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Diese Erfindung betrifft einen diamantbeschichteten Hartstoff,
der eine Beschichtung aus Diamant- oder diamantartigem
Kohlenstoff mit hoher Haftfestigkeit zum Trägermaterial
aufweist.
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Diamant besitzt viele hervorragende Eigenschaften,
beispielsweise sehr große Härte, chemische Stabilität, hohe
Wärmeleitfähigkeit, hohe Schallwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit usw.,
und wurde allgemein als ein Hartstoff eingesetzt, wobei diese
Eigenschaften genutzt wurden, oder als mit Diamant- oder mit
diamantartigem Kohlenstoff beschichtete Hartstoffe, für die
beispielhaft folgende genannt werden:
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(i) Einkristall-Diamant, gesinterte Diamanten oder
diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge, wie Wegwerfschneidplatten,
Bohrwerkzeuge, Kleinstbohrer, Fingerfräser, usw., die zum
Schneiden von Al, Cu, Leichtmetallen oder Legierungen davon
bei hoher Temperatur unter Bildung von Oberflächen mit
guter Beschaffenheit befähigt sind, da sie mit diesen
Metallen oder Legierungen kaum reagieren;
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(ii) verschiedene verschleißbeständige Werkzeuge, wie Binde-
Werkzeuge, die aufgrund der hohen Verschleißbeständigkeit
für lange Zeit mit hoher Maßgenauigkeit arbeiten können;
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(iii)verschiedene Maschinenteile, wie Strahlungsplatten;
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(iv) verschiedene Vibrationsplatten, wie Lautsprecher, und
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(v) verschiedene elektronische Teile.
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Bei der Herstellung künstlicher Diamanten gibt es verschiedene
Verfahren zur Bildung von Diamant-Schneidschichten aus der
Gasphase, beispielsweise das Mikrowellen-Plasma-CVD-Verfahren,
das RF-Plasma-CVD-Verfahren, das EA-CVD-Verfahren, das
Induktionsfeld-Mikrowellen-Plasma-CVD-Verfahren, das RF-Heiß-Plasma-
CVD-Verfahren, das DC-Plasma-CVD-Verfahren, das DC-Plasmastrahl-
Verfahren, das Heiß-Filament-CVD-Verfahren oder das
Verdampfungsverfahren. Diese Verfahren sind zur Herstellung von
diamantbeschichteten Hartstoffen verwendbar.
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Da bei vielen der diamantbeschichteten Hartstoffe die Diamant-
Beschichtung eine schlechte Haftfestigkeit zum Substrat
aufweist, löst sich die Diamant-Beschichtung, wobei die
Lebens
dauer in vielen Fällen verringert wird. Der Hauptgrund dafür
ist, daß Diamant nicht mit allen Materialien Zwischenschichten
bilden kann und eine geringe Benetzbarkeit für andere
Materialien besitzt.
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Um einen diamantbeschichteten Hartstoff mit hoher
Haftfestigkeit zu erhalten, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das
Auswählen eines Substrats mit dem gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Diamant umfaßt (Japanische Offenlegungsschrift
Nr. 291493/1986, die gesinterte Preßlinge mit Si&sub3;N&sub4; als
Hauptkomponente und gesinterte Preßlinge mit SiC als Hauptkomponente
vorschlägt), ein Verfahren, das Ätzen der Oberfläche eines
Substrats zur Entfernung von Metallen mit schlechtem Einfluß auf
die Bildung der Diamantdeckschicht auf der Oberfläche des
Substrats und damit Erhöhung der Bildungsdichte von
Diamantkernen auf der Oberfläche des Substrats umfaßt
(Japanische Offenlegungsschrift Nr. 201475/1989, Ätzen der Oberfläche
eines Sintercarbids mit einer Säurelösung zur Entfernung der Co-
Metallkomponente und zur Unterdrückung von Graphitbildung der
Diamant-Kerne; japanische Offenlegungsschrift Nr. 124573/1986,
Aufrauhen der Oberfläche eines Substrats mit Diamant-Körnern
oder einer Diamantschleifscheibe und dabei Verbessern der
Kernbildungsdichte auf der Oberfläche des Substrats), usw.. Die
JP-A-58126972 betrifft ein Werkzeug aus einer beschichteten
äußerst harten Legierung, das ein äußerst hartes
Legierungssubstrat, eine Zwischenschicht und eine äußere
Diamantschicht umfaßt.
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Wie vorstehend beschrieben, ist Diamant chemisch stabil und
bildet nicht mit allen Materialien Zwischenverbindungen. Wenn
ein diamantbeschichteter Hartstoff mit ausgezeichneter
Haftfestigkeit hergestellt wird, muß daher eine derartige Bedingung
geliefert werden, daß die Diamantdeckschicht und das Substrat
physikalisch fest verbunden werden.
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Wir haben gefunden, daß dann, wenn Vorsprünge mit großer
Haftfestigkeit zu einem Substrat auf der Oberfläche des Substrats
durch chemische oder mechanische Mittel gebildet werden, und
eine Diamantdeckschicht darauf gebildet wird, wobei ein solcher
Zustand gebildet wird, daß die Vorsprünge sich in die
Diamantdeckschicht erstrecken, die Haftfestigkeit zwischen der
Diamantschneidschicht und dem Substrat sehr hoch ist. Dies kann
möglicherweise darauf zurückgeführt werden, daß der
Kontaktbereich der Diamantdeckschicht mit dem Substrat vergrößert
ist und die Vorsprünge eine Verankerungsfunktion in der
Diamantdeckschicht wahrnehmen, weshalb die Diamantdeckschicht
nur schwer vom Substrat abgelöst werden kann.
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Die vorliegende Erfindung liefert infolgedessen einen
beschichteten Hartstoff, wie in Anspruch 1 definiert.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug zu den
beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben, worin:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Grenzfläche einer
Zwischenschicht und Diamant-Deckschicht in einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des in
Fig. 1 gezeigten Zustandes in linearer Form ist;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Zwischenschicht ist,
deren Oberfläche durch Kratzen aufgerauht ist;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Zwischenschicht ist,
deren Oberfläche durch Beschichten mit hexagonal-säulenförmigen
oder säulenförmigen Kristallen und/oder nadelförmigen Kristallen
aufgerauht ist;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Zwischenschicht ist,
deren Oberfläche durch Ätzen aufgerauht ist;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Zwischenschicht ist,
deren Oberfläche durch Maskieren und dann Ätzen der äußersten
Oberfläche davon aufgerauht ist;
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Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Zwischenschicht ist,
deren Oberfläche durch physikalische Behandlung, beispielsweise
durch Verwendung eines Laserstrahls, aufgerauht ist;
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Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, in dem
die gesamte Oberfläche eines Substrats mit einem Aggregat von
feinen Körnern beschichtet ist;
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Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, in dem
die gesamte Oberfläche eines Substrats mit groben Körnern
beschichtet ist;
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Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, in
dem ein Substrat mit einem Aggregat feiner Körner teilweise
beschichtet ist;
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Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Beispiels ist, in
dem ein Substrat mit groben Körnern teilweise beschichtet ist.
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Wie vorstehend beschrieben, ist Diamant chemisch stabil und
bildet nicht mit allen Materialien Zwischenverbindungen. Wenn
ein diamantbeschichteter Hartstoff mit ausgezeichneter
Haftfestigkeit hergestellt wird, muß daher eine derartige Bedingung
geliefert werden, daß die Diamantdeckschicht und das Substrat
fest physikalisch verbunden werden.
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Wir haben gefunden, daß die Haftfestigkeit zwischen der
Diamantdeckschicht und dem Substrat sehr hoch wird, wenn
mindestens eine Zwischenschicht mit hoher Haftfestigkeit zum
Substrat sowie hoher Benetzbarkeit mit Diamant auf der
Oberfläche des Substrats zur Verfügung gestellt wird, wobei die
äußerste Oberfläche der Zwischenschicht eine
Oberflächenunebenheit aufweist, die durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet
ist:
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(1) auf der äußersten Oberfläche der Zwischenschicht ist
mikroskopische Unebenheit vorhanden und die
Oberflächenunebenheit in der Grenzfläche der äußersten Oberfläche der
Zwischenschicht und der Diamant-Deckschicht bei einer Standardlänge ist
durch einen Rmax von 110 um bis 30 um (d. h.
einen Zustand, bei dem Vorsprünge in die Diamant-Deckschicht
ragen) bei einer Standardlänge von 50 um, dargestellt.
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Eine sehr hohe Haftfestigkeit kann dadurch erhalten werden, daß
eine Zwischenschicht gewählt wird, die chemisch und/oder
mechanisch an ein Substrat binden kann. Dies läßt sich
möglicherweise darauf zurückführen, daß der Kontaktbereich der
Diamant-Deckschicht mit der Zwischenschicht durch Aufrauhen der
Oberfläche der Zwischenschicht erhöht wird, was zu einer hohen
physikalischen Haftfestigkeit führt. Wenn das Substrat ein
Material enthält, das für die Beschichtung mit Diamant
nachteilig ist, dient die Anwesenheit der Zwischenschicht
weiterhin dazu, den nachteiligen Effekt zu vermeiden.
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In der vorliegenden Erfindung beinhaltet die
Oberflächenunebenheit nicht nur eine durch Kratzen mit (1) einer
Diamantschleifscheibe oder (2) Diamantschleifkörnern gebildete
makroskopisch beobachtete Unebenheit, welche mit einem
Oberflächenunebenheitsmeßgerät gemessen werden kann, sondern auch eine
Oberflächenunebenheit, die auf der Anwesenheit von
mikroskopischer Unebenheit im Mikrobereich beruht.
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Mit Oberflächenunebenheit in einem Mikrobereich wird eine
Oberflächenunebenheit bei einer Standardlänge bezeichnet, wenn
die Standardlänge in dem Mikrobereich festgelegt ist,
beispielsweise 50 um in der Zwischenschicht zwischen der
Diamant-Deckschicht und der Zwischenschicht.
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Wir haben verschiedene aufgerauhte Zustände geschaffen und
infolgedessen gefunden, daß dann, wenn die
Oberflächenunebenheit auf der Grenzfläche der Zwischenschicht durch einen
Rmax von 1,0 um bis 30 um, bei der
Standardlänge von 50 um, definiert ist, eine hohe Haftfestigkeit
erhalten wird. Diese Unebenheit der äußersten Oberfläche ist als
die Oberflächenunebenheit (Rmax) einer Zwischenschicht nach
Be
schichten, durch Schleifen eines Querschnitts der mit Diamant
beschichteten Zwischenschicht, Beobachten und Photographieren
zur Nachprüfung einer Grenzlinie der Grenzfläche zwischen
Diamantdeckschicht und Zwischenschicht, definiert. D. h. die
Unebenheit wird mikroskopisch gemessen, um die Höhe zwischen der
Spitze und dem Boden einer Wellenform zu suchen. Gleichzeitig
wird eine makroskopische Wellung gesucht, indem diese als linear
angenähert und berechnet wird.
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In Fig. 1 ist der Zustand der Grenzfläche zwischen der
Diamantdeckschicht oder der Deckschicht aus diamantartigem Kohlenstoff
und der Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung
schematisch gezeigt. D. h. eine makroskopische Wellung erscheint
an der Grenzfläche, wobei jedoch Rmax dahingehend berechnet
wird, indem diese Wellung als linear angesehen wird, wie in
Fig. 2 gezeigt ist.
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An nützlichen Verfahren zum Aufrauhen einer Oberfläche, die mit
Diamant beschichtet werden soll, gibt es die folgenden
Verfahren:
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1. ein Verfahren, das Kratzen mit einer
Diamantschleifscheibe umfaßt;
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2. ein Verfahren, das Beschichten der Oberfläche einer
Zwischenschicht mit einem Material umfaßt, das säulenförmige
oder hexagonal-säulenförmige Kristallkörner und/oder
nadelförmige Kristallkörner bildet oder enthält;
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3. ein Verfahren, das Ätzen der Oberfläche einer
Zwischenschicht umfaßt, um eine aufgerauhte Oberfläche zu ergeben;
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4. ein Verfahren, das Maskieren der äußersten Oberfläche
einer Zwischenschicht, Ätzen und dann Entfernen der Maske
umfaßt;
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5. ein Verfahren, das physikalisches Bearbeiten,
beispielsweise unter Einsatz eines Laserstrahls, einer Bürste,
einer Diamantschleifscheibe usw. umfaßt.
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6. ein Verfahren, das Beschichten eines Teils eines Substrats
mit groben Körner umfaßt, und
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7. ein Verfahren, das das Bereitstellen eines beschichteten
Teils und nicht-beschichteten Teils auf der Oberfläche eines
Substrats umfaßt.
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Je nach dem Substrattyp sollte ein geeignetes Verfahren davon
ausgewählt werden. Verfahren 1 besteht aus Bearbeiten der
äußersten Oberfläche einer Zwischenschicht mit einer mit
Kunstharz gebundenen oder durch Metall verbundenem Scheibe unter
Verwendung von Diamant- oder Bornitridschleifkörner oder mit
einer galvanisierten Scheibe, wobei eine aufgerauhte Oberfläche,
wie in Fig. 3 gezeigt ist, erhalten wird.
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Verfahren 2 umfaßt Abscheiden von nadelförmigen und/oder
hexagonal-säulenförmigen Kristallen aus Siliziumnitrid,
Siliziumcarbid, Aluminiumoxid usw. auf der Oberfläche einer
Zwischenschicht durch das herkömmlich verwendete CVD-Verfahren,
das Plasma-CVD-Verfahren oder das RF-CVD-Verfahren, wobei eine
aufgerauhte Oberfläche, wie in Fig. 4 gezeigt ist, erhalten wird.
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Verfahren 3 umfaßt Ätzen der äußersten Oberfläche, die aus
Titancarbid, -nitrid oder -carbonitrid besteht, mit einer Säure,
wie Königswasser, wobei eine aufgerauhte Oberfläche, wie in
Fig. 5 gezeigt ist, erhalten wird.
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Verfahren 4 besteht darin, daß unter Verwendung einer
Photomaske usw. eine Maske mit einem Muster geliefert wird und
die Maske dann durch Ätzen entfernt wird, wobei eine aufgerauhte
Oberfläche erhalten wird, beispielsweise wie in Fig. 6 gezeigt
ist, bei der flache Bereiche der äußersten Oberfläche einer
Zwischenschicht den maskierten Bereichen entsprechen.
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Das Verfahren 5 umfaßt Einkerben der äußersten Oberfläche einer
Zwischenschicht unter Verwendung eines Argonlasers oder
Einkerben der äußersten Oberfläche einer Zwischenschicht unter
Verwendung einer Diamantbürste oder verschiedener
Schleifscheiben, wobei eine aufgerauhte Oberfläche, wie in Fig. 7 gezeigt
ist, erhalten wird.
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Verfahren 6 und 7 umfassen Beschichten der Oberfläche eines
Substrats mit groben Körnern aus mindestens einem von Wolfram,
Molybdän, Titan und Nitriden, Carbiden und Carbonitriden dieser
Metalle, oder Kontrollieren der Keimbildung durch das
herkömmlich verwendete CVD-Verfahren, das Plasma-CVD-Verfahren
oder das RFCVD-Verfahren wobei eine Deckschicht, die
hinsichtlich der Schichtdicke nicht einheitlich ist, gebildet wird.
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Fig. 8 zeigt einen Zustand, bei dem die äußerste Oberfläche
einer Zwischenschicht aus feinen Körnern besteht und die gesamte
Oberfläche eines Substrats vollständig bedeckt.
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Fig. 9 zeigt einen Zustand, bei dem die äußerste Oberfläche
einer Zwischenschicht aus groben Körnern besteht und die gesamte
Oberfläche eines Substrats vollständig bedeckt.
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Fig. 10 zeigt einen Zustand, bei dem ein Substrat teilweise mit
einem Aggregat aus feinen Körnern bedeckt ist.
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Fig. 11 zeigt einen Zustand, bei dem ein Substrat teilweise mit
groben Körnern bedeckt ist.
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In jedem Fall ist es erforderlich, daß die äußerste Oberfläche
einer Zwischenschicht oder Grenzfläche eine
Oberflächenunebenheit aufweist, die bei einer Standardlänge durch einen
Rmax von 1,0 um bis 30 um dargestellt ist,
wenn die Standardlänge in der Grenzfläche zwischen der mit
Diamant- und/oder diamantartigem Kohlenstoff beschichteten
Schicht und der Zwischenschicht 50 um beträgt. Vorzugsweise
erstrecken sich Vorsprünge in die Diamantdeckschicht in einer
Länge von mindestens 0,2 um. Wenn die Oberflächenunebenheit in
der Grenzfläche der Zwischenschicht durch einen Rmax von weniger
als 1 um dargestellt ist, ist die Haftfestigkeit nicht erhöht,
während die Haftfestigkeit bei mehr als 30 um erniedrigt ist.
Darüber hinaus wird die Haftfestigkeit fast nicht verändert,
wenn die maximale Eindringtiefe der Vorsprünge weniger als
0,2 um beträgt.
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Es wurde gefunden, daß dann, wenn die Zwischenschicht oder
Trennschicht vollständig bedeckt ist, der Oberflächenzustand
einheitlicher wird und eine einheitlichere Keimbildung abläuft,
was, verglichen wenn das Substrat selbst aufgerauht wird, eine
homogenere Schicht ergibt.
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Es wurde weiter gefunden, daß dann, wenn die erfindungsgemäß
verwendete Zwischenschicht oder Trennschicht eine Oberfläche,
die mit Diamant beschichtet werden soll, zu einem Anteil von
mindestens 10%, bezogen auf deren gesamte Oberfläche, bedeckt,
eine Verbesserung der Haftfestigkeit erzielt wird. D. h. die
erfindungsgemäßen Vorteile können erreicht werden, wenn 90% der
Fläche des Substrats freiliegt, was dem Fall des vorstehenden
Mittels (7) entspricht (Fig. 10 und Fig. 11). In diesem Fall kann
die freiliegende Fläche eine zur äußersten Oberfläche der
Trennschicht ähnliche Oberflächenunebenheit aufweisen.
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Darüber hinaus wurde gefunden, daß dann, wenn die äußerste
Oberfläche der Zwischenschicht aus einem Material besteht, das
hexagonal-säulenförmige Kristalle mit einem Seitenverhältnis von
mindestens 1,5 oder nadelförmige Kristalle enthält, die
Haftfestigkeit weiter erhöht wird.
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Als ein Material zum Aufbau der Zwischenschicht, können
Materialien verwendet werden, die leicht Keimbildung bewirken,
beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumnitrid enthaltende
Materialien, Sialon, Sialon-enthaltende Materialien,
Siliziumcarbid, Siliziumcarbid-enthaltende Materialien, Aluminiumoxid,
Aluminiumoxid-enthaltende Materialien, mindestens ein
Übergangsmaterial, das ausgewählt ist aus Elementen der Gruppen 4, 5, 6
und 7 des Periodensystems, Legierungen dieser Metalle, Carbiden,
Nitriden und/oder Carbonitriden davon, wie Titan, Titancarbid
oder -carbonitrid, Carbiden oder Carbonitriden von Titan und
mindestens einem anderen Metall, und Materialien, die diese
enthalten, Wolfram, Wolframcarbid oder -carbonitrid, Carbiden
oder Carbonitriden von Wolfram und mindestens einem anderen
Metall und Materialien, die diese enthalten. Die äußerste
Oberfläche der Zwischenschicht sollte vorzugsweise eine
makroskopisch rauhe Oberfläche sein oder mikroskopische
Unebenheit aufweisen. Das Sialon beinhaltet α-Sialon und β-
Sialon, wobei jedes einem Siliziumnitridkristall entspricht,
dessen Si und N-Atome teilweise durch Al bzw. O ersetzt sind.
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Die Zwischenschicht kann eine Einzelschicht oder eine
Mehrfachschicht sein, die aus mindestens 2 Schichten zusammengesetzt
ist. In einem Fall, in dem die Zwischenschicht eine
Mehrfachschicht-Struktur besitzt, wird für die Schicht im
Kontakt mit einem Substrat vorzugsweise ein Material gewählt,
das eine hohe Haftfestigkeit zum Substrat aufweist und für die
Schicht, die mit einer Diamant-Schicht in Kontakt steht, d. h.
die Schicht, die die äußerste Oberfläche der Zwischenschicht
darstellt, wird vorzugsweise ein Material gewählt, das eine hohe
Haftfestigkeit zu Diamant besitzt.
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Die Zwischenschicht aus entweder einer Einzelschicht oder einer
Mehrfachschicht besitzt eine mittlere Schichtdicke
von 0,2 bis 300 um, da dann, wenn die mittlere Dicke weniger als
0,2 um beträgt, bei einer beschichteten Fläche von weniger als
10%, eine Verbesserung der Haftfestigkeit durch die
Zwischenschicht nicht gefunden werden kann, während dann, wenn
die Dicke 300 um übersteigt, die Haftfestigkeit umgekehrt
verringert wird.
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Die erfindungsgemäße Zwischenschicht kann mit jedem der
bekannten Verfahren, beispielsweise CVD-Verfahren,
PVD-Verfahren, Zerstäubungsverfahren usw. gebildet werden.
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Als Hartmaterial können Sintercarbide,
Schnellarbeitsstähle, Fe, Mo, W und Legierungen davon, Al&sub2;O&sub3;,
Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und andere keramische Materialien
verwendet werden. Vor allem kann dann, wenn die
Unebenheit von Siliziumnitrid, Siliziumcarbid,
Titanverbindungen, wie Titancarbiden, -nitriden und -carbonitriden und/oder
Titanverbindungen-enthaltenden Materialien, Wolframcarbiden
und/oder Carbiden von Wolframlegierungen und/oder Materialien,
die die Verbindungen oder Materialien enthalten, vorhanden ist,
eine hohe Haftfestigkeit erhalten werden.
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Wenn die mittlere Dicke der Deckschicht aus Diamant- und
diamantartigem Kohlenstoff weniger als 0,1 um beträgt, wird
keine Verbesserung verschiedener Eigenschaften, wie
Verschleißbeständigkeit, durch die Deckschicht gefunden, während dann,
wenn sie größer als 300 um ist, eine weitergehende Verbesserung
der Eigenschaften nicht erhalten werden kann. Es wird
deshalb eine mittlere Dicke von 0,1 bis 300 um verwendet.
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Die vorstehende Erläuterung bezieht sich auf den Fall, daß
Diamant aufgetragen wird, wobei die vorliegende Erfindung mit
ähnlichen Vorteilen auf Fälle angewendet werden kann, bei denen
diamantartiger Kohlenstoff in einer Diamant-Deckschicht
vorhanden ist, eine oder mehrere dieser Schichten aufgetragen werden
und die Deckschicht Fremdatome, wie Bor, Stickstoff usw.,
enthält. Sogar dann, wenn eine Zwischenschicht aus Diamant-
und/oder diamantartigem Kohlenstoff aufgetragen wird und
anschließend etwas erhitzt wird, beispielsweise eine Behandlung
zur Glättung der Oberfläche durch In-Kontakt-bringen der
Diamantoberfläche mit einem eisenhaltigen Metall bei 1200ºC
durchgeführt wird, kann eine erfindungsgemäße Verbesserung der
Haftfestigkeit festgestellt werden.
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Die folgenden Beispiele werden zur Erläuterung der vorliegenden
Erfindung gegeben, ohne diese zu beschränken. Die Proben 7 und 8
liegen außerhalb des Umfangs der Ansprüche.
Beispiel 1
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Eine Wegwerfschneidplatte, die K 10 Sintercarbide (insbesondere
WC-1,5 Gew.-% NbC-5% Co) und auf Siliziumnitrid basierende
keramische Materialien (insbesondere Si&sub3;N&sub4;-4 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;-4 Gew.-%
ZrO&sub2;-3 Gew.-% Y&sub2;O&sub3;) als Substrat enthielt, und eine SPG 422 Form
aufwies, wurde hergestellt. Auf der Oberfläche der Platte wurden
mittels des bekannten Gasphasen-Syntheseverfahrens die folgenden
Schichten gebildet:
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(1) Al&sub2;O&sub3;-TiC-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 3
um (Substrat: Sintercarbide);
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(2) Al&sub2;O&sub3;-TiC-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von
3,5 um (Substrat: keramische Materialien);
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(3) TiN-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 2,5 um
(Substrat: Sintercarbide); -
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(4) TiN-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 4,0 um
(Substrat: keramische Materialien);
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(5) SiC-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 3,5 um
(Substrat: Sintercarbide)
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(6) Si&sub3;N&sub4;-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 3,0
um (Substrat: Sintercarbide);
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(7) SiC-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 30 um
(Substrat: Sintercarbide)
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(8) SiC-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 100 um
(Substrat: Sintercarbide);
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(9) Si&sub3;N&sub4;-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 15 um
(Substrat: Sintercarbide);
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(10) Si&sub3;N&sub4;-Deckschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 80
um (Substrat: Sintercarbide);
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Auf der äußersten Oberfläche der Platte wurden die folgenden
Materialien aufgebracht:
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α-Al&sub2;O&sub3; mit einer Nebenachse von 1,0 um und einer Hauptachse von
10 um in den Fällen (1) und (2).
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Nadelförmiges TiN mit einer Nebenachse von 2,0 um und einer
Hauptachse von 5,0 um in den Fällen (3) und (4).
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SiC-Whisker mit einer Nebenachse von 1,5 um und einer
Hauptachse von 9,0 um im Fall (5).
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Hexagonal-säulenförmige Si&sub3;N&sub4;-Kristalle mit einer Nebenachse von
2,0 um und einer Hauptachse von 6,0 um im Fall (6).
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SiC-Whisker mit einer Nebenachse von 1,5 um und einer
Hauptachse von 10 um in den Fällen (7) und (8).
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Hexagonal-säulenförmige Si&sub3;N&sub4;-Kristalle mit einer Nebenachse von
1,5 um und einer Hauptachse von 5 um in den Fällen (9) und (10).
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Jede Oberflächenunebenheit war durch einen Rmax von 3-5 um
dargestellt.
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Um die Keimbildung von Diamant während des Auftragens von
Diamant zu steigern, wurden diese Platte und 2 g Diamantkörner
mit einem jeweiligen Durchmesser von 8-16 um in Ethylalkohol
gegeben und 15 Minuten einer Kratzbehandlung unter Verwendung
von Ultraschallschwingungen unterzogen. Die so hergestellte
Platte wurde auf 1000ºC erhitzt und in einem gemischten Plasma
aus Wasserstoff-2% Methan bei einem Gesamtdruck von 80 Torr für
8 Stunden in einer 2,45 GHz Mikrowellen-Plasma-CVD-Vorrichtung
gehalten, wobei diamantbeschichtete Schneidplatten (1) bis (10)
mit einer jeweiligen Schicht-Dicke von 10 um hergestellt wurden.
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Zum Vergleich wurden Vergleichsplatten hergestellt, indem ein
Substrat mit der gleichen, vorstehend beschriebenen Form und
Zusammensetzung ohne Auftragen der Zwischenschicht verwendet
wurde und eine Diamantdeckschicht auf der Platte nach Behandlung
mit Ultraschallschwingungen unter den gleichen, vorstehend
beschriebenen Bedingungen aufgetragen wurde.
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Vergleichsplatte 1 Substrat: Sintercarbide
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Vergleichsplatte 2 Substrat: keramische Materialien
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In diesem Test wurde mittels Ramman-Spektroskopie bestätigt,
daß die auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachte
Deckschicht einen für Diamant charakteristischen Peak bei 1333 cm&supmin;¹
aufwies.
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Mit diesen Schneidplatten wurden unter den folgenden
Bedingungen mit Unterbrechungen Scheidtests durchgeführt.
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Zu schneidendes Werkstück: Al-24 Gew.-% Si-Legierung
(Blockmaterial)
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Schneidgeschwindigkeit: 400 m/min
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Vorschub: 0,1 mm/U
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Schnitt-Tiefe: 0,5 mm
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Wenn die Seitenverschleißbreite, der Verschleiß-Zustand der
Kante und der Ablagerungs-Zustand des Werkstücks nach 3 und 10
min untersucht wurden, zeigte die erfindungsgemäße Schneidplatte
einen normalen Verschleiß, der durch eine Seitenverschleißbreite
von (1) 0,035 mm, (2) 0,04 mm, (3) 0,038 mm, (4) 0,03 mm, (5)
0,04 mm (6) 0,045 mm, (7) 0,04 mm, (8) 0,035 mm, (9) 0,03 mm,
(10) 0,028 mm 10 min nach Beginn des Schneidens dargestellt ist,
wobei eine Ablagerung des Werkstücks kaum zu verzeichnen war.
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Andererseits zeigte eine Untersuchung der Schneidkante bei der
Vergleichsplatte (1) 3 min nach Beginn des Schneidens, daß ein
verbreitetes Ablösen der Diamantdeckschicht zu verzeichnen war,
die Seitenverschleißbreite bis zu 0,13 mm betrug und das
Werkstück erhebliche Metallablagerungen aufwies, so daß das
Schneiden eingestellt werden mußte.
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Bei der Vergleichsplatte 2 wurde in ähnlicher Art und Weise ein
feines Loslösen der Diamantdeckschicht verzeichnet, so daß das
Schneiden eingestellt werden mußte.
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Wenn die Platte nach dem Schneidtest geschnitten und
geschliffen wurde, und dann die Grenzfläche der äußersten
Zwischenschicht und der Diamantdeckschicht mit einem optischen
Mikroskop untersucht wurde, ergab sich für die erfindungsgemäße
Platte, daß harte Kristalle in die Diamantdeckschicht mit einer
maximalen Tiefe von 2-4 um wie folgt eingedrungen waren:
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α-Al&sub2;O&sub3; in den Fällen der erfindungsgemäßen Schneidplatten (1)
und (2),
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nadelförmige Kristalle in den Fällen der Platten (3) und (4),
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SiC-Whisker in den Fällen der Platten (5), (7) und (8),
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hexagonal-säulenförmige Si&sub3;N&sub4;-Kristalle in den Fällen der
Platten (6), (9) und (10).
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Die mikroskopische Oberflächenunebenheit war durch einen Rmax
von 3-4 um bei einer Standardlänge von 50 um in der
Grenzfläche zwischen der äußersten Oberfläche der Zwischenschicht und
der Diamantdeckschicht dargestellt.
Beispiel 2
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Eine Wegwerfschneidplatte, die K10 Sintercarbide (insbesondere
WC-5% Co) und Stickstoff-enthaltende keramische Materialien
(insbesondere 38 Gew.-% TiC-12 Gew.-% TiN-10 Gew.-% TaN-10 Gew.-
% Mo&sub2;C-15 Gew.-% WC-5 Gew.-% Ni-10 Gew.-% Co) als Substrat
enthielt und eine SPG 422-Form aufwies, wurde hergestellt. Auf
der Oberfläche der Platte wurden mittels des bekannten Ionen-
Beschichtungs-Verfahren die folgenden Schichten als eine
Zwischenschicht gebildet:
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(1) W mit einem Korndurchmesser von 1,5 um: beschichtete Fläche
von 30% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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(2) W mit einem Korndurchmesser von 2,5 um: beschichtete Fläche
von 60% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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(3) W mit einem Korndurchmesser von 1,2 um: beschichtete Fläche
von 100% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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(4) W mit einem Korndurchmesser von 1 um: beschichtete Fläche
von 60% nahe der Schneidkante (Substrat: Cermet).
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(5) Ti mit einem Korndurchmesser von 1 um: beschichtete Fläche
von 60% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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(6) Ti mit einem Korndurchmesser von 1,5 um: beschichtete
Fläche von 60% nahe der Schneidkante (Substrat: Cermet)
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(7) Mo mit einem Korndurchmesser von 2,0 um: beschichtete
Fläche von 60% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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(8) Mo mit einem Korndurchmesser von 2,5 um: beschichtete
Fläche von 100% nahe der Schneidkante (Substrat: Sintercarbid).
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Die Oberflächen-Unebenheit dieser Platten war durch einen Rmax
von 2 bis 2,5 um mit Ausnahme von (3) dargestellt, wobei die der
Platte (3) durch einen Rmax dargestellt war.
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Zum Vergleich wurden Vergleichsplatten (3) (Sintercarbid) und
(4) (Cermet) ohne eine derartige Zwischenschicht hergestellt.
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Alle diese Platten, einschließlich der Vergleichsplatten,
wurden in einer Beispiel 1 entsprechenden Art und, Weise einer
Kratzbehandlung mittels Ultraschallschwingungen unterworfen.
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Auf der Oberfläche der so hergestellten Platte wurde eine
Diamantdeckschicht mit einer Dicke von 6 um mittels dem
bekannten Heißfilament-CvD-Verfahren unter den folgenden Bedingungen
gebildet:
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Reaktionsgefäß: Quartzröhre mit 200 mm Durchmesser
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Filamentmaterial: Metallisches W
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Filamenttemperatur: 2400ºC
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Entfernung zwischen Filament und
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Plattenoberfläche: 7,0 mm
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Gesamtdruck: 100 Torr
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Atmosphärengas: H&sub2;-1,5% CH&sub4;-Gas
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Zeit: 7 Std.
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In diesem Test wurde durch Ramman-Spektroskopie bestätigt, daß
die auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachte Deckschicht
einen für Diamant charakteristischen Peak bei 1333 cm&supmin;¹ zeigte.
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Unter Verwendung dieser Schneidplatten wurden kontinuierliche
Schneidtests unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
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zu schneidendes Werkstück: Al-12 Gew.-% Si-Legierung
(runder Stab)
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Schneidgeschwindigkeit: 1000 m/min
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Vorschub: 0,15 mm/U
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Schnitt-Tiefe: 1,5 mm
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Bei Untersuchung der Seitenverschleißbreite, des
Verschleißzustands der Kante und des Ablagerungszustands des Werkstücks
nach 5 und 30 min. zeigten die erfindungsgemäßen Schneidplatten
mit Ausnahme von (3) normale Verschleißerscheinungen, was durch
eine Seitenverschleißbreite 10 min nach Beginn des Schneidens
von 0,03 mm bis 0,04 mm gezeigt ist, wobei eine Ablagerung des
Werkstücks kaum zu verzeichnen war. Im Falle der Platte (3)
betrug die Seitenverschleißbreite 0,08 mm und an der
Schnittkante wurde ein feines Ablösen gefunden.
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Andererseits zeigte bei den Vergleichsplatten 3 und 4 die
Beobachtung der Schnittkante 5 min nach Beginn des Schneidens,
daß ein großräumiges Ablösen der Diamantdeckschicht auftrat,
wobei die Seitenverschleißbreite 0,23 mm oder 0,20 mm betrug und
das Werkstück einer erheblichen Metallablagerung ausgesetzt war,
so daß das Schneiden beendet werden mußte.
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Wenn jede Platte nach den Schneidtests geschnitten und
geschliffen wurde, und die Grenzfläche des Substrats und der
Diamantdeckschicht mit einem optischen Mikroskop untersucht
wurde, ergaben die erfindungsgemäßen Platten die Ergebnisse, daß
W oder Ti-Körner maximal 2,0 um in die Diamant-Deckschicht
ragten und in der Grenzfläche die Oberflächenunebenheit durch einen
Rmax von 1,5 bis 2,5 um bei einer Standardlänge von 50 um
dargestellt war. Andererseits zeigte die Platte (3) einen
mikroskopischen Rmax von 0,4 um.
Beispiel 3
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Wegwerfschneidplatten mit einer jeweiligen SPG 422-Form wurden
hergestellt, wobei als Substrat verwendet wurde:
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(1) K10 Sintercarbide (WC-0,4Gew.-%TaC-0,2Gew.-%NbC-5Gew.-%
Co)
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(2) K30 Sintercarbide (WC-10Gew.-%TiC-6Gew.-%TaC-3Gew.-%
NbC-10Gew.-%Co)
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(3) Stickstoff-enthaltendes Cermet (38Gew.-%TiC-12Gew.-%TiN-10
Gew.-%TaN-10Gew.-%Mo&sub2;C-15Gew.-%WC-5Gew.-%Ni-10 Gew.-%Co)
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(4) Schnellarbeitsstahl (DIN 1.3207)
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Die Oberflächen dieser Platten wurden einer Aufrauhbehandlung
unterworfen.
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Zum Vergleich wurden Vergleichsplatten (Proben Nr. 18-21,
Materialien der Substrate entsprechen (1) bis (4)) jeweils ohne
Zwischenschicht auf dem Substrat und Vergleichsplatten (Proben
Nr. 22 bis 25) mit jeweils einer Zwischenschicht, wobei jedoch
die Oberfläche nicht aufgerauht wurde, hergestellt. Alle
erfindungsgemäßen Plattenproben, einschließlich der
Vergleichsbeispiele 18-21 wurden einer Kratzbehandlung durch Ultraschall-
Schwingungen in gleicher Art und Weise wie in Beispiel 1
unterworfen und mit einer Diamantdeckschicht von 8 um Dicke auf deren
Oberfläche, in gleicher Art und Weise wie in Beispiel 2,
versehen.
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Wenn diese Platten Schneidtests unter den gleichen Bedingungen
wie in Beispiel 2 unterworfen wurden, zeigten alle
Proben Nr. 4, 7, 8, 14 und 17
normale Verschleißerscheinungen, was sich durch eine
Seitenverschleißbreite von 0,03 bis 0,04 30 min nach Beginn des
Schneidens zeigte, und kein Ablösen der Diamantdeckschicht wurde
verzeichnet. Bei den anderen erfindungsgemäßen Platten
(ausgenommen Proben Nr. 4, 7, 8, 14 und 17) wurde ein Verschleiß
entsprechend einer Seitenverschleißbreite von etwa 0,06 bis 0,08
mit feinem Ablösen der Deckschicht, verzeichnet, wobei jedoch
kein Anstieg des Schneidwiderstands und Abnahme der
Oberflächenunebenheit eines Werkstücks auftrat. In den Vergleichsbeispielen
18 bis 25 wurde andererseits ein großräumiges Ablösen der
Diamantdeckschicht 3 min nach Beginn des Schneidens verzeichnet
und die Seitenverschleißbreite überstieg 0,2 mm.
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In den Proben Nr. 7 und 8 wurde die Unebenheit der äußersten
Oberfläche der Zwischenschicht als nicht ausreichend erachtet, so
daß die Haftfestigkeit der Diamantdeckschicht erniedrigt war,
während in den Proben 4, 8, 14 und 17, bei Verwendung von
Schnellarbeitsstahl als Substrat, aufgrund der geringen
Festigkeit des Substrats, ein Ermüden der Kante auftrat, was zu einem
Ablösen der Diamantdeckschicht führte.
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Jedenfalls dient, wie aus den erfindungsgemäßen Beispielen
ersichtlich ist, das Vorliegen der aufgerauhten
Oberflächenzwischenschicht auch dazu, die Haftfestigkeit der
Diamantdeckschicht in einem erheblichen Ausmaß zu erhöhen.
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Darüber hinaus wird es gemäß den erfindungsgemäßen Merkmalen
möglich, eine Diamantdeckschicht mit ausreichender
Haft
festigkeit auf einem metallischen Substrat zu bilden, das ein
Element enthält, das Kohlenstoff auflösen kann, wie
beispielsweise Eisen, was allgemein hinsichtlich der Bildung der
Diamantdeckschicht als schwierig erachtet wurde. Insbesondere besitzt
das Substrat (2), beim Vergleich der Proben, bei denen die
Substrate (1) und (2) verwendet wurden, einen höheren Co-Gehalt
als das Substrat (1), wobei jedoch die durch diesen Unterschied
der Substrate verursachten Auswirkungen durch das Vorhandensein
der aufgerauhten Oberflächenzwischenschicht eliminiert werden.
Im Fall der Verwendung von Substrat (4) ist es zudem möglich,
eine Diamantdeckschicht mit einer ausreichenden Haftfestigkeit
auszubilden. In anderen Worten kann die Wahl von Materialien für
Substrate, die mit Diamant beschichtet werden sollen,
erfindungsgemäß großzügig ausgedehnt werden.
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Aus der vorstehenden Erläuterung und den Beispielen ist klar,
daß die mit Diamant- und/oder diamantartigem Kohlenstoff
beschichteten Hartstoffe eine bessere Ablösebeständigkeit
aufweisen, als die des Standes der Technik. In den Beispielen
wurden die Platten, die Sintercarbide, auf
Siliziumnitridbasierende keramische Materialien und Stickstoff-enthaltende
Cermete als Substrat verwendeten, bei Schneidwerkzeugen
eingesetzt, wobei jedoch daraus genauso erwartet werden kann,
daß dann, wenn unterschiedliche Hartstoffe, wie auf
Siliziumcarbid- oder Al&sub2;O&sub3;-basierende keramische Materialien und andere
keramische Materialien als Substrat verwendet werden, ebenfalls
ähnlich gute Ergebnisse erhalten werden. Darüber hinaus können
gute Ergebnisse erwartet werden, wenn die erfindungsgemäß
beschichteten Hartstoffe bei verschleißbeständigen Werkzeugen,
wie Binde-Werkzeugen, mechanischen Teilen, Fingerfräsern,
Bohrern, Bohrern für bedruckte Platten, Reibahlen usw.
eingesetzt werden.
Tabelle 1 Erfindungsgemäße Platten
Tabelle 2 Vergleichsplatten