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DE19833056A1 - Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten - Google Patents

Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten

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DE19833056A1
DE19833056A1 DE1998133056 DE19833056A DE19833056A1 DE 19833056 A1 DE19833056 A1 DE 19833056A1 DE 1998133056 DE1998133056 DE 1998133056 DE 19833056 A DE19833056 A DE 19833056A DE 19833056 A1 DE19833056 A1 DE 19833056A1
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DE
Germany
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coating
content
tialn
proportion
substrates
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Withdrawn
Application number
DE1998133056
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English (en)
Inventor
Wolf-Dieter Muenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sheffield Hallam University
Original Assignee
Sheffield Hallam University
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Publication date
Application filed by Sheffield Hallam University filed Critical Sheffield Hallam University
Priority to DE1998133056 priority Critical patent/DE19833056A1/de
Publication of DE19833056A1 publication Critical patent/DE19833056A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641Nitrides
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Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von Hartstoffschichten, insbesondere Titan-Aluminium-Nidrid-Hartstoffschichten, hergestellt mit dem kombinierten kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahren und dem unbalancierten Magnetron-Beschichtungsverfahren oder mit dem reinen kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten wie Schneidwerkzeugen oder Umformwerkzeugen und der­ gleichen mit TiAlN.
Es ist bekannt, daß Titanaluminiumnitrid als Alternative zu hochver­ schleißfesten TiN-Hartstoffschichten verwendet werden kann. Insbe­ sondere der verbesserte Oxidationswiderstand gegenüber TiN macht dieses Beschichtungsmaterial zum aussichtsreichen Kandidaten für kühlmittelfreie Zerspanung in automatischen Fertigungsstraßen, wie z. B. in der modernen Automobilindustrie. Darüber hinaus zeigen Titan- Aluminiumnitrid-Hartstoffschichten erhöhten Widerstand gegen abrasi­ ven Verschleiß in Gegenwart von Karbiden, was besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von Grauguß und Kaltarbeitsstählen zum Aus­ druck kommt.
Titan-Aluminiumnitrid wird heute mit allen bekannten PVD- Hartstoffbeschichtungsverfahren hergestellt, nämlich Kathodenzerstäu­ bung, kathodischer Bogenentladungsverdampfung und Niedervolt- Elektronenstrahlverfahren.
Außerdem sind Kombinationsverfahren bekannt, wie die Kombination des kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahrens als Ätzquelle im PVD-Prozeß mit dem unbalancierten Magnetron als Be­ schichtungswerkzeug oder die Kombination entweder des kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahrens mit der Niedervolt- Elektronenstrahlverdampfung oder mit dem Magnetron während der Beschichtung.
Aus der EP-Patentschrift 0 439 561 ist ein solches Verfahren zur Be­ schichtung von Substraten bekannt, das auch als ABS-Verfahren be­ zeichnet wird, bei dem die aufzubringende Schicht durch auf das be­ treffende Substrat auftreffende kondensierende Teilchen eines mittels einer Gasentladung erzeugten Plasmas hergestellt und sowohl eine Bo­ genentladungsverdampfung als auch eine Kathodenzerstäubung vorge­ nommen wird. Wesentlich ist dabei, daß die Bogenentladungsver­ dampfung nur während einer ersten Beschichtungsphase und die Ka­ thodenzerstäubung während einer auf diese erste Phase folgenden zweiten Beschichtungsphase durchgeführt wird, wobei das Substrat während der Bogenentladungsverdampfung mit Ionen beschossen und dabei die Energie und Ionenstromdichte derart gewählt werden, daß die Substratoberfläche durch Ionenätzung gereinigt und teilweise abgetra­ gen wird.
Bei dem während der Bogenentladungsverdampfung erfolgenden Be­ schuß des Substrats mit Ionen wird die Ionenenergie und Ionenstrom­ dichte bei diesem Verfahren vorzugsweise derart gewählt, daß eine Ver­ ankerung der aufzubauenden Schicht im Substratmaterial bewirkt wird.
Bei der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in einer mit einem Prozeßgas gefüllten Vakuumkammer ein gegenüber der Va­ kuumkammer elektrisch isolierter Substrathalter, eine mit dem Be­ schichtungsmaterial belegte, gegenüber der Vakuumkammer ebenfalls elektrisch isolierte Kathode und eine für die Bogenentladung erforderli­ che Anode vorgesehen. Die Kathode ist wahlweise mit einer Bogenentla­ dungsversorgung oder einer Kathodenzerstäubungsversorgung verbind­ bar und an derart negative Potentiale schaltbar, daß in einem ersten Stromkreis zwischen der Kathode und der Anode eine Bogenentladung oder in einem zweiten Stromkreis eine Kathodenzerstäubungsentladung entsteht.
Aus der EP 0 459 137 A1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten unter Verwendung einer Bogenentladung und einer Katho­ denzerstäubung bekannt, welche ein evakuierbares Gefäß aufweist, in dem zumindest ein Target, eine zugehörige Anode sowie ein Substrat­ träger angeordnet und die zugehörigen Strom- und Spannungsversor­ gungen vorgesehen sind und jedem Target eine Magnetanordnung zuge­ ordnet ist. Die aus einem Mittelpol-Permanentmagneten und diesen mit Abstand umgebenden, entgegengesetzt gepolten Rand-Permanent­ magneten bestehende Magnetanordnung ist relativ zum zugehörigen Target derart verschiebbar gelagert, daß im Targetbereich in einer er­ sten, dem Target benachbarten Position ein eine Kathodenzerstäubung ermöglichendes Magnetfeld und in einer zweiten, bezüglich des Targets beabstandeten Position ein eine Bogenentladung ermöglichendes Ma­ gnetfeld erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit PVD-Verfahren, die vorzugs­ weise entweder ausschließlich die kathodische Bogenentladungsver­ dampfung als Prozeßquelle oder diese in Kombination mit kathodischen Zerstäubungsverfahren (Magnetron, unbalanciertes Magnetron) benut­ zen.
Aufgabe der Erfindung ist es ein weiteres Verfahren der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, das hohe Haftfestigkeiten hinsichtlich der auf­ zubringenden Schichten gewährleistet und generell zu einer Erhöhung des Gebrauchswerts der hergestellten Schichten führt.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß vor der Beschichtung eine Ätz- Behandlung der Substratoberfläche mit Vanadiumionen stattfindet, wobei die Vanadiumionen bevorzugt aus einer kathodischen Bogenent­ ladungsverdampfung stammen. Das Vanadium wird auch zur Erzielung eines vorteilhaften Reibverhaltens von auf Werkzeugen aufgebrachten Hartstoffschichten, die vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 bis 10 µm aufweisen, eingebracht.
Der Vanadiumgehalt ist dabei insbesondere im äußeren, dem Substrat abgewandten Schichtbereich konzentriert, wobei speziell der äußere Schichtbereich etwa 15% bis 20% der Gesamtschichtdicke betragen, jedoch auch größer sein kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht der äußere Schichtbereich aus etwa 50 Volumenprozent TiAlN und etwa 50 Volumenprozent Vanadium.
Es hat sich auch als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, im Gesamt­ metallgehalt einer TiAlVN Hartstoffschicht etwa 0,05 bis 4 at% Yttrium vorzusehen, wobei der Yttrium-Gehalt bevorzugt bei 2 at% des Ge­ samtmetallgehalts liegen soll.
Die beigefügte Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine nach dem ABS-Verfahren erarbeitende Anlage HTC-1000/4 ABS. Vier vertikal angeordnete Kathoden (Targetfläche: 600 × 200 mm2) kön­ nen entweder nach dem kathodischen Bogenentladungs- Verdampfungsprinzip oder als unbalanciertes Magnetron verwendet werden.
Alle vier Kathoden können mit Hilfe von Elektromagneten (konzentrische Spulen) magnetisch miteinander gekoppelt werden, so daß ein magnetisch geschlossener Raum entsteht, in dem sich die Substratträger befinden, welche sich drehen und zusätzlich auf einem Drehteller angeordnet sind. Der Übergang von kathodischer Bogenent­ ladung zum unbalancierten Magnetron läßt sich über die Position der Permanentmagnete relativ zur Targetoberfläche einstellen. Drei der vier Kathoden können mit TiAl (50 : 50) und die vierte Kathode mit einem V- Target belegt sein. Das V-Target ist bevorzugt eine "steered arc cathode" mit zurückgezogenen Permanentmagneten nach dem europäischen Pa­ tent EP 0 459 137.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einer Anlage dieser Art besonders vorteilhaft realisieren, da weitgehende Freiheit in der Bele­ gung der Kathoden, der Wahl der Betriebsart und der jeweils ange­ strebten Schichtbildung auf den Substraten besteht, die in zumindest um eine Achse rotierenden Substrathaltern in der Anlage nach der Zeichnung an den verschiedenen Targets vorbeigeführt werden können.

Claims (19)

1. Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten, wie Schneidwerkzeugen oder Umformwerkzeugen und dergleichen mit TiAlN unter Benutzung von PVD-Beschichtungsmethoden, insbe­ sondere dem unbalancierten Magnetron oder dem kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Beschichtung eine Ätz-Behandlung der Substratober­ fläche mit V-Ionen stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Ionen aus einer kathodischen Bogenentladungsver­ dampfung stammen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate während der V-Metall-Ionen-Ätzbehandlung an einer negativen Vorspannung im Bereich von 600 bis 1400 Volt liegen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Vorspannung etwa 1200 Volt beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate aus Schnellarbeitsstahl oder aus Wolframkar­ bid bestehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die TiAlN Hartstoffschichten einen Metallanteil von 40 bis 85 at% Titan bzw. 15 bis 60 at% Aluminium aufweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt etwa 42 at% und der Aluminiumgehalt etwa 58 at% beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beschichtung der Substrate mit TiAlN zusätzlich und simultan V bzw. VN entweder mit dem unbalancierten Ma­ gnetron oder mit dem kathodischen Bogenentladungsverdamp­ fungsverfahren abgeschieden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an V am Gesamtmetallgehalt der TiAlVN-Schicht zwischen 5 und 65 at% liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an V am Gesamtmetallgehalt 20 at% beträgt und daß der Anteil von Ti 34 at% und der Anteil von Al 46 at% um­ faßt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 75% der Beschichtung mit TiAl reaktiv in einer Gasatmosphäre bestehend aus Ar und N2 stattfindet und daß der Rest der Beschichtung in einem Gemisch aus Ar und N2 bzw. aus einem Kohlenwasserstoffgas, z. B. CH4, C2H2 und dergleichen abläuft.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 75% der Beschichtung mit TiAlCr reaktiv in ei­ ner Gasatmosphäre bestehend aus Ar und N2 stattfindet und daß der Rest der Beschichtung in einem Gasgemisch aus Ar und N2 bzw. aus einem Kohlenwasserstoffgas, z. B. wie CH4, C2H6, C2H2 und dergleichen abläuft.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 bis 10 µm aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vanadiumgehalt zumindest im wesentlichen im äußeren, dem Substrat abgewandten Schichtbereich konzentriert ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieser äußere Schichtbereich eine Dicke im Bereich von 0,5% bis 85% der Gesamtschichtdicke beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Schichtbereich 15% bis 20% der Gesamtschicht­ dicke beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Schichtbereich aus etwa 50 Volumenprozent TiAlN und etwa 50 Volumenprozent Vanadium besteht.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gesamtmetallgehalt der TiAlVN Hartstoffschicht ein Anteil von etwa 0,05 bis etwa 4 at% Yttrium enthalten ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Yttrium-Gehalt bei etwa 2 at% des Gesamtmetallgehalts liegt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2275585A1 (de) * 2003-04-28 2011-01-19 Oerlikon Trading AG, Trübbach Wekstück mit ALCR-haltiger Hartstoffschicht und Verfahren zur Herstellung

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