DD148349A1

DD148349A1 - METHOD FOR PRODUCING EXTREMELY HARD, WEAR-RESISTANT LAYERS HAVING INCREASED ADHESION STRENGTH

Info

Publication number: DD148349A1
Application number: DD21819379A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Ebersbach; Christian Schuerer
Original assignee: Gerhard Ebersbach; Christian Schuerer
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1981-05-20

Abstract

Verfahren zur Herstellung extrem harter, verschleiszfester Deckschichten erhoehter Haftfestigkeit fuer Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsaetze aus Hartmetall oder Stahl, insbesondere der Zerspanung hochfester Werkstoffe. Ziel der Erfindung ist es, die Moeglichkeit der Herstellung extrem harter Schichten mit Haertewerten von mehr als 5000 kpmm&exp&2! durch die PVD-Verfahren zu nutzen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Haftung der nach einem PVD-Verfahren hergestellten Deckschicht auf der Unterlage zu verbessern, insbesondere den Anteil der chemischen Bindungskraefte zu vergroeszern. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz mittels eines der an sich bekannten CVD-Verfahren eine bzw. mehrere Hartstoffschichten als Stuetzschicht erzeugt werden und vor dem Aufbringen der Deckschicht die Schichtbildung durch Druckminderung und Abkuehlung abgebrochen wird. Gleichzeitig mit dem Abbruch des CVD-Verfahrens wird ein an sich bekanntes PVD-Verfahren plasma- oder ionengeschuetzt eingeleitet und die extrem harte Deckschicht gebildet.Method for producing extremely hard, wear-resistant cover layers of increased adhesive strength for tools or tool inserts made of hard metal or steel, in particular the machining of high-strength materials. The aim of the invention is the possibility of producing extremely hard layers with Haerteverten of more than 5000 kpmm & exp & 2! to use through the PVD process. The invention has the object to improve the adhesion of the cover layer produced by a PVD process on the substrate, in particular to vergroeszern the proportion of chemical binding forces. The object is achieved by means of one of the known CVD method one or more hard material layers are produced as a support layer and before the application of the cover layer, the layer formation is terminated by pressure reduction and Abkuehlung. Simultaneously with the discontinuation of the CVD process, a per se known PVD process is initiated plasma or ion-protected and formed the extremely hard top layer.

Description

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Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Herstellung extrem harter, verschleißfester Deckschichten erhöhter HaftfestigkeitProcess for producing extremely hard, wear-resistant cover layers of increased adhesive strength

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung extrem harter, verschleißfester Deckschichten erhöhter Haftfestigkeit für Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl insbesondere zur Zerspanung hochfester Werkstoffe.The invention relates to a method for producing extremely hard, wear-resistant outer layers of increased adhesion for tools or tool inserts made of hard metal or steel, in particular for cutting high-strength materials.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Um verschleißmindernde Deckschichten auf Unterlagen herzustellen, nutzt man die CVD-Cchemical vapor deposition)-Verfahren oder die PVD-(physical vapor deposition)-Verfahren.In order to produce wear-reducing cover layers on substrates, use is made of the CVD chemical vapor deposition method or the PVD (physical vapor deposition) method.

Bei den CVD-Verfahren werden Hartstoffschichten der den jeweiligen Herstellungsbedingungen entsprechenden stabilen Modifikationen der Reaktanten, wie in der DE-OS2323652 beschrieben, als verschleißmindernde Schichten erzeugt. Dabei entsteht durch Diffusion und Verbindungsbildung ausreicheiide Haftung für beschichtete Werkzeuge und Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl beispielsweise für die · Zerspanung von festen Werkstoffen.In the CVD processes, hard-material layers of the stable modifications of the reactants corresponding to the respective production conditions are produced as wear-reducing layers, as described in DE-OS2323652. This results in sufficient adhesion for coated tools and tool inserts made of hard metal or steel, for example, for the machining of solid materials by diffusion and compound formation.

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Die Haftkräfte können im Extremfall sogar die Bindungskräfte in der Schicht übersteigen.The adhesive forces can in extreme cases even exceed the binding forces in the layer.

Wie bereits erwähnt, ist es gleichfalls möglich, mit den PVD-Verfahren'verschleißmindernde Hartstoffschichten herzustellen. Diese Verfahren laufen meist im Hoch- bzw. Peinvakuum oder im Hiederdruckbereich unter Einwirkung beschleunigter Teilchen ab. Im Gegensatz zu den CVD-Verfahren können die Schichten auf gekühlten Unterlagen abgeschieden werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit auch metastabile, extrem harte Schichten, die Diamantoder metastabiles Bornitrid enthalten, zu erzeugen. (DD-PS 133688). Von Nachteil bei den PVD-Verfahren ist die geringe Haftung der Schichten auf den Unterlagen. Die Haftung wird durch Sorptionskräfte bewirkt und ist schwach. Durch spezielle Verfahrensschritte wie Oberflächenreinigung der Unterlagen mittels Inert- oder Aktivgasionenbeschuß (Sputtern, Reinigungsgiimmen) vor dem Beschichtungsprozeß oder durch spezielle Prozeßfahrung, wie reaktives Vakuumaufdampfen, Ionenplattieren, Plasmabeschichtung, Ionenablagerung u. a., wird die Haftung verbessert. Dabei bleibt es jedoch außerordentlich kompliziert, die Schicht chemisch mit dem Grundwerkstoff zu verbinden. Es entstehen nur im geringen Umfang chemische Bindungen durch elektrostatische oder Austausch- bzw. Resonanzkräfte. Dieser Anteil so erzeugter chemischer Bindungen zwischen Schicht und Unterlage reicht für eine Reihe von Anwendungsfällen, wie Mikroelektronik, Optik, Korrosionsschutz u. a., aus, ist jedoch insbesondere für die Anwendung als verschleißhemmende Schicht auf Werkzeugen bzw, Werkzeugeinsätzen aus Hartmetall oder Stahl für die Zerspanung hochfester Werkstoffe in ununterbrochenem bzw. unterbrochenem Schnitt unzureichend.As already mentioned, it is likewise possible to produce wear-reducing hard-material layers with the PVD processes. These processes usually take place in a high or low vacuum or in the Hieder pressure range under the action of accelerated particles. In contrast to the CVD processes, the layers can be deposited on cooled substrates. In addition, it is also possible to produce metastable, extremely hard layers containing diamond or metastable boron nitride. (DD-PS 133688). A disadvantage of the PVD process is the low adhesion of the layers to the substrates. The adhesion is caused by sorption forces and is weak. By special process steps such as surface cleaning of the documents by inert or Aktivgasionenbeschuß (sputtering, Reinigungsgiimmen) before the coating process or by special process experience, such as reactive vacuum evaporation, ion plating, plasma coating, ion deposition u. a., the liability is improved. However, it remains extremely complicated to chemically bond the layer to the base material. There are only small amounts of chemical bonds due to electrostatic or exchange or resonance forces. This proportion of chemical bonds produced between layer and substrate is sufficient for a number of applications, such as microelectronics, optics, corrosion protection and the like. a., from, however, is inadequate, especially for use as a wear-resistant layer on tools or tool inserts made of hard metal or steel for the machining of high-strength materials in uninterrupted or interrupted section.

Durch ein PVD-Verfahren in Verbindung mit Ionenimplantation werden ausreichend chemische Bindungen für die Haftung der Schicht auf der Unterlage für genannten Einsatz wirksam.Through a PVD process in conjunction with ion implantation sufficient chemical bonds for the adhesion of the layer to the substrate for said use are effective.

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Eine Anwendung der Ionenimplantation erfordert jedoch einen hohen, komplizierten technischen Aufwand und ist z. Z. ökonomisch nicht vertretbar.However, an application of ion implantation requires a high, complicated technical effort and z. Z. economically unreasonable.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Möglichkeit der Herstellung extrem harter Schichten mit Härtewerten HV 0,04 > 5000 kpmm durch die PVD-Verfahren für die Beschichtung von Werkzeugen bzw, Werkzeugeinsätzen aus Hartmetall oder Stahl insbesondere zur Zerspanung hochfester Werkstoffe zu nutzen.The aim of the invention is to exploit the possibility of producing extremely hard layers with hardness values HV 0.04> 5000 kpmm by the PVD process for the coating of tools or tool inserts made of hard metal or steel, in particular for the machining of high-strength materials.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung extrem harter, verschleißfester Deckschichten erhöhter Haftfestigkeit für Werkzeuge bzw, Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl zu entwickeln. Die extrem harte Deckschicht ist nach einem der PVD-Verfahren herzustellen, wobei die spezielle Aufgabe besteht, die Haftung der Deckschicht mit der Unterlage ohne Anwendung der Ionenimplantation bedeutend zu erhöhen, insbesondere den Anteil der chemischen Bindungskräfte zu vergrößern.The invention has for its object to develop a process for producing extremely hard, wear-resistant outer layers increased adhesion for tools or tool inserts made of hard metal or steel. The extremely hard top layer is to be produced by one of the PVD methods, with the specific task of significantly increasing the adhesion of the top layer to the substrate without the use of ion implantation, in particular to increase the proportion of chemical binding forces.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl mittels eines an sich bekannten CVD-Verfahrens eine bzw, mehrere Hartstoffschichten als Stützschicht aufgebracht werden und vor dem Aufbringen der Deckschicht die Schichtbildung durch Druckminderung infolge Drosselung der Reaktivgaszufuhr und Abkühlung des zu beschichtenden Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes abgebrochen wird und gleichzeitig mit dem Vorgang des Abbruches dee CVD-Verfahrens ein an sich bekanntes FVD-Verfahren, plasma- oder ionengeetützt, eingeleitet und die extrem harte Deckschicht abgeschieden wird. Das bis auf 1150 - 1450 ⁰K erwärmte Werkzeug bzw. der erwärmte Werkzeugeinsatz wird bis auf 200 ⁰K abgekühlt und der Druck von 10² - to⁵ Pa auf 10"² PaAccording to the invention, the object is achieved in that the tools or tool inserts made of hard metal or steel by means of a known CVD method one or more hard coatings are applied as a support layer and prior to application of the cover layer formation by reducing pressure due to throttling of the reactive gas supply and Cooling of the tool or tool insert to be coated is discontinued and simultaneously with the process of discontinuing the CVD process a per se known FVD process, plasma- or ion-supported, introduced and the extremely hard top layer is deposited. The tool heated up to 1150 - 1450 ⁰ K or the heated tool insert is cooled down to 200 ⁰ K and the pressure of 10 ² - to ⁵ Pa to 10 " ² Pa

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drosselt. Die Stützschicht bzw· Stützschichten bestehen vorzugsweise aus Carbiden, Nitriden, Boriden oder Siliciden oder deren Kombinationen der Elemente der III. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems, Die extrem harte Deckschicht ist diamantähnlich oder diamanthaltig bzw. besteht aus Bornitrid oder Borcarbid.throttles. The support layer or support layers are preferably made of carbides, nitrides, borides or silicides or their combinations of the elements of III. to VI. Subgroup of the Periodic Table, The extremely hard top layer is diamond-like or diamond-containing or consists of boron nitride or boron carbide.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to a preferred embodiment.

Im Rezipienten einer Hochvakuumapparatur befinden sich Werkzeuge aus Hartmetall auf einem Heiz- und bis zu tiefen Temperaturen kühlbaren Werkzeugträger, Nach einer Oberflächenreinigung der Werkzeuge mittels Edelgaeionenbeschuß im Ionenenergiebereich von 3 bis 5 keV und einer Ionenstromdichte von 0,5 mAcm"" werden die Werkzeuge auf eine Temperatur von 1150 bis 1450 K erwärmt und bei einem Druck von 1,3 χ 10 bis 1,05 x 10-⁵ Pa werden Wasserstoff, Titanium-(lV)-chlorid und Benzen in hochgereinigtem Zustand so in den Rezipienten eingelassen, daß sich auf der Substratoberfläche eine geschlossene, 5 bis 8 /um dicke Titaniumcarbidschicht ausbildet. Für die in der Randzone der Titaniumcarbidschicht einzubauende und auf ihr zu bildende extrem harte Deckschicht wird der Druck im Rezipienten verringert bis bei ca. 1 Pa die zur Erzeugung positiver Ionen erforderliche unselbständige Entladung zwischen der im Rezipienten angeordneten Glühkatode und einem Anodengitter gezündet wird, aus der dann auf Werkzeuge bei kontinuierlicher Variation des Potentials der Werkzeuge oder des Plasmas positive Molekülionen und/oder deren Fragmente beschleunigt werden.In the recipient of a high vacuum apparatus tools are made of carbide on a heating and cooling down to low temperatures tool carrier, After a surface cleaning of the tools by Edelgaeionenbeschuß in the ion energy range of 3 to 5 keV and an ion current density of 0.5 mAcm "" tools are on a heating temperature from 1150 to 1450 K and at a pressure of 1.3 χ 10 to 1.05 x 10- ⁵ Pa (IV) chloride and benzene in a highly purified state, hydrogen, titanium so inserted into the container, that on the substrate surface forms a closed, 5 to 8 / um thick titanium carbide layer. For the extremely hard covering layer to be installed in the edge zone of the titanium carbide layer, the pressure in the recipient is reduced until at about 1 Pa the necessary discharge for generating positive ions is ignited between the glow cathode arranged in the recipient and an anode grid then accelerated to tools with continuous variation of the potential of the tools or the plasma positive molecular ions and / or fragments thereof.

Gleichzeitig wird die Zufuhr von Titanium-(IV)-Chlorid und Wasserstoff weiter reduziert bzw. abgestellt sowie die Heizung der Werkzeuge abgeschaltet. Während des allmählichen Abkühlens der Werkzeuge wird die Leistungsdichte der auf die Werkzeuge auftreffenden Aktivgas-(CgHg)-Ionen durch die bereits erwähnte Variation des Potentials der Werkzeuge oderAt the same time, the supply of titanium (IV) chloride and hydrogen is further reduced or stopped and the heating of the tools is switched off. During the gradual cooling of the tools, the power density of the active gas (CgHg) ions impinging on the tools is increased by the already mentioned variation of the potential of the tools or

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des Plasmas erhöht, so daß stets der für chemische Bindungsbildung notwendige Energiebedarf geliefert wird. Nach einer Verringerung des Druckes auf 10" Pa und entsprechende Änderung der Plasmaparameter und des Aktivgasanteiles wird die Werkzeugtemperatur durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff auf 200 K gesenkt· Bei einer mittleren Ionenenergie von etwa 1000 cV erfolgt schließlich die Ausbildung einer diamantähnlichen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschicht, die bei einer Schichtdicke von etwa 4 /um eine Vickershärte von HV 0,04 5000 kpmnT² aufweist. Sie ist innigst mit der darunter im CVD-Verfahren abgeschiedenen Titaniumcarbidschicht einer Härte von HV 0,02 3000 kpmm verbunden. Die so beschichteten Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Stahl besitzen eine so hohe Haftfestigkeit der Deckschicht mit der Unterlage, daß sie auch zur Zerspanung hochfester Werkstoffe eingesetzt werden können.of the plasma increases, so that always the necessary energy for chemical bond formation energy supply is delivered. After a reduction of the pressure to 10 "Pa and corresponding change in the plasma parameters and the active gas content, the tool temperature is lowered by cooling with liquid nitrogen to 200 K. · With a mean ion energy of about 1000 cV finally takes the formation of a diamond-like hydrogen-containing carbon layer, which in a Layer thickness of about 4 / to a Vickers hardness of 0.04 5000 kpmnT ^2. It is intimately connected to the below by CVD process deposited titanium carbide layer a hardness of HV 0.02 3000 kpmm or steel have such a high adhesive strength of the cover layer with the base that they can also be used for machining high-strength materials.

Claims

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invention claim

1. A method for producing extremely hard, wear-resistant outer layers of increased adhesion for tools or tool inserts made of hard metal or steel, characterized characterized

that on the tools or tool inserts by means of one of the known CVD method one or more hard material layers are applied as support layers and before the application of the cover layer, the layer formation is interrupted by Druckiainderung due to throttling the reactive gas and cooling the tool to be coated or tool carrier and initiated simultaneously with the discontinuation of the CVD process of one of the known PVD process plasma- or ion-assisted to form an extremely hard topcoat.

2. Method according to point 1. characterized,

that heated up to 1150 K to 1450 K tool or, the heated tool insert cooled to 200 K and

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the pressure is throttled from 10 Pa to 10 "Pa to about 10 Pa,

3. Method according to item 1, characterized in that the support layer or layers preferably consist of carbides, nitrides, borides or silicides or combinations thereof of the elements of III, to VI, subgroup of the periodic table,

4. Method according to item 1,
characterized,

that the extremely hard covering layer is preferably diamond-like or diamond-containing or consists of boron nitride or boron carbide.