DE10150413B4

DE10150413B4 - Diamantbeschichteter Körper, Verwendung des diamantbeschichtteten Körpers und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10150413B4
Application number: DE10150413.6A
Authority: DE
Inventors: Liu Hao; Yoshihiko Murakami; Hiroyuki Hanyu
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: KR20020046925A; KR100706583B1; US20020071949A1; DE10150413A1; US6656591B2; JP2002179493A; JP3590579B2

Abstract

Diamantbeschichteter Körper (10), mit: einem Hartmetall-Substrat (12) aus WC als Hauptkomponente und mit 3 bis 25 Gew.-% Co; einer Diamantbeschichtung (16); und einer Grenzflächenschicht (18) zwischen dem Substrat (12) und der Diamantbeschichtung (16), wobei die Grenzflächenschicht (18) aus einer festen Lösung von Aluminiumnitrid und einem Metall der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems besteht.

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 Hartmetall mit einem hohen Co-Gehalt hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen Stärke auf ein Substrat fixiert ist, und auch auf eine Verwendung des diamantbeschichteten Körpers und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Als eine Art von Schneidewerkzeug, wie etwa ein Schaftfräser, ein Gewindebohrer und ein Bohrer, wird ein diamantbeschichtetes Schneidewerkzeug vorgeschlagen, in welchem ein Werkzeugsubstrat aus Hartmetall 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 Hartmetall 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 Hartmetall 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 Hartmetalls als das Material des Werkzeugsubstrats unmöglich macht, welches aufgrund seines hohen Co-Gehalts inhärent einen höheren Grad an Festigkeit oder Nicht-Sprödigkeit als anderes Hartmetall besitzt, und welches vorteilhafter Weise als das Substratmaterial des insbesondere zum Schneiden von Gusseisen oder anderen harten Materialien dienenden Schneidewerkzeugs verwendet wird.
Die JP 6-951 B2 offenbart einen diamantbeschichteten Körper mit einem Substrat, 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 Hartmetall 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.
Aus der US 5 725 932 A und der DE 38 80 214 T2 sind ebenfalls diamantbeschichtete Körper mit einem Hartmetall-Substrat, einer Diamantbeschichtung und einer dazwischen liegenden Grenzflächenschicht bekannt. Bei der US 5 725 932 A besteht die Grenzflächenschicht aus einer festen Lösung von W-Ti-C-N und/oder W-Ti-Ta-C-N und bei der DE 38 80 214 T2 aus Titannitrid.
Die EP 0 842 004 B1 schlägt ein Schneidwerkzeug mit einem Hartmetall-Substrat, einer einlagigen Beschichtung aus TiAlN oder TiN und optional einer Zusatzschicht aus einem Metallcarbid, -nitrid, -carbonitrid oder -borid, aus Bornitrid, aus Siliziumnitrid oder aus polykristallinem Diamant vor.
Die EP 828 015 A2 offenbart einen beschichteten Körper, der ein Substrat aus Nichteisen-Metallen und Keramik eine 5 bis 500 nm dünne diamantartige Kohlenstoffschicht sowie eine zwischen dem Substrat und der Kohlenstoffschicht eingefügte Zwischenschicht umfasst, die hauptsächlich aus Al, Cr, Sn, Co und/oder B sowie deren Oxiden, Nitriden und Carbiden besteht.
Die US 5 688 557 A offenbart einen Körper, der ein Metall-, Cermet- oder Keramiksubstrat, eine Diamantschicht sowie eine zwischen dem Substrat und der Diamantschicht eingefügte Zwischenschicht umfasst, die sich aus metallischem Al, Si, Ti, W, B, Mo, Zr oder Ta und/oder deren Carbiden oder Nitriden zusammensetzt.
Die JP 05-078 845 A offenbart schließlich einen Körper, der ein Substrat aus einer harten Sinterlegierung und eine Diamantbeschichtung umfasst. Die Sinterlegierung besteht aus 80 bis 99 Vol.-% harten Metallcarbid, insbesondere WC, sowie Rest Ni oder Co als Bindephase. In die Bindephase aus Ni oder Co wird während der Aufbringung der Diamantbeschichtung in einem Anteil von etwa 50 Vol.-% eine intermetallische Verbindung aus Ni, Co, Al eingebracht, um eine Graphitisierung von Diamantteilchen in der Diamantbeschichtung zu unterdrücken.
Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen diamantbeschichteten Körper bereitzustellen, in welchem eine Diamantbeschichtung sogar dort, wo das Substrat aus superfeinteiligem Hartmetall mit einem hohen Co(Cobalt)-Gehalt hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen Festigkeit auf einem Substrat fixiert ist. Diese erste Aufgabe kann gemäß einem beliebigen der in den Patentansprüchen 1 bis 7 beschriebenen Aspekte der Erfindung gelöst werden. Der diamantbeschichtete Körper der Erfindung eignet sich insbesondere für die in den Patentansprüchen 8 und 9 angegebenen Verwendungszwecke.
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 Hartmetall mit einem hohen Co(Cobalt)-Gehalt hergestellt ist, mit einer ausreichend hohen Festigkeit auf einem Substrat fixiert ist. Diese zweite Aufgabe kann gemäß dem im Patentanspruch 10 oder 11 beschriebenen Aspekt der Erfindung gelöst werden.
Hinsichtlich des Patentanspruchs 1 sei angemerkt, dass der diamantbeschichtete Körper der Erfindung auch so verstanden werden kann, dass er das 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 können die Diamantbeschichtung und die Grenzflächenschicht auch so interpretiert werden, dass sie mit der jeweilig anderen so kooperieren, dass sie eine das Substrat bedeckende vielschichtige Beschichtung bereitzustellen. Es sei weiter angemerkt, dass die vorstehend beschriebene Grenzflächenschicht auch als eine Zwischenschicht bezeichnet werden kann.
Die Diamantbeschichtung wird bei dem diamantbeschichteten Körper wünschenswerter Weise mit der Grenzflächenschicht in Kontakt gehalten. Die kristalline Diamantbeschichtung ist dann 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.
Hinsichtlich des Patentanspruchs 2 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 VAlN als eine Aluminiumnitrid und V einschließende feste Lösung verstanden werden kann.
Bei dem diamantbeschichteten Körper der vorliegenden Erfindung besteht die Grenzflächenschicht aus der festen Lösung von Aluminiumnitrid und einem Metall (z.B. Ti (Titan), Cr (Chrom) und V (Vanadium)), welches zu einer der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehört. 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 Hartmetall hergestellt ist, sondern auch dort, wo das Substrat aus dem superfeinteiligen Hartmetall mit einem hohen Co-Gehalt hergestellt ist, mit der ausreichend hohen Fixierungsstärke an das Substrat fixiert werden. Daher kann das superfeinteilige Hartmetall 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 Hartmetall 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 Hartmetalls verwendet werden.
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung stellt im Wesentlichen die gleichen technischen Vorteile wie der diamantbeschichtete Körper der vorliegenden Erfindung bereit.
Der diamantbeschichtete Körper der vorliegenden Erfindung kann ein diamantbeschichtetes Bearbeitungswerkzeug sein, wie etwa ein Schaftfräser, ein Bohrer, ein Gewindebohrer, eine Gewindeschneidbacke bzw. ein Gewindeschneideisen, ein an einen Werkzeughalter fixierter, ersetzbarer Einschub, der für ein Drehbankschneide- oder -fräsverfahren 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 Hartmetall mit hohem Co-Gehalt hergestellt ist. Das Prinzip der Erfindung kann jedoch auf den diamantbeschichteten Körper angewendet werden, in welchem das Substrat aus einem gewöhnlichen Hartmetall hergestellt ist.
Die Grenzflächenschicht schließt vorzugsweise eines von TiAlN, CrAlN und VAlN 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 Herstellungsverfahren von Patentanspruch 10 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 Herstellungsverfahren von Patentanspruch 10 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 Herstellungsverfahren von Patentanspruch 10 wird die Diamantbeschichtung 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
1A eine Vorderansicht eines diamantbeschichteten Körpers in der Form eines Schaftfräsers ist, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
1B eine Querschnittsansicht eines Schneidezahnteils des Schaftfräsers von 1A ist, die eine Grenzflächenschicht zeigt, welche zwischen eine Diamantbeschichtung und ein Substrat eingefügt ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Herstellen eines Schaftfräsers von 1A veranschaulicht;
3 ein schematisches Schaubild ist, das ein Beispiel für eine Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung zeigt, die in einem Diamantbeschichtungsbildungsschritt S4 des Herstellungsverfahrens von 2 verwendet wird;
4 eine Tabelle ist, die den Aufbau von 6 Schaftfräsern von Proben 1 bis 6 zeigt, die in einem Haltbarkeitstest verwendet werden, welcher von den Erfindern durchgeführt wurde;
5 eine Tabelle ist, die Schneidebedingungen zeigt, unter welchen der Haltbarkeitstest durchgeführt wurde;
6 ein Diagramm ist, das ein Ergebnis des Haltbarkeitstests zeigt; und
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.
1A ist eine Vorderansicht eines diamantbeschichteten Körpers in der Form eines Schaftfräsers 10, welcher gemäß dieser Erfindung aufgebaut ist. Der Schaftfräser 10 beinhaltet ein Werkzeugsubstrat (Basismaterial) 12 mit einer im Allgemeinen zylindrischen Gestalt und aus einem superfeinteiligen Hartmetall, welches WC als dessen Hauptkomponente und auch Co derart einschließt, dass der Co-Gehalt 5 bis 10 Gew.-% beträgt. Das superfeinteilige Hartmetall 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 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.
Der Schaftfräser 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 1B gezeigt, welche eine Querschnittsansicht eines radialen äußeren Teils des Schneidezahnteils 14 des Schaftfräsers 10 ist.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Schaftfräsers 10 veranschaulicht. Das Herstellungsverfahren wird mit einem Substratherstellungsschritt S1 initiiert, in welchen ein superfeinteiliger Hartmetallblock 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 aufzurauen, 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 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 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 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 Masse, 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 6,7 × 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 dem wie vorstehend beschrieben hergestellten Schaftfräser 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 des Schaftfräsers 10 bei und demgemäß zur Reduzierung der Kosten bei der Herstellung des Schaftfräsers 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 Hartmetall hergestellt ist, sondern auch dort, wo das Werkzeugsubstrat 12 aus einem superfeinteiligen Hartmetall mit einem hohen Co-Gehalt hergestellt ist, an das Werkzeugsubstrat 12 mit der ausreichend hohen Fixierungsfestigkeit fixiert werden. Daher kann in dem gemäß der Erfindung aufgebauten Schaftfräser 10 das superfeinteilige Hartmetall als ein Material zur Bildung des Werkzeugsubstrats 12 verwendet werden, so dass der Schaftfräser 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 Hartmetall 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 Schaftfräser verwendet wurden, wobei jeder zwei Schneidezähne und einen in der Tabelle von 4 spezifizierten Aufbau besaß. Die 6 untersuchten Schaftfräser 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 4 hervorgeht, besaßen jede der Proben 1, 2 und 6 ein aus einem superfeinteiligen Hartmetall gebildetes Werkzeugsubstrat, während jede der Proben 3, 4 und 5 ein aus einem gewöhnlichen Hartmetall 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 5 angegeben sind, geschnitten. "A_a" und "A_r" in der Spalte von "Tiefe des Schnitts" in der Tabelle stellen jeweils eine von der axialen Richtung des Schaftfräsers aus betrachtete Schneidetiefe und eine von der radialen Richtung des Schaftfräsers betrachtete Schneidetiefe dar. "D" darin stellt den Durchmesser des Schneidezahnteils von jedem Schaftfräser dar. "Zuführungsrate" darin stellt eine Zuführung pro Zahn dar [= Zuführung pro Minute/Zahl der Umdrehungen pro Minute × (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 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 6 angegeben.
Wie aus dem Diagramm von 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 Hartmetall-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 Hartmetall 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. 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.

Claims

Diamantbeschichteter Körper (10), mit: einem Hartmetall-Substrat (12) aus WC als Hauptkomponente und mit 3 bis 25 Gew.-% Co; einer Diamantbeschichtung (16); und einer Grenzflächenschicht (18) zwischen dem Substrat (12) und der Diamantbeschichtung (16), wobei die Grenzflächenschicht (18) aus einer festen Lösung von Aluminiumnitrid und einem Metall der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems besteht.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Grenzflächenschicht (18) aus TiAlN, CrAlN oder VAlN besteht.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Co-Gehalt in dem Hartmetall-Substrat (12) 5 bis 10 Gew.-% beträgt.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hartmetall-Substrat (12) eine Hartphase einschließt, welche durch Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von nicht größer als 1 µm bereitgestellt wird.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (12) auf dessen Oberfläche gebildete Vertiefungen und Vorsprünge besitzt, derart, dass die Oberfläche des Substrats (12) eine Rauigkeitskurve aufweist, deren maximale Höhe Ry innerhalb eines Bereichs von 0,5 µm bis 2 µm liegt.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß Anspruch 5, wobei die Grenzflächenschicht (18) eine Dicke von 0,5 µm bis 5 µm aufweist.
Diamantbeschichteter Körper (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Diamantbeschichtung (16) eine Dicke von 5 µm bis 20 µm aufweist.
Verwendung eines diamantbeschichteten Körpers (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Bearbeitungswerkzeug (10), welches relativ zu einem Werkstück bewegt wird, um hierdurch das Werkstück zu bearbeiten.
Verwendung gemäß Anspruch 8, wobei das Bearbeitungswerkzeug (10) aus einem Schaftfräser (10) besteht.
Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Körpers (10), mit: einem Substrat-Vorbereitungsschritt (S1) zum Vorbereiten eines Hartmetall-Substrats (12) aus WC als Hauptkomponente und mit 3 bis 25 Gew.-% Co; einem Oberflächen-Aufrauungsschritt (S2) zum Aufrauen einer Oberfläche des Substrats (12); einem Grenzflächenschicht-Bildungsschritt (S3) zum Bilden einer Grenzflächenschicht (18) aus TiAlN, CrAlN oder VAlN mittels physikalischer Dampfabscheidung auf der aufgerauten Oberfläche des Substrats (12); und einem Diamantbeschichtungs-Bildungsschritt (S4) zur Bildung einer Diamantbeschichtung (16) mittels chemischer Dampfabscheidung auf der Grenzflächenschicht (18).
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Grenzflächenschicht (18) mit einer Dicke von 0,5 µm bis 5 µm auf der Oberfläche des Substrats (12) ausgebildet wird, so dass die Rauigkeit des Substrats (12) dazu führt, dass die äußere Oberfläche der Grenzflächenschicht (18) Vertiefungen und Vorsprünge besitzt.