SE528377C2 - Flerskiktsfilm på ett substrat av hårdmetall, kermet, keramiskt material eller snabbverktygsstål samt förfarande för framställning därav - Google Patents

Description

30 ;s2a sr7 2 aluminium ingående i filmen och stabil nötningshållfasthet och vårmehärdighet kan upp- rätthållas upp till en hög temperatur på ca 800°C.

I vissa fall uppnår skärkanten på ett skärverktyg en hög temperatur på 1 00O°C eller hög- re under skärning. Under sådana betingelser kan tillräcklig värmebeständighet ej säker- ställas genom endast TiAlN-filmen och följaktligen bildar man dessutom ett aluminium- oxidskikt på TiAlN-filmen för att säkerställa värmebeständigheten, såsom beskrives i den amerikanska patentansökningen US 5 879 823.

Alurniniumoxid uppvisar olika kristallsnulcturer beroende på temperaturen, men alla kris- tallstrukturema år teriniskt rnetastabila. Då emellertid temperaturen hos skärverktygets skäregg ändras betydligt över ett stort område från rumstemperatur till 1 00O°C eller hög- re under skärning, ändras aluminiumoxidens kristallstriilctur för att otördelakti gt förorsa- ka sprickbildning eller delaminering i filmen. I aluminiumoxid med ot-kristallstruktur bildad genom ett CVD-förfarande, där substratets temperatur ökar till 1 00O°C eller mer, bibehålles emellertid den teriniskt stabila strukturen efter bildningen, oberoende av tem- peraturen. För att ge skärverktyget värmebeständighet är det således effektivt att belägga skärverktyget med en alurniniumoxidfilm med ot-lcristallstruktur.

Emellertid måste man, såsom beskrivits ovan, upphetta substratet till 1 00O°C eller högre för att bilda aluminiumoxid med cx-lcristallstruktur, varför endast ett begränsat antal sub- strat kan användas. Anledningen till detta är att en viss typ av substrat möjligen kan mjukna så att det förlorar sin lämplighet såsom substrat för nötningshållfasta organ då substratet utsåttes för en hög temperatur på l 00O°C eller högre. Likaledes förorsakar ett högtemperatursubstrat såsom hårdmetall oiördelaktigt deformation då det utsåttes för en sådan hög temperatur. Den hårda filmen, såsom TiAlN-filmen bildad såsom en film som uppvisar nötningsbeständighet på substratet, har i allmänhet en maximal användnings- temperatur på ca 800°C och följaktligen kan filmen möjligen förändras i sina egenskaper så att nötningshållfastheten försämras då filmen utsättes för en hög temperatur på 1 00O°C eller mer. 10 15 20 30 528 377 Såsom ett sätt att lösa detta problem beskriver den japanska patentansökningen, som ej granskats, med publiceringsnr. 2002-53946, ett forfarande, där man bildar ett underlig- gande skikt omfattande en oxidfilm med korundstruktur (ot-lqistallstrulrtur) med en git- terkonstant på 4,779-5,000 Å och en tjocklek på åtminstone 0,005 um, och där man bil- dar en aluminiumoxidfilm med ot-lcristallsmilrtur på det underliggande skiktet. Kompo- nenten i oxidfilrnen är företrädesvis Cr2O3, (Fe, Cr)2O3 eller (Al, Cr)2O3. Då komponen- ten i oxidfilmen är (Fe, Cr)2O3 användes företrädesvis (F ex, Cr(1_x))2O3 (där x är 0 S x S 0,54). Då komponenten i oxidfilmen är (Al, Cr)¿O3 användes företrädesvis (Aly, Cru. who, (där y är o s y s om).

I patentansökningen anges även att kristallin ot-aluminiumoxid kan bildas vid låg sub- strattemperamr genom ett förfarande, som omfattar bildning av en hård film, som omfat- tar en sammansatt nitridfilrn bestående av Al och åtminstone ett element valt från grup- pen bestående av Ti, Cr och V, bildning av ett mellanliggande skikt, som omfattar en film av (All, Cr(1_Z)N (där z är 0 S z S 0,90), oxidering av det mellanliggande skiktet för bild- ning av en oxidfilm med korundstruktur (ot-kristallstruktur) och därefter bildning av en ot-aluminiumoxidfilm på oxidfilmen.

I ovanstående skrift beskrives även ett exempel på detta förfarande, där en CrN-film bil- das på ett substrat och därefter oxideras för bildning av korundstrukturen av Cr2O3, varpå aluminiumoxid med huvudsakligen ot-struktur bildas på Cr2O3. Emellertid har uppfinnar- na vid undersökning av dessa förfaranden funnit att förfarandena erfordrar upphettning av substratet till ca 7 OO-750°C i en oxiderande atmosfär och att CrN-filmen lätt delaminerar från substratet efter detta upphettningssteg. Följaktligen erfordras ytterligare förbättring för ökning av vidhäfmingen mellan substratet och flerskiktsfilrnen.

Uppfinnarna har redan föreslagit en film med utmärkt värmebeständighet och nötnings- hållfasthet, vilken film bildas genom att man bildar en TiAlN-film såsom hård film på skär- eller klippverktygets yta, och därefter bildar en alumíniumoxidfilm med huvudsak- 10 15 20 25 30 ešåa 377 4 ligen ot-kristallstruktur på TiAlN-filrnen (den japanska patentansökningen nr. 2002- 231954). Speciellt har uppfinnarna föreslagit att den hårda filmen (TiAlN-filmen) bildas på ett substrat, att ytan på den hårda filmen oxideras för bildning av ett oxidhaltigt skikt på den hårda filrnens yta och därefter en aluminiumoxidfilm som huvudsakligen har ot- kristallstruktur på det oxidhaltiga skiktet.

Detta förfarande kan förbättra produktiviteten i jämförelse med förfarandet beskrivet i den icke-granskade japanska patentansökningen som publicerats med nr. 2002-53946, enligt vilket TiAlN-filinen bildas, CrN-filmen bildas och därefter oxideras för bildning av en korundstruktur av Cr2O3, varpå aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen ot- kristallstruktur bildas. Det är även möjligt att undvika försämring av skärprestanda med hjälp av Cr-haltiga filmer, såsom ett Cr203-skikt och ett sammansatt skikt av (CrN+Cr2O3) som bildas som den mellanliggande filmen.

Då emellertid aluminiumoxiden med huvudsakligen ot-struktur bildas på det oxidhaltiga skiktet, som bildas genom oxidering av ytan på den hårda fihnen (TiAlN-filrnen) måste substratets temperatur ökas till ca 700-750°C i en oxiderande atmosfär. Såsom i det förfa- rande som beskrives i den ej granskade japanska patentansökningen med publika- tionsnr. 2002-53946 kan den hårda filmen (TiAlN-fihnen) möjligen delaminera från sub- stratet. Följaktligen erfordras ytterligare förbättring för ökning av vidhäftningen mellan substratet och flerskiktsfilmen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Följaktligen har föreliggande uppfinning utvecklats med hänsyn taget till problemet att efiersom ett substrat måste upphettas till 7 00°C eller mer i en oxiderande atmosfär, t ex då en aluminiumoxidfilm bildas på en hård film, delaminerar den hårda filmen ofia från substratet och speciellt då substratet är ett superhåit substrat delaminerar den hårda fil- men lätt från substratet. Ett ändamål med föreliggande uppfirming är att åstadkomma ett förfarande för framställning av en flerskiktsfilm med utmärkt vidhäftning mot ett sub- strat, utmärkt nötningshållfasthet och utmärkt värmebeständighet. 10 l5 20 25 30 szs srï» För att lösa problemet omfattar en flerskiktsfilm, som anordnas på ett underlag och som uppvisar utmärkt värmebeständighet, utmärkt nötningshållfasthet och utmärkt vidhäft- ning mot substratet, enligt uppfnmingen en hård film, som omfattar en förening av metallkomponenter, som väsentligen omfattar Al och Ti, med åtminstone ett element valt från gruppen bestående av C, N, B och O, ett mellanliggande skikt bildat mellan substratet och den hårda filmen, varvid det mellan- liggande skiktet omfattar åtminstone ett element valt från gruppen bestående av en me- tall, en legering och en förening av metallen eller legeringen med C, N, B eller O och uppvisar en oxidationstemperatur lägre än den för den hårda filmen, företrädesvis lägre än 7o0°c; ett oxidhaltigt skikt bildat genom oxidering av den hårda filmen så att det oxidhaltiga skiktet är anordnat på den yta på den hårda filmen som befinner sig på avstånd från det mellanliggande skiktet; och en aluminiuinoxidfilm bildad på den yta på det oxidhaltiga skiktet som ligger på avstånd från den hårda filmen.

Såsom det mellanliggande skiktet bildas företrädesvis ett Ti-metallskikt eller ett fore- ningsskikt skikt av Ti med C, N, B eller O. i Såsom den hårda filmen fóredrages en förening av de väsentliga metallkomponentema Al och Ti, med C, N, B eller O, p g a den utmärkta nötningshållfastheten. Den hårda filmen kan vidare såsom tredje element innehålla åtminstone ett element valt från gruppen be- stående av elementen i grupp IVa (med undantag av Ti), grupp Va och grupp Vla och Si.

I flerskiktsfilmen enligt föreliggande uppfinning omfattar det yttersta skiktet i det oxid- haltiga skiktet företrädesvis huvudsakligen aluminiumoxid och har aluminiumoxidfilmen bildad på det oxidhaltiga skiktet huvudsakligen en a-kristallstruktur eftersom denna upp- visar utmärkt nötningshållfasthet och utmärkt hållfasthet mot oxidation. 10 15 20 25 30 L' i ha e: 6 Föreliggande uppfinning hänför sig även till ett förfarande för framställning av ovan be- skrivna flerskiktsfilm. Förfarandet för frarnställning av flerskiktsfilmen omfattar följande steg: ' (I) bildning av det mellanliggande skiktet på en yta på substratet; (II) bildning av den hårda filmen på det mellanliggande skiktet; (lll) oxidering av en yta på den hårda filmen för bildning av det oxidhaltiga skiktet; och (IV) bildning av aluminiumoxidfilmen på det oxidhalti ga skiktet.

Då steget att oxidera ytan på den hårda filmen för bildning av det oxidhaltiga skiktet och/eller steget att bilda aluminiumoxidfilmen på det oxidhaltiga skiktet utföres vid en substrattemperatiir på 7 O0°Celler högre i en oxiderande atmosfär framgår tydligt effekten av föreliggande uppfinning.

Företrädesvis utföres ytoxidationen av den hårda filmen och bildningen av aluminiumox- idfilmen i följd i samma anordning och det mellanliggande skiktet och den hårda filmen bildas i följd i samma anordning. Anledningen till detta är att föga föroreningar häftar vid de övre ytorna på det oxidhaltiga skiktet och det mellanliggande skiktet för att säkerställa vidhäftning mellan det oxidhaltiga skiktet och aluminiumoxidfilrnen och mellan det mel- lanliggande skiktet och den hårda filmen, varigenom produktiviteten kan förbättras. Spe- ciellt utföres bildningen av det mellanliggande skiktet och den hårda filmen, ytoxidatio- nen av den hårda filmen och bildningen av aluminiumoxidfilmen i följd i samma anord- ning.

Då en aluminiumoxidfilrn bildas på en hård film, som har bildats på ett substrat bestående av ett skärverktyg eller liknande, kan man enligt uppfmningen undertrycka delaminering av den hårda filmen från substratet, vilken delaminering lätt uppträder vid ytbehandling av den hårda filmen. Följaktligen kan man åstadkomma ett klipp- eller skärverktyg eller ett skjutbart organ belagt med en flerskiktsfilm med utmärkt vidhäftning mot ett substrat, utmärkt nötningshållfasthet och utmärkt värmebeständighet.

Ur 10 15 20 25 30 528 3 7? 7 KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Pig. 1 är en schematisk vy (sedd uppifrån) som åskådliggör ett exempel på en anordning som användes för utförande av föreliggande uppfmning; Pig. 2 är en schematisk genomskärningsvy som åskådliggör ett "Calotest" utfört i exemp- len; Pig. 3 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i det jämförande exemplet l; Pig. 4 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-fördjupning i det jäm- förande exemplet 1; Pig. 5 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i det jämförande exemplet 2; Pig. 6 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-fördjupning i det jäm- förande exemplet 2; Pig. 7 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i Exempel 1; Pig. 8 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-fördjupning i Exem- pel 1; Pig. 9 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i det jämförande exemplet 3; Pig. 10 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-íördjupning i det jämförande exemplet 3; 10 15 20 25 r528 377 8 Fig. l1 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i det jämföran- de exemplet 4; Fig. 12 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-iördjupning i det järnförande exemplet 4; Fig. 13 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på ett HRC-intryck i Exempel 2; och Fig. 14 är ett fotografi (förstoring x400) av översidan på en Calotest-fördjupning i Exem- pel 2.

BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORJVIERNA Uppfmnama utförde omfattande utvecklingsarbeten för åstadkommande av en flerskikts- film som kunde bibehålla utmärkt vidhäftning vid ett substrat till och med då en hård film, som omfattar en förening av metallkornponenter väsentligen omfattande Al och Ti med C, N, B eller O, bildas på substratet och utsättes för en substrattemperatur på 700°C eller högre i en oxiderande atmosfär och för att åstadkomma ett förfarande för framställ- ning av flerskiktsfilmen. Såsom ett resultat härav visade det sig att ett mellanliggande skikt, som genomgår oxidationsreaktion vid en temperatur lägre än den för den hårda filmen, t ex lägre än 7 OO°C, företrädesvis anordnas mellan substratet och den hårda fil- men och att det mellanliggande skiktet skall omfatta åtminstone ett skikt valt från grup- pen bestående av (a) ett metallskikt, (b) ett legeringsskikt och (c) ett föreningsskikt om- fattande metallen eller legeringen och C, N, B eller O. Man har nått fram till föreliggande uppfinning baserat på dessa fakta. Anledningen till att man använder ovan beskrivna filmstruktur kommer att i detalj beskrivas i det följande. 10 15 20 25 30 9 I "Thin Solid Films" (195, 1991, sid. 99-110) beskriver Ikeda et al. uppträdandet vid hög- temperaturoxidation av en TiAlN-filrn, där en tunn aluminiumoxidfilm bildas på TiAlN- filmens yttersta yta då TiAlN-filnfien oxideras i en syrehaltig atmosfär vid hög tempera- tur. Vidare visas i Fig. 9 i detta dokument ett diagram som visar ökningar i massan hos en TiN-film och en TiAlN-filrn vid upphettning i en syrehaltig atmosfär. Dessa diagram ty- der på att starttemperattiren för oxidation av TiN är 5 50°C, medan starttemperatiiren för oxidation av TiA1N är 7 50°C eller högre.

Grundat på dessa resultat kan man antaga att då t ex en hård TiAlN-film innehållande Al och Ti utsättes för en temperatur på 700-750°C bildas ett tunt aluminiumoxidskikt på ytan och att således oxidationen ej fortskrider vidare. Emellertid reagerar många substrat lätt med syre inom ovanstående temperaturområde för att bilda sköra skikt på substratens yta beroende på reaktionen med syre.

Vid ovan beskrivna förfaringssätt år det således möjligt att vidhäftning mellan substratet och flerskiktsfilrnen minskar beroende på det faktum, att då substratet med ytan belagd med den hårda filmen utsättes för en temperatur på 700-750°C för attt ex bilda en alumi- niumoxidfilm, reagerar själva den hårda filmen föga med syre såsom beskrivits ovan, men att syre tränger in i den hårda fihnen genom porer och diffunderar till gränsytan mellan den hårda filmen och substratet för att bilda det sköra skiktet på substratets yta.

Uppfinnarna har därför funnit att ett mellanskikt företrädesvis bildas mellan substratet och den hårda filmen för att absorbera syre, som diffimderar in i den hårda filmen genom porer i den hårda filmen, för att bilda en oxid i det mellanliggande skiktet för att förhind- ra syre från att nå substratet, varvid det mellanliggande skiktet omfattar åtminstone ett skikt som oxideras lättare än den hårda fihnen (oxidation fortskrider även vid en tempera- tur lägre än 700°C) och som väljes från gruppen bestående av (a) ett metallskikt, (b) ett legeringsskikt och (e) ett föreningsskikt omfattande metallen eller legeringen och C, N, B eller O. 20 25 30 377 10 Exempel på metallskiktet som användes såsom mellanliggande skikt omfattar ett Ti- metallskikt, ett Zr-metallskikt och ett V-metallskikt. Emellertid föredrages ett Ti- metallskikt eftersom det lätt oxideras för att bilda en Ti-oxid. Exempel på legeringsskik- tet omfattar ett TiZr-skikt, ett TiV-skikt och ett ZrV-skikt. Bland dessa skikt föredrages ett TiZr-skikt.

Exempel på föreningsskiktet omfattande metallen eller legeringen och C, N, B eller O omfattar ett ZrN-skikt, ett ZrCN-skikt, ett VC-skikt, ett VN-skikt, ett TiZrN-skikt och ett TiCrN-skikt. Emellertid föredrages föreningsskikt av Ti med C, N, B eller 0 eftersom dessa skikt lätt oxideras och bildar filmer med hög hållfasthet som även kan användas som hårda filmer.

Speciellt kan ett TiN-skikt, ett TiCN-skikt, ett TiC-skikt, ett TiBN-skikt, ett TiON-skikt och ett TiBCN-skikt användas och företrädesvis användes åtminstone ett skikt som väljes från gruppen beståendeav ett TiN-skikt, ett TiCN-skikt och ett TiC-skikt. Då exempelvis det mellanliggande skiktet har sammansättningen TiN nära substratet och sammansätt- ningen TiCN nära den hårda filmen och har en komponentgradient i tjockleksriktningen där C-halten ökar i riktning mot den hårda filmen, kan man förvänta sig effekten med ytterligare förbättring av vidhäftning och nötningshållfasthet.

I dokumentet från Ikeda et al. anges att starttemperaturen för oxidation av TiAlN-filmen minskar då Al-halten i TiAlN minskar. Man kan därför till och med för det mellanliggan- de skiktet då man använder en förening med en lägre Al-halt än den i föreningen av de väsentliga metallkomponentema Al och Ti med C, N, B eller O och som användes som den hårda filmen i föreliggande uppfinning, förvänta sig en viss grad av effekt.

För att i grunden inhibera syrediffiision till substratet är det mellanliggande skiktets tjocklek (en total tjocklek när det mellanliggande skiktet omfattar ett flertal skikt) före- trädesvis 0,1 pm eller mer och speciellt då 0,3 pm eller mer. Då emellertid den hårda fil- mens tjocklek är synnerligen stor, spricker det mellanliggande skiktet lätt under skärning 10 15 20 25 523 3 771 11 så att det ej lyckas i att uppnå en lång livslängd. Den hårda filmens tjocklek är därför fö- reträdesvis 20 um eller mindre och då speciellt 10 um eller mindre. Även om förfarandet för bildning av det mellanliggande skiktet ej är speciellt begränsat, föredras ett PVD-förfarande för att effektivt bilda det mellanliggande skiktet och ett AIP- förfarande (bågj onplätering) och ett katodíörstoftriingsförfarande íöredrages speciellt såsom PVD-íörfarande. Även med hänsyn till förbättring av produktiviteten föredras PVD-fiårfarandet för bildning av det mellanliggande skiktet eftersom det mellanliggande skiktet, den hårda filmen och aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen ot-struktur kan bildas i sam-ina anordning, såsom beskrives nedan.

Exempel på substrat omfattar hårdmetall, kerrnet, keramiskt material och höghastighets- verktygsstål. Vid användning av en hårdmetall bland dessa material bildas volfrarnoxid lätt på ytan då legeringen utsättes för hög temperatur i oxiderande atmosfär, varigenom vidhäflningen till flerskiktsfilrnen minskar. Följaktligen visar sig effekten av föreliggande uppfmning i hög grad då hårdmetall användes såsom substrat.

Såsom den hårda filmen, som kan bilda flerskiktsfilmen som är optimal för ett klipp- eller skärverkty g och som uppvisar utmärkt nötningshållfasthet och värmebeständighet och som kan bilda oxidskiktet användbart för bildning av aluminiumoxidfilmen med huvud- sakligen ot-kristallstrtiktur genom oxidation, användes en hård film omfattande en före- ning av de väsentliga metallkomponenterna Al och Ti med C (kol), N (kväve), B (bor) eller O (syre). 10 15 20 25 30 12 Såsom den hårda filmen omfattande en förening av de väsentliga metallkomponentema Al och Ti med C, N, B eller O kan man använda en förening av de väsentliga metallkom- ponentema Al och Ti med åtminstone en komponent vald från gruppen bestående av C, N, B och O. Företrädesvis användes en nitrid, en karbid, en karbonitrid, en borid, en ni- troxid och en karbonitroxid av Al och Ti. Exempel på en sådan förening omfattar TiAlN, T iAlC, TiAlCN och TiAlNO. Speciellt föredrages TiAlN. Då en TiAlN-film användes som den hårda filmen kan förhållandet mellan Ti och Al ínställas till vilket önskat värde som helst, varvid emellertid atomförhållandet (Ti:Al) företrädesvis är 50:50 till 25:75.

I föreliggande uppfinning kan den hårda filmen omfatta en förening innehållande den väsentliga metallkomponenten av Al och Ti, åtminstone en komponent såsom en tredje väsentlig komponent vald från gruppen bestående av elementen i gruppen IVa (förutom Ti), grupp Va, och grupp VIa och Si, och C, N, B eller O. Således omfattar den hårda filmen en nitrid, karbid, karbonitrid, borid, nitroxid eller karbonitroxid av dessa väsentli- ga komponenter. Exempel på en sådan förening omfattar TiAlCrN, TiAlVN, TiAlSiN, TiAlZrN, TiAlSiCN och TiAlZrCN. Speciellt omfattar den hårda filmen en förening av Al, Ti och Cr med C, N, B eller O (speciellt en nitrid, karbid, karbonitrid, borid, nitroxid eller karbonitroxid av Al, Ti och Cr). Exempel på en sådan förening omfattar TiAlCrN, TiAlCrC, TiAlCrCN och TiAlCrNO. I dessa fall föredrages speciellt den hårda filmen omfattande TiAlCrN och den hårda filmen med följ ande sammansättning rekommenderas speciellt.

Den hårda filmen omfattar (Tia, Alb, Crc) (CMNd), där följande samband uppfylles: 0,02 _<. a s 0,30 0,55 S b S 0,765 0,06 s c a+b+c=l 0,5 S d S l (varvid a, b, c motsvarar atomandelama för Ti, Al resp. Cr och d motsvarar atomandelen för N); eller 10 15 20 25 »528 377 13 0,02 S a S 0,175 0,765 S b 4(b - 0,75) .<_ c a+b+c=l Oßšdšl.

För att den hårda filmen i tillräckligt hög grad skall uppvisa den förväntade nötningshåll- fastheten och värmebeständigheten är den hårda fihnens tjocklek företrädesvis 0,5 um eller mer och speciellt då 1 um eller mer. Då denna hårda filmen är överdrivet tj ock ». -spricker emellertid den hårda filmen lätt under skärning och uppnår därför ej någon lång livslängd. Följaktligen är den hårda filmens tjocklek företrädesvis 20 um eller mindre och då speciellt 10 um eller mindre. Även om förfarandet för bildning av den hårda filmen ej är speciellt begränsat föredrages att man använder ett PVD-förfarande för bildning av den hårda filmen med ett högt Al- atomförhållande för att öka nötningshållfastheten och värrnebeständigheten. Såsom PVD- förfarande användes företrädesvis ett AIP-förfarande (bågi onplätering "arc ion plating") eller ett katodförstoftningsförfarande. Även med hänsyn till förbättring av produktiviteten föredrages användning av PVD-förfarandet för bildning av den hårda filrnen eftersom den hårda filmen och aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen ot-struktur då kan bildas i samma anordning, såsom beskrives nedan.

Efter att den hårda filmen bildats oxideras i föreliggande uppfinning ytan på den hårda fihnen för bildning av det oxidhaltiga skiktet. I det oxidhaltiga skiktet omfattar det ytters- ta skiktet väsentligen aluminiumoxid och speciellt då aluminiumoxid med ot- kristallstruktur. Anledningen till detta är att då aluminiumoxidfilmen bildas på det oxid- haltiga skiktet accelereras tillväxten av aluminiumoxid med ot-kristallstruktur och med 10 15 20 25 14 utmärkt nötningshållfasthet och värmebeständighet för bildning av aluminiumoxidfilmen med ot-lcristallstrulctiir med utmärkt vidhäftriing.

Den hårda filmen oxideras företrädesvis under nedan beskrivna betingelser. Oxidationen sker företrädesvis i en atmosfär innehållande oxiderande gas. Anledningen till detta är att oxidationen kan utföras effektivt. Exempelvis innehåller atmosfären en oxiderande gas såsom syre, ozon eller H20; och naturligtvis kan en luftatrnosfär även användas.

Oxidationen är företrädesvis termisk oxidation som utföres vid en substrattemperatur som hålles vid 650-800°C. Då substrattemperaturen är överdrivet låg, kan oxidationen ej utfö- ras i tillräcklig omfattning. Substrattemperatiiren är företrädesvis 700°C eller högre. Även om oxidationen gynnas av ökning av substrattemperaturen är den övre gränsen för substratternperaturen företrädesvis lägre än 1 000°C med hänsyn till ändamålet med före- liggande uppfinning. I föreliggande uppfinning kan det oxidhaltiga skiktet, som är an- vändbart för bildning av aluminiumoxidfilmen som huvudsakligen har ot-kristallstruktur såsom beskrives nedan, bildas vid 800°C eller lägre.

I föreliggande uppfmning är övriga betingelser för oxidationen ej speciellt begränsade.

Närmare bestämt är, förutom den beskrivna tenniska oxidationen, även ett förfarande för tillförsel av plasma av oxiderande gas, såsom syre, ozon eller H2O2, även effektivt såsom oxidationsförfarande.

Såsom beskrives ovan omfattar flerskiktsfilmen enligt föreliggande uppfinning alumini- umoxidfilmen som bildas på det oxidhaltiga skiktet. Såsom aluminiumoxidfilm föredra- ges en aluminiumoxidfihn med huvudsakligen ot-kristallsmiktur (som helt enkelt beteck- nas såsom en "aluminiumoxidfilm med huvudsakligen ot-kristall" i det följande) med 70% eller mer a-kristallstruktur eftersom denna uppvisar utmärkt värmebeständighet. lO 15 20 25 30 sza srrr 15 Aluminiumoxidfilmen har företrädesvis oz-lcistallstruktur till 90% eller mer och då sär- skilt 100% ot-kristallstruktur.

Tjockleken på aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen oc-kristall är företrädesvis 0,1- 20 um eftersom det är effektivt att säkerställa en tjocklek av 0,1 um eller mer för att bi- behålla aluminiumoxidfilmens utmärkta värmebeständighet. Tjockleken är företrädesvis l um eller mer. Då emellertid tjockleken för aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen ot- kristall är överdrivet stor, uppträder inre spänningar i aluminiumoxidfilmen som lätt för- orsakar sprickbildning. Tjockleken är därför företrädesvis 20 um eller mindre, speciellt 10 um eller mindre och då särskilt 5 um eller mindre.

Exempel på ett förfarande som är verksamt för att gynna bildningen av alumíniumoxid- filrnen med huvudsakligen ot-kristall omfattar ett förfarande (A) där ytan på den hårda filmen skadas med aluminiumoxidpulver, den hårda filmen oxideras för bildning av det oxidhaltiga skiktet och därefter aluminiumoxidfilrnen bildas; och ett förfarande (B) där ytan på den hårda filmen bombarderas (etsas) genom bestrålning med Ar-j onplasma, den hårda filmen oxideras för bildning av det oxidhaltiga skiktet och därefter alurniniumoxid- filrnen bildas. Även om förfarandet för bildning av aluminiumoxidfilrnen på det oxidhaltiga skiktet ej är speciellt begränsat är ett CVD-förfarande olämpligt eftersom detta måste utföras inom ett högtemperaturorriråde på 1 000°C eller högre och man använder företrädesvis ett PVD- förfarande där avsättning kan ske inom ett lågtemperattirområde. Såsom PVD-förfarande föredrages ett förstoftningsförfarande och då föredrages speciellt en katodförstoftning eftersom höga avsättningshastigheter kan uppnås med användning av ett billigt metall- mål. Även om substrattemperaturen vid bildning av alurniniurnoxidñlmen ej är speciellt be- gränsad, ligger temperaturen företrädesvis inom området från ca 650°C till 800°C efter- som aluminiumoxidfilrnen med huvudsakligen ot-kristall då lätt kan bildas. Efter oxida- 10 15 20 25 s2s z7r~ 16 tionssteget bildas aluminiumoxidfilmen företrädesvis vid väsentligen samma substrat- temperatur som den använd i oxidationssteget eftersom då kännetecknen hos substratet och den hårda filmen kan bibehållas och produktiviteten blir utmärkt.

Såsom beskrivits ovan visas tydligt effekten av föreliggande uppfinning då oxidation ut- föres i den oxiderande atmosfären vid en substrattemperatur på 700°C eller högre efter att den hårda filmen bildats på substratet. Exempelvis visas tydligt effekten av föreliggande uppfinning vid bildning av aluminiumoxidfilmen, bildning av en annan film på den hårda filmen eller vid utförande av en ytbehandling. Speciellt utsättes substratet och den hårda filmen för hög temperatur och oxiderande atmosfär under lång tid för att lätt diffundera syre vid gränsytan mellan substratet och den hårda filmen då ytan på den hårda filmen oxideras vid en substrattemperatur på 700°C eller mer i en oxiderande atmosfär för bild- ning av det oxidhaltiga skiktet och därefter aluminiumoxidfilrnen bildas på det oxidhalti- ga skiktet vid samma substrattemperattir. I detta fall visar sig tydligt effekten av förelig- gande uppfinning.

Närmare bestämt bildas såsom det mellanliggande skiktet på substratet åtminstone ett skikt, som oxideras vid en temperatur lägre än den för den hårda filmen (t ex fortgår oxi- dationen vid en temperatur lägre än 700°C) och som väljes från gruppen bestående av ett metallskikt, ett legeringsskikt och ett íöreningsskikt omfattande metallen eller legeringen och C, N, B eller O, och därefter bildas den hårda filmen på det mellanliggande skiktet. I detta fall kan utmärkt vidhäftning mellan substratet och flerskiktsfilmen bibehållas till och med då oxidationen i den oxiderande atmosfären och bildningen av aluminiumoxid- filmen utföres i ett sträck vid en substrattemperatur på 700°C eller mer.

För att bilda flerskiktsfilmen enligt föreliggande uppfinning användes ovan beskrivna betingelser för framställning av vardera av det mellanliggande skiktet, den hårda filmen, det oxidhaltiga skiktet och aluminiumoxidfilmen för att i följd utföra följande steg: 10 l5 20 25 30 528 377 17 (I) steget att bilda det mellanliggande skiktet på substratet; (II) steget att bilda den hårda filmen på det mellanliggande skiktet; (III) steget att oxidera ytan på den hårda filmen för bildning av det oxidhaltiga skiktet; och (IV) steget att bilda aluminiumoxidfilmen på det oxidhaltiga skiktet.

Då ytoxidationen av den hårda filmen och bildningen av aluminiumoxidfilrnen utföres i följd i samma anordning för att bilda flerskiktsfilrnen enligt föreliggande uppfinning, kan föroreningsvidhäfining vid överdelen på det oxidhaltiga skiktet undvikas fór att förhindra en nrinslcning av vidhäftning mot aluminiumoxidfilmen och ett hinder för tillväxt av alu- miniumoxid med ot-kristallstruktur. Aluminiumoxiden med a-kristallstruktur kan därför lätt bildas på det oxidhaltiga skiktet för att förbättra produktiviteten.

Lämpligen bildas det mellanliggande skiktet och den hårda filmen i följd i samma anord- ning efiersom då föga förorening vidhäftar vid ytan på det mellanliggande skiktet, var- igenom man säkerställer vidhäftning mellan det mellanliggande skiktet och den hårda filmen och förbättrar produktiviteten.

Speciellt bildas alla skikten bestående av det mellanliggande skiktet, den hårda filmen, det oxidhaltiga skiktet och aluminiumoxidfilmen i samma anordning för att förhindra föroreningskontaminering mellan resp. skikt, varigenom man förhindrar en minskning av vidhäñningen och förbättrar produktiviteten. V Exempelvis placerar man ett substrat bestående av en hårdmetall i en beläggningsanord- ning som användes i följande exempel och som omfattar en bågförångningskälla, magne- tronförstoftningskatoder, en uppvärmningsmekanism och en mekanism för rotation av substratet. Först bildas det mellanliggande skiktet omfattande TiN genom ett AIP- förfarande och därefter bildas den hårda filmen omfattande TiAlN genom ett AIP - förfarande. Därpå oxideras ytan på den hårda filmen terrniskt i en oxiderande atmosfär av syre, ozon eller H2O2, varpå aluminiumoxidfilmen med huvudsakligen ot-kristallstruktur bildas genom ett katodförstoftningsförfarande. Då aluminiumoxidfilmen bildad bombar- UI 10 15 20 25 30 377 18 deras lämpligen ytan på den hårda filmen med gasjoner och oxideras därefter eftersom andelen a-kristall i alurniniumoxidfihnens kristallstruktur märkbart ökar. Även om föreliggande uppfinning beskrives i detalj nedan med hänvisning till exemplen, är föreliggande uppfinning ej begränsad till dessa exempel och lämpliga förändringar kan göras inom området för uppfinningstanken. Dessa förändringar ingår i det tekniska områ- det för föreliggande uppñnning. Även om man i följande exempel använder ett substrat av hårdmetall såsom substrat och TiN och TiAlN användes såsom det mellanliggande skiktet och resp. den hårda filmen, är materialen ej begränsade till dessa material.

EXEMPEL Ett substrat omfattande en hårdmetall och med en storlek på 12,7 mm x 12,7 mm x 5 mm spegelpolerades (Ra = ca 0,02 um), rengjordes med hjälp av ultraljud i ett alkaliskt deterÉ gentbad och ett rent vattenbad och torkades därefter. Därpå avsattes TiN på substratet genom ett förfarande med bâgi onplätering (AIP-förfarande) för bildning av ett mellanlig- gande skikt och TiAlN avsattes på det mellanliggande skiktet för bildning av en hård film och framställning av ett prov (total tjocklek för det mellanliggande skiktet och den hårda filmen på ca 2,4 um).

Såsom ett prov på ett jämförande exempel avsattes vardera av CrN (1,5 um) och TiAlN (2,5 um) på samma substrat som beskrives ovan genom ett-bâgjonpläteringstörfarande för bildning av en hård film.

I detta exempel utfördes bildningen av det mellanliggande skiktet, den hårda filrnen och aluminiumoxidfilmen och oxidationen av den hårda filmen i en vakuumbeläggningsan- ordning (AIP-S40 Hybrid coater tillverkad av Kobe Steel Ltd.) omfattande en bågförång- ingskälla, magnetronförstofiningskatoder, en upphettningsmekanism med värmekroppar och en mekanism för rotation av substratet, såsom visas i Fig. 1. 10 15 20 25 30 lsza 377- 19 Den hårda filmen oxiderade enligt följ ande: Dessa prover (substrat) 2 placerades på pla- netaxlar 4 monterade på ett roterande bord 3 i en anordning l och luften i anordningen 1 sögs ut tills ett tillstånd av väsentligen vakuum erhölls. Därefter upphettades provema till 550°C med hjälp av värmekroppar 5 anordnade vid två sidolägen och vid centrum i an- ordningen och provemas yta rengj ordes genom Ar-jonbombardemang. Därefier upphet- tades provema på nytt till den temperatur som visas i Tabell 1. Då provema uppnådde denna temperatur infördes syrgas i anordningen 1 vid en strömningshastighet på 300 sccm tills trycket nådde 1 Pa, varpå provema oxiderades genom upphettning i 20 minuter.

Under bildningen av det mellanliggande skiktet, den hårda filmen och aluminiumoxid- filmen och oxidationen av den hårda filmen roterades (vreds) det roterande bordet 3 visat på Pig. 1 och planetaxlarna 4 (rör som håller substrat) anordnade på det roterande bordet 3 roterades likaledes.

Därefter bildades aluminiumoxidfilmen på det oxidhaltiga skiktet. Aluminiumoxidfilmen bildades i en atmosfär innehållande argon och syre vid väsentligen samma substrattempe- ratur som den använd vid oxidationen, genom ett förstoftningsiörfarande med pulserande likström, där en elektrisk effekt på ca 2 kW anbringades över vardera av de två íörstoft- ningskatoderna 6 omfattande aluminiummål, vilka visas på Fig. 1. Avsättningen av alu- miniumfilmen utfördes vid den temperatur som visas i Tabell 1 under den avsättningstid som visas i Tabell l och törstoftriingsurladdningen reglerades i ett s k övergångsmode genom kombinering av regleringen av urladdningsspänningen och reglering av syrets strömningshastighet genom plasmaemissionsspektroskopi.

Vidhäftningen mellan flerskiktsfilmen och substratet för vart och ett av de erhållna pro- ven utvärderades enligt följande: Man utförde en Rockwell C-provning (HRC-provning) på överdelen på aluminiumoxidfilmen genom användning av en hårdhetsprovare enligt Rockwell och man undersökte flerskiktsfilrnens delamineringstillstånd i Omkretsen till ett intryck för bedömning av vidhäftningen. I ett annat förfarande för bedömning av vidhäft- ningen avskavdes flerskiktsfi1men(Calotest) såsom visas på Fig. 2 genom att en hárdme- f5f2i8 377 i 20 tallkula med en diameter på 30 mm fick rotera på flerskiktsfilmen tills substratet blev synligt, varvid flerskiktsfilmens delamineringstillstând undersöktes i en cirkulär Calotest- fördjupning efter avskavníng. Avsättníngsbetingelserna och resultaten av bedömning av vidhäfiningen visas i Tabell 1 och på Fig. 3-14. 528 371 WCÉOGMQEÄQU Dflfißflßuvm HO WGÉDCÉHHÉOQ Hm MGÉOGMGBÄUU Gßwfiw H< E: m: o; .Nä < :i .wav < å.. æsao N om. zzš. .ä å 2:. N :Haeäm Ébšsw :oo :ßbÉ-å :oo zäfi äše zäfi såå. wEooE-:ßwoo wofiooëfioo , E: WN v :omäoxm 5 .Nä o :_ .oro o ä: ass: N o! zšo .az Qosaæem: :mbwßßw :ßbwßflm :oo ZÖ EåoE :oo 2:0 Eåoë wšooiëšoo wctoomëoïo E: m: m :omëoxm S: .who o a .Nå o NN .ëëo N G2 zoo .az uosaooš: e; N: æ .Nio < ß .mao < ä.. æaa: N 2: 22:. .ä å zë _ .äeäm :S325 :oo 3:33 :oo zäfi ...swe zäfi .æšs .ä wN N .ooaafi wëåmaß_uo Nëoaaßøo ä: æeeo N o? zšæ .az åëæš: G .NE o G .Nio o 3:33 :oo ZÖ :EEE E: m: _ :oaëoxm N=.s=.=šæ. :N .Nä < ä: æšë N 2:. zoo .az Qosåoå: Qåæm wcmcsmäfoomxo -Esmfië mina: mooou- A51: .om -En :oo mo: -_.owac_ßo_. :Qbëwomm :ßšfixffifi -mwssommšN -Näs .š :oo EE 22 .Eoåomëoo .mm iv? wcëfiwfio; w-:åomwåooNoëomcmësë -oohšsw oošwwzoßzoå Ešm : :Nšflw 10 15 20 25 iszs z72 22 En jämförelse göres mellan Jämförande Exempel 1 och 2 och Exempel l, i vilka alla aluminiumoxidfilmen bildades vid substrattemperattiren 700°C.

Fig. 3 visar att man i flerskiktsfilmen i den jämförande exemplet l, som omfattar den hårda filmen (CrN) och aluminiumoxidfilmen bildad på subtratet, observerar väsentligen ingen delaminering i HRC-intrycket i hårdhetsprovningen enligt Rockwell. Emellertid syns delaminering av CrN-skiktet i "Calotest"-fördjupningen (Fig. 4). I flerskiktsfilrnen i det jämförande exemplet 2, som omfattar den hårda filmen (TiAlN) och aluminiumoxid- filmen bildad på substratet, syns delaminering av TiAlN från substratet i HRC-intrycket visat på Fig. 5 och på liknande sätt kan man se delaminering av TiAlN-skiktet från sub- stratet i "Calotesflßfördjupningen (Fig. 6). l flerskiktsfilmen i Exempel 1, som omfattar det mellanliggande skiktet (TiN), den hårda filmen (TiAlN) och aluminiumoxidfilmen, som laminerades i ordningsföljd på substratet, syns å andra sidan ingen delaminering av flerskiktsfilrnen, varken i HRC-intrycket visat på Fig. 7 eller i "Calotest"-íördjupningen visad på Fig. 8. ' En jämförelse göres mellan jämförande Exempel 3 och 4 och Exempel 2, i vilka alla aluminiumoxidfilmen bildades vid substrattemperatiiren 750°C.

Såsom beskrivits ovan observerades i det jämförande exemplet l, där aluminiumoxidfil- men bildades vid substrattemperaturen 7 0O°C, väsentligen ingen delaminering i periferin på l-IRC-intrycket i flerskiktsfilmen, som omfattade CrN-filmen och aluminiumoxidfil- men. Emellertid observerade man i det jämförande exemplet 3, visat i Tabell l, där alu- miniumoxidfilmen bildades vid substrattemperaturen 750°C, delaminering över hela om- kretsen till HRC-intrycket visat på Fig. 9. Vidare bekräftades i Fig. 10 att delaminering av CrN från substratet uppträdde i betydande omfattning i "Calotest"-iördjupningen ' 10 15 r "Hr Gulf? ma 23 Då den hårda filrnen (TiAlN) och aluminiumoxidfilmen bildades på substratet uppträdde delaminering av flerskiktsfilrnen i betydande omfattning i det exempel där alurniniumox- idfilmen bildades vid 750°C, i järnrör-else med det exempel (järntörande Exempel 2) där aluminiumoxidfilmen bildades vid 7 O0°C. Fig. l I är ett fotografi som visar ett HRC- intryck i flerskiktsfilrnen omfattande den hårda filmen (TiAlN) och aluminiumoxidfilmen bildad på substratet, varvid aluminiumoxidfilrnen bildats vid substrattemperaturen 750°C (jämförande Exempel 4) och Fig. 12 är ett fotografi som visar en "Calotesfl-tördjupning i samma flerskiktsfilrn. De två fotografierna visar att delaminering av TiAlN uppträder i betydande omfattning i» jämförelse med det jämförande exemplet 2 (Fig. 5 och 6).

I flerskiktsfilmen (TiN + TiAlN + aluminiumoxidfihn) i Exempel 2, som omfattar det mellanliggande skiktet (TiN) anordnat mellan substratet och den hårda filmen, observeras i å andra sidan väsentligen ingen delarninering av flerskiktsfilrnen, varken i HRC-intrycket visat på Fig. 13 eller i "Calotesfl-fördjupningen visad på Fig. 14, ens då alumíniumoxid- filmen bildades vid substrattemperaturen 7 50°C, i likhet med fallet då aluminiumoxidfil- men bildades vid substrattemperatiiren 700°C.

Claims (14)

KJ! 10 15 20 25 30 24 Patentkrav

1. Flerskilrtsfilrn anordnad på ett nötningsbeständigt, av hårdmetall, kermet, keramiskt material eller snabbverktygsstål gjort substrat och med utmärkt nötningshållfasthet, ut- märkt värmebeståndighet och utmärkt vidhäftning vid substratet, kännetecknad av att flerskiktsfilmen omfattar: en hård film omfattande en förening av metallkomponenter väsentligen omfattande och Ti med åtminstone ett element valt fiân gruppen bestående av C, N, B och O; ett mellanliggande skikt bildat mellan substratet och den hårda filmen, varvid det mellan- liggande skiktet omfattar åtminstone ett element valt från gruppen bestående av en me- tall, en legering och en förening av metallen eller legeringen med C, N, B eller O oxida- tionstemperatur lägre än den för den hårda filmen; ett oxidhaltigt skikt bildat genom oxidering av den hårda filmen så att det oxidhaltiga skiktet är anordnat på den yta på den hårda filmen som befinner sig på avstånd från det mellanliggande skiktet; och en aluminiumoxidfilm bildad på den yta på det oxidhaltiga skiktet som ligger på avstånd från den hårda filmen.

2. Flerskiktsñlm enligt krav l, kännetecknar! av att den hårda filmen dessutom omfattar åtminstone en metallkomponent vald från gruppen bestående av elementen i grupperna IVa (förutom Ti), Va och VIa samt Si.

3. Flerskiktsfilm enligt krav l, kännetecknad av att den hårda filmens tjocklek är 0,5-20 lim.

4. Flerskiktsfilm enligt krav 1, kännetecknad av att det mellanliggande skiktet kan oxi- deras vid en temperatur lägre än 700°C.

5. Flerskiktsfilm enligt krav 1, kännetecknad av att det mellanliggande skiktet omfattar Ti eller en Ti-legering. 10 15 20 25 30 528 '577 25

6.. Flerskiktsfilm enligt krav l, kännetecknad av att det mellanliggande skiktet omfattar en förening av Ti med åtminstone ett element valt från gruppen bestående av C, N, B och O.

7. Flerskiktsfilm enligt krav 1, kännetecknad av att det mellanliggande skiktets tjocklek är 0,l-2O um.

8. Flerskiktsfilm enligt krav 1, kännetecknad av att den yttre ytan på det oxidhaltiga skiktet huvudsakligen omfattar aluminiumoxid.

9. Flerskiktsñlm enligt krav 1, kännetecknad av att aluminiumoxidfilrnen huvudsakli- gen har en oc-kristallstruktur.

10. Flerskiktsfilm enligt krav l, kännetecknad av att aluminiumoxidfilmens tjocklek är 0,1-20 um.

11. Förfarande för fiamställning av en flerskiktsfilm anordnad på ett nötningsbeständigt, av hârdmetall, ker-met, keramiskt material eller snabbverktygsstål gjort substrat och med utmärkt nötningshållfasthet, utmärkt värmebeständighet och utmärkt vidhäfiriing vid sub- stratet kännetecknat av att det omfattar stegen att: bilda ett mellanliggande skikt på en yta på substratet varvid det mellanliggande skiktet omfattar åtminstone ett element valt från gruppen bestående av en metall, en legering och en förening av metallen eller legeringen med C, N, B eller O och uppvisar en oxidations- temperatur lägre än den för den hårda filmen; bilda en hård film på det mellanliggande skiktet; varvid den hårda filmen omfattar en förening av metallkomponenter väsentligen omfattande Al och Ti med åtminstone ett element valt från gruppen bestående av C, N, B och O; oxidera en yta på den hårda filmen för att bilda ett oxidhaltigt skikt; och 10 20 ”sa3 s77 26 bilda en aluminiumoxidfilm på det oxidhaltiga skiktet; varvid substratet, i åtminstone ett av stegen bestående av steget att oxidera ytan på den hårda filmen för att bilda det oxidhalti ga skiktet och steget att bilda aluminiumoxidfilmen på det oxidhaltiga skiktet, utsättes for en temperatur på 700°C eller högre i en oxiderande atmosfär.

12. Förfarande enligt krav 1 l, kännetecknat av att steget att oxidera ytan på den hårda filrnen för att bilda det oxidhaltiga skiktet och steget att bilda aluminiumoxidfilmen utfö- res i följd i samma anordning.

13. Förfarande enligt krav 1 l, kännetecknat av att steget att bilda det mellanliggande skiktet på substratet och steget att bilda den hårda filmen på det mellanliggande skíktet utföres i följd i samma anordning.

14. l4. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat av att steget att bilda det mellanliggande skiktet på substratet, steget att bilda den hårda filmen på det mellanliggande skiktet, ste- get att oxidera ytan på den hårda filmen för att bilda det oxidhaltiga skiktet och* steget att bilda aluminiumoxidfilmen utföres i följd i samma anordning.