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Diese
Anmeldung basiert auf der am 9. November 2005 eingereichten japanischen
Patentanmeldung Nr. 2005-324971,
deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine DLC-Beschichtung (DLC = engl.: Diamond
Like Carbon; dt.: diamantähnlicher
Kohlenstoff) und insbesondere auf eine DLC-Beschichtung, mit der
sich bei einem mit der DLC-Beschichtung beschichteten Werkzeug selbst
dann eine zufrieden stellende Lebensdauer erreichen lässt, wenn
das Werkzeug einen Werkstoff mit hoher Haftfähigkeit durch Trockenschnitt
schneidet.
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Diamantähnlicher
Kohlenstoff (DLC), der Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) enthält, hat
eine verdichtete amorphe Struktur und unterscheidet sich von einem
Diamanten hinsichtlich seiner Kristallstruktur. Aufgrund seiner
hohen Härte
und hervorragenden Abriebfestigkeit hat er als Beschichtung für ein Schneidwerkzeug
und dergleichen breite Verwendung gefunden, um dessen Abriebfestigkeit
zu verbessern. Die JP-A 2005-22073 und JP-A 2003-62705 offenbaren
jeweils Beispiele eines solchen Schneidwerkzeugs, das mit einer
einlagigen DLC-Beschichtung beschichtet ist, die im Wesentlichen
keinen Wasserstoff enthält.
Die JP-A 2001-148112 schlägt
die Verwendung einer DLC-Beschichtung als Schutzschicht für ein Aufzeichnungsmedium
vor, in der ausdrücklich
Wasserstoff enthalten ist.
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Als
allerdings Schneidwerkzeuge verwendet wurden, die mit den in der
JP-A 2005-22073 und der JP-A 2003-62705 offenbarten DLC-Beschichtungen beschichtet
waren, die im Wesentlichen keinen Wasserstoff enthalten, um einen
Werkstoff mit hoher Haftfähigkeit
wie eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung zu schneiden,
trat das folgende Problem auf. Und zwar nahm innerhalb kurzer Zeit
die Schneidgenauigkeit durch das Schneidwerkzeug durch ein Anhaften
des Werkstoffs am Schneidwerkzeug ab, wodurch das Schneidwerkzeug
seine Werkzeuglebensdauer erreichte. Ein solches Problem tritt manchmal
auf, wenn der Werkstoff durch Trockenschnitt geschnitten wird, wobei
der Werkstoff ohne jegliche Verwendung von Schmierstoff unter Lufteinblasung
oder unter Verwendung eines Sprühnebels mit
einer minimalen Menge an Schmierstoff geschnitten wird.
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Die
in der JP-A 2001-148112 offenbarte DLC-Beschichtung, in der ausdrücklich Wasserstoff enthalten
ist, hat dagegen einen kleinen Reibungskoeffizienten, was die Antihafteigenschaften
verbessert. Eine solche DLC-Beschichtung,
die eine geringere Härte
und eine schlechtere Abriebfestigkeit hat, ist zwar als Schutzschicht
für ein
Aufzeichnungsmedium und dergleichen geeignet, nicht aber als Hartschicht
für ein
Schneidwerkzeug.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine DLC-Beschichtung und
ein DLC-beschichtetes Werkzeug zur Verfügung zu stellen, mit denen
sich selbst dann eine in der Praxis zufrieden stellende Lebensdauer
realisieren lässt,
wenn das Werkzeug dazu verwendet wird, einen Werkstoff mit hoher
Haftfähigkeit
durch Trockenschnitt oder mit einem Sprühnebel zu schneiden.
- (1) Die obige Aufgabe wird gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung durch eine DLC-Beschichtung gelöst, die
eine Oberfläche
eines vorgegebenen Bauteils überzieht
und die eine Grundschicht, die im Wesentlichen keinen Wasserstoff
enthält,
und eine wasserstoffhaltige Schicht, die Wasserstoff im Bereich
von 2 Atom-% bis 20 Atom-% enthält,
umfasst, wobei die Grundschicht und die auf der Grundschicht gelegene wasserstoffhaltige
Schicht einen zweilagigen Aufbau bilden.
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In
der DLC-Beschichtung gemäß der ersten Ausgestaltung
bringt die Grundschicht, die im Wesentlichen keinen Wasserstoff
enthält,
eine hervorragende Abriebfestigkeit mit sich, während die wasserstoffhaltige
Schicht auf der Grundschicht den Reibungskoeffizienten senkt, sodass
sie hervorragende Antihafteigenschaften (Schmiervermögen) mit
sich bringt. Und zwar wird die wasserstoffhaltige Schicht, die eine
geringere Härte
als die Grundschicht hat und sich auf der Grundschicht mit höherer Härte befindet, an
einer Verformung gehindert, wodurch sowohl eine hohe Abriebfestigkeit
als auch hervorragende Antihafteigenschaften erzielt werden können. Bei
der ersten Ausgestaltung reicht die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung vorzugsweise
von 0,05 μm bis
1,0 μm,
wobei der Anteil der Schichtdicke der wasserstoffhaltigen Schicht
bezogen auf die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung vorzugsweise von 5% bis
50% reicht.
- (2) Die zweite Ausgestaltung der
Erfindung sieht ein DLC-beschichtetes
Werkzeug vor, das ein Werkzeuggrundmetall und eine DLC-Beschichtung
umfasst, die das Werkzeuggrund metall überzieht, wobei die DLC-Beschichtung
einen zweilagigen Aufbau hat, der eine Grundschicht, die im Wesentlichen
keinen Wasserstoff enthält,
und eine wasserstoffhaltigen Schicht, die auf der Grundschicht gelegen
ist und Wasserstoff im Bereich von 2 Atom-% bis 20 Atom-% enthält, umfasst.
Wenn die DLC-Beschichtung gemäß der ersten
Ausgestaltung zum Beschichten des Werkzeugs der zweiten Ausgestaltung
verwendet wird, kann dementsprechend das Anhaften eines Werkstoffs
am Werkzeug unterdrückt
werden, wodurch sich die Werkzeuglebensdauer selbst dann verlängert, wenn
das Werkzeug dazu verwendet wird, einen Werkstoff mit hoher Haftfähigkeit
wie eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung durch Trockenschnitt
oder mit einem Sprühnebel
zu schneiden.
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Bei
dem DLC-beschichteten Werkzeug der zweiten Ausgestaltung reicht
die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung
vorzugsweise von 0,05 μm
bis 1,0 μm,
wobei der Anteil der Schichtdicke der wasserstoffhaltigen Schicht
bezogen auf die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung vorzugsweise von 5% bis
50% reicht.
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Wenn
die Schichtdicke der wasserstoffhaltigen Schicht zu groß ist, verringert
sich nicht nur die Abriebfestigkeitswirkung der Grundschicht, sondern neigt
auch die DLC-Beschichtung dazu, sich vom Werkzeuggrundmetall abzulösen. Aus
diesem Grund reicht die Schichtdicke der wasserstoffhaltigen Schicht
bezogen auf die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung vorzugsweise
von 5% bis 50%. Angesichts dessen, dass eine hervorragende Abriebfestigkeit
und hervorragende Antihafteigenschaften erreicht werden sollen,
reicht die Gesamtdicke der DLC-Beschichtung
vorzugsweise von 0,05 μm
bis 1,0 μm
und besser noch von 0,1 μm
bis 0,5 μm.
- (3) Die DLC-Beschichtung gemäß der ersten
Ausgestaltung wird als Überzug
auf die Oberfläche verschiedener
Schneidwerkzeuge aufgebracht, etwa auf ein sich drehendes Schneidwerkzeug, was
einen Schaftfräser,
einen Gewindeschneider und einen Bohrer einschließt, auf
ein sich nicht drehendes Schneidwerkzeug wie einen Schneidring (engl.:
bite) oder auf ein Formwalzwerkzeug, um ihnen Antihafteigenschaften
oder Abriebfestigkeit zu verleihen. Sie kann auch die Oberfläche anderer
Bauteile als die Schneidwerkzeuge als Oberflächenschutzschicht überziehen.
Für das Material
des Bauteils, das die DLC-Beschichtung überzieht, etwa für das Grundmetall,
kann vorzugsweise eine Hartmetalllegierung oder ein Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl
verwendet werden, wobei aber auch andere Metallmaterialien verwendet
werden können.
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Das
DLC-beschichtete Werkzeug gemäß der zweiten
Ausgestaltung wird vorzugsweise zum Trockenschnitt oder Halbtrockenschnitt
verwendet, wobei unter Zuführung
von Blasluft oder eines Sprühnebels
eine Aluminiumlegierung oder Kupferlegierung mit hoher Haftfähigkeit
geschnitten wird. Das DLC-beschichtete Werkzeug kann jedoch auch
dazu verwendet werden, außer
der Aluminiumlegierung oder der Kupferlegierung verschiedene andere
Arten Metallmaterialien wie ein Nichteisenmetall, ein Eisenmetall
oder rostfreien Stahl zu schneiden. Darüber hinaus kann das DLC-beschichtete
Werkzeug beim Nassschnitt verwendet werden, wobei der Werkstoff unter
Zufuhr einer ausreichenden Menge Schmierstoff geschnitten wird.
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Als
Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der DLC-Beschichtung auf das Werkzeuggrundmetall
können
vorzugsweise ein PVD-Verfahren (Abscheidung aus der Dampfphase)
wie ein Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren, das die DLC-Beschichtung
unter Verwendung eines Grafit-Targets abscheidet, oder ein Sputterverfahren
verwendet werden. In diesem Fall kann durch die Abscheidung in einer
im Wesentlichen wasserstofffreien Atmosphäre die Grundschicht gebildet
werden, die im Wesentlichen keinen Wasserstoff enthält, während durch
die Abscheidung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre unter
Einleitung von Kohlenwasserstoffgas und Wasserstoffgas die wasserstoffhaltige Schicht
gebildet werden kann, die die vorgegebene Menge Wasserstoff enthält.
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Der
Wasserstoffgehalt kann in der DLC-Beschichtung an der Grenze zwischen
der Grundschicht und der wasserstoffhaltigen Schicht stufenweise
oder kontinuierlich erhöht
werden oder das Vorhandensein/die Abwesenheit des Wasserstoffgases
kann in einem Stoß geändert werden.
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Dabei
bedeutet der Ausdruck „im
Wesentlichen keinen Wasserstoff enthält", dass die Grundschicht so wenig Wasserstoff
enthalten kann, wie in Abhängigkeit
von den Abscheidungsbedingungen zwangsläufig eingemischt wird. Der
Wasserstoffgehalt in der Grundschicht ist zumindest kleiner als
der in der wasserstoffhaltigen Schicht und beträgt im Normalfall vorzugsweise
nicht mehr als 1,0 Atom-%.
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Wenn
der Wasserstoffgehalt in der wasserstoffhaltigen Schicht weniger
als 2 Atom-% beträgt, lassen
sich die vorgegebenen Antihafteigenschaften kaum erreichen, und
wenn er mehr als 20 Atom-% beträgt,
nimmt die Abriebfestigkeit ab, sodass sich die wasserstoffhaltige
Schicht leicht von der Grundschicht ablöst. Aus diesem Grund sollte
der Wasserstoffgehalt von 2 Atom-% bis 20 Atom-% reichen und vorzugsweise
von 5 Atom-% bis 14 Atom-%.
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Der
Wasserstoffgehalt kann zum Beispiel durch das ERDA-Verfahren (ERDA =
engl.: Elastic Recoil Detection Analysis; dt.: elastische Rückstreuanalyse)
erfasst werden. Wenn der erfasste Wert am Oberflächenabschnitt der wasserstoffhaltigen Schicht
durch den Einfluss einer Kohlenwasserstoff- oder Wasserkomponente
extrem hoch ist, kann es reichen, wenn der Wasserstoffgehalt des
den Oberflächenabschnitt
ausnehmenden Innenabschnitts in den obigen Bereich fällt. Der
obige Bereich des Wasserstoffgehalts ist so gesehen nicht unbedingt
im gesamten Bereich der wasserstoffhaltigen Schicht erfüllt, was
jedoch von der Erfassungsgenauigkeit und vom Analyseverfahren abhängt. So
reicht es zum Beispiel, wenn der Durchschnittswert des Wasserstoffgehalts
in der wasserstoffhaltigen Schicht in den obigen Bereich fällt.
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Die
Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung reicht vorzugsweise von
0,05 μm
bis 1,0 μm. Wenn
die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung weniger als 0,05 μm beträgt, stellen
sich die Wirkungen der Abriebfestigkeit und der Antihafteigenschaften
nicht ausreichend ein, wohingegen die wasserstoffhaltige Schicht
bei einer Dicke von mehr als 1,0 μm
dazu neigt, sich von der Grundschicht abzulösen. Wenn die Schichtdicke
der DLC-Beschichtung abhängig
von den Abscheidungsbedingungen schwankt, reicht es, wenn die obige
Bedingung zumindest in der Nähe
des Schneidkantenabschnitts des Werkzeuggrundmetalls erfüllt ist,
der mit dem Schnitt zusammenhängt.
Die obige Bedingung muss also nicht unbedingt in einer Spanauswurfkehle
des Werkzeuggrundmetalls erfüllt
sein, die beim Schnitt die Späne
auswirft.
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Der
auf die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung bezogene Anteil
der Schichtdicke der wasserstoffhaltigen Schicht reicht vorzugsweise von
5% bis 50%. Falls dieser Anteil kleiner als 5% ist, kann sich die
Wirkung der Abriebfestigkeit nicht ausreichend einstellen, während bei
mehr als 50% die Wirkung der Abriebfestigkeit durch die Grundschicht abnimmt
und sich die wasserstoffhaltige Schicht leicht von der Grundschicht
lösen kann.
Um eine noch bessere Abriebfestigkeit zu erzielen, reicht dieser
Anteil vorzugsweise von 5% bis 30%.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen Schaftfräser, der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt, wobei 1A schematisch
eine Draufsicht auf den Schaftfräser
senkrecht zu seiner Achse zeigt, 1B eine Endansicht
des Schaftfräsers
von seiner Endspitze aus zeigt und 1C eine
Schnittansicht eines Oberflächenabschnitt
einer Schneidkante zeigt, die mit einer DLC-Beschichtung überzogen
ist;
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2 ist
eine Tabelle, die drei Arten DLC-Beschichtungen
mit verschiedener Schichtdicke und dergleichen angibt;
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3 ist
eine Ansicht, die eine Prüfeinrichtung
zur Durchführung
eines Abriebfestigkeitsprüfung
mit Prüfstiften
erläutert,
die mit den jeweiligen DLC-Beschichtungen
von 2 überzogen
sind;
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4 zeigt eine Abriebspur, die jeweils in
einem Kugelkopfabschnitt der drei mit den jeweiligen DLC-Beschichtungen von 2 überzogenen
Arten Prüfstifte
auftrat, als sie der Abriebprüfung
mit der in 3 gezeigten Prüfeinrichtung
unterzogen wurden, wobei 4A eine
Fotografie eines Ausführungsbeispiels, 4B eine
Fotografie eines Vergleichsbeispiels und 4C eine
Fotografie nach Stand der Technik darstellt;
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5 zeigt
grafisch die Reibungskoeffizienten der beiden mit den DLC-Beschichtungen
des Ausführungsbeispiels
und des Vergleichsbeispiels von 2 überzogenen
Arten Prüfstifte,
die durch die mit der Prüfeinrichtung
von 3 durchgeführte Prüfung ermittelt
wurden;
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6 zeigt
grafisch die Reibungskoeffizienten der beiden mit den DLC-Beschichtungen
des Ausführungsbeispiels
und des Stands der Technik von 2 überzogenen
Arten Prüfstifte,
die durch die mit der Prüfeinrichtung
von 3 durchgeführte Prüfung ermittelt
wurden;
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7A ist
eine Tabelle, die Prüfbedingungen
für die
Prüfung
der Abriebfestigkeit während
eines vorgegebenen Schnittes angibt, und 7B eine
Ansicht, die die Haftbreite erläutert;
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8 ist
eine Tabelle, die die Haftbreiten an der Schneidbrust für mehrere
Arten Prüfstücke darlegt,
die sich hinsichtlich des Anteils der Schichtdicke der Oberflächenschicht
bezogen auf die Gesamtdicke der DLC-Beschichtung unterscheiden, die anhand
der Prüfung
ermittelt wurden, die unter den in 7A angegebenen
Prüfbedingungen
erfolgte;
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9 ist
eine Tabelle, die die Haftbreiten an der Schneidbrust für mehrere
Arten Prüfstücke darlegt,
die sich hinsichtlich des Wasserstoffgehalts der Oberflächenschicht
der DLC-Beschichtung unterscheiden, die anhand der Prüfung ermittelt
wurde, die unter den in 7A angegebenen
Prüfbedingungen erfolgte;
und
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10 zeigt
eine Tabelle, die die Haftbreiten an der Schneidbrust für mehrere
Arten Prüfstücke darlegt,
die sich hinsichtlich der jeweiligen Schichtdicke und der Gesamtschichtdicke
der DLC-Beschichtung unterscheiden, die anhand der Prüfung ermittelt wurden,
die unter den in 7A angegebenen Prüfbedingungen
erfolgte.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen die Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert.
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1 zeigt einen Schaftfräser 10, der ein erfindungsgemäßes Beispiel
des DLC-beschichteten Werkzeugs darstellt, wobei 1A schematisch
eine Draufsicht auf den Schaftfräser 10 senkrecht
zu seiner Achse zeigt und 1B eine
Endansicht des Schaftfräsers 10 von
seinem Kopfende aus zeigt.
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Der
Schaftfräser 10 ist
ein eckiger Schaftfräser
mit drei Schneidabschnitten und weist ein Grundmetall 12,
das aus Hartmetall besteht und einen Schaftabschnitt 13 hat,
und einen Schneidenteil 14 auf, die miteinander eine Einheit
bilden. Am Schneidenteil 14 sind als Schneidabschnitt eine
Umfangsschneidkante 16 und eine Endschneidkante 18 vorgesehen,
um den Schnitt vorzunehmen, wenn das Werkzeug durch eine (nicht
gezeigte) Antriebsquelle um seine Achse gedreht wird.
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Die
Oberfläche
des Schneidenteils 14 ist mit einer DLC-Beschichtung 20 überzogen.
Die DLC-Beschichtung 20 überzieht, wie die Schraffierung
in 1A angibt, den Schneidenteil 14 und hat
im Schnitt den in 1C gezeigten Aufbau. Der Schaftfräser 10 entspricht
hier einem sich drehenden Schneidwerkzeug, und das Werkzeuggrundmetall 12 entspricht
dem beanspruchten vorgegebenen Bauteil, das mit der DLC-Beschichtung 20 überzogen
ist.
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Wie
aus 1C hervorgeht, hat die DLC-Beschichtung 20 einen
zweilagigen Schichtaufbau mit einer Grundschicht 22, die
sich auf der Oberfläche des
Schneidenteils 14 befindet, und einer Oberflächenschicht 24,
die auf dieser Grundschicht 22 aufgeschichtet ist. Die
Grundschicht 22 ist eine Schicht, die außer dem
Wasserstoff, der beim Aufbringen der DLC-Beschichtung 20 zwangsläufig eingemischt wird,
im Wesentlichen keinen Wasserstoff enthält, wobei ihr Wasserstoffgehalt
nicht mehr als 1,0 Atom-% beträgt.
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In
die Oberflächenschicht 24,
die der wasserstoffhaltigen Schicht entspricht, wird dagegen beim Aufbringen
der DLC-Beschichtung 20 ausdrücklich Wasserstoff
eingebracht, wobei der Wasserstoffgehalt von 2 Atom-% bis 20 Atom-%
reicht. Die Gesamtschichtdicke D1 der DLC-Beschichtung 20 reicht
von 0,05 μm
bis 1,0 μm,
wobei die Schichtdicke D2 der Oberflächenschicht 25 bezogen
auf die Gesamtschichtdicke D1 von 5% bis 50% reicht.
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Die
DLC-Beschichtung 20 wird durch ein Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren
gebildet, das bei der Abscheidung ein Grafit-Target verwendet. Die Grundschicht 22 wird
in diesem Fall auf dem Schneidenteil 14 in einer wasserstofffreien
Atmosphäre
abgeschieden, während
die Oberflächenschicht 24 auf der
Grundschicht 22 in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre abgeschieden
wird, in die eine vorgegebene Menge Kohlenwasserstoffgas und Wasserstoffgas
eingeleitet wird. In der Oberflächenschicht 24 ist somit
eine vorgegebene Menge Wasserstoff enthalten.
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Der
Wasserstoffgehalt lässt
sich zum Beispiel mit dem ERDA-Verfahren erfassen. Dabei kann der
am Oberflächenabschnitt
erfasste Wert durch den Einfluss von anhaftenden Stoffen wie einer
Kohlenwasserstoff- oder Wasserkomponente extrem hoch werden. Deswegen
reicht es, wenn der Wasserstoffgehalt eines den Oberflächenabschnitt
ausnehmenden Innenabschnitts von 2 Atom-% bis 20 Atom-% reicht.
Dabei ist zu beachten, dass nicht unbedingt der gesamte Bereich
der Oberflächenschicht 24 den
obigen Wasserstoffgehalt erfüllt
und dass in diesem Ausführungsbeispiel
daher der Durchschnittswert des Wasserstoffgehalts in der Oberflächenschicht 24 zum
obigen Bereich gehört.
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In
dem Schaftfräser 10,
bei dem der Schneidenteil 14 des Werkzeuggrundmetalls 12 mit
der DLC-Beschichtung 20 überzogen ist, bringt die Grundschicht 22,
die im Wesentlichen keinen Wasserstoff enthält, eine hervorragende Abriebfestigkeit mit
sich und bringt die Oberflächenschicht 24,
die sich auf der Grundschicht 22 befindet und die vorgegebene
Menge Wasserstoff enthält,
einen kleinen Reibungskoeffizienten mit sich, durch den hervorragende
Antihafteigenschaften (Schmiervermögen) realisiert werden. Und
zwar wird die Oberflächenschicht 24,
die eine geringere Härte
als die Grundschicht 22 hat, an einer Verformung gehindert,
da sie sich auf der Grundschicht 22 mit der höheren Härte befindet.
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Auf
diese Weise wird selbst dann, wenn der Schaftfräser 10 einen Werkstoff
wie eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung mit hoher
Haftfähigkeit
durch Trockenschnitt oder mit einem Sprühnebel schneidet, das Anhaften
des Werkstoffs am Schaftfräser 10 unterdrückt, sodass
sich die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert.
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Wenn
die Schichtdicke der Oberflächenschicht 24 dagegen
größer wäre, würde die
Abriebfestigkeit der Grundschicht 22 abnehmen und würde die
Oberflächenschicht 24 dazu
neigen, sich von der Grundschicht 22 abzulösen. Allerdings
reicht die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung 20 in
diesem Ausführungsbeispiel
von 0,05 μm
bis 1,0 μm
und reicht die Schichtdicke D2 der Oberflächenschicht 24 bezogen
auf die Gesamtschichtdicke D1 der DLC-Beschichtung 20 von 5% bis
50%. Infolgedessen werden durch die Oberflächenschicht 24 die
Antihafteigenschaften verbessert, während die Abriebfestigkeit
der Grundschicht 22 beibehalten wird.
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Mit
den in 2 angegebenen DLC-Beschichtungen wurden jeweils
Prüfstifte
des Ausführungsbeispiels,
Prüfstifte
eines Vergleichsbeispiels und Prüfstifte
nach dem Stand der Technik überzogen
und mit der in 3 Prüfeinrichtung unter den folgenden
Prüfbedingungen
einer Abriebfestigkeitsprüfung
unterzogen. Durch die Abriebfestigkeitsprüfung wurden die in 4 angegeben Ergebnisse erzielt. Der Prüfstift hatte
dabei eine Zylinderform mit 6 mm Durchmesser und 25 mm Länge, wobei
sein Kopfende mit einem Radius von 5 mm abgerundet war. Dabei steht
der Begriff „Anteil
der Oberflächenschicht
bezogen auf die Gesamtdicke" in 2 für den Anteil
D2/D1 der Schichtdicke D2 bezogen auf die Gesamtschichtdicke D1
der DLC-Beschichtung 20. Der Wasserstoffgehalt der Oberflächenschicht 24 betrug
10 Atom-%, während
der Wasserstoffgehalt der Grundschicht 22 nicht mehr als
1,0 Atom-% betrug.
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– Prüfbedingungen –
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- • Werkstoff:
A7075 (Aluminiumlegierung)
- • Last:
500 g
- • Maschinengeschwindigkeit:
100 mm/s
- • Dauer:
1000 s
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Die 4A bis 4C zeigen
Abriebspuren an der Kugelkopffläche
der Prüfstifte.
Es ist ersichtlich, dass die Abriebspur des in 4A gezeigten Ausführungsbeispiels
die kleinste ist, was dazu beiträgt,
dass ein hervorragendes Schmiervermögen und eine hervorragende
Abriebfestigkeit erzielt werden. In dem Vergleichsbeispiel mit der
wasserstoffhaltigen Oberflächenschicht 24 ist
der Anteil der Schichtdicke D2 bezogen auf die Gesamtdicke D1 der
DLC-Beschichtung 20 mit 61% recht hoch. Aus diesem Grund
lässt sich
nicht die Abriebfestigkeitswirkung durch die Grundschicht 22 erreichen
und löst sich
die Oberflächenschicht 24 leicht
von der Grundschicht 22 ab. Daher verschlechtert sich die
Abriebfestigkeit des Vergleichsbeispiels verglichen mit der herkömmlichen
Technik, sodass das Vergleichsbeispiel die größte Abriebspur hat.
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Die 5 und 6 zeigen
Schaubilder mit dem Ergebnis einer Prüfung, bei der mit dem gleichen
Prüfstück und der
gleichen Prüfeinrichtung
wie in den 2 und 3 unter
den folgenden Prüfbedingungen
der Reibungskoeffizient ermittelt wurde. Aus dem Vergleich zwischen
dem Ausführungsbeispiel
und dem Vergleichsbeispiel in 5 ergibt
sich, dass der Reibungskoeffizient des Ausführungsbeispiel um etwa 0,05
bis 0,1 kleiner als der des Vergleichsbeispiels ist, was das hervorragende
Schmiervermögen
des Ausführungsbeispiels
mit sich bringt. Im Vergleichsbeispiel löst sich die DLC-Beschichtung 20 vom
Grundkörper
der Prüfstücks, sodass
der Grundkörper
Verschleiß ausgesetzt
ist. Aufgrund dieses Abriebs nimmt der Reibungskoeffizient des Vergleichsbeispiels
stärker
als der des Ausführungsbeispiels
zu.
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Aus
dem Vergleich zwischen dem Ausführungsbeispiel
und dem Stand der Technik in 6 ergibt
sich, dass der Reibungskoeffizient des Ausführungsbeispiels während einer
Dauer von weniger als 800 s kleiner als bei der herkömmlichen
Technik ist. Das hervorragende Schmiervermögen ist also auf das Vorhandensein
der Oberflächenschicht 24 zurückzuführen.
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– Prüfbedingungen –
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- • Werkstoff:
A7075 (Aluminiumlegierung)
- • Last:
50 g
- • Maschinengeschwindigkeit:
25 mm/s
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Die 7 bis 10 zeigen
Tabellen bzw. ein Schaubild, die die Ergebnisse einer Abriebfestigkeitsprüfung darlegen,
die unter Verwendung eines eckigen Schaftfräsers mit drei Schneidblättern erfolgte,
der dem oben genannten Schaftfräser 10 des Ausführungsbeispiels ähnlich war.
Für die
Abriebfestigkeitsprüfung
wurden mehrere Schaftfräser
angefertigt, bei denen die folgenden Faktoren geändert wurden. Die Änderungsfaktoren
waren der Anteil D2/D1, d.h. der „Anteil der Schichtdicke der
Oberflächenschicht
bezogen auf die Gesamtschichtdicke", der „Wasserstoffgehalt der Oberflächenschicht" und die „Schichtdicke" jeder Schicht und
der Gesamtschicht der DLC-Beschichtung 20.
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7A zeigt
die Prüfbedingungen
und 7B eine Ansicht, die den Begriff „Haftbreite
auf der Schneidbrust" erläutert, wobei
eine geringe Haftbreite eine hervorragende Abriebfestigkeit bedeutet.
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8 zeigt
eine Tabelle, die die Beziehung zwischen dem Anteil der Schichtdicke
der Oberflächenschicht 24 bezogen auf
die Gesamtschichtdicke und der Haftbreite der Schneidbrust für den Fall
eines Wasserstoffgehalts auf der Oberflächenschicht von 10 Atom-% darlegt.
Der Anteil wurde geändert,
um mehrere Arten DLC-Beschichtungen 20 anzufertigen, mit
denen die Prüfstücke überzogen
wurden, die zum Schneiden des Werkstoffs verwendet wurden. Beim
Schneiden wurde die Haftbreite auf der Schneidbrust gemessen.
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9 zeigt
eine Tabelle, die die Beziehung zwischen dem Wasserstoffgehalt der
Oberflächenschicht
und der Haftbreite für
den Fall eines Anteils D2/D1 der Schichtdicke der Oberflächenschicht 24 zur
Gesamtschichtdicke D1 von 25% darlegt. Der Wasserstoffgehalt wurde
geändert,
um mehrere DLC-Beschichtungen 20 anzufertigen, mit denen
die Prüfstücke überzogen
wurden, die zum Schneiden des Werkstoffs verwendet wurden. Beim
Schneiden wurde die Haftbreite auf der Schneidebrust gemessen.
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10 zeigt
eine Tabelle, die die Beziehung zwischen der Schichtdicke und der
Haftbreite auf der Schneidbrust für den Fall eines Wasserstoffgehalts
in der Oberflächenschicht 24 von
10 Atom-% darlegt. Die Dicke der Grundschicht 22, der Oberflächenschicht 24 und
der Gesamtschicht wurden geändert, um
mehrere Arten DLC-Beschichtungen 20 anzufertigen,
mit denen die Prüfstücke überzogen
wurden, die zum Schneiden des Werkstoffs verwendet wurden. Beim
Schneiden wurde die Haftbreite auf der Schneidbrust gemessen.
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Dabei
betrug der Wasserstoffgehalt der Grundschicht 22 in allen
Fällen
nicht mehr als 0,1 Atom-% und reichte die Gesamtdicke D1 der DLC-Beschichtung 20 der
in den 8 und 9 angegebenen Prüfstücke von
0,15 μm
bis 0,2 μm.
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Außerdem steht
die Angabe „%" in der Spalte „Wasserstoffgehalt
der Oberflächenschicht" für „Atom-%".
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Aus
dem in 8 beschriebenen Ergebnis ergibt sich, dass die
Haftbreite ungefähr
0,2 mm beträgt,
wenn der Schichtdickenanteil D2/D1 von 5% bis 50% reicht, was eine
hervorragende Abriebfestigkeit realisiert. Wenn außerdem berücksichtigt
wird, dass dieser Anteil bei einer Haftbreite von nicht mehr als
0,10 mm nicht mehr als 40% betragen sollte, ist ein Anteil, der
von 5% bis 30% reicht, besonders zu bevorzugen.
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Aus
dem in 9 angegebenen Ergebnis ergibt sich, dass die Haftbreite
ungefähr
0,2 mm beträgt,
wenn der Wasserstoffgehalt der Oberflächenschicht 24 von
2 Atom-% bis 20 Atom-% reicht, was hervorragende Antihafteigenschaften
realisiert. Insbesondere im Bereich von 5 Atom-% bis 15 Atom-% fällt die
Haftbreite unter 0,10 mm, was eine noch bessere Abriebfestigkeit
realisiert.
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Aus
dem Ergebnis von 10 ergibt sich, dass die Haftbreite
ungefähr
0,2 mm beträgt,
wenn die Gesamtschichtdicke der DLC-Beschichtung 20 von
0,05 μm
bis 1,0 μm
reicht, was hervorragende Antihafteigenschaften realisiert. Im Bereich
von 0,1 μm
bis 0,5 μm
fällt die
Haftbreite sogar unter 0,10 μm, was
eine noch bessere Abriebfestigkeit realisiert.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung mit weiteren, dem Fachmann ersichtlichen Änderungen, Verbesserungen
und Abwandlungen ausgeführt
werden kann, ohne vom Schutzumfang abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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Eine
DLC-Beschichtung (20), die eine Oberfläche eines vorgegebenen Bauteils
(12) überzieht, umfasst
eine Grundschicht (22), die im Wesentlichen keinen Wasserstoff
enthält,
und eine wasserstoffhaltige Schicht (24), die von 2 Atom-%
bis 20 Atom-% Wasserstoff enthält.
Die Grundschicht (22) und die darauf gelegene wasserstoffhaltige
Schicht (24) bilden einen zweilagigen Aufbau.