AT504460A1 - Verfahren zur herstellung von diamant-beschichteten substratoberflächen - Google Patents

Description

  Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Diamant-beschichteten Substratoberflächen.
Künstlich abgeschiedene Diamantschichten weisen eine Vielzahl an verschiedenen Applikationsmöglichkeiten auf. Die aufgebrachte Diamantschicht auf Bauteilen kann beispielsweise als reibungsvermindernde Schicht (z.B. Gleitlagerring), als dekorative Schicht (z.B. Kratzschutz) bzw. zur Steigung der Verschleissschutzeigenschaften bei Bauteilen, insbesondere bei Werkzeugen zur spanenden bzw. spanlosen Umformung zu bearbeitender Werkstoffe in der Werkzeugindustrie, verwendet werden. Die Aufbringung von künstlichen polykristallinen Diamantfilmen mit grob- oder nano-kristalliner Struktur ist die Diamantabscheidung aus der Gasphase mittels CVD- (Chemical vapour deposition) Verfahren.

   Solche Beschichtungsverfahren sind z.B. in JP 2092895 und US 6,383,288 (Heissdrahtverfahren) bzw. in EP 0 297 845 und US 5,378,285 (Plasmaverfahren) beschrieben. Solche Diamantschichten können mittels Hybrid-Verfahren hergestellt werden, die z.B. in der EP 0 297 845 und der US 6,200,652 beschrieben sind. Meistens erfolgt die Diamantabscheidung aus der Gasphase mittels Wasserstoff und einen Kohlenstoffprecursor, wie z.B. Methan, bzw. teilweise mit Beimengung eines weiteren Prozessgases.
Diamant-beschichtete Oberflächen bzw. Bauteile umfassen ein Substratmaterial und eine darauf aufgebrachte künstliche Diamantschicht. Als Substratmaterialien beispielsweise für Bauteile zur spanenden bzw. spanlosen Umformung, werden meist Hartmetalle verwendet, d.h.

   Sintermaterialien bestehend aus Hartstoffpartikeln in einer metallischen Bindermatrix, insbesondere Wolframkarbid-Hartstoffpartikel in einer Nickel- bzw. Kobaltbindermatrix. Teilweise erfolgt die Zugabe von geringen Mengen von Zusatzkarbiden, wie z.B. Titankarbid (TiC) , Tantal-Niob-Karbid (TaNbC) , Chromkarbid (Cr2C3) und Vanadiumkarbid (VC) und Kombinationen davon. Bevorzugt werden z.B. Werkzeuge für zerspanende Bearbeitungsvorgänge aus Wolframkarbid mit Konzentrationen zwischen 2-15 Gew.% Kobaltbindermaterial gefertigt. Die mittleren Wolframkarbidkorngrössen bewegen sich in der Grössenordnung typischerweise von 0,2[mu]m (Ultra-feinkorn) bis über 2,5[mu]m (Grobkorn). Als Substratmaterialien können neben obigen Materialien auch metallische Grundkörper wie z.B. Schnellarbeitsstahl (High-speed steel, HSS) oder Edelstahlsubstrate (SS) beschichtet werden.

   Diese metallischen Substrate sind Legierungen aus Eisen und Koh lenstoff bzw. anderen Legierungselementen. Auch reine Metalle, wie Kupfer, Tantal, Nickel, etc., bzw. Legierungen von Metallen, wie z.B. Titanaluminid, und auch keramischen Grundkörper, wie z.B. Aluminiumoxid (AI2O3) , Zirkonoxid (ZrO) , etc., können mit Diamanten bzw. "diamond-like carbon" beschichtet werden.
Um eine Diamantfilmabscheidung auf diesen Werkstoffen zu ermöglichen bzw. um eine möglichst gute Haftung der DiamantSchicht auf dem Grundkörper zu erzielen, können verschiedene Vorbehandlungsmethoden verwendet werden.
Beispielsweise kommt es bei der Diamantbeschichtung eines nicht vorbehandelten Sintermetallkarbidsubstrates auf Grund der hohen Kohlenstofflöslichkeit des Kobalt- bzw.

   Nickelbinders im Anfangsstadium des Beschichtungsprozesses zur Ausbildung einer grafitischen Phase anstatt der Diamantphase, welche die Schichthaftung der Diamantschicht auf dem Substrat negativ beeinflusst. Um eine gute Schichthaftung zu erzielen, muss das Substratmaterial daher einer entsprechende Oberflächenvorbehandlung unterzogen werden. Bei einer Vielzahl von Werkstoffen treten Schichthaftungsprobleme aufgrund des stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Grundkörper und Diamantschicht auf. Die hohen Druckspannungen zwischen Substrat und Diamantschicht können zu spontanen Schichtablösungen führen.
Die US 5,650,059A beschreibt z.B. ein Verfahren zur Entfernung des oberflächennahen Bindermaterials, beispielsweise Kobalt, durch einen elektrochemischen Ätzprozess mit Verwendung eines z.B. 10 Vol.% Natriumhydroxid (NaOH) -Elektrolyten.

   In einem zweiten anschliessenden nasschemischen Ätzprozess wird Kobalt aus tiefer gelegenen Oberflächenregionen bzw. die WxCyCo-Phase ([eta]-Phase) entfernt. Die Tiefe der erzielen Kobaltauswaschungszone bzw. der Oberflächenaufrauung richtet sich beim ersten Vorbehandlungsschritt nach Konzentration und Temperatur des Elektrolyten, Stromstärke, Ätzdauer und geometrisch bedingten Faktoren. Im zweiten Vorbehandlungsschritt nach der verwendeten Ätzreagenz (z.B. HC1:H202(3 Vol%) : H20=1: 1 : 2) und nach der Ätztemperatur bzw. Ätzdauer. Durch obiges Verfahren wird das oberflächennahe Kobalt typischerweise bis in Tiefen von 15[mu]m entfernt.
In der DE 19522372A1 wird zum Aufbringen der Diamantschicht auf ein Sintermetallkarbid-Substrat ein zweistufiger Ätzprozess beschrieben. In einem ersten Schritt wird ein Teil des Kobaltbindemittels selektiv entfernt.

   Nach anschliessender Reinigung der Oberflächen wird ein Oberflächen-Metallkarbidkörnchen selektiver Vorbehandlungsschritt beschrieben, während praktisch keine Ätzung des Kobaltbindemittels auftritt. Nach einem weiteren Reinigungsschritt erfolgt die Abscheidung eines Diamantfilmes auf dem vorbereiteten Hartmetallsubstrat.
Durch die Auswaschung des Bindematerials bei Sintermetallkarbid-Substraten durch die oben beschriebenen Verfahren kommt es zu einer Versprödung des Hartmetalls in der Oberflächenregion. Dies ist insbesondere bei Schneidkanten von Werkzeugen kritisch und zu vermeiden, da durch die Versprödung die Stabilität der Schneidkante bei Belastung deutlich reduziert wird. Eine niedrige Schneidkantenverrundung ist besonderes bei der Bearbeitung von z.B. untereutektischem Aluminium, Kohlenstoff- bzw.

   Glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK/GFK) , Titan, Kupfer und Metal Matrix Compounds (MMC) vorteilhaft. Weiteres kommt es durch die Entfernung von Metallkarbidkörnchen aus der Oberfläche zu einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit des Substrates, wodurch die Aufbauschneidenbildung, z.B. bei der Bearbeitung von Aluminium, begünstig wird.
Neben den oben beschriebenen Verfahren zur Entfernung des oberflächennahen Bindermaterials bei Sintermetallkarbid-Substraten ist in der Literatur die Verwendung einer Zwischenschicht zwischen dem Substrat bzw. der DiamantSchicht beschrieben. Diese wirkt als Diffusionssperre für das Bindermaterial bei der Diamantbeschichtung, wodurch die Ausbildung einer grafischen Zwischenschicht durch das Bindermaterial vermieden wird. Zusätzlich wird die Oberflächenregion nicht versprödet und das Substrat kann seine Zähigkeit beibehalten.

   Weiteres kann durch die Aufbringung der Diffusionssperre der kosten- und zeitintensive nasschemische Vorbehandlungsprozess, insbesondere kann die aufwändige Entwicklung einer optimalen substratspezifischen Vorbehandlungsmethode, vermieden werden. Ein weiterer Vorteil einer Zwischenschicht besteht in einer Verminderung von Druckspannungen zwischen dem Substrat und der Diamantschicht. Sintermetallkarbid-Substrate weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zirka 5,5*10<">K<¯>, keramische Substrate von zirka 7-10*10<">K<¯><1>, bzw. bei HSS oder Edelstahl liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich 13-15*10<_6>K<_1>. Diamant weist einen thermisehen Ausdehnungskoeffizienten von 1*10 -6K-1 bei Raumtemperatur auf.

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Aufbringung einer kubischen ss-Siliziumkarbid-Zwischenschicht auf Sintermetallkarbid-Substraten unterschiedlichen Kobaltgehaltes wird in der Veröffentlichung "Entwicklung von Zwischenschichten für die wirtschaftliche Beschichtung von beliebigen Hartmetallen mit CVD-Diamant-Dünnschichten" in Diamond business - Zeitschrift für die Diamantindustrie, Heft 12, Ausgabe 1/2005 vorgestellt (siehe dazu auch 11. Treffen Industrie-Arbeitskreis CVD-DiamantWerkzeuge, Oktober 2004, Fraunhofer IST, Braunschweig) .

   Als Zwischenschichtmaterial wird kristallines, kubisches Siliziumkarbid in einen Heissdraht-Diamantbeschichtungsreaktor aufgedampft, wobei als Zwischenschicht-Precursor Tetramethylsilian (TMS, Si-(CH3)4) verwendet wird. Bei einer Ex-Situ-Beschichtung wird die Zwischenschicht im Heissdrahtreaktor aufgedampft und das Substrat nach Abscheidung der Zwischenschicht ausserhalb der CVDAnlage mit Diamantpulverpartikeln bekeimt, welche in Folge als Startkeime für das Diamantwachstum dienen. Anschliessend wird in einem zweiten Prozessschritt im Heissdrahtreaktor das Substrat mit der bekeimten Zwischenschicht mit Diamant beschichtet. Bei einer In-Situ-Prozessführung wird das Substrat bekeimt, im Heissdrahtreaktor erfolgt die Aufdampfung der SiC-Zwischenschicht und anschliessend erfolgt die Diamantbeschichtung im Reaktor ohne externe Bekeimung.

   Der Übergang von der Zwischenschichtabscheidung (mittels der Prozessgase TSM und CH4) in die Diamantabscheidung (Prozessgase H2und CH4) erfolgt dabei als Gradientenprozess, wobei ein "fliessender" Übergang von der SiC-Abscheidung in die Diamantabscheidung erfolgt.
In der US 2005/069709 wird die Diamantbeschichtung von Sintermetallkarbid-, HSS- und SS-Substraten mittels keramischer und/oder metallischer Zwischenschicht bzw. die Kombination mehrer solcher Zwischenschichten, welche mittels z.B. Physical Vapour Deposition (PVD) abgeschieden werden können, beschrieben. Die keramische Zwischenschicht dient während der Diamantbeschichtung als Diffusionsbarriere zwischen der metallischen Schicht und dem Substrat, die metallische Zwischenschicht dient als haftungsvermittelnde Schicht für die Diamantschicht. Die Zwischenschichten können aus einer Gruppe von Elementen wie z.B.

   Cr, Ti, Zr, W und Si bzw. einer Kombination aus diesen Elementen bestehen. Weiters werden Zwischenschichtelemente, wie Boride-, Nitride-, und Karbide, der Übergangselemente, wie z.B. TiC, TiCN, TiAl, TiN, CrN, CrC, ZrN, ZrC, WC bzw. eine Kombination davon, vorgeschlagen. Beispiele für keramische Zwischenschichten sind Si3N4bzw. Al2[theta]3.
Ein Beispiel zur Beschichtung von Stahl mittels Zwischenschichten ist in JP 10237672 beschrieben. Dabei wird auf die Stahloberfläche eine Chromzwischenschicht aufgedampft und diese anschliessend mit Diamant beschichtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Diamant-beschichteten Substraten zur Verfügung zu stellen.

   Die erfindungsgemässe Zwischenschicht soll zu einer guten Haftung der auf dem Substrat aufgebrachten Diamantschicht führen.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Diamant-beschichteten Substratoberfläche umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Aufdampfen von Metall, Metallkarbid, Metallborid, Metalloxid und/oder Metallnitrid auf die Oberfläche des Substrats in einem Vakuumverdampfungsprozess unter Ausbildung einer Zwischenschicht und c) Aufbringen der Diamantschicht auf die Zwischenschicht, wobei die Schritte b) und c) in einem Heissdraht-Beschichtungsreaktor durchgeführt werden.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren aufgebrachte Zwischenschicht dient insbesondere als Diffusionsbarriere bzw. als haftungsvermittelnde Schicht für die Aufbringung der DiamantSchicht.

   Im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden wird erfindungsgemäss das Aufdampfen der Zwischenschicht und das Aufbringen der Diamantschicht auf das Substrat in einem einzigen Reaktor durchgeführt. Durch die Abscheidung der Zwischenschicht bzw. der Diamantschicht in einer Reaktorkammer entfällt die Verwendung einer zusätzlichen Beschichtungsanlage für die Aufdampfung der Zwischenschicht entfällt. Dadurch können die Anschaffungskosten bzw. der Zeitaufwand für einen kompletten Beschichtungszyklus wesentlich reduziert werden.
Ferner reduziert ein derartiges Verfahren auch die Möglichkeit von Kontamination (z.B. Staubkontaminationen) sowohl auf dem Substrat selbst als auch af der am Substrat befindlichen Zwischenschicht.

   Der Transfer der mit Diamanten zu beschichtenden Zwischenschicht-aufweisenden Substrate in einen (zweiten) Reaktor birgt weiters die Möglichkeit des Auftretens von Fehlern unterschiedlichster Art. Somit muss erfindungsgemäss ein zu beschichtendes Substrat nicht aus einer Aufdampfungskammer in einen Diamantbeschichtungsreaktor überführt werden. Die Heissdrahtfilamente des Heissdraht-Beschichtungsreaktors dienen selbst als Quelle der Zwischenschicht, somit ist eine einfachere und günstigere Prozessführung möglich.
Um die Schichthaftung von der mit dem erfindungsgemässen Verfahren aufgebrachten Diamant- und Zwischenschicht gegenüber mit herkömmlichen Verfahren aufgebrachten Schichten zu untersuchen, können Mikrostrahltests durchgeführt werden. Diese Mikrostrahltests zur Überprüfung der Schichthaftung bzw.

   Zerspanungstests ergeben im Wesentlichen identische Ergebnisse im Vergleich zu nasschemisch präparierten, Diamant-beschichteten Substraten, welche eine sehr gute Schichthaftung des Schichtverbundes bestätigten (beispielsweise kann eine 150 nm dicke Tantaloxid-Zwischenschicht verwendet werden, welche anschliessend mit einer nano-kristallinen Diamantschicht mit einer Schichtdicke von 5[mu]m beschichtet wird) .
Die Wachstumsgeschwindigkeit der Zwischenschicht ist abhängig von prozessspezifischen Parametern während des Aufdampfprozesses, wie z.B. Filament- und Substrattemperatur, Fluss von geringen Mengen von z.B. Sauerstoff bzw.

   Stickstoff als Prozessgase, Zeitdauer des Aufdampfprozesses, geometrischen Faktoren, etc.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können "Substrate", die mit dem hierin beschriebenen Verfahren beschichtet werden, jeglicher zwei- bzw. dreidimensionaler Ausgestaltung sein. Ferner sind unter "Substrate" insbesondere Gegenstände aus dem Werkzeugbereich und der Medizintechnik (z.B. Stents, Skalpelle, Knochensägen) zu subsu ieren.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Heizdraht (Filament) des Heissdraht-Beschichtungsreaktors vor dem Aufdampfen der Zwischenschicht karbidisiert, wobei der Heizdraht auch aus reinem Tantal bzw. Wolfram bestehen kann.
Wird als Zwischenschicht ein Metallkarbid aufgebracht, werden vor dessen Aufdampfung der oder die Filamente des HeissdrahtBeschichtungsreaktors einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, welche z.B.

   Methan umfasst, ausgesetzt. Durch eine derartige Atmo sphäre reagiert das Metall des Heizdrahts zu Karbiden.
Um die Haftung der Zwischenschicht und somit auch die Haftung der Diamantschicht am Substrat zu erhöhen, wird vor dem Aufdampfen der Zwischenschicht das Substrat vorzugsweise vorbehandelt. Dabei werden insbesondere Materialverschmierungen, die im Zuge von Schleif- und Polierprozessen an der Substratoberfläche erzeugt werden, entfernt und die Oberfläche gegebenenfalls aufgeraut, was dazu führt, dass die aufgetragene Zwischenschicht besser bzw. fester an das Substrat gebunden werden kann.

   Die Vorbehandlung kann dabei durch physikalische und/oder chemische Verfahren erfolgen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vor der Aufdampfung der Zwischenschicht die Oberfläche des Substrats mit Mikrostrahlen (Nass- oder Trockenmikrostrahlen) oder zur Erzielung einer definierten Kantenverrundung bzw. Oberflächenaufrauung durch Schleppschleifverfahren behandelt.
Insbesondere bevorzugt ist erfindungsgemäss das Behandeln der Oberfläche mit Mikrostrahlen. Dabei werden Partikel (z.B. metallisch Partikel wie Stahlpartikel oder nicht-metallische Partikel, insbesondere mineralische Partikel) unter Druck auf die Oberfläche des Substrats geschleudert, ohne dass jedoch die Partikel an der Oberfläche gebunden bleiben.

   Anstelle von Mikrostrahlen können erfindungsgemäss auch Kryostrahlen eingesetzt werden, bei denen ein Flüssigstickstoffstrahl oder ein Trockeneisstrahl mit -80[deg.]C kaltem Kohlendioxid auf das Substrat gerichtet wird.
Alternativ oder zusätzlich zu diesen physikalischen Oberflächenbehandlungsmethoden kann die Substratoberfläche auch chemisch vorbehandelt werden.

   Dabei wird die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen der Zwischenschicht vorzugsweise geätzt, vorzugsweise elektrochemisch geätzt, insbesondere mit NaOH und/oder KOH elektrochemisch geätzt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen der Zwischenschicht geätzt, vorzugsweise chemisch geätzt, insbesondere mit HN03,

   HC1/H202oder H2S04/H202geätzt.
Bei der Ätzung der Oberfläche des Substrats wird diese einerseits von unerwünschten Kontaminationen und Bindermaterial gereinigt und andererseits zur besseren Haftung der Zwischen 1 -rt 1 1
1 -rt 1 d 1 [Phi] d [phi]
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fionen beschossen.

   Dadurch werden spontane Diamantkeime gebildet, welche in Folge als Startkeime für das Diamantwachstum dienen.
Die Zwischenschicht wird vor dem Aufdampfen der Diamantschicht vorzugsweise mit dem oben angeführten Verfahren bekeimt (siehe z.B. M.H.Nazare and A.J.Neves, "Properties, Growth and Applications of Diamond", EMIS Datareview Series No. 26, INSPEC Publications 2001, Seite 273-280 oder die US 6,161,499).
Die Diamantschicht, die auf das Substrat aufgebracht wird, umfasst vorzugsweise nanokristalline, grobkristalline, polykristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamanten.
Verfahrensbedingt kommt es bei der Verwendung herkömmlicher Verfahren der Zwischenschichtaufdampfung zu Oberflächen mit hohen Rauigkeitswerten bzw.

   Fehlern (z.B. unerwünschte Ti-Partikelbildung bei Verfahren, bei denen eine TiC-Zwischenschicht ohne eine nasschemische Entfernung des Kobaltbinders aufgebracht wird) , welche durch eine Beschichtung mit einer grobkristallinen Diamantschicht noch wesentlich erhöht werden. Da beim erfindungsgemässen Verfahren vorzugsweise nanokristalline Diamanten aufgebracht werden, können extrem glatte Schichten hergestellt werden.
Daher weisen die Diamanten der Diamantschicht vorzugsweise eine 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 DiamantSchicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 50 [mu]m, bevorzugt 100 nm bis 40 [mu]m, insbesondere von 1 bis 20 um,

   auf.
Das Aufdampfen der Zwischenschicht auf die Oberfläche des Substrats und das Aufbringen der Diamantschicht wird vorzugsweise mit einem Heizdraht im Heissdraht-Beschichtungsreaktor durchgeführt.
Beim Aufdampfen der Zwischenschicht wird dem Heissdraht-Beschichtungsreaktor ein Gas, z.B. Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder ein Bor-haltiges Gas, beigemengt. Dabei wird Metalloxid, Metallnitrid bzw. Metallborid erzeugt. Die thermische Aktivierung der Gase erfolgt dabei an der heissen Heissdrahtoberfläche (ca. 2000[deg.]C) .
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zwischenschicht nach dem Aufdampfen bekeimt, insbesondere mit Ultraschall.

   Bei sehr dünnen Zwischenschichten (< zirka 500nm) kann auch eine Bekeimung der Substratoberfläche vor dem Aufdampfen der Zwischenschicht erfolgen.
Die Bekeimung, die insbesondere mit einem Ultraschallprozess durchgeführt werden kann, bewirkt das Aufbringen von Startkeimen zur Bildung der Beschichtungen wie der Diamantkristalle. Beispielsweise wird an der Oberfläche in einer Suspension feinkörniger Diamantpulverpartikel in z. B. Ethanol oder Isopropanol nach der Reinigung des Substrates aufgebracht. Vorstellbar ist auch ein Ex-Situ Bekeimungsprozess nach der Aufdampfung der Zwischenschicht.

   Dabei wird das Substrat nach Aufdampfung der Zwischenschicht in einem Ultraschallprozess mit Diamantpulverpartikel bekeimt.
Selbstverständlich kann nach Aufdampfung des Filamentmaterials in der Reaktorkammer die Diamantbeschichtung auch ohne einen Bekeimungsschritt in der Gasphase im Anfangsstadium der Diamantbeschichtung aufgebracht werden.
Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemässe Verfahren die folgenden Schritte auf, wobei im Folgenden die Prozessschritte einer In-Situ-Beschichtung eines beispielsweise Sintermetallkarbid-Substrates, bestehend aus Wolframkarbid mit einem Kobaltanteil von 3 bis 15 Gew% Kobaltbinder, ohne vorhergehende nasschemische Entfernung des oberflächennahen Bindermaterials durch einen entsprechenden nasschemischen Ätzprozess beschrieben werden:
1.

   Mikrostrahlung der Substratoberfläche zur Entfernung von Kobaltverschmierungen durch den Schleif/Polierprozess, insbesondere auf Schneidkanten von Werkzeugen. Bei Anwendungen, welche eine extrem glatte Diamantschicht erfordern, kann dieser Prozessschritt weggelassen werden.
2. Ultraschallreinigung des Substrates mittels entsprechender üblicher Hartmetallreinigungsmittel.
3. Aufdampfung der metallischen Zwischenschicht in einem Vakuumprozess in der Reaktorkammer, welche später für die Diamantbeschichtung verwendet wird. Dabei wird das Filamentmaterial als Zwischenschichtmaterial bei Substrattemperaturen von zirka 600800[deg.]C aufgedampft und in Folge dient diese Schicht als Diffusionsbarriere für das Bindermaterial bei Beschichtungstemperaturen. Zusätzlich kann die Abscheidung der Zwischenschicht unter Zugabe von geringen Mengen an z.B.

   Sauerstoff und/oder Stick stoff erfolgen. Die Filamente können vor der Zwischenschichtaufdampfung "initialisiert" werden, d.h. einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt werden, wodurch eine Karbidisierung der Filamentoberflache stattfindet.
4. Nach Aufdampfen der Zwischenschicht erfolgt eine Bekeimungsphase in der Reaktorkammer. Dabei werden Diamantkeime auf der Substratoberfläche unter Diamantbeschichtungsbedingungen durch Beschuss der Substratoberfläche von Kohlenstoffionen in einem Biased Enhanced Nucleation-Prozess erzeugt. Diese Keime dienen in Folge als Starthilfe für das Diamantwachstum.
5.

   In dem abschliessenden Prozessschritt erfolgt die Diamantbeschichtung des Substrates mittels nano-kristallinem und /oder grobkristallinem Diamant.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Diamant-beschichtetes Substrat erhältlich mit einem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung.
Ein Substrat, das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird, weist folgende andere, verbesserte Eigenschaften auf als mit herkömmlichen Verfahren beschichtete Sintermetallkarbid-Bauteile, nämlich
1. Reduzierte Oberflächenrauhigkeit bei identischer Schichthaftung durch das Weglassen von chemischen Ätzprozessen, welche die Oberfläche aufrauen. Bei Werkzeugen ist dadurch die Gefahr der Bildung von Aufbauschneiden bei der Bearbeitung von z.B. untereutektischem Aluminium stark reduziert.
2.

   Stabile Schneidkanten, schärfere Schneidkanten, dies ist besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von z.B. CFK, GFK, etc.
3. Durch den Wegfall aufwendiger nasschemischer Ätzprozesse wird der Vorbehandlungsaufwand reduzieret und an Zeit und Kosten eingespart, insbesondere entfällt die Anschaffung einer weiteren Anlage zur Aufdampfung der Zwischenschicht.
4. Durch die Beschichtung mit erfindungsgemässen beschriebenen Verfahren sind Schwankungen von Sintermetallkarbid-Substraten unterschiedlicher Sinterchargen nicht relevant. Solche Schwankungen können bei nasschemisch präparierten Substraten zu unter-bzw. Überätzungen führen.
Weiteres bewirkt die Zwischenschicht die Beschichtung von Eisen und Nickel eine Diffusionsbarriere für Fe und Ni, wodurch auch diese Materialien beschichtbar sind.

   Die Zwischenschicht reduziert Spannungen in dem Schichtverbund, wodurch die Schichthaftung erhöht wird.
Verschiedene Hartmetallsorten, unterschiedlich in Kobaltgehalt, Mischkarbidanteil und mittlerer Korngrösse, können mit identischer Zwischenschicht für die Diamantbeschichtung bereitgestellt werden.

   Eine Feinanpassung, wie sie bei chemischer Vorbehandlung notwendig ist, kann dadurch entfallen.
Die vorliegende Erfindung ist weiters durch die folgenden Figuren und Beispiele näher beschrieben ohne jedoch auf diese eingeschränkt zu sein.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Heissdraht-Beschichtungsreaktors: (1) gekühlter Probenhalter, (2) gekühlter Vakuumkessel, (3) Substrat und (4) Heissdraht zur Abdampfung der Zwischenschicht bzw. zur thermischen Aktivierung der Prozessgase während dem Diamantbeschichtungsprozess.
Fig. 2 zeigt eine Sintermetallkarbid-Substratoberfläche vor Mikrostrahlprozess: (1) Wolframkarbidkörner, (2) Kobaltbinder und (3.0) Kobalt-"Haut" durch Schleifprozess .
Fig. 3 zeigt eine Sintermetallkarbid-Substratoberfläche nach dem Mikrostrahlprozess:

   (1) Wolframkarbidkörner und (2) Kobaltbinder.
Fig. 4 zeigt eine Sintermetallkarbid-Substratoberfläche nach dem Aufbringen der Zwischenschicht: (1) Wolframkarbidkörner, (2) Kobaltbinder und (3) metallische Zwischenschicht.
Fig. 5 zeigt eine Sintermetallkarbid-Substratoberfläche nach dem Aufbringen der Zwischenschicht und der Diamantschicht: (1) Wolframkarbidkörner, (2) Kobaltbinder, (3) metallische Zwischenschicht und (4) nano-kristalline Diamantschicht.
B e i s p i e l: Beschichtung einer Oberfläche
1. Sintermetallkarbid-Werkzeug Durchmesser 6mm, 2-schneidig, gerade genutet
Sintermetallkarbid Zusammensetzung: WC 91,5 Gew%, Co 7,5 Gew%, Mischkarbide Ta(Nb)C 1 Gew%, mittlere Korngrösse: 0,8[mu]m
Kantenverrundung nach Mikrostrahlprozess: 5,6[mu]m
2.

   Aufdampfen einer metallischen TaO-Zwischenschicht im Heiss ra trea tor: Su strattemperatur C, Zuga e von sccm Sauerstoff, Druck im Reaktor = 1*10<_1>mbar, Dicke der Zwischenschicht: zirka 300nm
3. Beschichtung mit nano-kristallinem Diamant nach der Bekeimungsphase: Prozessgase Wasserstoff und Methan (3% CH4in H2) , Substrattemperatur 750[deg.]C, Diamantschichtdicke 5[mu]m
Kantenverrundung nach Diamantbeschichtung: 7,l[mu]m
4. Vergleich zu nasschemisch präpariertem Werkzeug mit einer ca. 2,5 bis 3 [mu]m tiefen Kobaltauswaschungstiefe, beschichtet mit nano-kristallinem Diamant mit einer Dicke von 5[mu]m: Kantenverrundung: 10,4[mu]m
5. Mikrostrahltest mit grobkörnigen Korundpartikeln (Körnung 150[mu]m, 5 bar Strahldruck) : identisch wie Werkzeug mit Zwischenschicht

Claims (21)

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Herstellung einer Diamant-beschichteten Substratoberfläche umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Aufdampfen von Metall, Metallkarbid, Metallborid, Metalloxid und/oder Metallnitrid auf die Oberfläche des Substrats in einem Vakuumverdampfungsprozess unter Ausbildung einer Zwischenschicht und c) Aufbringen der Diamantschicht auf die Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) in einem Heissdraht-Beschichtungsreaktor durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht des Heissdraht-Beschichtungsreaktors vor dem Aufdampfen der Zwischenschicht karbidisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Aufdampfung der Zwischenschicht die Oberfläche des Substrats mit Mikrostrahlen oder durch Schleppschleifverfahren behandelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen der Zwischenschicht geätzt, vorzugsweise elektrochemisch geätzt, insbesondere mit NaOH oder KOH elektrochemisch geätzt, wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen der Zwischenschicht geätzt, vorzugsweise chemisch geätzt, insbesondere mit HN03, HC1/H202oder H2S04/H202geätzt, wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat beim Aufdampfen von Metall, Metallkarbid, Metallborid, Metalloxid und/oder Metallnitrid auf die Oberfläche des Substrats auf eine Temperatur von 100 [deg.]C bis 1500[deg.]C, vorzugsweise von 200[deg.]C bis 1200[deg.]C, insbesondere von 400[deg.]C bis 900[deg.]C, erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schichtdicke der Zwischenschicht lnm bis 50[mu]m, vorzugsweise 2nm bis 30[mu]m, noch mehr bevorzugt 5nm bis lO[mu]m, insbesondere lOnm bis lO[mu]m, beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolfram (W) und Tantal (Ta).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkarbid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframkarbid (WC) und Tantalkarbid (TaC) .

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallborid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframborid (WB) und Tantalborid (TaB2) .

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallnitrid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframnitrid (WN) und Tantalnitriden (TaN, Ta2N) .

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tantaloxiden (Ta02, Ta205) und Wolframoxiden (W02, W03) .

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Stahl, insbesondere Edelstahl, keramisches Material, Sintermetallkarbid, reines Metall oder Metalllegierungenumfasst .

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Diamantschicht auf die Zwischenschicht die Zwischenschicht bekeimt wird, vorzugsweise mit einem "Biased enhanced nucleation"-Prozess .

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht nanokristalline, grobkristalline, ultrananokristalline oder monokristalline Diamanten umfasst.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamanten der Diamantschicht eine Kristallitgrösse von 0,1 bis 500 nm, vorzugsweise von 5 bis 100 nm, insbesondere von 8 bis 30 nm, aufweisen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 50 [mu]m, bevorzugt 100 nm bis 40 [mu]m, insbesondere von 1 bis

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufdampfen der Zwischenschicht auf die Oberfläche des Substrats und das Aufbringen der Diamantschicht mit einem Heizdraht im Heissdraht-Beschichtungsreaktor durchgeführt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufdampfen der Zwischenschicht dem Heissdraht-Beschichtungsreaktor ein Gas, insbesondere Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder ein Bor-haltiges Gas, beigemengt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats vor dem Aufdampfen der Zwischenschicht und/oder die Zwischenschicht bekeimt, insbesondere mit Ultraschall bekeimt, wird.

20 [mu]m, aufweist.

21. Diamant-beschichtetes Substrat erhältlich mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20.

AP/R/ms