DE102013018867A1

DE102013018867A1 - (Al,Cr,Ta)N-Beschichtung zur verbesserten Temperaturbeständigkeit

Info

Publication number: DE102013018867A1
Application number: DE102013018867.9A
Authority: DE
Inventors: Richard Rachbauer; Robert Hollerweger; Paul Heinz Mayrhofer
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-06-25
Also published as: US20160348228A1; EP3068920B1; EP3068920A1; US9885106B2; WO2015070967A1

Abstract

Hartbeschichtung umfassend mindestens eine Schicht umfassend Chrom, Aluminium, Tantal und Stickstoff als Hauptkomponenten und mit der chemischen Zusammensetzung im Hinblick auf diese Elemente gemäß der Formel: (AlaCrbTac)N, wobei a, b und c jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis nur unter Berücksichtigung von Al, Cr und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der Schicht ist, die Hartbeschichtung gekennzeichnet ist durch: – a = x·(1 – c), – b = (1 – x)·(1 – c), und – 0,60 ≤ x ≤ 0,70, und – 0,01 ≤ c ≤ 0,5, und – mit einem Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis von I200/(I200 + I111) ≥ 0,25

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein einfaches Beschichtungssystem, umfassend Aluminium (Al), Chrom (Cr), Tantal (Ta) und Stickstoff (N) als Hauptkomponenten, welches für Werkzeuge und/oder Komponenten, die Verschleißkontakt bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, Verschleißschutz bereitstellt. Diese Beschichtung weist inbesondere eine hervorragende chemische und mechanische Stabilität bei erhöhten Temperaturen auf. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung eine Hartbeschichtung umfassend mindestens eine Schicht umfassend Al, Cr, Ta und N als Hauptkomponenten und mit einer chemischen Zusammensetzung im Hinblick auf diese Elemente gemäß der Formel (AlaCrbTac)N, wobei a, b bzw. c die Konzentration von Aluminium, Chrom bzw. Tantal im Atomverhältnis angeben, wobei nur Al, Cr und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der Schicht berücksichtigt werden, wobei a = x·(1 – c), b = (1 – x)·(1 – c), 0,60 ≤ x ≤ 0,70, 0,01 ≤ c ≤ 0,5, und die (AlaCrbTac)N-Schicht mindestens ein Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis von I200/(I200 + I111) ≥ 0,25 aufweist.
Stand der Technik
Das Schützen von Schneidwerkzeugen durch Beschichten der Werkzeugoberflächen mit (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen, die aus CrAlTa enthaltenden Targets in einer Stickstoff-Reaktionsatmosphäre unter Verwendung von Lichtbogen-Ionenplattieren abgeschieden werden, ist eine bereits bekannte Praxis.
JP2006334740A lehrt beispielsweise, dass (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen zum Erzielen ausgezeichneter Verschleißfestigkeit der bei Hochgeschwindigkeitsschneidvorgängen hochreaktiver Materialien verwendeten Schneidwerkzeuge geeignet sein können, jedoch nur, wenn die (Cr, Al, Ta)N-Beschichtungen eine vorgegebene Beschichtungsstruktur und eine vorgegebene Beschichtungszusammensetzung aufweisen. JP2006334740A schlägt vor, dass die (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtung eine untere Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa 2 bis 6 μm und eine obere Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von etwa 0,5 bis 1,5 μm einschließt. Die untere Schicht weist eine einschichtige Struktur und die chemischen Zusammensetzung Cr_1-(E+F)Al_ETa_F auf, mit E = 0,45–0,65 und F = 0,01–0,09 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der unteren Schicht. Die obere Schicht weist eine mehrschichtige Struktur auf, umfassend zwei Typen von Schichten, A und B, die abwechselnd übereinander geschichtet sind, wobei die Schichten A und B Nanoschichten mit jeweils einer Nanoschicht-Einzeldicke von etwa 5–20 nm sind. Jede Nanoschicht A weist die chemische Zusammensetzung Cr_1-(A+B)Al_ATa_B auf, mit A = 0,01–0,10 und B = 0,50–0,70 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der entsprechenden Nanoschicht A. Jede Nanoschicht B weist die chemische Zusammensetzung Cr_1-(C+D)Al_CTa_D auf, mit C = 0,30–0,45 und B = 0,20–0,35 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der entsprechenden Nanoschicht B.
Gleichermaßen berichtet JP2007105843A über die Verwendung von Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen umfassend eine untere Schicht und eine obere Schicht mit vorgegebener Schichtstruktur, Dicke und Elementzusammensetzung zur Bereitstellung von ausgezeichneter Verschleißfestigkeit für Werkzeuge, die beim Hochgeschwindigkeitsschneiden hochreaktiver Materialien verwendet werden. Wie die JP2006334740A lehrt die JP2007105843A , dass die durchschnittliche Schichtdicke der unteren Schicht bzw. der oberen Schicht etwa 2 bis 6 μm bzw. etwa 0,5 bis 1,5 μm betragen sollte, zum Erzielen der gewünschten Verschleißfestigkeit:

– die untere Schicht sollte eine einschichtigen Struktur mit der chemischen Zusammensetzung Cr_1-(x+y)Al_xTa_y aufweisen, mit x = 0,50–0,65 und y = 0,01–0,10 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der unteren Schicht, und
– die obere Schicht sollte eine Mehrschichtenstruktur aufweisen umfassend zwei Arten von Schichten, A und B, die abwechselnd übereinander geschichtet sind, und
– die Schichten A und B sollten Nanoschichten jeweils mit einer Einzelschichtdicke von etwa 5–20 nm sein, und
– jede Nanoschicht A sollte die chemische Zusammensetzung Cr_1-(E+F)Al_ETa_F aufweisen, mit E = 0,15–0,30 und F = 0,20–0,35 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der entsprechenden Nanoschicht A, und
– jede Nanoschicht B sollte die chemische Zusammensetzung Cr_1-(M+N)Al_MTa_N aufweisen, mit M = 0,50–0,65 und N = 0,01–0,10 im Atomverhältnis, nur unter Berücksichtigung von Cr, Al und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der entsprechenden Nanoschicht B.

Die komplexe Konstitution der zuvor genannten (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen, die die Abscheidung von verschiedenen Schichten und Nanoschichten mit definierter Schichtdicken sowie verschiedener Elementzusammensetzungen überall im gesamten Beschichtungsaufbau erfordert, führt aber zu hohen Anforderungen an die Komplexität des Beschichtungsverfahrens. Ein hohes Risiko der Verwechslung der Targets mit verschiedenen Zusammensetzungen ist ebenfalls ein Nachteil bei der Abscheidung der zuvor genannten (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen. Ein weiterer Nachteil bei der Abscheidung der zuvor genannten (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtungen besteht in der Schwierigkeit, Nanoschichten einzeln nacheinander abzuscheiden, die, ungeachtet der sehr geringen angeforderten Nanoschichtdicken (etwa 5–20 nm), vollkommen verschiedene Elementzusammensetzungen aufweisen sollten, insbesondere wenn verschiedene Arten von Werkzeugen (z. B. Werkzeuge mit verschiedenen Abmessungen und/oder Geometrien) beschichtet werden müssen.
Ziel der vorliegenden Erfindung
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtung mit einem einfachen Beschichtungsaufbau, insbesondere im Vergleich mit der zuvor genannten (Cr, Al, Ta)N-Hartbeschichtung gemäß dem Stand der Technik, aber auch die Bereitstellung ausgezeichneter Verschleißfestigkeit für Werkzeuge, die beim Hochgeschwindigkeitsschneiden hochreaktiver Materialien verwendet werden.
Beschreibung der Erfindung
Das zuvor genannte Ziel wird durch die vorliegende Erfindung durch Bereitstellen einer Hartbeschichtung gemäß Anspruch 1 erreicht.
Eine Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schließt mindestens eine Schicht ein, umfassend Chrom, Aluminium Tantal und Stickstoff mindestens als Hauptkomponenten und mit der chemischen Zusammensetzung im Hinblick auf diese Elemente gemäß der Formel: (Al_aCr_bTa_c)N, wobei a, b und c jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis nur unter Berücksichtigung von Al, Cr und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der Schicht ist, wobei:

– a = x·(1 – c),
– b = (1 – x)·(1 – c), und
– 0,60 ≤ x ≤ 0,70, und
– 0,01 ≤ c ≤ 0,5, und
– wobei mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht ein Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis von I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) ≥ 0,25 aufweist.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher mit Hilfe der Beispiele erläutert:
Beschichtungsverfahren und zur Beschichtungsuntersuchung verwendete Methoden
Verschiedene Hartbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wurden in einer INNOVA-Balzers-Lichtbogenverdampfungsanlage in einer Stickstoff-Reaktionsatmosphäre abgeschieden.
Vier verschiedene Arten von Targets umfassend Aluminium, Chrom und Tantal und mit unterschiedlicher nominaler chemischer Zusammensetzung im Atomverhältnis wurden zur Durchführung der Experimente verwendet. Die folgenden chemischen Zusammensetzungen wurden zum Abscheiden entsprechender (Al_aCr_bTa_c)N-Schichten verwendet:

– Al_0,686Cr_0,294Ta_0,020,
– Al_0,665Cr_0,285Ta_0,050,
– Al_0,630Cr_0,270Ta_0,100 und
– Al_0,560Cr_0,240Ta_0,200

Auch Tantal-freie Targets umfassend Aluminium und Chrom und mit einer nominalen chemischen Zusammensetzung im Atomverhältnis von Al_0,70Cr_0,30 wurden zum Abscheiden von (Al, Cr)N-Schichten verwendet.
Die (Al_aCr_bTa_c)N- und (Al, Cr)N-Beschichtungsschichten wurden unter Verwendung reaktiver Lichtbogen-Ionenaufplattiertechniken abgeschieden, die zuvor genannten Targets wurden in einer Stickstoff-Reaktionsatmosphäre während 60 min abgebrannt, um die entsprechenden Beschichtungsschichten zu bilden. Die Beschichtungen wurden auf 4 verschiedene Arten von Substraten abgeschieden: 1) Si (100), 2) Eisenfolie (1,0330), 3) S600 Hochgeschwindigkeitsstahl, und 4) Austenit, unter Verwendung eines Lichtbogenstroms von 150 A, eines Stickstoffdrucks von 3,5 Pa und einer negative BIAS-Spannung von –40, –80, und –120 V.
Ein Zeiss-EVO50-Rasterelektronenmicroskop (SEM) wurde zur Untersuchung der Oberflächen- und Querschnittsbilder verwendet. Die chemische Zusammensetzung wurde mit dem angeschlossenen energiedispersiven INCA-Röntgenspektroskopie(EDX)-System von Oxford Instruments bestimmt. Für die Strukturuntersuchung der Querschnitte im nm-Bereich wurde ein FEI-TECNAI-G20-Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet. Die Strukturuntersuchungen wurden auf einem PANalytical-X'pert-Diffraktometer in Bragg Brentano Geometrie und mit CuKa-Strahlung durchgeführt. Ein CSIRO-UMIS-Nano-Indentationssystem von Fischer Cripps Laborstories wurde zum Erhalt von Lastverschiebungskurven mit einer maximalen Last zwischen 2 und 30 mN verwendet. Diese Kurven wurden nach Oliver und Pharr zur Bestimmung der Härte- und Young-Modul-Werte ausgewertet.
Beschichtungscharakterisierung
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen der chemischen Zusammensetzungen der verschiedenen Targetmaterialien und den bei einer BIAS-Spannung von –40, –80, und –120 V abgeschiedenen entsprechenden (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen. Das Verhältnis Al/(Al + Cr) in Atomprozent, das den (Al, Cr)N-Beschichtungen entspricht, die aus den Tantal-freien Targets mit der chemischen Zusammensetzung Al_0,70Cr_0,30 abgeschieden wurden, betrug 66 Atom-% (unter 70 Atom-%).
Unter Verwendung von Ta-enthaltenden Targets wurde festgestellt, dass mit zunehmendem Ta-Gehalt in den Targets von bis zu 20 Atom-% eine Verminderung von Al in den abgeschiedenen Schichten nachgewiesen wird und folglich das Al/(Al + Cr)-Verhältnis bis etwa 63 Atom-% abnimmt, auch wenn das Verhältnis Al/(Al + Cr) in den Targets bei etwa 70 Atom-% konstant gehalten wurde.
Umgekehrt ist der Ta-Gehalt in den abgeschiedenen Schichten etwa 50% höher als der entsprechende Ta-Gehalt in den zu ihrer Abscheidung verwendeten Targets.
Der Stickstoffgehalt der (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen neigt leicht zur Überstöchiometrie und nimmt mit zunehmender BIAS-Spannung und zunehmendem Ta-Gehalt zu, wie es in 1 gezeigt ist. Allerdings wurde zur Vereinfachung der Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der verschiedenen Serien von Al-Cr-Ta-Targets und entsprechende Metalluntergitter-Zusammensetzungen der abgeschiedenen (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen bei einer a BIAS-Spannung von –40, –80 und –120 V.
Markierung der verschiedenen Beschichtungen zur Darstellung der Ergebnisse der 5 der Untersuchungen der Stickstoff-Gehalt für alle Beschichtungen auf 50 Atom-% normiert.
Figurenbeschriftungen:
1: Stickstoff-Gehalt von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen mit zunehmendem Ta-Gehalt und für BIAS-Spannungen von –40, –80 und –120 V.
2: Oberflächenbilder von (a, b) Cr_0,34Al_0,66N-, (c, d) Cr_0,33Al_0,60Ta_0,07N- und (e, f) Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N-Beschichtungen, abgeschieden auf S600-Hochgeschwindigkeitsstahl bei BIAS-Spannungen von –40 bzw. –120 V.
3: Querschnittsmikrographien von (a, b) Cr_0,34Al_0,66N-, (c, d) Cr_0,33Al_0,60Ta_0,07N- und (e, f) Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N-Beschichtungen, abgeschieden auf S600 Hochgeschwindigkeitsstahl bei BIAS-Spannungen von –40 bzw. –120 V.
4: TEM-Hellfeldbilder von Cr_0,34Al_0,66N (a) und Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N (b), abgeschieden bei –40 V BIAS. Die Pfeile geben unterdichte Säulengrenzen an.
5: Experimentell erhaltene Gitterparameter für BIAS-Spannungen von –40, –80, und –120 V im Vergleich zu ab initio berechneten Gitterparametern von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen.
6: Kristallitgröße von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen, erhalten durch einen quadratischen Williamson-Hall-Plot aus Pulverbeugungsmustern.
7: Gefügekoeffizient von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen auf Austenite in Abhängigkeit von Ta-Gehalt und BIAS-Spannung.
8: Indentationsmodul von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen auf S600-Hochgeschwindigkeitsstahl in Abhängigkeit von Ta-Gehalt y und BIAS-Spannung.
9: Härte von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen auf S600-Hochgeschwindigkeitsstahl in Abhängigkeit von Ta-Gehalt y und BIAS-Spannung.
In 2 sind SEM-Oberflächenbilder ausgewählter Proben von (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen gezeigt. Cr_0,34Al_0,66N, abgeschieden bei –40 V BIAS (2a), zeigt eine raue Oberfläche mit Tröpfchen der Größe von ~1 um im Durchmesser und auch eine immense Menge von kleineren Tröpfchen. Mit zunehmendem Ta-Gehalt auf 7 Atom-% auf dem Metalluntergitter (Cr_0.33Al₀₆₀Ta₀₀₇N 2c) nehmen die Größe und Menge von Tröpfchen signifikant ab und für noch höhere Gehalte von 31 Atom-% von Ta(Cr_0.25Al_0,44Ta_0,31N, 6.2e) erscheint die Filmoberfläche sehr homogen und flach mit nur wenigen Tröpfchen darauf (max. Durchmesser ~0.5 μm). Erhöhen der BIAS-Spannung auf -120 V führt zu einer klaren Verbesserung der Oberflächenmorphologie von Cr_0,34Al_0,66N (siehe 2b). Dennoch scheint die Auswirkung einer erhöhten BIAS-Spannung für Ta-legiertes Cr_0,33Al_0,60Ta_0,07N (2d) weniger ausgeprägt und für Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N nicht nachweisbar zu sein (2f). Abnehmende Tröpfchendichten mit zunehmendem Ta-Gehalt könnten auf der Bildung von intermetallischen Phasen auf der Target-Oberfläche beruhen, die zu einem erhöhten Schmelzpunkt des Targetmaterials und daher verminderter Tröpfchenbildung führen. Allerdings könnte das schwere Ta-Atom (im Vergleich: Ta ~181 g/mol, Ti ~48 g/mol, und Al ~27 g/mol) eine signifikante ”Ätz”(oder Resputter)-Wirkung auf die Substratoberfläche aufweisen und daher könnten sogar bei –40 V BIAS kleine Tröpfchen atomisiert und große Tröpfchen signifikant geätzt werden. Die Resputter-Wirkung ist neben der Verdichtung ein möglicher Grund für abnehmende Filmdicken von ~2.7 auf ~2.3 μm bei erhöhtem Ta-Gehalt von 0 auf 31 Atom-% und abnehmende Dicken von bis auf ~0.2 μm bei erhöhter BIAS-Spannung von –40 auf –120 V. Entsprechende Bruchquerschnitt-Mikrographien zeigen eine säulenförmige Struktur für Ta-freies Cr_0,34Al_0,66N (3a und b). Diese säulenförmige Struktur erscheint für Cr_0,33Al_0,60Pa_0,07N viel weniger ausgeprägt (3c und d), und bei sehr hohen Ta-Gehalten wie für Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N ist die Bruchfläche sehr glatt und es können kaum Säulen nachgewiesen werden. Ein klarer Einfluss der BIAS-Spannung kann für die Bruchquerschnitte nicht festgestellt werden – vergleiche hierzu die –40- und –120-V-Bilder von 3a, c, e bzw 3b, d, f. Allerdings zeigen TEM-Untersuchungen von Cr_0,34Al_0,66N, abgeschieden bei –40 V BIAS, eine säulenförmige Struktur mit einer Säulengröße von ungefähr 50 nm, siehe 4a. An den Säulengrenzen können unterdichte Bereiche nachgewiesen werden (angegeben durch die Pfeile). Im Gegensatz dazu ist für sehr hohe Ta-Gehalte, wie für Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N (4b), die säulenförmige Struktur nicht voll entwickelt, und offene Säulen- oder Korngrenzen können nicht festgestellt werden. Auf Grund der zweifachen Drehung unserer an dem Karussell befestigten Proben und des hohen Masseunterschiedes der verwendeten Elemente entwickelt sich eine Schichtstruktur auch wenn die Beschichtung aus gleichen Komposit-Targets abgeschieden wird. In diesem Fall von Hellfeldbildern sind die dunklen Schichtregionen mit schweren Elementen und die hellen mit leichten Elementen angereichert. Zunehmende BIAS-Spannungen und Atommassen führen allgemein zu einer Zunahme der Ätzkraft. Die in 1 dargestellten TEM-Bilder zeigen eindeutig, dass das schwere Ta die Dichte der Beschichtung (insbesondere Säulengrenzen) verbessern kann, sogar bei –40 V BIAS und für alle verschiedenen untersuchten Ta-Gehalte.
Ab initio berechnete Gitterparameter (Sternsymbole in 5) zeigen einen zunehmenden Gitterparameter mit zunehmendem Ta-Gehalt, der durch die experimentellen Daten der (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen in 5 bestätigt wird.
The BIAS-Spannung und die Ta-Gehalt beeinflussen natürlich auch die Korngröße der (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen. In 6 ist gezeigt, dass für –40 V BIAS die Kristallitgröße mit zunehmendem Ta-Gehalt linear von ~24 auf ~15 nm abnimmt; für -80 V können abnehmende Korngrößen zwischen ~20 bis ~10 nm festgestellt werden. Allerdings zeigen die Beschichtungen bei einer BIAS-Spannung von –120 V eine unerwartet große Kristallitgröße von 37, 36 und 31 nm in Ta-frei Schichten und für einen Ta-Gehalt von etwa 3 Atom-% bzw. 7 Atom-%, und eine sehr kleine Korngröße von nur ~5 nm für einen Ta-Gehalt von etwa 31 Atom-%.
Weiterhin ist es durch Erhöhen der Menge an Ta in den Schichten bis zu 15 und 31 Atom-% möglich, Schichten mit Kristalliten mit einer Kristallitgröße von etwa 17 bzw. etwa 5 nm zu bilden.
Die bevorzugte Orientierung der (Al, Cr, Ta)N-Beschichtungen auf Austenit ist durch das Peakintensitätsverhältnis I200/(I200 + I₁₁₁) in 7 beispielhaft angegeben. Für Ta-freies Cr_0,34Al_0,66N kann eine hoch bevorzugte 111-Orientation für –40 V BIAS festgestellt werden, die sich mit zunehmendem Ta-Gehalt linear in eine 200-Orientierung ändert. In diesem Fall beeinflussen BIAS-Spannungen (z. B. bis zu –80 V) diese Tendenz nicht signifikant. Allerdings können auch andere Beschichtungsparameter, wie magnetische Feldstärkenanordnung, Druck, oder Verfahrenstemperatur, eingestellt werden, um die scheinbare Wirkung zu intensivieren.
Die Änderung des Gefüges mit zunehmendem Ta-Gehalt in den Beschichtungen geht mit einer Abnahme in der Korngröße einher, wie es in 6 zu sehen ist.
SEM- und TEM-Querschnitte und Korngrößenanalyse (3, 4 und 6) legen auch nahe, dass mit zunehmendem Ta-Gehalt die Filmwachstumsmechanismen wesentlich beeinflusst werden. Für zu niedrige Ta-Gehalte kann hauptsächlich säulenförmiges Wachstum festgestellt werden, wohingegen das nanokristalline Wachstum unter Verwendung höherer Ta-Gehalte (~31 Atom-%) auf dem Metalluntergitter als eine Alternative zu hohen BIAS-Spannungen von > –120 V für Ta-freie (Al, Cr)N-Beschichtungen erreicht werden könnte.
Eine zusätzliche Wirkung der Zugabe von Ta in (Al, Cr)N und/oder zunehmenden Ta-Gehalts in einer (Al, Cr)N-Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Erzielen eines kleineren Young'schen Moduls. In 8 kann festgestellt werden, dass der Indentationsmodul für Ta-freies Cr_0,34Al_0,66N bei einer BIAS-Spannung von –40 V eindeutig vom allgemeine Trend abweicht. Dies kann als eine Folge der unterdichten Korngrenzen erklärt werden, die in den dieser Beschichtung entsprechenden TEM-Querschnittsbildern in 4a festgestellt werden.
Es kann sein, dass das Korngrenzenbinden weniger entwickelt ist und direkt zu einem verminderten Indentationsmodul führt. Die orientierungsabhängige Abnahme des Young'schen Moduls wird wahrscheinlich zu einem großen Teil direkt in den gemessenen verminderten Indentationsmoduli widergespiegelt. Da wir eine leicht Zunahme im Stickstoff-Gehalt mit zunehmender BIAS und zunehmendem Ta-Gehalt festgestellt haben, könnte dies vielleicht auch ein Grund für die abnehmenden Indentationsmoduli sein. Die schwächende Wirkung auf Grund unterdichter Korngrenzen kann auch für die Härte der –40-V-BIAS-Cr_0,34Al_0,66N- und Cr0,33Al_0,64Ta_0,0,3N-Beschichtungen festgestellt werden, siehe 9, da das verminderte Binden auch ihre gemessene Härte herabsetzt. Insgesamt können wir etwas abnehmende Härtewerte mit zunehmendem Ta-Gehalt verzeichnen. Ausgehend von Plastizitätsindizes, wie H/E, und in Kombination mit den abnehmenden Indentationsmoduli, kann eine stark zunehmende Fähigkeit der plastischen Verformung bei immer noch hoher Härte für Ta-enthaltende Beschichtungen wie Cr_0,30Al_0,55Ta_0,15N oder Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N erwartet werden.
Oberflächen-SEM-Bilder offenbaren abnehmende Tröpfchendichten mit Erhöhen der BIAS-Spannung für Beschichtungen mit einer chemischen Zusammensetzung im Atomverhältnis Cr_0,34Al_0,66N. Jedoch sind Zugaben von Ta sogar bei –40 V BIAS signifikant stärker wirksam und führen zu einer sehr glatten Oberfläche mit einigen wenigen großen Tröpfchen darauf. Die durch SEM und TEM erhaltenen Querschnittsmikrographien zeigen eine säulenförmige Struktur mit unterdichten Korngrenzen und einer XRD-ermittelten Kristallitgröße von ~25 nm für Ta-freie, unter Verwendung einer BIAS von –40 V abgeschiedene Cr_0,34Al_0,66N-Beschichtungen. Mit Erhöhen des Ta-Gehalts verdichten sich die Korngrenzen, die säulenförmige Struktur ist weniger ausgeprägt und die Kristallitgröße geht auf 20 nm zurück. Für unter Verwendung einer BIAS von –120 V abgeschiedenes Cr_0,25Al_0,44Ta_0,31N ist die Kristallitgröße auf ~5 nm vermindert. Angesichts der bevorzugten Orientierung des Wachstums der abgeschiedenen Beschichtungen ist ein eindeutiger Trend von einem orientierten [111]-Wachstum für Ta-freie Beschichtungen zu einem [200]-dominierten Wachstum mit zunehmendem Ta-Gehalt zu sehen. Die Änderung in der bevorzugten Orientierung hat einen signifikanten Einfluss auf die gemessenen Indentationsmoduli der Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit zunehmendem Ta-Gehalt um ~125 GPa abnehmen. Allerdings bleibt die Härte bei Werten von > 35 GPa mehr oder weniger konstant, und daher kann eine signifikante Zunahme in der Plastizität bei noch immer hohen Härtewerten erwartet werden. Durch das Legieren von Ta zu Al-reichem einphasigem kubischem (Cr, Al)N gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich bei erhöhten Temperaturen signifikant verbesserte mechanische und strukturelle Eigenschaften erreichen.
Eine Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders gut dafür, ausgezeichnete Abriebfestigkeit für Oberflächen von Schneid- und Formwerkzeugen bereitzustellen, die Verschleißkontakt ausgesetzt sein sollten (Kontakt Werkzeug-Werkstück einschließlich relative Bewegung zwischen Werkzeug-Oberfläche(en) und Werkstück-Oberfläche(en) in Kontakt), was die Erzeugung von erhöhten Temperaturen am Oberflächen-Kontaktpunkt einschließt.
Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kristallitwachstum mit starker Vorzugsorientierung [200], die besonders gut dafür geeignet sind, einen hohen Schutz für bei Schneidarbeiten verwendete Werkzeuge zu erzielen, sind bevorzugt. Daher sollte die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht so auf einer Substratoberfläche abgeschieden sein, dass, je nach Anwendung, die Vorzugsorientierung mindestens in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche verstärkt [200] sein sollte.
Wie es vorstehend beschrieben wurde, zeigt die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht-Hartschicht in einer Hartbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Peakintensitätsverhältnis I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) ≥ 0,25, je nach Anwendung sollte das Verhältnis bevorzugt ≥ 0,35, oder stärker bevorzugt ≥ 0,50 sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Hartschicht so auf eine Substratoberfläche abgeschieden, das das Peakintensitätsverhältnis I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) ≥ 0,25 eine Variation entlang der Schichtdicke aufweist.
Das Peakintensitätsverhältnis I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) in der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Hartschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann so gestaltet sein, dass es in dem Bereich in der Nähe des Substrat geringer ist als in als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht so auf eine Substratoberfläche abgeschieden, das eine Eigenspannungsvariation entlang der Schichtdicke erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für eine Beschichtung mit einer (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht mit variabler Eigenspannung sollte die Eigenspannung in dem Bereich in der Nähe des Substrats geringer und in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche höher sein, in Abhängigkeit von der Art der Anwendung und/oder dem Typ von Substrat.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht mit einer polykristallinen Struktur abgeschieden, bevorzugt einer feinkristallinen Struktur. Weiterhin kann die polykristalline Struktur so abgeschieden sein, dass in dem Bereich in der Nähe des Substrats die durchschnittliche Kristallitgröße größer ist als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche. Auch kann die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer säulenförmige Struktur in dem Bereich in der Nähe des Substrats und einer polykristallinen Struktur in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche abgeschieden sein.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht mit einem variablen Young'schen Elastizitätsmodul abgeschieden. Zum Beispiel kann die Schicht abgeschieden sein, um einen niedrigeren Young'schen Elastizitätsmodul in dem Bereich in der Nähe des Substrats als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche aufzuweisen. Für einige Anwendungen könnte es von Vorteil sein, eine hohe Härte (≥ 35 GPa) entlang der kompletten (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht unabhängig von der Young'schen Modul-Variation aufrechtzuerhalten.
Eine Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch mehr als eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht umfassen. Zum Beispiel eine untere (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht und eine obere (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht. In diesem Fall könnte die untere Schicht beispielsweise mit den Merkmalen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, entsprechend dem Bereich der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht in der Nähe des Substrats, abgeschieden sein und die obere Schicht könnte beispielsweise mit den Merkmalen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, entsprechend dem Bereich der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht in der Nähe der Beschichtungsoberfläche, abgeschieden sein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein reaktives Lichtbogen-Ionenplattierverfahren zum Abscheiden von Hartbeschichtungen in einer Stickstoff-Reaktionsatmosphäre bereit, umfassend mindestens eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Peakintensitätsverhältnis I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁), die Eigenspannung, die Art von polykristalliner Struktur, die Kristallitgröße, der Young'sche Elastizitätsmodul und die Härte der Beschichtung willkürlich gemäß den erforderlichen Beschichtungseigenschaften durch Auswählen von BIAS-Spannung und Tantal-Gehalt in AlCrTa-Targets unabhängig von weiteren Beschichtungsparametern eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006334740 A [0003, 0003, 0004]
JP 2007105843 A [0004, 0004]

Claims

Hartbeschichtung umfassend mindestens eine Schicht umfassend Chrom, Aluminium, Tantal und Stickstoff als Hauptkomponenten und mit der chemischen Zusammensetzung im Hinblick auf diese Elemente gemäß der Formel: (Al_aCr_bTa_c)N, wobei a, b und c jeweils die Konzentration von Aluminium, Chrom und Tantal im Atomverhältnis nur unter Berücksichtigung von Al, Cr und Ta zur Berechnung der Elementzusammensetzung in der Schicht ist, die Hartbeschichtung gekennzeichnet ist durch: – a = x·(1 – c), – b = (1 – x)·(1 – c), und – 0,60 ≤ x ≤ 0,70, und – 0,01 ≤ c ≤ 0,5, und – mit einem Röntgenbeugungspeak-Intensitätsverhältnis von I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) ≥ 0,25
Hartbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Peakintensitätsverhältnis von I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) ≥ 0,50 aufweist.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine Variation des Peakintensitätsverhältnisses I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) entlang der Schichtdicke.
Hartbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich in der Nähe des Substrats das Peakintensitätsverhältnis I₂₀₀/(I₂₀₀ + I₁₁₁) kleiner ist als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine variable Eigenspannung entlang der Schichtdicke aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich in der Nähe des Substrats die Eigenspannung geringer ist als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine polykristalline Struktur aufweist.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Struktur aufweist, die eine säulenförmige Struktur in dem Bereich in der Nähe des Substrats mit einer feinen polykristallinen Struktur in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristalline Struktur Kristallite mit verschiedenen Korngrößen aufweist, wobei in dem Bereich in der Nähe der Oberflächenbeschichtung die durchschnittlich Größe der Kristallite ist kleiner ist als in dem Bereich in der Nähe des Substrats.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen variablen Young'schen Elastizitätsmodul entlang der Schichtdicke aufweist.
Hartbeschichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich in der Nähe des Substrats der Young'sche Elastizitätsmodul geringer ist als in dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Härte ≥ 32 GPa entlang der kompletten (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht aufweist.
Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 4, 6, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als eine (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht umfasst.
Hartbeschichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes umfasst: eine untere (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht und eine obere (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht, wobei • die untere Schicht die Merkmale entsprechend dem Bereich in der Nähe des Substrats der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 4, 6, 9 oder 11 zeigt, und • die obere Schicht die Merkmale entsprechenden dem Bereich in der Nähe der Beschichtungsoberfläche der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 4, 6, 9 oder 11 zeigt,
Reaktive Lichtbogen-Ionenplattier-PVD-Methode zum Abscheiden einer Hartbeschichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Abscheidung der mindestens einen (Al_aCr_bTa_c)N-Schicht aus AlCrTA-Targets in einer Stickstoff-Reaktionsatmosphäre durchgeführt wird, und • die Beschichtungseigenschaften hinsichtlich Peakintensitätsverhältnis I200/(I200 + I111), Eigenspannung, Art von polykristalliner Struktur, Kristallitgröße, Young'schem Elastizitätsmodul und Beschichtungshärte durch die Wahl von Abscheidungstemperatur, Druck, BIAS-Spannung und Tantal-Gehalt in den AlCrTa-Targets eingestellt werden.