Fürstentum Liechtenstein

Schneidplatte und Herstellungsverfahren

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Schneidelemente zum spanendenden Bearbeiten von mineralischen Baustoffen, insbesondere von stahlarmierten Beton. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein solches Schneidelement. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Schneidplatte hat einen Grundkörper aus einem gesinterten Hartmetall. Auf einer Oberseite des Grundkörpers sind ein oder mehrere Zwischenschichten, welche eine Haftvermittlungsschicht aufweisen. Die Haftvermittlungsschicht ist aus einem borhaltigen Nitrid eines Übergangsmetalls der Gruppe IV, Gruppe V und Gruppe VI und enthält eine Vielzahl zu der Oberseite geneigt orientierter, lenticularer Plättchen. Eine auf der Haftvermittlungsschicht aufgewachsene Diamantschicht hat zu der Oberseite vertikal orientierte, Stängel-förmige Kristalle, deren Aspektverhältnis größer drei, vorzugsweise größer fünf ist.

Die borhaltige Plättchenstruktur ermöglicht ein stabiles Anbinden der Stängel-förmigen Kristalle der Diamantschicht. Trotz des großen Unterschieds in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Hartmetalls und der bei dicken Diamantschichten daraus entstehenden hohen Abkühleigenspannungen kommt es durch die mechanische Verklammerung mit der Diamantschicht mit der Plättchenstruktur und der guten chemischen Anbindung zu einer sehr guten Haftfestigkeit, welche sogar ein schlagende Belastung ohne Abplatzen der Diamantschicht zulässt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberseite des Grundkörpers sehr rau auf einer Skala von 1 mm ist. Eine gemittelte Rautiefe Rz nach DIN ISO 4287 definiert für eine Messstrecke mit einer Länge von 800 μηη beträgt wenigstens 5 μηη, vorzugsweise höchstens 12 μηη.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Stängel-förmigen Kristalle zueinander parallel sein können, eine Höhe der Stängel-förmigen Kristalle gleich einer Höhe der Diamantschicht sein kann, die Stängel-förmigen Kristalle über Korngrenzen aneinander angrenzen können, die Stängel-förmigen Kristalle etwa den gleichen Durchmesser aufweisen.

Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine Schneidplatte (12), insbesondere eine Schneidplatte (12) für eine Kernbohrkrone (2) sieht folgende Schritte vor. Ein Grundkörper wird aus einem Hartmetall gesintert und geformt. Ein oder mehreren Zwischenschichten (25) einschließlich einer Haftvermittlungsschicht (26) werden auf eine Oberseite (23) des Grundkörpers (22) mittels eines Gasabscheideverfahrens (CVD) abgeschieden. Das Abscheiden der Haftvermittlungsschicht (26) aus bohrhaltigen Nitriden von Übergangsmetallen umfasst die Teilschritte: Abscheiden von Nitriden eines oder mehrerer Übergangsmetalle aus der Gruppe IV, Gruppe V und Gruppe VI des Periodensystems bei einer Temperatur zwischen 950°C und 1 100°C zum Ausbilden einer Vielzahl zu der Oberseite (23) geneigt orientierter Plättchen (31 ), und Abscheiden eines Borids und/oder Bornitrids der ein oder mehreren Übergangsmetalle. Ein Aufwachsen der Diamantschicht (24) auf der Haftvermittlungsschicht (26) umfasst die Teilschritte: Bekeimen der Haftvermittlungsschicht (26) mit Diamantstaub und Aufwachsen von Stängel-förmigen Diamanten aus der Gasphase auf der Haftvermittlungsschicht (26).

Die borhaltige und plättchen-förmige Haftvermittlungsschicht begünstigt das stabile chemische Anwachsen der Stengei-förmigen Kristalle an die Plättchenoberfläche unter Anderem durch in-situ Ausbildung von freien Kohlenstoffbindungen während des Austausches von Bor mit Kohlenstoff aus der Gasphase.

Die Oberseite des Grundkörpers kann vor dem Aufbringen der Zwischenschichten aufgeraut werden, bis sich eine hohe Rauheit einstellt. Eine gemittelte Rautiefe Rz definiert für eine Messstrecke mit einer Länge von 800 μηη beträgt wenigstens 5 μηη, vorzugsweise höchstens 12 μπι.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine ständergeführte Kernbohrmaschine Fig. 2 eine Teilansicht einer Kernbohrkrone

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine Schneidplatte der Kernbohrkrone Fig. 4 einen Querschliff durch eine Schneidplatte Fig. 5 den Ausschnitt V aus Fig. 4

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Plättchenstruktur der Haftvermittlungsschicht Fig. 7 ein vergrößerter Ausschnitt von Fig. 6 Fig. 8 eine Draufsicht auf die dünnstängelige Diamantschicht Fig. 9 eine Draufsicht auf die dickstängelige Diamantschicht

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine ständergeführte Kernbohrmaschine 1 mit einer Kernbohrkrone 2. Die Kernbohrmaschine 1 hat eine Antriebseinheit 3 mit einem Motor 4. Die Antriebseinheit 3 kann neben dem Motor 4 unter Anderem ein Getriebe und eine Sicherheitskupplung enthalten. Der Anwender kann den Motor 4 durch einen Betriebsschalter einschalten und ausschalten. Die Antriebseinheit 3 dreht einen Werkzeughalter 5 um eine Arbeitsachse 6. Die Kernbohrkrone 2 kann, koaxial zu der Arbeitsachse 6 ausgerichtet, in den Werkzeughalter 5 eingehängt und verriegelt werden. Der Werkzeughalter 5 überträgt das Drehmoment der Antriebseinheit 3 auf die Kernbohrkrone 2, welche sich somit um die Arbeitsachse 6 in einer Umlaufrichtung 7 dreht. Die Antriebseinheit 3 ist an einem Schlitten 8 aufgehängt, der parallel zu der Arbeitsachse 6 entlang einer Ständers 9 verfahrbar ist. Beispielsweise kann der Anwender mittels einer Kurbel den Schlitten 8 verschieben, alternativ kann ein Motor mit geeigneter Steuerung den Schlitten 8 bewegen. Die schneidende Stirnfläche 10 der Kernbohrkrone 2 wird mit einem konstanten Anpressdruck an einen zu bearbeitenden Untergrund 11 angepresst. Die Kernbohrkrone 2 hat mehrere in die Stirnfläche 10 eingesetzte Schneidplatten 12, die einen kreisförmigen Schlitz in den Untergrund 11 schneiden. Die Schneidplatten 12 sind für die Bearbeitung von mineralischen Bauwerkstoffen, insbesondere für stahlarmierten Beton, ausgelegt. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Stirnfläche 10 der Kernbohrkrone 2. Die Kernbohrkrone 2 hat ein zylindrisches Rohr 13, das in der ringförmigen Stirnfläche 10 endet. Der Durchmesser des Rohrs 13 und der Stirnfläche 10 variiert nach Anwendungsgebiet. Typische Durchmesser liegen im Bereich von 5 cm bis 1 m. Die Wandstärke 14 des Rohrs 13 ist typischerweise zwischen 4 mm und 8 mm.

Die Stirnfläche 10 ist durch mehrere in Umlaufrichtung 7 angeordneten Aussparungen 15 unterbrochen. Die Aussparungen 15 haben in Umlaufrichtung 7 aufeinanderfolgend eine von der Stirnfläche 10 abfallende, steile Flanke 16 und eine zu der Stirnfläche 10 hin ansteigende, flache Flanke 17. Die steile Flanke 16 ist beispielsweise parallel oder um weniger als 10 Gad zu der Arbeitsachse 6 geneigt. Die flache Flanke 17 verläuft mit einer mittleren Steigung von weniger als 45 Grad, z.B. von mehr als 30 Grad, und vorzugsweise wenigstens 10 Grad von der steilen Flanke 16 bis zu der Stirnfläche 10. Die Schneidplatte 12 ist in die Aussparung 15 eingesetzt. Die Schneidfläche 18 der Schneidplatte 12 weist in die Umlaufrichtung 7, vorzugsweise ist die Schneidfläche 18 senkrecht zu der Umlaufrichtung 7 orientiert. Die Schneidplatte 12 hat einen weitgehend prismatischen Aufbau, d.h. eine Rückseite 19 der Schneidplatte 12 hat die gleiche oder eine geringfügig kleinere Fläche wie die Schneidfläche 18. Die umlaufende Mantelfläche 20 der Schneidplatte 12 ist senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu der Schneidfläche 18. Die Mantelfläche 20 der beispielhaften Schneidplatte 12 ist um wenigstens 75 Grad, vorzugsweise wenigstens 80 Grad, beispielsweise höchstens 85 Grad, gegenüber der Schneidfläche 18 geneigt. Die Rückseite 19 der Schneidplatte 12 liegt flächig an der steilen Flanke 16 der Aussparung 15 an. Die Schneidplatte 12 liegt vorzugsweise mit wenigstens 75 % ihrer Rückseite an dem Rohr 13 an, um die Schneidplatte 12 bei einwirkenden Stöße während des Bearbeitens von Bauwerkstoffen, insbesondere beim plötzlichen Eingreifen in Armierungseisen, abzustützen. Die Rückseite 19 kann mit dem Rohr 13 verlötet oder verschweißt sein. Die in Umlaufrichtung 7 weisende Schneidfläche 18 liegt weitgehend frei. Die flache Flanke 16 und die Schneidfläche 18 begrenzen einen Volumen, das gegenüber der Stirnfläche 10 zurückgesetzt ist. Die Schneidplatte 12 steht läng der Arbeitsachse 6 über die Stirnfläche 10 hinaus. Der axiale Überstand liegt im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm. Eine Breite 21 der Schneidplatte 12 kann größer als die Wandstärke 14 des Rohrs 13 sein, wodurch die Schneidplatte 12 in radialer Richtung, vorzugsweise nach innen zu der Arbeitsachse 6 und nach außen von der Arbeitsachse 6 weg, übersteht. Der radiale Überstand liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Die Schneidplatte 12 hat einen Grundkörper 22 und auf einer Oberseite 23 des Grundkörpers 22 eine Diamantschicht 24, welche die Schneidfläche 18 bildet (Fig. 3). Ein oder mehrere Zwischenschichten 25, beispielhaft drei Zwischenschichten 25, sind zwischen dem Grundkörper 22 und der Diamantschicht 24 angeordnet. Die Zwischenschichten 25 ermöglichen prozesstechnisch die Diamantschicht 24 abzuscheiden und auch eine robuste, insbesondere eine stoßfeste Anbindung der Diamantschicht 24 an den Grundkörper 22. Dies gilt insbesondere für die an die Diamantschicht 24 angrenzende Zwischenschicht, welche nachfolgend als Haftvermittlungsschicht 26 bezeichnet wird. Die Zwischenschichten 25, einschließlich der Haftvermittlungsschicht 26, und die Diamantschicht 24 sind nacheinander in einer Wachstumsrichtung 27 auf den Grundkörper 22 abgeschieden. Die Schneidplatte 12 wird vorzugsweise derart in das Werkzeug eingesetzt, dass deren Arbeitsrichtung, hier die Umlaufrichtung 7, parallel zu der Wachstumsrichtung 27 ist. Der beispielhafte Grundkörper 22 bildet den größten Teil der Schneidplatte 12 und legt die Form und Abmessungen der Schneidplatte 12 fest, insbesondere der Rückseite 19 und der Mantelfläche 20. Der Grundkörper 22 gibt der Schneidplatte 12 die notwendige mechanische Stabilität, insbesondere schützt der Grundkörper 22 die Diamantschicht 24 vor Biege- und Scherkräften beim Bearbeiten von mineralischen Bauwerkstoffen. Zudem ist der Grundkörper 22 ausreichend hart, um ein Durchbiegen der Diamantschicht 24 beim Bearbeiten von mineralischen Bauwerkstoffen zu verhindern.

Der Grundkörper 22 besteht weitgehend aus einem gesinterten Hartmetall. Ein bevorzugtes Hartmetall beinhaltet Körner aus Wolframkarbid, welche in einer metallischen Matrix aus einer Kobalt-basierten oder Nickel-basierten Legierung eingebettet sind. Der Volumenanteil der Körner ist größer als 80 Gewischtsprozent (Gew.-%), vorzugsweise größer oder gleich 90 Gew.-%, und geringer als 95 Gew.-%. Die Körner sind von einem ultrafeinen oder submicro Grad; die mittlere Korngröße liegt etwa zwischen 0,2 μηη und 1 ,0 μηη. Die metallische Matrix besteht beispielsweise aus Kobalt oder einer Kobaltbasierten Legierung. Die Körner des Hartmetalls können neben oder anstelle von Wolframkarbid aus anderen Karbiden und/oder Karbonitriden von Übergangsmetallen der Gruppe IV, Gruppe V und der Gruppe VI des chemischen Periodensystems bestehen. Insbesondere können dem Wolframkarbid Körner aus Titannitrid, Titankarbonitrid, Tantalkarbid beigemengt sein, die sich durch ihre hohe Härte auszeichnen.

Der Volumenanteil der metallischen Matrix ist nahe der Oberseite 23 nicht reduziert. Insbesondere ist die Kobalt-haltige Legierung nicht durch ätzende Verfahren herausgelöst, wodurch die Oberseite 23 porös wird. Das Hartmetall ist an der Oberseite 23 gleichermaßen verdichtet, wie innerhalb des Grundkörpers 22. Der Volumenanteil der metallischen Matrix ist vorzugsweise in der Wachstumsrichtung 27 konstant. Die Oberseite 23 des Grundkörpers 22 ist aufgeraut. Die Rauheit kann durch den arithmetischen Mittenrauwert Ra und die gemittelte Rautiefe Rz angegeben werden. Die Rauheit des Grundkörpers 22 wird über eine Messstrecke bestimmt, deren Länge auf 800 μηη festgelegt ist. Bei dem arithmetischen Mittenrauwert Ra wird das arithmetische Mittel der betragsmäßigen Abweichung der punktuellen Höhe der Oberseite 23 innerhalb der Messstrecke von einer mittleren Höhe auf der Messstrecke ermittelt. Der arithmetische Mittenrauwert Ra der Oberseite 23 ist größer als 0,7 μηη, vorzugsweise größer 1 ,0 μηη, und geringer als 2,3 μηη, vorzugsweise geringer als 1 ,9 μηη. Die gemittelte Rautiefe Rz ist das arithmetische Mittel der Differenz der Höhe der größten Profilspitzen und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb von fünf der Messstrecken. Die Oberseite 23 ist vorzugsweise sehr schroff, daher ergibt sich eine deutlich höhere gemittelte Rautiefe Rz gegenüber dem arithmetischen Mittenrauwert Ra. Die gemittelte Rautiefe Rz liegt im Bereich zwischen 5 μηη und 13 μηη, vorzugsweise größer als 6 μηη, vorzugsweise geringer als 9 μηη. Die Rauheit kann durch ein geeignetes Partikelstrahlverfahren, d.h. Druckluftstrahlen mit einem körnigen Abrasivmittel, der Oberseite 23 eingestellt werden.

Eine dünne Barriereschicht 28 kann unmittelbar auf dem Hartmetall an der Oberseite 23 des Grundkörpers 22 aufgewachsen sein. Die Barriereschicht 28 hat eine Stärke zwischen 0,1 μηη und 2,0 μηη und deckt die Oberseite 23 vollständig ab. Die Barriereschicht 28 soll eine Diffusionsbarriere für Kohlenstoff darstellen, um ein Austreten des Kohlenstoffs aus dem Hartmetall zu unterbinden. Die Barriereschicht 28 soll gut an dem Hartmetall haften und die gesamte Härte des Bauteils möglichst wenig reduzieren. Als besonders geeignet erweist sich hierfür Titannitrid, welches bereits bei einer geringen Schichtdicke von 0,3 μηη eine ausreichend Diffusionsbarriere ausbildet. Zudem haftet Titannitrid gut auf Wolframkarbid- basierten Hartmetallen.

Eine Kohlenstoff-haltige Promotionsschicht 29 kann auf der Barriereschicht 28 aus der Gasphase aufgewachsen. Die Promotionsschicht 29 ist beispielsweise zwischen 0,5 μηη und 3 μηη stark. Die bevorzugte Promotionsschicht 29 besteht aus einem Karbid und/oder Karbonitrid des Übergangsmetalls der Barriereschicht 28, z.B. Titankarbid bzw. Titankarbonitrid. Anstelle oder zusätzlich zu dem Übergangsmetall der Barriereschicht 28 können die Karbide und/oder Karbonitride von Übergangsmetallen der Gruppe IV, Gruppe V und Gruppe VI abgeschieden werden. Die Zwischenschichten 25 enthalten eine Haftvermittlungsschicht 26, welche das Aufwachsen der Diamanten in gewünschter Weise ermöglicht. Die Haftvermittlungsschicht 26 hat eine hohe Mikrorauheit an ihrer der Diamantschicht 24 zugewandten Kontaktseite 30. Die Rauheit ergibt sich durch eine Struktur von im Wesentlichen vertikal zu der Oberseite 23 orientierten, dünnen Plättchen 31. Die Plättchen 31 bestehen weitgehend aus einem oder mehreren Nitriden der Übergangsmetalle der Gruppe IV, Gruppe V und Gruppe VI. Das Übergangsmetall ist vorzugsweise Titan, insbesondere wenn die vorhergehenden Zwischenschichten 25 Titan-basiert sind. Die Plättchen 31 enthalten vorzugsweise keinen Kohlenstoff und kein Karbid. Das molare Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff kann in den Plättchen 31 deutlich geringer als eins zu zwanzig sein und können auf Verunreinigungen in der Reaktionskammer oder Diffusionsprozesse aus der Diamantabscheidung zurückzuführen sein. Die schmalen Seiten oder Kanten 32 der Plättchen 31 , welche zu der Diamantschicht 24 weisen, enthalten vorzugsweise Bor. Das Bor kann als Borid des Übergangsmetalls, Bornitrid des Übergangsmetalls und/oder atomares Bor an Gitterfehlstellen vorliegen. Vorzugsweise ist nur eine dünne Grenzschicht der Plättchen 32, z.B. von weniger als 100 nm Stärke, borhaltig.. Die Haftvermittlungsschicht 26 bindet die Diamantschicht 24 chemisch und mechanisch an das gesinterte Hartmetall des Grundkörpers 22 an. Die Plättchen 31 bilden eine lenticulare Struktur mit sehr steilen Hängen. Die Plättchen 31 haben jeweils zwei gegenüberliegende weitgehend identischen Seitenflächen 33, die parallel oder leicht zueinander geneigt sind. Die Seitenflächen sind vertikal oder geneigt zu der mittleren Oberseite 23 des Grundkörpers 22 orientiert. Die Neigung der Seitenflächen 33 ist größer als 60 Grad, vorzugsweise größer als 80 Grad. Eine Dicke des Plättchens ist durch den Abstand der Seitenflächen vorgegeben. Die Dicke ist deutlich geringer als die Länge und Höhe der Seitenflächen 33 bzw. des Plättchens 31 , vorzugsweise ist die Höhe wenigstens doppelt, z.B. zehnfach, so groß wie die Breite. Die Länge der Plättchen 31 kann gleich oder größer als die Höhe sein. Die Plättchen 31 sind im Mittel zwischen 1 μηη und 5 μηη lang, 0,5 μηη und 2 μηη hoch und deutlich unter 0,7 μηη breit. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Plättchen 31 ; die körnige Struktur auf den Kanten 32 sind Borverbindungen. Fig. 7 ist eine vergrößere Darstellung von Fig. 6. Die Plättchen 31 haben schmale freiliegende Kanten 32, die in Wachstumsrichtung 27, d.h. zu der Diamantschicht 24 hin, weisen. Die Plättchen 31 bedecken weitgehend die gesamte Kontaktseite 30, vorzugsweise wenigstens 75 % derer Oberfläche. Die Kanten 32 der Plättchen 31 bilden eine erhabene netzförmige Struktur. Die Plättchen 31 sind ohne erkennbare Regelmäßigkeit in unterschiedliche Richtungen in der Ebene der Haftvermittlungsschicht 26 orientiert. Die Plättchen 31 können unter verschiedenen Winkel aneinandergrenzen, die Winkel können beispielsweise im Bereich zwischen 20 Grad und 90 Grad liegen.

Die Diamantschicht 24 ist auf der Haftvermittlungsschicht 26, insbesondere den Plättchen 31 abgeschieden. Die borhaltigen Kanten 32 der Plättchen 31 begünstigen die chemische Anbindung von Diamant auf der Haftvermittlungsschicht 26. Die frei orientierten Plättchen 31 erhöhen die Haftfestigkeit zwischen der Diamantschicht 24 und dem Grundkörper 22.

Die Diamantschicht 24 besteht aus zu mehr als 90% aus vielen einzelnen stabförmigen Kristallen, nachfolgend als Stängel 34 bezeichnet, welche sich durch Auswachsen der Nanodiamant-Keime bildet. Die erste Nanodiamantkeimschicht ist fest mit der Haftvermittlungsschicht 26 chemisch und mechanisch verankert. Die Stängel 34 sind vertikal zu der Kontaktseite 30 der Haftvermittlungsschicht 26, d.h. der Oberseite 23, orientiert. Die Stängel 34 grenzen aneinander an. Benachbarte Stängel sind durch zwischen ihnen ausgebildete Korngrenzflächen 35 getrennt. Die Stängel 34 erstrecken sich in der Regel von der Nanodiamantkeimschicht 26 bis zu der Schneidfläche 18, d.h. eine Höhe der Stängel 34 ist gleich der Höhe 36 der Diamantschicht 24. Die Diamantschicht 24 erweist sich als äußert belastbar in Hinblick auf Stöße. Die Diamantschicht 24 aus den Stängeln erweist sich als mechanisch stabil und robust gegenüber statischen und dynamischen Belastungen aus unterschiedlichen Richtungen und Schlägen. Die Diamantschicht 24 weist trotz der Stängelform eine sehr hohe Härte auf, welche für das Bearbeiten von harten mineralischen Werkstoffen notwendig ist.

Die Stängel 34 sind vorzugsweise sehr dünn. Das Aspektverhältnis der Stängel, d.h. das Verhältnis der Höhe zu dem Durchmesser ist größer drei, vorzugsweise größer fünf. Die dünnen Stängel erweisen sich als robuster gegenüber Schlagbelastungen. Der Durchmesser wird in einer Ebene parallel zu der Oberseite 23 und die Höhe senkrecht zu der Oberseite 23 bestimmt. Die dünnen Stängel 34 haben vorzugsweise eine Höhe von mehr als 10 μηη, beispielsweise mehr als 20 μηη, mehr als 40 μηη. Eine Höhe von bis zu 100 μηη kann realisiert werden. Die Stängel 34 erstrecken sich über die gesamte Höhe 36 der Diamantschicht 24. Der Durchmesser der Stängel liegt unter 10 μηη, bevorzugt ist jedoch ein deutlich geringerer Durchmesser von unter 2 μηη (Fig. 9), weniger als 100 nm, und wenigstens 10nm (Fig. 8). Die Stabilität der Stängel ergibt sich durch das Abstützen an benachbarten Stängel und der chemischen Bindung.

Die Stängel 34 der Diamantschicht 24 sind in ihren Abmessungen und der Kristallorientierung längs Wachstumsrichtung 27 über die gesamte Diamantschicht 24 homogen. Beispielsweise weicht der Durchmesser von etwa 80 % der Stängel 34 um weniger als 50 % von dem mittleren Durchmesser der Stängel 34 ab. Die Stängel 34 haben ein dem Diamant entsprechendes kubisches Kristallgitter. Eine Kristallachse der Stängel 34 ist längs der Höhe 36 der Stängel 34 orientiert. Diese vertikale Kristallachse kann beispielsweise die [1 10]-Kristallachse oder die [1 1 1 ]-Kristallachse sein. Die Stängel 34 der Diamantschicht 24 haben weitgehend alle die gleiche vertikale Kristallachse. Die Kristallorientierung der Stängel 34 sind somit längs der Wachstumsrichtung 27 oder Höhe der Stängel 34 zueinander parallel. Die Herstellung einer Diamantschicht 24 auf einem gesinterten Hartmetall wird beispielhaft anhand der Herstellung einer Schneidplatte 12 erläutert.

Der Grundkörper 22 wird aus einem Grünling geformt. Der Grünling enthält ein Gemisch aus Körnern und einem metallischen Binder. Die Körner haben einen Anteil von wenigstens 60 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 90 Vol.-%, maximal 94 Vol.-% an dem Gemisch. Die Körner haben eine Größe von etwa zwischen 0,5 μηη und 5,0 μηη. Die beispielhaften Körner bestehen beispielsweise aus Wolframkarbid. Das Wolframkarbid kann teilweise oder vollständig durch andere Karbide, Nitride und/oder Karbonitride von Übergangsmetallen. Insbesondere können dem Wolframkarbid Körner aus Titannitrid, Titankarbonitrid, Tantalkarbid beigemengt sein, die sich durch ihre hohe Härte auszeichnen. Der metallische Binder ist vorzugsweise Kobalt, Nickel oder eine Legierung aus Kobalt und Nickel. Der Grünling wird gepresst und in eine dem Grundkörper 22 entsprechende Form gebracht. Die Form berücksichtigt den Schrumpfungsvorgang beim Sintern. Anschließend wird der Grünling zwischen 1 100 Grad Celsius (°C) und 1350 °C gesintert.

Der gesinterte Grundkörper 22 kann mechanisch nachbearbeitet werden. Die Oberseite 23 des Grundkörpers 22 wird gereinigt, um sie für die Abscheidung der Haftvermittlungsschicht 26 vorzubereiten. Die Oberseite 23 kann insbesondere sand-gestrahlt werden, beispielsweise mit Siliziumkarbid. Die Körner des Siliziumkarbids können beispielsweise im Mittel 180 μηη groß sein. Die Oberseite 23 wird hierdurch nicht nur von Oxidschichten und sonstigen Verunreinigungen gesäubert, sondern erhält vorzugsweise eine gewünschte Rauheit.

Beispiel 1 direkte Abscheidung der Haftvermittlungsschicht 26 auf dem Grundkörper 22 mit nachfolgendem Wachstum einer Diamantschicht 24 mit relativ breiten stabförmigen Diamantkristallen Die Haftvermittlungsschicht 26 wird auf dem Grundkörper 22 aus der Gasphase (CVD- Verfahren) abgeschieden. Das beispielhafte Verfahren scheidet die Plättchen 31 der Haftvermittlungsschicht 26 aus Nitriden eines Übergangsmetalls unmittelbar auf dem Hartmetall des Grundkörpers 22 ab. Die Abscheidung unterteilt sich in zwei Phasen. In einer ersten Phase werden, vorzugsweise reine, Nitrid-Plättchen 31 abschieden. In einer zweiten Phase wird borhaltiges Nitrid abgeschieden. Die Abscheidung wird beispielhaft für Plättchen 31 aus Titannitrid beschrieben.

Die Atmosphäre in einem Reaktor setzt sich für die erste Phase aus Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) zusammen. Die Atmosphäre ist insbesondere frei von kohlenstoffhaltigen Gasen. Titan(IV)-chlorid hat einen Volumenanteil zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-%, vorzugsweise einen Anteil zwischen 2 Vol.-% und3 Vol.-%. Wasserstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 50 Vol.-% und 70 Vol.-%, Stickstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 30 Vol.-% und 45 Vol.-%. Stickstoff wird in der Gasphase in großem Überschuss zu dem Titan(IV)-chlorid angeboten. In einem Beispiel sind die relativen Anteile: 160 Volumeneinheiten Wasserstoff, 105 Volumeneinheiten Stickstoff und 7 Volumeneinheiten Titan(IV)-chlorid. Die Temperatur in der Reaktionskammer ist gegenüber sonstigen Abscheideverfahren recht hoch eingestellt. Für das Wachstum der Plättchenstruktur erweisen sich Temperaturen von mehr als 950 Grad Celsius (°C) als vorteilhaft, wenn nicht sogar als notwendig. Die Temperatur kann während der Abscheidung konstant gehalten werden. Temperaturen oberhalb von 1 100°C erweisen sich als nachteilig, da sich das Grundkörper verändert. Für das obige Beispiel ist eine Temperatur von 1000°C eingestellt. Der Druck in der Reaktionskammer liegt beispielsweise im Bereich zwischen 550 mbar und 650 mbar. Zu obigem Beispiel ist der Druck auf 600 mbar eingestellt. Mit den beispielhaften Parametern lassen sich Plättchen 31 mit einer mittleren Höhe zwischen 3 μηη und 4 μηη herstellen. Die Breite der Plättchen 31 liegt unterhalb von 0,2 μηη. Die Wachstumsrate liegt im Bereich von 1 bis 5 μηη pro Stunde. Die erste Phase wird beispielsweise nach 50 min beendet. Die Zusammensetzung der Atmosphäre wird in dem Reaktor für die zweite Phase etwas geändert, indem zu Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) noch Bortrichlorid (BCI3) eingeleitet wird. Das Borchlorid hat einen Anteil von 0,1 % und 0,4 %, die Gasanteile von TiCI4, N2 und H2 bleiben gegenüber der ersten Phase unverändert. Ebenso werden die weiteren Prozessparameter, wie Druck und Temperatur, der ersten Phase beibehalten. Die Plättchen 31 aus Titannitrid wachsen weiter. An den Kanten 32 der Plättchen 31 scheidet sich Kristalle aus Titandiborid Titanboridverbindungen ab, hingegen im Wesentlich nicht auf den Seitenflächen 33 der Plättchen 31. Die Seitenflächen 33 bleiben somit aus reinem Titannitrid. Die Abscheidung wird nach 10 Minuten beendet. Die Schichtdicke der Titanboridverbindungen liegt im Bereich zwischen 10 nm und 200 nm.

Der mit der Haftvermittlungsschicht 26 beschichtete Grundkörper 22 wird in einer weiteren Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) mit der Diamantschicht 24 beschichtet. Vor der Beschichtung werden Keimlinge für die Stängel-förmigen Kristalle auf der Haftvermittlungsschicht 26 aufgebracht. Als Keimling eignet sich Diamantstaub. Der Diamantstaub enthält Diamantkristalle mit einem Durchmesser zwischen 4 nm bis 50 nm. Die Keimlinge können beispielsweise in einer Suspension aufgesprüht werden.

Auf den mit den Kristallisationskeimen versehenen Grundkörper 22 wird in einem zweiten Reaktor die Diamantschicht 24 aus der Gasphase abgeschieden. Die Atmosphäre in dem Reaktor besteht aus Methan und Wasserstoff. Der Methangehalt liegt bei 0,8 Vol.-% und 1 ,6 Vol.-%, vorzugsweise höher 1 ,0 Vol.-%, vorzugsweise geringer als 1 ,4 Vol.-%, in einem Beispiel bei 1 ,2 Vol. -% Der Druck in der Reaktionskammer ist gering, vorzugsweise zwischen 2 mbar und 20 mbar, in dem Beispiel 5 mbar. Die Abscheidung erfolgt bei einer Temperatur zwischen 700 °C und 850 °C, z.B. 770°C. Die Diamantkristalle wachsen ausgehend von den Kristallisationskeimen. Das Titandiborid wird für das Wachstum geopfert, indem die Titan-Bor-Bindung aufgebrochen und das Bor zumindest teilweise freigesetzt wird und sich freie Oberflächenbindungen (dangling bonds) bilden. Das Kristallwachstum ist an der Oberkante der Plättchen begünstigt, wodurch die Diamantkristalle dort schneller wachsen. Das Wachstum beginnt somit hauptsächlich auf den Kanten 32 der Plättchen 31. Die Diamantkristalle wachsen soweit in die Höhe und Breite bis ihre Ausdehnung durch einen anderen Diamantkristall behindert wird. Nachfolgend wachsen die Diamantkristalle im Wesentlichen nur noch in die Höhe, wodurch sich der Stängelförmige Kristall ergibt. Der mittlere Durchmesser liegt bei den Wachstumsbedingungen, insbesondere der Konzentration von Methan, im Mittel zwischen 1 m und Ι Ο μηη, beispielsweise bei 4 μηη. Die Abscheidungsrate liegt zwischen 0,1 und 0,5 μηη pro Stunde. In 160 Stunden konnte eine Schichtdicke von 43 μηη erreicht werden.

Beispiel 2 direkte Abscheidung der Haftvermittlungsschicht 26 auf dem Grundkörper 22 mit nachfolgendem Wachstum einer Diamantschicht 24 mit relativ breiten stabförmigen Diamantkristallen

Das zweite Beispiel unterscheidet sich zu dem ersten Beispiel darin, dass das plättchenförmige Titannitrid in drei Phasen abgeschieden wird. Der Grundkörper 22 wird in gleicher weise wie in Beispiel 1 vorbereitet. Eine erste Schicht aus Titannitrid wird auf dem Hartmetall aus der Gasphase (CVD- Verfahren) abgeschieden. Die Atmosphäre in einem Reaktor setzt sich für die erste Phase aus Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) zusammen. Die Atmosphäre ist insbesondere frei von kohlenstoffhaltigen Gasen. Titan(IV)-chlorid hat einen Volumenanteil zwischen 1 Vol.-% und Vol.-%, z.B. 1 ,2 Vol.-%. Wasserstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 50 Vol.-% und 70 Vol.-%, Stickstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 30 Vol.-% und 45 Vol.-%. Stickstoff wird in der Gasphase in sehr großem Überschuss zu dem Titan(IV)-chlorid angeboten. In einem Beispiel sind die relativen Anteile: 170 Volumeneinheiten Wasserstoff, 100 Volumeneinheiten Stickstoff und 3 Volumeneinheiten Titan(IV)-chlorid. Die Temperatur in der Reaktionskammer liegt zwischen 750 Grad Celsius (°C) und 850°C, z.B. 800°C. Der Druck in der Reaktionskammer liegt beispielsweise im Bereich zwischen 550 mbar und 650 mbar. Bei obigem Beispiel ist der Druck auf 600 mbar eingestellt. Das Wachstum mit dem geringen Anteil Titan-haltigem Gases wird für etwa 60 Minuten bis 90 Minuten durchgeführt, um eine etwa 0,1 μηη bis0,5 μηη dicke Schicht zu erhalten. Die Schicht ist aufgrund des geringen Wachstums weitgehend homogen ohne Plättchenstruktur.

Der Anteil von Titan(IV)-chlorid wird auf einen Volumenanteil zwischen 1 ,5 Vol.-% und 7 Vol.- %, vorzugsweise einen Anteil zwischen 2 Vol.-% und 3 Vol.-% erhöht. Wasserstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 50 Vol.-% und 70 Vol.-%, Stickstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 30 Vol.-% und 45 Vol.-%. Die relativen Anteile sind beispielsweise 160 Volumeneinheiten Wasserstoff, 105 Volumeneinheiten Stickstoff und 7 Volumeneinheiten Titan(IV)-chlorid. Die Temperatur in der Reaktionskammer und der Druck werden beibehalten. Mit den beispielhaften Parametern lassen sich Plättchen 31 mit einer mittleren Höhe zwischen 3 μηη und 4 μηη herstellen. Die Breite der Plättchen 31 liegt unterhalb von 0,2 μηη. Die Wachstumsrate liegt im Bereich von 5 μηη pro Stunde. Die Phase wird beispielsweise nach 50 min beendet. Für die Borierung der Kanten 32 wird die Zusammensetzung der Atmosphäre geändert, indem zu Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) noch Bortrichlorid (BCI3) eingeleitet wird. Das Borchlorid hat einen Anteil von 0,1 Vol.-% und 0,4 Vol.-%, z.B. 0,2 Vol.-% die Gasanteile von TiCI4, N2 und H2 bleiben gegenüber der vorhergehenden Phase unverändert. Ebenso werden die weiteren Prozessparameter, wie Druck und Temperatur beibehalten. Die Plättchen 31 aus Titannitrid wachsen weiter. An den Kanten 32 der Plättchen 31 scheiden sich Kristalle aus Titanboridverbindungen ab, hingegen im Wesentlich nicht auf den Seitenflächen 33 der Plättchen 31. Die Seitenflächen 33 bleiben somit aus reinem Titannitrid. Die Abscheidung wird nach 10 Minuten beendet. Die Schichtdicke der Titanboridverbindungen liegt im Bereich zwischen 10 nm und 200 nm.

Das Aufwachsen der Diamantschicht 24 kann wie in dem Beispiel 1 erfolgen, für die Beschreibung wird daher auf das obige Bespiel verwiesen.

Beispiel 3 Abscheidung einer vierteiligen Zwischenschicht auf dem Grundkörper 22 mit nachfolgendem Wachstum einer Diamantschicht 24 mit sehr dünnen stabförmigen Diamantkristallen

Die Haftvermittlungsschicht 26 aus Plättchen 31 wird nicht unmittelbar auf das Hartmetall des Grundkörpers 22 sondern auf eine Abfolge von zwei Zwischenschichten 25 aufgebracht. Auf den Grundkörper 22 wird zunächst eine Barriereschicht 28 und auf die Barriereschicht 28 eine kohlenstoffreiche Schicht aufgebracht, bevor die kohlenstofffreie Haftvermittlungsschicht 26 aufgebracht wird. Die beispielhaften Zwischenschichten 25 enthalten Titan als Basis für die Nitride und Karbide, insbesondere für die kohlenstoffhaltige Promotionsschicht 29 kann die Schicht neben Titan auch Tantal, Vanadium oder Chrom enthalten. Die Abscheidung (CVD-Verfahren) der drei Zwischenschichten 25 erfolgt vorzugsweise in einem Reaktor. Die Oberseite 23 des Grundkörpers 22 kann wie in dem ersten Beispiel vor Beginn der Abscheidung gereinigt werden.

Die Barriereschicht 28 wird aus einer Gasphase mit Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) abgeschieden. Titan(IV)-chlorid hat einen Anteil von 1 Vol.-% bis 4 Vol.-%, Stickstoff und Wasserstoff sind etwa in gleichen Anteilen vorhanden. Die Abscheidung findet vorzugsweise bei einer vergleichsweise niederen Temperatur im Bereich von 750°C bis 850°C, z.B. bei 800°C statt. Der Druck in der Reaktionskammer liegt zwischen 550 mbar und 650 mbar, z.B. 600 mbar. Die Barriereschicht 28 wächst kontinuierlich als glatte Schicht auf. Die Abscheidung wird fortgesetzt, bis eine 0,1 μηη und 0,5 μηη dicke Barriereschicht 28 erreicht ist. Bei den genannten Wachstumsbedingungen dauert dies zwischen 60 und 90 Minuten.

Die Zusammensetzung der Gasphase wird für die Promotionsschicht 29 verändert. Die Gasphase enthält nun Titan(IV)-chlorid, Methan (CH4) und Wasserstoff (H2). Methan hat einen Anteil zwischen 5 Vol.-% und 10 Vol.-%, z.B. 7,5 Vol.-%. Titan(IV)-chlorid hat einen Anteil zwischen 2 Vol.-% und 8 Vol.-%., z.B. 4,5 Vol.-%. Das Verhältnis von Methan zu Titan(IV)-chlorid liegt näherungsweise bei 10 zu 6. Wasserstoff wird in großem Überschuss angeboten. Der Druck in der Reaktionskammer wird auf einen Bereich zwischen 70 mbar und 90 mbar, z.B. 80 mbar, abgesenkt. Die Temperatur wird vorzugsweise auf 950°C bis 1050°C, z.B. 1000°C angehoben. Die Abscheidung wird solange fortgesetzt, bis eine zwischen 1 μηη und 2 μηη dicke Promotionsschicht 29 abgeschieden ist. Bei den genannten Wachstumsparametern sind hierfür 10 min bis 20 min zu veranschlagen.

Die Haftvermittlungsschicht 26 wird anfänglich mit einer Niederdruckabscheidung auf die Promotionsschicht 29 begonnen. Die Gasphase enthält Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2). Die Atmosphäre ist insbesondere frei von kohlenstoffhaltigen Gasen. Titan(IV)-chlorid hat einen Volumenanteil zwischen 0,5 Vol. -% und 4 Vol.-%, vorzugsweise einen Anteil zwischen 1 ,0 Vol.-% und 1 ,5 Vol.-%. Wasserstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 50 Vol.-% und 90 Vol.-%, Stickstoff hat beispielsweise einen Volumenanteil zwischen 15 Vol.-% und 40 Vol.-%. Stickstoff wird in der Gasphase in großem Überschuss zu dem Titan(IV)-chlorid angeboten. In einem Beispiel sind die relativen Anteile: 240 Volumeneinheiten Wasserstoff, 50 Volumeneinheiten Stickstoff und 4 Volumeneinheiten Titan(IV)-chlorid. Der Druck in der Reaktionskammer liegt bei 550 mbar bis 650 mbar, z.B. 600 mbar. Die Temperatur wird auf hohen Niveau zwischen 950°C und 1050°C, z.B. 1000°C, gehalten. Die Abscheidung erfolgt für etwa 60 Minuten bis 120 Minuten, um eine zwischen 2 μηη und 3 μηη dicke Titannitridschicht zu erhalten. Die Plättchen 31 haben eine Höhe von 1 μηη bis 2 μηη.

Die Borierung der Plättchen 31 erfolgt mit einer geänderten Zusammensetzung der Atmosphäre, indem zu Titan(IV)-chlorid (TiCI4), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) noch Bortrichlorid (BCI3) eingeleitet wird. Das Borchlorid hat einen Anteil von 0,1 % und 0,4 %, die Gasanteile von TiCI4, N2 und H2 bleiben gegenüber der vorhergehenden Abscheidung der Plättchen 31 unverändert. Ebenso bleibt die Temperatur auf dem angehobenen Niveau. Der Druck wird auf 550 mbar bis 650 mbar, z.B. 600 mbar, erhöht. Die Plättchen 31 aus Titannitrid wachsen weiter. An den Kanten 32 der Plättchen 31 scheidet sich Kristalle aus Titanborverbindungen ab, hingegen im Wesentlich nicht auf den Seitenflächen 33 der Plättchen 31. Die Seitenflächen 33 bleiben somit aus reinem Titannitrid. Die Abscheidung wird nach 10 Minuten beendet. Die Schichtdicke der Titanboridverbindungen liegt im Bereich zwischen 10 nm und 200 nm.

Die Diamantschicht 24 wird auf die borierten Plättchen 31 abgeschieden. Die Abscheidung der Diamantschicht 24 kann wie in dem ersten Beispiel erfolgen. Ein geändertes Verfahren ermöglicht ein schnelleres Wachstum der Diamantschicht 24 bei ähnlich guten Eigenschaften, insbesondere einer nahezu ähnlich hohen Diamantschicht 24. Die Haftvermittlungsschicht 26 wird mit Nanodiamantpulver bekeimt. Das Wachstum der stabförmigen Diamantkristalle erfolgt aus der Gasphase (CVD-Verfahren). Die Atmosphäre enthält Methan (CH4) und Wasserstoff (H2). Der Metangehalt liegt mit 2,5 Vol.-% bis 4,0 Vol.-%, z.B. 2,9 Vol.-%, höher als bei der Abscheidung gemäß dem ersten Verfahren. Der Druck liegt zwischen 2 mbar und 20 mbar, vorzugsweise zwischen 5 mbar bis 8 mbar. Die Abscheidungstemperatur liegt im Bereich zwischen 700°C und 850°C, z.B. bei 750°C. Der hohe Methangehalt in der Gasphase führt vermehrt sekundärer Keimbildung während des Diamantwachstums, was den Korndurchmesser quer zur Wachstumsrichtung bis in den Nanometerbereit reduziert. Trotzdem liegt teilweise noch Stängel-förmiges Wachstum vor. Es ergeben sich jedoch mehr Korngrenzen und in Folge wesentlich dünnere Stängel 34. Die Diamantschicht 24 mit den dünnen Stängel 34 ist etwas schwächer als die aus dem ersten Beispiel, dennoch konnten bereits stabile Diamantschichten bis zu einer Höhe 36 von 23 μηη realisiert werden. Die Diamantschicht 24 mit den dünnen Stängel 34 lässt sich auch auf die Haftvermittlungsschicht 26 des Beispiels 1 oder 2 abscheiden.