DE102021105903A1

DE102021105903A1 - Beschichteter körper und verfahren zur beschichtung

Info

Publication number: DE102021105903A1
Application number: DE102021105903.8A
Authority: DE
Inventors: Joern Kohlscheen; Debangshu Banerjee
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2021-09-16
Also published as: CN113388810A; US20210285109A1

Abstract

Ein beschichteter Körper weist ein Substrat und eine Beschichtung auf, die durch physikalische Gasphasenabscheidung auf das Substrat aufgebracht wird. Die Beschichtung beinhaltet eine an das Substrat angrenzende Hauptschicht und eine an die Hauptschicht angrenzende Mehrlagenschicht. Die Hauptschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest Al und Ti. Die Mehrlagenschicht beinhaltet alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht und einer Nitridschicht. Die Oxid- oder Oxynitridschicht beinhaltet ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Die Nitridschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Eine metallische Zwischenschicht befindet sich zwischen der Hauptschicht und der Mehrlagenschicht oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht und der Nitridschicht der Mehrlagenschicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen beschichteten Körper, insbesondere ein Schneidwerkzeug, beinhaltend ein Substrat und eine Beschichtung auf dem Substrat sowie ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats.
HINTERGRUND
Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen, wie Stahl und Gusseisen, bestehen in der Regel aus einem Hauptkörper und einer auf dem Hauptkörper aufgebrachten Beschichtung. Die Beschichtung dient dazu, die Schneidplatte härter und/oder verschleißfester zu machen und die Schneideigenschaften zu verbessern. Die Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten aus Hartmaterialien wie Titannitrid, Titancarbid, Titankohlenstoffnitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid beinhalten. Bei der Abscheidung von Titannitrid und Titanaluminiumnitrid werden in der Regel Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vabor Deposition, PVD) eingesetzt. Obwohl sie den Verschleiß wirksam verhindern und die Werkzeuglebensdauer bei einer Vielzahl von Anwendungen verlängern, haben Beschichtungen, die auf Ein- oder Mehrschichtaufbauten der vorgenannten Materialien basieren, zunehmend ihre Leistungsgrenzen erreicht, was die Entwicklung neuer Beschichtungsarchitekturen für Schneidwerkzeuge erforderlich macht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen weiterer Beschichtungen für Schneidwerkzeuge mit verbesserter Leistung und erhöhter Lebensdauer zum Schneiden verschiedener Metalle und Metalllegierungen.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform weist ein beschichteter Körper ein Substrat und eine Beschichtung auf, die durch physikalische Gasphasenabscheidung auf das Substrat aufgebracht wird. Die Beschichtung beinhaltet eine an das Substrat angrenzende Hauptschicht und eine an die Hauptschicht angrenzende Mehrlagenschicht. Die Hauptschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest Al und Ti. Die Mehrlagenschicht beinhaltet alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht und einer Nitridschicht. Die Oxid- oder Oxynitridschicht beinhaltet ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Die Nitridschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Eine metallische Zwischenschicht befindet sich zwischen der Hauptschicht und der Mehrlagenschicht oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht und der Nitridschicht der Mehrlagenschicht.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats die Abscheidung einer Hauptschicht auf dem Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung unter einem Stickstoffgasstrom und die Abscheidung einer Mehrlagenschicht auf der Hauptschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung im Wechsel zwischen einem Stickstoffgasstrom und einem Sauerstoff- oder Sauerstoff- und Stickstoffgasstrom. Die Hauptschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest Al und Ti. Die Mehrlagenschicht beinhaltet alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht und einer Nitridschicht. Die Oxid- oder Oxynitridschicht beinhaltet ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Die Nitridschicht beinhaltet ein Nitrid aus zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. Während zumindest eines der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht und des Abscheidens der Mehrlagenschicht wird der zumindest eine der Gasströme für eine Verweilzeit reduziert, während die physikalische Gasphasenabscheidung zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht zwischen der Hauptschicht und der Mehrlagenschicht oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht und der Nitridschicht der Mehrlagenschicht fortgesetzt wird.
Weitere Ausführungsformen des offenbarten beschichteten Körpers und des Verfahrens zur Beschichtung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaft beschichteten Körpers gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
2 ist eine repräsentative Ansicht eines Querschnitts einer Beschichtung eines beschichteten Körpers gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
3 ist eine Mikrofotografie eines beschichteten Körpers, der gemäß eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden Beschreibung hergestellt wurde.
4 ist eine Mikrofotografie eines beschichteten Körpers, der gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel der vorliegenden Beschreibung hergestellt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen können unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Beispiele und deren vorhergehenden und folgenden Beschreibungen leichter verstanden werden. Die vorliegende Beschreibung ist jedoch nicht auf die in der detaillierten Beschreibung und den Beispielen dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Beschreibung veranschaulichen.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung beinhaltet ein beschichteter Körper ein Substrat und eine auf das Substrat aufgebrachte Beschichtung.
Der beschichtete Körper kann eine beliebige Form aufweisen, die nicht im Widerspruch zu den Zielen der vorliegenden Beschreibung steht. In einem Aspekt kann der beschichtete Körper die Form eines Schneidwerkzeugs aufweisen. Die Schneidwerkzeuge umfassen ohne Einschränkung Wendeschneidplatten, Schaftfräser, Sägeblätter oder Bohrer. Wendeschneidplatten können jede gewünschte ANSI-Standardgeometrie für Fräs- oder Drehanwendungen aufweisen. Das Substrat eines beschichteten Schneidwerkzeugs beinhaltet in der Regel eine oder mehrere Schneidkanten, die an der Verbindungsstelle einer Spanfläche und zumindest einer Flankenfläche des Substrats gebildet werden.
1 veranschaulicht einen beispielhaft beschichteten Körper 10 gemäß einem hierin beschriebenen Beispiel. Wie in 1 veranschaulicht, weist der beschichtete Körper 10 die Form einer Schneidplatte auf. Die Schneidplatte weist Schneidkanten 12 auf, die an den Übergängen zwischen der Spanfläche 14 und den Flankenflächen 16 des Substrats ausgebildet sind. Die Schneidplatte kann zudem eine Öffnung 18 zur Befestigung der Schneidplatte an einem Werkzeughalter beinhalten. Die Schneidplatte kann mehrere Geometrien und Konfigurationen aufweisen, z. B. mit oder ohne Spanbrecher, Befestigungsbohrung oder positivem oder negativem Spanwinkel.
Das Substrat des beschichteten Körpers (z. B. Schneidplatte) kann jedes Substrat beinhalten, das nicht im Widerspruch zu den Zielen der vorliegenden Beschreibung steht. Beispielhafte Substrate für den beschichteten Körper beinhalten Substrate aus Hartmetall, Carbid, polykristallinem Diamant, polykristallinem kubischem Bornitrid, Keramik, Cermet, Stahl oder einer anderen Legierung.
In einem speziellen Beispiel ist das Substrat aus Hartmetall gebildet. Ein Hartmetallsubstrat kann Wolframcarbid (WC) beinhalten. WC kann in einer beliebigen Menge vorhanden sein, die nicht im Widerspruch zu den Zielen der vorliegenden Beschreibung steht. WC kann beispielsweise in einer Menge von mindestens 70 Gewichtsprozent, in einer Menge von mindestens 80 Gewichtsprozent oder in einer Menge von mindestens 85 Gewichtsprozent vorhanden sein. Zusätzlich kann ein metallisches Bindemittel aus Hartmetall Kobalt oder Kobaltlegierung beinhalten. Kobalt kann beispielsweise in einem Hartmetallsubstrat in einer Menge von 1 Gewichtsprozent bis 15 Gewichtsprozent vorhanden sein. Bei einigen Ausführungsformen ist Kobalt in einem Hartmetallsubstrat in einer Menge im Bereich von 5 bis 12 Gewichtsprozent oder von 6 bis 10 Gewichtsprozent vorhanden. Ferner kann ein Hartmetallsubstrat eine Bindemittelanreicherungszone aufweisen, die an der Fläche des Substrats beginnt und sich davon nach innen erstreckt.
Hartmetallsubstrate können auch einen oder mehrere Zusatzstoffe beinhalten, wie beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder deren Verbindungen: Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium. Bei einigen Ausführungsformen bilden Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium mit dem WC des Substrats Mischkristallcarbide. Bei solchen Ausführungsformen kann das Substrat ein oder mehrere Mischkristallcarbide in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent beinhalten. Zusätzlich kann ein Hartmetallsubstrat Stickstoff beinhalten.
2 ist eine repräsentative Ansicht eines Querschnitts einer Beschichtung 20 eines beschichteten Körpers 10 gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Die Beschichtung 20 des beschichteten Körpers 10 beinhaltet eine an ein Substrat 21 angrenzende Hauptschicht 22 und eine an die Hauptschicht 22 angrenzende Mehrlagenschicht 23. Die Beschichtung kann eine oder mehrere zusätzliche Schichten wie beispielsweise eine über der Mehrlagenschicht 23 liegende äußerste Indikatorschicht 24 beinhalten.
Die Hauptschicht 22 beinhaltet ein Nitrid aus zumindest Al und Ti. Die Hauptschicht 22 kann ein Nitrid aus zumindest Al, Ti und zumindest einem von Zr, Hf und Cr beinhalten. Als Beispiel beinhaltet die Hauptschicht 22 zumindest eines von AlTiN und AlTiMeN, wobei Me zumindest eines von Zr, Hf und Cr ist. In einem Aspekt kann die Hauptschicht 22 eine Durchschnittsstärke zwischen 1 µm und 10 µm aufweisen. In einem anderen Aspekt kann die Hauptschicht 22 eine Durchschnittsstärke zwischen 1 µm und 5 µm aufweisen.
Die Mehrlagenschicht 23 beinhaltet zumindest eine Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und eine Nitridschicht 26. Oxide oder Oxynitride sind hart und stabil. Oxide oder Oxynitride werden jedoch in der Regel nicht als Einzelschichten für den Verschleißschutz verwendet, da sie von Natur aus spröde sind und eine geringere Haftung zum darunter liegenden Substrat aufweisen. Daher kann die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 zur Erzielung einer verbesserten Haftung auf dem darunter liegenden Substrat 21 mit dem Hauptschichtnitrid 22 kombiniert werden und für eine ausreichende Duktilität der Beschichtung 20 mit der Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 kombiniert werden.
In einem Aspekt kann die Mehrlagenschicht 23 eine Durchschnittsgesamtstärke von zwischen 0,1 µm und 5 µm aufweisen. Die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 kann zum Beispiel eine Durchschnittsstärke zwischen 0,05 µm und 2,5 µm aufweisen. Die Nitridschicht 26 kann beispielsweise eine Durchschnittsstärke zwischen 0,05 µm und 2,5 µm aufweisen.
In einem anderen Aspekt kann die Mehrlagenschicht 23 mehr als eine von jeder der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 beinhalten und zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 alternieren. Beispielsweise kann die Mehrlagenschicht 23 zwischen 1 bis 10 Iterationen, bevorzugt zwischen 3 bis 5 Iterationen, jeder der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 beinhalten, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 mit der Nitridschicht 26 alterniert. Die kombinierte Stärke einer Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und einer angrenzenden Nitridschicht 26 liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,1 µm bis 1 µm. Jede Schicht der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 kann zum Beispiel eine Durchschnittsstärke zwischen 10 nm und 950 nm aufweisen. Jede Schicht der Nitridschicht 26 kann beispielsweise eine Durchschnittsstärke zwischen 10 nm und 950 nm aufweisen.
In einem Aspekt kann die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 eine Oxidschicht sein. In einem anderen Aspekt kann die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 eine Oxynitridschicht sein. Die Mehrlagenschicht 23 kann zwischen der Oxynitridschicht und der Nitridschicht 26 alternieren. Die Oxynitridschicht kann beispielsweise einen Stickstoffanteil von weniger als 50 Atomprozent in Bezug auf den Anteil von Stickstoff und Sauerstoff in der Oxynitridschicht aufweisen. Besonders bevorzugt enthält die Oxynitridschicht 1 bis 30 Atomprozent Stickstoff, bevorzugt 2 bis 15 Atomprozent. Der Stickstoffgehalt in der Oxynitridschicht kann die Bindung der Oxynitridschicht an die Mehrlagenschicht-Nitridschicht und/oder das Hauptschichtnitrid erhöhen und damit die Verschleißfestigkeit der Beschichtung verbessern.
In einem Aspekt beinhaltet die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 der Mehrlagenschicht 23 ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr. In einem anderen Aspekt beinhaltet die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 der Mehrlagenschicht 23 ein Oxid oder Oxynitrid von Zr. Die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 der Mehrlagenschicht 23 beinhaltet beispielsweise ZrO oder ZrON.
In einem Aspekt beinhaltet die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 ein Oxid oder Oxynitrid von Al und zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. In einem anderen Aspekt beinhaltet die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 ein Oxid oder Oxynitrid von Al und Zr. Die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 der Mehrlagenschicht 23 beinhaltet beispielsweise AlZrO oder AlZrON.
In einem Aspekt beinhaltet die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 ein Nitrid aus zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. In einem anderen Aspekt beinhaltet die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 ein Nitrid von Zr. Die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 beinhaltet beispielsweise ZrN.
In einem Aspekt beinhaltet die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 ein Nitrid aus Al und zumindest einem von Zr, Hf, und Cr. In einem anderen Aspekt beinhaltet die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 ein Nitrid aus Al und Zr. Die Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 beinhaltet beispielsweise AlZrN.
Somit kann die Mehrlagenschicht 23 alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und einer Nitridschicht 26 beinhalten, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht 25 ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr beinhaltet und wobei die Nitridschicht 26 ein Nitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr beinhaltet. Die Härte der Zr-, Hf- oder Cr-haltigen Oxid- oder Oxynitridschicht 25 der Mehrlagenschicht 23 der vorliegenden Beschreibung ist im Vergleich zu einer typischen Titanoxid- oder Oxynitridschicht deutlich erhöht. Zum Beispiel ist Zirkoniumoxid härter als Titanoxid. Außerdem verfügt Zirkoniumoxid über eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die über einen weiten Bereich konstant ist, und Zirkoniumoxide wurden erfolgreich durch PVD mit Lichtbogenverdampfung von Zirkonium in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre abgeschieden. Die Zr-, Hf- oder Cr-haltigen Oxid- und Oxynitridschichten 25 der vorliegenden Beschreibung verfügen zwar über eine höhere Härte im Vergleich zu einer typischen Titanoxid- oder -oxynitridschicht, stehen aber auch vor der Herausforderung, den Übergang und die Kohäsion zwischen den Oxid- und Oxynitridschichten 25 und den angrenzenden Nitridschichten 22, 26 zu verbessern, um ein Abplatzen aufgrund der Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften, den Gitterparametern und der Oberflächenenergie zu vermeiden.
Zur Verbesserung des Übergangs und der Kohäsion zwischen den Oxid- oder Oxynitridschichten 25 und den angrenzenden Nitridschichten 22, 26 beinhaltet die Beschichtung der vorliegenden Beschreibung zudem eine oder mehrere metallische Zwischenschichten 30. Durch Anordnen der einen oder mehreren metallischen Zwischenschichten 30 zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und angrenzenden, darunter oder darüber liegenden Nitridschichten 22, 26 kann eine noch bessere Bindung der Oxid- oder Oxynitridschichten 25 und angrenzenden Nitridschichten 22, 26 erreicht werden. Dadurch kann die Verschleißfestigkeit der Beschichtung 20 weiter verbessert werden. Somit beinhaltet die Beschichtung 20 der vorliegenden Beschreibung eine metallische Zwischenschicht 30 zwischen der Hauptschicht 22 und der Mehrlagenschicht 23 oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht. In einem Aspekt ist eine erste metallische Zwischenschicht 31 zwischen der Hauptschicht 22 und der Mehrlagenschicht 23 angeordnet. In einem anderen Aspekt ist eine zweite metallische Zwischenschicht 32 zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 angeordnet. In einem weiteren Aspekt ist eine erste metallische Zwischenschicht 31 zwischen der Hauptschicht 22 und der Mehrlagenschicht 23 und eine zweite metallische Zwischenschicht 32 zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 angeordnet. Enthält die Beschichtung 20 mehr als eine der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26, die zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der Nitridschicht 26 alternieren, kann die Beschichtung eine zweite metallische Zwischenschicht 32 beinhalten, die zwischen jeder Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und Nitridschicht 26 der Mehrlagenschicht 23 angeordnet ist.
In einem Aspekt können die metallischen Zwischenschichten 30 zum Beispiel zumindest eines von Al, Zr, Hf und Cr beinhalten.
Die metallischen Zwischenschichten 30 können durch die Anwesenheit einer metallischen Bindung innerhalb der metallischen Zwischenschichten 30 definiert sein. Indem zumindest Abschnitte der metallischen Zwischenschichten 30 durch metallische Bindung beinhaltet sind, verbessern die metallischen Zwischenschichten 30 den Übergang und die Kohäsion zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 auf einer Seite der metallischen Zwischenschicht 30 und der Nitridschicht 22, 26 auf der anderen Seite der metallischen Zwischenschicht 30. Die metallische Zwischenschicht 30 kann ferner beispielsweise die Anwesenheit von Oxiden, Nitriden oder Oxynitriden beinhalten.
Die metallischen Zwischenschichten 30 können eine beliebige Stärke aufweisen, die nicht im Widerspruch zu den Zielen der vorliegenden Beschreibung steht. Die Verringerung einer Stärke der metallischen Zwischenschichten 30 kann die Kohäsion zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht 25 und der angrenzenden Nitridschicht 22, 26 verringern. Dementsprechend können die metallischen Zwischenschichten 30 in einem Beispiel eine Durchschnittsstärke von zumindest 1 nm, bevorzugt von zumindest 5 nm, aufweisen. Eine zu große Erhöhung der Stärke der metallischen Zwischenschichten 30 kann die Härte der Beschichtung 20 verringern. Dementsprechend können die metallischen Zwischenschichten 30 in einem Beispiel eine Durchschnittsstärke von höchstens 50 nm, bevorzugt von höchstens 10 nm, aufweisen.
In einem Aspekt kann die Beschichtung 20 des beschichteten Körpers 10 zusätzlich eine äußerste Indikatorschicht 24 aufweisen, die über der Mehrlagenschicht 23 liegt. Die äußerste Indikatorschicht 24 beinhaltet bevorzugt ein nicht grau gefärbtes Material. Die äußerste Indikatorschicht 24 ermöglicht es, den Verschleiß einer Schneidkante eines Schneidwerkzeugs, das mit dieser äußersten Schicht versehen wurde, mit bloßem Auge zu erkennen. Zum Beispiel kann die äußerste Indikatorschicht 24 bevorzugt zumindest eines von TiN, TiAlN, ZrN, ZrAlN, CrN, CrAlN und HfN beinhalten. In einem speziellen Beispiel beinhaltet die äußerste Indikatorschicht 24 Ti(1-x)AlxN, wobei x = 0 bis 40 Mol-% ist.
In einem Aspekt kann zur Verbesserung des Übergangs und der Kohäsion zwischen der Mehrlagenschicht 23 und der äußersten Indikatorschicht 24 eine dritte metallische Zwischenschicht 33 zwischen der Mehrlagenschicht 23 und der äußersten Indikatorschicht 24 angeordnet sein.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung beinhaltet ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats das Abscheiden einer Hauptschicht auf dem Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung unter einem Stickstoffgasstrom, wobei die Hauptschicht ein Nitrid aus zumindest Al und Ti beinhaltet, und das Abscheiden einer Mehrlagenschicht auf der Hauptschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung durch Alternieren zwischen Stickstoffgasstrom und einem Sauerstoff- oder Sauerstoff- und Stickstoffgasstrom, wobei die Mehrlagenschicht alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht und einer Nitridschicht beinhaltet, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr beinhaltet, und die Nitridschicht ein Nitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr beinhaltet. Gemäß dem Verfahren wird der zumindest eine der Gasströme während zumindest eines der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht und des Abscheidens der Mehrlagenschicht für eine Verweilzeit reduziert, während die physikalische Gasphasenabscheidung zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht zwischen der Hauptschicht und der Mehrlagenschicht oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht und der Nitridschicht der Mehrlagenschicht fortgesetzt wird. Durch Reduzieren eines Gasstroms während zumindest einem der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht und des Abscheidens der Mehrlagenschicht wird die Bildung der metallischen Zwischenschicht begünstigt.
In einem Aspekt kann der Schritt des Reduzierens der Gasströme das Anhalten des Gasstroms beinhalten. Somit kann der zumindest eine der Gasströme während zumindest einem der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht und des Abscheidens der Mehrlagenschicht für eine Verweilzeit angehalten werden, während die physikalische Gasphasenabscheidung zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht zwischen der Hauptschicht und der Mehrlagenschicht oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht und der Nitridschicht der Mehrlagenschicht fortgesetzt wird. Durch das Anhalten eines Gasstroms während zumindest einem der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht und des Abscheidens der Mehrlagenschicht wird die Förderung der Bildung der metallischen Zwischenschicht weiter vereinfacht und die metallischen Eigenschaften der metallischen Zwischenschicht werden erhöht.
In einem Aspekt kann die Verweilzeit zum Reduzieren oder Anhalten des Gasstroms in einem Bereich von 10-30 Sekunden liegen.
In einem Aspekt kann das Verfahren zur Beschichtung eines Substrats ferner das Abscheiden einer äußersten Indikatorschicht auf der Mehrlagenschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung unter einem Stickstoffgasstrom beinhalten. Zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht zwischen der Mehrlagenschicht und der äußersten Indikatorschicht kann der Gasstrom am Ende des Schritts der Abscheidung der Mehrlagenschicht für eine Verweilzeit reduziert oder angehalten werden, während die physikalische Gasphasenabscheidung fortgesetzt wird.
In einem Aspekt werden eine oder mehrere der vorstehend beschriebenen Schichten der Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht, beispielsweise durch Kathodensputtern oder Lichtbogenverdampfung. Beim Sputtern werden Atome aus einem Kathodenmetall (Target) durch Beschuss des Targets mit energiereichen Ionen aus einem Plasma herausgeschleudert und dann die herausgeschleuderten Atome auf ein in der Nähe des Target angeordnetes Substrat abgeschieden. In Anwesenheit eines reaktiven Gases bilden sich anschließend auf dem Substrat Umwandlungsprodukte aus den Targetatomen und dem reaktiven Gas. Als Sputtergas zur Erzeugung des Plasmas wird in der Regel ein Inertgas wie zum Beispiel Argon verwendet. Bei der Lichtbogenverdampfung wird ein Kathoden-Metalltarget durch einen elektrischen Lichtbogen verdampft und dann das verdampfte Metall auf ein in der Nähe des Targets angeordnetes Substrat abgeschieden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung entsteht eine Beschichtungsschicht, die physikalisch mit dem Substrat oder der darunter liegenden Schicht verbunden ist.
Die Hauptschicht und die Mehrlagenschicht, einschließlich der alternierenden Schichten einer Oxid- oder Oxynitridschicht und einer Nitridschicht sowie der metallischen Zwischenschichten, können im Wesentlichen durch jedes dafür geeignete PVD-Verfahren abgeschieden werden. Bevorzugt werden jedoch Magnetron-Sputtern, reaktives Magnetron-Sputtern, Dual-Magnetron-Sputtern, Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS) oder der gleichzeitige Einsatz von Kathodensputtern (Sputterdeposition) und Lichtbogenverdampfung (Arc PVD). Insbesondere können alle Schichten der Beschichtung durch Lichtbogenaufdampfung (Lichtbogen-PVD) abgeschieden werden, da mit dieser Methode besonders harte und dichte Schichten abgeschieden werden können. Das Pulsieren der Stromquelle kann die Leistung von Beschichtungen aufgrund geringerer Spannung und höherer Dichte verbessern.
Vergleichsbeispiel 1
Wie in 3 dargestellt, wurde eine Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung auf ein Substrat aufgebracht. Die Beschichtung beinhaltet eine AlTiN-Hauptschicht mit einer Durchschnittsstärke von etwa 2,5 µm, eine Zirkoniumoxidschicht mit einer Durchschnittsstärke von etwa 1,9 µm auf der Hauptschicht und eine Zirkoniumnitridschicht mit einer Durchschnittsstärke von weniger als 0,7 µm auf der Zirkoniumoxidschicht. Die resultierende Beschichtung zeigte Abplatzungen und geringe Kohäsion zwischen der AlTiN-Hauptschicht und der Zirkoniumoxidschicht.
Erfinderisches Beispiel 1
Wie in 4 dargestellt, wurde eine Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung auf ein Substrat aufgebracht. Die Beschichtung beinhaltet eine AlTiN-Hauptschicht mit einer Durchschnittsstärke von etwa 1,8 µm, eine Zirkoniumoxidschicht mit einer Durchschnittsstärke von etwa 1,2 µm auf der Hauptschicht und eine Zirkoniumnitridschicht mit einer Durchschnittsstärke von weniger als 0,6 µm auf der Zirkoniumoxidschicht. Zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht zwischen der Hauptschicht und der Zirkoniumoxidschicht wurde der Gasfluss von Stickstoff nach dem Abscheiden der Hauptschicht angehalten, während die physikalische Gasphasenabscheidung fortgesetzt wurde, wodurch eine metallische Zwischenschicht von etwa 10 nm zwischen der Hauptschicht und der Zirkoniumoxidschicht ausgebildet wurde. Die resultierende Beschichtung zeigte keine Abplatzungen und gute Kohäsion zwischen der AlTiN-Hauptschicht und der Zirkoniumoxidschicht.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen des offenbarten beschichteten Körpers und des Verfahrens zur Beschichtung gezeigt und beschrieben wurden, können Fachleuten auf dem Gebiet beim Lesen der Patentschrift Modifizierungen einfallen. Die vorliegende Anmeldung umfasst diese Modifikationen und wird nur durch den Umfang der angefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

Beschichteter Körper (10) mit einem Substrat (21) und einer auf das Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebrachten Beschichtung (20), wobei die Beschichtung (20) umfasst: eine an das Substrat (21) angrenzende Hauptschicht (22), wobei die Hauptschicht (22) ein Nitrid aus zumindest Al und Ti umfasst; eine Mehrlagenschicht (23), die an die Hauptschicht (22) angrenzt, wobei die Mehrlagenschicht (23) alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und einer Nitridschicht (26) umfasst, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst und wobei die Nitridschicht (26) ein Nitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst; und eine metallische Zwischenschicht (30) zwischen der Hauptschicht (22) und der Mehrlagenschicht (23) oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und der Nitridschicht (26) der Mehrlagenschicht (23).
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 1, wobei die Hauptschicht (22) zumindest eines aus AlTiN und AlTiMeN umfasst, wobei Me zumindest eines aus Zr, Hf und Cr ist.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) ein Oxid oder Oxynitrid von Zr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) ein Oxid oder Oxynitrid von Al und zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) ein Oxid oder Oxynitrid von Al und Zr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitridschicht (26) ein Nitrid von Zr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitridschicht (26) ein Nitrid aus Al und zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitridschicht (26) ein Nitrid aus Al und Zr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptschicht (22) eine Durchschnittsstärke zwischen 1 µm und 10 µm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) eine Durchschnittsstärke zwischen 10 nm und 200 nm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitridschicht (26) eine Durchschnittsstärke zwischen 10 nm und 200 nm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrlagenschicht (23) eine Durchschnittsstärke zwischen 0,1 µm und 5 µm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrlagenschicht (23) zwischen 1 bis 10 der alternierenden Schichten der Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und der Nitridschicht (26) aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Zwischenschicht (30) zumindest eines von Al, Zr, Hf und Cr umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Zwischenschicht (30) eine Durchschnittsstärke zwischen 1 nm und 50 nm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Zwischenschicht (30) eine Durchschnittsstärke zwischen 5 nm und 20 nm aufweist.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine erste metallische Zwischenschicht 31 zwischen der Hauptschicht (22) und der Mehrlagenschicht (23) und eine zweite metallische Zwischenschicht 32 zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und der Nitridschicht (26) der Mehrlagenschicht (23) liegt.
Beschichteter Körper (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine äußerste Indikatorschicht 24, die über der Mehrlagenschicht (23) liegt.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 18, wobei die äußerste Indikatorschicht 24 zumindest eines von TiN, TiAlN, ZrN, ZrAlN, CrN, CrAlN und HfN umfasst.
Beschichteter Körper (10) nach Anspruch 18 oder 19, ferner umfassend eine dritte metallische Zwischenschicht 33 zwischen der Mehrlagenschicht (23) und der äußersten Indikatorschicht 24.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats, das Verfahren umfassend: Abscheiden einer Hauptschicht (22) auf dem Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung unter einem Stickstoffgasstrom, wobei die Hauptschicht (22) ein Nitrid aus zumindest Al und Ti umfasst; und Abscheiden einer Mehrlagenschicht (23) auf der Hauptschicht (22) durch physikalische Gasphasenabscheidung durch Alternieren zwischen einem Stickstoffgasstrom und einem Sauerstoff- oder Sauerstoff- und Stickstoffgasstrom, wobei die Mehrlagenschicht (23) alternierende Schichten aus einer Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und einer Nitridschicht (26) umfasst, wobei die Oxid- oder Oxynitridschicht (25) ein Oxid oder Oxynitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst und wobei die Nitridschicht (26) ein Nitrid von zumindest einem von Zr, Hf und Cr umfasst, wobei der zumindest eine der Gasströme während zumindest einem der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht (22) und des Abscheidens der Mehrlagenschicht (23) für eine Verweilzeit reduziert wird, während die physikalische Gasphasenabscheidung zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht (30) zwischen der Hauptschicht (22) und der Mehrlagenschicht (23) oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und der Nitridschicht (26) der Mehrlagenschicht (23) fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der zumindest eine der Gasströme während zumindest einem der Schritte des Abscheidens der Hauptschicht (22) und des Abscheidens der Mehrlagenschicht (23) zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht (30) zwischen der Hauptschicht (22) und der Mehrlagenschicht (23) oder zwischen der Oxid- oder Oxynitridschicht (25) und der Nitridschicht (26) der Mehrlagenschicht (23) für eine Verweilzeit angehalten wird, während die physikalische Gasphasenabscheidung fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei die erste Verweilzeit eine Zeit in einem Bereich von 10 bis 30 Sekunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, ferner umfassend das Abscheiden einer äußersten Indikatorschicht 24 auf der Mehrlagenschicht (23) durch physikalische Gasphasenabscheidung unter einem Stickstoffgasstrom.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Gasstrom am Ende des Schritts des Abscheidens der Mehrlagenschicht (23) zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht (30) zwischen der Mehrlagenschicht (23) und der äußersten Indikatorschicht 24 für eine Verweilzeit reduziert wird, während die physikalische Gasphasenabscheidung fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei der Gasstrom am Ende des Schritts des Abscheidens der Mehrlagenschicht (23) zur Ausbildung einer metallischen Zwischenschicht (30) zwischen der Mehrlagenschicht (23) und der äußersten Indikatorschicht 24 für eine Verweilzeit gestoppt wird, während die physikalische Gasphasenabscheidung fortgesetzt wird.