AT504006B1 - Werkzeuge mit kohlenstoffhaltigen beschichtungen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge mit kohlenstoffhaltigen Beschichtungen und Verfahren zu deren Herstellung.

Um die Standzeit von Werkzeugen in der zerspanenden und in der nicht-zerspanenden Bearbeitung zu erhöhen, sind seit Jahren Hartstoffschichten bekannt. Eine besondere Ausführungsform sind Kohlenstoffschichten, eine besondere Ausführungsform davon sind DLC- und Diamantschichten, die hohe Standzeiten gewährleisten. Ein genereller Nachteil bei unbeschichteten und bei beschichteten Werkzeugen ist die Tatsache, dass es zu Aufklebungen des bearbeiteten Materials kommt und somit die Lebensdauer des Werkzeuges reduziert wird, obwohl das Werkzeug noch nicht verschlissen ist. Dieses Problem kann einerseits durch besonders glatte Schichten, beispielsweise nanokristalline Diamantschichten (Carlisle J.A. and Auciello O., Ultra-nanocrystalline diamond- Properties and Applications in Biomedical Devices, The Electrochemi-cal Society Interface, 12 (1), 28-31 (2003)), gelöst werden, dies jedoch nicht immer zufriedenstellend.

Die DE 195 45 050 A1 offenbart ein Verfahren zur Abscheidung von Schichten mittels plasmagestützter Schichtabscheidung auf einem Substrat.

In der EP 1 182 274 A1 ist ein diamantbeschichtetes Hartmetall-Schneidwerkzeug, welches aus einer auf einem Substrat aufgetragenen Diamantschicht und einer darauf abgeschiedenen Kohlenstoffschicht besteht, geoffenbart.

Die WO 2004/083484 A1 offenbart u.a. ein Verfahren zur CVD-Beschichtung von Substraten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Oberflächenbeschichtungen für Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, die die Härte von herkömmlichen Beschichtungen für Werkzeuge (z.B. Diamant-beschichtete Werkzeuge) und zusätzlich Anti-Hafteigenschaften aufweisen, wodurch insbesondere Materialaufschmierungen reduziert bzw. verhindert werden. Diese Werkzeuge sollen sich auch durch verbesserte Gleiteigenschaften von Kontaktmaterialien auszeichnen.

Daher betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht, vorzugsweise einer kohlenstoffhaltigen Antihaftschicht, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines zu beschichtenden Werkzeuges, - Beschichten des Werkzeuges mit Diamant und/oder DLC (diamond-like carbon) und

Modifizieren der Diamant- und/oder DLC-haltigen Schicht mit mindestens einem chemischen Element und/oder einer chemischen Verbindung.

Werkzeuge, insbesondere solche die zum Zerspanen verwendet werden, werden zumeist mit einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung versehen, um die Härte der Oberfläche zu erhöhen und somit die Abnutzung des Werkzeugs bei dessen Verwendung zu reduzieren bzw. weitestgehend zu verhindern. Derartige Beschichtungen weisen aber den Nachteil auf, dass es zumeist zu Ablagerungen durch Materialaufschmierungen kommt. Insbesondere betrifft dieses Problem Werkzeuge, die zur mechanischen Bearbeitung von Materialien verwendet werden, bzw. solche Werkzeuge, welche beispielsweise mit Substanzen in Kontakt gebracht werden, die dazu neigen sich auf bestimmten Oberflächen abzulagern. Um diese Materialaufschmierungen und Ablagerungen zu reduzieren, wurde überraschend festgestellt, dass die Modifizierung von kohlenstoffhaltigen Oberflächen mittels Halogenen dazu führt, diese signifikant zu reduzieren bzw. zur Gänze zu verhindern. Diese Oberflächen bilden somit eine Antihaftbeschichtung aus.

Werkzeuge mit derartigen Eigenschaften werden hergestellt, indem zunächst das Werkzeug mit einer erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Beschichtung umfassend Diamanten und/oder 3 AT 504 006 B1 DLC (diamond-like carbon) überzogen wird. Anschließend werden chemische Elemente bzw. chemische Verbindungen, wie z.B. Halogene (Fluor, Chlor, Brom und/oder lod) oder Halogen-Verbindungen (z.B. PTFE), auf die Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Beschichtung aufgebracht, wobei beispielsweise die Bindung Halogen-Kohlenstoff vorzugsweise von kovalenter Natur ist.

Insbesondere hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft herausgestellt, da es die härtenden Eigenschaften der kohlenstoffhaltigen Beschichtung im Wesentlichen nicht beeinflusst und somit eine vergleichbare wenn nicht idente Härte wie unmodifizierte kohlenstoffhaltige Beschichtungen aufweist.

Im Gegensatz zu Beschichtungen, bei denen die Elemente im Zuge eines Beschichtungsverfahrens in die Schicht eingebracht werden (z.B. Halogene, wie Fluor), wird gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst die Beschichtung aufgebracht, die anschließend mit chemischen Elementen bzw. chemischen Verbindungen modifiziert wird. Ein Beispiel von Oberflächenbeschichtungen, in denen die Halogenatome in die Beschichtung eingebracht werden, ist in der US 6,572,937 B2 beschrieben. Die in dieser Patentschrift geoffenbarte fluorinierte DLC-Beschichtung weist nur bei äußerst geringen Mengen an Fluor in der Schicht eine vergleichbare Härte wie unmodifiziertes DLC auf. Daher eignen sich derartige Oberflächenbeschichtungen aufgrund der reduzierten mechanischen Stabilität nicht zur Beschichtung von Werkzeugen. Der Grund für ein derartiges Verhalten ist, dass im Diamantgitter Fehlstellen vorhanden sind, an denen die Halogene anlagern und damit die mechanischen Eigenschaften (aber auch andere Eigenschaften) stark beeinflussen.

Neben den Antihaft-Eigenschaften der erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Beschichtungen weisen diese auch hydrophobe, ultraphobe (d.h. hydro- als auch lipohobe) und/oder hydrophile Eigenschaften auf.

Die kohlenstoffhaltigen Schichten der vorliegenden Erfindung zeichnen sich auch durch geringe Reibungskoeffizienten aus. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Schichten einen Reibungskoeffizienten (ermittelt mit dem Kugel-Scheibe-Test) von weniger als 0,1, noch mehr bevorzugt von weniger als 0,08, besonders bevorzugt von weniger als 0,06, insbesondere von 0,03 oder weniger, auf.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind unter dem Begriff „Werkzeuge“ alle Arbeits- und Produktionsmittel zu verstehen. Das Werkzeug erfüllt seinen Zweck im Rahmen seiner Handhabung durch Menschen oder Tiere oder als Komponente innerhalb einer Maschine oder eines Apparates. Somit kann ein Werkzeug erfindungsgemäß ein Hilfsmittel zum Bearbeiten von Werkstücken und Stoffen verschiedenster Art (z.B. Metall, Holz, Stein, Erde, Textilien, Papier, Kunststoffen) sein. Selbstverständlich sind auch Teile von Werkzeugen bzw. Teile von Maschinen unter den Begriff „Werkzeug" zu subsumieren. Unterschieden werden kann auch zwischen Handwerkzeugen (werden von der Hand geführt) oder Maschinenwerkzeugen (werden in Maschinen eingespannt). Im Konkreten kann ein Werkzeug somit sein: Abflussspirale, Abzieher, Ahle, Amboss, Auftreibschere, Ausreiber, Locheisen, Axt, Bandhacke, Bandhaken, Bär, Bauchzange, Beil, Beitel, Bergeisen, Besen, Biegeeisen, Bindermesser, Bit, Bohrer, Bohrkrone, Bohrsäge bzw. Stichling, Brechstange, Bundaxt bzw. Bandhacke, Bundsäge, Bürste, Crimp-Zange, Fallhammer, Dengel-Hammer, Dechsel (auch Dachsbeil), Dietrich, Drehstahl siehe Drehmeißel, Drehmeißel, Drillbohrer, Drehmomentschlüssel, Engländer, Fällaxt, Falzhobel, Fäustel, Feile, Feilkolben, Filete, Flex, Fliesenschneider, Formen, Formenteile, Formeneinsätze, Formenholz, Forstnerbohrer, Franzose, Fräser, Friktionshammer, Fuchsschwanz, Fumiersäge, Gabelschlüssel, Gehrungsschmiege, Gehrungssäge, Geißfuß, Geradschere, Gewindebohrer, Gewindefeile, Glaserzange, Glasmacherpfeife, Glasschneider, Glättkelle, Grabgabel, Grabstichel, Grundsäge, Gummihammer, Halligan-Tool, Hammer, Handramme, Harke, Haue, Hebeisen, Hobel, Hobelbank, Hobeleisen, Hobelmeißel, Hohleisen, Innensechskant-Schlüssel (Imbusschlüssel), Iler (Schabeisen der Kammmacher), Justorium, Keilhaue, Kelle, Kittmesser, Klopfholz, Klüpfel, 4 AT 504 006 B1

Kluppe, Knarre, Knipp, Kombizange, Kornhammer, Krätzer, Kreuzhacke (Pickel), Kreuzschlitzschraubendreher, Körner, Kuhfuß, Kurbelhammer, Laubsäge, Lochbeitel, Locheisen, Lochsäge, Lohlöffel, Lötkolben, Lötlampe, Lockpicking, Matrizen, Meißel, Meißelbohrer, Messer, Mikrolithi-sches Werkzeug, Monierzange, Nadel, Nagel, Nageleisen, Nagelklaue, Nietenzieher, Nippelspanner, Nuthobel, Nuss, Pinzette, Pistill, Puksäge, Raspel, Ratsche, Räumaxt, Räumnadel, Rechen, Reibahle, Reibebrett, Reibschale, Reißnadel, Ringschlüssel, Rohrzange, Rundglasschneider, Rundschere, Sackbohrer, Säge, Sappi, Sappel, Schaufel, Schere, Schießnadel, Schlagschere, Schlagstempel, Schlegel, Schleifpapier, Schleifscheibe, Schleifteller, Schlüsselfeile, Schneideisen, Schraubenzieher, Schraubenschlüssel, Schraubzwinge, Schrotaxt, Schwingschleifer, Seitenschneider, Sense, Sichel, Sickenhammer, Skalpell, Skelettpistole, Spachtel, Spaltaxt, Spalthammer, Spaten, Spitzhammer, Splintentreiber, Spritzgusswerkzeug, Stampfer, Stemmeisen, Stempel, Stichaxt, Stichling, Stift, Stifthammer, Strukturzange (Glasmacher), Tacker, Täcks, Tapetenmesser, Teppichmesser, Tasso, Thermosäge, Transmissionshammer, Traufel, Versenker, Umformwerkzeuge, Vertikalhammer, Waldaxt, Walze, Wendeschneidplatten, Werkzeugschrank, Windeisen, Winkelschere, Wölbungshobel, Zahnkamm, Zahnkelle, Zange, Zapine, Zappel, Zentrierbohrer, Ziehfeder, Ziehklinge, Zimmeraxt, Zirkel, Zirkelschneider (Rundglasschneider), Zugmesser, Zwackeisen usw..

Ferner sind erfindungsgemäß unter „Werkzeuge“ auch medizinische, insbesondere chirurgische, Instrumente zu verstehen. Dazu zählen haltende Werkzeuge/Instrumente, wie Wundhaken, Retraktoren, Spreizer, Spekula und Trokarhülsen, fassende Werkzeuge/Instrumente, wie Pinzetten, Klemmen und Fasszangen, klemmende Werkzeuge/Instrumente (zum Abklemmen von Gefäßen wie Venen oder Darm) und schneidende Werkzeuge/Instrumente bzw. Nähwerkzeuge. Insbesondere sind unter derartigen Werkzeugen auch Skalpelle, Implantate, Stents, Nadeln, Messer, Scheren, usw. zu subsumieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Diamant-und/oder DLC-haltige Schicht weiters amorphen Kohlenstoff, DLC (diamond-like carbon), Grafit, Nanotubes, Nanowires, Fullerenen, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die kohlenstoffhaltige Schicht polykristalline, mikrokristalline, nanokristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamantkristalle.

Kohlenstoffhaltige Schichten umfassend polykristalline, mikrokristalline, nanokristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamantkristalle, insbesondere nanokristalline bzw. ultrananokristalline Diamantkristalle, besitzen aufgrund ihrer hohen Reinheit und nahezu 100%igen sp3-Hybridisierung die Eigenschaften von natürlichem Diamant und können als dünne Schicht (von 0,1 nm bis 2 mm, vorzugsweise von 200 nm bis 100 pm) auf unterschiedliche Substrate aufgebracht werden. Insbesondere weisen nanokristalline Diamantschichten glatte Oberflächen im Bereich des Verschleißschutzes zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Standzeiten von Werkzeugen für die Zerspanung abrasiver Materialien, wie z.B. Grafit, Aluminium und -legierungen, faserverstärkte Kunststoffe usw. auf. Diamantschichten mit Korngrößen im Nanometerbereich verlängern somit die Lebensdauer von Werkzeugen, insbesondere von Zerspanungswerkzeugen. Ausschlaggebend dafür sind glattere Oberflächen, verbesserte Haftfähigkeit und verringerte Schichtdicke. Die Vorteile dieser nanokristallinen Schichten kommen unter anderem beim Zerspanen von verstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen zum Tragen.

Die kohlenstoffhaltige Schicht weist einen Diamantkristallanteil von mindestens 10%, von mindestens 20%, von mindestens 30%, von mindestens 40%, von mindestens 50%, von mindestens 60%, von mindestens 70%, von mindestens 80%, von mindestens 90%, von mindestens 95%, von mindestens 99%, insbesondere von mindestens 99,5%, auf.

Bereits bei einem Diamantkristallanteil von mindestens 10% weisen entsprechend beschichtete Oberflächen die erfindungsgemäßen Eigenschaften auf. 5 AT 504 006 B1

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die kohlenstoffhaltige Schicht Diamantkristalle mit einer Kristallitgröße von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 5 bis 100 nm, insbesondere von 8 bis 30 nm, auf.

Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn die Diamantschicht eine Kristallitgröße von weniger als 500 nm, vorzugsweise von weniger als 300 nm, insbesondere von weniger als 100 nm, aufweist. Dadurch lassen sich beschichtete Oberflächen mit einer noch glatteren Beschichtung herstellen.

Die kohlenstoffhaltige Schicht weist eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 2 mm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 mm, noch bevorzugter von von 500 nm bis 250 μιτι, insbesondere von 1 bis 100 pm auf.

Das Werkzeug, das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, umfasst vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, insbesondere Gold, Stahl, Molybdän und Titan, Metalllegierungen, insbesondere Stahllegierungen, Molybdänlegierungen und Titanlegierungen, Hartmetallen, Cermets, Metalloxiden, mineralischen Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Pyrokohlenstoff und Grafit, Polymer, Kunststoff, Keramik, Porzellan, Glas, Quarzglas, Metallsilizide und Siliziumkarbid, Multi-Matrix Compounds (MMC), Glassy Carbon und Mischungen davon.

Das erfindungsgemäß zu beschichtende Werkzeug kann aus jeglichem Material bestehen, aus dem Werkzeuge üblicherweise hergestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zwischen dem Substrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht mindestens eine Zwischenschicht aufgebracht.

Eine Zwischenschicht bietet sich für Werkzeuge an, die einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber der kohlenstoffhaltigen Schicht, insbesondere Diamantschicht, aufweist. Durch eine solche Zwischenschicht können Schichtspannungen abgebaut und somit die Schichthaftung verbessert werden. Weiters ist es durch Zwischenschichten möglich, Substrate zu beschichten, die mit der Kohlenstoffschicht eine chemische Bindung eingehen würden. Ein Beispiel dafür sind Hartmetalle, bei denen durch eine geeignete Zwischenschicht die Kobalt-Bestandteile des Hartmetalls chemisch deaktiviert bzw. abgedeckt (passiviert) werden und somit die Bildung von Kobalt-Karbid entweder verhindert oder in für die Kohlenstoffschicht nicht aktive Bereiche verlegt werden. Erfindungsgemäß können mehrere Zwischenschichten vorgesehen werden, so dass ein Multilayer-System auf dem Werkzeug ausgebildet wird. Beispielsweise kann die mehrlagige Schicht eine Diamant-, eine DLC- und eine Polymer-Schicht umfassen.

Die Zwischenschicht umfasst vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierungen, Metalloxiden, Metallkarbiden, Siliziumverbindungen, insbesondere Metallsilizide, wie Kobaltsilizid, und Siliziumkarbid, mineralischen Oxiden, Grafit, Halbleiter, Polymer, Kunststoff, Keramik, Glas, Quarzglas, Kieselgel, Stahl, Stahllegierungen, Komposit-Materialien, Nanotubes, Nanowires, Nanopartikel, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon.

Die Diamant- bzw. DLC-haltige Schicht kann erfindungsgemäß durch im Stand der Technik bekannte Methoden auf das Werkzeug aufgebracht werden, wobei vorzugsweise das Verfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CVD, vorzugsweise Plasma unterstütztes CVD, thermisches CVD, Metall-organisches CVD, Mikrowellen-CVD und Laser-CVD, PVD, vorzugsweise Ion Plating und Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), IBAD, Hot-Filament und Sputtern.

Erfindungsgemäß kann die kohlenstoffhaltige Beschichtung mit verschiedensten Verfahren auf ein Werkzeug aufgebracht werden. Insbesondere bevorzugt sind jedoch die oben angeführten 6 AT 504 006 B1

Verfahren, da sich diese besonders gut eignen kohlenstoffhaltige Beschichtungen auf Oberflächen herzustellen.

Ein weit verbreitetes Verfahren hierbei ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical vapor deposition). Dabei wird an der erhitzten Oberfläche eines Substrates aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase die Kohlenstoffkomponente abgeschieden. Voraussetzung hierfür ist, dass flüchtige Kohlenstoffverbindungen existieren, die bei einer bestimmten Reaktionstemperatur die feste Schicht abscheiden. Das CVD-Verfahren zeichnet sich durch mindestens eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkzeugs aus. An dieser Reaktion sind vorzugsweise mindestens zwei gasförmige Ausgangsverbindungen und mindestens zwei Reaktionsprodukte - davon mindestens eines gasförmig und mindestens eines in der festen Phase - beteiligt. Um die Oberflächenreaktion gegenüber konkurrierenden Reaktionen in der Gasphase zu bevorzugen und somit die Bildung von festen Kohlenstoffpartikeln zu vermeiden, werden Prozesse der chemischen Gasphasenabscheidung vorzugsweise bei reduziertem Druck betrieben. Im Unterschied zu physikalischen Verfahren (z.B PVD) ermöglicht die chemische Gasphasenabscheidung auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen. So können z.B. feinste Vertiefungen in Werkzeugen oder auch Hohlkörper auf ihrer Innenseite gleichmäßig beschichtet werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich die erfindungsgemäßen Werkzeuge mit Varianten des CVD-Verfahrens zu beschichten. Durch die plasmaunterstützte Chemische Gasphasenabscheidung (PECVD: Plasma Enhanced CVD) beispielsweise kann die Temperaturbelastung des Werkzeugs reduziert werden. Dabei wird oberhalb des Werkzeugs ein Plasma gezündet. Die eingeleiteten Gase werden in diesem Plasma angeregt, dadurch reduziert sich die Reaktionsenergie und die Temperatur kann dadurch niedriger sein. Bei einer weiteren Variante, dem RPECVD (Remote Plasma Enhanced CVD), wird das Plasma räumlich vom Werkzeug getrennt. Dadurch wird die Strahlungsbelastung des Substrats reduziert. Beim HFCVD Verfahren (Hot Filament Chemical Vapour Deposition = Heissdraht aktivierte Gasphasenabscheidung) wird die Schichtabscheidung durch im Rezipienten gespannte Filamente (Drähte) ermöglicht, die üblicherweise aus Wolfram oder Tantal bestehen. Durch eine angelegte Spannung werden die Filamente zum Glühen gebracht, wobei Drahttemperaturen von bis zu 2600°C erreicht werden. Die verwendeten Gase werden durch diese hohen Temperaturen an den Filamenten zu Radikalen gespalten und die so gebildeten Spezies sorgen für den Schichtaufbau. Beim LPCVD-Verfahren (Low Pressure CVD) ist in der Reaktionskammer ein Hochvakuum angelegt. Mit MOCVD (Metal Organic CVD, OMCVD) wird die chemische Abscheidung aus metallorganischen Ausgangsverbindungen bezeichnet. Eine Untergruppe des MOCVD ist die Gasphasen-Epitaxie (MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), bei der kristalline Schichten sehr hoher Qualität hergestellt werden. Beim Laser- bzw. Mikrowellen-CVD-Verfahren werden die chemischen Reaktionen durch einen Laserstrahl bzw. durch Mikrowellen ausgelöst, die auf das Substrat gerichtet sind.

Ein weiteres Verfahren zur Beschichtung von Werkzeugen mit Kohlenstoff ist die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, physical vapour deposition). Bei diesem Verfahren wird das abzuscheidende Material in fester Form in der meist evakuierten Beschichtungskammer vorgelegt. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung wird das Material, das als Target bezeichnet wird, verdampft. Das verdampfte Material bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtenden Teile, wo es zur Schichtbildung kommt. Damit die Dampfteilchen die Bauteile auch erreichen und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verloren gehen, muss im Unterdrück gearbeitet werden. Treffen die Dampfteilchen auf das Substrat, beginnen sie sich durch Kondensation an der Oberfläche abzulagern. Die Teilchen bleiben dabei nicht an der Stelle, an der sie auf das Werkzeug treffen, sondern bewegen sich, je nachdem wie hoch ihre Energie ist, an der Oberfläche entlang (Oberflächendiffusion), um einen energetisch günstigeren Platz zu finden. 7 AT 504 006 B1

Neben diesen beiden Hauptverfahren eignet sich auch das IBAD-Verfahren (Ion Beam Assisted Deposition, lonenstrahl-unterstützte Beschichtung), um Werkzeuge erfindungsgemäß zu beschichten. Beim IBAD-Verfahren werden die Ionen, die vergleichbar mit dem PVD-Verfahren benötigt werden, von zumindest einer lonenkanone geliefert.

Das hot-filament-Verfahren beruht auf der thermischen Anregung von kohlenstoffhaltigen Gasen im Niederdruck-Bereich. Dabei scheiden sich verschiedene Formen von kohlenstoffhaltigen Schichten auf einem Substrat ab. Durch die thermische Anregung eines zweiten Gases - meist Wasserstoff, der in atomaren Wasserstoff aufgespalten wird - werden anschließend die Komponenten weggeätzt, bei denen der Kohlenstoff in sp1- oder sp2-Hybridisierung vorliegt. Bei geeigneter Parameterwahl ist somit die Aufbringung von kohlenstoffhaltigen Schichten mit sehr hohem kristallinen sp3-Hybrid-Anteil möglich. Eine Ausführungsform dieser Technologie ist in „Diamond and Related Materials“ (P.K. Bachmann et al., 1991) und in der JP 2 092 895 beschrieben.

Einen Überblick über verschiedene Beschichtungstechnologien findet man zum Beispiel in „Diamond Films Handbook (edited by Jes Asmussen and D.K. Reinhard, Marcel Dekker, 2002, ISBN 0-8247-9577-6) oder in „Synthetic Diamond - Emerging CVD Science and Technology“ (edited by K.E. Spear and J.P. Dismukes, The Electrochemical Society Series, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-53589-3).

Weitere bevorzugte Verfahren sind in der JP 1 157 498, EP 0 376 694, US 4,504,519 EP 0 607 987 und AT 399 726 B beschrieben. Bei letzterem Verfahren handelt es sich um ein abgewandeltes hot-filament-Verfahren, bei dem die Gasanregung mit sehr hoher Effizienz betrieben werden kann. Mit diesem Verfahren können nicht nur DLC-Schichten und mikrokristalline Diamantschichten hergestellt werden, sondern auch sehr reine nanokristalline Diamantschichten, die sich in der hier beschriebenen Grundkörper-Beschichtung als besonders vorteilhaft erwiesen haben.

Das chemische Element bzw. die chemische Verbindung, die auf die kohlenstoffhaltige Schicht aufgebracht wird, ist vorzugsweise ein Halogen bzw. eine Halogenverbindung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Halogen Fluor und die halogenhaltige Verbindung eine fluorhaltige Verbindung (z.B. PTFE).

Insbesondere die Verwendung des Halogens Fluor im erfindungsgemäßen Verfahren führt zu Werkzeugen, die insbesondere reduzierte Aufschmiereigenschaften aufweisen.

Die kohlenstoffhaltige Beschichtung wird vorzugsweise durch Inkontaktbringen mit atomaren (z.B. F) und/oder molekularen Halogenen (z.B. F2) oder mit mindestens einer Halogenverbindung modifiziert.

Um Halogene, insbesondere Fluor, auf die erfindungsgemäße kohlenstoffhaltige Oberfläche aufzubringen, wird das beschichtete Werkzeug mit Halogenen in jeglicher chemischen Form (d.h. molekular, atomar oder in Form von Verbindungen) in Kontakt gebracht. Hierzu sind Verfahren bereits im Stand der Technik bekannt: US 6,572,937 B2, US 2005/0158549, US 5,840,426, Liu Y et al. (J Am Chem Soc (2005) 127:3713), WO 2005/089112.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Halogenverbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CnF2n+1l, insbesondere C4F9I oder CF3I, C2F6, XeF2.

Die vorliegende Erfindung beruht in einer bevorzugten Ausführungsform auf einer funktionali-sierten nanokristallinen Diamantschicht nach einem der oben angeführten Verfahren, deren Funktionalisierung einen Anti-Haft-Effekt auf das Material, das bei der Bearbeitung verwendet 8 AT 504 006 B1 wird, aufweist. Diese Funktionalisierung beruht in einer bevorzugten Ausführungsform auf Halogenen, in einer weiteren Ausführungsform speziell auf Fluor, von dem bekannt ist, dass es als Verbindung mit Kohlenstoff Material-abweisende Eigenschaften besitzt, eine besonders bekannte Ausführungsform ist Teflon (PTFE, Polytetrafluorethylen).

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Werkzeug, welches nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer kohlenstoffhaltigen Antihaftbeschichtung umfassend Diamanten und/oder DLC, wobei die Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Beschichtung mit mindestens einem chemischen Element und/oder einer chemischen Verbindung modifiziert ist.

Die kohlenstoffhaltige Schicht umfasst vorzugsweise amorphen Kohlenstoff, Grafit, Nanotubes, Nanowires, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die kohlenstoffhaltige Schicht polykristalline, mikrokristalline, nanokristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamantkristalle.

Die kohlenstoffhaltige Schicht des erfindungsgemäßen Werkzeugs weist vorzugsweise einen Diamantkristallanteil von mindestens 10%, von mindestens 20%, von mindestens 30%, von mindestens 40%, von mindestens 50%, von mindestens 60%, von mindestens 70%, von mindestens 80%, von mindestens 90%, von mindestens 95%, von mindestens 99%, insbesondere von mindestens 99,5%, auf.

Die kohlenstoffhaltige Schicht weist vorzugsweise Diamantkristalle mit einer Kristallitgröße von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 5 bis 100 nm, insbesondere von 8 bis 30 nm, auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die kohlenstoffhaltige Schicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 2 mm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 mm, noch bevorzugter von von 500 nm bis 250 pm, insbesondere von 1 bis 100 pm auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Werkzeug ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, insbesondere Gold, Stahl, Molybdän und Titan, Metalllegierungen, insbesondere Stahllegierungen, Molybdänlegierungen und Titanlegierungen, Hartmetallen, Cermets, Metalloxiden, mineralischen Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Pyrokohlenstoff und Grafit, Polymer, Kunststoff, Keramik, Porzellan, Glas, Quarzglas, Metallsilizide und Siliziumkarbid, Multi-Matrix-Compounds (MMC), Glassy Carbon und Mischungen davon.

Zwischen dem Substrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht ist vorzugsweise mindestens eine Zwischenschicht aufgebracht.

Diese Zwischenschicht umfasst vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierungen, Metalloxiden, Metallkarbiden, Siliziumverbindungen, insbesondere Metallsilizide, wie Kobaltsilizid, und Siliziumkarbid, mineralischen Oxiden, Grafit, Halbleiter, Polymer, Kunststoff, Keramik, Glas, Quarzglas, Kieselgel, Stahl, Stahllegierungen, Kom-posit-Materialien, Nanotubes, Nanowires, Nanopartikel, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das chemische Element bzw. die chemische Verbindung, die auf die kohlenstoffhaltige Schicht aufgebracht wird, vorzugsweise ein Halogen bzw. eine Halogenverbindung.

Claims (26)

1. 9 AT 504 006 B1 Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Halogen Fluor und die halogenhaltige Verbindung eine fluorhaltige Verbindung (z.B. PTFE). Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht, vorzugsweise einer kohlenstoffhaltigen Antihaftschicht, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines zu beschichtenden Werkzeuges, - Beschichten des Werkzeuges mit Diamant und/oder DLC (diamond-like carbon) und - Modifizieren der Diamant- und/oder DLC-haltigen Schicht mit mindestens einem chemischen Element und/oder einer chemischen Verbindung.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamant- und/oder DLC-haltige Schicht weiters amorphen Kohlenstoff, Grafit, Nanotubes, Nanowires, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon umfasst.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht polykristalline, mikrokristalline, nanokristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamantkristalle umfasst.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht einen Diamantkristallanteil von mindestens 10%, von mindestens 20%, von mindestens 30%, von mindestens 40%, von mindestens 50%, von mindestens 60%, von mindestens 70%, von mindestens 80%, von mindestens 90%, von mindestens 95%, von mindestens 99%, insbesondere von mindestens 99,5%, aufweist.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht Diamantkristalle mit einer Kristallitgröße von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 5 bis 100 nm, insbesondere von 8 bis 30 nm, aufweist.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 2 mm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 mm, noch bevorzugter von von 500 nm bis 250 pm, insbesondere von 1 bis 100 pm aufweist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, insbesondere Gold, Stahl, Molybdän und Titan, Metalllegierungen, insbesondere Stahllegierungen, Molybdänlegierungen und Titanlegierungen, Hartmetallen, Cermets, Metalloxiden, mineralischen Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Pyrokohlenstoff und Grafit, Polymer, Kunststoff, Keramik, Porzellan, Glas, Quarzglas, Metallsilizide und Siliziumkarbid, Multi-Matrix Compounds (MMC), Glassy Carbon und Mischungen davon, umfasst.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht mindestens eine Zwischenschicht aufgebracht wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierungen, Metalloxiden, Metallkarbiden, Siliziumverbindungen, insbesondere Metallsilizide, wie Kobaltsilizid, und Siliziumkarbid, mineralischen Oxiden, Grafit, Halbleiter, Polymer, Kunststoff, Keramik, Glas, Quarzglas, Kieselgel, Stahl, Stahllegierungen, Komposit-Materialien, Nanotubes, Nanowires, Nanopartikel, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon, umfasst. 10 AT 504 006 B1
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamant-und/oder DLC-haltige Schicht durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CVD, vorzugsweise Plasma unterstütztes CVD, thermisches CVD, Metall-organisches CVD, Mikrowellen-CVD und Laser-CVD, PVD, vorzugsweise Ion Plating und Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), IBAD, Hot-Filament und Sputtern aufgebracht wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element, mit dem die Diamant- und/oder DLC-haltige Schicht modifiziert wird, ein Halogen und die chemische Verbindung eine halogenhaltige Verbindung ist.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogen Fluor und die halogenhaltige Verbindung eine fluorhaltige Verbindung ist.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Beschichtung durch Inkontaktbringen mit atomaren und/oder molekularen Halogenen oder mit mindestens einer Halogenverbindung modifiziert wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Halogenverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CnF2n+1l, insbesondere C4F9I oder CF3I, C2F6i XeF2.
15. 15. Werkzeug hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. 16. Werkzeug mit einer kohlenstoffhaltigen Antihaftbeschichtung umfassend Diamanten und/oder DLC (diamond-like carbon), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Beschichtung mit mindestens einem chemischen Element und/oder einer chemischen Verbindung modifiziert ist.
17. 17. Werkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht weiters amorphen Kohlenstoff, Grafit, Nanotubes, Nanowires, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon umfasst.
18. 18. Werkzeug nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht polykristalliner mikrokristalline, nanokristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamantkristalle umfasst.
19. 19. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht einen Diamantkristallanteil von mindestens 10%, von mindestens 20%, von mindestens 30%, von mindestens 40%, von mindestens 50%, von mindestens 60%, von mindestens 70%, von mindestens 80%, von mindestens 90%, von mindestens 95%, von mindestens 99%, insbesondere von mindestens 99,5%, aufweist.
20. 20. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht Diamantkristalle mit einer Kristallitgröße von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 5 bis 100 nm, insbesondere von 8 bis 30 nm, aufweist.
21. 21. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Schicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 2 mm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 mm, noch bevorzugter von von 500 nm bis 250 pm, insbesondere von 1 bis 100 pm aufweist.
22. 22. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, insbesondere Gold, Stahl, Molybdän und Titan, Metalllegierungen, insbesondere Stahllegierungen, Molybdänlegierungen und Titanlegierungen, Hartmetallen, Cermets, Metalloxiden, mineralischen 1 1 AT 504 006 B1 Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Pyrokohlenstoff und Grafit, Polymer, Kunststoff, Keramik, Porzellan, Glas, Quarzglas, Metallsilizide und Siliziumkarbid, Multi-Matrix Compounds (MMC), Glassy Carbon und Mischungen davon, umfasst.
23. 23. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht mindestens eine Zwischenschicht aufgebracht ist.
24. 24. Werkzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierungen, Metalloxiden, Metallkarbiden, Siliziumverbindungen, insbesondere Metallsilizide, wie Kobaltsilizid, und Siliziumkarbid, mineralischen Oxiden, Grafit, Halbleiter, Polymer, Kunststoff, Keramik, Glas, Quarzglas, Kieselgel, Stahl, Stahllegierungen, Komposit-Materialien, Nanotubes, Na-nowires, Nanopartikel, Fullerene, Pyrokohlenstoff, Glassy Carbon und Mischungen davon, umfasst.
25. 25. Werkzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element ein Halogen und die chemische Verbindung eine halogenhaltige Verbindung ist.
26. 26. Werkzeug nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogen Fluor und die halogenhaltige Verbindung eine fluorhaltige Verbindung ist. Keine Zeichnung