TixSi1-xN層及其制造
【專利說明】TUSij層及其制造
[0001]本發(fā)明涉及涂層，其包括至少一個含硅的層。
[0002]硅是這樣的化學(xué)元素，其與硬質(zhì)材料層相關(guān)地有時被用于提高層應(yīng)力。如果層應(yīng)力提高，則這一般導(dǎo)致該層有較大硬度。這例如也與氮化鈦結(jié)合使用。由此得到這樣的層，其在化學(xué)上是通過結(jié)構(gòu)式TixSii XN來描述的，在這里，X是按照原子百分比表示的鈦濃度，如果只考慮該金屬元素。在此書寫方式下，按百分比給出的原子濃度相加為100%。
[0003]這樣的層可以按照很硬的形式借助所謂的陰極電火花氣化來制造。此時，在提供金屬元素的且被用作陰極的靶和陽極之間點燃電火花，通過電火花從靶表面吸引出高密度電子流。因為在靶表面上有極其集中的很高電流密度，故靶表面被局部明顯加熱并且所述材料以離子化形式氣化。
[0004]這樣被氣化和電離的材料隨后借助施加在基材上的負(fù)電壓朝向基材加速。如果附加地在涂覆室中通入反應(yīng)氣體，則氣化的離子與反應(yīng)氣體結(jié)合并在基材表面上形成相應(yīng)的層。
[0005]但在此方法中通常會出現(xiàn)所謂的小液滴問題:因為在靶表面上的突然局部加熱而出現(xiàn)爆炸狀的熔體，該熔體將通過靶材的整個小液滴被甩到周圍環(huán)境中。所述小液滴有時著落于基材表面，這一般不利地影響到層膜性能及其質(zhì)量。雖然目前有了濾掉小液滴的方法。但這種過濾器可能使得涂覆速率很低，并且?guī)缀鯚o法再經(jīng)濟地運行涂覆作業(yè)。
[0006]另一方面，超過15原子％的硅含量很常見地在電火花氣化過程中導(dǎo)致靶受損。極端情況下必須在每次涂覆后換靶，這又不利于工藝經(jīng)濟性。
[0007]本領(lǐng)域技術(shù)人員在借助磁控輔助濺射(磁控濺射)的傳統(tǒng)氣相沉積中沒有遇到這些問題。但是，通過離子轟擊從靶表面被撞擊出的粒子沒有或幾乎沒有電離化，因此也可以沒有借助施加于基材的基材偏壓朝向基材加速。這種通過傳統(tǒng)方式濺射的層相應(yīng)地具有相對小的密度和硬度。
[0008]在類似于電火花氣化的領(lǐng)域中“移動”濺射層的密度和硬度的一種已知的可能性是:所謂的HiPIMS(高功率脈沖磁控派射)方法。HiPIMS = High Power Impulse MagnetronSputtering。在此濺射方法中，濺射陰極被施以高功率脈沖密度，這導(dǎo)致了由陰極霧化的材料被電離至高百分比。如果現(xiàn)在施加負(fù)電壓到待涂覆工件上，則這些離子被朝向工件加速，這導(dǎo)致極為致密的層。
[0009]濺射陰極須以脈沖形式被施加功率，以便讓其有時間散走伴隨功率而來的熱輸入。因此在HiP頂S方法中需要脈沖發(fā)生器作為功率源。脈沖發(fā)生器須能夠發(fā)出很高但很短的功率脈沖。目前可獲得的脈沖發(fā)生器表現(xiàn)得不太靈活，這例如涉及脈沖高度和/或脈沖持續(xù)時間。理想地應(yīng)該發(fā)出矩形脈沖。但大多時候在一個脈沖內(nèi)的功率輸出明顯依賴于時間，這直接影響到層膜性能例如像硬度、附著性、內(nèi)應(yīng)力等等。另外，涂覆速率受到了偏離矩形輪廓的不利影響。
[0010]尤其是所述難點提出了再現(xiàn)性的問題。
[0011]就發(fā)明人所知，與之相應(yīng)地尚未研究借助HiP頂S方法來制造TiJh XN層。
[0012]因此，人們需要這樣的方法，根據(jù)該方法可以在高功率的情況下借助磁控濺射來制造TixSilxN層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，所述層借助濺射法制造，在此出現(xiàn)功率源的穩(wěn)定高功率輸出。在此采用多個濺射陰極。不同于傳統(tǒng)的HiP頂S方法，沒有采用脈沖發(fā)生器，而是首先只對第一濺射陰極施以功率源的全功率、進而施以高功率密度。接著將第二濺射陰極與功率源的輸出端相連。在此這首先很小，這是因為第二濺射陰極的阻抗在此時刻比第一濺射陰極的阻抗高許多。只有當(dāng)?shù)谝粸R射陰極與功率源輸出分離時，才實現(xiàn)基本通過第二濺射陰極的功率輸出。相應(yīng)的高功率磁控濺射方法在W0 2013060415中有確切描述。一般，功率源此時按照60kW的數(shù)量級運行。典型功率(濺射陰極按時間平均地得到)在8kW的數(shù)量級。
[0014]本發(fā)明人現(xiàn)在完全出乎意料地發(fā)現(xiàn):當(dāng)這樣的方法以含有大于等于15原子％的硅含量的TiSi靶運行時，成功產(chǎn)生機械性能優(yōu)異的可再現(xiàn)的納米晶層。尤其讓人感興趣的是，從在革G中的5原子％的娃含量起，納米晶平均具有小于15nm的粒度，如圖1所示。圖2示出了在被用于涂覆的靶中的濃度比幾乎直接反映在涂覆的層中。在此要注意的是，一旦選擇了具有一定硅含量的靶，則可以通過氮用量來微調(diào)粒度，如圖7所示。
[0015]在圖3中可以看出它此時是很頑固的現(xiàn)象。此處測量了層的粒度，所述層被涂覆在回轉(zhuǎn)體的不同部位上。帶有黑心圓形符號的測量結(jié)果順序涉及Ti95Si5.。帶有白心圓形符號的測量結(jié)果順序涉及TUSii。靶。帶有黑心方形符號的測量結(jié)果順序涉及Ti S5Si15靶。帶有白心三角符號的測量結(jié)果順序涉及TiS(]Si2。靶。帶有黑心三角符號的測量結(jié)果順序涉及Ti75Si25靶。顯然，分別在腔室的整個涂覆高度范圍內(nèi)維持了粒度。
[0016]于是，所述層隨著硅含量遞增而具有遞增的硬度和遞減的E-彈性模量，如圖4所示。在那里，沒有給出所述層中的濃度比，而是給出了在被用于層制造的靶中的Ti/Si濃度比。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，T1.Sii…層(其具有至少15at%的硅，就金屬成分的含量而言)未被直接施加到待涂覆的基材上，而是在所述基材和根據(jù)本發(fā)明的層之間設(shè)有TiAIN層作為中間層。該中間層尤其有以下優(yōu)點:就應(yīng)力狀況和/或壓力狀況而言，它在不太脆的基材與最硬的且承受很高內(nèi)應(yīng)力的Tijii…層之間進行“協(xié)調(diào)”。由此出現(xiàn)很少的錯位并且層膜附著性得到相應(yīng)改善。
[0018]圖5示出了一系列這種根據(jù)本發(fā)明的雙層，在這里，對于TixSi1:jl的涂覆，還是采用所述的不同靶，這些靶符合附圖所給出的說明。在該系列中可以清楚看到TixSilx層的不同結(jié)構(gòu)，其隨著硅含量增大而變得越來越薄。在本例子中，為了制造中間層而采用了以下的靶，該靶含有40at%的鈦和60at%的鋁。已經(jīng)確定的是:當(dāng)兩個層TiAIN和TiSiN具有(200)織構(gòu)時，是很有利的。
[0019]已經(jīng)測試了在刀具上的這種具有不同硅含量的雙層。在以下條件下進行切削試驗:工件，被硬化至45HRC的鋼DIN1.2344，刀具直徑10mm的全硬質(zhì)金屬銑刀，切削速度220m/min，進給量/每齒0.1mm，軸向進給量10mm，徑向進給量0.5mm。此時測量了相應(yīng)的刀具可以工作多少米而沒有受損。涂有市場上常見的層的刀具挺過了大致超過200米。涂有上述雙層的的刀具挺過了大致相同的長度，在這里，外層只含有5%的硅。與此相比，試驗表明刀具在外層含有至少15%的硅時挺過了超過500米。在表1中列出了在經(jīng)過140米切削行程后在刀具中測得的磨損值?？梢郧宄吹?，在具有30%硅的涂層時，磨損最小。
[0020]根據(jù)另一個有利的實施方式，在TiAIN中間層和Tijii J1之間設(shè)有過渡層，該過渡層是借助鈷濺射制得的。利用上述的濺射法，能如此可靠執(zhí)行鈷濺射，即，例如針對不同的靶選擇脈沖長度，從而反應(yīng)氣體用量曲線的最大值根據(jù)存在于涂覆室中的壓力基本是重疊的。因為脈沖持續(xù)時間直接影響到相應(yīng)最大值的位置，因而這是可能的。這針對圖6的例子被示出，在這里，用三個不同的脈沖持續(xù)時間(0.05ms,0.2ms和2ms)來濺射，通過這種方式可以在存在于腔室內(nèi)的壓力和氣體流動狀況相同時最佳地操作兩個靶。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施