TixSi1-xN层及其制造
【专利说明】TUSij层及其制造
[0001]本发明涉及涂层，其包括至少一个含硅的层。
[0002]硅是这样的化学元素，其与硬质材料层相关地有时被用于提高层应力。如果层应力提高，则这一般导致该层有较大硬度。这例如也与氮化钛结合使用。由此得到这样的层，其在化学上是通过结构式TixSii XN来描述的，在这里，X是按照原子百分比表示的钛浓度，如果只考虑该金属元素。在此书写方式下，按百分比给出的原子浓度相加为100%。
[0003]这样的层可以按照很硬的形式借助所谓的阴极电火花气化来制造。此时，在提供金属元素的且被用作阴极的靶和阳极之间点燃电火花，通过电火花从靶表面吸引出高密度电子流。因为在靶表面上有极其集中的很高电流密度，故靶表面被局部明显加热并且所述材料以离子化形式气化。
[0004]这样被气化和电离的材料随后借助施加在基材上的负电压朝向基材加速。如果附加地在涂覆室中通入反应气体，则气化的离子与反应气体结合并在基材表面上形成相应的层。
[0005]但在此方法中通常会出现所谓的小液滴问题:因为在靶表面上的突然局部加热而出现爆炸状的熔体，该熔体将通过靶材的整个小液滴被甩到周围环境中。所述小液滴有时着落于基材表面，这一般不利地影响到层膜性能及其质量。虽然目前有了滤掉小液滴的方法。但这种过滤器可能使得涂覆速率很低，并且几乎无法再经济地运行涂覆作业。
[0006]另一方面，超过15原子％的硅含量很常见地在电火花气化过程中导致靶受损。极端情况下必须在每次涂覆后换靶，这又不利于工艺经济性。
[0007]本领域技术人员在借助磁控辅助溅射(磁控溅射)的传统气相沉积中没有遇到这些问题。但是，通过离子轰击从靶表面被撞击出的粒子没有或几乎没有电离化，因此也可以没有借助施加于基材的基材偏压朝向基材加速。这种通过传统方式溅射的层相应地具有相对小的密度和硬度。
[0008]在类似于电火花气化的领域中“移动”溅射层的密度和硬度的一种已知的可能性是:所谓的HiPIMS(高功率脉冲磁控派射)方法。HiPIMS = High Power Impulse MagnetronSputtering。在此溅射方法中，溅射阴极被施以高功率脉冲密度，这导致了由阴极雾化的材料被电离至高百分比。如果现在施加负电压到待涂覆工件上，则这些离子被朝向工件加速，这导致极为致密的层。
[0009]溅射阴极须以脉冲形式被施加功率，以便让其有时间散走伴随功率而来的热输入。因此在HiP頂S方法中需要脉冲发生器作为功率源。脉冲发生器须能够发出很高但很短的功率脉冲。目前可获得的脉冲发生器表现得不太灵活，这例如涉及脉冲高度和/或脉冲持续时间。理想地应该发出矩形脉冲。但大多时候在一个脉冲内的功率输出明显依赖于时间，这直接影响到层膜性能例如像硬度、附着性、内应力等等。另外，涂覆速率受到了偏离矩形轮廓的不利影响。
[0010]尤其是所述难点提出了再现性的问题。
[0011]就发明人所知，与之相应地尚未研究借助HiP頂S方法来制造TiJh XN层。
[0012]因此，人们需要这样的方法，根据该方法可以在高功率的情况下借助磁控溅射来制造TixSilxN层。
[0013]根据本发明，所述层借助溅射法制造，在此出现功率源的稳定高功率输出。在此采用多个溅射阴极。不同于传统的HiP頂S方法，没有采用脉冲发生器，而是首先只对第一溅射阴极施以功率源的全功率、进而施以高功率密度。接着将第二溅射阴极与功率源的输出端相连。在此这首先很小，这是因为第二溅射阴极的阻抗在此时刻比第一溅射阴极的阻抗高许多。只有当第一溅射阴极与功率源输出分离时，才实现基本通过第二溅射阴极的功率输出。相应的高功率磁控溅射方法在W0 2013060415中有确切描述。一般，功率源此时按照60kW的数量级运行。典型功率(溅射阴极按时间平均地得到)在8kW的数量级。
[0014]本发明人现在完全出乎意料地发现:当这样的方法以含有大于等于15原子％的硅含量的TiSi靶运行时，成功产生机械性能优异的可再现的纳米晶层。尤其让人感兴趣的是，从在革G中的5原子％的娃含量起，纳米晶平均具有小于15nm的粒度，如图1所示。图2示出了在被用于涂覆的靶中的浓度比几乎直接反映在涂覆的层中。在此要注意的是，一旦选择了具有一定硅含量的靶，则可以通过氮用量来微调粒度，如图7所示。
[0015]在图3中可以看出它此时是很顽固的现象。此处测量了层的粒度，所述层被涂覆在回转体的不同部位上。带有黑心圆形符号的测量结果顺序涉及Ti95Si5.。带有白心圆形符号的测量结果顺序涉及TUSii。靶。带有黑心方形符号的测量结果顺序涉及Ti S5Si15靶。带有白心三角符号的测量结果顺序涉及TiS(]Si2。靶。带有黑心三角符号的测量结果顺序涉及Ti75Si25靶。显然，分别在腔室的整个涂覆高度范围内维持了粒度。
[0016]于是，所述层随着硅含量递增而具有递增的硬度和递减的E-弹性模量，如图4所示。在那里，没有给出所述层中的浓度比，而是给出了在被用于层制造的靶中的Ti/Si浓度比。
[0017]根据本发明的另一个实施方式，T1.Sii…层(其具有至少15at%的硅，就金属成分的含量而言)未被直接施加到待涂覆的基材上，而是在所述基材和根据本发明的层之间设有TiAIN层作为中间层。该中间层尤其有以下优点:就应力状况和/或压力状况而言，它在不太脆的基材与最硬的且承受很高内应力的Tijii…层之间进行“协调”。由此出现很少的错位并且层膜附着性得到相应改善。
[0018]图5示出了一系列这种根据本发明的双层，在这里，对于TixSi1:jl的涂覆，还是采用所述的不同靶，这些靶符合附图所给出的说明。在该系列中可以清楚看到TixSilx层的不同结构，其随着硅含量增大而变得越来越薄。在本例子中，为了制造中间层而采用了以下的靶，该靶含有40at%的钛和60at%的铝。已经确定的是:当两个层TiAIN和TiSiN具有(200)织构时，是很有利的。
[0019]已经测试了在刀具上的这种具有不同硅含量的双层。在以下条件下进行切削试验:工件，被硬化至45HRC的钢DIN1.2344，刀具直径10mm的全硬质金属铣刀，切削速度220m/min，进给量/每齿0.1mm，轴向进给量10mm，径向进给量0.5mm。此时测量了相应的刀具可以工作多少米而没有受损。涂有市场上常见的层的刀具挺过了大致超过200米。涂有上述双层的的刀具挺过了大致相同的长度，在这里，外层只含有5%的硅。与此相比，试验表明刀具在外层含有至少15%的硅时挺过了超过500米。在表1中列出了在经过140米切削行程后在刀具中测得的磨损值。可以清楚看到，在具有30%硅的涂层时，磨损最小。
[0020]根据另一个有利的实施方式，在TiAIN中间层和Tijii J1之间设有过渡层，该过渡层是借助钴溅射制得的。利用上述的溅射法，能如此可靠执行钴溅射，即，例如针对不同的靶选择脉冲长度，从而反应气体用量曲线的最大值根据存在于涂覆室中的压力基本是重叠的。因为脉冲持续时间直接影响到相应最大值的位置，因而这是可能的。这针对图6的例子被示出，在这里，用三个不同的脉冲持续时间(0.05ms,0.2ms和2ms)来溅射，通过这种方式可以在存在于腔室内的压力和气体流动状况相同时最佳地操作两个靶。
[0021]根据本发明的另一个实施