DE19914585C1

DE19914585C1 - Diamantbeschichtetes Werkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19914585C1
Application number: DE19914585A
Authority: DE
Inventors: Martin Frank; Oliver Lemmer
Original assignee: Cemecon Ceramic Metal Coatings Dr Ing Antonius Leyendecker GmbH
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: EP1165860A1; IL145174A0; JP2002540970A; DE60013264D1; JP5379934B2; ATE274607T1; WO2000060137A1; CA2367184A1; DE60013264T2; EP1165860B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Bauteil, insbesondere beschichtetes Werkzeug zur Zerspanung, mit einem Substrat und einer auf dem Substrat aufgebrachten ersten Kohlenstoffschicht, die einen vorbestimmten Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur aufweist. Bei einem solchen Bauteil besteht das Problem, daß die Haftfestigkeit der ersten Kohlenstoffschicht am Substrat in vielen Fällen nicht zufriedenstellend ist. DOLLAR A Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß eine in Bezug auf das Substrat weiter außen als die erste Kohlenstoffschicht angeordnete zweite Kohlenstoffschicht vorgesehen ist, bei der der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur geringer ist als der vorbestimmte Anteil an Kohlenstoff mit Kristall-Diamantstruktur in der ersten Kohlenstoffschicht. DOLLAR A Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen beschichteten Bauteils.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein beschichtetes Werkzeug, insbesondere zur Zerspanung, nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs.

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 Um formung 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 Diamant schichten auf Substrate kommt es häufig vor, daß bei den konventionellen Diamantschichten Abplatzungen auftreten, die eine Weiterverwendung des Werkzeugs in vielen Fällen vermei den.

Aufgrund der Abplatzungen wird somit die Standzeit konven tioneller 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 aufeinanderfol gend eine Vielzahl von Schichten aufgetragen wird, die je weils einen höheren Diamantanteil und einen höheren Elasti zitätsmodul 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 Verfahrens schritte sehr aufwendig. Außerdem hat das Verfahren nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt, wenn Ver schleißbeanspruchung 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 Koh lenstoffschicht mit geringerem Diamantanteil aufzutragen, wonach eine Kohlenstoffschicht mit höherem Diamantanteil abgeschieden wird. Dieses Verfahren kann einige Male wie derholt 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-Dop pelschichten, wobei zunächst auf einem SiO₂-Hilfs- oder - Zwischenträger zunächst eine Mischschicht mit hohem Anteil an polykristallinem Diamant abgeschieden wird und anschlie ßend 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 hö herem Diamantanteil an der freiliegenden Seite des Schneid plättchens. In dieser Druckschrift wird außerdem ein Ver gleichsbeispiel beschrieben, bei dem die freiliegende Seite des Schneidplättchens am fertigen Werkzeug von einer Kohlen stoffschicht mit geringerem Diamantanteil und die durch Löten mit dem Werkzeug-Substrat verbundene Kohlenstoff schicht einen höheren Anteil an Diamant aufweist. Ebenfalls in dieser Druckschrift beschriebene Vergleichsversuche zei gen, 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.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein beschichtetes Werkzeug mit einem Substrat und einer auf dem Substrat aufgebrachten Kohlenstoffschicht mit Kohlen stoff in Diamant-Kristallstruktur zu schaffen, bei dem die Gefahr von Abplatzungen der Kohlenstoffschicht wirksam ver ringert wird. Weiterhin soll auch ein Verfahren zur Her stellung eines solchen Werkzeugs angegeben werden.

Die Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugt ist der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kri stallstruktur in der ersten Kohlenstoffschicht sehr hoch, beispielsweise entsprechend bisher eingesetzten Diamant beschichtungen bei Werkzeugen zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken. Überraschenderweise ist festgestellt wor den, 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 wirk sam 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 übri gen Kohlenstoff handelt es sich um Graphit oder amorphe Phasen.

Es wird vermutet, daß die unterschiedlichen Wärmeausdeh nungskoeffizienten der ersten und der zweiten Kohlenstoff schicht 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 Kohlen stoffschicht erhöht. Dies kann folgende Auswirkungen haben.

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 Druck spannung. Durch Aufbringen der zweiten Kohlenstoffschicht mit gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht erhöhtem Wärme ausdehnungskoeffizienten kann die zweite Kohlenstoffschicht eine Druckspannung auf die erste Kohlenstoffschicht ausüben, so daß Abplatzungen weitestgehend vermieden werden. Ins besondere können durch die unterschiedlichen Spannungszu stände in der ersten und in der zweiten Kohlenstoffschicht beispielsweise bei einem beschichteten Werkstoff auftretende Risse in der zweiten Kohlenstoffschicht aufgehalten werden, und die Rißspitze kann die erste Kohlenstoffschicht nicht mehr erreichen.

Ein weiterer Vorteil des beschichteten Bauteils besteht darin, daß die Duktilität und Glätte der zweiten Kohlen stoffschicht 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 Ober fläche 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 Kohlenstoff schicht 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 er sten Kohlenstoffschicht aufgebracht sein. Bei dieser Aus führungsform haben sich sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Haftfestigkeit und Rißbeständigkeit der Kohlenstoff schichten 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-Kristall struktur stetig von der ersten Kohlenstoffschicht in Rich tung auf die zweite Kohlenstoffschicht abfällt. Diese Aus führungsform unterscheidet sich von der vorhergehend erläu terten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß der Übergang im Anteil an Kohlenstoff mit Kristall-Dia mantstruktur nicht abrupt, sondern räumlich ausgedehnt er folgt.

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.

Das Verhältnis der Dicke der ersten Kohlenstoffschicht zu der Dicke der zweiten Kohlenstoffschicht kann im Bereich von 0,1 bis 0,9 liegen, während ein Bereich für dieses Verhält nis von 0,3 bis 0,7 als bevorzugt anzusehen ist.

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 Intensitäts verhältnis K_A eines für Kohlenstoff mit Diamant-Kristall struktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^-1 zu einem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kristallstruktur repräsentati ven Peak F bei 1560 cm^-1 im Bereich von 20 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 Dia mant-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 Anteilsverhält nis von Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur zu Kohlen stoff anderer, beispielsweise graphitischer oder amorpher Struktur als besonders günstig für die erste Kohlenstoff schicht 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 Kohlen stoff mit Diamant-Kristallstruktur repräsentativen Peaks S bei 1332 cm^-1 zu dem für Kohlenstoff mit Nicht-Diamant-Kri stallstruktur repräsentativen Peak F bei 1560 cm^-1 im Bereich von 2 bis 0,05 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 repräsen tativen Peak F bei 1560 cm^-1 kann weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 0,1 liegen.

Für sämtliche vorgenannten Bereichsangaben gilt die Nebenbe dingung, daß der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristall struktur 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 Ab grenzung gegenüber am Ende eines herkömmlichen CVD-Diamant- Beschichtungsverfahrens auftretenden Effekten, bei denen eine im Sinne dieser Beschreibung nicht als Schicht zu be zeichnende, einige Atomlagen umfassende Nicht-Diamant-Struk tur auftreten kann, eine Mindestdicke von 0,5 µm auf. Aus schlaggebend ist jedoch, daß die Dicke der zweiten Kohlen stoffschicht derart gewählt ist, daß sich ein gegenüber der ersten Kohlenstoffschicht allein merklich erhöhtes Haftver mögen der Schichten am Substrat zeigt.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Kohlenstoff beschichteten Werkzeug- Substrats gemäß Anspruch 10.

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 mög lichst hohen Anteil Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur optimiert. Auf diese Weise erhält man bekannte Diamantbe schichtungen für Bauteile, die eine hervorragende Ver schleißfestigkeit zeigen.

Bevorzugt werden in Schritt b) die Verfahrensbedingungen von Schritt a) zur Verminderung des Anteils an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur gegenüber der ersten Schicht geän dert. Dies kann vorteilhafterweise dadurch geschehen, daß die Substrattemperatur in Schritt b) gegenüber Schritt a) verringert ist. Außerdem kann in Schritt b) gegenüber Schritt a) auch der Anteil des eingesetzten Kohlenstoff trägergases erhöht werden, wodurch die Bedingungen für die Herstellung einer Kohlenstoffschicht mit hohem Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur "verschlechtert" werden.

Beide genannten Maßnahmen zur Änderung der Verfahrensbedin gungen von Schritt a) zu Schritt b) können einzeln oder auch in Kombination miteinander getroffen werden.

Es ist bei dem eingesetzten CVD-Verfahren, insbesondere dem Glühdraht-CVD-Verfahren, auch möglich, in Schritt b) gegen über Schritt a) den Abstand des Substrates von der Gasanre gung zu erhöhen, oder die Zufuhr der Leistung für die Gas anregung herabzusetzen. Das Einbringen von Fremdgasen führt ebenfalls in den meisten Fällen zu einer Abnahme des Anteils von Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur. Ausnahme bil den oxidierende Gase die auch zu einer Zunahme von Diamant führen können und so unterstützend zur Herstellung der er sten Kohlenstoffschicht eingesetzt werden können. Auch der Fluß der Prozeßgase und der Druck in der Beschichtungsanlage können von ihren Idealwerten, die typischerweise in Schritt a) vorliegen, abweichend eingestellt werden, um die Verfah rensbedingungen für Schritt b) zu erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispiel haft noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Aus schnitts eines beschichteten Bauteils;

Fig. 2 ein beispielhaftes Raman-Spektrum zur Erläuterung des Diamant-Wertes;

Fig. 3 ein Raman-Spektrum der ersten Kohlenstoffschicht des Bauteils von Fig. 1;

Fig. 4 ein Raman-Spektrum der zweiten Schicht des Bauteils von Fig. 1;

Fig. 5 eine elektronenmikroskopische Abbildung eines mit tels Bruch hergestellten Querschnitts einer Kante bei dem Bauteil von Fig. 1 bei etwa 1.500-facher Vergrößerung;

Fig. 6 einen Ausschnitt aus Fig. 5 bei etwa 6.500-facher Vergrößerung und

Fig. 7 eine elektronenmikroskopische Abbildung der äußeren Oberfläche der zweiten Kohlenstoffschicht des Bau teils von Fig. 1 bei etwa 6.500-facher Vergröße rung;

Fig. 8 zum Vergleich mit Fig. 7 eine Oberfläche eine gemäß einem konventionellen CVD-Diamant-Beschichtungs verfahren hergestellte Kohlenstoffschicht bei etwa 6.500-facher Vergrößerung.

Zunächst wird ein beispielhaftes Verfahren beschrieben, mit dem ein Bauteil, das zwei Kohlenstoffschichten A, B auf weist, die sich durch ihren Anteil an Kohlenstoff mit Dia mant-Kristallstruktur unterscheiden, hergestellt werden kann (vgl. Fig. 1).

Bei dem Verfahren handelt es sich um ein sog. Glühdraht- Verfahren.

Zur Vorbehandlung eines Substrates mit 6 Gew.-% Co, Rest Wolframcarbid mit mittlerer Korngröße von 1,5 µm wird zu nächst für 10 Minuten in 10%-iger Salpetersäure bei Raum temperatur geätzt, wonach die Substratoberfläche für 3 Minu ten 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-Beschich tungsvorrichtung durchgeführt, bei der ein oder mehrere Substrate zwischen zwei Ebenen von zueinander parallel aus gerichteten Heizleitern angeordnet sind, wobei auch die Ebenen parallel zueinander liegen. Die wesentlichen Para meter für die Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugs sind Druck in der Beschichtungsvorrichtung Anteile der Pro zeßgase 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 Einstellungs werte 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 Koh lenstoffschicht B bezieht.

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 Heizleiter temperatur 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-Kristall struktur in der Kohlenstoffschicht zu. Die Bestimmung des Diamant-Wertes wird nachfolgend anhand von Fig. 2 erläutert.

Fig. 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 Fig. 1 dargestellten Bauteils eingestrahlt wird. Die Form des Mikro-Raman-Spektrums wird durch die in Fig. 1 dargestellte Struktur eines gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren her gestellten Bauteils mit dem Substrat M, der ersten, unmit telbar auf dem Substrat M aufgebrachten Kohlenstoffschicht A und der an die erste Kohlenstoffschicht A angrenzenden Koh lenstoffschicht 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 Ober fläche genommen werden, als auch im Bruch oder Schliff von der Seite, wenn der gesamte Beschichtungsprozeß abgeschlos sen ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit der Raman-Streu lichtintensität von der Wellenzahl (cm^-1) zeigt im Bereich der Wellenzahl 1332 cm^-1 einen Peak mit geringer Linienbrei te, 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 ent arteten T_2g-Phononen-Mode (gemäß der Gruppentheorie die Punktgruppe O_h).

Weiterhin zeigt das Ramanspektrum von Fig. 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-Kristall struktur aufweisen, beispielsweise graphitische und amorphe Phasen. Der Peak F geht vornehmlich auf das in der Fach literatur 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 zurück wobei allerdings eine Linienverbreiterung durch amorphe und andere zusätzliche Phasen des Kohlenstoffs zu beobachten ist.

Als ein Maß für den Diamant-Anteil in den Kohlenstoffschich ten 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.

K_A = I(S_A)/I(F_A),

bzw.

K_B = I(S_B)/I(F_B).

Der Hintergrund beinhaltet das sogenannte D-Band sowie Streulicht, das von dem spezifischen Messaufbau sowie von anderen Effekten wie Rayleigh-Streuung und Floreszenzstrah lung abhängt. Der Abzug des Hintergrundes für den Peak S gemäß Fig. 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 zwischen den Punkten P1 und P2 zur Abschätzung der Intensität des Hintergrunds dient.

Analog ergibt sich der Hintergrund für den Peak F aus einer Verbindungsgeraden durch den Punkt P2 und einem Punkt P3, der 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. Beispiels weise ist bei 1140 cm^-1 in gewissen Fällen ein Peak zu be obachten, der auf nanokristalline Diamanten zurückzuführen ist. 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 obene beschriebene Hinter grundkorrektur eliminiert.

Der Diamant-Wert K_A bzw. K_B dient zur Identifizierung der ersten und der zweiten Kohlenstoffschicht und ist nur inso weit mit dem wirklichen Diamantanteil verknüpft, als das im mathematischen Sinne eine streng monotone Abhängigkeit be steht.

Der Anteil an Diamant ist wesentlich höher als die relativen Peakhöhen von S und F vorgeben. Nach Zhu, W. et al., "Cha racterization of diamond films on binderless W.-Mo composite carbide", in Diamond and Related Materials, 3 (1994) S. 1270-1276 und anderen Literaturstellen fällt die Streuinten sität 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 Vor teilen hinsichtlich der Haftfestigkeit der Kohlenstoff schicht insgesamt am Substrat. Bei dem Beispiel von Fig. 2 beträgt der Diamant-Wert 1,45.

Fig. 3 ist ein Mikro-Raman-Spektrum der ersten Kohlenstoff schicht 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 Fig. 5 und 6 veranschaulicht.

Fig. 4 gibt ein Mikro-Raman-Spektrum der zweiten Kohlen stoffschicht des Bauteils wieder. Hinsichtlich der Peaks S und F sind die Verhältnisse umgekehrt als in Fig. 3. Es ergibt sich ein Diamant-Wert von 0,85.

Die Fig. 5 und 6 zeigen das Schichtsystem auf dem Bauteil als elektronenmikroskopische Aufnahme eines künstlich her beigeführten Bruches, wobei Fig. 6 einen außen liegenden Ausschnitt von Fig. 5 darstellt. Die Kohlenstoffschichten A und B sowie das Substrat M sind jeweils eingezeichnet.

Anhand der Fig. 7 und 8 wird die unterschiedliche Oberflä chenstruktur der zweiten Kohlenstoffschicht B (Fig. 7) ge genüber der Oberflächenstruktur einer herkömmlich erzeugten CVD-Diamantbeschichtung verdeutlicht. Der höhere Anteil amorpher Phasen bei der in Fig. 7 dargestellten Oberfläche ist ohne weiteres erkennbar.

Claims

1. Beschichtetes Werkzeug, insbesondere zur Zerspanung, mit einem Substrat, das einen vorbestimmten Wärmeaus dehnungskoeffizienten hat, und einer auf das Substrat abgeschiedenen ersten Kohlenstoffschicht, die einen vorbestimmten Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kri stallstruktur und einen Wärmeausdehnungskoeffizien ten, der kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Bezug auf das Substrat (M) weiter außen als die erste Kohlenstoffschicht (A) abgeschiedene zweite Kohlenstoffschicht (B) vorgese hen ist, bei der der Anteil an Kohlenstoff mit Dia mant-Kristallstruktur geringer ist als der vor bestimmte Anteil an Kohlenstoff mit Kristall-Dia mantstruktur in der ersten Kohlenstoffschicht (A) und bei der der Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Kohlen stoffschicht (A) ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kohlenstoffschicht (B) unmittelbar auf der ersten Kohlenstoffschicht (A) abgeschieden ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten (A) und der zweiten Kohlenstoff schicht (B) eine Zwischenschicht gebildet ist, bei der der Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristall struktur stetig von der ersten Kohlenstoffschicht (A) in Richtung auf die zweite Kohlenstoffschicht (B) abfällt.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtschichtdicke der er sten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlen stoffschicht (B) im Bereich von 1 bis 40 µm liegt.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtschichtdicke der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 4 bis 20 µm liegt.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtschichtdicke der ersten Kohlenstoffschicht (A) und der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 6 bis 15 µm liegt.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke der er sten Kohlenstoffschicht (A) zu der Dicke der zweiten Kohlenstoffschicht (B) im Bereich von 0,1 bis 0,9 liegt.

8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke der ersten Kohlenstoff schicht (A) zu der Dicke der zweiten Kohlenstoff schicht (B) im Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kohlenstoffschicht (B) eine Mindestdicke von 0,5 µm aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines mit Kohlenstoff be schichteten Werkzeug-Substrats, das einen vorbestimm ten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, mit den Schritten:

a) Abscheiden einer ersten Kohlenstoffschicht (A), wobei die Verfahrensbedingungen derart gewählt werden, daß die Kohlenstoffschicht (A) einen vorbestimmten Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur enthält und einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Werkzeug-Substrat (M) hat, auf das Werkzeug- Substrat (M); und
b) Abscheiden einer zweiten Kohlenstoffschicht (B), die in Bezug auf das Substrat (M) weiter außen als die erste Kohlenstoffschicht (A) liegt, wobei die Verfahrensbedingungen derart gewählt werden, daß die zweite Kohlenstoff schicht (B) einen gegenüber dem vorbestimmten Anteil an Kohlenstoff mit Diamant-Kristall struktur der ersten Kohlenstoffschicht (A) ver minderten Anteil an Kohlenstoff mit Diamant- Kristallstruktur und einen größeren Wärmeaus dehnungskoeffizienten als die erste Kohlen stoffschicht (A) hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in Schritt a) die Verfahrensbedingungen so gewählt sind, daß die erste Kohlenstoffschicht (A) einen möglichst hohen Anteil Kohlenstoff mit Diamant-Kristallstruktur aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem in Schritt b) die Verfahrensbedingungen von Schritt a) zur Verminderung des Anteils an Kohlenstoff mit Dia mant-Kristallstruktur gegenüber der ersten Kohlen stoffschicht (A) geändert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in Schritt b) gegenüber Schritt a) die Substrattemperatur verrin gert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem in Schritt b) gegenüber Schritt a) der Anteil des eingesetzten Kohlenstoffträgergases erhöht wird.