WO2007003648A1 - Hartstoffbeschichtete körper und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Hartstoffbeschichtete körper und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to hard material-coated bodies with a single- or multi-layer system that contains at least one Tii -X AI X N hard material layer, and a method for their production.
  • the coating according to the invention can be used in particular for tools made of steel, hard metals, cermets and ceramics, such as drills, milling cutters and indexable inserts.
  • the bodies coated according to the invention have improved wear resistance and resistance to oxidation.
  • Material system Ti-Al-N is already known in accordance with WO 03/085152 A2. It is possible to produce monophase TiAIN layers with the NaCI structure at AIN contents up to 67%. These layers, which are produced by means of PVD, have lattice constants a fCC between 0.412 nm and 0.424 nm (R. Cremer, M. Witthaut, A. von Richthofen, D. Neupetit, Fresenius J. Anal. Chem. 36J. (1998) 642-645). Such cubic TiAIN layers have a relatively high hardness and wear resistance. With AIN contents> 67%, however, a mixture of cubic and hexagonal TiAIN is created and with an AIN content> 75% only the softer and non-wear-resistant hexagonal wurtzite structure.
  • PVD or plasma CVD processes are used according to the prior art, which are operated at temperatures below 700 0 C (A. Hörling, L. Hultman, M. Oden , J. Sjölen, L Karlsson, J. Vac. Sei. Technol. A 20 (2002) 5, 1815 - 1823 and D. Heim, R. Hochreiter, Surface and Coatings Technology 98 (1998) 1553 - 1556).
  • a disadvantage of these methods is that the coating of complicated component geometries is difficult.
  • PVD is a very directional process and plasma CVD requires high plasma homogeneity because the plasma power density has a direct influence on the Ti / Al atomic ratio of the layer. With the PVD processes used almost exclusively in industry, it is not possible to produce single-phase cubic Tii -X AI X N layers with x> 0.75.
  • cubic TiAIN layers are a metastable structure, they cannot be produced using conventional CVD processes at high temperatures> 1000 0 C because a mixture of TiN and hexagonal AIN is formed at temperatures above 1000 0 C.
  • the invention has for its object to achieve a significantly improved wear resistance and oxidation resistance in hard material coated bodies with a single or multi-layer system that contains at least one Tii -X AI X N hard material layer.
  • Tii -X AI X N hard material layer Another feature of this Tii -X AI X N hard material layer is that its chlorine content is in the range between only 0.05 and 0.9 at.%.
  • the chlorine content of the Tii -X AI X N hard material layer (s) is advantageously in the range from only 0.1 to 0.5 at.% And the oxygen content in the range from 0.1 to 5 at.%.
  • the hardness value of the Tii -X AI X N hard material layer (s) is in the range from 2500 HV to 3800 HV.
  • the Tii -X AI X N hard material layer (s) can contain up to 30% by mass of amorphous layer components.
  • the layer present on the bodies according to the invention with its high hardness between 2500 HV to 3800 HV and with a significantly improved oxidation resistance compared to the prior art, which is achieved by the high AIN content in the cubic Tii -X AI X N phase , an unprecedented combination of hardness and resistance to oxidation, which results in very good wear resistance, especially at high temperatures.
  • the invention includes a method, which is characterized in that the bodies are coated in a reactor at temperatures in the range from 700 ° C. to 900 ° C. by means of CVD without plasma excitation, titanium halides, aluminum halides and reactive nitrogen compounds being used as precursors find that are mixed at elevated temperature.
  • NH 3 and / or N 2 H 4 can be used as reactive nitrogen compounds.
  • the precursors are advantageously mixed in the reactor immediately before the deposition zone.
  • the mixture of the precursors according to the invention is carried out at temperatures in the range of 15O 0 C to 900 ° C.
  • the coating is advantageously carried out at pressures in the range from 10 2 Pa to 10 5 Pa.
  • a Tii -X AI X N layer is deposited on WC / Co hard metal indexable inserts by means of the thermal CVD process according to the invention.
  • a mixture of 100 ml / min of NH 3 and 200 ml / min of N 2 is fed into the reactor via a second gas feed.
  • the two gas streams are mixed at a distance of 10 cm in front of the substrate carrier.
  • a gray-black layer with a thickness of 6 ⁇ m is obtained for 30 minutes.
  • the atomic ratio Ti: Al determined by WDX is 0.107.
  • the chlorine and oxygen contents also determined are 0.1 at.% For Cl and 2.0 at.% For O.
  • x 0.90.
  • a hardness of the layer of 3070 HV [0.05] is measured using a Vickers indenter.
  • the Tii -X AI X N layer is resistant to oxidation in air up to 1000 0 C.
  • Titanium nitride layer using a known standard CVD process at 95O 0 C. upset.
  • a gray-black layer is then deposited using the CVD process according to the invention using the gas mixture described in Example 1, a pressure of 1 kPa and a temperature of 85O 0 C.
  • the X-ray thin-film analysis shows that here a heterogeneous
  • the hardness of the layer determined using Vickers indenter is 3150 HV [ O 1 OI].
  • the two-phase Tii -X AI X N layer is resistant to oxidation in air up to 1050 0 C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft hartstoffbeschichtete Körper mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem, das mindestens eine Ti<SUB>1-x</SUB>Al<SUB>x</SUB>N-Hartstoffschicht enthält, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartig hartstoffbeschichteten Körpern eine wesentlich verbesserte Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu erreichen. Die erfindungsgemäßen hartstoffbeschichteten Körper sind dadurch gekennzeichnet, dass die Körper mit mindestens einer mittels CVD ohne Plasmaanregung erzeugten Ti<SUB>1-x</SUB>Al<SUB>x</SUB>N-Hartstoffschicht beschichtet sind, die als einphasige Schicht in der kubischen NaCl-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante a<SUB>fcc</SUB> zwischen 0,412 nm und 0,405 nm vorliegt oder eine mehrphasige Schicht ist, deren Hauptphase aus Ti<SUB>1-x</SUB>Al<SUB>x</SUB>N mit kubischer NaCl-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante a<SUB>fcc</SUB> zwischen 0,412 nm und 0,405 nm besteht, wobei als weitere Phase Ti<SUB>1-x</SUB>Al<SUB>x</SUB>N in Wurtzitstruktur und/oder als TiN<SUB>x</SUB> in NaCl-Struktur enthalten sind. Ein weiteres Merkmal dieser Hartstoffschicht besteht darin, dass der Chlorgehalt im Bereich von nur 0,05 bis 0,9 At.% liegt. Zur Herstellung der Körper beinhaltet die Erfindung ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Körper in einem Reaktor bei Temperaturen im Bereich von 700 °C bis 900 °C mittels CVD ohne Plasmaanregung beschichtet werden, wobei als Precursoren Titanhalogenide, Aluminiumhalogenide und reaktive Stickstoffverbindungen Verwendung finden, die bei erhöhter Temperatur gemischt werden. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann insbesondere bei Werkzeugen aus Stahl, Hartmetallen, Cermets und Keramiken eingesetzt werden, wie Bohrern, Fräsern und Wendeschneidplatten.

Description

Hartstoffbeschichtete Körper und Verfahren zu deren Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft hartstoffbeschichtete Körper mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem, das mindestens eine Tii-XAIXN-Hartstoffschicht enthält, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann insbesondere bei Werkzeugen aus Stahl, Hartmetallen, Cermets und Keramiken eingesetzt werden, wie Bohrern, Fräsern und Wendeschneidplatten. Die erfindungsgemäß beschichteten Körper weisen eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf.
Stand der Technik
Die Herstellung von Verschleißschutzschichten in bestimmten Bereichen des
Materialsystems Ti-Al-N ist entsprechend der WO 03/085152 A2 bereits bekannt. Dabei ist es möglich, monophasige TiAIN-Schichten mit der NaCI-Struktur bei AIN- Gehalten bis 67% herzustellen. Diese Schichten, die mittels PVD erzeugt werden, weisen Gitterkonstanten afCC zwischen 0,412 nm und 0,424 nm auf (R. Cremer, M. Witthaut, A. von Richthofen, D. Neuschütz, Fresenius J. Anal. Chem. 36J. (1998) 642-645). Solche kubischen TiAIN-Schichten besitzen eine relativ hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Bei AIN-Gehalten > 67% entsteht allerdings ein Gemisch aus kubischem und hexagonalem TiAIN und bei einem AIN-Anteil > 75% nur noch die weichere und nicht verschleißfeste hexagonale Wurtzitstruktur.
Es ist auch bekannt, dass die Oxidationsbeständigkeit von kubischen TiAIN- Schichten mit steigendem AIN-Gehalt zunimmt (M. Kawate, A. Kimura, T. Suzuki, Surface and Coatings Technology 165 (2003) 163-167). Aus der wissenschaftlichen Literatur zur TiAIN-Herstellung mittels PVD ergibt sich jedoch die Ansicht, dass oberhalb von 75O0C praktisch keine einphasigen kubischen TiAIN-Schichten mit hohem AIN-Anteil mehr entstehen können, beziehungsweise dass bei Tii-XAIXN- Phasen mit x > 0,75 immer die hexagonale Wurtzitstruktur vorliegt (K. Kutschej, P. H. Mayrhofer, M. Kathrein, C. Michotte, P. Polcik, C. Mitterer, Proc. 16th Int. Plansee Seminar, May 30 - June 03, 2005, Reutte, Austria, Vol. 2, p. 774 - 788).
Es wurde auch bereits gefunden, dass mittels Plasma-CVD einphasige Tii-XAIXN- Hartstoffschichten mit x bis 0,9 herstellbar sind (R. Prange, Diss. RTHW Aachen, 1999, Fortschritt-Berichte VDI, 2000, Reihe 5, Nr. 576 sowie O. Kyrylov et al., Surface and Coating Techn. 151-152 (2002) 359-364). Nachteilig hierbei sind jedoch die unzureichende Homogenität der Schichzusammensetzung und der relativ hohe Chlorgehalt in der Schicht. Außerdem ist die Verfahrensdurchführung kompliziert und aufwändig.
Für die Herstellung der bekannten Tii-XAIXN-Hartstoffschichten werden nach dem Stand der Technik PVD- oder Plasma-CVD-Verfahren eingesetzt, die bei Temperaturen unter 7000C betrieben werden (A. Hörling, L. Hultman, M. Oden, J. Sjölen, L Karlsson, J. Vac. Sei. Technol. A 20 (2002)5, 1815 - 1823 sowie D. Heim, R. Hochreiter, Surface and Coatings Technology 98 (1998) 1553 - 1556). Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass die Beschichtung komplizierter Bauteilgeometrien Schwierigkeiten bereitet. PVD ist ein sehr gerichteter Prozess und Plasma-CVD erfordert eine hohe Plasmahomogenität, da die Plasmaleistungsdichte direkten Einfluss auf das Ti/Al-Atomverhältnis der Schicht hat. Mit den industriell fast ausschließlich eingesetzten PVD-Verfahren ist es nicht möglich, einphasige kubische Tii-XAIXN-Schichten mit x > 0,75 herzustellen.
Da es sich bei kubischen TiAIN-Schichten um eine metastabile Struktur handelt, ist eine Herstellung mit konventionellen CVD-Verfahren bei hohen Temperaturen > 10000C prinzipiell nicht möglich, weil bei Temperaturen oberhalb 10000C ein Gemisch aus TiN und hexagonalem AIN entsteht.
Entsprechend der US 6,238,739 B1 ist es auch bekannt, dass durch einen thermischen CVD-Prozess ohne Plasmaunterstützung Tii-XAIXN-Schichten mit x zwischen 0,1 und 0,6 im Temperaturbereich zwischen 55O0C und 65O0C erhältlich sind, wenn eine Gasmischung von Aluminium- und Titanchloriden sowie NH3 und H2 verwendet wird. Der Nachteil dieses speziellen thermischen CVD-Verfahrens besteht ebenfalls in der Eingrenzung auf eine Schichtstöchiometrie x < 0,6 und der Beschränkung auf Temperaturen unter 65O0C. Die geringe Beschichtungstemperatur führt zu hohen Chlorgehalten in der Schicht bis 12 At.%, die für die Anwendung schädlich sind (S. Anderbouhr, V. Ghetta, E. Blanquet, C. Chabrol, F. Schuster, C. Bernard, R. Madar, Surface and Coatings Technology H5 (1999) 103 - 110).
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hartstoff beschichteten Körpern mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem, das mindestens eine Tii-XAIXN- Hartstoffschicht enthält, eine wesentlich verbesserte Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäßen hartstoffbeschichteten Körper sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mit mindestens einer mittels CVD ohne Plasmaanregung erzeugten Tii-XAIXN-Hartstoffschicht beschichtet sind, die als einphasige Schicht in der kubischen NaCI-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante afCC zwischen 0,412 nm und 0,405 nm vorliegt oder die eine mehrphasige Tii-XAIXN-Hartstoffschicht ist, deren Hauptphase aus Tii-XAIXN mit kubischer NaCI-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante afCC zwischen 0,412 nm und 0,405 nm besteht, wobei als weitere Phase Ti-ι-xAlxN in Wurtzitstruktur und/oder als TiNx in NaCI-Struktur enthalten sind. Ein weiteres Merkmal dieser Tii-XAIXN-Hartstoffschicht besteht darin, dass deren Chlorgehalt im Bereich zwischen nur 0,05 und 0,9 At.% liegt. Vorteilhafterweise liegt der Chlorgehalt der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) im Bereich von nur 0,1 bis 0,5 At.% und der Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,1 bis 5 At.%.
Der Härtewert der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) liegt im Bereich von 2500 HV bis 3800 HV.
Erfindungsgemäß können in der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) bis zu 30 Masse% amorphe Schichtbestandteile enthalten sein. Die auf den Körpern erfindungsgemäß vorhandene Schicht weist mit ihrer hohen Härte zwischen 2500 HV bis 3800 HV und mit einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Oxidationsbeständigkeit, die durch den hohen AIN- Anteil in der kubischen Tii-XAIXN-Phase erreicht wird, eine bisher nicht erreichte Kombination von Härte und Oxidationsbeständigkeit auf, die insbesondere bei hohen Temperaturen eine sehr gute Verschleißbeständigkeit ergibt.
Zur Herstellung der Körper beinhaltet die Erfindung ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Körper in einem Reaktor bei Temperaturen im Bereich von 7000C bis 9000C mittels CVD ohne Plasmaanregung beschichtet werden, wobei als Precursoren Titanhalogenide, Aluminiumhalogenide und reaktive Stickstoffverbindungen Verwendung finden, die bei erhöhter Temperatur gemischt werden.
Als reaktive Stickstoffverbindungen können erfindungsgemäß NH3 und/oder N2H4 eingesetzt werden.
Die Precursoren werden in vorteilhafter Weise im Reaktor unmittelbar vor der Abscheidungszone gemischt.
Die Mischung der Precursoren wird erfindungsgemäß bei Temperaturen im Bereich von 15O0C bis 900°C durchgeführt.
Die Beschichtung wird vorteilhaft bei Drücken im Bereich von 102 Pa bis 105 Pa durchgeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, durch einen vergleichsweise einfachen thermischen CVD-Prozess bei Temperaturen zwischen 7000C und 9000C und Drücken zwischen 102 Pa und 105 Pa Tii-XAIXN-Schichten mit der NaCI-Struktur herzustellen. Mit dem Verfahren sind sowohl die bisher bekannten Ti-ι-xAlxN- Schichtzusammensetzungen mit x < 0,75 als auch die neuartigen Zusammensetzungen mit x > 0,75 erhältlich, die mit keinem anderen Verfahren herstellbar sind. Das Verfahren erlaubt die homogene Beschichtung auch komplizierter Bauteilgeometrien. Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Auf WC/Co-Hartmetallwendeschneidplatten wird eine Tii-XAIXN-Schicht mittels des erfindungsgemäßen thermischen CVD-Verfahrens abgeschieden. Dazu wird in einem Heißwand-CVD-Reaktor mit einem Innendurchmesser von 75 mm eine Gasmischung aus 20 ml/min AICU, 3,5 ml/min TiCU, 1400 ml/min H2, 400 ml/min Argon bei einer Temperatur von 8000C und einem Druck von 1 kPa eingeleitet.
Über eine zweite Gaszuführung wird ein Gemisch aus 100 ml/min NH3 und 200 ml/min N2 in den Reaktor geführt. Die Vermischung beider Gasströme erfolgt in einem Abstand von 10 cm vor dem Substratträger. Nach einer Beschichtungszeit von
30 Minuten wird eine grauschwarze Schicht mit einer Dicke von 6 μm erhalten.
Mittels der im streifenden Einfall durchgeführten röntgenographischen Dünnschichtanalyse wird nur die kubische Tii-XAIXN-Phase gefunden (siehe Röntgendiffraktogramm Abb. 1 ).
Die ermittelte Gitterkonstante beträgt afCC = 0,4085 nm. Das mittels WDX bestimmte Atomverhältnis Ti:AI beträgt 0,107. Die ebenfalls bestimmten Gehalte an Chlor und Sauerstoff betragen 0,1 At.% für Cl und 2,0 At.% für O.
Die Berechnung des Stöchiometriekoeffizienten ergibt x = 0,90. Mittels Vickersindenter wird eine Härte der Schicht von 3070 HV[0, 05] gemessenen. Die Tii-XAIXN-Schicht ist an Luft oxidationsbeständig bis 10000C.
Beispiel 2
Auf Wendeschneidplatten aus Si3N4-Schneidkeramik wird zunächst eine 1 μm dicke
Titannitridschicht mittels eines bekannten Standard-CVD-Prozesses bei 95O0C aufgebracht. Danach wird mit dem erfindungsgemäßen CVD-Verfahren unter Verwendung der im Beispiel 1 beschriebenen Gasmischung, einem Druck von 1 kPa und einer Temperatur von 85O0C eine grauschwarze Schicht abgeschieden.
Die röntgenographische Dünnschichtanalyse ergibt, dass hier ein heterogenes
Gemisch von Tii-XAIXN mit der NaCI-Struktur und AIN mit der Wurtzitstruktur vorliegt. Im ermittelten Röntgendiffraktogramm von Abb. 2 sind die Reflexe des kubischen Ti-1-χAlχN mit c und die des hexagonalen AIN (Wurtzitstruktur) mit h gekennzeichnet. Der Anteil des kubischen Tii-XAIXN in der Schicht überwiegt.
Die ermittelte Gitterkonstante der kubischen Phase beträgt afCC= 0,4075 nm. Die zweite, hexagonale AIN-Phase hat Gitterkonstanten von a = 0,3107 nm und c = 0,4956 nm. Die mittels Vickersindenter bestimmte Härte der Schicht beträgt 3150 HV[O1OI]. Die zweiphasige Tii-XAIXN-Schicht ist an Luft oxidationsbeständig bis 10500C.

Claims

Patentansprüche
1. Hartstoffbeschichtete Körper mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem, das mindestens eine mittels CVD ohne Plasmaanregunng erzeugteTii-xAlxN-Hartstoffschicht enthält, wobei die Tii-XAIXN- Hartstoffschicht als einphasige Schicht in der kubischen NaCI-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante afCC zwischen 0,412 nm und 0,405 nm vorliegt, oder wobei die Tii-XAIXN-Hartstoffschicht eine mehrphasige Schicht ist, deren Hauptphase aus Tii-XAIXN mit kubischer NaCI-Struktur mit einem Stöchiometriekoeffizienten x > 0,75 bis x = 0,93 und einer Gitterkonstante afcc zwischen 0,412 nm und 0,405 nm besteht und als weitere Phase Tii-XAIXN in Wurtzitstruktur und/oder als TiNx in NaCI-Struktur enthalten sind, und wobei der Chlorgehalt der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht im Bereich von 0,05 bis 0,9 At.% liegt.
2. Hartstoffbeschichtete Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Chlorgehalt der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) im Bereich von 0,1 bis 0,5 At.% liegt.
3. Hartstoffbeschichtete Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) im Bereich von 0,1 bis 5 At.% liegt.
4. Hartstoffbeschichtete Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Härtewert der Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) im Bereich von 2500 HV bis 3800 HV liegt.
5. Hartstoffbeschichtete Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tii-XAIXN-Hartstoffschicht(en) 0 bis 30 Masse% amorphe Schichtbestandteile enthält bzw. enthalten.
6. Verfahren zur Herstellung hartstoffbeschichteter Körper mit einem ein- oder mehrlagigen Schichtsystem, das mindestens eine Tii-XAIXN- Hartstoffschicht enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper in einem Reaktor bei Temperaturen im Bereich von 7000C bis 9000C mittels CVD ohne Plasmaanregung beschichtet werden, wobei als Precursoren
Titanhalogenide, Aluminiumhalogenide und reaktive Stickstoffverbindungen Verwendung finden, die bei erhöhter Temperatur gemischt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als reaktive
Stickstoffverbindungen NH3 und/oder N2H4 eingesetzt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Precursoren im Reaktor unmittelbar vor der Abscheidungszone gemischt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung der Precursoren bei Temperaturen im Bereich von 15O0C und 900°C durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei Drücken im Bereich von 102 Pa bis 105 Pa durchgeführt wird.
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