DD298003A5 - Verfahren zum beschichten eines metallischen grundkoerpers mit einem nichtleitenden beschichtungsmaterial - Google Patents

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DD298003A5
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DD34004690A
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Norbert Reiter
Udo Koenig
Hendrikus Van Den Berg
Ralf Tabersky
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Krupp Widia Gmbh,De
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Abstract

Zur Beschichtung eines metallischen Grundkoerpers mit einem nichtleitenden Beschichtungsmaterial, wie z. B. Al2O3, wird eine plasmaaktivierte CVD-Abscheidung vorgeschlagen, bei der an den als Kathode geschalteten Grundkoerper eine gepulste Gleichspannung angelegt wird.{Beschichten metallischer Grundkoerpermit Al2O3; plasmaaktivierte CVD-Abscheidung; gepulste Gleichspannung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Grundkörpers mit einem nichtleitenden Beschichtungsmaterial, insbesondere einer Keramik (AI2O3) mittels einer plasmaaktivieiten CVD-Abscheidung.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Es ist bekannt, daß die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit eines Werkstückes aus Werkzeugstahl erheblich verbessert werden können, wenn man das Werkstück mit einer verschleißfesten Schicht überzieht. So ist bereits in der DE-Z „VDI-Z" 124 (1982), Nr. 18, September (II), Seite 693, beschrieben, daß Boride, Carbide und Nitride der Übergangsmetalle, insbesondere Titancarbid oder Titannitrid in einer dünnen Schicht auf Werkzeugstahl dio Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Werkstückes erheblich verbessern.
Als geeignetes Verfahren zur Beschichtung ist die Abscheidung aus einem chemisch reaktiven Gasgemisch (CVD = chemical vapour deposition). Hierbei läßt man gasförmige Verbindungen, die die Elemente enthalten, aus denen sich die abzuscheidende Schicht zusammensetzt, bei hoher Temperatur miteinander reagieren. Zum Abscheiden von Titancarbid wird gasförmiges Titanchlorid (TiCI4) in Anwesenheit von Metan (CH4) mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel und Trägergas reduziert. Zur Titannitridabscheidung wird anstelle von Metan Stickstoff (N2) verwendet. Ferner ist bekannt, Schneidkeramiken auf AI2O3-Basis als Hartstoffschicht auf Hartmetallen zu verwenden, wenn höchste Schnittgeschwindigkeiten bei Schneidwerkzeugen verlangt werden. Die Vorteile der Keramikbeschichtung liegt insbesondere in einer hohen Härte und Warmhai te, einer hohen Druckfestigkeit bei erhöhter Temperatur, hoher thermodynamischer Stabilität und einer hohen chemischen Resistenz. Das abgeschiedene Aluminiumoxid liegt meist in der Kristallstruktur des a-AI2O3-Korund vor. Bekanntlich streben alle Modifikationen des AI2O3, die bei Entwässerung der zahlreichen Aluminiumhydrate als Zwischenstufen entstehen, bei höheren Temperaturen der Grundstruktur des Korund zu. Da einige dieser Modifikationen unter anderem das X-AI2O?, bis zu höheren Temperaturen bis 12000C stabil sind, findet man gelegentlich neben dem Korund auch diese Modifikationen in dsn abgeschiedenen Schichten. Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß zwischen α- und x-AI^-Beschichtung keine nennenswerten Unterschiede bei der Metallzerspanung zu erkennen sind.
Nachteilig bei der CVD-Beschichtung ist jedoch die bisher erforderliche hohe Beschichtungstemperatur von ca. 10000C, die zu Zähigkeitsverlusten des jeweiligen Verbundkörpers führen. Im Bestreben, NiedertemperaUir-CVD-Verfahren zu entwickeln, bei denen die Gefahr von Kornwachstum im Stahl sowie eine Stabilisierung der Austenitphase zu vermeiden, führten zum plasmaaktivierten Beschichtungsverfahren, bei dem das Reaktionsgas in einer Niederdruckglimmentlastung ein Nichtgleichgewichtspiasma überlagert. Hierin ist die Elektronentemperatur wesentlich höher als die Temperatur der Ionen und der Neutralteilchen. Durch die im Vergleich zu einem im thermodynamischen Gleichgewicht bei gleicher Temperatur befindlichen Gas wesentlich höhere Energie des geschilderten Nichtgleichgewichtsolasmas werden hierin chemische Reaktionen möglich, für die ansonsten wesentlich höhere Temperaturen erforderlich wären. Niederdruckplasmen können auf verschiedenen Wegen erzeugt werden:
- durch Anlegen einer konstanten Gleichspannung an einem als Kathode geschalteten Werkstück,
- durch eine hochfrequente Wechselspannung und
- durch eine gepulste Gleichspannung (Folge von Rechteckimpulsen).
Die Hochfrequenzanregung, bei der die Energie induktiv oder kapazitiv von außen i'i das Reaktionsgefäß eingeführt werdon kann, wird zur Abscheidung von sehr reinen Schichten in der lilektrotechni'; (Elektronik), z.B. bei Mikrochips verwendet. Da es ohne direkt mit den Substraten verbundene Elektroden arbeitet, kommt es nicht darauf an, ob der Werkstoff selbst leitend oder nichtleitend ist. Das Verfahren ist jedoch nachteiligerweise sehr aufwendig.
Der einfachste Weg zur Erzeugung einer Niederdruckladung ist der, das zu beschichtende Werkstück als eine Kathode zu schaden und den Rezipienten bzw. dessen Wände als Anode bzw. Erdpotential zu benutzen. Die Substrattemperatur ist hio bei eine Funktion der Spannung und des Stromes.
Eine weitere Möglichkeit zur Plasma-C .'D-Beschichtung ist durch das Plasma-Puls-Verfahren gegeben. Die Substrattemperatur ist hierbei eine Funktion der Peakspannung sowie des Peakstromes als auch der Pulsdauer und Pulsfrequenz. Vorteilhafterweise kann die Beschichtungstemperatur unabhängig von den Niederdruckentladungsparametern, Spannung und Strom eingestellt werden. Ebenso wie bei dem zuvor beschriebenen, mit einem konstanten Gleichstrom arbeitenden Verfahren, ist das Plasma-Puls-Verfahren jedoch bisher nur bei metallisch leitenden Werkstoffen, etwa einer Titannitrid- oder Titancarbidbeschichtung verwendet worden.
Die Beschichtung mit keramischen Schichten (AI2O3) wird nach dem Stand der Technik beispielsweise durch einen sogenannten PVD-F'rozeß (PVD = physical vapour deposition) durchgeführt. Als Beispiel für einen PVD-Prozeß wird die Kathodenzerstäubung angeführt. Hierbei wird in einer Glimmentladung das Kathodenmatorial beim Aufprall positiver Ionen auf die Kathodenoberfläche zerstäubt. Es ist allgemein bekannt, daß eine Beschichtung mitTitancarbid durch Kathodenzerstäubung äußerst schwierig ist, da der Kohlenstoff den Prozeß stört. Bei der Abscheidung von Keramik durch eine Kathodenzerstäubung erhält man nur amorphe Phasen.
Ziel der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Verbundwerkstoffe, insbesondere zur Verwendung als Werkzeuge, mit guten Verschleißeigenschaften preiswert hergestellt.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Verbundwerkstoffe, die aus einem metallischen Grundkörper und einer oder mehrerer Schichten, wovon mindestens eine nichtleitend ist, preiswert und ohne hohen technischen Aufwand hergestellt werden kann. Der Verbundkörper soll gute Verschleißeigenschaften besitzen, die insbesondere seine Verwendung als Werkzeug zur spanenden und spanlosen Formgebung von metallischen Werkstück ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Plasmaaktivierung an dem als Kathod j geschalteten Grundkörper mit einer gepulsten Gleichspannung herbeigeführt wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß entgegen der bisher vorauszusetzenden t· artung, daß das Beschichtungsmaterial ebenfalls leitend sein muß, eine Beschichtung mit z.B. Aluminiumoxid auch dünn durchgeführt werden kann, wenn eine gepulste Gleichspannung verwendet wird. Dies ist überraschend und unerwartet, da sich der metallische Grundkörper bereits wenige Minuten nach Prozeßbeginn allseitig mit einer nichtleitenden Schicht aus AI2O3 überzieht, deren Schichtdicke trotzdem proportional zur Zeit zunimmt. Wie bereits oben erwähnt, ist es mit diesem Verfahren insbesondere möglich, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten. Vorzugsweise werden Temperaturen zwischen 400 bis 8000C, nach einer Weiterentwicklung der Erfindung unterhalb von 6000C, gewählt. Die gepulste Gleichspannung hat Maximalwerte zwischen 200 und 900 Volt.
Die Qualität der Beschichtung wird weiterhin dadurch verbessert, daß zwischen den positiven Gleichspannungsimpulsen (Rechteckimpulsen) in den Pulspausen eine Restg!eichspannung aufrechterhalten bleibt, die größer als das niedrigste lonisierungspotential der am CVD-Prozeß beteiligten Gasmoleküle, jedoch nicht größer als 50% des Maximalwertes der gepulsten Gleichspannung ist. Hierbei kommt es primär nicht auf den Spannungsverlauf bzw. die Gleichmäßigkeit der Restgleichspannung an, sondern lediglich darauf, daß über die gesamte Zeit zwischen zwei Rechteckimpulsen die Restgleichspannung stets größer als das genannte lonisierungspotential ist. Im folgenden sind einige der maßgeblichen lonisierungspotentiale angegeben:
H: 13,5eV,H2:15,8eV,N:14,5eV,N2:15,7eVund
Ar: 15,7eV,
O: 13,6eV,O2:12,1eV.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis der Resigleichspannung zum Maximalwert der gepulsien Gleichspannung zwischen 0,02 und 0,5.
Die Periodendauer der gepulsten Gleichspannung soll vorzugsweise zwischen 20 μβ und 20 ms liegen, wobei man unter der Periodendauer die Dauer eines Rechteckimpulses und einer Pulspause versteht. Vorzugsweise wird das Verhältnis der Pulsdauer zu der Pulspausenlänge zwischen 0,1 bis 0,6 gewählt. Die Parameter werden schließlich so eingestellt, daß eine Schichtwachstumsc,eschwindigkeit von 0,5 bis 10 μηη/h erreicht wird.
Ausführungsbelsplelo
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit vorzugsweise eine mehrlagige Beschichtung aus jeweils verschiedenen Hartstoffen. Unter Hartstoffen versieht man Carbide, Nitride, Boride, Silicide und Oxide mit einer besonders großen Härte und einem hohen Schmelzpunkt, z.B. Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Siliciumcarbid und Titandiborid. So lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Wendeschneidplatten mit einem Stahlgrundkörper und einer Schichtfolge TiN und/oder TiC und/oder AI2O3 herstellen, beispielsweise mit einer jeweiligen Dicke der Schicht von 5 \im (TiN, TiC) bzw. 0,3 pm (AI2O3). Die Wendeschneidplatte zeigte erheblich bessere Verschleißeigenschaften.

Claims (8)

1. Verfahren zum Beschichten eines metallischen Grundkörpers mit einem nichtleitenden Beschichtungsmaterial, insbesondere einer Keramik (AI2O3), mittels einer plasmaaktivierten CVD-Abscheidung, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaaktivierung an dem als Kathode geschalteten Grundkörper mit einer gepulsten Gleichspannung herbeigeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung bei einer Temperatur zwischen 400 und 8000C, vorzugsweise zwischen 400 und 6000C, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulste Gleichspannung maximale Werte zwischen 200 und 900 Volt hat.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den positiven Gleichspannungsimpulsen, vorzugsweise Rechteckimpulsen, in den Pulspausen eine Restgleichspannung aufrechterhalten bleibt, die größer als das niedrigste lonisierungspotential der am CVD-Prozeß beteiligten Gasmoleküle, jedoch nicht größer als 50% des Maximalwertes der gepulsten Gleichspannung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Restgleichspannung zum Maximalwert der gepulsten Gleichspannung zwischen 0,2 und 0,5 liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer der gepulsten Gleichspannung zwischen 20μβ und 20ms liegt,
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Pulslänge (Pulsdauer) zu der Pulspausenlänge zwischen 0,1 bis 0,6 liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtwachstumsgeschwindigkeit 0,5 bis 10um/h beträgt.
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WO2024073785A1 (de) 2022-10-04 2024-04-11 Pohl Metall Gmbh Scheinwerferbauelement, prüfverfahren sowie herstellungs- und prüfverfahren

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