Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein materialabtragendes Bearbeitungswerkzeug mit Schneidsegmenten und einem die Schneidsegmente aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger, wobei die Schneidsegmente quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger vorstehen und die gegenüber den vorstehenden Schneidsegmenten rückspringenden Flächen des Trägers zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweisen.

Stand der Technik

Um bei Kreissägeblättern für den Trockenschnitt von steinartigen Materialien mit am Umfang befestigten Schneidsegmenten der Gefahr zu begegnen, dass aufgrund thermischer Überlastungen im Umfangsbereich Risse auftreten, die die Standzeit solcher Kreissägeblätter begrenzen, wurde bereits vorgeschlagen (DE 29 47 053 A1 ), den im Randzonenbereich auftretenden Wärmestau mit den damit verbundenen hohe Wärmespannungen, die in Verbindung mit den mechanischen Belastungen zur Rissbildung führen, durch auf den Seitenflächen des Sägeblatts vorgesehene Wärmeleitschichten zu vermeiden. Die Wärmeabfuhr über diese Wärmeleitschichten führt zu einer thermischen Entlastung des Randzonenbereichs und somit zu einem thermischer Ausgleich in- nerhalb des Sägeblatts. Nachteilig ist allerdings, dass die beispielsweise aus Kupfer gebildeten Wärmeleitschichten verschleißanfällig sind.

Darüber hinaus ist es bei Kreissägeblättern, deren Schneidsegmente mit Wolf- ramcarbid beschichtet sind, bekannt (US 3 496 973 A), die Poren dieser harten Beschichtung mit einem Polytetrafluorethylencopolymer auszufüllen und zusätzlich die Seitenflächen mit einem Polytetrafluorethylencopolymer zu beschichten. Es wird ein Sägeblatt für den Trockenschnitt erhalten, das schmälere Schnittfugen erlaubt, was wiederum die Schnittleistung erhöht.

Zur Vermeidung einer Wasserkühlung beim Durchtrennen von Mauerwerk ist es darüber hinaus bei Kreissägeblättern, die einen mit einem Diamantbesatz versehenen Schneidkranz aufweisen, bekannt (US 5 1 1 5 796 A), wenigstens eine Seitenfläche des Sägeblatts mit einer abrasiven Beschichtung, beispielsweise kunstharzgebundenen Siliciumcarbiden, zu versehen. Diese abrasive Beschichtung dient einerseits als Verschleißschutz und soll anderseits zufolge ihrer wärmedämmenden Eigenschaften eine Überlastung des Sägeblatts vermeiden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die bekannten Kreissägeblätter sind allerdings für viele Einsätze, bei denen sowohl mit einer hohen Verschleißfestigkeit als auch mit einer hohen Wärmebelastung zu rechnen ist, nur bedingt geeignet. Da ähnliche Anforderungen an die Verschleißfestigkeit und die Wärmebelastbarkeit auch bei anderen materialabtragende Bearbeitungswerkzeuge mit Schneidsegmenten und einem die Schneidsegmente aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger gestellt werden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Standzeit solcher materialabtragender Bearbeitungswerkzeuge, wie sie beispielsweise durch Bohrer, Fräser und Sägen gebildet werden, deutlich zu steigern, ohne auf eine gute Bearbeitungsqualität verzichten zu müssen. Ausgehend von einem Bearbeitungswerkzeug der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Beschichtung eine mit Silicium, Bor oder Stickstoff dotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp ² - und sp ³ -hybridisierten Kohlenstoffatomen ist.

Durch eine solche amorphe Kohlenstoffschicht mit einer durch den sp ² - hybridisierten Kohlenstoffanteil bestimmten graphitartigen Struktur und einer durch den sp ³ -hybridisierten Kohlenstoffanteil bestimmten diamantartigen Struktur wird einerseits die Gleitfähigkeit und anderseits die Verschleißfestigkeit der Beschichtung verbessert, was vorteilhafte Voraussetzungen für eine erhebliche Steigerung der Standfestigkeit hochbelasteter Bearbeitungswerkzeuge mit sich bringt, zumal die Beschichtung auf einer Kohlenstoffbasis für eine gute Wärmeleitfähigkeit sorgt, die ebenfalls zur Verbesserung der Standzeit beiträgt. Durch die verringerte Reibung zwischen dem Träger der Schneidsegmente und dem zu bearbeitenden Werkstück innerhalb der Bearbeitungsfuge, die sich aufgrund des Überstands der Schneidsegmente gegenüber dem Träger mit von den Schneidsegmenten abgetragenem Material füllt, ergibt sich ein verminderter Leistungsbedarf, sodass bei gleichbleibender Antriebsleistung die Abtragsleistung entsprechend gesteigert werden kann. Die durch die sp ³ - Hybridisierung der Kohlenstoffatome bedingte abrasive Wirkung der Beschichtung eröffnet in Verbindung mit der günstigeren Wärmebelastung des Trägers die Möglichkeit, den Träger ohne Gefahr einer Überlastung geringer zu dimensionieren.

In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die eine zum Teil abrasive Wirkung mit sich bringende Beschichtung des Trägers für eine zusätzliche Zerkleinerung des sich in der Bearbeitungsfuge zwischen dem Werkstück und dem Träger sammelnden Materials sorgt, sodass die Reibung zwischen diesem Material und dem Träger und damit dessen Wärmebelastung zusätzlich herabgesetzt wird. Die erreichbare Wirkung hängt daher unter anderem auch von der Größe der durch den Träger gebildeten Reibfläche ab. Je größer diese Reibfläche zwischen dem Träger und dem Material in der Bearbeitungsfuge ist, umso größer ist der Einfluss der Beschichtung. Aus diesem Grund ergeben sich bevorzugte Anwendungen auf dem Gebiet der Sägeblätter und der Bohrkronen.

Durch die Dotierung der amorphen Kohlenstoffschicht mit Silicium, Bor und Stickstoff, vorzugsweise in einer Größenordnung von 10 bis 20 Gew.% des Kohlenstoffgehalts, können die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die bevorzugte Modifizierung mit Silicium erlaubt eine weitgehende Anpassung an übliche Anforderungen, weil dadurch die sp ³ -Hybridisierung stabilisiert und das Temperaturverhalten verbessert wird. Außerdem ergeben sich Vorteile hinsichtlich des tribologischen Verhaltens der Beschichtung.

Je nach den Anteilen der sp ² -hybridisierten und der sp ³ -hybridisierten Kohlenstoffatome kann auf die Eigenschaften der Beschichtung hinsichtlich des abra- siven Verhaltens und des Schmierverhaltens Einfluss genommen werden. Mit Anteilen an sp ² -hybridisierten Kohlenstoffatomen von 30 bis 65 Gew.%, vorzugsweise von 40 bis 60 Gew.%, und an sp ³ -hybridisierten Kohlenstoffatomen von 20 bis 70 Gew.%, insbesondere 25 bis 40 Gew.%, können günstige Ergebnisse für die meisten Anwendungsfälle sichergestellt werden. Der Kohlenstoffanteil in Form einer sp-Hybridisierung der Kohlenstoffatome soll allerdings 20 Gew.% nicht übersteigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungswerkzeug in Form eines Kreissägeblatts ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht,

Fig. 2 dieses Kreissägeblatt in einem Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungswerkzeug in Form einer Bohrkrone in einem schematischen Längsschnitt. Weg zur Ausführung der Erfindung

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kreissägeblatt weist einen Träger 1 in Form eines Blattkörpers 1 mit zahnartigen Schneidsegmenten 2 auf, die mit Schneidplatten 3 bestückt sind, was aber selbstverständlich nicht zwingend ist. Die Flächen 4 des Trägers 1 sind mit einer Beschichtung 5 aus einem wasser- stoffhaltigen amorphen Kunststoff versehen, die als wesentliches Merkmal Anteile sowohl von sp ² - als auch von sp ³ -hybridisierten Kohlenstoffatomen enthält, um mit den diamantartigen, tetragonalen Strukturen der sp ³ -Hybridorbitalen der Kohlenstoffatome eine dem Verschleiß entgegenwirkende, abrasive Wirkung zu erzielen, während die drei sp ² -Hybridorbitale in einer Ebene liegen und eine graphitartige Struktur des Kohlenstoffs und damit entsprechende Schmiereigenschaften bedingen. Über den Wasserstoffgehalt kann auf die Ausbildung dieser Strukturen Einfluss genommen werden. Der Wasserstoffgehalt beträgt im Allgemeinen 30 bis 40 Atomprozent.

Bevorzugt werden als Beschichtung 5 mit Silicium modifizierter Kunststoff des Typs a-C:H:Si eingesetzt. Der Anteil der sp ² -hybridisierten Kohlenstoffatome beträgt dabei vorzugsweise zwischen 40 und 60 Gew.%, der Anteil der sp ³ - hybridisierten Kohlenstoffatome 35 bis 40 Gew.%, wobei der Anteil der sp- hybridisierten Kohlenstoffatome kleiner als 15 Gew.% bleiben soll. Der Wasserstoffgehalt beträgt für diese Fälle 25 bis 35 Atomprozent. Der Siliciumgehalt wird im Allgemeinen 15 bis 20 Gew.% des Kohlenstoffgehalts betragen. Bei einer solchen Zusammensetzung der amorphen Kohlenstoffschicht ergibt sich eine Vickershärte von 1000 bis 1700 HV 10. Der Reibwert gegenüber Stahl kann mit 0,010 bis 0,012 angegeben werden.

Zum Beschichten des als Blattkörper ausgebildeten Trägers 1 , beispielsweise ein 3 mm dickes Blatt aus HSS-Stahl, wird der Träger 1 zum Auftragen der Beschichtung zunächst bei ca. 500 °C durch ein Sputtern mit einem Gemisch von Stickstoff und Argon annitriert und anschließend in einer Atmosphäre von Ace- tylen, Wasserstoff und Hexamethylsiloxan unter einem Partialdruck von 0,5 mbar solange beschichtet, bis die Schichtdicke etwa 30 μιη beträgt. Mit einem derart beschichteten Träger 1 wird die Schnittleistung beispielsweise im Beton deutlich verbessert, wobei eine Energieeinsparung von etwa 45 % möglich ist. Bei gleichbleibender Schnittleistung kann die Standfestigkeit des Kreissägeblatts um das 2,5-Fache erhöht werden. Damit ergeben sich besondere Vorteile beim Durchtrennen von Betonteilen im kontaminierten Bereich von Kernkraftwerken, zumal die Beschichtung gegen eine ionisierende Strahlung beständig ist.

Dass eine erfindungsgemäße Beschichtung 5 auch bei Bohrkronen vorteilhaft eingesetzt werden kann, geht aus der Fig. 3 hervor, die eine Bohrkrone in einem schematischen Schnitt wiedergibt. Diese Bohrkrone bildet einen topfartigen Träger 6, dessen rohrförmiger Mantel 7 stirnseitig die Schneidsegmente 2 aufweist. Die Schneidsegmente 2 können unterschiedlich ausgebildet werden und vom Träger 6 gebildeten Schneiden oder mit dem Träger 6 verbundene Schneidplatten sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schneidsegmente 2 der mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 5 zu versehenden Bearbeitungswerkzeuge mit Diamanten zu besetzen. Es kommt in jedem Fall darauf an, dass die Schneidsegmente 2 quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger 6 vorstehen, sodass die diesen

Schneidsegmenten 2 gegenüber rückspringenden Flächen 4 mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 5 versehen werden können. Aus dem Ausführungsbeispiel der Bohrkrone wird unmittelbar ersichtlich, dass die innere und die äußere Fläche 4 des Mantels 7 erheblichen Reibangriffen durch das abgetragene Material des bearbeiteten Werkstücks ausgesetzt sind, sodass die erfindungsgemäße Beschichtung 5 dieser Flächen 4 eine merkliche Verbesserung hinsichtlich des Verschleißes und der Wärmebelastung des Trägers 6 mit sich bringt.