DE102004028112B4 - Tool substrate with a boron-containing layer system, consisting of a boron carbide, a B-C-N and a carbon-modified cubic boron nitride layer and method for producing such a layer system and use - Google Patents

Abstract

Werkzeugsubstrat, auf dem ein borhaltiges Schichtsystem angeordnet ist, welches mit einem Hartstoffschichtsystem, keramischen Schichtsystem oder Mischkeramik-Schichtsystem kombiniert ist und welches umfasst:eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht, wobei die erste Schicht Borcarbid enthält,eine zweite, auf der ersten Schicht angeordnete, B, C und Stickstoff N (B-C-N) enthaltende Schicht undeine dritte, auf der zweiten Schicht angeordnete, kubisches Bornitrid c-BN und hexagonales Bornitrid h-BN enthaltende Schicht,wobei der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht zwischen 50 und 95 Gew.-% liegt,wobei die Schichtdicke der dritten Schicht über 1 µm und unter 10 µm beträgt,wobei die kubische Bornitrid-Phase der dritten Schicht sowie die erste und die zweite Schicht Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthalten,wobei die zweite Schicht eine Gradientenschicht ist, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt, undwobei ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht vorliegt, bei dem der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert.Tool substrate on which a boron-containing layer system is arranged, which is combined with a hard material layer system, ceramic layer system or mixed ceramic layer system and which comprises: a first layer containing boron B and carbon C, the first layer containing boron carbide, a second layer on top of which first layer arranged, B, C and nitrogen N (BCN) containing layer and a third layer, arranged on the second layer, containing cubic boron nitride c-BN and hexagonal boron nitride h-BN, the relative weight fraction of the c-BN phase in the third layer is between 50 and 95% by weight, the layer thickness of the third layer being more than 1 μm and less than 10 μm, the cubic boron nitride phase of the third layer and the first and second layers containing carbon C as a stabilizing element, wherein the second layer is a gradient layer in which the relative nitrogen content in the direction from the first layer to the third th layer increases, and wherein there is a transition or a transition region from the second to the third layer, in which the distance of the transition or the mean distance of the transition region from the surface of the first layer facing the second layer in a direction parallel to this surface of the first layer wavy varies.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeugsubstrat mit einem borhaltigen Schichtsystem, welches mindestens eine Borcarbid-, eine B-C-N-Schicht, die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält und nicht einphasig sein muss, und eine kohlenstoffmodifizierte kubische Bornitrid-Schicht enthält, das Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems und die Verwendung des Werkzeugsubstrats. Das Borcarbid wird im folgenden auch durch BC abgekürzt, die B-C-N-Schicht durch B-C-N, sowie das kubische Bornitrid durch c-BN.The present invention relates to a tool substrate with a boron-containing layer system, which contains at least one boron carbide, one BCN layer, which contains boron, carbon and nitrogen and does not have to be single-phase, and a carbon-modified cubic boron nitride layer, the method for the production of the layer system and the use of the tool substrate. In the following, the boron carbide is also abbreviated by BC, the B-C-N layer by B-C-N, and the cubic boron nitride by c-BN.

Borhaltige Schichtsysteme werden insbesondere zur Darstellung von Hartstoffschichten zur Reduktion von Verschleiß, Reibung, Korrosion und zur Materialbearbeitung eingesetzt. Hierbei stellt das kubische Bornitrid c-BN aufgrund seiner extremen Härte (die nur durch Diamant übertroffen wird) sowie aufgrund weiterer herausragender Eigenschaften, wie beispielsweise der hohen Temperaturbeständigkeit auch an Luft ein vielversprechendes Material für potentielle Anwendungen dar.Boron-containing layer systems are used in particular for the representation of hard material layers for the reduction of wear, friction, corrosion and for material processing. Here, the cubic boron nitride c-BN is a promising material for potential applications due to its extreme hardness (which is surpassed only by diamond) and other outstanding properties, such as the high temperature resistance even in air.

Borhaltige Schichtsysteme sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So sind c-BN-Schichten mit vielen PVD- und PACVD-Techniken herstellbar. Dickere Schichten sind hierbei nur durch wenige Veröffentlichungen belegt, beispielsweise Barth et al., Suf. & Coat. Technol. 92 (1997) 96-103 und oft nur bei höheren Temperaturen und bei geringer Rate (beispielsweise Litvinov et al., Appl. Phys. Let., 74 (1999) 7; Mirkarimri et al., Journal of Applied Physics 82 (4) 1997 p. 1617; Matsumota et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 39 (2000) pp L422-444).Boron-containing layer systems are already known from the prior art. Thus, c-BN layers can be produced with many PVD and PACVD techniques. Thicker layers are documented here only by a few publications, for example Barth et al., Suf. & Coat. Technol. 92 (1997) 96-103 and often only at higher temperatures and at low rates (for example, Litvinov et al., Appl. Phys. Let., 74 (1999) 7; Mirkarimri et al., Journal of Applied Physics 82 (4) 1997, pp. 1617; Matsumota et al., Japanese Journal of Applied Physics vol. 39 (2000) pp L422-444).

Schichtsysteme aus Bor/Borcarbid, Borcarbid/kubisches Bornitrid und Bor/Bornitrid/Borcarbid werden in der Patentschrift US 005670252 A behandelt. Die Patentschrift WO 96/35820 A1 beschreibt eine Schicht, in der kubisches Bornitrid in einer Bor- und/oder Kohlenstoffmatrix dispergiert ist. In dieser Schicht nimmt der kubische Anteil langsam zu. Auch die Patentschrift US 006054185 A beschreibt ein Bor und Stickstoff enthaltendes Schichtsystem sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Aus dem Stand der Technik ist auch eine Mehrzahl von Verfahren zur Herstellung von Einzelschichten aus kubischen Bornitrid bekannt.Coating systems of boron / boron carbide, boron carbide / cubic boron nitride and boron / boron nitride / boron carbide are disclosed in the patent US 005670252 A treated. The patent WO 96/35820 A1 describes a layer in which cubic boron nitride is dispersed in a boron and / or carbon matrix. In this layer, the cubic fraction increases slowly. Also the patent US 006054185 A describes a boron and nitrogen-containing layer system and a corresponding production method. The prior art also discloses a plurality of methods for producing cubic boron nitride individual layers.

Aus dem Stand der Technik ( EP 0 900 287 B1 ) ist ein Schneidwerkzeug mit einem borhaltigen Schichtsystem bekannt. Dieses zeigt eine erste Zwischenschicht, welche B und C enthält, eine darauf angeordnete zweite Zwischenschicht, welche B, C und N enthält und eine darauf angeordnete äußere Adhäsionsschicht, welche B und N, bevorzugt in Form von c-BN enthält.From the prior art ( EP 0 900 287 B1 ) a cutting tool with a boron-containing layer system is known. This shows a first intermediate layer containing B and C, a second intermediate layer disposed thereon containing B, C and N and an outer adhesion layer disposed thereon containing B and N, preferably in the form of c-BN.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ( WO 01/36712 A1 ) ein mit einem Multischichtsystem beschichtetes Werkzeug bekannt. Die Beschichtung umfasst eine Borcarbidschicht, eine darauf angeordnete Borcarbonitridschicht und eine darauf angeordnete B-N-Schicht, welche beispielsweise c-BN und h-BN aufweisen kann.Furthermore, from the prior art ( WO 01/36712 A1 ) a tool coated with a multi-layer system is known. The coating comprises a boron carbide layer, a boron carbonitride layer arranged thereon and a BN layer arranged thereon, which can have, for example, c-BN and h-BN.

Die Veröffentlichung „Mechanical and tribological properties of cBN films on silicon and tungsten carbide substrates“ von M. Keunecke et al., Thin Solid Films 398-399 (2001) 142-149 beschreibt eine Borcarbidschicht, auf der eine B, C und N enthaltende Schicht und eine weitere c-BN enthaltende Schicht abgeschieden ist. Eine der Schichten ist als Gradientenschicht mit zunehmendem Stickstoffanteil ausgebildet.The publication "Mechanical and tribological properties of cBN films on silicon and tungsten carbide substrates" by M. Keunecke et al., Thin Solid Films 398-399 (2001) 142-149 describes a boron carbide layer on which a layer containing B, C and N is found Layer and another layer containing c-BN is deposited. One of the layers is designed as a gradient layer with increasing nitrogen content.

Aus dem Stand der Technik ist darüberhinaus ( EP 0 826 074 B1 ) ein ähnliches Schichtsystem wie das vorbeschriebene bekannt.In addition, it is known from the prior art ( EP 0 826 074 B1 ) a similar layer system known as the above.

Schließlich zeigt auch die DE 44 07 274 C1 ein ähnliches Schichtsystem wie das vorbeschriebene.Finally, also shows the DE 44 07 274 C1 a similar layer system as the above.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kubisches Bornitrid enthaltendes Schichtsystem auf einem Werkzeugsubstrat sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, in welchem die eine c-BN-Nukleation, beispielsweise bei PVD-Techniken, begleitenden intrinsischen Schichtspannungen so ausgestaltet sind, dass es insgesamt zu besseren mechanischen Eigenschaften des Schichtsystems in Form von besserer Schichthaftung kommt.The object of the present invention is to provide a cubic boron nitride-containing layer system on a tool substrate and a corresponding production method in which the c-BN nucleation, for example in PVD techniques, accompanying intrinsic layer stresses are designed so that it is a total leads to better mechanical properties of the layer system in the form of better layer adhesion.

Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeugsubstrat mit borhaltigem Schichtsystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Beschichtungsverfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a tool substrate with a boron-containing layer system according to claim 1 and by a corresponding coating method according to claim 10. Advantageous further developments are described in the respective dependent claims.

Erfindungsgemäß wird zur Verfügung gestellt:According to the invention, the following is made available:

Ein Werkzeugsubstrat, auf dem ein borhaltiges Schichtsystem angeordnet ist, welches mit einem Hartstoffschichtsystem, keramischen Schichtsystem oder Mischkeramik-Schichtsystem kombiniert ist und welches umfasst: eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht, wobei die erste Schicht Borcarbid BC enthält, eine zweite, auf der ersten Schicht angeordnete, B, C und Stickstoff N (B-C-N) enthaltende Schicht und eine dritte, auf der zweiten Schicht angeordnete, kubisches Bornitrid c-BN enthaltende Schicht, wobei der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht zwischen 50 und 95 Gew.-% liegt, wobei die Schichtdicke der dritten Schicht über 1 µm und unter 10 µm beträgt, wobei die kubische Bornitrid-Phase der dritten Schicht sowie die erste und die zweite Schicht Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthalten, wobei die zweite Schicht eine Gradientenschicht ist, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt, und wobei ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht vorliegt, bei dem der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert.A tool substrate on which a boron-containing layer system is arranged, which is combined with a hard material layer system, ceramic layer system or mixed ceramic layer system and which comprises: a first layer containing boron B and carbon C, the first layer containing boron carbide BC, a second, layer containing B, C and nitrogen N (BCN) and a third layer comprising cubic boron nitride c-BN disposed on the second layer, wherein the relative weight fraction of the c-BN phase in the third layer is between 50 and 95 wt .-%, wherein the layer thickness of third layer is above 1 micron and below 10 microns, wherein the cubic boron nitride phase of the third layer and the first and the second layer containing carbon C as a stabilizing element, wherein the second layer is a gradient layer in which the relative nitrogen content in the direction of the first layer increases to the third layer, and wherein there is a transition or a transition region from the second to the third layer, wherein the distance of the transition or the mean distance of the transition region from the second layer facing surface of the first layer in a direction parallel to this surface of the first layer varies wavy.

Der relative Gewichts- bzw. Volumenanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht ist vorteilhafterweise im wesentlichen konstant und liegt wie beschrieben zwischen 50 und 95 Gewichtsprozent (Gew.-%). Die relative Schwankung des Gewichts- bzw. Volumenanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht beträgt hierbei bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 2 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.5 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.1 Gew.-%, insbesondere bevorzugt weniger als 0.01 Gew.-%.The relative weight or volume fraction of the c-BN phase in the third layer is advantageously essentially constant and, as described, is between 50 and 95 percent by weight (% by weight). The relative fluctuation in the weight or volume fraction of the c-BN phase in the third layer is preferably less than 10% by weight, particularly preferably less than 5% by weight, particularly preferably less than 2% by weight, particularly preferably less than 1% by weight, particularly preferably less than 0.5% by weight, particularly preferably less than 0.1% by weight, particularly preferably less than 0.01% by weight.

Das borhaltige Schichtsystem weist einen Übergang bzw. einen Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so auf, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert. Es besteht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich so, dass die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in unterschiedlichem Abstand von dieser Oberfläche der ersten Schicht verläuft. Somit variiert der genannte Abstand des Übergangs bzw. des Übergangsbereiches bzw. der genannte Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs in Richtung senkrecht zur Schichtebene. Hierbei ist das erfindungsgemäße Schichtsystem so ausgestaltet, dass der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in der Richtung im wesentlichen parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert und/oder dass der Übergangsbereich bzw. der Übergang und/oder die Grenzfläche bzw. der Grenzbereich im wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist. Hierbei variiert vorteilhafterweise der mittlere Abstand des Übergangsbereichs bzw. der Abstand des Übergangs und/oder der Abstand der Grenzfläche bzw. des Grenzbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht um über 1 nm, besonders bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm.The boron-containing layer system has a transition or a transition region from the second to the third layer such that the mean distance of the transition region or the distance of the transition from the surface of the first layer facing the second layer in a direction substantially parallel to this surface the first layer varies wavy. There is an interface between the second layer and the third layer such that the interface or boundary region in a direction substantially parallel to the surface of the first layer facing the second layer is at different distances from that surface of the first layer runs. Thus, said distance of the transition or the transition region or the said distance of the boundary surface or of the boundary region in the direction perpendicular to the layer plane varies. In this case, the layer system according to the invention is designed such that the average distance of the transition region or the distance of the transition and / or the distance of the interface or the boundary region from the second layer facing surface of the first layer in the direction substantially parallel to this surface the first layer is wavy and / or that the transition region or the transition and / or the interface or the boundary region is formed substantially wave-shaped. In this case, the average distance of the transition region or the distance of the transition and / or the distance between the boundary surface and the boundary region from the surface of the first layer facing the second layer advantageously varies by more than 1 nm, particularly preferably by more than 5 nm and / or below 1000 nm, particularly preferably more than 20 nm and / or less than 200 nm.

Zudem ist die zweite Schicht eine Gradientenschicht, d. h. die zweite Schicht ist so ausgeführt, dass in ihr der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt.In addition, the second layer is a gradient layer, i. H. the second layer is designed to increase the relative nitrogen content in the direction from the first layer to the third layer.

In einer vorteilhaften Variante enthält die dritte Schicht auch hexagonales Bornitrid h-BN.In an advantageous variant, the third layer also contains hexagonal boron nitride h-BN.

In einer weiteren Ausgestaltungsform beträgt der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 Atomprozent (At%) und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%. Der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder 20 At%. Der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht beträgt vorteilhafterweise über 1 At% und/oder unter 30 At%, insbesondere bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%.In a further embodiment, the carbon content of the first layer is above 5 atom percent (at%) and / or below 50 at%, preferably above 10 at% and / or below 30 at%. The carbon content of the second layer is advantageously above 2 at% and / or below 40 at%, preferably above 5 at% and / or 20 at%. The carbon content of the third layer is advantageously above 1 at% and / or below 30 at%, particularly preferably above 2 at% and / or below 15 at%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist auf oder an der dritten Schicht eines erfindungsgemäßen Schichtsystems eine B-C-N enthaltende, entsprechend einer der zweiten Schichten aus einem der vorhergehenden Ausgestaltungsformen aufgebaute Schicht (vierte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur dritten Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der dritten Schicht so aufgebaut angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits vorstehend beschrieben wurde.In a further advantageous embodiment, a BCN-containing layer is arranged on or on the third layer of a layer system according to the invention and is constructed according to one of the second layers from one of the preceding embodiments (fourth layer), preferably a transition or a transition region from the fourth to the third Layer and / or an interface or a boundary area between the fourth and the third layer is arranged or configured such as a transition or a transition area from the second to the third layer or as an interface or a boundary area between the second and third layer as described above.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist auf oder an der vierten Schicht eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht (fünfte Schicht) angeordnet, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der vierten zur fünften Schicht und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der vierten und der fünften Schicht so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht wie er bzw. sie bereits in den vorstehenden Gestaltungsformen beschrieben wurde.In a further advantageous embodiment variant, a layer (fifth layer) containing carbon and cubic boron nitride c-BN, which is built up according to one of the previously described third layers, is arranged on or at the fourth layer, preferably a transition or a transition region from the fourth to the fifth Layer and / or an interface or a boundary region between the fourth and the fifth layer constructed, arranged or configured as a transition or a transition region from the second to the third layer or as an interface or a boundary region between the second and third layer as he or she has already been described in the above embodiments.

In einer weiteren vorteilhaften Variante ist auf oder an der vierten Schicht eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher bereits beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht angeordnet. Auf oder an dieser Schicht kann dann vorteilhafterweise eine weitere Schichtenfolge angeordnet sein, wobei diese Schichtenfolge in Richtung von der ersten zur dritten Schicht aufweist: eine weitere B-C-N enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine weitere, Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht, wobei bevorzugt ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich und/oder eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen diesen beiden weiteren Schichten so aufgebaut, angeordnet oder ausgestaltet ist, wie ein Übergang bzw. ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht bzw. wie eine Grenzfläche bzw. ein Grenzbereich zwischen der zweiten und dritten Schicht, wie er bzw. sie bereits beschrieben wurden. In a further advantageous variant, a layer comprising boron carbide BC and constructed in accordance with one of the first layers already described above is arranged on or on the fourth layer. A further layer sequence can then advantageously be arranged on or at this layer, this layer sequence having in the direction from the first to the third layer: a further BCN-containing layer constructed according to one of the previously described second layers and a further, carbon and cubic boron nitride c -BN containing, according to one of the previously described third layers constructed layer, wherein preferably a transition or a transition region and / or an interface or a boundary region between these two further layers is constructed, arranged or configured as a transition or a Transition region from the second to the third layer or as an interface or a boundary region between the second and third layer, as he or she has already been described.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist auf oder an dem bereits beschriebenen Schichtsystem mindestens eine weitere Schichtenfolge der folgenden Form (in Richtung von der ersten zur dritten Schicht) angeordnet: eine Borcarbid BC enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen ersten Schichten aufgebaute Schicht, eine B-C-N enthaltende entsprechend einer der bisher beschriebenen zweiten Schichten aufgebaute Schicht und eine Kohlenstoff und kubisches Bornitrid c-BN enthaltende, entsprechend einer der bisher beschriebenen dritten Schichten aufgebaute Schicht.In a further advantageous embodiment, at least one further layer sequence of the following form (in the direction from the first to the third layer) is arranged on or on the already described layer system: a layer comprising boron carbide BC and constructed according to one of the first layers described so far, containing a BCN according to one of the previously described second layers built-up layer and a carbon and cubic boron nitride c-BN containing, constructed according to one of the previously described third layers layer.

In einer weiteren vorteilhaften Variante weist die erste, die zweite und/oder die dritte Schicht und/oder eine der anderen bereits genannten Schichten in einer zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrechten Richtung eine Ausdehnung von über 10 nm und/oder unter 10 µm, insbesondere von über 50 nm und/oder unter 1 µm auf.In a further advantageous variant, the first, the second and / or the third layer and / or one of the other layers already mentioned has an extent of more than 10 nm in a direction substantially perpendicular to the surface of the first layer facing the second layer and / or less than 10 µm, in particular more than 50 nm and / or less than 1 µm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der bisher beschriebenen Schichten auf oder an einem Substrat, insbesondere auf oder an einem Siliziumsubstrat angeordnet.In a further advantageous embodiment, at least one of the layers described so far is arranged on or on a substrate, in particular on or on a silicon substrate.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der bisher beschriebenen Schichtsysteme auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Hartstoffschichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden metallischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden keramischen Schichtsystem und/oder auf oder an einem aus mindestens einer Schicht bestehenden Mischkeramikschichtsystem (ein Schichtsystem, welches eine oxidische und eine metallische Komponente aufweist, Cermetschicht) angeordnet oder als Haft-, Zwischen-, Ober- oder Unterschicht mit mindestens einem der genannten Schichtsysteme (Hartstoffschichtsysteme, metallisches Schichtsystem, keramisches Schichtsystem, Mischkeramikschichtsystem) kombiniert. Dabei enthält das Hartstoffschichtsystem vorteilhafterweise TiN, TiAlN, TiCN, Al₂O₃, CrN, TiBN, TiB₂, Diamant und/oder diamantartigen Kohlenstoff DLC. Das metallische Schichtsystem enthält hierbei vorteilhafterweise Ti und/oder Cr.In a further advantageous embodiment, one of the layer systems described hitherto is on or on a hard material layer system consisting of at least one layer and / or on or on a metallic layer system consisting of at least one layer and / or on or on a ceramic layer system consisting of at least one layer and or on or on a mixed ceramic layer system consisting of at least one layer (a layer system comprising an oxidic and a metallic component, cermet layer) or as an adhesive, intermediate, top or bottom layer with at least one of said layer systems (hard material layer systems, metallic Layer system, ceramic layer system, mixed ceramic layer system) combined. The hard material layer system advantageously contains TiN, TiAlN, TiCN, Al ₂ O ₃ , CrN, TiBN, TiB ₂ , diamond and / or diamond-like carbon DLC. The metallic layer system advantageously contains Ti and / or Cr.

Insbesondere ist es vorteilhaft, eines der vorstehend beschriebenen Schichtsysteme auf oder an Werkzeug- oder Bauteilsubstraten, insbesondere in Form von Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermetschichten, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (beispielsweise für Automobil-Komponenten), Gläsern oder Umform- oder Stanzwerkzeugen anzuordnen.In particular, it is advantageous to arrange one of the layer systems described above on or on tool or component substrates, in particular in the form of carbide indexable inserts, ceramics, cermet layers, composite materials, HSS, steels (for example for automotive components), glasses or forming or stamping tools ,

Das vorgestellte erfindungsgemäße Schichtsystem, welches aus einer Borcarbid-, einer B-C-N und einer kohlenstoffmodifiziertes kubisches Bornitrid c-BN enthaltenden Schicht bzw. aus einer kohlenstoffstabilisierten c-BN Schicht besteht, ist somit durch bestimmte Abscheidebedingungen eine entscheidende und vorteilhafte Rolle des Kohlenstoffs in den Schichtsystemen realisiert. Das Schichtsystem wird beispielsweise in einem PVD- oder PVD-Hybrid-Prozess hergestellt. Durch spezielle Depositionsbedingungen bzw. durch eine entsprechende Abfolge von Depositionsbedingungen lässt sich der Kohlenstoff so in den Schichten verteilen bzw. anordnen und modifizieren (Hybridisierung und Bindungen), dass er eine stabilisierende Wirkung auf das Schichtsystem und jede der Einzelschichten hat. So sorgt der Kohlenstoff z. B. an den c-BN-Korngrenzen, in denen normalerweise für h-BN-typische sp²-Bindungen dominieren, durch Bindungen zu diesem BN-Netzwerk für einen stabilen, unempfindlicheren B-C-N-Bereich bzw. für eine zusätzliche stabilisierende Kohlenstoff-Phase.The proposed layer system according to the invention, which consists of a boron carbide, a BCN and a carbon-modified cubic boron nitride c-BN-containing layer or of a carbon-stabilized c-BN layer, is thus realized by certain deposition conditions a decisive and advantageous role of the carbon in the layer systems , The layer system is produced, for example, in a PVD or PVD hybrid process. By means of special deposition conditions or by a corresponding sequence of deposition conditions, the carbon can be distributed or arranged in the layers and modified (hybridization and bonds) in such a way that it has a stabilizing effect on the layer system and each of the individual layers. So ensures the carbon z. At the c-BN grain boundaries, where normally sp ² bonds typical of h-BN dominate, through bonds to this BN network for a stable, less sensitive BCN region or for an additional stabilizing carbon phase.

Die Stabilisierung basiert hier auf einer mechanischen (die mechanischen Eigenschaften von B-C-N sind besser als von hexagonalem Bornitrid h-BN) und einer strukturellen Komponente (der Welligkeit bzw. der Ausdehnung des Übergangsbereichs zum c-BN). Der wesentliche Aspekt der vorliegenden Schichtsysteme ist also eine Modifikation des Kohlenstoffs durch Variation des Beschichtungsprozesses so, dass der Kohlenstoff eine dreifach stabilisierende Rolle sowohl in der BC-Schicht als auch in der B-C-N-Schicht als auch insbesondere in der c-BN-Schicht übernimmt. Im Gegensatz zu bekannten Schichtsystemen ist Kohlenstoff somit auch in der c-BN-Phase enthalten und hat hier eine die Schicht (d. h. die c-BN Kristallite und die Korngrenzen bzw. die Grenzen der aufgewachsenen c-BN-Säulen) stabilisierende Funktion (h-BN, welches in der Regel in der c-BN-Schicht ebenfalls vorhanden ist, ist z. B. mechanisch und gegen Feuchtigkeit sehr empfindlich). Der in allen Einzelschichten vorkommende Kohlenstoff ist als wesentliches Element der Stabilisierung in all den Schichten absolut notwendig. Der Kohlenstoff ist somit das wesentliche, die einzelnen Bestandteile des Schichtsystems verbindende Element. Neben der mechanischen Verstärkung des Schichtsystems sorgt der Kohlenstoff somit auch für eine strukturelle Verstärkung, nämlich den ausgedehnten Übergangsbereich zum c-BN (Welligkeitsbereich).The stabilization is based here on a mechanical (the mechanical properties of BCN are better than hexagonal boron nitride h-BN) and a structural component (the ripple or the extent of the transition region to the c-BN). The essential aspect of the present layer systems is therefore a modification of the carbon by varying the coating process so that the carbon takes on a triple stabilizing role both in the BC layer and in the BCN layer and in particular in the c-BN layer. In contrast to known layer systems, carbon is thus also contained in the c-BN phase and has here the layer (ie the c-BN crystallites and the grain boundaries or the Limits of the grown c-BN columns) stabilizing function (h-BN, which is also usually present in the c-BN layer, for example, is mechanically and highly sensitive to moisture). The carbon present in all single layers is absolutely necessary as an essential element of stabilization in all layers. The carbon is thus the essential element connecting the individual components of the layer system. In addition to the mechanical reinforcement of the layer system, the carbon thus also provides structural reinforcement, namely the extended transition region to the c-BN (waviness region).

Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem wird hierbei gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt: Zunächst wird eine Borcarbidschicht (erste Schicht), die in einem Biasspannungsbereich von etwa 0 bis 300 V abgeschieden werden kann, hergestellt. Typische Targetleistungen bei der Herstellung der Borcarbidschicht sind etwa 500 bis 10000 W. Der Druckbereich liegt etwa im Bereich von 0,1 bis 10 Pa. Als Sputtergas kann beispielsweise Argon verwendet werden. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer B-C-N-Gradientenschicht (zweite Schicht) dadurch, dass graduell der Stickstoffanteil im Sputtergas erhöht wird. Diese Erhöhung kann bei einem Stickstoffgehalt von etwa 5 % bis 100 % am Sputtergas abgeschlossen sein. Unter der Sputteratmosphäre mit etwa 5 % bis 100 % Stickstoffanteil erfolgt dann die c-BN-Nukleation. Typische Stickstoffanteile im Sputtergas sind hierfür etwa 8 % bis 20 %. Der Kohlenstoff ist das stabilisierende Element in dieser Schicht.In this case, a layer system according to the invention is produced according to the methods described below: First, a boron carbide layer (first layer) which can be deposited in a bias voltage range of about 0 to 300 V is produced. Typical target outputs in the production of the boron carbide layer are about 500 to 10,000 W. The pressure range is approximately in the range of 0.1 to 10 Pa. For example, argon can be used as the sputtering gas. Subsequently, the deposition of a B-C-N gradient layer (second layer) takes place in that the nitrogen content in the sputtering gas is gradually increased. This increase can be completed at a nitrogen content of about 5% to 100% of the sputtering gas. Under the sputtering atmosphere with about 5% to 100% nitrogen content then the c-BN nucleation occurs. Typical nitrogen contents in the sputtering gas are about 8% to 20% for this purpose. The carbon is the stabilizing element in this layer.

Es wird so abgeschieden, dass der Kohlenstoffanteil in der ersten Schicht beispielsweise 10 bis 30 At% beträgt, dass derjenige in der zweiten Schicht beispielsweise 5 bis 20 At% beträgt und der Kohlenstoffgehalt in der dritten Schicht beispielsweise 2 bis 15 At% beträgt.It is deposited in such a way that the carbon content in the first layer is, for example, 10 to 30 at%, that in the second layer is, for example, 5 to 20 at% and the carbon content in the third layer is, for example, 2 to 15 at%.

Nach der Nukleation bzw. der Bildung der c-BN-Keime wachsen diese Keime bei weiterer Sputterabscheidung und es kommt schließlich zur Ausbildung einer c-BN enthaltenden Schicht (der Wachstumsschicht). Ab dem Zeitpunkt der Nukleation kommt es also zum Aufwachsen einer Schicht mit sehr hohen Anteilen der c-BN-Phase (der c-BN-Gehalt liegt bei ca. 50 bis 95 Gew.-%, insbesondere bei ca. 60 bis 90 Gewichts-% oder 60 bis 90 Volumenprozent, der Rest der Schicht besteht aus h-BN bzw. B-C-N (Korngrenzen etc.)). Grundsätzlich sollte der c-BN-Gehalt möglichst hoch sein. Allerdings lässt sich aufgrund des nanokristallinen Aufbaus der c-BN-Schicht ein hoher Korngrenzenanteil am Volumen nicht vermeiden. Daher liegen die typischen c-BN-Volumenanteile im Bereich zwischen den genannten 60 bis 90 Gew.-%.After nucleation or the formation of the c-BN nuclei, these nuclei grow on further sputter deposition and finally a layer containing c-BN (the growth layer) is formed. Thus, from the moment of nucleation, a layer with very high proportions of the c-BN phase grows (the c-BN content is about 50 to 95% by weight, in particular about 60 to 90% by weight). % or 60 to 90% by volume, the remainder of the layer consists of h-BN or BCN (grain boundaries, etc.)). In principle, the c-BN content should be as high as possible. However, due to the nanocrystalline structure of the c-BN layer, a high grain boundary fraction in the volume can not be avoided. Therefore, the typical c-BN volume fractions range between the mentioned 60 to 90 wt .-%.

Die Nukleation der c-BN-Keime findet sprunghaft statt bzw. die genannte c-BN-Konzentration wird sprunghaft erreicht, die B-C-N-Gradientenschicht erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu einer erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei keine langsame Zunahme des c-BN-Anteils bzw. des c-BN-Gehaltes, es liegt also keine willkürliche Verteilung des c-BN in der Schicht vor, bei der der c-BN-Gehalt bzw. -Anteil langsam zunimmt, sondern es erfolgt eine Nukleation, ab der ein nanokristallines-stengelförmiges Wachstum auftritt und ab der der c-BN-Gehalt konstant bleibt. Die c-BN-Phase ist hierbei erfindungswesentlich stabilisiert durch den Kohlenstoff. Die c-BN-Wachstumsschicht kann auch unter leicht geänderten Bedingungen zu der Nukleation abgeschieden werden. Typische negative Biasspannungswerte sind hierbei beispielsweise 100 bis 500 V, besonders bevorzugt 200 V. Die Wachstumsschicht ist auch als dritte Schicht bezeichnet.The nucleation of the c-BN nuclei takes place abruptly or the said c-BN concentration is reached abruptly, the BCN gradient layer generates a temporal and spatial fluctuation of the nucleation, which leads to an increased ripple of the nucleation zone and thus to an extended range the nucleation leads. Extended does not mean a slow increase in the c-BN content or the c-BN content, so there is no arbitrary distribution of the c-BN in the layer at which the c-BN content or content slowly increases but there is a nucleation, from which a nanocrystalline stem-shaped growth occurs and from which the c-BN content remains constant. The c-BN phase is essential to the invention stabilized by the carbon. The c-BN growth layer can also be deposited under slightly different conditions for nucleation. Typical negative Biasspannungswerte here are, for example, 100 to 500 V, more preferably 200 V. The growth layer is also referred to as a third layer.

Die c-BN-Nukleation und das c-BN-Wachstum erfolgt unter Beschuss von Ionen mit Energien im Bereich von 200 eV. Der genaue Wert der Ionenenergie der zur Keimbildung bzw. zum Wachstum benötigt wird, hängt hierbei auch von der Ionenstromdichte am Substrat ab. Die allgemeine Regel ist hierbei, dass mit zunehmender Ionenstromdichte am Substrat die für die c-BN-Nukleation bzw. die für das c-BN-Wachstum notwendige Ionenenergie abnimmt.The c-BN nucleation and the c-BN growth occur under bombardment of ions with energies in the range of 200 eV. The exact value of the ion energy required for nucleation or growth also depends on the ion current density at the substrate. The general rule here is that with increasing ion current density at the substrate, the ion energy necessary for c-BN nucleation or for c-BN growth decreases.

Im Prozess der c-BN-Nukleation und des c-BN-Wachstums können weitere Techniken oder Verfahrensschritte zur Minimierung der schichtintrinsischen Spannung angewendet werden. Beispielsweise ständiger oder sequentieller Ionenbeschuss mit Ionen im Energiebereich von etwa 1000 bis 10000 eV, beispielsweise ständiges oder sequentielles Heizen auf Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 1200° C, oder auch beispielsweise die Zugabe von chemischen Komponenten zur Sputteratmosphäre, wie z.B. BF₃ oder BCl₃ in Konzentrationen bis etwa 10 % an der Sputteratmosphäre. Für die Nukleation bzw. das Wachstum von c-BN und die zusätzliche Verteilung des Kohlenstoffs als stabilisierendes Element (Welligkeitsbereich) ist eine genaue Prozesssteuerung und ein intensives Ionenbombardement mit definierter Energie notwendig. Typische Werte hierbei sind Ionendichten größer etwa 10¹⁰/cm³, Ionenstromdichten am Substrat von größer etwa 1 mA/cm² und wie bereits erwähnt, Ionenenergien im Bereich von etwa 200 eV. Das Parameterfenster ist hierbei abhängig von der Erzeugung der Ionendichte. Denkbar sind zur Erzeugung der notwendigen hohen Ionendichten Magnetfelder sowie Zusatzaktivierungen des Plasmas oder Ionen- und Plasmaquellen.In the process of c-BN nucleation and c-BN growth, further techniques or process steps for minimizing the layer intrinsic stress can be employed. For example, continuous or sequential ion bombardment with ions in the energy range of about 1000 to 10000 eV, for example, continuous or sequential heating to temperatures in the range of about 600 to 1200 ° C, or also, for example, the addition of chemical components to the sputtering atmosphere, such as BF ₃ or BCl ₃ in concentrations up to about 10% at the sputtering atmosphere. For the nucleation or growth of c-BN and the additional distribution of the carbon as a stabilizing element (waviness range), precise process control and intensive ion bombardment with defined energy is necessary. Typical values here are ion densities greater than about 10 ¹⁰ / cm ³ , ion current densities at the substrate of greater than about 1 mA / cm ² and, as already mentioned, ion energies in the range of about 200 eV. The parameter window is dependent on the generation of the ion density. It is conceivable to generate the necessary high ion densities magnetic fields and additional activations of the plasma or ion and plasma sources.

Der Kohlenstoff in den Schichten ist für alle wesentliche Verbesserungen des Schichtsystems verantwortlich. Er ermöglicht beispielsweise überhaupt erst die B-C-N-Schicht. Die graduelle Erhöhung des Stickstoffanteils, auch als Rampe bezeichnet, in der B-C-N-Schicht ermöglicht es wiederum, durch eine unterschiedliche zeitliche Dauer dieser Rampe und/oder eine Biasvariation den Bereich der c-BN-Nukleation in einen gewissen Schichtbereich auszudehnen und diesen Bereich zu beeinflussen. Aus einem solchen Bereich folgt erst die Welligkeit bzw. die Unregelmäßigkeit des Übergangs zum c-BN, der erfindungswesentlich ist.The carbon in the layers is for all major improvements to the layer system responsible. For example, it enables the BCN layer in the first place. The gradual increase in the nitrogen content, also referred to as the ramp, in the BCN layer in turn makes it possible, by varying the duration of this ramp and / or a bias variation, to extend the range of the c-BN nucleation into a certain layer range and to influence this range , The ripple or irregularity of the transition to the c-BN, which is essential to the invention, follows from such a region.

Für einen Mehrlagenaufbau können beispielsweise dann optional die folgenden weiteren Prozessschritte durchgeführt werden:

• • Langsames Unterbrechen des c-BN-Wachstums durch eine Reduktion des Stickstoffanteils in der Sputteratmosphäre (umgekehrte Vorgang zur Nukleation). Es wird also quasi eine umgekehrte Nukleationsschicht abgeschieden, die dann wiederum in eine B-C-N-Schicht, wie sie bereits beschrieben wurde, führt.
• • Der Stickstoffanteil im Sputtergas kann dann wieder erhöht werden, um eine erneute c-BN-Nukleation zu erzielen, oder der Stickstoffanteil kann weiter reduziert werden, bis schließlich wieder eine BC-Schicht abgeschieden wird. Auf dieser BC-Schicht kann dann wiederum eine B-C-N-Schicht und/oder ein Schichtsystem wie bereits beschrieben abgeschieden werden (Mehrlagenschichtsystem).
• • Das beschriebene Schichtsystem oder Mehrlagenschichtsystem kann dann mit metall-, hartstoff- und/oder tribologischen Schichten in allen Kombinationen und Permutationen kombiniert werden. So kann auf einer Metallschicht (beispielsweise aus Ti oder Cr) eine Hartstoffschicht (beispielsweise aus TiN, TiAlN, Al₂O₃) folgen, auf der dann wiederum ein beschriebenes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem abgeschieden wird. In einer weiteren Variante kann auf einem wie beschrieben ausgeführten Schichtsystem oder Mehrlagenschichtsystem eine entsprechende Metallschicht abgeschieden werden, auf dieser eine entsprechende Hartstoffschicht und auf dieser wiederum ein entsprechendes Schichtsystem bzw. Mehrlagenschichtsystem. Die beschriebenen Schichtsysteme bzw. Mehrlagenschichtsysteme können insbesondere auf Werkzeug- und Bauteilsubstraten wie beispielsweise Hartmetall-Wendeschneidplatten, Keramiken, Cermets, Verbundmaterialien, HSS, Stählen (z. B. für Automobilkomponenten), Umform- bzw. Stanzwerkzeugen oder Gläsern abgeschieden werden oder mit diesen verbunden werden.

For a multi-layer structure, for example, the following further process steps can then optionally be carried out:

• Slow interruption of c-BN growth by reducing the amount of nitrogen in the sputtering atmosphere (reverse process to nucleation). Thus, a reverse nucleation layer is quasi deposited, which then in turn leads into a BCN layer as already described.
• • The nitrogen content in the sputtering gas can then be increased again to achieve a renewed c-BN nucleation, or the nitrogen content can be further reduced until finally a BC layer is deposited again. In turn, a BCN layer and / or a layer system can be deposited on this BC layer as already described (multilayer coating system).
• The layer system or multilayer system described can then be combined with metal, hard material and / or tribological layers in all combinations and permutations. Thus, on a metal layer (for example of Ti or Cr), a hard material layer (for example made of TiN, TiAlN, Al ₂ O ₃ ) follow, on which in turn a described layer system or multilayer system is deposited. In a further variant, a corresponding metal layer can be deposited on a layer system or multilayer system executed as described, on this a corresponding hard material layer and on this in turn a corresponding layer system or multilayer system. The layer systems or multilayer systems described can be deposited or bonded in particular to tool and component substrates such as carbide indexable inserts, ceramics, cermets, composite materials, HSS, steels (eg for automotive components), forming tools or glasses become.

Ein erfindungsgemäßes Schichtsystem weist gegenüber den bekannten Schichtsystemen eine Reihe wesentlicher Vorteile auf:

• • Die strukturelle Komponente (Welligkeit des Übergangs zum c-BN) führt zu einem größeren Übergangsbereich zwischen der hexagonalen B-C-N-Schicht und der kohlenstoffmodifizierten bzw. Kohlenstoff enthaltenden c-BN-Schicht. Hierdurch kann dieser Schichtübergang den hohen intrinsischen Spannungen des c-BN widerstehen. Die Welligkeit des Übergangsbereichs zum c-BN bzw. die dadurch erzielte Vergrößerung des Übergangsbereiches ist die für eine gute Haftung des Schichtsystems trotz der hohen intrinsischen Spannungen in der c-BN-Schicht wesentliche Eigenschaft. Dadurch treten die Spannungen innerhalb der Schicht, die eine c-BN-Nukleation bei PVD-Techniken begleiten, nicht in einem kleinen Bereich auf, sondern können auf einen größeren Schichtbereich ausgedehnt werden (raues Interface) und so besser durch die Schicht kompensiert werden. Durch die beschriebene Modifikation von Kohlenstoff in den c-BN-Schichten ist somit überraschenderweise eine verbesserte Haftung von Borcarbid auf c-BN zu erzielen, so dass Mehrlagenschichten (Komponenten BC, B-C-N und c-BN) erst dadurch haftfest abgeschieden werden können.
• • Im Vergleich zu einer kohlenstofffreien h-BN-Schicht (wie sie sonst zur c-BN-Nukleation notwendig ist) weist die verwendete B-C-N-Schicht viel bessere mechanische Eigenschaften auf.
• • Die Schichtsysteme weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei guten tribologischen Eigenschaften auf.

A layer system according to the invention has a number of essential advantages over the known layer systems:

• • The structural component (waviness of the transition to the c-BN) leads to a larger transition region between the hexagonal BCN layer and the carbon-modified or carbon-containing c-BN layer. As a result, this layer transition can withstand the high intrinsic stresses of the c-BN. The ripple of the transition area to the c-BN or the enlargement of the transition area achieved thereby is the essential property for good adhesion of the layer system despite the high intrinsic stresses in the c-BN layer. As a result, the stresses within the layer that accompany c-BN nucleation in PVD techniques do not occur in a small area, but can be extended to a larger layer area (rough interface) and thus better compensated for by the layer. The modification of carbon in the c-BN layers described thus surprisingly leads to an improved adhesion of boron carbide to c-BN, so that multilayer layers (components BC, BCN and c-BN) can only be deposited firmly.
• • Compared to a carbon-free h-BN layer (as is otherwise necessary for c-BN nucleation), the BCN layer used has much better mechanical properties.
• • The layer systems have a high hardness and wear resistance with good tribological properties.

Mögliche Anwendungen der beschriebenen Schichtsysteme liegen im Bereich der Bauteil- und Werkzeugbeschichtung, beispielsweise für tribologisch hoch beanspruchte mechanische Kontakte (so z.B. trockenlaufende Lager oder Motorkomponenten) oder, und hier insbesondere, für Zerspanungs-, Schneid- und Umformwerkzeuge. c-BN ist nach Diamant das zweithärteste aller bekannten Materialien und eignet sich im Gegensatz zu Diamant zur Stahlbearbeitung. Bulk-Material aus c-BN hat einen stetig wachsenden Anteil als Schneidstoff in der industriellen Produktion. Die an erfindungsgemäßen Schichten vorgenommenen Messungen ergeben vergleichbare Eigenschaften und zeigen somit ein enormes Potential. Bei Werkzeugen zur Zerspanung aber auch bei den anderen Anwendungen kann dieses Schichtsystem mit anderen Schichten bzw. Schichtsystemen und oberflächentechnischen Verfahren, wie z.B. der Plasmanitrierung, kombiniert werden. Das Schichtsystem ist dann integraler Bestandteil einer oberflächentechnischen Behandlung. Beispielsweise können bei Werkzeugen erfindungsgemäße Schichtsysteme mit herkömmlichen Hartstoffschichtsystemen (wie beispielsweise Titanaluminiumnitrid usw.) oder metallischen Schichten (wie beispielsweise Titan usw.) kombiniert werden. Dies kann als Haft-, Unter-, Zwischen- oder OberSchicht bzw. Schichtsystem erfolgen. Die beschriebenen Werkzeuge oder Bauteile können hierbei aus Metall, insbesondere auch aus Stahl oder Hartmetall sein, es sind jedoch auch andere Stoffe denkbar wie Keramiken oder Cermets.Possible applications of the layer systems described are in the area of component and tool coating, for example for tribologically highly stressed mechanical contacts (for example dry-running bearings or motor components) or, and here in particular, for cutting, cutting and forming tools. After diamond, c-BN is the second hardest of all known materials and, unlike diamond, is suitable for steel processing. Bulk material made from c-BN has a steadily growing share as a cutting material in industrial production. The measurements made on layers according to the invention yield comparable properties and thus show enormous potential. In the case of tools for machining but also in other applications, this layer system can be combined with other layers or layer systems and surface technology processes, such as plasma nitriding. The layer system is then an integral part of a surface treatment. For example, layer systems according to the invention can be used with tools conventional hard material layer systems (such as titanium aluminum nitride, etc.) or metallic layers (such as titanium, etc.) can be combined. This can be done as an adhesive, lower, intermediate or upper layer or layer system. The tools or components described can be made of metal, in particular steel or hard metal, but other materials such as ceramics or cermets are also conceivable.

Erfindungsgemäße borhaltige Schichtsysteme können wie in dem nachfolgenden Beispiel dargestellt, aufgebaut sein oder verwendet werden.Boron-containing layer systems according to the invention can be built up or used as shown in the following example.

Die einzige 1 zeigt sowohl ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem nach dem Stand der Technik (1a) als auch ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem (1b).The only 1 shows both a conventional boron-containing layer system according to the prior art ( 1a ) as well as a boron-containing layer system according to the invention ( 1b ).

1A zeigt ein herkömmliches borhaltiges Schichtsystem. Auf einem Siliziumsubstrat 5 ist eine hexagonales Bornitrid h-BN-enthaltende Schicht 4 aufgebracht. Auf dieser h-BN-Schicht ist eine kubisches Bornitrid c-BN-enthaltende Schicht 3 angeordnet. Der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen der h-BN-Schicht 4 und der c-BN-Schicht 3 (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 3-4) weist lediglich eine geringfügige Welligkeit bzw. Unregelmäßigkeit auf: Die Variation des Abstandes der Grenzfläche bzw. des Übergangsbereiches 3-4 von der an die Schicht 4 grenzende Substratoberfläche des Substrats in Richtung senkrecht zu dieser Substratoberfläche (also in Richtung A) beträgt lediglich etwa 20 nm. 1A shows a conventional boron-containing layer system. On a silicon substrate 5 is a hexagonal boron nitride h-BN-containing layer 4 applied. On this h-BN layer is a cubic boron nitride c-BN-containing layer 3 arranged. The interface between the h-BN layer 4 and the c-BN layer 3 (denoted by the reference numeral 3 - 4 ) has only a slight ripple or irregularity: the variation of the distance of the interface or the transition region 3 - 4 from the to the layer 4 bordering substrate surface of the substrate in the direction perpendicular to this substrate surface (ie, in direction A) is only about 20 nm.

Das ab der c-BN-Nukleation auftretende nanokristallin-stengelförmige Wachstum des c-BN ist durch die Säulen 3a skizziert.The nanocrystalline stem-shaped growth of c-BN occurring after c-BN nucleation is due to the columns 3a outlined.

Das Schichtsystem weist eine Härte von etwa 10 GPa auf und ein Elastizitätsmodul von < 100 GPa.The layer system has a hardness of about 10 GPa and a modulus of elasticity of <100 GPa.

In 1B ist ein erfindungsgemäßes borhaltiges Schichtsystem dargestellt. Auf dem Siliziumsubstrat 5 ist eine erste, B₄C-enthaltende Schicht 1 angeordnet. Auf dieser ersten, B₄C-enthaltenden Schicht 1 ist eine zweite Schicht, eine B-C-N-Schicht 2 angeordnet. Diese B-C-N-Schicht 2 enthält Bor, Kohlenstoff und Stickstoff und ist im vorliegenden Fall einphasig ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Phasen enthalten. Die B-C-Schicht 2 kann eine Phase der Zusammensetzung B_xC_yN_z bzw. Borcarbonitrid enthalten. Die B-C-N Schicht ist eine Gradienten-Schicht, bei der der N-Gehalt in Richtung A zunimmt. Auf dieser zweiten Schicht 2 ist eine dritte, kohlenstoffmodifiziertes bzw. -versetztes c-BN enthaltende Schicht 3 angeordnet. Der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht 1 beträgt 20 At%, der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht 2 beträgt 15 % und der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht 3 beträgt 8 At%. Die Dicke der B₄C-Schicht 1 beträgt in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche (also in Richtung A) 100 nm. Der Übergangsbereich zwischen der zweiten Schicht 2 und der Kohlenstoff und c-BN enthaltenden Schicht 3 weist eine starke Welligkeit auf (der Übergang bzw. die Grenzfläche zwischen den Schichten 2 und 3 ist durch das Bezugszeichen 2-3 gekennzeichnet). Die Ausdehnung des Welligkeitsbereiches 2-3 bzw. des Grenzbereiches zwischen den Schichten 2 und 3 beträgt in Richtung A bis zu 200 nm. Der Abstand zwischen der Grenzfläche 2-3 und der ihr zugewandten Oberfläche des Substrates 5 variiert also in Richtung A um bis zu 200 nm. Das nanokristallin-stengelförmige Wachstum der c-BN-Keime ist durch die Säulen 3a skizziert. Das in Richtung A in unterschiedlicher Höhe einsetzende Wachstum der c-BN-Kristallsäulen bzw. deren in Richtung A in unterschiedlicher Höhe liegendes unteres Ende symbolisiert hierbei die starke Welligkeit des Übergangsbereiches 2-3. Der c-BN-Gehalt der dritten Schicht 3 liegt bei etwa 70 bis 80 %, der Rest ist hexagonales Bornitrid h-BN. Wie die 1B (und auch 1A) zeigt, erstrecken sich die nanokristallinen Stengel 3a auch teilweise in die B-C-N-Gradientenschicht 2. Dies soll den folgenden Sachverhalt erläutern: Der Stengelförmige Aufbau der hexagonalen BN-Phase wird unterstützt durch einen hohen Ionenbeschuss während des Abscheidens. Das h-BN versucht dem durch starken Ionenbeschuss induzierten Druck auszuweichen und aufgrund verschiedener mechanischer Konstanten der Kristallrichtungen kommt es zu einer bevorzugten Orientierung der hexagonalen Ebenen (Normale senkrecht zur Oberflächennormalen) und damit verbunden zu einem Stengelwachstum. Diese Stengel geben die Struktur für das weitere Wachstum vor. Die B-C-N-Gradientenschicht 2 ist zum Großteil auch h-BN-strukturiert und damit stengelförmig. Deshalb erfolgen die c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen auch in dieser durch die Stengel vorgegebenen Struktur. Bei dem erfindungsgemäßen Schichtsystem erfolgen diese c-BN-Nukleation und das Weiterwachsen jedoch lateral betrachtet zu verschiedenen Zeiten und damit im Schichtquerschnitt bzw. senkrecht zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N-Gradientenschicht 2 in einem ausgedehnten Bereich (Welligkeit). Die Nukleation der c-BN-Keime findet sprunghaft statt, die B-C-N-Gradientenschicht 2 erzeugt eine zeitliche und örtliche Schwankung der Nukleation, was zu der dargestellten erhöhten Welligkeit der Nukleationszone und somit zu einem ausgedehnten Bereich der Nukleation führt. Ausgedehnt meint hierbei jedoch keine langsame aber gleichmäßige Zunahme des c-BN-Anteils in Pfeilrichtung A, sondern es erfolgt eine Nukleation in unterschiedlichem Abstand zu der Oberfläche des Siliziumsubstrates, ab der der c-BN-Gehalt in Richtung A dann konstant bleibt. Das c-BN ist somit nicht willkürlich verteilt, sondern es tritt ab der Nukleation das dargestellte nanokristallin-stengelförmige Wachstum auf. Der Übergang von der Schicht 2 zur kohlenstoffstabilisierten c-BN-Phase 3 verläuft somit wellenförmig, d. h. in verschiedenen Abständen von der Substratoberfläche des Substrates 5, wodurch sich die beim Übergang entstehenden großen Unterschiede der mechanischen Druckspannungen über einen SchichtdickenBereich von mehreren 10 nm bis hin zu 200 nm erstrecken. Der Abstand zweier benachbarter „Wellenberge“ bzw. „Wellentäler“ in Richtung parallel zur Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 und der B-C-N-Schicht 2 weist im vorliegenden Fall dieselbe Größenordnung auf wie die Ausdehnung des Übergangsbereichs bzw. die „Amplitudenhöhe“ (dies ist mechanisch vorteilhaft, insbesondere wenn die Welligkeit im Wesentlichen sinusförmig ist bzw. die maximale Steigung der Grenzfläche zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3 etwa 45° entspricht). Die Ausdehnung eines Wellenzuges des Welligkeitsbereiches in lateraler Richtung (d.h. in Richtung der Schichtebene) liegt somit in der selben Größenordnung wie die Ausdehnung des Übergangsbereiches (hier: ca. 50 bis 200 nm). Aufgrund der nanokristallinen Struktur des c-BN setzt bei der Herstellung des dargestellten Schichtsystems eine Keimbildung zu verschiedenen Zeiten, d. h. in unterschiedlichem Abstand A zur Substratoberfläche bzw. bei verschiedenen Stickstoffkonzentrationen dann ein, wenn lokal die Bedingungen für eine c-BN-Nukleation erfüllt sind (BN-Stöchiometrie und Impuls). Diese Keime wachsen dann in der Höhe (Richtung A) weiter (stengelförmiges Wachstum). Hierbei kann es gegebenenfalls mit Nachbarkeimen bzw. Nachbarstengeln zu einer begrenzten Vereinigung beim Wachstum kommen. Bei anderen Schichtsystemen zum Teil bekanntes Inselwachstum bzw. Zusammenwachsen von Inseln auch in lateraler Richtung (senkrecht zu A) ist aufgrund der kinetischen Hemmung des c-BN-Wachstums nur sehr begrenzt zu erwarten. Das dargestellte Schichtsystem weist eine Härte von etwa 25 bis 30 GPa und ein Elastizitätsmodul von etwa 250 bis 300 GPa auf.In 1B an inventive boron-containing layer system is shown. On the silicon substrate 5 is a first, B ₄ C-containing layer 1 arranged. On this first, B ₄ C-containing layer 1 is a second layer, a BCN layer 2 is arranged. This BCN layer 2 contains boron, carbon and nitrogen and in the present case is single-phase. However, it can also contain several phases. The BC layer 2 may contain a phase of the composition B _x C _y N _z or Borcarbonitrid. The BCN layer is a gradient layer in which the N content increases in the direction A. On this second layer 2 is a third carbon-modified c-BN containing layer 3 arranged. The carbon content of the first layer 1 is 20 at%, the carbon content of the second layer 2 is 15% and the carbon content of the third layer 3 is 8 at%. The thickness of the B ₄ C layer 1 is in the direction perpendicular to the substrate surface (ie in the direction A) 100 nm. The transition region between the second layer 2 and the layer containing carbon and c-BN 3 has a strong waviness (the transition or the interface between the layers 2 and 3 is by the reference numeral 2 - 3 ) In. The extent of the ripple region 2 - 3 or the border area between the layers 2 and 3 is up to 200 nm in direction A. The distance between the interface 2 - 3 and the surface of the substrate facing it 5 thus varies in direction A by up to 200 nm. The nanocrystalline stem-shaped growth of the c-BN nuclei is through the columns 3a outlined. The growth of the c-BN crystal columns, which begins in direction A at different levels, or their lower end lying in direction A at a different height, symbolizes the strong waviness of the transition region 2 - 3 , The c-BN content of the third layer 3 is about 70 to 80%, the rest is hexagonal boron nitride h-BN. As the 1B (and also 1A ), the nanocrystalline stems extend 3a This is intended to explain the following facts: The stems of the hexagonal BN phase are supported by high ion bombardment during deposition. The h-BN attempts to avoid the pressure induced by strong ion bombardment, and due to various mechanical constants of the crystal directions, a preferred orientation of the hexagonal planes (normal normal to the surface normal) and associated stalk growth occurs. These stems set the structure for further growth. The BCN gradient layer 2 is for the most part also h-BN-structured and thus columnar. Therefore, the c-BN nucleation and the further growth take place also in this structure given by the stems. In the layer system according to the invention, however, this c-BN nucleation and the further growth take place laterally at different times and thus in the layer cross section or perpendicular to the interface between the first layer 1 and the BCN gradient layer 2 in an extended region (waviness). The nucleation of the c-BN nuclei takes place abruptly, the BCN gradient layer 2 produces a temporal and spatial variation of nucleation, resulting in the illustrated increased nucleation of the nucleation zone and thus an extended range of nucleation. In this case, however, expanded does not mean a slow but uniform increase in the c-BN fraction in the direction of arrow A, but nucleation takes place at different distances from the surface of the silicon substrate, from which the c-BN content in direction A then remains constant. The c-BN is thus not distributed arbitrarily, but it appears from the nucleation, the nanocrystalline stem-shaped growth shown. The transition from the layer 2 to the carbon-stabilized c-BN phase 3 thus runs wavy, that is, at different distances from the substrate surface of the substrate 5 , whereby the large differences in the mechanical compressive stresses arising during the transition extend over a layer thickness range of several 10 nm up to 200 nm. The distance between two adjacent "wave peaks" or "troughs" in the direction parallel to the interface between the first layer 1 and the BCN layer 2 in the present case has the same order of magnitude as the extension of the transition region or the "amplitude height" (this is mechanically advantageous, in particular if the waviness is essentially sinusoidal or the maximum gradient of the interface between the layer 2 and the layer 3 about 45 ° corresponds). The extent of a wave train of the ripple region in the lateral direction (ie in the direction of the layer plane) is thus of the same order of magnitude as the extent of the transition region (here: about 50 to 200 nm). Due to the nanocrystalline structure of the c-BN, nucleation at different times, ie at different distances A from the substrate surface or at different nitrogen concentrations, occurs when the conditions for a c-BN nucleation are locally fulfilled in the production of the illustrated layer system ( BN stoichiometry and momentum). These germs then continue to grow in height (direction A) (stem-shaped growth). This may possibly lead to a limited association with growth with neighboring germs or neighboring stalks. Island growth or coalescence of islands also known in other layer systems, also in the lateral direction (perpendicular to A), is to be expected only to a very limited extent due to the kinetic inhibition of c-BN growth. The illustrated layer system has a hardness of about 25 to 30 GPa and a modulus of elasticity of about 250 to 300 GPa.

Bei einem Beschichtungsverfahren gemäß der Erfindung können zum Aufwachsen der dritten Schicht unter Ionenbeschuss und/oder unter Heizen die Ionen Energien von über 50 und/oder unter 1000 eV, insbesondere von über 100 und/oder unter 500 eV aufweisen und/oder Ionendichten von größer 10⁹ pro cm³, insbesondere von größer 10¹⁰ pro cm³ verwendet werden, und/oder Ionenstromdichten am Substrat von größer 0,1 mA pro cm², insbesondere von größer 1 mA pro cm² verwendet werden, und/oder die Heiztemperaturen über 300 °C und/oder unter 1800 °C, insbesondere über 600 °C und/oder unter 1200 °C liegt.In a coating method according to the invention, the ions can have energies of more than 50 and / or less than 1000 eV, in particular more than 100 and / or less than 500 eV and / or ion densities of greater than 10 to grow the third layer under ion bombardment and / or with heating ⁹ per cm ³ , in particular greater than 10 ¹⁰ per cm ³ , and / or ion current densities on the substrate of greater than 0.1 mA per cm ² , in particular greater than 1 mA per cm ² , and / or the heating temperatures above 300 ° C and / or below 1800 ° C, especially above 600 ° C and / or below 1200 ° C.

Dabei kann zusätzlich Ionenbeschuss mit Ionen mit Energien von über 1 keV und/oder unter 100 keV, insbesondere von über 1 keV und/oder unter 10 keV erfolgen.In addition, ion bombardment with ions with energies of more than 1 keV and / or less than 100 keV, in particular more than 1 keV and / or less than 10 keV, can take place.

Die Ionendichten bzw. Ionenstromdichten können mit Hilfe von Magnetfeldern, Ionenquellen und/oder Plasmaquellen und/oder durch Zusatzaktivierung des Plasmas erzeugt werden.The ion densities or ion current densities can be generated with the aid of magnetic fields, ion sources and / or plasma sources and / or by additional activation of the plasma.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren kann mit anderen oberflächentechnischen Verfahren, insbesondere dem Plasmanitrieren, kombiniert werden.The coating method according to the invention can be combined with other surface-engineering methods, in particular plasma nitriding.

Die erste Schicht kann mit einer Biasspannung von über 0 und/oder unter 1000 V, insbesondere von über 0 und/oder unter 300 V, und/oder mit einer Targetleistung von über 100 und/oder unter 20000 W, insbesondere von über 500 und/oder unter 10000 W, und/oder mit einem Druck von über 0.05 und/oder unter 50 Pa, insbesondere im Bereich von über 0.1 und/oder unter 10 Pa, und/oder mit Argon als Sputtergas abgeschieden werden.The first layer may have a bias voltage of above 0 and / or below 1000 V, in particular above 0 and / or below 300 V, and / or with a target power of above 100 and / or below 20,000 W, in particular above 500 and /. or below 10000 W, and / or with a pressure of above 0.05 and / or below 50 Pa, in particular in the range of above 0.1 and / or below 10 Pa, and / or with argon as the sputtering gas.

Claims (11)

Werkzeugsubstrat, auf dem ein borhaltiges Schichtsystem angeordnet ist, welches mit einem Hartstoffschichtsystem, keramischen Schichtsystem oder Mischkeramik-Schichtsystem kombiniert ist und welches umfasst: eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht, wobei die erste Schicht Borcarbid enthält, eine zweite, auf der ersten Schicht angeordnete, B, C und Stickstoff N (B-C-N) enthaltende Schicht und eine dritte, auf der zweiten Schicht angeordnete, kubisches Bornitrid c-BN und hexagonales Bornitrid h-BN enthaltende Schicht, wobei der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht zwischen 50 und 95 Gew.-% liegt, wobei die Schichtdicke der dritten Schicht über 1 µm und unter 10 µm beträgt, wobei die kubische Bornitrid-Phase der dritten Schicht sowie die erste und die zweite Schicht Kohlenstoff C als stabilisierendes Element enthalten, wobei die zweite Schicht eine Gradientenschicht ist, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt, und wobei ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht vorliegt, bei dem der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert.Tool substrate on which a boron-containing layer system is arranged, which is combined with a hard material layer system, ceramic layer system or mixed ceramic layer system and which comprises: a first layer containing boron B and carbon C, the first layer containing boron carbide, a second layer comprising B, C and nitrogen N (B-C-N) disposed on the first layer, and a third layer comprising cubic boron nitride c-BN and hexagonal boron nitride h-BN disposed on the second layer, wherein the relative weight fraction of the c-BN phase in the third layer is between 50 and 95% by weight, wherein the layer thickness of the third layer is more than 1 μm and less than 10 μm, wherein the cubic boron nitride phase of the third layer and the first and second layers contain carbon C as a stabilizing element, wherein the second layer is a gradient layer in which the relative nitrogen content increases in the direction from the first layer to the third layer, and wherein there is a transition or transition region from the second to the third layer, wherein the distance of transition or mean distance of the transition region from the second layer facing surface of the first layer varies in a direction parallel to that surface of the first layer. Werkzeugsubstrat nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der dritten Schicht über 1 Atomprozent (At%) und/oder unter 30 At%, bevorzugt über 2 At% und/oder unter 15 At%, beträgt.Tool substrate according to the preceding claim, characterized in that the carbon content of the third layer is above 1 atomic percent (at%) and / or below 30 at%, preferably above 2 at% and / or below 15 at%. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht um über lnm, bevorzugt um über 5 nm und/oder unter 1000 nm, besonders bevorzugt um über 20 nm und/oder unter 200 nm wellenförmig variiert.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the The spacing of the transition or the mean distance of the transition region from the surface of the first layer facing the second layer by about 1 nm, preferably by more than 5 nm and / or less than 1000 nm, more preferably by more than 20 nm and / or less than 200 nm. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht im wesentlichen konstant ist oder dass die relative Schwankung des Gewichtsanteils der c-BN-Phase in der dritten Schicht kleiner als 10 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 2 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.5 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0.01 Gew.-% ist.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the relative weight fraction of the c-BN phase in the third layer is substantially constant or that the relative fluctuation in the weight fraction of the c-BN phase in the third layer is less than 10 wt. %, preferably less than 5% by weight, preferably less than 2% by weight, preferably less than 1% by weight, preferably less than 0.5% by weight, preferably less than 0.1% by weight, preferably less than 0.01% by weight. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase in der dritten Schicht zwischen 60 und 90 Gew.-% liegt.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the relative weight fraction of the c-BN phase in the third layer is between 60 and 90% by weight. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht einphasig oder mehrphasig ausgebildet ist und/oder eine Phase mit der Zusammensetzung B_xC_yN_z (Borcarbonitrid) aufweist.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the second layer is single-phase or multi-phase and / or has a phase with the composition B _x C _y N _z (boron carbonitride). Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der zweiten Schicht über 2 At% und/oder unter 40 At%, bevorzugt über 5 At% und/oder unter 20 At%, beträgt.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon content of the second layer is above 2 at% and / or below 40 at%, preferably above 5 at% and / or below 20 at%. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der ersten Schicht über 5 At% und/oder unter 50 At%, bevorzugt über 10 At% und/oder unter 30 At%, beträgt.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon content of the first layer is above 5 at% and / or below 50 at%, preferably above 10 at% and / or below 30 at%. Werkzeugsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten und/oder der zweiten Schicht über 10 nm und/oder unter 10 µm, insbesondere über 50 nm und/oder unter 1 µm beträgt.Tool substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the layer thickness of the first and / or the second layer is above 10 nm and / or below 10 microns, in particular over 50 nm and / or below 1 micron. Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines drei Schichten umfassenden borhaltigen Schichtsystems auf einem Werkzeugsubstrat, wobei eine erste, Bor B und Kohlenstoff C enthaltende Schicht abgeschieden wird, welche Borcarbid enthält, anschließend auf der ersten Schicht eine zweite, B, C und Stickstoff N enthaltende Schicht als Gradientenschicht, in der der relative Stickstoffanteil in Richtung von der ersten Schicht zur dritten Schicht zunimmt, abgeschieden wird, und schließlich auf der zweiten Schicht die dritte, kubisches Bornitrid c-BN, hexagonales Bornitrid h-BN und Kohlenstoff C enthaltende Schicht abgeschieden wird, wobei die zweite und die dritte Schicht so abgeschieden werden, dass sich ein Übergang oder ein Übergangsbereich von der zweiten zur dritten Schicht so ausbildet, dass der Abstand des Übergangs oder der mittlere Abstand des Übergangsbereichs von der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht in einer Richtung parallel zu dieser Oberfläche der ersten Schicht wellenförmig variiert, • indem beim Abscheiden der zweiten Schicht der Stickstoffanteil im Sputtergas graduell von Null auf einen Wert größer als 5% erhöht wird, und • indem die dritte Schicht mit einem Stickstoffanteil im Sputtergas von über 8% und unter 20% und mit einer negativen Biasspannung mit einem Betrag von über 100 V und unter 300 V abgeschieden wird, wobei der Stickstoffanteil für eine bestimmte Zeitdauer graduell erhöht wird und/oder wobei eine Variation der Biasspannung stattfindet, und indem das Abscheiden der dritten Schicht unter ständigem oder sequentiellem Ionenbeschuss, unter ständigem oder sequentiellem Heizen und unter Zugabe von BF₃ oder BCl₃ mit einem Anteil von bis zu 25 % zur Sputteratmosphäre erfolgt, so dass der Übergang oder der Übergangsbereich in einer Richtung senkrecht zu der der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche der ersten Schicht eine Ausdehnung von über 20 nm und von unter 1000 nm aufweist und dass bei der dritten Schicht der relative Gewichtsanteil der c-BN-Phase zwischen 50 und 95 Gew.-% liegt, ihre Schichtdicke über 1 µm und unter 10 µm beträgt und ihre kubische Bornitrid-Phase Kohlenstoff C enthält, und wobei das Schichtsystem mit einem Hartstoffschichtsystem, keramischen Schichtsystem oder Mischkeramik-Schichtsystem kombiniert wird und auf dem Werkzeugsubstrat angeordnet wird. Coating method for producing a three-layer boron-containing layer system on a tool substrate, wherein a first layer containing boron B and carbon C is deposited, which contains boron carbide, then on the first layer a second layer containing B, C and nitrogen N as a gradient layer, in which the relative nitrogen content increases in the direction from the first layer to the third layer is deposited, and finally on the second layer, the third, cubic boron nitride c-BN, hexagonal boron nitride h-BN and carbon C-containing layer is deposited, the second and depositing the third layer such that a transition or transition region from the second to the third layer is formed such that the distance of the transition or mean distance of the transition region from the second layer surface of the first layer is in a direction parallel to this surface d the first layer is wavy • by depositing the second layer, the nitrogen content in the sputtering gas is gradually increased from zero to a value greater than 5%; and • the third layer having a nitrogen content in the sputtering gas greater than 8% and less than 20% and with a negative bias voltage greater than 100V and less than 300V, with the nitrogen content gradually increased for a given period of time and / or with variation in bias voltage, and deposition of the third layer under continuous or sequential ion bombardment , under continuous or sequential heating and with addition of BF ₃ or BCl _{3 in} a proportion of up to 25% to the sputtering atmosphere, so that the transition or the transition region in a direction perpendicular to the second layer facing surface of the first layer, an expansion of more than 20 nm and less than 1000 nm and that in the d ritten layer, the relative weight fraction of the c-BN phase is between 50 and 95 wt .-%, their layer thickness is greater than 1 micron and less than 10 microns and their cubic boron nitride phase contains carbon C, and wherein the layer system with a hard material layer system, ceramic Layer system or mixed ceramic layer system is combined and placed on the tool substrate. Verwendung eines Werkzeugsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Zerspanungs-, Schneid-, Stanz- oder Umformwerkzeug.Use of a tool substrate according to one of the Claims 1 to 9 as cutting, cutting, punching or forming tools.

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