Abscheidung von Si-hältigen Kohlenstoffschichten mittels plasmaunterstützter chemsicher Gasphasenabscheidung

Keyan Liu

Abscheidung von Si-hältigen Kohlenstoffschichten mittels plasmaunterstützter chemsicher Gasphasenabscheidung

Translated title of the contribution: Deposition of amophous Si-doped carbon layers via plasma-enhanced chemical vapor deposition

Keyan Liu

Research Center Wels

Research output: Types of Theses › Master's Thesis / Diploma Thesis

Abstract

DLC (Diamond-Like-Carbon)-coatings combine a number of interesting properties: they show high hardness and low coefficients of friction. Due to their amorphous structure they can increase corrosion resistance of steel surfaces remarkably. This work contains the deposition of amorphous Si-doped carbon layers (a-C:H:Si) on nitrided, post oxidized and polished steel substrates by means of PACVD and the characterisation of the resulting coatings. The deposition was done by using Hexamethyldisiloxan (HMDSO), hydrogen (H2), argon (Ar), methane (CH4) or acetylene (C2H2) and nitrogen (N2). The effects caused by the pre-treatment of the substrates, the loading of the reactor and the deposition parameters (substrate temperature, power density, process pressure, pulse times, gas composition) on the coating properties (microstructure, chemical composition and mechanical properties) were examined and discussed. The surface tensions of the a-C:H:Si layers lie in the range of 30 mN/m and are strongly depending on the surface roughness. Compared to untreated, nitrided or post oxidized samples the coefficient of friction could be substantially reduced (µ ≈ 0,05) by a-C:H:Si-coatings. The coefficient of friction of the a-C:H:Si layers depend strongly on the surface roughness, chemical compositions and relative air humidity. With increasing Si- or N-content the coefficients of friction of the layers increase no-ticeable. Amorphous Si-doped carbon layers coatings on all three differently pre-treated steel substrates led to significant reduction of wear. This remarkable reduc-tion of wear was observed along the wear trace on the sample and also at the anti-bodies. Adhesive strength measurements show that by plasma nitriding and forming graduated intermediate layers before the deposition critical loads up to 30N could be obtained. Salt spray tests showed that a-C:H:Si-coatings can increase the corrosion resistance of polished, nitrided and post oxidized steel surfaces substantially.

Translated title of the contribution	Deposition of amophous Si-doped carbon layers via plasma-enhanced chemical vapor deposition
Original language	German
Publication status	Published - 2008

Cite this

@mastersthesis{7ea11bbe091640b1911d4faf9658a082,

title = "Abscheidung von Si-h{\"a}ltigen Kohlenstoffschichten mittels plasmaunterst{\"u}tzter chemsicher Gasphasenabscheidung",

abstract = "DLC (Diamond-Like-Carbon)-Schichten vereinen eine Vielzahl interessanter Eigen-schaften: sie weisen hohe H{\"a}rten und geringe Reibungskoeffizienten auf und k{\"o}nnen durch ihre amorphe Struktur die Korrosionsbest{\"a}ndigkeit von mit ihnen beschichteten Stahloberfl{\"a}chen deutlich erh{\"o}hen. Die vorliegende Arbeit beinhaltete die Abscheidung von amorphen Si-h{\"a}ltigen Koh-lenstoffschichten (a-C:H:Si) auf plasmanitrocarburierten, postoxidierten und polierten Stahloberfl{\"a}chen mittels PACVD-Verfahren und die Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten. Zur Abscheidung wurden Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Wasserstoff (H2), Argon (Ar), Methan (CH4) bzw. Acetylen (C2H2) und Stickstoff (N2) verwendet. Es sollte der grundlegende Einfluss der Vorbehandlung der Substrate, der Beladung des Reaktors sowie der Beschichtungsparameter (Substrattemperatur, Leistungsdichte, Prozessdruck, Pulszeiten und Gas-zusammensetzung), auf die Schichteigenschaften (Mikrostruktur, Elementgehalt und mechanische Eigenschaften) untersucht und diskutiert werden. Die Oberfl{\"a}chenspannungen der a-C:H:Si-Schichten liegen im Bereich von 30 mN/m und sind haupts{\"a}chlich von der Oberfl{\"a}chenrauhigkeit abh{\"a}ngig. Im Vergleich zu unbehandelten, plasmanitrocarburierten oder postoxidierten Proben konnte der Reibungskoeffizient der abgeschiedenen a-C:H:Si-Schichten wesentlich reduziert (µ ≈ 0,05) werden. Der Reibungskoeffizient einer a-C:H:Si-Schicht h{\"a}ngt von der Oberfl{\"a}chenrauhigkeit, der chemischen Zusammensetzung und der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Mit zunehmenden Si- bzw. N-Gehalt nehmen die Reibungs-koeffizienten der a-C:H:Si-Schichten deutlich zu. a-C:H:Si-Beschichtungen auf allen drei unterschiedlich vorbehandelten Stahlsubstraten f{\"u}hrten sowohl entlang der Verschlei{\ss}spur als auch auf den Gegenk{\"o}rper zu signifikanter Verschlei{\ss}minderung. Haftfestigkeitsmessungen zeigten, dass durch Plasmanitrieren und die Abscheidung einer graduierten Zwischenschicht vor der a-C:H:Si Abscheidung kritische Lasten bis ca. 30 N erreicht werden konnten. Durch a-C:H:Si-Beschichtungen konnte, wie sich in Salzspr{\"u}htest zeigte, die Korrosionsbest{\"a}ndigkeit von polierten, plasmanitro-carburierten und postoxidierten Stahloberfl{\"a}chen deutlich gesteigert werden.",

author = "Keyan Liu",

year = "2008",

language = "Deutsch",

}

TY - THES

T1 - Abscheidung von Si-hältigen Kohlenstoffschichten mittels plasmaunterstützter chemsicher Gasphasenabscheidung

AU - Liu, Keyan

PY - 2008

Y1 - 2008

N2 - DLC (Diamond-Like-Carbon)-Schichten vereinen eine Vielzahl interessanter Eigen-schaften: sie weisen hohe Härten und geringe Reibungskoeffizienten auf und können durch ihre amorphe Struktur die Korrosionsbeständigkeit von mit ihnen beschichteten Stahloberflächen deutlich erhöhen. Die vorliegende Arbeit beinhaltete die Abscheidung von amorphen Si-hältigen Koh-lenstoffschichten (a-C:H:Si) auf plasmanitrocarburierten, postoxidierten und polierten Stahloberflächen mittels PACVD-Verfahren und die Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten. Zur Abscheidung wurden Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Wasserstoff (H2), Argon (Ar), Methan (CH4) bzw. Acetylen (C2H2) und Stickstoff (N2) verwendet. Es sollte der grundlegende Einfluss der Vorbehandlung der Substrate, der Beladung des Reaktors sowie der Beschichtungsparameter (Substrattemperatur, Leistungsdichte, Prozessdruck, Pulszeiten und Gas-zusammensetzung), auf die Schichteigenschaften (Mikrostruktur, Elementgehalt und mechanische Eigenschaften) untersucht und diskutiert werden. Die Oberflächenspannungen der a-C:H:Si-Schichten liegen im Bereich von 30 mN/m und sind hauptsächlich von der Oberflächenrauhigkeit abhängig. Im Vergleich zu unbehandelten, plasmanitrocarburierten oder postoxidierten Proben konnte der Reibungskoeffizient der abgeschiedenen a-C:H:Si-Schichten wesentlich reduziert (µ ≈ 0,05) werden. Der Reibungskoeffizient einer a-C:H:Si-Schicht hängt von der Oberflächenrauhigkeit, der chemischen Zusammensetzung und der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Mit zunehmenden Si- bzw. N-Gehalt nehmen die Reibungs-koeffizienten der a-C:H:Si-Schichten deutlich zu. a-C:H:Si-Beschichtungen auf allen drei unterschiedlich vorbehandelten Stahlsubstraten führten sowohl entlang der Verschleißspur als auch auf den Gegenkörper zu signifikanter Verschleißminderung. Haftfestigkeitsmessungen zeigten, dass durch Plasmanitrieren und die Abscheidung einer graduierten Zwischenschicht vor der a-C:H:Si Abscheidung kritische Lasten bis ca. 30 N erreicht werden konnten. Durch a-C:H:Si-Beschichtungen konnte, wie sich in Salzsprühtest zeigte, die Korrosionsbeständigkeit von polierten, plasmanitro-carburierten und postoxidierten Stahloberflächen deutlich gesteigert werden.

AB - DLC (Diamond-Like-Carbon)-Schichten vereinen eine Vielzahl interessanter Eigen-schaften: sie weisen hohe Härten und geringe Reibungskoeffizienten auf und können durch ihre amorphe Struktur die Korrosionsbeständigkeit von mit ihnen beschichteten Stahloberflächen deutlich erhöhen. Die vorliegende Arbeit beinhaltete die Abscheidung von amorphen Si-hältigen Koh-lenstoffschichten (a-C:H:Si) auf plasmanitrocarburierten, postoxidierten und polierten Stahloberflächen mittels PACVD-Verfahren und die Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten. Zur Abscheidung wurden Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Wasserstoff (H2), Argon (Ar), Methan (CH4) bzw. Acetylen (C2H2) und Stickstoff (N2) verwendet. Es sollte der grundlegende Einfluss der Vorbehandlung der Substrate, der Beladung des Reaktors sowie der Beschichtungsparameter (Substrattemperatur, Leistungsdichte, Prozessdruck, Pulszeiten und Gas-zusammensetzung), auf die Schichteigenschaften (Mikrostruktur, Elementgehalt und mechanische Eigenschaften) untersucht und diskutiert werden. Die Oberflächenspannungen der a-C:H:Si-Schichten liegen im Bereich von 30 mN/m und sind hauptsächlich von der Oberflächenrauhigkeit abhängig. Im Vergleich zu unbehandelten, plasmanitrocarburierten oder postoxidierten Proben konnte der Reibungskoeffizient der abgeschiedenen a-C:H:Si-Schichten wesentlich reduziert (µ ≈ 0,05) werden. Der Reibungskoeffizient einer a-C:H:Si-Schicht hängt von der Oberflächenrauhigkeit, der chemischen Zusammensetzung und der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Mit zunehmenden Si- bzw. N-Gehalt nehmen die Reibungs-koeffizienten der a-C:H:Si-Schichten deutlich zu. a-C:H:Si-Beschichtungen auf allen drei unterschiedlich vorbehandelten Stahlsubstraten führten sowohl entlang der Verschleißspur als auch auf den Gegenkörper zu signifikanter Verschleißminderung. Haftfestigkeitsmessungen zeigten, dass durch Plasmanitrieren und die Abscheidung einer graduierten Zwischenschicht vor der a-C:H:Si Abscheidung kritische Lasten bis ca. 30 N erreicht werden konnten. Durch a-C:H:Si-Beschichtungen konnte, wie sich in Salzsprühtest zeigte, die Korrosionsbeständigkeit von polierten, plasmanitro-carburierten und postoxidierten Stahloberflächen deutlich gesteigert werden.

M3 - Masterarbeit / Diplomarbeit

ER -

Abscheidung von Si-hältigen Kohlenstoffschichten mittels plasmaunterstützter chemsicher Gasphasenabscheidung

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