DE60013264T2

DE60013264T2 - Diamantbeschichtetes werkzeug

Info

Publication number: DE60013264T2
Application number: DE60013264T
Authority: DE
Inventors: Oliver Lemmer; Martin Frank
Original assignee: Cemecon AG
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: WO2000060137A1; DE60013264D1; IL145174A0; DE19914585C1; EP1165860A1; EP1165860B1; JP5379934B2; CA2367184A1; JP2002540970A; ATE274607T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein beschichtetes Werkzeug, insbesondere zur Zerspanung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Herstellung dieser beschichteten Werkzeuge, die auch als diamantbeschichtet bezeichnet werden, werden bislang CVD-Verfahren eingesetzt. Als Substratmaterialien, insbesondere für Hochleistungswerkzeuge zur spanenden und spanlosen Umformung zu bearbeitender Werkstücke, werden Hartmetall- oder Cermet-Materialien eingesetzt, die mit einem der genannten Verfahren mit einer Diamantschicht versehen werden. Diese Substratmaterialien bestehen beispielsweise aus Carbiden, denen Nitride o.ä. beigemischt sein können und die in einer metallischen Matrix, typischerweise Kobalt und/oder Nickel und/oder Eisen eingebettet sind. Ein bekanntes Beispiel ist Wolframcarbid mit 0,2 bis 20 Gew.-% Kobalt.
Bei den üblichen Verfahren zur Aufbringung von Diamantschichten auf Substrate kommt es häufig vor, daß bei den konventionellen Diamantschichten Abplatzungen auftreten, die eine Weiterverwendung des Werkzeugs in vielen Fällen vermeiden.
Aufgrund der Abplatzungen wird somit die Standzeit konventioneller Werkzeuge mit Diamantbeschichtungen erheblich herabgesetzt.
Aus der EP 0279898 B1 ist ein Verfahren zum Auftragen einer Verschleißschutzschicht in der Art eines Diamantfilmes auf einen Träger bekannt, wobei auf dem Träger aufeinanderfolgend eine Vielzahl von Schichten aufgetragen wird, die jeweils einen höheren Diamantanteil und einen höheren Elastizitätsmodul als die darunterliegende Schicht aufweisen. Gemäß der Offenbarung dieser Druckschrift wird versucht, mittels eines flachen Gradienten für das Elastizitätsmodul vom Träger aus zu den außenliegenden Diamantschichten ein Abplatzen der Schichten zu verhindern. Dieses Verfahren ist jedoch hinsichtlich der Anzahl durchzuführender Verfahrensschritte sehr aufwendig. Außerdem hat das Verfahren nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt, wenn Verschleißbeanspruchung vorliegt.
Aus der EP 0752293 A2 ist ein diamantbeschichtetes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Diese Druckschrift offenbart, auf einen Träger zunächst eine Kohlenstoffschicht mit geringerem Diamantanteil aufzutragen, wonach eine Kohlenstoffschicht mit höherem Diamantanteil abgeschieden wird. Dieses Verfahren kann einige Male wiederholt werden.
Aus der US 5139372 ist der Aufbau einer Schneidplatte für die Kante eines Werkzeugs bekannt. Konkret beschreibt die Druckschrift die Abscheidung von Kohlenstoff/Diamant-Doppelschichten, wobei zunächst auf einem SiO₂-Hilfs- oder -Zwischenträger zunächst eine Mischschicht mit hohem Anteil an polykristallinem Diamant abgeschieden wird und anschließend eine Schicht mit geringem Anteil an polykristallinem Diamant. Anschließend wird der Zwischenträger durch Ätzen entfernt und gemäß der in der Druckschrift beschriebenen Erfindung mit der "schlechteren" Diamantschicht an einem Werkzeug-Substrat durch Löten befestigt. Bei dem fertig gestellten Werkzeug liegt somit die Diamantschicht mit höherem Diamantanteil an der freiliegenden Seite des Schneidplättchens. In dieser Druckschrift wird außerdem ein Vergleichsbeispiel beschrieben, bei dem die freiliegende Seite des Schneidplättchens am fertigen Werkzeug eine Kohlenstoffschicht mit geringerem Diamantanteil und die durch Löten mit dem Werkzeug-Substrat verbundene Kohlenstoffschicht einen höheren Anteil an Diamant aufweist. Ebenfalls in dieser Druckschrift beschriebene Vergleichsversuche zeigen, daß diejenigen Werkzeuge, bei denen die freiliegende Seite des Schneidplättchens von einer Kohlenstoffschicht mit geringerem Diamantanteil gebildet wird, im Vergleich zu der umgekehrten Schichtfolge wesentlich schlechtere Ergebnisse zeigen.
Die EP 0 596 619 A1 beschreibt einen diamantbeschichteten Gegenstand mit integriertem Verschleißindikator. Es sind zwei Diamantschichten vorgesehen, die zur Schaffung eines Mittels zur Anzeige der Abnutzung der Diamantbeschichtung hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften voneinander abweichen. Die offenbarten Prozeßbedingungen zeigen, daß die Diamantschichten von üblicher säulenförmiger Struktur sind.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein beschichtetes Werkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat aufgebrachten Kohlenstoffschicht mit Kohlenstoff in Diamant-Kristallstruktur zu schaffen, bei dem die Gefahr von Abplatzungen der Kohlenstoffschicht wirksam verringert wird.
Die Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Ausdruck "Werkzeug" umfaßt im Zusammenhang mit der Erfindung jedes Bauteil, das eine Beschichtung aufweist, die der Abriebfestigkeit des Einzelteils dient. Beispiele für ein solches Werkzeug sind Schneidwerkzeuge wie Mühlen, Bohrer, Spiralbohrer, Fräser, Gewindebohrer, Schleifwerkzeuge, Abricht- und Honwerkzeuge, Form-/Umformwerkzeuge wie Ziehwerkzeuge, Präge- und Ausstanzwerkzeuge und Bauteile der vorgenannten Art wie Verschleißteile, Seilführungsbuchsen, Lötflächen, Führungsoberflächen, Gleitflächen, Gleitlager und Schneidflächen. Die herausragendsten Beispiele sind Führungsoberflächen von Spiralbohrern, Führungsoberflächen von Fräsern und Schneidoberflächen von Einlegeteilen. Die letztgenannten Beispiele basieren auf der Tatsache, daß bei den meisten Werkzeugen die Schneidteile mit Gleitflächen kombiniert sind, die die Position der Schneide definieren, derart daß diese Teile Bestandteil des Werkzeugs sind. In diesem Zusammenhang sind die glatten Diamantschichten besonders vorteilhaft, weil sie einen hohen Härtegrad und einen niedrigen Reibkoeffizienten aufweisen. Die Bauteile können an einem Werkzeug angebracht oder durch bestimmte Werkzeugflächen zusammengesetzt sein. In vielen Fällen weist die Werkzeugbeschichtung eine Werkzeugkante auf.
Bevorzugt ist der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur in der ersten Kohlenstoffschicht sehr hoch, beispielsweise entsprechend bisher eingesetzten Diamantbeschichtungen bei Werkzeugen zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken. Überraschenderweise ist festgestellt worden, daß in dem Fall, wenn die zweite Kohlenstoffschicht einen gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht geringeren Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur hat, die Bildung von Rissen in der Kohlenstoffschicht insgesamt wirksam vermindert werden kann, so daß Abplatzungen sehr viel seltener auftreten.
Grundsätzlich enthalten sowohl die erste als auch die zweite Kohlenstoffschicht weit überwiegend Kohlenstoff in Diamant-Kristallstruktur (80–100%). Diese Schichten werden in der Literatur meist als Diamantschichten bezeichnet. Beim übrigen Kohlenstoff handelt es sich um Graphit oder amorphe Phasen.
Es wird vermutet, daß die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und der zweiten Kohlenstoffschichten zu einer Verminderung der Rißbildung beitragen. Da in der zweiten Kohlenstoffschicht die Anteile an Kohlenstoff mit Graphit-Kristallstruktur und amorpher Struktur gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht erhöht sind, ist auch der Wärmeausdehnungskoeffizient gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht erhöht. Die zweite Kohlenstoffschicht besteht aus nano-kristallinem Diamant, der für gewöhnlich von Kohlenstoff mit einer Nicht-Diamant-Struktur umgeben ist. Der letztgenannte Kohlenstoff dient dazu, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der zweiten Kohlenstoffschicht zu erhöhen. Die Bildung von nano-kristallinen Diamantfilmen auf Substraten ist z.B. in "Nucleation, Growth and Microstructure of Nanocrystalline Diamond Films" (Keimbildung, Wachstum und Mikrostruktur von nano-kristallinen Diamantfilmen) in "MRS Bulletin-Publication of the Materials Research Society", Sept. 1998, Vol. 23, Nr. 9, S. 32–35, von Dieter M. Gruen beschrieben.
Es wird angenommen, daß die oben angeführten Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten im Substrat, in der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht die folgenden Auswirkungen haben kann:
Die erste Kohlenstoffschicht wird, wie im Stand der Technik bekannt, bei einer Substrattemperatur > 600°C abgeschieden, wonach das fertiggestellte Bauteil abgekühlt wird. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient gängiger Substratmaterialien etwa um ein Mehrfaches größer als derjenige von Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur ist (z.B. bei Hartmetall ca. 5-fach), entsteht in der ersten Kohlenstoffschicht eine Druckspannung. Durch Aufbringen der zweiten Kohlenstoffschicht mit gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht erhöhtem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann die zweite Kohlenstoffschicht eine zusätzliche Zugspannung auf die erste Kohlenstoffschicht ausüben, so daß Abplatzungen weitestgehend vermieden werden. Insbesondere können durch die unterschiedlichen Spannungszustände in der ersten und in der zweiten Kohlenstoffschicht beispielsweise bei einem beschichteten Werkstoff auftretende Risse in der zweiten Kohlenstoffschicht aufgehalten werden, und die Rißspitzen können die erste Kohlenstoffschicht nicht mehr erreichen. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung beziehen sich die Spannungscharakteristiken immer auf die Richtung parallel zu der (den) Anschlußstelle(n) der Kohlenstoffschichten. Allgemein sollte die Zugspannung sich mit zunehmendem Abstand zum Substrat erhöhen.
Ein weiterer Vorteil des beschichteten Bauteils besteht darin, daß die Duktilität und Glätte der zweiten Kohlenstoffschicht ebenfalls dazu beiträgt, daß seltener Risse entstehen.
Die gegenüber der Glätte der üblicherweise als äußerste Schicht eingesetzten Kohlenstoffschicht erhöhte Glätte der zweiten Kohlenstoffschicht führt darüber hinaus dazu, daß beim Einsatz des beschichteten Bauteils in der Zerspanung die Schnittkräfte und die Neigung zu Materialaufschmierung geringer sind. Daraus ergeben sich ebenfalls verbesserte Standzeiten, während außerdem eine höhere Qualität der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks, insbesondere dessen Glätte erreicht wird.
Das beschichtete Werkzeug kann neben der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht auch weitere Materialschichten aufweisen, wobei der hier verwendete Begriff "Substrat" in dem Sinne zu verstehen ist, daß damit das unter der ersten Kohlenstoffschicht liegende Material gemeint ist. Es ist ebenfalls möglich, daß zwischen der ersten Kohlenstoffschicht und der zweiten Kohlenstoffschicht oder in Bezug auf das Substrat jenseits der zweiten Kohlenstoffschicht weitere Materialschichten angeordnet sind. Wesentlich ist, daß in Bezug auf das Substrat von innen nach außen zunächst eine Kohlenstoffschicht mit vorbestimmtem Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur vorliegt, während weiter außen die zweite Kohlenstoffschicht folgt.
Die zweite Kohlenstoffschicht kann unmittelbar auf der ersten Kohlenstoffschicht aufgebracht sein. Bei dieser Ausführungsform haben sich sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Haftfestigkeit und Rißbeständigkeit der Kohlenstoffschichten gezeigt.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, daß zwischen der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht eine Zwischenschicht gebildet ist, bei der der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur stetig von der ersten Kohlenstoffschicht in Richtung auf die zweite Kohlenstoffschicht abfällt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehend erläuterten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß der Übergang im Anteil an Kohlenstoff mit Kristall-Diamantstruktur nicht abrupt, sondern räumlich ausgedehnt erfolgt.
Vorzugsweise weist das Werkzeug eine Gesamtschichtdicke der ersten Kohlenstoffschicht und der zweiten Kohlenstoffschicht im Bereich von 1 bis 40 μm auf, wobei die Wertebereiche 4 bis 20 μm und 6 bis 15 μm jeweils zu zunehmend besseren Ergebnissen für die Haftfestigkeit der Kohlenstoffschichten führen.
Die erste Kohlenstoffschicht hat bevorzugt eine solche Struktur, daß bei Einstrahlung von Laserlicht bei einer Wellenlänge von 514 nm (Emissionslinie des Ar-Ionen-Lasers) die erste Kohlenstoffschicht ein Raman-Spektrum erzeugt, bei dem nach Abzug eines Signal-Hintergrundes das Intensitätsverhältnis K_A eines für Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^–1 zu einem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peak F bei 1560 cm^–1 im Bereich von ∞ bis 0,5 liegt, wobei K_A = I(S_A)/I(F_A) der Diamant-Wert für die erste Kohlenstoffschicht ist.
Das Intensitätsverhältnis K_A des für Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^–1 zu dem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peak F bei 1560 cm^–1 liegt weiter bevorzugt im Bereich von 10 bis 1,0, der sich für das Anteilsverhältnis von Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur zu Kohlenstoff anderer, beispielsweise graphitischer oder amorpher Struktur als besonders günstig für die erste Kohlenstoffschicht gezeigt hat.
Die zweite Kohlenstoffschicht hat vorzugsweise eine solche Struktur, daß bei Einstrahlung von Laserlicht bei einer Wellenlänge von 514 nm die zweite Kohlenstoffschicht ein Raman-Spektrum erzeugt, bei dem nach Abzug eines Signal-Hintergrundes das Intensitätsverhältnis K_B des für Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^–1 zu dem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peak F bei 1560 cm^–1 im Bereich von 2 bis 0 liegt, wobei K_B = I(S_A)/I(F_A) der Diamant-Wert für die zweite Kohlenstoffschicht ist.
Das Intensitätsverhältnis K_B des für Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^–1 zu dem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peak F bei 1560 cm^–1 kann weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 0,1 liegen.
Für sämtliche vorgenannten Bereichsangaben gilt die Nebenbedingung, daß der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur in der zweiten Kohlenstoffschicht geringer ist als der Anteil an Kohlenstoff mit Kristall-Diamantstruktur in der ersten Kohlenstoffschicht, d. h. K_A > K_B. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß bei der ersten Kohlenstoffschicht der Peak F und bei der zweiten Kohlenstoffschicht der Peak S jeweils vollständig im Raman-Spektrum verschwindet.
Die zweite Kohlenstoffschicht weist bevorzugt und zur Abgrenzung gegenüber am Ende eines herkömmlichen CVD-Diamant-Beschichtungsverfahrens auftretenden Effekten, bei denen eine im Sinne dieser Beschreibung nicht als Schicht zu bezeichnende, einige Atomlagen umfassende Nicht-Diamant-Struktur auftreten kann, eine Mindestdicke von 0,5 μm auf. Ausschlaggebend ist jedoch, daß die Dicke der zweiten Kohlenstoffschicht derart gewählt ist, daß sich ein gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht allein merklich erhöhtes Haftvermögen der Schichten am Substrat zeigt.
Die wesentlichen Verfahrensparameter zum Aufbringen von Kohlenstoffschichten mit hohem Anteil an Kohlenstoff in Diamant-Kristallstruktur sind bekannt. Dazu gehören die Zuführung eines Kohlenstoffträgergases wie Methan sowie von molekularem Wasserstoff, die Einstellung einer geeigneten Substrattemperatur und die Beschichtungsdauer, über die in erster Linie die Dicke der Kohlenstoffschichten eingestellt wird.
Bevorzugt sind in Schritt a) die Verfahrensbedingungen für das Aufbringen der ersten Kohlenstoffschicht für einen möglichst hohen Anteil Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur optimiert. Auf diese Weise erhält man bekannte Diamantbeschichtungen für Bauteile, die eine hervorragende Verschleißfestigkeit zeigen.
Bevorzugt werden in Schritt b) die Verfahrensbedingungen von Schritt a) zur Verminderung des Anteils an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur gegenüber der ersten Schicht geändert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht eines Ausschnitts eines beschichteten Bauteils;
2 ein beispielhaftes Raman-Spektrum zur Erläuterung des Diamant-Wertes;
3 ein Raman-Spektrum der ersten Kohlenstoffschicht des Bauteils von 1;
4 ein Raman-Spektrum der zweiten Schicht des Bauteils von 1;
5 eine elektronenmikroskopische Abbildung eines mittels Bruch hergestellten Querschnitts einer Kante bei dem Bauteil von 1 bei etwa 1.500-facher Vergrößerung;
6 einen Ausschnitt aus 5 bei etwa 6.500-facher Vergrößerung und
7 eine elektronenmikroskopische Abbildung der äußeren Oberfläche der zweiten Kohlenstoffschicht des Bauteils von 1 bei etwa 6.500-facher Vergrößerung; und
8 zum Vergleich mit 7 eine Oberfläche einer gemäß einem konventionellen CVD-Diamant-Beschichtungsverfahren hergestellten Kohlenstoffschicht bei etwa 6.500-facher Vergrößerung.
Zunächst wird ein beispielhaftes Verfahren beschrieben, mit dem ein Bauteil, das zwei Kohlenstoffschichten A, B aufweist, die sich durch ihren Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur unterscheiden, hergestellt werden kann (vgl. 1).
Bei dem Verfahren handelt es sich um ein sog. Hot Filament-Verfahren.
Zur Vorbehandlung eines Substrates mit 6 Gew.-% Co, Rest Wolframcarbid mit mittlerer Korngröße von 1,5 μm wird zunächst für 10 Minuten in 10%-iger Salpetersäure bei Raumtemperatur geätzt, wonach die Substratoberfläche für 3 Minuten in einer Suspension aus 200 ml destilliertem Wasser und 8 Karat Diamantpulver mit einer mittleren Korngröße von 5 μm bekeimt wurde.
Das weitere Verfahren wird in einer Multi-Filament-Beschichtungsvorrichtung durchgeführt, bei der ein oder mehrere Substrate zwischen zwei Ebenen von zueinander parallel ausgerichteten Heizleitern angeordnet sind, wobei auch die Ebenen parallel zueinander liegen. Die wesentlichen Parameter für die Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs sind Druck in der Beschichtungsvorrichtung, Anteile der Prozeßgase Wasserstoff und Methan an der Atmosphäre in der Beschichtungsvorrichtung, Gesamtgasfluß pro Liter Volumen der Beschichtungsvorrichtung, Substrat- Heizleitertemperatur, Abstand Substrat-Heizleiter und Beschichtungsdauer.
Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 geben die Einstellungswerte für die Parameter an, wobei sich Tabelle 1 auf die Verfahrensbedingungen für die erste Kohlenstoffschicht A und Tabelle 2 auf die Verfahrensbedingungen für die zweite Kohlenstoffschicht B bezieht. Die in Tabelle 2 beschriebenen Bedingungen führen nicht zur Herstellung von nanokristallinem Kohlenstoff. Die Bedingungen, die dazu führen, sind Stand der Technik, wie bereits auf S. 4, Z. 18 – 35 beschrieben.
Tabelle 1: Parameter zum Aufbringen von Schicht A
Tabelle 2: Parameter zum Aufbringen von Schicht B
Beim Vergleich der Tabellen 1 und 2 wird ersichtlich, daß für den Schritt b) gegenüber dem Schritt a) die Heizleitertemperatur und damit die Substrat-Temperatur erniedrigt, sowie der Anteil an dem Prozeßgas Methan erhöht ist. Dies führt dazu, daß in der zweiten Kohlenstoffschicht der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur vermindert ist, wobei Anteile aus Kohlenstoff mit Graphit-Kristallstruktur und amorpher Struktur entsprechend zunehmen.
In den Tabellen 1 und 2 ist außerdem der sog. Diamant-Wert K_A bzw. K_B aufgeführt, der sich auf den Anteil an Kohlenstoff in der betreffenden Kohlenstoffschicht A oder B mit Diamant-Kristallstruktur bezieht. Allgemein nimmt der Diamant-Wert mit zunehmendem Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur in der Kohlenstoffschicht zu. Die Bestimmung des Diamant-Wertes wird nachfolgend anhand von 2 erläutert.
2 zeigt ein beispielhaftes sog. Mikro-Raman-Spektrum. Solche Mikro-Raman-Spektren können gemessen werden, wenn Laser-Licht auf die Kohlenstoffschichten A, B des in 1 dargestellten Bauteils eingestrahlt wird. Die Form des Mikro-Raman-Spektrums wird durch die in 1 dargestellte Struktur eines gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Bauteils mit dem Substrat M, der ersten, unmittelbar auf dem Substrat M aufgebrachten Kohlenstoffschicht A und der an die erste Kohlenstoffschicht A angrenzenden Kohlenstoffschicht B bestimmt.
Es wurde durchweg die grüne Anregungswellenlänge eines Argon-Ionen-Lasers bei 514 nm verwendet. Die Spektren können sowohl nach Aufbringen der Schicht A oder B auf der Oberfläche genommen werden, als auch im Bruch oder Schliff von der Seite, wenn der gesamte Beschichtungsprozeß abgeschlossen ist.
Die in 2 dargestellte Abhängigkeit der Raman-Streulichtintensität von der Wellenzahl (cm^–1) zeigt im Bereich der Wellenzahl 1332 cm^–1 einen Peak mit geringer Linienbreite, der auf sp³-gebundenen kristallinen Kohlenstoff als Diamant, zurückzuführen ist. Dieser Peak, hier im folgenden mit S bezeichnet, ist repräsentativ für die Struktur des Kohlenstoffs als Diamant-Kristallstruktur mit Fernordnung. Der Peak S entsteht durch die Anregung der dreifach entarteten T_2g-Phononen-Mode (gemäß der Gruppentheorie die Punktgruppe O_h).
Weiterhin zeigt das Ramanspektrum von 2 bei 1560 cm^–1 einen weiteren Peak, hier als F bezeichnet, mit im Vergleich zu dem S erheblich größerer Linienbreite. Der Peak F rührt von Phasen des Kohlenstoffs her, die keine Diamant-Kristallstruktur aufweisen, beispielsweise graphitische und amorphe Phasen. Der Peak F geht vornehmlich auf das in der Fachliteratur als G-Band bezeichnete Raman-Streulicht zurück. Das G-Band entsteht durch die Anregung der E_2g-Mode (gemäß der Gruppentheorie die Punktgruppe D_6h) des kristallinen Graphits, wobei allerdings eine Linienverbreiterung durch amorphe und andere zusätzliche Phasen des Kohlenstoffs zu beobachten ist.
Als ein Maß für den Diamant-Anteil in den Kohlenstoffschichten wird nunmehr das Verhältnis K_A (erste Kohlenstoffschicht) bzw. K_B (zweite Kohlenstoffschicht) der Peakhöhen S zu F nach Abzug des breiten Hintergrundes bestimmt, d.h. KA = I(SA)/I(FA),bzw. KB = I(SB)/I(FB).
Der Hintergrund beinhaltet ein sogenanntes D-Band sowie Streulicht, das von dem spezifischen Messaufbau sowie von anderen Effekten wie Rayleigh-Streuung und Floreszenzstrahlung abhängt. Der Abzug des Hintergrundes für den Peak S gemäß 2 wird dadurch vorgenommen, daß jeweils an der kurzwelligen und der langwelligen Seite des Peaks S ein Punkt P1 und ein P2 definiert werden. Die Höhe des Peaks S ergibt sich aus der Differenz der Intensitätswerte für das Peak-Maximum im Bereich der Wellenzahl 1332 cm^–1 und der Intensität des Hintergrundes für diesselbe Wellenzahl, wobei eine Verbindungsgerade, die die Punkte P1 und P2 verbindet, zur Abschätzung der Intensität des Hintergrunds dient.
Analog ergibt sich der Hintergrund für den Peak F aus einer Verbindungsgeraden, die den Punkt P2 und einen Punkt P3 verbindet, die auf der kurzwelligen Seite des Peaks F angeordnet sind.
In speziellen Fällen können auch weitere Peaks auftreten, die jedoch nicht von Relevanz sind, wenn sie außerhalb des Wellenzahlintervalls 1200–1700 cm^–1 liegen oder ihre Größe geringer ist als die Peakhöhe der Peaks S und F. Beispielsweise ist bei 1150 cm^–1 in gewissen Fällen ein Peak zu beobachten, der auf nanokristalline Diamanten zurückzuführen ist. Nano-kristalliner Diamant wird von Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Struktur umgeben. Deshalb ist die Anwesenheit von nano-kristallinem Diamant in der zweiten Kohlenstoffschicht vorteilhaft, da der Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Struktur um die nanokristallinen Diamanten herum den Wärmeausdehnungskoeffizienten der zweiten Kohlenstoffschicht erhöht.
Ein bei 1355 cm^–1 auftretender Peak (sogenanntes D-Band) ist ebenfalls Raman-Streulicht, das jedoch unter Verletzung der Auswahlregeln für die Raman-Streuung aufgrund erhöhter Brennflächen-Streuung erzeugt wird. Das D-Band ist stark verbreitert und wird durch die oben beschriebene Hintergrundkorrektur eliminiert.
Der Diamant-Wert K_A bzw. K_B dient zur Identifizierung der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht und ist nur insoweit mit dem wirklichen Diamantanteil verknüpft, als daß im mathematischen Sinne eine streng monotone Abhängigkeit besteht.
Der Anteil an Diamant ist wesentlich höher als die relativen Peakhöhen von S und F vorgeben. Nach Zhu, W. et al., "Characterization of diamond films on binderless W.-Mo composite carbide", in Diamond and Related Materials, 3 (1994) S. 1270–1276 und anderen Literaturstellen fällt die Streuintensität des Peaks für Diamant etwa 50–100 mal schwächer aus als für die anderen Phasen. D.h. beim Vorliegen eines S-Peaks ist von einem weit überwiegenden Anteil von Diamant in der Schicht auszugehen.
Bereits solche geringen Abweichungen zwischen der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht führen zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich der Haftfestigkeit der Kohlenstoffschicht insgesamt am Substrat. Bei dem Beispiel von 2 beträgt der Diamant-Wert 1,45.
3 ist ein Mikro-Raman-Spektrum der ersten Kohlenstoffschicht mit hohem Anteil sp³-gebundenem Kohlenstoff mit Fernordnung. Der Peak F ist sehr klein ausgebildet, während der Peak S deutlich hervortritt. Eine Auswertung des Raman-Spektrums führt zu einem Diamant-Wert von 5,3.
Besonders aussagekräftige Mikro-Raman-Spektren lassen sich für die Kohlenstoffschichten A und B gewinnen, wenn das zu untersuchende, diamantbeschichtete Bauteil zur Erzeugung eines Querschnitts gebrochen oder geschliffen wird. Die Raman-Spektren können dann aufgrund der Bruch- bzw. Schliff-Flächen aufgenommen werden. Das Aussehen einer Bruch-Fläche wird nachfolgend anhand der 5 und 6 veranschaulicht.
4 gibt ein Mikro-Raman-Spektrum der zweiten Kohlenstoffschicht des Bauteils wieder. Hinsichtlich der Peaks S und F sind die Verhältnisse im Vergleich mit 3 umgekehrt. Es ergibt sich ein Diamant-Wert von 0,85.
Die 5 und 6 zeigen das Schichtsystem auf dem Bauteil als elektronenmikroskopische Aufnahme eines künstlich herbeigeführten Bruches, wobei 6 einen außen liegenden Ausschnitt von 5 darstellt. Die Kohlenstoffschichten A und B sowie das Substrat M sind jeweils eingezeichnet.
Anhand der 7 und 8 wird die unterschiedliche Oberflächenstruktur der zweiten Kohlenstoffschicht B (7) gegenüber der Oberflächenstruktur einer herkömmlich erzeugten CVD-Diamantbeschichtung verdeutlicht. Der höhere Anteil amorpher Phasen bei einer in 7 dargestellten Oberfläche ist ohne weiteres erkennbar.

Claims

Beschichtetes Werkzeug, insbesondere zur spanabhebenden Bearbeitung, mit einem Substrat, das einen vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, einer ersten Kohlenstoffschicht (A), die auf dem Substrat abgeschieden ist, die eine vorbestimmte höchst prädominante Fraktion von 80–100% Kohlenstoff mit einer Diamant-Kristallstruktur und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats (M) ist, und mindestens einer zweiten Kohlenstoffschicht (B), die vom Substrat (M) aus gesehen weiter außen als die erste Kohlenstoffschicht (A) abgeschieden ist, wobei die zweite Kohlenstoffschicht (B) eine Kohlenstofffraktion mit einer Diamant-Kristallstruktur hat, die 80–100% ist, jedoch kleiner als die vorbestimmte Kohlenstofffraktion mit einer Diamant-Kristallstruktur der ersten Kohlenstoffschicht (A) ist, und wobei die zweite Kohlenstoffschicht (B) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Kohlenstoffschicht (A) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kohlenstoffschicht (B) aus nanokristallinem Diamant besteht.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kohlenstoffschicht (B) direkt auf der ersten Kohlenstoffschicht (A) abgeschieden ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) eine Zwischenschicht ausgebildet ist, wobei in diesem Fall die Kohlenstofffraktion mit einer Diamant-Kristallstruktur von der ersten Kohlenstoffschicht (A) in Richtung auf die zweite Kohlenstoffschicht (B) kontinuierlich abnimmt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gesamtdicke der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 1 bis 40 μm aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gesamtdicke der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 4 bis 20 μm aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 5, daß eine Gesamtdicke der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 6 bis 15 μm ausgebildet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kohlenstoffschicht (B) eine Mindestdicke von 0,5 μm hat.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Materialschichten zwischen der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) angeordnet sind.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Substrat aus gesehen jenseits der zweiten Kohlenstoffschicht (B) weitere Materialschichten angeordnet sind.