DE19833056A1 - Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten - Google Patents
Verfahren zum Beschichten von metallischen SubstratenInfo
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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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998133056 DE19833056A1 (de) | 1998-07-22 | 1998-07-22 | Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten |
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| DE1998133056 Withdrawn DE19833056A1 (de) | 1998-07-22 | 1998-07-22 | Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19833056A1 (de) |
Cited By (1)
| 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 |
-
1998
- 1998-07-22 DE DE1998133056 patent/DE19833056A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
| 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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