DE69710242T2

DE69710242T2 - Verfahren zur Herstellung eines mit Diamant beschichteten Verbundkörpers

Info

Publication number: DE69710242T2
Application number: DE69710242T
Authority: DE
Inventors: James M. Olson
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: DE69710242D1; EP0802265A1; JP3299139B2; CA2202026A1; EP0802265B1; US5635256A; JPH1087399A; CA2202026C

Description

Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Oberfläche eines Verbundkörpers, wie in den beigefügten Ansprüchen 1 bis 18 beschrieben.

Hintergrund der Erfindung

Für viele Anwendungen ist Diamant ein höchst wünschenswertes Material als Beschichtung auf einem Substrat-Basismaterial. Allerdings kann die Anhaftung der Beschichtung an das Basis-Material, dort wo sie starken mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, versagen und ein Abblättern der Beschichtung daraus resultieren. So etwas passiert besonders bei Schneidwerkzeugen, die mit einer dünnen Schicht von CVD-Diamant beschichtet sind, um die Verschleißbeständigkeit zu verbessern.
Eines der wichtigsten Basismaterialien für verschiedene Arten von sowohl flachen als auch runden Schneidwerkzeugen ist Hartmetall wie z. B. Wolframkarbid. Wolframkarbid ist ein Verbund aus Wolframkarbid-Partikeln, die in eine Bindemittelmatrix aus Kobalt eingebettet sind. Dieses Material ist aufgrund seiner Härte besonders nützlich für Schneidwerkzeuge. Die Bereitstellung einer dünnen Diamantbeschichtung auf diesem Material wäre sehr vorteilhaft, weil es die Vorteile des viel härteren Diamants mit der überlegenen Zähigkeit des Wolframkarbid-Substrates kombinieren würde, was in einem Werkzeug resultieren würde, das sowohl sehr zäh als auch sehr hart sein würde. Allerdings ist bekannt, dass es sehr schwierig ist, Wolframkarbid mit CVD-Diamant derart zu beschichten, dass sowohl eine mechanische als auch chemische Anlagerung an das Wolframkarbid stattfindet, die so stark haftend ist, dass es sich eher während des Schneidens abnutzt, als dass es einfach von der Oberfläche abblättert. Die Schwierigkeit im Bereitstellen einer anhaftenden CVD- Diamantschicht auf Wolframkarbid wird im Allgemeinen der Anwesenheit von Kobalt zugeschrieben, das bei den erhöhten Temperaturen, die für die CVD-Diamant-Ablagerung benötigt werden, als Katalysator für die Umwandlung von Diamant zu graphitischem Kohlenstoff wirkt.
Es wurden bereits Versuche von anderen durchgeführt, um Kobalt von der Oberfläche, auf die der Diamant appliziert wird, zu verringern oder zu eliminieren, um die Anhaftung zu verbessern. Ein Ansatz war, etwas von dem Oberflächenkobalt mit Säure wegzuätzen. Dadurch könnte allerdings ein Teil der Wolframkarbid-Körner ohne ausreichenden mechanischen Halt am verbleibenden Verbundkörper zurückbleiben, um eine wirksame Bindung für den Diamant zu schaffen, der an der Oberfläche abgelagert wird. Ein anderer Ansatz bestand darin, eine Zwischenschicht aus einem Material bereitzustellen, wie z. B. aus einem Carbid-bildenden Metall, das sowohl an das Basismaterial als auch an den Diamant bindet. Für diese Zwecke kann Titan verwendet werden. Allerdings verkompliziert die Anwesenheit einer weiteren Zwischenschicht den Verarbeitungsprozess.
Es bedarf daher eines Verfahrens, das die Ablagerung der CVD-Diamant-Schicht direkt auf dem Substrat zulässt, insbesondere auf Wolframkarbid, so dass sich eine starke physikalische und chemische Bindung mit der Substratoberfläche bildet, um ein Abblättern unter schweren mechanischen Belastungen zu verhindern.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine schädliche Reaktion des Bindemittels mit dem abgelagerten Diamant kann verringert oder vollständig verhindert werden, indem die chemische Zusammensetzung des Bindemittels in mindestens einer Oberflächenregion des Substrates vor der Ablagerung des Diamants auf dem Substrat verändert wird. Im Fall von Wolframkarbid in einer Kobaltmatrix wird das Kobaltmatrix-Material in mindestens einer Region der Oberfläche des Substrates vorzugsweise passiviert durch eine Plasmabehandlung mit zugefügtem Kohlenstoff, mechanischen Abrieb oder anderen Formen der Karbonisierung, um die unerwünschte Reaktivität mit dem Diamant oder den Diamant-Wachstumsspezies in den Ablagerungsgasen und die resultierende Degradation des Diamants während des Ablagerungsprozesses zu reduzieren oder zu eliminieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht von einem Fragment eines Substrates aus einem Basis-Material, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit CVD-Diamant beschichtet wurde.

Detaillierte Beschreibung

Erfindungsgemäß wird ein Schneidwerkzeug-Einsatz 10, von dem ein Fragment in Fig. 1 gezeigt ist, das aus einem Basismaterial-Substrat 12 von kommerziell erhältlichem Wolframkarbid mit bis zu 6 Gew.-% Co des Bindemittels besteht und das eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von circa 1 bis circa 2 Mikrometer hat, zuerst so behandelt, dass eine Oberflächenregion 14 des Einsatzes 10 im wesentlichen mit Kohlenstoff gesättigt wird. Danach wird der Einsatz 10 mit einer dünnen Diamantfilmschicht 16 beschichtet, um seine Leistungsfähigkeit als Schneidwerkzeug zu verbessern.
Unter Drehen des A390 Al (18% Si) unter kontinuierlichen aggressiven Bedingungen (680 m/min, 0,2 mm/rev, 1,0 mm Schneidetiefe mit Kühlmittel) zeigten die Diamant beschichteten Einsätze WC-Co TPG321 und TPG322 eine Leistung, die gleich oder besser war als PCD- Werkzeuge dergleichen Geometrie.

Bereiten der Oberfläche vor der Ablagerung:

Das Material des Substrats 12 hat eine anfängliche Oberflächenrauheit von größer als 0,2 Mikrometer. Das Substrat 12 kann oder kann nicht gehont werden vor seiner Vor- Ablagerungs-Zubereitung. Das vorrangige Ziel des Honens wäre es, den Radius aller Schneidekanten des Werkzeuges vor der Diamantablagerung zu erhöhen, um die Schneidelast an dieser Kante zu verteilen. Zusätzlich kann eine solche Honbehandlung auch dazu dienen, um Oberflächen-Verunreinigungen von der Substratoberfläche zu entfernen, locker gebundenes WC-Material zu entfernen und/oder Fehler oder Splitter an den Schneidekanten und Spitzen der Werkzeuge zu entfernen, um eine geeignete Grundlage für die Diamantbeschichtung zu schaffen. In einigen Anwendungen kann das geometrische Resultat des Honprozesses von Vorteil oder auch nicht sein, während der mechanische Abrieb dieses Prozesses vorteilhaft für die Anhaftung des Diamantfilms sein kann, aus Gründen, die im Folgenden diskutiert werden.
Als nächstes wird das Substrat 12 gereinigt, indem es in einen Ultraschall-Reinigungsbehälter in ein Bad mit Entfettungslösung getaucht wird, das für circa 15 Minuten mit Ultraschall bewegt wird. Ein Beispiel für eine geeignete entfettende Lösung ist ein Volumen-Teil ESMA E484, ein kommerziell erhältliches Entfettungsmittel, vertrieben durch Esma Chemicals Inc., Highland Park, Ill. in 1994, in zwei Teilen deionisiertem Wasser. Nach den ersten 15 Minuten wird das Substratmaterial entfernt und mechanisch mit einem Wattestäbchen gereinigt, mit einem Teil Entfettungslösung, verdünnt mit 2 Teilen deionisiertem Wasser, bis keine Verunreinigungen mehr durch diesen Vorgang entfernt werden, wie es durch fehlende weitere Verfärbung des Wattestäbchens angezeigt wird. Das Substratmaterial wird dann wieder in ein sauberes Ultraschall-Bad mit Entfettungslösung getaucht, für zusätzliche 15 Minuten gereinigt, aus der ESMA E484 Lösung entfernt, sorgfältig gespült in einem Ultraschall-Bad mit reinem deionisiertem Wasser, und dann mit Stickstoff trocken geblasen.
Das nun saubere Substratmaterial wird in eine Lösung getaucht, die Raumtemperatur hat und aus 10 Vol.% konzentrierte Salpetersäure (69-71% Reinheit; spezifisches Gewicht 1,432 Gramm pro cm³) in deionisiertem Wasser besteht, und durch Ultraschall für circa 1 bis circa 15 Minuten bewegt, um etwas Kobaltbindemittel von der Oberflächenregion 14 bis zu einer Tiefe von circa 4 bis circa 15 Mikrometer zu entfernen.
Es ist entscheidend für die Leistung des Einsatzes 10, dass der Ätzvorgang nicht zu aggressiv ist. Ähnlicherweise ist es wichtig, dass genug Kobalt von der Oberflächenregion 14 entfernt wird, um sicherzustellen, dass die Anhaftung des abgelagerten Diamants nicht in kritischer Weise beeinflusst wird. Spezifische Details der Auswirkung der Ätztiefe auf die Leistung sind unten im Abschnitt "Beispiele" aufgeführt. Es kann von der jeweiligen Anwendung abhängen, wie die optimale Menge an Kobalt, die von der Oberflächeregion zu entfernen ist, zu definieren ist.
Für den interessanten Bereich der Ätztiefe scheint ein fast lineares Verhältnis zwischen der Ätztiefe und der Masse an Kobalt zu bestehen, die pro Flächeneinheit entfernt wird. Durch zu aggressives Ätzen, wie z. B. durch den Einsatz einer zu hoch konzentrierten Säure oder zu lange Ätzeinwirkungszeit, wird die freie Oberfläche des Substratmaterials freie oder locker gebundene WC Körner enthalten, die zu einer schwachen Grenzfläche zwischen dem Diamantfilm und dem Substrat führen. Zusätzlich ist bekannt, dass aggressives Ätzen die Bruchzähigkeit der freien Oberfläche des Werkzeuges so herabsetzt, dass die Kanten und Spitzen des Substrates spröde werden und nicht in der Lage sind, mehr intensive Schneidebelastungen einiger spezifischer Anwendungen zu tragen. Nach der Ätzbehandlung wird das Substratmaterial dann für 3-5 Minuten in reinem deionisierten Wasser gespült, wiederum in einem Ultraschall-Bad.
Als nächstes wird das Substratmaterial in eine Kristallkeim-Lösung (seed solution) aus 0,35 Gramm eines Diamant-Pulvers mit 0,1 Mikrometer-Durchmesser in 100 ml Isopropylalkohol gegeben und für 20 Minuten mit Ultraschall vibriert. Danach wird es wieder mit deionisiertem Wasser gespült, um überschüssige Kristallkeim-Lösung zu entfernen, und mit Stickstoff trockengeblasen.

Diamant-Ablagerung

Die Diamant-Ablagerung wird in einem 2,45 GHz oder 915 MHz Mikrowellen Plasma CVD- Reaktor des Typus durchgeführt, der zum Beispiel beschrieben ist im U.S.-Patent 4,777,336, bei einer Temperatur von 750ºC bis 950ºC unter Einsatz verschiedener Konzentrationen Methan in Wasserstoff, von 0,5 Vol.-% bis zu 2,0 Vol.-%, gemessen durch Massenstrom. Das Substratmaterial kann oder kann nicht während des Erhitzens bis zur Ablagerungstemperatur in aktiviertem molekularen Wasserstoffplasma ausglühen. Die Ausglühungszeit (annealing time), genauso wie die Temperatur, bei der Methan in die Reaktionskammer eingeführt wird, beeinflusst unmittelbar die Kernbildungsdichte. Die Ablagerung im Gleichgewichtszustand dauert für eine Zeit an, die ausreicht, dass ein Diamantfilm mit einer Dicke von zwischen 10 und 50 Mikrometer erzielt wird.
Es wird davon ausgegangen, dass spezifische Eigenschaften des Diamantfilms entscheidend für eine annehmbare Leistung des fertigen Diamant beschichteten Werkzeugs 10 sind. Der annehmbare Bereich für diese bestimmten Eigenschaften kann Anwendungs-abhängig sein. Eine nachsichtigere Anwendung wird eine weniger strenge Definition erfordern, während aggressivere Anwendungen die Aufmerksamkeit auf spezifische Details erfordern. Während alle diese Eigenschaften nicht unbedingt in direktem Bezug zum Grad der Anhaftung des Diamants an das Substrat des Produktes stehen, können sie nichtsdestotrotz die allgemeine Leistung des Werkzeuges in der spezifischen Anwendung beeinflussen.
Eine niedrige Methankonzentration von z. B. weniger als 1% Methan in Wasserstoff, resultiert in einem gut abgeschrägten (well-faceted), hoch sp3-gebundenen polykristallinen Diamantfilm. Während diese Art von Film sehr fest ist, sorgen die gut abgeschrägten, großen Diamantkristalle für eine relativ raue Schneidekante und -oberfläche.
Eine glattere Schneideoberfläche würde wahrscheinlich den Vorteil einer niedrigeren Reibungswärme mit sich bringen, weniger Materialansammlung während des Schneidens, und auch, vielleicht, ein überlegenes Ergebnis des Werkstückes in einigen Anwendungen. Die glattere Schneideoberfläche kann durch Erhöhung der Methankonzentration während der Ablagerung erreicht werden, um über eine Grundschicht von größeren, gut abgeschrägten Kristallen eine Diamantschicht aus kleineren Mikrokristallen abzulagern. Das kann zu einer hohen Qualität/hohen Festigkeit, einer spannungunterstützenden Grundlage an der Diamant/Substrat -Grenzfläche und einer glatteren, mikrokristallinen Schneideoberfläche führen.
In der Praxis wird die Methankonzentration stufenweise während der Ablagerung von niedrig (weniger als 1%) nach hoch (2% oder höher) erhöht. Das wird gemacht, um sicherzustellen, dass der Übergang von den gut abgeschrägten, größeren Kristallen zu den Mikrokristallen zu einer glatten Oberfläche führt. Außerdem führt eine niedrigere Methankonzentration zu einem langsameren Wachstum, aber zu einer besseren Diamantqualität mit einer höheren Zugfestigkeit an der Grenzfläche und führt wahrscheinlich aus diesem Grund zu einer stärkeren Anhaftung. Die Niedrig-Methan-Bedingungen fördern auch die Karbonisierung des Kobalts in der Oberflächenregion des Substrates, bevor die effektive Kernbildung des Diamants stattfindet.
Nach einer Ablagerungszeit, die lang genug ist, um eine Schichtdicke von zwischen I O und 50 Mikrometer sicherzustellen, wird das Substrat bei der Ablagerungstemperatur für circa eine halbe Stunde in einem Wasserstoffplasma ausgeglüht. Danach wird es langsam bei circa 500ºC über einen Zeitraum von circa 40 Minuten abgekühlt, indem der Kammerdruck erniedrigt wird, um die Leistungsdichte des Plasmas zu verringern. Zu dem Zeitpunkt wird das Plasma abgeschaltet und das Substrat kann auf Raumtemperatur abkühlen. Der Ausglühschritt kann alternativ zum Teil durchgeführt werden, indem die Mikrowellenleistung allmählich erniedrigt wird oder der Druck der Ablagerungskammer allmählich erniedrigt wird oder beides. Alternativ kann auch ein aktives Heizgerät verwendet werden, um die Temperatur des Substrates langsam zu erniedrigen.

Beispiel 1:

Ein Wolframkarbid (6 Gew-% Kobalt)-Schneidwerkzeug-Einsatz des Typs TPG321 VC2 WC-Co, hergestellt von GTE-Valenite Corporation, wurde zu einem Kantenradius von circa 35 Mikrometer gehont, nach der oben beschriebenen Methode gereinigt und für 10 Minuten nach der oben beschriebenen Methode geätzt. Kobalt wurde zu einer Tiefe von circa 9 Mikrometer im WC-Co-Substrat entfernt, und dann wurde das Substrat nach der oben beschriebenen Methode geimpft. Das Substrat wurde mit einer Diamantschicht zu einer Dicke von etwa 19 Mikrometer beschichtet unter Benutzung eines Mikrowellen Plasma-verstärkten CVD (chemische Dampfablagerung, chemical vapor deposition) bei einer Leistung von circa 700 Watt wie oben beschrieben und unter Einsatz der folgenden Methankonzentrationen: 0,5 % für die ersten 15 Stunden, 1,0% für die nächsten 15 Stunden und 2% für die letzten 15 Stunden. Die durchschnittliche Ablagerungs-Substrattemperatur betrug circa 860ºC.
Der daraus resultierende beschichtete Einsatz wurde dann in einer drehenden Anwendung auf A390 Qualität Hochsilizium Aluminium (18% Si) unter den folgenden Bedingungen getestet: 680 m/min. 0,2 mn/rev, 1,0 mm Schneidetiefe unter Benutzung eines flüssigen Kühlmittels. Die Leistung des beschichteten Einsatzes wurde mit der eines ähnlichen Einsatzes verglichen, dessen Oberfläche nicht behandelt und nicht mit Diamant beschichtet worden war. Jede Probe wurde für 5 Minuten getestet, und die daraus resultierende Abnutzung wurde gemessen. Das Bewertungskriterium war eine gemessene Flankenabnutzung (flank wear) von circa 0,015 in. (0,38 mm). Die unbeschichtete WC-Co hielt weniger als 5 Sekunden mit einer Abnutzung von circa 0,016 in. (0,41 mm). Der Einsatz, der erfindungsgemäß mit Diamant beschichtet worden war, zeigte eine gemessene Flankenabnutzung von nur circa 0,0056 in. (0,0142 cm) und war noch nicht durch die Diamantschicht bis zum Substrat abgenutzt.

Beispiel 2:

Ein Schneidwerkzeug-Einsatz des Konfigurationstyps TPG321 (Probe (A)) und ein anderer des Typs TPG 322 (Probe B) des selben Wolframkarbidmaterials wie der Einsatz aus Beispiel 1 wurden nach der in Beispiel 1 beschriebenen Methode hergestellt. Die Probe A wurde mit einer Schichtdicke von circa 20 Mikrometer beschichtet, während Probe B mit einer Diamantflmdicke von circa 25 Mikrometer beschichtet wurde. Beide Proben wurden in einer Drehoperation unter Verwendung von A 390 Aluminium (18% Si) in einer unterbrochenen Oberflächenoperation (facing operation) mit den folgenden Eigenschaften getestet: ein 14 cm Durchmesser Log mit zwei 1,2 cm breiten, sich axial erstreckenden, gegenüberliegenden Schlitzen im Perimeter und einer Geschwindigkeit im äußeren Durchmesser von circa 1000 m/min, einer Geschwindigkeit im inneren Durchmesser von circa 180 m/min. einer Vorschubgeschwindigkeit von circa 0,2 mm/rev und einer Schneidetiefe von circa 1,0 mm.
Probe (B) wurde für 150 Durchgänge getestet und entfernte circa 130 Kubik-Inches Material. Die Flankenabnutzung in diesem Test betrug circa 0,0034 in. (0,0086 cm). Weder Probe (A) noch Probe (B) waren als Ergebnis des Testes bis durch die Diamantschicht abgenutzt.
Es wurde herausgefunden, dass es für das Erzielen der Anhaftung der Diamantschicht an die Substratoberfläche aus Wolframkarbid von Vorteil ist, das Oberflächen-Kobalt- Matrixmaterial zu karbonisieren, um es chemisch zu stabilisieren und das Oberflächen-Kobalt durch Gas-vermittelte Methoden zu entfernen, anstelle von Nassätzen wie in den Beispielen 1 und 2. Nassätzen neigt in gewissem Ausmaß zum Unterätzen von Oberflächen- Wolframkarbid-Körner, wodurch ihre Anlagerung an die unterliegende Masse geschwächt wird. Darüber hinaus neigt das Nassätzen dazu, einige Phasen schneller als andere wegzuätzen, da die Kobaltmatrix nicht vollständig homogen ist, sondern unterschiedliche Phasen aus Wolfram-, Kohlenstoff und Kobalt-Kombinationen einschließt, besonders an der Grenzfläche zwischen den Wolframkarbid-Körnern und der Kobaltmatrix, was zu einer porösen Matrixstruktur zwischen den Wolframkarbid-Körnern der Oberfläche führt. Das schwächt auch die Befestigung der Wolframkarbid-Körner an das Material der darunter liegenden Masse und reduziert die Fähigkeit des auf der Oberfläche abgelagerten Diamants, fest an diese anzuhaften. Andererseits resultieren Gas-unterstützte Methoden zum Entfernen der Oberflächenmatrix in viel weniger Unterätzen und sie sind weniger selektiv bei der Entfernung der Kobaltmatrixphasen. Die Beispiele 3 und 4 unten verdeutlichen erfindungsgemäße Gas-unterstützte Kobaltentfernungsmethoden.

Beispiel 3:

Ein Wolframkarbid-Schneidwerkzeugeinsatz mit Kobaltmatrix des Konfigurations-Typs TPG321, dessen Oberfläche geschliffen sein kann oder nicht, um ihre Rauheit zu erhöhen, hat eine karbonisierte Matrix und wenigstens im Wesentlichen das gesamte Oberflächenkobalt, das ist das Kobalt auf der exponierten Oberfläche der Wolframkarbidkörner, wird durch Behandlung in einem Ofen entfernt. Der Einsatz wird in einen Behälter aus porösem Graphitfilz (graphite felt) in Innern eines Ofens, gefüllt mit Stickstoff bei einem Druck von circa zwischen circa 0,5 und 2 Ton, gegeben. Eine kolloidale Graphitbeschichtung wird auf die Oberfläche aufgetragen, auf die der Einsatz gegeben wird, um einem Ankleben vorzubeugen. Der Ofen wird auf eine Temperatur von circa 1500ºC für circa 0,5 Stunden gebracht und dann ausgeschaltet, um wieder annähernd auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von circa 2 Stunden abzukühlen. Während der Behandlung im Ofen, löst sich Kohlenstoff, der aus dem Graphitbehälter sublimiert, in der Kobaltmatrix, um sie zu karbonisieren, um der Bildung von brüchigen Phasen vorzubeugen und um ansonsten das Kobalt chemisch zu stabilisieren. Zur gleichen Zeit wird das Kobalt, das auf den Oberflächenkörnern von Wolframkarbid und in der flachen Oberflächenregion zwischen diesen anwesend sein kann, durch Verdampfung in diesem Prozess entfernt, um gereinigte Wolframkarbidkörner für die Diamantbeschichtung freizulegen, und um die Gesamtoberfläche von Kobalt zu minimieren, die bei dem Diamantschicht-Wachstumsprozess ausgesetzt ist. Zusätzlich erfolgt etwas Sintern der Oberflächen-Wolframkarbidkörner und führt zu einem Kornwachstum, das eine größere Oberflächenrauheit liefert, um die Festigkeit der Wolframkarbidverbund- Grenzfläche mit dem Diamant zu erhöhen.
Der Einsatz wird dann aus dem Ofen entfernt und mit einer Diamantschicht durch CVD in einem Bogenstrahl - wie oben beschrieben wurde - beschichtet. Der Diamantbeschichtungsprozess wird bei einer Methankonzentration von 0,4% für circa 40 Minuten begonnen, um günstigste Bedingungen für die Diamantkernbildung bereitzustellen, dann für die verbleibende Ablagerungszeit von circa 180 Minuten bis zu einer Diamantschichtdicke von 15-25 Mikrometer auf 0,11% bis 0,12% gesenkt.

Beispiel 4:

Ein Wolframkarbid-Schneidwerkzeugeinsatz mit Kobaltmatrix der Konfiguration des Typs TPG321 wird in einen Ofen gelegt - wie oben in Beispiel 3 - aber mit einer Wasserstoffgasatmosphäre anstatt Stickstoff. Der Rest des Vorgangs ist ähnlich wie der aus Beispiel 3. Der Wasserstoff beschleunigt die Entfernung des Oberflächenkobalts durch die Bildung von Kobalthydriden, die aus dem Ofen als Gas entfernt werden.

Beispiel 5:

In einem besonders vorteilhaften Prozess sowohl für das Karbonisieren der Kobaltmatrix des Wolframkarbid-Schneidwerkzeugs als auch die Entfernung der Oberflächenkobaltmatrix wird ein Wolframkarbid-Schneidwerkzeugeinsatz mit einer Kobaltmatrix der Konfiguration des Typs TPG321 in die Ablagerungskammer eines Bogenstrahls oder eines anderen Plasmastrahls bei einem Druck von circa 10 Torr in einer Wasserstoffatmosphäre gegeben. Die Oberfläche des Einsatzes kann oder kann nicht vorher geschliffen worden sein, um die Oberfläche aufzurauen. Die Oberfläche des Einsatzes wird mit einem Plasmastrahl behandelt und bei einer Temperatur von circa 1200 bis 1350ºC für circa 0,5 Stunden unter Kontrollieren der Leistung des Plasmagenerierenden Apparates gehalten. Während dieser Zeit wird Methan zum Wasserstoff zugefügt in einer Konzentration von 0,1% oder weniger für 5 Minuten alle 5 Minuten, dann für 5 Minuten ausgeschaltet. Das zugefügte Methan unterdrückt die Bildung der Eta-Phase im Kobalt. Es wird auch vermutet, dass die Lösung des Wasserstoffs im Kobalt die Schmelztemperatur des Kobalts reduziert und dadurch zu einer viel schnelleren Verdampfung führt, als wenn kein Wasserstoff anwesend wäre. Es kann sich auch etwas Kobalthydrid als Gas bilden, wodurch die Kobaltentfernung beschleunigt wird. Danach wird die Oberfläche des Einsatzes mit dem Diamantfilm beschichtet. Die Diamantbeschichtung kann in einem anderen oder in dem gleichen System durch Bogenstrahlablagerung - wie oben beschrieben - durchgeführt werden.
Ein ausgewiesener Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Ablagerungsrate des Bogenstrahls so hoch ist, dass nicht genügend Zeit für das Kobalt bleibt, in den wachsenden Diamanten zu diffundieren und an der Grenzfläche Graphit zu bilden, insbesondere weil Kobalt durch die Karbonisierung mit Methan chemisch stabilisiert worden ist. Die Vor-Ablagerungsbehandlung kann bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, weil die Zeit zu kurz ist, um zu degradierenden Veränderungen in der Kobaltmatrix zu führen. Weiterhin kann die Zeit für die Entfernung des Oberflächen-Kobalts so kurz gehalten werden, dass kein signifikantes Kornwachstum in den Oberflächen-Wolframkarbid-Körnern stattfindet. Sollte allerdings ein Kornwachstum erwünscht sein, um die Rauheit der Oberfläche zu erhöhen, kann das durch eine Verlängerung der Hitzebehandlungszeit und einer entsprechenden Temperaturerniedrigung erzielt werden. Wenn zum Beispiel vor der Diamantbeschichtung der Einsatz für circa 0,5 Stunden einem Plasmastrahl in Wasserstoff ausgesetzt wird und bei einer Temperatur von circa 1300 bis circa 1400ºC gehalten wird, führt dies zu einem signifikanten Kornwachstum.

Allgemeine Betrachtungen

Wie oben diskutiert können einige Eigenschaften des Diamant-beschichteten WC-Co- Einsatzes ein Spektrum von akzeptablen Werten haben. Der optimale Wert für besondere Eigenschaften kann allein von einer besonderen Anwendung abhängen, in der das Diamantbeschichtete Werkzeug eingesetzt wird. Es folgt eine Zusammenfassung der annehmbaren Bereiche einiger entscheidender Parameter und die Beschreibung der Auswirkung der Variation des Wertes innerhalb des Bereichs.
Es gibt einige Hinweise, dass das Substrat eine Vor-Ablagerungs-Oberflächen-Rauheit von mehr als circa 0,064 Mikrometer haben sollte. Die Rauheit der Vor-Ablagerungs-Oberflächen der oben erwähnten Beispiele beträgt zwischen 0,2 und 0,4 Mikrometer. Die erhöhte Rauheit verbessert die Anhaftung des Diamants.
Das Schleifen scheint die Anhaftungsstärke der Diamantschicht nicht zu beeinflussen. Jedoch beeinflusst der Honradius die Oberflächenfertigstellung des Werkstückes. Zusätzlich, so scheint es, basierend auf einigen Oberflächenbeobachtungen des Einflusses des Nassätzens auf das Aussehen der Substratoberfläche, dass es einen verborgenen Effekt geben könnte aufgrund mechanischer Behandlung des Substrats. Die Untersuchung mehrerer Proben scheint den Hinweis zu geben, dass die Anhaftung optimal ist an der Schneidekante des Diamantbeschichteten WC-Schneidwerkzeuges in einer Region, die direkt korrelliert mit der Region, die durch den mechanischen Abrieb des Honprozesses beeinflusst wird. Sowohl das Nassätzen als auch die Kobaltdiffusion werden in dieser Region beeinflusst. Es scheint, dass die mechanische Behandlung die Oberfläche derart abschleift, dass eine aktive Barriere für die Kobaltmobilität gebildet wird.
Proben, die gehont, gereinigt und geimpft, aber nicht nach der oben beschrieben Methode geätzt wurden, um das Oberflächen-Kobalt zu entfernen, blätterten beim Herausnehmen aus der Ablagerungskammer ab. Es wird davon ausgegangen, dass die minimale Menge des Kobalt-Bindemittels, die vom Substrat entfernt wird, Anwendungs-abhängig ist. Für das kontinuierliche Drehen des A390 oder A356 A1 zum Beispiel ist die vom Substrat vor der Ablagerung entfernte Menge Kobalt vielleicht nicht so entscheidend, wie die entfernte Menge in einem Werkzeug, das für abrasive unterbrochene Schneidevorgänge wie zum "milling" verwendet wird. Überätzung des Substratmaterials kann sowohl Brüchigkeit der Grenzfläche als auch die Produktion lockeren WC-Materials an der Grenzfläche zur Folge haben, was zu einer schwachen Grundlage für die Diamantschicht führt. Ausreichende Karbonisierung des Materials der Oberflächenregion des Substrates kann die Notwendigkeit zu ätzen insgesamt beseitigen.
Die Methankonzentration beeinflusst unmittelbar die Kernbildung der Diamantschicht. Ein verknüpfter Effekt scheint vorzuliegen zwischen der Methankonzentration, dem Impfprozess, der Substrat-Ablagerungstemperatur und dem Vorablagerungs-"ramp"-Verfahren. Im Allgemeinen wird eine hohe Kernbildung für "abrasive" Anwendungen bevorzugt. In der Dreh-Anwendung, wie oben in Beispiel A beschrieben, wurde kein Unterschied in der Leistung festgestellt zwischen den Proben, deren Diamantschicht unter Bedingungen gewachsen war, die eine niedrige Kernbildungsdichte erzielen (circa 10&sup4; pro Quadrat cm), und Proben, deren Diamantschicht unter Bedingungen gewachsen war, die höhere Kernbildungsdichten erzielten (circa 10&sup9; pro Quadrat cm).
Die Substrattemperatur während der Ablagerung ist wichtig. Bei Substrattemperaturen im Übermaß von circa 950ºC wird die Kernbildungsdichte entscheidend beeinflusst, und daraus resultiert eine diskontinuierliche Schicht. Bei Temperaturen unter circa 760ºC ist die Ablagerungsrate extrem niedrig.
Während vorläufige Untersuchungen den Anschein geben, dass der Impfschritt nicht entscheidend für die Leistung war, wurde in Kernbildungsuntersuchungen beobachtet, dass die Kernbildung durch das Weglassen des Impfschrittes dramatisch beeinflusst wurde.
Für die meisten Anwendungen von Schneidwerkzeugen sollte die Diamantschicht mindestens circa 6 Mikrometer dick sein. Typischerweise liegt die Dicke im Bereich von 10 bis 25 Mikrometer. Die Werkzeug-Lebensdauer steigt im Allgemeinen mit zunehmender Schichtdicke.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere für Diamantbeschichtete Kobalt-gebundene Wolframkarbid-Substrate nützlich ist, können andere Verbunde, wie Wolframkarbid in einer anderen Metall-Matrix oder eine andere Keramik in einer Kobalt-Matrix ähnliche Neigungen zeigen, den Diamant zu degradieren, und könnten deshalb von dieser Erfindung profitieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung der Oberfläche eines Verbundkörpers, vor dem Ablagern von Diamant auf der Oberfläche, wobei der Verbundkörper Partikel umfasst, die in ein Bindemittel eingebettet sind, das Verfahren umfassend:

- Passivieren des Bindemittels in mindestens einer Region der Oberfläche des Körpers zu einem ausreichenden Grad, um die chemische Abscheidung eines Diamantfilms aus der Gasphase auf den Körper zu erlauben, ohne signifikanten chemischen Abbau des Diamants durch das Bindemittel und anschließend

- Entfernen des Bindemittels von der Oberfläche der exponierten Partikel durch gasunterstützte Verdampfung, wobei das passivierte Bindemittel an der Oberfläche zwischen den exponierten Partikeln belassen wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die gasunterstützte Verdampfung das Erhitzen des Körpers in einem Ofen in einer überwiegend aus Inertgas bestehenden Atmosphäre bei einem Druck von zwischen 0,5 Torr und 2 Torr einschließt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Atmosphäre Kohlenstoffdampf einschließt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Kohlenstoffdampf aus der Verdampfung aus einer festen Kohlenstoffquelle innerhalb des Ofens geliefert wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Erhitzen für eine Zeitdauer von zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 2 Stunden erfolgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Verdampfung durchgeführt wird, indem die Oberfläche des Körpers mit einem Plasma in einer Atmosphäre aus elementarem Wasserstoff behandelt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Wasserstoff unter einem Druck von ca. 5 Torr bis ca. 100 Torr steht.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Plasmabehandlung durch einen Plasmastrahl durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Plasmabehandlung ca. 0,5 Stunden andauert und die Temperatur des Körpers bei zwischen ca. 1200 und ca. 1400ºC gehalten wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8, umfassend ein signifikantes Wachstum der Partikel als Ergebnis des Sinterns der Partikel.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Plasmabehandlung durch einen Plasmastrahl durchgeführt wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Plasmastrahl ein Gleichstrombogenstrahl ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, umfassend das Beschichten des Körpers mit einem Diamantfilm in derselben Apparatur, die für die Plasmabehandlung benutzt wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Plasmabehandlung für ca. 0,5 Stunden andauert und die Temperatur des Körpers bei zwischen ca. 1350 und ca. 1450ºC aufrechterhalten bleibt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, umfassend ein signifikantes Wachstum der Partikel als Ergebnis des Sinterns der Partikel.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Plasmabehandlung durch einen Plasmastrahl durchgeführt wird.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Plasmastrahl ein Gleichstrombogenstrahl ist.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, umfassend das Beschichten des Körpers mit einem Diamantfilm in derselben Apparatur, die für die Plasmabehandlung benutzt wird.