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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Schneideinsätzen
sowie die nach den Verfahren herstellbaren Schneideinsätze.
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Schneideinsätze
bestehen aus einem Hartmetall-, Cermet-, oder Keramiksubstratkörper,
der in den meisten Fällen zur Verbesserung der Schneid-
und/oder Verschleißeigenschaften mit einer ein- oder mehrlagigen
Oberflächenbeschichtung versehen ist. Die Oberflächenbeschichtungen
bestehen aus übereinander angeordneten Hartstofflagen oder
-schichten aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden,
Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide,
Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide und/oder Borooxocarbonitride
der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder
des Aluminiums, gemischtmetallischen Phasen sowie Phasengemischen
der vorgenannten Verbindungen. Beispiele für die vorgenannten
Verbindungen sind TiN, TiC, TiCN und Al2O3 Ein Beispiel für eine gemischtmetallische Phase,
bei der in einem Kristall ein Metall teilweise durch ein anderes
ersetzt ist, ist TiAlN. Die Beschichtung wird durch CVD-Verfahren
(chemische Dampfphasenabscheidung), PCVD-Verfahren (Plasma-unterstützte CVD-Verfahren)
oder PVD-Verfahren (physikalische Dampfphasenabscheidung) aufgebracht.
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In
nahezu jedem Material herrschen Eigenspannungen infolge von mechanischer,
thermischer und/oder chemischer Behandlung. Bei der Herstellung
von Schneideinsätzen durch Beschichten eines Substratkörpers
mittels CVD-Verfahren resultieren Eigenspannungen beispielsweise
zwischen der Beschichtung und dem Substrat und zwischen den einzelnen
Schichten der Beschichtung aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Materialien. Die Eigenspannungen können Zugeigenspannungen
oder Druckeigenspannungen sein. Beim Aufbringen einer Beschichtung
mittels PVD-Verfahren werden zusätzliche Spannungen durch
den Ionenbeschuß bei diesem Verfahren in die Beschichtung
eingebracht. In mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtungen
herrschen in der Regel Druckeigenspannungen vor, wogegen CVD-Verfahren üblicherweise
Zugeigenspannungen in der Beschichtung erzeugen.
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Die
Wirkung der Eigenspannungen in der Beschichtung und im Substratkörper
können ohne erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften
des Schneideinsatzes sein, sie können aber auch erhebliche
vorteilhafte oder nachteilige Auswirkungen auf die Verschleißbeständigkeit
des Schneideinsatzes haben. Zugeigenspannungen, welche die Dehngrenze
des jeweiligen Materials übersteigen, verursachen Brüche
und Risse in der Beschichtung senkrecht zur Richtung der Zugeigenspannung.
Im Allgemeinen ist ein gewisses Maß an Druckeigenspannung
in der Beschichtung erwünscht, da dadurch Oberflächenrisse
verhindert oder geschlossen und die Ermüdungseigenschaften
der Beschichtung und damit des Schneideinsatzes verbessert werden.
Zu hohe Druckeigenspannungen können jedoch zu Haftungsproblemen
und Abplatzen der Beschichtung führen.
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Es
gibt 3 Arten von Eigenspannungen: Makrospannungen, die über
makroskopische Bereiche des Materials nahezu homogen verteilt sind,
Mikrospannungen, die in mikroskopischen Bereichen, wie beispielsweise einem
Korn, homogen sind, und inhomogene Mikrospannungen, die auch auf
einer mikroskopischen Ebene inhomogen sind. Aus praktischer Sicht
und für die mechanischen Eigenschaften eines Schneideinsatzes
sind die Makrospannungen von besonderer Bedeutung.
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Es
ist bekannt, dass Hartmetallschneidwerkzeuge, die mit Hartstoffschichten
wie beispielsweise TiN, TiC, TiCN, Al2O3 oder Kombinationen davon beschichtet sind,
hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen
können, jedoch können sie in unterbrochenen Schneidoperationen
aufgrund eines Verlustes an Zähigkeit gegenüber
unbeschichteten Schneidwerkzeugen oder solchen, die mittels PVD-Verfahren
beschichtet sind, eher ausfallen.
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Die
DE 197 19 195 beschreibt
einen Schneideinsatz mit einer mehrlagigen Beschichtung, die in
einem kontinuierlichen CVD-Verfahren bei Temperaturen zwischen 900°C
und 1.100°C abgeschieden wird. Der Wechsel des Materials
in der mehrlagigen Beschichtung von einer zur nächsten
Lage erfolgt durch eine Veränderung der Gaszusammensetzung
in dem CVD-Verfahren. Die äußerste Schicht (Deckschicht)
besteht aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus Carbiden, Nitriden
oder Carbonitriden von Zr oder Hf, in der innere Druckeigenspannungen
vorherrschen. Die darunter liegenden Schichten bestehen aus TiN,
TiC oder TiCN und weisen ausnahmslos innere Zugeigenspannungen auf.
Die in der äußeren Schicht gemessene Druckeigenspannung
liegt zwischen –500 und –2.500 MPa. Hierdurch
soll die Bruchzähigkeit verbessert werden.
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Zur
Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Beschichtung des
Substratkörpers von Schneideinsätzen oder anderen
Werkzeugen ist es bekannt, diese einer mechanischen Oberflächenbehandlung
zu unterziehen. Bekannte mechanische Behandlungsverfahren sind das
Bürsten und die Strahlbehandlung. Bei der Strahlbehandlung
wird ein feinkörniges Strahlmittel mit Korngrößen
bis etwa 600 μm mittels Pressluft unter erhöhtem
Druck auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet. Eine
solche Oberflächenbehandlung kann die Druckeigenspannungen
der äußersten Schicht sowie auch der darunter
liegenden Schichten erhöhen. Bei der Strahlbehandlung unterscheidet
man zwischen Trockenstrahlbehandlung, bei der das feinkörnige
Strahlmittel in trockenem Zustand eingesetzt wird, und Nassstrahlbehandlung,
bei der das körnige Strahlmittel in einer Flüssigkeit
suspendiert vorliegt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindungen bestand in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung eines Schneideinsatzes und eines
nach dem Verfahren herstellbaren Schneideinsatzes mit erhöhten Druckeigenspannungen
sowohl in der Beschichtung als auch in dem Substratkörper
und mit verbesserter Verschleißbeständigkeit und
verbesserten Schneideigenschaften, insbesondere verbesserter Kammrißfestigkeit.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes,
bei dem man einen Hartmetall-, Cermet-, oder Keramik-Substratkörper
mittels eines PCVD- oder CVD-Verfahrens mit einer ein- oder mehrlagigen
Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Oxiden, Carbonitriden, Oxinitriden,
Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbide,
Borocarbonitride, Borooxinitride, Borooxocarbide und/oder Borooxocarbonitride
der Elemente der Gruppen IVa bis VIIa des Periodensystems und/oder
des Aluminiums und/oder gemischt-metallischen Phasen und/oder Phasengemischen
der vorgenannten Verbindungen beschichtet und den Substratkörper
nach der Beschichtung einer Trocken- oder Naßstrahlbehandlung
unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzieht,
wobei
die Härte des Strahlmittels gleich der Härte
der äußersten Schicht der Beschichtung ist oder
die
Härte des Strahlmittels größer als die
Härte der äußersten Schicht der Beschichtung
ist und unter der äußersten Schicht eine Schicht
angeordnet ist, deren Härte gleich der Härte des
Strahlmittels ist, wobei die über der Schicht, deren Härte
gleich der Härte des Strahlmittels ist, angeordnete(n)
Schicht(en) durch die Strahlbehandlung wenigstens von Teilbereichen
abgetragen wird (werden),
- – die Gesamtschichtdicke
der Beschichtung höchstens 10 μm beträgt,
- – die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck
von 1 bar bis 10 bar durchgeführt wird.
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Es
wurde überraschenderweise gefunden, dass man in einem beschichteten
Schneideinsatz durch Nachbehandlung mittels Bestrahlen mit einem
Strahlmittel, vorzugsweise durch Trockenstrahlen, sowohl in der Beschichtung
als auch in den oberflächennahen Bereichen und der sogenannten
"nahen Interface-Substrat-Zone" des Substratkörpers besonders
hohe Druckeigenspannungen erzeugen kann, wenn die ein- oder mehrlagige
Beschichtung eine bestimmte Gesamtschichte von höchstens
10 μm nicht übersteigt, die Strahlbehandlung bei
einem Strahlmitteldruck von 1 bar bis 10 bar durchgeführt
wird und die Härte des Strahlmittels gleich der Härte
der äußersten Schicht (der Deckschicht) ist.
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Der
Begriff "oberflächennaher Bereich" des Substratkörpers
bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von maximal
1 bis 2 μm in Richtung des Inneren des Substratkörpers.
Die zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen
erfolgt mittels Röntgendiffraktionsverfahren. Die weitverbreitet
angewendete winkeldispersive Messung nach dem sin2ψ-Verfahren
liefert einen Mittelwert für den Eigenspannungsanteil in
einer Ebene und erlaubt Eigenspannungsmessungen nur bis zu sehr
geringen Eindringtiefen von maximal 1 bis 2 μm von der
Oberfläche aus, d. h. nur im "oberflächennaher
Bereich" des Substratkörpers. [siehe auch unten "Messverfahren"]
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Der
Begriff "nahe Interface-Substrat-Zone" des Substratkörpers
bezeichnet einen Bereich von der äußersten Oberfläche
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa
10 μm in Richtung des Inneren des Substratkörpers.
Analysen des Eigenspannungsverlaufs in der "nahen Interface-Substrat-Zone"
waren mit der bisher angewendeten Methode der winkeldispersi ven
Messung nicht möglich. Zum einen ist die Eindringtiefe der
winkeldispersiven Messung wie oben erwähnt auf eine nur
sehr geringe Distanz von der äußersten Oberfläche
des Substratkörpers begrenzt. Darüber hinaus liefert
die winkeldispersive Messung nur einen Mittelwert in einer Ebene,
weshalb sich mit dieser Methode stufenweise Veränderungen
oder Gradientenverläufe der Eigenspannungen innerhalb kurzer
Distanzen mit dieser Methode nicht messen lassen. Für die
Analyse der Eigenspannungen in der "nahen Interface-Substrat-Zone"
des Substratkörpers bis zu einer Eindringtiefe von etwa
10 μm haben die Erfinder daher erstmals für die
gattungsgemäßen Schneideinsätze eine
energiedispersive Messung angewendet, die die Analyse von Eigenspannungsverläufen
bis zu einer Eindringtiefe von etwa 10 μm unter Erfassung
der Veränderung der Eigenspannungen innerhalb dieses Bereichs
erlaubt. [siehe auch unten "Messverfahren"]
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen
sowohl die äußerste Schicht als auch das Strahlmittel
aus Al2O3.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht zwingend
notwendig, dass die Schicht, deren Härte gleich der Härte
des Strahlmittels ist, bereits vor der Strahlbehandlung die äußerste
Schicht der mehrlagigen Beschichtung auf dem Substratkörper
ist. In dem zur Herstellung der Beschichtung auf dem Substratkörper angewendeten
PCVD- oder CVD-Verfahren kann über der Schicht, deren Härte
gleich der Härte des Strahlmittels ist, wenigstens eine
weitere Schicht vorgesehen sein, deren Härte kleiner als
die Härte des Strahlmittels ist. In dem Strahlbehandlungsverfahren
wirkt das Strahlmittel dann bezüglich dieser weiteren Schicht
oder Schichten abrasiv und trägt diese bis zu der Schicht,
deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels
ist, ab. Nach der Strahlbehandlung ist dann die äußerste
Schicht eine solche, deren Härte gleich der Härte
des Strahlmittels ist. Ein erfindungsgemäß besonders
bevorzugtes Beispiel hierfür ist das Vorsehen einer dünnen TiN-Schicht über
einer Al2O3-Schicht
und die Verwendung von Al2O3 als
Strahlmittel. Die TiN-Schicht ist weicher als das Al2O3-Strahlmittel und wird bei der Strahlbehandlung
zunächst abgetragen, bevor das Strahlmittel auf die gleich
harte Al2O3-Schicht
trifft. Grundsätzlich können zwar auch sehr hohe
Druckeigenspannungen in eine äußerste Schicht
eingebracht, wenn die Härte des Strahlmittels größer
ist als die Härte dieser äußersten Schicht.
Jedoch erfolgt die Erhöhung der Druckeigenspannungen in
diesem Fall mit nur sehr geringer Eindringtiefe im äußersten
oberflächennahen Bereich der äußersten
Schicht, der durch die abrasive Wirkung des härteren Strahlmittels
bei der Strahlbehandlung gleich wieder abgetragen wird, so daß die
Erhöhung der Druckeigenspannungen nicht in die Tiefe des
Körpers vordringen kann.
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Ist
vor der Strahlbehandlung des beschichteten Substratkörpers über
der Schicht (z. B. einer Al
2O
3-Schicht),
deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels
(z. B. Al
2O
3) ist,
wenigstens eine weitere (weichere) Schicht (z. B. eine TiN-Schicht)
vorgesehen, deren Härte kleiner als die Härte
des Strahlmittels ist, so ist es bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren nicht zwingend notwendig, daß diese weichere(n)
Schicht(en) über die gesamte Oberfläche des Substratkörpers
durch das Strahlbehandlungsverfahren abgetragen wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird die weichere Schicht
oder werden die weicheren Schichten nur von den beim Betrieb des
Werkzeugs besonders beanspruchten und/oder mit dem Werkstück in
Berührung tretenden Flächen des Werkzeugs, vorzugsweise
nur von der Spanfläche oder von der die Spanfläche
umfassenden Seite des Werkzeugs, abgetragen und diese Flächen
der vorteilhaften erfindungsgemäßen Strahlbehandlung
unterzogen. Dabei werden in den besonders beanspruchten Bereichen
des Werkzeugs die erfindungsgemäß vorteilhaften
Veränderungen der Eigenspannungen bewirkt. Die auf den
nicht oder wenig beanspruchten Oberflächenbereichen verbleibende
Schicht kann, wie im Falle einer goldgelben TiN-Schicht, beispielsweise
einer besseren Verschleißerkennung dienen, wie es beispielsweise
ausführlich in der
EP
A1 193 328 beschrieben ist.
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Bei
Verwendung eines Strahlmittels, dessen Härte gleich der
Härte der äußersten Schicht der Beschichtung
oder derjenigen Schicht, die nach der Strahlbehandlung als äußerste
Schicht verbleiben soll, ist, wird als Verschleißmechanismus
dieser äußersten Schicht im Wesentlichen Oberflächenzerrüttung
(shot peening) angenommen. Es erfolgt kein hoher Abtrag mehr, wie
es der Fall ist, wenn die Härte des Strahlmittels größer
als die Härte der äußersten Schicht ist.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch diesen Mechanismus
und dieses Verfahren hohe Druckeigenspannungen über weite
Bereiche der Beschichtung bis hinein in den Substratkörper
erzeugt werden können, wenn die Gesamtschichtdicke der
Beschichtung nicht zu groß ist. Eine Gesamtdicke der Beschichtung
von höchstens 8 μm, vorzugsweise 7 μm
hat sich als besonders geeignet erwiesen. Eine Gesamtschichtdicke
der Beschichtung von höchstens 5 μm ist ganz besonders
vorteilhaft. Ist dies Gesamtschichtdicke der Beschichtung zu hoch,
so ist die Eindringtiefe der durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzeugten hohen Druckeigenspannungen im Substrat zu gering,
um die erfindungsgemäß vorteilhaften Eigenschaften
der hergestellten Schneideinsätze zu erreichen. So führen
zu hohe Schichtdicken beispielsweise zu erheblichen Problemen unter
mechanischer Wechselbeanspruchung bei typischen Zerspanvorgängen,
wie der vermehrten Entstehung von Abplatzungen und Ausbröckelungen.
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Die
Gesamtschichtdicke der Beschichtung sollte zweckmäßigerweise
jedoch wenigstens 2 μm, vorzugsweise wenigstens 3 μm,
besonders bevorzugt wenigstens 4 μm betragen. Eine zu gerin ge
Gesamtschichtdicke der Beschichtung hat den Nachteil, daß kein
ausreichender Verschleißschutz durch die Beschichtung mehr
gewährleistet ist.
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Die
Dauer der Strahlbehandlung in dem erfindungsgemäßen
Verfahren hat im Vergleich zum Strahldruck nur einen geringen Einfluß auf
die Veränderung der Eigenspannungen in der Beschichtung
und dem Substratkörper. Es versteht sich jedoch, daß die
Dauer der Strahlbehandlung keinesfalls zu kurz sein sollte, damit
die gewünschten Veränderungen der Eigenspannungen
bis in den Substratkörper vordringen können. Darüber
hinaus hängt die optimale Dauer der Strahlbehandlung auch
von der hierfür verwendeten Anlage, der Art und Ausrichtung
der Strahldüsen und der Bewegung der Strahldüsen über
dem bestrahlten Werkzeug ab. Übliche Strahlbehandlungsdauern
liegen im Bereich von 1 bis 120 Sekunden, jedoch können
auch längere Strahlbehandlungsdauern geeignet sein. Insbesondere
wenn durch die Strahlbehandlung zunächst eine oder mehrere äußere
Schichten über der Schicht, deren Härte gleich
der Härte des Strahlmittels ist, abgetragen werden sollen,
ist eine längere Strahlbehandlungsdauer zweckmäßig
oder erforderlich. Bevorzugt ist eine Strahlbehandlung über
einen Zeitraum von 5 bis 60 Sekunden, besonders bevorzugt von 10
bis 30 Sekunden.
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Weiterhin
hat sich gezeigt, dass der Strahlmitteldruck bei der Strahlbehandlung
einen sehr starken Einfluss auf die Ausbildung hoher Druckeigenspannungen
in der Beschichtung und dem Substrat hat. In einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt der Strahlmitteldruck 2 bar bis 8 bar, vorzugsweise
3 bar bis 5 bar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Strahlbehandlung bei einem Strahlmitteldruck von etwa 4
bar durchgeführt. Bei zu geringem Strahlmitteldruck können
zwar hohe Druckeigenspannungen in der Beschichtung, insbesondere
der äußersten Schicht der Beschichtung, erzeugt
werden, jedoch keine ausreichenden Eindringtiefen bis in das Substrat
des Schneideinsatzes erreicht werden. Ein zu geringer Strahlmitteldruck
kann auch dazu führen, daß sich in der äußersten
Schicht, deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels
ist, zwar hohe Druckeigenspannungen aufbauen, diese jedoch über
die Dicke dieser Schicht nicht konstant sind, sondern einen von
der Außenseite der Schicht zu ihrer Innenseite graduell
abfallenden Verlauf nehmen. Ein zu hoher Strahlmitteldruck hat den
Nachteil, dass die äußerste Schicht der Beschichtung
einer zu starken Belastung ausgesetzt und beschädigt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann als Trockenstrahlbehandlung
und als Nassstrahlbehandlung durchgeführt werden. Besonders
bevorzugt ist jedoch die Trockenstrahlbehandlung, da es einen gleichmäßigeren
Eintrag des Strahldrucks in die Beschichtung und den Substratkörper über
die gesamte Oberfläche gewährleistet. Mittels
Trockenstrahlbehandlung sind auch höhere Drücke über
einen langen Zeitraum möglich, ohne daß das Werkzeug
hierdurch beschädigt wird. Bei der Naßstrahlbehandlung
besteht die Gefahr, daß der Eintrag des Strahldrucks an
den Kanten des Werkzeugs, d. h. auch an den wichtigen Schneidkanten,
erheblich höher ist als auf den glatten Oberflächen,
was dazu führen kann, daß die Kanten unter dem
Strahldruck beschädigt werden, bevor es überhaupt
zu einem wesentlichen oder zumindest ausreichenden Eintrag auf den für
Schneidvorgänge wesentlichen Flächen des Werkzeugs,
insbesondere der Spanfläche, kommt. Darüber hinaus
dämpft bei der Naßstrahlbehandlung die Bildung
eines Flüssigkeitsfilms auf der bestrahlten Oberfläche den
Eintrag von Eigenspannungen gegenüber der Trockenstrahlbehandlung
bei vergleichbaren Strahldruckbedingungen erheblich ab. Die Folge
ist, daß der Eintrag von Druckeigenspannungen in die unter
der äußersten Schicht der Beschichtung angeordneten
Schichten sehr gering oder gar gleich Null sein kann. In Vergleichsversuchen
wurde beobachtet, daß in eine TiCN-Schicht unter einer äußersten
Al2O3-Schicht mittels
Trockenstrahlen bei 3 bar Druckspannungen eingebracht werden konnten,
wogegen mittels Naßstrahlen bei gleichem Druck in der TiCN-Schicht
Zugspannungen gemessen wurden, die gegenüber den vor der
Strahlbehandlung gemessenen Zugspannungen lediglich einen etwas
geringeren Betrag aufwiesen.
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Erfindungsgemäß kann
die Beschichtung des Substratkörpers ein oder mehrlagig
sein und aus verschiedensten Materialien bestehen, wie sie oben
angegeben sind. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
ist jedoch die Schicht, deren Härte gleich der Härte
des Strahlmittels ist, eine Al2O3-Schicht, vorzugsweise eine α-Al2O3-Schicht. In diesem
Fall ist das Strahlmittel zweckmäßigerweise Korund.
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Die
mittlere Korngröße des Strahlmittels liegt zweckmäßigerweise
im Bereich von 20 bis 200 μm, vorzugsweise 40 bis 150 μm,
besonders bevorzugt 50 bis 100 μm, sie hat jedoch keinen
wesentlichen Einfluß auf die Erzeugung von Druckeigenspannungen
in der Beschichtung und dem Substratkörper. Jedoch beeinflußt die
mittlere Korngröße des Strahlmittels die Oberflächenrauheit
der äußersten Schicht der Beschichtung. Eine geringe
mittlere Korngröße (feine Körnung) liefert
bei der Bestrahlung eine glatte Oberfläche, wogegen eine hohe
mittlere Korngröße eine rauhe Oberfläche
ergibt. Für die erfindungsgemäße Werkzeuge
ist die Erzeugung einer glatten Oberfläche und somit die
Verwendung eines Strahlmittels mit geringer mittlerer Korngröße bevorzugt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren hat der Strahlwinkel,
d. h. der Winkel zwischen dem Behandlungsstrahl und der Oberfläche
des Werkzeugs, einen wesentlichen Einfluß auf den Eintrag
von Druckeigenspannungen. Bei einem Strahlwinkel von 90° erfolgt
der maximale Ein trag von Druckeigenspannungen. Geringere Strahlwinkel,
d. h. schräges Einstrahlen des Strahlmittels, führen
zu einer stärkeren Abrasion der Oberfläche und
geringerem Druckeigenspannungseintrag. Die stärkste Abrasionswirkung
wird bei Einstrahlwinkeln von etwa 15° bis 40° erzielt.
Die in dieser Beschreibung angegebenen Bestrahlungsparameter, wie
Strahldruck und Strahldauer, beziehen sich stets auf einen Strahlwinkel
von 90°, bei dem auch die hierin beschriebenen Beispiele
durchgeführt wurden. Bei geringeren Strahlwinkeln kann
es erforderlich sein, einen höheren Strahldruck und/oder
eine längere Strahldauer zu wählen, um einen Eintrag
von Druckeigenspannungen zu erzielen, der dem Eintrag bei einem
Strahlwinkel von 90° entspricht. In Kenntnis der Erfindung
kann der Fachmann jedoch diese bei geringeren Strahlwinkeln anzuwendenden
Parameter leicht ermitteln.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die Schicht, deren Härte gleich der Härte
des Strahlmittels ist, eine Schichtdicke im Bereich von 1 μm
bis 5 μm, vorzugsweise im Bereich von 1,5 μm bis
4 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 μm
bis 3 μm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Schicht, deren Härte gleich der Härte
des Strahlmittels ist, eine etwa 2,5 μm dicke Al2O3-Schicht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter der
Schicht, deren Härte gleich der Härte des Strahlmittels
ist, d. h. beispielsweise der Al2O3-Schicht, eine TiCN-Schicht angeordnet.
Dabei können über und/oder unter der TiCN-Schicht
weitere Schichten angeordnet sein. Zweckmäßig
ist das Vorsehen einer Bindungsschicht zwischen der TiCN-Schicht
und der darüber angeordneten Schicht, deren Härte
gleich der Härte des Strahlmittels ist, wie beispielsweise
der vorgenannten Al2O3-Schicht.
Die Bindungsschicht verbessert die Haftung der darüber
und darunter angeordneten Schichten und hat zweckmäßigerweise
eine Dicke von 0,1 μm bis 1 μm. Als Bindungsschicht
zwischen einer TiCN-Schicht und einer darüber angeordneten
Al2O3-Schicht eignet
sich ganz besonders eine Schicht aus TiAlCNO, da diese in der α-Al2O3-Schicht eine
bevorzugte (001)-Fasertextur erzeugt und aufgrund ihrer Zusammensetzung
und Mikrostruktur eine hervorragende Anbindung an die TiCN-Schicht
liefert. Eine gute Anbindung der Schichten untereinander ist wichtig,
um hohe Drücke bei der Strahlbehandlung anwenden zu können,
ohne daß die Schichten abplatzen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die TiCN-Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 μm
bis 5 μm, vorzugsweise im Bereich von 1,5 μm bis
4 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 μm
bis 3 μm auf. Die TiCN-Schicht wird zweckmäßigerweise
im Hochtemperatur-CVD-Verfahren oder im MT(Medium Temperature)-CVD-Verfahren
aufgebracht, wobei das MT-CVD-Verfahren für die Herstellung
von Zerspanwerkzeugen bevor zugt ist, da es kolumnare Schichtstrukturen
liefert und aufgrund der niedrigeren Abscheidungstemeperatur Zähigkeitsverluste
im Substrat vermindert.
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Eine
erfindungsgemäß geeignete Schichtabfolge der erfindungsgemäßen
Beschichtung ist, ausgehend vom Substratkörper, TiN-TiCN-TiAlCNO-Al2O3, wobei vor dem
Bestrahlen über der Al2O3-Schicht eine dünne TiN-Schicht
vorgesehen sein kann, die bei dem Strahlverfahren abgetragen wird.
Eine geeignete Gesamtschichtdicke liegt im Bereich von etwa 6 μm
bis 7 μm, wobei die TiCN-Schicht und die Al2O3-Schicht eine Dicke von jeweils etwa 2 bis
2,5 μm haben und die oberen und unteren TiN-Schichten jeweils
etwa 0,5 μm oder dünner sind und die TiAlCNO-Schicht
(Mischphase aus TiCN + Aluminiumtitanat) eine Dicke von etwa 1 μm bis
1,5 μm hat.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch
aus, dass sowohl in der Beschichtung als auch in dem oberflächennahen
Bereich des Substratkörpers hohe Druckeigenspannungen erzeugt
werden. Zweckmäßigerweise wird die Strahlbehandlung
so durchgeführt, dass in dem oberflächennahen
Bereich des Substratkörpers eine Druckeigenspannung von
wenigstens –500 MPa, vorzugsweise von wenigstens –1.000 MPa,
besonders bevorzugt von wenigstens –1.500 MPa, ganz besonders
bevorzugt von wenigstens –2.000 MPA erzeugt wird. Zum Inneren
des Substratkörpers hin nimmt die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzeugte Druckeigenspannung stetig ab, jedoch können
durch das erfindungsgemäße Verfahren im oberflächennahen
Bereich des Substratkörpers Druckeigenspannungen erzeugt
werden, die größer sind als nach dem Stand der
Technik erzeugte Druckeigenspannungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiterhin
dadurch aus, dass durch die Strahlbehandlung in der Schicht, deren
Härte gleich der Härte des Strahlmittels ist,
wenigstens im äußersten Oberflächenbereich,
in der Regel jedoch in der gesamten Schicht eine Druckeigenspannung
von wenigstens –2.000 MPa, vorzugsweise von wenigstens –4.000
MPa, besonders bevorzugt von wenigstens –6.000 MPa erzeugt
wird.
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Bei
einem erfindungsgemäß bevorzugten System mit einem
WC/Co-Hartmetallsubstratkörper und einer Beschichtung aus
0,5 μm TiN, 2,5 μm TiCN, 1 μm TiAlCNO
und einer äußersten Schicht von 2,5 μm
Al2O3 können
mittels einer Trockenstrahlbehandlung mit feinkörnigem
Korund als Strahlmittel für 10 bis 20 Sekunden und einem
Strahldruck im Bereich von 1,5 bis 4 bar in der äußersten
Al2O3-Schicht Druckeigenspannungen
in der Größenordnung von –6.000 MPa bis –8.000
MPa und im äußersten Oberflächenbereich
des Substratkörpers Druckeigenspannungen in der Größenordnung
von –500 MPa bis –2.500 MPa erzeugt werden. Auch
in der TiCN-Schicht werden erhöhte Druckeigenspannungen
erzeugt, die bei einer Bestrahlung für 10 bis 20 Sekunden
bei 4 bar am höchsten sind und im Bereich von –1.000
MPa bis –1.500 MPa liegen. Ganz besonders bevorzugt ist
es, wenn die Druckeigenspannungen in der äußersten
Al2O3-Schicht über
die gesamte Dicke der Schicht im wesentlichen konstant sind und
keinen von Außen nach Innen graduell abnehmenden Verlauf
aufweisen.
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Die
Erfindung umfasst ausdrücklich auch Schneideinsätze
mit den Eigenschaften, die in Schneideinsätzen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
Die Erfindung umfasst auch Schneideinsätze, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
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Messverfahren
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Die
zerstörungsfreie und phasenselektive Analyse von Eigenspannungen
ist nur durch Röntgendiffraktionsverfahren möglich
(siehe zum Beispiel V. Hauk. Structural and Residual Stress
Analysis by Nondestructive Methods. Elsevier, Amsterdam, 1997").
Das weitverbreitet angewendete sin2ψ-Verfahren
(E. Macherauch, P. Müller, Z. angew. Physik 13
(1961), 305) für die Röntgenanalyse von
Eigenspannungen beruht auf der Annahme eines homogenen Spannungszustandes
innerhalb der Eindringtiefe des Röntgenstrahles und liefert
nur einen Mittelwert für den Spannungsanteil in einer Ebene.
Daher ist das sin2ψ-Verfahren nicht
für die Untersuchung von mehrlagigen, strahlbehandelten
CVD-Systemen geeignet, in denen innerhalb kurzer Distanzen steile
oder stufenweise Veränderungen der Eigenspannung erwartet
werden. Statt dessen werden weiterentwickelte Verfahren angewendet,
die auch in dünnen Schichten die Erfassung von Eigenspannungsgradienten
erlauben (Ch. Genzel in: E. J. Mittemeijer, P. Scardi (Herausg.)
Diffraction Analysis of the Microstructure of Materials. Springer
Series in Material Science, Band 68 (2004), S. 473; Ch.
Genzel, Mat. Science and Technol. 21 (2005), 10).
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Um
das Tiefenprofil der Eigenspannungen in der Beschichtung zu analysieren,
wurde von den Erfindern das "Universal Plot-Verfahren" (wie es beispielsweise
in H. Ruppersberg, I. Detemple, J. Krier, Phys. stat. sol.
(a) 116 (1989), 681; Ch. Genzel, M. Broda, D. Dantz,
W. Reimers, J. Appl. Cryst., 32 (1999), 779; Ch.
Genzel, M. Klaus, I. Denks, H. G. Wulz, Mat. Sci. Eng. A390 (2005),
376, beschrieben ist) erstmalig auf strahlbehandelte Mehrschichtsysteme
angewendet. Das Verfahren beruht auf einer Gitterdehnungstiefenprofilmessung
bis zu sehr hohen Tiltwinkeln ψ, wodurch man die Eigenspannungsprofile
der Schichten auf direktem Weg erhält. Die Eigenspannungen
der Schichten wurden in dem winkeldispersiven Diffraktionsmodus
auf einem GE Inspection Technologies (vormals Seifert), 5-Circle-Diffraktometer
ETA (Ch. Genzel, Adv. X-Ray Analysis, 44 (2001), 247.)
durchgeführt. Die für die Messungen und die Bestimmung
der Eigenspannungen angewendeten Parameter sind in der nachstehenden
Tabelle 1 zusammengefasst.
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Die
zerstörungsfreie Analyse der Eigenspannungsverteilung im
Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substratkörper
und der Beschichtung ist nur durch Hochenergie-Röntgendiffraktion
unter Verwendung intensiver paralleler Synchrotronstrahlung möglich.
Um den Einfluss des Strahlverfahrens auf den Zustand der Eigenspannung
in der Nähe der Substratoberfläche zu ermitteln,
wurde erstmalig energiedispersive Diffraktion angewendet. Dabei
wurde das "modifizierte Multi-Wellenlängen-Verfahren" (wie
es in
C. Stock, Promotionsarbeit, TU Berlin, 2003; Ch. Genzel,
C. Strock, W. Reimers, Mat. Sci. Eng., A 372 (2004), 28,
beschrieben ist) benutzt, welches das Tiefenprofil der Eigenspannungen
in dem Substrat bis zu einer vom Substratmaterial abhängigen
Eindringtiefe liefert. Bei WC-Co-Substraten beträgt diese
Eindringtiefe etwa 10 μm. Die Experimente wurden auf dem
Materialforschungsmessplatz EDDI (Energy Dispersive Diffraction)
durchgeführt, welche von dem Hahn-Meitner-Institut Berlin
auf dem Synchrotron-Speicherring BESSY betrieben wird (
Ch.
Genzel, I. A. Denks, M. Klaus, Mat. Sci. Forum 524–525
(2006), 193). Die entsprechenden experimentellen Parameter
sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1: Experimentelle Parameter für
die Eigenspannungsanalyse der Beschichtung
| Strahlung | CuKα (ohne
kβ-Filter) 40 kV/45 mA (Langfeinfokus) |
| Diffraktionsmodus | winkeldispersiv |
| Optische
Elemente | • Primärstrahl:
polykapillare Halblinse
• Gebeugter Strahl: Parallelstrahloptik
(0,4° Soller-Blende
+ 001-LiF Monochromator) |
| Reflexionen | Al2O3: 024 (2θ =
52,6°)
TiCN: 422 (2θ = 123,5°) |
| Ψ-Bereich | 0° ...
89.5° (sin2Ψ = 0 ... 0,99996) |
| Messdauer | 15
s/Stufe in Δ2θ (0,05°) |
| Beugungslinienauswertung | Pearson
VII-Funktion für die Kα1-
und Kα2-Linien |
| Lineare
Absorptionskoeffizienten | μAl2O3 = 124 cm–1
μTiCN = 876 cm–1 |
| Elastische
Diffraktionskonstanten (DEC)* ) | Al2O3: s1(024)
= –0,55 × 10–6 MPa–1
½s2(024)
= 2,96 × 10–6 MPa–1
TiCN: s1(422)
= –0,474 × 10–6 MPa–1
½s2(422)
= 2,83 × 10–6 MPa–1 |
-
Berechnet
anhand der Einkristall-Elastizitätskonstanten von Al
2O
3 (
Landoldt-Börnstein,
New Series, Group III, Band 11, Springer, Berlin, 1979)
und TiN (
W. Kress, P. Roedhammer, H. Bilz, W. Teuchert,
A. N. Christensen. Phys. Rev. 617 (1978), 111.) nach dem
Eshelby-Kröner-Modell (
J. D. Eshelby. Proc. Roy.
Soc. (London) A241 (1957), 376; E. Kröner, Z. Physik 151
(1958), 504.) Tabelle 2: Experimentelle Parameter für
die Eigenspannungsanalyse in den Substratkörpern
| Strahlung | weiße
Synchrotronstrahlung, E = [10 keV ... 120 keV] |
| Diffraktionsmodus | energiedispersiv |
| Strahlenquerschnitt | 0,25 × 0,25
mm2 |
| Absorber | 2
cm Graphit |
| Optik
im gebeugtem Strahl | Doppelspaltsystem
mit einer Öffnung von 0,03 × 5 mm2 |
| Diffraktionswinkel | 2θ =
9° |
| Detektor | Festkörper-LEGe-Detektor
(Canberra) |
| Messmodus | symmetrischer Ψ-Modus
(Reflexion), ψ = 0° ... 80°, 44 Δψ =
2° |
| Messdauer | 180
s/Diffraktionsspektrum |
| ausgewertete
Beugungslinien | 001,
101, 110, 002, 111 |
| Elastische
Diffraktionskonstanten | entnommen
aus B. Eigenmann, E. Macherauch, Mat.-Wiss. u. Werkstofftechn. 27
(1996), 426 |
| Kalibrierung | mit
spannungsfreiem Au-Pulver unter den gleichen experimentel len Bedingungen |
-
BEISPIELE
-
Beispiel 1
-
Nach
den erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein WC/Co-Hartmetallsubstratkörper
im CVD-Verfahren mit einer ersten Schicht von 0,3 μm TiN,
einer zweiten Schicht von 2,5 μm TiCN, einer dritten Schicht
von 1 μm TiAlCNO, einer vierten Schicht von 2,5 μm
Al2O3 und einer äußersten
Schicht von 0,5 μm TiN beschichtet. Der beschichtete Substratkörper
wurde unter den nachfolgend in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen
mit feinem Al2O3 (Korund)
als Strahlmittel mit einer Maschenzahl von 280–320, d.
h. einer mittleren Korngröße von ca. 70 μm,
Trocken- oder Nassbestrahlung bei einem Strahlwinkel von 90° und
einem Strahlabstand (= Abstand von der Düse zur Werkzeugoberfläche)
von 100 mm unterzogen. Es wurde nur die Spanfläche des Körpers
bestrahlt. Anschließend wurden an der Spanfläche
die Eigenspannungen in der Al2O3-Schicht,
der TiCN-Schicht und in der nahen Interface-Substrat-Zone des Substratkörpers
nach den zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse
sind ebenfalls in Tabelle 3 angegeben. Sind für die Eigenspannungen
der Al2O3-Schicht
zwei Werte (σOf, σGf,) angegeben, so wurde in der Al2O3-Schicht ein von
der äußeren Oberfläche aus abnehmender
Verlauf der Druckeigenspannung bestimmt (Druckeigenspannungsgradient). σOf bezeichnet den Wert der Druckeigenspannung
an der vom Substratkörper aus gesehen äußeren
Seite der Al2O3-Schicht, und σGf bezeichnet den Wert der Druckeigenspannung
an der Grenzfläche der Al2O3-Schicht zur darunter liegenden TiAlCNO-Schicht.
-
Zu
Vergleichszwecken sind in Tabelle 3 die Werte für den beschichteten
Substratkörper ohne Strahlbehandlung (Vergleich 1) sowie
für eine Strahlbehandlung bei einem Druck von 0,5 bar,
d. h. außerhalb des erfindungsgemäßen
Bereichs, (Vergleich 2) angegeben.
-
Die
Strahlzeit wurde zwischen 5 und 20 Sekunden variiert. Die Ergebnisse
zeigen, dass die Strahlzeit nur einen relativ geringen Einfluss
auf den Eigenspannungsverlauf hat.
-
Der
Strahldruck wurde im erfindungsgemäßen Bereich
von 1,5 bis 4 bar variiert. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass
die erzeugten Druckeigenspannungen bei dem höchsten im
erfindungsgemäßen Bereich angewendeten Strahldruck
von 4 bar bei gleicher Strahlzeit die höchsten Werte erreichen.
Bei dem verwendeten Testsystem ist der höchst mögliche
Strahldruck abhängig von der verwenden Bindungsschicht
unterhalb der Al2O3-Schicht
und der erzeugten Vorzugsorientierung (Textur) der Schicht. Bei
Strahldrücken von mehr als 4 bar besteht die Gefahr, daß die äußerste
Schicht der Beschichtung stark beschädigt wird oder gar
bereichsweise abplatzt. Besonders hohe Stabilität liefert
eine TiAlCNO-Bindungsschicht. Geeignet könnte jedoch auch eine
TiCO-Schicht sein, die jedoch bei dem beispielsgemäßen
System eine geringere Stabilität liefert, die einen Strahldruck
von 4 bar nicht ermöglichen würde.
-
1 zeigt
Diagramme der Spannungstiefenverläufe der Experimente 1,
2, 3, 5, 6, 7 und 9, wobei die Eigenspannungswerte der Al
2O
3-Schicht jeweils
auf der linken Achse und die Eigenspannungswerte der TiCN-Schicht
und in der nahen Interface-Substrat-Zone des Substratkörpers
jeweils auf der rechten Achse in GPa angegeben sind. Positive Werte
bezeichnen Zugeigenspannungen, negative Werte bezeichnen Druckeigenspannungen. Tabelle 3
| | Strahldruck | Strahlzeit | Strahlmodus | Eigenspannungen
in MPa*) |
| Al2O3 | TiCN (σ) | WC**) (σ) |
| σOf | σGf |
| Vergleich 1 | - | - | - | +798 | +638 | –70 |
| Vergleich 2 | 0,5
bar | 20
s | trocken | –4200 | –3800 | +469 | +150 |
| Exp.
1 | 1.5
bar | 5
s | trocken | –6000 | –3400 | +282 | –200 |
| Exp.
2 | 2
bar | 10
s | trocken | –6056 | –93 | –350 |
| Exp.
3 | 2
bar | 20
s | trocken | –6573 | –432 | –850 |
| Exp.
4 | 3
bar | 5
s | trocken | –4117 | +48 | –874 |
| Exp.
5 | 3
bar | 10
s | trocken | –6883 | –493 | –850 |
| Exp.
6 | 3
bar | 20
s | trocken | –6646 | –581 | –1300 |
| Exp.
7 | 4
bar | 10
s | trocken | –7556 | –998 | –1000 |
| Exp.
8 | 4
bar | 10
s | nass | –471 | +604 | +41 |
| Exp.
9 | 4
bar | 20
s | trocken | –7148 | –1423 | –1500 |
- *) positive Werte
bedeuten Zugeigenspannungen, negative Werte bedeuten Druckeigenspannungen.
- **) Werte sind Mittelwerte der Eigenspannungswerte
von der äußersten Oberfläche des Substratkörpers
bis zu einer Eindringtiefe von 5 μm.
-
Beispiel 2
-
Schneideinsätze
vom Typ SEHW1204AFN mit dem gleichen Substratkörper und
der gleichen Beschichtung wie in Beispiel 1 wurden einer Nachbehandlung
durch Trockenstrahlen für jeweils 20 Sekunden mit dem gleichen
Strahlmittel wie in Beispiel 1 unterzogen, wobei Strahlbehandlungsdrücke
von 1, 2, 3 und 4 bar angewendet wurden. Es wurde nur die Spanfläche
des Körpers bestrahlt. Mit den Schneideinsätzen
wurden unter gleichen Bedingungen Fräsoperationen in einem
Werkstück aus Grauguß GG25 (
DIN-Norm 1691) durchgeführt.
Der Fräsweg betrug 4000 mm, die Schnittgeschwindigkeit
373 m/min und der Vorschub am Zahn 0,2 mm. Anschließend
wurden die Schneideinsätze unter dem Llichtmikroskop untersucht
und die Kammrisse an der Schneidkante als ein Maß für
die Zähigkeit und die Verschleißbeständigkeit
gezählt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle
4 wiedergegeben. Tabelle 4
| Strahldruck
trocken | Kammrisse |
| 1
bar | 9 |
| 2
bar | 9 |
| 3
bar | 8 |
| 4
bar | 5 |
-
Die
Schneidkante des Einsatzes, mit der bei 4 bar durchgeführten
Strahlbehandlung und somit den höchsten Eigenspannungen
in allen Schichten der Beschichtung und im Substratkörper
weist die geringste Anzahl an Kammrissen und somit die höchste
Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit
auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19719195 [0007]
- - EP 193328 A1 [0016]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
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