Werkzeug und Verfahren zur Beschichtung eines Werkzeuggrundkör¬ pers

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug aus einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet oder Stahl und einer auf dem Grundkörper aufgebrachten, aus den Hartstoffen Titancarbid, Titancarbo- nitrid, Titannitrid, Zirkoncarbonitrid und/oder Aluminiumoxid bestehenden mehrlagigen Oberflächenbeschichtung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung eines Grundkörpers aus Hartmetall oder Cermet mit mehreren aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden des Titans und/oder Zirkoniums und/oder Aluminiumoxids bestehenden Lagen mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase.

Bereits in der DE-Z "Angewandte Chemie", 69. Jahrgang, Nr. 9, Seiten 281 bis 312, 07. Mai 1957, wird beschrieben, daß die Sprödigkeit von Hartstoffen dadurch umgangen werden kann, daß man dieselben in Form von dünnen Oberflächenschichten anwendet, um andere Werkstoffe gegen mechanische oder chemische Beanspru¬ chung zu schützen. So wird beispielsweise die Beschichtung ei¬ nes Bleches mit einer 6 um st.arken Schicht von TiN beschrieben.

Darüber hinaus ist beispielsweise aus der CH-PS 507 094 ein Formkörper bekannt, der aus einer Hartmetallunterlage und min¬ destens einer HartstoffSchicht besteht, wobei die Hartmetall¬ unterlagen aus einem oder mehreren Hartstoffen und mindestens einem Bindemetall zusammengesetzt ist, und wobei die Hart¬ stoffSchicht harte Carbide oder Nitride enthält. Derartige Formkörper können für Werkzeuge der spanabhebenden und spanlo¬ sen Formgebung verwendet werden, da sie gute Verschleißeigen¬ schaften besitzen. Die Körper werden nach dem CVD-Prozeß (Chemical vapour deposition-Prozeß) hergestellt, wie er bei-

spielsweise in der CH-PS 452 205 beschrieben ist. Der CVD-Pro- zeß gehört heute zu den gebräuchlichsten Beschichtungsverfahren und besteht darin, daß aus einer reaktiven Gasatmosphäre, die in der Regel eine Temperatur zwischen 900°C bis 1200°C hat, auf einem Substrat eine Oberflächenschicht abgeschieden wird. Dabei enthält die Gasatmosphäre mehrere Verbindungen, die bei der Reaktionstemperatur miteinander reagieren und den in der Ober ^¬ flächenschicht vorhandenen Stoff bilden. Es ist heute allgemein üblich, metallische Substrate mit Hartstoffschichten aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden zu überziehen, wobei die Gesamtatmosphäre Halogenide der Elemente der III- bis VI-Gruppe des Periodensystems und eine stickstoffhaltige Verbindung und eine kohlenstof haltige Verbindung enthalten. So wird auf einem Hartmetallgrundkörper eine Titaricarbidschicht bei ca. 1000 ^° C aus einer Gasatmosphäre abgeschieden, die Titantetrachlorid und Methan enthält. Als kohlenstoffhaltige Verbindungen werden insbesondere gasförmige Kohlenwasserstof e verwendet, während als stickstoffhaltige Verbindungen N2, NH3 oder Amine zur An¬ wendung kommen.

Um bei niedrigen Abscheidetemperaturen arbeiten zu können, ist das sogenannte plasmaunterstützte CVD-Verfahren vorgeschlagen worden. Überlagert man dem Reaktionsgas in einer Niederdruck¬ glimmentladung ein Nichtgleichgewichtsplasma, so werden die in dem Gas vorhandenen Ladungsträger unter dem Einfluß des beste¬ henden elektrischen Feldes beschleunigt. Abhängig von der Teil¬ chendichte bzw. dem Druck bestimmt sich auch die freie Weglänge zwischen zwei Zusammenstößen. Reicht die Teilchenenergie bei der angelegten Spannung aus, können Moleküle oder Atome zur Dissozierung oder Ionisierung angeregt werden. Hierdurch werden chemische Reaktionen möglich, die ansonsten nur bei relativ höheren Temperaturen ablaufen könnten. Die Niederdruckplasmen können prinzipiell durch Anlegen einer konstanten Gleich¬ spannung an einem als Kathode geschalteten Werkstück, durch eine hochfreguente Wechselspannung oder durch eine gepulste Gleichspannung erzeugt werden.

Die Hochfrequenzanregung, bei der die Energie induktiv oder ka¬ pazitiv von außen in das Reaktionsgefäß eingeführt werden kann, wird zur Abscheidung von sehr reinen Schichten in der Elektro¬ technik, z.B. bei Mikrochips, häufig verwendet. Da es ohne di¬ rekt mit den Substraten verbundene Elektroden arbeitet, kommt es nicht darauf an, ob der Werkstoff selbst leitend oder nicht¬ leitend ist. Nachteiligerweise ist dieses Verfahren sehr auf¬ wendig.

Der einfachste Weg zur Erzeugung einer Niederdruckentladung ist der, das zu beschichtende Werkstück als Kathode zu schalten und den Rezipienten bzw. dessen Wände als Anode bzw. Erdpotential zu benutzen. Die Substrattemperatur ist hierbei eine Funktion der Spannung und des Stromes.

Weiterhin kann die Gleichspannung gepulst werden, wobei die Substrattemperatur eine Funktion der Peak-Spannung sowie des Peak-Stromes als auch der Pulsdauer und Pulsfrequenz ist. Vor¬ teilhafterweise kann bei diesem Verfahren die Beschichtungstem- peratur unabhängig von den Niederdruckentladungsparametern, der Spannung und dem Strom eingestellt werden.

In der WO 92/05009 sowie der WO 92/05296 wird auch bereits ein Schneidwerkzeug vorgeschlagen, dessen Oberflächenbeschichtung aus mehreren Lagen besteht, wobei die ersten Schichten durch CVD-Verfahren und die äußere Schicht durch ein PVD-Verfahren aufgetragen worden sind. Der Nachteil dieser Verfahrenstechnik besteht darin, daß PVD- und CVD-Beschichtungen in verschiedenen Anlagen aufgetragen werden müssen, was voraussetzt, daß die Werkzeuge nach der CVD-Beschichtung in eine andere Anlage transferiert werden müssen, bevor die PVD-Schicht aufgetragen werden kann. Hierzu sind jeweils neue Aufheizvorgänge notwen¬ dig, was den bei der Herstellung der Gesamtbeschichtung zu lei¬ stenden Energieaufwand beträchtlich erhöht. Darüber hinaus haben praktische Erfahrungen gezeigt, daß die maximale Dicke der Gesamtbeschichtung auf 10 bis 15 μm bei nach dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen begrenzt ist.

In der JP-59-25970-A wird ein beschichteter Hartmetallkörper beschrieben, dessen Beschichtung aus mehreren Lagen besteht. Die innere Schicht soll aus ein oder zwei Lagen aus Titancar- bid, Titannitrid oder Carbonitrid sowie SiC oder Si3 4 und die äußere Schicht aus AI2O3 bestehen. Die unterhalb der genannten Al2θ3~Schicht liegenden Schichten sollen mittels CVD aufgetra¬ gen werden, während die Al2θ ₃ ~Schicht wechselweise mittels Plasma-CVD- und CVD-Beschichtung aufgetragen werden soll, wobei amorphes AI2O3 oder eine Mischschicht von amorphem AI2O3 und kristallinem AI2O3 sowie eine Schicht aus kristallinem AI2O3 erhalten werden. Auch diese Beschichtung zeigte keine ausrei¬ chende Haftfestigkeit auf dem Hartmetall-Substratkörper.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug der eingangs genannten Art anzugeben, das aufgrund der physika¬ lischen Eigenschaften der einzelnen aufgetragenen Schichten, jeweils sowohl für sich alleine als auch in Verbindung mit den übrigen benachbarten Schichten eine gleichmäßige, verschleißfe¬ ste Oberflächenbeschichtung aufweist, die bei Belastung keine Absplitterungserscheinungen zeigt.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine große Gesamtdicke der Be¬ schichtung von bis zu 30 um, möglichst bei günstiger Wachstums¬ geschwindigkeit der Einzelschichten erzielt werden kann.

Der erste Teil der Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 be¬ schriebene Werkzeug gelöst, das neuerungsgemäß dadurch gekenn¬ zeichnet ist, daß die an den Grundkörper angrenzende erste ein¬ zelne Lage durch ein durch Glimmentladung aktiviertes CVD-Ver- fahren (PCVD) aufgebracht worden ist und daß die weiteren Ober¬ flächenschichten aus mehreren in abwechselnder Folge durch ein thermisches CVD-Verfahren und durch ein durch Glimmentladung aktiviertes CVD-Verfahren (PCVD) aufgetragenen Lagen besteht. Da durch PCVD-Verfahren aufgetragene Schichten sehr feinkörnig und dicht gepackt sind, wird die erste an den Grundkörper

angrenzende Lage durch ein durch Glimmentladung aktiviertes CVD-Verfahren aufgebracht, womit eine Diffusionssperre zwischen dem Grundkörper und den weiteren Oberflächenschichten geschaffen wird. Erfahrungen haben gezeigt, daß aufgrund der unterschiedlichen in einer durch CVD einerseits gebildeten Lage und einer durch PCVD gebildeten Lage andererseits besonders dicke und verschleißbeständige Schichten ausgebildet werden können. Sowohl CVD- als auch PCVD-Verfahren haben darüber hinaus hohe Wachstumsraten, so daß das Werkzeug wegen der ent¬ sprechend kurzen Beschichtungszeiten auch preisgünstiger her¬ stellbar ist. Die gewählte Schicht- bzw. Lagenfolge hat eine große mechanische Stabilität bei einer überraschend guten Bie¬ gefestigkeit (auch bei großen Gesamtschichtdicken oberhalb von 20 μm) . Darüber hinaus liefern Lagen, die mittels PCVD aufge¬ tragen worden sind, günstige Wachstumsbedingungen für nachfol¬ gende CVD-Lagen, die besonders feinkörnig und dicht sind.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeuges sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

So beträgt die Gesamtdicke der Beschichtung 2 bis 40 μm, wobei jede einzelne Lage eine Mindestdicke von 0,2 μm aufweist. Vor¬ zugsweise enthalten die durch ein durch Glimmentladung akti¬ viertes CVD-Verfahren aufgetragenen einzelnen Lagen neben den Elementen Titan, Zirkon, Aluminium, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff ein Halogenelement in einer Konzentration von 0,1 bis 3 % Stoffmenge.

Es ist sowohl möglich, daß die durch CVD- und PCVD-Verfahren in abwechselnder Folge aufgetragenen einzelnen Lagen aus denselben Hartstoffen bestehen, insbesondere Titannitrid, als auch daß die einzelnen Lagen aus verschiedenen Hartstoffen bestehen. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die durch CVD- und PCVD-Verfahren aufgetragenen einzelnen Lagen aus mehreren verfahrensgleichen Einzelschichten, nämlich Paketen aus verschiedenen Hartstoffen, wie z.B. TiN, Ti(C,N), TiC, Zr(C,N), A1 ₂ 0 ₃ .

Vorzugsweise hat die durch PCVD-Verfahren aufgetragene Lage bzw. haben die aufgetragenen Lagen eine mindestens um den Fak ^¬ tor 2 kleinere mittlere Korngröße als die der durch CVD-Verfahren aufgetragenen Lagen haben. Insbesondere soll die Dicke der Gesamtschicht mehr als 15 μm betragen.

Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch die Maßnahmen nach Anspruch 10 gelöst. Diese Verfahrensführung besitzt den Vorteil, daß hohe Wachstumsraten beim Schichtaufbau als auch gleichermaßen feinkörnige und dichte einzelne Lagen geschaffen werden können. Insbesondere liefern PCVD-Lagen besonders gün¬ stige Wachstumsbedingungen für CVD-Lagen, die sich dann sehr feinkörnig und dicht auftragen lassen.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 11 bis 24 beschrieben. So wird nach einer besonderen Ausgestaltungsform des Verfahrens eine gepulste Gleichspannung mit einer in den Pulspausen verbleibenden Restgleichspannung einer Größe gleich oder oberhalb des niedrigsten Ionisierungs¬ potentials der beteiligten Gase des PCVD-Prozesses an dem als Kathode geschalteten Schneideinsatzgrundkörper angelegt. Diese Restgleichspannung sollte jedoch 50 % des Maximalwertes der ge¬ pulsten Gleichspannung nicht überschreiten.

Die gepulste Gleichspannung ist im Regelfall eine Rechteckspan ^¬ nung mit einer maximalen Amplitude zwischen 200 und 900 Volt und einer Periodendauer zwischen 20 μs und 20 ms. Abweichungen unter Ausbildung von nicht senkrechten Anstiegs- und Abfall¬ flanken sowie Dachschrägen sind jedoch ebenso denkbar, sofern die Bedingung erfüllt bleibt, daß zwischen zwei maximalen Span¬ nungswerten die Gleichspannung nicht auf Null sinkt, sondern stets oberhalb des niedrigsten Ionisierungspotentials der beteiligten Gase und unterhalb von 50 % der maximalen Span¬ nungsauslenkung bleibt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis der Pulslänge (Dauer des Spannungs-

Signals eines Pulses) zu der Periodendauer (Pulslänge + Puls¬ pausenlänge) zwischen 0,1 bis 0,6. Bei Abscheidetemperaturen zwischen 400°C und 700°C sollte die Schichtwachstumsgeschwin¬ digkeit zwischen 0,5 bis 10 μm/h liegen.

Nähere Ausführungen hierzu sind unter anderem in der

DE 38 41 731 AI und der EP 0 373 412 AI beschrieben, worauf hiermit verwiesen wird.

Vorzugsweise wird das Plasma-CVD-Verfahren bei Temperaturen oberhalb von 300°C und Drücken unter 10000 Pa durchgeführt, wo¬ bei in einem den oder die Substratkörper allseitig umhüllenden Käfig auf der dem Substratkörper zugewandten Innenfläche ein angrenzender Glimmsaum erzeugt wird, während ein zur Bildung der Hartstoff-Beschichtung geeignetes reaktives Gasgemisch durch den Käfiginnenraum geleitet wird. Im wesentlichen bildet somit der zu beschichtende Substratkörper das Zentrum des Kä¬ figs. Insbesondere wird dieses Zentrum durch einen sich kugel¬ symmetrisch umhüllenden Glimmsaum umgeben. Der Käfig verhindert auch eine bevorzugte Strömungsrichtung der reagierenden Gase bzw. einen bevorzugten Ort des Niederschlages der Reakti¬ onsprodukte als Beschichtung. Durch die Käfigstruktur wird insbesondere das Problem gelöst, das Reaktionsgas über den ganzen Käfiginnenraum gleichmäßig zu verteilen.

Der Substratkörper kann entweder elektrisch isoliert und poten¬ tialfrei in dem Käfig angeordnet sein oder mit dem als Anode wirkenden Reaktor (Gefäß) elektrisch leitend verbunden sein, etwa dergestalt, daß das Substrat und das Reaktorgefäß auf Mas¬ sepotential gelegt werden. Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, den Substratkörper mit der den Glimmsaum am Käfig er¬ zeugenden Spannungsquelle elektrisch leitend zu verbinden, d.h., das Substrat auf das Kathodenpotential (des Käfigs) zu legen.

Nach einer weiteren Variante der Erfindung kann auch eine von der Spannungsquelle des Käfigs unabhängige zweite Spannungs ^¬ quelle an dem Substratkörper anliegen und ein vom Käfigpoten ^¬ tial unabhängiges Potential erzeugen.

Vorzugsweise wird die Glimmentladung auf den Innenflächen des Käfigs durch einen gepulsten Gleichstrom erzeugt, die insbeson¬ dere die in der DE 38 41 731 beschriebene Charakteristik auf ^¬ weisen kann. Der Substratkörper wird auf Temperaturen von maxi¬ mal 1100°C erhitzt, vorzugsweise sollte die Temperatur jedoch zwischen 400 bis 600°C liegen. Die eingestellten Drücke sollten mindestens 100 Pa bis 1000 Pa in dem Reaktionsgefäß betragen.

Die herkömmlichen CVD-Verfahren sind im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannt und werden bei Substrattemperaturen von 900°C und mehr durchgeführt. Hinweise zu Literaturstellen, in denen diese CVD-Verfahren beschrieben werden, finden sich bei¬ spielsweise in der WO 92/05009.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die ein¬ zelnen Lagen in einer Hitze ohne zwischenzeitliche Abkühlung des Substrats aufgetragen. Vorzugsweise werden die zuvor be¬ schriebenen Werkzeuge bzw. die nach dem Verfahren hergestellten Gegenstände als Schneideinsätze zum Drehen, Fräsen, Bohren so¬ wie Gewindeschneiden verwendet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung be¬ schrieben.

Zur Beschichtung von Wendeschneidplatten, die zum Drehen von Stahlteilen verwendet werden sollen, werden in einem Beschich- tungsofen, der sowohl für die Durchführung des CVD-Verfahrens als auch für die des PCVD-Verfahrens geeignet ist, 400 Wende¬ schneidplatten der Ausführung CNMG120412 (Bezeichnung DIN 4987) chargiert. Die Wendeschneidplatten waren von käfigartigen Kon-

struktionen umgeben und konnten gemeinsam als Kathode geschal ^¬ tet werden. Nach dem Aufheizen auf 780 ^C C wurde der plasmachemi ^¬ sche Prozeß zur Abscheidung von Titannitrid in Gang gesetzt. Dabei wurden folgende Beschichtungsparameter eingestellt (PCVD- Schritt) :

Temperatur: 780°C

Druck der reaktiven Gasatmosphäre: 3 mbar

Gasgemisch: 1,5 % TiCl , 11,5 % N ₂ , 8 % Ar, 79 % H ₂ Maximale Pulsspannung: 580 V

Dauer des Strompulses: 75 μs

Dauer der Pause: variabel von 110 bis 150μs

Mittlere Restspannung zwischen den Strompulsen: ca. 20 V

Die Temperatur wurde sehr genau durch die Länge der Pulspause geregelt. Eine schnelle elektronische Regelung erhöhte die Pulspausenzeit bei einem Temperaturanstieg oder erniedrigte sie bei einem Temperaturabfall. Nach 90 Minuten wurde dieser Prozeß beendet und die Temperatur durch eine äußere Heizvorrichtung erhöht. Daraufhin wurde der CVD-Beschichtungsschritt eingelei¬ tet, bei dem folgende Werte eingestellt wurden: Temperatur: 940°C

Druck der reaktiven Gasatmosphäre: 250 mbar

Gasgemisch: 2,5 % TiCl4, 35 % N ₂ , 62,5 % H ₂

Nach einer Zeitdauer von 120 Minuten wurde dieser Prozeß been¬ det. Hierauf wurden erneut die obengenannten Parameter des PCVD-Schrittes eingestellt und eine PCVD-Beschichtung durchge¬ führt. Insgesamt wurden die Prozeßschritte PCVD und CVD dreimal aneinandergereiht. Die äußerste Einzelschicht war somit eine durch CVD hergestellte TiN-Schicht. Nach der Abkühlung und der Öffnung des Ofens wurden aus verschiedenen Bereichen der Be- schichtungskammer Proben entnommen und genau untersucht. Metal¬ lographische Feinschnitte zeigten, daß die Beschichtung aus sechs Lagen bestand. Dabei wiesen die CVD-Schichten eine etwas andere Farbschattierung als die PCVD-Lagen auf, obwohl alle

Lagen aus TiN bestanden (Grundfarbe gelb) . Dies ist auf die un¬ terschiedliche Kornstruktur der CVD- und PCVD-Schichten zurück¬ zuführen. Eine eingehende Untersuchung mit einem Rasterelektro¬ nenmikroskop zeigte, daß die mittlere Korngröße der PCVD-Lagen mindestens um einen Faktor 2 kleiner ist als die der CVD-Lagen. Die farblichen Unterschiede der CVD- und PCVD-Schichten ermög¬ lichen ein Ausmessen der Teilschichtdicken. Im Mittel betrugen die Dicken der CVD-Schichten etwa 5 μm und die der PCVD-Schich¬ ten etwa 3 μm. Insgesamt schwankte die Gesamtschichtdicke der genommenen Proben zwischen 22 und 27 μm. Laboruntersuchungen mit Hilfe eines Diamant-bestückten Ritztestgerätes zeigten eine außergewöhnlich mechanische Stabilität der Beschichtung.

Andere Wendeschneidplatten aus dem beschriebenen Beschichtungs- versuch wurden in industrieller Fertigungspraxis getestet. Bei¬ spielsweise wurden geschmiedete Achszapfen von 220 mm Länge und einem maximalen Durchmesser von 85 mm aus dem Stahlwerkstoff 1.1213 mit einer Zugfestigkeit von 700 bis 800 N/mm ² bearbei¬ tet. Beim Drehen der Teile auf einer automatischen Drehmaschine wurden folgende Arbeitswerte angewendet: Schnittiefe: 2 bis 3 mm, Vorschub: 0,45 mm/Umdrehung und Schnittgeschwindigkeit: 250 bis 270 m/min. Die Schwankungsbreite dieser Schnittdaten wurde durch die kegelförmige Gestalt des zu bearbeitenden Teiles ver¬ ursacht. Bei diesem Arbeitsvorgang wurden bislang Wendeschneid¬ platten der Grundform CNMG120412 aus einem Hartmetall der Zer- spanungsanwendungsklasse P15 (Bezeichnung nach DIN/ISO 4990) eingesetzt, die durch CVD mit einer Beschichtung aus drei Lagen aus Titancarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid versehen wa¬ ren. Die Gesamtdicke dieser Beschichtung betrug etwa 12 μm. In dieser Ausführung konnten pro Wendeschneidplatte 220 bis 230 Werkstücke bearbeitet werden, bevor, ein Austausch notwendig wurde. Frühere Versuche, die Verschleißbeständigkeit dieser CVD-beschichteten Wendeschneidplatte durch die Vergrößerung der Schichtdicke zu erhöhen, führten nicht zum Erfolg, da bei mit sehr dicken CVD-Schichten (Schichtdicke ca. 18 bis 20 μm) ver-

sehenen Wendeschneidplatten die Schneidkanten unter der Bela ^¬ stung des Schneidprozesses bröckelten. Erst der Einsatz einer wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen, mit einer ca. 24 μm dicken Beschichtung versehenen Wendeschneidplatte konnte das Fertigungsergebnis wesentlich erhöhen. Nach der Bearbeitung von 200 Werkstücken konnten noch keine Bröckelungen oder Ausbrüche an der Schneidkante festgestellt werden. Die erfindungsgemäß beschichteten Wendeschneidplatten erreichten das Standzeitende erst nach der Bearbeitung von 480 bis 530 Teilen.