Properties of sputter deposited zinc and zinc alloy coatings

Abstract

The intensive use of de-icing salts and the need for weight reduction of cars by use of thinner, high strength steels call for an improved corrosion protection of car body parts. Therefore today';s car manufacturing uses steel sheets which are precoated by zinc and thus cathodically protected. The present study examines sputtering as an environmentally friendly alternative coating process which allows the deposition of coatings that can not be realised by currently used hot dipping or electrodeposition processes. Magnetron sputtering and ion beam sputtering deposition experiments delivering pure zinc and zinc alloy coatings have been carried out. Following this, the obtained coatings were examined with regard to their morphologies, chemical composition, crystallographic structures, mechanical properties and corrosion performance. The experiments showed that the morphologies of sputtered zinc films depend very strongly on the sputter parameters. Particularly the relatively low normalised substrate temperature Ts/Tm, i.e. the ratio between the temperature of deposition and the melting point of the deposited metal or alloy, plays an important role in the morphology development. At higher deposition temperatures, the obtained deposits deviated from those predicted by the structure zone models and even consisted of whisker like structures. The zinc alloy coatings condensed in unknown, metastable or even amorphous phases. The obtained films showed properties similar or better than conventionally deposited ones. In particular the alloyed zinc coatings showed promising perspectives due to their significantly better corrosion performances.

Der verstärkte Einsatz von Streusalz und das Ziel einer Gewichtseinsparung in Kraftfahrzeugen durch den Einsatz von dünneren, hochfesten Stählen erfordern einen verbesserten Korrosionsschutz von Karosserieteilen. Daher verwendet die heutige Automobilindustrie zinkbeschichtete und somit kathodisch geschützte Stahlbleche. Die vorliegende Arbeit untersucht Sputtern als umweltfreundlichen Beschichtungsprozess, der die Abscheidung von Schichten ermöglicht, welche nicht durch die derzeit verwendeten Feuerverzinkungs- oder Galvanisierungsprozesse hergestellt werden können. Hierzu wurden Magnetron- und Ionenstrahl-Sputter-Experimente durchgeführt, welche pure Zink- und Zinklegierungsschichten lieferten. Anschließend wurden die erhaltenen Schichten in Hinblick auf ihre Morphologie, chemische Zusammensetzung, kristallographische Strukturen, mechanische Eigenschaften und Korrosionseigenschaften untersucht. Die Beschichtungsexperimente zeigten, die Morphologien der gesputterten Zinkschichten sehr stark von den Sputter-Parametern abhängen. Insbesondere die relativ geringe normalisierte Substrattemperatur, d. i. das Verhältnis zwischen Beschichtungstemperatur und dem Schmelzpunkt des abgeschiedenen Metalls oder der Legierung, spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Schichtmorphologie. Bei höheren Beschichtungstemperaturen weichen die erhaltenen Schichten von den - von den verschiedenen Strukturzonenmodellen vorhergesagten - Strukturen ab und zeigen sogar Whisker-artige Strukturen. Die Zinklegierungsschichten kondensierten in unbekannten, metastabilen oder sogar amorphen Phasen. Die Korrosionseigenschaften der erhaltenen Schichten sind vergleichbar oder sogar besser als die der konventionell beschichteten. Insbesondere die Zinklegierungsschichten zeigten vielversprechende Perspektiven aufgrund ihrer deutlich besseren Korrosionseigenschaften.