DE10001171A1

DE10001171A1 - Endmaß

Info

Publication number: DE10001171A1
Application number: DE10001171A
Authority: DE
Inventors: Keishi Tano
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: US6516532B2; US20020108262A1; US6427355B1; DE10001171B4; JP2000205801A; JP3645726B2

Abstract

Es wird ein Endmaß geschaffen, welches ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit aufweist ohne zeitabhängige Veränderungen in der Abmessung, und welches kostengünstig hergestellt werden kann. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung des Endmaßes geschaffen. Bearbeiten eines Endmaßkörpers unter Verwendung eines Rohstahlmaterials, dann Endpolieren und Ionenplattieren eines superdünnen DLC-Filmes auf seiner Oberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Endmaß, welches bei der Messung einer genauen Längenabmes sung als Normal verwendet wird.

Bei dem Messen einer genauen Längenabmessung wird ein Endmaß als Normal angewen det. Das Endmaß muß ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeiten aufweisen, da es der Standard für die genaue Messung der Abmessung ist. Wenn das Endmaß abgenutzt oder erodiert ist, kann es nicht mehr als Norm nützlich sein. Außerdem kann das "Ringing" (?) nicht durchgeführt werden, in welchem das Endmaß so angewendet wird, dass es ein anderes Endmaß eng kontaktiert. Daher sind bisher Stahl, Keramik, Glas niedriger Wärme dehnung und so weiter als Materialien des Endmaßes genutzt worden.

Ein Endmaß aus einem Metall wie bei Stahl ist leicht erosiv und daher nicht ausreichend in der Korrosionsbeständigkeit. Also muß das Stahlendmaß unter einer vollständig antikorro siven Umgebung gehalten werden, was ein Nachteil bleibt, da seine Handhabung extrem kompliziert wäre. Zum Beispiel sollten während seiner Handhabung immer antikorrosive Handschuhe getragen werden. Es ist kürzlich versucht worden, die Abrieb- und Korrosions beständigkeit metallischer Endmaße zu verbessern, um das obige Problem zu lösen. Es braucht jedoch eine lange Zeit, Materialien auszuwählen, zu erhitzen und so weiter, was einen anderen Nachteil durch Erhöhung der Herstellkosten mit sich bringt.

Insbesondere muß das Stahlendmaß den Abriebwiderstand erhöhen durch Erhitzung (Ab schreckhärtung), um seine Härte zu erhöhen. Die Abschreckhärtung verursacht jedoch eine strukturelle Veränderung, welche leider zu zeitabhängigen Veränderungen in der Abmes sung führt. Außerdem erhöht die Abschreckhärtung die Kosten.

Im Gegensatz dazu sind kürzlich einige Methoden angewendet worden, um die zeitabhängi gen Veränderungen in der Abmessung zu reduzieren. Sie umfassen spezielle Wärmebehand lungen wie beispielsweise eine Tieftemperatur- oder Temperbehandlung. Sie umfassen auch eine künstliche Alterungsbehandlung und natürliche Alterung. Jedoch können derzeit nicht immer ausreichende Wirkungen erzielt werden. Außerdem erhöht die Spezialbehandlung die Kosten noch mehr.

Die Veröffentlichung JP 8-20201 (B) offenbart eine Technik, die eine harten dünnen Film über die Bezugsfläche eines Endmaßes bildet. Diese Technik richtet sich hauptsächlich dar auf, zu verhindern, dass die Bezugsfläche kontaminiert wird, und beabsichtigt, einen harten dünnen Film mit einer rauhen Oberfläche zu bilden. Die Bildung solch einer Rauhigkeit auf der Bezugsfläche macht es unmöglich, das "Ringing" durchzuführen, in welchem eine Mehrzahl von Endmaßen angewendet wird, wobei eine Bezugsfläche eine andere eng kon taktiert. Die Durchführung des "Ringing" erfordert eine Fläche, die eine hohe Glattheit und keine Rauhigkeit als Bezugsfläche des Endmaßes aufweist.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Endmaßes, welches ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit aufweist ohne zeitabhängige Veränderungen in der Abmes sung, und welche kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Erfindung ist versehen mit einem Endmaß, welches einen Endmaßkörper und einen diamantartigen darauf beschichteten Kohlenstoff-Film umfaßt.

In der Erfindung kann das Endmaß vorzugsweise ein Rohstahlmaterial umfassen, das nicht gehärtet ist, oder ein Rohstahlmaterial mit wenigstens einer Bezugsfläche, die abschreckge härtet ist.

Gemäß der Erfindung können das Betriebsverhalten und die Zuverlässigkeit des Endmaßes verbessert werden durch Aufbringen des diamantartigen Kohlenstoff-Filmes (DLC-Film), der ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Falls das Rohstahlmaterial, das nicht gehärtet ist, speziell als das Endmaß in der Erfindung angewendet wird, kann ein stabiles Endmaß, das lange Zeit nutzbar ist, erhalten werden ohne die zeitabhängigen Veränderungen in der Abmessung aufgrund der strukturellen Ver änderung, die bewirkt wird, wenn das Material abschreckgehärtet wird. Außerdem sind Ab schreckhärtung, spezielle Wärmebehandlungen (Tieftemperatur- und Temperbehandlungen), künstliche Alterungsbehandlung und natürliche Alterung nicht erforderlich. Auf diese Weise können die Herstellkosten und die Herstellzeit vermindert werden.

Der Endmaßkörper, der mit dem DLC zu überziehen ist, kann auch eine Keramikmaterial oder Glas niedriger Wärmedehnung umfassen. Das Keramikmaterial ist vorzugsweise ein aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) bestehendes Material. Das Glas niedriger Wärmedehnung kann eine Festlösung sein, beispielsweise mit 60-70 Gewichts-% Siliziumdioxid (SiO₂) als Haupt bestandteil, 15-25 Gewichts-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 1,5-5 Gewichts-% Lithiumoxid (LiO₂).

Das Aufbringen des DLC-Filmes kann durchgeführt werden durch eine physikalische Auf dampfungsmethode, vorzugsweise eine Mehr-Lichtbogen-Ionenplattiermethode, die einen superdünnen DLC-Film mit einer Dicke von einigen nm oder weniger in guter Kontrollier barkeit bilden kann. Der zu bildende DLC-Film ist amorph, und seine Oberfläche weist Glattheit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Dementsprechend wäre durch Po lieren des Endmaßkörpers in der Weise, dass die Abmessung zwischen den Bezugsflächen einen gewünschten Wert annimmt, Endpolieren nicht erforderlich, nachdem der DLC-Film gebildet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbei spiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Prozeßschritte zur Herstellung eines Endmaßes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 ein Diagramm eines Ionenplattiergerätes zur Bildung eines DLC-Filmes gemäß der Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht Prozeßschritte zur Herstellung des Endmaßes. Fig. 1A zeigt einen verarbeiteten Querschnitt eines Endmaßkörpers 1. In dieser Ausführungsform ist der Endmaßkörper 1 hergestellt aus einem Rohstahlmaterial, das nicht abschreckgehärtet ist. Bezugsflächen A werden bearbeitet, um eine gewünschte Abmessung D zwischen ihnen zu erzielen, und sind fertigfeinpoliert.

Dann wird ein DLC-Film 2 über Flächen des Endmaßkörpers 1 gebildet, wie in Fig. 1B gezeigt. In dieser Ausführungsform wurde Ionenplattierung angewendet, um den DLC-Film 2 zu bilden. Wie in Fig. 2 gezeigt. Ist das Ionenplattiergerät vom Mehrlichtbogentyp, wel ches eine Mehrzahl von Ionenquellen 21 umfaßt. Ein Substrathalter umfaßt einen Halter mit Eigendrehung/Umdrehung, mit einem Haupthalter 22, der zum Drehen angetrieben wird, und Teilhalter 23, die angetrieben werden, um sich an dem Haupthalter zu drehen. Der End maßkörper 1 wird an dem Teilhalter 23 montiert, wobei die Bezugsfläche A bei Bildung des DLC-Filmes senkrecht zu dem Teilhalter 23 gehalten wird. Ein Kohlenwasserstoffgas wird als Materialgas angewendet, von welchem das Plasma durch die Ionenquellen 21 verursacht wird. Das Anlegen einer negativen Vorspannung an den Substrathalter beschleunigt das durch das Plasma gelöste CxHy⁺, um den DLC-Film auf dem Endmaß zu bilden.

Eine Filmbildungsbedingung für den DLC-Film umfaßt: einen Druck von 10^-4 bis 10^-5 Torr in der Kammer, eine Temperatur von Raumtemperatur bis 200°C sowie 0,5 bis 2 Stunden. Unter solchen Bedingungen kann ein DLC-Film 2 mit einer Dicke von 50-2000 nm über der Bezugsfläche A des Endmaßkörpers 1 gebildet werden. Bei der Bildung solch eines super dünnen Filmes kann der DLC-Film 2 die Abmessung D zwischen den Bezugsflächen A des Endmaßkörpers 1 innerhalb eines Toleranzbereiches beibehalten ohne das Erfordernis zum nochmaligen Fertigfeinpolieren der Flächen.

Fig. 1B zeigt andere Flächen als die Bezugsflächen A in einem Zustand, in dem sie eben falls mit dem DLC-Film überzogen sind. Das Überziehen der gesamten Fläche mit dem DLC-Film ist effektiv zur Erzielung eines Rostschutzeffektes und eliminiert die Notwendig keit für eine spezielle Maskierung.

Der absolute Toleranzwert der Abmessung zwischen den Bezugsflächen variiert gemäß der Größe des Endmaßes. Um erforderliche Bezugsflächen ohne die Ferigfeinpolierung zu er halten, sollte daher die Dicke des DLC-Filmes in einem Bereich einiger nm bis zu etwa 200 nm gesteuert werden. Diese durch die Ionenplattierung gebildete Dicke des DLC-Filmes kann leicht mit hoher Präzision innerhalb eines solchen Bereiches gesteuert werden.

Da in dieser Ausführungsform der Endmaßkörper 1 nicht abschreckgehärtet ist, beträgt seine ursprüngliche Härte etwa Hv = 230. Durch Aufbringen des DLC-Filmes 2 kann ein Endmaß mit einer hohen Härte von Hv = 3000-5000 erhalten werden. Zum Vergleich weist ein herkömmliches abschreckgehärtetes Stahlendmaß eine Härte von Hv = 800 auf, eine Zirkoniumoxid-Keramik nicht überzogen Hv = 1350 und ein Glas niedriger Wärmedehnung Hv = 700.

Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein Endmaß mit hoher Härte und ausge zeichneter Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit erhalten werden. Da ein Rohstahlmaterial in dem Endmaßkörper 1 angewendet wird, kann ein Endmaß erhalten werden, welches die Strukturvariation, die in dem Stand der Technik durch Abschreckhärtung verursacht wür de, und die resultierende Zeitveränderung unterdrücken kann, und welche eine hohe Zuver lässigkeit über eine lange Zeitspanne aufrechterhalten kann. Außerdem sind die speziellen Wärmebehandlungen wie beispielsweise Tieftemperatur- und Temperbehandlungen nicht erforderlich, und so können die Kosten des Endmaßes reduziert werden.

In der obigen Ausführungsform ist es in dem Zustand von Fig. 1A auch effektiv, partiell nur die Bezugsflächen A des Endmaßkörpers abzuschrecken. Diese partielle Abschreck härtung kann praktisch durchgeführt werden durch eine Hochfrequenz-Härtungsmethode (eine Methode einer partiellen Härtung durch Fließen eines induzierten Stromes von der Primärspule, die eine in einer Hochfrequenzhärteeinrichtung enthaltene Spule ist, in ein Werkstück, das die Sekundärspule ist), eine Aufkohlungshärtungsmethode und eine Ni triermethode.

Eine solche partielle Abschreckhärtung kann den Effekt erzielen, eine Beule zu vermeiden, die auftritt, wenn der ganze Körper noch ein Rohstahlmaterial ist. Sie kann auch die Abrieb- und Korrosionswiderstände der Bezugsflächen in einem gewissen Ausmaß sicherstellen, selbst wenn der superdünne DLC-Film durch die Benutzung verschlissen ist. Außerdem kann, wenn nicht das Endmaß völlig abschreckgehärtet ist, die Strukturveränderung und die resultierende Zeitveränderung unterdrückt werden, sich nicht auszuwirken.

Obwohl die obige Ausführungsform das Endmaß beschreibt, das aus einem Rohstahlmateri al mit DLC besteht, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, es kann vielmehr auch ein Endmaß aus einem Keramikmaterial oder Glas niedriger Wärmedehnung, überzogen mit DLC, angewendet werden.

Gemäß der Erfindung wird die DLC-Beschichtung durchgeführt, wie oben beschrieben. Dementsprechend kann sie ein Endmaß schaffen, welches ausgezeichnete Abrieb- und Kor rosionsbeständigkeit ohne zeitabhängige Veränderungen in der Abmessung aufweist, und welche kostengünstig hergestellt werden kann.

Nach Beschreibung der Ausführungsform gemäß der Erfindung werden andere Ausfüh rungsformen und Abwandlungen gemäß der Erfindung dem Fachmann erscheinen. Daher sollte die Erfindung nicht angesehen werden als beschränkt auf die offenbarten Ausfüh rungsform, sondern sollte vielmehr als nur durch den Gedanken und Rahmen der Erfindung beschränkt angesehen werden.

Claims

1. Endmaß, gekennzeichnet durch
einen Endmaßkörper (1), und
einen diamantartigen Kohlenstoff-Film (2), der über dem Endmaßkörper (1) aufge bracht ist.

2. Endmaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endmaßkörper (1) aus einem nicht gehärteten Rohstahlmaterial hergestellt ist.

3. Endmaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endmaßkörper (1) aus einem Rohstahlmaterial hergestellt ist mit wenigstens einer Bezugsfläche (A), die ab schreckgehärtet ist.

4. Endmaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endmaßkörper (1) aus einem Keramikmaterial oder aus Glas mit niedriger Wärmedehnung hergestellt ist.

5. Endmaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der diamantartige Kohlen stoff-Film (2) durch einen physikalischen Aufdampfprozeß aufgebracht ist.

6. Endmaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der diamantartige Kohlen stoff-Film (2) eine Dicke von 200 nm oder weniger aufweist.