DE19907220C2

DE19907220C2 - Diamantbeschichtetes Werkzeug mit durch Partikel einstellbarer Oberflächentopographie, seine Verwendung, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19907220C2
Application number: DE1999107220
Authority: DE
Inventors: Jan Gaebler; Lothar Schaefer; Thorsten Matthee; Heinz Westermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; United Hardmetal GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; United Hardmetal GmbH
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: DE19907220A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer Diamantschicht, die eine durch aufgebrachte Partikel einstellbare Oberflächentopographie wie Oberflächenrauheit aufweist, seine Verwendung sowie das Verfahren zu dessen Herstellung. Derartige Werkzeuge eignen sich insbesondere für den Einsatz in der Zerspanungstechnik.

Werkzeuge wie sie z. B. für die zerspanende Bearbeitung mit unbestimmter Schneide eingesetzt werden, zeigen üblicherweise eine rauhe Oberflächen topograhie, wobei die Rauheitsspitzen als scharfkantige Schneiden und die Rauheitstäler als Spanräume wirken.

Aufgrund der besonderen tribologischen Belastungen, denen diese Werkzeuge ausgesetzt sind, müssen die zerspanenden Oberflächen eine hohe Verschleiß beständigkeit aufweisen.

Es ist bekannt, Werkzeuge für die Zerspanung mit einer Schicht zu versehen, die Diamantkristalle enthält, die eingebettet in einem Bindermaterial auf dem Werkzeugkörper aufgebracht werden. Die hierfür verwendeten Diamantkristalle werden mittels Hochdrucktemperatur/Hochdrucksynthese-Verfahren hergestellt. Die Größe der Diamantkristalle variiert dabei je nach Anwendungsfall von ca. 5 µm bis zu einigen 100 µm. Als Bindermaterial kommen Metalle, Keramiken oder Kunststoffe zum Einsatz. Bei diesen Schichten bilden die scharfen Kanten der Diamantkörner, die aus dem Bindermaterial herausragen, die Schneidkanten und die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kristallen wirken als Spanräume.

Die Nachteile dieser diamantbelegten Werkzeuge resultieren einerseits aus der im Vergleich zu den Diamantkristallen deutlich weniger beständigen Binderma terialphase. Deren geringe Beständigkeit begrenzt die Standzeit der Werkzeuge insbesondere bei Zerspanungsprozessen, bei denen höhere Temperaturen entstehen oder schwer zerspanbare oder abrasive Materialien, wie z. B. Keramiken oder hochfeste Legierungen, zu bearbeiten sind.

Ein weiterer Nachteil ist, daß diese diamantbelegten Werkzeuge aufgrund der hierfür eingesetzten Herstellungsverfahren fertigungstechnischen Beschränkun gen in Bezug auf die Werkzeuggeometrie und Ausdehnung unterliegen. So las sen sich damit kleine Werkzeuge, wie z. B. Dentalinstrumente, dreidimensional geformte Werkzeuge, wie z. B. Mikrowerkzeuge für die Herstellung mikro mechanischer Komponenten, und Werkzeuge mit großen Abmessungen, wie z. B. Schleifwerkzeuge für die präzise Oberflächenbearbeitung großer Kompo nenten etc., überhaupt nicht oder nur sehr kostenaufwendig realisieren.

Es ist auch bekannt, für zerspanende Werkzeuge mit unbestimmter Schneide binderfreie polykristalline Diamantschichten mittels diverser Abscheideverfahren aus der Gasphase direkt aufzubringen. So beschreiben die deutschen Pa tentanmeldungen DE 197 16 330 A1 und DE 197 31 018 A1 die Beschichtung von Werkzeugen mit polykristallinem Diamant mittels CVD-Verfahren, wobei das Abscheiden auf nahezu beliebig geformten Werkzeugkörpern erfolgen kann. Die nach diesem Verfahren erhaltenen Schichten bestehen aus einer Vielzahl von zusammengewachsenen Diamantkristalliten, die eine rauhe Oberfläche ausbilden. Die scharfkantigen Schneiden der einzelnen Kristallite bilden eine schleiffähige Werkzeugtopographie, wobei die Rauheitstäler die Spanräume ergeben.

Zur Erzielung einer optimal rauhen Topographie mit ausreichend großen Span räumen läßt man die Diamantschichten so aufwachsen, daß entweder durch die Kristallgrößen und/oder durch die Textur eine für den Zerspanungsprozeß ge wünschte Rauheit erhalten wird.

Durch die direkte Beschichtung lassen sich die geometrischen Beschränkungen, denen die vorstehend beschriebenen diamantbelegten Werkzeuge unterliegen, umgehen. Weiter erhöht der Wegfall der Bindermaterialien die Standzeit ge genüber den diamantbelegten Werkzeugen.

Nachteilig ist jedoch, daß die mit Gasabscheidungsverfahren erzielbare Rauheit von der Schichtdicke abhängig und durch diese begrenzt ist. Für Zerspanungs prozesse, bei denen ein hohes Zerspanungsvolumen erforderlich ist, sind hohe Rauheiten von über 30 µm erwünscht, wie sie durch Einbindung großer Dia mantkristalle für die vorstehend beschriebenen diamantbelegten Werkzeuge leicht erzielbar sind.

Durch Abscheideverfahren erzeugte Diamantschichten mit einer derart hohen Rauheit erfordern jedoch entsprechend große Schichtdicken, wodurch aber die Herstellungskosten deutlich erhöht werden und sind aus diesem Grund wirt schaftlich nachteilig.

Zur Erzielung einer größeren Rauheit auch bei vergleichsweise geringer Schichtdicke von mittels Gasphasenabscheidung erhaltenen Diamantschichten wurde vorgeschlagen, den Grundkörper vor dem Aufbringen entsprechend auf zurauhen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine zu starke Aufrauhung des Grundkörpers die Verbindung zwischen Grundkörper und Diamantschicht schwächt und zu einer Verschlechterung der Haftfestigkeit und damit der Be ständigkeit der Diamantschicht führt. Dadurch wird die so erzielbare Rauheit des Grundkörpers auf Rauhtiefen unter 30 µm beschränkt.

Die US-Patente 5,585,176 und 5,648,119 beschreiben Werkzeuge mit bestimmter Schneide, die eine Spanfläche und eine Freifläche aufweisen, wobei eine Diamantbeschichtung vorgesehen ist. Hierbei sollte insbesondere die Freifläche möglichst glatt sein, um ein Absetzen von abgespannten Material zu verhindern. Um dennoch eine ausreichende Haftfestigkeit der Diamantschicht zu erzielen, wird für derartige Werkzeuge eine bestimmte Rauheit der Oberfläche in Kauf genommen. So weisen die hier beschriebenen Diamantschichten eine maximale Rauheit von 641 micro inch (16,28 µm) auf.

Für eine optimale Oberflächentopographie ist nicht nur die Rauheit der Oberflä che des Werkzeuges von Bedeutung. Die Oberflächentopographie und damit die Güte des Zerspanungswerkzeuges wird zudem durch die Gesamtstruktur der Oberfläche beeinflußt, die sich aus der Textur, Form, Anzahl und Ausrichtung von auf der Oberfläche ausgebildeten Strukturelementen u. ä. ergibt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug, insbesondere ein zerspanendes Werkzeug, zur Verfügung zu stellen, dessen Funktionsfläche mit einer Diamantschicht versehen ist, die sehr verschleißfest ist, wobei die Funkti onsfläche eine hohe von der Diamantschichtdicke unabhängige Oberflächen rauheit aufweist und die Diamantschicht dennoch eine große Haftfestigkeit zeigt. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, Werkzeuge mit Diamantschichten, wie sie mittels CVD-Verfahren erhältlich sind, zur Verfügung zu stellen, deren Oberflächentopographie in weiten Bereichen einstellbar ist und die auch bei vergleichsweise geringen Diamantschichtdicken hohe Oberflächenrauheiten von 30 µm und darüber aufweisen können.

Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, die Vorteile der CVD-beschichteten Dia mantwerkzeuge, wie hohe Standzeiten und geometrische Flexibilität mit den Vorteilen von diamantbelegten Schichten wie hohe Rauheit, zu kombinieren, so daß diamantbeschichtete Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden können, die vorteilhaft auch für Zerspanungsprozesse mit hohen Zeitspanungsvolumina ge nutzt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein diamantbeschichtetes Werkzeug mit ein stellbarer Oberflächentopographie, das erhältlich ist durch Aufbringen von Parti keln auf mindestens eine Fläche des Werkzeuggrundkörpers, Sintern des Werk zeuges zur Verbindung der Partikel mit dem Grundkörper, und Abscheiden einer Diamantschicht auf wenigstens der Fläche des Werkzeugs mit den Partikeln, so dass die Oberflächenrauheit auf der mit der Diamantschicht versehenen Fläche mindestens R_z = 30 µm und mehr beträgt.

Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend ge nannten Werkzeuges.

Erfindungsgemäß kann die Oberflächentopographie des Werkzeugs bzw. der Funktionsfläche oder von Funktionsflächen des Werkzeugs eingestellt werden durch die Größe, Anzahl, Form, Aufbringungsdichte und Ausrichtung der losen Partikel, die auf die entsprechende Fläche aufgebracht werden.

Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren für diamant beschichtete Flächen/Werkzeuge Oberflächenrauheiten erhalten, die von der Dicke der Diamantschicht unabhängig sind, so daß auch bei vergleichsweise geringen Diamantschichtdicken Rauheiten von 30 µm und mehr, vorzugsweise 50 µm und mehr, möglich werden, indem die zu erzielende Oberflächenrauheit durch Aufbringen von Partikeln vorgegeben wird, deren Korngröße sich nach der gewünschten Oberflächenrauheit bestimmt.

Der Grundkörper des Werkzeugs wird auf an sich bekannte Weise erhalten, indem aus einem Hartmetall oder einer Keramik ein Grünling gebildet wird und dieser anschließend gesintert wird. Bei Bedarf kann der Grünling vor oder auch während des Sintervorgangs gepreßt werden.

Beispiele für bevorzugte Hartmetalle sind Sorten mit 2 bis 10% Kobalt oder Ko balt-Nickel-Gemisch als Binder und einer Hartstoffphase aus Wolframcarbid (WC) oder Mischcarbiden mit einer mittleren Korngröße von etwa 0,5 µm bis etwa 3,0 µm im gesinterten Zustand.

Beispiele für bevorzugte Keramiken sind Keramiken auf Siliciumbasis, wie SiC, SiSiC, Si₃N₄, Si-Al-O-N oder oxidische Keramiken, wie Al₂O₃ etc.

Erfindungsgemäß wird der Grundkörper oder ausgewählte Flächen davon mit der gewünschten Oberflächentopographie versehen, indem auf die ent sprechende Fläche/Flächen des Werkzeuggrundkörpers Partikel aufgebracht werden, die vorzugsweise aus demselben Material wie der Grünling bestehen.

Hierbei kann es sich beispielsweise um das Grundkörpermaterial des Grünlings einschließlich Bindemittel oder um das Materials der Hartstoffphase des Grün lings handeln. Beispielsweise können Partikel, die aus demselben Material wie die Hartstoffphase des Grünlings bestehen, von einem Bindemittel umgeben sein, wie es auch für den Grünling verwendet wird.

Das Aufbringen der Partikel kann entweder auf eine entsprechende Fläche des noch ungesinterten Werkzeuggrundkörpers, dem Grünling, erfolgen oder aber auf einen bereits gesinterten Werkzeuggrundkörper, der anschließend einer Sinternachbehandlung unterzogen wird zur Verbindung der Partikel mit dem Grundkörper. In diesem Zusammenhang umfaßt der Begriff "Werkzeuggrund körper" den Grünling oder den gesinterten Werkzeuggrundkörper.

Wie vorstehend ausgeführt, kann beispielsweise durch geeignete Auswahl der Größe der Körner die erwünschte Oberflächenrauheit des fertigen Werkzeuges bestimmt werden. Durch Variation der Korneigenschaften, wie Größe, Anzahl und Form sowie der Aufbringungsparameter, wie Dichte, Verteilung und Ausrichtung lassen sich die Oberflächenmerkmale der zerspanenden Fläche des Werkzeuges wie z. B. die Spanräume, die Rauheit etc. in weiten Grenzen einstellen.

Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung im folgenden anhand von bevor zugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be schrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer diamantbelegten Werkzeugoberfläche nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer diamantbeschichteten Werkzeugober fläche nach dem Stand der Technik; und

in Fig. 3a bis 3d schematisch die einzelnen Stufen eines Herstellungsverfah rens einer erfindungsgemäßen diamantbeschichteten Werk zeugoberfläche mit einstellbarer Oberflächentopographie.

Im Sinne der Erfindung wird unterschieden zwischen der Oberflächenrauheit 8 einerseits, d. h. der Tiefe der Spanräume 5, die durch die Partikelzwischen räume gebildet werden, und der Schichtrauheit 9 andererseits, d. h. die durch die Diamantkristallite in der Diamantschicht ausgebildete Rauheit, wie sie in Fig. 3d gezeigt sind.

Die Partikel 7, die auf der Oberfläche des gesinterten oder ungesinterten Werk zeuggrundkörpers 3 aufgebracht werden, verbinden sich mit dem Grundkörper infolge des anschließenden Sinterprozesses innig und bilden auf diesem eine rauhe Oberflächentopographie aus. Dieser Prozeß ist in den Fig. 3a, 3b und 3c schematisch dargestellt, wobei Fig. 3c eine Oberfläche mit Partikeln nach dem Sintervorgang zur Verbindung der Partikel mit dem Grundkörper zeigt.

Um ein Verrutschen der aufgebrachten Partikel zu verhindern, können diese nach dem Aufbringen etwas angepreßt werden.

Im Anschluß an den Sintervorgang wird auf der Werkzeugkörperoberfläche mit vorgebildeter Oberflächentopographie die verschleißbeständige Diamantschicht abgeschieden.

Die Beschichtung mit einer Diamantschicht kann aus einer aktivierten Gasphase mit einem sogenannten Chemical Vapor Deposition (CVD)-Verfahren erfolgen.

Verfahren zur konturgetreuen Beschichtung von Oberflächen mit Diamant schichten nach dem CVD-Verfahren, vorzugsweise nach einem Heißdraht-CVD- Verfahren, sind in den bereits genannten deutschen Patentanmeldungen DE 197 16 330 A1 und DE 197 31 018 A1 beschrieben, auf die hier ausdrück lich Bezug genommen wird.

Die Diamantschicht kann beliebig aufwachsen gelassen werden. Sie kann statistisch orientiert oder auch texturiert sein.

Die Beschichtung erfolgt hierbei vorzugsweise bei relativ hohen Substrattempe raturen, beispielsweise von 700 bis 950°C.

Durch geläufige Variation der Abscheidungsbedingungen können die Schicht dicke sowie die Rauheit der Schicht 9 je nach Bedarf eingestellt werden.

Durch die im Vergleich zur Schichtrauheit von bekannten Werkzeugen mit her kömmlichen Diamantschichten erfindungsgemäß erzielbare höhere Oberflä chenrauheit 8 lassen sich die Zerspanungskräfte vorteilhaft senken.

Mit den erfindungsgemäßen diamantbeschichteten Werkzeugen mit einstellba rer Oberflächentopographie können zudem in weiten Grenzen einstellbare Werkstückrauheiten erzielt werden.

Besonders gute Zerspanungsleistungen können mit Werkzeugen erhalten wer den, die Oberflächenrauheiten von etwa 30 µm und darüber, insbesondere 50 µm und darüber aufweisen.

Beispielsweise konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von 30 bis 50 µm Rauheitswerte (R_z-Werte gemessen gemäß DIN 4768) von 50 µm auf gesinterten Werkzeug-Grundkörpern erhalten werden, bevor diese mit einer Diamantschicht versehen worden sind.

Falls erwünscht, kann das Werkzeug neben der erfindungsgemäßen Diamant schicht, die auf einer mit Partikeln versehenen Werkzeugfläche aufgewachsen worden ist, noch weitere Diamantschichten enthalten, die auf einer Fläche ohne Partikel abgeschieden worden sind.

Vor der Gasphasenabscheidung werden die Werkzeugkörper mit üblichen Oberflächenkonditionierungsverfahren vorbehandelt, um die Haftfestigkeit der abzuscheidenden Diamantschicht zu gewährleisten. Geeignete Oberflächen konditionierungsverfahren sind z. B. die Reinigung mit flüssigen Medien in Ultra schallbädern und das gezielte Anätzen der Oberfläche zur Erzielung einer Mikrorauhheit und zum Entfernen von Sinterhilfsstoffen und Bindermaterial, die das Diamantwachstum und die Haftfestigkeit beeinträchtigen können.

Erfindungsgemäß können somit verbesserte Werkzeuge mit verschleißbestän diger Diamantschicht erhalten werden, deren Oberflächentopographie je nach Bedarf in weiten Grenzen variiert werden können, einerseits durch geeignete Auswahl der Anzahl, Größe, Form, Aufbringungsdichte und Ausrichtung der losen Partikel, die vor dem Diamantbeschichten auf die Fläche des Werkzeugs aufgebracht werden, und andererseits durch Einstellung der Rauheit der Dia mantschicht als solcher.

Die erfindungsgemäße Technik zeichnet sich insbesondere durch eine hohe geometrische Flexibilität aus, so daß auch Werkzeuge mit komplexer Struktur und beliebiger Ausdehnung maßgenau beschichtet werden können.

So eignet sich die erfindungsgemäße Technik insbesondere auch zur Herstel lung von Dentalwerkzeugen.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Schicht nicht auf zerspanende Werkzeuge beschränkt ist, sondern sich für beliebige Werkzeuge, Komponen ten und Bauteile anwenden läßt, die nach dem Zweck ihrer Verwendung eine einstellbare Oberflächentopographie wie eine definierte Oberflächenrauheit und zudem hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen sollen.

Claims

1. Diamantbeschichtetes Werkzeug mit einstellbarer Oberflächentopographie, das erhältlich ist durch

- Aufbringen von Partikeln (7) auf mindestens eine Fläche des Werkzeug grundkörpers (3),
- Sintern des Werkzeuges (3) zur Verbindung der Partikel (7) mit dem Grundkörper, und
- Abscheiden einer Diamantschicht (6) auf wenigstens der Fläche des Werkzeugs mit den Partikeln (7),

so dass die Oberflächenrauheit (8) auf der mit der Diamantschicht (6) verse henen Fläche mindestens R_z = 30 µm und mehr beträgt.

2. Diamantbeschichtetes Werkzeug mit einstellbarer Oberflächentopographie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkörper ein gesinterter Grundkörper ist.

3. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (6) eine Schichtrauheit (9) aufweist, die kleiner ist als die Oberflächenrauheit (8).

4. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Spanräume (5) gebildete Oberflächenrauheit (8) R_z = 50 µ oder darüber ist.

5. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein zerspanendes Werkzeug ist.

6. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein zerspanendes Werkzeug mit unbestimmter Schnei de ist.

7. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkörper aus einem Hartmetall- oder Keramikmaterial hergestellt ist.

8. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentopographie der beschichteten Werkzeugfläche gebildet ist durch die Anzahl, Form, Größe, Ausrichtung und/oder Aufbringungsdichte der Partikel (7).

9. Diamantbeschichtetes Werkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (7) aus demselben Material wie der Werkzeugkörper oder wie die Hartstoffphase des Werkzeugkörpers bestehen.

10. Verwendung eines diamantbeschichteten Werkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche als ein Dentalwerkzeug.

11. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs mit ein stellbarer Oberflächentopographie, umfassend

- Aufbringen von Partikeln (7) auf mindestens eine Fläche des Werkzeug grundkörpers (3),
- Sintern des Werkzeuges (3) unter Verbindung der Partikel (7) mit dem Grundkörper, und
- Abscheiden einer Diamantschicht (6) auf wenigstens der Fläche des Werkzeugs mit den Partikeln (7).

12. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs mit ein stellbarer Oberflächentopographie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeugkörper (3) ein gesinterter Werkzeuggrundkörper verwen det wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs mit ein stellbarer Oberflächentopographie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Partikel (7) auf mindestens einer Fläche eines Grünlings als Werk zeugkörper (3) aufgebracht werden und
der Grünling zusammen mit den aufgebrachten Partikeln unter Verbindung der Partikel mit dem Grundkörper gesintert wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht (6) mittels eines Chemical Vapor Deposition-Ver fahrens aus der aktivierten Gasphase abgeschieden wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung mittels Hot Filament Chemical Vapor Deposition- Verfahren erfolgt.

16. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentopographie eingestellt wird durch die Anzahl, Form, Größe, Ausrichtung und/oder Aufbringungsdichte der Partikel (7) auf der Werkzeugoberfläche.

17. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (7) vor dem Sintern auf der Grundkörperoberfläche an gepresst werden.