AT504909A4

AT504909A4 - Hartmetallkörper mit einer beschichtung aus kubischem bornitrid

Info

Publication number: AT504909A4
Application number: AT4762007A
Authority: AT
Inventors: Arno Dr Koepf; Xin Dr Jiang; Stefan Dr Feistritzer
Original assignee: Boehlerit Gmbh & Co Kg
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-09-15
Also published as: WO2008116238A1; AT504909B1

Description

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Hartmetallkörper mit einer Beschichtung aus kubischem Bornitrid

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallkörpers mit einer Beschichtung oder Beschichtungslage aus zumindest überwiegend kubischem Bornitrid. 5

Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Hartmetallkörper, insbesondere Schneidplatte oder Schneidwerkzeug, welcher Hartmetallkörper Hartstoff mit Wolframcarbid und zumindest einem Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid eines oder mehrerer zusätzlicher Metalle ausgewähit aus den Gruppen IV B, V B und VI B des Periodensystems der 10 Elemente sowie Eisen und/oder Nickel und/oder Cobalt als Bindemetall(e) enthält, wobei ein Hartstoffanteil mehr als 60 Gewichtsprozent beträgt, und welcher Hartmetallkörper eine Beschichtung bzw. Beschichtungslage aus Bomitrid umfasst.

Es ist bekannt, Werkzeuge aus einem Hartmetall, welches Hartstoffe wie Wolframcarbid 15 und ein Bindemetall wie Cobalt, Nickel und/oder Eisen enthält, mit Beschichtungen aus Diamant zu versehen, um eine Verschleißfestigkeit der Werkzeuge zu erhöhen. Diamantbeschichtete Schneidplatten oder Schneidwerkzeuge aus Hartmetall verschleißen im Einsatz deutlich langsamer als unbeschichtete. Allerdings können solche Schneidplatten bzw. Schneidwerkzeuge nicht zur spanenden Bearbeitung von Stahl oder 20 anderen hoch eisenhältigen Werkstoffen eingesetzt werden, da bei den hohen lokalen Werkzeugtemperaturen, welche beispielsweise bei einem Drehen erreicht werden, Kohlenstoff der Diamantbeschichtung mit Stahl bzw. einem eisenhältigen Werkstoff reagieren kann. 25 Es besteht daher ein erhebliches Interesse an einer Herstellung von Beschichtungen aus kubischem Bomitrid auf Hartmetallkörpern, beispielsweise Schneidplatten. Da auch kubisches Bomitrid äußerst hart und verschleißfest ist, darüber hinaus aber auch bei erhöhten Temperaturen nicht mit Werkstoffen aus Eisenbasislegierungen reagiert, könnten dadurch lang einsatzfähige Werkzeuge für eine spanende Bearbeitung von 30 Eisenwerkstoffen geschaffen werden. Diesem in der Theorie überzeugenden Konzept stehen in der Praxis allerdings mehrere Kriterien entgegen, die erfüllt sein sollen; andernfalls können die gewünschten Effekte nicht erreicht werden. Als erstes Kriterium ist zu nennen, dass die abgeschiedene Schicht aus Bornitrid am Untergrund bzw. Substrat, vorzugsweise direkt am Hartmetall, möglichst gut haften soll, um sich beim Einsatz der • · • · · I · · · ··· • · · · ·· · · ι ··«··*· · · ♦ • f *· ·· · ···· ·« 2

Schneidplatte bzw. des Schneidwerkzeuges nicht abzulösen. Ais zweites Kriterium ist zu nennen, dass die abgeschiedene Schicht möglichst dick bzw. mit möglichst großer Stärke ausgebildet sein soll, damit im Einsatz der Schneidplatte bzw. des Schneidwerkzeuges die Vorteile der hochharten Beschichtung möglichst lange wirksam sind. Ein weiteres 5 Kriterium ist schließlich, dass die abgeschiedene Bomitridschicht einen möglichst großen Anteil an kubischem Bomitrid aufweisen soll. Ähnlich wie im Fall des Kohlenstoffs bzw. Diamant/Grafit ist auch bei Bomitrid die Ausbildung verschiedener polymorpher Modifikationen wie hexagonales Bomitrid und kubisches Bomitrid möglich. Während das kubische Bomitrid hochhart ist, ist das hexagonale Bomitrid ähnlich wie Grafit weich und 10 daher bei Anwendungen, für weiche eine hohe Verschleißfestigkeit gefordert wird, nicht erwünscht.

Es wurde schon versucht, die vorstehenden Kriterien zu erfüllen bzw. die damit verbundenen Probleme zu bewältigen, indem auf Hartmetallkörper zuerst 15 Diamantschichten und auf diese wiederum Schichten aus Bomitrid aufgebracht wurden. Bei dieser Vorgehensweise soll die Diamantschicht die Ausbildung einer Schicht aus kubischem Bomitrid fördern. Allerdings, so wurde festgestellt, können auch bei diesem Verfahren erhebliche Anteile an hexagonalem Bomitrid gebildet werden, was unerwünscht ist. Nachteilig ist auch, dass das Verfahren aufwändig ist, da vorab eine Diamantschicht 20 aufzubringen ist, deren Herstellung ebenfalls problembehaftet ist. Weil auch

Diamantschichten grundsätzlich eine schlechte Haftung auf Hartmetall aufweisen, wird dadurch das Problem der Anbindung an das Substrat und damit der Haftung letztlich nur auf die Diamantschicht verschoben und nicht gelöst. Dabei ist weiter auch zu berücksichtigen, dass bei der Zwischenschicht aus Diamant, die unmittelbar auf einem 25 Hartmetallkörper abgeschieden ist, große Schichtspannungen auftreten können, da diese Zwischenschicht wenig kompatibel mit dem Substrat aus Hartmetall ist. Diese Schichtspannungen am Übergang Hartmetall/Diamant bzw. in der Diamantschicht selbst können sich bis in die Bomitridschicht fortpflanzen. 30 Vom Stand der Technik ausgehend setzt sich die Erfindung das Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Hartmetallkörper mit einer Beschichtung oder Beschichtungslage aus zumindest überwiegend kubischem Bornitrid herstellbar ist, wobei die Bornitridschicht gut haftet und Schichtspannungen verringert sind.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Hartmetallkörper der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die Bomitridschicht gut haftet und geringe Schichtspannungen gegeben sind. 5 Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte vorgesehen sind: a) Bereitstellen eines Hartmetallkörpers enthaltend etwa gleichmäßig verteilt Hartstoff mit Wolframcarbid und zumindest einem Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid eines oder mehrerer zusätzlicher Metalle ausgewählt aus den Gruppen IV B, V B und VI B des 10 Periodensystems der Elemente sowie Eisen und/oder Nickel und/oder Cobalt als Bindemetall(e), wobei ein Hartstoffanteil mehr als 60 Gewichtsprozent beträgt, b) Behandeln des Hartmetallkörpers, um an einer mit Bornitrid zu beschichtenden Oberfläche des Hartmetallkörpers eine Zone zu erhalten, die ein Carbonitrid, Nitrid, Bomitrid, Borcarbid und/oder Borcarbonitrid der zusätzlichen Metalle als 15 Hauptbestandteil(e) enthält, c) Aufbringen von Keimen aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid auf die in Schritt b) erhaltene Zone, d) Abscheiden einer Bomitridschicht auf der bekeimten Zone. 20 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durch das vorgesehene Schaffen einer Oberfläche des Hartmetallkörpers mit einer Zone, die aus einem Carbonitrid, Nitrid, Bomitrid, Borcarbid und/oder Borcarbonitrid des neben Wolfram zusätzlichen Metalls bzw. der zusätzlichen Metalle als Hauptbestandteil(e) gebildet ist oder gegebenenfalls daraus besteht, optimale Bedingungen für das nachfolgende 25 Abscheiden einer gut haftenden Bomitridschicht erreicht werden, wobei

Schichtspannungen am Übergang Zone/Bomitridschicht sowie vermutlich in der Bomitridschicht selbst gering gehalten werden können. Daneben ist es auch wesentlich, dass eine Bekeimung der Zone der erwähnten Zusammensetzung erfolgt. Wie nämlich Versuche gezeigt haben, führen weder die alleinige Ausbildung bzw. Bereitstellung einer 30 Zone mit der erwähnten Zusammensetzung noch das Bekeimen alleine zum Wachstum einer gewünschten Bomitridschicht mit zumindest überwiegend kubischer Kristallstruktur.

Wenngleich die erwähnte Zone, beispielsweise mit Titancarbonitrid, Titannitrid, Titanbornitrid, Titanborcarbid und/oder Titanborcarbonitrid als Hauptbestandteil(en), auf • · • « · · · • · · · · · · ··« ···· ·· · · · ····+«· · · · ·· «« Φ0 · ··«· ·· 4 verschiedene Art geschaffen werden kann, zum Beispiel auch durch Abscheiden einer Zwischenlage auf dem Hartmetallkörper aus der Gasphase mittels Hochtemperatur-CVD (Chemical vapor deposition) bei mehr als 900 CC, so hat es sich doch als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Hartmetallkörper neben Wolframcarbid 1 5 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent bis 10

Gewichtsprozent, Metallcarbid, Metallnitrid und/oder Metallcarbonitrid eines oder mehrerer Metalle ausgewählt aus den Gruppen IV B, V B und VI B des Periodensystems der Elemente als Hartstoffe enthält und in Schritt b) die Zone durch Sintern des Hartmetallkörpers in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von größer 1100 °C, 10 vorzugsweise 1250 °C bis 1400 °C, erstellt wird. Durch diese Maßnahme wird im bzw. am Hartmetallkörper eine Randzone ausgebildet, welche reich an Metallcarbonitrid bzw. Metalinitrid ist. Es besteht Grund für die Annahme, dass wegen einer Affinität der vorgesehenen zusätzlichen Metalle aus den Gruppen IV B, V B und VI B (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo) zu Stickstoff und des herrschenden Stickstoffpartialdruckes beim Sintern eine 15 Diffusion der Metalle zum Rand des Hartmetallkörpers hin eintritt, die letztlich in einer mit Metallcarbonitrid bzw. Metallnitrid angereicherten Randzone resultiert. Wie sich gezeigt hat, eignet sich eine solche Zone auf Grund einer Rauheit der Oberfläche besonders vorzüglich zur unmittelbaren Abscheidung einer Bomitridschicht, welche zumindest überwiegend aus kubischem Bomitrid besteht, auf einem Hartmetallkörper. 20

In diesem Zusammenhang stehen zwei Möglichkeiten offen: Zum einen kann der Hartmetallkörper bzw. die Schneidplatte in einem ersten Schritt bei ca. 1300 °C bis 1500 °C mit einer gewünschten Endkontur aus den Ausgangsmaterialien gesintert werden, danach auf Raumtemperatur abgekühlt werden und anschließend in einem getrennten 25 Arbeitsschritt auf die Nachsintertemperatur gebracht werden. Ebenso ist es aber möglich, und bevorzugt, den Nachsinterprozess unmittelbar anschließend an ein formgebendes Sintern des Hartmetallkörpers vorzunehmen. In diesem Fall wird der Hartmetallkörper zuerst in Schritt a) durch Sintern hergestellt, unmittelbar anschließend die Temperatur abgesenkt und Schritt b) bei einer niedrigeren Temperatur von 1250 °C bis 1400 eC 30 durchgeführt. Dies bringt den Vorteil einer Energieerspamis, da die Ausbildung einer geeigneten Randzone in einem Schritt mit der Herstellung des Schneidwerkzeuges an sich erfolgen kann. • · · ♦ # • · · ♦ · · ♦ ♦ · · · t φ ·♦ ♦♦ ·· «

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Obwohl auch bei Abscheidung mittels Hochtemperatur-CVD-Verfahrens Schichten mit hoher Oberflächenrauheit herstellbar sind, ist eine Einstellung einer Randzone durch Sintern von Vorteil. Die durch Sintern erstellte Zone weist eine noch höhere Oberflächenrauheit auf und bietet in der Folge für die abzuscheidende Bomitridschicht 5 eine Oberfläche mit mechanischen Verankerungsmöglichkeiten. Dies ist wichtig, weil eine chemische Anbindung von Bomitrid bei den gegebenen Hartmetallzusammensetzungen kaum oder nicht möglich ist. Darüber hinaus ist die Einstellung einer derartigen Zone auch insofern von Vorteil, als dass Cobalt, welches als Bindemetall vorgesehen sein kann, überaus leicht mit Bor reagiert und so beim Beschichtungsvorgang Bor binden kann, was 10 nicht der Fall ist, wenn eine entsprechende Randzone vorgesehen ist, die als Barriere dient. Eine besonders vorteilhafte Randzone lässt sich einstellen, wenn das Metallcarbid, Metallnitrid und/oder Metallcarbonitrid des in Schritt a) bereitgestellten Hartmetallkörpers mit Titan und/oder Tantal als Metall gebildet ist. 15 Um diese Vorteile möglichst wirkungsvoll zur Geltung zu bringen, kann vorgesehen sein, dass die Zone mit einer Dicke von 1 pm bis 15 pm, vorzugsweise 3 pm bis 10 pm, erstellt wird.

Sofern Zonen aus Metallborcarbonitrid bzw. Metallbornitrid geschaffen werden sollen, 20 kann es empfehlenswert sein, dass der Hartmetallkörper zuerst in einer

Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von größer 1100 °C und anschließend in einer Bortrichlorid enthaltenen Atmosphäre bei einer Temperatur von größer 950 °C gesintert wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass Bor äußerst leicht diffundiert und es daher zweckmäßig ist, den Hartmetallkörper zuerst einer Stickstoffbehandlung zu unterziehen, 25 ehe eine weitere diffusionsgesteuerte Änderung der Zusammensetzung bzw. des Gefüges mit Bor erfolgt.

Hinsichtlich der aufzubringenden Keime, die wie bereits erwähnt erforderlich sind, hat es sich bewährt, wenn diese eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,1 pm bis 1,0 pm 30 aufweisen. Bezüglich der Bekeimung ist festzuhaiten, dass sowohl Keime aus Diamant als auch solche aus kubischem Bomitrid geeignet sind, wenngleich solche aus kubischem Bomitrid bevorzugt sein können. • · • ♦ · · ·· · · · ······· 9 9 · 9# 99 #9 9 9999 99 6

Zweckmäßig ist es, die Keime mittels einer Suspension aufzubringen. In diesem Fall werden die Keime in einer inerten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Alkohol, aufgeschlämmt, auf das Substrat, beispielsweise eine Schneidplatte, aufgebracht und die Suspension eintrocknen gelassen. Danach erfolgt dann ein Beschichten des bekeimten 5 Substrates mit einer Bomitridlage.

Das Beschichten selbst kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wird jedoch bevorzugt durch Abscheiden einer Bomitridschicht bzw. -läge aus der Gasphase durchgeführt. Diesbezüglich hat sich insbesondere das so genannte PA-CVD-Verfahren (plasma 10 assisted Chemical vapor deposition) bewährt.

Um eine Verschleißfestigkeit über möglichst lange Zeiträume sicherzustellen, wird die Bomitridschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 3 pm abgeschieden. Bei Abscheiden der Bomitridschicht aus der Gasphase wird bevorzugt ein Gemisch eingesetzt, welches 15 Bortrifluorid, Stickstoff und Wasserstoff enthält. Stickstoff und Bortrifiuorid sind dabei zur Bildung von Bomitrid erforderlich. Wasserstoff ist vorgesehen, um entsprechend der Reaktionsgleichung

2BF3 + N2 + 3H2 -► 2BN + 6HF 20 das Gleichgewicht zu Gunsten des Bomitrids zu verschieben. Wie gefunden wurde, kann dabei die Menge bzw. der Anteil an kubischem Bomitrid in der abgeschiedenen Bornitridschicht bzw. -läge optimiert werden, wenn ein molares Verhältnis von Wasserstoff zu Bortrifluorid 1,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,75 bis 2,15, beträgt. Ein Einsatz 25 von Bortrifluorid als Borquelle ist auch insofern zweckmäßig, als dass Bortrifluorid bzw. daraus gebildete Radikale allfällig während dem Beschichten gebildetes hexagonales Bomitrid wegätzen.

Damit sich die abzuscheidende kubische Bomitridschicht, welche sich auf den 30 ursprünglich abgeschiedenen (Primär-) Keimen bildet, über die gewünschte Schichtdicke weiter mit kubischer Kristallstruktur ausbilden kann, ist es empfehlenswert, den Hartmetallkörper beim Beschichten mit Bomitrid auf einer negativen Spannung zu halten und diesen mit Ionen zu beschießen. Wie gefunden wurde, führt diese Maßnahme dazu, dass im Laufe des Beschichtungsverfahrens, nachdem sich an den aufgebrachten 7

Primärkeimen bereits eine kubische Bomitridschicht gebildet hat, weiterhin Keime (so genannte Sekundärkeime) kubischen Bomitrids gebildet werden, sodass eine Ausbildung von hexagonalem Bomitrid über die gesamte Schichtdicke weitestgehend vermieden wird. 5 Das weitere Ziel der Erfindung wird bei einem Hartmetallkörper der eingangs genannten Art erreicht, wenn der Hartmetallkörper mit einer ein Carbonitrid, Nitrid, Bomitrid,

Borcarbid und/oder Borcarbonitrid eines oder mehrerer der zusätzlichen Metalle als Hauptbestandteil(e) aufweisenden Randzone ausgebildet ist, auf welcher Randzone eine zumindest überwiegend aus kubischem Bomitrid bestehende Bomitridschicht 10 abgeschieden ist.

Die mit einem erfindungsgemäßen Hartmetallkörper erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ein Bindemetallanteil in der vorgesehenen Randzone gering oder vernachlässigbar ist und daher störende Einflüsse von Bindemetall mit Bezug auf ein 15 Schichtwachstum, vor allem zu Beginn des Abscheidens der Beschichtung, reduziert sind. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass auf Grund der vorgesehenen Randzone ein Sprung in den Eigenspannungswerten zwischen Beschichtung und Substrat geringer ist als bisher und Schichtspannungen am Obergang von der Randzone zur Bomitridschicht sowie vermutlich in der Bornitridschicht selbst daher reduziert sind. Dies trägt zu einer 20 guten Schichthaftung positiv bei. Für eine optimierte Realisierung der vorstehend dargelegten Effekte empfiehlt es sich, dass die Randzone eine Dicke von 1 pm bis 15 pm, vorzugsweise 3 pm bis 10 pm, aufweist. 25

Die Bomitridschicht ist bevorzugt mit einer Dicke von mehr als 3 pm ausgebildet, um zum Beispiel bei einer spanenden Bearbeitung die Vorzüge einer Verschleißfestigkeit kubischer Bornitridschichten möglichst lange nutzen zu können. 30 Bornitridschichten mit besonders hohem Anteil an kubischem Bomitrid können bei einem Hartmetallkörper ausgebildet werden, wenn dieser aus etwa 5 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent Bindemetall, etwa 1 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent, bevorzugt 5 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, 8 • · • ···

Tantalcarbid, Tantalnitrid und/oder Tantalcarbonitrid, Rest Wolframcarbid besteht und die Randzone durch Sintern erstellt ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem 5 Zusammenhang der Beschreibung und den nachstehend beschriebenen

Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung noch weitergehend dargestellt ist.

Es zeigen

Fig. 1: Eine Beschichtungsapparatur; 10 Fig. 2: Ramanspektren von zuerst mit Diamant und anschließend mit Bomitrid beschichteten Körpern;

Fig. 3: Ramanspektren von mit Bomitrid beschichteten bzw. bekeimten Substraten;

Fig. 4: Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines mit kubischem Bomitrid beschichteten Hartmetallkörpers. 15

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, wie sie bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein so genanntes ECR (electron cyclotron resonance) unterstütztes Mikrowellen-CVD-System des Unternehmens Astex. Die Vorrichtung umfasst neben Komponenten 5 zur Erzeugung von Mikrowellen 20 weiter Magnete 4 sowie eine so genannte ECR-Quelle 3 und eine Elektronenquelle 2. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich auch bei sehr geringen Drücken des Reaktions-bzw. Beschichtungsgases ausgesprochen hohe Plasmadichten erreichen.

Die Vorrichtung umfasst schließlich auch einen Substratträger 1, auf dem zu 25 beschichtende Hartmetallkörper, beispielsweise Schneidplatten, angebracht werden können. Nach Anbringen zumindest eines zu beschichtenden Substrats auf dem Substrathalter 1, der während des Beschichtungsvorganges durch induktives Heizen auf einer Temperatur von ca. 600 °C bis 1100 °C gehalten wird, wird die Kammer auf einen Druck von 10“6 Torr evakuiert und ein lokales Sputtern mit Ar/N2-Ionenbombardement 30 durchgeführt, um Restverunreinigungen vom Substrat zu entfernen. Anschließend kann ein Abscheiden von Bornitrid aus der Gasphase erfolgen, indem einer Prozessgasmischung enthaltend Argon und Helium weiter Bortrifluorid, Stickstoff und Wasserstoff zugemischt werden, wobei im ECR-Modus ein Magnetfeld von 875 G im • · · » · · · * · • · · · · · · ··» φ φ φ · · · · · · ······· φ · · ·· ·· ·· · ···· ·· 9

Zentrum der Beschichtungseinrichtung aufrechterhalten wird. Dabei wird ein Gesamtdruck des Reaktionsgases in einem Bereich von 1 θ'3 Torr bis 10-4 Torr gehalten.

Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Aufbau wurden verschieden vorbehandelte 5 Substrate aus Hartmetall mit Bomitrid beschichtet. Die Zusammensetzung und der Aufbau der so erstellten Bomitridlagen wurden mittels Ramanspektroskopie und rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen untersucht.

In Fig. 2 sind Ramanspektren gezeigt, die für ein bereits diamantbeschichtetes Substrat 10 vor bzw. nach dem Abscheiden einer Bomitridschicht auf der Diamantschicht erhalten wurden ((a) bzw. (b)). Spektrum (b) weist im Vergleich mit Spektrum (a) nach dem Beschichten zusätzliche Peaks auf. Diese Peaks sind auf Bomitrid zurückzuführen, nämlich amorphes Bomitrid und hexagonales Bomitrid. Zwar kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich auf der Zwischenlage aus Diamant auch kubisches Bomitrid 15 abscheidet. Diese Anteile scheinen jedoch im Verhältnis zu amorphem bzw. hexagonalem Bornitrid gering zu sein.

In Fig. 3 ist mit Spektrum (c) das Ramanspektrum eines Hartmetallkörpers gezeigt, der aus Wolframcarbid und Titancarbid sowie Cobalt als Bindemetall besteht und mit einer 20 titancarbonitridreichen Randzone ausgebildet ist. Die titancarbonitridreiche Randzone wurde durch Sintern des Hartmetallkörpers bei einer Temperatur von ca. 1250 °C in einer Stickstoffatmosphäre (Stickstoffpartialdruck ca. 100 Millibar bis 400 Millibar) eingestellt. Der Hartmetallkörper wurde noch vor Aufnahme des Spektrums (c) mit Keimen aus Diamant mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ca. 0,5 pm bekeimt. Wie aus 25 Spektrum (c) ersichtlich, ist die durch die Bekeimung vorhandene Konzentration an Diamant zu gering, um detektiert werden zu können. Der bekeimte Hartmetallkörper mit der wie beschrieben ausgebildeten Randzone wurde anschließend in der in Fig. 1 dargestellten Apparatur mit Bornitrid beschichtet. Das Reaktionsgas für die CVD-Abscheidung einer Bomitridschicht bestand aus Wasserstoff, Bortrifluorid, Stickstoff sowie 30 Helium und Argon. Die Substrattemperatur betrug ca. 990 °C und das Substrat wurde auf einer Spannung von - 61 Volt bis - 65 Volt gehalten. Die Beschichtungsdauer betrug sechs Stunden. Wie aus Fig. 3 anhand des Spektrums (a) ersichtlich ist, konnte in diesem Fall eine Beschichtung mit im Wesentlichen (zumindest mehr als 85 Gewichtsprozent) kubischem Bornitrid erreicht werden. Dies ist durch die entsprechenden Peaks belegt, die *··· · ·· ft • · · · · · · ··· ···· ·· · · » ·····♦· · · · ·· ·· «« · ·»·· ·· 10 auf Grund der nanokristallinen Struktur des abgeschiedenen Bornitrids verbreitert sind. Eine rasterelektronenmikroskopische Untersuchung (Fig. 4) des so beschichteten Hartmetallkörpers zeigte, dass sich auf der überwiegend aus Titancarbonitrid bestehenden Randzone eine durchgehende, mit dem Substrat fest verankerte Schicht aus 5 kubischem Bornitrid mit einer Schichtdicke von durchschnittlich mehr als 3,0 pm ausgebildet hatte.

In weiteren Versuchen zeigte sich, dass eine optimale Ausbildung einer Schicht mit überwiegend kubischem Bornitrid erreicht werden kann, wenn ein molares Verhältnis von 10 H2/BF3 im Reaktionsgas etwa 1,5 bis 2,5 beträgt. Bei anderen molaren Verhältnissen kann es dazu kommen, dass neben dem gewünschten kubischen Bomitrid teilweise hexagonales Bornitrid abgeschieden wird (siehe Fig. 3, Spektrum (b)).

Claims

*··· · ···· • · · · · φ φ φφφ ···· ·· ··· ······· · ·· ·· ·· ·· · ···· ·· 11 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallkörpers mit einer Beschichtung oder Beschichtungslage aus zumindest überwiegend kubischem Bomitrid, dadurch 5 gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Hartmetallkörpers enthaltend etwa gleichmäßig verteilt Hartstoff mit Wolframcarbid und zumindest einem Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid eines oder mehrerer zusätzlicher Metalle ausgewählt aus den Gruppen IV B, V B und VI B des Periodensystems der Elemente sowie Eisen und/oder Nickel und/oder Cobalt als 10 Bindemetall(e), wobei ein Hartstoffanteil mehr als 60 Gewichtsprozent beträgt, b) Behandeln des Hartmetallkörpers, um an einer mit Bomitrid zu beschichtenden Oberfläche des Hartmetallkörpers eine Zone zu erhalten, die ein Carbonitrid, Nitrid, Bornitrid, Borcarbid und/oder Borcarbonitrid der zusätzlichen Metalle als Hauptbestandteil(e) enthält, 15 c) Aufbringen von Keimen aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid auf die in Schritt b) erhaltene Zone, d) Abscheiden einer Bornitridschicht auf der bekeimten Zone.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper neben 20 Wolframcarbid 1 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent, Metallcarbid, Metallnitrid und/oder Metalicarbonitrid eines oder mehrerer Metalle ausgewählt aus den Gruppen IV B, V B und VI B des Periodensystems der Elemente als Hartstoffe enthält und in Schritt b) die Zone durch Sintern des Hartmetallkörpers in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur 25 von größer 1100 °C, vorzugsweise 1250 °C bis 1400 °C, erstellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper in Schritt a) durch Sintern erstellt wird und unmittelbar anschließend die Temperatur abgesenkt und Schritt b) durchgeführt wird. 30
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallcarbid, Metallnitrid und/oder Metalicarbonitrid des in Schritt a) bereitgestellten Hartmetallkörpers mit Titan und/oder Tantal als Metall gebildet ist. t · · · · · · · · • · · · · · · ··· ···· · · ··· ···«#·· · ·· ·· ·· ·· · ···· ·· 12
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone mit einer Dicke von 1 pm bis 15 pm, vorzugsweise 3 pm bis 10 pm, erstellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper zuerst 5 in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von größer 1100 °C und anschließend in einer Bortrichlorid enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von größer 950 °C gesintert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keime 10 eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,1 pm bis 1,0 pm aufweisen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Keime mittels einer Suspension aufgebracht werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitridschicht aus der Gasphase abgeschieden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitridschicht mittels PA-CVD-Verfahrens abgeschieden wird. 20
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitridschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 3 pm abgeschieden wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die 25 Bornitridschicht aus einer Gasphase, welche Bortrifluorid, Stickstoff und Wasserstoff enthält, abgeschieden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Wasserstoff zu Bortrifluorid 1,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,75 bis 2,15, beträgt. 30
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper beim Beschichten mit Bomitrid auf einer negativen Spannung gehalten und mit Ionen beschossen wird. • · • ··· • · · · · • · · · · • · · « · • · · · · · *· ·· ··

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15. Hartmetallkörper, insbesondere Schneidplatte oder Schneidwerkzeug, welcher Hartmetallkörper Hartstoff mit Wolframcarbid und zumindest einem Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid eines oder mehrerer zusätzlicher Metalle ausgewählt aus den Gruppen IV B, V B und VI B des Periodensystems der Elemente sowie Eisen und/oder Nickel und/oder 5 Cobalt als Bindemetall(e) enthält, wobei ein Hartstoffanteil mehr als 60 Gewichtsprozent beträgt, und welcher Hartmetallkörper eine Beschichtung bzw. Beschichtungslage aus Bomitrid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper mit einer ein Carbonitrid, Nitrid, Bomitrid, Borcarbid und/oder Borcarbonitrid eines oder mehrerer der zusätzlichen Metalle als Hauptbestandteil^) aufweisenden Randzone ausgebildet ist, auf 10 welcher Randzone eine zumindest überwiegend aus kubischem Bomitrid bestehende Bomitridschicht abgeschieden ist.
16. Hartmetallkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone eine Dicke von 1 pm bis 15 pm, vorzugsweise 3 pm bis 10 pm, aufweist. 15
17. Hartmetallkörper nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitridschicht eine Dicke von mehr als 3 pm aufweist.
18. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass 20 der Hartmetallkörper aus etwa 5 Gewichtsprozent bis 20 Bindemetall, etwa 1 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent, bevorzugt 5 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Tantalcarbid, Tantalnitrid und/oder Tantalcarbonitrid, Rest Wolframcarbid besteht und die Randzone durch Sintern erstellt ist. 25 BOEHLERIT GmbH & Co.KG.

Leoben, am 26. März 2007