DE102017204109A1

DE102017204109A1 - Verwendung einer mit Fremdatomen dotierten Diamantschicht zur Erfassung des Abnutzungsgrades einer undotierten diamantenen Funktionsschicht eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE102017204109A1
Application number: DE102017204109.9A
Authority: DE
Inventors: Immo Garrn
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-03-14
Also published as: US10974360B2; EP3596248A1; US20200094364A1; DE102017204109B4; WO2018166941A1

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

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-legiertem Aluminium, beispielsweise AlSi9Cu4Mg [AlSi9], AlSi17Cu4Mg [AlSi17] oder AlMg1 SiCu + 20% SiC [Al-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 Ionenstrahl und einer sich anschließenden herkömmlichen CVD-Diamantbeschichtung unmittelbar auf der Ionenstrahl-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-legiertem 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 1100°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 µm bis 500 µm, häufig zwischen 1 µm und 40 µm.
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 1100°C aufgeheizt. So ist es möglich, auch Hinterschneidungen und Rückseiten zu beschichten. Die Beschichtungsraten liegen beim HF-CVD-Verfahren typischerweise zwischen 0,1 µm/h und 3 µm/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

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 Ionenstrahlen 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-Ionenimplantation“, 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 Werkzeugkörpers 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 Werkzeugkörper als Schneidplatte fixiert. Gemäß DE 691 17 140 T2 beträgt die Dicke der erhaltenen Diamantplättchen bis zu 1000 µm.
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 Dotierstoffkonzentration. 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, Al, 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 PH₃ 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 Ionenstrahlen 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 Ionenstrahlen, z.B. N⁺, 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 Ionenstrahl aus dem gewünschten Fremdatom zur Dotierung der ersten Diamantschicht bestrahlt werden. Typischerweise erfolgt im Anschluss an die Ionenstrahlbehandlung 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 1100°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 Hartstoffpartikel 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 µm (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 HCl/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
B2H6 2 sccm

„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 µm. Die Gesamtschichtdicke betrug im vorliegenden Beispielsfall etwa 220 µm, woraus sich eine Schichtdicke von etwa 130 µm 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 Ωcm wohingegen der spezifische Widerstand einer reinen undotierten Diamantschicht (hergestellt auf dem Werkzeug wie oben beschrieben, jedoch ohne Dotiergaszufuhr) 5,6 × 10¹³ Ωcm 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 AlSi9 und AISi17 getestet. Diese Werkstoffe sind elektrisch leitend.
Es wurden quaderförmige Blöcke mit einer Grundfläche von 5 × 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 µm. 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
Ionenstrahl-Vorbehandlung
Hartmetallspiralbohrer aus einem 10M%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC-Korngröße von 0,6 µm (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 Ionenstrom aus Stickstoffionen bestrahlt, wobei der Ionenstrom mit einer Spannung von 30 kV bei 3 mA Plasmastrom bei einem Stickstoffdruck von 1 × 10^-5 mbar erzeugt wurde. Zum Erzeugen des Ionenstrahls kam ein handelsüblicher Ionengenerator zum Einsatz (Ionengenerator „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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202005021817 U1 [0006]
US 5082359 [0008, 0009, 0010]
WO 9835071 A1 [0012]
WO 2004/031437 A1 [0012, 0078]
DE 102006026253 A1 [0016]
DE 102014210371 A1 [0021]
DE 69117140 T2 [0043, 0044, 0045, 0046, 0047, 0048, 0049, 0050, 0051, 0052, 0053]
DE 10117867 A1 [0084]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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“ [0017]
DIN EN 2004-1 [0090]

Claims

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.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter zwischen dem Werkzeug und einem bearbeiteten Werkstück erfasst wird.
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.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte erste Diamantschicht auf eine kobalthaltige Hartmetalloberfläche aufgebracht wird.
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.
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.
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.
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 Ionenstrahl 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.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte Diamantschicht auf eine kobalthaltige Hartmetalloberfläche aufgebracht wird.
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.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als CVD-Verfahren ein Heißdrahtverfahren zum Einsatz kommt, bei welchen ein W-Draht als Heizdraht verwendet wird.
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.
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.