WO2018166941A1 - Verwendung einer mit fremdatomen dotierten diamantschicht zur erfassung des abnutzungsgrades einer undotierten diamantenen funktionsschicht eines werkzeugs - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the use of a doped with foreign atoms first diamond layer of polycrystalline diamond, which is arranged on a metal surface of a cutting tool, for detecting the degree of wear of an undoped polycrystalline second diamond layer, which is disposed on the doped diamond layer according to claim 1 and a method for continuous detection of the degree of wear of an undoped
  • 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 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 on functional areas, which the tool has a high wear resistance in the machining of highly abrasive Materials such as Si-alloyed aluminum, for example AISi9Cu4Mg [AISi9], AISi17Cu4Mg [AISi17] or AlMgl SiCu + 20% SiC [AI-MMC] and glass and
  • highly abrasive Materials such as Si-alloyed aluminum, for example AISi9Cu4Mg [AISi9], AISi17Cu4Mg [AISi17] or AlMgl SiCu + 20% SiC [AI-MMC] and glass and
  • 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
  • CVD substrates typical materials used in the semiconductor industry, such as germanium, silicon, gallium arsenide and polished monocrystalline silicon wafers, are cited as CVD substrates, 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.
  • the CVD according to US 5,082,359 is performed by reacting methane and hydrogen in vacuo on a hot tungsten wire to deposit the carbon generated in the high vacuum on the substrate surface.
  • a hard metal typically includes 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.
  • DE 10 2006 026 253 A1 states that the cobalt binder of the substrate is removed from the surface because it is harmful during the long process time and high temperatures in the CVD diamond coating
  • HAUBNER et al. For example, carbon can diffuse from the CVD diamond coating into the cobalt-containing binder matrix, forming cobalt droplets during diamond deposition from the gas phase, which deleteriously disrupt the substrate texture and cause some brittleness.
  • cobalt is a catalyst for diamond growth and its more or less spontaneous conversion into graphite.
  • the diamond layer can detach with parts of the substrate structure, so that such coated tools are unusable.
  • Such a tool can according to the teaching of DE 10 2014 210 371 A1 by pretreatment of a
  • Carbide substrate surface can be prepared with a positively charged ion beam and a subsequent conventional CVD diamond coating directly on the ion beam pretreated cobalt-containing substrate surface.
  • the atoms underlying the ions remain essentially in the substrate.
  • the tools obtained in the prior art have a good diamond layer adhesion to the substrate and high wear resistance.
  • polycrystalline diamond coated and in particular diamond CVD coated tools have become established in many industries by machining highly abrasive materials such as the above-mentioned Si-alloyed aluminum alloys as well as carbon fiber reinforced and glass fiber reinforced polymers and the like [ see. Fiona Sammler, Dissertation TU Berlin: Reports from the production technology center Berlin, "Increase the potential of use of CVD diamond coated
  • the deposition of a CVD diamond layer on a tool surface as a substrate typically occurs at a coating pressure of 1 kPa to 100 hPa and coating temperatures between 800 ° C and 1100 ° C in a high carbonaceous atmosphere
  • the gas phase is activated by means of plasma or thermally.
  • the starting materials for the coating are gaseous, for example in the form of methane (CH 4 ) and / or acetylene (C2H2) and / or carbon dioxide (CO2) in admixture with hydrogen (H2).
  • CH 4 methane
  • C2H2 acetylene
  • CO2 carbon dioxide
  • two parallel chemical processes are required to produce diamond by means of low-pressure synthesis.
  • a hydrocarbon (or also CO2) is split by pyrolysis and the atomically present hydrogen under the reaction conditions reacts selectively with all carbon compounds except for the diamond modification of the carbon and thus suppresses graphitization.
  • CVD processes with high deposition rates are primarily used to deposit layer thicknesses of up to 2 mm. These are separated from their substrate after deposition, brought into arbitrary shapes by laser cutting and soldered or glued as cutting inserts on tools.
  • the deposition of thin diamond layers directly on a substrate body by means of CVD offers the possibility to coat geometrically complex tools directly. It can also be tools such. Drills, threading tools and end mills as well as cutting and micro tools as well as tools with large diameters can be coated.
  • the layer thickness is in CVD thin films in the range of 1 ⁇ to 500 ⁇ , often between 1 ⁇ and 40 ⁇ .
  • the most common diamond coating processes are the hot filament (CVD or HF-CVD) process
  • Microwave plasma microwave plasma CVD, MWP-CVD
  • the methods differ by the amount of activated species and thus by coating speed and coating quality
  • the HF-CVD method offers, for example, in comparison to the plasma process, the greatest flexibility at lower coating temperatures and is therefore often used industrially for the direct diamond coating of tool surfaces.
  • the wires - as already mentioned may be W-wires - can be adapted to the different geometries of the tools to be coated, as for the layer structure a certain distance from the hot wires must be maintained, which typically in the range of approx 5 mm to 30 mm.
  • the substrates are thereby uniformly heated to temperatures of 500 ° C to 1 100 ° C. So it is possible to also undercuts and backs too
  • the coating rates are typically between 0.1 ⁇ / h and 3 ⁇ / h in HF-CVD method (see Sammler 2015). However, since very hard materials - such as the diamond cutting materials addressed by the present invention - with corresponding industrial
  • the present invention relates to a use of a doped with foreign atoms first diamond layer of polycrystalline diamond, which is arranged on a metal surface of a cutting tool, for detecting the degree of wear of an undoped polycrystalline second
  • Diamond layer disposed on the doped diamond layer and forming a functional area of the cutting tool, wherein at least one physical parameter is detected continuously or periodically during operation of the tool, and wherein a change in the parameter indicates the degree of wear of the undoped second diamond layer.
  • Threshold indicates the degree of wear of the undoped diamond layer.
  • the invention is based on the fact that doped with foreign atoms
  • Diamond layers - with more or less the same hardness - have different physical properties than undoped diamond layers.
  • the electrical conductivity of doped diamonds depends on the type of doping, ie with which Foreign atoms has been doped and / or whether an n- or p-type doping is present significantly higher at a given temperature than that of undoped diamonds. These act practically as an insulator and have no significant electrical conductivity.
  • Diamond layer does not form an electrical contact with the metallic workpiece.
  • the undoped diamond layer which forms the functional area of the tool, wears or partially breaks off, gradually more and more doped diamond material with the metallic
  • coated tools after erosion of the actual functional layer of undoped diamond "runflat" have, similar to those of modern tires, when the tire is damaged and still can be driven a certain distance.
  • the doping of diamond makes the non-electrically conductive diamond into a semiconductor which is orders of magnitude better electrically conductive.
  • a particular advantage is obtained if at least the undoped diamond layer was produced by a CVD method.
  • the tool typically after cleaning, e.g. by
  • Sandblasting and / or plasma cleaning in a CVD chamber are re-coated with diamond so that no new (basic) tool needs to be made, which pays off particularly for complex and expensive tools.
  • the term "doping” is understood to mean the deliberate introduction of impurities in the form of impurities into a diamond crystal lattice.
  • the amount of impurities (dopant) introduced by means of doping is relatively small in comparison with the diamond material form so-called impurities in the crystal lattice and can thus specifically change the properties of the starting material.
  • DE 691 17 140 T2 describes polycrystalline diamond cutting tools and a method for their production in which also doped with impurities diamond coatings are used. These are tools which polycrystalline diamonds in the form of a
  • the diamond flakes are produced by a CVD coating, wherein the material gas used is a carbon-containing gas,
  • Hydrogen gas and optionally a dopant gas are introduced into a vacuum chamber, the material gas is excited in a state in which form plasma or radicals, the material gas is passed onto a heated substrate, thereby depositing diamond on the substrate, being initially carried out without doping and then gradually increasing the dopant concentration.
  • the substrate is etched away leaving a polycrystalline diamond plate.
  • the (former) substrate side of the diamond plate which is undoped or lightly doped, is then arranged on the tool body so that it comes to rest on the cutting side of the tool, with which the doped diamond layer is located as a fixing directly on the tool body.
  • the fusing side of the CVD diamond coated diamond plate is metallized and this through Soldering on the tool body fixed as an insert. According to DE 691 17 140 T2, the thickness of the resulting diamond plate is up to 1000 ⁇ .
  • DE 691 17 140 T2 thus describes diamond tools which have a diamond insert which has a gradient of
  • Dopant concentration in their diamond layer wherein the gradient may have a dopant concentration of 0% dopant on the chip side to a maximum value on the tool side surface.
  • the doping according to DE 691 17 140 T2 should have the following further advantages :
  • the diamond at or near the rake face is synthesized as a
  • the diamond at or near the fixing surface of the cutting tip is
  • Diamond layer on the fixing surface of the diamond plate a role as
  • Suitable dopants according to DE 691 17 140 T2 are for example Si, B, Al, W, Mb, Co, Fe, Nb, Ta and their carbides, oxides and nitrides, halogens, P and N, which are used as gaseous dopant compounds .
  • a doping with boron can be carried out, for example, according to DE 691 17 140 T2 in a simple manner by supplying B2H6 to the material gas from methane and hydrogen.
  • the diamond coating method according to DE 691 17 140 T2 is performed as a hot wire CVD method at a pressure of 10 KPa to 17 KPa and a substrate temperature of 250 ° C to 950 ° C and a wire of W, Ta or Re.
  • Dopant concentrations in the finished end product are up to 9%.
  • thermodynamic conditions disclosed in the prior art of the CVD process used for the purposes of the present invention may be adjusted and / or optimized as needed.
  • the measurement technique for detecting the required physical parameters can in the simplest case of metallic materials, a resistance measurement or a
  • a measuring chain can consist on the one hand of the tool used, comprising the doped and undoped diamond layer and on the other hand, the electrically conductive workpiece.
  • the undoped diamond layer is intact, the electrical conductivity will go to zero or the electrical resistance will be high.
  • the undoped diamond layer is worn due to wear and tribological stresses, a significantly higher conductivity or a significantly lower resistance will be measured.
  • the overshoot or undershooting of this threshold for example, for the electrical conductivity and / or the electrical resistance can be monitored and with a known separate electronic control or control circuit or a corresponding in the drive device of the tool integrated software controlled control, for example, the drive device of the tool are stopped or the movement of the tool are initially slowed down.
  • any physical measuring parameter can be used which allows a significant distinction between doped and undoped diamonds. This can be especially in the case of non-electrically conductive
  • the measurement parameters in question can be queried analog or digital in the context of the present invention.
  • the interrogation can be continuous or periodic, with a periodic interrogation in a short interval, e.g. every 100 ms, in practice corresponds to a continuous detection.
  • the polling interval can also be adapted to the conditions and, for example, be periodically measured every 5 seconds for the respectively relevant parameters.
  • both n-type doped and p-type doped diamond layers are preferably used as doped diamond layers.
  • Preferred impurities for doping are those which are selected from the group consisting of: aluminum, boron, silicon, tungsten, iron, molybdenum, cobalt, niobium, tantalum, rhenium, nitrogen and phosphorus, and also mixtures thereof.
  • Electron conduction and choice of impurity and dopant concentration, the sensitivity of the measuring system and the physical, in particular electrical properties of the semiconductor formed can be controlled as needed.
  • n-type doped diamond is intended, nitrogen or phosphorus are used in the present invention because they are readily available in the form of gaseous dopants, e.g. as Phb and / or N2 into a CVD vacuum chamber initiate.
  • the physical parameter is the electrical resistance and / or the electrical
  • the physical parameter between the tool and a machined workpiece is detected, wherein
  • the electrical conductivity and / or the electrical resistance and / or the capacitance between the machined workpiece and the tool is measured.
  • cobalt-containing hard metal surface is applied. This ensures that the diamond layer forms well, adheres firmly to the surface and the
  • Tool surface has sufficient toughness and elasticity. If necessary, however, the surface can also be pre-treated before the diamond coating in order to further improve the adhesion of the diamond layer. This can
  • ion beams for example, with ion beams or by chemical treatment.
  • a functional area of a tool which contains, for example, hard particles, eg WC grains, which are embedded in a cobalt-containing binder matrix
  • substantially no cobalt is removed from the substrate by means of ion beams, eg NT, N ++ and / or C + Binding matrix removed, but the irradiated ions are incorporated into the structure of the binding matrix.
  • cobalt could be converted by the irradiated light ions to cobalt nitrides or cobalt carbonitrides or else to cobalt carbides, which have the known catalytic activity for the
  • the doped and the undoped diamond layer are applied to the metal surface by means of chemical vapor deposition (CVD) from a methane / hydrogen atmosphere, hydrogen preferably being added to the methane in molar excess.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the doping of the first diamond layer can be produced by supplying a doping gas, in particular B2H6, during the CVD method in a CVD chamber.
  • the undoped second diamond layer can be easily generated by interrupting the supply of the doping gas in the CVD chamber, so that no further steps for producing the doped and the undoped diamond layer are required.
  • first (still undoped) polycrystalline diamond layer by means of CVD and to irradiate the resulting layer with an ion beam from the desired impurity atom for doping the first diamond layer.
  • an annealing step is carried out following the ion beam treatment or a so-called “annealing step” to "heal” occurring during irradiation lattice damage.
  • the undoped second diamond layer can then be deposited on the now doped first diamond layer.
  • the first doped and the second undoped diamond layer is applied to the metal surface by means of chemical vapor deposition (CVD) from a methane / hydrogen atmosphere in a CVD chamber, wherein preferably hydrogen is added to the methane in a molar excess.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the substrate surface can be germinated before the first doped diamond layer is applied, for example by dusting with diamond powder.
  • the CVD method according to the invention is preferably carried out as an HF-CVD method in which a W-wire is used as a heating wire.
  • Boron is designed to be particularly simple, because only a boron-containing gas, preferably B2H6, is supplied as doping gas for doping the first diamond layer and for switching to the generation of the undoped diamond layer, the supply of the doping gas can be easily interrupted.
  • a boron-containing gas preferably B2H6
  • the tools produced according to the invention may be any suitable tools produced according to the invention.
  • the tools of the present invention may contain hard particles. These are preferably selected from the group consisting of: the carbides, carbonitrides and nitrides of the metals of IV., V. and VI. 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;
  • Carbide twist drills made of a 10M% Co carbide with a mean WC grain size of 0.6 ⁇ were after cleaning and degreasing the surface with acetone or other organic solvent and after particle blasting with quartz particles, the tools to be coated an acidic Subjected to etching step to remove Co from the surface.
  • a mixture of HCI / HNO3 was used according to WO 2004/031437 A1. After rinsing and drying, the tools pretreated in this way were introduced into the vacuum chamber of a commercially available hot-wire CVD system (CemeCon CC800 / 5).
  • the tungsten wires (99.99% purity) of the CVD system are arranged at a distance of about 4 mm parallel to each other.
  • the drills were surrounded by the filaments all around, parallel to their longitudinal axis.
  • the temperature of the filaments was set at about 2100 ° C. The temperature was measured by means of an optical thermometer. The removal of the filaments to the tool to be coated was 5 mm.
  • a doped diamond layer on the surface of the tools by supplying H2 / CH4 as a material gas and B2H6 was prepared as doping gas.
  • the following mass flows were used: H 2 600 sccm
  • the indicated mass flows were applied for 80 hours. Thereafter, the supply of the dopant diborane was frozen and maintain the mass flow rates of H2 and CH 4 for an additional 180 h.
  • the temperature of the tools to be coated was 970 ° C, the pressure in the CVD chamber was about 13 kPa.
  • a layer thickness measurement (SEM with Focused Ion Beam [FIB], Helios NanoLab 600 from FEI) of the doped diamond layer gave values of 70 to 90 ⁇ m.
  • the total layer thickness was in the present example case about 220 ⁇ , resulting in a layer thickness of about 130 ⁇ results for the undoped diamond layer.
  • the concentration of boron was determined by the curcumin method.
  • the boron-containing diamond material is removed with oxygen by heating to 700 ° C. from the metal surface according to DE 101 17 867 A1. This burns the
  • Diamond carbon to CO2 and boron is oxidized to boron trioxide and borates, which are treated in the acid with curcumin, which forms a red complex of rosocyanine with borates, which analyzed photometrically at 540 nm and with
  • the boron content according to this method was between 7 and 10 atom%, based on C + B in the doped diamond layer.
  • the resistivity of the obtained boron-doped diamond layers was determined by multiplication with the layer thickness and is at room temperature and a doping level of 10 atom%, based on C + B in the doped diamond layer 1, 58 ⁇ cm, whereas the resistivity of a pure undoped diamond layer (made on the tool as described above but without doping gas supply) is 5.6 ⁇ 10 13 ⁇ cm.
  • the drilling tools obtained according to Example 1 were tested in highly abrasive test pieces made of AISi9 and AlSil 7. These materials are electrically conductive.
  • Cuboid blocks with a base area of 5 ⁇ 5 cm and a height of 10 cm were produced as workpiece specimens from these materials.
  • the specimens were clamped in the workpiece holder of an industrial drilling device from GÜHRING KG, Albstadt. In the tool holder of the
  • Drilling device was clamped a 10 mm drill, which was acted upon according to Example 1 with a doped and a span undoped diamond layer. The total layer thickness was about 220 ⁇ .
  • the drilling device was programmed to drill one 9 cm deep hole per specimen and then to the next Workpiece was transferred. For the purposes of the present tests, no coolants or lubricants were used.
  • Diamond layer - Probewerk created. The measurement was carried out in the usual way of conductivity measurement of non-ferrous metals without contact (eddy current method according to DIN EN 2004-1) with a commercially available device (SIGMASCOPE® SMP350 HELMUT FISCHER GmbH, Sindelfingen) and corresponding probes with a frequency of 15 kHz, in which the Measurement data were read into a computer via a USB interface, compared with a threshold value and when the threshold was exceeded by the software, a switch for switching off the drive means of the drill to be tested was pressed. The measuring probes of the conductivity meter were placed on the workpiece and at the
  • the computer gives a signal to shut down the drill, which prevents is that the drill the workpiece or the Drive machine can be damaged and the drill can be replaced in time.
  • Cutting speed reaches its maximum.
  • the absolute value can serve as a measurement parameter, but also, for example, the speed of change or the slope of the change of a measurement parameter can be used to accomplish the inventive detection of the degree of wear of an undoped diamond layer.
  • the doped diamond layer serves as a sort of "intelligent stop layer” for diamond-coated tools.
  • Hard metal twist drills made of a 10M% Co carbide with a mean WC grain size of 0.6 ⁇ were coated as described in Example 1, but no chemical pretreatment of
  • Example 2 a commercial ion generator was used (ion generator “Hardion” from the company Quertech, Caen). This raises a temperature at the tool of about 400 ° C. Following this, the tool was provided with a doped and an undoped diamond layer in a commercially available hot-wire CVD system (CemeCon CC800 / 5) as in Example 1, and the conductivity measurement was carried out as described in Example 2.
  • ion generator "Hardion” from the company Quertech, Caen.
  • the tool was provided with a doped and an undoped diamond layer in a commercially available hot-wire CVD system (CemeCon CC800 / 5) as in Example 1, and the conductivity measurement was carried out as described in Example 2.
  • the conductivity data could also be used with these diamond-coated dies, which are improved in terms of their service life, in order to detect the degree of wear of the undoped diamond layer and shut down the drilling apparatus in good time or to reduce the cutting speed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten ersten Diamantschicht aus polykristallinen Diamanten, welche auf einer Metalloberfläche eines spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist, zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten polykristallinen zweiten Diamantschicht, welche auf der dotierten Diamantschicht angeordnet ist und welche einen Funktionsbereich des spanabhebenden Werkzeugs bildet, wobei wenigstens ein physikalischer Parameter während des Betriebs des Werkzeugs kontinuierlich oder periodisch erfasst wird, und wobei eine Änderung des Parameters den Abnutzungsgrad der undotierten zweiten Diamantschicht anzeigt. Hierdurch bildet die dotierte Diamantschicht eine Art „intelligente Stoppschicht" für das Werkzeug, weil sich durch die Änderung des Übergangs von der undotierten zur dotierten Schicht beispielsweise die Leitfähigkeit des Systems ändert und diese Änderung zur Bildung eines Stoppsignals für den Maschinenantrieb ausgenutzt werden kann, bevor das Werkzeug und das bearbeitete Werkstück beschädigt wird.

Description

Beschreibung
Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten Diamantschicht zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten diamantenen Funktionsschicht eines
Werkzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten ersten Diamantschicht aus polykristallinen Diamanten, welche auf einer Metalloberfläche eines spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist, zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten polykristallinen zweiten Diamantschicht, welche auf der dotierten Diamantschicht angeordnet ist gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten
Diamantschicht, welche einen Funktionsbereich eines spanabhebenden Werkzeugs bildet, gemäß Anspruch 14.
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 Schneidbereich 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 wie Si-Iegiertem Aluminium, beispielsweise AISi9Cu4Mg [AISi9], AISi17Cu4Mg [AISi17] oder AlMgl SiCu + 20% SiC [AI-MMC] sowie glas- und
kohlefaserverstärkten Kunststoffen, verleihen.
In der DE 20 2005 021 817 U1 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) umfassen.
Mit derartigen Werkzeugen können hohe Standzeiten und große Standwege der Werkzeuge bei hohen Schneidgeschwindigkeiten im Hinblick auf mechanische bzw. thermische Anforderungen zum Bohren, Fräsen bzw. Reiben erzielt werden.
Verfahren zum Aufbringen einer polykristallinen Diamantschicht auf Nichtdiamant- Substraten sind ebenfalls seit langem bekannt. So beschreibt beispielsweise die US 5,082,359 das Aufbringen einer polykristallinen Diamantschicht mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) auf metallischen
Substraten.
In der US 5,082,359 werden als CVD-Substrate 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.
Darüber hinaus wird die CVD gemäß US 5,082,359 durch Reaktion von Methan und Wasserstoff im Vakuum an einem heißen Wolframdraht durchgeführt, um den im Hochvakuum erzeugten Kohlenstoff auf der Substratoberfläche abzuscheiden.
Ferner ist es für Werkzeuge bekannt, Funktionsflächen mit einer Diamantschicht zu versehen, wobei ebenfalls ein CVD-Verfahren zur Diamantbeschichtung verwendet wird. Ein solches Diamantbeschichtungsverfahren ist beispielsweise in WO 98/35071 A1 beschrieben. Insbesondere die Abscheidung einer polykristallinen Diamantschicht 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.
Problematisch ist jedoch stets die gute Haftung der Diamantbeschichtung auf einem derartigen Hartmetallsubstrat, weshalb es im Stand der Technik
unterschiedlicher Vorbehandlungsmethoden bedarf, welche allesamt darauf abzielen, Cobalt aus der Bindematrix für die Hartstoffpartikel, z.B. WC, zu entfernen, weil Untersuchungen ergeben haben, dass Cobalt die Diamantabscheidung durch unterschiedliche Einflüsse, insbesondere durch eine Art katalytische
Graphitumwandlungstendenz, stören kann.
Ferner wird in der DE 10 2006 026 253 A1 ausgeführt, dass der Cobalt-Binder des Substrats aus der Oberfläche entfernt wird, weil während der langen Prozesszeit und hohen Temperaturen bei der CVD-Diamantbeschichtung es zu schädlichen
Wechselwirkungen zwischen dem Kohlenstoff, der die Diamantschicht bilden soll, und dem Cobalt kommt, wobei Cobalt die Diamantbildung verhindert und stattdessen zu graphitischen Phasen führt.
Diese Wirkung der cobalthaltigen Bindemittelschicht auf die CVD- Diamantbeschichtung wird auch in der jüngeren Literatur beschrieben, beispielsweise in dem Übersichtsartikel von 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".
Gemäß den Ausführungen von HAUBNER et al. kann Kohlenstoff aus der CVD- Diamantbeschichtung in die cobalthaltige Bindematrix diffundieren, wobei sich gleichzeitig Cobalttröpfchen während der Diamantabscheidung aus der Gasphase bilden, welche das Substratgefüge empfindlich stören und wodurch eine gewisse Sprödigkeit entsteht. Darüber hinaus wurde gemäß HAUBNER et al. erkannt, dass Cobalt ein Katalysator für Diamantwachstum und dessen mehr oder weniger spontane Umwandlung in Graphit ist.
Deshalb ist es verständlich, dass aus empirischen Gründen im Stand der Technik versucht wurde, Cobalt aus der Bindematrix zu entfernen, um den Einfluss von Cobalt auf die Diamantabscheidung zu reduzieren.
Sämtlichen Verfahren des Standes der Technik ist es jedoch gemeinsam, dass eine Entfernung von Cobalt aus der Bindematrix zwar zu einer relativ guten Anhaftung der CVD-Diamantbeschichtung führt, jedoch die an Cobalt verarmte Bindematrix für die Hartstoffpartikel, insbesondere WC, empfindlich gestört wird und hierdurch die
Einbettung der WC-Körner als Hartstoffpartikel nicht mehr gegeben ist. Hierdurch kann die Integrität und mechanische Festigkeit der Substratoberfläche insbesondere bei den starken Beanspruchungen als Werkzeug nicht mehr gewährleistet werden. Deshalb treten Gefügestörungen in der Substrat/Diamant-Interphase auf, so dass sich
schlussendlich die Diamantschicht mit Teilen des Substratgefüges ablösen kann, so dass derart beschichtete Werkzeuge unbrauchbar werden.
Hier setzt die Lehre der DE 10 2014 210 371 A1 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung ein, welche ein spanabhebendes Werkzeug betrifft, mit wenigstens einem diamantbeschichteten Funktionsbereich mit einer unter der Diamantschicht liegenden 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
Diamantschicht ohne Cobalt in wesentlicher Menge aus der Bindematrix der Substratoberfläche mittels chemischer oder physikalischer Verfahren entfernt zu haben, unmittelbar auf der Substratoberfläche angeordnet ist. Ein derartiges Werkzeug kann gemäß der Lehre der DE 10 2014 210 371 A1 durch Vorbehandlung einer
Hartmetallsubstratoberfläche mit einem positiv geladenen lonenstrahl und einer sich anschließenden herkömmlichen CVD-Diamantbeschichtung unmittelbar auf der lonenstrahl-vorbehandelten cobalthaltigen Substratoberfläche hergestellt werden. Dabei verbleiben die den Ionen zugrundeliegenden Atome im Wesentlichen im Substrat. Die im Stand der Technik erhaltenen Werkzeuge weisen ein gute Diamantschichthaftung am Substrat sowie hohe Verschleißfestigkeiten auf.
Nach alledem ist festzuhalten, dass mit polykristallinen Diamanten beschichtete und insbesondere Diamant-CVD-beschichtete Werkzeuge in vielen Industriezweigen mittlerweile einen festen Platz bei der Bearbeitung hochabrasiver Materialien wie den oben genannten Si-Iegiertem Aluminium-Legierungen sowie carbonfaserverstärkten und glasfaserverstärkten Polymeren und dergleichen eingenommen haben [vgl. Fiona Sammler, Dissertation TU Berlin: Berichte aus dem produktionstechnischen Zentrum Berlin,„Steigerung der Nutzungspotentiale von CVD-diamantbeschichteten
Werkzeugen", Fraunhofer- Verlag, Stuttgart, 2015].
Gemäß der oben genannten Dissertation erfolgt das Abscheiden einer CVD- Diamantschicht auf einer Werkzeugoberfläche als Substrat typischerweise bei einem Beschichtungsdruck von 1 kPa bis 100 hPa und Beschichtungstemperaturen zwischen 800°C und 1 100°C in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre mit hoher
Wasserstoffkonzentration. Die Gasphase wird dabei mittels Plasma oder thermisch aktiviert. Die Ausgangsstoffe für die Beschichtung liegen gasförmig, beispielsweise in Form von Methan (CH4) und/oder Acetylen (C2H2) und/oder Kohlendioxid (CO2) in Mischung mit Wasserstoff (H2) vor. Zwei parallele chemische Prozesse sind nach Sammler 2015 erforderlich, um Diamant mittels der Niederdrucksynthese herzustellen. Ein Kohlenwasserstoff (oder auch CO2) wird pyrolytisch aufgespalten und der unter den Reaktionsbedingungen atomar vorliegende Wasserstoff reagiert selektiv mit allen Kohlenstoffverbindungen außer mit der Diamantmodifikation des Kohlenstoffs und unterdrückt somit eine Graphitbildung. Nach Sammler 2015 kann man je nach gewünschtem Einsatz zwischen CVD- Dickschicht und CVD-Dünnschicht unterscheiden. Für eine effiziente Herstellung von CVD-Dickschichten werden vorrangig CVD-Verfahren mit hohen Abscheidungsraten verwendet, um Schichtdicken von bis zu 2 mm abzuscheiden. Diese werden nach der Abscheidung von ihrem Substrat getrennt, mittels Laserschneidverfahren in beliebige Formen gebracht und als Schneideinsätze auf Werkzeuge gelötet oder geklebt.
Während PKD- und CVD-Dickschichtwerkzeuge in ihrer Einsatzfähigkeit eher auf geometrisch einfache Formen, wie z.B. Schneideinsätze, beschränkt sind, bietet die Abscheidung dünner Diamantschichten direkt auf einem Substratkörper mittels CVD die Möglichkeit geometrisch komplexe Werkzeuge direkt zu beschichten. Es können so auch Werkzeuge wie z.B. Bohrer, Gewindewerkzeuge und Schaftfräser sowie Schneid- und Mikrowerkzeuge sowie Werkzeuge mit großen Durchmessern beschichtet werden. Die Schichtdicke liegt bei CVD-Dünnschichten im Bereich von 1 μιτι bis 500 μιτι, häufig zwischen 1 μιτι und 40 μιτι.
Gemäß Sammler 2015 sind die gängigsten Verfahren zur Diamantbeschichtung das Heißdrahtverfahren [hot filament CVD oder HF-CVD], das
Mikrowellenplasmaverfahren [microwave plasma CVD, MWP-CVD] und das Plasma- Jet-Verfahren. Die Verfahren unterscheiden sich durch die Menge der aktivierten Spezies und damit durch Beschichtungsgeschwindigkeit und Schichtqualität,
beschichtbare Oberfläche und Geometrie sowie Skalierbarkeit. Insbesondere das HF- CVD-Verfahren bietet beispielsweise im Vergleich zum Plasmaverfahren die größte Flexibilität bei geringeren Beschichtungstemperaturen und wird daher häufig industriell für die direkte Diamantbeschichtung von Werkzeugoberflächen eingesetzt. Die Drähte - wie bereits eingangs erwähnt kann es sich dabei um W-Drähte handeln - können an die unterschiedlichen Geometrien der zu beschichtenden Werkzeuge angepasst werden, da für den Schichtaufbau ein bestimmter Abstand zu den heißen Drähten eingehalten werden muss, welcher typischerweise im Bereich von ca. 5 mm bis 30 mm liegt. Die Substrate werden dadurch gleichmäßig auf Temperaturen von 500°C bis 1 100°C aufgeheizt. So ist es möglich, auch Hinterschneidungen und Rückseiten zu
beschichten. Die Beschichtungsraten liegen beim HF-CVD-Verfahren typischerweise zwischen 0,1 μιτι/h und 3 μιτι/h (vgl. Sammler 2015). Da jedoch auch sehr harte Materialien - wie die von der vorliegenden Erfindung angesprochenen Diamantschneidstoffe - bei entsprechender industrieller
Beanspruchung ebenfalls einer mehr oder minder starken Abnutzung unterliegen, tritt bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und langen Standzeiten der diamantbeschichteten Werkzeuge immer häufiger das Problem auf, dass sich die Diamantschneidstoffe nach einer gewissen Zeit derart abnutzen, dass sich das diamantbeschichtete Werkzeug in das gerade bearbeitete Werkstück festfrisst, was zur Zerstörung des Werkzeugs durch Bruch und meist auch zur Zerstörung des bearbeiteten Werkstücks führt und im ungünstigsten Fall auch die das Werkzeug antreibende Maschine schädigt.
Es besteht daher im Bereich der diamantbeschichteten spanabhebenden
Werkzeuge ein Bedarf, die oben beschriebenen Probleme und insbesondere die Abnutzung einer Diamantschicht in einem Funktionsbereich eines Werkzeugs kontinuierlich während des Werkzeugbetriebs rechtzeitig zu erkennen und
Gegenmaßnahmen zu ergreifen, die eine Beschädigung des Werkzeugs, des bearbeiteten Werkstücks und der das Werkzeug antreibenden Vorrichtung verhindern.
Nachdem sich somit bei Hartmetallwerkzeugen eine Diamantbeschichtung seit Längerem im Stand der Technik zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit insbesondere bei der Bearbeitung hochabrasiver Werkstoffe bewährt hat und die Technologien zur Diamantbeschichtung zur Verfügung stehen, ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, spanabhebende Werkzeuge sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen, wobei es ermöglicht wird, den Abnutzungsgrad der
Diamantbeschichtung des Funktionsbereiches eines Werkzeugs kontinuierlich im laufenden Betrieb zu erfassen, um frühzeitig das Werkzeug anzuhalten, um eine Zerstörung desselben und/oder des gerade bearbeiteten Werkstücks zu vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Verwendung mit den Merkmale des Patentanspruchs 1 .
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten ersten Diamantschicht aus polykristallinen Diamanten, welche auf einer Metalloberfläche eines spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist, zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten polykristallinen zweiten
Diamantschicht, welche auf der dotierten Diamantschicht angeordnet ist und welche einen Funktionsbereich des spanabhebenden Werkzeugs bildet, wobei wenigstens ein physikalischer Parameter während des Betriebs des Werkzeugs kontinuierlich oder periodisch erfasst wird, und wobei eine Änderung des Parameters den Abnutzungsgrad der undotierten zweiten Diamantschicht anzeigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen
Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten Diamantschicht, welche einen Funktionsbereich eines spanabhebenden Werkzeugs bildet, und welche auf einer mit Fremdatomen dotierten Diamantschicht angeordnet ist, im laufenden Betrieb des Werkzeugs; wobei die dotierte Diamantschicht unmittelbar auf der Substratoberfläche des
spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist; wenigstens ein Messparameter, der sich aus beiden Diamantschichten, dem Werkzeug und einem mit dem Werkzeug bearbeiteten Werkstück ergibt, während des Betriebs des Werkzeugs kontinuierlich oder periodisch erfasst wird; ein vordefinierter Schwellwert für den Messparameter festgelegt wird; und wobei eine Änderung des Messparameters über oder unter den vordefinierten
Schwellwert den Abnutzungsgrad der undotierten Diamantschicht anzeigt.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass mit Fremdatomen dotierte
Diamantschichten - bei mehr oder weniger dergleichen Härte - andere physikalische Eigenschaften aufweisen als undotierte Diamantschichten. So ist beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit dotierter Diamanten je nach Dotierungsart, d.h. mit welchen Fremdatomen dotiert wurde und/oder ob eine n- oder p-Typ-Dotierung vorliegt deutlich höher bei einer gegebenen Temperatur als diejenige von undotierten Diamanten. Diese wirken praktisch als Isolator und weisen keine signifikante elektrische Leitfähigkeit auf.
Misst man im einfachsten Falle den elektrischen Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit eines Gesamtsystems umfassend ein metallisches Werkstück sowie das Werkzeug mit der Schichtenfolge:
Metallische Substratschicht - dotierte Diamantschicht - undotierte Diamantschicht kontinuierlich oder periodisch im laufendem Betrieb, so wird bei Einsatz eines ungebrauchten diamantbeschichteten Werkzeugs keine signifikante elektrische
Leitfähigkeit messbar sein, bzw. der Ohm'sche Widerstand wird die Werte eines
Isolators annehmen und gegen unendlich gehen, da die undotierte Diamantschicht des Funktionsbereiches des Werkzeugs mit dem metallischen Werkstück zwar mechanisch in Kontakt steht, jedoch aufgrund der isolierenden Eigenschaft der undotierten
Diamantschicht keinen elektrischen Kontakt zu dem metallischen Werkstück ausbildet.
Wird jedoch während des laufenden Betriebs die undotierte Diamantschicht, welche den Funktionsbereich des Werkzeugs bildet, abgenutzt oder platzt teilweise ab, so wird allmählich immer mehr dotiertes Diamantmaterial mit dem metallischen
Werkstück in Kontakt geraten, was aufgrund der leitenden oder zumindest
halbleitenden Eigenschaft des dotierten Diamantmaterials der dotierten Schicht zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Systems und zu einer Änderung des
Ohm'schen Widerstandes des Systems führt. Diese Änderung kann mithilfe einer geeigneten, dem Fachmann wohlbekannten Regelungsvorrichtung erfasst und ausgewertet werden. Sobald ein vorgegebener - durch Kalibration in üblicher weise zu ermittelnder - Schwellwert über- oder unterschritten wird, sendet die Regelvorrichtung einen Stopp-Befehl an den Antrieb des Werkzeugs, so dass dieses zum Stillstand kommt. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht, dass das Werkzeug ersetzt werden kann bevor Werkzeug, Werkstück und/oder die werkzeugführende Maschine beschädigt werden. Bei Bedarf kann selbstverständlich in einem ersten Schritt zunächst die Schneidgeschwindigkeit des spanabhebenden Werkzeugs gedrosselt werden, um beispielsweise den Arbeitsvorgang noch abschließen zu können, bevor die Maschine dann endgültig gestoppt wird und das Werkzeug ausgetauscht werden muss.
Die Erfindung macht sich somit neben den beispielhaft beschriebenen
Unterschieden in den elektrischen Eigenschaften zwischen dotierter und undotierter Diamantschicht auch die Tatsache zunutze, dass beide Diamantschichten vergleichbare Härten aufweisen, so dass bei Verschleiß der typischerweise dickeren undotierten Diamantschicht mit der dotierten Diamantschicht bis zu einem gewissen Grad dennoch mit dem Werkzeug weitergearbeitet werden kann, da die erfindungsgemäß
beschichteten Werkzeuge nach Abnutzung der eigentlichen Funktionsschicht aus undotierten Diamanten„Notlaufeigenschaften" aufweisen, ähnlich denen moderner Autoreifen, wenn der Reifen beschädigt ist und dennoch eine gewissen Strecke weiter gefahren werden kann.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Dotierung von Diamant den nicht elektrisch leitenden Diamanten zu einem um Größenordnungen besser elektrisch leitenden Halbleiter macht.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn zumindest die undotierte Diamantschicht durch ein CVD-Verfahren erzeugt wurde. Je nach Zustand der Beschichtung nach Abnutzung und Verschleiß der undotierten Diamantschicht des Funktionsbereiches des Werkzeugs kann das Werkzeug, typischerweise nach Reinigung, z.B. durch
Sandstrahlen und/oder Plasmareinigung in einer CVD-Kammer erneut mit Diamant beschichtet werden, so dass kein neues (Grund) Werkzeug hergestellt werden muss, was sich insbesondere bei komplexen und kostspieligen Werkzeugen auszahlt.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff„Dotierung" das gezielte Einbringen von Verunreinigungen in Form von Fremdatomen in ein Diamant- Kristallgitter verstanden. Die mittels Dotierung eingebrachte Menge an Fremdatomen (Dotierstoff) ist dabei relativ klein im Vergleich zum Diamantmaterial. Die Fremdatome bilden sogenannte Störstellen im Kristallgitter und können damit gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials verändern.
Die Dotierung von Diamanten mit Fremdatomen - also Nicht-Kohlenstoffatomen - ist dem Fachmann grundsätzlich wohl bekannt. Eine Übersicht über die theoretischen Grundlagen und praktische Möglichkeiten der Diamantdotierung mittels lonenstrahlen und CVD-Verfahren findet sich in der Dissertation von Thomas Vogel, Ruhr-Universität Bochum (2005), Fakultät für Physik und Astronomie, mit dem Thema„Dotierung von Diamant durch MeV-lonenimplantation", auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Darüber hinaus beschreibt die DE 691 17 140 T2 polykristalline spanabhebende Diamantwerkzeuge und ein Verfahren zu deren Herstellung, bei welchen auch mit Fremdatomen dotierte Diamantbeschichtungen zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich um Werkzeuge, welche polykristalline Diamanten in Form eines
Schneidplättchens aufweisen, welche typischerweise auf eine Oberfläche des
Werkzeug körpers aufgelötet werden.
Gemäß DE 691 17 140 T2 werden die Diamantblättchen durch eine CVD- Beschichtung hergestellt, wobei als Materialgas ein kohlenstoffhaltiges Gas,
Wasserstoffgas und wahlweise ein Dotierstoffgas in eine Vakuumkammer eingeleitet werden, das Materialgas in einen Zustand angeregt wird, in welchem sich Plasma oder Radikale bilden, das Materialgas auf ein erhitztes Substrat geleitet wird, wodurch sich auf dem Substrat Diamant abscheidet, wobei zunächst ohne Dotierungsstoff gearbeitet wird und dann allmählich die Dotierstoffkonzentration erhöht wird.
Im Anschluss an das CVD-Verfahren wird das Substrat weggeätzt, so dass ein polykristallines Diamantplättchen übrig bleibt. Die (ehemalige) Substratseite des Diamantplättchens, welche undotiert oder schwach dotiert ist, wird dann so an dem Werkzeugkörper angeordnet, dass sie auf der spanabhebenden Seite des Werkzeugs zu liegen kommt, womit sich die dotierte Diamantschicht als Fixierseite unmittelbar am Werkzeugkörper befindet. Typischerweise wird die Fixierseite des mittels CVD- Diamantbeschichtung hergestellten Diamantplättchens metallisiert und dieses durch Löten auf dem Werkzeug körper als Schneidplatte fixiert. Gemäß DE 691 17 140 T2 beträgt die Dicke der erhaltenen Diamantplättchen bis zu 1000 μιτι.
Zusammenfassend beschreibt die DE 691 17 140 T2 somit Diamantwerkzeuge welche einen Diamanteinsatz aufweisen, die einen Gradienten der
Dotierstoffkonzentration in ihrer Diamantschicht aufweisen, wobei der Gradient eine Dotierstoffkonzentration von 0% Dotierstoff auf der Spanseite bis zu einem Maximalwert an der werkzeugseitigen Oberfläche aufweisen kann.
Im Gegensatz zum Zweck vorliegenden Erfindung, nämlich der Erkennung, wann eine undotierte Diamantschicht soweit abgenutzt ist, dass das Werkzeug ersetzt werden kann, ohne dass Beschädigungen an Werkzeug, Werkstück und Antriebsvorrichtung auftreten, soll die Dotierung gemäß DE 691 17 140 T2 folgende weitere Vorteile aufweisen:
Der Diamant an oder in der Nähe der Spanfläche wird synthetisiert als ein
Diamant besserer Qualität mit geringer oder keiner Dotierstoffkonzentration. Der Diamant an oder in der Nähe der Fixierfläche des Schneidplättchens wird
zusammengesetzt als ein Diamant schlechterer Qualität mit höherer
Dotierstoff konzentration. Aufgrund dieser höheren Dotierstoffkonzentration besitzt der Diamant in der Nähe der Fixierfläche geringere Starrheit und ausreichende Elastizität, was deshalb wichtig ist, da eine hinreichende Elastizität und geringe Starrheit starke Spannungen beseitigen können, die durch einen zu schneidenden Gegenstand auf die Spanfläche aufgebracht wird. Gemäß DE 691 17 140 T2 spielt die dotierte
Diamantschicht auf der Fixierfläche des Diamantplättchens eine Rolle als
Spannungsbeseitigungsschicht oder als Stoßabsorberschicht.
Als Kohlenstoffquelle für das dortige CVD-Verfahren offenbart Dokument DE 691 17 140 T2 u.a. Methan, Ethan, Acetylen, Ethanol, Methanol und Aceton, in Gegenwart von Wasserstoffgas.
Als Dotierstoffe kommen gemäß DE 691 17 140 T2 beispielsweise Si, B, AI, W, Mb, Co, Fe, Nb, Ta sowie deren Carbide, Oxide und Nitride, Halogene, P und N in Betracht, welche als gasförmige Dotierstoffverbindungen zum Einsatz kommen. Eine Dotierung mit Bor kann beispielsweise gemäß DE 691 17 140 T2 auf einfache Weise mittels Zuführung von B2H6 zum Materialgas aus Methan und Wasserstoff durchgeführt werden.
Das Diamantbeschichtungsverfahren gemäß DE 691 17 140 T2 wird als Heißdraht- CVD-Verfahren bei einem Druck von 10 KPa bis 17 KPa und einer Substrattemperatur von 250°C bis 950°C und einem Draht aus W, Ta oder Re durchgeführt. Die
Dotierstoffkonzentrationen betragen im fertigen Endprodukt bis zu 9%.
Bezüglich der Durchführung eines Diamantbeschichtungs-CVD-Verfahrens mit und ohne Dotierstoffe wird hiermit vollinhaltlich auf die Lehre der DE 691 17 140 T2 Bezug genommen.
Selbstverständlich können die im Stand der Technik offenbarten thermodynamischen Bedingungen des für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzten CVD- Verfahrens je nach Bedarf angepasst und/oder optimiert werden.
Die Messtechnik zur Erfassung der erforderlichen physikalischen Parameter kann im einfachsten Falle metallischer Werkstoffe eine Widerstandsmessung bzw. eine
Messung der elektrischen Leitfähigkeit sein, bei welcher eine Messkette einerseits aus dem eingesetzten Werkzeug, umfassend die dotierte und undotierte Diamantschicht und andererseits dem elektrisch leitenden Werkstück bestehen kann. Solange die undotierte Diamantschicht intakt ist, wird die elektrische Leitfähigkeit gegen Null gehen bzw. der elektrische Widerstand hoch sein. Sobald jedoch durch Verschleiß und tribologische Beanspruchungen die undotierte Diamantschicht abgenutzt ist, wird man einen deutlich höhere Leitfähigkeit bzw. einen signifikant geringeren Widerstand messen.
Nach Kalibrierung des Systems auf einen geeigneten Schwellwert, kann die Über- oder Unterschreitung dieses Schwellwertes, z.B. für die elektrische Leitfähigkeit und/oder den elektrischen Widerstand überwacht werden und mit einer an sich bekannten separaten elektronischen Regelungs- oder Steuerschaltung oder einer entsprechenden in der Antriebsvorrichtung des Werkzeugs integrierten softwaregesteuerten Regelung beispielsweise die Antriebsvorrichtung des Werkzeugs angehalten werden oder die Bewegung des Werkzeugs zunächst verlangsamt werden.
Neben der beispielhaft erläuterten Messung des elektrischen Widerstandes und der elektrischen Leitfähigkeit kann jeder physikalische Messparameter zum Einsatz kommen, der eine signifikante Unterscheidung zwischen dotierten und undotierten Diamanten zulässt. Dies kann insbesondere im Falle nicht elektrisch leitender
Werkzeuge aus keramischen Materialien und/oder nicht elektrisch leitenden Materialien, etwa kohlefaserverstärkten Kunststoffen, aus denen das zu bearbeitende Werkstück besteht, eine Messung der Kapazität sein, welche sich ebenfalls ändert, wenn sich die undotierte Diamantschicht soweit abgenutzt hat, dass im Wesentlichen nur noch die dotierte Diamantschicht mit dem Werkstück in Kontakt steht.
Auch weitere physikalische Größen und physikalische Effekte, welche sich für dotierte und undotierte Diamanten unterscheiden, wie beispielsweise der Hall-Effekt kann ausgenutzt werden, um die kontinuierliche oder periodische Erfassung des
Abnutzungsgrades der undotierten Diamantschicht zu ermöglichen. Hierfür können bei Bedarf geeignete kommerziell erhältliche Hall-Sonden eingesetzt werden.
Die in Rede stehenden Messparameter können im Rahmen der vorliegenden Erfindung analog oder digital abgefragt werden. Die Abfrage kann kontinuierlich oder periodisch erfolgen, wobei eine periodische Abfrage in einem kurzen Intervall, z.B. alle 100 ms, in der Praxis einer kontinuierlichen Erfassung entspricht. Je nach Bedarf kann jedoch das Abfrageintervall auch an die Gegebenheiten angepasst werden und etwa periodisch alle 5 s der jeweils relevante Parameter gemessen werden.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kommen vorzugsweise als dotierte Diamantschichten sowohl n-Typ dotierte als auch p-Typ dotierte Diamantschichten zum Einsatz. Als Fremdatome zur Dotierung sind solche bevorzugt, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: Aluminium, Bor, Silicium, Wolfram, Eisen, Molybdän, Kobalt, Niob, Tantal, Rhenium, Stickstoff und Phosphor, sowie Mischungen daraus.
Durch die Wahl der Dotierungsart (p-Typ, Löcherleitung und n-Typ,
Elektronenleitung) und Wahl des Fremdatoms und Dotierstoffkonzentration können die Empfindlichkeit des Messsystems sowie die physikalischen, insbesondere elektrischen Eigenschaften des gebildeten Halbleiters bedarfsgerecht gesteuert werden.
Es ist bevorzugt, zur p-Typ Dotierung Bor einzusetzen, weil ein leicht zu
steuerndes CVD-Verfahren zur B-Dotierung im Stand der Technik zur Verfügung steht.
Sofern die Verwendung von n-Typ dotiertem Diamant beabsichtigt ist, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Stickstoff oder Phosphor eingesetzt, da sich diese leicht in Form gasförmiger Dotierstoffe, z.B. als Phb und/oder N2 in eine CVD- Vakuumkammer einleiten lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als physikalischer Parameter der elektrische Widerstand und/oder die elektrische
Leitfähigkeit und/oder der kapazitive Widerstand und/oder die Hall-Spannung oder der Hall-Strom eines Hall-Sensors erfasst. Für die Messung dieser Parameter steht im Stand der Technik eine Reihe von Geräten zur Verfügung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der physikalische Parameter zwischen dem Werkzeug und einem bearbeiteten Werkstück erfasst, wobei
vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit und/oder der elektrische Widerstand und/oder die Kapazität zwischen bearbeitetem Werkstück und dem Werkzeug gemessen wird.
Es ist ferner bevorzugt, dass die dotierte erste Diamantschicht auf eine
kobalthaltige Hartmetalloberfläche aufgebracht wird. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Diamantschicht gut ausbildet, fest auf der Oberfläche haftet und die
Werkzeugoberfläche eine hinreichende Zähigkeit und Elastizität aufweist. Bei Bedarf kann die Oberfläche vor der Diamantbeschichtung jedoch auch noch vorbehandelt werden um die Haftung der Diamantschicht weiter zu verbessern. Dies kann
beispielsweise mit lonenstrahlen oder durch chemische Behandlung erfolgen. Durch die Vorbehandlung der Substratoberfläche eines Funktionsbereiches eines Werkzeugs, welche beispielsweise auch Hartstoffpartikel, z.B. WC-Körner enthält, die in einer cobalthaltigen Bindematrix eingebettet sind, wird mittels lonenstrahlen, z.B. NT, N++ und/oder C+ im Wesentlichen kein Cobalt aus der Bindematrix entfernt, sondern die eingestrahlten Ionen werden in das Gefüge der Bindematrix inkorporiert.
Ohne daran gebunden zu sein, könnte sich beispielsweise Cobalt durch die eingestrahlten leichten Ionen zu Cobaltnitriden bzw. Cobaltcarbonnitriden oder auch zu Cobaltcarbiden umwandeln, welche die bekannte katalytische Wirkung für die
Rückwandlung der kubischen Diamantphase in die hexagonale graphitische Phase nicht zeigen, so dass die kubischen Diamantkristalle hinreichend Zeit haben, auf der Substratoberfläche aufzuwachsen, ohne dass eine in situ Re-Konversion in Graphit erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es grundsätzlich bevorzugt, dass die dotierte und die undotierte Diamantschicht mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) aus einer Methan/Wasserstoff-Atmosphäre auf die Metalloberfläche aufgebracht werden, wobei vorzugsweise Wasserstoff dem Methan im molaren Überschuss zugemischt wird. Ein derartiges als HF-CVD-Verfahren ausgebildetes
Beschichtungsverfahren ist verhältnismäßig leicht, schnell und kostengünstig
durchführbar. Ferner kann die Dotierung der ersten Diamantschicht durch Zufuhr eines Dotierungsgases, insbesondere B2H6, während des CVD-Verfahrens in einer CVD- Kammer erzeugt werden. Hierdurch kann die undotierte zweite Diamantschicht einfach durch Unterbrechung der Zufuhr des Dotierungsgases in die CVD-Kammer erzeugt werden, so dass keine weiteren Arbeitsschritte zur Herstellung der dotierten und der undotierten Diamantschicht erforderlich sind.
Bei Bedarf kann jedoch selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch beispielsweise eine erste (noch undotierte) polykristalline Diamantschicht mittels CVD hergestellt werden und die erhaltene Schicht mit einem lonenstrahl aus dem gewünschten Fremdatom zur Dotierung der ersten Diamantschicht bestrahlt werden. Typischerweise erfolgt im Anschluss an die lonenstrahlbehandlung ein Temperschritt oder ein sogenannter„Ausheilschritt" um bei der Bestrahlung auftretende Gitterschäden „auszuheilen". Danach kann dann die undotierte zweite Diamantschicht auf der nun dotierten ersten Diamantschicht abgeschieden werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die erste dotierte und die zweite undotierte Diamantschicht mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) aus einer Methan/Wasserstoff-Atmosphäre in einer CVD-Kammer auf die Metalloberfläche aufgebracht, wobei vorzugsweise Wasserstoff dem Methan im molaren Überschuss zugemischt wird. Ferner wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer
Beschichtungstemperatur von 800°C bis 1 100°C und einem Beschichtungsdruck von 1 kPa bis 100 hPa durchgeführt.
Bei Bedarf kann vor dem Aufbringen der ersten dotierten Diamantschicht die Substratoberfläche beispielsweise durch Bestäuben mit Diamantpulver vorbekeimt werden.
Das erfindungsgemäße CVD-Verfahren wird vorzugsweise als HF-CVD-Verfahren, bei welchen ein W-Draht als Heizdraht verwendet wird, durchgeführt.
Dabei hat sich in der Praxis herausgestellt, dass mit dem oben beschriebenen Verfahren befriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Anforderungen an die tribologische Belastbarkeit der Diamantschichten und die hinreichenden Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der dotierten und der undotierten Diamantschicht erzielt werden können und die Dotierung vom p-Typ mittels Bor sich als besonders einfach gestaltet, weil zur Dotierung der ersten Diamantschicht lediglich ein borhaltiges Gas, vorzugsweise B2H6 , als Dotiergases zugeführt wird und zum Umschalten auf die Erzeugung der undotierten Diamantschicht die Zufuhr des Dotiergases einfach unterbrochen werden kann.
Bei den erfindungsgemäß hergestellten Werkzeugen kann es sich um
monolithisch oder modular aufgebaute Werkzeuge handeln. Wie oben erwähnt können die Werkzeuge der vorliegenden Erfindung Hartstoff partikel enthalten. Diese sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: den Carbiden, Carbonitriden und Nitriden der Metalle der IV., V. und VI. 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; sowie Mischungen und Mischphasen davon.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden ergeben sich aufgrund der Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen.
Beispiel 1
Herstellung von Werkzeugen mit dotierten und undotierten Diamantschichten
Hartmetallspiralbohrer aus einem 10M%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC- Korngröße von 0,6 μιτι (Gühring-Handelsname DK460UF) wurden nach Reinigung und Entfetten der Oberfläche mit Aceton oder einem anderen organischen Lösungsmittel und nach Partikelstrahlen mit Quarzpartikeln die zu beschichtenden Werkzeuge einem sauren Ätzschritt zum Entfernen von Co aus der Oberfläche unterzogen. Hierzu wurde gemäß WO 2004/031437 A1 eine Mischung aus HCI/HNO3 eingesetzt. Die so vorbehandelten Werkzeuge wurden nach Spülen und Trocknen in die Vakuumkammer einer handelsüblichen Heißdraht-CVD-Anlage (CemeCon CC800/5) eingebracht. Die Wolframdrähte (99,99% Reinheit) der CVD-Anlage sind in einem Abstand von ca. 4 mm parallel zueinander angeordnet. Die Bohrer waren ringsum parallel zu ihrer Längsachse von den Filamenten umgeben. Die Temperatur der Filamente wurde auf ca. 2100°C eingestellt. Die Temperatur wurde mittels optischem Thermometer gemessen. Die Entfernung der Filamente zum zu beschichtenden Werkzeug betrug 5 mm.
Als erstes wurde eine dotierte Diamantschicht auf der Oberfläche der Werkzeuge durch Zuführen von H2/CH4 als Materialgas und B2H6 als Dotiergas hergestellt. Hierbei wurden im Beispielsfall nach Vorversuchen folgende Massenströme eingesetzt: H2 600 sccm
CH4 5 sccm
Figure imgf000020_0001
„sccm" steht hierbei für Standardkubikzentimeter pro Minute. Unabhängig von Druck und Temperatur wird somit mit dieser Einheit eine definierte strömende
Gasmenge pro Zeiteinheit beschrieben, also ein Massenstrom angegeben.
Der Standardkubikzentimeter ist dabei ein Gasvolumen von V = 1 cm3 unter Normbedingungen (T = 0 °C und p = 1013,25 hPa), den sog. physikalischen
Normbedingungen nach DIN 1343.
Die angegebenen Massenströme wurden 80 h lang angelegt. Danach wurde die Zufuhr des Dotierstoffs Diboran gesperrt und die Massenströme für H2 und CH4 für weitere 180 h aufrechterhalten. Die Temperatur der zu beschichteten Werkzeuge betrug 970°C, der Druck in der CVD-Kammer lag bei ca. 13 kPa.
Eine Schichtdickenmessung (REM mit Focused Ion Beam [FIB], Helios NanoLab 600 der Firma FEI) der dotierten Diamantschicht ergab Werte von 70 bis 90 μιτι. Die Gesamtschichtdicke betrug im vorliegenden Beispielsfall etwa 220 μιτι, woraus sich eine Schichtdicke von etwa 130 μιτι für die undotierte Diamantschicht ergibt.
Die Konzentration von Bor wurde durch die Curcumin-Methode bestimmt. Dabei wird das borhaltige Diamantmaterial mit Sauerstoff unter Erwärmen auf 700°C von der Metalloberfläche gemäß DE 101 17 867 A1 entfernt. Hierbei verbrennt der
Diamantkohlenstoff zu CO2 und Bor wird zu Bortrioxid und Boraten oxidiert, welche im Sauren mit Curcumin versetzt werden, das mit Boraten einen roten Komplex aus Rosocyanin bildet, welcher photometrisch bei 540 nm analysiert und mit
Standardboratlösungen verglichen wird. In der dotierten Diamantschicht betrug nach dieser Methode der Borgehalt zwischen 7 und 10 Atom-%, bezogen auf C + B in der dotierten Diamantschicht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden zunächst die elektrischen
Eigenschaften der dotierten und der undotierten Diamantschichten gemessen.
Nach Messung des absoluten Schichtwiderstandes der bordotierten Schicht (Vierpunktmethode gemäß Vogel 2005) wurde der spezifische Widerstand der erhaltenen bordotierten Diamantschichten (p-Typ-Dotierung) durch Multiplikation mit der Schichtdicke ermittelt und beträgt bei Raumtemperatur und einem Dotierungsgrad von 10 Atom-%, bezogen auf C + B in der dotierten Diamantschicht 1 ,58 Qcm wohingegen der spezifische Widerstand einer reinen undotierten Diamantschicht (hergestellt auf dem Werkzeug wie oben beschrieben, jedoch ohne Dotiergaszufuhr) 5,6 x 1013 Qcm beträgt. Somit ist gezeigt, dass die Leitfähigkeit von Diamant durch Dotierung im
Allgemeinen - im Beispielsfall mit Bor - um viele Größenordnungen verändert werden kann, was messtechnisch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten polykristallinen Diamantschicht genutzt werden kann.
Beispiel 2
Messprinzipien und Bohrtests
Die gemäß Beispiel 1 erhaltenen Bohr-Werkzeuge wurden in hochabrasiven Probewerkstücken aus AISi9 und AlSil 7 getestet. Diese Werkstoffe sind elektrisch leitend.
Es wurden quaderförmige Blöcke mit einer Grundfläche von 5 x 5 cm und einer Höhe von 10 cm als Werkstückprobekörper aus diesen Materialien hergestellt. Die Probekörper wurden in die Werkstück-Aufnahme einer industriellen Bohrvorrichtung der Firma GÜHRING KG, Albstadt eingespannt. In die Werkzeug-Aufnahme der
Bohrvorrichtung wurde ein 10 mm Bohrer eingespannt, der gemäß Beispiel 1 mit einer dotierten und einer spanseitig undotierten Diamantschicht beaufschlagt wurde. Die Gesamtschichtdicke betrug ca. 220 μιτι. Die Bohrvorrichtung wurde so programmiert, dass pro Probenkörper ein 9 cm tiefes Loch gebohrt wurde und dann zum nächsten Werkstück übergegangen wurde. Für die Zwecke der vorliegenden Teste wurden keine Kühl- oder Schmiermittel eingesetzt.
Die Bohrversuche wurden folgendermaßen gestaltet:
Prozess: Bohren ins Volle, Bohrtiefe 900 mm
Schnittgeschwindigkeit: 100 m/min
Es wurde eine Messanordnung zur Leitfähigkeitsmessung des Gesamtsystems Bohrerhalterung - Bohrwerkzeug - dotierte Diamantschicht - undotierte
Diamantschicht - Probewerkstück erstellt. Die Messung erfolgte in üblicher Art der Leitfähigkeitsmessung von Nichteisenmetallen berührungslos (Wirbelstromverfahren gemäß DIN EN 2004-1 ) mit einem kommerziell erhältlichem Gerät (SIGMASCOPE® SMP350 der Firma HELMUT FISCHER GmbH, Sindelfingen) und entsprechenden Sonden mit einer Frequenz von 15 kHz, bei welchem die Messdaten über eine USB- Schnittstelle in einen Rechner eingelesen wurden, mit einem Schwellwert verglichen wurden und bei Überschreiten des Schwellwertes durch die Software ein Schalter zum Abschalten der Antriebseinrichtung des zu testenden Bohrers betätigt wurde. Die Messsonden des Leitfähigkeitsmessgerätes wurden am Werkstück und an der
Werkzeughalterung angeordnet, so dass die Leitfähigkeit des oben definierten
Gesamtsystems erfasst wurde. Zu Beginn zeigte sich eine Leitfähigkeit des
Gesamtsystems von praktisch 0 MS/m.
In Vorversuchen wurde beim Testen von Bohrern, welche nur mit einer B-dotierten Diamantschicht versehen waren, jedoch keine undotierte Diamantschicht aufwiesen, eine Leitfähigkeit von ca. 12 bis 17 MS/m für dieses System ermittelt. Daraus wurde ein Schwellwert von 15 MS/m gebildet. Wenn dieser Schwellwert bei dem
erfindungsgemäßen Testsystem überschritten werden sollte, bedeutet das, dass sich die undotierte Diamantschicht, welche den eigentlichen Funktionsbereich des
Werkzeugs bildet, abgenutzt hat und der Bohrer bereits im„Notlaufmodus" auf der dotierten Diamantschicht läuft, aber dennoch seine Funktion erfüllt. Sobald im Test ein Wert von 15 MS/m überschritten wird, gibt der Rechner ein Signal zum Abschalten der Bohrmaschine, womit verhindert wird, dass der Bohrer das Werkstück oder die Antriebsmaschine beschädigt werden und der Bohrer rechtszeitig ausgetauscht werden kann.
In den praktischen Versuchen hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Bohrer sämtliche Erwartungen an die Verschleißfestigkeit, Standzeiten und Standlängen eines üblichen Diamantwerkzeugs erfüllen.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Änderung der Leitfähigkeit zwar graduell erfolgt, jedoch innerhalb weniger Minuten bei der vorgegebenen
Schneidgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht. Somit ist es ersichtlich, dass nicht nur der absolute Wert als Messparameter dienen kann, sondern auch beispielsweise die Geschwindigkeit der Änderung oder auch die Flankensteilheit der Änderung eines Messparameters genutzt werden kann, um die erfindungsgemäße Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten Diamantschicht zu bewerkstelligen.
Somit dient die dotierte Diamantschicht quasi als„intelligente Stoppschicht" für diamantbeschichtete Werkzeuge.
Beispiel 3
lonenstrahl-Vorbehandlung
Hartmetallspiralbohrer aus einem 10M%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC- Korngröße von 0,6 μιτι (Gühring-Handelsname DK460UF) wurden beschichtet wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch erfolgte keine chemische Vorbehandlung der
Substratoberfläche, sondern diese wurde für 3,5 h 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. Zum
Erzeugen des lonenstrahls kam ein handelsüblicher lonengenerator zum Einsatz (lonengenerator„Hardion" der Firma Quertech, Caen). Hierbei stellt sich eine Temperatur an dem Werkzeug von ca. 400°C ein. Im Anschluß daran wurde das Werkzeug in einer handelsüblichen Heißdraht-CVD-Anlage (CemeCon CC800/5) wie in Beispiel 1 mit einer dotierten und einer undotierten Diamantschicht versehen und die Leitfähigkeitsmessung wie in Beispiel 2 beschrieben durchgeführt.
Erwartungsgemäß zeigten sich niedrigere absolute Leitfähigkeitswerte des Gesamtsystems, da die dotierte Schicht auf einer stärker isolierenden Substratschicht abgeschieden wurde.
Jedoch ließen sich die Leitfähigkeitsdaten auch bei diesen hinsichtlich ihrer Standzeiten verbesserten diamantbeschichteten Werkzeugen ebenfalls verwenden, um den Abnutzungsgrad der undotierten Diamantschicht zu erkennen und rechtzeitig die Bohrvorrichtung abzuschalten oder die Schneidgeschwindigkeit zu drosseln.

Claims

Ansprüche
Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten ersten Diamantschicht aus
polykristallinen Diamanten, welche auf einer Metalloberfläche eines
spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist, zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten polykristallinen zweiten Diamantschicht, welche auf der dotierten Diamantschicht angeordnet ist und welche einen Funktionsbereich des
spanabhebenden Werkzeugs bildet, wobei wenigstens ein physikalischer
Parameter während des Betriebs des Werkzeugs kontinuierlich oder periodisch erfasst wird, und wobei eine Änderung des Parameters den Abnutzungsgrad der undotierten zweiten Diamantschicht anzeigt.
Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als dotierte
Diamantschicht eine n-Typ dotierte oder eine p-Typ dotierte Diamantschicht eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fremdatome zur Dotierung ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus:
Aluminium, Bor, Silicium, Wolfram, Eisen, Molybdän, Kobalt, Niob, Tantal, Rhenium, Stickstoff und Phosphor, sowie Mischungen daraus.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur p-Typ Dotierung Bor eingesetzt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur n-Typ Dotierung Stickstoff oder Phosphor eingesetzt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als physikalischer Parameter der elektrische Widerstand und/oder die elektrische Leitfähigkeit und/oder der kapazitive Widerstand und/oder die Hall-Spannung oder der Hall-Strom eines Hall-Sensors erfasst wird.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter zwischen dem Werkzeug und einem bearbeiteten
Werkstück erfasst wird.
8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische
Leitfähigkeit und/oder der elektrische Widerstand und/oder die Kapazität zwischen bearbeitetem Werkstück und dem Werkzeug gemessen wird.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte erste Diamantschicht auf eine kobalthaltige Hartmetalloberfläche
aufgebracht wird.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte und die undotierte Diamantschicht mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) aus einer Methan/Wasserstoff-Atmosphäre auf die Metalloberfläche aufgebracht werden, wobei vorzugsweise Wasserstoff dem Methan im molaren Überschuss zugemischt wird.
1 1 . Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der ersten Diamantschicht durch Zufuhr eines Dotierungsgases, insbesondere B2H6, während des CVD-Verfahrens in einer CVD-Kammer erzeugt wird.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die undotierte zweite Diamantschicht durch Unterbrechung der Zufuhr des
Dotierungsgases in die CVD-Kammer erzeugt wird.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste polykristalline Diamantschicht mittels CVD hergestellt wird und die erhaltene Schicht mit einem lonenstrahl aus dem gewünschten Fremdatom zur Dotierung der ersten Diamantschicht bestrahlt wird; im Anschluss daran ein
Temperschritt erfolgt; und danach die undotierte zweite Diamantschicht auf der dotierten ersten Diamantschicht abgeschieden wird.
14. Verfahren zur kontinuierlichen Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten Diamantschicht, welche einen Funktionsbereich eines spanabhebenden Werkzeugs bildet, und welche auf einer mit Fremdatomen dotierten Diamantschicht angeordnet ist, im laufenden Betrieb des Werkzeugs; wobei a) die dotierte Diamantschicht unmittelbar auf der Substratoberfläche des
spanabhebenden Werkzeugs angeordnet ist; b) wenigstens ein Messparameter, der sich aus beiden Diamantschichten, dem
Werkzeug und einem mit dem Werkzeug bearbeiteten Werkstück ergibt, während des Betriebs des Werkzeugs kontinuierlich oder periodisch erfasst wird; c) ein vordefinierter Schwellwert für den Messparameter festgelegt wird; und wobei d) eine Änderung des Messparameters über oder unter den vordefinierten
Schwellwert den Abnutzungsgrad der undotierten Diamantschicht anzeigt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Messparameter die elektrische Leitfähigkeit und/oder der elektrische Widerstand und/oder die Kapazität zwischen bearbeitetem Werkstück und dem mit dotierten und undotierten
Diamanten beschichteten Werkzeug dient.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fremdatome zur Dotierung ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus: Aluminium, Bor, Silicium, Wolfram, Eisen, Molybdän, Kobalt, Niob, Tantal, Rhenium, Stickstoff und Phosphor, sowie Mischungen daraus.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur p-Typ Dotierung Bor verwendet wird und zur n-Typ Dotierung Stickstoff oder Phosphor verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte Diamantschicht auf eine kobalthaltige Hartmetalloberfläche aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dotierte und die zweite undotierte Diamantschicht mittels chemischer
Dampfabscheidung (CVD) aus einer Methan/Wasserstoff-Atmosphäre in einer CVD-Kammer auf die Metalloberfläche aufgebracht werden, wobei vorzugsweise Wasserstoff dem Methan im molaren Überschuss zugemischt wird, eine
Beschichtungstemperatur von 800°C bis 1100°C und ein Beschichtungsdruck von 1 kPa bis 100 hPa eingestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als CVD-Verfahren ein Heißdrahtverfahren zum Einsatz kommt, bei welchen ein W-Draht als Heizdraht verwendet wird.
21 .Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der ersten Diamantschicht durch Zufuhr eines Dotierungsgases, insbesondere B2H6, während des CVD-Verfahrens in der CVD-Kammer erzeugt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die undotierte zweite Diamantschicht durch Unterbrechung der Zufuhr des
Dotierungsgases in die CVD-Kammer erzeugt wird.
23. System umfassend: a) ein spanabhebendes Werkzeug mit der Schichtenfolge: i) metallische Substratschicht,
ii) mit Fremdatomen dotierte Diamantschicht aus polykristallinen Diamanten,
iii) undotierte polykristalline Diamantschicht, wobei eine Unterscheidung zwischen der dotierten Diamantschicht i) und der undotierten Diamantschicht ii) hinsichtlich eines physikalischen Messparameters gegeben ist, und
wobei die undotierte polykristalline Diamantschicht einen Funktionsbereich des spanabhebenden Werkzeugs bildet,
und b) einem Werkstück.
24. System nach Anspruch 23, wobei der physikalische Messparameter der elektrische Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit ist.
25. System nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei das Werkstück ein elektrisch leitendes Werkstück ist.
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