DE19928498A1

DE19928498A1 - Drehmomentübertragende Arbeitsflächen für Werkzeuge und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19928498A1
Application number: DE1999128498
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schroeder; Markus Kopf; Michael Sellschopp; Guenther Durst
Original assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Current assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2000-12-28

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem drehmomentübertragende Arbeitsflächen für Werkzeuge erhalten werden können. DOLLAR A Ein konventionelles Werkzeug wird zunächst auf der Arbeitsfläche mit Korundkörnern derart aufgerauht, daß eine Rauhtiefe von ca. 1 mum entsteht, und in einem plasmaunterstützten CVD-Prozeß mit einer mum-dünnen amorphen diamantähnlichen Schicht überzogen, die sehr hart ist. DOLLAR A Die Schicht erleidet auf den Spitzen der Aufrauhung bei der ersten Beanspruchung einen sog. "Eierschalenbruch", wodurch eine große Anzahl scharfer "Schalenkanten" entsteht, die sich am Werkstück verankern können. DOLLAR A Eine solchermaßen hergestellte Arbeitsfläche zeigt einen ausgezeichneten Sitz, wodurch paßgenaues Arbeiten möglich ist. Die Arbeitsfläche besitzt außerdem wegen der sehr gleichmäßigen Aufrauhung und Beschichtung eine flächige Haftung, die das Anlegen des Werkzeuges und die Arbeit mit dem Werkzeug stark erleichtert. Der Aufbau der Schicht gewährleistet außerdem über eine relativ lange Zeit eine gleichmäßige Kraftübertragung, da bei jedem Andruck neue "Eierschalenbrüche" entstehen, die scharfe Kanten zur Verankerung der Arbeitsfläche liefern.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine drehmomentübertragende Arbeitsfläche entsprechend dem Oberbegriffs des Anspruches 1.

Stand der Technik

Drehmomentübertragende Arbeitsflächen für Werkzeuge (Schraubendreher, Ringschlüssel, Bits usw.) bestehen derzeit aus:

- Reibstoffteilchen wie Quarz- oder Diamantkörnern, die galvanisch, z. B. mittels Nickel, an der Unterlage befestigt sind (DE 41 21 839 A1) oder
- Reibstoffteilchen wie Metallcarbiden, Metallboriden, Metallsiliciden, Metallnitriden, die mit einer Lötlegierung an der Unterlage befestigt sind (DE 38 29 033 C2).

Nachteile des Standes der Technik

Alle Sorten von Reibstoffteilchen ragen bis zu 100 Mikrometer aus der jeweiligen Befestigungsschicht und sind im Abstand von einigen 10 Mikrometern plaziert. Durch diesen Aufbau bedingt, ist der Kontakt zwischen den Arbeitsflächen der derart beschichteten Werkzeuge und den Werkstücken nicht maßhaltig und nur punktuell z. B. bei Kreuzschlitzbits und verlangt einen relativ großen Druck zur Kraftübertragung. Der Verschleiß der drehmomentübertragenden Arbeitsflächen geschieht außerdem relativ schnell, da die Reibstoffteilchen durch deren exponierte Lage schnell abgenutzt werden.

Aufgabe der Erfindung

Erfindung einer drehmomentübertragenden Arbeitsfläche für Werkzeuge,
die eine maßhaltige Kraftübertragung erlaubt,
die eine gleichmäßige (flächige) Kraftübertragung ermöglicht und
die über eine relativ lange Zeit eine Kraftübertragung gewährleistet.

Lösung der Aufgabe

Ein konventionelles Werkzeug wird auf der Arbeitsfläche im µm-Bereich aufgerauht und mit einer µm-dünnen amorphen diamantähnlichen Schicht überzogen, die sehr hart ist. Die Schicht enthält auf der Grenzfläche zum Werkzeugkörper ("innere Grenzfläche") bis zu 100 At.%, vorzugsweise 10-90 At.% Silizium und auf der Oberfläche ("äußere Grenzfläche") zwischen 0 und 30 At.% Silizium. Weitere Bestandteile der Schicht sind Kohlenstoff im Gehalt zwischen 10 und 95 At.% und Wasserstoff als restlicher Bestandteil.

Die Schicht erleidet auf den Spitzen der Aufrauhung bei der ersten Beanspruchung einen sog. "Eierschalenbruch", wodurch eine große Anzahl scharfer "Schalenkanten" entsteht, die sich am Werkstück verankern können.

Vorteile der Erfindung

Eine solchermaßen hergestellte Arbeitsfläche zeigt einen ausgezeichneten Sitz, wodurch paßgenaues Arbeiten möglich ist. Die Arbeitsfläche besitzt außerdem wegen der sehr gleichmäßigen Aufrauhung und Beschichtung eine flächige Haftung, die das Anlegen des Werkzeuges und die Arbeit mit dem Werkzeug stark erleichtert. Der Aufbau der Schicht gewährleistet außerdem über eine relativ lange Zeit eine gleichmäßige Kraftübertragung, da bei jedem Andruck neue "Eierschalenbrüche" entstehen, die scharfe Kanten zur Verankerung der Arbeitsfläche liefern.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

Eine drehmomentübertragende Arbeitsfläche für Werkzeuge, z. B. für einen Kreuzschlitzbit, wird wie folgt hergestellt:
Der aus einem Drahtrohling bestehende Grundkörper wird mittels Pressen in Rohform gebracht.
Der Grundkörper wird mit Korundkörnern (∅ ca. 100 µm, Abstand BitlStrahldüse ca. 10 cm) derart aufgerauht, daß eine Rauhtiefe von ca. 1 µm entsteht.
Der Grundkörper wird gehärtet (Härte ≦ 57 HRC).

Zur Beschichtung werden die Bits zunächst entfettet (z. B. in Aceton) und nach einer alkalischen und sauren Feinreinigung in deionisiertem Wasser gespült und getrocknet.

Die gereinigten Bits werden auf einer speziellen Halterung derart befestigt, daß die bearbeiteten Flächen nach oben weisen. Die Halterung mit den Bits wird in die Vakuumkammer einer PECVD-Anlage eingeschleust und diese auf einen Druck unter 10 exp-5 mbar evakuiert. Anschließend wird in die Kammer Argon bis zu einem Druck zwischen 5 × 10 exp-3 und 5 × 10 exp-1 mbar, vorzugsweise 2-5 × 10 exp-2 mbar eingelassen und die Bits mit einer Hochfrequenz von 13,56 MHz beaufschlagt, damit ein Plasma zündet. Die Leistung der Hochfrequenz wird so eingestellt, daß sich auf der Schere ein Gleichspannungspotential von -100 bis -600 Volt bildet, vorzugsweise -500 Volt. Das Plasma entfernt in ca. 10 min die Oxidschicht der Bits. Ohne das Plasma abzuschalten, wird dann durch langsamen Ersatz des Argons ein Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltendes Gas (z. B. "TMS" - Tetramethylsilan -) in die Kammer eingelassen, wodurch eine Schicht aus Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff auf der Grenzfläche zum Bitkörper ("innere Grenzfläche") entsteht.

Nach wenigen Minuten wird als weiteres Gas Acetylen bei synchroner Reduktion des TMS-Gehaltes in die Kammer eingelassen, so daß nach Ende der Beschichtung der Siliziumgehalt der Schicht auf der Bitoberfläche bei 5-20 At.% liegt.

Außerdem erwies sich im Beschichtungsprozess eine Beaufschlagung der Bits mit einer Vorspannung von -100 bis -600 V vorzugsweise -200 bis -400 V als vorteilhaft.

Selbstverständlich können, ohne die Erfindung zu verlassen, statt TMS auch andere Gase wie zum Beispiel Monosilan verwendet werden, wobei dann ein höherer Si-Gehalt an der Grenzfläche zwischen Bit und Schicht erhalten wird. Auch kann der PECVD-Prozeßschnitt durch einen Sputterprozess ersetzt werden, bei dem z. B. Si durch Zerstäubung von einem Target im Anschluß an die Plasmareinigung auf die Bits aufgebracht wird. In diesem Falle wird die Hochfrequenz von den Bits nach dem Ätzen auf das Siliziumtarget für den Sputterprozess umgeschaltet und anschließend bei der Beschichtung mit dem Gas Acetylen wieder auf die Bits zurückgeschaltet. Auch weitere Prozessgestaltungen, z. B. unter Verwendung von Magnetfeldern zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas, sind denkbar. Ebenso verlassen Verfahren, die mit Hilfe von Lasern oder Lichtbogenverdampfung Si- und C-haltige Schichten abscheiden, nicht den Rahmen der Erfindung.

Test der drehmomentübertragenden Eigenschaften

Mit Standardkreuzschlitzbits und patentgemäß behandelten Kreuzschlitzbits wurden Kreuzschlitzschrauben (ABC 4,5 × 50 mm) mithilfe eines Akkuschraubers in Buchenholz eingeschraubt.

Ergebnisse

Claims

1. Drehmomentübertragende Arbeitsfläche für Werkzeuge, gekennzeichnet durch eine zumindest die Arbeitsfläche überdeckende dünne glatte amorphe harte Schicht, die auf der definiert aufgerauhten Grenzfläche zum Werkzeugkörper ("innere Grenzfläche") eine Anreicherung von Silizium bis zu 95 at.%, vorzugsweise zwischen 10 und 90 at.%, und an der Oberfläche einen Siliziumgehalt zwischen 0 und 30 at.% aufweist und die als weitere Bestandteile Kohlenstoff zwischen 10 und 95 at.% sowie Wasserstoff als Restbestandteil enthält.

2. Drehmomentübertragende Arbeitsfläche nach Anspruch 1, bei der die Aufrauhung mit einem Strahlgut derart erfolgt, daß eine mittlere Rauhigkeit zwischen 0,1 und 5 µm, 1 µm erfolgt.

3. Drehmomentübertragende Arbeitsfläche nach Anspruch 1, mit einer Schicht, die die Arbeitsfläche in einer Dicke von 0,5-5 µm, vorzugsweise von 0,5-2 µm überdeckt.

4. Drehmomentübertragende Arbeitsfläche nach Anspruch 1 bis 3, mit einer Schicht, deren Siliziumgehalt an der Oberfläche zwischen 0 und 30 at.% beträgt.

5. Drehmomentübertragende Arbeitsfläche nach Anspruch 1-4, mit einer Schicht aus C, Si, und H, die durch PVD (Physical Vapor Deposition) oder durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abgeschieden worden ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Arbeitsfläche nach Anspruch 1-5 in folgenden Schritten:

- Herstellung des Grundkörpers
- Strahlen des Grundkörpers
- Härten des Grundkörpers
- Reinigung des Grundkörpers in einem Ar-Plasma
- Beschichtung des Grundkörpers mit einer dünnen Schicht aus Kohlenstoff, Silizium und Wasserstoff

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Beschichtung mittels eines PECVD- Prozesses (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) unter Verwendung von Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Gasen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der PECVD-Prozess mittels einer Hochfrequenzentladung (vorzugsweise 13,56 MHz) bei einem Druck von 5 × 10 exp-3-5 × 10 exp-1 mbar, vorzugsweise von 2 × 10 exp-2-1 × 10 exp-1 mbar durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, bei dem die drehmomentübertragenden Arbeitsflächen im PECVD-Prozess während der Beschichtung mit einer Vorspannung von -100 - -600 V, vorzugsweise -200 - -400 V beaufschlagt sind.

10. Verfahren nach 8 und 9, bei dem der PECVD-Prozess unter Verwendung von Tetramethylsilan und Acetylen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-10, bei dem die Reinigung der . drehmomentübertragenden Arbeitsflächen in einem Ar-Plasma ohne Vakuumunterbrechung und in einem unmittelbar vorgeschalteten Prozessschritt zum PECVD-Prozess für die Beschichtung erfolgt.