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Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit einem Trägersubstrat und einer Multilagenbeschichtung, die mindestens eine Lage, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, aufweist, und Verfahren zu dessen Herstellung.
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Bei der Wahl des Materials für Schneidwerkzeuge oder Messerklingen müssen mehrere unterschiedliche Kriterien berücksichtigt werden, die typischerweise nicht von einem einzigen Material gleich gut abgedeckt werden. Diese Kriterien betreffen insbesondere Schärfegrad, Optik, Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit sowie Gleit- und Hafteigenschaften.
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Ein hoher Schärfegrad bei Messern wird beispielsweise durch die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Stählen erreicht. Diese sind zäher als hochlegierte rostfreie Stähle, was beispielsweise für große Messerklingen vorteilhaft sein kann. Insbesondere sind weniger Karbidbildner (z.B. Chrom) vorhanden, wodurch feinere Gefügestrukturen und damit höherer Schärfegrade erreichbar sind. Dadurch vereinfacht sich auch das Nachschleifen. Nachteilig wirkt sich das Fehlen verschleißbeständiger Karbide auf die Schneidhaltigkeit der Klingen aus. Durch das Fehlen entsprechender Legierungsbestandteile sind Kohlenstoffstähle auch nicht rostfrei und können insbesondere bei säurehaltigen Lebensmitteln zu Verfärbungen oder auch eisenhaltigem Geschmack führen.
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Im Gegensatz zu Kohlenstoffstahl existieren eine Reihe von hochlegierten Messerstählen, die insbesondere hohe Mengen an Chrom (z.B. 14 %) enthalten. Weitere Bestandteile mit niedrigeren Anteilen sind insbesondere Kohlenstoff (z.B. < 2 %), Vanadium (z.B. 4 %) oder Molybdän (z.B. 2 %). Derartige Messer sind korrosionsbeständiger als reiner Kohlenstoffstahl, aber gleichzeitig auch spröder, schwieriger nachzuschleifen und zeichnen sich durch geringere Schärfegrade aus.
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Ein hybrider Stahl, der alternierend aus hartem Kohlenstoffstahl und weichem, kohlenstoffarmen Stahl aufgebaut ist, wird als Damaststahl bezeichnet. Dieser weist hohe Härten, geringe Sprödigkeit und Bruchsicherheit auf, ist jedoch auch nicht rostfrei. Eine rostfreie Variante ist der sogenannte Damaststahl, der pulvermetallurgisch aus rostfreien Stählen hergestellt wird. Derartige Stähle sind jedoch in der Regel aufwändig in der Fertigung und damit teuer.
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Eine interessante Alternative stellen Beschichtungen aus Kohlenstoff dar, insbesondere DLC-Beschichtungen. Nachteilig an einer DLC-Schicht ist das optische Erscheinungsbild, da kleinste Verunreinigungen sichtbar sind. Typischerweise wird von Konsumenten eine schwarze Schicht gefordert, wohingegen DLC-Schichten Anthrazit erscheinen können. Aus diesen Gründen werden DLC-Beschichtungen aktuell nur auf einem schmalen Streifen an der Schneide der Klinge aufgebracht. Weiterhin weisen DLC-Schichten keine Antihafteigenschaften auf. Letztendlich ist auch die erreichbare Schärfe der Messer typischerweise geringer als beispielsweise bei Damaststahlmessern.
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Beispielsweise beschreibt das
US 6 468 642 B1 eine mehrlagige Beschichtung mit einer DLC Schicht.
EP 1 380 667 B1 zeigt ebenfalls einen mit einer Kohlenstoffbeschichtung versehenen Gegenstand.
DE 10 2009 060 924 A1 schlägt eine strukturierte Beschichtung vor. Eine mehrlagige Beschichtung für Schneidwerkezeuge ist auch in
DE 10 2013 016 056 A1 vorgeschlagen.
WO 03/091474 A1 betrifft ein beschichtetes Werkstück mit einer mikrostrukturierten Oberfläche.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Beschichtungen und Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen, die sich hinsichtlich Schärfegrad, Optik, Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit sowie Gleit- und Hafteigenschaften möglichst variabel funktionalisieren lassen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Schneidwerkzeug, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Die Aufgabe kann mit dem in Anspruch 12 beschriebenen Verfahren gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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In der vorliegenden Erfindung weist ein Schneidwerkzeug ein Trägersubstrat, eine auf dem Trägersubstrat angeordnete Beschichtung und eine Schneidkante auf. Die Beschichtung weist mindestens eine Lage, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, auf. Die eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, bildet eine Schneidkante des Schneidwerkzeugs. Weiterhin ist die eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und eine Schneidkante des Schneidwerkzeugs bildet, zwischen einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, und dem Trägersubstrat angeordnet.
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Das Trägersubstrat des Schneidwerkzeugs kann aus Stahl, Damaststahl oder einem Trägerblech gebildet sein.
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Eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, wird im Folgenden auch als amorphe Kohlenstoffschicht bezeichnet. Eine solche amorphe Kohlenstoffschicht weist Eigenschaften auf, die zwischen denen von reinem Grafit (sp2 hybridisiert) und Diamant (sp3 hybridisiert) liegen. Beispielsweise kann eine amorphe Kohlenstoffschicht eine diamantähnliche Härte, gleichzeitig aber auch eine gute Schichthaftung und hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. In der vorliegenden Erfindung ist keine Lage der Beschichtung durch kristallinen oder polykristallinen Diamant gebildet.
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Unter einer Schneidkante des Schneidwerkzeugs ist diejenige Kante des Schneidwerkzeugs zu verstehen, die zumindest ein Kantensegment, das bei einem Schneidvorgang als erstes in Berührung mit dem Schnittgut kommt, aufweist. Mit der Berührung der Schneidkante mit dem Schnittgut beginnt der Trenn- und/oder Schneidevorgang. Die Schneidkante sollte eine geradlinige oder sich kontinuierlich verändernde Kontur aufweisen. Die Schneidkante kann so ausgebildet sein, dass keine Strukturierung oder Profilierung an der Schneidkante vorhanden ist.
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Die weitere Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann bevorzugt als thermische Spritzschicht ausgebildet oder als Lage aus Chrom oder Titan gebildet sein.
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Eine erste äußere Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, kann zumindest mit ausgehend von der Schneidkante nacheinander angeordneten Bereichen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, und einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, gebildet sein.
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Eine zweite äußere Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, kann zumindest mit ausgehend von der Schneidkante nacheinander angeordneten Bereichen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, und des Trägersubstrats gebildet sein.
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Auf der Oberfläche einer Lage, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und die auf der Oberfläche einer Lage, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, in Richtung einer ersten äußeren Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, angeordnet sein kann, kann mindestens eine Lage, die als thermische Spritzschicht ausgebildet ist, in Richtung der ersten äußeren Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, angeordnet sein.
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Auf der Oberfläche einer Lage, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und die auf der Oberfläche der einen Lage, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, in Richtung einer zweiten äußeren Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, angeordnet sein kann, kann das Trägersubstrat in Richtung der zweiten äußeren Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, angeordnet sein.
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Weiterhin kann die Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, eine streifenförmige Strukturierung aufweisen, wobei streifenförmige Bereiche dieser Strukturierung größerer Schichtdicke mit streifenförmigen Bereichen dieser Strukturierung kleinerer oder keiner Schichtdicke und/oder streifenförmige Bereiche dieser Strukturierung, die einen kleineren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff (bzw. ein kleineres sp2/sp3 Hybridisierungsverhältnis) aufweisen, mit streifenförmigen Bereichen dieser Strukturierung, die einen höheren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff (bzw. ein größeres sp2/sp3 Hybridisierungsverhältnis) aufweisen, alternierend abwechselnd nebeneinander angeordnet sind.
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Eine streifenförmige Strukturierung einer oder mehrerer Lagen der Beschichtung kann unter Verwendung einer Maskierung während eines physikalischen Gasabscheidungsverfahrens (PVD) und/oder durch Laserbestrahlung erfolgen, wie weiter unten näher beschrieben. Weiterhin ist es möglich, das Trägersubstrat, auf das nachfolgende Lagen der Beschichtung aufgebracht werden, oder auch thermische Spritzschichten zu strukturieren. Damit kann beispielsweise eine wellenförmige Schneidkante realisiert werden.
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Aufgrund der Anordnung und der streifenförmigen Strukturierung mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann das Schneidwerkzeug mehrere Erfordernisse erfüllen. Insbesondere, können Schneidverhalten, Verschleißverhalten, Korrosionsbeständigkeit und optisches Erscheinungsbild des Schneidwerkzeugs verbessert werden.
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Die streifenförmigen Bereiche der Strukturierung sind mit ihren mittleren Längsachsen vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet. Besonders vorzugsweise bilden die mittleren Längsachsen der streifenförmigen Bereiche einen rechten Winkel mit einer Schneidkante des Schneidwerkzeugs. Es können aber auch andere Geometrien und Muster der streifenförmigen Strukturierung realisiert werden. So können beispielsweise quadratische, tridiagonale, hexagonale oder tri-hexagonale (Kagome) Gitterstrukturen gebildet werden. Die Wahl der Gitterstruktur kann dabei sowohl das optische Erscheinungsbild also auch die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. die mechanische Widerstandsfähigkeit, positiv beeinflussen.
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Die Breite der streifenförmigen Bereiche kann je nach Herstellungsverfahren über mehrere Größenordnungen variieren. Bei einer Maskierung mittels Metalldrähten kann die Breite der streifenförmigen Bereiche zwischen 0,5 mm und 2 mm liegen, vorzugsweise ist die Breite der streifenförmigen Bereiche dann kleiner als 1 mm. Mittels Laserbestrahlung durch einen cw Laser kann eine Breite der streifenförmigen Bereiche zwischen 20 µm und 500 µm erzielt werden. Bei einer Laserbestrahlung unter Verwendung eines gepulsten Lasers lassen sich streifenförmige Bereiche mit einer Breite zwischen 1 µm und 30 µm erzeugen. Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die streifenförmigen Bereiche mit kleinerer oder keiner Schichtdicke und/oder einem größeren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff eine Breite kleiner als 30 µm aufweisen, besonders vorzugsweise eine Breite zwischen 15 µm und 25 um.
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Die streifenförmige Strukturierung einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann so erfolgen, dass streifenförmige Bereiche größerer Schichtdicke mit streifenförmigen Bereichen kleinerer oder keiner Schichtdicke alternierend abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Die Differenz zwischen der Schichtdicke streifenförmiger Bereiche kleinerer oder keiner Schichtdicke und der Schichtdicke streifenförmiger Bereiche größerer Schichtdicke kann im Bereich 0,1 µm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich 0,1 µm bis 10 um, besonders vorzugsweise im Bereich 1 µm bis 5 um, liegen. Beispielsweise kann durch eine periodische Variation der Schichtdicke eine mikroskopisch wellenförmige oder sägezahnförmige Struktur gebildet werden.
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Die streifenförmige Strukturierung einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann auch so erfolgen, dass streifenförmige Bereiche dieser Strukturierung, die einen kleineren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff aufweisen, mit streifenförmigen Bereichen dieser Strukturierung, die einen höheren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff aufweisen, alternierend abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere durch Laserbestrahlung kann das Hybridisierungsverhältnis einer amorphen Kohlenstoffschicht beeinflusst werden. Dabei kann ein harter, diamantähnlicher Kohlenstoff in einen weicheren, grafitähnlichen Kohlenstoff lokal definiert umgewandelt werden. Eine streifenförmige Strukturierung mittels Laserbestrahlung kann dabei sowohl durch einen abtragenden Laserprozess als auch durch eine lokale Modifikation der Phase des Kohlenstoffs (Grafitisierung) erreicht werden.
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Auch durch einen unterschiedlich starken Verschleiß bzw. eine unterschiedlich starke Abtragung von streifenförmig laserstrukturiertem Werkstoff im Vergleich zu nicht laserstrukturierten Bereichen bei der Verwendung/Benutzung des Schneidwerkzeugs kann auch eine Schichtdickenvariation, z.B. in Form einer wellenförmigen oder sägezahnartigen Struktur, entstehen. Beispielsweise kann der Verschleiß der streifenförmig laserstrukturierten Bereiche so stark fortschreiten, dass die Schneidkante und/oder die Schneidfläche aus mindestens zwei verschiedenen Bereichen gebildet ist, wobei die mindestens zwei verschiedenen Bereiche jeweils aufeinanderfolgender Lagen der Beschichtung zuzuordnen sind. Damit können die unterschiedlichen Eigenschaften dieser zwei Lagen gleichzeitig genutzt werden. Beispielsweise kann eine Lage zu besseren Antihafteigenschaften führen, während die andere Lage zu einer verbesserten Schärfe des Schneidwerkzeugs beiträgt. Eine Lage, die unter der die äußere Seitenfläche bildenden Lage angeordnet ist, kann dazu streifenförmig frei gelegt werden.
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Die mindestens eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann auch auf einer eine Welligkeit aufweisenden Oberfläche des Trägersubstrats und/oder auf einer eine Welligkeit aufweisenden Oberfläche einer thermischen Spritzschicht angeordnet sein. Die Welligkeit kann eine Amplitude zwischen 10 µm und 500 µm aufweisen und in streifenförmigen Bereichen mit einer Breite von 100 µm bis 5000 µm ausgebildet sein.
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Eine oder mehrere Lagen der Beschichtung können mit zusätzlichen chemischen Elementen dotiert sein. Vorzugsweise kann mindestens eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, mit einem zusätzlichen chemischen Element dotiert sein. Vorteilhaft ist es beispielsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht mit Fluor zu dotieren, um das Gleitverhalten zu verbessern. Eine Dotierung mit Silizium, Titan oder Wolfram erhöht die Verschleißbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch eine Dotierung mit Chrom positiv beeinflusst werden. Auch das Benetzungsverhalten, Reflexion bzw. Farbe können durch eine entsprechende Dotierung verändert werden.
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Für die Dotierung können Metalle oder Halbmetalle aber auch Nichtmetalle verwendet werden. Weitere mögliche Dotierungselemente sind Vanadium, Molybdän, Hafnium, Wolfram oder Stickstoff. Eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht kann auch mit mehreren chemischen Elementen und/oder deren chemischer Verbindungen dotiert sein. Solche komplexen Dotierungstargets sind beispielsweise Nitrate, Oxide, Boride oder Silizide.
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Eine Lage der Beschichtung kann auch einen graduellen Schichtaufbau aufweisen. Vorzugsweise kann mindestens eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, einen graduellen Schichtaufbau aufweisen, wobei die Dichte und/oder das Hybridisierungsverhältnis stufenweise oder kontinuierlich verändert ist/sind.
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Bei einem solchen graduellen Schichtaufbau kann zum Beispiel der Härtegrad einer Schicht nach außen hin abnehmen oder zunehmen oder erst abnehmen und dann zunehmen oder erst zunehmen und dann abnehmen. Durch eine entsprechende Regelung der Beschichtungsprozesse können auch andere Härtegradprofile realisiert werden. Ein Vorteil eines graduellen Schichtaufbaus besteht darin, dass die Schneidkante und/oder die Schneidflächen eines Schneidwerkzeugs länger scharf gehalten werden als bei einer Beschichtung mit einheitlichem Härtegrad.
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Es können auch mehrere Lagen einer Beschichtung auf das Trägersubstrat aufgebracht werden, wobei zwei oder mehrere Lagen der Beschichtung unterschiedliche Dotierungselemente, Dichten und/oder Hybridisierungsverhältnisse des Kohlenstoffs aufweisen können. Beispielsweise können dotierte oder nicht dotierte amorphe Kohlenstoffschichten unterschiedlicher Härte bzw. mit unterschiedlichem Verschleißverhalten gebildet werden.
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Ebenso besteht die Möglichkeit, mindestens eine dünne Zwischenschicht als eine Lage der Beschichtung zu bilden, welche die Haftbeständigkeit nachfolgender Lagen der Beschichtung verbessern kann. Solche sogenannten Haftvermittlerschichten können z.B. aus Chrom, Titan, Titannitrid, Niobium, Wolfram oder Hafnium bestehen. Vorzugsweise ist zwischen einer Oberfläche des Trägersubstrats und mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, eine Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid ausgebildet.
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Insbesondere wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn vor dem Aufbringen einer amorphen Kohlenstoffschicht, eine bis zu 200 nm dicke Schicht aus Chrom auf einer Oberfläche des Trägersubstrats gebildet wird, bevor eine amorphe Kohlenstoffschicht abgeschieden wird.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Haftvermittlerschicht kann auch mindestens eine Spritzschicht ausgebildet sein. Eine Spritzschicht kann mit einem thermischen Spritzverfahren erhalten werden. Eine Haftvermittlerschicht und/oder eine thermische Spritzschicht kann dazu dienen mechanische Spannungen zwischen zwei Lagen einer Beschichtung oder einer Lage der Beschichtung und dem Trägersubstrat auszugleichen.
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Schichthaftung und Verschleiß können auch durch eine Oberflächenvorbehandlung des Trägersubstrats oder einzelner Lagen der Beschichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann mittels Nitrieren eine harte Randschicht, eine sogenannte Nitrierschicht, als eine Lage der Beschichtung entstehen. Vorzugsweise ist zwischen einer Oberfläche des Trägersubstrats und mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, eine nitrierte Randschicht ausgebildet.
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Diese Randschicht reduziert den sogenannten „Eierschaleneffekt“ bzw. die Gefahr von Schichtabplatzungen. Weiterhin kann eine nitrierte Randschicht sowohl eine positive Stützwirkung für eine nachfolgende amorphe Kohlenstoffschicht bewirken als auch die Korrosionsbeständigkeit des Schneidwerkzeugs verbessern.
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Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Nitrierung zwischen 1 µm und 200 µm. Eine nitrierte Randschicht kann auch eine streifenförmige Strukturierung aufweisen, wobei streifenförmige Bereiche mit großer Nitriertiefe und streifenförmige Bereiche mit kleinerer Nitriertiefe alternierend abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Bevorzugt korrespondiert eine solche streifenförmige Strukturierung der Nitrierschicht mit der streifenförmigen Strukturierung einer nachfolgenden amorphen Kohlenstoffschicht. Dabei schließen bevorzugt streifenförmige Bereiche einer amorphen Kohlenstoffschicht mit großer (kleiner) Schichtdicke an streifenförmige Bereiche einer nitrierten Randschicht mit großer (kleiner) Nitriertiefe an.
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Zwischen mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, und einer Oberfläche des Trägersubstrats, auf der die Beschichtung angeordnet ist, kann eine weitere Lage der Beschichtung, die als Nitrierschicht oder Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid gebildet ist, angeordnet sein.
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Zwischen mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, und einer dem Trägersubstrat zugewandten Oberfläche einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann eine weitere Lage der Beschichtung, die als Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid gebildet ist, angeordnet sein.
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Ebenso können Lagen der Beschichtung mit unterschiedlichen Härtegraden alternierend abwechselnd nebeneinander ausgebildet sein. Auf diese Art kann beispielsweise ein damastartiges Messer ohne aufwendige Schmiedearbeiten hergestellt werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs, bei dem eine Oberflächenbehandlung eines Trägersubstrats durchgeführt wird, umfasst die folgenden Schritte:
- Zunächst kann eine Reinigung des Trägersubstrats nasschemisch erfolgen. Danach wird das Trägersubstrat in eine Vakuumkammer eingebracht, die evakuiert wird. Nach dem Evakuieren auf einen Kammerdruck von vorzugsweise 10-3 mbar -102 mbar wird die Oberfläche des Trägersubstrats mittels Metallionensputtern feingereinigt. Diese Feinreinigung entfernt ggf. vorhandene Oxide oder andere Oberflächenkontaminationen und aktiviert die Oberfläche des Trägersubstrats.
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Das Metallionensputtern kann unter Verwendung von Chrom oder Titan erfolgen, die ein Prozessgas (z.B. Argon) in der Vakuumkammer anregen, welches dann in Richtung einer zu beschichtenden Oberfläche des Trägersubstrats eventuell unter Zufuhr von Stickstoff beschleunigt wird.
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In einem nächsten Schritt, wird mindestens eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, mittels eines Lichtbogenprozesses unter Einsatz eines Kohlenstofftargets auf das Trägersubstrat aufgebracht. Dabei wird mit einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, eine Schneidkante des Schneidwerkzeugs gebildet. Die eine Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird und eine Schneidkante des Schneidwerkzeugs bildet, wird dabei zwischen einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, und der Oberfläche des Trägersubstrat, auf der die Beschichtung angeordnet wird, angeordnet.
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Die weitere Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann als thermische Spritzschicht ausgebildet werden. Ein entsprechendes Verfahren ist weiter unten beschrieben.
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Eine erste äußere Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, kann zumindest mit ausgehend von der Schneidkante nacheinander angeordneten Bereichen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, und einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, gebildet werden.
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Eine zweite äußere Seitenfläche des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante des Schneidwerkzeugs anschließt, kann zumindest mit ausgehend von der Schneidkante nacheinander angeordneten Bereichen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, und des Trägersubstrats gebildet werden.
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Während des Aufbringens und/oder nach dem Aufbringen einer eine Schneidkante des Schneidwerkzeugs bildenden Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann auch eine streifenförmige Strukturierung gebildet werden. Die streifenförmige Strukturierung kann unter Verwendung einer die streifenförmige Strukturierung vorgebenden Maske, die zwischen dem Kohlenstoff target und der zu beschichtenden Oberfläche des Trägersubstrats während des Aufbringens dieser Lage mittels des Lichtbogenprozesses, angeordnet ist, ausgebildet werden.
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Die streifenförmige Strukturierung kann auch so gebildet werden, dass mit mindestens einem Laserstrahl ein lokal definierter Werkstoffabtrag durchgeführt wird, der zu streifenförmigen Bereichen mit keiner oder kleinerer Schichtdicke und streifenförmigen Bereichen mit einer oder größerer Schichtdicke, der mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildeten Lage, die die äußere Seitenfläche des Schneidwerkzeugs bildet, führt. Streifenförmige Bereiche mit keiner Schichtdicke werden nicht beschichtet oder es erfolgt dort ein vollständiger Abtrag der Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist.
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Eine streifenförmige Strukturierung kann auch unter Einsatz mindestens eines Laserstrahls durch eine lokal definierte Modifizierung der die Schneidkante des Schneidwerkzeugs bildenden Lage, bei der streifenförmige Bereiche mit einem größeren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff, alternierend neben streifenförmigen Bereichen, die einen kleineren Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff aufweisen, angeordnet werden, ausgebildet werden.
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Während des Aufbringens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann auch eine Dotierung durch Zufuhr von Prozessgasen oder Dotierungstargets erfolgen. Der Volumenstrom dieser zusätzlichen Dotierungsstoffe kann beliebig geregelt werden, so dass auch ein gradueller Schichtaufbau entstehen kann bei der sich die Dotierungselemente und/oder die Dotierungsdichte innerhalb einer Schicht ändert.
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Vor dem Aufbringen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann mindestens eine weitere Lage der Beschichtung als eine Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid auf der Oberfläche des Trägersubstrats, auf der die Beschichtung angeordnet wird, gebildet werden. Vorzugsweise wird eine Haftvermittlerschicht mit einer Dicke von bis zu 200 nm gebildet. Dies kann mittels DC-Lichtbogenverdampfung erfolgen, wobei der Lichtbogen mit einer elektrischen Spannung bevorzugt im Bereich von 15 V -20 V und einer elektrischen Stromstärke bevorzugt im Bereich von 100 A -150 A ausgebildet wird.
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Vor dem Aufbringen einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, kann mindestens eine weitere Lage als eine nitrierte Randschicht auf der Oberfläche des Trägersubstrats, auf der die Beschichtung angeordnet wird, gebildet werden, wobei während des Nitrierens vorzugsweise eine streifenförmige Strukturierung unter Verwendung einer Maske und/oder mittels Laserstrahlung ausgebildet wird.
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Beim Nitrieren erfolgt eine thermochemische Behandlung oder Laserbehandlung des Trägersubstrats unter Zufuhr von Stickstoff. Dabei entsteht eine harte Randschicht, die auch als nitrierte Randschicht bezeichnet wird. Dadurch kann der Härtegrad und auch die Verschleißbeständigkeit des Schneidwerkzeugs erhöht werden.
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Die effektiven Nitrierzeiten sollten im Vergleich zu konventionellen Nitrierprozessen kurz gehalten werden, vorzugsweise kürzer als eine Stunde. Ein längeres und tieferes Nitrieren kann zu einer starken Erhöhung der Oberflächenrauheit führen und eventuell eine Nachbearbeitung erforderlich machen. Nachteilig an einer solchen kurzen Behandlung ist, dass die Stützwirkung durch die Nitrierung geringer ist, was jedoch für viele Anwendungen eines Schneidwerkzeugs unkritisch ist.
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Besteht das Trägersubstrat aus Stahl oder Damaststahl, sollte die Nitriertemperatur typischerweise unterhalb der Anlasstemperatur des entsprechenden Stahls liegen. Speziell bei nichtrostenden Stählen geht durch das Abbinden von Chrom zu Chromnitrid die passivierende Wirkung des Chroms verloren, die Korrosionsbeständigkeit sinkt. Vorteilhaft ist daher das Nitrieren bei einer Temperatur, die kleiner als 500 Grad Celsius ist, bevorzugt bei einer Temperatur die kleiner als 420 Grad Celsius ist.
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Zwischen mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, und einer Oberfläche des Trägersubstrats, auf der die Beschichtung angeordnet wird, kann eine weitere Lage der Beschichtung, die als Nitrierschicht und/oder Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid gebildet wird, angeordnet werden.
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Zwischen mindestens einer Lage der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, und einer dem Trägersubstrat zugewandten Oberfläche einer weiteren Lage der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet wird, kann eine weitere Lage der Beschichtung, die als Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titannitrid gebildet wird, angeordnet sein.
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Zum Aufbringen einer amorphen Kohlenstoffschicht auf das Trägersubstrat durch einen Lichtbogenprozess unter Einsatz eines Kohlenstofftargets kann der Lichtbogen, z.B. über einen Trigger, mechanisch gezündet werden. Vorzugsweise wird dann ein kontinuierlich brennender DC-Lichtbogen mit einem gepulsten Lichtbogen überlagert. Der kontinuierlich brennende DC-Lichtbogen wird durch einen elektrischen Strom mit einer Stromstärke von bis zu 150 A erzeugt. Der gepulste Lichtbogen wird durch elektrische Strompulse mit einer Pulsfrequenz von bis zu 100 Hz und einer Pulsdauer von bis zu 300 µls erzeugt. Dabei beträgt die maximale elektrische Stromstärke bis zu 1550 A. Der Lichtbogenprozess erzeugt ein ionisiertes Kohlenstoffplasma, das für die Ausbildung einer Lage der Beschichtung auf dem Trägersubstrat abgeschieden wird. Dadurch entsteht auf der Oberfläche des Trägersubstrats mindestens eine amorphe Kohlenstoffschicht.
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Während oder nach dem Lichtbogenprozess kann eine streifenförmige Strukturierung unter Verwendung einer Maskierung ausgebildet werden. Die Maskierung kann aus einer Anordnung von Metalldrähten bestehen. Die Metalldrähte können verschiedene Querschnittsflächen, z.B. kreisrund oder rechteckig, aufweisen. Durch die geometrische Anordnung der Metalldrähte und/oder durch die Wahl der Querschnittsfläche, können dann unterschiedliche Muster und Geometrien der Strukturierung realisiert werden.
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Eine bevorzugt streifenförmige Strukturierung kann auch durch Laserbestrahlung gebildet werden. Die Laserbestrahlung kann beispielsweise mit Hilfe eines cw Lasers mit einer Leistung von 300 W und einer Wellenlänge von 1064 nm durchgeführt werden. Die Strahlauslenkung des Lasers kann dabei durch eine optische Anordnung bestehend aus einem Fokussier- und/oder einem Scannermodul verändert werden. Zusätzlich kann ein Prozessgas, z.B. Stickstoff, zum Einsatz kommen, um die Laseroptik vor Dämpfen und Spritzern zu schützen.
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Die Laserbestrahlung kann auch durch einen gepulsten Laser, z.B. einen Nd:YAG-Laser, erfolgen. Dieser wird bevorzugt mit einer Pulslänge von 10 ns, einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Pulsenergie von 1 J auf die Oberfläche des Trägersubstrats oder einer Lage der Beschichtung gelenkt.
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Die streifenförmigen Bereiche einer streifenförmigen Strukturierung können auch mittels Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich zu streifenförmigen Bereichen einer Strukturierung können auch kreisförmige oder polygonale Bereiche mittels Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) ausgebildet werden. Bei der Laserinterferenzstrukturierung wird der Laserstrahl über eine optische Anordnung so modifiziert, dass eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlen, die auf der Oberfläche des Trägersubstrats oder einer Lage der Beschichtung interferierend wieder überlagert werden, erfolgt. Die Überlagerung und Fokussierung des Laserstrahls erfolgt derart, dass in dem bestrahlten Gebiet Pulsenergiedichten (Laserfluenzen) von vorzugsweise bis zu 800 mJ/cm2 erzielt werden. Dabei können streifenförmige Strukturen mit streifenförmigen Bereichen, die vorzugsweise eine Breite zwischen 1 µm und 30 um, besonders vorzugsweise zwischen 15 µm und 25 um, aufweisen, gebildet werden.
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Laserbestrahlung und Maskierung können auch kombiniert werden. Insbesondere kann die Maskierung so gewählt werden, dass eine Laserbestrahlung nur in den Bereichen erfolgt, die durch die Maskierung vorgegeben sind. Danach wird die Maskierung entfernt und es können gegebenenfalls weitere Lagen der Beschichtung aufgebracht werden. Die Verwendung einer solchen Maskierung ermöglicht somit eine breite Auswahl an geometrischen Mustern für die räumliche Strukturierung des Trägersubstrats oder einer oder mehrerer Lagen der Beschichtung. Insbesondere kann die Schichtdicke lokal definiert kontrolliert werden, sodass beispielsweise eine mikroskopisch wellenförmige oder sägezahnförmige Struktur gebildet wird.
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Eine oder mehrere Lagen der Beschichtung können auch durch Spritzschichten gebildet werden. Spritzschichten können mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Hierzu zählen beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen und Flammspritzen. Insbesondere das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) wirkt sich vorteilhaft aus, da hiermit sehr dichte und gut haftende Schichten erzeugt werden können. Das Spritzgut kann in Pulverform mit einer bevorzugten Korngröße von 0,5 µm bis 100 µm oder als Draht zugeführt werden. Anschließend wird es durch ein brennbares Gas bei einer Temperatur von bis zu 3500 °C aufgeschmolzen. Die Schmelztropfen werden durch den entstehenden hohen Druck auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt, bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 550 m/s. Als Spritzgut können unterschiedliche Metalle, z.B. Chrom oder Titan, oder auch keramische Werkstoffen, z.B. ZrO2 oder Al2O3, eingesetzt werden.
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Eine oder mehrere Lagen, die als thermische Spritzschicht ausgebildet ist/sind, können auch vor dem Aufbringen von mindestens einer Lage, die aus sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist, aufgebracht werden. Hierbei kann eine Maskierung während des Aufbringens der thermischen Spritzschicht verwendet werden. Dadurch können streifenförmige Bereiche mit einer Schichtdicke, die vorzugweise zwischen 5 µm und 100 µm liegt, auch eine Welligkeit aufweisende Oberfläche der thermischen Spritzschicht im Bereich der Schneidkante ausbilden. Diese Welligkeit kann sich dann auch in mindestens einer nachfolgenden Lage der Beschichtung, die beispielsweise mit sp2 und sp3 hybridisierten Kohlenstoff gebildet ist, fortsetzen.
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Ein Schneidwerkzeug das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut und realisiert wurde kann weitreichende Anwendung finden. Beispielsweise können Haushaltswaren, z.B. Küchenmesser, aber auch Schneidwerkzeuge, die Anwendung in der Medizin und Industrie finden, so ausgebildet sein bzw. so hergestellt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand der 1 bis 3 beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Schneidwerkzeug bestehend aus einem Trägersubstrat 1 mit einer Lage 2 einer Beschichtung und einer Schneidkante 3,
- 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A entsprechend 1 eines Schneidwerkzeugs mit einer einseitigen Beschichtungsvariante eines Trägersubstrats 1 aus einem Trägerblech,
- 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A entsprechend 1 eines Schneidwerkzeugs mit einer zweiseitigen Beschichtungsvariante eines Trägersubstrats 1 aus einem Trägerblech,
- 4a-c Halbschnitte entlang der Linie B-B entsprechend 1 von Schneidwerkzeugen mit einer graduell aufgebauten, amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 7,laserstrukturierten Bereichen 8 und mindestens einer thermischen Spritzschicht als Lage 4.
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1 zeigt ein Schneidwerkzeug bestehend aus einem Trägersubstrat 1 aus Stahl mit einer einseitigen Beschichtung bestehend aus einer Lage 2 der Beschichtung, die mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist. Die amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 2 der Beschichtung bildet dabei die Schneidkante 3 und ist zwischen einer weiteren Lage 4 der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und als thermische Spritzschicht ausgebildet ist, und dem Trägersubstrat 1 angeordnet.
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2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A entsprechend 1 eines Schneidwerkzeugs mit einer einseitigen Beschichtungsvariante eines Trägersubstrats 1 aus einem Trägerblech wie in 1 gezeigt, wobei zusätzlich sowohl zwischen der amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 2 der Beschichtung und dem Trägersubstrat 1 als auch zwischen der amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 2 der Beschichtung und einer weiteren Lage 4 der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und als thermische Spritzschicht ausgebildet ist, jeweils eine Lage 5 der Beschichtung, die als Haftvermittlerschicht aus Titannitrid ausgebildet ist, angeordnet ist. Weiterhin ist in 2 eine zusätzliche Lage 6 der Beschichtung, die als thermische Spritzschicht ausgebildet ist, auf der von dem Trägersubstrat 1 abgewandten Oberfläche der Lage 4 der Beschichtung, die nicht mit sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet ist und als thermische Spritzschicht ausgebildet ist, angeordnet.
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In 2 ist eine erste äußere Seitenfläche 3.1 des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante 3 des Schneidwerkzeugs anschließt, mit ausgehend von der Schneidkante 3 nacheinander angeordneten Bereichen der Lagen 2, 5, 4 und 6 der Beschichtung gebildet. Eine zweite äußere Seitenfläche 3.2 des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante 3 des Schneidwerkzeugs anschließt, ist mit ausgehend von der Schneidkante 3 nacheinander angeordneten Bereichen der Lagen 2 und 5 der Beschichtung und des Trägersubstrats 1 gebildet.
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Bei der Herstellung der Beschichtung wird zuerst eine Oberfläche des Trägersubstrats 1 mit dem vorab erläuterten Schichtaufbau bestehend aus mehreren Lagen sukzessive nacheinander Lage für Lage beschichtet.
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Bei dem in 3 gezeigten Beispiel werden die die Beschichtung bildenden Lagen für die Seitenflächen 3.1, 3.2 des Schneidewerkzeugs an beiden Oberflächen des Trägersubstrats 1 ausgebildet. Insbesondere zeigt 3 eine zweiseitige Beschichtungsvariante eines Trägersubstrats 1 aus einem Trägerblech. Dabei wird eine Oberfläche des Trägersubstrats 1 durch eine einseitige Beschichtungsvariante, die der in 2 gezeigten Beschichtungsvariante entspricht, beschichtet. Die von der amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 2 der Beschichtung abgewandte Oberfläche des Trägersubstrats 1 ist zusätzlich mit zwei weiteren thermischen Spritzschichten als Lagen 4 und 6 der Beschichtung beschichtet.
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In 3 ist also eine erste äußere Seitenfläche 3.1 des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante 3 des Schneidwerkzeugs anschließt, mit ausgehend von der Schneidkante 3 nacheinander angeordneten Bereichen der Lagen 2, 5, 4 und 6 der Beschichtung gebildet. Eine zweite äußere Seitenfläche 3.2 des Schneidwerkzeugs, die an die Schneidkante 3 des Schneidwerkzeugs anschließt, ist mit ausgehend von der Schneidkante 3 nacheinander angeordneten Bereichen der Lagen 2 und 5 der Beschichtung, des Trägersubstrats 1, und der Lagen 4 und 6 der Beschichtung gebildet.
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4a-c zeigen jeweils einen Schnitt entlang der Linie B-B entsprechend 1 eines Schneidwerkzeugs bei dem ein Trägersubstrat 1 aus Stahl mit einer amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 7 der Beschichtung beschichtet ist.
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Insbesondere ist die amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 7 der Beschichtung in 4a graduell aufgebaut. Dabei ändert sich das Hybridisierungsverhältnis des Kohlenstoffs entlang eines Gradienten, der parallel zur Normalen der äußeren Seitenfläche, die sich an die Schneidkante 3 anschließt, ausgebildet ist. In diesem Beispiel nimmt der Anteil von sp2 hybridisiertem Kohlenstoff ausgehend von der Oberfläche des Trägersubstrats 1, auf der die Beschichtung angeordnet ist, nach außen hin zu. Weiterhin ist auf der amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 7 eine thermische Spritzschicht als Lage 4 aufgebracht.
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In 4b ist eine graduell aufgebaute amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 7 der Beschichtung gezeigt, die zusätzlich zum graduellen Aufbau eine streifenförmige Strukturierung aufweist, sodass streifenförmig laserstrukturierte Bereiche 8 und nicht laserstrukturierte Bereiche entlang der Schneidkante 3 alternierend abwechselnd angeordnet sind. Die streifenförmig laserstrukturierten Bereiche 8 wurden durch eine Laserinterferenzstrukturierung erzeugt. Die Breite der streifenförmig laserstrukturierten Bereiche 8 liegt zwischen 1 µm und 30 µm. Die streifenförmig laserstrukturierten Bereiche 8 sind bei einer gegebenen Schichttiefe stärker grafitisiert als die nicht laserstrukturierten Bereiche bei derselben Schichttiefe. Somit variiert das Hybridisierungsverhältnis des Kohlenstoffs und damit auch der Härtegrad innerhalb der graduell aufgebauten amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 7 der Beschichtung sowohl von innen nach außen entlang eines vorzugsweise konstanten Gradienten kontinuierlich (gradueller Schichtaufbau), als auch stufenförmig entlang der Schneidkante 3 (streifenförmige Strukturierung). Weiterhin ist auch in 4b auf der amorphen Kohlenstoffschicht als Lage 7 eine thermische Spritzschicht als Lage 4 aufgebracht.
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4c zeigt eine auf dem Trägersubstrat 1 angeordnete weitere thermische Spritzschicht als Lage 9 der Beschichtung. Die weitere thermische Spritzschicht als Lage 9 der Beschichtung weist eine streifenförmige Strukturierung auf, bei der streifenförmige Bereiche mit einer Schichtdicke, die zwischen 10 µm und 500 µm liegt, mit streifenförmigen Bereichen keiner Schichtdicke alternierend abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Auf der weiteren thermischen Spritzschicht als Lage 9 der Beschichtung sind eine amorphe Kohlenstoffschicht als Lage 7 der Beschichtung und eine thermische Spritzschicht als Lage 4 der Beschichtung aufgebracht. Mindestens eine der nachfolgend aufgebrachten Lagen (7,4) der Beschichtung weist dabei ebenfalls eine durch die Strukturierung der weiteren thermischen Spritzschicht als Lage 9 der Beschichtung bedingte streifenförmige Strukturierung auf. Ein solcher Schichtaufbau führt auch zu einer dem Schichtaufbau entsprechenden Welligkeit der Schneidkante.
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Die Welligkeit einer Lage der Beschichtung kann auch durch starken Verschleiß der streifenförmig laserstrukturierten Bereiche 8 im Vergleich zu den nicht laserstrukturierten Bereichen erzielt werden. Durch die zusätzliche Grafitisierung und damit stärkere Abnutzung der streifenförmig laserstrukturierten Bereiche 8 während des Gebrauchs des Schneidwerkzeugs kann sich beispielsweise eine sägezahnartige Strukturierung ergeben. Alternativ, kann eine solche Sägezahnstruktur auch kontrolliert erzeugt werden, vorzugsweise mittels abtragender Laserbestrahlung.