Die Erfindung bezieht sich auf einen Bohrer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , insbesondere auf einen Gewindebohrer oder einen Mikrobohrer, sowie auch auf ein Beschichtungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 für die Beschichtung von Bauteile und Werkzeuge, insbesondere für die Beschichtung von Bohrern.

Gewindebohrer weisen zumeist einen Anschnitt und einen sich an diesen anschließenden Führungsbereich auf. Man unterscheidet gerade und wendeiförmig genutete Gewindebohrer, wobei sich letztere u. a. durch den Drallwinkel unterscheiden. Oftmals werden derartige Gewindebohrer mit einer Titannitridbeschichtung (TiN) oder einer Titancarbonitridbeschichtung (TiCN) mittels PVD versehen. Bei derart, insbesondere mittels klassischem Magnetronzerstäuben beschichteten Gewindebohrern ist es häufig erforderlich, die Spanflächen nach dem Beschichten wieder blank zu schleifen. Eine der Ursachen hierfür kann darin liegen, dass aufgrund der Beschichtung die Gleit- und Reibeigenschaften nachteilig verändert werden woraus Spanformen resultieren können welche beim Gewindebohren Störungen verursachen.

Demgegenüber müssen Gewindebohrer, welche mittels thermischen Vakuumverdampfen mit TiN oder TiCN beschichtet werden nicht nachgeschliffen werden. Allerdings kann mit thermischem Verdampfen nur mit sehr grossem Aufwand die für ein wirtschaftliches Betreiben der Beschichtung erforderliche Stückzahl beschichtet werden.

Auch die Verwendung von Lichtbogenverdampfung (Are-Verdampfung) für die Beschichtung der Gewindebohrer führt nicht zu den gewünschten Resultaten, vermutlich weil die mit dieser Art der Beschichtung einhergehenden sich in den Schichten einlagernden sogenannten Spritzer zu einer inakzeptablen Oberflächenrauheit führt. Auch hier würde daher ein Zeitaufwändiges und kostenintensives Schleifen nach der Beschichtung notwendig werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen beschichteten Bohrer, insbesondere Gewindebohrer zu schaffen welcher nach der Beschichtung im Wesentlichen ohne das aufwändige Nachschleifen zum Einsatz kommen kann. Hierbei ist ein Nachschleifen klar zu unterscheiden von einem relativ einfachen und günstigen, der Beschichtung nachfolgenden Bürstschritt, mit dem beispielsweise durch die Beschichtung entstandene Grate entfernt werden sollen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Demzufolge wird auf einen Gewindebohrer mittels eines HIPIMS-Verfahren eine Hartstoffschicht aufgebracht. HIPIMS steht dabei für High Power Impuls Magnetron Sputtering und ist ein Zerstäubungsverfahren, bei dem grosse Entladestromdichten zu einem erhöhten ionisierungsgrad des zerstäubten Materials führen. Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäss solche Schichten welche zumindest teilweise durch das in der DE10201 1018363 offenbarte Verfahren aufgebracht wurden. Bei diesem Verfahren wird ein sehr hoher Ionisierungsgrad des zerstäubten Materials erzielt. Die entsprechenden Ionen werden aufgrund eines an den Substraten angelegten negativen Bias zu diesen hin beschleunigt und führen zu einer sehr grossen Dichte. Da das in DE10201 1018363 beschriebene Verfahren, bei dem Spannungsquellen in Master-Slave Konfiguration betrieben werden zu einem sehr stabilen Beschichtungsprozess führen sind die damit entstehenden Schichten entsprechend kompakt, sehr gut haftend, homogen und mit einer geringen Oberflächenrauheit ausgestattet. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt wenn als HIPIMS-Schicht Schichten aus Nitriden und/oder Karbiden und/oder Oxiden die zumindest eines, vorzugsweise jedoch zwei der Metalle aus der Gruppe gebildet aus Chrom, Titan, Aluminium und Wolfram abgeschieden wurden. Dabei konnte sogar auf eine zwischen Bohrkörper und HIPIMS-Schicht angeordnete Haftschicht verzichtet werden. Dies ist vermutlich Folge der mit grosser Geschwindigkeit auf die Bohrkörper auftreffenden Ionen. Die Abscheidung der Nitride, Karbide oder Oxide kann dabei im Wechsel oder gleichzeitig erfolgen. Insbesondere die Erhöhung der Standzeiten von mit einer AICrN HIPIMS-Schicht beschichteten Bohrern ist beeindruckend.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf der HIPIMS Schicht noch eine amorphe Kohlenstoff- oder DLC-Schicht vorgesehen sein, die insbesondere metallhaltig ausgeführt sein kann. Die amorphe-Kohlenstoff oder DLC-Schicht (im Folgenden Kohlenstoff enthaltende Schicht genannt) hat aufgrund ihrer guten Gleiteigenschaften den Vorzug einer geringeren Reibung an den Schnittkanten nicht entsprechenden Flächen, was zu einem geringeren Verschleiss und damit zu einer weiteren Verlängerung der Standzeiten der Gewindebohrer führt. Aufgrund der geringen Oberflächenrauheit der HIPIMS-Schicht weisst auch die darüber liegende Kohlenstoff enthaltende Schicht an der Oberfläche eine geringe Rauheit auf, insbesondere wenn darauf geachtet wird, dass die Kohlenstoff enthaltende Schicht eine Schichtdicke von 5pm nicht übersteigt. Das Gesamtschichtsystem hat vorzugsweise eine Dicke von 0.1 pm bis 10pm. Es wurde ein Verfahren zur Beschichtung eines Bohrers, vorzugsweise eines Gewindebohrers, offenbart mit Bohrkörper bei dem mittels eines HIPIMS-Verfahrens eine HIPIMS-Schicht aufgebracht wird, vorzugsweise direkt auf den Bohrkörper.

Vorzugsweise wird die Beschichtung mit einer Gesamtdicke von 0.1 m bis 10pm aufgebracht wird.

Vorzugsweise wird als HIPIMS-Schicht zumindest eine Schicht aus zumindest einem Nitrid und/oder Karbid und/oder Oxid mit zumindest einem, vorzugsweise jedoch zwei der Metalle aus der Gruppe gebildet aus Chrom, Titan, Aluminium und Wolfram abgeschieden.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren zumindest einen Beschichtungsschritt, bei dem eine DLC-Schicht, vorzugsweise eine metallhaltige DLC-Schicht auf die HIPIMS-Schicht aufgebracht wird.

Das metallische Element welches zur Beschichtung der metallhaltigen DLC-Schicht verwendet wird stimmt vorzugsweise mit einem metallischen Element in der HIPIMS-Schicht überein. Der Metallgehalt in der DLC Schicht kann zur Oberfläche hin gradientenhaft abnehmen.

Das oben erwähnten klassische Magnetronzerstäuben wird oft, wie auch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung, konventioneller Sputterprozess oder konventionelles Sputtern genannt, alle diese Begriffe haben die gleiche Bedeutung. Von dem englischen Namen kommt auch die Abkürzung MS (magnetron sputtering), die auch die gleiche Bedeutung wie klassisches Magnetronzerstäuben hat und in dieser Beschreibung verwendet wird.

In ähnlicher Weise die oben erwähnten „in den Schichten eingelagerten sogenannten Spritzer", die durch die Verwendung von Lichtbogenverdampfungsprozessen (Arc- Verdampfungsprozessen) produziert werden, werden oft, wie auch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung, Droplets oder Makropartikel genannt, die sehr charakteristisch von Are-Schichten sind

Mit thermischen Vakuumverdampfen sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung plasmaunterstutzte Vakuumverdampfungsprozesse gemeint, bei denen eine Verdampfung des Schichtmaterials unter Verwendung einer Plasmaquelle zur thermischen Zufuhr unter Vakuumdruck stattfindet. Dafür kann beispielweise ein Niedervoltbogen als Plasmaquelle verwendet werden. Das zu verdampfende Schichtmaterial kann in einen Tiegel aufgestellt werden, der beispielweise als Anode eingeschaltet werden kann. Diese Beschichtungen haben sich aufgrund ihrer niedrigen Rauheit und im Allgemeinen gute Schichtqualität für die Beschichtung von Gewindebohrern gut etabliert. Allerdings sind die Prozessparameter nicht immer so einfach kontrollierbar.

Die Auswahl des Materials einer Beschichtung zur Leistungsverbesserung von Gewindebohrern ist nicht immer selbstverständlich. Zusätzlich spielt die Art des Beschichtungsprozesses auch eine grosse Rolle, da der Beschichtungsprozess direkt die Struktur der abgeschiedenen Schicht und damit ihre Eigenschaften beeinflusst.

Gewindebohrer mit einer TiCN-Beschichtung weisen beispielweise eine sehr hohe Oberflächenhärte auf und erweisen sich generell als widerstandsfähiger im Vergleich zu Gewindebohrern mit einer Beschichtung aus anderen Materialien. Hierdurch wird besonders der Kantengratbildung vorgebeugt.

Hingegen kann man mit eine TiN-Beschichtung nicht eine vergleichbare Oberflächenhärte erreichen, aber eine TiN-Beschichtung stellt im Allgemeinen eine gute Wahl zum Schutz von Bohrern dar, damit im Vergleich mit unbeschichteten Bohrern längere Standzeiten erzielt und höhere Geschwindigkeiten eingesetzt werden können. Zum Bohren von nichtmetallischen Grundwerkstoffen, bei denen Bohrer mit Ti-basierenden Beschichtungen sich als nicht geeignet erwiesen, könnte in manchen Fällen eine mittels PVD abgeschiedene CrN-Beschichtung gut sein.

Beschichtete Gewindewerkzeuge erbringen höhere Standzeiten und erlauben eine deutliche Anhebung der Schnittdaten. Durch die Hartstoffbeschichtung erhöht sich die Verschleißfestigkeit des Gewindebohrers erheblich. Die Bildung von Kaltverschweißungen und Aufbauschneiden wird verhindert. Durch die stark reduzierte Reibung und das bessere Gleitverhalten der beschichteten Werkzeuge werden die Schnittkräfte herabgesetzt, der Verschleiss an den Schneidoberflächen verringert und die Oberflächengüte der geschnittenen Gewinde wesentlich verbessert. Im spezifischen Fall von Gewindewerkzeugen am Beispiel von Gewindebohrern hat es sich in mehreren Versuchen erwiesen, dass mittels plasmaunterstutzten Vakuumverdampfens hergestellte Schichten (zukünftig Dampf-Schichten genannt) im Allgemeinen zu höheren Standzeiten im Vergleich mit mittels klassischen Magnetronzerstäuben oder mittels Lichtbogenverdampfen hergestellten Beschichtungen führenlm Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden Gewindebohrer mit Are-Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen und Schichtstrukturen beschichtet und ihre Zerspan-Leistung getestet. Gemäss den Ergebnissen waren fast alle getesteten Are-Schichten im Vergleich mit den gut etablierten TiN- und TiCN-basierten Dampf-Schichten für diese Anwendung immer unterlegen. Sogar nach der Durführung von entsprechenden Nachbehandlungen zur Reduzierung der Oberflächenrauheit der Are-Schichten. Jedoch, die Gewindebohrer mit Aluminiumchromnitrid-basierten Are-Schichten (nach der Nachbehandlung) zeigten eine beinah ähnlich gleich gute Leistung wie die Gewindebohrer mit TiN- und TiCN-Dampf- Beschichtungen.

Dennoch, um äquivalenten Eigenschaften, vor allem in Bezug auf Dichte und Härte wie die AICrN-basierten Are-Schichten zu erreichen, aber mit einer besseren Oberflächenqualität um auswendigen Nachbehandlungen zu vermeiden, und demgemäss auch die Vorteile der plasmaunterstutzten Vakuumverdampfungs-Technologie irgendwie anzustreben, wurde die HIPIMS-Technologie für die Beschichtung der Gewindebohrer gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet.

Gemäss der vorliegenden Erfindung kann eine vergleichbare oder sogar noch höhere Zerspanungsleistung im Vergleich zu den mittels plasmaunterstutzten Vakuumverdampfens hergestellten Schichten erreicht werden, wenn die Bohrer, am Beispiel von Gewindebohrer, mit zumindest eine HIPIMS-Schicht beschichtet werden, die vorzugsweise direkt auf dem Bohrerkörper aufgebracht wird.

Insbesondere, wenn die HIPIMS-Schicht ein Nitrid und/oder Karbid umfasst, vorzugsweise, wenn die HIPIMS-Schicht zumindest eine Nitridschicht und/oder eine Karbidschicht beinhaltet. Insbesondere, (AI,Cr)N HIPIMS-Schichten mit einer Konzentration von Aluminium in Bezug auf Chrom in Atomprozent von ca. 70 zu 30 zeigten sich als sehr gut geeignet zu erreichen vergleichbare Ergebnisse oder sogar bessere Ergebnisse (zumindest bei Gewindebohren von bestimmten Werkstückmaterialien) gegenüber die bisher gut etablierten (Ti,C)N Dampf- Schichten. Zusätzlich aufgrund der geringen Rauheit der HIPIMS-Schichten im Vergleich zu den ARC-Schichten kann man, wie schon oben erwähnt, auf die sonst notwendig teuren Nachbehandlungen verzichten oder viel günstigere und weniger aufwendige Nachbehandlungen verwenden.

Die oben erwähnte„Schichtvariante gemäss der vorliegenden Erfindung, die eine DLC- Schicht oder vorzugsweise eine metallhaltige DLC-Schicht beinhaltet, die auf die HIPIMS- Schicht aufgebracht wird, lässt sich vorteilhafterweisennit der oben genannten Master-Slave Konfiguration herzustellen.

Die Master-Slave Konfiguration lässt sich anhand der Figuren 1 und 2 besser erklären. Figur 1 zeigt eine Konfiguration mit elektrisch isolierten Targets q1 , q2, q3, q4, q5 und q6, welche jeweils ein bewegtes Magnetsystem aufweisen, wobei die Leistungsversorgungseinheit aus mehreren Generatoren gl , g2, g3, g4, g5 und g6 besteht, die in Master-Slave Konfiguration verbunden sind. Figur 2 zeigt eine Konfiguration mit elektrisch isolierten Targets q1 , q2, q3, q4, q5 und q6, welche jeweils ein bewegtes Magnetsystem aufweisen, wobei die Leistungsversorgungseinheit aus mehreren Generatoren gl , g2, g3, g4, g5 und g6 besteht, die nicht in Master-Slave Konfiguration verbunden sind .

Um den Vorteil der Master-Slave Konfiguration zur Herstellung dieser Art von Schichten besser zu verstehen, wird im Folgenden beispielweise ein Prozess zur Beschichtung von Gewindebohrern mit einer Beschichtung bestehend aus 5 Schichten wie folgt beschrieben: 1) (AI,Cr)N, 2) CrN, 3) CrCN, 4) Cr-DLC und 5) DLC. Wobei:

1) die Funktionsschicht aus (AI,Cr)N mittels einem HIPIMS-Verfahren,

2) u. 3) die Zwischenschich aus CrN und die Zwischenschicht aus CrCN entweder mittels HIPIMS-Verfahren oder mittels konventionellem Sputtern (zukünftig auch bezeichnet als MS von dem englischen Namen Magnetron Sputtering) oder teilweise mittels HIPIMS-Verfahren und teilweise mittels MS,

4) die Gleitschicht aus Cr-dotiertem DLC mittels einer Kombination von MS- und PACVD-Verfahren (PACVD aus dem englischen Namen: Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition treatment) oder mittels einer Kombination von HIPIMS- und PACVD-Verfahren oder teilweise mittels HIPIMS/PACVD-Verfahren und teilweise mittels MS/PACVD-Verfahren, und

5) die Einlaufschicht aus DLC mittels PACVD-Verfahren abgeschieden wird. Vier AI-Targets und zwei Cr-Targets werden in die Beschichtungskammer (Vakuumkammer) elektrisch isoliert voneinander angeordnet und während des Beschichtungsprozesses durch eine Leistungsversorgungseinheit gespeist welche als Master-Slave Einheit konfiguriert ist. Man könnte aber auch Al/Cr-Targets verwendet mit einer bestimmten Zusammensetzung, um die gewünschte Schichtzusammensetzung zu erreichen. Solche Schichten können zum Beispiel schmelzmetallurgisch oder pulvermetallurgisch hergestellt werden. Unter Master-Slave Konfiguration ist der parallele Zusammenschluss der Ausgänge zweier oder mehrerer Generatoren zu verstehen, wobei die einzustellende Leistung an einem der Generatoren (dem Master) gewählt wird und die anderen Generatoren elektronisch so verbunden sind, dass sie dem Master in ihren Einstellungen folgen. Vorzugsweise sind zumindest so viele Generatoren in Master-Slave Konfiguration zusammengeschaltet wie es einzelne elektrisch isolierte Targets gibt (siehe Figur 1 und 2).

Die Gewindebohrer werden zunächst gereinigt und/oder je nach Bedarf die zu beschichtende Oberfläche vorbehandelt. Anschliessend werden die Gewindebohrer in eine entsprechende Substrathalterung für die Beschichtung in die Vakuumkammer angeordnet. Nachdem Vakuum in die Vakuumkammer gezogen wird, werden die Gewindebohrer eines Heizungs- und eines Ätzprozesses unterzogen. Für die Abscheidung der HIPIMS (AI,Cr)N Schicht wird dann die Beschichtungskammer mit einer Gasmischung von Argon und Stickstoff überflutet. Die entsprechenden Gasflüsse werden so ausgewählt, dass das gewünschte Konzentrationsverhältnis von Argon zu Stickstoff sowie der gewünschte Gesamtdruck eingestellt werden. Um einen erhöhten lonisationsgrad zu erreichen, wie er der von HIPIMS-Verfahren charakteristisch ist, wird die durch den Zusammenschluss resultierende erhöhte Leistung an die einzelnen Targets übertragen, aber nur so lange wie dies die Kühlung von jedem Target zulässt (um die Schmelzung oder Verbrennung des Targets zu vermeiden). Die Targets werden der Reihe nach zu und abgeschaltet. Die Leistungsversorgungseinheit in Master-Slave Konfiguration muss demnach nie gleichzeitig bei allen Teiltargets die volle Leistung erbringen (siehe Figur 1 ). Auf diese Weise können kostengünstigere Generatoren für die HIPIMS Abscheidung zum Einsatz kommen. Sobald die gewünschte Schichtdicke (AI,Cr)N Schicht erreicht wird, wird die CrN Zwischenschicht abgeschieden. Dafür wird die Master-Slave Konfiguration aufgelöst und somit wird für jedes Target ein eigener Generator zu Verfügung stehen (siehe Figur 2). Auf diese Weise wird erreicht, dass einfach und schnell von hochionisierendem Sputtern (HIPIMS) auf konventionelles Sputtern umgeschaltet wird und umgekehrt, wenn es gewünscht ist (mit Hilfe der Schalter S1 , S2, S3, S4, S5, und S6, wie es beispielweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt wird). Für die Abscheidung der CrN Zwischenschicht mittels konventionellem Sputtern werden dann nur die zwei Cr Targets eingeschaltet. In diesem Fall kann die Leistung an jedes Cr Target von jedem entsprechenden Generator ununterbrochen versorgt werden bis die gewünschte Dicke der CrN Zwischenschicht erreicht wird. Die Stickstoffkonzentration im Prozess sowie der gesamte Druck kann vor und/oder während der Abscheidung der CrN Schicht beliebig angepasst werden, um die gewünschten Schichteigenschaften zu erreichen. Für die Abscheidung der CrCN kann ein kohlenstoffhaltiges Reaktivgas in die Beschichtungskammer zugeführt werden, während die Flüsse der anderen Prozess- und Reaktivgassen angepasst werden. Auch hier kann die Konzentration der Prozess- und Reaktivgasen sowie die Leistung an den Cr-Targets vor und/oder während der Abscheidung der CrCN Schicht beliebig angepasst werden, um die gewünschten Schichteigenschaften zu erreichen. Vorzugsweise die Konzentration von Stickstoff und die Sputterleistung an den Cr-Targets wird reduziert bis die geeigneten Prozessbedingungen für die Abscheidung der Cr-DLC Schicht erreicht werden, und eine angemessene Bias-Spannung am Substrat für die Durchführung des PACVD-Verfahrens eingestellt wird. Nach dem auch die Cr-DLC Schicht die gewünschte Dicke erreicht hat wird die DLC abgeschieden. Für die Abscheidung der DLC-Einlaufschicht werden davor die Cr- Targets entweder abrupt oder graduell ausgeschaltet bis kein Cr mehr in die Schicht kommt und wenn nötig die Konzentration der Prozess- und Reaktivgassen sowie der Druck im Kammer und die Bias-Spannung am Substrat angepasst, um die gewünschten Schichteigenschaften zu erreichen. Vorzugsweise wird bei der Abscheidung jeder Schicht eine angemessene Bias-Spannung am Substrat angelegt, die auch während der Abscheidung jeder Schicht beliebig angepasst werden kann.

Beschichtungen und Beschichtungsverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung können insbesondere zur Erhöhung der Schneidleistung von Mikrobohrern von Vorteil sein, weil Schichten mit hoher Härte aber gleichzeitig gute Gleiteigenschaften und vor allem einer sehr geringen Rauheit vornehmlich für die Beschichtung von Mikrobohrern gefragt sind, um Ausbrüche an den Schneidkanten zu vermeiden. Ausserdem in dem Fall von Mikrobohrern ist die Durchführung von Nachbehandlungen zur Reduzierung der Schichtrauigkeit aufgrund der sehr geringen Dimensionen besonders auswendig, teuer und heikel, daher wäre es noch von Vorteil so eine Beschichtung gemäss der vorliegende Erfindung applizieren zu können, die vergleichbare Schneidleistung wie eine ARC-Schicht bringen kann aber mit der geringen Rauheit einer MS-Schicht. Weiterhin, sind die HIPIMS-Schichten gemäss der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu ARC-Schichten viel besser geeignet für die Beschichtung von Mikrobohrer, weil die Abscheiderate dieser HIMPIMS-Schichten so gering sich einstellen lässt, dass beliebig sehr dünne Schichtdicken und mit grosser Genauigkeit (beispielweise Schichtdicken in Nanometerbereich) erreicht werden können, die aufgrund der sehr geringen Dimensionen der Mikrobohrer sehr von Vorteil sind.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Verwendung von der Master-Slave HIPIMS Technologie ist die Möglichkeit beliebig und einfach die Pulslänge und die Pulsleistung während des Beschichtungsprozesses einzustellen, was die Abscheidung von HIPIMS-Schichten mit besonders erhöhten Qualität und je nach Anwendung beliebig angepassten Schichteigenschaften, beziehungsweise mit angepasster Schichtstruktur und/oder Schichtmorphologie ermöglicht.