DE69823495T2

DE69823495T2 - Beschichtung eines karbidverbundkörpers oder eines karbidenthaltenden cermets mit hartem material

Info

Publication number: DE69823495T2
Application number: DE69823495T
Authority: DE
Inventors: Antonius Leyendecker; Oliver Lemmer; Martin Frank
Original assignee: Cemecon AG
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: DK1408138T3; JP2001511219A; AU6294998A; IL131225A; EP1408138A1; JP4295830B2; EP0975820B1; US6268045B1; DE69823495D1; IL131225A0; DE69838006D1; EP1408138B9; EP1408138B1; WO1998035071A1; DE69838006T2; EP0975820A1; ATE365815T1; ATE265556T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit einem Hartstoff, insbesondere Diamant, beschichtetes Bauteil, beispielsweise ein Werkzeug und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Hochleistungswerkzeuge zur spanenden und spanlosen Umformung zu bearbeitender Bauteile bestehen aus einem Hartmetall- oder Cermet-Substratmaterial und einer verschleißarmen Hartstoffschicht, die auf das Substratmaterial aufgebracht ist.
Diese Substratmaterialien bestehen aus Carbiden, denen beispielsweise Nitride o. ä. beigemischt sein können und die in einer metallischen Matrix (beispielsweise Kobalt und/oder Nickel und/oder Eisen) eingebettet sind, beispielsweise WC mit 0,2 bis 20 Gew.-% Co.
Als Material für die auf das Substratmaterial aufgebrachten Schichten werden für besonders leistungsfähige Werkzeuge feinkristalline Substanzen, wie Diamant, eingesetzt. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, solche Diamantschichten haftfest auf den Substratmaterialien aufzubringen.
Zur Verbesserung der Haftfestigkeit einer solchen Diamantschicht sind viele Anstrengungen unternommen worden, wobei recht divergierende Lösungsprinzipien auf ihre Leistungsfähigkeit zur Verbesserung der Haftfähigkeit untersucht wurden.
So werden in der EP 0 384 011 A1 und in der WO 95/15258 zwei völlig gegenläufige Lösungen vorgeschlagen.
In der EP 0 384 011 A1 wird ein Diamant-Beschichtungsverfahren beschrieben, mit dem die vorhandene Kornstruktur des Substratmaterials durch eine thermische Behandlung an der Oberfläche feiner gestaltet wird, um eine Keimbildung für eine Beschichtung mit Diamant an den Korngrenzen des Substrates zu fördern und damit eine bessere Haftung der aufgebrachten Diamantschicht zu erzielen.
Es wird von Substraten ausgegangen, deren Korngröße im Bereich von 1 bis 4 μm liegt. Nach einer thermischen Behandlung wird eine Oberflächenschicht des Substratmaterials erzielt, die sich durch eine Korngröße von etwa 0,3 μm auszeichnet, also als feinkörnig zu bezeichnen ist. Zur Verbesserung der Haftfähigkeit wird vorgeschlagen, diese Korngröße der Oberflächenschicht noch weiter zu vermindern, da angenommen wurde, daß eine weitere Abnahme der Korngröße zu einer Erhöhung der Keimbildung führe. Die Haftfähigkeit der Diamantschicht bei in dieser Weise hergestellten Werkzeugen hat sich jedoch nicht als ausreichend erwiesen.
In der WO 95/15258 wird vorgeschlagen, eine mechanische Verklammerung der Diamantschicht mit der Substrat-Oberflächenschicht zu erreichen, und zwar, entgegen der Aussage aus der oben diskutierten EP 0 384 011 A1 , durch Erhöhen der Korngröße der Oberflächenschicht mittels einer thermischen Behandlung.
Dazu wird von Substratmaterialien ausgegangen, die bereits eine relativ hohe Korngröße von 1 bis 6 μm aufweisen. Eine zufriedenstellende Haftfähigkeit der Diamantschicht wird erst bei einer Korngröße der Substrat-Oberflächenschicht von mindestens 15 μm erreicht.
Es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die hohe Korngröße von mehr als 15 μm der Oberflächenschicht des Substratmaterials nur eine geringe Güte der Oberfläche der Diamantschicht erlaubt, denn die Tiefenstruktur der Oberflächenschicht des Substrats schlägt sich auf die Eigenschaften der aufgebrachten Diamantschicht, insbesondere deren Rauheit, nieder und führt zu einer Vergröberung und Gratbildung an beispielsweise Schneidecken. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß insbesondere im Bereich der Metallzerspanung Substratmaterialien eingesetzt werden, deren Korngrößen kleiner als 1 μm sind. Diese zeichnen sich dadurch aus, daß die Zähigkeit der Substrate mit kleinerer Korngröße zunimmt. Insbesondere sind so geringe Korngrößen von 10 bis 500 nm bereits herstellbar und weisen für einen Einsatz als Schneidwerkzeuge hervorragende Materialeigenschaften auf. Solche Ausgangs-Substratmaterialien können gemäß der WO 95/15258 nicht mit einer ausreichend haftfesten Diamantbeschichtung versehen werden.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Prozeßtemperatur bei der thermischen Behandlung der Substrate, die zu den genannten Korngrößen führt. Die Prozeßtemperatur liegt im Bereich von 1500°C.
Diese hohe Temperatur liegt nahe der Sintertemperatur üblicher Substratmaterialien und hat damit den Nachteil, daß Werkzeuge Form- und Maßtoleranzen, zu deren Einhaltung sie gefertigt wurden, verlieren.
Hinsichtlich der Durchführung eines Gesamtverfahrens beispielsweise für eine Diamantbeschichtung war es bisher üblich, die Vorbehandlung des Substrates und dessen Beschichtung in zwei verschiedenen Reaktoren durchzuführen, so daß mehrere Vorrichtungen erforderlich waren. Die Vorbehandlung erforderte, wie beispielsweise auch bei der WO 95/15258, eine Auslegung eines der Reaktoren als Ofen für höhere Temperaturen oder für eine naßchemische Vorbehandlung, beispielsweise zur Entfernung des Binders aus den Substraten. Bisher war es nicht möglich, sämtliche Vorbehandlungs- und Beschichtungsschritte eines Substrates in einer Vorrichtung ohne Umbauten durchzuführen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, bei dem eine Hartstoffschicht mit hoher Oberflächenqualität gute Haftung am Substrat aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Bauteil nach Anspruch 16 gelöst. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil, insbesondere Werkzeug, mit einem inneren Hartmetall- oder Cermet-Substratmaterial und einer äußeren Hartstoffschicht, wobei die Korngröße des inneren Substratmaterials kleiner als 1 μm ist, die Oberflächenschicht des Substratmaterials eine Korngröße kleiner als 10 μm und vorzugsweise eine Oberflächenrauheit R_z kleiner als 0,7 μm hat und die Oberflächenrauheit R_z der Hartstoffschicht kleiner als etwa 5 μm ist, bevorzugt bis zu 0,3 μm beträgt.
Ein solches Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, daß, beispielsweise im Bereich der Metallzerspanung, üblicherweise eingesetzte Substratmaterialien mit entsprechend geringer Korngröße verwendet werden können. Durch Bereitstellen einer Oberflächenschicht des Substratmaterials mit einer Korngröße kleiner als 10 μm, beispielsweise bis zu 1 μm, wird dieser Oberflächenschicht eine Struktur verliehen, die eine mechanische Verklammerung mit einer Hartstoffschicht, beispielsweise einer Diamantschicht, erlaubt, wobei die Korngröße der Oberflächenschicht grundsätzlich größer als die Korngröße des inneren Substratmaterials ist.
Neben Diamant als Hartstoff-Material sind auch Materialien wie kubisches Bornitrid, Al₂O₃ oder andere Hartstoffe, wie Verbindungen mit Metallen der IV-ten bis VI-ten Nebengruppe des Periodensystems, einsetzbar, für deren Haftung auf einem Substrat eine mechanische Verklammerung mit der Oberflächenschicht notwendig ist.
Neben der Verklammerung der Hartstoffschicht mit der Ober flächenschicht des Substrats wird aufgrund der für die Oberflächenschicht gewählten Korngröße eine Oberflächenrauheit der Hartstoffschicht ermöglicht, die derart kleine Werte annehmen kann, daß eine qualitativ hochwertige Bearbeitung mit derart hergestellten Werkzeugen gestattet wird.
Bevorzugt hat die Oberflächenschicht des Substratmaterials eine Dicke von 1 bis 50 μm, besonders bevorzugt von 5–10 μm. Für Werte über 10 μm kann eine mehrlagige Schicht mit bestimmter Korngröße erzeugt werden.
Vorzugsweise hat im Falle von Diamant, aber auch bei anderen Beschichtungsmaterialien, die Hartstoffschicht eine Dicke von bis zu 50 μm, bevorzugt bis zu 20 μm und besonders bevorzugt bis zu 15 μm. Dieser Wert hängt von der jeweiligen Anwendung des Bauteiles oder Werkzeuges ab. Diese Dicke bezieht sich auf den Abstand der äußeren Oberfläche der Hartstoffschicht zur Oberfläche des Substrates und berücksichtigt damit nicht den in das Substrat hineinreichenden Anteil der Hartstoffschicht.
Zur Herstellung eines solchen mit einem Hartstoff-Material beschichteten Werkzeugs ist ein Verfahren geeignet, umfassend die Schritte

a) Einbringen eines feinkörnigen Hartmetall- oder Cermet-Substrates, das Karbide aufweist, in eine Vakuumanlage mit einer Heizeinrichtung und mindestens einem Gaszuführungsanschluß;
b) Entfernen von Kohlenstoff aus den Karbiden der Oberflächenschicht des Substrates bei einer Substrattemperatur von 900°C bis 1400°C und bei einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre;
c) Erhöhung der Korngröße der Oberflächenschicht des Substra tes durch Einbringen von Kohlenstoff in die Oberflächenschicht des Substrates bei einer Substrattemperatur von 1200 bis 1400°C und bei einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre und
d) Beschichtung des Substrates mit dem Hartstoff-Material bei einer Substrattemperatur von 700°C bis 1100°C.

Dieses Verfahren wird nachfolgend genauer erläutert.
Nach dem Einbringen des Substrates, das bevorzugt eine Korngröße kleiner als 1 μm hat, in die Vakuumanlage wird zunächst ein Prozessschritt ausgeführt, bei dem Kohlenstoff bei einem ersten Glühvorgang aus einer Oberflächenschicht des Substrates, die beispielsweise 1–50 μm, bevorzugt 5–10 μm, dick ist, entfernt wird. Dazu wird das Substrat mittels der Heizeinrichtung, beispielsweise einem Heizleiter, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 900°C bis etwa 1400°C aufgeheizt, die deutlich niedriger als übliche Sintertemperaturen von oben genannten Substraten liegt. Aufgrund unterschiedlicher Substratmaterialien können sich geringfügig andere Temperaturbereiche ergeben. Somit ist es möglich, beispielsweise die Maßtoleranzen des als Werkzeug gefertigten Substrates beizubehalten, die bei seiner Herstellung vorgesehen waren.
Durch die thermische Behandlung des Substrates in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird den Karbiden der Oberflächenschicht Kohlenstoff entzogen und ggf. vorhandener freier Kohlenstoff erheblich vermindert.
Für das Beispiel von WC in Co als Binder finden bei den vorgesehenen Prozeßbedingungen u. a. Reaktionen der folgenden Art statt: xWC + yCo + zO → W_xCo_yC_x–z + zCO.
Der Kohlenstoff reagiert somit zu Kohlenstoffoxiden, die die Oberflächenschicht verlassen. Gleichzeitig bilden sich sogenannte eta-Phasen aus WCo-Doppelkarbiden unterschiedlichen Gehalts an Einzelelementen, die sich nach Beendigung dieses Prozeßschrittes in der Oberflächenschicht anreichern. Die nunmehr von der Oberflächenschicht eingenommene Form weist eine sehr geringe Rauhigkeit auf, die für eine mechanische Verklammerung mit beispielsweise einer Schicht aus Diamant, kubischem Bornitrid, Al₂O₃ oder Verbindungen mit Metallen der IV-ten bis VI-ten Nebengruppe des Periodensystems ungeeignet ist.
Im nachfolgenden Prozeßschritt, der ebenfalls im Vergleich zum Stand der Technik, beispielsweise aus der WO 95/15258, bei einer niedrigen Prozeßtemperatur stattfindet, wird der Oberflächenschicht bei einem zweiten Glühvorgang Kohlenstoff zugeführt, wobei vermutlich die oben für das Beispiel WC mit Co genannte Reaktion umgekehrt abläuft, so daß ein Umkristallisierungsprozeß stattfindet. Es wird eine einseitige Stoffdiffusion in Gang gesetzt, die von den feinsten Körnern zu den größeren hin gerichtet ist. Aufgrund dessen wird die Oberflächenschicht des Substratmaterials umgebildet, wobei die Korngröße im Bereich der Oberflächenschicht so weit zunimmt, daß eine mechanische Verklammerung dieser Oberflächenschicht mit einer Hartstoffschicht ermöglicht wird.
In einem letzten Prozeßschritt wird die Hartstoffschicht auf das wie vorstehend ausgeführt vorbehandelte Substrat aufgebracht.
Für den Prozeßschritt des Entfernens von Kohlenstoff aus der Oberflächenschicht des Substrates haben sich folgende Parameter als besonders geeignet gezeigt. Bevorzugt enthält ein Gas in diesem Schritt etwa 1–3 Vol.-% O₂, wobei dieses Gas in reiner Form zugeführt werden kann oder durch Substanzen, die dieses Gas freisetzen. Zur Bereit stellung des O₂ bei diesem Prozeßschritt können auch CO, CO₂ oder gasförmige C_xH_yO_z-Verbindungen mit z/x ≥ 1 zum Einsatz kommen. Bei solchen Substanzen können jedoch auch Pulver eingesetzt werden, in welche das Substrat gepackt wird, beispielsweise TiO₂, Carbonyle oder bevorzugt Al₂O₃, die zur Abgabe von Sauerstoff aufgeheizt werden.
Außerdem enthält das zugeführte Gas bei diesem Prozeßschritt bevorzugt bis zu 99 Vol.-% H₂. Es hat sich herausgestellt, daß bei Einsatz dieses Gases die Substrattemperatur dieses Schrittes geringer ist (mit "Substrattemperatur" wird die mittels eines Thermoelementes gemessene Temperatur im Inneren des Substrats bezeichnet), beispielsweise 1100°C oder weniger beträgt, als wenn andere Gase verwendet werden, um die Atmosphäre zu bilden.
Dies liegt möglicherweise daran, daß an der Oberfläche des Substrats atomarer Wasserstoff zu dem H₂-Molekül rekombiniert, wobei die Bindungsenergie dieses Moleküles frei wird und zur Aufheizung der Substratoberfläche beiträgt. Eine Verwendung von H₂ ist jedoch nicht notwendig, um eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich geringere Substrattemperatur zu ermöglichen, vielmehr können auch andere Gase eingesetzt werden, die die oxidierende Wirkung erhalten, wie Edelgase oder N₂.
Für den Prozeßschritt des Einbringens von Kohlenstoff in die Oberflächenschicht des Substrates ist ein Gasgemisch mit 99 Vol.-% H₂ und 1 Vol.-% CH, besonders günstig. Statt Methan können auch andere Verbindungen zur Bereitstellung der erforderlichen Menge an Kohlenstoff verwendet werden, beispielsweise ist auch ein Packen des Substrates in Graphitpulver möglich.
Zum Aufbringen einer Diamantschicht auf das Substrat sind die Prozeßparameter bevorzugt entsprechend dem vorhergehenden Prozeßschritt des Zuführens von Kohlenstoff zu der Oberflächenschicht eingestellt, wobei jedoch die Temperatur des Substrates im Bereich von 700 bis 1000°C liegt und die Prozeßdauer dieses Schrittes länger ist.
Der Gesamtdruck in der Vakuumanlage liegt bevorzugt im Bereich von 20 hPa. Der Gesamtgasdurchfluß liegt im Bereich von 25 ml_n/min pro Liter Kammervolumen.
Die Glühschritte b) und c) dauern bei den genannten bevorzugten Einstellungen der Parameter etwa 1 Stunde. In diesem Fall stellt sich am Ende des Prozeßschrittes zum Entfernen von Kohlenstoff eine Dicke der Oberflächenschicht im Bereich von 1–50 μm, bevorzugt 5–10 μm und am Ende des Schrittes der Diamantbeschichtung (typische Dauer: 40 Stunden) eine Dicke der Diamantschicht im Bereich von 1–50 μm, bevorzugt 1–20 μm, besonders bevorzugt 1–15 μm, ein.
Zur Erniedrigung der mittleren Substrattemperaturen bei den Schritten Entziehen von Kohlenstoff aus dem und Einbringen von Kohlenstoff in das Substratmaterial ist es auch möglich, daß die Oberflächenschicht gesondert aufgeheizt wird. Dies wird durch die Verwendung von H₂ als Atmosphärenbestandteil bei diesem Prozeßschritt erleichtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält im Schritt b) ein zugeführtes Gas 1–30 Vol.-%, vorzugsweise 1–3 Vol.-% O₂. Bevorzugt ist das Gas H₂ und beträgt die Substrattemperatur 1000–1200°C.
Vorzugsweise enthält im Schritt c) ein zugeführtes Gas 0,5–20 Vol.-%, bevorzugt 0,5–2 Vol.-% CH₄.
Dieses Verfahren hat auch den Vorteil, daß in den meisten Fällen ein gesondertes Ätzen der Binder-Phase, die beispielsweise von Co gebildet wird, aus der Oberflächenschicht des Substrates nicht erforderlich ist. Die Haftfähigkeit der Hartstoffschicht kann jedoch durch ein solches Ätzen noch weiter erhöht werden.
Das Herstellungsverfahren benötigt für eine Beschichtung mit Diamant darüber hinaus in aller Regel keinen Bekeimungsprozeß, wie er bei anderen Verfahren üblich und notwenig ist, kann jedoch zur Erhöhung der Haftfähigkeit beispielsweise einer Diamantschicht durchgeführt werden.
Das Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß die Prozeßtemperaturen so niedrig gehalten werden, daß seine sämtlichen Schritte in einer CVD-Beschichtungsvorrichtung spezieller Auslegung, die sonst hauptsächlich nur für den eigentlichen Beschichtungsschritt zum Einsatz kommt, durchgeführt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens.
Diese Vorrichtung zur Vorbehandlung und Diamantbeschichtung eines Hartmetall- oder Cermet-Substrates, die eine Vakuumkammer, mindestens einen Gaszuführungsanschluß und eine Heizeinrichtung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, daß die Heizeinrichtung mehrere zueinander im wesentlichen parallel angeordnete Heizleiter umfaßt, die in mindestens zwei zueinander im wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, und Substrathalter zur Anordnung von Substraten zwischen den Ebenen vorgesehen sind. Zur Evakuierung der Vakuumkammer dient üblicherweise eine Pumpe.
Eine solche Vorrichtung ist zur Durchführung sämtlicher oben genannter Prozeßschritte geeignet.
Durch die Anordnung in parallelen Ebenen der Heizleiter wird ein gleichmäßiger Temperaturgradient zwischen den Heizleitern, die, abhängig von dem gerade durchgeführten Prozeßschritt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2800°C betrieben werden, und von den Substrathaltern getragenen Substraten gewährleistet.
Außerdem wird in dem Fall, daß H₂ als Prozeßgas eingesetzt wird, eine gleichmäßige Erzeugung von H-Atomen bewirkt, so daß eine Rekombination dieser Atome an der Substratoberfläche ebenfalls gleichmäßig vollzogen wird, also über die Substratoberflächen gleichbleibende Prozeßbedingungen erreicht werden.
Der Abstand zwischen den Heizleitern und den benachbart angeordneten Substraten liegt im Bereich von etwa 3 bis 100 mm, bevorzugt bei 10 mm.
Bei H₂ als Prozeßgas läßt sich eine hohe Temperatur der Heizleiter bevorzugt erreichen, wenn diese aus Ta, W, Re oder deren Karbiden oder Legierungen hergestellt sind.
Bevorzugt haben die Heizleiter einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm, während vorzugsweise der Abstand der Heizleiter in einer Ebene im Bereich von 5 bis 50 mm und der Abstand der Ebenen untereinander im Bereich von 10 bis 150 mm liegt.
Die Heizleiter können senkrecht oder parallel zu den Substraten angeordnet sein. In jedem Fall ergibt sich eine haftfähige Beschichtung mit Hartstoff, die sich durch hohe Homogenität auszeichnet.
Nachfolgend werden die bei der Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahrensschritte vorzunehmenden Parametereinstellungen tabellarisch zusammengefaßt:
Tabelle 1: Erstes Glühen
Statt Gas2 können auch Festkörper oder Pulver, die bei gegebener Temperatur Gas abgeben, wie Al₂O₃, TiO₂, WO₃, Carbonyle, eingesetzt werden.
Tabelle 2: Zweites Glühen
Statt Gas2 können auch Festkörper oder Pulver, die Kohlenstoff abgeben, wie Graphit u. a., eingesetzt werden.
Bemerkungen zu den Tabellen 1 und 2

– Gase in einer Zeile sind nach abnehmender Eignung sortiert.
– Die Vorrichtung kann dann besonders effektiv arbeiten (mit geringer Wärmedämmung/Heizleistung), wenn Wasserstoff verwendet wird und die Heizleitertemperatur deutlich (> 300°C) über der Substrattemperatur liegt. In diesen Fällen kann auf Vakuumöfen verzichtet werden und normale CVD-Anlagen verwendet werden.
– Primär ist die Substrattemperatur. Sie kann über Heizleitertemperatur, Abstand Substrat-Heizleiter oder Druck eingestellt werden.

Tabelle 3: Beschichten

– Auch jedes andere Diamant-Beschichtungsverfahren ist anwendbar.
– Gase in einer Zeile sind nach abnehmender Eignung sortiert.

Nachfolgend wird dargelegt, inwieweit bei einem gemäß dem Verfahren hergestellten Bauteil im Falle einer Beschichtung mit Diamant dessen Standzeit gegenüber herkömmlich diamantbeschichteten Werkzeugen erhöht wird.
Bei einem Standzeitversuch, und zwar bei einem Strahlverschleißtest, bei dem ein Strahlgut auf ein mit Diamant beschichtetes Werkzeug gestrahlt wird, ergaben sich für ein gemäß dem Verfahren herstelltes Werkzeug und für ein herkömmlich hergestelltes Werkzeug (ohne mechanische Verklammerung) folgende Ergebnisse:
Bei den Strahlparametereinstellungen Abstand Düse-Werkzeug 5 mm, Düsendurchmesser 0,8 mm, Strahlwinkel 90°, Strahldruck 5 bar, Strahlgut SiC, Strahlgutdurchmesser 75 μm, Strahlfluß 10 g/min, Medium Luft, Schichtdicke des Diamants 10 μm, Standzeiten bis zum ersten Schichtversagen von kleiner 1 s bei einem herkömmlich hergestellten Werkzeug und größer als 7 min bei einem gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Werkzeug.
Anhand der Figuren kommt die Struktur eines gemäß dem Verfahren hergestellten mit Diamant beschichteten Werkzeugs besonders anschaulich zum Ausdruck. Es zeigen:
1 ein unbehandeltes WC-Substrat mit Co als Binder in einer Vergrößerung von 5000;
2 das WC-Substrat nach einem ersten Glühschritt in einer Vergrößerung von 2000;
3 das WC-Substrat nach einem zweiten Glühschritt in einer Vergrößerung von 2000; und
4 das WC-Substrat nach einem Diamantbeschichtungsschritt in einer Vergrößerung von 2000.
Die 1 bis 4 zeigen elektronenmikroskopische Abbildungen der Ergebnisse der verschiedenen Prozeßschritte des Verfahrens bei einem beispielhaften Hartmetall-Substrat. Bei dem in 1 dargestellten Substrat handelt es sich um ein WC-Substrat mit Co als Bindermaterial in seinem Ausgangszustand, d. h. unbehandelt. Die Korngröße dieses Substrates beträgt im gesamten Substrat etwa 0,8 μm.
In 2 ist das Substrat in seiner Form nach dem ersten Glühschritt zur Entfernung von freiem Kohlenstoff dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Oberflächenschicht des Substrates keine erkennbare Kornstruktur mehr aufweist, d. h. eine mechanische Verklammerung dieser Schicht mit einer Diamantschicht nicht möglich ist.
3 zeigt das Substrat nach dem zweiten Glühschritt zum Einbringen von Kohlenstoff in die Oberflächenschicht. Die Oberflächenschicht zeigt eine grobe Kornstruktur von etwa 6 μm, die für eine mechanische Verklammerung mit einer Diamantschicht gut geeignet ist. Die Korngröße im Inneren des Substrats bleibt unverändert.
4 zeigt das Substrat nach einem Diamantbeschichtungsprozeß. Die Verklammerung der etwa 20 μm dicken Diamantschicht mit der etwa 8 μm dicken Substratoberflächenschicht ist gut erkennbar.
Zur Herstellung der in den Figuren dargestellten Formen des Substrates nach den verschiedenen Prozeßschritten wurden die in den Tabellen 1 bis 3 genannten typischen Parameterwerte bei einer CVD-Beschichtungsvorrichtung nach der Erfindung eingestellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einem Hartstoff-Material beschichteten Bauteils, beispielsweise eines Werkzeugs, umfassend die Schritte a) Einbringen eines feinkörnigen Hartmetall- oder Cermet-Substrates, das Karbide aufweist, in eine Vakuumanlage mit einer Heizeinrichtung und mindestens einem Gaszuführungsanschluß; b) Entfernen von Kohlenstoff aus den Karbiden einer Oberflächenschicht des Substrates bei einer Substrattemperatur von 900°C bis 1400°C und bei einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre; c) Erhöhung der Korngröße der Oberflächenschicht des Substrates durch Einbringen von Kohlenstoff in die Oberflächenschicht des Substrates bei einer Substrattemperatur von 1200°C bis 1400°C und bei einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre; und d) Beschichtung des Substrates mit dem Hartstoff-Material bei einer Substrattemperatur von 700°C bis 1100°C.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feinkörnige Substrat eine Korngröße kleiner als 1 μm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartstoff-Material Diamant oder kubisches Bornitrid ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) ein zugeführtes Gas etwa 1–30 Vol.-% O₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) das zugeführte Gas etwa 1–3 Vol.-% O₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) der Rest des zugeführten Gases aus H₂ besteht und die Substrattemperatur im Bereich von 1000–1200°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) ein zugeführtes Gas etwa 0,5–20 Vol.-% CH₄ enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) das zugeführte Gas etwa 0,5–2 Vol.-% CH₄ enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schritten b), c) und d) der Gesamtdruck in der Vakuumanlage im Bereich von 1 bis 1000 hPa liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Vakuumanlage im Bereich von 20 hPa liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schritten b), c) und d) der Gesamtgasfluß im Bereich von 1 bis 100 ml/min pro 1 Kammervolumen liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgasfluß 25 ml/min pro 1 Kammervolumen beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Schrittes b) die Dicke der Oberflächenschicht im Bereich von etwa 1 bis 50 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Schrittes d) die Dicke des Hartstoff-Materials auf dem Substrat im Bereich von 1 bis 50 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht des Substrates gesondert aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren unter Anwendung einer Vorrichtung durchgeführt wird, die eine Vakuumkammer, mindestens einen Gaszuführungsanschluß und eine Heizeinrichtung aufweist, wobei die Heizeinrichtung mehrere, zueinander parallel angeordnete Heizleiter umfaßt, die in mindestens zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, und Substrathalter zur Anordnung von Substraten zwischen den Ebenen vorgesehen sind.
Verfahren nach der Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter aus W, Ta, Re oder deren Legierungen oder Karbiden hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter einen Durchmesser von 0,1 bis 5 mm haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Heizleiter in einer Ebene im Bereich von 5 bis 50 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Ebenen im Bereich von 10 bis 150 mm liegt.
Bauteil, beispielsweise ein Werkzeug mit – einem inneren Hartmetall- oder Cermet-Substratmaterial, das Karbide aufweist – und einer äußeren Hartstoffschicht mit einer Oberflächenrauheit R_z kleiner als 5 μm, – wobei die Korngröße des inneren Cermet-Substratmaterials kleiner als 1 μm ist, – und eine Oberflächenschicht des Substratmaterials eine Korngröße kleiner als 10 μm aufweist, – wobei die Korngröße der Oberflächenschicht des Substratmaterials größer als die Korngröße des inneren Substratmaterials ist.
Bauteil nach Anspruch 21, wobei die Korngröße der Oberflächenschicht des Substratmaterials größer als 1 μm ist.
Bauteil nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Oberflächenschicht des Substratmaterials eine Oberflächenrauheit R_z kleiner als 0,7 μm hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht aus Diamant oder kubischem Bornitrid ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht des Substratmaterials eine Dicke von 1 bis 20 μm, bevorzugt 5–10 μm, hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht eine Dicke von 1 bis 50 μm, bevorzugt bis zu 20 μm und besonders bevorzugt bis zu 15 μm hat.