AT516062B1

AT516062B1 - Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes und damit hergestellte Beschichtung

Info

Publication number: AT516062B1
Application number: ATA50025/2015A
Authority: AT
Inventors: Reinhard Dr Pitonak; Arno Dr Köpf; Ronald Dr Weissenbacher
Original assignee: Boehlerit Gmbh & Co Kg
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-02-15
Also published as: CN107109640A; CN107109640B; JP2018504515A; EP3245314A1; US20180023194A1; MX2017005895A; BR112017002732A2; BR112017002732B1; AT516062A4; WO2016112417A1; US10597776B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes (1), wobei auf den Gegenstand (1) eine Beschichtung (2) mit einer oder mehreren Beschichtungslagen (3, 4, 5) aufgebracht wird, wobei zumindest eine Beschichtungslage (5) im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet wird, wobei die Beschichtungslage (5) zumindest bereichsweise aneinander angrenzende Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist und aus einer Gasphase mit zumindest einem Aluminium-Precursor und zumindest einem Titan-Precursor abgeschieden wird. Erfindungsgemäß werden durch Einstellung eines molaren Verhältnisses von Aluminium zu Titan die Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung jeweils mit kubischer Struktur ausgebildet, wobei unter Beibehaltung der kubischen Struktur Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle und Stickstoff teilweise durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt werden können. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechend hergestellte Beschichtung (2).

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUM BESCHICHTEN EINES GEGENSTANDES UND DAMIT HERGESTELLTE BESCHICHTUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes, wobei auf den Gegenstand eine Beschichtung mit einer oder mehreren Beschichtungslagen aufgebracht wird, wobei zumindest eine Beschichtungslage im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet wird, wobei die Beschichtungslage zumindest bereichsweise aneinander angrenzende Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist und aus einer Gasphase mit zumindest einem Aluminium-Precursor und zumindest einem Titan-Precursor abgeschieden wird.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Beschichtung, die auf einem Gegenstand durch Chemical Vapor Deposition (CVD) aufgebracht ist, wobei die Beschichtung eine oder mehrere Beschichtungslagen umfasst und wobei zumindest eine Beschichtungslage im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet ist und zumindest in Bereichen aneinander angrenzende Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist.

[0003] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Schneidwerkzeuge oder Schneideinsätze zur Erhöhung einer Standzeit im Schneideinsatz mit Beschichtungslagen beschichtet werden, die aus Titan, Aluminium und Stickstoff zusammengesetzt sind. Allgemein wird diesbezüglich oftmals von TiAIN-Beschichtungslagen gesprochen, wobei eine durchschnittliche chemische Zusammensetzung, unabhängig davon, ob eine oder mehrere Phasen in der Beschichtungslage vorliegen, mit Τί^ΑΙχΝ angegeben wird. Für Beschichtungslagen, die mehr Aluminium als Titan enthalten, ist auch die Nomenklatur AITiN bzw. genauer AlxLTh-χΝ gebräuchlich.

[0004] Aus der WO 03/085152 A2 ist es bekannt, im System AITiN monophasige Beschichtungslagen mit einer kubischen Struktur herzustellen, wobei bei einem relativen Anteil von Aluminiumnitrid (AIN) bis zu 67 Molprozent (Mol-%) eine kubische Struktur des AITiN erhalten wird. Bei höheren AIN-Gehalten von bis zu 75 Mol-% entsteht ein Gemisch aus kubischem AITiN und hexagonalem AIN und bei einem AIN-Gehalt von mehr als 75 Mol-% ausschließlich hexagonales AIN und kubisches Titannitrid (TiN). Gemäß der genannten Druckschrift werden die beschriebenen AITiN-Beschichtungslagen mittels Physical Vapor Deposition (PVD) abgeschieden. Mit einem PVD-Verfahren sind somit maximale relative Anteile von AIN praktisch auf 67 Mol-% beschränkt, da sonst ein Umkippen in Phasen möglich ist, die Aluminium nur in Form von hexagonalem AIN enthalten. Ein höherer relativer Anteil von kubischem AIN ist jedoch nach Fachmeinung erwünscht, um eine Verschleißbeständigkeit möglichst zu maximieren.

[0005] Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, anstelle von PVD-Verfahren Chemical Vapor Deposition (CVD) einzusetzen, wobei ein CVD-Verfahren bei relativ niedrigen Temperaturen im Temperaturfenster von 700 °C bis 900 °C durchzuführen ist, da kubische AITiN-Beschichtungslagen bei Temperaturen von z. B. > 1000 °C aufgrund der metastabilen Struktur derartiger Beschichtungslagen nicht herstellbar sind. Gegebenenfalls können die Temperaturen gemäß der US 6,238,739 B1 auch noch tiefer liegen, und zwar im Temperaturfenster von 550 °C bis 650 °C, wobei allerdings hohe Chlorgehalte in der Beschichtungslage in Kauf zu nehmen sind, was sich für einen Anwendungsfall als nachteilig erweist. Man hat daher versucht, CVD-Verfahren so zu optimieren, dass mit diesen AITiN-Beschichtungslagen mit einem hohen Anteil von Aluminium und kubischer Struktur der Beschichtungslage herstellbar sind (I. Endler et al., Proceedings Euro PM 2006, Ghent, Belgien, 23. bis 25. Oktober 2006, Vol. 1, 219). Wenngleich diese Beschichtungslagen eine hohe Mikrohärte und damit grundsätzlich günstige Eigenschaften für eine hohe Verschleißbeständigkeit im Einsatz aufweisen, so hat es sich doch erwiesen, dass eine Haftfestigkeit derartiger Beschichtungslagen zu gering sein kann. Diesbezüglich wurde daher in der DE 10 2007 000 512 B3 vorgeschlagen, unterhalb einer kubischen AITiN-Beschichtungslage, die 3 pm dick ist, eine 1 pm dicke Beschichtungslage vorzusehen, die als Phasengradientenschicht ausgebildet ist und aus einem Phasengemisch aus hexagona- lern AIN, TiN und kubischem AITiN besteht, wobei ein kubischer AITiN-Anteil mit nach außen hin bzw. zur (ausschließlich) kubischen AITiN-Beschichtungslage einen steigenden Anteil aufweist. Entsprechend beschichtete Schneidplatten wurden zu einem Fräsen von Stahl eingesetzt, wobei allerdings gegenüber Beschichtungslagen, die mittels eines PVD-Verfahrens hergestellt wurden, lediglich geringe Verbesserungen einer Verschleißfestigkeit erzielt wurden.

[0006] Neben der nur geringen Verbesserung einer Verschleißfestigkeit besteht ein weiterer Nachteil einer Anbindungsschicht gemäß der DE 10 2007 000 512 B3 darin, dass die Anbin-dungs- bzw. Phasengradientenschicht äußerst schnell aufwächst, auch bei Versuchen im Labormaßstab (I. Endler et al., Proceedings Euro PM 2006, Ghent, Belgien, 23. bis 25. Oktober 2006, Vol. 1, 219). Dies führt bei einer Herstellung in einem größeren Reaktor, der für ein großtechnisches Beschichten von Schneidplatten ausgelegt ist, dazu, dass die Anbindungs- bzw. Phasengradientenschicht im vorgesehenen Beschichtungsprozess äußerst dick wird, da eine Temperatur zur Ausbildung der letztlich vorgesehenen kubischen AITiN-Beschichtungslage abzusenken ist, was entsprechende Zeit erfordert. Während dieser Absenkung einer Prozesstemperatur wächst jedoch eine Dicke der Anbindungs- bzw. Phasengradientenschicht rasch an, weil in einem großtechnischen Reaktor eine schnelle Abkühlung nicht möglich ist. Denkbar wäre es, den Beschichtungsprozess für längere Zeit bzw. das Abkühlen zu unterbrechen, was allerdings nicht wirtschaftlich ist.

[0007] Aus der WO 2013/134796 A1 sind ein beschichteter Körper und ein Verfahren zum Beschichten eines Körpers bekannt geworden, wobei eine spezielle Beschichtungslage aus ΑΙχΤί^χΝ in einzelnen Bereichen mit einer lamellenartigen Struktur ausgebildet ist. Diese lamellenartige Struktur setzt sich aus abwechselnden Lamellen aus Ti1.xAlxN (überwiegend Ti als Metall) und, damit alternierend, ΑΙχΤί^Ν (überwiegend AI als Metall) zusammen. Das Τί^ΑΙχΝ liegt als kubische Phase vor, wohingegen das ΑΙχΤί^Ν eine hexagonale Struktur aufweist. Obwohl an sich hexagonales AIN bzw. AlxTii.xN entsprechend den vorstehenden Ausführungen nicht erwünscht ist, hat sich in dieser speziellen Struktur das hexagonale AIN bzw. ΑΙχΤϊ1χΝ in der alternierenden Ausbildung mit kubischem TiN bzw. Τί^ΑΙχΝ als vorteilhaft erwiesen, was auf die Ausbildung der Lamellen im Nanometerbereich zurückgeführt wird.

[0008] Obwohl eine AlxTii.xN-Beschichtungslage gemäß der WO 2013/134796 A1 bereits exzellente Eigenschaften aufweist, wäre es wünschenswert, in Bezug auf eine Härte noch bessere Beschichtungslagen zur Verfügung stellen zu können. Hier setzt die Aufgabe der Erfindung an und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Beschichtungen mit einer entsprechender Beschichtungslage hergestellt werden können.

[0009] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Beschichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine AlxTii.xN-Beschichtungslage mit einer hohen Härte aufweist.

[0010] Das verfahrensmäßige Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch Einstellung eines molaren Verhältnisses von Aluminium zu Titan die Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung jeweils mit kubischer Struktur ausgebildet werden, wobei unter Beibehaltung des Kristallsystems Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle und Stickstoff teilweise durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt werden können.

[0011] Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Einstellung eines molaren Verhältnisses von Aluminium zu Titan über entsprechende Zufuhr zumindest eines Aluminium-Precursors und zumindest eines Titan-Precursors die Kristallsysteme in den Lamellen gezielt in Richtung einer kubischen Struktur bzw. Phase eingestellt werden können. Wird im Vergleich mit dem Stand der Technik der Titangehalt relativ hoch gehalten, bilden sich Lamellen, die abwechselnd kubisches Τί^ΑΙχΝ und kubisches ΑΙχΤί^Ν aufweisen. In einer der abwechselnden Lamellen ist eine Zusammensetzung annähernd TiN, in der anderen annähernd AIN gegeben. Ist die Ausbildung der beiden Lamellen kubisch, scheint die anteilig höhere Zufuhr eines Titan-Precursors dazu zu führen, dass die kubischen Τί^χΑΙχΝ-Lamellen den benachbarten AkTi^N-Lamellen die kubische Struktur aufzwingen, obwohl an sich eine hexagonale Phase zu erwarten wäre.

[0012] Von Vorteil ist, dass eine jeweils kubische Struktur der abwechselnden Lamellen eine exzellente Härte einer entsprechenden Beschichtungslage ergibt. Darüber hinaus hat sich aber auch gezeigt, dass trotz eines im Vergleich mit dem Stand der Technik abgesenkten Aluminiumgehaltes eine exzellente Oxidationsbeständigkeit gegeben ist. An sich wäre bei einem abgesenkten Aluminiumgehalt eine schlechtere Oxidationsbeständigkeit zu erwarten, die allerdings bei Lamellensystemen mit kubischen Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung nicht beobachtet werden konnte. Offenbar führt die eingestellte Abfolge von Lamellen aufgrund des höheren Titangehaltes nicht nur zu höherer Härte, sondern ergibt auch eine hohe Oxidationsbeständigkeit.

[0013] Solange das Kristallsystem erhalten bleibt, können Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle ersetzt sein. Hierfür kommt insbesondere Silicium infrage. Die Gehalte der ersetzenden Metalle wie Silicium können beispielsweise auf 20 %, vorzugsweise 10 %, insbesondere 7,5 %, limitiert sein, um die ursprüngliche Ausbildung der Lamellen nicht allzu sehr zu stören. Auf der anderen Seite ergibt sich durch den Einsatz substituierender Metalle wie Chrom in geringen Anteilen die Möglichkeit, die Eigenschaften der Beschichtungslage gezielt in Bezug auf Einsatzerfordernisse abzustimmen.

[0014] Ebenso ist es möglich, dass Stickstoff teilweise durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt wird, wiederum unter der Voraussetzung, dass das Kristallsystem beibehalten wird. Beispielsweise kann ein geringfügiger Ersatz von Stickstoff durch Sauerstoff für bestimmte spanabhebende Anwendungen vorteilhaft sein. Wiederum ist es erforderlich, dass das in den Lamellen eingestellte kubische Kristallsystem durch den teilweisen Ersatz von Stickstoff durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff beibehalten wird, wodurch sich obere Schwellwerte für einen möglichen Ersatz des Stickstoffs ergeben.

[0015] Insbesondere zur Ausbildung von Lamellen mit kubischer Struktur zumindest in einzelnen Bereichen einer Beschichtungslage ist es zweckmäßig, dass bei der Abscheidung der zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff ein molares Al/Ti-Verhältnis in der Gasphase zumindest zeitweilig auf maximal 3,0, vorzugsweise maximal 2,0, insbesondere maximal 1,5, begrenzt wird. Bei einem höheren molaren Anteil des Titans wird die Ausbildung kubischer Tii.xAlxN-Lamellen (mit höherem Ti- als Al-Gehalt) begünstigt, die im Wechselspiel mit ALTi^N-Lamellen (mit höherem AI- als Ti-Gehalt) wachsen, wobei die erste Sorte von Lamellen kubisch ausgebildet ist und der zweiten Sorte von Lamellen diese kubische Struktur bzw. das Kristallsystem aufzwingt.

[0016] Die Lamellen können durch Einstellung eines molaren Verhältnisses von Aluminium zu Titan auch in der Dicke variiert werden. Bevorzugt ist es, dass die Lamellen mit einer Lamellenperiodizität von weniger als 20 nm, bevorzugt 3 nm bis 17 nm, insbesondere 5 nm bis 15 nm, abgeschieden werden. Insbesondere im Bereich von etwa 8 nm bis 13 nm ergeben sich exzellente Beschichtungslagen mit Lamellen, die zumindest in Bereichen der Beschichtungslage ausschließlich kubisch ausgebildet sind.

[0017] Bevorzugt ist es, dass die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung ALTi^N und aus einer Gasphase enthaltend Aluminiumtrichlorid, Titantetrachlorid und Ammoniak abgeschieden wird. Es versteht sich, dass zusätzlich Trägergase wie Stickstoff und/oder Wasserstoff zur Anwendung kommen können. Obwohl grundsätzlich mit jeweils einem Precursor für Aluminium und einem Precursor für Titan gearbeitet werden kann, versteht es sich, dass bei Bedarf auch mehrere Precursoren für die einzelnen Metalle zur Anwendung kommen können. Möglich ist es auch, weitere Precursoren beizumengen, insbesondere wenn Aluminium und/oder Titan geringfügig durch andere Metalle substituiert sein sollen, um die Eigenschaften der Beschichtungslage fein zu justieren. Beispielsweise können Chromverbindungen und/oder Siliciumverbindungen dem Reaktionsgas beigemengt werden, um Chrom bzw. Silicium in die Beschichtungslage einzubauen. Beispielsweise können bis zu 5 % Chrom und/oder 5 % Silicum zum Ersatz von Aluminium und/oder Titan vorgesehen sein.

[0018] Bevorzugt ist es auch, dass die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen

Aluminium, Titan und Stickstoff mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung AlxTi1.xN mit 0,70 <x< 0,90, vorzugsweise 0,75 < x < 0,85, abgeschieden wird. Im Vergleich mit dem Stand der Technik, gemäß welchem das Ziel in der Herstellung von kubischen Strukturen der allgemeinen Formel AkTi^N mit möglichst hohen Aluminiumgehalten war, um eine Oxidationsbeständigkeit zu maximieren, kann erfindungsgemäß bewusst ein etwas geringerer relativer Gehalt an Aluminium in der Beschichtungslage vorgesehen sein, ohne dass eine Oxidationsbeständigkeit nachteilig verringert wäre.

[0019] Die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff wird in einem CVD-Verfahren abgeschieden, wobei ein Druck von 10 mbar bis 80 mbar, insbesondere 20 mbar bis 50 mbar, eingestellt werden kann. Die Einstellung des Druckes erfolgt durch entsprechende Zuführung der Reaktionsgase bzw. Precursoren samt Trägergasen.

[0020] Bei der Abscheidung in einem CVD-Verfahren wird eine Temperaturführung so gewählt, dass die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 750 °C bis 850 °C abgeschieden wird. In diesem Temperaturfenster lässt sich die gewünschte Ausbildung der Lamellen mit kubischer Struktur ohne Weiteres durch Variation der molaren Anteile von Aluminium und Titan im Reaktionsgas einstellen.

[0021] Die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff wird in der Regel mit einer Dicke von 1 pm bis 20 pm, insbesondere 3 pm bis 8 pm, abgeschieden.

[0022] Wird die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff auf einem geeigneten Substrat wie Saphir abgeschieden, kann eine epitaktische Abscheidung erfolgen.

[0023] Wenngleich beliebige Gegenstände nach einem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet werden können, kommt dieses bevorzugt beim Beschichten eines Gegenstandes aus einem Hartmetall zur Anwendung, insbesondere einem Schneideinsatz wie einer Wendeschneidplatte.

[0024] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff die einzige auf einem Gegenstand aufgebrachte Beschichtungslage sein. Insbesondere bei einer Beschichtung von Schneideinsätzen wie Schneidplatten oder Messern ist es jedoch zweckmäßig, eine mehrlagige Beschichtung abzuscheiden. Dabei kann als erste Beschichtungslage eine Anbindungslage aus TiN, vorzugsweise mit einer Dicke von weniger als 1,0 pm, abgeschieden werden.

[0025] Günstig kann es sich erweisen, dass die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff auf einer Beschichtungslage aus TiCN abgeschieden wird. Bei der Beschichtungslage aus TiCN handelt es sich bevorzugt um eine Mittel-temperatur-TiCN-(MT-TiCN-)Beschichtungslage, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine derartige TiCN-Beschichtungslage weist eine stängelige Struktur auf, die sich senkrecht von der Oberfläche des Substrates weg erstreckt. Auf einer derartigen Beschichtungslage lässt sich eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, aber jeweils kubischer Struktur exzellent und mit hoher Haftfestigkeit abscheiden, was für Anwendungszwecke optimal ist.

[0026] Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich besonders effizient führen, wenn bei der Abscheidung einer ersten Beschichtungslage und nachfolgenden Abscheidung jeder weiteren Beschichtungslage eine Abscheidungstemperatur jeweils abgesenkt oder gehalten wird. Dadurch kann ein Substrat bzw. Gegenstand, auf dem eine Beschichtung erstellt wird, zunächst auf eine bestimmte Solltemperatur gebracht werden, wonach die Abscheidung der Beschichtung mit mehreren Beschichtungslagen begonnen wird. Da nach der Abscheidung der ersten Beschichtungslage kein Aufheizen mehr erforderlich ist, kann die Aufbringung einer Beschichtung mit mehreren Beschichtungslagen relativ rasch und damit in wirtschaftlicher Weise erfolgen. Insbesondere wenn eine Anbindungsschicht aus TiN, nachfolgend eine MT-TiCN-Be-schichtungslage und schließlich eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit lamellarer Struktur innerhalb dieser Beschichtungslage vorgesehen ist, können alle Beschichtungslagen im Temperaturfenster von 750 °C bis 900 °C abgeschieden werden. Da das Temperaturfenster für die Abscheidung aller Beschichtungslagen bereits relativ eng ist und somit nur kurze Zeit für die Abkühlung zur Erstellung der nächsten Beschichtungslage zugewartet werden muss oder gegebenenfalls auch bei der gleichen Temperatur gearbeitet werden kann, ergibt sich eine äußerst rasche Herstellung einer Beschichtung mit mehreren Beschichtungslagen.

[0027] Die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff wird mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden. Sind weitere Beschichtungslagen vorgesehen, so werden diese zweckmäßigerweise ebenfalls mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden.

[0028] Das weitere Ziel der Erfindung wird durch eine Beschichtung der eingangs genannten Art erreicht, wobei die Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung jeweils mit kubischer Struktur ausgebildet sind, wobei unter Beibehaltung der kubischen Struktur Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle und Stickstoff durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt sein können.

[0029] Eine erfindungsgemäße Beschichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese aufgrund der Ausbildung mit Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, aber gleichem Kristallsystem innerhalb der unterschiedlichen Lamellen, die wiederum Bestandteil einer Beschichtungslage sind, exzellente Eigenschaften ergeben. Insbesondere bei Ausbildung der Lamellen mit jeweils kubischer Struktur ergibt sich für die Beschichtungslage mit dem Lamellen eine hohe Härte bei gleichzeitiger Oxidationsbeständigkeit.

[0030] Die Lamellen sind bevorzugt mit dem Lamellenperiodizität von weniger als 20 nm, bevorzugt 3 nm bis 17 nm, insbesondere 5 nm bis 15 nm, ausgebildet. Eine Lamellenperiodizität kann dabei bei der Herstellung durch Änderung der zugeführten Gehalte eines Titan-Precursors bei feststehendem Gehalt eines Aluminium-Precursors eingestellt werden. Insbesondere der Bereich von 5 nm bis 15 nm für die Lamellenperiodizität, bevorzugt etwa 8 nm bis 13 nm, hat sich als besonders günstig für eine hohe Härte erwiesen. Als Lamellenperiodizität wird eine Dicke der Abfolge von zwei Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung gesehen, wie diese in einem Transmissionselektronenmikroskop sichtbar sind.

[0031] Die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff kann mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung ΑΙχΤη-χΝ mit 0,70 <x< 0,90, vorzugsweise 0,75 <x<0,85, ausgebildet sein, um ein Optimum aus hoher Härte bei gleichzeitig hoher Oxidationsbeständigkeit zu erhalten.

[0032] Die zumindest eine Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff kann eine Dicke von 1 pm bis 20 pm, insbesondere 3 pm bis 8 pm, aufweisen.

[0033] Wenn ein geeignetes Substrat wie Saphir bereitgestellt wird, ist in der zumindest einen Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff ein epitaktisches Aufwachsen möglich.

[0034] Zur Abstimmung eines Beschichtungsprofils für diverse Schneidanwendungen kann es zweckmäßig sein, dass die Beschichtung mehrlagig aufgebaut ist. Sofern es sich bei dem Schneideinsatz um ein Hartmetall handelt, aber auch in anderen Fällen kann eine Anbindungsschicht als erste Beschichtungslage zweckmäßig sein. Für Hartmetalle hat es sich diesbezüglich als günstig erwiesen, eine erste Beschichtungslage aus vorzugsweise TiN mit einer Dicke von weniger als 1,0 pm vorzusehen. Auf dieser ersten Beschichtungslage bzw. Anbindungsschicht können dann mehrere weitere Beschichtungslagen abgeschieden werden. Für die Beschichtungslage aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, dass diese auf einer Beschichtungslage aus TiCN, üblicherweise MT-TiCN, abgeschieden ist. Dabei ist es möglich, dass die Beschichtungslage aus TiCN unmittelbar auf der Beschichtungslage aus TiN abgeschieden ist. Möglich ist es aber auch, dass dazwischen mehrere weitere Beschichtungslagen abgeschieden sind. Möglich ist es auch, dass mehrere Beschichtungslagen aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff im Wechselspiel mit anderen Beschichtungslagen abgeschieden sind und/oder eine äußere die Beschichtung abschließende Beschichtungslage, beispielsweise aus TiN, Al203 oder Diamant vorgesehen ist.

[0035] Entsprechend den dargestellten Vorteilen kann ein Schneidwerkzeug wie eine Schneidplatte eine erfindungsgemäße Beschichtung aufweisen.

[0036] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen: [0037] Fig. 1 einen grundsätzlichen Aufbau einer Beschichtung auf einem Gegenstand; [0038] Fig. 2 eine Aufnahme mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM); [0039] Fig. 3 ein Beugungsdiagramm zur Aufnahme gemäß Fig. 2; [0040] Fig. 4 ein Röntgendiffraktogramm; [0041] Fig. 5 ein Diagramm zur Härte und Elastizitätsmodul; [0042] Fig. 6 eine TEM-Aufnahme; [0043] Fig. 7 eine Darstellung von Polfiguren.

[0044] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Gegenstand 1 schematisch dargestellt. Der Gegenstand 1 ist üblicherweise aus einem gesinterten Hartmetall gebildet, das aus Carbiden und/oder Carbonitriden von Wolfram, Titan, Niob oder anderen Metallen und einem Bindemetall ausgewählt aus der Gruppe Cobalt, Nickel und/oder Eisen besteht. Ein Bindemetallanteil beträgt dabei in der Regel bis zu 10 Gew.-%. Typischerweise besteht der Gegenstand 1 aus bis zu 10 Gew.-% Cobalt und/oder anderen Bindemetallen, Rest Wolframcarbid und bis zu 5 Gew.-% weitere Carbide und/oder Carbonitride anderer Metalle.

[0045] Auf dem Gegenstand 1 ist eine als Anbindungsschicht dienende Beschichtungslage 3 aus TiN abgeschieden. Die Beschichtungslage 3 weist in der Regel eine Dicke von weniger als 2 pm, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 pm, auf. Auf der Beschichtungslage 3 ist eine als Zwischenschicht dienende Beschichtungslage 4 aus TiCN abgeschieden. Bei dieser Beschichtungslage 4 handelt es sich um eine MT-TiCN-Beschichtungslage. Eine derartige Beschichtungslage 4 weist in der Regel eine kolumnare Struktur mit stängeligen Kristallen auf, die im Wesentlichen parallel zur Oberflächenormalen auf den Gegenstand 1 ausgerichtet sind. Auf der Beschichtungslage 4 ist schließlich eine weitere Beschichtungslage 5 abgeschieden. Die Beschichtungslage 5 ist im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet und mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden. Je nach Verfahrensführung bzw. eingesetzten Gasen können in der Beschichtungslage 5 auch geringere Anteile von Chlor und Sauerstoff vorliegen. Auch die übrigen Beschichtungslagen 3, 4 können mit einem CVD-Verfahren abgeschieden sein.

[0046] Bei dem Gegenstand 1 kann es sich insbesondere um einen Schneideinsatz wie eine Wendeschneidplatte handeln. Zum Beschichten derselben bzw. zur Erstellung einer Beschichtung 2 wird in einem ersten Schritt die Anbindungsschicht bzw. Beschichtungslage 3 aus TiN bei einer Prozesstemperatur von 880 °C bis 900 °C aus einem Gas enthaltend oder bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff und Titantetrachlorid abgeschieden wird. Anschließend wird die Temperatur abgesenkt und bei einer Temperatur von z. B. 820 °C bis 840 °C eine aus MT-TiCN gebildete Beschichtungslage 4 mit einer Dicke von 2 pm bis 5 pm abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt dabei aus einem Gas bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff, Acetonitril und Titantetrachlorid. Die entsprechende Verfahrenstemperatur und der Einsatz von Acetonitril als Kohlenstoff- bzw. Stickstoffquelle stellt eine Ausbildung der Zwischenschicht mit kolumnaren Wachstum bzw. stängeligen Kristallen aus TiCN sicher. Die TiCN-Beschichtungslage weist dabei im Querschnitt längserstreckte Kristalle auf, die vorzugsweise parallel, zumindest überwiegend aber in einem Winkel von ±30° zu einer Oberflächennormalen des Gegenstandes 1 verlaufen. Bei einer entsprechenden TiCN-Beschichtungslage ergibt sich eine gute Anbindung der nachfolgend abgeschiedenen Beschichtungslage 5 mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung AlxTi1xN. Diesbezüglich ist es zweckmäßig, dass die TiCN-Beschichtungslage eine durchschnittliche Zusammensetzung TiCaN^a mit a im Bereich von 0,3 bis 0,8, insbesondere 0,4 bis 0,6, aufweist.

[0047] Auf der Zwischenschicht aus TiCN, bei der Titan bis zu 40 Mol-% durch Aluminium ersetzt sein kann, um eine Härte zu steigern, wird schließlich die Beschichtungslage 5 mit Aluminium, Titan und Stickstoff aufgebracht, wofür die Temperatur auf etwa 800 °C bis 830 °C gesenkt wird. Die Beschichtungslage 5, die eine äußerste Beschichtungslage ist, aber nicht sein muss, wird aus einem Gas enthaltend Aluminiumtrichlorid, Stickstoff, Wasserstoff, Titantetrachlorid und einem gesondert zugeführten Gemisch von Ammoniak und Stickstoff erstellt. Somit kann in einem zweiten Schritt zur Herstellung der Zwischenschicht und in einem dritten Schritt zur Herstellung der Beschichtungslage 5 jeweils eine Prozesstemperatur gesenkt werden, was äußerst wirtschaftlich ist und eine rasche Erstellung der Beschichtung 2 am Schneideinsatz erlaubt. Die Beschichtungslage 5 wird bevorzugt bei einem Druck von 20 mbar bis 80 mbar, insbesondere 25 mbar bis 55 mbar, abgeschieden, wobei der Druck über den Volumenstrom der zugeführten Gase geregelt wird.

[0048] In den nachstehenden Tabellen 1 und 2 sind typische Prozessparameter und Zusammensetzungen angegeben.

[0049] Tabelle 1 - Prozessparameter Beschichtung samt AITiN-CVD-Beschichtungslage mit abwechselnden kubischen Lamellen

[0050] Tabelle 2 - Eigenschaften der AITiN-Beschichtungslage

[0051] In Fig. 2 ist eine TEM-Aufnahme eines Beschichtungsaufbaus dargestellt, bei dem auf einem Hartmetall eine Gradientenschicht AITiN aufgebracht ist, die grundsätzlich wie vorstehend beschrieben aufgebracht wurde, wobei allerdings der Gehalt des Titan-Precursors stetig erhöht wird und jener des Aluminium-Precursors konstant gehalten wurde. Die Gradientschicht startet mit ΑΙ90Τί10Ν und endet mit AI7oTi3oN. Im Bereich dazwischen bildet sich zunächst bei noch niedrigeren Gehalten des Titan-Precursors die aus der WO 2013/134796 A1 bekannte Struktur mit abwechselnden Lamellen hexagonaler und kubischer Struktur aus. Bei höheren Gehalten bildet sich dann eine Struktur aus, bei welcher nur mehr kubische Phasen vorliegen, was aus Fig. 3 hervorgeht. Somit kann durch Variation eines Verhältnisses der Precursoren die Struktur im Nanometerbereich gezielt eingestellt werden. Die Lamellenperiodizität beträgt ca. 9 nm.

[0052] In Fig. 4 ist ein Röntgendiffraktogramm einer Beschichtungslage 5 ersichtlich, aus dem bei Auswertung hervorgeht, dass eine Beschichtungslage 5 mit kubischer Struktur ausgebildet ist und hexagonale Phasen nicht detektierbar sind, was die Ergebnisse aus Fig. 3 zu der Gradientenschicht bestätigt.

[0053] Eine Beschichtungslage 5 weist überraschenderweise nicht nur eine hohe Härte, sondern auch eine gute Zähigkeit auf. Wie die in Fig. 5 zur Gradientenschicht gemäß Fig. 2 dargestellten Messergebnisse zeigen, weist die Gradientenschicht im Bereich der ausschließlich kubischen Ausbildung sowohl bei der Härte als auch Zähigkeit ein Maximum auf.

[0054] In Fig. 6 ist eine hoch aufgelöste TEM-Aufnahme einer Beschichtungslage 5 dargestellt, die wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde. In dieser Aufnahme sind die gebildeten Lamellen ersichtlich, die eine Lamellenperiodizität von wenigen Nanometern aufweisen. Lamellen mit einer Zusammensetzung AlxTi1xN mit höherem AI- als Ti-Gehalt und kubischer Struktur wechseln sich mit Lamellen Tii.xAlxN-Lamellen mit höherem Ti- als Al-Gehalt und ebenfalls kubischer Struktur wechselweise ab. Es wird vermutet, dass diese besondere Nanostruktur die exzellenten Eigenschaften der Beschichtungslage 5 bewirkt, insbesondere die hohe Härte und Zähigkeit. Die Beschichtungslage 5 ist nicht nur besonders oxidationsstabil und mit hoher Härte sowie Zähigkeit ausgebildet, sondern auch sehr temperaturbeständig. Thermische Dauerbelastungen bei 950 °C bis 1050 °C für eine Stunde zeigten, dass in Hartmetallsubstraten ab 1000 °C Risse auftreten, wohingegen eine Beschichtungslage 5 abgesehen vom gleichzeitigen Abbruch mit Hartmetallteilen der thermischen Belastung standhält.

[0055] Wird eine Beschichtungslage 5 auf einem geeigneten Substrat wie Saphir abgeschieden, kann auch ein epitaktisches Wachstum erfolgen, was aus den Polfiguren in Fig. 7 abgeleitet werden kann, die sich auf eine Beschichtungslage 5 unmittelbar auf Saphir abgeschieden beziehen.

[0056] Wenngleich eine Beschichtungslage 5, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Beschichtungslagen 3, 4, vorzugsweise für Schneideinsätze wie Wendeschneidplatten Anwendung findet, können selbstverständlich auch beliebige andere Werkzeuge beschichtet werden, die im Einsatz hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und dabei zudem eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen müssen.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes (1), wobei auf den Gegenstand (1) eine Beschichtung (2) mit einer oder mehreren Beschichtungslagen (3, 4, 5) aufgebracht wird, wobei zumindest eine Beschichtungslage (5) im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet wird, wobei die Beschichtungslage (5) zumindest bereichsweise aneinander angrenzende Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist und aus einer Gasphase mit zumindest einem Aluminium-Precursor und zumindest einem Titan-Precursor abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung eines molaren Verhältnisses von Aluminium zu Titan die Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung jeweils mit kubischer Struktur ausgebildet werden, wobei unter Beibehaltung der kubischen Struktur Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle und Stickstoff teilweise durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt werden können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abscheidung der zumindest einen Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff ein molares Al/Ti-Verhältnis in der Gasphase zumindest zeitweilig auf maximal 3,0, vorzugsweise maximal 2,0, insbesondere maximal 1,5, begrenzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen mit einer Lamellenperiodizität von weniger als 20 nm, bevorzugt 3 nm bis 17 nm, insbesondere 5 nm bis 15 nm, abgeschieden werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung AlxTi1xN und aus einer Gasphase enthaltend Aluminiumtrichlorid, Titantetrachlorid und Ammoniak abgeschieden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung AlxTi1xN mit 0,70 < x < 0,90, vorzugsweise 0,75 < x < 0,85, abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff bei einem Druck von 10 mbar bis 80 mbar, insbesondere 20 mbar bis 50 mbar, abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 750 °C bis 850 °C abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit einer Dicke von 1 pm bis 20 pm, insbesondere 3 pm bis 8 pm, abgeschieden wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff epitaktisch abgeschieden wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenstand (1) aus einem Hartmetall beschichtet wird, insbesondere ein Schneideinsatz wie eine Wendeschneidplatte.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gegenstand (1) eine mehrlagige Beschichtung (2) abgeschieden wird, wobei als erste Beschichtungslage (3) eine Anbindungslage aus TiN, vorzugsweise mit einer Dicke von weniger als 1,0 pm, abgeschieden wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff auf einer Beschichtungslage (4) aus TiCN abgeschieden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abscheidung einer ersten Beschichtungslage (3) und nachfolgenden Abscheidung jeder weiteren Beschichtungslage (4, 5) eine Abscheidungstemperatur jeweils abgesenkt oder gehalten wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff, vorzugsweise alle Beschichtungslagen (3, 4, 5), mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden werden.
15. Beschichtung (2), die auf einem Gegenstand (1) durch ein CVD-Verfahren aufgebracht ist, wobei die Beschichtung (2) eine oder mehrere Beschichtungslagen (3, 4, 5) umfasst und wobei zumindest eine Beschichtungslage (5) im Wesentlichen aus Aluminium, Titan und Stickstoff gebildet ist und zumindest in Bereichen aneinander angrenzende Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung jeweils mit kubischer Struktur ausgebildet sind, wobei unter Beibehaltung der kubischen Struktur Aluminium und Titan teilweise durch andere Metalle und Stickstoff durch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff ersetzt sein können.
16. Beschichtung (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen mit einer Lamellenperiodizität von weniger als 20 nm, bevorzugt 3 nm bis 17 nm, insbesondere 5 nm bis 15 nm, ausgebildet sind.
17. Beschichtung (2) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff mit durchschnittliche Zusammensetzung AlxTi1xN mit 0,70 < x < 0,90, vorzugsweise 0,75 < x < 0,85, aufweist.
18. Beschichtung (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff eine Dicke von 1 pm bis 20 pm, insbesondere 3 pm bis 8 pm, aufweist.
19. Beschichtung (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff epitaktisch aufgewachsen ist.
20. Beschichtung (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) mehrlagig aufgebaut ist.
21. Beschichtung (2) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Beschichtungslage (3) als Anbindungslage an den Gegenstand (1) vorgesehen ist, wobei die erste Beschichtungslage (3) vorzugsweise aus TiN mit einer Dicke von weniger als 1,0 pm gebildet ist.
22. Beschichtung (2) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Beschichtungslage (5) aus im Wesentlichen Aluminium, Titan und Stickstoff auf einer Beschichtungslage (4) aus TiCN abgeschieden ist.
23. Gegenstand (1), insbesondere Schneidwerkzeug wie eine Schneidplatte, mit einer Beschichtung (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 22. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen