WO2016180392A1 - Spanabhebendes werkzeug - Google Patents

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WO2016180392A1
WO2016180392A1 PCT/DE2016/000197 DE2016000197W WO2016180392A1 WO 2016180392 A1 WO2016180392 A1 WO 2016180392A1 DE 2016000197 W DE2016000197 W DE 2016000197W WO 2016180392 A1 WO2016180392 A1 WO 2016180392A1
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carbide
tool
tool according
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atoms
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PCT/DE2016/000197
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Stefan Sattel
Immo Garrn
Manfred Schwenck
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Gühring KG
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Publication date
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    • B23B27/148—Composition of the cutting inserts
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    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
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    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • C23C16/27—Diamond only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23B2200/36—Other features of cutting inserts not covered by B23B2200/04 - B23B2200/32
    • B23B2200/3627—Indexing

Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool according to the preambles of claims 1 and 2.
  • Tools for machining with a tool head, a tool shank and with a clamping section for receiving in one
  • Tool holder are known in a variety of forms from the prior art.
  • Such tools have in their cutting part area on functional areas, which are adapted to the specific requirements of the materials to be processed.
  • the tools mentioned are, in particular, those which are designed as drilling, milling, countersinking, turning, threading, contouring or reaming tools which can have cutting bodies or guide strips as a functional area, the cutting bodies being used, for example, as alternating or indexable inserts may be formed and the guide rails may be formed, for example, as a support strips.
  • such tool heads have functional areas that give the tool a high wear resistance in the machining of highly abrasive materials.
  • the Applicant's product range has long provided users with a wide variety of carbide and / or cermet tools.
  • a hard metal contains sintered materials of hard material particles and bonding material, such as tungsten carbide grains, which WC grains form the hard materials and the cobalt-containing binder matrix serves as a binder to the WC grains and gives the layer the toughness required for the tool.
  • DE 20 2005 021 817 111 by the applicant of the present patent application further describes tool heads for increased stress, which consist of a hard material with at least one functional layer, which comprises a
  • Super hard material such as cubic boron nitride (CBN) or polycrystalline diamond (PCD) has.
  • a series of discrete nucleation sites are formed on the surface of the tool's functional area to be coated.
  • Diamond deposition can be prepared in accordance with US 5,082,359 by a number of methods, such as laser evaporation and chemical etching or plasma etching using a corresponding patterned one
  • Photoresists or by removal by means of a focused ion beam or by removal by means of a focused ion beam (focused ion beam milling).
  • Focusing the Ga + ion beam to a diameter of less than 0.1 ⁇ crater can be produced at a distance of less than 1 pm.
  • substrates in US 5,082,359 typical materials used in the semiconductor industry are mentioned, such as germanium, silicon, gallium arsenide and polished wafers of monocrystalline silicon, and other useful substrates are titanium, molybdenum, nickel, copper, tungsten, tantalum, steel, ceramics,
  • Silicon carbide silicon nitride, silicon aluminum oxynitride, boron nitride, aluminum oxide, zinc sulfide, zinc selenide, tungsten carbide, graphite, quartz glass, glass and sapphire.
  • Cobalt can convert by the incident light ions to cobalt nitrides or Cobaltcarbonnitriden or cobalt carbides, which has the catalytic effect for the conversion of cubic Diamond phase in the hexagonal graphitic phase do not have, so that the cubic diamond crystals have sufficient time to grow on the substrate surface without in situ re-conversion into graphite.
  • the irradiation of a cemented carbide substrate with an ion beam in accordance with DE 10 2014 210 371.1 merely serves to prepare the substrate for the immediately adjacent diamond coating.
  • the irradiation with cations has a favorable effect by inactivating the catalytically active cobalt matrix on the shift of the graphite-diamond balance in the direction of diamond.
  • the adhesion of the diamond layer on the ion beam pretreated substrate surface is then drastically improved.
  • Carbide substrates which can be several days and the resulting significantly higher price of the resulting tool products compared to non-diamond coated tools made of carbide or cermet materials.
  • Diamond coatings have significantly greater hardness than was previously possible in the prior art with pure carbide substrates.
  • the present invention relates to a cutting tool having a substrate surface made of a hard metal or a ceramic material, wherein the substrate surface contains carbide- and / or nitride-based and / or oxide-based hard material particles which are embedded in a cobalt-containing binding matrix, wherein the substrate surface contains additional atoms implanted by means of ion beams of at least one cation species.
  • Substrate surface wherein the tool has a substrate surface made of a hard metal or a ceramic material and wherein the substrate surface
  • Carbide and / or nitride and / or oxide-based hard material particles embedded in a cobalt-containing binding matrix wherein the microstructure modification is obtainable by treating the substrate surface with a positively charged ion beam at least one species of ionized atoms, wherein at least a portion of the Ion atoms underlying atoms remain as additional atoms in the substrate structure.
  • Diamond coating can be achieved great hardness and long service life of the irradiated tools.
  • the hard material particles are selected from the group consisting of: the carbides, carbonitrides and nitrides of the non-radioactive metals of IV., V., VI. and VII. Subgroup of the Periodic Table of the Elements and boron nitride, in particular cubic boron nitride; as well as oxidic hard materials, in particular aluminum oxide and chromium oxide; and in particular titanium carbide, titanium nitride, titanium carbonitride;
  • a preferred tool is one in which the binding matrix for binding the above hard material particles - in addition to cobalt - additionally aluminum, chromium, molybdenum and / or nickel. This makes it possible the toughness of
  • a tool comprises ceramic material, which is formed from a sintered material of the above-described hard material particles and which is bound in a binding matrix which, in addition to cobalt, may additionally contain aluminum, chromium, molybdenum and / or nickel ,
  • a ceramic material for example, a sintered carbide or
  • Carbonitride carbide serve. With such materials can be enormously high hardness with high heat resistance and wear resistance and lower
  • the penetration depth of the ion beam incorporated additional atoms, measured from the outer surface of the tool, is up to about 10pm.
  • the ion beam used for the present invention is generated by means of a commercially available ion beam generator.
  • the treatment of the substrate surface by means of ion beams in a vacuum between 20 ° C and 450 ° C, in particular between 300 ° C and 450 ° C, performed.
  • the tools of the present invention are used as rotating or standing tools, in particular as drilling, milling, countersinking, turning, threading,
  • Contouring or reaming tools formed. This provides the user with the complete product range with improved functional areas.
  • the tool can be monolithic or modular, for example.
  • the tools of the present invention may of course also be designed such that on a carrier body at least one cutting body, in particular an insert, preferably a removable or indexable insert is provided and / or at least one guide bar, in particular one
  • Support strip is provided.
  • a substrate high-speed steel in particular a steel with the DIN steel key 1.3343, 1.3243, 1.3344 or 1.3247.
  • Tool surfaces may be in the range of 3 to 15 ⁇ , in particular from 6 to 12 ⁇ . Further advantages and features will become apparent from the description of specific embodiments.
  • Carbide tools made of a 10% by weight of Co cemented carbide with a mean WC particle size of 0.6 ⁇ m were irradiated with an ionic stream of nitrogen ions for 3.5 h according to the invention, the ionic current having a voltage of 30 kV at 3 mA plasma current at one
  • Nitrogen pressure of 1 x 10 5 mbar was generated ".
  • a temperature at the die of about 400 ° C provides a.
  • ion generator To generate the ion beam, a commercially available ion generator was used. An ion generator “Hardion” from the company Quertech, Caen was used.
  • N ++ ions are generated in the exemplary case
  • Tools made of high-speed steel, steel key 1.3343 (Guhring trade name HSS) were irradiated for 3 h according to the invention with an ion stream of nitrogen ions, wherein the ion current with a voltage of 30 kV at 3 mA plasma stream at a nitrogen pressure of 1 x 10 "5 mbar was generated This set a temperature at the tool of about 350 ° C.
  • a commercially available ion generator according to Example 1 was also used.
  • ion current of nitrogen and boron ions (proportion of about 5 atomic%) irradiated with the ion current was produced by a voltage of 40 kV at 4 mA plasma current at a pressure of 1 x 10 "5 mbar
  • a temperature at the set. Tool of about 370 ° C.
  • Example 1 For producing the ion beam, a commercially available ion generator according to Example 1 was also used.
  • Nitrogen and carbon ions (proportion about 50 atom%) irradiated, the ion current with a voltage of 40 kV at 4 mA plasma flow at a pressure of 1 x 10 "5 mbar was generated. This set a temperature at the tool of about 360 ° C.
  • Example 1 For producing the ion beam, a commercially available ion generator according to Example 1 was also used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug mit einer Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischen Material, wobei die Substratoberfläche Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitridbasis und/oder Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind, wobei die Substratoberfläche mittels lonenstrahlen wenigstens einer Kationenspezies implantierte zusätzliche Atome enthält.

Description

Beschreibung
Spanabhebendes Werkzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
Werkzeuge zur spanabhebenden Bearbeitung mit einem Werkzeugkopf, einem Werkzeugschaft und mit einem Einspannabschnitt zur Aufnahme in einer
Werkzeugaufnahme sind in vielfältigster Form aus dem Stand der Technik bekannt.
Derartige Werkzeuge weisen in ihrem Schneidteilbereich Funktionsbereiche auf, welche an die spezifischen Anforderungen der zu bearbeitenden Materialien angepasst sind.
Bei den genannten Werkzeugen handelt es sich insbesondere um solche, die als Bohr-, Fräs- Senk-, Dreh-, Gewinde-, Konturier- oder Reibwerkzeuge ausgebildet sind, welche als Funktionsbereich Schneidkörper oder Führungsleisten aufweisen können, wobei die Schneidkörper beispielsweise als Wechsel- oder Wendeschneidplatten ausgebildet sein können und die Führungsleisten zum Beispiel als Stützleisten ausgebildet sein können.
Typischerweise weisen derartige Werkzeugköpfe Funktionsbereiche auf, welche dem Werkzeug eine hohe Verschleißfestigkeit bei der Bearbeitung von hochabrasiven Materialien verleihen.
Mit der Produktpalette der Anmelderin steht den Anwendern seit Langem eine große Vielfalt von Werkzeugen aus Hartmetall und/oder Cermet zur Verfügung.
Typischerweise enthält ein Hartmetall Sintermaterialien aus Hartstoffpartikeln und Bindematerial, beispielsweise Wolframcarbid-Körner, wobei diese WC-Körner die harten Materialien bilden und die cobalthaltige Bindemittelmatrix den WC-Körnern als Bindemittel dient und der Schicht die für das Werkzeug erforderliche Zähigkeit verleiht.
|Bestätigungskopie| In der DE 20 2005 021 817 111 der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung werden ferner Werkzeugköpfe für erhöhte Beanspruchung beschrieben, welche aus einem Hartmaterial mit zumindest einer Funktionsschicht bestehen, die einen
Superhartstoff wie kubisches Bornitrid (CBN) oder polykristallinen Diamant (PKD) aufweist.
Mit einem derartig beschichteten Werkzeug können hohe Standzeiten im Hinblick auf mechanische bzw. thermische Anforderung zum Bohren, Fräsen bzw. Reiben erzielt werden.
Verfahren zum Aufbringen polykristalliner Diamantfilme auf Nichtdiamant- Substraten sind ebenfalls seit Langem bekannt. So beschreibt beispielsweise die US 5,082,359 das Aufbringen eines polykristallinen Diamantfilms mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD).
Bei dem in diesem Dokument des Standes der Technik beschriebenen Verfahren werden auf der Oberfläche des zu beschichtenden Funktionsbereichs eines Werkzeugs eine Reihe diskreter Nukleationsstellen erzeugt, welche typischerweise die Form von Kratern aufweisen.
Diese Krater, welche als Keimzellen für die später zu erfolgende
Diamantabscheidung dienen, können gemäß US 5,082,359 durch eine Reihe von Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Laserverdampfen und chemisches Ätzen oder Plasmaätzen unter Verwendung eines entsprechend gemusterten
Fotoresists oder auch durch Abtragung mittels eines fokussierten lonenstrahls (focused ion beam milling).
In der US 5,082,359 wird offenbart, dass mittels eines fokussierten lonenstrahls aus Ga+ bei einer kinetischen Energie von 25 KeV in den Substraten durch
Fokussierung des Ga+-lonenstrahls auf einen Durchmesser von kleiner als 0,1 μητι Krater mit einem Abstand von weniger als 1 pm erzeugt werden können.
Als Substrate werden in der US 5,082,359 typische in der Halbleiterindustrie verwendete Materialien genannt, wie Germanium, Silicium, Galliumarsenid sowie polierte Wafer aus monokristallinem Silicium, und als weitere nützliche Substrate werden Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Wolfram, Tantal, Stahl, Keramik,
Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Zinksulfid, Zinkselenid, Wolframcarbid, Graphit, Quarzglas, Glas und Saphir genannt.
Zwar wurden somit im Stand der Technik der US 5,082,359 bereits lonenstrahlen in Form eines fokussierten lonenstrahls aus Ga+ zur Substratvorbehandlung vor CVD- Diamantabscheidung eingesetzt, jedoch wurden dort ausschließlich schwere Ga+- Kationen eingesetzt, die - nach Kollision mit den Co-Atomen der Bindematrix - die Co- Atome aus dem Metallgitterverband der Bindematrix herausschlagen, so dass die Bindematrix stark an Cobalt verarmt. Somit fügt sich der Einsatz von lonenstrahlen aus schweren Ga+- nahtlos in die„Cobalt-Depletion"-Lehre ein und stellt lediglich eine Alternative zu den ebenfalls bekannten chemischen Ätzverfahren des Standes der Technik und damit eine massive Entfernung von Co-Atomen aus der Bindematrix dar.
Darüber hinaus ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2014 210 371.1 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung vom 2. Juni 2014 mit dem Titel„Diamantbeschichtetes spanabhebendes Werkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung" ein Verfahren zur Herstellung einer Diamantbeschichtung auf einem Funktionsbereich eines spanabhebenden Werkzeugs bekannt, bei welchem ein lonenstrahl aus positiv geladenen Ionen zur Vorbehandlung der Substratoberfläche vor einer CVD-Beschichtung zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zum Einsatz von lonenstrahlen mit schweren lonenspezies im Stand der Technik der US 5,082,359 verbleibt das Cobalt beim Bestrahlen der Substratoberfläche mit den deutlich leichteren lonenspezies Ν+, N++ und/oder C+ gemäß DE 10 2014 210 371.1 im Wesentlichen in der Bindematrix und führt hierdurch zu deutlich besser haftenden Diamantbeschich- tungen als im Stand der Technik.
Als Mechanismus für die Co-Inaktivierung für die CVD-Diamantbeschichtung schlägt die DE 10 2014 210 371.1 vor, dass sich Cobalt durch die eingestrahlten leichten Ionen zu Cobaltnitriden bzw. Cobaltcarbonnitriden oder auch zu Cobaltcarbiden umwandeln kann, welche die katalytische Wirkung für die Umwandlung der kubischen Diamantphase in die hexagonale graphitische Phase nicht aufweisen, so dass die kubischen Diamantkristalle hinreichend Zeit haben, auf der Substratoberfläche aufzuwachsen, ohne dass eine in situ Re-Konversion in Graphit erfolgt.
Somit ist festzuhalten, dass die Bestrahlung eines Hartmetallsubstrates mit einem lonenstrahl gemäß DE 10 2014 210 371.1 lediglich der Vorbereitung des Substrates für die sich unmittelbar anschließende Diamantbeschichtung dient. Die Bestrahlung mit Kationen wirkt sich günstig durch Inaktivierung der katalytisch aktiven Cobalt-Matrix auf die Verschiebung des Graphit-Diamant-Gleichgewichtes in Richtung Diamant aus. Hierdurch wird dann die Haftung der Diamantschicht auf der lonenstrahl- vorbehandelten Substratoberfläche drastisch verbessert.
Diamantbeschichtete Hartmetall- bzw. Cermet-Werkzeuge wirken sich
naturgemäß positiv auf den Verschleißschutz des Werkzeugs sowie auf dessen
Standzeit im Dauereinsatz aus.
Allen Diamantbeschichtungsverfahren gemeinsam ist jedoch der deutlich höhere Prozessaufwand für das Aufwachsen der kubischen Diamantkristalle auf den
Hartmetallsubstraten, welcher mehrere Tage betragen kann und der sich hierdurch ergebende deutlich höhere Preis der erhaltenen Werkzeugprodukte im Vergleich zu nicht mit Diamant beschichteten Werkzeugen aus Hartmetall- oder Cermet-Materialien.
Ausgehend von den bekannten Hartmetallwerkzeugen, bei welchen sich eine cobalthaltige Bindematrix zur Einbettung von Hartstoffpartikeln seit Langem im Stand der Technik bewährt hat, ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, spanabhebende Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, welche bereits ohne
Diamantbeschichtungen signifikant größere Härten aufweisen, als dies bislang im Stand der Technik mit reinen Hartmetallsubstraten möglich war.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein spanabhebendes Werkzeug mit einer Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischem Material, wobei die Substratoberfläche Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitridbasis und/oder Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind, wobei die Substratoberfläche mittels lonenstrahlen wenigstens einer Kationenspezies implantierte zusätzliche Atome enthält.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein
spanabhebendes Werkzeug mit wenigstens einer Gefügemodifikation auf einer
Substratoberfläche, wobei das Werkzeug eine Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischem Material aufweist und wobei die Substratoberfläche
Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitrid- und/oder Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind, wobei die Gefügemodifikation erhältlich ist durch Behandeln der Substratoberfläche mit einem positiv geladenen lonenstrahl wenigstens einer Spezies aus ionisierten Atomen, wobei wenigstens ein Teil der der lonenspezies zugrundeliegenden Atome als zusätzliche Atome im Substratgefüge verbleiben.
Es hat sich nämlich völlig überraschend herausgestellt, dass durch die
Behandlung einer Hartmetalloberfläche mit einem lonenstrahl aus positiv geladenen Ionen diese nicht nur in das Kristallgitter des Hartmetallsubstrates eingebaut werden, sondern zu einer Gefügemodikation führen, welche die Eigenschaften wie Steifigkeit, Kantenfestigkeit, Aufschweißneigung und Reaktivität verbessern und insbesondere die Härte der Substratoberfläche erhöhen. Dabei scheint es im Gegensatz zur Vermutung in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2014 210 371.1 so zu sein, dass sich nicht nur Cobaltnitride und -Carbide bilden können, sondern es zusätzlich zu Besetzungen von Gitterplätzen und/oder Zwischengitterplätzen im Hartmetallgefüge durch Fremdatome kommt. Hierdurch können mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise die Härte, des mit Ionen bestrahlten Hartmetall- oder Cermet-Substrates je nach Wunsch eingestellt und verbessert werden. So können auch ohne nachfolgende
Diamantbeschichtung große Härten und hohe Standzeiten der bestrahlten Werkzeuge erzielt werden.
Der Bestrahlung von Hartmetall- oder Cermet-Substraten mittels Kationen kommt somit im Gegensatz zum nicht vorveröffentlichten Stand der Technik der DE 10 2014 210 371.1 , welche die lonenstrahlbehandlung lediglich als Schichtvorbehandlung zur anschließenden Diamantbeschichtung einsetzt, eine eigene Bedeutung zu.
Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wider:
Insbesondere ist ein bevorzugtes Werkzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: den Carbiden, Carbonitriden und Nitriden der nicht radioaktiven Metalle der IV., V., VI. und VII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und Bornitrid, insbesondere kubisches Bornitrid; sowie oxidische Hartstoffe, insbesondere Aluminiumoxid und Chromoxid; sowie insbesondere Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid;
Vanadiumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid; Chromcarbid, Molybdäncarbid,
Wolframcarbid; Mangancarbid, Rheniumcarbid; sowie Mischungen und
Mischphasen davon. Mit dieser Auswahl der Hartstoffpartikel ist der Einsatzzweck des Werkzeugs flexibel an die jeweiligen Anforderungen anpassbar.
Ein bevorzugtes Werkzeug ist ein solches, bei welchem die Bindematrix zur Bindung der obigen Hartstoffpartikel - neben Cobalt - zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthält. Hierdurch ist es möglich die Zähigkeit des
Substrates nach Bedarf einzustellen, ohne die Bindefähigkeit für die Hartstoffpartikel herabzusetzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Werkzeug keramisches Material auf, welches aus einem Sinterwerkstoff aus den oben beschriebenen Hartstoffpartikeln gebildet ist und welche in einer Bindematrix gebunden ist, welche neben Cobalt - zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthalten kann.
Als keramisches Material kann beispielsweise ein gesintertes Carbid- oder
Carbonitridhartmetall dienen. Mit solchen Materialien lassen sich enorm hohe Härten bei gleichzeitig hoher Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit sowie niedriger
Reaktivität erzielen. Als zusätzlichen Atome, die erfindungsgemäß mittels lonenbestrahlung in die Substratschicht eingebracht werden können haben sich folgende als besonders vorteilhaft herausgestellt: Lithium, Bor, Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff, Phosphor und/oder Sauerstoff, wobei Stickstoff und/oder Kohlenstoff bevorzugt ist.
Insbesondere lassen sich Gefügemodifikationen mit Kationen der genannten Atome erzeugen, die die Schichteigenschaften insgesamt in jeder Hinsicht verbessern. Hierbei besetzen die mit hoher Energie in das Gefüge-Metallgitter eingetragen Kationen vermutlich zusätzliche Gitterpläze, ohne Atome in wesentlicher Menge aus dem Gitter- Gefüge herauszuschlagen. Durch die zusätzlichen Gitterpositionen und die
eingetragene Masse an zusätzlichen Atomen lassen sich insbesondere deutliche Härteerhöhungen erzielen. Hierbei kommen - energieabhängig - insbesondere auch mehrfach geladene Kationen wie B+++, C+++ und N++ vor, jedoch auch einfach und zweifach positiv geladene Teilchen, welche zum größten Teil in die Substratschicht inkorporiert werden.
Die Eindringtiefe der mittels lonenstrahl inkorporierten zusätzlichen Atome, gemessen von der Außenoberfläche des Werkzeugs, beträgt bis zu ca. 10pm.
Hierdurch werden außerordentlich stabile und verschleißfeste Schichten erhalten.
Der für die vorliegende Erfindung eingesetzte lonenstrahl wird mittels eines handelsüblichen lonenstrahlgenerators erzeugt.
Bei Experimenten hat sich herausgestellt, dass ein lonenstrahl mit einer kinetischen Energie von 3,2> 10-15 J bis 3,2*10-14 J [20 KeV bis 200 KeV] zur
Inkorporierung von zusätzlichen Atomen in die Substratschicht optimal ist.
Typischerweise wird die Behandlung der Substratoberfläche mittels lonenstrahlen im Vakuum zwischen 20°C und 450°C, insbesondere zwischen 300°C und 450°C, durchgeführt.
Bevorzugt sind die Werkzeuge der vorliegenden Erfindung als rotierende oder als stehende Werkzeuge, insbesondere als Bohr-, Fräs-, Senk-, Dreh-, Gewinde-,
Konturier- oder Reibwerkzeuge ausgebildet. Hierdurch steht dem Anwender die vollständige Produktpalette mit verbesserten Funktionsbereichen zur Verfügung. Wie üblich kann das Werkzeug beispielsweise monolithisch oder auch modular aufgebaut sein.
Die Werkzeuge der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich auch derart ausgebildet sein, dass auf einem Trägerkörper wenigstens ein Schneidkörper, insbesondere eine Schneidplatte, vorzugsweise eine Wechsel- oder Wendeplatte, vorgesehen ist und/oder wenigstens eine Führungsleiste, insbesondere eine
Stützleiste, vorgesehen ist.
Als bevorzugtes Material kann als Substrat ein Schnellarbeitsstahl eingesetzt werden, insbesondere ein Stahl mit dem DIN-Stahlschlüssel 1.3343, 1.3243, 1.3344 oder 1.3247.
Obwohl nicht das primäre Ziel der vorliegenden Anmeldung und für die meisten Anwendungen nicht erforderlich, können die Werkzeuge bei Bedarf jedoch
selbstverständlich auch diamantbeschichtet werden. Dies geschieht dann im Anschiuss an die Behandlung mit dem lonenstrahl, wie beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2014 210 371.1 beschrieben, wobei das Werkzeug wenigstens einen Funktionsbereich aufweist, der z.B. CVD-diamantbeschichtet ist.
Derartige CVD-Diamantabscheideverfahren sind dem Fachmann seit 1982 wohl bekannt (vgl. MATSUMOTO, S, SATO, Y, KAMO M, & SETAKA, N, (1982): Jpn J Appl Phys;21(4), L183-185: Vapor deposition of diamond particles from methane). Für die Diamantbeschichtung von Hartmetallsubstraten mittels CVD-Verfahren, sei
beispielsweise auch auf den Übersichtsartikel von HAUBNER et al. verwiesen
[HAUBNER, R. und KALSS, W. (2010): Int. Journal of Refractory Metals & Hard
Materials 28, 475-483:„Diamond deposition on hardmetal Substrates - Comparison of Substrate pre-treatments and industrial applications"].
Typische Schichtdicken für die Diamantbeschichtung auf den
Werkzeugoberflächen können im Bereich von 3 bis 15 μιη, insbesondere von 6 bis 12 μητι liegen. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aufgrund der Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen.
Beispiel 1
Hartmetallwerkzeuge aus einem 10 Masse-%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC-Korngröße von 0,6 pm (Gühring-Handelsname DK460UF) wurden für 3,5 h erfindungshgemäß mit einem lonenstrom aus Stickstoffionen bestrahlt, wobei der lonenstrom mit einer Spannung von 30 kV bei 3 mA Plasmastrom bei einem
Stickstoffdruck von 1 x 10"5 mbar erzeugt wurde. Hierbei stellt sich eine Temperatur an dem Werkzeug von ca. 400°C ein.
Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ein handelsüblicher lonengenerator zum Einsatz. Es wurde ein lonengenerator„Hardion" der Firma Quertech, Caen, verwendet.
Bei der Bestrahlung werden im Beispielsfalle N++ Ionen erzeugt, die im
Wesentlichen Gitterplätze und/oder Zwischengitterplätze im Gefüge des Metallgitters besetzen und möglicherweise auch zum Teil mit den vorhandenen Übergangsmetallen zu den entsprechenden Metallnitriden reagieren können.
Bei Härtemessungen der Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1 hat sich herausgestellt, dass die mit Stickstoff-Ionenstrahl beaufschlagten Werkzeuge eine im Vergleich zum unbestrahlten Werkzeug um etwa 10 bis 15% erhöhte Vickers-Härte aufwiesen.
Beispiel 2
Werkzeuge aus einem Schnellarbeitsstahl, Stahlschlüssel 1.3343 (Gühring- Handelsname HSS) wurden für 3 h erfindungsgemäß mit einem lonenstrom aus Stickstoffionen bestrahlt, wobei der lonenstrom mit einer Spannung von 30 kV bei 3 mA Plasmastrom bei einem Stickstoffdruck von 1 x 10"5 mbar erzeugt wurde. Hierbei stellte sich eine Temperatur an dem Werkzeug von ca. 350°C ein. Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ebenfalls ein handelsüblicher lonengenerator gemäß Beispiel 1 zum Einsatz.
Bei Härtemessungen der Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1 hat sich herausgestellt, dass die mit Stickstoff-Ionenstrahl beaufschlagten HSS-Werkzeuge eine im Vergleich zum unbestrahlten Werkzeug um etwa 20 bis 25% erhöhte Vickers-Härte aufwiesen.
Beispiel 3
Werkzeuge aus einem Schnellarbeitsstahl, Stahlschlüssel 1.3247 (Gühring- Handelsname HSS-E bzw. M42) wurden für 3 h erfindungsgemäß mit einem
lonenstrom aus Stickstoff- und Borionen (Anteil ca. 5 Atom-%) bestrahlt, wobei der lonenstrom mit einer Spannung von 40 kV bei 4 mA Plasmastrom bei einem Druck von 1 x 10"5 mbar erzeugt wurde. Hierbei stellte sich eine Temperatur an dem Werkzeug von ca. 370°C ein.
Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ebenfalls ein handelsüblicher lonengenerator gemäß Beispiel 1 zum Einsatz.
Bei Härtemessungen der Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1 hat sich herausgestellt, dass die mit Stickstoff/Bor-Ionenstrahl beaufschlagten HSS-E- Werkzeuge eine im Vergleich zum unbestrahlten Werkzeug um etwa 20 bis 25% erhöhte Vickers-Härte aufwiesen.
Beispiel 4
Werkzeuge aus einem Schnellarbeitsstahl, Stahlschlüssel 1.3343 (Gühring- Handelsname HSS) wurden für 3 h erfindungsgemäß mit einem lonenstrom aus
Stickstoff- und Kohlenstoff ionen (Anteil ca. 50 Atom-%) bestrahlt, wobei der lonenstrom mit einer Spannung von 40 kV bei 4 mA Plasmastrom bei einem Druck von 1 x 10"5 mbar erzeugt wurde. Hierbei stellte sich eine Temperatur an dem Werkzeug von ca. 360°C ein.
Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ebenfalls ein handelsüblicher lonengenerator gemäß Beispiel 1 zum Einsatz.
Bei Härtemessungen der Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1 hat sich herausgestellt, dass die mit Stickstoff/Kohlenstoff-Ionenstrahl beaufschlagten HSS- Werkzeuge eine im Vergleich zum unbestrahlten Werkzeug um etwa 25 bis 35% erhöhte Vickers-Härte aufwiesen.

Claims

Ansprüche
1. Spanabhebendes Werkzeug mit einer Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischem Material, wobei die Substratoberfläche Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitridbasis und/oder Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche mittels lonenstrahlen wenigstens einer Kationenspezies implantierte zusätzliche Atome enthält.
2. Spanabhebendes Werkzeug mit wenigstens einer Gefügemodifikation auf einer Substratoberfläche, wobei das Werkzeug eine Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischem Material aufweist und wobei die
Substratoberfläche Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitrid- und/oder
Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügemodifikation erhältlich ist durch Behandeln der Substratoberfläche mit einem positiv geladenen lonenstrahl wenigstens einer Spezies aus ionisierten Atomen, wobei wenigstens ein Teil der der lonenspezies zugrundeliegenden Atome als zusätzliche Atome im Substratgefüge verbleiben.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Hartstoffpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: den Carbiden, Carbonitriden und Nitriden der nicht radioaktiven Metalle der IV., V., VI. und VII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und Bornitrid, insbesondere kubisches Bornitrid; sowie oxidische Hartstoffe, insbesondere Aluminiumoxid und Chromoxid; sowie insbesondere Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid;
Vanadiumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid; Chromcarbid, Molybdäncarbid, Wolframcarbid; Mangancarbid, Rheniumcarbid; sowie Mischungen und
Mischphasen davon.
4. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bindematrix neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthält.
5. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das keramische Material ein Sinterwerkstoff aus
Hartstoffpartikeln gemäß Anspruch 3 in einer Bindematrix gemäß Anspruch 4 ist.
6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische
Material ein gesintertes Carbid- oder Carbonitridhartmetall ist.
7. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Atome ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Lithium, Bor, Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff, Phosphor und/oder Sauerstoff, wobei Stickstoff und/oder Kohlenstoff bevorzugt ist.
8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Atome in einer Tiefe von bis zu ca. 10pm, gemessen von der Außenoberfläche des Werkzeugs, innerhalb des
Substratgefüges vorliegen.
9. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es als rotierendes oder als stehendes Werkzeug, insbesondere als Bohr-, Fräs-, Senk-, Dreh-, Gewinde-, Konturier- oder
Reibwerkzeug ausgebildet ist.
10. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Werkzeug monolithisch oder modular aufgebaut ist.
11. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf einem Trägerkörper wenigstens ein Schneidkörper, insbesondere eine Schneidplatte, vorzugsweise eine Wechsel- oder
Wendeplatte, vorgesehen ist und/oder wenigstens eine Führungsleiste, insbesondere eine Stützleiste, vorgesehen ist.
12. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat ein Schnellarbeitsstahl ist, insbesondere ein Stahl mit dem DIN-Stahlschlüssel 1.3343, 1.3243, 1.3344 oder 1.3247 ist.
13. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Funktionsbereich aufweist, der CVD- diamantbeschichtet ist.
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