SE526857C2 - Sätt att belägga ett skärverktyg med användning av reaktiv magnetronsputtering - Google Patents

Description

W U 20 25 30 35 40 gub.v Vid ökande be- atet= I tiva vidhäftningen av b-läggningen mot läggningstjocklek kommer skjuv- och normalspänningen vid gränsytan att öka. Denna effekt är den begränsande faktorn för beläggningens tjocklek för funktionella PVD-beläggningar. Därför har stora an- strängningar under åren gjorts att få fram PVD-processer för be- läggning av tjockare skikt med ett lågt kompressivt restspännings- tillstånd. Olika metoder har använts såsom användning av låg nega- tiv substratförspänning (mellan -10 och -50 V), hög substratför- (-400 V till -1000 V), pulsad förspänning (unipolär och Men ingen av dessa tek- spänning bipolär) såväl som högt tryck (över 5 Pa). niker kan utfälla ett skikt med lågt egentligt kompressivt rest- spänningstillstånd med en bibehållen tät mikrostruktur utan defek- ter som orsakats av rotationen av substraten.

En annan ansats för att reducera restspänningstillståndet, med användning av in-situ värmebehandling under beläggning t ex låg beläggningshastighet och/eller hög beläggningstemperatur, har prövats utan framgång.

US 5,952,085 beskriver en erosionsresistent multiskiktbelägg- ning på ett substrat omfattande alternerande skikt av wolfram- och titandiborid för gasturbiner. Alla skikt har samma tjocklek och företrädesvis en tjocklek av mellan 0,3 och 1 um för att ge för- bättrat erosionsmotstånd. Magnetronsputtring med användning av en positiv förspänning används som beläggningssätt för skikten.

EP-A-1245693 beskriver beläggningar med låg egentlig rest- spänning av TiB2 växt genom magnetronsputtring från en TiB2-tar- get.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förelägga en metod att växa slitstarka nitridskikt med reducerad kompressiv restspänning, företrädesvis baserade på Al och/eller Si och/eller Cr, på skärverktyg för spånavskiljande bearbetning.

Det är ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning att förelägga en metod att växa skikt med mikrostrukturellt sanna en- kelskikt med en god beläggningstjockleksfördelning.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig l är en schematisk beskrivning av beläggningssystemet en- ligt föreliggande uppfinning, vari S är substrathållare, 10 ß 20 25 30 35 40 b) M är magnetron inklusive target P är vakuumpump, Vttargetpotential, V; substratförspänning (potential), L substratström och L targetström.

Fig 2 visar schematiskt definitionerna av targetyta, AU och substrathàllaryta, Av DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning föreligger en metod för be- läggning av skärverktyg för spànavskiljande bearbetning. Skärverk- tyget omfattar en kropp av en hårdlegering av hårdmetall, cermet, keramik, kubisk bornitrid baserat material eller snabbstål med en hård och slitstark refraktär beläggning. Den slitstarka belägg- ningen är sammansatt av ett eller flera skikt av vilka åtminstone ett omfattar en lågkompressiv metallnitrid utfälld med reaktiv magnetronsputtring. d v s. MeN och/eller Me2N, där Me är ett eller flera av elementen Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Si, Al och B.

Den totala mängden av Al och/eller Si och/eller Cr, och/eller B är B-halten skall, om något helst mer än 40 atom%, helst mer än 60 atom%. emellertid, vara mindre än 10 atom%. Resten av skikten, överhuvudtaget, består av metallnitrider och/eller karbider och/eller oxider med elementen valda från Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Si och Al.

Karakteristiskt för metoden enligt föreliggande uppfinning är att förhållandet mellan targetytan, At, och ytan av substrathàlla- ren vettande mot targeten, As, definierat som R=At/AS är betydligt större än det vanligen använda i processer för deponering av slit- starka beläggningar på verktyg för spànavskiljande bearbetning.

Dessutom är avståndet från targetytan till substratytan, dt, litet, jämfört med targetens utsträckning. På detta sätt är det möjligt att utfälla beläggningar med god likformighet omkring hela verkty- get utan användning av substratrotation. Denna metod minimerar mängden mikrostrukturella defekter i skikten som föranleds av be- läggning-av-perioderna vilket resulterar i en beläggning med över- lägsna mekaniska egenskaper jämfört med beläggningar framställda då roterande fixturer används.

Eftersom ytförhållandet, R, är stort, kan en positiv förspän- ning, \Q>0, användas, vilket är inte möjligt vid industriell be- 10 Ü 20 25 30 35 40 526 857 à läggning. spänningsströmförsörjning och plasmat blir tömt på elektroner, som kommer att stoppa sputtringsprocessen. Genom att använda en posi- tiv substratförspänning ändras beläggningsbetingelserna, så att det kommer att bli en netto elektronström från plasmat till sub- strathållaren. Detta i motsats till situationen när en negativ substratförspänning är pålagd, vilket ger en nettojonström från plasmat till substratet. Elektronströmdensiteten of IS/AS är 10 _ 1500 mA/cm2 och företrädesvis 30 - 750 mA/cm2. Den höga elek- tronströmdensiteten är en nyckelfaktor i föreliggande uppfinning.

Elektronströmmen ökar ytrörligheten av atomerna och därvid minskar uppkomsthastigheten av gitterdefekter, som är ansvariga för det kompressiva restspänningstillståndet i PVD-beläggningar. Vid ök- ning av ytrörligheten, kan skikt med låga kompressiva restspän- ningar utfällas. En andra fördel med föreliggande uppfinning är med användning av reaktiv magnetronsputtring, den ökade dissocia- tionen av kvävemolekyler till atomärt kväve. Denna effekt elimine- rar den vanliga svårigheten att åstadkomma den korrekta stökiome- trin för nitridbeläggningar, normalt associerat till reaktiv mag- netronsputtring. Med användning av föreliggande uppfinning erhålls kvävemättade nitridbeläggningar i ett brett intervall av kväveflö- deshastigheter från 20 sccm upp till mer än 175 sccm (standard ku- bikcentimeter per minut) vid ett Ar-tryck av 0,25 Pa.

Användning av ett högt förhållande R i föreliggande uppfin- ning borde resultera i en mycket låg produktivitet och därför en orealistiskt hög produktionskostnad. Men genom att deponera be- läggningarna (okonventionellt) nära targetytan uppnås en mycket hög beläggninghastighet. Denna extrema beläggningshastighet kommer att sänka produktionskostnaden och göra metoden ekonomiskt fördel- aktig. Beläggningshastigheten bör vara större än 2 nm/s, företrä- desvis större än 3 nm/s.

Medelytrörligheten för elementen bör anpassas i förhållande till beläggningshastigheten för processen, d v s. vid högre be- läggninghastighet, behövs en högre ytrörlighet för att hålla spän- ningarna på en låg nivå. Detta kan regleras genom ökning av bulk- temperaturen och/eller sammansättningen av det sputtrade skiktet.

Naturligtvis skall vid optimering av sammansättningen, hänsyn tas även med avseende på de mekaniska egenskaperna för det slutliga skiktet. För att få en god ytatomrörlighet av sammansättningen av det sputtrade flödet och följaktligen skall sputtertargeten om- 10 15 20 25 30 35 40 526 857 o\0 fatta mer än 40 atom Al och/eller Si och/eller Cr och/eller B, och företrädesvis mer än 60 atom%. B-halten skall, emellertid, vara mindre än 10 atom%.

I en utföringsform är tjocka MeN och/eller Me2N-skikt utfällda direkt ovanpå ett skärverktygssubstrat som ovan nämnts. Tjockleken av varje individuellt skikt varierar då från 5 till 100 um före- trädesvis från 5 till 50 um, för metallbearbetning när hög slit- styrka önskas.

I en annan utföringsform utfälls ytterligare skikt av metall- nitrider och/eller -karbider och/eller -oxider med metallelement valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W och Al tillsammans med MeN och/eller Me2N-skikt. Den totala beläggningtjockleken varierar då från 5 till 100 um, företrädesvis från 5 till 50 pm, med tjock- leken av de icke MeN och/eller Me2N-skikten varierande från 0,1 till 15 gm.

I ytterligare en utföringsform, kan tunna skikt (0,2 - 5 pm) med en ökad effektiv vidhäftning utfällas, med användning av det uppfunna sättet för beläggning, när kravet på vidhäftning av skik- tet är speciellt viktigt.

Enligt metoden för föreliggande uppfinning utfälls nitrid- skikt med låg kompressiv spänning, MeN- och/eller Me2N-skikt, med reaktiv magnetronsputtring med användning av följande kännetecken: Magnetroneffektdensitet: 3,1 W/cm2 till 63 W/cm2, företrädes- vis 9,4 w/cm2 till 19 w/cm2.

Substratströmdensitet L/A5: 10 mA/cm2 till 1500 mA/cm2, före- trädesvis 30 mA/cm2 till 750 mA/cm2.

Atmosfär: blandning av Ar och N2 eller ren N2.

Totaltryck: <5 Pa.

Förspänning NQ: >0 företrädesvis > +5 V men < +60 V.

Geometriska arrangemang: - Target till substratyta; R= At / AS: R>O,7 företrädesvis >1,0, och helst >l,5.

- Target till substratavstànd:dt< (At)”, företrädesvis dt< o,7*(A,)”, och helst dt< O,5**.

Sputtringtargeten innehåller företrädesvis mer än 40 atom% Al och/eller Si och/eller Cr och/eller B, mer företrädesvis mer än 60 atom%. B-halten skall, Utan att begränsa emellertid, vara mindre än 10 atom%. uppfinningen till någon särskild teori kan det anses att fördelen med föreliggande uppfinning beror på en kombination av åtskilliga effekter: 10 U 20 25 30 35 40 526 857 6 - Ytrelationer mellan target och substrathàllare, i kombina- tion med det lilla avståndet från target till substrat, ger en fördel av en hög beläggninghastighet med god beläggningtjocklek likformig omkring verktyget i frånvaro av beläggning-av perioder.

Detta ger en beläggning med minimerad mängd av mikrostrukturella defekter, restgaser. mellanskikt och åter-kärnbildningszoner, som orsakats av - Ytrelation mellan target och substrathållare gör det möj- ligt att använda en positiv substratförspänning. Den positiva sub- stratförspänningen ger tre-faldig fördel beroende på den höga elektronströmdensiteten: - Ökad ytrörlighet av adatomer minimerar de mikrostrukturella defekterna och därvid den kompressiva restspänningen. - Ökad dissociationshastighet för kvävemolekyler till atomärt kväve gör det lättare att åstadkomma önskad stökiometrisk samman- sättning för skiktet. - Ökad desorptionshastighet av absorberade väte och/eller vattenmolekyler från ytan minskar bildningshastigheten av hydrox- idbaserade defektkomplex, vilket bidrar till höga kompressiva spänningar i några beläggningmaterialsystem.

- Med användning av en targetsammansättning som är framställd för en hög ytrörlighet av adatomerna minimeras den associerade risken för hög kompressiv spänning beroende på den höga belägg- ninghastigheten.

Föreliggande uppfinning har beskrivits med hänvisning till en reaktiv magnetronsputtringsmetod för beläggning av MeN och/eller Me2N-skikt. Det är uppenbart att metoden även kan appliceras på be- läggningen med andra beläggningmaterial baserade på metallkarbo- nitrider och/eller karbooxynitrider och/eller oxynitrider med me- tallelement valt från Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Si och Al vid tillsats av kol- och/eller syreinnehàllande gas.

Exempel 1 (Ti,Al)N-skikt utfälldes i ett beläggningsystem utrustat med en rektangulär dc-magnetronsputterkälla med en Ti + Al-target (50 atom% Ti + 50 atom% Al) av 318 cm2. Substratbordets projicerade yta var 20 cm2 beläget på ett avstånd av 5 cm från targetytan.

Spegel-polerade hàrdmetallsubstrat med sammansättning 6 vikt% Co och 94 vikt% WC användes. WC-kornstorleken var omkring 1 um och hårdheten var 1650 HV10. 10 20 25 30 35 www b^ lg re öre eläggni en alkalilösning och i sprit. Substraten var stationärt belägna ovanför magnetronen och resistivt uppvärmda med en elektronstràle i 40 min till omkring 400°C. Omedelbart efter uppvärmning etsades substraten med argon-joner (jonströmdensitet 5 mA/cm2) i 30 minu- ter med användning av en substratförspänning på -200 V. Den föl- jande (Ti,Al)N-beläggningen utfördes med reaktiv magnetronsputt- ring med användning av en magnetroneffekt av 5 kW, ett Ar-tryck av 0,3 Pa, en kväveflödeshastighet av 100 sccm. Substratförspännings- spänningarna, Vs, '100 V, -50 V och +50 V. Den resulterande tjockleken av det positivt förspända skiktet var ~ 5 um efter 20 min beläggning motsvarande varierades i tre olika beläggningprocesser: en beläggninghastighet av 4,2 nm/s. Substrattemperaturen mättes med ett termopar fäst vid substrathållaren. Temperaturerna var un- gefär 400 °C till 500°C (med användning av positiv förspänning) vid slutet av den reaktiva (med användning av negativ förspänning) beläggningperioden.

Substratströmen L var +l,2 A för negativ VH oberoende av spänningen. Vid ändring från negativ till positiv V; ändrade sub- stratströmmen tecken från positiv till negativ och blev omkring - 10 A motsvarande en elektronström av 500 mA/cm2.

Röntgendiffraktionsanalys visade att alla skikt uppvisade den kubiska natriumkloridstrukturen (Ti,Al)N med en gitterparameter av omkring 4,18 Å.

Genom att använda en positiv Vs, erhölls ett skikt med lågt kompressivt restspänningstillstånd, cum z +0,6 GPa, bestämt med användning av röntgendiffraktions sinzo-metoden. De termiska spän- ningarna, oærmjk, kan beräknas med användning av _/ _ _ _T- _T (1 _ vf) (af asub) ( dep una) Ütermisk = där Ef och vf är Young's modul och Poisson's förhållande för skiktet, respektive. af och dam längdutvidgningskoefficienten av skikt och substratmaterial. Tdw och Tæm är beläggningstemperatur och analystemperatur i K. Användning av dam = 9,35*1o'6, Ef = 450 GPa, vf = 0,22, Tdep = tionen ovan ger otümßk = 4,8*10'6, aarilnr. = 773 K, Tæm = 298 K i ekva- +l,2 GPa. Den egentliga spänningen kan då erhållas genom att använda ekvationen: 10 U 20 25 30 Üint = Ücot ' Ütermisk Den egentliga spänningen, GW, för beläggningar utfällda med positiv förspänning blir därför: qm= +0,6 - 1,2 = -0,6 GPa, i ett lågt kompressivt egentligt spänningstillstànd.

Användning av negativ \Q gav skikt med totala restspänningar i d v s. de beläggningarna är växta storleksordningen ungefär -2 GPa.

Vidhäftning provad genom Rockwellintryck visade att vidhäft- ningen var acceptabel för alla skikt. Det var ingen väsentlig skillnad i vidhäftning mellan variant A och D, men eftersom D, fö- religgande uppfinning, har nästan tre gånger så tjock beläggning är resultaten ytterst bra. Intrycksprovet demonstrerar att skiktet enligt föreliggande uppfinning har starkt förbättrade seghetsegen- skaper jämfört med skikt växt med användning av negativ förspän- ning och enligt känd teknik.

Tabell 1. Egenskaper hos (Ti,Al)N-skiktet.

Variant Vs [V] Beläggnings- Beläggnings- HRC 0 [GPa] hastighet tjocklek [um] (nm/s) A Känd teknik 0,8 2,4 God -3,8 B -100 V 4,3 5,1 Acceptabel -2,l C -50 V 4,5 5,4 Acceptabel -1,7 D +50 V 5,1 6,1 God +0,6 Uppfinning Exempel 2 För att bestämma korrekt N2-flödeshastighet för att få ett stökiometriskt förhållande mellan de metalliska elementen och (Ti+A1)/N ~ 1, utfördes ett prov där N2-flödeshastig- heten varierades mellan 10 och 175 sccm. Alla andra beläggnings- kväve d v s. data hölls konstanta d v s. magnetroneffekten 5 kW, substratför- spänning vid +50 V, Ar-tryck vid 0,25 Pa. Beläggningssystemet var detsamma som i exempel 1. Halten av Al, Ti och N i skikten mättes med användning av EDS. Resultaten redovisas i tabell 2 nedan och visar att med användning av föreliggande uppfinning åstadkommes en överraskande hög stabilitet för N2_flödeshastigheten. I hela in- tervallet mellan 30 sccm och 175 sccm, uppnås en stökiometrisk sammansättning. Detta är en effekt av den höga substratelek- N 15 Tabell 2. Inverkan av N2 flödeshastighet på stökiometriförhållan- det (Ti+Al) /N Variant N2 flödes- Ti [atom%] Al [atom%] N {atom%] Stokiometri- hastighet förhållande [sccm] (Ti+Ål) /N E 10 41 40 19 4,40 F 20 33 32 35 1,85 G 30 24 27 50 1,02 H 40 24 26 49 1,03 I 50 24 28 48 1,09 J 75 26 26 48 1,08 K 100 25 27 47 1,11 L 125 23 26 50 0,98 M 150 23 26 51 0,95 N 175 23 26 51 0,95 Exempel 3 Hårdmetallskär från exempel 1 (samma namn på varianterna an- vänds) användes i ett planfräsningsskärprov, i solitt och spårat arbetsstyckematerial, SS254l.

Det homogena skärprovet (solitt ar- betsstycke) gjordes i en 60 mm bredd plåt och det intermittenta skärprovet utfördes med användning av tre 20 mm vid plåtar skilda åt 10 mm, monterade som ett paket. Skärdata var; vc = (homogen) och 200 m/min djup = 2,5 mm. (intermittent), 250 m/min f = 0,1 mm/varv och skär- C51 m3 \:\ CS ('“'| \J Variant Kontinuerligt Intermittent ingrepp ingrepp Livslängd, mm Livslängd, mm Å Känd teknik 2200 1500 (Ti,Al)N B (Ti,Al)N 1700 900 (V5 = -100 V) D Uppfinningen 2800 2100 (Ti,Al)N (Vg = +50 V) Detta prov demonstrerar att varianten D visar den bästa slit- styrkan, men även överraskande den bästa segheten trots den tjock- aste beläggningen.

Claims (6)

10 Ü 20 25 30 KRAV

1. En metod att med användning av reaktiv magnetronsputtring deponera ett nitridbaserat slitstarkt skikt MeN och/eller Me2N, där Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Si, Al och B på ett skärverktyg för spånavskiljande Me är ett eller flera av elementen Sc, bearbetning k ä n n e t e c k n a d av: - en magnetroneffektdensitet av 3,1 W/cm2 till 63 W/cm2, företrädesvis 9,4 W/cmz till 19 W/cmz - en beläggninghastighet, Q, större än 2 nm/s - en positiv förspänning, \§ >O V men < +60 V på substratet, relativt jordpotential - en substratströmdensitet, L/As, 10 - 1500 mA/cm2 - en atmosfär av en blandning av Ar och N2 eller ren N2 - ett totaltryck av <5 Pa - en targetyta, At, större än 0,7 gånger substratytan, As, R= At/AS>0,7 och - ett avstånd mellan targetytan och substratytan, dt, < (Atfï

2. En metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att - R>1,0 och - dt< O,7*(At)”.

3. 43. En metod enligt - R>1,5 och - dt< O,5*

4. En metod enligt något av föregående krav, krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att k ä n n e t e c k n a d av att substratströmdensiteten, L/As, är 30 - 750 mA/cm2.

5. En metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att beläggninghastigheten, m, är större än 3 nm/s.

6. En metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att nitridskiktet innehåller en total mängd av Al och/eller Si och/eller Cr och/eller B av åtminstone 40 atom% men mindre än 10 atom% B.