Spanabhebendes Werkzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Werkzeuge zur spanabhebenden Bearbeitung mit einem Werkzeugkopf, einem Werkzeugschaft und mit einem Einspannabschnitt zur Aufnahme in einer

Werkzeugaufnahme sind in vielfältigster Form aus dem Stand der Technik bekannt.

Derartige Werkzeuge weisen in ihrem Schneidteilbereich Funktionsbereiche auf, welche an die spezifischen Anforderungen der zu bearbeitenden Materialien angepasst sind.

Bei den genannten Werkzeugen handelt es sich insbesondere um solche, die als Bohr-, Fräs- Senk-, Dreh-, Gewinde-, Konturier- oder Reibwerkzeuge ausgebildet sind, welche als Funktionsbereich Schneidkörper oder Führungsleisten aufweisen können, wobei die Schneidkörper beispielsweise als Wechsel- oder Wendeschneidplatten ausgebildet sein können und die Führungsleisten zum Beispiel als Stützleisten ausgebildet sein können.

Typischerweise weisen derartige Werkzeugköpfe Funktionsbereiche auf, welche dem Werkzeug eine hohe Verschleißfestigkeit bei der Bearbeitung von hochabrasiven Materialien verleihen.

In der DE 20 2005 021 817 111 der vorliegenden Anmelderin werden

Werkzeugköpfe beschrieben, welche aus einem Hartmaterial mit zumindest einer Funktionsschicht bestehen, die einen Superhartstoff wie kubisches Bornitrid (CBN) oder polykristallinen Diamant (PKD) umfasst.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Mit einem derartigen Werkzeug können hohe Standzeiten der Werkzeuge im Hinblick auf mechanische bzw. thermische Anforderungen zum Bohren, Fräsen bzw. Reiben erzielt werden.

Verfahren zum Aufbringen eines polykristallinen Films, insbesondere eines solchen aus Diamantmaterial, auf Nichtdiamant-Substraten sind ebenfalls seit Langem bekannt. So beschreibt beispielsweise die US 5,082,359 das Aufbringen eines polykristallinen Diamantfilms mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD).

Bei dem in diesem Dokument des Standes der Technik beschriebenen Verfahren werden auf der Oberfläche des zu beschichtenden Verfahrens eine Reihe diskreter Nukleationsstellen erzeugt, welche typischerweise die Form von Kratern aufweisen.

Diese Krater, welche als Keimzellen für die später zu erfolgende

Diamantabscheidung dienen, können gemäß US 5,082,359 durch eine Reihe von Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Laserverdampfen und chemisches Ätzen oder Plasmaätzen unter Verwendung eines entsprechend gemusterten

Fotoresists oder auch durch Abtragung mittels eines fokussierten lonenstrahls (focused ion beam milling).

In der US 5,082,359 wird offenbart, dass mittels eines fokussierten lonenstrahls von Ga ⁺ bei einer kinetischen Energie von 25 KeV in den Substraten durch

Fokussierung des Ga ⁺ -lonenstrahls auf einen Durchmesser von kleiner als 0,1 μιη Krater mit einem Abstand von weniger als 1 pm erzeugt werden können, also quasi Nanobohrungen in einem Werkstück durchgeführt werden können.

Als Substrate werden in der US 5,082,359 typische in der Halbleiterindustrie verwendete Materialien genannt, wie Germanium, Silicium, Galliumarsenid sowie polierte Wafer aus monokristallinem Silicium, und als weitere nützliche Substrate werden Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Wolfram, Tantal, Stahl, Keramik,

Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Zinksulfid, Zinkselenid, Wolframcarbid, Graphit, Quarzglas, Glas und Saphir genannt. Schlussendlich wird die CVD durch Reaktion von Methan und Wasserstoff im Vakuum an einem heißen Wolframdraht durchgeführt, um den im Hochvakuum erzeugten Kohlenstoff auf den auf der Substratoberfläche erzeugten kraterförmigen Unregelmäßigkeiten in seiner Diamantmodifikation abzuscheiden.

Ferner ist es für Werkzeuge bekannt, Funktionsflächen mit einer Diamantschicht zu versehen, wobei ebenfalls ein CVD-Verfahren verwendet wird.

Ein solches Diamantbeschichtungsverfahren ist beispielsweise in WO 98/35071 A1 beschrieben. Insbesondere die Abscheidung eines polykristallinen Diamantfilms auf einem Hartmetallsubstrat aus in eine Cobaltmatrix eingebettetem Wolframcarbid ist in WO 2004/031437 A1 beschrieben.

Typischerweise enthält ein Hartmetall Sintermaterialien aus Hartstoffpartikeln und Bindematerial, beispielsweise Wolframcarbid-Körner, wobei die Wolframcarbid-Körner die harten Materialien bilden und die cobalthaltige Bindematrix den WC-Körnern als Bindemittel dient und der Schicht die für das Werkzeug erforderliche Zähigkeit verleiht.

Diamantbeschichtete Hartmetall- bzw. Cermet-Werkzeuge wirken sich

naturgemäß positiv auf den Verschleißschutz des Werkzeugs sowie auf dessen

Standzeit im Dauereinsatz aus.

Zum Glätten der Oberflächen von Hartmetall- oder Cermetwerkzeugen sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Einerseits das klassische Anschleifen der Oberflächen mit beispielsweise Korund- oder Diamantschleifmitteln und andererseits chemisch-mechanische Polierverfahren (CMP), bei welchen zusätzliche Ätz- und/oder Polierschleifmittel zum Einsatz gelangen. Ein derartiges CMP-Verfahren ist zur Herstellung exakter Planarität für Halbleiteroberflächen beispielsweise in der US 2012/0217587 A1 beschrieben. Darüber hinaus gibt es ebenfalls im Halbleiterbereich Elektropolierverfahren, bei welchen mittels Stromfluss und geeigneten Elektrolyten eine Oberflächenglättung erzielt wird. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der WO 97/07264 A1 beschrieben.

Weitere Verfahren zur Erzeugung möglichst perfekter Planarität zur Vorbereitung der Erstellung von IC-Topographien von Halbleiteroberflächen sind ebenfalls in der US 2012/0217587 A1 beschrieben. Die Halbleiter können gemäß US 2012/0217587 A1 die üblichen elementaren Halbleiter Si und Ge in monokristalliner, polykristalliner oder amorpher Form sowie Halbleiterverbindungen sein, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Indiumantimonid. Darüber hinaus können auch legierte Halbleitersysteme wie SiGe, GaAsP, AllnAs, AIGaAs, GalnAs, GalnP oder GalnAsP oberflächenbehandelt werden.

Die Erzeugung maximaler Planarität erfolgt gemäß US 2012/0217587 A1 nach Vorbereitung durch unterschiedliche Verfüllung von Vertiefungen und Beschichtungen mit Abdeckschichten mit den zur Topographieerstellung erforderlichen Mustern bei Bedarf an den gewünschten Stellen zunächst durch chemisch-mechanische

Polierverfahren und danach durch Bestrahlung mit Clusterionen mit kinetischen

Energien zwischen 1 und 90 KeV. Hierbei werden nanodimensionale Clusterionen aus hochreaktiven Gasen erzeugt, welche die gewünschte zu planarisierende

Oberflächenschicht durch Ätzen entfernt und hierdurch werden hochplanare

Oberflächen erzeugt. Als clusterionenbildende Gase kommen gemäß US 2012/0217587 A1 die Ätzgase NF3, CF ₄ , C _x F _y oder C _m H _n F ₀ oder auch Halogenide, wie z.B. HBr, HF, SF6 oder auch CI2 zum Einsatz. Diese reagieren in ionisierter Form insbesondere mit dem Si in den Abdeckschichten und verflüchtigen dieses als volatile Fluoride wie z.B. S1F4 , wodurch die bestrahlte Schicht abgeätzt wird, wobei eine große für die

Topographieausbildung erforderliche Planarität erreicht werden kann. Zusätzlich können gemäß US 2012/0217587 A1 noch Ätzhilfsgase wie O2, N2 oder NH3 bei Bedarf zugemischt werden. Darüber hinaus kann auch mit Dotierungsgasen gearbeitet werden, welche die im gewünschten Halbleiter erforderlichen Dotierungsimplantationen ermöglichen. Als Dotierungsgase kommen beispielsweise B2H6, PH3, ASH3 oder GeH ₄ in Betracht. Die Behandlung von diamantbeschichteten Schneidwerkzeugen mit Clustergas- lonenstrahlen zum Zwecke der Glättung der Diamantschicht wird in der japanischen Patentanmeldung JP 2010 036 297 beschrieben. Dort wird ein Clustergas, bestehend aus reinem Argon oder einer Ar-02-Mischung mit 34% 02-Anteil ionisiert und auf eine CVD-Diamantschicht gestrahlt, um eine homogene Oberflächenrauheit und idiomorphe Diamantschichten zu erhalten. Die durchschnittliche Clustergröße beträgt ca. 1000 atomare oder molekulare Untereinheiten. Die Beschleunigungsspannungen betragen 20 bis 30 KV.

Vorrichtungen zur Erzeugung von Gasclustern, z. B. aus CO2, und lonenstrahlen daraus werden beispielsweise in der JPH08120470 (A) beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift wird beispielsweise CO2-Gas aus einem unter Druck stehenden

Vorratsbehälter aus einer Düse mit Überschallgeschwindigkeit in eine Kammer eingedüst und adiabatisch expandiert, um (elektrisch neutrale) Molekülcluster zu bilden. Die Cluster werden anschließend in einem Ionisator mit Elektronen beschossen, wodurch lonencluster entstehen, die dann mittels elektrischer Felder beschleunigt und mittels magnetischer Felder fokussiert werden. Gemäß JPH08120470 (A) kann der CO2-Gascluster-lonenstrahl zum ultrapräzisen Schleifen von Festkörperoberflächen eingesetzt werden.

Schlussendlich beschreiben YAMADA et al. in Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. B 206 (2003) 820-829:„Cluster Ion Beam Process Technology", Prozesstechnologien mit Clusterionenstrahlen und beleuchten den theoretischen und praktischen

Hintergrund. Insbesondere vergleichen YAMADA et al. die Wirkungen der von

Gasclusterionenstrahlen mit denjenigen von monomeren lonenstrahlen. Dem

Übersichtsartikel von YAMADA et al. zufolge lässt sich die Bombardierung eines Objektes mit Clusterionenstrahlen am ehesten mit dem Einschlag eines metallischen Asteroiden mit einem Durchmesser von ca.30 m auf die Erdoberfläche vergleichen, wie dies beispielsweise vor ungefähr 50.000 Jahren im nördlichen Teil Arizonas geschah: Durch den Aufprall dieses Meteoriten entstand ein Krater mit einem Durchmesser von 1,2 km mit dem typischen hochgezogenen Kraterrand aus ausgeworfenem Material. Im mikroskopischen Bereich werden durch Einschläge von Teilchen hoher Energie oder schweren Ionen ähnliche Krater auf Festkörperoberflächen erzeugt. So betrachten YAMADA et al. das Auftreffen eines Ar-Clusterions auf eine Goldoberfläche: Dort entsteht ein Mikrokrater mit etwa 30 nm Durchmesser, also in etwa 4 x 10 ¹⁰ mal kleiner als der oben erwähnte Meteoritenkrater.

Schätzungen zufolge treten durch derartige Clusterionenstrahlen kurzzeitig

Temperaturen von mehreren zehntausend Grad und Drücke im Gigapasealbereich in der Zielregion auf.

Im Gegensatz zu den Gasclusterionenbestrahlungen treten gemäß YAMADA et al. derartige Effekte bei der Bestrahlung von Oberflächen mit monomeren Ionen nicht auf.

Somit ist festzuhalten, dass die Bombardierung von Festkörperoberflächen mit Clusterionen beträchtliche Schäden in dem Gefüge des bestrahlten Substrates anrichtet und eine Oberflächenfeinpolitur mittels Clusterionen mit einer Vielzahl von Mikrokratern in der behandelten Substratoberfläche einhergehen muss.

Bei der Fertigung von Hochleistungsschneidwerkzeugen ist jedoch eine drastische Gefügeänderung - wie bei der Bestrahlung mit Clusterionen zu erwarten - bei der Glättung der bereits hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Kristallgitter fertig ausgebildeten Werkzeugsubstratoberfläche unerwünscht.

Ausgehend vom Stand der Technik des Übersichtsartikels von YAMADA et al. war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hochgeglättete Werkzeugoberflächen zur Verfügung zu stellen, welche die nachteiligen Gefügeänderungen des Standes der Technik wenigstens weitgehend vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein spanabhebendes Werkzeug mit einer Substratoberfläche aus einem Hartmetall oder einem keramischem Material, wobei die Substratoberfläche Hartstoffpartikel auf Carbid- und/oder Nitridbasis und/oder Oxidbasis enthält, welche in eine cobalthaltige Bindematrix eingebettet sind, wobei die Substratoberfläche geglättet ist, wobei eine

Substratoberflächenglättung des spanabhebenden Werkzeugs mittels einer Behandlung mit einem lonenstrahl aus monomeren Ionen wenigstens einer Kationenspezies erhältlich ist, wobei die Kationenspezies einfach oder mehrfach geladen ist und wobei die Kationenspezies ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Kationen der Hauptgruppenelemente Lithium, Bor, Aluminium, Gallium, Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Stickstoff, Phosphor und Sauerstoff; sowie

aus Kationen der Übergansmetalle Titan, Zirconium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer.

Im Lichte des Standes der Technik des eingangs diskutierten Übersichtsartikels von YAMADA et al. ist es überraschend, dass - im Gegensatz zu der bekannten Clusterionenstrahlbehandlung von Oberflächen - mittels eines lonenstrahls aus monomeren Ionen gemäß der vorliegenden Erfindung eine gefügeerhaltende

Ultrafeinpolierung und damit eine Glättung der Oberflächenrauhigkeit auf

spanabhebenden Werkzeugen erreicht werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeug bei welchem die Hartstoffpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: den Carbiden, Carbonitriden und Nitriden der nicht radioaktiven Metalle der IV., V., VI. und VII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und Bornitrid, insbesondere kubisches Bornitrid; sowie oxidische Hartstoffe, insbesondere Aluminiumoxid und Chromoxid; sowie insbesondere Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid;

Vanadiumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid; Chromcarbid, Molybdäncarbid,

Wolframcarbid; Mangancarbid, Rheniumcarbid; sowie Mischungen und Mischphasen davon.

Vorteilhaft kann die Bindematrix neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthalten, wodurch eine Feineinstellung der Zähigkeit gegeben ist. Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein spanabhebendes Werkzeug bei dem das keramische Material ein Sinterwerkstoff aus den oben aufgelisteten Hartstoffpartikeln in einer Bindematrix, welche neben Cobalt zusätzlich Aluminium, Chrom, Molybdän und/oder Nickel enthält, ist.

Es ist bevorzugt, dass als keramisches Material ein gesintertes Carbid- oder Carbonitridhartmetall eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäßen Werkzeuge können als rotierendes oder als stehendes Werkzeug, insbesondere als Bohr-, Fräs-, Senk-, Dreh-, Gewinde-, Konturier- oder Reibwerkzeug ausgebildet sein. Hierdurch steht dem Anwender die vollständige Palette von Werkzeugen mit den erfindungsgemäßen Oberflächeneigenschaften zur

Verfügung.

In üblicher Bauart können die erfindungsgemäßen Werkzeuge monolithisch oder modular aufgebaut sein.

Typische Werkzeuge können auf einem Trägerkörper wenigstens ein

Schneidkörper, insbesondere eine Schneidplatte, vorzugsweise eine Wechsel- oder Wendeplatte und/oder wenigstens eine Führungsleiste, insbesondere eine Stützleiste, aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist, dass das Werkzeug aus einem Schnellarbeitsstahl gebildet ist, insbesondere einem Stahl mit dem DIN-Stahlschlüssel 1.3343, 1.3243, .3344 oder .3247. Hierdurch steht dem Anwender eine großes Angebot an

hochwertigen Werkzeugen mit hochfein polierten Oberflächen zur Verfügung.

Selbst spanabhebende Werkzeuge, welche wenigstens einen Funktionsbereich aufweisen, der diamantbeschichtet ist, insbesondere CVD-diamantbeschichtet, können mit den monomeren lonenstrahlen derart bearbeitet werden, dass eine gleichmäßige idiomorphe Diamantschicht vorliegt. Somit sind kristallographisch durch das

Aufwachsen der kubischen Diamantkristalle in unterschiedliche Vorzugsrichtungen, z.B.

[111] oder [001] bedingte Dickenschwankungen (cf. JP 2010 036 247) der Diamantschicht durch die lonenstrahlbehandlung im Wesentlichen behoben, so dass die erfindungsgemäßen Werkzeuge mit einer Herstellungsgenauigkeit von bis zu ± 1000 nm beispielsweise für Sprialbohrer mit Durchmessern von bis zu 6 mm technisch realisiert werden können. Unabhängig vom Ort wird das erfindungsgemäße

spanabhebende Werkzeug somit auch dieselbe Dicke über den gesamten

Funktionsbereich z.B. eines Bohrers aufweisen, wodurch sich beispielsweise deutlich exaktere und gleichmäßigere Bohrlöcher im Werkstück realisieren lassen.

In jedem Falle erzielen beispielsweise Bohrwerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung, eine höhere Klassifikation, also engere Maßtoleranzen, bei der Spiralbohrer- Herstellungsgenauigkeit nach DIN ISO 286, Teil 2. Typischerweise werden Spiralbohrer der Anmelderin im Durchmesserbereich von 0,38 mm bis 120,00 mm mit einer

Herstellungsgenauigkeit von ISO h8 hergestellt. Werden die Werkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung mittels lonenstrahlen behandelt, so können dieselben

Werkzeuge mit einer Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 hergestellt werden. Dies bedeutet beispielsweise für einen 50 mm Spiralbohrer, wenn er eine

Herstellungsgenauigkeit von ISO h8 aufweist, dass die Durchmesserabweichung ±39 pm beträgt, während die erfindungsgemäßen 50 mm Spiralbohrer eine

Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 aufweisen, womit die Durchmesserabweichung der erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuge lediglich ±25 μιη beträgt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Beispiel

Hartmetallbohrwerkzeuge aus einem 10M%Co-Hartmetall mit einer mittleren WC- Korngröße von 0,6 pm (Gühring-Handelsname DK460UF) wurden für 1 ,5 h

erfindungsgemäß mit einem lonenstrom aus im Wesentlichen monomeren

Stickstoffionen bestrahlt, wobei der lonenstrom mit einer Spannung von 30 kV bei 3 mA Plasmastrom bei einem Stickstoffdruck von 1 x 10 ^"5 mbar erzeugt wurde. Zum Erzeugen des lonenstrahls kam ein handelsüblicher lonengenerator zum Einsatz (lonengenerator„Hardion" der Firma Quertech, Caen).

Während der lonenstrahlbehandlung wurde das Werkzeug, im Beispielsfalle ein Spiralbohrer mit einem Durchmesser von 6,00 mm unter Rotation um die Längsachse mit einem Einfallwinkel von 0°, also von der Bohrerspitze in Längsrichtung dem Stickstoffionenstrahl ausgesetzt. Vor der Behandlung erfüllte der Spiralbohrer die Herstellungsgenauigkeit ISO h8. Nach der Behandlung ergaben die Messungen nach DIN ISO 286, Teil 2 eine Herstellungsgenauigkeit von ISO h7 und zum Teil besser.