DE102010052687A1

DE102010052687A1 - Hartstoff-Beschichtung für Maschinenteile und Werkzeuge zum Verschleißschutz und zur Wärmedämmung

Info

Publication number: DE102010052687A1
Application number: DE201010052687
Authority: DE
Inventors: Heiko Frank; Petra Mahr
Original assignee: Gfe Ges fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden E V; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Current assignee: Gfe Ges fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden E V; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Mehrlagiges, oxinitridisches Schichtsystem mit kubischem AlN und AlON auf Substrate wie vorzugsweise HSS und Hartmetall, bestehend aus folgendem Schichtaufbau:
– einer ersten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schicht-dicke zwischen 0,1 und 0,5 Mikrometern; einer zweiten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern;
– einer sauerstoffhaltigen dritten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern.
– einer sauerstoffhaltigen Oxinitrid-Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern.
– einer gegebenenfalls weiteren Deckschicht aus Hartstoff, z. B. TiAlN

Description

Verschleißfeste, die Standzeit verlängernde Beschichtungen, beispielsweise auf spanabhebenden Werkzeugen sind hinreichend bekannt, wobei die Schichtstrukturen Schichtdickenbereiche von 2 bis 20 Mikrometern aufweisen und eine ausreichende Haftfestigkeit und Dichte erreichen.
Die hierzu geeigneten Verfahren, zumeist PVD- oder CVD-Verfahrenstechniken, finden seit vielen Jahren zur Herstellung von Hartstoffschichten industrielle Anwendung, sind jedoch wie sich zeigt für Schichten bzw. Schichtstrukturen aus AlN und AlON derzeit noch nicht durchgängig beherrschbar.
Aluminiumnitrid (AlN) besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, ein hohes elektrisches Isolationsvermögen, günstige Temperaturwechselbeständigkeit, gute Metallisierbarkeit sowie auch geringe Wärmedehnung. In hexagonaler Struktur (
-Pase) ist Aluminiumnitrid überwiegend kovalent gebunden. Dadurch ergibt sich neben dem hohen Schmelzpunkt und dem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten u. a. ein hoher elektrischer Widerstand, der mit zunehmender Temperatur sinkt. Ebenso weisen dünne Aluminiumnitridschichten in aggressiven Medien ein deutlich verbessertes elektrochemisches Verhalten sowie eine deutlich höhere Härte als Aluminium auf [1], [2].
Somit hat die Anwesenheit von Sauerstoff in der praxisorientierenden Betrachtung des ternären Systems – Al-O-N ein besonderes Interesse gefunden.
Genauere Untersuchungen hinsichtlich werkstoffwissenschaftlich interessanter Eigenschaften zu diesem System liegen jedoch kaum vor. Vereinzelt wird von metastabilen Al-O-N Schichten berichtet, die mittels PVD oder CVD-Verfahren hergestellt wurden. Die gemachten Angaben über die Komposition bzw. die Phasenstruktur der Aluminium-Oxinitrid-Schichten sind dabei widersprüchlich. So wird von Al-O-N-Schichten berichtet, bestehend aus separaten Al₂O₃ und AlN Kristallen, bzw. einem Kristallgemisch vom Typ (AlN)_x(Al₂O₃)_1-x. Weitere Untersuchungen deuten auf Aluminium-Oxinitrid mit einer kubischen Gitterstruktur und einer Schichtzusammensetzung AlO_xN hin [3]. Kubisches AlN weist ebenfalls eine hohe Härte und eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf.
Aus diesen Umständen und Erkenntnissen resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Sie besteht zunächst darin, ein Verfahren zur Herstellung kubischer Strukturen von AlN und AlON bereitzustellen, mit dem es möglich ist, Hartstoffschichten des Systems Al-Cr-O-N mittels Arc-PVD-Verfahren abzuscheiden und vorzugsweise für hochleistungsfähige Werkzeuge daneben ein Schichtsystem anzugeben, welches durch die Kristallstruktur der erzeugten Schichten kubischer Struktur eine hohe Härte besitzt, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und ebenso vorteilhaft eine erhöhte Temperaturbeständigkeit bei hoher chemischer Beständigkeit der aufgetragenen Beschichtung erreichen lässt.
Die erfindungsbestimmende Aufgabe, kubische AlN- und AlON-Strukturen zum Zwecke des Verschleißschutzes und auch der Wärmedämmung abzuscheiden, wird durch eine Kombination von Schichtvorbehandlung und dem Aufbau einer neuartigen Schichtstruktur gelöst.
Die Verfahrensvorbehandlungen stehen dabei in an sich bekannter Weise:

– aus einer Vergrößerung der Bauteiloberfläche durch mechanisches und energetisches Bearbeiten der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen und
– aus einem Aktivieren der Oberfläche mittels hochenergetischer und gepulster Metallionenstrahlen, sowie
– aus einem Metallionenätzen

Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen oxinitridischen Schichtsystems mit kubischen AlN- und AlON-Strukturen wird die Abscheidung eines mehrlagigen Schichtsystems auf Substraten, wie vorzugsweise HSS oder Hartmetall realisiert, wobei das Schichtsystem aus den nachfolgend genannten Schichtlagen aufgebaut ist aus:

– einer ersten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schicht-dicke zwischen 0,1 und 0,5 Mikrometern. Diese Schicht übernimmt die Funktion einer Haftvermittlerschicht zum Ausgleich von Eigenschaftsunterschieden zwischen Grundwerkstoff und Schichtsystem;
– einer zweiten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern. Die Schicht kann hierbei eine: • konstante Zusammensetzung der Elemente (Blockstruktur), oder • gradierte Veränderung der Elementzusammensetzung (gradierte Struktur) oder • alternierende Änderung der Zusammensetzung (Multilagenstruktur)

– einer sauerstoffhaltigen dritten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern. Die Schicht kann nitridische, oxidische und/oder oxinitridische Verbindungen der Elemente Cr, Al, O und N enthalten. Die sauerstoffhaltige Zwischenschicht kann folgende Schichtstruktur aufweisen: • konstante Zusammensetzung der Elemente (Blockstruktur), oder • gradierte Veränderung der Elementzusammensetzung (gradierte Struktur) oder • alternierende Änderung der Zusammensetzung (Multilagenstruktur)
– einer sauerstoffhaltigen Oxinitrid-Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern. Die sauerstoffhaltige Oxinitrid-Schicht ist die hinsichtlich thermischer und chemischer Beständigkeit relevante Funktionsschicht. Die sauerstoffhaltige Oxinitrid-Schicht enthält mindestens eine der folgenden charakteristischen Verbindungen: • metallographische Phase AlN in einer kubischen Struktur (AlN (cub)) oder • metallographische Phase AlON mit einer kubischen Gitterstruktur und einer Schichtzusammensetzung von AlO_xN_1-x mit 0 ≤ x ≤ 1, (AlON (cub)) oder • bestehend aus separaten Al₂O₃ und kubischen AlN Kristallen
– sowie in einem Anwendungsfall aus einer Hartstoff-Deckschicht, gebildet beispielsweise aus TiAlN;

Die beiden Anwendungsfälle sind in je einer Übersicht der geschaffenen Schichtstrukturen dargestellt.
Beiden ins gemeinsam vorteilhaft, dass das Schichtsystem aufgrund der metallographischen (kubischen) Gitterstruktur eine hohe Härte und eine geringe thermische Leitfähigkeit bei vorzugsweise eine Schichtdicke von 1,5 bis 8 Mikrometern aufweist.
Schrifttum

[1] Raimund Boger; Herstellung und Charakterisierung von dotierten AlN-Schichten; Dissertation; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2007
[2] Daniel Heyden; Nitirerung von Aluminium mit gepulsten Ionenstrahlen; Dissertation Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg; 2001
[3] C. Meneau, P. Andreazza, C. Andreazza-Vignolle, P. Goudeau, J. P. Villain: Laser surface modification: structural and tribological studies of AlN coatings; Surface and Coatings Technology Vol. 100–101 (1998); pp. 12–16.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Raimund Boger; Herstellung und Charakterisierung von dotierten AlN-Schichten; Dissertation; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2007 [0011]
Daniel Heyden; Nitirerung von Aluminium mit gepulsten Ionenstrahlen; Dissertation Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg; 2001 [0011]
C. Meneau, P. Andreazza, C. Andreazza-Vignolle, P. Goudeau, J. P. Villain: Laser surface modification: structural and tribological studies of AlN coatings; Surface and Coatings Technology Vol. 100–101 (1998); pp. 12–16 [0011]

Claims

Mehrlagiges, oxinitridisches Schichtsystem mit kubischem AlN und AlON auf Substrate wie vorzugsweise HSS und Hartmetall, bestehend aus folgendem Schichtaufbau: – einer ersten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schicht-dicke zwischen 0,1 und 0,5 Mikrometern; einer zweiten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern; – einer sauerstoffhaltigen dritten Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern. – einer sauerstoffhaltigen Oxinitrid-Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern. – einer gegebenenfalls weiteren Deckschicht aus Hartstoff, z. B. TiAlN
Mehrlagiges, oxinitridisches Schichtsystem mit kubischem AlN und AlON auf Substrate wie vorzugsweise HSS und Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Schicht eine • konstante Zusammensetzung der Elemente (Blockstruktur), oder • gradierte Veränderung der Elementzusammensetzung (gradierte Struktur) oder • alternierende Änderung der Zusammensetzung (Multilagenstruktur) enthalten kann. – die sauerstoffhaltige dritte Schicht eine • konstante Zusammensetzung der Elemente (Blockstruktur), oder • gradierte Veränderung der Elementzusammensetzung (gradierte Struktur) oder • alternierende Änderung der Zusammensetzung (Multilagenstruktur) enthalten kann. – die sauerstoffhaltige Oxinitrid-Schicht eine • konstante Zusammensetzung der Elemente (Blockstruktur), oder • gradierte Veränderung der Elementzusammensetzung (gradierte Struktur) oder • alternierende Änderung der Zusammensetzung (Multilagenstruktur) enthalten kann.
Mehrlagiges, oxinitridisches Schichtsystem mit kubischem AlN und AlON auf Substrate wie vorzugsweise HSS und Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffhaltige Oxinitrid-Schicht mindestens eine der folgenden charakteristischen Verbindungen enthält: – metallographische Phase AlN in einer kubischen Struktur; oder – metallographische Phase AlON mit einer kubischen Gitterstruktur und einer Schichtzusammensetzung von AlO_xN_1-x mit 0 ≤ x ≤ 1; oder – separaten Al₂O₃ und kubischen AlN Kristallen.
Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Verfahrensführung der Vorbehandlung der Substrate bestehend aus: – einer Vergrößerung der Bauteiloberfläche durch mechanisches und energetisches Bearbeiten der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen; und – einem Aktivieren der Oberfläche mittels hochenergetischer und gepulster Metallionenstrahlen, sowie – einem Metallionenätzen.