt, dass die Spaltungsenergien und elastischen Konstanten C44 umgekehrt proportional zum ursprünglichen Abstand zwischen den gespaltenen Ebenen sind. Dieses Verhältnis kann durch das abgeschirmte Coulomb-Potential beschrieben werden und lässt sich durch die elektronische Struktur erklären. Die Bindungsstärke nimmt mit zunehmendem Abstand rapide ab, woraus sich eine nur schwache Kopplung zwischen den Ebenen ergibt, welche dann zur Bildung leicht plastisch verformbarer Strukturen wie zum Beispiel WO3 oder V2O5 führt. Der Umstand, dass Strukturen wie WO3 auch durch die oben genannten Zusammenhänge beschrieben werden können, bildet die Grundlage für ein quantenmechanisch geführtes Design von auf Magnéliphasen basierenden Festschmierstoffen, bei denen der Ebenenabstand durch Verändern der chemischen Zusammensetzung maßgeschneidert werden kann. Unter Verwendung eines kombinatorischen Ansatzes sind TiAlN-WNx-Dünnschichten durch DC Magnetron Sputtering (DCMS) sowie High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) abgeschieden worden. Die so hergestellten Schichten weisen Wolfram-Konzentrationen von 10 bis 52 at.% beziehungsweise 7 bis 54 at.% auf. Diese Experimente wurden durch ab initio-Berechnungen unterstützt, um den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung, Struktur und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Bei Erhöhung der W-Konzentration nimmt der Gitterparameter der kubischen TiAlN-WNx-Schicht zunächst zu, nimmt dann aber bei W-Konzentrationen oberhalb von ~29 at.% (DCMS) beziehungsweise ~27 at.% (HPPMS) wieder ab, wie auch die N-Konzentration abnimmt. Mit Hilfe der Berechnungen konnte die Zunahme des Gitterparameters der Substitution von Ti und Al durch W und die Abnahme dem Auftreten von Stickstoff-Leerstellen zugeschrieben werden. Elastizitätsmodul und Härte der Dünnschichten betrugen 385 bis 400 GPa und 29 bis 31 GPa für DCMS beziehungsweise 430 bis 480 GPa und 34 bis 38 GPa für HPPMS. Mit Erhöhung der W-Konzentration war hier kein eindeutiger Trend erkennbar, wohingegen die Berechnungen eine kontinuierliche Abnahme des Elastizitätsmoduls von 440 auf 325 GPa zeigten, wenn die W-Konzentration von 0 auf 37,5 at.% erhöht wurde. Der Einbau von Stickstoff-Leerstellen führte zu einer Erhöhung des berechneten Elastizitätsmoduls. Die relativ gleichbleibenden experimentellen Werte können daher durch das Auftreten von N-Leerstellen erklärt werden, die sich bei Erhöhung der W-Konzentration bilden. Die mittels HPPMS abgeschiedenen Schichten übertreffen die DCMS-Schichten an Elastizitätsmodul und Härte, was auf den größeren Ionisationsgrad des HPPMS-Plasmas zurückzuführen sein könnte. Es ist anzunehmen, dass insbesondere die ionisierten schichtbildenden Teilchen zur Verdichtung der Schicht und zur Bildung von N-Leerstellen beitragen.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern