DE10016958A1 - Verfahren zur Herstellung von Multilagenschichten auf Substratkörpern und Verbundwerkstoff, bestehend aus einem beschichteten Substratkörper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Vielzahl von dünnen Einzellagen mit einer jeweiligen Lagendicke von 1 bis 100 nm bestehenden Verschleißschutzschicht mittels eines CVD-Verfahrens, bei dem auf einem Substratkörper die jeweiligen Einzelllagen sukzessive nacheinander abgeschieden werden, sowie einen entsprechend beschichteten Substratkörper. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das durch ein Glimmentladungsplasma aktivierte CVD-Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750 DEG C derart durchgeführt, daß während der Änderung der Gaszusammensetzung zur Vorbereitung der Abscheidung der nächstfolgenden Einzellage die Spannung zur Erzeugung der Glimmentladung abgeschaltet wird oder bei im wesentlichen gleichbleibend hoher Temperatur ein Gas oder ein Gasgemisch aus Argon, Wasserstoff und/oder Stickstoff in das Beschichtungsgefäß eingeleitet und die Glimmentladung durch Anlegen einer Spannung von 200 V bis 1000 V über eine Zeitdauer, die kürzer als die Dauer der Beschichtung der letzten Einzellage ist, aufrechterhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Vielzahl von dünnen Einzellagen mit einer jeweiligen Lagendicke von 1 bis 100 nm bestehenden Verschleißschutzschicht mit einer Gesamtdicke von 0,5 bis 20 µm mittels eines CVD-Ver­ fahrens, bei dem auf einem Substratkörper die jeweiligen Ein­ zellagen sukzessive nacheinander abgeschieden werden, insbeson­ dere zur Herstellung eines aus einem Hartmetall, Cermet, einer Keramik oder einem Metall bzw. einer Stahllegierung bestehenden Substratkörper mit einer Verschleißschutzschicht überzogenen Schneideinsatz.

Die Erfindung betrifft ferner einen Verbundwerkstoff, insbeson­ dere ein Werkzeug, bestehend aus einem aus einem Hartmetall, einem Cermet, einer Keramik oder einem Metall bzw. einer Stahl­ legierung bestehenden Substratkörper und einer hierauf abge­ schiedenen, aus mehreren Einzellagen einer Dicke zwischen 1 bis 100 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm, bestehenden Verschleißschutz­ schicht.

Aus der DE 29 17 348 ist ein verschleißfester Verbundkörper zur Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe bekannt, der aus einem Grundkörper sowie mehreren, unterschied­ lich zusammengesetzten, bindemetallfreien Hartstoffschichten mit einer jeweiligen Dicke von 1 bis 50 µm besteht. Eine der Hartstoffschichten soll eine Dicke von 3 bis 15 µm aufweisen und aus sehr vielen dünnen Einzelschichten mit einer Dicke von jeweils 0,02 bis 0,1 µm aufgebaut sein, wobei sich die Hart­ stoffzusammensetzung jeder Einzelschicht von der Hartstoffzusammensetzung der beiden benachbarten Einzelschichten unter­ scheidet. Beispielsweise können abwechselnd aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid einerseits und Alumini­ umoxid oder Zirkonoxid andererseits bestehende Einzelschichten abwechselnd vorgesehen sein. Jeweils in der Zusammensetzung alternierende Einzelschichten aus Titannitrid und Aluminiumoxid oder aus Titancarbid oder Titannitrid oder Titancarbonitrid andererseits und Aluminiumoxid oder Zirkonoxid andererseits sowie einer äußeren Aluminiumoxidschicht andererseits beste­ hende Verschleißschutzschichten sind ebenfalls beispielhaft angegeben. Zum Aufbringen der Beschichtung soll ein CVD-Verfah­ ren konventioneller Art verwendet werden, bei dem die Beschich­ tungstemperaturen bei 1000°C und mehr liegen. Bei dem zu ver­ wendenden CVD-Verfahren soll mit Ofenatmosphären-Drücken von 50 mbar gearbeitet werden. In der Praxis ist die Herstellung der angegebenen Multilagenschichten mittels des genannten CVD- Verfahrens sehr schwierig, bei großvolumigen Produktionsanlagen sogar unmöglich. Um beispielsweise eine Multilagenschicht aus TiN und Al₂O₃ herzustellen, müßte man eine aus TiCl₄, N₂ und H₂ bestehende Gasatmosphäre mit einer anderen aus den Gasen AlCl₃, CO₂ und H₂ in schnellem Wechsel austauschen. Außerdem würde in dem genannten Beispiel die zuvor aufgebrachte TiN-Einzellage oxidieren. Bei dem angegebenen CVD-Verfahren, das bei 1000°C und Atmosphärendrücken von 5000 Pa durchgeführt werden soll, ist jedenfalls die Schichtwachstumsgeschwindigkeit nicht nur sehr groß, was die Abscheidung dünner Einzellagen erschwert, sondern es ist auch infolge punktuell unterschiedlich gegebener Schichtwachstumsbedingungen die Schichtdickenverteilung ungleichmäßig. Hinzu kommt, daß in den jeweiligen Randzonen der Einzellagen Mischphasen auftreten, die durch den Wechsel der Gaszusammensetzung, während der sowohl noch Komponenten für die zuvor abgeschiedene Einzellage als auch Komponenten für die nächste Einzellage enthalten sind, unvermeidbar sind.

In der Praxis ist man daher dazu übergegangen, Verschleiß­ schutzschichten, die aus mehreren Einzellagen bestehen, mittels eines PVD-Verfahrens aufzutragen. So wird in der EP 0 197 185 B1 ein Verfahren zur Herstellung viellagiger, aus unterschiedlichen Hartstoff-Phasen bestehender Hartstoff- Schutzschichten für metallische, stark beanspruchte Oberflächen oder andere Substrate beschrieben, wobei die Dicke der Gesamt­ schutzschicht im Bereich von 0,1 bis 10 µm liegen soll. Sowohl die auf der metallischen Oberfläche als auch untereinander fest haftenden Einzelschichten oder -lagen oder feindisperse Hart­ stoff-Teilchengemische mit Einzelschichtdicken oder Teilchen­ größen sollen Einzelschichtdicken oder Teilchengrößen im Bereich von 0,5 nm bis 40 nm aufweisen. Im Falle 0,5 nm dicker Einzelschichten oder Teilchengrößen liegt die Summenzahl der Einzelschichten oder innerer Phasengrenzen zwischen 100 und 20000. In bezug auf das Kristall-Gitter sind kohärente oder teilkohärente Phasengrenzen vorgesehen, wobei die Einzelschich­ ten oder -lagen oder die Hartstoffteilchen durch Kathodenzer­ stäubung oder eine andere PVD-Methode auf die metallische Ober­ fläche oder auf das Substrat aufgebracht werden, wobei entweder die zu beschichtenden Oberflächen während des gesamten Beschichtungsvorganges relativ zu mindestens zwei Zerstäubungs­ kathoden unterschiedlichen Hartstoffmateriales bewegt werden oder die Beschichtung der Oberfläche oder des Substrates mit Hilfe einer Kathode bestehend aus mindestens zwei miteinander kohärenten oder teilkohärenten Phasengrenzen bildenden Hart­ stoffen durchgeführt wird. Für die genannten Versionen des Ver­ fahrens können Kathoden aus TiC und TiB₂ oder TiN und TiB₂ oder TiC und TiN und TiB₂ oder aus reinen Metallen verwendet werden.

Eine für ein derartiges Beschichtungsverfahren geeignete Anlage ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.

In einem Autoklaven 10 sind an diametral gegenüberliegenden Seiten ein erstes, aus Titan bestehendes Target 11 und ein zweites aus Aluminium bestehendes Target 12 angeordnet. Durch reaktives Sputtern in Verbindung der mit der in dem Autoklaven eingestellten N₂-Atmosphäre können Schichtfolgen TiN-AlN auf Substratkörpern 14 abgeschieden werden, die mittels einer geeigneten Rotationsvorrichtung um die Drehachse 13 bewegt wer­ den. Mit einer solchen Anordnung können die Substrate 14 jedoch nur von einer Seite, nämlich jeweils derjenigen, die den Tar­ gets 11 und 12 zugekehrt ist, beschichtet werden. Um eine mehr­ seitige Beschichtung vornehmen zu können und um eine höhere Produktivität zu gewährleisten, sind planetenartige Halterungen gemäß Fig. 2 erforderlich, bei denen die auf einem Satelliten­ gestell angeordneten Substratkörper 16 um eine Drehachse 15 einerseits und das gesamte Satellitengestell zusätzlich um die Drehachse 13 bewegt werden. Zusätzlich kann auch jeder Substratkörper 16 noch um seine eigene Achse gedreht werden, wobei in dem in Fig. 2 dargestellten Fall mit vier Targets 11 und 12 der vorgenannten Art gearbeitet wird. Zwar ist es mit einer Anordnung gemäß Fig. 2, die allerdings apparativ sehr aufwendig ist, prinzipiell möglich, eine mehrseitige Beschich­ tung der Substratkörper vorzunehmen, jedoch lassen sich wegen der einheitlichen Gasatmosphäre, die z. B. aus Stickstoff besteht, beispielsweise unter Verwendung von Titan- und Alumi­ niumtargets lediglich TiN-AlN-Abscheidungen erzeugen. Hinzu kommt, daß Mischphasen in den betreffenden Einzellagen, die sowohl Nitride des Aluminiums als auch des Titans enthalten, nicht vermeiden lassen, so daß die gewünschten Vorteile einer Verschleißschutzschicht, deren Einzellagen hinsichtlich der Zusammensetzung klar gegeneinander abgrenzbar sind, nicht erreichen lassen. In ein und demselben Autoklaven, d. h. in einem kontinuierlichen PVD-Prozeß, lassen sich zudem Multila­ genschichten mit alternierenden Einzellagen aus TiN und Al₂O₃ erst gar nicht herstellen, da dann im Takt der Passage des Substrates vor den unterschiedlichen Metall-Targets das reak­ tive Gas, nämlich N₂ einerseits und O₂ andererseits ausgetauscht werden müßte. Zudem kommt bei derartigen PVD-Beschich­ tungen der Nachteil, daß Einzellagen jeweils einheitlich großer Schichtdicke in der Praxis nicht hergestellt werden können. Soll die laminare Schichtung der Einzellagen über die gesamte Oberfläche eines Verbundkörpers hinsichtlich der Schichtdicken­ verteilung regelmäßig sein, wie dies später anhand der Fig. 3 erläutert werden wird, sind die vorgenannten PVD-Beschichtungs­ verfahren sowie die nachfolgend behandelten jedenfalls ungeeig­ net. So wird auch in der EP 0 197 185 B1, Spalte 3, Zeilen 44 bis 47, eingeräumt, daß bei einer Abscheidung, bei der die auf einem Drehteller angeordneten Proben ständig unter zwei unter­ schiedlichen Kathoden, nämlich aus TiC und TiB₂, bewegt werden, Mischschichten beim Sputtern auftreten.

Die DE 195 03 070 C1 beschreibt eine aus einer Vielzahl von Einzellagen bestehenden Verschleißschutzschicht, bei der eine erste Einzellage aus einem metallischen Hartstoff, die unmit­ telbar auf dem Substrat aufgebracht ist, und bei der auf der ersten Einzellage aufgetragene weitere Einzellagen in peri­ odisch wiederholter Abfolge aus einem metallischen Hartstoff und einem anderen Hartstoff abgeschieden sind. Der genannte andere Hartstoff soll ein kovalenter Hartstoff sein. Die Ein­ zellagen bestehen aus einer periodisch wiederholten Abfolge eines Verbundes aus drei Einzellagen, wobei der Verbund aus zwei Einzellagen zweier verschiedener metallischer Hartstoffe und einer Einzellage aus dem kovalenten Hartstoff besteht, wozu als spezielles Beispiel ein Verbund aus zwei Einzellagen aus Titannitrid und Titancarbid und eine weitere Einzellage aus dem kovalenten Hartstoffborcarbid angegeben wird. Zur Herstellung einer solchen Einzellagen-Schichtfolge soll bei einem PVD-Ver­ fahren von mehreren Kathoden reaktiv oder nichtreaktiv aus den jeweiligen gewünschten Schichtmaterialien auf das Substrat abgestäubt werden, wobei das Substrat periodisch, etwa auf einem Drehteller, unter den Kathoden durchgeführt wird.

Die EP 0 701 982 A1 befaßt sich mit einer Verschleißschutz­ schicht aus mehreren Einzellagen, die jeweils eine Dicke von 1 nm bis 100 nm aufweisen sollen. Die Einzellagen aus minde­ stens zwei Verbindungen bestehen im wesentlichen aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Oxiden wenigstens eines der Ele­ mente aus der Gruppe der IVB- bis VIB-Elemente des Periodensy­ stems, Al, Si und B. Zur Herstellung solcher Schichtfolgen soll ein Ionenplattieren mit einer Vakuum-Bogenentladung verwendet werden. Hierzu wird eine Mehrzahl von Targets in einer Vakuum­ kammer angeordnet, an denen die auf einem Drehteller angeordne­ ten Substratkörper rotierend vorbeigeführt werden. Soweit in dieser Druckschrift die CVD-Beschichtungstechnik angesprochen wird, soll es sich um ein konventionelles CVD-Verfahren zu Ver­ gleichszwecken handeln, mit dem 0,5 µm dicke Schichten aufge­ tragen werden.

Die EP 0 592 986 B1 beschreibt ein verschleißfestes Element aus einem Trägermaterial und einem darauf angebrachten ultradünnen Filmlaminat, das mindestens ein Nitrid oder Carbonitrid minde­ stens eines Elementes aufweist, das aus einer Gruppe auszuwäh­ len ist, welche aus den Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystemes sowie Al und B besteht, wobei das Nitrid oder Carbonitrid eine kubische Kristallstruktur hat und haupt­ sächlich Metallbindungseigenschaften besitzt, sowie mindestens eine Verbindung, die bei normaler Temperatur und normalem Druck und im Gleichgewichtszustand eine andere Kristallstruktur als die kubische Kristallstruktur hat und die hauptsächlich kova­ lente Bindungseigenschaften hat. Mindestens ein Nitrid oder Carbonitrid und die zuletzt genannte Verbindung sollen abwech­ selnd aufgetragen werden, wobei jede Einzellage eine Dicke von 0,2 bis 20 nm und das Laminat insgesamt ein kubisch kristalli­ nes Röntgenbeugungsdiagramm hat. Die betreffende Laminatbe­ schichtung soll ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens aufge­ tragen werden. Lediglich Vergleichsweise werden beispielsweise aus Titannitrid, Aluminiumoxid und Titancarbid bestehende Ein­ zelschichten mit einer Schichtdicke von 0,5 µm und mehr erwähnt. Entsprechendes wie zu der EP 0 709 483 A2 oben behan­ delten Beschichtung gilt auch für die Beschichtung gemäß EP 0 709 483 A2.

Ein verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug aus einer ersten 1 µm dicken, sich an die Oberfläche des Werkzeuges anschließenden TiC-Schicht und 100 einander abwechselnden, gleich dicken Schichten der Verbindungen TiN und ZrN oder ein durch einen 5 µm dicken Überzug, bestehend aus drei gleich dicken Schichten aus (Ti, Zr)(C, N), (TiZr)C und (TiZr)N oder durch einen 5 µm dicken Überzug aus 1500 gleich dicken, einan­ der abwechselnden Schichten aus TaB₂, NbB₂, MoB₂ oder einen 5 µm dicken Überzug aus 600 einander abwechselnde Schichten aus Ta₅Si₃Nb₃Si₃, die ein tetragonales Kristallgitter vom Cr₅B₃-Typ aufweisen, jeweils mit einem Schichtdickenverhältnis von 1 : 2, oder durch einen 5 µm dicken Überzug aus 200 einander abwech­ selnden Schichten der Verbindung TiO, ZrO von kubischem Gitter mit einem Schichtdickenverhältnis von jeweils 1 : 3, beschreibt die DE 35 39 729 C2. Zur Auftragung der Beschichtung wird ein PVD-Verfahren vorgeschlagen.

Laminatartige Schichten einer Dicke von 1 bis 100 nm, die mit­ tels PVD-Verfahren aufgetragen werden sollen, beschreibt auch die EP 0 885 984 A2.

Schließlich erwähnen die WO 98/48072 und WO 98/44163 dünne Ein­ zelschichten mit einer maximalen Dicke von 30 nm bzw. 100 nm, zu deren Auftragung grundsätzlich das CVD- oder PVD-Verfahren benannt wird, jedoch wird in den Ausführungsbeispielen aus­ nahmslos auf die PVD-Technik zurückgegriffen.

Ausgehend von dem zuvor behandelten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein CVD-Beschichtungsverfahren anzugeben, mit dem in wirtschaftlicher Weise eine Viel­ zahl von Einzellagen unterschiedlicher Hartstoffzusammensetzung auf einen Substratkörper aufgetragen werden kann, wobei die Bildung von Mischphasen in den Übergangsbereichen von Einzel­ lage zu Einzellage zumindest weitgehend vermieden wird. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechend verbes­ serte Verbundkörper und deren Zusammensetzungen anzugeben, ins­ besondere solche, die als Schneidwerkzeuge zum Zerspanen geeig­ net sind.

Die vorgenannte Aufgabe wird zum einen mittels des in Anspruch 1 beschriebenen Verfahrens gelöst, das durch ein durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD-Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750°C gekennzeichnet ist. Unter diesen Bedingungen gelingt es überraschenderweise auch in größeren Reaktoren, die gesamte für die CVD-Prozesse benötigten Gasgemische in kurzer Zeit, d. h. in Sekunden, auszutauschen. Als Substratkörper, insbesondere für Schneideinsätze können Hartmetalle, Cermets, Keramiken oder auch metallische Substratkörper, wie Stahlgrundkörper, verwen­ det werden. Als Hartstoffe sind alle grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannten und in den vorstehend aufgeführten Dokumenten aufgeführten Verbindungen bzw. die zu deren Abschei­ dung geeigneten Gasgemische verwendet. Insbesondere sind solche Verbindungen Carbide, Nitride, Carbonitride der Übergangsme­ talle Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram (Elemente der IVB- bis VIB-Gruppe des Periodensystemes).

Ferner sind insbesondere als äußere verschleißfeste Einzellagen Aluminium- oder Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid und Bornitrid angesprochen. Bei einer Beschichtung, die aus einer Vielzahl von Einzellagen alternierender Zusammensetzung, z. B. aus Titan­ nitrid und Aluminiumoxid besteht, ist aufgrund der relativ niedrigen Beschichtungstemperaturen die Gefahr einer Oxidation durch Sauerstoffhaltige Gase, wie sie z. B. in einer TiN- Schicht unerwünscht ist, gebannt.

Eine besonders scharfe Grenzfläche zwischen zwei Einzellagen unterschiedlicher Zusammensetzung erhält man, wenn das die CVD- Reaktion unterstützende Glimmentladungsplasma vor dem Gaswech­ sel, d. h. am Ende der Beschichtung einer Einzellage, abgeschal­ tet und erst nach dem Gaswechsel in dem Beschichtungsreaktor wieder eingeschaltet wird. Überraschenderweise haften die trotz der jeweiligen Prozeßunterbrechungen aufeinanderfolgenden Ein­ zellagen gut aneinander, auch in den Fällen, in denen die Stoffe im thermischen Gleichgewicht untereinander nicht misch­ bar sind, wie es z. B. bei einer Multilagenschicht aus Al₂O₃ und TiN der Fall ist. Bei Verwendung des CVD-Verfahrens sind die Schichtdicken im Gegensatz zu einem PVD-Verfahren auf allen Seiten gleichmäßig. Vorteilhafterweise müssen die Substratkör­ per bzw. die mit Einzellagen bereits beschichteten Substrat­ körper während der Beschichtung bzw. weiteren Beschichtungen nicht bewegt werden. Durch die ungehinderte Umströmung der zu beschichtenden Körper mit den in den Reaktor eingeleiteten Pro­ zeßgasen kann die Multilagenschicht in idealer Weise in laminarer Schichtung und lateral kontinuierlich über die gesamte freie Oberfläche des Substratkörpers ausgebildet wer­ den.

Alternativ wird die Aufgabe durch das im Anspruch 2 beschrie­ bene Verfahren gelöst.

Hierbei wird erfindungsgemäß jede der Einzellagen mittels eines durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD-Verfahren bei einem Druck von 50 bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750°C aufgetragen. Zwischen den einzelnen Beschichtungsvorgän­ gen zum Auftragen der Einzellagen wird bei im wesentlichen gleichbleibend hoher Temperatur ein Gas oder Gasgemisch aus Argon, Wasserstoff und/oder Stickstoff bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa in das Beschichtungsgefäß eingeleitet und eine Glimmentladung an dem Substratkörper oder teilbeschichte­ ten Substratkörper durch Anlegen einer Spannung von 200 bis 1000 V über eine Zeitdauer, die kürzer als die Dauer der Beschichtung der letzten Einzellage ist, vorzugsweise maximal halb so lang ist, aufrechterhalten. Grundsätzlich ist die Auf­ rechterhaltung der Glimmentladung in einer nichtreaktiven Gasatmosphäre bereits in der DE 44 17 729 A1 erwähnt, aller­ dings nur im Zusammenhang mit der Auftragung relativ dicker Schichten von 200 nm bis 400 nm oder mehr. Die Plasmabehandlung zwischen den einzelnen Beschichtungsvorgängen bewirkt zahlrei­ che Fehlstellen in den zuvor glatten Kristallitflächen mit wenig wachstumsaktiven Stellen. Trotz der durch die Plasmabe­ handlung bewirkte "Schwächung" der zuvor abgeschiedenen Schicht ergeben sich keine Haftungsprobleme bei Auftragen der nächsten Schicht. Das Gefüge der abgeschiedenen Einzellagen ist fein­ körniger als es mit einem CVD-Prozeß bei Beschichtungstempera­ turen oberhalb von 1000°C erreicht werden kann.

Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So können mittels der vorgenannten Verfahrensvarianten sowohl Einzellagen aufgetragen werden, die jeweils von einer Einzel­ lage zur nächsten Einzellage eine andere Zusammensetzung auf­ weisen, als auch solche Multilagenbeschichtungen, bei denen zumindest zwei der benachbarten Einzellagen dieselbe Zusammen­ setzung aufweisen.

Vorteilhafterweise können auch zwei benachbarte Einzellagen aus Hartstoffen aufgetragen werden, die im thermischen Gleichge­ wicht nicht miteinander mischbar, d. h. legierbar, sind.

Bevorzugt werden als Hartstoffe, aus denen die Einzellagen bestehen, Verbindungen aus mindestens zwei Komponenten gewählt, von denen die erste mindestens ein Element der IVB- bis VIB- Gruppe des Periodensystemes oder Al, Si, C oder B enthält und die zweite, hiervon verschiedene, mindestens ein aus der Gruppe der Elemente B, C, N, O und S stammendes Element enthält. Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest bei einem Teil der Verschleißschutzschicht in abwechselnder Folge Einzellagen aus Al₂O₃, ZrO₂, AlN, BN oder B(C, N) einer­ seits und Nitride oder Carbonitride der Form (C_x, N_1-x) mit 0 ≦ x ≦ 1 der Elemente Ti, Zr und Hf andererseits abgeschieden. Als Beispiel seien hier Multilagenbeschichtungen aus Al₂O₃ und TiN genannt. Vorzugsweise sind jedoch auch Beschichtungen der Art möglich, bei denen in abwechselnder Folge Einzellagen aus TiN und Ti(C, N) abgeschieden werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ebenso möglich, zusätzlich zumindest eine Zwischenlage mit einer Dicke von 5 bis 50 nm abzuscheiden, die aus mindestens einem der Elemente oder Verbindungen mindestens zweier der Elementen C, N, Mo, W, Ti, Al besteht und/oder ZrO₂, Si oder B als weitere Phase ent­ halten. Insbesondere angesprochen sind hier Zwischenschichten aus Kohlenstoff, Kohlenstoff-Stickstoffverbindungen, metalli­ sche Schichten aus nur einem Metall oder auch TiAl-Schichten als auch Schichten, in denen Zirkondioxid, Silicium und Bor als Zusatz eingelagert ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl in der Weise angewendet werden, daß sich die Schichtzu­ sammensetzung der aufeinanderfolgenden Einzellagen periodisch wiederholt oder eine nichtperiodische Reihenfolge gewählt wird. Verwendet man als Hartstoff für die Einzellagen beispielsweise drei Zusammensetzungen A, B und C, so können bei einer periodi­ schen Abscheidung beliebig viele aufeinanderfolgende Einzella­ gen des Typs A, B, C, A, B, C, . . . als Beispiel für eine peri­ odische Aufeinanderfolge oder Beschichtungen der Form A, B, C, B, A, C, A, C, B, . . . als Beispiel für eine nichtperiodische Aufeinanderfolge gewählt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Einzellagen und auch etwaige Zwischenlagen jeweils gleich dick oder auch unterschiedlich dick sein.

Erfindungsgemäß wird die eingangs genannte Aufgabe durch einen Verbundwerkstoff, insbesondere ein Werkzeug zur Zerspanung, bestehend aus einem aus einen Hartmetall, einem Cermet, einer Keramik oder einem metallischen Körper bestehenden Substratkör­ per und einer hierauf abgeschiedenen, aus mehreren Einzellagen einer Dicke zwischen 1 bis 100 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm, bestehenden Verschleißschutzschicht nach Anspruch 10 gelöst. Die Einzellagen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie jeweils mittels eines durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD- Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Tem­ peratur von maximal 750°C aufgetragen worden sind, wobei zwi­ schen zwei Beschichtungsvorgängen zur Vorbereitung der Abschei­ dung der nächsten Einzellage entweder die Spannung zur Erzeu­ gung der Glimmentladung beim Gaswechsel abgeschaltet worden ist oder ein Gas oder ein Gasgemisch aus Argon, Wasserstoff und/oder Stickstoff bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa in das Beschichtungsgefäß eingeleitet und die Glimmentladung an dem Substratkörper oder teilbeschichteten Substratkörper durch Anlegen einer Spannung von 200 bis 1000 V über eine Zeitdauer, die kürzer als die Dauer der Beschichtung der letzten Einzel­ lage ist, vorzugsweise maximal halb so lang ist, aufrechterhal­ ten worden ist. In diesem Verbundkörper weisen zwei oder meh­ rere aufeinanderfolgende Einzellagen bevorzugt unterschiedliche Zusammensetzungen auf. Bevorzugt bestehen zumindest zwei der Einzellagen aus Hartstoff, wie sie bereits vorstehend erwähnt worden sind. Ebenso ist es möglich, daß mindestens eine Hartstoff-Einzellage aus einer Metallcarbonitrid- oder Metallnitridverbindung der Zusammensetzung (M₁M₂) (C_x, N_y) besteht, wobei M₁ und M₂ unterschiedliche Metalle sind, die vorzugsweise aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb und/oder Ta stam­ men und wobei 0 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 1 ist. Betreffende mögliche Stoffkombinationen sind in der WO 97/07260 beschrieben, auf die hinsichtlich der Schichtzusammensetzung verwiesen wird.

Weitere Vorteile sowie ein Ausführungsbeispiel sind schematisch in Fig. 3 dargestellt, die einen Teilschnitt durch eine Wende­ schneidplatte zeigt.

Wendeschneidplatten als auswechselbare Schneideinsätze, die grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannt sind, besitzen als Funktionsflächen jeweils diametral gegenüberliegende Span­ flächen 7, Freiflächen 5 und jeweils zwischen der Freifläche und der Spanfläche liegende abgerundete Schneidkanten 6. Der in Fig. 3 dargestellte Schneideinsatz besteht aus einem Substrat­ körper 1, der mit einer Verschleißschutzschicht 8 überzogen ist, die aus einer Vielzahl von zumindest zwei in der Zusammen­ setzung unterschiedlichen Einzellagen 2, 3, ggf. aus einer Zwi­ schenschicht oder einer weiteren in der Zusammensetzung unter­ schiedlichen Einzellage 4 besteht. Jede der Einzellagen ist vorzugsweise zwischen 5 und 50 nm dick. Die Gesamtheit der Ein­ zellagen ergibt eine Verschleißschutzschichtdicke, die zwischen 0,5 µm und 20 µm liegt.

Anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles wird eine aus meh­ reren Einzellagen 2, 3 bestehende Verschleißschutzschicht beschrieben. Der beispielsweise aus einem Hartmetall oder Cer­ met bestehende Substratkörper 1 wird vor dem Beschichten in einem Ultraschallbad gereinigt. Eine weitere Reinigung erfolgt durch Ionenätzung im Rezipienten des Plasmareaktors in einem Wasserstoff-/Argon-Plasma, zu dessen Erzeugung Gleichstroment­ ladungen in gepulster Aufeinanderfolge bei Prozeßdrücken von 100 bis 300 Pa verwendet wurden. Die Aufheizung der Substrat­ körper auf die Beschichtungstemperatur wird durch eine externe Heizung unterstützt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel sind bei einer Temperatur von 620°C in abwechselnder Folge Gasgemische zur Abscheidung von Titannitrid und Aluminiumoxid eingeleitet worden. Die jeweiligen Prozeßparameter sind aus nachfolgender Tabelle 1 ersichtlich:

Tabelle 1

Nach 188 Minuten hatte sich eine insgesamt 1,7 µm dicke, aus 19 Einzellagen von Titannitrid und 18 Einzellagen aus Alumini­ umoxid bestehende Schicht gebildet. Die jeweiligen Einzellagen aus den genannten Stoffen waren etwa gleich dick, nämlich 47 nm. Jede Einzellage war von der benachbarten Einzellage scharf getrennt, d. h., Mischphasen in den Übergangsbereichen waren nicht feststellbar. Die abgeschiedene Verschleißschutz­ schicht zeigte eine Vickers-Härte von 2600 HV0.05.

In einem weiteren zweiten Ausführungsbeispiel bestanden die Einzellagen aus TiN und AlN. Allerdings sind im Unterschied zu dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel 901 Einzellagen aufge­ bracht worden. Die jeweiligen Einstellungen sind nachfolgender Tabelle 2 zu entnehmen:

Tabelle 2

Erfindungsgemäß ist beim Wechsel der für die Abscheidung der vorgenannten Stoffe notwendigen Reaktionsgase die Glimmentla­ dung für jeweils 2 s abgeschaltet worden. Nach dem Auftrag der 901 Einzellagen hatte sich eine 4,5 µm dicke Schicht gebildet. Während beim vorigen Ausführungsbeispiel die Dicke jeder Ein­ zellage etwa 47 nm betrug, konnte die Einzellagendicke der in dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten Beschichtung mit­ tels optischer Mikroskopie nicht mehr aufgelöst werden. Die durchschnittliche chemische Zusammensetzung der gesamten Ver­ schleißschutzschicht ließ sich wie folgt bestimmen: 25 Atom-% Ti, 24 Atom-% Al, 50 Atom-% N und 1 Atom-% Cl. Hierdurch und aus dem Wert der Gesamtschichtdicke läßt sich die Dicke der Einzellagen zu etwa 5 nm bestimmen. Mit Hilfe von Röntgenbeu­ gungsuntersuchungen läßt sich nachweisen, daß die dünnen Ein­ zellagen als diskrete Phasen aus Titannitrid und Aluminiumni­ trid vorliegen, es sich also auch bei der submikroskopischen Dicke der Lagen noch um kontinuierliche Schichten handelt. Die Härte der aus Titannitrid und Aluminiumnitrid bestehenden Ver­ schleißschutzschicht beträgt 3400 HV0.05.

Wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele zeigen, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung entscheidend, daß die Abscheidung der Einzellagen unter Einhaltung der Temperatur (≦ 750°C) und des Gasdruckes erfolgt. Bei genügend raschem Wechsel der Gasatmosphäre kann auch auf die Abschaltung der Spannung zur Erzeugung der Glimmentladung bzw. auf die Einlei­ tung eines nichtreaktiven Gases bei gleichzeitiger gepulster Gleichspannungs-Plasmaanregung verzichtet werden.

Die gepulste Gleichspannung zur Erzeugung des Plasmas ist im Regelfall eine Rechteckspannung mit einer maximalen Amplitude zwischen 200 und 900 V und einer Periodendauer zwischen 20 µs und 20 ms. Abweichungen unter Ausbildung von nicht senkrechten Anstiegs- und Abfallflanken sowie Dachschrägen sind jedoch ebenso denkbar. Das Verhältnis der Pulslänge (Dauer des Span­ nungssignales eines Pulses) zu der Periodendauer (Pulslänge + Pulspausenlänge) liegt zwischen 0,1 bis 6.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von dünnen Einzellagen mit einer jeweiligen Einzellagendicke von 1 bis 100 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm, bestehenden Verschleißschutzschicht mit einer Gesamtdicke von 0,5 µm bis 20 µm mittels eines CVD-Verfahrens, bei dem auf einen Substratkörper die jeweiligen Einzellagen durch Änderung der Gaszusammensetzung nacheinander abgeschieden werden, insbesondere zur Herstellung eines aus einem Hartmetall, Cermet, einer Keramik oder einem Metall bzw. einer Stahl­ legierung bestehenden Substratkörper mit einer Verschleiß­ schutzschicht überzogenen Schneideinsatzes, gekennzeichnet, durch ein durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD- Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750°C, bei dem während der Änderung der Gaszusammensetzung zur Vorbereitung der Abscheidung der nächstfolgenden Einzellage die Spannung zur Erzeugung der Glimmentladung abgeschaltet wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer aus einer Vielzahl von dünnen Einzellagen mit einer jeweiligen Einzellagendicke von 1 nm bis 100 nm, vorzugsweise 5 nm bis 50 nm, beste­ henden Verschleißschutzschicht mit einer Gesamtdicke von 0,5 µm bis 20 µm mittels eines CVD-Verfahrens, bei dem auf einem Substratkörper die jeweiligen Einzellagen sukzessive nacheinander abgeschieden werden, insbesondere zur Her­ stellung eines aus einem Hartmetall, Cermet, einer Keramik oder einem Metall oder einer Metallegierung bestehenden Substratkörper mit einer Verschleißschutzschicht überzoge­ nen Schneideinsatzes, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einzellagen mittels eines durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD-Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750°C aufgetragen und zwischen den einzelnen Beschichtungsvorgängen zum Auf­ tragen der Einzellagen bei im wesentlichen gleichbleibend hoher Temperatur ein Gas oder Gasgemisch aus Argon, Was­ serstoff und/oder Stickstoff bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa in das Beschichtungsgefäß eingeleitet wird und eine Glimmentladung an dem Substratkörper oder teilbe­ schichteten Substratkörper durch Anlegen einer Spannung von 200 V bis 1000 V über eine Zeitdauer, die kürzer als die Dauer der Beschichtung der letzten Einzellage ist, vorzugsweise maximal halb so lang ist, aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Einzellagen aus Hartstoffen bestehen, die im thermischen Gleichgewicht nicht miteinan­ der mischbar (legierbar) sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffe, aus denen die Einzel­ lagen bestehen, mindestens zwei Komponenten enthalten, von denen die erste mindestens ein Element der IVB- bis VIB- Gruppe des Periodensystemes oder Al, Si, C, B enthält und die zweite, hiervon verschiedene, mindestens aus der Gruppe der Elemente B, C, N, O und S stammendes Element enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einem Teil der Ver­ schleißschutzschicht in abwechselnder Folge Einzellagen aus Al₂O₃, ZrO₂, AlN, BN oder B(C, N) einerseits und Nitri­ den oder Carbonitriden der Form (C_x, N_1-x) mit 0 ≦ x ≦ 1 der Elemente Ti, Zr, Hf andererseits bestehen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einem Teil der Ver­ schleißschutzschicht in abwechselnder Folge Einzellagen aus TiN und Ti(C, N) abgeschieden werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zumindest eine Zwischenlage mit einer Dicke von 5 bis 50 nm abgeschieden wird, die aus mindestens einem der Elemente oder Verbindungen mindestens zweier der Elemente C, N, Mo, W, Ti, Al besteht und/oder ZrO₂, Si oder B als weitere Phase enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Einzellagen dieselbe Zusammensetzung aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Einzellagen in einer periodisch sich wiederholenden Folge oder nichtperiodisch abgeschieden werden.

10. Verbundwerkstoff, insbesondere Werkzeug, bestehend aus einem aus einem Hartmetall, einem Cermet, einer Keramik oder einem Metall oder einer Metallegierung bestehenden Substratkörper und einer hierauf abgeschiedenen, aus meh­ reren Einzellagen einer Dicke zwischen 1 bis 100 nm, vor­ zugsweise 5 bis 50 nm, bestehenden Verschleißschutz­ schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellagen jeweils mittels eines durch ein Glimmentladungsplasma aktiviertes CVD-Verfahren bei einem Druck von 50 Pa bis 1000 Pa und einer Temperatur von maximal 750°C aufgetragen worden sind, wobei zwischen zwei Beschichtungsvorgängen zur Vorbereitung der Abscheidung der nächsten Einzellage entweder die Spannung zur Erzeugung der Glimmentladung abgeschaltet worden ist, oder ein Gas oder ein Gasgemisch aus Argon, Wasserstoff und/oder Stickstoff bei einem Druck von 10 Pa bis 1 kPa in das Beschichtungsgefäß eingeleitet und die Glimmentladung an dem Substratkörper oder teilbeschichteten Substratkör­ per durch Anlegen einer Spannung von 200 V bis 1000 V über eine Zeitdauer, die kürzer als die Dauer der Beschichtung der letzten Einzellage ist, vorzugsweise maximal halb so lang ist, aufrechterhalten worden ist.

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das zwei oder mehr aufeinanderfolgende Einzellagen jeweils eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.

12. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest zwei Einzellagen aus Hartstoffen bestehen.

13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffe mindestens ein Metall der IVB- bis VIB- Gruppe des Periodensystemes, Al, Si oder B einerseits und mindestens eines der Elemente C, N, O und/oder B anderer­ seits enthalten.

14. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einem Teil der Verschleißschutzschicht in abwechselnder Folge Einzellagen aus Al₂O₃, ZrO₂, AlN, BN oder B(C, N) einerseits und Nitriden oder Carbonitriden der Form (C_x, N_1-x) mit 0 ≦ x ≦ 1 der Elemente Ti, Zr, Hf ande­ rerseits bestehen.

15. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei einem Teil der Verschleißschutzschicht in abwechselnder Folge Einzellagen aus TiN und Ti(C, N) bestehen.

16. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Hartstoffein­ zellage aus einer Metallcarbonitrid- oder Metallnitridver­ bindung der Zusammensetzung (M₁, M₂) (C_x, N_y) besteht, wobei M₁ und M₂ unterschiedliche Metalle sind, vorzugsweise aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta, und 0 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 1 ist.