Abhängig davon welcher Statistik man glaubt, liegt der Marktanteil der (Ti, AI)N-Schichten im Bereich der Hochleistungswerkzeuge zwischen25-55%. Die Gründe dafür muss man in den hervorragenden Eigenschaften der (Ti, Al)N-basierten Schichten suchen:

• hohe Härte (~25-38 GPa) bei relativ niedriger interner Spannung ~(-3-5 GPa),

• hohe Warmhärte (niedrige Härteverluste (30-40%) bei höheren Temperaturen bis zu 800°C),

• hohe Oxidationsbeständigkeit (gleiche Oxidationsrate (-• 15-20 ug/cm2) bei 800°C wie TiCN bei 400°C und TiN bei 550°C),

• niedrigere Wärmeleitfähigkeit (bis zu 30% niedrigere relative Wärmeeindringung als bei TiN).

Die Beschichtungsbranche ist enorm innovativ. So gibt es unzählige Versuche und Lösungen um diese guten Eigenschaften noch weiter zu verbessern [1]:

o Kombination von ARC- und Sputter-Verfahren,

o Filterung von ARC-Makropartikeln,

o Optimierung der Prozessparameter (ARC-Strom, Bias-Spannung, N2-Druckverlauf usw.)

o Optimierung der Kristallstruktur (z.B. mit dem Ziel der Vermeidung der Säulenstruktur zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit),

o Abscheidung von Multitayers zur Erhöhung der Schichtzähigkeit und -dicke,

o Addition von zusätzlichen Legierungskomponenten, wie

• Chrom und Yttrium zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit,

• Zirkon, Vanadium, Bor und Hafnium zur Erhöhung der Schicht- zähigkeit der Verschleissfestigkeit, sowie Silicium zur Erhöhung der Härte und des Widerstandes gegen chemische Reaktionen.

Der 2 wichtigsten, momentan von praktisch allen Entwickeltern und Firmen angestreben Optimierungsmassnahmen der (Ti,Al)N basierten Schichten sind aber ohne Zweifel

o die Abscheidung von Nanolayers [7], [9], [11] sowie

o die Erhöhung des Aluminium-Gehaltes [1], [10], [11].

Nanolayers

Sie entstehen durch die Verfeinerung der Multilayer-Technik. Die Periodenabstände (die Dicken der Subschichten) beeinflussen massgeblich die Härte der Schicht (Bild 1):

– Die Härteerhöhung mit kleiner werdenden Perioden wird auf die unterschiedlichen Elastizitätsmoduls der

Subschichtmaterialien zurückgeführt. Im Falle der Schichtstruktur des Bildes 1 nimmt man an, dass AIN über den

Periodenabstand von ca. 10 nm eine hexagonale,darunter eine kubische Struktur aufweist.

– Der Härteabfall bei noch kleineren

Perioden kann durch die „Rauheit" der Interface-Flächen zwischen den Subschichten erklärt werden [13]. Falls die Interface-Flächen zwischen den Komponenten „scharf" gehalten werden können (siehe Bild 2), tritt der Härteabfall nicht ein. Die Nanolayers benötigen zwingend die gezielte Synchronisation der Kathodensteuerung und der Drehbewegung der Werkzeuge. Sie ist beim Beschichten gleicher Teile, also in der Grossserienfertigung relativ einfach einstellbar. Die ersten Probleme treten durch die Änderung der Periodenabstände bei unterschiedlichen Substratgrössen auf.

Eine konstante Nanotayer-Periode ist beim Lohnbeschichten von verschiedenen Teilen in einer Charge nur mit sehr grossem Aufwand realisierbar. Die Periodenänderungen, die durch Temperaturschwankungen während der Zerspanung hervorgerufen werden, vermindern natürlich auch die Standzeit der beschichteten Werkzeuge.

AlTiN-Schichten

Die führenden Beschichter versuchen den Aluminium-Anteil ihrer neuesten (Ti,AI)N-basierten Schichten in der letzten Zeit ständig zu erhöhen, damit die Härte (vor allem die Warmhärte), die Verschleissfestigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und letzten Endes natürlich das Zerspanungsverhalten verbessert werden. Zur Unterscheidung werden diese Schichten mit über 50% Aluminium-Anteil, AlTiN-Schichten genannt. Aber irgendwann, bei 67%, bei 75%, oder vielleicht noch höher bei 80% Aluminium gibt es eine Grenze. Danach verschlechtern sich die Eigenschaften der Schichten (Bild 3).

Diese Grenzen :

o die praktisch sehr schwierig konstant zu haltende Nanolayer-Periode und

o der maximal sinnvolle AI-Anteil von Aluminium sind nur mit Hilfe von grundsätzlich (physikalisch) neuen

Lösungen, wie die Nanocomposites, zu durchbrechen [3], [7], [11].

Nanocomposites

Durch gleichzeitiges Abscheiden von sehr unterschiedlichen Materialien (z.B. Ti, AI und Si) werden die Komponenten nicht vollständig gemischt und es entstehen 2 Phasen. Die nanokristallinen TiAIN-Körner werden in die amorphe Si3N4-Matrix eingebettet. Die so entstandene Bienenwaben-Struktur stoppt die Risse an den Korngrenzen (Bild 2 und 4).

Neben den hohen Härtewerten ist die Wärmebeständigkeit der Nanocomposite-Schichten hervorzuheben. Das rechte Diagramm des Bildes 5 [13] zeigt, dass bis 1100 °C praktisch kein Härteabfall auftritt. Es ist aus der Sicht der trockenen Hochleistungsbearbeitung enorm wichtig.

Eine weitere Entwicklungsmöglichkeit bietet die Abscheidung der Nanocomposite-Schicht mit einer Nanolayer-Grundstruktur. Die Nanolayer-Periode des Bildes 4 wurde durch FFT mit 35Ä berechnet. Zu dieser Struktur ist es zwingend notwendig, dass die ARC-Kathoden dicht nebeneinander aufgebaut

werden. Dies genau wird mit der LARC®-Technologie (LARC®: Lateral Rotating ARC-Cathodes = seitlich rotierende ARC-Kathoden) verwirklicht.

LARC®-Verfahren

Um Nanocomposite-Schichten industriell und wirtschaftlich abzuscheiden, muss die Beschichtungsanlage rundsätzlich die folgenden Grundvoraussetzungen erfüllen:

o Die Kathoden müssen dicht nebeneinander liegen.

o Es muss ein hoch ionisiertes Plasma.

o mit hoch intensivem Magnetfeld aufgebaut werden.

o Dies setzt einen sehr schnell bewegten ARC-Spot voraus.

Da die heute bekannten Verfahren diese Forderungen nur zum Teil erfüllen, wurde von PLATIT AG zur Herstellung dieser Hochleistungsschichten eine neue Technologie und eine neue Beschichtungsanlage (Bild 6) entwickelt, die nach dem neuen LARC®-Verfahren arbeiten.

Die wassergekühlten Kathoden drehen sich. Das Magnetfeld wird durch Permanentmagnete und Spulen erzeugt und vertikal sowie radial gesteuert bzw. bewegt. Die 6 wichtigsten Vorteile der LARC®-Technologie werden grundsätzlich durch die sich rotierenden Kathoden und durch ihre seitliche Anordnung ermöglicht. Sie werden deswegen „p-Vorteile" genannt (Bild 7).

Die p-Vorteile

1. Optimale Schichthaftung durch VIRTUAL SHUTTER®

Das A und 0 aller guten Schichten ist die gute Haftung. Die seitliche Anordnung der zylindrischen Kathoden

ermöglichte die Schaffung des sog. VIRTUAL SHUTTER®, der ohne empfindliche mechanische Elemente arbeitet (Bild 8).

Das Magnetfeld wird um 180° nach hinten gedreht, der ARC nach hinten gezündet, um die Targets vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess zu reinigen und die groben Partikel an die Hinterwand abzuscheiden. Währenddessen können die Substrate im intensiven Plasma gereinigt werden. Der ARC wird danach (ohne dass er erlischt) zu den Werkzeugen gedreht. So wird die Zeit des Ionen-Ätzens massgeblich gekürzt und die Haftschicht mit metallisch reinen Targets abgeschieden.

2. „Breite" Targets mit langer Lebensdauer

Der trivialste Vorteil einer rotierenden, zylindrischen Kathode ist ihre „Breite". Sie ist beim gleichen Platzbedarf p-mal breiter als ein Planar-Target. So kann ein Target bis zu 200 Chargen ohne Wechsel seine Dienste tun.

3. Glatte Schichten durch Reduzierung der ARC-Droplets

Bei der konventionellen ARC-Technologie wird die Mehrheit der Droplets am Anfang des Prozesses „verspritzt. Es fängt beim Zünden des ARC an, wenn am stehenden Spot die grössten „Schmelzbäder" entstehen. Diese grossen Droplets werden bei der LARC®- Technologie mittels VIRTUAL SHUTTER® nach hinten an die Rückwand abgeschieden.

Die Grosse und die Anzahl der Droplets hängen während der Schichtabscheidung u a. von der Geschwindigkeit der ARC-Spotbewegung ab. Sie wird bei den heute üblichen Planartargets mit Steered-ARC nur durch die Magnetführung erzeugt, bzw. gesteuert. Mit den rotierenden Kathoden ist die Spotbewegung schneller und gteichmässiger. Sie ergibt sich als Addition aus der Rotation des Targets und aus der vertikalen Oszillation des breiten Magnetfeldes.

So kann die LARC®-Technologie mit Hilfe des VIRTUAL SHUTTER®und der sehr schnellen ARC-Spotbewegung Schichten mit bedeutend niedrigerer Rauheit erzeugen (Bild 9).

4. Herstellung von Nanocomposites

Die seitlich angeordneten, zylindrischen Kathoden benötigen nur einen minimalen Platz. So können mehrere Kathoden auf kleinstem Raum, in kleinen Kompaktanlagen die Abscheidung metallisch unterschiedlicher Komponenten ermöglichen.

Durch die schnelle Relativbewegung können sogar niederschmelzende Targetmateralien (z.B. pures AI oder AISi) anstatt der teueren Legierungen (z.B. A125%/Ti75%, A150%/Ti50%, A167%/Ti33% usw.) verwendet

werden.

Ein aus purem Silizium bestehendes Target ist aus einfachen mechanischen Gründen nicht denkbar. Das Silizium wird aus legierten Targets (AISi, CrSi, TiSi etc.) abgeschieden. Nach dem Abscheiden aus dem Target müssen AI und Si getrennt werden (Segregation). Das Silizium geht nicht in die metallische Phase ein, sondern die Nanokristallinen (z.B. TiAIN) werden in die amorphe Matrix (z.B. Si3N4) eingebettet. Dazu ist ein hochionisiertes Plasma, ein hochintensives Magnetfeld notwendig. Der schnelle ARC- Spot erlaubt ein höchst intensives

Magnetfeld, ohne die Targets durchzubrennen (wofür die Gefahr bei Planartargets durchaus sehr gross ist.) Die entstehende Nanocomposite- Struktur weist kleine Kristallinengrössen, keine „Lücken" zwischen den Nanokristallinen, scharfe Interface-Grenzen und damit eine hohe Härte auf. Als zusätzlicher Vorteil werden die Risse an den Komgrenzen gestoppt (Bild 2).

5. Herstellung von Nanogradients mit programmierbarer Stöchiometrie

Durch die Verwendbarkeit von mehreren „puren" Targets (pures Ti, AI, sowie AISi) ist die Schicht-Stöchiometrie (Zusammensetzung) frei programmierbar und in der Tiefe kontinuierlich veränderbar.

In der gradienten LARC®-Schicht wird zum Anfang das Aluminium verspätet zum Titan abgeschieden, damit eine optimale Haftung entsteht. Danach wird der AI-Anteil während der Abscheidung kontinuierlich gesteigert, um die Härte, die Wärmefestigkeit und Oxidationsbeständigkeit der Schicht zu erhöhen. Zum Schluss wird der Aluminium-Anteil zurückgenommen und der Ti-Anteil erhöht, damit eine „schöne" goldige Oberfläche entsteht.

6. Herstellung von Multi- bzw. Nanolayers

Die Multi- und Nanolayers sind periodisch geänderten Gradienten (Bild 10). Die hohe Härte bringt natürlich höhere interne Spannungen mit sich. Mit Hilfe der Multilayer- Struktur kann die interne Spannung bei den sehr guten (-3-4 GPa) gehalten werden [7].

Anlagengrösse

Wie aus den Bildern zu entnehmen ist, handelt es sich nicht um eine der üblicherweise grossen Beschichtungsanlagen, die die grösseren Werkzeughersteller normalerweise einsetzen. Die ersten LARC®-Anlagen sind viel kleiner. Warum ?

– Die Beschichtung soll nicht das Privilegium der grossen Beschichter und Werkzeughersteller bleiben. Kleine und mittelständische Unternehmen sollen sich die modernsten Schichten in ihren Werkstätten selber abscheiden können.

– Die neuen Schichten lösen TiAIN & Co nicht sofort, auf einen Schlag ab. Der Bedarf an nanostrukturierten Schichten wird in den nächsten Jahren kontinuierlich steigen, was dann die Auslastung von grösseren Anlagen ermöglicht.

– Wenn man die Technologie und Produktion der Kathoden im kleinsten Raum beherrscht, fällt die Up-Scaling viel leichter. Wichtig ist es dabei, dass die Kathoden paarweise, mit kleinen Zwischenabständen eingebaut werden. Wie aus dem Bild 4 hervorgeht, die Nanocomposite-Struktur kann auf der Grundlage einer Layer-Struktur entstehen. Diese Layers (AIN und TiN) können nur dann im Bereich von 10 nm bleiben und damit keine Härtereduzierung hervorrufen, wenn die Targets nicht weit auseinander liegen.

– In den kleineren Anlagen muss man total verschiedene Teile nicht unbedingt zusammen beschichten. Kleinere Chargen sind auch wirtschaftlich durchführbar.

– Mehrere kleine Beschichtungsanlagen sind auf keinen Fall weniger produktiv als eine grosse. Sie sind aber viel

flexibler und ermöglichen eine betriebsichere Lieferfähigkeit.

– Kleine Beschichtungsanlagen werfen natürlich einen niedrigeren Profit für den Hersteller ab, als die grösseren. Langfristiges Denken hat sich aber schon immer gelohnt.

Entwicklungspotential des LARC®-Verfahrens

Wenn man neue Anlagen, Technologien oder Schichten vorstellt, dann bringt man üblicherweise Ergebnisse, bei denen das neue Produkt gegenüber der Konkurrenz die höchste Leistung, bei höheren Parametern und bei niedrigeren Kosten ermöglicht.

Brechen wir diesmal mit diesem Brauch. Stattdessen sollen die Bilder 11 und 12 das Entwicklungspotential dieser innovativen Technologie für Zerspanung mit Hartmetallwerkzeugen verdeutlichen. Die dargestellten Verbesserungen der Ergebnisse konnten innerhalb einer Zeitspanne von 2 Monaten erreicht werden.

Zusammenfassung

Die (Ti,AI)N- basierten Schichten sind die Marktführer im Bereich der Hochleistungswerkzeuge. Die Weiterentwicklung der aktuellen Top-Schichten (Nanolayers und AlTiN) ist durch physikalisch gegebene Schwierigkeiten begrenzt.

Nanocomposite-Schichten durchbrechen diese Grenzen. Der Beitrag stellt eine grundlegend neue Entwicklung vor. Die neue LARC®-Technologie arbeitet mit seitlich angeordneten, rotierenden, zylindrischen Kathoden. Dadurch ergeben sich die so genannten p-Vorteile:

1. Optimale Schichthaftung durch den VIRTUAL SHUTTER®

2. „Breite" Targets mit langer Lebensdauer

3. Glatte Schichten durch Reduzierung der ARC-Droplets

4. Herstellbarkeit von Nanocomposites

5. Herstellbarkeit von Nanogradients mit programmierbarer Stöchiometrie

6. Herstellbarkeit von Multi- und Nanotayers

Um wettbewerbsfähige, an die Anwendung angepasste, einfache oder komplizierte Schichtstrukturen abzuscheiden braucht man heute nicht mehr grosse und teuere Beschichtungsanlagen. Im Gegenteil, die mittelständischen Unternehmen können mit Hilfe der LARC®-Anlage die neuesten nanostrukturierten Schichten selber abscheiden und höchstproduktive Eigenmarken generieren.

Referenzen

[1] Derflinger, V., Schütze, A., Gabathuler M., Schiessl, M., Le Philippe, D.: Mechanical, Structural and Performance Properties of Various Aluminum Containing Wear Protecting Films, PSE, Garmisch Partenkirchen, Sept/2002.

[3] Holubar, P., Jiiek, M., Sima, M.: Present and Possible Future Applications of Superhard Nanocomposite Coatings, ICMCTF, April/2000, San Diego, CA.

[4] Jehn, H.: Praxishandbuch; moderne Beschichtungen, Carl Hanser Verlag, München, 2001.

[5] Karimi, A., Bethmont, D., Bergmann, E., Cselle, T.: Fracture Behaviour of Nanocomposite Thin Films by Nanoindentation - ICMCTF, May/2001, San Diego, CA, USA.

[7] Morstein, M. Holubar, P., Jiiek, M., Karimi, A., Cselle, T.: Nanocomposite and Nanogradient Coatings for Cutting Tools, MRS Fall Meeting, Boston, Dec/2002.

[8] Musil, J., Polakova, H., Allaart, J., Mitterer, C.: Structure-Hardness Relations in Sputtered Ti-AI-V-N Films, PSE, Garmisch Partenkirchen, Sept/2002.

[9] Münz, W.D.: Super Lattice Structured Hard Coatings Trends and Applications ofThin Films, Nancy, März, 2000, Vide Verlag, p. 12-16.

[10] Schulz, H.: Coating Industry - QuoVadis? Gorham Conference, Nov/2002, Attanta, GA, USA.

[11] Paldey, S., Deevi, S.C.: Single Layer and Multilayer Wear Resistant Coatings of (Ti,AI)N: a Review, Materials Science and Engineering, Eisevier B.V., New York, NY, A342 (2003), p.58-79.

[13] Veprek, S., Jiiek, M.: Super- and Ultra Hard Nanocomposite Coatings: Generic Concept for their Preparation, Properties and Industrial Applications, Vacuum, 67 (2003) p. 443-449.

[15] Cselle, T.: Go into the New Economy, with High Performance Machining and Flexible Coating, Gorham Conference, May, 2001, Atlanta, GA, USA.

[16] Cselle, T., Morstein, M. Holubar, P., Jiiek, M., Karimi, A.: Integration der Beschichtungs-Technologie in spanende Bearbeitungsprozesse mittelständischer Unternehmen 5. Schmalkalder Werkzeugtagung, Schmalkalden, Nov/2002.

(7703-59)

Artikel erschienen in WT 77 auf Seite 52.