DE112008001939B4 - Oxidfilm, Oxidfilm-beschichtetes Material und Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms - Google Patents

Abstract

Oxidfilm, der aus (Zr_1-a-b-cAl_aMg_bY_c)(O_1-xN_x) besteht und durch ein kathodisches Lichtbogenionenplattierungsverfahren unter Verwendung eines Metalltargets gebildet worden ist, das Zr, Al und eines oder mehrere von Mg und Y enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Formeln (1) bis (5) erfüllt sind: $$\mathrm{0,1}\le \text{a}\le \text{0}\text{,7}$$

$$0\le \text{b}\le \text{0}\text{,15}$$

$$0\le \text{c}\le \text{0}\text{,15}$$

$$0<\text{b}+\text{c}$$

$$0\le \text{x}\le \text{0}\text{,5}$$

wobei a das Atomverhältnis von Al, b das Atomverhältnis von Mg, c das Atomverhältnis von Y, 1-a-b-c das Atomverhältnis von Zr, x das Atomverhältnis von N und 1-x das Atomverhältnis von O darstellen.

Description

• Diese Erfindung gehört zu einem technischen Gebiet, das einen Oxidfilm, ein Oxidfilm-beschichtetes Material und ein Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms betrifft. Insbesondere gehört die Erfindung zu einem technischen Gebiet, das einen Oxidfilm betrifft, der eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufweist und in vorteilhafter Weise als Beschichtungsfilm für Schneidwerkzeuge, Gusswerkzeuge, Gesenke bzw. Matrizen bzw. Stempel bzw. Ziehdüsen zum Formen und dergleichen verwendet werden kann.
• Es ist bekannt, Oxide für Schneidwerkzeuge einzusetzen, wobei Oxidfilme, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammengesetzt sind, vorwiegend mit einem CVD-Verfahren (chemisches Dampfabscheidungsverfahren) gebildet werden. Das CVD-Verfahren kann nicht für Werkzeuge, deren Schneide scharf ist, oder für Achswerkzeuge eingesetzt werden, da die Behandlungstemperatur bei der Bildung im Allgemeinen einen hohen Wert von 1000 °C oder darüber aufweist, und folglich wurden Studien bezüglich Bildungstechniken mit einem PVD-Verfahren (physikalisches Dampfabscheidungsverfahren) durchgeführt. In der japanischen Patentveröffentlichung JP 3323534 B2 wurde ein Verfahren zum Bilden von (Al, Cr)-Oxiden mit einem PVD-Verfahren vorgeschlagen. In der japanischen offengelegten Patentanmeldung JP 2002 544379 A ist ein Verfahren beschrieben, bei dem γ-Aluminiumoxid auf einem Werkzeug mit einem Pulssputterverfahren gebildet wird.
• Es ist bekannt, ein α- oder γ-Aluminiumoxid mit dem PVD-Verfahren zu bilden. Zur Bildung des α-Typs sind hohe Temperaturen von über 700 °C erforderlich, und der γ-Typ kann bei niedrigen Temperaturen gebildet werden, wobei das Problem auftritt, dass die Wärmestabilität bei hohen Temperaturen schlecht ist. In der vorstehend genannten japanischen Patentveröffentlichung JP 3323534 B2 ist angegeben, dass Cr, das die Bildung von α-Oxidkristallen bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht, zugesetzt wird, so dass (AI, Cr)-Oxide gebildet werden, wodurch eine α-Struktur bei niedrigen Temperaturen erhalten wird. Die Zugabe von Cr führt jedoch zur Senkung der Verschleißfestigkeit.
• Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen gemacht und ihre Aufgabe ist es, einen Oxidfilm, ein Oxidfilm-beschichtetes Material und ein Verfahren zum Bilden des Oxidfilms bereitzustellen, wobei der Film eine bessere Verschleißfestigkeit als bisher bekannte Oxidfilme auf Aluminiumoxidbasis aufweist.
• Zum Lösen der vorstehend genannten Aufgabe haben die vorliegenden Erfinder intensive Untersuchungen durchgeführt und als Ergebnis die Erfindung gemacht. Die vorstehend genannte Aufgabe kann erfindungsgemäß gelöst werden.
• Die auf diese Weise gemachte Erfindung, welche die vorstehend genannte Aufgabe lösen kann, stellt einen Oxidfilm, ein Oxidfilm-beschichtetes Material und ein Verfahren zum Bilden des Oxidfilms bereit, die jeweils wie folgt konfiguriert sind.
• Insbesondere ist ein erfindungsgemäßer Oxidfilm ein Oxidfilm, der aus (Zr_1-a-b-cAl_aMg_bY_c)(O_1-xN_x) besteht und durch ein kathodisches Lichtbogenionenplattierungsverfahren unter Verwendung eines Metalltargets gebildet worden ist, das Zr, AI und eines oder mehrere von Mg und Y enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Formeln (1) bis (5) erfüllt sind (erste Erfindung). $$\mathrm{0,1}\le \text{a}\le \text{0}\text{,7}$$

  

  $$0\le \text{b}\le \text{0}\text{,15}$$

  

  $$0\le \text{c}\le \text{0}\text{,15}$$

  

  $$0<\text{b}+\text{c}$$

  

  $$0\le \text{x}\le \text{0}\text{,5}$$

  
• In den vorstehenden Formeln stellen a das Atomverhältnis von Al, b das Atomverhältnis von Mg, c das Atomverhältnis von Y, 1-a-b-c das Atomverhältnis von Zr, x das Atomverhältnis von N und 1-x das Atomverhältnis von O dar.
• Der erfindungsgemäße Oxidfilm ist vorzugsweise derart, dass x 0 ist (zweite Erfindung).
• Ein erfindungsgemäßes Oxidfilm-beschichtetes Material besteht aus einem Oxidfilm-beschichteten Material, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Oxidfilm der ersten oder zweiten Erfindung und einem Substrat ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, AI und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, ausgebildet ist (dritte Erfindung).
• Ein erfindungsgemäßes Oxidfilm-beschichtetes Material besteht aus einem Oxidfilm-beschichteten Material, das dadurch gekennzeichnet ist, dass abwechselnd auf einem Substrat ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, und der Oxidfilm der ersten oder zweiten Erfindung ausgebildet sind (vierte Erfindung).
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jedweder der Oxidfilme der ersten bis vierten Erfindung mit einem kathodischen Lichtbogenionenplattierungsverfahren gebildet wird.
• Der erfindungsgemäße Oxidfilm weist eine bessere Verschleißfestigkeit auf als herkömmliche Oxidfilme auf Aluminiumoxidbasis und kann in vorteilhafter Weise als Beschichtungsfilm für Schneidwerkzeuge, Gusswerkzeuge, Gesenke bzw. Matrizen bzw. Stempel bzw. Ziehdüsen zum Formen und dergleichen verwendet werden, wodurch eine verbesserte Standzeit derselben ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Oxidfilm-beschichtete Material weist eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf und kann in vorteilhafter Weise als Material für Schneidwerkzeuge oder Gusswerkzeuge, Gesenke bzw. Matrizen bzw. Stempel bzw. Ziehdüsen zum Formen verwendet werden, um diesen eine verbesserte Standzeit zu verleihen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms kann der Oxidfilm der Erfindung bei Temperaturen gebildet werden, die niedriger sind als in dem Fall eines CVD-Verfahrens.
• Bei dem erfindungsgemäßen Oxidfilm handelt es sich um einen Oxidfilm, bei dem Mg oder Y einem als Basis verwendeten Zr-Oxid zugesetzt wird, so dass das Kristallsystem des Films teilweise oder vollständig von einem monoklinen System zu einem tetragonalen System oder kubischen System stabilisiert wird, so dass die Festigkeit des Films als solchem erhöht wird, wodurch dem Film eine hervorragende Verschleißfestigkeit verliehen wird.
• Die Zugabe selbst kleiner Mengen von Mg oder Y führt zu der Kristallisation eines Teils des Films und ist somit wirksam, weshalb die Gesamtmenge von Mg und Y als mehr als 0 definiert ist. Insbesondere sind das Verhältnis (Atomverhältnis b) von Mg und das Verhältnis (Atomverhältnis c) der Metallelemente (Zr, AI, Mg, Y) so definiert, dass das Verhältnis von Mg und Y (Atomverhältnis b + c) mehr als 0 beträgt. Das Verhältnis von Mg und Y (Atomverhältnis b + c) beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,03 und mehr bevorzugt nicht weniger als 0,05, da der Film bei nicht weniger als 0,05 in ein kubisches System umgewandelt wird. Wenn Mg und Y jedoch im Überschuss zugesetzt werden, vermindert sich die Härte, weshalb das Verhältnis von Mg (Atomverhältnis b) so definiert ist, dass es nicht mehr als 0,15 beträgt, und das Verhältnis von Y (Atomverhältnis c) so definiert ist, dass es nicht mehr als 0,15 beträgt. Das Atomverhältnis b ist vorzugsweise nicht größer als 0,1. Das Atomverhältnis c ist vorzugsweise nicht größer als 0,1.
• Da die Zugabe von AI zur Bildung von Al-O-Bindungen in dem Film führt, so dass die Härte erhöht wird, wird erfindungsgemäß AI zugesetzt. Das Verhältnis (Atomverhältnis a) von AI der Metallelemente (Zr, Al, Mg, Y) beträgt erfindungsgemäß nicht weniger als 0,1, bevorzugt nicht weniger als 0,2. Ein Zusatz von mehr als 0,7 führt jedoch zu einem amorphen Zustand in dem gesamten Film und folglich vermindert sich die Härte, weshalb das Verhältnis (Atomverhältnis a) als nicht mehr als 0,7 definiert ist. Das Verhältnis (Atomverhältnis a) von Al beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,5, mehr bevorzugt nicht mehr als 0,3.
• Der erfindungsgemäße Oxidfilm umfasst ein Oxid als Basis. Wenn N zugesetzt wird, wird die Wärmestabilität niedriger als in dem Fall von Oxiden. Dennoch werden in dem Film Bindungen eines Nitrids mit höherer Härte gebildet, wodurch die Filmhärte als Ganzes erhöht wird. Wenn das Verhältnis (Atomverhältnis x) von N der Nichtmetallelemente (O, N) nicht weniger als 0,1 beträgt, wird eine Umwandlung zu einem Film mit großer Härte festgestellt. Wenn das Verhältnis 0,5 übersteigt, sinkt die Wärmebeständigkeit einhergehend mit einer Verschlechterung der Schneideigenschaften. Wenn N zugesetzt wird, ist es demgemäß erforderlich, dass das Verhältnis (Atomverhältnis x) von N nicht mehr als 0,5, vorzugsweise nicht mehr als 0,4 und mehr bevorzugt nicht mehr als 0,3 beträgt.
• Die Erfindung wurde auf der Basis dieser Erkenntnisse gemacht. Der auf diese Weise erhaltene Oxidfilm der Erfindung ist ein Oxidfilm, der aus (Zr_1-a-b-cAl_aMg_bY_c)(O_1-xN_x) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Formeln (1) bis (5) erfüllt sind (erste Erfindung). Der Oxidfilm der Erfindung weist eine bessere Verschleißfestigkeit auf als bekannte Oxidfilme auf Aluminiumbasis und kann in vorteilhafter Weise als Beschichtungsfilm für Schneidwerkzeuge, Gusswerkzeuge, Gesenke bzw. Matrizen bzw. Stempel bzw. Ziehdüsen zum Formen und dergleichen verwendet werden, wodurch eine verbesserte Standzeit ermöglicht wird. Der Oxidfilm der Erfindung weist auch eine hervorragende Wärmestabilität bei hohen Temperaturen auf. Der Oxidfilm der Erfindung kann mit einem PVD-Verfahren gebildet werden, dessen Behandlungstemperatur niedriger ist als in dem Fall eines CVD-Verfahrens, wodurch der Oxidfilm in geeigneter Weise als Filmbeschichtung für Werkzeuge verwendet werden kann, deren Schneide scharf ist. $$\mathrm{0,1}\le \text{a}\le \text{0}\text{,7}$$

  

  $$0\le \text{b}\le \text{0}\text{,15}$$

  

  $$0\le \text{c}\le \text{0}\text{,15}$$

  

  $$0<\text{b}+\text{c}$$

  

  $$0\le \text{x}\le \text{0}\text{,5}$$

  

  worin a das Atomverhältnis von Al, b das Atomverhältnis von Mg, c das Atomverhältnis von Y, 1-a-b-c das Atomverhältnis von Zr, x das Atomverhältnis von N und 1-x das Atomverhältnis von O darstellen.
• Obwohl der Oxidfilm der Erfindung durch Einbringen von N in den Film sehr hart wird, vermindert sich die Oxidationsbeständigkeit. Demgemäß sollte der Oxidfilm der Erfindung in einem Fall, bei dem die Werkzeugtemperatur während des Gebrauchs ansteigt, wie z.B. bei der Trockenbearbeitung, vorzugsweise frei von Stickstoff sein, d.h. das Verhältnis (Atomverhältnis x) von N der Nichtmetallelemente (O, N) = 0 (zweite Erfindung).
• Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oxidfilm-beschichteten Materials ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oxidfilm der Erfindung und einem Substrat ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, ausgebildet ist (der nachstehend als Basisfilm bezeichnet werden kann) (dritte Erfindung). Bei diesem Oxidfilm-beschichteten Material ist die Haftung an dem Oxidfilm mittels des Basisfilms verbessert und es weist eine noch bessere Haftung und eine hervorragende Standzeit auf. Während der Oxidfilm einen großen negativen Wert der freien Energie bei dessen Bildung aufweist und inaktiv ist, ist insbesondere die Haftung an einem Substrat schlecht. Die Bildung zwischen dem Substrat und dem Oxidfilm ermöglicht eine Verbesserung der Haftung und folglich kann schließlich die Standzeit verbessert werden. Es sollte beachtet werden, dass von den Basisfilmen der Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, AI und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, ein Film ist, der z.B. aus TiN, CrN, TiC, CrC, TiO₂, (Ti, Al)N, (Al, Cr)N und (Ti, Cr, Al)N hergestellt ist. Bei einem Hartmetallsubstrat ist es im Hinblick auf die Verbesserung der Haftung bevorzugt, (Ti, Al)N, (Al, Cr)N oder (Ti, Cr, Al)N als den vorstehend genannten Basisfilm zu verwenden. Wenn das verwendete Substrat ein Substrat auf Eisenbasis ist, sind TiN oder CrN im Hinblick auf die Verbesserung der Haftung bevorzugt.
• Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oxidfilm-beschichteten Materials ist dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd auf einem Substrat ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist (der nachstehend als andere Schicht bezeichnet werden kann), und der Oxidfilm der Erfindung ausgebildet sind (vierte Erfindung). Dieses Oxidfilm-beschichtete Material weist eine verbesserte Zähigkeit auf. Im Allgemeinen weisen Oxidfilme eine geringere Zähigkeit des Films auf als Nitride, wobei die Möglichkeit besteht, dass im Verlauf von Anwendungen mit unterbrochenem Schnitt ein Problem bezüglich des Spitzenverschleißes der Schneide entsteht. Die Standzeit des Oxidfilm-beschichteten Materials gemäß dieser Ausführungsform kann jedoch durch abwechselndes Bilden der vorstehend beschriebenen anderen Schicht und des Oxidfilms der Erfindung, so dass eine Mehrfachschicht gebildet wird, verbessert werden. Als Folge ist es unwahrscheinlich, dass ein Spitzenverschleiß der Schneide stattfindet, wodurch eine Verbesserung der Standzeit ermöglicht wird. Das Schicht-zu-Schicht-Intervall beträgt in diesem Fall vorzugsweise 10 bis 500 nm. Der Film unmittelbar auf dem Substrat kann die andere Schicht sein oder es kann sich um den Oxidfilm der Erfindung handeln, wobei die andere Schicht im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit bevorzugt ist. Der oberste Oberflächenfilm des Mehrschichtfilms kann entweder eine andere Schicht oder der Oxidfilm der Erfindung sein, wobei der Oxidfilm der Erfindung im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit in der anfänglichen Stufe von dessen Gebrauch bevorzugt ist. Es sollte beachtet werden, dass der Film, der als die andere Schicht dient und aus einem Element oder mehreren Elementen der Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, AI und Si und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, z.B. diejenigen Filme umfasst, die aus TiN, CrN, TiC, CrC, TiO₂, (Ti, Al)N, (Al, Cr)N und (Ti, Cr, Al)N bestehen.
• Der Oxidfilm der Erfindung wird durch PVD-Verfahren gebildet. Erfindungsgemäß wird der Film durch ein kathodisches Lichtbogenionenplattierungsverfahren (AIP-Verfahren) gebildet. Insbesondere kann das CVD-Verfahren aufgrund der hohen Behandlungstemperatur nicht auf ein Werkzeug angewandt werden, dessen Schneide scharf ist. Im Gegensatz dazu sind mit dem PVD-Verfahren die Behandlungstemperaturen so niedrig, dass eine Anwendung auf ein Werkzeug mit einer scharfen Schneide möglich ist, für welches die Bildung mit dem PVD-Verfahren bevorzugt ist. Wenn der Oxidfilm der Erfindung durch Verdampfen eines Metalltargets in einer Sauerstoffatmosphäre durch ein PVD-Verfahren gebildet wird, treten bei der Einstellung der Filmzusammensetzung in einem Verfahren des Schmelzens des Targets, wie z.B. einer Elektronenstrahlabscheidung, Schwierigkeiten auf, da eine Mehrzahl von Elementen mit verschiedenen Schmelzpunkten enthalten ist. Im Gegensatz dazu ist es mit dem kathodischen Lichtbogenionenplattierungsverfahren, wie es als PVD-Verfahren erfindungsgemäß verwendet wird, einfach, die Filmzusammensetzung einzustellen. Im Hinblick darauf ist das Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms der Erfindung durch Bilden des Oxidfilms der Erfindung durch ein kathodisches Lichtbogenionenplattierungsverfahren gekennzeichnet (fünfte Erfindung).
• Beispiele
• Nachstehend sind Beispiele der Erfindung und Vergleichsbeispiele veranschaulicht. Es sollte beachtet werden, dass die Erfindung nicht so aufgefasst werden sollte, dass sie auf die Beispiele beschränkt ist, und die Erfindung kann durch Hinzufügen geeigneter Änderungen innerhalb eines Bereichs ausgeführt werden, der an den Inhalt der Erfindung angepasst werden kann, und alle diese Änderungen sind vom technischen Umfang der Erfindung umfasst.
• Beispiel 1
• Ein Metalltarget, das Zr und eines oder mehrere von Al, Mg und Y enthält, wurde zur Bildung von Oxidfilmen mit den in der Tabelle 1 angegebenen Formulierungen mittels einer Magnetronsputter-Filmbildungsvorrichtung (nicht-erfindungsgemäß) oder einer kathodischen Lichtbogenionenplattierungs-Filmbildungsvorrichtung mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle (erfindungsgemäß) verwendet.
• In diesem Beispiel wurde in dem Fall einer Filmbildung zur Prüfung der Filmzusammensetzung und der Härte ein auf Spiegelglanz poliertes Hartmetallsubstrat als Substrat verwendet. In dem Fall einer Filmbildung für einen Schneidtest wurde ein Hartmetalleinsatz (SNGA 120408) verwendet, auf dem jeweils Oxidfilme mit den in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen gebildet wurden. Bei der Bildung von jedwedem dieser Filme wurde ein Substrat in eine Kammer der Filmbildungsvorrichtung eingebracht und die Kammer wurde evakuiert (auf 1 × 10^-3 Pa oder weniger evakuiert), worauf das Substrat auf etwa 600 °C erhitzt und einem Sputterreinigen mit Ar-Ionen unterzogen wurde. Danach wurde zur Filmbildung unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle die Filmbildung unter Verwendung eines Targets mit einem Durchmesser von 100 mm bei einem Lichtbogenstrom von 150 A in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 bis 0,3 Pa) bei einem Gesamtdruck von 1 Pa durchgeführt. Der Lichtbogenstrom bei der Filmbildung wurde auf 100 A eingestellt und für die an das Substrat angelegte Vorspannung wurden Pulse eingesetzt, wobei eine unipolare Vorspannung bei einer Frequenz von 30 kHz innerhalb eines Bereichs von -50 bis -100 V bei einer Einschaltdauer von 77 % angelegt wurde. Andererseits wurde die Filmbildung beim Sputtern in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 bis 0,3 Pa) bei einem Gesamtdruck von 0,6 Pa durchgeführt. Es sollte beachtet werden, dass in dem Fall der Bildung aller Oxidfilme in der Tabelle 1 vor der Bildung des Oxidfilms als ein Basisfilm ein TiAIN-Film unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle auf dem Substrat gebildet wurde.
• Die auf diese Weise gebildeten Filme wurden einer Messung der Filmhärte und einem Schneidtest unterzogen. Die Messung der Filmhärte wurde derart durchgeführt, dass ein Hartmetallsubstrat mit ausgebildetem Film einer Messung mit einem Vickers-Mikrohärtetestgerät unter Bedingungen einer Messbelastung von 0,25 N und einer Messzeit von 15 Sekunden unterzogen wurde. Der Schneidtest wurde unter Verwendung eines Hartmetalleinsatzes als Schneidwerkzeug unter den nachstehend angegebenen Schneidtestbedingungen durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit im Hinblick auf die Kraterverschleißtiefe zu bewerten. Die Ergebnisse des Tests sind in der Tabelle 1 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass die Werte in der Spalte der Zusammensetzung Werte sind, die als Atomverhältnis angegeben sind.
• Bedingungen des Schneidtests
• • Werkstück: FCD400
• • Schnittgeschwindigkeit: 200 m/Minute
• • Schnitttiefe: 3 mm
• • Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung
• • Weitere Bedingungen: Trockenbearbeitung, kein Luftstrom, Schnittzeit 2 min
Tabelle 1

Nr.	Filmbildungsverfahren	Zr	Al	Mg	Y	O	N	Härte	Kraterverschleiß
		Atom-%						GPa	µm
1	AIP	(Al0.5Cr0.5)O						22	>5
2	SP	1	0	0	0	1	0	20	>5
3	SP	0,97	0	0	0,03	1	0	25	3,2
3a	SP	0,95	0	0	0,05	1	0	25	2,6
4	SP	0,93	0	0	0,07	1	0	28	2,4
5	SP	0,9	0	0	0,1	1	0	26	2,5
6	SP	0,85	0	0	0,15	1	0	24	3,6
7	SP	0,8	0	0	0,2	1	0	18	>5
8	SP	0,97	0	0,01	0,02	1	0	25	3,5
9	SP	0,93	0	0,02	0,05	1	0	27	2,6
10	SP	0,9	0	0,05	0,05	1	0	25	3
11	SP	0,4	0	0,1	0,5	1	0	24	3,6
12	SP	0,8	0	0,2	0	1	0	15	>5
13	AIP	0,88	0,05	0	0,07	1	0	29	2,2
14	AIP	0,83	0,1	0	0,07	1	0	29	1,8
15	AIP	0,73	0,2	0	0,07	1	0	30	1,3
16	AIP	0,63	0,3	0	0,07	1	0	32	1
17	AIP	0,43	0,5	0	0,07	1	0	31	1,3
18	AIP	0,23	0,7	0	0,07	1	0	30	2,5
19	AIP	0,13	0,8	0	0,07	1	0	26	3,9
20	AIP	0,7	0,2	0,03	0,07	1	0	33	1
21	AIP	0,73	0,2	0	0,07	0,9	0,1	33	0,8
22	AIP	0,73	0,2	0	0,07	0,7	0,3	32	1,5
23	AIP	0,73	0,2	0	0,07	0,5	0,5	31	2,5
24	AIP	0,73	0,2	0	0,07	0,3	0,7	25	3,5

• Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, weisen die Oxidfilme, die den Anforderungen der Erfindung genügen, d.h. die erfindungsgemäßen Beispiele (Nr. 13 bis 18, 20 bis 23), eine große Härte und eine bessere Verschleißfestigkeit aufgrund geringerer Kraterverschleißtiefen in dem Schneidtest auf, wenn diese mit den Oxidfilmen verglichen werden, welche die Anforderungen der Erfindung nicht erfüllen, d.h. den Vergleichsbeispielen (Nr. 1 und 2, 7, 11 und 12, 19 und 24).
• In dem vorstehenden Beispiel 1 sind die Schneidtestbedingungen in der vorstehend angegebenen Weise definiert. Wenn andere Schneidtestbedingungen eingesetzt werden (z.B. in einem Fall, bei dem ein Material mit großer Härte (SKD61, HRC 50) eingesetzt wird oder ein Schaftfräser mit unterbrochenem Schnitt als Verarbeitungsvorgang eingesetzt wird), werden Ergebnisse mit einer entsprechenden Tendenz erhalten.
• Beispiel 2
• Unter Verwendung von Metalltargets, die Zr, AI und Y enthielten, wurde ein Oxidfilm mit einer in der Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung, d.h. ein Oxidfilm, der aus (Zr_0,6Al_0,3Y_0,1)O hergestellt ist, unter Verwendung einer Magnetronsputter-Filmbildungsvorrichtung (nicht-erfindungsgemäß) oder einer kathodischen Lichtbogenionenplattierungs-Filmbildungsvorrichtung mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle (erfindungsgemäß) gebildet. Dieser Oxidfilm war ein Oxidfilm, der aus (Zr_1-a-b-cAl_aMg_bY_c)(O_1-xN_x), wobei 1-a-b-c = 0,6 (als Atomverhältnis), a = 0,3 (als Atomverhältnis), b = 0, c = 0,1 (als Atomverhältnis) und 1-x = 1 (als Atomverhältnis), hergestellt worden ist, wobei es sich folglich um einen Oxidfilm handelt, der die Anforderungen der Erfindung erfüllt.
• Das verwendete Substrat war ein auf Spiegelglanz poliertes Hartmetallsubstrat oder HSS (Hochleistungsschnellstahl). Das Substrat wurde in eine Kammer der Filmbildungsvorrichtung eingebracht und die Kammer wurde evakuiert (auf 1 × 10^-3 Pa oder weniger evakuiert), worauf das Substrat auf etwa 600 °C erhitzt und einem Sputterreinigen mit Ar-Ionen unterzogen wurde. Danach wurde der Film durch eine Filmbildung unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle unter Verwendung eines Targets mit einem Durchmesser von 100 mm bei einem Lichtbogenstrom von 150 A in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 Pa) bei einem Gesamtdruck von 1 Pa gebildet. Der Lichtbogenstrom bei der Filmbildung lag bei 100 A, für die an das Substrat angelegte Vorspannung wurden Pulse eingesetzt, und eine unipolare Vorspannung mit einer Frequenz von 30 kHz wurde innerhalb eines Bereichs von -50 bis -100 V bei einer Einschaltdauer von 77 % angelegt. Andererseits wurde die Filmbildung beim Sputtern in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 Pa) bei einem Gesamtdruck von 0,6 Pa durchgeführt. Mit Ausnahme eines Teils davon wurden Basisfilme (Schichten) mit den in der Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzungen auf dem Substrat unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle vor der Bildung des Oxidfilms gebildet, auf welchen der vorstehend genannte Oxidfilm gebildet wurde. Bezüglich dieses Teils wurde kein Basisfilm (Schicht) gebildet.
• Diejenigen Substrate, die einer Filmbildung auf dieser Weise unterzogen worden sind, wurden als Probe bereitgestellt. Bezüglich dieser Probe wurde die Filmhaftung in der folgenden Weise gemessen. Insbesondere wurde unter Verwendung einer Ritztestvorrichtung die Probenoberfläche mit einem Diamant-Eindringkörper mit einem Spitzenradius von 200 µmR bei einer Geschwindigkeit von 10 mm/Minute bei 100 N mit einer Belastungszunahmegeschwindigkeit von 100 N/Minute geritzt, um eine kritische Belastung (N) zu bestimmen, bei der ein Ablösen des Films stattfand, wodurch die Haftung bezüglich dieser kritischen Belastung (N) bewertet wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

  Nr.	Oxidfilm		Basisschicht		Substrat	Haftung (N)
  	Zusammensetzung	Dikke (µm)	Zusammensetzung	Dicke (µm)
  1	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	5	keine	-	Superhart	55
  2	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	TiN	3	Superhart	60
  3	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	5	CrN	3	Superhart	60
  4	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	(Ti0,5Al0,5)N	3	Superhart	80
  5	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	5	(Ti0,1Cr0,2Al0,7)N	3	Superhart	100
  6	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	(Al0,7Cr0,3)N	3	Superhart	95
  7	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	keine	-	HSS	50
  8	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	TiN	3	HSS	75
  9	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	CrN	3	HSS	80
  10	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	(Ti0,5Al0,5)N	3	HSS	70
  11	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	(Ti0,1Cr0,2Al0,7)N	3	HSS	70
  12	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	5	(Al0,7Cr0,3)N	3	HSS	65

• Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, weisen die Oxidfilm-beschichteten Materialien, die den Anforderungen der dritten Erfindung genügen, d.h. die Beispiele gemäß der dritten Erfindung (Nr. 2 bis 6, 8 bis 12), eine höhere kritische Belastung (N) auf, bei welcher das Ablösen des Films in dem Haftungsmesstest stattfindet, und sie weisen folglich eine bessere Haftung verglichen mit dem Oxidfilm-beschichteten Material auf, das der dritten Erfindung nicht genügt (obwohl der Oxidfilm als solcher die Anforderungen der Erfindung erfüllt).
• Es sollte beachtet werden, dass, obwohl der aus (Zr_0,6Al_0,3Y_0,1) hergestellte Oxidfilm als Oxidfilm in dem vorstehend genannten Beispiel 2 verwendet worden ist, bei der Verwendung von erfindungsgemäßen Oxidfilmen, die von den vorstehenden Oxidfilmen verschieden waren, Ergebnisse mit einer entsprechenden Tendenz wie bei dem vorstehenden Beispiel 2 erhalten wurden. In dem vorstehenden Beispiel 2 wurde die Dicke des Basisfilms (Schicht) auf 3 µm eingestellt, wobei Ergebnisse mit einer entsprechenden Tendenz wie in dem vorstehenden Beispiel 2 erhalten wurden, wenn die Dicke des Basisfilms (Schicht) auf andere Dickenwerte eingestellt wurde (z.B. 1 µm), 5 µm).
• Beispiel 3
• Unter Verwendung einer Magnetronsputter-Filmbildungsvorrichtung (nicht-erfindungsgemäß) oder einer kathodischen Lichtbogenionenplattierungs-Filmbildungsvorrichtung mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle (erfindungsgemäß) wurde ein Film mit einer Mehrschichtstruktur (Mehrschichtfilm), bei dem eine A-Schicht (Oxidfilm) und eine B-Schicht (andere Schicht), die in der Tabelle 3 angegeben sind, abwechselnd ausgebildet wurden, auf einem Substrat gebildet. Zusätzlich wurde die A-Schicht allein (Oxidfilm) auf dem Substrat gebildet. Diese A-Schicht ist ein Oxidfilm, der in allen Fällen aus (Zr_0,6Al_0,3Y_0,1)O hergestellt ist. Die B-Schicht ist ein Film, der aus (Ti_0,5Al_0,5)N, CrN, (Ti_0.1Cr_0.2Al_0.7) oder (Al_0,7Cr_0,3)N hergestellt ist. Bei den Mehrschichtfilmen sind die Dicke der A-Schicht, die Dicke der B-Schicht und die Anzahl der laminierten Schichten derart, wie sie in der Tabelle 3 angegeben sind. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl der laminierten Schichten (Anzahl der A-Schichten + Anzahl der B-Schichten)/2 betrug. Der Film unmittelbar auf dem Substrat war die B-Schicht und der Film an der obersten Oberfläche des Mehrschichtfilms war die A-Schicht.
• Das in diesem Fall eingesetzte Substrat war in dem Fall der Filmbildung zur Prüfung der Filmzusammensetzung und der Härte ein auf Spiegelglanz poliertes Hartmetallsubstrat, und in dem Fall der Filmbildung für einen Schneidtest war es ein Hartmetalleinsatz (SNGA 120408), auf denen der Oxidfilm mit der in der Tabelle 3 angegebenen Zusammensetzung gebildet wurde. Bei der Bildung von jedwedem dieser Filme wurde das Substrat in die Kammer der Filmbildungsvorrichtung eingebracht und die Kammer wurde evakuiert (auf 1 × 10^-3 Pa oder weniger evakuiert), worauf das Substrat auf etwa 600 °C erhitzt und anschließend einem Sputterreinigen mit Ar-Ionen unterzogen wurde. Danach wurde in dem Fall der Filmbildung unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle die Filmbildung unter Verwendung eines Targets mit einem Durchmesser von 100 mm bei einem Lichtbogenstrom von 150 A in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 bis 0,3 Pa) bei einem Gesamtdruck von 1 Pa durchgeführt. Der Lichtbogenstrom bei der Filmbildung lag bei 100 A, für die an das Substrat angelegte Vorspannung wurden Pulse eingesetzt, und es wurde eine unipolare Vorspannung bei einer Frequenz von 30 kHz innerhalb eines Bereichs von -50 bis -100 V bei einer Einschaltdauer von 77 % angelegt. Andererseits wurde die Filmbildung beim Sputtern in einer Ar-O₂-Atmosphäre (Partialdruck von O₂: 0,1 bis 0,3 Pa) bei einem Gesamtdruck von 0,6 Pa durchgeführt. Diesbezüglich wurde jedoch in dem Fall der Bildung jedweder Oxidfilme von Tabelle 3 vor der Bildung des Oxidfilms ein TiAIN-Film als ein Basisfilm unter Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle auf dem Substrat gebildet.
• Die durch die Filmbildung auf diese Weise erhaltenen Filme wurden einer Messung der Filmhärte und einem Schneidtest unterzogen. Die Messung der Filmhärte wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Der Schneidtest wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 unter Verwendung eines Hartmetalleinsatzes mit ausgebildetem Film als Schneidwerkzeug durchgeführt. Entsprechend wie im Beispiel 1 wurde die Verschleißfestigkeit bezüglich der Kraterverschleißtiefe bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

  Nr.	Oxidfilm (A-Schicht)		B-Schicht		Anzahl der Laminierungen	Gesamtfilmdicke (µm)	Kraterverschl eiß (µm)
  	Zusammensetzung	Dicke (nm)	Zusammensetzung	Dicke (nm)
  1	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	10000	keine	-	-	10	3,1
  2	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	2	(Ti0,5Al0,5)N	2	25000	10	3
  3	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	5	CrN	5	10000	10	2,5
  4	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	25	(Ti0,5Al0,5)N	25	2000	10	2
  5	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	50	(Ti0,1Cr0,2Al0,7)N	50	1000	10	1,7
  6	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	100	(Al0,7Cr0,3)N	100	500	10	2,2
  7	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	250	(Al0,7Cr0,3)N	250	200	10	2,6
  8	(Zr0,6A10,3Y0,1)O	500	(Al0,7Cr0,3)N	500	100	10	3
  9	(Zr0,6Al0,3Y0,1)O	1000	(Al0,7Cr0,3)N	1000	50	10	3,1

• Wie es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, zeigen die Oxidfilm-beschichteten Materialien, die den Anforderungen der vierten Erfindung genügen, d.h. die Beispiele der vierten Erfindung (Nr. 2 bis 9) eine mit dem Schneidtest bestimmte Kraterverschleißtiefe, die gleich derjenigen oder kleiner als diejenige des Oxidfilm-beschichteten Materials ist, das die Anforderungen der vierten Erfindung nicht erfüllt (obwohl der Oxidfilm als solcher die Anforderungen der ersten Erfindung erfüllt), und sie weisen folglich eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf. Es sollte beachtet werden, dass nahezu alle der erstgenannten erfindungsgemäßen Beispiele (Nr. 3 bis 8) eine geringere mit dem Schneidtest bestimmte Kraterverschleißtiefe aufweisen als das letztgenannte Vergleichsbeispiel (Nr. 1) und somit eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufweisen.
• Es sollte beachtet werden, dass in dem vorstehenden Beispiel 3 der Film unmittelbar auf dem Substrat die B-Schicht war und die oberste Oberflächenschicht des Mehrschichtfilms die A-Schicht war. Wenn dagegen die B-Schicht als der oberste Oberflächenfilm des Mehrschichtfilms bereitgestellt wurde, wurden Ergebnisse mit der entsprechenden Tendenz wie im Beispiel 3 erhalten. Wenn die A-Schicht als Film unmittelbar auf dem Substrat bereitgestellt wurde, wurden Ergebnisse mit der entsprechenden Tendenz wie im Beispiel 3 erhalten. Wenn die A-Schicht als Film unmittelbar auf dem Substrat bereitgestellt wurde und die B-Schicht als oberster Oberflächenfilm des Mehrschichtfilms bereitgestellt wurde, wurden Ergebnisse mit der entsprechenden Tendenz wie im Beispiel 3 erhalten.
• Der erfindungsgemäße Oxidfilm weist eine bessere Verschleißfestigkeit auf als herkömmliche Oxidfilme auf Aluminiumoxidbasis und er kann in vorteilhafter Weise als Beschichtungsfilm z.B. für Schneidwerkzeuge, Gusswerkzeuge, Gesenke bzw. Matrizen bzw. Stempel bzw. Ziehdüsen zum Formen und dergleichen verwendet werden, wodurch eine verbesserte Standzeit derselben sichergestellt wird und dieser deshalb vorteilhaft ist.

Claims (5)

1. Oxidfilm, der aus (Zr_1-a-b-cAl_aMg_bY_c)(O_1-xN_x) besteht und durch ein kathodisches Lichtbogenionenplattierungsverfahren unter Verwendung eines Metalltargets gebildet worden ist, das Zr, Al und eines oder mehrere von Mg und Y enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Formeln (1) bis (5) erfüllt sind: $$\mathrm{0,1}\le \text{a}\le \text{0}\text{,7}$$

   

   $$0\le \text{b}\le \text{0}\text{,15}$$

   

   $$0\le \text{c}\le \text{0}\text{,15}$$

   

   $$0<\text{b}+\text{c}$$

   

   $$0\le \text{x}\le \text{0}\text{,5}$$

   

   wobei a das Atomverhältnis von Al, b das Atomverhältnis von Mg, c das Atomverhältnis von Y, 1-a-b-c das Atomverhältnis von Zr, x das Atomverhältnis von N und 1-x das Atomverhältnis von O darstellen.
2. Oxidfilm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass x 0 ist.
3. Oxidfilm-beschichtetes Material, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oxidfilm nach Anspruch 1 oder 2 und einem Substrat (a) ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder (b) ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, ausgebildet ist.
4. Oxidfilm-beschichtetes Material, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd auf einem Substrat ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, hergestellt ist, oder ein Film, der aus einem Element oder mehreren Elementen, das bzw. die den Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, Al und Si angehört bzw. angehören, und einem oder mehreren von C, N und O hergestellt ist, und der Oxidfilm nach Anspruch 1 oder 2 in einem Schicht-zu-Schicht-Intervall von 10 bis 500 nm ausgebildet sind.
5. Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidfilm nach Anspruch 1 oder 2 mit einem kathodischen Lichtbogenionenplattierungsverfahren gebildet wird.