DE10393375B4

DE10393375B4 - Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE10393375B4
Application number: DE10393375.1T
Authority: DE
Inventors: Joachim Gussone; Dr. Lemmer Oliver; Dirk Breidt
Original assignee: Cemecon AG
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: JP2006500235A; AU2003277912A1; US20060099422A1; DE10393375D2; JP4588453B2; WO2004031437A1

Abstract

Verfahren zur Beschichtung eines Substratmaterials (10) mit einer Diamantschicht (30), wobei das Substratmaterial Hartstoffpartikel (20) und Bindermaterial (22) umfaßt, bei dem – in einem ersten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei in einer Randzone (12) des Substrats (10) das Bindermaterial (22) entfernt wird, – in einem zweiten Schritt eine Hartstoff-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei in der Randzone (12) Hartstoffpartikel (20) vollständig entfernt werden, so daß ein Oberflächenprofil mit Erhebungen (16) und Vertiefungen (18) entsteht – in einem dritten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei eine Bindermaterial-Anreicherung an der Oberfläche entfernt wird – und danach das Substrat (10) mit einer Diamantschicht (30) beschichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Körpers.
Es ist bekannt, Körper oder Teile von Körpern mit einer Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu versehen. Insbesondere für Werkzeuge ist es bekannt, Funktionsflächen mit einer Diamantschicht zu versehen. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das Aufbringen einer Diamantschicht mittels eines CVD (chemical vapor deposition) Prozesses. Ein solches Beschichtungsverfahren ist z. B. in WO 98/35071 A1 beschrieben.
Beschichtete Körper umfassen ein Substratmaterial und eine darauf aufgebrachte Diamantschicht. Als Substratmaterial werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Hartmetalle und Cermets betrachtet, d. h. Sintermaterialien aus Hartstoffpartikeln und Bindermaterial, insbesondere mit WC-Körnern in einer Co-haltigen Matrix. Diamantbeschichtete Hartmetall- bzw. Cermet-Werkzeuge werden u. a. bei der Zerspanung eingesetzt. Dabei wirkt sich insbesondere die hohe Härte des Diamants positiv auf den Verschleißschutz des Werkzeugs auf.
Um eine gute Haftung der Diamant-Beschichtung auf dem Substrat zu erzielen sind verschiedene Vorbehandlungsmethoden bekannt.
Die US 6 096 377 A beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetallsubstrats mit einer Diamantschicht. Das Verfahren umfasst eine Vorbehandlung des Substrats mit einem WC-selektiven Ätzschritt sowie mit einem Co-selektiven Ätzschritt. Für das Aufbringen einer Diamantschicht wird eine Bekeimung mit Diamantpulver und eine anschließende Diamant-Beschichtung vorgeschlagen. Hierbei können angeblich der Co-selektive Ätzschritt, der WC-selektive Ätzschritt und der Bekeimungsschritt in beliebiger Reihenfolge vorgenommen werden.
In der DE 195 22 372 A1 , US 5,560,839 A und US 5,713,133 A wird zum Aufbringen einer Diamantschicht auf ein Hartmetall-Substrat zunächst ein Co-selektiver Ätzschritt mit anschließender Reinigung der geätzten Substratoberfläche, und dann ein WC-selektiver Ätzschritt mit anschließender Reinigung vorgeschlagen. Auf das so vorbereitete Hartmetallsubstrat wird mittels eines CVD-Verfahrens eine Diamantschicht aufgebracht.
Zu den beiden vorgenannten Druckschriften ist festzustellen, dass zwei-schrittige Vorbehandlungsverfahren mit zuerst einem Co-selektiven Ätzschritt und dann einem WC-selektiven Ätzschritt in vielen Fällen nicht zu einer ausreichenden Schichthaftung führen. Denn wenn im zweiten, WC-selektiven Ätzschritt eine vollständige Ätzung der an der Oberfläche liegenden WC-Körner erfolgt, dann umfasst anschließend die Oberfläche eine Co-Anreicherung, die eine gute Schichthaftung verhindert. Wird hingegen die WC-Ätzung nur teilweise durchgeführt, dann sind an der Oberfläche, d. h. im späteren Übergangsbereich zwischen Substrat und Diamantschicht die WC-Körner an den Korngrenzen geätzt. Dann aber liegt kein intaktes WC-Gerüst vor, was zu reduzierter Schichthaftung und mechanischer Festigkeit führt.
In der WO 97/07264 A1 und der US 5,650,059 A ist ein Vorbehandlungsverfahren für die CVD-Diamantbeschichtung eines Hartmetalls beschrieben. Hier wird in einem ersten Schritt ein elektrochemisches Ätzen des Hartmetalls durchgeführt, wobei in einem Elektrolyt (z. B. 10% NaOH) das Substrat als Anode geschaltet und elektrochemisch geätzt wird. In einem zweiten Schritt wird selektiv das Co-Bindermaterial geätzt. Schließlich wird in einem CVD-Verfahren eine Diamantschicht aufgebracht.
Die mit diesem oder vergleichbaren zwei-schrittigen Vorbehandlungsverfahren mit zunächst WC-Ätzung und dann Co-Ätzung erzielten Ergebnisse weisen für einige Anwendungen eine durchaus akzeptable Schichthaftung auf. Bei starken Beanspruchungen, insbesondere Scherbeanspruchungen und dynamischen Druckbeanspruchungen, reicht aber die mit dieser Vorbehandlung erzielte Festigkeit nicht aus.
Auch die EP 0 519 587 A1 und US 5 236 740 A offenbaren jeweils Verfahren, bei denen ein Hartmetallsubstrat vorbehandelt wird, um eine bessere Haftung einer Diamantschicht zu erzielen. Vorgesehen ist jeweils zunächst ein erster selektiver Ätzschritt für das Wolframkarbid-Matrixmaterial des Substrats, während Kobalt intakt gelassen wird. In einem Beispiel wird dies durchgeführt mit Murakami-Reagenz. Danach wird ein zweiter selektiver Ätzschritt zur Entfernung von Rückständen bspw. mit H₂SO₄ und H₂O₂ durchgeführt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Beschichtungsverfahren vorzuschlagen, so dass der beschichtete Körper eine erhöhte Belastbarkeit bei verschiedenen mechanischen Belastungen aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Eine spezielle Beschaffenheit des Übergangsbereiches zwischen dem Substratmaterial (Hartmetall oder Cermet) und der Diamantschicht hat sich als vorteilhaft erwiesen. Zur Erläuterung der Struktur soll der beschichtete Körper im Schnitt senkrecht zur Diamantschicht betrachtet werden, wobei für die Zwecke der Beschreibung davon ausgegangen wird, dass das Substrat unten und die Diamantschicht oben angeordnet ist. Dies dient allerdings lediglich der Anschaulichkeit und sollte hinsichtlich der Geometrie des Körpers und der Anordnung der Diamant-Beschichtung daran nicht einschränkend verstanden werden.
Bei dem bevorzugten Körper ist zunächst ein erster Bereich intakten Substratmaterials vorgesehen. Unter intaktem Substratmaterial wird verstanden, dass Hartstoffpartikel in Bindermaterial eingebettet bzw. davon umgeben sind, und dass die Phasengrenzen der Hartstoffpartikel intakt sind.
Über dem ersten Bereich ist die Diamantschicht angeordnet. Hierbei weist der Übergangsbereich des ersten Bereichs, d. h. die obere Begrenzungsfläche des ersten Bereichs, ein Tiefenprofil, d. h. eine Rauhigkeit mit Vertiefungen und Erhebungen auf. Diese Vertiefungen und Erhebungen sind beispielsweise im Querschnitt sichtbar. Durch Einwachsen der Diamantschicht in den Vertiefungen ist die Diamantschicht mit dem Substrat verklammert. Hierunter wird verstanden, dass es im Schnitt betrachtet Teile der Diamantschicht gibt, die tiefer im Substrat angeordnet sind als Erhebungen des ersten Substrat-Bereichs mit intaktem Substratmaterial, d. h. Hartstoffpartikeln und Bindermaterial.
Durch diese Verklammerung wird eine gute Haftung der Diamantschicht erzielt. Die Verzahnung bzw. Verklammerung führt dazu, dass Druck- und Scherbelastungen gut aufgenommen werden. Durch das Tiefenprofil im Übergangsbereich verteilen sich Druckbelastungen auf eine größere Fläche. Die Erhebungen bieten Scherkräften Widerstand.
Bei dem Körper ist bevorzugt, dass der Übergangsbereich, d. h. die Substratoberfläche, keine Schleiffehler aufweist, und dass sich im Übergangsbereich auch keine zertrümmerten Hartstoffpartikel befinden, wie sie beispielsweise durch Schleifen erzeugt werden. Zudem sollte die Oberfläche von schliffbedingter Porosität und schliffbedingten Binderanreicherungen frei sein.
Für die Schichthaftung ist es bevorzugt, dass im Übergangsbereich ausschließlich vollständig vom Bindermaterial befreite Oberflächen vorliegen, die der Diamantschicht zugewandt sind. Keinesfalls sollte eine Bindermaterialanreicherung vorliegen.
Dabei kann zwischen dem ersten Bereich und der Diamantschicht eine poröse Zone angeordnet sein, in der Hartstoffpartikel frei von Bindermaterial sind. Bevorzugt ist in der porösen Zone das Hartstoffpartikel-Gerüst intakt und nicht an den Korngrenzen durch Ätzung geschwächt. Auf die poröse Zone folgt dann die Diamantschicht. Aufgrund der Entfernung des Bindermaterials in der porösen Zone ergibt sich eine bessere Schichthaftung.
Hierbei ist zu beachten, dass eine zu dicke poröse Zone wiederum die Schichthaftung bzw. die Festigkeit des Übergangsbereiches schwächen kann. Es wird daher eine poröse Zone geringer Dicke bevorzugt. Besonders bevorzugt werden Dicken von 3–7 Mm. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die mittlere Dicke d der porösen Zone kleiner oder gleich der maximalen Rauhtiefe Rmax, bevorzugt auch der mittleren Rauhtiefe Rz des Übergangsbereiches. Dies führt zu einer guten Verklammerung, guten Haftung und hohen mechanischen Stabilität. Hierbei sind die maximale Rauhtiefe Rmax und die mittlere Rauhtiefe Rz im Schnittbild als mittleren bzw. maximalen Wert des Abstandes zwischen ”Bergen” und ”Tälern” zu schätzen.
Bei der in Anspruch 1 wiedergegebenen ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Substratmaterial mit Hartstoffpartikeln und umgebendem Bindermaterial in einem ersten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung, in einem zweiten Schritt eine Hartstoff-selektive Ätzung, und in einem dritten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung durchgeführt. Das so vorbehandelte Substrat wird dann mit einer Diamantschicht beschichtet.
Hierbei wird im ersten Schritt in einer Randzone des Substrats das Bindermaterial entfernt. Diese Randzone weist bevorzugt ein Tiefenprofil auf. Im zweiten Schritt werden in der Randzone Hartstoffpartikel entfernt, so dass aus dem Ätztiefenprofil des ersten Schritts ein Oberflächenprofil mit Erhebungen und Vertiefungen entsteht. Die im ersten Ätzschritt freigelegten Hartstoffpartikel werden vollständig entfernt.
Durch das Ätzen der Hartstoffpartikel entsteht eine Bindermaterial-Anreicherung der Oberfläche, die im dritten Schritt entfernt wird. Hierbei wird bevorzugt, dass die im dritten Schritt durchgeführte Ätzung eine geringere Ätztiefe hat als die im ersten Schritt durchgeführte Ätzung. Dies führt dazu, dass sich nur eine geringe poröse Zone auf der profilierten Oberfläche bildet. Auf einer solchen Struktur ergibt sich eine gute Haftung der darauf angebrachten Diamantschicht. Das Verfahren wird besonders für Hartmetalle mit WC-Hartstoffpartikeln und Co-haltigem Bindermaterial bevorzugt.
Bei der in Anspruch 5 wiedergegebenen zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ebenso wie bei der ersten Variante eine selektive Ätzung des Bindermaterials durchgeführt. Hierdurch wird bevorzugt eine poröse Randzone mit einem Tiefenprofil erzeugt, in dem das Bindermaterial entfernt ist. In einem darauffolgenden mechanischen Entfernungsschritt wird die so vorbehandelte Substratoberfläche in einem Strahlverfahren mit Strahlpartikeln behandelt. Bevorzugt handelt es sich um SiC-Partikel, die eine Korngröße von weniger als 100 μm, besser weniger als 70 μm und besonders bevorzugt weniger als 30 μm aufweisen. Hierdurch werden Hartstoffpartikel an der Oberfläche entfernt, und zwar bevorzugt in der im ersten Schritt gebildeten porösen Randzone. Nach dem mechanischen Entfernungsschritt ergibt sich so eine Oberfläche, die ein Tiefenprofil mit Erhöhungen und Vertiefungen aufweist. Diese Oberfläche kann, bevorzugt nach einem Reinigungsschritt, direkt zum Aufbringen einer Diamantschicht verwendet werden, da durch das Strahlverfahren keine haftungsverringernden Anreicherungen von Bindermaterial an der Oberfläche auftreten. Hierbei kann auch nach dem Strahlen eine poröse Zone geringer Tiefe verbleiben. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, die Tiefe der porösen Zone durch einen Bindermaterial-selektiven Ätzschritt zu vergrößern, um die Haftung zu verbessern.
Die erfindungsgemäß betrachteten Substratmaterialien sind Hartmetalle oder Cermets mit gesinterten Hartstoffpartikeln und Bindermaterial. Als Bindermaterialien können beispielsweise Co, Ni, Fe verwendet werden, als Hartstoffe beispielsweise WC, TiC, TaC, NbC. Das für den erfindungsgemäßen Körper und die erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendete Substratmaterial ist ein Hartmetall mit gesinterten WC-Hartstoffpartikeln und Co-haltigem Bindermaterial. Besonders bevorzugt werden Materialien mit Co-Ni-Fe-Binder. Hierbei beträgt bevorzugt der Co-Gehalt 0,1–20%, bevorzugt 3–12%, besser 6–12%, besonders bevorzugt 10–12%. Besondere Vorteile ergeben sich bei gegenüber Schlagbeanspruchung robusten Substrat-Materialien mit Co-Gehalten über 6%. Zudem wird bei feinkörnigen Hartmetallen bevorzugt, dass diese auch Chrom und Vanadium aufweisen.
Als Substratmaterial können prinzipiell auch Grob- (Korngröße 2,5–6 μm), Mittelkornsorten (Korngröße 1,3–2,5 μm) und Feinkornsorten (0,8–1,3 μm) von Hartmetallen verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch Feinstkornsorten (0,5–0,8 μm Korngröße) und Ultrafeinkornsorten (Korngröße 0,2–0,5 μm). Feinst- und Ultrafeinkornsorten zeichnen sich durch hohe Härte und Biegebruchfestigkeit aus.
Das Tiefenprofil des ersten Bereichs weist gemäß einer Weiterbildung eine mittlere Rauhtiefe Rz von 1–20 μm auf, bevorzugt 2–10 μm. Besonders bevorzugt wird eine mittlere Rauhtiefe Rz von 3–7 μm. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die mittlere Rauhtiefe Rz des Tiefenprofils größer als die Korngröße des Hartmetall-Substrats. Besonders bei Feinst- und Ultrafeinkornsorten wird bevorzugt, daß Rz sogar mehr als das fünffache, weiter bevorzugt mehr als das zehnfache der Korngröße beträgt.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird nach einer Weiterbildung im ersten Ätzschritt eine mittlere Ätztiefe von 1 bis 20 μm zu erzielt. Bevorzugt wird eine Ätztiefe von 2 bis 10 μm, besonders bevorzugt 3 bis 7 μm. Bei dem ersten Schritt dringt die Säure unterschiedlich schnell in den oberflächennahen Bereich des Substrates ein, so daß eine poröse Randzone entsteht, die ein Tiefenprofil aufweist. Durch die Ätzung wird so die Rauhigkeit des Übergangsbereiches vorbestimmt. Dabei bestimmt die maximale Eindringtiefe der Säure den Rauhigkeitswert Rmax und die Ätztiefenvarianz den Rz und den Ra-Wert. Die Eindringtiefe (und damit insbesondere der Wert Rmax) kann beeinflußt werden durch geeignete Wahl der Säure und Einstellung der Ätzzeit. Die Werte Ra und Rz werden bevorzugt ebenfalls durch die Wahl der Säure, und insbesondere von deren Verdünnungsgrad beeinflußt. Bei elektrochemischen Verfahren können die Parameter auch durch Wahl der elektrischen Parameter eingestellt werden.
Für die im ersten Schritt durchgeführte Ätzung können prinzipiell alle Säuren verwendet werden, die das Bindematerial, insbesondere Cobalt ätzen. Besonders bevorzugt werden elektrochemische Ätzmethoden mit Gleich- oder Wechselstrom mit HCl oder H₂SO₄. Ebenso bevorzugt werden elektrochemische Ätzmethoden mit verdünntem HCl, H₂SO₄ Lösungen. Für die Ätzung kann zudem HNO₃ sowie bevorzugt Mischungen aus H₂SO₄/H₂O₂, HCl/H₂O₂ und HCl/HNO₃ verwendet werden.
In dem in der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführten zweiten Ätzschritt werden Hartstoff-Partikel, insbesondere Wolframcarbid-Körner geätzt. Hierfür können Chemikalien verwendet werden, die selektiv WC ätzen. Die entsprechende Behandlung ist möglich mit Blutlaugensalz/Lauge-Mischungen, bevorzugt Kaliumpermanganat/Lauge-Mischungen. Besonders bevorzugt werden elektrochemische Verfahren mit Lauge-Mischungen, beispielsweise aus Natronlauge, Kalilauge und/oder Natriumcarbonat.
Bei der ersten Variante sowie optional auch bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein dritter, Co-Selektiver Ätzschritt durchgeführt. Der dritte Ätzschritt wird bevorzugt als elektrochemisches Ätzen mit Schwefelsäure oder Salzsäure durchgeführt. Hierbei wird an der Oberfläche des durch der ersten beide Schritte bereits profilierten Substrats eine poröse Zone erzeugt, in der das Bindermaterial entfernt ist. Diese poröse Zone ist bevorzugt von geringer Dicke.
Bevorzugt erfolgt die Beschichtung mittels eines CVD-Verfahrens. Hierbei wächst der Diamant auf der erzeugten Oberfläche. Aufgrund des Tiefenprofils des vorbehandelten Substrats ergibt sich eine ausgezeichnete Verklammerung zwischen Diamantschicht und Substrat.
Hierbei ist die durch das Vorbehandlungsverfahren hergestellte Rauhigkeit prinzipiell nicht von der Substratkorngröße abhängig. Denn die Rauhigkeit wird durch das im ersten Ätzschritt erzielte Tiefenprofil erzeugt. Eine ausgezeichnete Verklammerung zwischen Diamantschicht und Substrat ist auf diese Weise auch bei Feinst- und Ultrafeinkornsorten möglich.
Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Hartmetallsubstrat mit einer porösen Zone;
2 einen Querschnitt durch ein Hartmetallsubstrat mit einer profilierten Oberfläche;
3 eine symbolische Darstellung eines Querschnitts durch einen Körper mit einem Substrat und einer Diamantschicht;
4 eine symbolische Darstellung des Tiefenprofils aus 3;
4a eine Prinzipskizze zur Ermittlung von Rauhigkeitskennwerten;
5 einen Querschnitt durch einen diamantbeschichteten Körper;
5a eine Vergrößerung des Bereiches A aus 5;
6 eine symbolische Darstellung des Angriffs von Druckbelastungen auf das Profil eines Übergangsbereiches;
7 eine symbolische Darstellung des Angriffs von Scherbelastungen auf das Tiefenprofil eines Übergangsbereiches;
8 eine symbolische Darstellung des Profils eines Übergangsbereiches bei einem Grobkorn-Hartmetall;
9 eine symbolische Darstellung des Profils eines Übergangsbereiches bei einem Feinkorn-Hartmetall.
Ein Werkzeug aus einem Hartmetall soll mit einer Diamantschicht beschichtet werden. Bei dem Werkzeugmaterial (Substrat) 10 handelt es sich um eine Feinstkornsorte mit WC-Partikeln in der Größenordnung von 0,5 bis 0,8 μm und einen Co-Binder mit 10% Co.
Vor dem Aufbringen der Diamantschicht wird das Substrat 10 vorbehandelt. Hierbei wird an dem Substrat 10 zunächst ein erster Ätzschritt durchgeführt, mit dem an der Oberfläche eine poröse Zone 12 erzeugt wird, in der das Bindermaterial vollständig entfernt wurde. Die poröse Zone 12 weist ein Tiefenprofil auf, das durch die in 1 dargestellte Begrenzungslinie 14 gegeben ist. Hierbei ist die verwendete Säure an unterschiedlichen Stellen des Substrats 10 unterschiedlich tief in die Oberfläche eingedrungen. Die poröse Zone 12 weist eine maximale Ätztiefe von 6 μm auf.
In einem zweiten Schritt werden nun die WC-Körner in der porösen Zone 12 vollständig entfernt. Hierbei wird das Substrat mit KMNO₄/NaOH (100 g/l, 100 g/l) geätzt. Hierdurch wird innerhalb der porösen Zone 12 Wolframcarbid entfernt. Es ergibt sich eine Oberflächenstruktur wie in der Schnittansicht von 2 sichtbar. Die Oberfläche des Substrats 10 ist rauh mit einer Anzahl von Erhebungen 16 und Vertiefungen 18. Das entstandene Oberflächenprofil entspricht dem Profil der porösen Zone aus 1, und damit dem Ätztiefenprofil des ersten Ätzschritts.
Durch die Entfernung des Wolframcarbids liegt nach Durchführung des zweiten Ätzschritts an der Oberfläche eine Cobaltanreicherung vor, die hier Cobaltschwamm genannt wird. Der Cobaltschwamm wird in einem dritten Schritt elektrochemisch mit konzentrierter Schwefelsäure entfernt. Der dritte Ätzschritt mit konzentrierter Schwefelsäure wird so durchgeführt, daß vor allem der Cobaltschwamm entfernt wird, und eine poröse Zone (d. h. ein Oberflächen-Bereich, in dem das Bindermaterial entfernt wurde) von nur geringer Tiefe entsteht. In dem Beispiel ist die Ätztiefe durch die Verdünnung der Schwefelsäure einstellbar. Die Behandlungsdauer ist für die Ätztiefe von geringer Bedeutung, da sich eine Passivierungsschicht bildet, sobald Cobalt vollständig an der Oberfläche entfernt wurde.
Dies ist in einer symbolischen Darstellung in 3 gezeigt. Das Substrat 10 umfaßt WC-Hartstoffpartikel 20 und Bindermaterial 22. Die WC-Körner bilden ein WC-Gerüst In einem unteren, ersten Bereich 24 ist das Hartmetallsubstrat intakt, d. h. WC-Körner sind von Bindermaterial umgeben. Über dem ersten Bereich 24 folgt eine poröse Zone 26. In der porösen Zone 26 sind WC-Körner 20 nicht vom Bindermaterial umschlossen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die symbolische Darstellung in 3 der Anschaulichkeit dienen soll und nicht maßstabsgerecht ist.
Oberhalb der porösen Zone 26 schließlich folgt eine Diamantschicht 30. Die Diamantschicht 30 wird nach Abschluß der Vorbehandlung auf der vorbehandelten Substratoberfläche aufgebracht. Dies erfolgt mittels eines bekannten CVD-Verfahrens, wie es beispielsweise in der WO 98/35071 beschrieben ist, bei dem in einer Wasserstoffatmosphäre CH₄ zugeführt und an drahtförmigen Heizelementen aktiviert wird, so daß sich bei einer Substrattemperatur von ca. 850°C eine Diamantschicht auf dem Substrat bildet.
Wie in 3 dargestellt ist in der porösen Zone 26 das Bindermaterial 22 entfernt und behindert daher nicht die Haftung der Diamantschicht 30 auf dem Substrat 10.
In 4 ist in einer ebenfalls symbolischen Darstellung der Übergangsbereich zwischen Substrat 10 und Diamantschicht 30 gezeigt. Hierbei sind von den entsprechenden Bereichen in 3 die Randlinien des ersten Bereichs 24, der porösen Zone 26 und der Diamantschicht 30 gestrichelt dargestellt. An dieser Darstellungen sollen bevorzugte Eigenschaften des Übergangsbereiches erläutert werden.
Die poröse Zone 26 weist eine mittlere Dicke auf, die hier als d bezeichnet werden soll. Die Oberfläche des ersten Bereichs 24 weist ein Oberflächenprofil mit Erhöhungen 16 und Vertiefungen 18 auf. Der in vertikaler Richtung gemessene Abstand zwischen einer Erhöhung 16 und einer Vertiefung 18 wird hier mit R bezeichnet.
Die Rauhigkeitskennwerte Ra, Rmax, Rz sind für Oberflächen definiert und werden i. A. mit Tastverfahren gemessen. Für die hier betrachteten beschichteten Körper wird eine Bestimmung der Werte am Querschnitt vorgenommen. Die Bestimmung erfolgt nach DIN EN ISO 4287, indem die langwelligen Anteile, die der äußeren Form des Körpers zuzurechnen sind, nicht betrachtet werden. Von dem verbleibenden Profil werden fünf Teilstrecken betrachtet, wie in 4a gezeigt. Für jede Teilstrecke wird die Einzelrauhtiefe als Summe aus der Höhe der höchsten Profilspitze und der Tiefe der größten Vertiefung innerhalb der Teilstrecke ermittelt. Hieraus wird die mittlere Rauhtiefe Rz ermittelt als arithmetischer Mittelwert der Einzelrauhtiefen, und die maximale Rauhtiefe Rmax als größte Einzelrauhtiefe der Meßstrecke.
Für den Übergangsbereich ist es nun bevorzugt, daß die mittlere Dicke d der porösen Zone 26 gleich oder kleiner ist als der maximale Abstand zwischen Erhöhungen und Vertiefungen, d. h. der Rmax-Wert. Dann nämlich ergibt sich wie in 3 gezeigt eine gute Verklammerung der Diamantschicht 30 mit dem Substrat 10. Hierbei sind Teile der Diamantschicht 30 (wie im Beispiel von 4 beispielsweise eine untere Spitze 32) tiefer angeordnet als Erhebungen des ersten Bereichs (in 4 beispielsweise die Erhebung 16). Weiter bevorzugt ist d auch kleiner oder gleich dem mittleren Rauhtiefenwert Rz.
5 zeigt das Substrat 10 aus 2 mit einer darauf aufgebrachten Diamantschicht. Es ist sichtbar, daß der Übergangsbereich ein Tiefenprofil mit Erhöhungen und Vertiefungen aufweist. 5a zeigt eine Vergrößerung des Bereichs A aus 5. Hier ist deutlich die Verklammerung der Diamantschicht 30 mit dem Substrat 10 erkennbar.
Bei dem oben erläuterten Vorbehandlungsverfahren ist die Morphologie des Übergangsbereiches unabhängig von der Korngröße des verwendeten Hartmetalls. Die Rauhigkeit des Übergangsbereiches wird durch den ersten Ätzschritt bestimmt. Daher ist für Hartmetalle mit verschiedenen Korngrößen dieselbe Oberflächenmorphologie erzielbar. Dies ist in 8 und 9 symbolisch dargestellt, wo dasselbe Tiefenprofil bei unterschiedlichen Korngrößen erreicht wird.
Durch die oben beschriebene Verklammerung der Diamantschicht 30 mit dem Substrat 10 wird eine besonders gute Schichthaftung erzielt. Die Schichthaftung ist auch insbesondere robust gegenüber dynamischen Druckbeanspruchungen und Scherbeanspruchungen. Wie in der symbolischen Darstellung von 6 ersichtlich, verteilen sich Druckbeanspruchungen aufgrund der Oberflächenrauhigkeit auf eine größere Fläche und können daher besser von der Diamantschicht 30 auf das Substrat 10 übertragen werden. Bei Scherbeanspruchungen bietet die Verklammerung mit Erhebungen und Vertiefungen der Diamantschicht einen guten Halt am Substrat 10.
Während das oben beschriebene Ausführungsbeispiel als Vorbehandlungsverfahren ein dreistufiges Ätzverfahren vorsieht, werden in einem alternativen Verfahren der zweite und eventuell auch der dritte Ätzschritt durch einen mechanischen Entfernungsschritt ersetzt.
Nach Durchführung des ersten Ätzschritts und Erzeugung einer porösen Zone 12 mit einem Tiefenprofil (vgl. 1), wird das zu beschichtende Substrat mit SiC-Partikeln mikrogestrahlt. Hierdurch werden in der porösen Zone 12 WC-Partikel entfernt. Es entsteht eine rauhe Oberfläche mit sehr geringer Porosität. Die so erzeugte Oberfläche i. A. weist keine Co-Anreicherung auf, so daß es möglich ist, ohne weiteren Co-selektiven Ätzschritt die Beschichtung durchzuführen. Allerdings ist i. A. eine vorherige Reinigung des Substrats sinnvoll, z. B. in einem Ultraschall-Bad.
Bei dem alternativen Verfahren kann auch nach dem Strahlen ein weiterer Bindermaterialselektiver Ätzschritt zur Vergrößerung der porösen Zone an der Oberfläche erfolgen.
Die Vorbehandlung und anschließende Beschichtung eines Körpers erfolgt für ein Werkzeug bevorzugt nur im Funktionsbereich, d. h. beispielsweise bei einem Schneidwerkzeug im Bereich der Schneide.
Nachfolgend sollen noch einige detaillierte Anwendungsbeispiele erläutert werden.
1. Beispiel
Ein Fräs-Werkzeug (Durchmesser 10 mm) aus grobkörnigem Hartmetall (Korngröße 3 μm) mit einem Cobaltgehalt von 6% soll beschichtet werden.
Im ersten Schritt wird der Funktionsbereich des Werkzeugs (30 mm Eintauchtiefe) in verdünnter HCl (3%) 2 min. bei einer Stromstärke von 0,1 A elektrochemisch geätzt. Es entsteht eine poröse Zone mit einer maximalen Ätztiefe von 6 μm.
In der zweiten Ätzstufe wird der Funktionsbereich des Werkzeugs mit KMNO₄/NaOH (100 g/l/100 g/l, 30 min, 50°C) geätzt. Durch Ätzung wird das Wolframcabid in der porösen Zone vollständig entfernt, bis schließlich eine Cobaltanreicherung an der Oberfläche vorliegt.
Dieser Cobaltschwamm wird in der dritten Stufe elektrochemisch mit konzentrierter Schwefelsäure (98%, 3 A, 3 min.) entfernt. Durch die konzentrierte Schwefelsäure wird nur die Cobaltanreicherung entfernt; es entsteht eine poröse Zone von nur sehr geringer Dicke.
Das so vorbehandelte Substrat wird nach einem Reinigungsschritt in einem CVD-Prozeß mit einer 10 μm dicken Diamantschicht beschichtet.
2. Beispiel
Ein Werkzeug (Fräser, Durchmesser 10 mm) aus ultrafeinkörnigem Hartmetall (Korngröße 0,4 μm) mit einem Cobaltgehalt von 10% soll beschichtet werden.
Das Werkzeug wird im ersten Schritt in HNO₃ (25%, 3 min.) geätzt. Es entsteht eine poröse Zone mit einer maximalen Ätztiefe von 10 μm.
Im zweiten Schritt wird nur der Funktionsbereich geätzt. In dieser Ätzung wird das Wolframcarbid der porösen Zone mit KMNO₄/NaOH (100 g/l/100 g/l, 30 min., 50°C) entfernt. Durch Ätzung des Wolframcarbides wird die poröse Zone entfernt.
Der an der Oberfläche gebildete Cobaltschwamm wird im dritten Schritt entfernt. Durch verdünnte Salzsäure (3%, 0,1 A, 5 min.) wird die Cobaltanreicherung elektrochemisch entfernt und es entsteht eine poröse Zone von ca. 6 μm.
Das Substrat wird danach im CVD-Prozeß mit einer Diamantschicht einer Dicke von 6 μm beschichtet.
3. Beispiel
Ein Werkzeug aus feinkörnigem Hartmetall (Korngröße 1 μm) mit einem Cobaltgehalt von 10% wird im ersten Schritt mit HNO₃ (25%, 3 min.) geätzt. Es entsteht eine poröse Zone mit einer maximalen Ätztiefe von 6 μm.
Danach wird der Funktionsbereich des Werkzeugs mit SiC mikrogestrahlt, bis die freigelegten WC-Körner der porösen Zone entfernt sind. Es entsteht eine WC-rauhe Oberfläche mit sehr geringer Porosität, die nach einem intensiven Reinigungsschritt mit Ultraschall-Behandlung in einem Ethanol-Bad mit einer 8 μm dicken Diamantschicht beschichtet wird.

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substratmaterials (10) mit einer Diamantschicht (30), wobei das Substratmaterial Hartstoffpartikel (20) und Bindermaterial (22) umfaßt, bei dem – in einem ersten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei in einer Randzone (12) des Substrats (10) das Bindermaterial (22) entfernt wird, – in einem zweiten Schritt eine Hartstoff-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei in der Randzone (12) Hartstoffpartikel (20) vollständig entfernt werden, so daß ein Oberflächenprofil mit Erhebungen (16) und Vertiefungen (18) entsteht – in einem dritten Schritt eine Bindermaterial-selektive Ätzung durchgeführt wird, wobei eine Bindermaterial-Anreicherung an der Oberfläche entfernt wird – und danach das Substrat (10) mit einer Diamantschicht (30) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die im dritten Schritt durchgeführte Ätzung eine geringere Ätztiefe hat als die im ersten Schritt durchgeführte Ätzung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem – im zweiten Schritt die Ätzung mit einer der folgenden Chemikalien durchgeführt wird: Mischungen aus Kaliumpermanganat und Natronlauge, Mischungen aus Blutlaugensalz und Natronlauge, Natronlauge, Kalilauge und/oder Natriumcarbonat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – im dritten Schritt die Ätzung als elektrochemisches Ätzen mit Schwefelsäure und/oder Salzsäure durchgeführt wird, – oder als chemische Ätzung mit HCl/H₂O₂ oder H₂SO₄/H₂O₂.
Verfahren zur Beschichtung eines Substratmaterials (10) mit einer Diamantschicht (30), wobei das Substratmaterial (10) Hartstoffpartikel (20) und umgebendes Bindermaterial (22) umfaßt, bei dem – in einem ersten Schritt eine selektive Ätzung des Bindermaterials (22) durchgeführt wird, – in einem anschließenden mechanischen Entfernungsschritt Hartstoffpartikel (20) durch ein Strahlverfahren mit Strahlpartikeln entfernt werden, – und danach das Substrat (10) mit einer Diamantschicht (30) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem – nach dem mechanischen Entfernungsschritt ein Bindermaterial-selektiver Ätzschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem – vor der Beschichtung ein Reinigungsschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, bei dem – die Strahlpartikel aus SiC bestehen und eine Korngröße von weniger als 100 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – im ersten Schritt eine mittlere Ätztiefe von 1 bis 20 μm erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem – im ersten Schritt eine mittlere Ätztiefe von 2 bis 10 μm erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem – im ersten Schritt eine mittlere Ätztiefe von 3 bis 7 μm erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – im ersten Schritt die Ätzung mit einer der folgenden Chemikalien durchgeführt wird: HCl, HNO₃, Mischungen aus H₂SO₄ und H₂O₂, Mischungen aus HCl und H₂O₂.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Diamantschicht (30) mittels CVD aufgebracht wird.