DE102004005934B4

DE102004005934B4 - Hartfilm, Herstellungsverfahren dafür und Target zur Hartfilmherstellung

Info

Publication number: DE102004005934B4
Application number: DE102004005934.9A
Authority: DE
Inventors: Kenji Yamamoto; Toshiki Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: US20040157090A1; US7211138B2; DE102004005934A1

Abstract

Hartfilm, der aus einem Material hergestellt ist, das eine Zusammensetzung hat, die durch die chemische Formel (TiaAlbVcSidBf)(C1-eNe) angegeben ist, wobei die Indizes a, b, c, d, e und f die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si, N beziehungsweise B angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ a ≤ 0,5 0,4 < b ≤ 0,8 0,05 < c 0 ≤ d ≤ 0,5 0 ≤ f ≤ 0,1 0,01 ≤ d + f ≤ 0,5 0,5 ≤ e ≤ 1 a + b + c + d + f = 1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hartfilm, ein Herstellungsverfahren dafür und ein Target zur Hartfilmherstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere einen verschleißbeständigen Hartfilm, der die Verschleißbeständigkeit von Schneidwerkzeugen, etwa von Carbidspitzen, Bohrern und Fräsen, von Maschinenteilen und von Formen zur plastischen Bearbeitung von Metallen verbessert, ein Herstellungsverfahren für den Hartfilm und ein als Ausgangsmaterial zu verwendendes Target.
Herkömmliche Schneidwerkzeuge aus Hartmetallen, Cermets oder Schnellarbeitsstählen werden mit einem Hartfilm aus TiN, TiCN oder TiAlN beschichtet, um die Verschleißbeständigkeit des Schneidwerkzeugs zu verbessern. Hartfilme aus Titannitrid, Titancarbid und Titancarbidnitrid, die im Allgemeinen zur Beschichtung von zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung dienenden Schneidwerkzeugen und zum Schneiden harter Werkstücke, etwa von Werkstücken aus gehärtetem Stahl, verwendet wurden, sind durch Filme aus Ti-Al Verbundnitrid (nachstehend als "TiAlN" bezeichnet) ersetzt worden, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben. Um die Eigenschaften eines zwei Elemente enthaltenden Materials wie TiAlN zu verbessern, wurde in den letzten Jahren der Versuch unternommen, zu dem zwei Elemente enthaltenden Material ein drittes Element hinzuzufügen. So zeigen Filme aus TiAlVN oder (TiAlV)(CN), wie sie beispielsweise in der JP H03-120354 A , JP H10-018024 A und den US 5 981 049 A und US 6 296 928 A offenbart sind, eine hervorragende Schneidfähigkeit beim Schneiden von Werkstücken aus Materialien geringer Härte wie S50C (JIS). Die Schneidfähigkeit dieser herkömmlichen Filme kann dagegen beim Schneiden von Werkstücken aus harten Materialien wie abgeschrecktem SKD (JIS) nicht unbedingt zufrieden stellen. Es wäre daher günstig, Filme mit hervorragender Verschleißbeständigkeit und höherer Härte zu entwickeln, die den stetig steigenden Bedarf nach einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bei noch höheren Schnittgeschwindigkeiten erfüllen.
Der in der JP 2002-337006 A vorgeschlagene Hartfilm ist aus einem Material hergestellt, das Al und/oder ein Metall der Gruppen IV, V und VI sowie Si und mindestens ein nichtmetallisches Element, d.h. N, B, C oder O enthält. Die Beschreibung dieses herkömmlichen Hartfilms erwähnt im Zusammenhang mit der optimalen Zusammensetzung des Materials lediglich einen Si-Gehalt von höchstens 50%. Tatsächlich lässt sich aber aus einem Material, das durch einfaches Kombinieren der obigen Elemente angefertigt wird, kein Hartfilm mit einer größeren Schneidfähigkeit als der herkömmliche TiAlN-Film herstellen.
Die Erfindung erfolgte angesichts der obigen Umstände und ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hartfilm mit hervorragender Verschleißbeständigkeit und hoher Härte, die höher als die des herkömmlichen TiAlN- oder (TiAlV)(CN)-Films ist, sowie ein Verfahren und ein Target zur Herstellung dieses Hartfilms zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung sieht hierfür einen Hartfilm vor, der aus einem Material hergestellt ist, das eine Zusammensetzung hat, die durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei die Indizes a, b, c, d, e und f die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si, N beziehungsweise B angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ a ≤ 0,5 0,4 < b ≤ 0,8 0,05 < c 0 ≤ d ≤ 0,5 0 ≤ f ≤ 0,1 0,01 ≤ d + f ≤ 0,5 0,5 ≤ e ≤ 1 a + b + c + d + f = 1
Der wie oben definierte Hartfilm kann aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei in den obigen Ausdrücken f = 0 gilt und das Atomverhältnis d den Ausdruck 0,01 ≤ d ≤ 0,5 erfüllen kann.
Anstelle dessen kann der wie oben definierte Hartfilm aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei in den obigen Ausdrücken d = 0 gilt und das Atomverhältnis f den Ausdruck 0,01 ≤ f ≤ 0,1 erfüllen kann.
Anstelle dessen kann der wie oben definierte Hartfilm auch aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei die Atomverhältnisse d und f die Ausdrücke 0,01 ≤ d ≤ 0,5 und 0,01 ≤ f ≤ 0,1 erfüllen können.
Die Erfindung sieht außerdem ein Hartfilmherstellungsverfahren zur Herstellung eines der obigen erfindungsgemäßen Hartfilme vor, das die Schritte umfasst: Verdampfen und Ionisieren von Metallbestandteilen eines Targets in einem filmbildenden Gas; und Erzeugen eines Plasmas durch Fördern der Ionisation der Metalle und des filmbildenden Gases.
In dem erfindungsgemäßen Hartfilmherstellungsverfahren können die Metallbestandteile des Targets unter Verwendung einer Lichtbogenentladung durch Lichtbogenbedampfen (engl.: arc ion plating) verdampft und ionisiert werden und kann ein Magnetfeld erzeugt werden, das durch auseinander laufende oder parallele, im Wesentlichen senkrecht zu einer Verdampfungsfläche des Targets hin vorlaufende Feldlinien dargestellt ist, um zur Filmbildung um ein Werkstück herum die Ionisation des filmbildenden Gases zu fördern.
Die Erfindung sieht außerdem ein Target zur Hartfilmherstellung vor, das Ti, Al, V sowie Si und/oder B enthält und eine relative Dichte von 95% oder mehr hat und bei dem das das Target bildende Material eine Zusammensetzung hat, die durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zSi_wB_v) angegeben ist, wobei die Indizes x, y, z, w und v die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si beziehungsweise B angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ x ≤ 0,5 0,4 < y ≤ 0,8 0,05 < z 0 ≤ w ≤ 0,5 0 ≤ v ≤ 0,1 0,01 ≤ w + v ≤ 0,5 x + y + z + w + v = 1.
Das wie oben definierte Target zur Hartfilmherstellung kann aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zSi_w) angegeben ist, wobei in den obigen Ausdrücken v = 0 gilt und das Atomverhältnis w den Ausdruck 0,01 ≤ w ≤ 0,5 erfüllen kann.
Anstelle dessen kann das wie oben definierte Target zur Hartfilmherstellung aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zB_v) angegeben ist, wobei in den obigen Ausdrücken w = 0 gilt und das Atomverhältnis v den Ausdruck 0,01 ≤ v ≤ 0,1 erfüllen kann.
Anstelle dessen kann das wie oben definierte Target zur Hartfilmherstellung auch aus einem Material hergestellt sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zSi_wB_v) angegeben ist, wobei die Atomverhältnisse w und v die Ausdrücke 0,01 ≤ w ≤ 0,5 und 0,01 ≤ v ≤ 0,1 erfüllen können.
Der erfindungsgemäße Hartfilm hat eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und eine hohe Härte, die höher als die herkömmlicher TiAlN- und (TiAlV)(CN)-Filme ist. Mit einem Schneidwerkzeug, das mit dem erfindungsgemäßen Hartfilm beschichtet ist, lässt sich wirksam ein Bearbeitungsvorgang bei hoher Schnittgeschwindigkeit erreichen.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlicher, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist. Es zeigen:
1 eine Lichtbogenbedampfungsanlage (AIP-Anlage), die zur Durchführung eines die Erfindung verkörpernden Hartfilmherstellungsverfahrens zu verwenden ist;
2 den wesentlichen Teil einer Lichtbogenbedampfungsvorrichtung zur Durchführung eines die Erfindung verkörpernden Hartfilmherstellungsverfahrens;
3 den wesentlichen Teil einer anderen Lichtbogenbedampfungsvorrichtung zur Durchführung eines die Erfindung verkörpernden Hartfilmherstellungsverfahrens; und
4 eine Lichtbogenbedampfungsvorrichtung in einer herkömmlichen Lichtbogenbedampfungsanlage (AIP-Anlage).
Die Erfinder führten verschiedene Untersuchungen durch, um zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen dienende Hartfilme mit einmalig hoher Verschleißbeständigkeit zu entwickeln und stellten fest, dass eine höhere Härte der Hartfilme wirksam die Verschleißbeständigkeit der Hartfilme verbessert. Anhand von Untersuchungen über die Auswirkung des Al-Gehalts und des V-Gehalts von Hartfilme bildendem (TiAlV)(CN) und der Zugabe von Si oder B zu (TiAlV)(CN) auf die Härtesteigerung der Hartfilme aus (TiAlV)(CN) ergab sich, dass in Folge dessen die Verschleißbeständigkeit des Hartfilms stark erhöht werden kann. Die Erfindung fußt auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen.
Ein erfindungsgemäßer Hartfilm kann aus einem Material hergestellt sein, das ein Material enthält, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei 0,02 ≤ a ≤ 0,5 0,4 < b ≤ 0,8 0,05 < c 0,01 ≤ d ≤ 0,5 0,5 ≤ e ≤ 1 a + b + c + d = 1 gilt. (Die Indizes a, b, c, d und e geben die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si beziehungsweise N an.)
Die Ursachen dafür, warum die Zusammensetzung des den Hartfilm bildenden Materials wie oben definiert ist, sind die folgenden:
Die Obergrenze des auf das Atomverhältnis bezogenen Al-Gehalts ist durch die folgenden Ursachen bedingt. Ein zu hoher Al-Gehalt vermehrt die Al-N Ionenbindungen zu stark, was zu einer geringeren Haftung des Hartfilms führt. Daher muss der auf das Atomverhältnis bezogene Al-Gehalt 0,8 oder weniger, vorzugsweise 0,75 oder weniger betragen. Ein auf das Atomverhältnis bezogener Al-Gehalt von 0,4 oder weniger bewirkt keine Härtesteigerung, weswegen der Al-Gehalt auf das Atomverhältnis bezogen 0,4 oder mehr betragen muss.
Die die Härte steigernde Wirkung eines auf das Atomverhältnis bezogenen V-Gehalts von weniger als 0,05 ist unbedeutend. Ein auf das Atomverhältnis bezogener Si-Gehalt von weniger als 0,01 erhöht die Härte des Hartfilms kaum. Ein auf das Atomverhältnis bezogener Si-Gehalt von mehr als 0,5 verringert die Härte und die Haftung des Hartfilms. Daher beträgt die Obergrenze für den Si-Gehalt auf das Atomverhältnis bezogen 0,5.
Der Si-Gehalt ist vorzugsweise von der Zusammensetzung des den Hartfilm bildenden Materials abhängig. Die Zugabe von Si zu einem Material mit einem auf das Atomverhältnis bezogenen Al-Gehalt von 0,6 oder mehr verringert die Härte des Films. Der bevorzugte Si-Gehalt für ein Material mit einem auf das Atomverhältnis bezogenen Al-Gehalt von 0,6 oder mehr liegt auf das Atomverhältnis bezogen in einem Bereich von 0,01 bis 0,1. Der bevorzugte Si-Gehalt für ein Material mit einem auf das Atomverhältnis bezogenen Al-Gehalt von weniger als 0,6 liegt auf das Atomverhältnis bezogen in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 und besser in einem Bereich von 0,2 bis 0,4.
Der Ti-Gehalt bildet neben dem Al-, Si- und V-Gehalt den Rest der Zusammensetzung. Ein auf das Atomverhältnis bezogener Ti-Gehalt von weniger als 0,02 verringert die Härte des Hartfilms, während ein auf das Atomverhältnis bezogener Ti-Gehalt von mehr als 0,5 in dem Material die Menge der die Härte steigernden Elemente, und zwar von Al, V und Si, senkt. Daher beträgt die Obergrenze für den Ti-Gehalt auf das Atomverhältnis bezogen 0,5.
Wenn C zu dem Material gegeben wird, um die Härte des aus dem Material gebildeten Films durch Ausscheidung hochgradig harter Carbide wie TiC, VC und SiC in dem Material zu steigern, ist es wünschenswert, wenn der C-Gehalt ungefähr gleich dem Ti + V + Si-Gehalt ist. Wenn der C-Gehalt zu hoch ist, wird eine zu große Menge instabiler Aluminiumcarbide gebildet, die leicht mit Wasser reagieren und zerfallen. Daher beträgt der C-Gehalt 1 – e auf das Atomverhältnis des Materials bezogen weniger als 0,5, d.h. das Atomverhältnis e muss 0,5 oder mehr betragen. Das Atomverhältnis e beträgt vorzugsweise 0,7 oder mehr, besser noch 0,8 oder mehr und am besten e = 1.
Der erfindungsgemäße Hartfilm kann ein einlagiger Hartfilm aus dem die obigen Bedingungen erfüllenden Material sein oder ein Schichthartfilm, der durch Aufschichten verschiedener, die obigen Bedingungen erfüllender Filme gebildet wurde. Falls nötig kann der erfindungsgemäße Hartfilm ein Schichthartfilm sein, der sich durch Aufschichten eines TiN-, TiAlN-, TiCrAlN-, TiCN-, TiAlCN-, TiCrAlCN-, TiC-Films auf einer oder beiden Oberflächen eines erfindungsgemäßen einlagigen Hartfilms oder Schichthartfilms aus (TiAlVSi)(CN) ergibt.
Der erfindungsgemäße Hartfilm kann ein Schichthartfilm sein, der sich durch Aufschichten mindestens einer Metallschicht oder Legierungsschicht, die mindestens eines der Elemente der Gruppen IVA, VA und VIA, etwa Cr, Ti und Nb, Al und Si enthält, auf einer oder beiden Oberflächen eines erfindungsgemäßen einlagigen Hartfilms oder Schichthartfilms ergibt. Die Legierungsschicht kann aus einer Ti-Al Legierung gebildet sein.
Wenn der erfindungsgemäße Hartfilm (1) ein Schichthartfilm ist, der aus Filmen besteht, die jeweils aus Materialien mit verschiedenen, die erforderlichen Bedingungen der Erfindung erfüllenden Zusammensetzungen gebildet sind, (2) ein Schichthartfilm ist, der aus einem erfindungsgemäßen Hartfilm und einer aus einem von dem Hartfilm verschiedenen Material bestehenden Schicht, etwa einer Metallnitridschicht, einer Metallcarbidschicht oder einer Metallcarbidnitridschicht, besteht, oder (3) ein Hartfilm ist, der durch Aufschichten von Metallschichten oder Legierungsschichten gebildet wurde, die mindestens eines der Metalle der Gruppen IVA, VA und VIA, Al und Si enthalten, muss die Dicke der Einzelschicht jeweils im Bereich 0,005 bis 2 µm liegen. Es ist wünschenswert, dass der erfindungsgemäße einlagige Hartfilm oder der Schichthartfilm 0,5 bis 20 µm dick ist. Ein Hartfilm mit einer zu geringen Dicke von weniger als 0,5 µm hat eine unzureichende Verschleißbeständigkeit, während ein Hartfilm mit einer zu großen Dicke von mehr als 20 µm während der maschinellen Bearbeitung einer Absplitterung oder Ablösung unterliegt und daher unzureichend ist. Die Dicke des Hartfilms beträgt besser noch 1 bis 15 µm.
Der erfindungsgemäße Hartfilm ist zwar aus dem Material gebildet, das ein Material enthält, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, er muss aber nicht ausschließlich aus diesem Material gebildet sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eNe) angegeben ist. Der erfindungsgemäße Hartfilm kann also aus lediglich dem Material gebildet sein, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, oder er kann aus einem Material gebildet sein, das zusätzlich zu dem Material, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, weitere Bestandteile enthält. Wenn zu dem Material, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, B hinzugegeben wird, bilden B und N in dem Hartfilm eine BN-Verbindung, die die Wärmebeständigkeit des Hartfilms steigert. Da ein zu hoher B-Gehalt die Härte des Hartfilms verringert, liegt der bevorzugte B-Gehalt auf das Atomverhältnis bezogen im Bereich 0,01 bis 0,1.
Ein erfindungsgemäßer Hartfilm kann auch aus einem Material gebildet sein, das ein durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e) angegebenes Material enthält, das durch den Austausch von Si in dem Material, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegeben ist, mit B erhalten wird. Der auf das Atomverhältnis bezogene B-Gehalt f dieses Materials liegt in einem Bereich von 0,01 bis 0,1.
Wenn in den Hartfilmen aus (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) und (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e) d = f ist, hat der (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e)-Film eine bessere Oxidationsbeständigkeit als der (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e)-Film und hat der (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e)-Film wegen der BN-Verbindungen in dem Film eine geringere Reibungszahl als der (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e)-Film.
Der erfindungsgemäße Hartfilm wird durch ein erfindungsgemäßes Hartfilmherstellungsverfahren hergestellt, bei dem ein C und N enthaltendes Reaktionsgas dazu gebracht wird, wirksam mit Al, V, Ti und Si zu reagieren. Dabei werden wirksam Metalle in einer Atmosphäre aus einem filmbildenden Gas verdampft und ionisiert, um während der Filmabscheidung die Erzeugung eines Plasmas aus dem ionisierten filmbildenden Gas und den Metallen zu fördern.
Ein Lichtbogenbedampfungsvorgang, der unter Verwendung einer Lichtbogenentladung Metalle verdampft und ionisiert, die ein Target bilden, erzeugt vorzugsweise ein Magnetfeld, das durch auseinander laufende oder parallele, im Wesentlichen senkrecht zur Verdampfungsoberfläche des Targets hin vorlaufende Feldlinien dargestellt ist, um um ein Werkstück herum die Ionisation des filmbildenden Gases zu fördern.
Einer Lichtbogenbedampfungsanlage (AIP-Anlage) fällt es schwer, den erfindungsgemäßen Hartfilm zu bilden, wenn die Verdampfungsquelle eine herkömmliche Kathodenverdampfungsquelle ist, die das Magnetfeld hinter dem Target erzeugt. Der erfindungsgemäße Hartfilm lässt sich jedoch sehr wirksam herstellen, wenn die Ionisation eines filmbildenden Gases mit Hilfe einer Magnetkraft gefördert wird, indem neben oder vor dem Target ein Magnet angeordnet wird, der ein Magnetfeld erzeugt, das durch auseinander laufende oder parallele, im Wesentlichen senkrecht zur Verdampfungsoberfläche des Targets hin vorlaufende Feldlinien dargestellt ist.
Wie in 1 zu erkennen ist, enthält die AIP-Anlage einen Vakuumbehälter 1, der mit einem zum Evakuieren dienenden Auslass 11 und einem Gaseinlass 12 versehen ist, durch den das filmbildende Gas eingespeist wird, eine Lichtbogenverdampfungsquelle 2, die durch Lichtbogenentladung ein als Kathode dienendes Target verdampft und ionisiert, einen Tisch 3, um ein Werkstück W, etwa ein Schneidwerkzeug, zu tragen, und eine Vorspannungsquelle 4, die durch den Tisch 3 hindurch eine negative Vorspannung auf das Werkstück W aufbringt.
Die Lichtbogenverdampfungsquelle 2 enthält als Kathode ein Target 6, als Anode eine mit dem Target 6 und dem Vakuumbehälter 1 verbundene Lichtbogenspannungsquelle 7 und einen Magnet (Permanentmagnet) 8, der ein Magnetfeld erzeugt, das durch auseinander laufende oder parallele, nahe dem Werkstück W im Wesentlichen senkrecht zur Verdampfungsoberfläche S des Targets 6 hin vorlaufende Feldlinien dargestellt ist. Die Flussdichte in der Nähe eines zentralen Teils des Werkstücks W beträgt vorzugsweise 10 G oder mehr und besser 30 G oder mehr. Die im Wesentlichen senkrecht zur Verdampfungsoberfläche des Targets 6 verlaufenden Feldlinien schließen Feldlinien ein, die in einem Winkel von 0° bis 30° zur Lotrechten der Verdampfungsoberfläche des Targets 6 verlaufen.
2 zeigt schematisch im vergrößerten Schnitt einen wesentlichen Teil der Lichtbogenverdampfungsquelle 2. Der Magnet 8, das heißt also die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung, ist so positioniert, dass sie die Verdampfungsoberfläche S des Targets 6 umgibt. Als Magnetfelderzeugungseinrichtung kann anstelle des Magneten 8 auch ein Elektromagnet mit einer Spule und einer Stromversorgung eingesetzt werden. Der Magnet 8 kann auch, wie in 3 gezeigt ist, so angeordnet sein, dass er an der Seite des Werkstücks W den vor der Verdampfungsoberfläche S des Targets 6 verlaufenden Raum umgibt. Obwohl der Vakuumbehälter 1 der in 1 gezeigten AIP-Anlage als Anode dient, kann auch eine zylinderförmige Anode vorgesehen sein, die auf der Seite des Targets 6 den vor der Oberfläche verlaufenden Raum umgibt. In 3 sind ein Elektromagnet (Magnetfelderzeugungseinrichtung) 9, ein Werkstück W und eine Anodenverdampfungsquelle 2A gezeigt.
Die Lichtbogenverdampfungsquelle 102 in einer herkömmlichen AIP-Anlage ist wie in 4 gezeigt mit einem Elektromagnet 109 versehen, der die Lichtbogenentladung zum Target 106 lenkt. Da sich der Elektromagnet 109 jedoch hinter dem Target 106 befindet, verläuft ein Teil der Feldlinien in der Nähe der Verdampfungsoberfläche des Targets 106 parallel zur Verdampfungsoberfläche des Targets 106 bzw. laufen die Feldlinien erst gar nicht in die Nähe des Werkstücks W.
Die Form des Magnetfelds, das von der Lichtbogenverdampfungsquelle 2 in der bei der Erfindung eingesetzten AIP-Anlage erzeugt wird, unterscheidet sich von der des Magnetfelds, das von der Lichtbogenverdampfungsquelle 102 der herkömmlichen AIP-Anlage erzeugt wird. Dadurch ist die Art und Weise, wie sich das Plasma ausbreitet, das in der bei der Erfindung eingesetzten AIP-Anlage mit Hilfe der Lichtbogenverdampfungsquelle 2 durch Ionisation des filmbildenden Gases erzeugt wird, von der des Plasmas verschieden, das mit Hilfe der Lichtbogenverdampfungsquelle 102 der herkömmlichen AIP-Anlage durch Ionisation des filmbildenden Gases erzeugt wird.
Wie in 3 zu erkennen ist, wirbeln einige der durch die Lichtbogenentladung erzeugten Elektronen e um die Feldlinien herum und die herumwirbelnden Elektronen e prallen gegen Stickstoffmoleküle, die in dem filmbildenden Gas enthalten sind, so dass das filmbildende Gas ionisiert wird und ein Plasma erzeugt werden kann. Die in 4 gezeigte Lichtbogenverdampfungsquelle 102 der herkömmlichen AIP-Anlage erzeugt ein Magnetfeld, das durch Feldlinien dargestellt ist, die lediglich in der Umgebung des Targets 106 verlaufen, weswegen der Teil des Plasmas in der Umgebung des Targets 106 die höchste Dichte hat und der Teil des Plasmas in der Umgebung des Werkstücks W deutlich weniger dicht ist. Die in 2 gezeigte Lichtbogenverdampfungsquelle 2 und die in 3 gezeigte Lichtbogenverdampfungsquelle 2A erzeugen dagegen ein Magnetfeld, das durch Feldlinien dargestellt ist, die zu dem Werkstück W hin laufen, weswegen der Teil des Plasmas in der Umgebung des Werkstücks W eine weitaus höhere Dichte als das Plasma hat, das durch die Lichtbogenverdampfungsquelle 110 der herkömmlichen AIP-Anlage erzeugt wird.
Die Unterschiede zwischen der herkömmlichen AIP-Anlage und der bei der Erfindung eingesetzten AIP-Anlage bezüglich der Feldlinienverteilung und der Dichte des Teils des Plasmas in der Umgebung des Werkstücks führt im Hinblick auf die Kristallstruktur und die Eigenschaften der abgeschiedenen Filme zu einem erheblichen Unterschied zwischen den von der herkömmlichen AIP-Anlage abgeschiedenen Filmen und den von der bei der Erfindung eingesetzten AIP-Anlage abgeschiedenen Filmen.
Der Filmherstellungsprozess muss nicht unbedingt ein AIP-Prozess sein, sondern kann auch ein beliebig anderer geeigneter Filmherstellungsprozess sein, sofern der Filmherstellungsprozess dazu in der Lage ist, wirksam Metalle und das filmbildende Gas zu ionisieren. Ein Impulssputterprozess und ein einen Stickstoffionenstrahl verwendender ionenstrahlunterstützter Abscheidungsprozess sind Beispiele für weitere mögliche Filmherstellungsprozesse.
Der oben beschriebene Filmherstellungsprozess lässt sich anwenden, um einen Al, V, Ti und B enthaltenden Hartfilm herzustellen.
Ein Dampfphasenbeschichtungsprozess, der ein Target verdampft und ionisiert, stellt ein wirksames Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hartfilms dar, um auf einem Werkstück einen Hartfilm abzuscheiden. Wenn das Target jedoch ungünstige Eigenschaften hat, kann während des Filmherstellungsprozesses keine stabile elektrische Entladung aufrecht erhalten werden und lässt sich kein Hartfilm mit homogener Zusammensetzung abscheiden. Das folgende Wissen wurde durch Untersuchungen der Eigenschaften von Targets erlangt, mit denen sich erfindungsgemäße Hartfilme mit hervorragender Verschleißbeständigkeit abscheiden ließen.
Dabei wurde festgestellt, dass sich die Bedingungen für die elektrische Entladung während der Filmabscheidung stabilisieren lassen und dass der erfindungsgemäße Hartfilm wirksam hergestellt werden kann, wenn das Target eine relative Dichte von 95% oder mehr hat. Ein Target mit einer relativen Dichte von weniger als 95% hat eine grobe Struktur mit Mikroporen. Wenn ein solches Mikroporen aufweisendes Target verwendet wird, werden die Metallbestandteile des Targets unregelmäßig verdampft und hat der unter Verwendung des Targets abgeschiedene Film eine inhomogene Zusammensetzung und eine unregelmäßige Dicke. Der Mikroporen aufweisende Teil des Targets unterliegt während der Filmherstellung einer lokalen, raschen Abnutzung, die die Lebensdauer des Targets verkürzt. Wenn ein Target viele solcher Mikroporen hat, die zu einer lokalen, raschen Abnutzung führen, ist das Target nicht fest genug, um Risse zu vermeiden. Die Erfindung sieht angesichts dieser durch die Untersuchungen erzielten Erkenntnisse ein Target zur Herstellung eines Hartfilms vor, das Ti, Al und V sowie Si und/oder B enthält und eine relative Dichte von nicht weniger als 95% hat.
Die Zusammensetzung eines durch den Dampfphasenbeschichtungsprozess, etwa den AIP-Prozess, hergestellten Hartfilms hängt von der Zusammensetzung des Targets ab. Es ist daher vorzuziehen, wenn die Zusammensetzung des Targets die gleiche wie die des zu bildenden Hartfilms ist. Um einen erfindungsgemäßen Hartfilm mit hervorragender Verschleißbeständigkeit herzustellen, wird daher ein Target zur Hartfilmherstellung verwendet, das aus einem Material hergestellt ist, dessen Zusammensetzung durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zSi_w) angegeben ist, wobei die Indizes x, y, z und w die Atomverhältnisse von Ti, Al, V beziehungsweise Si angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ x ≤ 0,5 0,4 < y ≤ 0,8 0,05 < z 0,01 ≤ w ≤ 0,5 x + y + z + w = 1
Es ist wünschenswert, dass das Target außerdem auf das Atomverhältnis bezogen B in einem Bereich von 0,01 bis 0,1 enthält. Es ist auch wünschenswert, ein Target zu verwenden, das eine ähnliche Zusammensetzung wie das vorstehende erfindungsgemäße Target hat und anstelle von Si auf das Atomverhältnis bezogen B in einem Bereich von 0,01 bis 0,1 enthält.
Selbst mit einem Target der vorstehenden Zusammensetzung ergibt sich ein Hartfilm mit inhomogener Zusammensetzung und Abschnitten unterschiedlicher Verschleißbeständigkeit, wenn die Zusammensetzung des Targets inhomogen ist. Wenn die Zusammensetzung des Targets inhomogen ist, haben nämlich die einzelnen Abschnitte des Targets unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten und Schmelzpunkte. Ein solches Target destabilisiert die Bedingung für die elektrische Entladung, weswegen keine zufrieden stellenden Filme hergestellt werden können. Die Unregelmäßigkeiten der Zusammensetzung liegen vorzugsweise innerhalb von 0,5 at%.
Das erfindungsgemäße Target enthält Si und/oder B vorzugsweise in Form einer Ti-Si Verbindung beziehungsweise einer Ti-B Verbindung. Dies liegt darin begründet, dass sich bei Verwendung von Sputtern oder Lichtbogenentladung während der Filmherstellung die Bedingung für die von dem Target ausgehende elektrische Entladung in einigen Fällen mikroskopisch ändert und die Entladungsbedingung instabil wird, wenn Si-Körner oder B-Körner von leitenden Ti- und Al-Körnern umgeben sind. Dieses Problem tritt nicht auf, wenn das Target Si und B in Form einer Ti-Si Verbindung und Ti-B Verbindung enthält, da eine Ti-Si Verbindung wie Ti₅Si₃ oder TiSi₂ und eine Ti-B Verbindung wie TiB₂ ausreichend leitfähig sind.
Die Ti-B und Ti-Si Verbindungen in dem Target lassen sich durch Röntgendiffraktometrie erfassen. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, sollten in dem Target mehr als 80% B und Si in Form einer Verbindung vorliegen. Damit in dem Target B und Si in Form der Verbindung vorliegen, werden dem Target beispielsweise Ti₅Si₃ und TiB₂ in Form der Verbindung zugesetzt.
Die Erfindung zielt nicht darauf ab, ein Targetherstellungsverfahren anzugeben. Doch beinhaltet ein wirksames Verfahren zur Herstellung eines mit der Erfindung konformen Targets das homogene Durchmischen eines Gemisches in einem V-Mischer, das durch Zusammenmischen von Ti-Pulver, V-Pulver, Al-Pulver und entweder Si-Pulver oder B-Pulver gewünschter Teilchengröße in einem vorbestimmten Mischverhältnis angefertigt wurde, um ein Pulvergemisch zu erzielen, und das Kompaktieren des Pulvergemisches durch kaltisostatisches Pressen (CIP-Prozess) oder heißisostatisches Pressen (HIP-Prozess) um ein Target zu bilden. Das Target kann auch durch Heißextrusion oder Sintern bei ultrahohem Druck hergestellt werden.
Das Target könnte auch durch ein Verfahren hergestellt werden, mit dem das Pulvergemisch einem Heißpressen (HP-Prozess) unterzogen wird. Allerdings lässt sich mit diesem Verfahren nur schwer ein Target mit hoher relativer Dichte bilden, da das in dem Pulvergemisch enthaltene V ein Metall mit hohem Schmelzpunkt ist. Das Target könnte auch hergestellt werden, indem ein Legierungspulver gewünschter Zusammensetzung einem CIP-Prozess, einem HIP-Prozess oder einem Schmelz- und Erstarrungsprozess unterzogen wird. Mit dem Verfahren, bei dem das Legierungspulver einem CIP-Prozess oder einem HIP-Prozess unterzogen wird, lässt sich zwar ein Target homogener Zusammensetzung herstellen, doch ist dieses Verfahren nicht in der Lage, ein Target mit hoher relativer Dichte herzustellen, da sich das Legierungspulver nur schwer sintern lässt. Mit dem Verfahren, bei dem das Legierungspulver einem Schmelz- und Erstarrungsprozess unterzogen wird, ist ebenfalls dazu in der Lage, ein Target mit verhältnismäßig homogener Zusammensetzung herzustellen, doch reißt das Target leicht und bilden sich in dem Target leicht Lunker, wenn das Target erstarrt. Es ist daher schwierig, durch diese Verfahren ein mit der Erfindung konformes Target herzustellen.
Bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Hartfilmherstellungsverfahrens schließen die im Wesentlichen senkrecht zur Verdampfungsoberfläche des Targets verlaufenden Feldlinien wie gesagt diejenigen Feldlinien ein, die mit einem Winkel von 0° bis 30° zur Lotrechten der Verdampfungsoberfläche des Targets verlaufen.
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
In die in 1 gezeigte AIP-Anlage wurde als Kathode ein Ti, V, Al und Si enthaltendes Legierungstarget 6 gesetzt. Auf den Tisch 3 wurden als Werkstücke W Hartmetallspitzen und zweikantige, einen Radius von 5 mm aufweisende Fingerfräser aus Hartmetall gesetzt, woraufhin der Vakuumbehälter 1 evakuiert wurde. Die Werkstücke wurden mit einer innerhalb des Vakuumbehälters 1 befindlichen Heizung bei 500°C erhitzt. Nach dem Reinigen des Innenraums des Vakuumbehälters 1 durch Ar-Ionen wurde in den Vakuumbehälter 1 Stickstoffgas eingeleitet, der Druck in dem Vakuumbehälter 1 auf 2,66 Pa eingestellt und der AIP-Anlage Strom zugeführt, um die Lichtbogenentladung zu beginnen. Über den Oberflächen der Werkstücke wurden etwa 3 µm dicke Hartfilme ausgebildet. An die Werkstücke wurde eine Vorspannung im Bereich von 30 bis 200 V angelegt, um die Werkstücke während der Filmherstellung bezogen auf das Massepotenzial auf einem negativen Potenzial zu halten.
Die Hartfilme wurden einer Analyse der Zusammensetzung und einer Messung der Vickershärte unterzogen, wobei die Zusammensetzung der Hartfilme durch eine Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) gemessen wurde. Die Hartfilme enthielten neben Ti, V, Al, Si, B und N auch O und C als Verunreinigungen und hatten einen Sauerstoffgehalt von 1 at% oder weniger und einen Kohlenstoffgehalt von 2 at% oder weniger.
Die Fingerfräser wurden Schneideversuchen unterzogen, um die Verschleißbeständigkeit der Hartfilme zu beurteilen. Die mit den Hartfilmen beschichteten Fingerfräser wurden dabei einer Schneidbedingung A und einer Schneidbedingung B ausgesetzt, wobei die Abnutzungsbreite im Mittelteil der Kante gemessen wurde.
Schneidbedingung A

Werkstückmaterial: SKD61 (JIS) (HRC50)
Schnittgeschwindigkeit: 220 m/min
Vorschub: 0,06 mm/Kante
Axialtiefe des Schnitts: 5 mm
Radialtiefe des Schnitts: 0,6 mm
Länge des Schnitts: 50 m
Methode: Gleichlauf, Trockenschnitt, nur Luftbelüftung

Schneidbedingung B

Werkstückmaterial: S55C (JIS) (HB220)
Schnittgeschwindigkeit: 100 m/min (5300 U/min)
Vorschub: 0,05 mm/Kante (530 mm/min)
Axialtiefe des Schnitts: 3 mm
Radialtiefe des Schnitts: 0,5 mm
Länge des Schnitts: 50 m
Methode: Gleichlauf, Trockenschnitt, nur Luftbelüftung

Die Ergebnisse der Schneideversuche wurden im Hinblick auf das Ausmaß des Verschleißes des verschleißanfälligsten Teils des Probekörpers beurteilt, d.h. im Hinblick auf das während der Schneideversuche unter der Schneidbedingung A hervorgerufene Ausmaß der Randabnutzung in den Prüfkörpern und das während der Schneideversuche unter der Schneidbedingung B verursachte Ausmaß des Spitzenverschleißes der Prüfkörper.
Tabelle 1 gibt die gemessene Zusammensetzung und Vickershärte der Hartfilme sowie die Ergebnisse der Schneideversuche an. In Tabelle 1 gibt der Ausdruck "Abnutzungsbreite A" die durch die Schneideversuche unter der Schneidebedingung A hervorgerufene Breite der Randabnutzung und der Ausdruck "Abnutzungsbreite B" die durch die Schneideversuche unter der Schneidbedingung B hervorgerufene Abnutzungsbreite in der Spitze an.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, haben die Hartfilme die durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_c)(C_1-eN_e) oder (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegebene Zusammensetzung, wobei für die Zusammensetzung der Hartfilme e = 1 gilt.
In der Tabelle 1 entsprechen die Prüfkörper Nr. 1 bis 4, 8, 13, 18 bis 21 und 28 den Hartfilmen des Vergleichsbeispiels 1 und die Prüfkörper Nr. 5 bis 7, 9 bis 12, 14 bis 17 und 22 bis 27 den Hartfilmen des Beispiels 1.
Die Hartfilme des Beispiels 1 haben eine hohe Härte. Die Abnutzungsbreite A und/oder Abnutzungsbreite B der Hartfilme des Beispiels 1 ist gering, was beweist, dass die Hartfilme des Beispiels 1 eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben.
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2
In die in 1 gezeigte AIP-Anlage wurde als Kathode ein Ti, V, Al und Si enthaltendes Legierungstarget 6 gesetzt. Auf den Tisch 3 wurden als Werkstücke W Hartmetallspitzen und zweikantige, einen Radius von 5 mm aufweisende Fingerfräser aus Hartmetall gesetzt, woraufhin der Vakuumbehälter 1 evakuiert wurde. Die Werkstücke wurden mit der innerhalb des Vakuumbehälters 1 befindlichen Heizung bei 500°C erhitzt. In den Vakuumbehälter 1 wurde Stickstoffgas oder ein Gasgemisch aus Stickstoffgas und Methangas eingeleitet, der Druck in dem Vakuumbehälter 1 wurde auf 2,66 Pa eingestellt, und der AIP-Anlage wurde Strom zugeführt, um die Lichtbogenentladung zu beginnen. Über den Oberflächen der Werkstücke wurden etwa 3 µm dicke Hartfilme ausgebildet. An die Werkstücke wurde eine Vorspannung im Bereich von 30 bis 200 V angelegt, um die Werkstücke während der Filmherstellung bezogen auf das Massepotenzial auf einem negativen Potenzial zu halten.
Die Hartfilme wurden einer Analyse der Zusammensetzung und einer Messung der Vickershärte unterzogen, wobei die Zusammensetzung der Hartfilme mittels EPMA gemessen wurde. Die Hartfilme enthielten neben Ti, V, Al, Si, B, N und C auch O als Verunreinigung und hatten einen Sauerstoffgehalt von 1 at% oder weniger.
Die Fräse wurden unter den gleichen Schneidbedingungen wie die mit den Hartfilmen beschichteten Fräser im Beispiel 1, also unter Schneidbedingung A und Schneidbedingung B, Schneideversuchen unterzogen, um die Verschleißbeständigkeit der Hartfilme zu beurteilen, wobei die Abnutzungsbreite im Mittelteil der Kante gemessen wurde.
Tabelle 2 gibt die gemessene Zusammensetzung und Vickershärte der Filme sowie die Ergebnisse der Schneideversuche an.
Wie sich aus Tabelle 2 ergibt, haben die Hartfilme die durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_c)(C_1-eN_e) oder (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) angegebene Zusammensetzung. Die Hartfilme enthalten N mit unterschiedlichen Atomverhältnissen e, die den Vergleichsausdruck 0,3 ≤ e ≤ 1 erfüllen, sowie C in unterschiedlichen Atomverhältnissen 1 – e.
In Tabelle 2 entsprechen die Prüfkörper Nr. 1 bis 3, 8, 13 und 18 den Hartfilmen des Vergleichsbeispiels 2 und die Prüfkörper Nr. 4 bis 7, 9 bis 12 und 14 bis 17 den Hartfilmen des Beispiels 2.
Die Hartfilme des Beispiels 2 haben verglichen mit denen des Vergleichsbeispiels 2 eine höhere Härte. Die Abnutzungsbreite A und/oder die Abnutzungsbreite B der Hartfilme des Beispiels 2 ist gering, was beweist, dass die Hartfilme des Beispiels 2 eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben. Die Hartfilme des Beispiels 2, die ein höheres C-Atomverhältnis und ein geringeres N-Atomverhältnis haben, haben eine höhere Härte und eine geringere Abnutzungsbreite A sowie eine noch bessere Verschleißbeständigkeit.
Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 3
In die in 1 gezeigte AIP-Anlage wurde als Kathode ein Ti, V, Al, Si und B enthaltendes Legierungstarget 6 gesetzt. Auf den Tisch 3 wurden als Werkstücke W Hartmetallspitzen und zweikantige, einen Radius von 5 mm aufweisende Fingerfräser aus Hartmetall gesetzt, woraufhin der Vakuumbehälter 1 evakuiert wurde. Die Werkstücke wurden mit der innerhalb des Vakuumbehälters 1 befindlichen Heizung bei 500°C erhitzt. In den Vakuumbehälter 1 wurde Stickstoffgas eingeleitet, der Druck in dem Vakuumbehälter 1 wurde auf 2,66 Pa eingestellt, und der AIP-Anlage wurde Strom zugeführt, um die Lichtbogenentladung zu beginnen. Über den Oberflächen der Werkstücke wurden etwa 3 µm dicke Hartfilme ausgebildet. An die Werkstücke wurde eine Vorspannung im Bereich von 30 bis 200 V angelegt, um die Werkstücke während der Filmherstellung bezogen auf das Massepotenzial auf einem negativen Potenzial zu halten.
Die Hartfilme wurden einer Analyse der Zusammensetzung und einer Messung der Vickershärte unterzogen, wobei die Zusammensetzung der Hartfilme mittels EPMA gemessen wurde. Die Hartfilme enthielten neben Ti, V, Al, Si, B und N auch O und C als Verunreinigungen und hatten einen Sauerstoffgehalt von 1 at% oder weniger und einen Kohlenstoffgehalt von 2 at% oder weniger.
Die Fräser wurden unter den gleichen Schneidbedingungen wie die mit den Hartfilmen beschichteten Fräser in Beispiel 1, d.h. unter Schneidbedingung A und Schneidbedingung B, Schneideversuchen unterzogen, um die Verschleißbeständigkeit der Hartfilme zu untersuchen, wobei die Abnutzungsbreite im Mittelteil der Kante gemessen wurde.
Tabelle 3 gibt die gemessene Zusammensetzung und Vickershärte der Hartfilme sowie die Ergebnisse der Schneideversuche an.
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, haben die Hartfilme die durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_c)(C_1-eN_e), (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e), (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e) oder (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e) angegebene Zusammensetzung, wobei e = 1 gilt. Es wurden Filme mit unterschiedlichen Atomverhältnissen der Metallbestandteile hergestellt und untersucht. So wurde insbesondere das Atomverhältnis von B in einem weiten Bereich variiert.
In Tabelle 3 entsprechen die Prüfkörper Nr. 1 bis 3, 8, 9, 14, 15 und 19 den Hartfilmen des Vergleichsbeispiels 3 und die Prüfkörper Nr. 4 bis 7, 10 bis 13, 16 bis 18 und 20 den Hartfilmen des Beispiels 3.
Die Hartfilme des Beispiels 3 haben eine hohe Härte. Die Abnutzungsbreite A und/oder die Abnutzungsbreite B der Hartfilme des Beispiels 3 ist gering, was beweist, dass die Hartfilme des Beispiels 3 eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben. Die Hartfilme des Beispiels 3, die ein höheres B-Atomverhältnis haben, haben eine höhere Härte, eine geringere Abnutzungsbreite A und eine geringere Abnutzungsbreite B und besitzen eine noch bessere Verschleißbeständigkeit.
Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4
Die Dichte des Targets wurde als ein die Eigenschaften der Hartfilme dominierender Parameter untersucht. Dazu wurden jeweils Targets aus (TiVAlSi), (TiVAlSiB) und (TiVAlB) mit verschiedenen Dichten angefertigt. Unter Verwendung dieser Targets wurden durch einen AIP-Prozess oder einen UBMS-Prozess Hartfilme hergestellt. Die Hartfilme wurden einer Analyse der Zusammensetzung, einer Messung der Härte und einer Messung der Oberflächenrauheit unterzogen.
Tabelle 4 gibt die Messdaten an. In Tabelle 4 entsprechen die Prüfkörper Nr. 3 bis 5 und 8 bis 11 den Hartfilmen des Beispiels 4 und die Prüfkörper Nr. 1, 2, 6 und 7 den Hartfilmen des Vergleichsbeispiels 4.
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, enthalten die Hartfilme der Prüfkörper Nr. 1 bis 5 aus (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e) freies Si, die Hartfilme der Prüfkörper Nr. 6 bis 10 aus (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e) Si in Form einer Ti-Si Verbindung und B in Form einer Ti-B Verbindung und der Hartfilm des Prüfkörpers Nr. 11 aus (Ti_aAl_bV_cB_f)(C_1-eN_e) B in Form einer Ti-B Verbindung.
Die Prüfkörper Nr. 1 bis 5 entsprechen Hartfilmen aus (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e). Unter diesen Hartfilmen haben diejenigen Hartfilme, die unter Verwendung eines Targets mit größerer Dichte hergestellt wurden, eine höhere Härte und eine glättere Oberfläche mit einer geringeren Oberflächenrauheit Ra.
Die Prüfkörper Nr. 6 bis 10 entsprechen Hartfilmen aus (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e). Unter diesen Hartfilmen haben diejenigen Hartfilme, die unter Verwendung eines Targets mit größerer Dichte hergestellt wurden, eine höhere Härte und eine glättere Oberfläche mit einer geringeren Oberflächenrauheit Ra.
Die Hartfilme der Prüfkörper Nr. 6 bis 10 aus (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e), die Si in Form einer Ti-Si Verbindung und B in Form einer Ti-B Verbindung enthalten, haben verglichen mit den Hartfilmen der Prüfkörper Nr. 1 bis 5 aus (Ti_aAl_bV_cSi_d)(C_1-eN_e), die freies Si enthalten, glättere Oberflächen und eine geringere Oberflächenrauheit Ra. Das heißt, dass die Si in Form einer Ti-Si Verbindung und B in Form einer Ti-B Verbindung enthaltenen Hartfilme eine glättere Oberfläche als die freies Si enthaltenden Hartfilme und eine geringere Oberflächenrauheit Ra als die freies Si enthaltenden Hartfilme haben, wenn zur Herstellung dieser Hartfilme Targets mit der gleichen Dichte verwendet werden. Die Hartfilme der Prüfkörper Nr. 1 bis 10 haben eine ähnliche Härte.
Die Erfindung wurde zwar ins Detail gehend anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben, doch sind natürlich Änderungen und Abwandlungen möglich. Es versteht sich daher, dass die Erfindung anders als wie hierin im Detail beschrieben umgesetzt werden kann, ohne von dem in den Patentansprüchen angegebenen Schutzumfang abzuweichen.

Claims

Hartfilm, der aus einem Material hergestellt ist, das eine Zusammensetzung hat, die durch die chemische Formel (Ti_aAl_bV_cSi_dB_f)(C_1-eN_e) angegeben ist, wobei die Indizes a, b, c, d, e und f die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si, N beziehungsweise B angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ a ≤ 0,5 0,4 < b ≤ 0,8 0,05 < c 0 ≤ d ≤ 0,5 0 ≤ f ≤ 0,1 0,01 ≤ d + f ≤ 0,5 0,5 ≤ e ≤ 1 a + b + c + d + f = 1
Hartfilm nach Anspruch 1, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: f = 0 0,01 ≤ d ≤ 0,5.
Hartfilm nach Anspruch 1, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: d = 0 0,01 ≤ f ≤ 0,1.
Hartfilm nach Anspruch 1, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: 0,01 ≤ d ≤ 0,5 0,01 ≤ f ≤ 0,1.
Hartfilmherstellungsverfahren zur Herstellung des Hartfilms gemäß Anspruch 1, das die Schritte umfasst: Verdampfen und Ionisieren von Metallbestandteilen eines Targets in einem filmbildenden Gas; und Erzeugen eines Plasmas durch Fördern der Ionisation der Metalle und des filmbildenden Gases.
Hartfilmherstellungsverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Metallbestandteile des Targets unter Verwendung einer Lichtbogenentladung durch Lichtbogenbedampfen verdampft und ionisiert werden und ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch auseinander laufende oder parallele, im Wesentlichen senkrecht zu einer Verdampfungsfläche des Targets hin vorlaufende Feldlinien dargestellt ist, um zur Filmbildung um ein Werkstück herum die Ionisation des filmbildenden Gases zu fördern.
Target zur Hartfilmherstellung, das Ti, Al, V sowie Si und/oder B enthält und eine relative Dichte von 95% oder mehr hat und bei dem das das Target bildende Material die durch die chemische Formel (Ti_xAl_yV_zSi_wB_v) angegebene Zusammensetzung hat, wobei die Indizes x, y, z, w und v die Atomverhältnisse von Ti, Al, V, Si beziehungsweise B angeben und folgende Vergleichsausdrücke erfüllen: 0,02 ≤ x ≤ 0,5 0,4 < y ≤ 0,8 0,05 < z 0 ≤ w ≤ 0,5 0 ≤ v ≤ 0,1 0,01 ≤ w + v ≤ 0,5 x + y + z + w + v = 1.
Target nach Anspruch 7, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: v = 0 0,01 ≤ w ≤ 0,5.
Target nach Anspruch 7, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: w = 0 0,01 ≤ v ≤ 0,1.
Target nach Anspruch 7, bei dem die Atomverhältnisse folgende Ausdrücke erfüllen: 0,01 ≤ w ≤ 0,5 0,01 ≤ v ≤ 0,1.