WO2016180393A9 - Spanabhebendes werkzeug - Google Patents

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WO2016180393A9
WO2016180393A9 PCT/DE2016/000198 DE2016000198W WO2016180393A9 WO 2016180393 A9 WO2016180393 A9 WO 2016180393A9 DE 2016000198 W DE2016000198 W DE 2016000198W WO 2016180393 A9 WO2016180393 A9 WO 2016180393A9
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carbide
tool
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tool according
cobalt
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PCT/DE2016/000198
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Stefan Sattel
Immo Garrn
Manfred Schwenck
Original Assignee
Gühring KG
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Publication date
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Priority to US15/807,721 priority patent/US20180126466A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
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    • B23B51/02—Twist drills
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0254—Physical treatment to alter the texture of the surface, e.g. scratching or polishing
    • C23C16/0263—Irradiation with laser or particle beam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/26—Deposition of carbon only
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    • B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/10—Coatings

Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool according to the preamble of claim 1.
  • 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.
  • Tool heads consist of a hard material with at least one functional layer comprising a superhard material such as cubic boron nitride (CBN) or polycrystalline diamond (PCD).
  • CBN cubic boron nitride
  • PCD polycrystalline diamond
  • Diamond deposition can be prepared by a number of methods according to US 5,082,359, for example by laser evaporation and chemical etching or plasma etching using a correspondingly 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 + -lonenstrahls can be produced on a diameter of less than 0.1 ⁇ crater with a distance of less than 1 pm, so quasi nano holes may be performed in a workpiece.
  • substrates in the US 5,082,359 typical materials used in the semiconductor industry are called, 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,
  • CVD is performed by reacting methane and hydrogen under vacuum on a hot tungsten wire to deposit the carbon generated in high vacuum on the crater-like irregularities generated on the substrate surface in its diamond modification.
  • Such a diamond coating process is described, for example, in WO 98/35071 A1.
  • the deposition of a polycrystalline diamond film on a cemented carbide substrate of tungsten carbide embedded in a cobalt matrix is described in WO 2004/031437 A1.
  • a hard metal contains sintered materials of hard material particles and bonding material, such as tungsten carbide grains, wherein the tungsten carbide grains form the hard materials and the cobalt-containing binder matrix acts as a binder to the WC grains and gives the layer the toughness required for the tool.
  • the semiconductors may be the usual elemental semiconductors Si and Ge in monocrystalline, polycrystalline or amorphous form as well as semiconductor compounds such as silicon carbide, gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, indium arsenide and indium antimonide.
  • alloyed semiconductor systems such as SiGe, GaAsP, AllnAs, AIGaAs, GalnAs, GalnP or GalnAsP can also be surface-treated.
  • nanodimensional cluster ions are generated from highly reactive gases which are the desired ones to be planarized
  • the etching gases NF 3, CF 4 , C x F y or C m H n F 0 or else halides, such as HBr, HF, SF 6 or also CI 2 are used as cluster ion-forming gases. These react in ionized form, in particular with the Si in the cover layers and volatilize this as volatile fluorides such as S1F4, whereby the irradiated layer is etched off, with a large for the
  • Topography training required planarity can be achieved.
  • auxiliary etching gases such as O 2, N 2 or NH 3 can be added if necessary.
  • doping gases which make possible the doping implantations required in the desired semiconductor.
  • doping gases are, for example B2H6, PH3, ASH3 or GeH4 into consideration.
  • the treatment of diamond-coated cutting tools with cluster gas ion beams for the purpose of smoothing the diamond layer is described in Japanese Patent Application JP 2010 036 297.
  • a cluster gas consisting of pure argon or an Ar-02 mixture with 34% O 2 content is ionized and blasted onto a CVD diamond layer to obtain a homogeneous surface roughness and idiomorphic diamond layers.
  • the average cluster size is about 1000 atomic or molecular subunits.
  • the acceleration voltages are 20 to 30 KV.
  • the Reservoir is sprayed from a nozzle at supersonic velocity into a chamber and adiabatically expanded to form (electrically neutral) molecular clusters.
  • the clusters are then bombarded with electrons in an ionizer to form ion clusters, which are then accelerated by electric fields and focused by magnetic fields.
  • the CO2 gas cluster ion beam can be used for ultraprecise grinding of solid surfaces.
  • the present invention relates to a cutting tool having a substrate surface made of a cemented carbide or a ceramic material, the substrate surface containing carbide and / or nitride-based and / or oxide-based hard material particles embedded in a cobalt-containing binder matrix are, wherein the substrate surface is smoothed, wherein a
  • Substrate surface smoothing of the cutting tool by means of a treatment with an ion beam of monomeric ions of at least one cation species is available, wherein the cation species is singly or multiply charged and wherein the cation species is selected from the group consisting of: cations of the main group elements lithium, boron, aluminum, gallium , Carbon, silicon, germanium, nitrogen, phosphorus and oxygen; such as
  • transition metals titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, iron, cobalt, nickel and copper.
  • Machining tools can be achieved.
  • a preferred embodiment of the present invention is a tool in which 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;
  • the binder matrix may additionally contain aluminum, chromium, molybdenum and / or nickel, whereby a fine adjustment of the toughness is provided.
  • a likewise preferred embodiment of the present invention is a cutting tool in which the ceramic material is a sintered material of the above-listed hard material particles in a binding matrix, which additionally contains aluminum, chromium, molybdenum and / or nickel in addition to cobalt.
  • a sintered carbide or carbonitride carbide is used as the ceramic material.
  • the tools according to the invention can be designed as a rotating or standing tool, in particular as a drilling, milling, countersinking, turning, threading, contouring or reaming tool.
  • a rotating or standing tool in particular as a drilling, milling, countersinking, turning, threading, contouring or reaming tool.
  • the tools according to the invention can be monolithic or modular.
  • Typical tools may be on a support body at least one
  • Cutting body in particular a cutting plate, preferably a removable or indexable insert and / or at least one guide bar, in particular a support strip having.
  • the tool is formed from a high-speed steel, in particular a steel with the DIN steel key 1.3343, 1.3243, .3344 or .3247. As a result, the user has a large offer
  • Functional area e.g. Having a drill, which can be realized, for example, much more accurate and uniform drill holes in the workpiece.
  • twist drills Applicant in the diameter range from 0.38 mm to 120.00 mm with one
  • Tools are manufactured with a manufacturing accuracy of ISO h7. This means, for example, for a 50 mm twist drill if he has a
  • Manufacturing accuracy of ISO h8 has that the diameter deviation is ⁇ 39 pm, while the inventive 50 mm twist drills a
  • Carbide boring tools made of a 10M% Co carbide with a mean WC grain size of 0.6 pm were used for 1.5 h
  • Nitrogen ions were irradiated, the ion current having a voltage of 30 kV at 3 mA plasma current at a nitrogen pressure of 1 x 10 "5 mbar was generated.
  • Generation of the ion beam a commercial ion generator was used (ion generator "Hardion” from the company Quertech, Caen).
  • the tool in the exemplary case a twist drill with a diameter of 6.00 mm with rotation about the longitudinal axis with an angle of incidence of 0 °, thus exposed from the drill bit in the longitudinal direction of the nitrogen ion beam.
  • the twist drill Prior to treatment, the twist drill met the manufacturing accuracy ISO h8.
  • the measurements according to DIN ISO 286, Part 2 yielded a production accuracy of ISO h7 and in some cases better.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft 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 geglättet ist, wobei eine Substratoberflächenglättung des spanabhebenden Werkzeugs mittels einer Behandlung mit einem lonenstrahl aus monomeren Ionen wenigstens einer Kationenspezies erhältlich ist, wobei die Kationenspezies einfach oder mehrfach geladen ist und wobei die Kationenspezies ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Kationen der Hauptgruppenelemente Lithium, Bor, Aluminium, Gallium, Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Stickstoff, Phosphor und Sauerstoff; sowie aus Kationen der Übergansmetalle Titan, Zirconium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.

Description

Beschreibung
Spanabhebendes Werkzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
In der DE 20 2005 021 817 111 der vorliegenden Anmelderin werden
Werkzeugköpfe beschrieben, welche aus einem Hartmaterial mit zumindest einer Funktionsschicht bestehen, die einen Superhartstoff wie kubisches Bornitrid (CBN) oder polykristallinen Diamant (PKD) umfasst.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Mit einem derartigen Werkzeug können hohe Standzeiten der Werkzeuge im Hinblick auf mechanische bzw. thermische Anforderungen zum Bohren, Fräsen bzw. Reiben erzielt werden.
Verfahren zum Aufbringen eines polykristallinen Films, insbesondere eines solchen aus Diamantmaterial, 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 Verfahrens 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 von Ga+ bei einer kinetischen Energie von 25 KeV in den Substraten durch
Fokussierung des Ga+-lonenstrahls auf einen Durchmesser von kleiner als 0,1 μιη Krater mit einem Abstand von weniger als 1 pm erzeugt werden können, also quasi Nanobohrungen in einem Werkstück durchgeführt 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. Schlussendlich wird die CVD durch Reaktion von Methan und Wasserstoff im Vakuum an einem heißen Wolframdraht durchgeführt, um den im Hochvakuum erzeugten Kohlenstoff auf den auf der Substratoberfläche erzeugten kraterförmigen Unregelmäßigkeiten in seiner Diamantmodifikation abzuscheiden.
Ferner ist es für Werkzeuge bekannt, Funktionsflächen mit einer Diamantschicht zu versehen, wobei ebenfalls ein CVD-Verfahren verwendet wird.
Ein solches Diamantbeschichtungsverfahren ist beispielsweise in WO 98/35071 A1 beschrieben. Insbesondere die Abscheidung eines polykristallinen Diamantfilms auf einem Hartmetallsubstrat aus in eine Cobaltmatrix eingebettetem Wolframcarbid ist in WO 2004/031437 A1 beschrieben.
Typischerweise enthält ein Hartmetall Sintermaterialien aus Hartstoffpartikeln und Bindematerial, beispielsweise Wolframcarbid-Körner, wobei die Wolframcarbid-Körner die harten Materialien bilden und die cobalthaltige Bindematrix den WC-Körnern als Bindemittel dient und der Schicht die für das Werkzeug erforderliche Zähigkeit verleiht.
Diamantbeschichtete Hartmetall- bzw. Cermet-Werkzeuge wirken sich
naturgemäß positiv auf den Verschleißschutz des Werkzeugs sowie auf dessen
Standzeit im Dauereinsatz aus.
Zum Glätten der Oberflächen von Hartmetall- oder Cermetwerkzeugen sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Einerseits das klassische Anschleifen der Oberflächen mit beispielsweise Korund- oder Diamantschleifmitteln und andererseits chemisch-mechanische Polierverfahren (CMP), bei welchen zusätzliche Ätz- und/oder Polierschleifmittel zum Einsatz gelangen. Ein derartiges CMP-Verfahren ist zur Herstellung exakter Planarität für Halbleiteroberflächen beispielsweise in der US 2012/0217587 A1 beschrieben. Darüber hinaus gibt es ebenfalls im Halbleiterbereich Elektropolierverfahren, bei welchen mittels Stromfluss und geeigneten Elektrolyten eine Oberflächenglättung erzielt wird. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der WO 97/07264 A1 beschrieben.
Weitere Verfahren zur Erzeugung möglichst perfekter Planarität zur Vorbereitung der Erstellung von IC-Topographien von Halbleiteroberflächen sind ebenfalls in der US 2012/0217587 A1 beschrieben. Die Halbleiter können gemäß US 2012/0217587 A1 die üblichen elementaren Halbleiter Si und Ge in monokristalliner, polykristalliner oder amorpher Form sowie Halbleiterverbindungen sein, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Indiumantimonid. Darüber hinaus können auch legierte Halbleitersysteme wie SiGe, GaAsP, AllnAs, AIGaAs, GalnAs, GalnP oder GalnAsP oberflächenbehandelt werden.
Die Erzeugung maximaler Planarität erfolgt gemäß US 2012/0217587 A1 nach Vorbereitung durch unterschiedliche Verfüllung von Vertiefungen und Beschichtungen mit Abdeckschichten mit den zur Topographieerstellung erforderlichen Mustern bei Bedarf an den gewünschten Stellen zunächst durch chemisch-mechanische
Polierverfahren und danach durch Bestrahlung mit Clusterionen mit kinetischen
Energien zwischen 1 und 90 KeV. Hierbei werden nanodimensionale Clusterionen aus hochreaktiven Gasen erzeugt, welche die gewünschte zu planarisierende
Oberflächenschicht durch Ätzen entfernt und hierdurch werden hochplanare
Oberflächen erzeugt. Als clusterionenbildende Gase kommen gemäß US 2012/0217587 A1 die Ätzgase NF3, CF4, CxFy oder CmHnF0 oder auch Halogenide, wie z.B. HBr, HF, SF6 oder auch CI2 zum Einsatz. Diese reagieren in ionisierter Form insbesondere mit dem Si in den Abdeckschichten und verflüchtigen dieses als volatile Fluoride wie z.B. S1F4 , wodurch die bestrahlte Schicht abgeätzt wird, wobei eine große für die
Topographieausbildung erforderliche Planarität erreicht werden kann. Zusätzlich können gemäß US 2012/02 7587 A1 noch Ätzhilfsgase wie O2, N2 oder NH3 bei Bedarf zugemischt werden. Darüber hinaus kann auch mit Dotierungsgasen gearbeitet werden, welche die im gewünschten Halbleiter erforderlichen Dotierungsimplantationen ermöglichen. Als Dotierungsgase kommen beispielsweise B2H6, PH3, ASH3 oder GeH4 in Betracht. Die Behandlung von diamantbeschichteten Schneidwerkzeugen mit Clustergas- lonenstrahlen zum Zwecke der Glättung der Diamantschicht wird in der japanischen Patentanmeldung JP 2010 036 297 beschrieben. Dort wird ein Clustergas, bestehend aus reinem Argon oder einer Ar-02-Mischung mit 34% 02-Anteil ionisiert und auf eine CVD-Diamantschicht gestrahlt, um eine homogene Oberflächenrauheit und idiomorphe Diamantschichten zu erhalten. Die durchschnittliche Clustergröße beträgt ca. 1000 atomare oder molekulare Untereinheiten. Die Beschleunigungsspannungen betragen 20 bis 30 KV.
Vorrichtungen zur Erzeugung von Gasclustern, z. B. aus CO2, und lonenstrahlen daraus werden beispielsweise in der JPH08120470 (A) beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift wird beispielsweise CO2-Gas aus einem unter Druck stehenden
Vorratsbehälter aus einer Düse mit Überschallgeschwindigkeit in eine Kammer eingedüst und adiabatisch expandiert, um (elektrisch neutrale) Molekülcluster zu bilden. Die Cluster werden anschließend in einem Ionisator mit Elektronen beschossen, wodurch lonencluster entstehen, die dann mittels elektrischer Felder beschleunigt und mittels magnetischer Felder fokussiert werden. Gemäß JPH08120470 (A) kann der CO2-Gascluster-lonenstrahl zum ultrapräzisen Schleifen von Festkörperoberflächen eingesetzt werden.
Schlussendlich beschreiben YAMADA et al. in Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. B 206 (2003) 820-829:„Cluster Ion Beam Process Technology", Prozesstechnologien mit Clusterionenstrahlen und beleuchten den theoretischen und praktischen
Hintergrund. Insbesondere vergleichen YAMADA et al. die Wirkungen der von
Gasclusterionenstrahlen mit denjenigen von monomeren lonenstrahlen. Dem
Übersichtsartikel von YAMADA et al. zufolge lässt sich die Bombardierung eines Objektes mit Clusterionenstrahlen am ehesten mit dem Einschlag eines metallischen Asteroiden mit einem Durchmesser von ca.30 m auf die Erdoberfläche vergleichen, wie dies beispielsweise vor ungefähr 50.000 Jahren im nördlichen Teil Arizonas geschah: Durch den Aufprall dieses Meteoriten entstand ein Krater mit einem Durchmesser von 1,2 km mit dem typischen hochgezogenen Kraterrand aus ausgeworfenem Material. Im mikroskopischen Bereich werden durch Einschläge von Teilchen hoher Energie oder schweren Ionen ähnliche Krater auf Festkörperoberflächen erzeugt. So betrachten YAMADA et al. das Auftreffen eines Ar-Clusterions auf eine Goldoberfläche: Dort entsteht ein Mikrokrater mit etwa 30 nm Durchmesser, also in etwa 4 x 1010 mal kleiner als der oben erwähnte Meteoritenkrater.
Schätzungen zufolge treten durch derartige Clusterionenstrahlen kurzzeitig
Temperaturen von mehreren zehntausend Grad und Drücke im Gigapasealbereich in der Zielregion auf.
Im Gegensatz zu den Gasclusterionenbestrahlungen treten gemäß YAMADA et al. derartige Effekte bei der Bestrahlung von Oberflächen mit monomeren Ionen nicht auf.
Somit ist festzuhalten, dass die Bombardierung von Festkörperoberflächen mit Clusterionen beträchtliche Schäden in dem Gefüge des bestrahlten Substrates anrichtet und eine Oberflächenfeinpolitur mittels Clusterionen mit einer Vielzahl von Mikrokratern in der behandelten Substratoberfläche einhergehen muss.
Bei der Fertigung von Hochleistungsschneidwerkzeugen ist jedoch eine drastische Gefügeänderung - wie bei der Bestrahlung mit Clusterionen zu erwarten - bei der Glättung der bereits hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Kristallgitter fertig ausgebildeten Werkzeugsubstratoberfläche unerwünscht.
Ausgehend vom Stand der Technik des Übersichtsartikels von YAMADA et al. war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hochgeglättete Werkzeugoberflächen zur Verfügung zu stellen, welche die nachteiligen Gefügeänderungen des Standes der Technik wenigstens weitgehend vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
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 geglättet ist, wobei eine
Substratoberflächenglättung des spanabhebenden Werkzeugs mittels einer Behandlung mit einem lonenstrahl aus monomeren Ionen wenigstens einer Kationenspezies erhältlich ist, wobei die Kationenspezies einfach oder mehrfach geladen ist und wobei die Kationenspezies ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Kationen der Hauptgruppenelemente Lithium, Bor, Aluminium, Gallium, Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Stickstoff, Phosphor und Sauerstoff; sowie
aus Kationen der Übergansmetalle Titan, Zirconium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.
Im Lichte des Standes der Technik des eingangs diskutierten Übersichtsartikels von YAMADA et al. ist es überraschend, dass - im Gegensatz zu der bekannten Clusterionenstrahlbehandlung von Oberflächen - mittels eines lonenstrahls aus monomeren Ionen gemäß der vorliegenden Erfindung eine gefügeerhaltende
Ultrafeinpolierung und damit eine Glättung der Oberflächenrauhigkeit auf
spanabhebenden Werkzeugen erreicht werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeug bei welchem 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.
Vorteilhaft kann die Bindematrix neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthalten, wodurch eine Feineinstellung der Zähigkeit gegeben ist. Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein spanabhebendes Werkzeug bei dem das keramische Material ein Sinterwerkstoff aus den oben aufgelisteten Hartstoffpartikeln in einer Bindematrix, welche neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthält, ist.
Es ist bevorzugt, dass als keramisches Material ein gesintertes Carbid- oder Carbonitridhartmetall eingesetzt wird.
Die erfindungsgemäßen Werkzeuge können als rotierendes oder als stehendes Werkzeug, insbesondere als Bohr-, Fräs-, Senk-, Dreh-, Gewinde-, Konturier- oder Reibwerkzeug ausgebildet sein. Hierdurch steht dem Anwender die vollständige Palette von Werkzeugen mit den erfindungsgemäßen Oberflächeneigenschaften zur
Verfügung.
In üblicher Bauart können die erfindungsgemäßen Werkzeuge monolithisch oder modular aufgebaut sein.
Typische Werkzeuge können auf einem Trägerkörper wenigstens ein
Schneidkörper, insbesondere eine Schneidplatte, vorzugsweise eine Wechsel- oder Wendeplatte und/oder wenigstens eine Führungsleiste, insbesondere eine Stützleiste, aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Werkzeug aus einem Schnellarbeitsstahl gebildet ist, insbesondere einem Stahl mit dem DIN-Stahlschlüssel 1.3343, 1.3243, .3344 oder .3247. Hierdurch steht dem Anwender eine großes Angebot an
hochwertigen Werkzeugen mit hochfein polierten Oberflächen zur Verfügung.
Selbst spanabhebende Werkzeuge, welche wenigstens einen Funktionsbereich aufweisen, der diamantbeschichtet ist, insbesondere CVD-diamantbeschichtet, können mit den monomeren lonenstrahlen derart bearbeitet werden, dass eine gleichmäßige idiomorphe Diamantschicht vorliegt. Somit sind kristallographisch durch das
Aufwachsen der kubischen Diamantkristalle in unterschiedliche Vorzugsrichtungen, z.B.
[111] oder [001] bedingte Dickenschwankungen (cf. JP 2010 036 247) der Diamantschicht durch die lonenstrahlbehandlung im Wesentlichen behoben, so dass die erfindungsgemäßen Werkzeuge mit einer Herstellungsgenauigkeit von bis zu ± 1000 nm beispielsweise für Sprialbohrer mit Durchmessern von bis zu 6 mm technisch realisiert werden können. Unabhängig vom Ort wird das erfindungsgemäße
spanabhebende Werkzeug somit auch dieselbe Dicke über den gesamten
Funktionsbereich z.B. eines Bohrers aufweisen, wodurch sich beispielsweise deutlich exaktere und gleichmäßigere Bohrlöcher im Werkstück realisieren lassen.
In jedem Falle erzielen beispielsweise Bohrwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung, eine höhere Klassifikation, also engere Maßtoleranzen, bei der Spiralbohrer- Herstellungsgenauigkeit nach DIN ISO 286, Teil 2. Typischerweise werden Spiralbohrer der Anmelderin im Durchmesserbereich von 0,38 mm bis 120,00 mm mit einer
Herstellungsgenauigkeit von ISO h8 hergestellt. Werden die Werkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung mittels lonenstrahlen behandelt, so können dieselben
Werkzeuge mit einer Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 hergestellt werden. Dies bedeutet beispielsweise für einen 50 mm Spiralbohrer, wenn er eine
Herstellungsgenauigkeit von ISO h8 aufweist, dass die Durchmesserabweichung ±39 pm beträgt, während die erfindungsgemäßen 50 mm Spiralbohrer eine
Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 aufweisen, womit die Durchmesserabweichung der erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuge lediglich ±25 μιη beträgt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Beispiel
Hartmetallbohrwerkzeuge aus einem 10M%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC- Korngröße von 0,6 pm (Gühring-Handelsname DK460UF) wurden für 1 ,5 h
erfindungsgemäß mit einem lonenstrom aus im Wesentlichen monomeren
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. Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ein handelsüblicher lonengenerator zum Einsatz (lonengenerator„Hardion" der Firma Quertech, Caen).
Während der lonenstrahlbehandlung wurde das Werkzeug, im Beispielsfalle ein Spiralbohrer mit einem Durchmesser von 6,00 mm unter Rotation um die Längsachse mit einem Einfallwinkel von 0°, also von der Bohrerspitze in Längsrichtung dem Stickstoffionenstrahl ausgesetzt. Vor der Behandlung erfüllte der Spiralbohrer die Herstellungsgenauigkeit ISO h8. Nach der Behandlung ergaben die Messungen nach DIN ISO 286, Teil 2 eine Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 und zum Teil besser.

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, wobei die Substratoberfläche geglättet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Substratoberflächenglättung des spanabhebenden Werkzeugs mittels einer Behandlung mit einem lonenstrahl aus monomeren Ionen wenigstens einer Kationenspezies erhältlich ist, wobei die Kationenspezies einfach oder mehrfach geladen ist und wobei die Kationenspezies ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Kationen der Hauptgruppenelemente Lithium, Bor, Aluminium, Gallium, Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Stickstoff, Phosphor und Sauerstoff; sowie
aus Kationen der Übergansmetalle Titan, Zirconium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.
2. Werkzeug nach Anspruch 1 , 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.
3. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bindematrix neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthält.
4. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ein Sinterwerkstoff aus
Hartstoffpartikeln gemäß Anspruch 2 in einer Bindematrix gemäß Anspruch 3 ist.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ein gesintertes Carbid- oder Carbonitridhartmetall ist.
6. 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.
7. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Werkzeug monolithisch oder modular aufgebaut ist.
8. 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.
9. 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.
10. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das es wenigstens einen Funktionsbereich aufweist, der diamantbeschichtet ist, insbesondere CVD-diamantbeschichtet.
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