Einfluss der Mikrostruktur auf das Fließverhalten von metallischen Werkstoffen in Mikro- und Nanokavitäten -Nanoimprinting-

Im Rahmen dieser Arbeit wird das neuentwickelte metallische Nanoimprinting untersucht, welches verspricht robuste Oberflächenstrukturen durch gezielte plastische Verformung herzustellen. Hierzu wurden zylindrische Eindringkörper aus Diamant in Einzelkontaktversuchen verwendet, welche mit Ringkavitäten an den Kontaktflächen versehen waren. Dabei hängen die herstellbaren Strukturen nicht nur von den Werkzeuggeometrien, sondern maßgeblich von den Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften der Substrate ab. Um ein weites Feld an Mikrostrukturen und Werkzeuggeometrien abzubilden, wurde ein Multiskalenansatz gewählt, in welchem die Werkzeugdurchmesser und Mikrostrukturgrößen in einem weiten Bereich variiert wurden. So wurde der Werkzeugdurchmesser von 1 bis 50 µm und die Kavitätenbreite zwischen 20 nm und 2,76 µm verändert. Als Substrate wurden hauptsächlich Kupferlegierungen (CuSn5, CuZn5 und CuZn30) in unterschiedlichen Zuständen verwendet. Durch High Pressure Torsion (HPT) wurden minimale Korngrößen von 60 nm und durch Rekristallisation maximale Korngrößen von 277 µm erreicht. Zusätzlich wurden auch kaltverformte Proben als Substrat verwendet, welche hohe (Großwinkel-)Korngrößen bei einer hohen Versetzungsdichte aufwiesen. Neben diesen Zuständen wurde auch galvanisch abgeschiedenes nanokristallines Nickel (durchschnittliche Korngrößen von etwa 100 nm) in unterschiedlichen Schichtdicken und auch als Vollmaterial untersucht. Durch diese Variationen werden unterschiedliche Fließprozesse in die Werkzeugstrukturen erwartet, welche mithilfe von TEM-Untersuchungen charakterisiert wurden. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass sowohl das Kaltverfestigungsverhalten als auch die Subkorn- bzw. Korngröße die Extrusionseigenschaften beim Nanoimprinting maßgeblich beeinflussen und ein nahezu ideales plastisches Verhalten (keine Kaltverfestigung) zu den höchsten Extrusionen führt. Für Werkstoffe mit einer ausgeprägten Kaltverfestigung wurden für alle Kavitätenbreiten niedrige Extrusionshöhen gemessen. Diese Arbeit demonstriert das Potential eines einfachen Prägeverfahrens zur Erzeugung von Oberflächenmerkmalen auf metallischen Werkstoffen mit einer Breite < 300 nm und einem Aspektverhältnis größer eins. Abschließend konnte mithilfe eines laserstrukturierten Hartmetallwerkzeugs demonstriert werden, dass mithilfe des metallischen Nanoimprintings auch große und somit technisch relevante, Oberflächen strukturiert werden können.

In the context of this work the newly developed metallic nanoimprinting is investigated, which promises to produce robust surface structures by confined plastic deformation. For this purpose, cylindrical diamond indenters with ring cavities on the contact face were used in single contact experiments. The structures that can be produced via nanoimprinting are not only dependent on the tool geometries, but also on the microstructures and mechanical properties of the used substrates. In order to cover a wide range of microstructures and tool geometries, a multi-scale approach was chosen in which the tool diameters and microstructural length scales were varied over a wide range. Tool diameters from 1 to 50 µm were varied with cavity widths from 20 nm to 2.76 µm. As substrate, mainly copper alloys (CuSn5, CuZn5 & CuZn30) in different microstructural states were used. By using High Pressure Torsion (HPT) a minimum grain size of 60 nm and by recrystallization a maximum grain size of 277 µm were achieved. In addition, large grain sizes but high dislocation densities, i.e. small subgrain sizes, were tested das well. Further, pulsed electrodeposited nanocrystalline nickel (grain size of roughly 100 nm) in different layer thicknesses and as bulk material was investigated. These variations are expected to result in different flow processes into the tool structures, which were characterized using TEM studies. Experimental results show that both the work-hardening behaviour and the grain- or subgrain size have a huge influence on the extrusion properties during the nanoimprinting process. It could be shown in this work that an almost ideal plastic behaviour (no work hardening) leads to the largest extrusion heights. For materials with pronounced strain hardening, low extrusion heights were measured for all cavity widths. This work demonstrates the potential of a simple coining process to produce surface features on metallic materials with a width < 300 nm and an aspect ratio bigger than one. Finally, a laser-structured tungsten carbide-tool was used to demonstrate that metallic nanoimprinting can also be used to structure large, thus technically relevant, surfaces.