耐刮涂層、具有耐刮涂層的襯底和該襯底的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐刮涂層、具有耐刮涂層的襯底以及該襯底的制造方法。具體地說(shuō)，本 發(fā)明涉及耐刮涂層和相應(yīng)地涂覆并具有基于氮化鋁的硬質(zhì)材料層的襯底以及該襯底的制 造，特別是通過(guò)濺射工藝制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 由現(xiàn)有技術(shù)可知各種用于提高耐刮性的涂層。專利文獻(xiàn)DE10 2011081 234A1公開(kāi)了 一種位于玻璃陶瓷襯底上的硬質(zhì)材料涂層，該涂層具有兩種不同的材料相 (Materialphasen)。但是其缺點(diǎn)在于：涂層和襯底的熱膨脹系數(shù)可能彼此相差最大20%。 另外，由于玻璃陶瓷具有非常低的熱膨脹系數(shù)，這極度限制了合適涂層的數(shù)量。而例如基于 氮化物或氧化物（例如氮化鋁或氮化硼）的硬質(zhì)材料層具有過(guò)高的熱膨脹系數(shù)，因此這種 硬質(zhì)材料層不能用于涂覆玻璃陶瓷襯底。
[0003] 用于提高耐刮性的涂層不僅應(yīng)當(dāng)具有高的硬度，而且彈性（E模量）、表面粗糙度、 由襯底和涂層的不同熱膨脹系數(shù)所造成的涂層張力以及襯底的表面特性對(duì)于耐刮涂層和 被相應(yīng)涂覆的襯底的質(zhì)量來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵因素。
[0004] 此外還期望被相應(yīng)涂覆的表面（例如玻璃表面或玻璃陶瓷表面）除了具有高度耐 刮性之外，還應(yīng)該是高度耐磨損的和耐拋光的，例如在生產(chǎn)和后期應(yīng)用中都會(huì)發(fā)生磨損和 拋光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種涂層以及相應(yīng)涂覆的襯底，該襯底除了具有高度耐刮 性之外還具有更高的耐磨損性和耐拋光性以及防止環(huán)境污染。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提 供一種相應(yīng)的制造方法。
[0006] 本發(fā)明的目的已經(jīng)以令人驚訝的方式和方法通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。本發(fā) 明優(yōu)選的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求給出。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的涂層包括透明的、高折射率的、基于氮化鋁（A1N)的硬質(zhì)材料層， 即，該硬質(zhì)材料層包含A1N作為基本組成部分。根據(jù)本發(fā)明，A1N在硬質(zhì)材料層中的含量大 于50重量％。
[0008] 硬質(zhì)材料層也起到磨損保護(hù)層的作用。在此，發(fā)明人以令人驚訝的方式表明：當(dāng)硬 質(zhì)材料層的A1N是結(jié)晶的，或者至少在很大程度上是結(jié)晶的，并具有六角形的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)， 可以獲得特別耐刮、耐磨損和耐拋光的涂層。特別是A1N涂層的結(jié)晶度為至少50%。
[0009] 就此而言這是令人驚訝的，因?yàn)閷?duì)此通常認(rèn)為，無(wú)定形的涂層由于缺少晶粒而比 相應(yīng)的結(jié)晶涂層具有更低的表面粗糙度。在此，低的涂層粗糙度造成不易出現(xiàn)缺陷，例如由 異物在涂層表面上的摩擦所引起的缺陷。然而，根據(jù)本發(fā)明的涂層不僅具有高耐刮性，而且 對(duì)于環(huán)境影響以及拋光和磨損負(fù)荷具有更高的耐受性。因而該硬質(zhì)材料層具有高的、例如 相對(duì)于清潔劑和洗滌劑的化學(xué)穩(wěn)定性。另外，根據(jù)本發(fā)明的涂層盡管具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，但 對(duì)于波長(zhǎng)在可見(jiàn)光譜和紅外光譜范圍內(nèi)的光來(lái)說(shuō)是可透的，因此該涂層在視覺(jué)上是不明顯 的，并且能夠應(yīng)用在例如光學(xué)構(gòu)件中，例如用作爐灶面的涂層。特別是該涂層對(duì)于可見(jiàn)光的 透射率（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光源C)為至少50%，優(yōu)選至少80%，并且對(duì)于紅外光的透射率為至少 50%，優(yōu)選至少80%。
[0010] 硬質(zhì)材料層為高折射率的涂層。在一種實(shí)施方式中，硬質(zhì)材料層在550nm波長(zhǎng)下 的折射率在1.8至2. 3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1.95至2. 1的范圍內(nèi)。
[0011] 涂層的高透射率特別可以通過(guò)單個(gè)晶粒的小尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種小尺寸例如可以避 免散射效應(yīng)。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，平均晶粒尺寸為最高20nm，優(yōu)選為最高15nm，特 別優(yōu)選為5至15nm。小的晶粒尺寸的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，包含晶粒的涂層具有更高的機(jī)械穩(wěn) 定性。較大的晶粒通常在其晶體結(jié)構(gòu)中具有錯(cuò)位，這不利于機(jī)械穩(wěn)定性。
[0012] 硬質(zhì)材料層中的A1N晶粒具有六角形的晶體結(jié)構(gòu)，其主要的擇優(yōu)取向 (Vorzugsrichtung)為（001)方向，即平行于襯底表面。在具有擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)中，晶 粒優(yōu)選占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱方向。在本發(fā)明中，擇優(yōu)取向?yàn)椋?01)方向的A1N晶體結(jié)構(gòu)特 別是指這樣的晶體結(jié)構(gòu)：該晶體結(jié)構(gòu)在X射線衍射測(cè)量的相應(yīng)XRD光譜中，在34°和37° 之間的區(qū)域內(nèi)顯示出最大反射。在此，該區(qū)域內(nèi)的反射可以對(duì)應(yīng)于具有（001)擇優(yōu)取向的 A1N晶體結(jié)構(gòu)。
[0013] 令人驚訝的是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)本發(fā)明的具有沿（001)擇優(yōu)取向的硬質(zhì)材料層相比 于具有相同或類似組分但沒(méi)有（001)擇優(yōu)取向的硬質(zhì)材料層具有更高的彈性模量和更大 的硬度。
[0014] 因此，具有（001)擇優(yōu)取向的涂層的高彈性模量可以解釋，因?yàn)榻Y(jié)晶材料的彈性 模量與其擇優(yōu)取向有關(guān)。因此，根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)材料層中平行于襯底表面的彈性模量是 最高的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，在10mN的測(cè)試力下，該硬質(zhì)材料層平行于襯底表面 的彈性模量為90至250GPa，優(yōu)選110至200GPa。
[0015] 涂層的耐刮性除了與硬度有關(guān)以外，還與涂層在襯底上的粘附情況有關(guān)。另外，如 果涂層和襯底具有不同的熱膨脹系數(shù)，可能會(huì)導(dǎo)致在涂層中產(chǎn)生應(yīng)力以及涂層剝落。在此， 在彈性模量相對(duì)較高的涂層中能夠更好地截住所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而使涂層更好地粘附在襯 底上。
[0016] 另外，涂層的耐磨損性也取決于各個(gè)涂層的硬度與彈性模量之比。因此，優(yōu)選涂層 硬度與彈性模量的比值為至少〇. 08,優(yōu)選為0. 1，特別優(yōu)選大于0. 1。這可以通過(guò)（001)擇 優(yōu)取向來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此，涂層組分類似而擇優(yōu)取向不同的涂層具有相對(duì)低的比值，該比值在 0. 06至0. 08的范圍內(nèi)。
[0017] 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)的（001)擇優(yōu)取向與（100)和（101)方向相比最顯著時(shí)，特別能夠獲 得上述特性。此外，在本發(fā)明的一種擴(kuò)展方案中，（100)取向的晶體結(jié)構(gòu)的份額高于（101) 取向的晶體結(jié)構(gòu)份額。
[0018] 為了確定具有（001)擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)份額，可以進(jìn)行如下操作：
[0019] -獲得掠入射XRD(GIXRD)光譜，即薄層X(jué)射線衍射；
[0020]-測(cè)定34°到37°區(qū)域內(nèi)相應(yīng)（001)反射的最大強(qiáng)度1_);
[0021] -測(cè)定32°到34°區(qū)域內(nèi)（100)反射的最大強(qiáng)度1(_;
[0022] -測(cè)定37°到39°區(qū)域內(nèi)（101)反射的最大強(qiáng)度1(101);
[0023] 呈現(xiàn)（001)擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)份額x_#y_按照下式計(jì)算：
[0024] x(001)=I(001)/(I(〇〇i)+I(i〇〇))
[0025] 和y(〇〇i)-I(〇〇1)/(1(〇〇1)+1(1〇1))。
[0026] 已經(jīng)證實(shí)：特別有利的是使x_和/或y_的份額大于0. 5,優(yōu)選大于0. 6,特別 優(yōu)選大于0.75。
[0027] A1N涂層的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱性。特別有利的是將根據(jù)本發(fā)明 的涂層作為防刮保護(hù)層涂覆在爐灶表面上。
[0028] 在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，A1N涂層中的氧含量為最高10原子數(shù)％，優(yōu)選為最 高5原子數(shù)％，特別優(yōu)選為最高2原子數(shù)％。
[0029] 涂層中較低的氧含量能夠防止氮氧化合物的形成，氮氧化合物對(duì)于晶體生長(zhǎng)、特 別是對(duì)于形成晶體結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)取向具有不利的影響。
[0030] 上述硬質(zhì)材料層的特性特別是可以通過(guò)利用濺射法對(duì)涂層進(jìn)行涂覆來(lái)獲得。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明涂層的硬度和防刮保護(hù)作用效果也可以通過(guò)在隨后涂層制造中的處 理加以改善。除了在爐中進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱處理之外，還可以采用閃光燈加熱或者激光處理。也 可以考慮利用離子或電子植入。由此能夠獲得晶體結(jié)構(gòu)的（001)擇優(yōu)取向或者進(jìn)一步提高 晶體結(jié)構(gòu)中的^。如和/或y份額。
[0032] 對(duì)于爐灶領(lǐng)域中的涂層應(yīng)用來(lái)說(shuō)，重要的是能夠使鍋具在爐灶上輕松地移動(dòng)。這 種