DE19833056A1

DE19833056A1 - PVD of titanium aluminum nitride coatings for metal substrates, e.g. high speed steel or tungsten carbide cutting or working tools, comprises vanadium ion etching of the substrate surfaces prior to coating

Info

Publication number: DE19833056A1
Application number: DE1998133056
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Muenz
Original assignee: Sheffield Hallam University
Current assignee: Sheffield Hallam University
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2000-01-27

Abstract

A PVD process for coating metal substrates with TiAlN comprises etching the substrate surfaces with V ions prior to coating. The V ions originate from cathodic arc discharge vapor deposition and the substrate is negatively biased at 600-1400 V during etching.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten wie Schneidwerkzeugen oder Umformwerkzeugen und der gleichen mit TiAlN.The invention relates to a method for coating metallic Substrates such as cutting tools or forming tools and the same with TiAlN.

Es ist bekannt, daß Titanaluminiumnitrid als Alternative zu hochver schleißfesten TiN-Hartstoffschichten verwendet werden kann. Insbe sondere der verbesserte Oxidationswiderstand gegenüber TiN macht dieses Beschichtungsmaterial zum aussichtsreichen Kandidaten für kühlmittelfreie Zerspanung in automatischen Fertigungsstraßen, wie z. B. in der modernen Automobilindustrie. Darüber hinaus zeigen Titan- Aluminiumnitrid-Hartstoffschichten erhöhten Widerstand gegen abrasi ven Verschleiß in Gegenwart von Karbiden, was besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von Grauguß und Kaltarbeitsstählen zum Aus druck kommt.It is known that titanium aluminum nitride is an alternative to high ver wear-resistant TiN hard material layers can be used. In particular especially the improved oxidation resistance compared to TiN this coating material to the promising candidate for coolant-free machining in automatic production lines, such as e.g. B. in the modern automotive industry. In addition, titanium Aluminum nitride hard material layers increased resistance to abrasi ven wear in the presence of carbides, which is particularly advantageous when processing gray cast iron and cold work steels pressure comes.

Titan-Aluminiumnitrid wird heute mit allen bekannten PVD- Hartstoffbeschichtungsverfahren hergestellt, nämlich Kathodenzerstäu bung, kathodischer Bogenentladungsverdampfung und Niedervolt- Elektronenstrahlverfahren.Titanium aluminum nitride is used today with all known PVD Hard material coating process manufactured, namely cathode sputtering exercise, cathodic arc evaporation and low voltage Electron beam process.

Außerdem sind Kombinationsverfahren bekannt, wie die Kombination des kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahrens als Ätzquelle im PVD-Prozeß mit dem unbalancierten Magnetron als Be schichtungswerkzeug oder die Kombination entweder des kathodischen Bogenentladungsverdampfungsverfahrens mit der Niedervolt- Elektronenstrahlverdampfung oder mit dem Magnetron während der Beschichtung. Combination methods are also known, such as the combination the cathodic arc discharge evaporation process as Etching source in the PVD process with the unbalanced magnetron as Be stratification tool or the combination of either the cathodic Arc discharge evaporation process with the low voltage Electron beam evaporation or with the magnetron during the Coating.

Aus der EP-Patentschrift 0 439 561 ist ein solches Verfahren zur Be schichtung von Substraten bekannt, das auch als ABS-Verfahren be zeichnet wird, bei dem die aufzubringende Schicht durch auf das be treffende Substrat auftreffende kondensierende Teilchen eines mittels einer Gasentladung erzeugten Plasmas hergestellt und sowohl eine Bo genentladungsverdampfung als auch eine Kathodenzerstäubung vorge nommen wird. Wesentlich ist dabei, daß die Bogenentladungsver dampfung nur während einer ersten Beschichtungsphase und die Ka thodenzerstäubung während einer auf diese erste Phase folgenden zweiten Beschichtungsphase durchgeführt wird, wobei das Substrat während der Bogenentladungsverdampfung mit Ionen beschossen und dabei die Energie und Ionenstromdichte derart gewählt werden, daß die Substratoberfläche durch Ionenätzung gereinigt und teilweise abgetra gen wird.Such a method for loading is known from EP patent specification 0 439 561 stratification of substrates known, also known as the ABS process is drawn, in which the layer to be applied by the be hitting substrate impinging condensing particles of an agent a gas discharge produced plasma and both a Bo gene discharge evaporation as well as cathode sputtering is taken. It is essential that the Bogenentladungsver vaporization only during a first coating phase and the Ka atomization during a period following this first phase second coating phase is carried out, the substrate bombarded with ions during arc discharge evaporation and the energy and ion current density are chosen such that the Substrate surface cleaned by ion etching and partially removed will.

Bei dem während der Bogenentladungsverdampfung erfolgenden Be schuß des Substrats mit Ionen wird die Ionenenergie und Ionenstrom dichte bei diesem Verfahren vorzugsweise derart gewählt, daß eine Ver ankerung der aufzubauenden Schicht im Substratmaterial bewirkt wird.In the case of Be Shot of the substrate with ions is the ion energy and ion current density in this method preferably chosen such that a Ver anchor the layer to be built up in the substrate material becomes.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in einer mit einem Prozeßgas gefüllten Vakuumkammer ein gegenüber der Va kuumkammer elektrisch isolierter Substrathalter, eine mit dem Be schichtungsmaterial belegte, gegenüber der Vakuumkammer ebenfalls elektrisch isolierte Kathode und eine für die Bogenentladung erforderli che Anode vorgesehen. Die Kathode ist wahlweise mit einer Bogenentla dungsversorgung oder einer Kathodenzerstäubungsversorgung verbind bar und an derart negative Potentiale schaltbar, daß in einem ersten Stromkreis zwischen der Kathode und der Anode eine Bogenentladung oder in einem zweiten Stromkreis eine Kathodenzerstäubungsentladung entsteht.In the device for performing this method is in one with a process gas filled vacuum chamber opposite the Va vacuum chamber of electrically insulated substrate holder, one with the Be layering material also occupied opposite the vacuum chamber electrically insulated cathode and one required for arc discharge che anode provided. The cathode is optionally available with an arc outlet power supply or a cathode sputtering supply bar and switchable to such negative potentials that in a first Circuit between the cathode and the anode an arc discharge or a sputtering discharge in a second circuit arises.

Aus der EP 0 459 137 A1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten unter Verwendung einer Bogenentladung und einer Katho denzerstäubung bekannt, welche ein evakuierbares Gefäß aufweist, in dem zumindest ein Target, eine zugehörige Anode sowie ein Substrat träger angeordnet und die zugehörigen Strom- und Spannungsversor gungen vorgesehen sind und jedem Target eine Magnetanordnung zuge ordnet ist. Die aus einem Mittelpol-Permanentmagneten und diesen mit Abstand umgebenden, entgegengesetzt gepolten Rand-Permanent magneten bestehende Magnetanordnung ist relativ zum zugehörigen Target derart verschiebbar gelagert, daß im Targetbereich in einer er sten, dem Target benachbarten Position ein eine Kathodenzerstäubung ermöglichendes Magnetfeld und in einer zweiten, bezüglich des Targets beabstandeten Position ein eine Bogenentladung ermöglichendes Ma gnetfeld erzeugt wird.EP 0 459 137 A1 describes a device for coating Substrates using an arc and a catho known atomization, which has an evacuable vessel, in the at least one target, an associated anode and a substrate arranged carrier and the associated current and voltage supplier conditions are provided and each target has a magnet arrangement is arranged. The one with a central pole permanent magnet and this one Distance surrounding, oppositely polarized edge permanent existing magnet arrangement is relative to the associated one Target so slidably mounted that he in the target area Most, the target adjacent position a sputtering enabling magnetic field and in a second, with respect to the target spaced position an arc enabling Ma gnetfeld is generated.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit PVD-Verfahren, die vorzugs weise entweder ausschließlich die kathodische Bogenentladungsver dampfung als Prozeßquelle oder diese in Kombination mit kathodischen Zerstäubungsverfahren (Magnetron, unbalanciertes Magnetron) benut zen.The present invention is concerned with PVD methods, which are preferred either exclusively the cathodic arc discharge ver vaporization as a process source or this in combination with cathodic Atomization processes (magnetron, unbalanced magnetron) are used Zen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein weiteres Verfahren der eingangs ge nannten Art zu schaffen, das hohe Haftfestigkeiten hinsichtlich der auf zubringenden Schichten gewährleistet und generell zu einer Erhöhung des Gebrauchswerts der hergestellten Schichten führt.The object of the invention is a further method of ge named type to create the high adhesive strengths in terms of layers to be guaranteed and generally to an increase of the use value of the layers produced.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß vor der Beschichtung eine Ätz- Behandlung der Substratoberfläche mit Vanadiumionen stattfindet, wobei die Vanadiumionen bevorzugt aus einer kathodischen Bogenent ladungsverdampfung stammen. Das Vanadium wird auch zur Erzielung eines vorteilhaften Reibverhaltens von auf Werkzeugen aufgebrachten Hartstoffschichten, die vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 bis 10 µm aufweisen, eingebracht.It is essential for the invention that an etching Treatment of the substrate surface with vanadium ions takes place, the vanadium ions preferably from a cathodic arc charge evaporation. The vanadium is also used to achieve an advantageous friction behavior of tools Hard material layers, which preferably have a thickness of about 0.5 to 10 microns have introduced.

Der Vanadiumgehalt ist dabei insbesondere im äußeren, dem Substrat abgewandten Schichtbereich konzentriert, wobei speziell der äußere Schichtbereich etwa 15% bis 20% der Gesamtschichtdicke betragen, jedoch auch größer sein kann.The vanadium content is particularly in the outer, the substrate concentrated layer area, with particular focus on the outer Layer range is approximately 15% to 20% of the total layer thickness, however, can also be larger.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht der äußere Schichtbereich aus etwa 50 Volumenprozent TiAlN und etwa 50 Volumenprozent Vanadium.According to a further preferred embodiment of the method According to the invention, the outer layer area consists of approximately 50 volume percent TiAlN and about 50 volume percent vanadium.

Es hat sich auch als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, im Gesamt metallgehalt einer TiAlVN Hartstoffschicht etwa 0,05 bis 4 at% Yttrium vorzusehen, wobei der Yttrium-Gehalt bevorzugt bei 2 at% des Ge samtmetallgehalts liegen soll.It has also proven to be useful and beneficial overall metal content of a TiAlVN hard material layer about 0.05 to 4 at% yttrium provide, the yttrium content preferably at 2 at% of Ge total metal content.

Die beigefügte Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine nach dem ABS-Verfahren erarbeitende Anlage HTC-1000/4 ABS. Vier vertikal angeordnete Kathoden (Targetfläche: 600 × 200 mm²) kön nen entweder nach dem kathodischen Bogenentladungs- Verdampfungsprinzip oder als unbalanciertes Magnetron verwendet werden.The attached drawing shows a schematic cross section through a system HTC-1000/4 ABS, which is based on the ABS method. Four vertically arranged cathodes (target area: 600 × 200 mm ² ) can either be used according to the cathodic arc discharge evaporation principle or as an unbalanced magnetron.

Alle vier Kathoden können mit Hilfe von Elektromagneten (konzentrische Spulen) magnetisch miteinander gekoppelt werden, so daß ein magnetisch geschlossener Raum entsteht, in dem sich die Substratträger befinden, welche sich drehen und zusätzlich auf einem Drehteller angeordnet sind. Der Übergang von kathodischer Bogenent ladung zum unbalancierten Magnetron läßt sich über die Position der Permanentmagnete relativ zur Targetoberfläche einstellen. Drei der vier Kathoden können mit TiAl (50 : 50) und die vierte Kathode mit einem V- Target belegt sein. Das V-Target ist bevorzugt eine "steered arc cathode" mit zurückgezogenen Permanentmagneten nach dem europäischen Pa tent EP 0 459 137.All four cathodes can be made using electromagnets (concentric coils) are magnetically coupled to each other, so that a magnetically closed space is created in which the Substrate carriers are located, which rotate and also on a Turntables are arranged. The transition from cathodic arches charge to the unbalanced magnetron can be determined by the position of the Set permanent magnets relative to the target surface. Three of the four Cathodes can with TiAl (50:50) and the fourth cathode with a V- Target is occupied. The V-target is preferably a "steered arc cathode" with withdrawn permanent magnets according to European Pa tent EP 0 459 137.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einer Anlage dieser Art besonders vorteilhaft realisieren, da weitgehende Freiheit in der Bele gung der Kathoden, der Wahl der Betriebsart und der jeweils ange strebten Schichtbildung auf den Substraten besteht, die in zumindest um eine Achse rotierenden Substrathaltern in der Anlage nach der Zeichnung an den verschiedenen Targets vorbeigeführt werden können.The process according to the invention can be carried out with a plant of this type Realize particularly advantageous, because extensive freedom in Bele supply of the cathodes, the choice of the operating mode and the particular strived for layer formation on the substrates, which in at least substrate holders rotating around an axis in the system according to the Drawing can be guided past the various targets.

Claims

1. A method for coating metallic substrates such as cutting tools or forming tools and the like with TiAlN using PVD coating methods, in particular the unbalanced magnetron or the cathodic arc discharge evaporation method, characterized in that an etching treatment of the substrate surface with V before coating -Ions taking place.

2. The method according to claim 1, characterized, that the V ions from a cathodic arc discharge ver dampening.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the substrates during the V-metal ion etching treatment a negative bias in the range of 600 to 1400 volts lie.

4. The method according to claim 3, characterized, that the negative bias is about 1200 volts.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the substrates made of high-speed steel or tungsten bid exist.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the TiAlN hard material layers have a metal content of 40 to 85 have at% titanium or 15 to 60 at% aluminum.

7. The method according to claim 6, characterized, that the titanium content about 42 at% and the aluminum content about Is 58 at%.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that additionally during the coating of the substrates with TiAlN and simultaneously V or VN either with the unbalanced Ma gnetron or with the cathodic arc discharge evaporator process is deposited.

9. The method according to claim 8, characterized, that the proportion of V in the total metal content of the TiAlVN layer is between 5 and 65 at%.

10. The method according to claim 9, characterized, that the proportion of V in the total metal content is 20 at% and that the proportion of Ti 34 at% and the proportion of Al 46 at% um sums up.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least 75% of the coating with TiAl is reactive in a gas atmosphere consisting of Ar and N ₂ and that the rest of the coating in a mixture of Ar and N ₂ or from a hydrocarbon gas , e.g. B. CH ₄ , C ₂ H ₂ and the like expires.

12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least 75% of the coating with TiAlCr takes place reactively in a gas atmosphere consisting of Ar and N ₂ and that the rest of the coating in a gas mixture of Ar and N ₂ or from a Hydrocarbon gas, e.g. B. as CH ₄ , C ₂ H ₆ , C ₂ H ₂ and the like.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized, that the hard material layer has a thickness in the range of about 0.5 to 10 µm.

14. The method according to claim 13, characterized, that the vanadium content at least essentially on the outside, layer region facing away from the substrate is concentrated.

15. The method according to claim 14, characterized, that this outer layer area has a thickness in the range of 0.5% is up to 85% of the total layer thickness.

16. The method according to claim 14 or 15, characterized, that the outer layer area 15% to 20% of the total layer thickness is.

17. The method according to any one of claims 14 to 16, characterized, that the outer layer area from about 50 volume percent TiAlN and about 50 volume percent vanadium.

18. The method according to one or more of the preceding An claims, characterized, that a share in the total metal content of the TiAlVN hard material layer from about 0.05 to about 4 at% yttrium is included.

19. The method according to claim 18, characterized, that the yttrium content is about 2 at% of the total metal content lies.