DE102012003851A1

DE102012003851A1 - Bauteil mit temperatursensitivem Erscheinungsbild der Oberfläche

Info

Publication number: DE102012003851A1
Application number: DE102012003851A
Authority: DE
Inventors: Hans Braendle; Helmut Rudigier
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29
Also published as: WO2013127506A3; AR090173A1; WO2013127506A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil dessen Oberfläche derart modifiziert ist, dass sich mit überschreiten einer vorgegebenen Temperatur das Erscheinungsbild der Oberfläche irreversibel verändert, wobei das Bauteil ein Instrument, ein Werkzeug oder eine Komponente sein kann.

Description

Beim Einsatz von Werkzeugen mit tribologischen Funktions-Schichten darf häufig eine bestimmte Maximaltemperatur nicht überschritten werden, da es sonst zur Zerstörung des Werkzeuges und/oder der Komponente kommen kann oder zumindest eine merkliche Reduktion der Leistungsfähigkeit in Kauf genommen werden. Insbesondere kann, wenn die tribologische Funktionsschicht auf ein Zerspanungswerkzeug aufgebracht ist, das mit diesem Werkzeug zu bearbeitende Substrat erheblichen Schaden nehmen. In diesem Umfeld ist es daher vorteilhaft wenn signalisiert wird, dass die Betriebstemperatur eine Schwelle überschreitet oder überschritten hat.
Die Erfindung bezieht sich auf eine einfache technische Möglichkeit, die ein Überschreiten einer definierten Maximaltemperatur anzeigt.
Eine verwandte Aufgabenstellung ist aus der Lebensmittelindustrie bekannt. Dabei geht es darum, das tiefgekühlte Lebensmittel von der Herstellung bis zum Endverbraucher eine gewisse Temperatur nicht überschreiten dürfen, da sie sonst verderben. D. h. es darf zu keiner Unterbrechung der Kühlkette kommen. Eine solche Unterbrechung wird mit irreversiblen temperaturempfindlichen Indikatoren angezeigt. Ähnliches gilt für zu belichtendes Fotomaterial, wie in der US6103351 offenbart.
Bekannt ist auch, dass in der Medizintechnik Farbcodes verwendet werden um Instrumente für den vorgesehenen Einsatz zu kennzeichnen und so eine Verwechslung zu verhindern. Dabei darf die verwendete Farbe keine Einschränkung der Funktionalität bewirken. In der DE 19809932 wird dementsprechend vorgeschlagen eine Titanoberfläche von chirurgischen Instrumenten mittels anodischer Oxidation einzufärben.
Nachteilig ist, dass der Stand der Technik nur eine Information transportiert, die den Einsatz des Instrumentes oder Werkzeuges kennzeichnet, keine Rückschlüsse über den Zustand während des Einsatzes zulässt.
Es wäre daher wünschenswert, Bauteile, d. h. Instrumente und/oder Werkzeuge und/oder Komponenten herstellen zu können, die eine eindeutige Kennzeichnung des Instrumentes, des Werkzeuges oder der Komponente ermöglicht, wobei aber gleichzeitig ein Ueberschreiten eines (oder mehrerer) Betriebsparameter(s) anzeigt wird.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin das Bauteil mit einer Temperaturabhängigen Oberflächenmodifikation zu versehen, die so ausgestaltet ist, dass sich das äußere Erscheinungsbild der Oberfläche irreversibel ändert, sobald eine bestimmte Einsatztemperatur überschritten wird.
Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Farbgebung und durch einen Farbwechsel oberhalb einer bestimmten Einsatztemperatur realisiert werden.
Das für die Oberflächenmodifikation eingesetzte Material oder die Massnahmen dürfen die Funktionsweise des Bauteils in keiner nachteilhaften Weise beeinträchtigen, Die allgemeinen Spezifikationen müssen erfüllt bleiben.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht im Aufbringen eines Schichtmaterials (z. B. auf Zerspanungswerkzeuge) – vorteilhaft mittels PVD Technologie – die oberhalb der kritischen Temperatur instabil wird (z. B. sublimiert) und damit die äußere Erscheinungsform ändert . Je nach kritischer Temperatur ist das Material geeignet zu wählen. Besonders vorteilhaft sind Materialien, die einen starken Farbkontrast zum üblichen Einsatzhintergrund zeigen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine solche Oberflächenmodifikation lediglich in der Nähe von im Betrieb tribologisch stark beanspruchten Bereichen des Bauteils vorgenommen wird. Aufgrund der örtlichen Nähe zu den tribologisch beanspruchten Bereichen kann von nahezu gleichlaufender Temperatur ausgegangen werden, wobei die Oberflächenmodifikation jedoch nicht der starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt ist.
Gemäss einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird eine 50–500 nm dicke ReO₃ Schicht in der Perovskit-Phase auf das Bauteil aufgebracht. Dies kann beispielsweise einerseits durch reaktives Verdampfen oder durch reaktives Sputtern geschehen.
Eigenschaften der ReO₃-Schicht lassen sich aus den folgenden Referenzen ablesen: Cazzanelli et al; Journal of Applied Physics, 105, (2009) 114904 „Characterization of rhenium Oxide films and their application to liquid crystal cells"
J. Purans et al; JPhys.; Condensed Matter 19 (2007) 226206. "Disorder-induced Raman scattering in rhenium trioxide".
M. Castriota et al; Mol Cryst. Liq. Cryt. 474, (2007) 1; "Proton Presence and Motion in Rhenium Oxide Films and Their Application to Liquid Crystal Cells"
Entsprechend verleiht die ReO₃-Schicht dem Bauteil eine rote oder zumindest rötliche Farbe. Steigt die Betriebstemperatur des Bauteils über 400°C so sublimiert das Material. Das Bauteil verliert seine rote bzw. rötliche Einfärbung.
Vorteilhafte Anwendungen sind in den Bereichen von Zerspanungsoperationen wo ein Überschreiten der Temperatur die Materialqualität merklich verändert oder aber – zum Schutz des Werkzeuges – dieses gegen zu hohe Einsatztemperaturen geschützt werden muss.
Gemäss einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Spiralbohrer über im Wesentlichen den gesamten Schneidabschnitt vollständig, d. h. über den gesamten spiralförmigen Bereich der Spannuten mit einer 3 μm dicken TiN Schicht beschichtet auf die eine 100 nm dicke ReO₃-Schicht aufgebracht wird. Anschliessend wird die Bohrkopfspitze und derjenige Bereich des Schneidabschnittes der bis zu maximal den 1.5 fachen Bohrdurchmesser entspricht mit einer 4 μm dicken TiAlN-Schicht überzogen.
Dies hat zur Folge, dass der Bohrer an der Bohrkopfspitze und bis zu einer Distanz von 1.5 μm von Bohrkopf eine violett-graue Farbe hat und in den restlichen, von der Spitze des Bohrkopfs weiter entfernten Bereichen des Schneidabschnitts eine rote Farbe besitzt.
Der Bohrer wird in der Anwendung sein Aussehen nicht verändern, solange einerseits eine Betriebstemperatur von ca. 400°C nicht überschritten wird und andererseits die TiAlN-Schicht an der Bohrkopfspitze nicht vollständig verschlissene Bereiche der TiAlN-Schicht auf weisst. Treten vollständig verschlissene Bereiche der TiAlN-Schicht auf, so erscheinen diese aufgrund der darunterliegenden ReO₃-Schicht rötlich. Dem Anwender ist klar, dass der Bohrer nachbeschichtet werden muss.
Erscheint demgegenüber der restliche Bereich des Schneidabschnittes nicht mehr rot, so ist dem Anwender klar, dass die Betriebstemperatur überschritten wurde und der Bohrer auszuwechseln ist.
Erfindungsgemäss ist ebenfalls ein Verfahren zur Errmittlung von optimalen Betriebsparametern, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Testreihe mit einer Serie von variablen Betriebsparametern wobei mit zunehmendem Serienelement eine zunehmende Betriebstemperatur einhergeht ein Bauteil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird und die Testreihe nach Überschreiten der vorgegebenen Temperatur abgebrochen wird, wobei als Betriebsparameter diejenigen ausgewählt werden, welche dem Serienelement entsprechen welches direkt vor demjenigen Serienelement liegt mit welchem die vorgegebene Temperatur überschritten wurde.
Es wurde im Rahmen dieser Beschreibung aus Bauteil aus der Gruppe Instrument, Werkzeug und/oder Komponente offenbart, mit einem Temperaturgrenzwert wobei bei Überschreiten des Temperaturgrenzwertes das Bauteil Schaden nimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauteils derart ausgestaltet ist, dass sich das Erscheinungsbild dieses Teils der Oberfläche bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur nahe des Temperaturgrenzwertes irreversibel sichtbar verändert.
Der zumindest eine Teil der Oberfläche kann eingefärbt sein, wobei die Einfärbung so ausgestaltet ist, dass es bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur zu einem Farbwechsel kommt.
Der zumindest eine Teil kann eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht umfassen, welche die Oberfläche bildet.
Der zumindest eine Teil kann eine ReO₃-Schicht umfassen, welche vorteilhafter Weise zwischen 50 nm und 500 nm dick ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6103351 [0003]
DE 19809932 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Cazzanelli et al; Journal of Applied Physics, 105, (2009) 114904 „Characterization of rhenium Oxide films and their application to liquid crystal cells” [0013]
J. Purans et al; JPhys.; Condensed Matter 19 (2007) 226206. ”Disorder-induced Raman scattering in rhenium trioxide” [0013]
M. Castriota et al; Mol Cryst. Liq. Cryt. 474, (2007) 1; ”Proton Presence and Motion in Rhenium Oxide Films and Their Application to Liquid Crystal Cells” [0013]

Claims

Bauteil aus der Gruppe Instrument, Werkzeug und/oder Komponente mit einem Temperaturgrenzwert wobei bei Überschreiten des Temperaturgrenzwertes das Bauteil schaden nimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauteils derart ausgestaltet ist, dass sich das Erscheinungsbild dieses Teils der Oberfläche bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur nahe des Temperaturgrenzwertes irreversibel sichtbar verändert.
Bauteil gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil der Oberfläche eingefärbt ist, wobei die Einfärbung so ausgestaltet ist, dass es bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur zu einem Farbwechsel kommt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht umfasst, welche die Oberfläche bildet.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil eine ReO3-Schicht umfasst.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ReO3-Schicht zwischen 50 nm und 500 nm dick ist.
Verfahren zu ermitteln von optimalen Betriebsparametern, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Testreihe mit einer Serie von variablen Betriebsparametern wobei mit zunehmendem Serienelement eine zunehmende Betriebstemperatur einhergeht ein Bauteil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird und die Testreihe nach Überschreiten der vorgegebenen Temperatur abgebrochen wird, wobei als Betriebsparameter diejenigen ausgewählt werden, welche dem Serienelement entsprechen welches direkt vor demjenigen Serienelement liegt mit welchem die vorgegebene Temperatur überschritten wurde.