DE10150413A1 - Diamantbeschichteter Körper einschliesslich zwischen Substrat und Diamantbeschichtung eingefügter Grenzflächenschicht und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Diamantbeschichteter Körper einschliesslich zwischen Substrat und Diamantbeschichtung eingefügter Grenzflächenschicht und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Ein diamantbeschichteter Körper (10) schließt ein: ein Substrat (12) aus zementiertem Carbid; eine Diamantbeschichtung (16) und eine zwischen das Substrat und die Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht (18), wobei die Grenzflächenschicht aus einer festen Lösung einschließlich eines Aluminiumnitrids und eines Metalls, welches zu einer der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehört, besteht. Die Grenzflächenschicht wird vorzugsweise durch eines aus TiAlN, CrAlN und VAlN bereitgestellt. Das Substrat wird vorzugsweise aus superfeinteiligem zementierten Carbid gebildet.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf
einen diamantbeschichteten Körper, und im Einzelnen auf
einen derartigen diamantbeschichteten Körper, in welchem
eine Diamantbeschichtung sogar dort, wo das Substrat aus
superfeinteiligem zementierten Carbid mit einem hohen Co-
Gehalt hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen
Stärke auf ein Substrat fixiert ist, und auch auf ein
Verfahren zu dessen Herstellung.
Als eine Art von Schneidewerkzeug, wie etwa eine
Endfräse, ein Gewindebohrer und ein Bohrer, wird ein
diamantbeschichtetes Schneidewerkzeug vorgeschlagen, in
welchem ein Werkzeugsubstrat aus zementiertem Carbid mit
einer Diamantbeschichtung beschichtet ist. In einem
Verfahren zur Bildung der Diamantbeschichtung auf dem
Werkzeugsubstrat bei einer erhöhten Temperatur von 700
bis 1000°C gemäß einem CVD-(Chemischen
Dampfabscheidungs-)Verfahren oder einem anderen
Verfahren wird das in dem zementierten Carbid enthaltene
Co (Cobalt) aus dem Werkzeugsubstrat aufgrund der
erhöhten Temperatur separiert, so dass Diamantteilchen
der Diamantbeschichtung graphitisiert werden. Eine
derartige Graphitisierung der Diamantteilchen vermindert
unerwünschter Weise die Klebe- oder Bindefestigkeit, mit
welcher die Diamantbeschichtung an das Werkzeugsubstrat
gebunden ist. Damit die Separierung des Co aus dem
Werkzeugsubstrat vermieden wird, wird das
Werkzeugsubstrat gewöhnlich einer Säurebehandlung
unterzogen, in welcher das der Oberfläche des Substrats
benachbarte Co unter Verwendung einer geeigneten Säure,
wie etwa Schwefelsäure oder Salpetersäure, vor der
Bildung der Diamantbeschichtung auf dem Substrat entfernt
wird. Wo das Substrat aus superfeinteiligem zementierten
Carbid mit einem hohen Co-Gehalt hergestellt ist, kommt
jedoch das in dem Substrat enthaltene Co während der
Erwärmung der Diamantbeschichtung in großer Menge an die
Oberfläche des Substrats, sogar wenn das der Oberfläche
des Substrats benachbarte Co vollständig aus dem Substrat
entfernt worden ist. Daher ist es nicht möglich, die
Verminderung der Bindungsfestigkeit der
Diamantbeschichtung an das Substrat zu vermeiden, was
eine Verwendung des superfeinteiligen zementierten
Carbids als das Material des Werkzeugsubstrats unmöglich
macht, welches aufgrund seines hohen Co-Gehalts inhärent
einen höheren Grad an Festigkeit oder Nicht-Sprödigkeit
als anderes zementiertes Carbid besitzt, und welches
vorteilhafter Weise als das Substratmaterial des
insbesondere zum Schneiden von Gusseisen oder anderen
harten Materialien dienenden Schneidewerkzeugs verwendet
wird.
JP-B2-6-951 (Veröffentlichung der geprüften japanischen
1994 offengelegten Patentanmeldung) offenbart einen
diamantbeschichteten Körper einschließlich eines
Substrats, einer kristallinen Diamantbeschichtung, einer
aus TiC oder einem anderen Material hergestellte
Grenzflächenschicht und einer eine nicht-kristalline
carbonisierte Struktur aufweisenden Schicht. In diesem
diamantbeschichteten Körper ist die Grenzflächenschicht
auf dem Substrat angeordnet und die nicht-kristalline
carbonisierte Strukturschicht ist auf der
Grenzflächenschicht derart angeordnet, dass sie zwischen
der Grenzflächenschicht und der Diamantbeschichtung
eingefügt ist. Diese Anordnung macht es möglich, als das
Substratmaterial das superfeinteilige zementierte Carbid
mit einem hohen Co-Gehalt zu verwenden.
Jedoch ist es bei der Herstellung des zuvor beschriebenen
diamantbeschichteten Körpers notwendig, einen Schritt der
Bildung der nicht-kristallinen carbonisierten
Strukturschicht auf der Grenzflächenschicht vor der
Bildung der kristallinen Diamantbeschichtung zu
implementieren. Dieser Extraschritt erfordert einen
beschwerlichen Betrieb, was die Herstellungskosten
erhöht.
Die zuvor beschriebenen Nachteile oder Probleme treten
nicht nur bei diamantbeschichtetem Werkzeug in der Form
eines Schneidewerkzeugs, sondern auch bei
diamantbeschichtetem Werkzeug in der Form anderer
Bearbeitungswerkzeuge auf, wie etwa bei einem
kaltformenden Werkzeug, welches dazu entworfen ist, ein
Werkstück durch plastische Deformierung in eine
gewünschte Gestalt zu formen.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen diamantbeschichteten Körper
bereitzustellen, in welchem eine Diamantbeschichtung
sogar dort, wo das Substrat aus superfeinteiligem
zementiertem Carbid mit einem hohen Co (Cobalt)-Gehalt
hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen Festigkeit
auf einem Substrat fixiert ist. Diese erste Aufgabe kann
gemäß einer beliebigen der nachstehend beschriebenen
ersten bis elften Aspekte der Erfindung gelöst werden.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zum Herstellen eines diamantbeschichteten Körpers
bereitzustellen, in welchem eine Diamantbeschichtung
sogar dort, wo das Substrat aus superfeinteiligem
zementiertem Carbid mit einem hohen Co (Cobalt)-Gehalt
hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen Festigkeit
auf einem Substrat fixiert ist. Diese zweite Aufgabe kann
gemäß sowohl dem zwölften als auch dem dreizehnten Aspekt
der Erfindung gelöst werden, welche nachstehend
beschrieben werden.
Der erste Aspekt dieser Erfindung stellt einen
diamantbeschichteten Körper bereit, der folgendes
umfasst: ein Substrat aus zementiertem Carbid; eine
Diamantbeschichtung; und eine zwischen das Substrat und
die Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht,
wobei die Grenzflächenschicht aus einer festen Lösung
einschließlich einem Aluminiumnitrid und einem Metall,
welches zu einem der Gruppen IVa, Va und VIa des
Periodensystems gehört, besteht. Es sei angemerkt, dass
der diamantbeschichtete Körper der Erfindung auch so
verstanden werden kann, dass er das vorstehend
beschriebene Substrat und eine vielschichtige
Beschichtung, welche das Substrat bedeckt und welche die
vorstehend beschriebene Diamantbeschichtung als dessen
äußere Schicht und die vorstehend beschriebene
Grenzflächenschicht als dessen innere Schicht
einschließt, umfasst. Mit anderen Worten, die
Diamantbeschichtung und die Grenzflächenschicht können
auch so interpoliert werden, dass sie mit der jeweilig
anderen kooperieren, um eine das Substrat bedeckende
vielschichtige Beschichtung bereitzustellen. Es sei
weiter angemerkt, dass die vorstehend beschriebene
Grenzflächenschicht auch als eine Zwischenschicht
bezeichnet werden kann.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die
Diamantbeschichtung bei dem in dem ersten Aspekt der
Erfindung definierten diamantbeschichteten Körper mit der
Grenzflächenschicht in Kontakt gehalten. Die kristalline
Diamantbeschichtung ist direkt an der äußeren Oberfläche
der Grenzflächenschicht angeordnet, ohne eine aus einer
nicht-kristallinen carbonisierten Struktur bestehenden
Schicht, welche herkömmlicher Weise zwischen der
Grenzflächenschicht und der Diamantbeschichtung liegt,
wie vorstehend bei der Diskussion des verwandten Stands
der Technik beschrieben wurde.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung schließt bei dem
im ersten und zweiten Aspekt der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper die Grenzflächenschicht eine
aus TiAlN (Aluminiumtitannitrid), CrAlN
(Aluminiumchromnitrid) und VAIN (Aluminiumvanadiumnitrid)
ein, und wird auf einer Oberfläche des Substrats gemäß
einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren gebildet.
Es sei angemerkt, dass TiAlN als eine Aluminiumnitrid und
Ti einschließende feste Lösung verstanden werden kann,
dass CrAlN als eine Aluminiumnitrid und Cr einschließende
feste Lösung verstanden werden kann, und dass VAIN als
eine Aluminiumnitrid und V einschließende feste Lösung
verstanden werden kann.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist das Substrat
in dem diamantbeschichteten Körper, der in einem
beliebigen der ersten bis dritten Aspekte der Erfindung
definiert ist, aus superfeinteiligen zementiertem Carbid
hergestellt, welches WC (Wolframcarbid) als dessen
Hauptkomponente einschließt, wobei das superfeinteilige
zementierte Carbid ferner Co derart einschließt, dass der
Co-Gehalt darin 3 bis 25 Gew.-% beträgt.
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung beträgt der Co-
Gehalt in dem superfeinteiligen zementierten Carbid bei
dem in dem vierten Aspekt der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper 5 bis 10 Gew.-%.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung beinhaltet bei
dem in dem vierten Aspekt der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper das superfeinteilige
zementierte Carbid eine Hartphase, welche durch Teilchen
bereitgestellt wird, der Durchschnittsdurchmesser nicht
größer als 1 µm ist.
Gemäß dem siebten Aspekt der Erfindung besitzt das
Substrat bei dem in einem beliebigen der ersten bis
sechsten Aspekte der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper auf dessen Oberfläche
Vertiefungen und Vorsprünge derart, dass die Oberfläche
des Substrats eine Rauigkeitskurve besitzt, deren
maximale Höhe Ry innerhalb eines Bereichs von 0,5 µm bis
2 µm liegt.
Gemäß dem achten Aspekt der Erfindung wird die
Grenzflächenschicht bei dem in dem siebten Aspekt der
Erfindung definierten diamantbeschichteten Körper mit der
die Rauigkeitskurve aufweisenden Oberfläche des Substrats
in Kontakt gehalten, wobei die Grenzflächenschicht eine
von 0,5 µm bis 5 µm reichende Dicke besitzt.
Gemäß dem neunten Aspekt der Erfindung besitzt die
Diamantbeschichtung bei dem in einem beliebigen der
ersten bis achten Aspekte der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper eine von 5 µm bis 20 µm
reichende Dicke.
Gemäß dem zehnten Aspekt der Erfindung besteht der
diamantbeschichtete Körper, bei dem in einem beliebigen
der ersten bis neunten Aspekte der Erfindung definierten
diamantbeschichteten Körper aus einem
Bearbeitungswerkzeug, welches relativ zu einem Werkstück
bewegt wird, um dadurch das Werkstück zu bearbeiten.
Gemäß dem elften Aspekt der Erfindung besteht das
Bearbeitungswerkzeug bei dem in dem zehnten Aspekt der
Erfindung definierten diamantbeschichteten Körper aus
einer Endfräse.
Der zwölfte Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum
Herstellen eines diamantbeschichteten Körpers, der
- a) ein Substrat aus zementiertem Carbid,
- b) eine Diamantbeschichtung und
- c) eine zwischen das Substrat und die
Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht
umfasst, bereit, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
ein Oberflächenaufrauungsschritt zum Aufrauen einer Oberfläche des Substrats, derart, dass die aufgeraute Oberfläche darauf gebildete Vertiefungen und Vorsprünge aufweist;
ein Grenzflächenbildungsschritt zum Bilden der Grenzflächenschicht aus einem aus TiAlN, CrAlN und VAIN gemäß einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Grenzflächenschicht in einer inneren Oberfläche davon mit der Vertiefungen und Vorsprünge aufweisenden, aufgerauten Oberfläche des Substrats in Kontakt gehalten wird; und
ein Diamantbeschichtungsbildungsschritt zum Bilden der Diamantbeschichtung gemäß einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Diamantbeschichtung mit einer äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht in Kontakt gehalten wird.
ein Oberflächenaufrauungsschritt zum Aufrauen einer Oberfläche des Substrats, derart, dass die aufgeraute Oberfläche darauf gebildete Vertiefungen und Vorsprünge aufweist;
ein Grenzflächenbildungsschritt zum Bilden der Grenzflächenschicht aus einem aus TiAlN, CrAlN und VAIN gemäß einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Grenzflächenschicht in einer inneren Oberfläche davon mit der Vertiefungen und Vorsprünge aufweisenden, aufgerauten Oberfläche des Substrats in Kontakt gehalten wird; und
ein Diamantbeschichtungsbildungsschritt zum Bilden der Diamantbeschichtung gemäß einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Diamantbeschichtung mit einer äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht in Kontakt gehalten wird.
Gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung wird die
Oberfläche des Substrats bei dem in dem zwölften Aspekt
der Erfindung definierten Verfahren aufgeraut, um
Vertiefungen und Vorsprünge derart aufzuweisen, dass die
Oberfläche des Substrats einen vorherbestimmten Grad an
Oberflächenrauigkeit besitzt, und wobei eine Dicke der
Grenzflächenschicht auf der Basis des vorherbestimmten
Grads an Oberflächenrauigkeit der Oberfläche des
Substrats ermittelt wird, derart, dass die Vertiefungen
und Vorsprünge der Oberfläche des Substrats bewirken,
dass die äußere Oberfläche der Grenzflächenschicht
Vertiefungen und Vorsprünge besitzt.
Bei dem in einem beliebigen der ersten bis elften Aspekte
der Erfindung definierten diamantbeschichteten Körper
besteht die Grenzflächenschicht aus der festen Lösung,
die das Aluminiumnitrid und das Metall (z. B. Ti (Titan),
Cr (Chrom) und V (Vanadium)), welches zu einer der
Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehört,
einschließt. Da eine derart aufgebaute
Grenzflächenschicht auf der Oberfläche des Substrats
bereitgestellt wird, kann die Diamantbeschichtung über
die Grenzflächenschicht sogar bei Abwesenheit einer eine
nicht-kristalline carbonisierte Struktur aufweisenden
Schicht mit einer ausreichend hohen Klebe- oder
Fixierungsfestigkeit auf dem Substrat fixiert werden.
Diese Anordnung trägt zur Vereinfachung des Aufbaus des
diamantbeschichteten Körpers und demzufolge zur
Verminderung der Kosten bei der Herstellung des
diamantbeschichteten Körpers bei. Es kann angenommen
werden, dass die Fixierungsfestigkeit durch sogenannte
"Tröpfchen", d. h. schmale Vertiefungen und Vorsprünge,
vergrößert wird, welche wahrscheinlich in der äußeren
Oberfläche der Grenzflächenschicht gebildet werden, z. B.
wo die Grenzflächenschicht aus TiAlN gemäß einem
physikalischen Dampfabscheidungs-(PVD)-Verfahren gebildet
wird. D. h. die kleinen Vertiefungen und Vorsprünge sind
effektiv, um die äußere Oberfläche der
Grenzflächenschicht, welche mit der Diamantbeschichtung
in Kontakt gehalten werden kann, zu vergrößern und um ein
Ineinandergreifen der Vertiefungen und Vorsprünge der
Grenzflächenschicht mit der Diamantbeschichtung zu
ermöglichen.
Die zwischen dem Substrat und der Diamantbeschichtung
eingefügte Grenzflächenschicht trägt ferner dazu bei,
eine Separierung des in dem Substrat enthaltenen Co
während der Bildung der Diamantbeschichtung zu vermeiden,
was das Risiko der Verminderung der Bindungsstärke
vermeidet, mit welcher die Diamantbeschichtung an die
Zwischenschicht und das Substrat fixiert ist und
ermöglicht es demgemäß, auf eine Säurebehandlung oder
eine andere Behandlung zur Entfernung von Co aus dem
Substrat vor der Bildung der Diamantbeschichtung zu
verzichten. D. h. die Grenzflächenschicht und die
Diamantbeschichtung können nicht nur dort, wo das
Substrat aus dem gewöhnlichen zementierten Carbid
hergestellt ist, sondern auch dort, wo das Substrat aus
dem superfeinteiligen zementierten Carbid mit einem hohen
Co-Gehalt hergestellt ist, mit der ausreichend hohen
Fixierungsstärke an das Substrat fixiert werden. Daher
kann das superfeinteilige zementierte Carbid bei dem
diamantbeschichteten Körper der Erfindung als ein
Material zum Bilden des Substrats verwendet werden. Wenn
ein Bearbeitungswerkzeug durch den diamantbeschichteten
Körper, der das Substrat aus dem superfeinteiligen
zementierten Carbid einschließt, bereitgestellt wird,
kann das Bearbeitungswerkzeug vorteilhafter Weise zum
Bearbeiten oder Schneiden eines Werkstücks aus einem
harten Material, wie etwa Gusseisen und ein hoch
siliziumhaltiges Aluminiumlegierungsgussstück, mit
bemerkenswert verbesserter Haltbarkeit aufgrund eines
hohen Grads an Verschleißfestigkeit der
Diamantbeschichtung und eines hohen Grads an Nicht-
Sprödheit des superfeinteiligen zementierten Carbids
verwendet werden.
Sowohl das in dem zwölften als auch das in dem
dreizehnten Aspekt der Erfindung definierte
Herstellungsverfahren stellt im Wesentlichen die gleichen
technischen Vorteile wie der in einem beliebigen der
ersten bis elften Aspekte der Erfindung definierte
diamantbeschichteten Körper bereit.
Der diamantbeschichtete Körper der vorliegenden Erfindung
kann ein diamantbeschichtetes Bearbeitungswerkzeug sein,
wie etwa eine Endfräse, ein Bohrer, ein Gewindebohrer,
eine Gewindeschneidbacke bzw. -schneideisen, ein an einen
Werkzeughalter fixierter, ersetzbarer Einschub, der für
ein Drehbankschneide- oder -fräseverfahren verwendet
wird, ein kaltformendes Werkzeug, welches entworfen ist,
um ein Werkstück durch plastisch Deformierung des
Werkstücks in eine gewünschte Gestalt zu formen, und
beliebige andere Bearbeitungswerkzeuge, von welchen jedes
relativ zu einem Werkstück bewegt wird, um dadurch das
Werkstück zu bearbeiten. Zudem kann der
diamantbeschichtete Körper der Erfindung sich von
derartigen Bearbeitungswerkzeugen unterscheiden. Das
durch den diamantbeschichteten Körper der Erfindung
bereitgestellte Bearbeitungswerkzeug wird vorteilhafter
Weise verwendet, um insbesondere ein Werkstück aus einem
harten Material zu bearbeiten, und kann eine
bemerkenswert verbesserte Haltbarkeit zeigen.
Die technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung
kommen insbesondere zum tragen, wenn das Substrat aus dem
superfeinteiligen zementierten Carbid mit hohem Co-Gehalt
hergestellt ist. Das Prinzip der Erfindung kann jedoch
auf den diamantbeschichteten Körper angewendet werden, in
welchem das Substrat aus einem gewöhnlichem zementierten
Carbid hergestellt ist.
Die Grenzflächenschicht schließt vorzugsweise eines von
TiAlN, CrAlN und VAIN ein, weiter bevorzugt schließt sie
TiAlN ein. Wo das Substrat die auf dessen Oberfläche
gebildeten Vertiefungen und Vorsprünge besitzt, z. B.,
indem die Substratoberfläche aufgeraut wird, ist die
Dicke der Grenzflächenschicht auf der Basis des Grads der
Oberflächenrauigkeit der Substratoberfläche
vorherbestimmt, derart, dass die Vertiefungen und
Vorsprünge der Substratoberfläche dazu führen, dass die
äußere Oberfläche der Grenzflächenschicht Vertiefungen
und Vorsprünge aufweist. In diesem Fall muss die äußere
Oberfläche der Grenzflächenschicht nicht die gleiche
Rauigkeitskurve wie die Substratoberfläche besitzen. D. h.
die Vertiefungen und Vorsprünge der äußeren Oberfläche
der Grenzflächenschicht müssen kein Profil besitzen, das
mit demjenigen der Vertiefungen und Vorsprünge der
Substratoberfläche identisch ist. Die Dicke der
Grenzflächenschicht reicht vorzugsweise von 0,5 µm bis 5
µm, während die maximale Höhe Ry der Rauigkeitskurve der
Substratoberfläche vorzugsweise innerhalb eines Bereichs
von 0,5 µm bis 2 µm liegt. Die Dicke der
Diamantbeschichtung reicht vorzugsweise von 5 µm bis
20 µm, weiter bevorzugt reicht sie von 10 µm bis 15 µm,
obwohl der optimale Bereich der Dicke der
Diamantbeschichtung abhängig von dem Material der
Grenzflächenschicht und der Oberflächenrauigkeit der
äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht variiert.
In dem Oberflächenaufrauungsschritt in dem zwölften
Aspekt der Erfindung, wird die Substratoberfläche
aufgeraut, vorzugsweise durch eine elektrolytische
Polier- oder andere chemische Korrosionsbehandlung, oder
durch Sandstrahlen mit abrasiven Körnern aus SiC oder
anderen Materialien.
In dem Grenzflächenschichtbildungsschritt in dem zwölften
Aspekt der Erfindung wird die Grenzflächenschicht gemäß
einem PVD-Verfahren, wie etwa einem Sputtering-Verfahren,
Ionenplattierungsverfahren oder einem anderen
Vakuumdampfabscheidungsverfahren gebildet. Die
Grenzflächenschicht kann jedoch durch ein anderes
Beschichtungsverfahren, abhängig von dem die
Grenzflächenschicht bildenden Material gebildet werden.
In dem Diamantbeschichtungsbildungsschritt in dem
zwölften Aspekt der Erfindung wird die
Diamantbeschichtung vorzugsweise gemäß einem CVD-
Verfahren, wie etwa einem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren
und einem Hot-Filament-CVD-Verfahren, gebildet. Jedoch
kann der Diamantbeschichtungsbildungsschritt
implementiert werden, indem ein anderes Verfahren
verwendet wird, wie etwa ein Hochfrequenzplasma-CVD-
Verfahren.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile
und die technische und industrielle Bedeutung dieser
Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten
Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen besser verstanden werden, in welchen
Fig. 1A eine Vorderansicht eines diamantbeschichteten
Körpers in der Form einer Endfräse ist, welche gemäß der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 1B eine Querschnittsansicht eines Schneidezahnteils
der Endfräse von Fig. 1A ist, die eine
Grenzflächenschicht zeigt, welche zwischen eine
Diamantbeschichtung und ein Substrat eingefügt ist;
Fig. 2 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum
Herstellen einer Endfräse von Fig. 1A veranschaulicht;
Fig. 3 ein schematisches Schaubild ist, das ein Beispiel
für eine Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung zeigt, die in
einem Diamantbeschichtungsbildungsschritt 54 des
Herstellungsverfahrens von Fig. 2 verwendet wird;
Fig. 4 eine Tabelle ist, die den Aufbau von 6 Endfräsen
von Proben 1 bis 6 zeigt, die in einem Haltbarkeitstest
verwendet werden, welcher von den Erfindern durchgeführt
wurde;
Fig. 5 eine Tabelle ist, die Schneidebedingungen zeigt,
unter welchen der Haltbarkeitstest durchgeführt wurde;
Fig. 6 ein Diagramm ist, das ein Ergebnis des
Haltbarkeitstests zeigt; und
Fig. 7A und 7B Fotografien sind, die auf die jeweiligen
Oberflächen von Proben 1 und 5 gebildete Eindrücke
zeigen, nachdem ein Diamanteinkerber mit einer
vorherbestimmten Last auf die Oberflächen gedrückt wurde.
Fig. 1A ist eine Vorderansicht eines diamantbeschichteten
Körpers in der Form einer Endfräse 10, welche gemäß
dieser Erfindung aufgebaut ist. Die Endfräse 10
beinhaltet ein Werkzeugsubstrat (Basismaterial) 12 mit
einer im Allgemeinen zylindrischen Gestalt und aus einem
superfeinteiligen zementierten Carbid, welches WC als
dessen Hauptkomponente und auch Co derart einschließt,
dass der Co-Gehalt 5 bis 10 Gew.-% beträgt. Das
superfeinteilige zementierte Carbid beinhaltet eine
Hartphase, welche durch Teilchen mit einem
durchschnittlichen Durchmesser von nicht mehr als 1 µm
vorgesehen wird. Das Werkzeugsubstrat 12 besitzt einen
Schneidezahnteil 14 und einen Schaftteil 15, welche als
eine Einheit miteinander gebildet sind. Der
Schneidezahnteil 14, in welchen helikale Rillen und
Schneidezähne gebildet sind, besitzt eine Oberfläche, die
mit einer Diamantbeschichtung 16 beschichtet ist. In
Fig. 1A stellt der schraffierte Teil einen Teil der
Oberfläche dar, auf welcher die Diamantbeschichtung 16
beschichtet ist. Jeder der Schneidezähne besitzt eine
periphere Seitenfläche, eine Boden- oder Endseitenfläche
und eine Schneidbrustfläche bzw. Freifläche, welche durch
die jeweilige helikale Rille bereitgestellt wird, so dass
eine periphere Schneidekante und ein Boden oder eine
Endschneidekante in jedem Schneidezahn gebildet werden.
Die periphere Schneidekante ist durch einen Schnitt der
Freifläche und der peripheren Seitenfläche definiert,
während die Endschneidekante durch einen Schnitt der
Freifläche und der Endseitenfläche definiert ist.
Die Endfräse 10 beinhaltet ferner eine
Grenzflächenschicht 18, welche zwischen das
Werkzeugsubstrat 12 und die Diamantbeschichtung 16
eingefügt ist. Die Grenzflächenschicht 18 wird jeweils in
dessen inneren und äußeren Oberflächen mit dem
Werkzeugsubstrat 12 und der Diamantbeschichtung 16 in
Kontakt gehalten, wie in Fig. 1B gezeigt, welche eine
Querschnittsansicht eines radialen äußeren Teils des
Schneidezahnteils 14 der Endfräse 10 ist.
Fig. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur
Herstellung der Endfräse 10 veranschaulicht. Das
Herstellungsverfahren wird mit einem
Substratherstellungsschritt S1 initiiert, in welchen ein
superfeinteiliger zementierter Carbidblock einem
Schleifverfahren und/oder einem Bearbeitungsverfahren zur
Bildung des Werkzeugsubstrats 12 unterzogen wird. Ein
Oberflächenaufrauungsschritt S2 wird dann implementiert,
um die Oberfläche des Schneidezahnteils 14 des
Werkzeugsubstrats 12 aufzurauhen, um eine Festigkeit zu
erhöhen, mit welcher die Grenzflächenschicht 18 und die
Diamantbeschichtung 16 an dem Werkzeugsubstrat 12 kleben
oder an diesem fixiert sind. Dieser
Oberflächenaufrauungsschritt S2 wird z. B. durch eine
elektrolytische Polier- oder andere chemische
Korrosionsbehandlung, oder durch Sandstrahlen mit
geeigneten abrasiven Körnern derart implementiert, dass
die aufgeraute Oberfläche eine Rauigkeitskurve besitzt,
deren maximale Höhe Ry innerhalb eines Bereichs von
0,5 µm bis 2 µm gehalten wird.
Ein Grenzflächenbildungsschritt S3 wird dann
implementiert, um die durch TiAlN bereitgestellte
Grenzflächenschicht 18 auf der aufgerauten Oberfläche des
Schneidezahnteils 14 des Werkzeugsubstrats 12 gemäß einem
Ionenplattierungsverfahren oder einem anderen PVD-
Verfahren ohne eine Säurebehandlung oder andere
Behandlung zur Entfernung von Co aus dem Werkzeugsubstrat
12 zu bilden. In diesem Fall wird die Bildung der
Grenzflächenschicht 18 bei einer erhöhten Temperatur von
400 bis 500°C durchgeführt. Jedoch ist diese Temperatur
geringer als eine Temperatur von 700 bis 1000°C, bei
welcher die Bildung der Diamantbeschichtung durchgeführt
wird. Ferner wird in dem PVD-Verfahren die Oberfläche des
Schneidezahnteils 14 mit erzeugten Ionen bombardiert,
welche mit der Oberfläche des Schneidezahnteils 14
kollidieren. Daher besteht bei dem Verfahren der Bildung
der Grenzflächenschicht 18 kein Risiko, dass eine
Separierung von Co aus dem Werkzeugsubstrat 12 in einem
derartigen Ausmaß verursacht wird, dass die Klebe- oder
Fixierfestigkeit reduzieren würde, mit welcher die
Grenzflächenschicht 18 an das Werkzeugsubstrat 12
gebunden oder fixiert ist. Die Grenzflächenschicht 18 ist
derart geformt, dass sie eine vorherbestimmte Dicke
besitzt, z. B. 2 bis 5 µm. Die Dicke der
Grenzflächenschicht wird auf der Basis des Grads der
Oberflächenrauigkeit des Werkzeugsubstrats 12 derart
vorherbestimmt, dass die Vertiefungen und Vorsprünge, die
in der Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 gebildet sind,
dazu führen, dass die äußere Oberfläche der
Grenzflächenschicht 18 Vertiefungen und Vorsprünge
besitzt, welche einen geeigneten Grad an
Oberflächenrauigkeit vorsehen, wie in Fig. 1B gezeigt.
Auf den Grenzflächenschichtbildungsschritt S3 folgt ein
Diamantbeschichtungsbildungsschritt S4, in welchem
Diamantteilchen gebildet werden und auf der äußeren
Oberfläche der Grenzflächenschicht 18 wachsen, indem eine
in Fig. 3 gezeigte Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 20
verwendet wird, sodass die Grenzflächenschicht 18 mit der
Diamantbeschichtung 16 beschichtet wird. Die
Diamantbeschichtung 16 wird gebildet, so dass sie eine
vorherbestimmte Dicke besitzt, z. B. von ungefähr 5 bis 15 µm,
welche ermöglicht, dass die Diamantbeschichtung 16
einen benötigten Grad an Verschleißfestigkeit besitzt.
Die Diamantbeschichtung 16 wird an die
Grenzflächenschicht 18 mit einer Festigkeit gebunden oder
fixiert, die durch die Vertiefungen und Vorsprünge und
auch durch die Tröpfchen (relativ kleine Vertiefungen und
Vorsprünge) erhöht wird, die auf der äußeren Oberfläche
der Grenzflächenschicht 18 gebildet sind. D. h. die
Diamantbeschichtung 16 wird an die Grenzflächenschicht 18
oder das Werkzeugsubstrat 12 mit der ausreichenden
Festigkeit fixiert, ohne dass es notwendig ist, eine
Schicht mit nicht-kristalliner carbonisierter Struktur
zwischen der Grenzflächenschicht 18 und der
Diamantbeschichtung 16 bereitzustellen.
Die Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 20 von Fig. 3
beinhaltet einen röhrenförmigen Ofen oder Reaktor 22,
einen Mikrowellengenerator 24, eine
Gaseinspeisevorrichtung 26, eine Vakuumpumpe 28 und eine
elektromagnetische Spule 30. Die Vorrichtung 20
beinhaltet ferner einen Tisch 32, welcher in dem
röhrenförmigen Reaktor 22 angeordnet ist und ein
Trägerelement 36, welches auf dem Tisch 32 angeordnet
ist. Eine Mehrzahl von Werkzeugsubstraten 12 werden von
dem Trägerelement 36 derart getragen, dass der
Schneidezahnteil 14 jedes mit der Diamantbeschichtung 16
zu beschichtenden Werkzeugsubstrats 12 oberhalb des
Schaftteils 15 angeordnet ist. Der Mikrowellengenerator
24 dient z. B. zum Erzeugen einer Mikrowelle mit einer
Frequenz von ungefähr 2,45 GHz. Jedes Werkzeugsubstrat 12
wird mittels der Mikrowelle in dem Reaktor 22 erwärmt und
eine Temperatur an der Oberfläche des Schneidezahnteils
14 des erwärmten Substrats 12 wird durch ein
Strahlungsthermometer ermittelt, welches in einem
Beobachtungsfenster 38 vorgesehen wird, das durch eine
obere Wand des röhrenförmigen Reaktors 23 gebildet ist.
Die in den Mikrowellengenerator 24 eingespeiste Spannung
wird mit einem Feedback-Verfahren gesteuert, d. h. auf der
Basis eines Signals, das für die ermittelte Temperatur
repräsentativ ist, derart, dass die ermittelte Temperatur
mit einer vorherbestimmten Temperatur übereinstimmt. Eine
Siliziumdioxidglasplatte 40 wird in einem oberen Teil des
röhrenförmigen Reaktors derart vorgesehen, dass die
Werkzeugsubstrate 12 durch die Glasplatte 40 beobachtet
werden können und ein Vakuumzustand innerhalb des
röhrenförmigen Reaktors 22, der durch die Vakuumpumpe 28
etabliert wird, kann durch die Glasplatte 40 beibehalten
werden.
Die Gaseinspeisevorrichtung 26 dient zum Einspeisen eines
Materialgases, wie etwa Methan (CH4), Wasserstoff (H2)
und Kohlenmonoxid (CO), in den röhrenförmigen Reaktor 2.
Die Gaseinspeisevorrichtung 26 beinhaltet einen mit dem
Materialgas gefüllten Gaszylinder, ein zum Steuern der
Strömungsrate des Materialgases dienendes
Strömungssteuerungsventil und ein zum Messen der
Strömungsrate des Materialgases dienendes
Strömungsmeßgerät. Die Vakuumpumpe 28 dient zum
Vermindern des Drucks in dem Inneren des Reaktors 22,
indem das Gas im Inneren des Reaktors 22 abgesaugt wird.
Eine an den Motor der Vakuumpumpe 28 angelegte
elektrische Spannung wird in einem Feedback-Verfahren
derart gesteuert, dass ein durch ein Druckmessgerät 42
ermittelter tatsächlicher Druck-Wert mit einem
vorherbestimmten Wert übereinstimmt. Die
elektromagnetische Spule 30 besteht aus einer
ringförmigen Mass, welche radial außerhalb des
röhrenförmigen Reaktors 22 derart positioniert ist, dass
sie den äußeren Oberflächenumfang des Reaktors 22 umgibt.
Der Diamantbeschichtungsbildungsschritt S4 besteht aus
einem Keimbindungsschritt und einem
Kristallwachstumsschritt. In dem Keimbindungsschritt
werden die Strömungsraten des Methans und des
Wasserstoffs jeweils auf vorherbestimmte Werte gesteuert,
während der Mikrowellengenerator 24 derart gesteuert
wird, dass die Temperatur an der Oberfläche des
Werkzeugsubstrats 12 mit einem vorherbestimmten Wert
übereinstimmt, welcher von 700 bis 900°C betragen kann.
Ferner wird die Vakuumpumpe 28 derart aktiviert, dass der
Druck in dem Reaktor 22 mit einem vorherbestimmten Wert
übereinstimmt, welcher von 2,7 × 102 Pa bis 2,7 × 103 Pa
betragen kann. Die Strömungsraten des Methans und des
Wasserstoffs, die Temperatur des Werkzeugsubstrats 12 und
der Druck in dem Reaktor 22 werden jeweils in den
vorherbestimmten Werten für 0,1 bis 2,0 Stunden gehalten,
wobei eine Keimschicht an die äußere Oberfläche der
Grenzflächenschicht 18 gebunden wird. Es sei angemerkt,
dass der Ausdruck "Keimschicht", der in dieser Anmeldung
verwendet wird, so verstanden werden kann, dass er eine
Schicht bedeutet, die aus einer Aggregation einer
Vielzahl von Keimen besteht.
Auf den Keimbindungsschritt folgt der
Kristallwachstumsschritt, in welchem die Strömungsraten
des Methans und Wasserstoffs derart gesteuert werden,
dass die Konzentration des Methans in dem eingespeisten
Gas mit einem vorherbestimmten Wert übereinstimmt,
welcher von 1% bis 4% variieren kann. Der
Mikrowellengenerator 24 wird derart gesteuert, dass die
Temperatur der äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht
18 mit einem vorherbestimmten Wert übereinstimmt, welcher
von 800 bis 900°C variieren kann. Die Vakuumpumpe 28 wird
derart aktiviert, dass der Druck in dem Reaktor 22 mit
einem vorherbestimmten Wert übereinstimmt, welcher von
1,3 × 103 Pa bis 5,7 × 103 Pa variieren kann. Die
Konzentration des Methans, die Temperatur der äußeren
Oberfläche der Grenzflächenschicht 18 und der Druck in
dem röhrenförmigen Reaktor 22 werden jeweils auf den
vorherbestimmten Werten für eine vorherbestimmte Zeit
gehalten, wobei die Diamantkristalle aus der Keimschicht
wachsen, um die Diamantbeschichtung 16 mit einer
vorherbestimmten Dicke zu bilden. Es sei angemerkt, dass
die Diamantbeschichtung 16 so eingestellt werden kann,
dass sie aus einer Vielzahl von Schichten besteht, wobei
jede aus gewachsenen Diamantkristalliten gebildet ist,
indem der Keimbindungsschritt und der
Kristallwachstumsschritt wiederholt implementiert werden.
In der wie vorstehend beschrieben hergestellten Endfräse
10 wird die Grenzflächenschicht 18 aus TiAlN derart
bereitgestellt, dass sie an der aufgerauten Oberfläche
des Werkzeugsubstrats 12 angeordnet ist und die
Grenzflächenschicht 18 mit der Diamantbeschichtung 16
beschichtet ist. Da die Grenzflächenschicht 18 auf der
Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12 bereitgestellt wird,
kann die Diamantbeschichtung 16 trotz der Abwesenheit
einer aus einer nicht-kristallinen carbonisierten
Struktur bestehenden Schicht durch die
Grenzflächenschicht 18 mit einer ausreichend großen
Fixierungsfestigkeit auf dem Werkzeugsubstrat 12 fixiert
werden. Diese Anordnung trägt zur Vereinfachung des
Aufbaus der Endfräse 10 bei und demgemäß zur Reduzierung
der Kosten bei der Herstellung der Endfräse 10. Es kann
angenommen werden, dass die Fixierungsfestigkeit aufgrund
der sogenannten "Tröpfchen" erhöht wird, d. h. kleine
Vertiefungen und Vorsprünge, welche wahrscheinlich in der
äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht 18 gebildet
werden, z. B. wo die Grenzflächenschicht 18 aus TiAlN
gemäß einem physikalischen Dampfabscheidungs-(PVD-)
Verfahren gebildet ist. D. h. die Tröpfchen kooperieren
mit der aufgerauten Oberfläche des Werkzeugsubstrats 12,
um die äußere Oberfläche der Grenzflächenschicht 18 zu
vergrößern, welche mit der Diamantbeschichtung 16 in
Kontakt gehalten werden kann, und um zu ermöglichen, dass
die Grenzflächenschicht 18 mit ihren Vertiefungen und
Vorsprüngen in die Diamantbeschichtung 16 greift.
Die zwischen das Werkzeugsubstrat 12 und die
Diamantbeschichtung 16 eingefügte Grenzflächenschicht 18
trägt ferner dazu bei, zu verhindern, dass das in dem
Werkzeugsubstrat 12 enthaltene Co von dem
Werkzeugsubstrat 12 während der Bildung der
Grenzflächenschicht 18 und der Diamantbeschichtung 16
separiert wird, was das Risiko der Verminderung der
Fixierungsfestigkeit vermeidet, mit welcher die
Diamantbeschichtung 16 an die Grenzflächenschicht 18 und
das Werkzeugsubstrat 12 gebunden ist. Diese ermöglicht es
demgemäß, auf eine Säurebehandlung oder eine andere
Behandlung zur Entfernung von Co aus dem Werkzeugsubstrat
12 vor der Bildung der Diamantbeschichtung 16 zu
verzichten. D. h. die Grenzflächenschicht 18 und die
Diamantbeschichtung 16 können nicht nur dort, wo das
Werkzeugsubstrat 12 aus einem gewöhnlichen zementierten
Carbid hergestellt ist, sondern auch dort, wo das
Werkzeugsubstrat 12 aus einem superfeinteiligen
zementierten Carbid mit einem hohen Co-Gehalt hergestellt
ist, an das Werkzeugsubstrat 12 mit der ausreichend hohen
Fixierungsfestigkeit fixiert werden. Daher kann in der
gemäß der Erfindung aufgebauten Endfräse 10 das
superfeinteilige zementierte Carbid als ein Material zur
Bildung des Werkzeugsubstrats 12 verwendet werden, so
dass die Endfräse 10 vorteilhafter Weise zur Verarbeitung
oder zum Schneiden eines Werkstücks verwendet werden
kann, das aus einem harten Material, wie etwa Gusseisen
oder einem Aluminiumlegierungsgussstück mit hohem
Siliziumgehalt, hergestellt ist, wobei es eine
bemerkenswert erhöhte Haltbarkeit aufgrund eines hohen
Grads an Verschleißfestigkeit der Diamantbeschichtung 16
und eines hohen Grads an Nicht-Sprödheit des
Werkzeugsubstrats 12, das aus dem superfeinteiligen
zementierten Carbid gebildet ist, besitzt.
Zum Bestätigen der technischen Vorteile, die durch die
Erfindung bereitgestellt werden, insbesondere die
Verbesserung der Haltbarkeit des Verarbeitungswerkzeugs
der Erfindung, wurde ein Test durchgeführt, in dem 6
Endfräsen verwendet wurden, wobei jede zwei Schneidezähne
und einen in der Tabelle von Fig. 4 spezifizierten Aufbau
besaß. Die 6 untersuchten Endfräsen bestanden aus den
Proben 1 bis 4, die jeweils gemäß der Erfindung aufgebaut
waren und den Proben 5 und 6, die jeweils keine
Grenzflächenschicht beinhalteten.
Wie aus der Tabelle von Fig. 4 hervorgeht, besaßen jede
der Proben 1, 2 und 6 ein aus einem superfeinteiligen
zementierten Carbid gebildetes Werkzeugsubstrat, während
jede der Proben 3, 4 und 5 ein aus einem gewöhnlichen
zementierten Carbid gebildetes Werkzeugsubstrat besaßen.
Jede der Proben 1 bis 4 beinhalteten eine
Diamantbeschichtung und eine zwischen das
Werkzeugsubstrat und die Diamantbeschichtung eingefügte
Grenzflächenschicht aus TiAlN, während jede der Proben 5
und 6 keine Grenzflächenschicht beinhaltete, so dass die
Diamantbeschichtung direkt auf dem Werkzeugsubstrat
angeordnet war. In jeder der Proben 1 bis 4 war die
Oberfläche des Werkzeugsubstrats durch elektrolytisches
Polieren oder Sandstrahlen mit abrasiven Körnern aus SiC
vor der Bildung der Grenzflächenschicht und der
Diamantbeschichtung aufgeraut worden. In jeder der Proben
5 und 6 wurde die Oberfläche des Werkzeugsubstrats durch
elektrolytisches Polieren aufgeraut und dann einer
Säurebehandlung zum Entfernen von Co aus dem
Werkzeugsubstrat vor der Bildung der Diamantbeschichtung
unterworfen. Die Dicke der Diamantbeschichtung von jeder
der Proben 1 bis 3, 5 und 6 betrug 10 µm, während
diejenige von Probe 4 14 µm betrug. Der Durchmesser des
Schneidezahnteils von jeder der Proben 1 bis 6 betrug
10 mm.
Es wurden zwei Werkstücke verwendet, von welchen eine aus
A7075 (Aluminium) hergestellt war, und das andere aus
ADC12 (Aluminiumgussstück) hergestellt war. Die zwei
Werkstücke wurden durch jede Probe unter
Schneidebedingungen, die in der Tabelle von Fig. 5
angegeben sind, geschnitten. "Aa" und "Ar" in der Spalte
von "Tiefe des Schnitts" in der Tabelle stellen jeweils
eine von der axialen Richtung der Endfräse aus
betrachtete Schneidetiefe und eine von der radialen
Richtung der Endfräse betrachtete Schneidetiefe dar. "D"
darin stellt den Durchmesser des Schneidezahnteils von
jeder Endfräse dar. "Zuführungsrate" darin stellt eine
Zuführung pro Zahn dar [= Zuführung pro Minute/Zahl der
Umdrehungen pro Minute x (Zahl der Zähne im Werkzeug)].
Während jedem Schneidevorgang wurde die Zuführung
zunehmend in Zuwächsen von 0,025 mm/Zahn erhöht.
In dem Test wurde zuerst eine Seitenfläche des Werkstücks
aus A7075 über eine Distanz von 4,2 m durch jede Probe
geschnitten. Als zweites wurde ein Schlitz in das gleiche
Werkstück über eine Distanz von 4,8 m durch jede Probe
geschnitten. Sogar nach dem Seitenflächenschneiden und
dem Schlitzschneiden trat bei keiner der Proben 1 bis 6
ein Schaden auf. Zuletzt wurde eine Seitenfläche des
Werkstücks aus ADC12 durch jede Probe geschnitten. Bei
diesem Schneiden der Seitenfläche aus ADC12 trat bei den
Proben 1 und 4 während dem Schneiden über eine Distanz
von 65 m immer noch kein Schaden auf, während das
Schneideverfahren mit den Proben 2, 3, 5 und 6 nach den
akkumulativen Distanzen nicht länger fortgesetzt werden
konnte, wobei die durch diese Proben jeweils aufgelaufene
geschnittene Seitenfläche aus ADC12 in dem Diagramm von
Fig. 6 angegeben ist. D. h. Proben 1 und 4 blieben sogar
nach dem Schneiden der Seitenfläche von ADC12 über eine
Distanz von 65 m einsatzbereit, während Proben 2, 3, 5
und 6 aufgrund der Entfernung der Diamantbeschichtung aus
dem Werkzeugsubstraten unbrauchbar wurden, wenn die zuvor
beschrieben akkumulativen Distanzen von Proben 2, 3, 5
und 6 sich jeweils auf 30 m, 37 m 44 m, und 23 m
beliefen, wie in dem Diagramm von Fig. 6 angegeben.
Wie aus dem Diagramm von Fig. 6 ersichtlich ist, zeigte
die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Probe 1
eine um wenigstens 50% verbesserte Haltbarkeit gegenüber
derjenigen von Probe 5, in welcher das gewöhnliche
zementierte Carbid-Substrat einer Co-
Entfernungsbehandlung (Säurebehandlung) unterzogen wurde
und dann mit der Diamantbeschichtung beschichtet wurde.
Dieses Ergebnis zeigte, dass die Bereitstellung der
Grenzflächenschicht sogar dort, wo das Substrat aus dem
superfeinteiligen zementierten Carbid hergestellt ist,
effektiv ist, um eine ausreichende Bindungs- oder
Fixierfestigkeit an das Werkzeugsubstrat zu
gewährleisten. Ferner zeigte sich, wie aus den durch
Proben 3 und 4 gezeigten Leistungen ersichtlich ist, dass
eine geeignete Dicke der Diamantbeschichtung effektiv
ist, um die Haltbarkeitsdauer des Werkzeugs weiter zu
verbessern.
Ein anderer Test wurde mit Proben 1 und 5 durchgeführt,
indem eine in JISZ2245 definierte Rockwell-
Härtetestvorrichtung verwendet wurde. In diesem Test
wurde ein Diamanteinkerber mit einer auf den
Diamanteinkerber angelegten Testlast von 588,2 N auf eine
Oberfläche von jeder der Proben 1 und 5 gedrückt. Fig. 7A
und 7B sind Fotografien, die Eindrücke oder Einkerbungen
zeigen, welche jeweils zu lokalen Entfernungen von
Diamantbeschichtungen der Proben 1 und 5 führen, nachdem
der Diamanteinkerber auf die Oberflächen von diesen
Proben gedrückt wurde. Wie aus diesen Figuren ersichtlich
ist, war die auf der Oberfläche von Probe 1 gebildete
Einkerbung kleiner als diejenige, die auf der Oberfläche
von Probe 5 gebildet wurde. D. h. Probe 1 zeigte eine
höhere Bindungsstärke der Diamantbeschichtung an das
Werkzeugsubstrat als diejenige von Probe 5.
Während die derzeitig bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zuvor veranschaulicht worden ist,
muss verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die
Details der veranschaulichten Ausführungsform begrenzt
ist, sondern mit zahlreichen anderen Änderungen,
Veränderungen und Verbesserungen ausgeführt werden kann,
welche dem Fachmann ersichtlich sind, ohne von dem Geist
und Umfang der in den folgenden Ansprüchen definierten
Erfindung abzuweichen.
Ein diamantbeschichteter Körper (10)schließt ein: Ein
Substrat (12) aus zementiertem Carbid; eine
Diamantbeschichtung (16); und eine zwischen das Substrat
und die Diamantbeschichtung eingefügte
Grenzflächenschicht (18), wobei die Grenzflächenschicht
aus einer festen Lösung einschließlich eines
Aluminiumnitrids und eines Metalls, welches zur einer der
Gruppen Iva, Va und VIa des Periodensystems gehört,
besteht. Die Grenzflächenschicht wird vorzugsweise durch
eines aus TiAlN, CrAlN und VAIN bereitgestellt. Das
Substrat wird vorzugsweise aus superfeinteiligem
zementiertem Carbid gebildet.
Claims (13)
1. Ein diamantbeschichteter Körper (10), der folgendes
umfasst:
ein Substrat (12) aus zementiertem Carbid;
eine Diamantbeschichtung (16); und
eine zwischen das Substrat und die Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht (18),
wobei die Grenzflächenschicht aus einer festen Lösung besteht, die ein Aluminiumnitrid und ein Metall, welches zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehört, einschließt.
ein Substrat (12) aus zementiertem Carbid;
eine Diamantbeschichtung (16); und
eine zwischen das Substrat und die Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht (18),
wobei die Grenzflächenschicht aus einer festen Lösung besteht, die ein Aluminiumnitrid und ein Metall, welches zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehört, einschließt.
2. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 1,
wobei die Diamantbeschichtung (16) mit der
Grenzflächenschicht (18) in Kontakt gehalten wird.
3. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 1 oder
2, wobei die Grenzflächenschicht (18) auf einer Oberfläche
des Substrats (12) gemäß einem physikalischen
Dampfabscheidungsverfahren gebildet wird, wobei die
Grenzflächenschicht durch eines aus TiAlN, CrAlN und VAIN
bereitgestellt wird.
4. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 3, wobei das Substrat (12) aus einem
superfeinteiligen zementierten Carbid gebildet ist, welches
WC als eine Hauptkomponente davon einschließt, wobei das
superfeinteilige zementierte Carbid ferner Co derart
einschließt, dass der Co-Gehalt darin 3 bis 25 Gew.-%
beträgt.
5. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 4,
wobei der Co-Gehalt in dem superfeinteiligen zementierten
Carbid 5 bis 10 Gew.-% beträgt.
6. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 4 oder
5, wobei das superfeinteilige zementierte Carbid eine
Hartphase einschließt, welche durch Teilchen mit einer
durchschnittlichen Größe von nicht größer als 1 µm
bereitgestellt wird.
7. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (12) auf dessen
Oberfläche gebildete Vertiefungen und Vorsprünge besitzt,
derart, dass die Oberfläche des Substrats eine
Rauigkeitskurve aufweist, dessen maximale Höhe Ry innerhalb
eines Bereichs von 0,5 µm bis 2 µm liegt.
8. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 7,
wobei die Grenzflächenschicht (18) in Kontakt mit der
Oberfläche der Substrats (12) gehalten wird, welche die
Rauigkeitskurve besitzt, und wobei die Grenzflächenschicht
eine zwischen 0,5 µm bis 5 µm liegende Dicke aufweist.
9. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 8, wobei die Diamantbeschichtung (16) eine
von 5 µm bis 20 µm Liegende Dicke aufweist.
10. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 9, wobei der diamantbeschichtete Körper aus
einem Bearbeitungswerkzeug (10) besteht, welches relativ zu
einem Werkstück bewegt wird, um hierdurch das Werkstück zu
bearbeiten.
11. Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 10,
wobei das Bearbeitungswerkzeug (10) aus einer Endfräse (10)
besteht.
12. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten
Körpers (10), der
ein Grenzflächenschicht-Bildungsschritt (S3) zum Bilden der Grenzflächenschicht aus einem aus TiAlN, CrAlN und VAlN gemäß einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Grenzflächenschicht in Kontakt mit der aufgerauten, Vertiefungen und Vorsprünge aufweisenden Oberfläche des Substrats gehalten wird; und
ein Diamantbeschichtungs-Bildungsschritt (S4) zur Bildung der Diamantbeschichtung gemäß einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Diamantbeschichtung in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht gehalten wird.
- a) ein Substrat (12) aus zementiertem Carbid,
- b) eine Diamantbeschichtung (16), und
- c) eine zwischen das Substrat die Diamantbeschichtung eingefügte Grenzflächenschicht (18) umfasst, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
ein Grenzflächenschicht-Bildungsschritt (S3) zum Bilden der Grenzflächenschicht aus einem aus TiAlN, CrAlN und VAlN gemäß einem physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Grenzflächenschicht in Kontakt mit der aufgerauten, Vertiefungen und Vorsprünge aufweisenden Oberfläche des Substrats gehalten wird; und
ein Diamantbeschichtungs-Bildungsschritt (S4) zur Bildung der Diamantbeschichtung gemäß einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren, derart, dass die Diamantbeschichtung in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der Grenzflächenschicht gehalten wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Oberfläche des
Substrats (12) aufgeraut wird, um die Vertiefungen und
Vorsprünge aufzuweisen, derart, dass die Oberfläche des
Substrats einen vorherbestimmten Grad an
Oberflächenrauigkeit besitzt, und wobei eine Dicke der
Grenzflächenschicht (18) auf der Basis des vorherbestimmten
Grads der Oberflächenrauigkeit der Oberfläche des Substrats
ermittelt wird, derart, dass die Vertiefungen und
Vorsprünge der Oberfläche des Substrats dazu führen, dass
die äußere Oberfläche der Grenzflächenschicht Vertiefungen
und Vorsprünge besitzt.
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