DE102021106674A1

DE102021106674A1 - AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102021106674A1
Application number: DE102021106674.3A
Authority: DE
Inventors: Mandy Höhn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022195054A1; MX2023010940A; KR20230157483A; JP2024510283A; BR112023018737A2; CA3211966A1; US20240158909A1; EP4308745A1; CN117062938A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft eine AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer AlN-Hartstoffschicht, die eine verbesserte Härte und Verschleißbeständigkeit aufweist und zeit- und kostengünstiges herstellbar ist.Erfindungsgemäß wird eine AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik bereitgestellt, die eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Schichtsystem ist, wobei mindestens die eine Schicht oder mindestens eine Schicht des mehrlagigen Schichtsystem eine AlN-basierte Hartstoffschicht mit hexagonaler Gitterstruktur ist, die eine in <002> ausgebildete Textur aufweist, die sauerstoffdotiert ist, wobei die Sauerstoffdotierung im Bereich von 0,01 At.-% bis 15 At.-% vorliegt.Die h-AlN-basierte Hartstoffschicht kann als Verschleißschutzschicht für Schneidwerkzeuge, als Schutzschichten für Turbinenschaufeln oder als Diffusionsbarrieren in der Mikroelektronik eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft eine AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße AlN-basierte Hartstoffschicht ist hochtexturiert und sauerstoffdotiert und kann beispielsweise als Verschleißschutzschichten für Schneidwerkzeuge, als Schutzschichten für Turbinenschaufeln oder als Diffusionsbarrieren in der Mikroelektronik eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind AlON-Schichten bekannt, die vorwiegend als dielektrische Schichten und für resistive Speicher in der Mikroelektronik eingesetzt werden. Dabei werden die Schichten mittels unterschiedlichster CVD- (thermisches CVD, RTP-MOCVD) und PVD-Verfahren hergestellt.
Die JP 2001 287 104 A1 offenbart eine Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten, die Aluminiumoxynitrid enthalten. Jede der Aluminiumoxynitridschichten besteht aus einer festen Al-O-N-Lösung, einer kristallinen Al-O-N-Verbindung oder einer Mischung aus beiden. Zusätzlich kann AlN mit dieser gemischt werden.
Die DE 10 2010 052 687 A1 offenbart ein mehrlagiges, oxinitridisches Schichtsystem mit kubischem AlN und AlON auf Substraten wie vorzugsweise HSS und Hartmetall. Dabei wird ein Schichtaufbau bestehend aus mehreren Lagen offenbart, wobei eine Oxinitrid-Schicht, vorzugsweise aus den Elementen Cr, Al, O und N mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern enthalten ist.
Die US 4 336 305 A1 offenbart eine keramische Wendeschneidplatte, auf deren Oberfläche eine dünne Beschichtung aus mindestens einer Schicht von Al₂O₃ oder AlON mittels CVD-Verfahren angeordnet ist.
Aus der WO 2012 126 031 A1 ist eine Kombination einer TiAlN-Schicht mit einer zweiten Schicht bestehend aus AlON sowie optional Kohlenstoff bekannt, wobei Al teilweise durch anderes Metall ersetzt sein kann.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass die Härte und Verschleißbeständigkeit der hergestellten AlN-Hartstoffschichten unzureichend sind. AlN-basierten Hartstoffschichten nach dem Stand der Technik zeigen eine Härte von rund 2000 HV. Weiterhin ist nachteilig, dass die Herstellung derartiger AlN-basierten Hartstoffschichten zeit- und kostenaufwendig ist.
Die Aufgabe besteht darin, eine AlN-Hartstoffschicht bereitzustellen, die eine verbesserte Härte und Verschleißbeständigkeit aufweist. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, ein zeit- und kostengünstiges thermischen CVD-Verfahren zur Herstellung von AlN-Hartstoffschichten bereitzustellen.
Die Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik gelöst, die eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Schichtsystem ist, wobei mindestens die eine Schicht oder mindestens eine Schicht des mehrlagigen Schichtsystem eine AlN-basierte Hartstoffschicht mit hexagonaler Gitterstruktur ist, die eine in <002> ausgebildete Textur aufweist, die sauerstoffdotiert ist, wobei die Sauerstoffdotierung im Bereich von 0,01 At.-% bis 15 At.-% vorliegt.
Vorteilhafterweise weist die Textur einen Texturkoeffizienten TC von >2,5 bis 8 auf. Auch vorteilhafterweise ist die Textur säulenartig ausgebildet.
Weiterhin vorteilhafterweise weist die h-AlN-basierte Hartstoffschicht eine Schichtdicke zwischen 5 und 40 µm auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine h-AlN-basierte Hartstoffschicht nanokristallin ausgebildet, wobei besonders vorteilhaft die Kristallitgröße 5 nm bis 100 nm beträgt.
Zudem kann besonders vorteilhaft die nanokristalline h-AlN-basierte Hartstoffschicht amorphe Anteile aufweisen, wobei ganz besonders vorteilhaft eine Sauerstoffdotierung von 0,01 At.-% bis 25 At.-% vorhanden ist.
Vorteilhafterweise weist mindestens eine h-AlN-basierte Hartstoffschicht eine Härte von 2500 HV [0,01] bis 2800 HV [0,01] auf.
Weiterhin kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die h-AlN-basierte Hartstoffschicht Dotierungen von Zr, Si, Hf, Ta und/oder Ti aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht vorhanden, die besonders vorteilhaft aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxykarbiden, Oxykarbonitride der Elemente der 4.-6.Nebengruppe des PSE oder aus Oxiden des Al oder Zr bestehen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht TiN, TiCN, TiAlN und/oder Kombinationen davon.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer AlN-basierten Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik bereitgestellt, bei dem mittels eines thermischen CVD-Verfahrens ohne Plasmaanregung in einem CVD-Reaktor eine texturierte, sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht in einer Gasmischung aus AlCl₃, H₂, N₂, NH₃, CO und/oder CO₂ und bei Temperaturen zwischen 850°C und 1050°C und bei Drücken zwischen 0,1 kPa und 30 kPa abgeschieden wird.
Vorteilhafterweise wird NH₃, CO und/oder CO₂ getrennt dem CVD-Reaktor zur Herstellung der abzuscheidenden Gasmischung zugeführt, wobei besonders vorteilhaft eine Gasmischung mit 0,2 Vol.-% bis 2 Vol.-% CO und/oder CO₂ abgeschieden wird.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird eine Gasmischung mit 0,30 Vol.-% bis 2 Vol.-% NH₃ abgeschieden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor der Abscheidung der h-AIN-basierten Hartstoffschicht mindestens eine Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxykarbiden, Oxykarbonitride der Elemente der 4.-6.Nebengruppe des PSE oder aus Oxiden des Al oder Zr abgeschieden, die ganz besonders vorteilhaft als Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht mit TiN, TiCN, TiAlN und/oder Kombinationen davon abgeschieden wird.
Mit der Erfindung wird eine sauerstoffdotierte, texturierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht bereitgestellt, die zeit- und kostengünstig durch ein thermisches CVD-Verfahren ohne Plasmaanregung hergestellt ist und eine verbesserte Härte und Verschleißbeständigkeit aufweist.
Erreicht wird dies dadurch, dass die AlN-basierte Hartstoffschicht mit hexagonaler Gitterstruktur bereitgestellt und hergestellt wird, eine Textur aufweist sowie eine Sauerstoffdotierung im Bereich von 0,01 At.-% bis 15 At.-% enthält und dadurch eine hohe Härte und eine exzellente Verschleißfestigkeit aufweist.
Unter einer Textur soll im Rahmen der Erfindung eine kristallographische Orientierung der Kristallite der sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht verstanden werden, die auf dem Substrat durch das erfindungsgemäße CVD-Verfahren ohne Plasmaanregung aufgewachsen sind. Die Textur ist dabei vorteilhafterweise säulenartig ausgebildet, wobei jede Säule eine im Wesentlichen sechseckige und damit wabenähnliche Form aufweist.
Durch die säulenartige Ausbildung der Textur der sauerstoffdotierten, hochtexturierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht werden durch den direkten Kontakt der nebeneinanderstehenden Säulen innerhalb der erfindungsgemäßen AlN-basierten Hartstoffschicht Eigenspannungen erzeugt, die zu einer Verspannung der Hartstoffschicht und damit zu einer wesentlichen Verbesserung der Härte und Verschleißbeständigkeit führen.
Erfindungsgemäß weist mindestens eine Schicht eines sauerstoffdotierten AIN-basierten Schichtsystems eine hexagonale Gitterstruktur mit einer in <002> ausgebildeten Textur auf.
Die erfindungsgemäße Textur der einzelnen Schicht oder Schichten lässt sich durch einen Texturkoeffizienten TC ausdrücken.
Der Texturkoeffizient TC wird dabei gemäß folgender Formel berechnet gemäß JCPDS 0-25-1133: $T C_{(h k l)} = \frac{I_{(h k l)} / I_{0 (h k l)}}{\frac{1}{n} \sum I_{(h k l)} / I_{0 (h k l)}}$
Für die Berechnung werden die folgenden 8 Netzebenen verwendet: <100>, <002>, <101>, <102>, <110>, <103>, <200>, <112>.
Der TC der erfindungsgemäß hochtexturierten und sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht liegt vorteilhafterweise bei > 2,5 bis 8.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine neue sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik bereitgestellt, wobei die h-AIN-basierte Hartstoffschicht eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Schichtsystem ist.
Bei einem mehrlagigen Schichtsystem kann mindestens eine h-AlN-basierte Hartstoffschicht des Schichtsystems nanokristallin ausgebildet sein. Die nanokristalline Schicht ist besonders feinkörnig ausgebildet und weist eine Kristallitgröße von 5 nm bis 100 nm auf. Eine derartige nanokristalline AlN-basierte Hartstoffschicht kann zudem amorphe Anteile und vorteilhafterweise eine Sauerstoffdotierung von 0,01 At.-% bis 25 At.-% aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem zu beschichtenden Körper und erfindungsgemäßer sauerstoffdotierter h-AlN-basierter Hartstoffschicht eine oder mehrere Anbindungsschichten, Zwischen- und/oder Deckschichten vorhanden sind. Durch das Vorabscheiden einer oder mehrerer Anbindungs-, Zwischen- oder Deckschichten kann insbesondere eine wesentlich bessere Haftung der erfindungsgemäßen sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht auf dem Körper aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik realisiert werden.
Durch das Abscheiden einer oder mehrerer Zwischenschichten zwischen der Anbindungs- und Deckschicht wird eine verbesserte Härte des gesamten Schichtsystems und insbesondere der Anbindungsschicht erreicht.
Das Aufbringen einer oder mehrerer Deckschichten ermöglicht eine weitere Steigerung der Oxidationsbeständigkeit sowie die verbesserte Anbindung der nachfolgend darauf angeordneten h-AlN-basierten Hartstoffschicht. Zudem wird erreicht, dass die Reibung zwischen der hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht und dem zu bearbeitenden Werkstoff verringert wird, wodurch beispielsweise eine wesentlich verbesserte Standzeit der Verschleißschutzschicht erreicht wird. Vorteilhafterweise bestehen die Anbindungs-, Zwischen- oder Deckschichten aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxykarbiden, Oxykarbonitride der Elemente der 4.-6.Nebengruppe des PSE oder aus Oxiden des Al oder Zr.
Besonders vorteilhaft können die Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschichten aus TiN, TiCN, TiAlN und/oder Kombinationen davon sein. Für eine gute Haftung auf dem zu beschichtenden Körper kann beispielsweise die Anbindungsschicht aus TiN bestehen. Zur Verbesserung der Härte kann eine Zwischenschicht beispielsweise aus TiCN vorhanden sein, die auf der Anbindungsschicht abgeschieden wird. Zusätzlich kann zur weiteren Verbesserung der Haftung der erfindungsgemäßen h-AlN-basierten Hartstoffschicht eine zusätzliche Deckschicht aus TiN auf der Zwischenschicht vorgesehen sein.
Mit der erfindungsgemäßen hexagonalen Gitterstruktur der AlN-basierten Hartstoffschicht sowie dem gezielten Einsatz von CO und/oder CO₂ als zusätzliche Sauerstoff-Quelle in der CVD-Beschichtungsvorrichtung in Kombination mit der erfindungsgemäßen Textur werden besonders hohe Härtewerte von 2500 HV [0,01] bis 2800 HV [0,01] erreicht.
Von Vorteil ist es, wenn die h-AlN-basierte Hartstoffschicht zusätzliche Dotierungen von Zr, Si, Hf, Ta und/oder Ti aufweist. Durch das Einbringen geringer Mengen von Zr, Si, Hf, Ta und/oder Ti werden Fremdatome in die hexagonale Gitterstruktur eingebracht und dadurch die Härte und Verschleißbeständigkeit der h-AlN-basierten Hartstoffschicht verbessert.
Die verbesserten Verschleißeigenschaften der erfindungsgemäßen h-AlN-basierten Hartstoffschicht mit Textur und Sauerstoffdotierung werden durch ein thermisches CVD-Verfahren ohne Plasmaanregung erreicht, indem diese Schicht in einem CVD-Reaktor eine Gasmischung aus AlCl₃, H₂, N₂ und NH₃ mit gezielter Zugabe von CO und/oder CO₂, bei Temperaturen zwischen 850°C und 1050°C und bei Drücken zwischen 0,1 kPa und 30 kPa abgeschieden wird.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die für die Beschichtung benötigte reaktive Gasmischung erst innerhalb des CVD-Reaktors gemischt und dort direkt auf dem Substrat abgeschieden wird.
Zur Bereitstellung der Gasmischung im CVD-Reaktor ist es von Vorteil, wenn NH₃ und/oder CO oder CO₂ über separate Gaszuführeinrichtungen in die Reaktorkammer geführt wird.
Die getrennte Zuführung der Bestandteile der Gasmischung hat den Vorteil, dass die Gasmischung im Moment der Abscheidung im Reaktor eine wesentlich höhere Reaktivität aufweist und damit die Gefahr einer vorzeitigen Reaktion in der Gaszuführeinrichtung verringert wird. Zudem lässt sich durch die getrennte Zuführung der Reaktionsgase in den CVD-Reaktor die Zusammensetzung der Gasmischung individuell und in einfacher Weise einstellen und insbesondere die Zufuhr von NH₃, CO₂ und/oder CO steuern.
Ebenfalls als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Gasmischung mit 0,2 Vol.- % bis 2,0 Vol.-% CO und/oder CO₂ abgeschieden wird. Die gezielte Zugabe von CO und/oder CO₂ führt zu einer gezielten Einlagerung von Sauerstoff in die AlN-basierten Hartstoffschicht ohne direkte Gitterbindung in die hexagonale Gitterstruktur. Dies führt insbesondere zu einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit der h-AlN-basierten Hartstoffschicht. Vorteilhafterweise kann die Gasmischung zusätzlich Dotierungen von Zr, Si, Hf, Ta und/oder Ti aufweisen, die in die hexagonale Gitterstruktur der h-AlN-basierte Hartstoffschicht während der Abscheidung der Hartstoffschicht eingebaut werden.
Überraschenderweise konnte herausgefunden werden, dass eine starke Texturierung mit einem hohen Texturkoeffizient TC von > 2,5 bis 8 dann erreicht wird, wenn die abzuscheidende Gasmischung einen Anteil an NH₃ von 0,3 Vol.-% bis 2,0 Vol.-% aufweist.
In der Zusammenfassung der Erfindung wird eine neuartige hochtexturierte, sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht bereitgestellt, die eine hohe Härte bis 2800 HV [0,01] und eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Überraschenderweise hat der gezielte Einbau eines konkreten Anteils an Sauerstoff bei der Abscheidung der Schicht einen positiven Einfluss auf die Struktur und die Eigenschaften der erfindungsgemäßen h-AlN-basierten Hartstoffschicht. Das neue LPCVD-Verfahren erlaubt die Herstellung der Schichten im Temperaturbereich von 850°C - 1050°C.
Nachstehend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Abbildungen näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:

: Röntgendiffraktogramm der mittels CVD hergestellten hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-Schicht gemäß Ausführungsbeispiel 1,
: TEM-Aufnahme der hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 1
: TEM-EDX Analyse der hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 1
: Röntgendiffraktogramm der mittels CVD hergestellten hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht Ausführungsbeispiel 2
: TEM-Aufnahme der hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 2
: TEM-EDX Analyse der hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 2
: REM-Querschliff-Aufnahme einer 40µm dicken hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 3
: EDX-Analyse der mittels CVD hergestellten hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht dotiert mit Silizium gemäß Ausführungsbeispiel 4
: EDX-Analyse der mittels CVD hergestellten hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht dotiert mit Zirkon gemäß Ausführungsbeispiel 5
: Verschleißtest einer hochtexturierten, sauerstoffdotierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht gemäß Ausführungsbeispiel 1, 4 und 5

Ausführungsbeispiel 1
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten, die mit einem 5 µm dicken TiN/TiCN/TiN-Schichtsystem als Anbindungs-, Zwischen- und Deckschicht vorbeschichtet sind, wird eine hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht mittels thermischen CVD-Verfahrens ohne Plasmaanregung als Deckschicht abgeschieden. Der Beschichtungsprozess wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm durchgeführt. Die CVD-Beschichtung erfolgt mit einer Gasmischung aus 0,46 Vol.-% AlCl₃, 0,31 Vol.-% NH₃, 0,72 Vol.-% CO₂, 4,80 Vol.-% N₂ und 93,71 Vol.-% H₂. Die Abscheidungstemperatur beträgt 900°C und der Prozessdruck ist 6 kPa. Nach einer Beschichtungszeit von 90 min wird eine 5,2 µm dicke hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht erhalten.
Bei der durchgeführten röntgenographischen Schichtanalyse wird eine h-AlN-Phase nachgewiesen, deren Kristallite stark texturiert in <002>-Richtung aufgewachsen sind. Der Texturkoeffizient TC beträgt 7,2. TEM-Untersuchungen kombiniert mit einer Elementanalyse gemäß den und ergaben, dass die h-AlN-Phase mit 13 At.-% Sauerstoff dotiert ist. Mittels Vickersindenter wurde eine Mikrohärte von 2690 HV [0,01] gemessen.
Die Elementanalyse im TEM ergab folgende Elementgehalte:

47 At.-% Al,
39,5 At.-% N,
13 At.-% O,
und 0,5 At.-% Cl.

Ausführungsbeispiel 2
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten, die mit einem 5 µm dicken TiN/TiCN/TiN-Schichtsystem als Anbindungs-, Zwischen- und Deckschicht vorbeschichtet sind, wird eine hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht, die nanokristallin mit amorphen Anteilen vorliegt, mittels thermischen CVD-Verfahrens als Deckschicht abgeschieden. Der Beschichtungsprozess wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm durchgeführt. Die CVD-Beschichtung erfolgt mit einer Gasmischung aus 0,46 Vol.-% AlCl₃, 0,42 Vol.-% NH₃, 0,61 Vol.-% CO₂, 4,68 Vol.-% N₂ und 93,83 Vol.-% H₂. Die Abscheidungstemperatur beträgt 850°C und der Prozessdruck ist 6 kPa. Nach einer Beschichtungszeit von 90 min wird eine 6,0 µm dicke hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht erhalten, die nanokristallin mit amorphen Anteilen vorliegt.
Bei der durchgeführten röntgenographischen Schichtanalyse wird mittels Röntgendiffraktogramm gemäß eine h-AlN-Phase nachgewiesen, deren Kristallite stark texturiert in <002>-Richtung aufgewachsen sind. Der Texturkoeffizient TC beträgt 4,2. TEM-Untersuchungen kombiniert mit einer Elementanalyse gemäß und ergaben, dass die h-AlN-Phase mit 24 At.-% Sauerstoff dotiert ist. Mittels Vickersindenter wurde eine Mikrohärte von 2580 HV [0,01] gemessen.
Die Elementanalyse im TEM ergab folgende Elementgehalte:

45 At.-% Al,
30,5 At.-% N,
24 At.-% O,
und 0,5 At.-% Cl.

Ausführungsbeispiel 3
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten, die mit einem 1 µm dicken TiN-Anbindungsschicht vorbeschichtet ist, wird eine hochtexturierte, sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht mittels thermischen CVD-Verfahrens als Deckschicht abgeschieden. Der Beschichtungsprozess wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm durchgeführt. Die CVD-Beschichtung erfolgt mit einer Gasmischung aus 0,46 Vol.-% AlCl₃, 0,45 Vol.-% NH₃, 0,58 Vol.-% CO₂, 4,80 Vol.-% N₂ und 93,71 Vol.-% H₂. Die Abscheidungstemperatur beträgt 1000°C und der Prozessdruck ist 6 kPa. Nach einer Beschichtungszeit von 150 min wird eine 40,0 µm dicke hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht erhalten.
Bei der durchgeführten röntgenographischen Schichtanalyse wird eine h-AlN-Phase nachgewiesen, deren Kristallite stark texturiert in <002>-Richtung aufgewachsen sind. Der Texturkoeffizient TC beträgt 5,4. Die REM-Untersuchung des Querschliffes gemäß zeigt eine 40µm dicke hochtexturierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht. Mittels Vickersindenter wurde eine Mikrohärte von 2760 HV [0,01] gemessen.
Ausführungsbeispiel 4
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten, die mit einem 5 µm dicken TiN/TiCN/TiN-Schichtsystem als Anbindungs-, Zwischen- und Deckschicht vorbeschichtet sind, wird eine hochtexturierten und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht dotiert mit Silizium mittels thermischen CVD-Verfahrens als Deckschicht abgeschieden. Der Beschichtungsprozess wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm durchgeführt. Die CVD-Beschichtung erfolgt mit einer Gasmischung aus 0,46 Vol.-% AlCl₃, 0,06 Vol.-% SiCl₄, 0,31 Vol.-% NH₃, 0,72 Vol.-% CO₂, 4,80 Vol.-% N₂ und 93,65 Vol.-% H₂. Die Abscheidungstemperatur beträgt 900°C und der Prozessdruck ist 6 kPa. Nach einer Beschichtungszeit von 90 min wird eine 4,8 µm dicke hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht dotiert mit Silizium erhalten.
Bei der durchgeführten röntgenographischen Schichtanalyse wird eine h-AlN-Phase nachgewiesen, deren Kristallite stark texturiert in <002>-Richtung aufgewachsen sind. Der Texturkoeffizient TC beträgt 3,7. Gemäß zeigt die EDX-Untersuchung des Querschliffes eine Dotierung der hochtexturierten h-AlN-Schicht mit Sauerstoff und Silizium. Mittels Vickersindenter wurde eine Mikrohärte von 2610 HV [0,01] gemessen.
Ausführungsbeispiel 5
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten, die mit einem 5 µm dicken TiN/TiCN/TiN-Schichtsystem als Anbindungs-, Zwischen- und Deckschicht vorbeschichtet sind, wird eine hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AIN-basierte Hartstoffschicht dotiert mit Zirkon mittels thermischen CVD-Verfahrens als Deckschicht abgeschieden. Der Beschichtungsprozess wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm durchgeführt. Die CVD-Beschichtung erfolgt mit einer Gasmischung aus 0,46 Vol.-% AlCl₃, 0,04 Vol.-% ZrCl₄, 0,31 Vol.-% NH₃, 0,72 Vol.-% CO₂, 4,80 Vol.-% N₂ und 93,67 Vol.-% H₂. Die Abscheidungstemperatur beträgt 1030°C und der Prozessdruck ist 6 kPa. Nach einer Beschichtungszeit von 90 min wird eine 4,5 µm dicke hochtexturierte und sauerstoffdotierte h-AIN-basierte Hartstoffschicht dotiert mit Zirkon erhalten.
Bei der durchgeführten röntgenographischen Schichtanalyse wird eine h-AlN-Phase nachgewiesen, deren Kristallite stark texturiert in <002>-Richtung aufgewachsen sind. Der Texturkoeffizient TC beträgt 4,1. Gemäß zeigt die EDX-Untersuchung des Querschliffes eine Dotierung der hochtexturierten h-AlN-basierten Hartstoffschicht mit Sauerstoff und Zirkon. Mittels Vickersindenter wurde eine Mikrohärte von 2650 HV [0,01] gemessen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001287104 A1 [0003]
DE 102010052687 A1 [0004]
US 4336305 A1 [0005]
WO 2012126031 A1 [0006]

Claims

AlN-basierte Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik, die eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Schichtsystem ist, wobei mindestens die eine Schicht oder mindestens eine Schicht des mehrlagigen Schichtsystems eine AlN-Schicht mit hexagonaler Gitterstruktur ist, die eine in <002> ausgebildete Textur aufweist, die sauerstoffdotiert ist, wobei die Sauerstoffdotierung im Bereich von 0,01 At.-% bis 15 At.-% vorliegt.
Hartstoffschicht nach Anspruch 1, bei der die Textur einen Texturkoeffizienten TC von >2,5 bis 8 aufweist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Textur säulenartig ausgebildet ist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die h-AlN-basierte Hartstoffschicht eine Schichtdicke zwischen 5 und 40 µm aufweist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine h-AlN-basierte Hartstoffschicht nanokristallin ausgebildet ist.
Hartstoffschicht nach Anspruch 5, bei der die Kristallitgröße 5 nm bis 100 nm beträgt.
Hartstoffschicht nach Anspruch 5, bei der die nanokristalline h-AlN-basierte Hartstoffschicht amorphe Anteile aufweist.
Hartstoffschicht nach Anspruch 7, bei der eine Sauerstoffdotierung von 0,01 At.- % bis 25 At.-% vorhanden ist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die h-AlN-basierte Hartstoffschicht Dotierungen von Zr, Si, Hf, Ta und/oder Ti aufweist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine h-AlN-basierte Hartstoffschicht eine Härte von 2500 HV [0,01] bis 2800 HV [0,01] aufweist.
Hartstoffschicht nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht vorhanden ist.
Hartstoffschicht nach Anspruch 11, bei der die Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxykarbiden, Oxykarbonitride der Elemente der 4.-6.Nebengruppe des PSE oder aus Oxiden des Al oder Zr bestehen.
Hartstoffschicht nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht TiN, TiCN, TiAlN und/oder Kombinationen davon ist.
Verfahren zur Herstellung einer AlN-basierten Hartstoffschicht auf Körpern aus Metall, Hartmetall, Cermet oder Keramik, bei dem mittels eines thermischen CVD-Verfahrens ohne Plasmaanregung in einem CVD-Reaktor eine texturierte, sauerstoffdotierte h-AlN-basierte Hartstoffschicht in einer Gasmischung aus AlCl₃, H₂, N₂, NH₃, CO und/oder CO₂ und bei Temperaturen zwischen 850°C und 1050°C und bei Drücken zwischen 0,1 kPa und 30 kPa abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem NH₃, CO und/oder CO₂ getrennt dem CVD-Reaktor zur Herstellung der abzuscheidenden Gasmischung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem eine Gasmischung mit 0,2 Vol.- % bis 2 Vol.-% CO und/oder CO₂ abgeschieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, bei dem eine Gasmischung mit 0,30 Vol.-% bis 2 Vol.-% NH₃ abgeschieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, bei dem vor der Abscheidung der h-AlN-basierten Hartstoffschicht mindestens eine Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht aus Nitriden, Karbiden, Karbonitriden, Oxykarbiden, Oxykarbonitride der Elemente der 4.-6.Nebengruppe des PSE oder aus Oxiden des Al oder Zr abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine Anbindungs-, Zwischen- und/oder Deckschicht mit TiN, TiCN, TiAlN und/oder Kombinationen davon abgeschieden wird.