DE602004003547T2

DE602004003547T2 - Verfahren zur Beschichtung eines Schneidwerkzeuges.

Info

Publication number: DE602004003547T2
Application number: DE602004003547T
Authority: DE
Inventors: Lennart Karlsson
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: SE0303485D0; US20050145479A1; EP1548146B1; SE0303485L; EP1548146A1; DE602004003547D1; SE526857C2; ATE347624T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Schneidwerkzeugs, das zur zerspanenden Bearbeitung vorgesehen ist, mit einer harten und verschleißbeständigen Nitridlage mit niedriger Druckeigenspannung. Das Verfahren zum Abscheiden ist gekennzeichnet durch die Verwendung von reaktivem Magnetron-Sputtern unter Verwendung eines Substrathalters, dessen hervortretende Fläche im Vergleich zu der Zielfläche klein ist, und durch einen Strom mit hoher Elektronendichte durch das Substrat, den man durch Anlegen einer positiven Substratvorspannung erreicht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Abscheidung von verschleißbeständigen PVD-Lagen auf einem Schneidwerkzeug impliziert immer die Anwendung von Substratrotation, um die bestmögliche Beschichtungsdickengleichmäßigkeit um das Werkzeug herum zu erhalten. Jedoch ist dieses Verfahren bei genauerer Untersuchung als wiederholte Zeiträume mit hoher Abscheidungsrate, gefolgt von längeren Zeiträumen ohne Abscheidung oder mit geringer Abscheidungsrate, Zeiträumen ohne Beschichtung, zu charakterisieren. Diese periodische Abscheidungsrate beeinflußt die Beschichtungseigenschaften auf verschiedene Weisen. Zuerst wird die mittlere Abscheidungsrate herabgesetzt, was als eine Verstärkung des in-situ Temperns für einige Beschichtungsmaterialsysteme wirken und daher die innere Eigenspannung reduzieren könnte. Zweitens, wenn die Abscheidungsrate zu weit herabgesetzt und kein Ultrahochvakuumabscheidungssystem verwendet wird, wird die Oberfläche während des Zeitraums ohne Beschichtung aufgrund von Adsorption kontaminiert, was wiederum die Neigung zu erneuter Keimbildung erhöht. Dies bedeutet, daß kommerzielle Einzellagen keine echten Einzellagen sind, sondern meistens Multilagen von Nanometer-Größenordnung. Diese erneute Keimbildung beeinflußt die Beschichtungseigenschaften auf verschiedene Weisen, jedoch wird sie in den meisten Fällen die Druckeigenspannungen sowie die Menge an inhomogenen Spannungen erhöhen.
Die industrielle Anwendung dickerer PVD-MeN- und/oder Me₂N-Lagen auf Schneidwerkzeugen war bis jetzt aufgrund der Druckeigenspannungen, die normalerweise solche Lagen aufweisen, stark begrenzt. Der Zustand hoher biaxialer Druckeigenspannung an der Schneidkante führt zu Scher- und normalen Spannungen, die als eine Vorbelastung der Beschichtung wirken. Diese Vorbelastung bei einem Zustand biaxialer Druckeigenspannung wird die effektive Haftung der Beschichtung an dem Substrat herabsetzen. Wenn man die Beschichtungsdicke erhöht, werden die Scher- und die normale Spannung an der Grenzfläche zunehmen. Dieser Effekt ist der begrenzende Faktor für die Beschichtungsdicke funktionaler PVD- Beschichtungen. Daher wurden in den Jahren große Anstrengungen unternommen, PVD-Verfahren für die Abscheidung von dickeren Lagen mit einem Zustand geringer Druckeigenspannung zu entwickeln. Es wurden verschiedene Verfahren angewendet, wie beispielsweise die Verwendung von geringer negativer Substratvorspannung (zwischen –10 und –50 V), hoher Substratvorspannung (–400 V bis –1000 V), gepulster Vorspannung (unipolar und bipolar) sowie von hohem Druck (über 5 Pa). Jedoch kann keine dieser Techniken eine Lage mit einem Zustand niedriger innerer Druckeigenspannung mit einem aufrechterhaltenen dichten Mikrogefüge ohne induzierte Defekte, die durch die Rotation des Substrates verursacht werden, abscheiden.
Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung des Eigenspannungszustands, der in-situ Tempern während der Abscheidung, z. B. niedrige Abscheidungsrate und/oder hohe Abscheidungstemperatur, verwendet, wurde ohne Erfolg getestet.
Die US 5,952,085 offenbart eine mehrlagige erosionsbeständige Beschichtung auf einem Substrat, die abwechselnde Lagen aus Wolfram- und Titandiborid aufweist, für Gasturbinenantriebe. Alle Lagen haben die gleiche Dicke und besitzen vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,3 und 1 Mikrometer, um eine verbesserte Erosionsbeständigkeit zu liefern. Als Abscheidungsverfahren für die Lagen wird Magnetron-Sputtern unter Anwendung einer positiven Vorspannung verwendet.
Die EP-A-1245693 offenbart Beschichtungen aus TiB₂ mit niedriger innerer Eigenspannung, die durch Magnetron-Sputtern von einem TiB₂-Target aufgebaut werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aufbauen verschleißbeständiger Nitridlagen mit verminderter Druckeigenspannung, vorzugsweise auf der Grundlage von Al und/oder Si und/oder Cr auf Schneidwerkzeugen zur zerspanenden Bearbeitung aufzubauen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aufbauen der Lagen als mikrostrukturell echte Einzellagen mit einer guten Beschichtungsdickenverteilung aufzubauen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Beschreibung des Abscheidungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, worin

S: ein Substrathalter ist,
M: ein Magnetron einschließlich eines Targets ist,
P: eine Vakuumpumpe ist,
V_t: das Target-Potential ist,
V_s: die Substratvorspannung (Potential) ist,
I_s: der Substratstrom ist und
I_t: der Target-Strom ist.

2 zeigt schematisch die Definitionen von Target-Fläche A_t und Substrathalterfläche A_s.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten von Schneidwerkzeugen zur zerspanenden Bearbeitung bereitgestellt. Das Schneidwerkzeug umfaßt einen Körper aus einer harten Legierung aus Hartmetall, Cermet, Keramik, Material auf der Grundlage von kubischem Bornitrid oder Schnellarbeitsstahl mit einer harten und verschleißbeständigen, hitzebeständigen Beschichtung. Die verschleißbeständige Beschichtung ist aus einer oder mehreren Lagen zusammengesetzt, von denen wenigstens eine ein Metallnitrid mit niedriger Druckeigenspannung aufweist, die durch reaktives Magnetron-Sputtern abgeschieden wurde, d.h. MeN und/oder Me₂N, wobei Me eines oder mehrere der Elemente Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Si, Al und B ist. Die Gesamtmenge an Al und/oder Si und/oder Cr und/oder B ist vorzugsweise mehr als 40 At.-%, besonders bevorzugt mehr als 60 At.-%. Der B-Gehalt sollte jedoch geringer als 10 At.-% sein. Der Rest der Lage(n), sofern vorhanden, ist/sind aus Metallnitriden und/oder -carbiden und/oder -oxiden mit den unter Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Si und Al ausgewählten Elementen zusammengesetzt.
Charakteristisch für das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verhältnis zwischen der Fläche des Targets, A_t, und der Fläche des Substrathalters, die dem Target zugewandt ist, A_s, definiert als R = A_t/A_s, beträchtlich größer ist als dasjenige, welches üblicherweise in dem Prozeß zur Abscheidung verschleißbeständiger Beschichtungen auf Werkzeugen zur zerspanenden Bearbeitung verwendet wird. Gemäß der Erfindung ist R > 0,7 und vorzugweise R > 1,0, besonders bevorzugt ist R > 1,5. Darüber hinaus ist der Abstand d_t von der Target-Oberfläche zu der Substrat-Oberfläche im Vergleich zu der Ausdehnung des Targets klein. Die Ausdehnung des Targets kann als die Quadratwurzel der Target-Fläche angenähert werden, dann ist der Abstand d_t < (A_t)^0,5 und vorzugsweise d_t < 0,7·(A_t)^0,5. Auf diese Weise ist es möglich, Beschichtungen mit guter Gleichmäßigkeit um das gesamte Werkzeug herum ohne die Anwendung von Substratrotation abzuscheiden. Dieses Verfahren minimiert die Anzahl an Mikrogefügedefekten in den Lagen, welche während der Zeiträume ohne Beschichtung induziert werden, was zu einer Beschichtung mit überragenden mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Beschichtungen, die erzeugt werden, wenn rotierende Befestigungen verwendet werden, führt.
Da das Flächenverhältnis R groß ist, kann eine positive Vorspannung V_s > 0 verwendet werden, was bei einer industriellen Abscheidung nicht möglich ist. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird eine extreme Vorspannungsenergiequelle benötigt, und aus dem Plasma fließen Elektronen ab, was den Sputter-Prozeß beenden wird. Durch Anwenden einer positiven Sub stratvorspannung wird sich die Abscheidungsbedingung so verändern, daß es einen Netto-Elektronenfluß von dem Plasma zu dem Substrathalter geben wird. Dies steht im Gegensatz zu der Situation, bei der eine negative Substratvorspannung angewendet wird, welche einen Netto-Ionenstrom vom Plasma zu dem Substrat liefert. Die Elektronenstromdichte φ_s = I_s/A_S ist größer als 10 mA/cm² und vorzugsweise größer als 30 mA/cm². Die hohe Elektronenstromdichte ist ein wesentlicher Faktor in der vorliegenden Erfindung. Der Elektronenstrom erhöht die Oberflächenmobilität von Atomen und erniedrigt dabei die Geschwindigkeit der Erzeugung von Gitterdefekten, welche für den Zustand von Druckeigenspannungen in PVD-Beschichtungen verantwortlich sind. Durch Erhöhung der Oberflächenmobilität können Lagen mit niedrigen Druckeigenspannungen abgeschieden werden. Der hohe Elektronenstrom erhöht auch die Dissoziation der Stickstoffmoleküle in atomaren Stickstoff. Dieser Effekt eliminiert die üblichen Schwierigkeiten, die korrekte Stöchiometrie von Nitridbeschichtungen zu erzielen, die normalerweise mit reaktivem Magnetron-Sputtern einhergehen. Unter Anwendung der vorliegenden Erfindung erhält man mit Stickstoff gesättigte Nitridbeschichtungen in einem breiten Bereich von Stickstoffströmungsraten von 20 sccm bis mehr als 175 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) bei einem Ar-Druck von 0,25 Pa.
Die Verwendung eines hohen Verhältnisses R in den vorliegenden Erfindungen sollte zu einer sehr geringen Produktivität und daher unrealistisch hohen Produktionskosten führen. Jedoch wird durch Abscheiden der Beschichtungen (unkonventionellerweise) nahe an der Target-Oberfläche eine sehr hohe Abscheidungsrate erreicht. Diese extreme Abscheidungsrate senkt die Produktionskosten und macht das Verfahren ökonomisch profitabel. Die Abscheidungsrate sollte zwischen 2 und 14 nm/s liegen, vorzugsweise zwischen 4 und 8 nm/s. Wenn die Abscheidungsrate zu hoch ist, z. B. höher als 20 nm/s, wird der Defektanteil der Lage zunehmen und dies wird mit einem Zustand erhöhter Druckeigenspannung einhergehen.
Die mittlere Oberflächenmobilität der Elemente sollte im Verhältnis zu der Abscheidungsrate des Verfahrens eingestellt werden, d.h. daß bei höherer Abscheidungsrate eine höhere Oberflächenmobilität erforderlich ist, um die Spannungen auf einem niedrigen Niveau zu halten. Dies könnte durch Erhöhen der Gesamttemperatur und/oder durch Einstellen der Zusammensetzung des gesputterten Flusses eingestellt werden. Wenn man die Zusammensetzung optimiert, sollte man natürlich auch die mechanischen Eigenschaften der finalen Lage in Erwägung ziehen. Um eine gute Oberflächenatommobilität der Zusammensetzung des gesputterten Flusses zu erhalten, sollte das Sputter-Target mehr als 40 At.-% Al und/der Si und/oder Cr und/oder B und vorzugsweise mehr als 60 At.-% enthalten. Der B-Gehalt sollte jedoch geringer als 10 At.-% sein.
In einer Ausführungsform werden dicke MeN- und/oder Me₂N-Lagen direkt auf einem Schneidwerkzeugsubstrat abgeschieden, wie es oben erwähnt ist. Die Dicke jeder einzelnen Lage variiert dann von 5 bis 100 μm, vorzugsweise von 5 bis 50 μm, für die Metallbearbeitung, wenn eine hohe Verschleißbeständigkeit gewünscht wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden weitere Lagen aus Metallnitriden und/oder -carbiden und/oder -oxiden mit den unter Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W und Al ausgewählten Metallelementen zusammen mit der MeN- und/oder Me₂N-Lage abgeschieden. Die Gesamtbeschichtungsdicke variiert dann von 5 bis 100 μm, vorzugsweise von 5 bis 50 μm, wobei die Dicke der Nicht-MeN- und/oder -Me₂N-Lage(n) von 0,1 bis 15 μm variiert.
In noch einer weiteren Ausführungsform können dünne Lagen (0,2 bis 5 μm) mit einer erhöhten effektiven Haftung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Abscheidungsmethode abgeschieden werden. Solche Lagen können in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Anforderung an die Haftung der Lage besonders wichtig ist.
Beispiele für Lagen mit erhöhter effektiver Haftung umfassen Lagen mit Zusammensetzungen, die (Ti, Al)N, (Ti, Al, Cr)N, (Al, Cr)N, (Ti, Al, Si)N, (Ti, AlCr, Si)N, (Ti, Si)N, (Cr, Si)N umfassen.
Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Nitridlagen mit niedriger Druckeigenspannung, z. B. MeN- und/oder Me₂N-Lagen, durch reaktives Magnetron-Sputtern unter Anwendung der folgenden Merkmale abgeschieden:
Magnetron-Energiedichte: 3,1 W/cm² bis 63 W/cm², vorzugsweise 9,4 W/cm² bis 19 W/cm².
Substratstromdichte I_s/A₅: > 10 mA/cm², vorzugsweise 10 mA/cm² bis 1.500 mA/cm², besonders bevorzugt 30 mA/cm² bis 750 mA/cm².
Atmosphäre: Gemisch aus Ar und N₂ oder reiner N₂. Gesamtdruck: < 5 Pa.
Vorspannung V_S: > 0, vorzugsweise > +5 V, aber < +60 V.
Geometrische Anordnung:

– Ziel- zu Substrat-Fläche R = A_t/A_s: R > 0,7, vorzugsweise > 1,0, besonders bevorzugt > 1,5.
– Ziel- zu Substrat-Abstand: d_t < (Ar)^0,5 vorzugsweise d_t < 0,7·(Ar)^0,5, besonders bevorzugt d_t < 0,7·(A_t)^0,5.

Das Sputter-Target enthält vorzugsweise mehr als 40 At.-% Al und/oder Si und/oder Cr und/oder B, besonders bevorzugt mehr als 60 At.-%. Der B-Gehalt sollte jedoch geringer als 10 At.-% sein.
Ohne die Erfindung auf eine spezielle Theorie zu beschränken, wird angenommen, daß der Vorteil der vorliegenden Erfindung auf eine Kombination mehrerer Wirkungen zurückzuführen ist:

– Das Flächenverhältnis zwischen dem Target und dem Substrat-Halter in Kombination mit dem kurzen Abstand von dem Target zu dem Substrat liefert einen Vorteil einer hohen Abscheidungsrate mit guter Beschichtungsdickengleichmäßigkeit um das Werkzeug herum ohne Zeiträume der Nichtabscheidung. Dies liefert eine Beschichtung mit minimaler Anzahl an Mikrostrukturdefekten, Zwischenlagen und Zonen der erneuten Keimbildung, die durch Restgase verursacht werden.
– Das Flächenverhältnis zwischen dem Target und dem Substrat-Halter ermöglicht es, eine positive Substratvorspannung anzuwenden. Die positive Substratvorspannung liefert aufgrund der hohen Elektronenstromdichte einen dreifachen Vorteil:
– Erhöhte Oberflächenmobilität von Atomen minimiert die Mikrostrukturdefekte und dabei die Druckeigenspannung.
– Erhöhte Dissoziationsrate von Stickstoffmolekülen zu atomarem Stickstoff macht es leichter, eine gewünschte stöchiometrische Zusammensetzung der Lage zu erreichen.
– Eine erhöhte Desorptionsrate von absorbiertem Wasserstoff und/oder Wassermolekülen von der Oberfläche würde die Bildungsgeschwindigkeit von Defektkomplexen auf der Grundlage von Hydroxid absenken, welche zu hohen Druckeigenspannungen in einigen Beschichtungsmaterialsystemen beitragen.
– Durch Verwendung einer Target-Zusammensetzung, die für eine hohe Oberflächenmobilität der Atome maßgeschneidert ist, wird das damit einhergehende Risiko von hoher Druckeigenspannung aufgrund der hohen Abscheidungsrate minimiert.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ein reaktives Magnetron-Sputter-Verfahren zur Abscheidung von MeN- und/oder Me₂N-Lage(n) beschrieben. Es ist offensichtlich, daß das Verfahren auch auf die Abscheidung von anderem Beschichtungsmaterial auf der Grundlage von Metallcarbonitriden und/oder -oxycarbonitriden und/oder -oxynitriden, bei denen die Metallelemente unter Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Si und Al ausgewählt sind, durch Hinzufügen von Kohlenstoff und/oder Sauerstoff enthaltendem Gas angewendet werden kann.
Beispiel 1
(Ti, Al)N-Lagen wurden in einem Abscheidungssystem abgeschieden, das mit einer rechteckigen DC-Magnetron-Sputter-Quelle mit einem Ti + Al-Target (50 At.-% Ti + 50 At.-% Al) von 318 cm² ausgestattet war. Die vom Substrattisch hervorstehende Oberfläche betrug 20 cm², die in einem Abstand von 5 cm von der Target-Oberfläche positioniert war.
Es wurden spiegelpolierte Hartmetallsubstrate mit der Zusammensetzung von 6 Gew.-% Co und 94 Gew.-% WC verwendet. Die WC-Korngröße betrug etwa 1 μm und die Härte war 1.650 HV₁₀.
Vor der Abscheidung wurden die Substrate in einem Ultraschallbad aus einer Alkalilösung und in Alkohol gereinigt. Die Substrate wurden stationär über dem Magnetron positioniert und mit einem Elektronenstrahl für 40 Minuten auf etwa 400°C widerstandsbeheizt. Unmittelbar nach dem Erwärmen wurden die Substrate für 30 Minuten unter Anwendung einer Substratvorspannung von –200 V mit Argonionen geätzt (Ionenstromdichte: 5 mA/cm²). Die anschließende (Ti, Al)N-Abscheidung wurde durch reaktives Magnetron-Sputtern unter Anwendung einer Magnetron-Energie von 5 kW, einem Ar-Druck von 0,3 Pa, einer Stickstoff-Strömungsgeschwindigkeit von 100 sccm durchgeführt. Die Substratvorspannungen V_S wurden in drei verschiedenen Abscheidungsprozessen variiert: –100 V, –50 V und +50 V. Die resultierende Dicke der positiv vorgespannten Lagen betrug ~ 5 μm nach 20 min der Abscheidung, was einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 4,2 nm/s entsprach. Die Substrattemperatur wurde mit einem an dem Substrat-Halter befestigten Thermoelement gemessen. Die Temperaturen betrugen etwa 400°C (unter Verwendung negativer Vorspannung) bis 500°C (unter Verwendung positiver Vorspannung) am Ende des Zeitraums der reaktiven Abscheidung.
Der Substratstrom I_s betrug +1,2 A für negative V_S, unabhängig von der Spannung. Wenn man von negativer zu positiver V_S wechselte, änderte sich das Vorzeichen des Substratstroms von positiv nach negativ und wurde etwa –10 A, was einem Elektronenstrom von 500 mA/cm² entsprach.
XRD-Analyse zeigte, daß alle Lagen die kubische Natriumchloridstruktur aufwiesen, (Ti, Al)N mit einem Gitterparameter von etwa 4,18 Å.
Durch Anwenden von positiver V_S wurde eine Lage mit Zuständen niedriger Druckeigenspannung, σ_tot = +0,6 GPa, erhalten, was nach dem XRD-sin² φ-Verfahren gemessen wurde. Die thermischen Spannungen σ_thermal können berechnet werden unter Verwendung von
worin E_f und v_f das Elastizitätsmodul bzw. die Poissonsche Konstante der Lage sind, α_f und α_sub der thermische Ausdehnungskoeffizient der Lage bzw. des Substratmaterials sind, T_dep und T_ana die Abscheidungstemperatur bzw. die Analysentemperatur in K sind. Die Verwendung von α_sub = 4,8·10^–6, α_(Ti,Al)N,a = 9,35·10^–6, E_f = 450 GPa, v_f = 0,22, T_dep = 773 K, T_ana = 298 K in der obigen Gleichung ergibt ein σ_thermal = +1,2 GPa. Die innere Spannung kann dann durch Anwendung der folgenden Gleichung erhalten werden: σint = σtot – σthermal.
Die innere Spannung σ_int von Beschichtungen, die mit positiver Vorspannung abgeschieden wurden, beträgt daher:
σ_int = +0,6 – 1,2 = –0,6 GPa, d.h. solche Beschichtungen werden in einem Modus von niedriger innerer Druckeigenspannung aufgebaut.
Die Anwendung von negativen V_S lieferte Lagen mit Gesamteigenspannungen im Bereich von etwa –2 GPa.
Der Haftungstest durch Rockwell-Eindruck zeigte, daß die Haftung für alle Lagen akzeptabel war. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Haftung zwischen der Variante A und D, aber weil D der vorliegenden Erfindung eine fast dreimal dickere Beschichtung hat, sind die Ergebnisse äußerst gut. Der Eindruck-Test zeigt, daß die Lage gemäß der vorliegenden Erfindung stark verbesserte Zähigkeitseigenschaften aufweist im Vergleich zu Lagen, die unter Anwendung negativer Vorspannung und nach dem Stand der Technik aufgebaut wurden.
Tabelle 1: Eigenschaften der (Ti, Al)N-Lagen
Beispiel 2
Um die korrekte N₂-Strömungsgeschwindigkeit zum Erhalten eines stöchiometrischen Verhältnisses zwischen den metallischen Elementen und Stickstoff, d.h. (Ti+Al)/N ~ 1, zu bestimmen, wurde ein Test durchgeführt, bei dem die N₂-Strömungsgeschwindigkeit zwischen 10 und 175 sccm variiert wurde. Alle anderen Abscheidungsdaten wurden konstant gehalten, d.h. die Magnetron-Energie bei 5 kW, die Substratvorspannung bei +50 V, der Ar-Druck bei 0,25 Pa. Die Einstellung des Abscheidungssystems war die gleiche wie in Beispiel 1. Der Gehalt an Al, Ti und N in den Lagen wurde unter Verwendung von EDS gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten angegeben und zeigen, daß bei Anwendung der vorliegenden Erfindung eine überraschend hohe Stabilität für die N₂-Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird. In dem gesamten Bereich zwischen 30 sccm und 175 sccm wird eine stöchiometrische Zusammensetzung erhalten. Dies ist ein Effekt des hohen Substratelektronenstroms, der die Dissoziationsrate des N₂-Moleküls erhöht. Es konnte kein Ar in irgendeiner der Lagen detektiert werden.
Tabelle 2: Abhängigkeit der N₂-Strömungsgeschwindigkeit von dem Stöchiometrieverhältnis (Ti+Al)/N
Beispiel 3
Hartmetallschneidwerkzeugeinsätze aus Beispiel 1 (es werden die gleichen Namen der Varianten verwendet) wurden in einem Planfrässchneidtest in festem und gekerbtem Werkstückmaterial, SS2541, eingesetzt. Der homogene Schneidtest (festes Werkstück) wurde in einer 60 mm breiten Platte durchgeführt, und der unterbrochene Schneidtest wurde unter Verwendung von drei 20 mm breiten Platten, die um 10 mm beabstandet waren und als eine Gruppe montiert waren, durchgeführt. Die Schneiddaten waren: v_c = 250 m/min (homogen) und 200 m/min (unterbrochen), f = 0,1 mm/Umdr. und Schnittiefe = 2,5 mm.
Dieser Test demonstriert, daß die Variante D die beste Verschleißbeständigkeit, aber trotz der dicksten Beschichtung überraschenderweise auch die beste Zähigkeit zeigt.

Claims

Abscheideverfahren unter Verwendung von reaktivem Magnetron-Sputtern einer abriebbeständigen Schicht auf ein Schneidwerkzeug für die spanabhebende Bearbeitung, gekennzeichnet durch: – eine Abscheidegeschwindigkeit t_d von mehr als 2 nm/s, – eine bezüglich des Massepotentials positive Vorspannung V_S zwischen +1 V und +60 V, die an das Substrat angelegt wird, – eine Substratstromdichte I_s/A_S von mehr als 10 mA/cm², – einen Zielflächenbereich A_t von mehr als 0,7-mal dem Substratflächenbereich A_s, d.h. R = A_t/A_S > 0,7, und – einem Abstand d_t zwischen der Zielfläche und der Substratfläche < (A_t)^0,5.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – R > 1,0 und – d_t < 0,7·(A_t)^0,5.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – R > 1,5 und – d_t < 0,5·(A_t)^0,5.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratstromdichte I_s/A_s größer als 30 mA/cm² ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidegeschwindigkeit d_t größer als 3 nm/s ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridschicht MeN und/oder Me₂N ist, wobei Me eines oder mehrere der Elemente Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Si, Al und B ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridschicht eine Gesamtmenge von Al und/oder Si und/oder Cr und/oder B von wenigstens 40 At.-%, jedoch maximal 10 At.-% B enthält.