DE102006000149B4

DE102006000149B4 - Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements

Info

Publication number: DE102006000149B4
Application number: DE102006000149.4A
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu Kohara
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: SE0600585L; US20060219325A1; SE536047C2; DE102006000149A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements, das eine Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ, erzeugt auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Grundmaterials, enthält, umfassend: einen Prozess des Erzeugens der Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ auf mindestens dem Teil der Oberfläche des Grundmaterials; und einen Prozess des Durchführens einer Ionenbombardement-Behandlung der Oberfläche der erzeugten Aluminiumoxidschicht, wobei die Ionenbombardement-Behandlung durch Verwendung eines Ions eines Edelgases im Plasma durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug wie eine Schneidplatte, einen Bohrer oder einen Schaftfräser bzw. Stirnfräser, ein Gleitelement (Kraftfahrzeug-Gleitelement usw.) und auf eine Metallform, insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines Elements, auf dessen Oberfläche eine α-Aluminiumoxidschicht ausgebildet ist.
Ein Element wie ein Schneidwerkzeug, ein Gleitelement oder eine Metallform umfasst im Allgemeinen einen harten Film bzw. eine harte, dünne Schicht aus Titannitrid, Titan-Aluminium-Nitrid oder dergleichen, erzeugt auf einer Oberfläche eines Grundmaterials aus Schnellarbeitsstahl, Hartmetall oder dergleichen, weil eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Gleiteigenschaft hierfür erforderlich sind. Um die Wärmebeständigkeit des Elements weiter zu verstärken, wird häufig ein Aluminiumoxid mit einer Korundstruktur (auch bezeichnet als hexagonales Aluminiumoxid oder α-Aluminiumoxid) auf dem harten Film bzw. der harten, dünnen Schicht erzeugt. Der harte Film und das Aluminiumoxid werden im Allgemeinen erzeugt durch Verwendung eines Verfahrens wie der chemischen Gasphasenabscheidung (nachstehend auch bezeichnet als CVD-Verfahren) oder der physikalischen Gasphasenabscheidung (nachstehend auch bezeichnet als PVD-Verfahren). Insbesondere das PVD-Verfahren wird in geeigneter Weise angewandt, weil es dem CVD-Verfahren darin überlegen ist, dass eine α-Aluminiumoxidschicht bei einer relativ geringen Temperatur erzeugt werden kann, und eine thermische Deformation des Grundmaterials vermieden werden kann (siehe JP 2002-53946 A und EP 1 553 210 A1 ).
In der JP 2002-53946 A wird beschrieben, einen Oxidfilm mit einer Korundstruktur mit einer Gitterkonstanten bzw. -parameter von 4,779 Å oder mehr und 5000 Å oder weniger und einer Filmdicke von 0,005 μm oder mehr als eine untere Schicht zu erzeugen, und einen α-Aluminiumoxidfilm auf dieser unteren Schicht durch Verwendung des PVD-Verfahrens zu erzeugen. Des Weiteren wird in der EP 1 553 210 A1 ein Verfahren zum Herstellen von α-Aluminiumoxid auf einem TiAlN-Film, ausgezeichnet in Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit, welcher in jüngster Zeit als harter Film für Werkzeuge verwendet wird, durch Verwendung des PVD-Verfahrens beschrieben. In diesem Dokument wird das α-Aluminiumoxid auch erzeugt nach Oxidieren der Oberfläche des harten TiAlN-Films.
Allerdings wurde sogar bei einem Schneidwerkzeug mit dem somit erzeugten α-Aluminiumoxidfilm die Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des Werkzeugs oft durch seine Verwendung in einer beanspruchenden Umgebung oder durch das Bearbeiten eines hochviskosen Bearbeitungsmaterials verkürzt. Des Weiteren verursacht die Erzeugung der α-Aluminiumoxidschicht auf einer Oberfläche eines Gleitelements oder einer Metallform auch häufig eine Erhöhung des Reibwiderstandes auf einer Kontaktoberfläche, was in nachteilhafter Weise die Leistung des Gleitelements oder der Metallform beeinflussen kann.
Dagegen werden in der US 5 766 782 A und US 5 487 625 A Techniken für das Glätten einer Oberfläche aus einer α-Aluminiumoxidschicht zur Minimierung des Reibwiderstandes der Oberfläche der α-Aluminiumoxidschicht beschrieben. Bei den in diesen Dokumenten beschriebenen Techniken wird die Oberfläche geglättet durch eine Naßsprühbehandlung unter Verwendung von Al₂O₃-Pulver. Da allerdings das Glätten durch ein derartiges Verfahren viel Zeit und Arbeit erfordert, besteht der Bedarf nach einem Verfahren für das effizientere Glätten der Oberfläche aus einer α-Aluminiumoxidschicht.
Darüber hinaus ist aus der US 5 205 871 A bekannt, die r-Fläche eines einkristallinen Saphirsubstrats durch Auslagern bei einer hohen Temperatur oder durch Ionenbombardement mit einem Edelgas vorzubehandeln, um Fehler, die ein nachfolgendes epitaxiales Wachstum einer monokristallinen Germaniumschicht behindern können, zu verringern oder ganz zu beseitigen.
Unter diesen Gesichtspunkten ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik bereitzustellen, die im Stande ist, die Lebensdauer bzw. Haltbarkeit eines Werkzeugs zu vergrößern und den Reibwiderstand zu erniedrigen in einem Gleitelement, einer Metallform und dergleichen, auch in einem Fall, in dem eine α-Aluminiumoxidschicht auf einem derartigen Element ausgebildet ist, und diese Technik in effizienter Weise zu realisieren.
Ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Mit „Aluminiumoxid mit einer Kristallstruktur vom α-Typ” (auch bezeichnet als „α-Aluminiumoxid”) ist gemeint ein Aluminiumoxid, hauptsächlich zusammengesetzt aus einer α-Kristallstruktur (hexagonale Struktur), und die α-Typ-Kristallstruktur in der Aluminiumoxidschicht beträgt 70% oder mehr, vorzugsweise 90% oder mehr, und weiter bevorzugt 100%, weil eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit ausgeübt werden kann.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements kann die Glattheit der Oberfläche der α-Aluminiumoxidschicht in effizienter Weise erhöht werden, um die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern. Im Falle des Gleitelements, der Metallform und dergleichen kann der Reibwiderstand verringert werden.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, haben die Erfinder Untersuchungen durchgeführt, und die Oberflächeneigenschaft und die Bearbeitbarkeit von Aluminiumoxidfilmen, erzeugt in beanspruchenden Umgebungen, bewertet. Als Ergebnis konnte bestätigt werden, dass sogar ein α-Aluminiumoxidfilm, ausgezeichnet in Wärmebeständigkeit oder Oxidationsbeständigkeit, eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit durch Adhäsion eines Bearbeitungsmaterials oder dergleichen in einer bestimmten Bearbeitungsumgebung verursacht, wobei die Bearbeitbarkeit verbessert werden kann durch Glätten der Oberfläche des Aluminiumoxidfilms, und die Oberfläche des Aluminiumoxidfilms kann in effizienter Weise geglättet werden durch die Ionenbombardement-Behandlung, und die vorliegende Erfindung wurde getätigt.
Genauer gesagt besitzt der α-Aluminiumoxidfilm die Eigenschaft, dass Körner in großem Maße in säulenförmiger Gestalt von der Umgebung eines Grundmaterials oder einer unteren Schicht zu einer Aluminiumoxid-Oberflächenschicht im Abscheidungsprozess wachsen, und eine Anzahl von erhöhten bergförmigen Unregelmäßigkeiten werden auf der Filmoberfläche erzeugt, um die Oberflächenrauigkeit zu erhöhen. Elektronenmikroskopaufnahmen des α-Aluminiumoxidfilms, erzeugt auf einem TiAlN-Film, sind in 1 und 2 gezeigt. 1 ist eine TEM-Aufnahme (Transmissions-Elektronenmikroskop) eines Abschnittes davon, und 2 ist eine REM-Aufnahme (Rasterelektronenmikroskop) einer Oberfläche davon. Im Fall eines Aluminiumoxidfilms mit einer α-Typ-Kristallstruktur, wie ersichtlich aus der TEM-Aufnahme von 1, sind Körner in großem Maße in einer säulenförmigen Gestalt von der Nachbarschaft des Betts (ein Grundmaterial oder ein Film, erzeugt auf dem Grundmaterial: TiAlN-Film im Beispiel dieser Zeichnung) zur Aluminiumoxidoberflächenschicht im Abscheidungsprozess gewachsen, mit einer Korngröße von mehreren 100 nm zu mehreren μm, nahe der Filmoberflächenschicht. Daher, wie in 2 gezeigt, wird eine Anzahl von erhöhten bergförmigen Unregelmäßigkeiten auf der Filmoberfläche beobachtet. Die Oberflächenrauigkeit des α-Aluminiumoxidfilms neigte dazu, anzusteigen (rau), während die Körner des Aluminiumoxids mit amorpher Struktur oder γ-Kristallstruktur klein sind. Des Weiteren, verglichen mit einem TiN-Film oder TiAlN-Film, der häufig verwendet wird als wärmebeständiger und verschleißfester Film, ähnlich dem α-Aluminiumoxidfilm, neigte die Oberflächenrauigkeit des α-Aluminiumoxidfilms auch dazu, anzusteigen (rau). Diese hohe Oberflächenrauigkeit war geneigt, die Adhäsion des Bearbeitungsmaterials am Werkzeug im Schneidwerkzeug mit dem darauf gebildeten α-Aluminiumoxidfilm zu verursachen, was zu einem Verkürzen der Lebensdauer des Werkzeugs führt, und dem Anstieg des Reibwiderstandes im Gleitelement oder der Metallform mit dem darauf gebildeten α-Aluminiumoxidfilm.
In der vorliegenden Erfindung wurde daher die Oberfläche des α-Aluminiumoxidfilms (Aluminiumoxidschicht mit einer α-Typ-Kristallstruktur) einer Ionenbombardement-Behandlung unterzogen. Demzufolge werden Überstände bzw. Vorsprünge (in scharfer Weise herausragende Teile von α-Körnern) auf der α-Aluminiumoxidfilmoberfläche durch die Ionenkollision geschürft, und die Oberfläche kann in effizienter Weise geglättet werden. 3 ist eine REM-Aufnahme eines α-Aluminiumoxidfilms nach Unterziehen einer Ionenbombardement-Behandlung. Wie in 3 gezeigt, werden die scharf zugespitzten Teile großer Körner des α-Aluminiumoxids abgerundet, und die Gestalt der Körner wird auch gebrochen und abgeflacht. Durch Glätten der Oberfläche auf diese Weise kann im Falle eines Werkzeugs die Adhäsion von Bearbeitungsmaterial am Werkzeug vermieden werden, um die Lebensdauer des Werkzeugs zu verbessern. Des Weiteren kann auch die Verringerung der Genauigkeit beim Bearbeiten, die Limitierung von bearbeitbarem Bearbeitungsmaterial und dergleichen, was aus der Adhäsion resultierte, bewältigt werden. Der Reibwiderstand kann im Falle des Gleitelements oder der Metallform verringert werden.
Das Gas-Ion für die Ionenbombardement-Behandlung kann erhalten werden durch Erzeugen von Gasplasma, beispielsweise durch Durchführen einer Entladung in einer Vakuumkammer, in die Gas eingeführt wird (A. glühelektrische Elektronenemission aus einem Glühdraht durch Erwärmen eines glühelektrisch Elektronen emittierenden Glühdrahts durch Übertragen von Strom und weiterem Anlegen einer Spannung zwischen dem Glühdraht und der Kammer; B. Glühentladung oder Bogenentladung durch Anlegen einer Spannung zwischen Elektroden; oder dergleichen).
Als Gas werden Edelgase (z. B. He, Ne, Ar, Kr, Xe, usw.) verwendet. Die Edelgase sind darin ausgezeichnet, dass keine Möglichkeit des Angreifens bzw. Korrodierens des Grundmaterials, des Films, der Vorrichtung und dergleichen existiert, oder des Reagierens mit dem Grundmaterial, um neue Verbindungen zu bilden. Ein bevorzugtes Edelgas ist Ar. Ar ist billig und ermöglicht eine effiziente Ionenbombardement-Behandlung.
Die Bedingung der Ionenerzeugung (Verfahren) ist nicht auf das oben erwähnte Verfahren eingeschränkt, solange ein Ion eines Edelgases, das die α-Aluminiumoxidschicht ausreichend schürft, erhalten werden kann, und kann in geeigneter Weise bestimmt werden gemäß dem Gasdruck in der Kammer oder der Kollisionsbedingung des Ions mit dem Grundmaterial. Ein spezielles Beispiel ist das folgende. Wenn ein Edelgasion, beispielsweise ein Ar-Ion, erzeugt wird durch Verwendung glühelektrischer Elektronenemission, wird bevorzugt, den zwischen dem glühelektrisch Elektronen emittierenden Glühdraht und der Kammer übertragenen Strom festzulegen auf 1 A oder mehr, vorzugsweise auf 5 A oder mehr, und weiter bevorzugt auf 7 A oder mehr. Das Edelgasplasma kann in einer höheren Dichte erzeugt werden, wenn der Strom größer ist. Allerdings führt ein übermäßig hoher Strom zu einer übermäßig erhöhten Plasmadichte, was zu einem Lichtbogenüberschlag auf das Grundmaterial führt und das lokale Ätzen herausragender bzw. hervorstehender Teile des Grundmaterials erleichtert. Daher wird auf dem Gebiet des Werkzeugs die Schneidkante in einfacherer Weise abgerundet. Des Weiteren ist die Temperatur des Grundmaterials dazu geneigt, anzusteigen, was die thermische Deformation des Grundmaterials erleichtert. Es wird bevorzugt, den Strom auf 50 A oder geringer, vorzugsweise auf 30 A oder geringer, und weiter bevorzugt auf 20 A oder weniger festzulegen. Es wird bevorzugt, den Druck des Edelgases auf etwa 10 Pa oder weniger, vorzugsweise auf etwa 7 Pa oder weniger, und weiter bevorzugt auf etwa 5 Pa oder weniger festzulegen. Wenn allerdings die Menge des Edelgases, das in die Kammer eingeführt wird, verringert wird, um den Druck übermäßig zu verringern, wird es schwierig, das Plasma zu erzeugen (oder eine Erhöhung der Strommenge, die zum Glühdraht transportiert wird, ist erforderlich, weil es schwierig ist, ein Plasma hoher Dichte zu erhalten), was zu erhöhten Kosten führt. Daher wird bevorzugt, den Druck des Edelgases, das in die Kammer eingeführt wird, festzulegen auf 0,1 Pa oder mehr, vorzugsweise auf 0,5 Pa oder mehr und weiter bevorzugt auf 1 Pa oder mehr. Es wird bevorzugt, das erzeugte Ion in effizienter Weise mit der α-Aluminiumoxidschicht (Grundmaterial) kollidieren zu lassen. Das Ion kann in effizienter Weise in das Grundmaterial (α-Aluminiumoxidfilmoberfläche) gezogen werden, beispielsweise durch Anlegen einer Vorspannung (negative Vorspannung, Puls-Vorspannung mit umgekehrten Polaritäten, oder dergleichen), und ein Bombardement-Effekt kann verbessert werden.
Die Vorspannung wird vorzugsweise festgelegt auf einen negativen Wert, beispielsweise 100 V oder mehr, vorzugsweise 200 V oder mehr, und weiter bevorzugt 250 V oder mehr bezogen auf den Absolutwert. Je größer die Vorspannung ist, desto mehr kann der Bombardement-Effekt verbessert werden. Allerdings, wenn die Vorspannung übermäßig hoch ist, verursacht eine übermäßig erhöhte Energie des Ions, das in das Grundmaterial (α-Aluminiumoxidoberflächenschicht) eintritt, in einfacher Weise den Lichtbogenüberschlag oder das lokale Ätzen, wie obenstehend beschrieben, was dann Probleme verursachen kann wie das Abrunden der Werkzeug-Schneidkante oder eine übermäßig erhöhte Temperatur des Grundmaterials. Demgemäß wird bevorzugt, die Vorspannung festzulegen auf vorzugsweise einen negativen Wert, beispielsweise 1000 V oder weniger, vorzugsweise 700 V oder weniger, und weiter bevorzugt 500 V oder weniger, bezogen auf den Absolutwert.
Wenn eine Puls-Vorspannung an das Grundmaterial angelegt wird, wird die Frequenz beispielsweise festgelegt auf 10 kHz oder mehr, vorzugsweise auf 15 kHz oder mehr, und weiter bevorzugt auf 20 kHz oder mehr. Eine übermäßig geringe Frequenz neigt dazu, Lichtbogenüberschlag zu verursachen. Die Obergrenze der Frequenz ist nicht besonders eingeschränkt. Weil allerdings die Kosten der Energiezuführung im Allgemeinen ansteigen, wenn die Frequenz erhöht wird, wird die Frequenz auf etwa 500 kHz oder weniger festgelegt (z. B. etwa 300 kHz oder weniger).
Die Dauer der Ionenbombardement-Behandlung kann in geeigneter Weise festgelegt werden gemäß den oben erwähnten Bedingungen (der Gasdruck in der Kammer, die Bedingung der Ionenerzeugung, der Bedingung der Ionenkollision und dergleichen). Sie wird häufig festgelegt auf 5 Minuten oder mehr, und 1 Stunde oder weniger.
Das Element, das der Ionenbombardement-Behandlung unterzogen werden soll, beinhaltet eine α-Aluminiumoxidschicht, erzeugt auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Grundmaterials, und ein bekanntes Verfahren wie das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) oder die chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) kann zur Bildung dessen angewandt werden. Insbesondere kann die thermische Deformierung des Grundmaterials in einfacher Weise verhindert werden durch Verwenden des PVD-Verfahrens (insbesondere reaktives Sputtern bzw. Kathodenzerstäuben, z. B. reaktives Sputtern bzw. Kathodenzerstäuben unter Verwendung einer Magnetron-Zerstäubungskathode wie einer unbalancierten Magnetron(UBM)Sputter-Kathode). Gemäß dem PVD-Verfahren kann die Erzeugung einer α-Aluminiumoxidschicht und die Ionenbombardement-Behandlung durchgeführt werden in der gleichen Vorrichtung, und der Herstellungsprozess des mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements kann vereinfacht werden. Die in der Ionenbombardement-Behandlung verwendete Vorrichtung hat technische Einzelheiten, die der der Vorrichtung, verwendet im PVD-Verfahren, relativ ähnlich sind. Daher, wenn die Erzeugung einer α-Aluminiumoxidschicht durch das PVD-Verfahren durchgeführt wird, kann die Ionenbombardement-Behandlung in der gleichen Vorrichtung für die Erzeugung der α-Aluminiumoxidschicht durchgeführt werden, ohne Erfordern einer großen Veränderung der technischen Einzelheiten.
Die Aluminiumoxidschicht kann in direkter Weise auf dem Grundmaterial erzeugt werden, aber sie wird vorzugsweise laminiert bzw. schichtweise aufgebracht auf einer weiteren Schicht (eine untere Schicht: insbesondere ein harter Film), erzeugt auf dem Grundmaterial. Wenn der harte Film zwischen der α-Aluminiumoxidschicht und dem Grundmaterial erzeugt wird, kann die Verschleißfestigkeit des resultierenden mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements verbessert werden.
Beispiele des harten Films beinhalten eine Schicht einer Verbindung, zusammengesetzt aus einem oder mehr Elementen, gewählt aus Elementen der Gruppen IVa, Va und VIa, Al, Si, Fe, Cu, Y und dergleichen, und einem oder mehr Elementen, gewählt aus C, N, B, O und dergleichen, und ein Schichtstoff bzw. Schichtverbund davon. Bevorzugte Beispiele der Schicht einer Verbindung schließen ein einen Cr-basierenden harten Film (CrN usw.), einen Ti-basierenden harten Film (TiN, TiCN, TiAlN, TiSiN, usw.) und einen TiCr-basierenden harten Film (TiAlCrN usw.). Darunter wird der Ti-basierende harte Film, insbesondere TiAlN, bevorzugt. Der harte Film kann erzeugt werden durch Anwenden eines bekannten Verfahrens wie dem PVD-Verfahren oder CVD-Verfahren. Das PVD-Verfahren (insbesondere reaktives Sputtern bzw. Kathodenzerstäuben, Lichtbogenionenplattieren, usw.) wird vorzugsweise zur Erzeugung verwendet, angesichts der Gesichtspunkte, wie dass die thermische Deformierung des Grundmaterials in einfacher Weise vermieden werden kann, und die gleiche Vorrichtung verwendet werden kann.
Das Grundmaterial kann in geeigneter Weise gewählt werden gemäß der Verwendung des resultierenden, mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements. Insbesondere Hartmetall, Cermet, Schnellarbeitsstahl und dergleichen kann in geeigneter Weise angewandt werden im Fall des Erhaltens eines Schneidwerkzeugs.
Die Oberfläche des Grundmaterials und die Oberfläche der unteren Schicht können einer chemischen Behandlung (z. B. Oxidationsbehandlung, nitrierende Behandlung oder Karburierungs-Behandlung) vor der Schichtbildung auf der α-Aluminiumoxidschicht unterzogen werden, um eine reaktive Schicht zu erzeugen. Des Weiteren kann eine die Rauigkeit verändernde Behandlung (eine glättende Behandlung wie Polieren, oder eine die Oberfläche aufrauende Behandlung wie die Erzeugung von Defekten oder Ionenbombardement) simultan durchgeführt werden, mit, oder separat von, der chemischen Behandlung. Diese chemische Behandlung und die die Rauigkeit verändernde Behandlung brauchen nicht durchgeführt zu werden.
Eine Schicht, zusammengesetzt aus einem Material mit der gleichen Kristallstruktur wie α-Aluminiumoxid, wird vorzugsweise auf der Oberfläche erzeugt, die der Schichtbildung der α-Aluminiumoxidschicht unterzogen wird (genauer gesagt zwischen der α-Aluminiumoxidschicht und der Oberfläche des Grundmaterials, oder zwischen der α-Aluminiumoxidschicht und der Oberfläche der unteren Schicht, im Falle des Erzeugens der unteren Schicht), vor der Schichtbildung bei der α-Aluminiumoxidschicht. Demgemäß kann die Adhäsion der Oberfläche, die der Schichtbildung mit der α-Aluminiumoxidschicht unterzogen wird (das Grundmaterial, die untere Schicht, usw.), vergrößert werden. Zusätzlich zu αAl₂O₃ werden Oxide wie αCr₂O₃ und αFe₂O₃ bevorzugt, weil sie die gleiche Korund-Struktur wie αAl₂O₃ besitzen. Dieses αCr₂O₃ und αAl₂O₃ kann beispielsweise erzeugt werden auf einer Oberfläche von CrN oder TiAlN durch Oxidieren der Oberfläche.
In der vorliegenden Erfindung kann ein weiterer Film (z. B. der oben erwähnte harte Film) weiter laminiert bzw. schichtweise gebildet werden als eine obere Schicht des α-Aluminiumoxidfilms. Weil die Oberfläche der α-Aluminiumoxidschicht in der vorliegenden Erfindung geglättet wird, kann die Oberfläche des harten Films, auch wenn auf der α-Aluminiumoxidschicht geschichtet bzw. laminiert, geglättet werden, und die Wirkung der vorliegenden Erfindung wird beibehalten.
In der vorliegenden Erfindung werden die α-Aluminiumoxidschicht, die obere Schicht und die untere Schicht nicht notwendigerweise über der gesamten Oberfläche des Grundmaterials erzeugt, sondern mindestens in einem Teil erzeugt, der die Vergrößerung der Verschleißfestigkeit oder die Verringerung des Reibwiderstandes erfordert. Die Dicke der α-Aluminiumoxidschicht, der oberen Schicht und der unteren Schicht kann in geeigneter Weise gewählt werden gemäß der Verwendung des mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements. Insbesondere wenn die Dicke der α-Aluminiumoxidschicht übermäßig gering ist, wird ein ausreichender Effekt nicht unbedingt erhalten, und es wird somit bevorzugt, die Dicke festzulegen auf 0,1 μm oder mehr, vorzugsweise auf 0,5 μm oder mehr und weiter bevorzugt auf 1 μm oder mehr. Die Form des mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements ist nicht besonders eingeschränkt, und kann in geeigneter Weise gemäß der Verwendung gewählt werden.
Das mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildete Element, erhalten durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, kann in geeigneter Weise verwendet werden als Schneidwerkzeug wie eine Schneidplatte, ein Bohrer oder ein Schachtfräser, für die Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit erforderlich sind, und als Element wie einem Gleitteil oder einer Metallform, verwendet in Kraftfahrzeugen, für die ein geringer Reibwiderstand erforderlich ist.
1 ist eine TEM-Aufnahme von Al₂O₃, erzeugt auf einem TiAlN-Film, wobei Körner in großem Maße in säulenförmiger Gestalt gewachsen sind;
2 ist eine REM-Aufnahme eines Oberflächenzustandes eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements, erhalten im Vergleichsbeispiel;
3 ist eine REM-Aufnahme des Oberflächenzustandes eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements, erhalten im Beispiel; und
4 ist eine schematische Ansicht eines Vakuumabscheidungssystems, das ein Beispiel einer Vorrichtung für das Durchführen eines Oberflächenbehandlungsverfahrens ist.
5 ist eine REM-Aufnahme eines Oberflächenzustandes eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements, erhalten in einem weiteren Beispiel.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, und kann mit geeigneter Modifizierung innerhalb des Umfangs der Erfindung, obenstehend und nachstehend beschrieben, ausgeführt werden, und derartige Modifizierungen sind innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
In den folgenden Ausführungsformen wurde ein Vakuumabscheidungssystem, gezeigt in 4, verwendet. Dieses Vakuumabscheidungssystem, das den Handelsnamen „AIP-S40 hybrid coater” trägt, kommerziell erhältlich bei Kobe Steel, Ltd., ist ein Beispiel der oben erwähnten „gleichen Vorrichtung”, welche umfasst eine Einrichtung für die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) [in diesem gezeigten Beispiel eine Lichtbogen-ionenplattierende(AIP)Verdampfungsquelle für das Erzeugen des harten Films und eine Sputter-Verdampfungsquelle für das Erzeugen des α-Aluminiumoxidfilms], und eine Ionenerzeugungseinrichtung und eine Ionenkollisionseinrichtung für das Durchführen der Ionenbombardement-Behandlung. Weiter im Besonderen umfasst dieses System eine Bogen-ionenplattierende Kathode (AIP-Kathode) 7 als AIP-Verdampfungsquelle, eine Sputter-Kathode [Magnetron-Sputter-Kathode (UBM-Kathode)] 6 als Sputter-Verdampfungsquelle, einen glühelektrisch Elektronen emittierenden Glühdraht 9 als die Ionenerzeugungseinrichtung, und eine Spannungsenergiequelle 8 als die Ionenkollisionseinrichtung. In der Zeichnung bezeichnet 1 eine Kammer, 2 ist ein Grundmaterial, 3 und 4 sind ein Grundmaterial-rotierender Mechanismus (ein sich drehender Tisch 3 und ein sich planetarisch drehendes Gestell 4) im Paar, und 5 ist eine erwärmende Einrichtung (Heizvorrichtung).
Die Kammer 1 dieses Systems ist so angepasst, dass sie im Stande ist, einen Vakuumzustand aufzubauen und beizubehalten, und beinhaltet die Heizvorrichtung 5, die im Stande ist, die Innentemperatur der Kammer 1 zu regeln, und den sich drehenden Tisch 3, der im Stande ist, mehrere planetarische Gestelle 4 darauf anzuordnen. Durch Betätigen dieses Systems kann der Drehtisch 3, befestigt mit mehreren planetarischen Gestellen 4, gleichzeitig mit der Rotation der planetarischen Gestelle 4 selbst (die Rotation um deren eigene Achse) gedreht (rotiert) werden. Des Weiteren ist ein Drehelement 10 mit einem ein Werkzeug drehenden Gestell an dem planetarischen rotierenden Gestell 4 befestigt.
In Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden eine Wendeschneidplatte aus Hartmetall-Grundmaterial (Referenz-Code: SNMN 120408), geerdet zur Seite des Spiegels (RA = etwa 0,02 μm), verwendet für die Filmbewertung wie Filmdicke, Kristallinität und Oberflächeneigenschaft, und eine Wendeschneidplatte mit einem Hartmetall-Grundmaterial (Referenz-Code: SNGA 120408) für den Schneidtest als Grundmaterialien des mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements verwendet.
[Herstellung des harten Films]
Unter Verwendung des Systems von 4 wurde ein harter Film aus TiAlN mit einer Dicke von 2–3 μm auf jedem dieser Grundmaterialien erzeugt durch das PVD-Verfahren (Lichtbogenionenplattieren in diesem Beispiel). Das heißt, SNMN 120408 wurde angebracht an dem sich planetarisch drehenden Gestell 4 (2 in der Zeichnung), SNGA 120408 wurde angebracht an dem Drehelement 10 (11 in der Zeichnung), Stickstoff wurde in die Vakuumkammer bei etwa 4 Pa eingeführt, eine Spannung wurde angelegt zwischen der Kathode 7, befestigt mit einem Target einer TiAl-Legierung, und der Kammer 1 innerhalb der Kammer 1, um den Metallionendampf durch Bogenentladung zu erzeugen, und eine Vorspannung wurde durch die Spannungsenergiequelle 8 angelegt, um einen harten Film aus Ti_0,55Al_0,45N (Atomverhältnis) auf den Grundmaterialien zu erzeugen.
[Reinigende Behandlung der Oberfläche des harten Films]
Die Kammer 1 wurde einmal bis zum Vakuum evakuiert, und die Temperatur des Grundmaterials 2 wurde durch die Verwendung der Heizvorrichtung 5 auf 550°C angehoben. Ar-Gas wurde eingeführt in die Kammer 1 bei einem Druck von 1,33 Pa, und Entladung von 4 A wurde erzeugt zwischen dem glühelektrisch Elektronen emittierenden Glühdraht 9 und der Kammer, um Ar-Plasma zu erzeugen. Unter Beibehalten der Erzeugung des Ar-Plasmas wurde eine Gleichspannung, gepulst bei einer Frequenz von 30 kHz, angelegt für 18 min insgesamt, oder für 2 min bei –300 V, –350 V, –400 V und –450 V und für 10 min bei –500 V, wodurch die Ionenbombardement-Behandlung durchgeführt wurde.
[Oxidierende Behandlung]
Das Grundmaterial 2 wurde auf 750°C durch die Heizvorrichtung 5 erwärmt. Sauerstoffgas wurde eingeführt in das System bei einer Fließgeschwindigkeit von 300 ml pro Minute bis zu einem Druck von etwa 0,75 Pa, um die Oberfläche des Grundmaterials 2 zu oxidieren.
[Erzeugung einer α-Aluminiumoxidschicht]
Die Kammer 1 wurde danach einer gemischten Gasatmosphäre von Ar und Sauerstoff ausgesetzt. Eine durchschnittliche Leistung von 5 kW wurde insgesamt angelegt an zwei Sputter-Kathoden 6, angebracht an Aluminium-Targets, um Puls-Gleichspannungs-Sputtern durchzuführen, und die Erzeugung von α-Aluminiumoxid wurde durchgeführt in einer erwärmenden Bedingung, die im Wesentlichen gleich der Oxidationsbehandlungs-Temperatur ist, um mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildete Elemente herzustellen. Die Vorspannung zu diesem Zeitpunkt betrug –300 V, 30 kHz Puls-Gleichspannung. Zur Zeit der Aluminiumoxid-Erzeugung wurde die Temperatur des Substrats leicht angehoben durch den Einfluss der Wärmezuführung in Folge der Abscheidung. Bei der Aluminiumoxid-Erzeugung wurde der Entladungszustand beibehalten in einem sog. Übergangs-Modus bzw. Transition-Modus durch Verwendung einer Entladespannungsregelung und Plasmaemissionsspektrometrie.
[Ionenbombardement-Behandlung]
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde der Arbeitsvorgang nicht weiter als wie obenstehend beschrieben durchgeführt, während im Beispiel 1 Ar-Gas weiter zur Kammer 1 zugeführt wurde bei einem Druck von 2,66 Pa, und eine Entladung von 10 A wurde zwischen dem glühelektrisch emittierenden Glühdraht 9 und der Kammer 1 erzeugt, um Ar-Plasma zu erzeugen. Unter Bestrahlen des mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements 2 mit dem Ar-Plasma wurde eine Gleichspannung, gepulst bei einer Frequenz von 30 kHz, angelegt für 15 min insgesamt, oder für 5 min bei –300 V und für 10 min bei –400 V, wodurch die Ionenbombardement-Behandlung durchgeführt wurde. Im Beispiel 2 wurde bei ähnlicher Bestrahlung des mit der α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements 2 mit dem Ar-Plasma eine Gleichspannung, gepulst bei einer Frequenz von 30 kH, angelegt für 38 min insgesamt, oder für 2 min bei –200 V, –250 V, –300 V und –350 V und für 30 min bei –400 V, wodurch die Ionenbombardement-Behandlung durchgeführt wurde und die α-Aluminiumoxid-Filmoberfläche abgeflacht wurde.
Die Aluminiumoxidfilme, erhalten in den Beispielen 1 und 2 und im Vergleichsbeispiel 1, wurden einer Dünnfilm-Röntgenbeugungsanalyse (Dünnfilm-XRD-Analyse) unter Verwendung von CuKα-Strahlung unterzogen, um die jeweiligen Kristallstrukturen zu bestimmen aus den Höhen der Beugungspeaks der α- und γ-Kristallstrukturen bei einem Röntgen-Einfallswinkel von 1°. Die Oberflächeneigenschaften wurden basierend auf den REM-Aufnahmen untersucht. Für die Bearbeitbarkeit wurde ein kontinuierlicher Schneidtest durchgeführt, unter der folgenden Bedingung durch Verwendung einer SNGA 120408 Hartmetall-Platte mit dem beschichteten Aluminiumoxidfilm.
Bearbeitungsmaterial: FCD 400
Schneidgeschwindigkeit: 200 m/min
Zuführung: 0,2 mm/rpm
Tiefe des Schnitts: 3,0 mm
Bedingung: Trocken

Das Ergebnis der Bewertung ist in Tabelle 1 gezeigt, und REM-Aufnahmen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 sind jeweils in 3 und 2 gezeigt. Eine REM-Aufnahme in Beispiel 2 ist in 5 gezeigt.

	TiAlN Grundmaterial Behandlung	α-Aluminiumoxidschicht	Ionenbombardement-Behandlung nach Erzeugung der Aluminiumoxidschicht	Kristallstruktur	REM-Bild	Schneidtest (Tiefe des Muldenabriebs nach 4 Minuten Schneiden)
Vgl. bsp 1	2,1 μm	1,7 μm	nein	Hauptsächlich α + wenig γ	Fig. 2	17,2 μm
Bsp. 1	2,1 μm	1,7 μm	ja	Hauptsächlich α + wenig γ	Fig. 3	9,65 μm
Bsp. 2	2,4 μm	1,7 μm	ja	Hauptsächlich α + wenig γ	Fig. 5	-

Gemäß dem Ergebnis von Tabelle 1 waren sowohl die Aluminiumoxidfilme in dem Vergleichsbeispiel 1 und den Beispielen 1, 2 hauptsächlich zusammengesetzt aus einer α-Typ-Kristallstruktur. Allerdings waren im Vergleichsbeispiel 1 ohne die Ionenbombardement-Behandlung, wie in 2 gezeigt, scharf zugespitzte bergförmige Körner aus α-Aluminiumoxid von mehreren 100 nm bis mehreren μm deutlich zu beobachten. Im Beispiel 1 mit der Ionenbombardement-Behandlung, wie in 3 gezeigt, war zu beobachten, dass scharf zugespitzte Teile von großen Körnern aus α-Aluminiumoxid abgerundet waren, mit gebrochener bzw. unterbrochener Gestalt der Körner, und die Oberfläche war relativ geglättet, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1.
Im Beispiel 1 war die Tiefe des Muldenabriebs im Schneidtest gering, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1, und die Lebensdauer des Werkzeugs wurde vergrößert. Im Beispiel 2, wie ersichtlich aus der REM-Aufnahme von 5, ist die Gestalt der Körner gebrochen bzw. unterbrochen, um sie feiner und flacher zu machen verglichen mit Beispiel 1.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements, das eine Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ, erzeugt auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Grundmaterials, enthält, umfassend: einen Prozess des Erzeugens der Aluminiumoxidschicht mit einer Kristallstruktur vom α-Typ auf mindestens dem Teil der Oberfläche des Grundmaterials; und einen Prozess des Durchführens einer Ionenbombardement-Behandlung der Oberfläche der erzeugten Aluminiumoxidschicht, wobei die Ionenbombardement-Behandlung durch Verwendung eines Ions eines Edelgases im Plasma durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 1, wobei das Edelgas Ar ist.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung der Aluminiumoxidschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 3, wobei der Prozess des Erzeugens der Aluminiumoxidschicht und der Prozess des Durchführens der Ionenbombardement-Behandlung innerhalb der gleichen Vorrichtung durchgeführt werden.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Prozess des Erzeugens eines harten Films auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Grundmaterials als Vorprozess des Prozesses für das Erzeugen der Aluminiumoxidschicht, um den harten Film als eine untere Schicht der Aluminiumoxidschicht zu erzeugen.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 5, wobei der harte Film aus TiAlN zusammengesetzt ist.
Verfahren zum Herstellen eines mit einer α-Aluminiumoxidschicht ausgebildeten Elements nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumoxidschicht so erzeugt ist, dass die Dicke der Aluminiumoxidschicht 0,1 μm oder mehr beträgt.