Beschichtung eines Körpers mit Diamantschicht und Hartstoffschicht

Die Erfindung betrifft einen beschichteten Körper und ein Verfahren zur Beschichtung eines Körpers.

Es ist bekannt, Körper oder Teile von Körpern mit einer Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Eigenschaften zu versehen. Insbesondere für Werkzeuge und für Bauteile, die einem Verschleiß unterliegen, ist es bekannt, Funktionsflächen mit Beschichtungen zu versehen.

Verschleißschutz kann beispielsweise durch auf Funktionsflächen aufgebrachte Körper erzielt werden. Bekannt ist z.B. die Verwendung von Sinterkörpern aus polykristallinem Diamant (PKD, auch bezeichnet als PCD). Beispielsweise offenbart die US 5 833 02i_ein Schneidelement für einen Erdbohrer, bei dem auf einem zylindrischen Hartmetall- Körper ein PKD-Element auf der Schneidfläche aufgesintert ist. Zur Verlängerung der Lebensdauer ist zudem eine Hartstoffschicht auf die PKD-Oberfläche aufgebracht. Als Beschichtungsmaterialien sind TiN, TiC, TiCN, TiAlCN, TiAlN, B ₄ C, CrN, CrC, ZrC oder eines der Übergangsmetalle oder Metalle der Gruppe IV kombiniert mit Silizium, Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff zur Bildung eines Silicids, Aluminids, Borids, Karbids, Nitrids, Oxids oder Carbonitrids eines Metalls genannt. Die PCD-Oberfläche kann vorbehandelt werden durch selektives Ätzen oder durch Behand- lung mit reaktivem Metall, bspw. mittels Laser sputtering, Ionenbeschuss oder Plasmaätzen. Die Schicht kann mittels CVD, MOCVD, PVD, sputtering aufgebracht werden. Im Fall eines großen Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Beschichtung und der PCD-Schicht können Zwischenschichten vorgesehen sein, um eine allmähliche Änderung des Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen.

Die DE 10 2010 006 267 Aijbeschreibt ein Verfahren sowie ein Schichtsystem für Werkzeuge mit PKD-Körpern, d.h. synthetisch hergestellten, extrem fest zusammengefügten Massen von Diamantkristallen, die durch einen Sinterprozess mit einem metallischen Bindermaterial hergestellt sind. Ein PKD-Grundkörper ist im Allgemeinen auf einem Hartmetall-Substrat aufgebracht. Die PKD-Oberfläche wird durch hoch energetische und gepulste Metallionen-Strahlen aktiviert und durch Metallionenätzen vorbehandelt. Eine reaktiv wirkende, Karbid bildende metallische Grundlage z. B. Cr, Ti wird aufgebracht, darauf eine Haftvermittlerlage, darauf eine Hartstoff-Decklage, z. B. TiAlN. Jeweils eine Übergangsschicht ist zwischen den einzelnen Schichtlagen angeordnet.

Zur Bildung von dünnen Beschichtungen sind einerseits CVD-Verfahren bekannt, d. h. Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung, bei denen auf der Oberfläche eines Substrats ein Feststoff aus der Gasphase abgeschieden wird. Mittels CVD-Verfahren können verschiedene Schichten und Schichtsysteme auf der Oberfläche eines Substrats erzeugt werden. Eine besondere Rolle spielen dabei synthetische Diamantschichten, die aus einer Atmosphäre mit Kohlenstoff und Wasserstoff abgeschieden werden.

Diamantschichten können insbesondere für die Verwendung auf Funktionsflächen von verschleißbehafteten Bauteilen und Werkzeugen von erheblichem Vorteil sein. Sie sind chemisch weitgehend inert und weisen außerordentlich hohe Härte auf. Allerdings zeigen sich bspw. bei Werkzeugen mit diamantbeschichteter Funktionsfläche in einigen Fällen auch Probleme. Bei hohen Temperaturen kann es zu einer Oxidation der Schicht kommen. Bei der Bearbeitung bspw. von eisenhaltigen Gusswerkstoffen kann chemischer Verschleiß auftreten.

Eine andere Klasse von Beschichtungen wird durch PVD-Beschichtungsverfahren und die hiermit abgeschiedenen Schichten gebildet. Es sind verschiedene PVD-Verfahren, insbesondere Lichtbogenverdampfen und Sputtern bekannt, mit denen insbesondere Hartstoff- schichten auf einem Substrat abgeschieden werden können.

Die US 5 543 2io_offenbart ein Schneidwerkzeug mit einem Hartmetall- oder Keramikkörper und einer Diamantschicht sowie einer Schicht aus Chromnitrid, Chromcarbid oder Chromcarbonitrid. Die Diamantschicht kann in direkten Kontakt mit dem be- schichteten Körper stehen oder davon getrennt sein durch eine Schicht aus metallischem oder abriebfestem Material. Die Dicke der Diamantschicht beträgt 1 bis 20 μιη, bevorzugt 4 bis 15 μιη und die Dicke der chromhaltigen Schicht 0,1 bis 5 μιη. Die Korngröße der Diamantschicht liegt bevorzugt bei 3 bis 10 μιη. Die Diamantschicht kann mit einem bekannten CVD oder PVD-Beschichtungsverfahren erzeugt werden. Die chromhaltige Schicht kann durch jedes bekannte CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht werden, bevorzugt durch Ion Plating.

Die JP 2003 - 145 309_offenbart ein diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug mit einem Grundkörper aus Hartmetall. In einer Mikrowellen-CVD-Anlage wird eine Diamantschicht von ca. 20 μιη aufgebracht. Eine TiN-Schicht von 0,3 μιη Dicke wird mittels Are Ion Plating aufgebracht und eine TiAlN-Schicht einer Dicke von etwa 4 μιη wird weiter aufgebracht. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen beschichteten Körper und ein Verfahren zur Beschich- tung eines Körpers anzugeben, die insbesondere für Werkzeuge und verschleißbehaftete Bauteile günstige Eigenschaften aufweisen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen beschichteten Körper gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 27. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Körper umfasst ein Substrat, mindestens eine Diamantschicht und mindestens eine Hartstoffschicht. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Beschichtung des Körpers vorgenommen werden, indem zunächst eine Diamantschicht mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht und anschließend oberhalb der Diamantschicht eine Hartstoff Schicht mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird.

Bei den Substraten handelt es sich bevorzugt um Grundkörper eines Werkzeugs oder eines verschleißbehafteten Bauteils, bspw. eines Lagerbauteils. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Schneidwerkzeug, insbesondere mit bestimmter Schneide. Der Werkstoff des Substrats kann bspw. Stahl, z. B. HSS-Stahl, gesintertes Hartmetall, gesintertes Bornitrid, gesintertes Diamant-Material, Cermet oder Keramik sein. Bevorzugt ist die Verwendung von Substraten aus Hartmetall mit gesinterten Wolframkarbid-Körnern in einem cobalthaltigen Matrixmaterial.

Der erfindungsgemäße Körper weist weiter eine Diamantschicht auf, d.h. eine Schicht, die zu mindestens 75% des Schichtvolumens aus Diamantkristallen besteht, bevorzugt zu mindestens 90%, besonders bevorzugt zu mindestens 95%. Die Schicht ist mindestens auf einen Teil der Oberfläche des Körpers aufgebracht, insbesondere auf einer Funktionsfläche eines Werkzeugs. Bevorzugt ist die Diamantschicht mindestens auf der Funktionsfläche geschlossen. Die Diamantschicht kann bspw. direkt auf dem oben genannten Substratmate- rial angeordnet sein, oder es können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Substratmaterial und der Diamantschicht angeordnet sein. Insbesondere bei Substraten aus Stahl ist eine Zwischenschicht bevorzugt. Bei Hartmetall-Substraten können Substratbestandteile, die für die Schichthaftung ungünstig sind, wie bspw. Cobalt, bspw. durch eine chemische Vorbehandlung ganz oder teilweise entfernt werden. Im Fall einer Zwischen- schicht kann eine solche chemische Vorbehandlung entfallen.

Die Diamantschicht kann in einem CVD-Verfahren abgeschieden werden, besonders bevorzugt im Hot-Filament-Verfahren. Sie weist bei dem erfindungsgemäßen beschichteten Körper eine Dicke von 1 - 40 μιη auf, bevorzugt 2 - 20 μιη.

Oberhalb der Diamantschicht, d. h. weiter außen am Körper als diese, ist erfindungsgemäß eine Hartstoffschicht angeordnet. Darunter werden Schichten aus Materialien von besonders hoher Härte verstanden, bspw. mit Boriden, Carbiden und Nitriden von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend AI, Si und Metalle der Gruppen 4-6 des Periodensys- tems nach IUPAC (2013). Zu den Hartstoffen werden hier auch undotiertes oder metalldotiertes DLC, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid (c-BN) und Borcarbid (B ₄ C) gezählt.

Zwischen der Hartstoff schicht und der Diamantschicht können eine oder mehrere dazwischen angeordnete Schichten vorgesehen sein. linsbesondere ist bei dem erfindungsgemä- ßen beschichteten Körper eine Haftschicht einer Dicke von 2 - 80 nm vorgesehen, um die Haftung der Hartstoffschicht auf der Diamantschicht zu verbessern.

Die Hartstoff schicht weist erfindungsgemäß mindestens ein metallisches Element und mindestens ein nichtmetallisches Element auf. Sie kann insbesondere zusammengesetzt sein aus einem oder mehreren metallischen Element und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen. Bevorzugt sind dabei Zusammensetzungen, bei denen das metallische Element oder die metallischen Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend AI, Si und Elemente der Gruppen 4-6 des Periodensystems nach IUPAC (1988). Besonders bevorzugt ist als metallisches Element Ti enthalten. Die nichtmetallischen Elemente können bspw. ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend B, C, N und O, bevorzugt aus der Gruppe umfassend C und N, besonders bevorzugt ist N als einziges nichtmetallisches Element vorgesehen. Die Hartstoff schicht kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein, wobei sich verschiedene übereinander angeordnete Lagen durch die Zusammensetzung und/ oder Struktur voneinander unterscheiden können.

In den nachfolgenden Darstellungen werden die Zusammensetzungen von Schichten entweder direkt als chemische Verbindungen bzw. Phase oder als Materialsysteme genannt. Materialsysteme werden dabei bezeichnet durch Auflistung der darin enthaltenen Elemente, jeweils durch einen Bindestrich voneinander getrennt, wobei zunächst die metallischen Elemente und danach die nichtmetallischen Elemente angegeben sind. Dabei werden bevorzugt jeweils nacheinander die metallischen und nichtmetallischen Elemente in der Reihenfolge entsprechend ihrem Anteil (in Atomprozent) genannt. Die Angabe des Materialsystems kann dabei der chemischen Verbindung entsprechen, dies ist aber nicht in allen Fällen so. Beispielsweise wird das Materialsystem Ti-C die Hartstoffverbindung TiC enthalten oder vollständig hieraus bestehen, während das Materialsystem Ti-B die Hartstoffverbindung TiB ₂ umfasst oder hieraus besteht und das Materialsystem Cr-C bspw. eine Mi- schung aus den Hartstoffverbindungen C^Ce, Cr ₇ C ₃ und bevorzugt Cr ₃ C ₂ sein kann.

Die gesamte Hartstoffschicht oder mindestens eine der Lagen kann bevorzugt bestehen aus einem Materialsystem ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti-Al-N, Ti-N, Ti-C-N, Ti-Al- C-N, Ti-Al-Si-N, Ti-Si-N, Al-Cr-N, Al-Cr-Si-N, Ti-Ta-N, Ti-B. Es kann auch eine oder mehre- re Lagen der Hartstoff schicht aus DLC ohne oder bevorzugt mit einer Metalldotierung bestehen. Die Hartstoffschicht beinhaltet bevorzugt einen hohen Anteil an in dem jeweiligen Materialsystem gebildeten Hartstoffverbindungen, bspw. Metallnitride oder Metallcarbide.

Die Dicke einzelner Lagen liegt bspw. im Nanometerbereich, bevorzugt bei 0,5 - 30 nm, weiter bevorzugt bei 0,5 - 15 nm, besonders bevorzugt bei 0,5 - 5 nm. In einer Ausführungsform weist die Hartstoff schicht eine Nano-Multilayerstruktur auf, d.h. sie besteht vollständig aus Einzellagen, die jeweils eine Dicke im oben angegebenen Bereich aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Dicke von allen oder einzelnen Lagen auch im Mikrometerbereich liegen. So kann bspw. eine 1-2 μιη dicke Schicht aus Ti-Al-N durch eine darüber liegende Schicht einer Dicke von 1-2 μηι aus Ti-Si-N gut vor Oxidation geschützt werden.

Bei der bevorzugten Erzeugung der Hartstoff Schicht im PVD-Verfahren ergibt sich eine Schicht, die im Gegensatz zu einer durch ein CVD-Verfahren hergestellten Schicht Druckspannungen aufweist und frei ist von Verunreinigungen durch Halogene. Besonders bevorzugt ist eine in einem Sputter- Verfahren erzeugte Hartstoffschicht, die im Gegensatz zu mit einem Verfahren der Lichtbogenverdampfung (Are) hergestellten Schicht frei von Droplets ist.

Die Gesamtdicke der Hartstoffschicht liegt bevorzugt im Mikrometerbereich. Bevorzugt ist die Schichtdicke der Hartstoff Schicht geringer als die Schichtdicke der Diamantschicht, bspw. mindestens 20 % geringer, bevorzugt mindestens 40%, besonders bevorzugt mindestens 60% geringer. Bevorzugt kann die Gesamtdicke der Hartstoff Schicht 1 - 12 μιη betra- gen, weiter bevorzugt 2 - 6 μιη.

Die erfindungsgemäße Schichtstruktur mit einer Hartstoffschicht oberhalb einer Diamantschicht kann erhebliche Vorteile, insbesondere bei der Verwendung als Werkzeug bringen. Oxidationsbeständige Hartstoff schichten, wie bspw. Ti-Al-N, Ti-Al-Cr-N, Cr-N und AI2O ₃ können bspw. beim Einsatz des Körpers als Werkzeug einen Kontakt der Diamantschicht mit Sauerstoff vermindern oder unterbinden, so dass auch bei höheren Temperaturen eine Oxidation der Diamantschicht verringert oder vollständig vermieden wird. Auch eine Dotierung der Hartstoff Schicht oder einer oder mehrerer Lagen hiervon mit Si kann die Oxidationsbeständigkeit verbessern. Beispiele solcher Schichten wären Ti-Si-N, Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N oder Multilayer-Strukturen mit bspw. abwechselnden Lagen aus Ti-Al-N und Ti- Si-N. Ähnliche Vorteile ergeben sich auch beim Einsatz eines Werkzeugs mit der erfindungsgemäßen Struktur für die Bearbeitung von Werkstoffen, die Fe, Co und/oder Ni enthalten, wie insbesondere Stahl und eisenhaltige Gusswerkstoffe. Die erfindungsgemäß oberhalb der Diamantschicht vorgesehene Hartstoff Schicht, insbesondere wenn diese als Nitrid, Carbid oder Carbonitrid ausgebildet ist, bspw. als Ti-Al-N oder Al-Ti-Cr-N kann hier die Diamantschicht vor chemischem Verschleiß mindestens zum Teil schützen.

Generell ist der Schichtaufbau aus einer Diamantschicht und weiter außen angeordneten Hartstoff Schicht günstig, weil die Diamantschicht mit ihrer außerordentlich hohen Härte und dem hohen Elastizitätsmodul einen äußerst stabilen und harten Unterbau für die darüber aufgebrachte Hartstoff Schicht bildet. Einem„Eierschaleneffekt", d. h. ein Durchbrechen der PVD-Schicht bei starken mechanischen Belastungen kann hiermit entgegengewirkt werden.

Es ist auch möglich, dass der Unterbau in Form der Diamantschicht die thermische Belastung der PVD-Schicht und des Substrats reduziert, bspw. beim Einsatz als Zerspanungswerkzeug. Hierdurch kann die Lebensdauer der PVD-Schicht erhöht und eine plastische Verformung des Substrats sowie ein Schneidkantenversatz vermindert oder vermieden werden. Eine Reduktion der thermischen Belastung kann durch die gute Wärmeleitung der Diamantschicht erreicht werden. Diese kann Werte bis hin zur außerordentlich hohen Wärmeleitfähigkeit des natürlichen Diamanten von 2100 W/Km erreichen. Je nach Schichtstruktur der Diamantschicht, die, wie nachfolgend näher erläutert wird, aus mehreren Lagen von Diamant verschiedener Struktur aufgebaut sein kann, können sich aber auch geringere Werte für die thermische Leitfähigkeit ergeben. Dabei nimmt die Leitfähigkeit durch Korngrenzen der einzelnen Diamantkristalle ab. Insbesondere im Fall von na- nokristallinen Diamantschichten oder -lagen ergeben sich durch die Vielzahl an Korngrenzen geringere Wärmeleitfähigkeiten, die aber immer noch einen günstigen Einfluss auf die thermischen Verhältnisse in der Hartstoff Schicht haben können. Bevorzugt wird in der Diamantschicht eine gemittelte Wärmeleitfähigkeit von mehr als 120 W/Km erzielt, bevorzugt höher als 200 W/Km, besonders bevorzugt höher als 500 W/Km. Die Wärmeleitfähigkeiten erweisen sich dabei als deutlich temperaturabhängig; die angegebenen Werte sind als Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur zu verstehen. Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus können sich hinsichtlich der Rauheit ergeben. Eine Rauheit der Oberfläche der Diamantschicht ist in vielen Fällen schon deshalb nicht vermeidbar, weil im Bereich des Interface zwischen dem Substrat und der Diamantschicht eine gewisse Rauheit benötigt wird, die zur Verklammerung führt und eine bessere Haftung ermöglicht. Eine große Rauheit der äußeren Oberfläche der Diamantschicht kann allerdings zu erhöhter Reibung und schlechter Oberflächengüte von bearbeiteten Werkstücken führen. Durch die Hartstoffschicht kann eine verringerte Rauheit direkt nach der Herstellung oder zumindest im Einsatz erzielt werden, wenn die Hartstoffschicht die Rauheit der Diamantschicht ausgleicht. Im Einsatz ist günstig, dass Hartstoffschichten, die weniger hart sind als Diamant, an eventuell bestehenden Rauheitsspitzen der Diamant- schicht schneller verschleißen, hingegen in Rauheitstälern eher erhalten bleiben. Somit kann die Hartstoff Schicht eine Nivellierung der Oberfläche der Diamantschicht bewirken.

Eine verringerte Rauheit der Oberfläche hat insbesondere für die Funktionsfläche von Werkzeugen eine Bedeutung. Bei der spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen durch Werkzeuge, bspw. Bohrer, Fräser, etc., wird durch eine glattere Oberfläche die Geräuschentwicklung stark reduziert. So kann es bspw. bei der Bearbeitung von Faserwerkstoffen mittels eines Bohrers mit rauher, diamantbeschichteter Schneide zu Geräuschbildung in Form lauten Quietschens kommen. Bei einem erfindungsgemäßen Bohrer mit einer äußeren Hartstoff schicht kann die Geräuschentwicklung deutlich reduziert werden.

Für die Nivellierung eventueller Rauheiten der Diamantschicht kann es bevorzugt sein, wenn die Dicke der Hartstoff schicht gewählt wird in Abhängigkeit von der Rauheit der Diamantschicht, gemessen in Form der gemittelten Rautiefe Rz. Bspw. kann die Dicke der Hartstoff schicht gewählt werden zwischen der Hälfte der Rauheit Rz der Diamantschicht und dem Doppelten der Rauheit Rz der Diamantschicht.

Die Eigenschaften der äußeren Oberfläche des hergestellten Körpers können auch verbessert werden durch eher weiche Hartstoff schichten, bspw. aus Materialien wie metalldotiertem DLC oder Schmierschichten wie M0S2, die die Gleiteigenschaften verbessern und Rauheitstäler auffüllen können, die dann als Reservoir für eine Schmierschicht wirken. Entsprechende Werkzeuge sind insbesondere für die Trockenbearbeitung vorteilhaft. In Fällen, in denen die thermische Stabilität der genannten Schmierschichten nicht ausreicht, sind Schichtmaterialien wie Ti-C-N oder Ti-Al-C-N besser geeignet.

Ein weiterer möglicher Vorteil der Kombination der verschiedenen Schichten kann durch die unterschiedlichen Schichtspannungen erzielt werden. Generell weisen Diamantschichten, die mit CVD-Verfahren auf Werkzeugsubstraten erzeugt werden, Druckspannungen auf, die vorwiegend aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Diamantmaterials und des Substratmaterials resultieren. Hartstoff schichten, die durch PVD- Verfahren, insbesondere Sputter- Verfahren erzielt werden, weisen ebenfalls Druckspannungen auf, die durch das Ionenbombardement beim Aufbringen der Beschichtungen entstehen. Bei geeigneter Wahl der Beschichtungstemperaturen und aufeinander abgestimmten Materialien sowie Dicken können Konstellationen erreicht werden, bei denen durch die Hartstoff Schicht die resultierenden Spannungen in der Diamantschicht reduziert werden können. Das erfindungsgemäße Schichtsystem aus zwei sehr unterschiedlichen Schichten kann zudem vorteilhaft zur Verschleißerkennung eingesetzt werden. Insbesondere helle und farbintensive Hartstoff schichten, bspw. Ti-N oder Cr-N, können sich beim Einsatz als Werkzeug deutlich von dem meist dunklen und im Verschleißfall teilweise graphitisierten Diamantmaterial abheben und dessen Verschleiß so gut sichtbar machen.

Erfindungsgemäß ausgebildete Werkzeuge können insbesondere zum Schneiden und Zerspanen eingesetzt werden. Besondere Vorteile ergeben sich beim Zerspanen z.B. von Verbundstoffen, bevorzugt von faserverstärkten Verbundstoffen, wo besonders Schichten aus Ti-Si-N, Ti-B und Mehrlagenschichten mit Lagen aus Ti-Al-N und Ti-Si-N von Vorteil sind. Auch beim Schneiden, bevorzugt Zerspanen von Aluminium-Silizium-Legierungen erweisen sich Werkzeuge mit dem erfindungsgemäßen Aufbau als günstig, insbesondere wenn sie Ti-B als Schicht enthalten. Weitere Anwendungen sind bspw. Schneidwerkzeuge zum Zerspanen von Stahl oder eisenhaltiger Gusslegierung oder Schneidwerkzeuge zur Trockenzerspanung.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Diamantschicht mindestens eine Lage aufweisen, die mindestens überwiegend, d. h. zu mehr als 50% des Schichtvolumens, bevorzugt zu mehr als 80% des Schichtvolumens, aus nanokristallinem Diamant einer Korngröße von 100 nm oder weniger besteht. Die Diamantschicht kann bspw. vollständig aus einer Lage nanokristallinen Diamants bestehen, oder es können mehrere Lagen aus Diamant vorgesehen sein, wobei sich das Material der Lagen bspw. hinsichtlich der Korngröße und/oder des Volumenanteils von Diamantkristallen am Schichtvolumen unterscheidet. Nanokristalliner Diamant einer Korngröße von 100 nm oder weniger, bevorzugt weniger als 50 nm und besonders bevorzugt weniger als 10 nm kann sehr glatte Schichten bilden. Ein Verfahren zur Erzeugung von nanokristallinen Diamantschichten durch einen Wechsel zwischen verschiedenen Betriebszuständen in einem CVD-Verfahren ist bspw. angegeben in der WO 2004/083484 Ai. Der Inhalt dieser Druckschrift im Hinblick auf das Herstellungs- verfahren und die erzielten Schichten wird hier ausdrücklich mit einbezogen.

Die Diamantschicht kann auch mindestens eine Lage aufweisen, die zumindest überwiegend aus Diamant einer Korngröße von mehr als 100 nm besteht. Eine derartige Diamantschicht bzw. Lage innerhalb einer mehrlagigen Diamantschicht wird - in Abgrenzung von na- nokristallinem Diamant - hier vereinfachend als mikrokristalliner Diamant bezeichnet. Bevorzugt weist eine derartige Diamantschicht bzw. Diamantlage aus mikrokristallinem Diamant eine Korngröße von mehr als 500 nm auf, weiter bevorzugt eine Korngröße von einem Mikrometer oder mehr.

Besonders bevorzugt sind mehrlagige Diamantschichten, insbesondere solche, die sowohl mindestens eine Lage überwiegend aus nanokristallinem Diamant und eine Lage überwiegend aus mikrokristallinem Diamant umfassen. In diesem Fall unterscheiden sich die beiden Lagen sowohl hinsichtlich der Korngröße als auch hinsichtlich des Volumenanteils an Diamantkristallen. Denn bei geringerer Korngröße, und besonders bei nanokristallinem Diamant, ergibt sich gesehen auf den Volumenanteil ein erhöhter Anteil der Korngrenzen. Daher enthält eine vollständig aus nanokristallinem Diamant bestehende Schicht einen höheren Kohlenstoffanteil, der nicht in sp3-Bindung vorliegt. Nanokristalline Schichten weisen zudem eine geringere Rauheit auf, während mikrokristalline Schichten über eine bessere Wärmeleitfähigkeit verfügen. Eine Multilayer-Schicht mit Lagen in nanokristalliner Struktur und Lagen in mikrokristalliner Struktur führt zu einer geringeren Rissausbreitung.

Es sind mehrlagige Diamantschichten bevorzugt, die bspw. 2 - 12 Lagen umfassen. Mehrlagige Diamantschichten, bei denen sich die Lagen durch verschiedene Parameter wie die Korngröße und dem Diamantanteil voneinander unterscheiden, sind offenbart in der WO 00/60137 der Anmelderin. Die dort offenbarten Herstellungsverfahren und hiermit erzielten Schichtstrukturen werden vorliegend ausdrücklich mit einbezogen. Bei der mehrlagigen Diamantschicht kann eine Lage, bevorzugt jede Einzellage innerhalb der Diamantschicht eine Dicke von bspw. 1-5 μιη aufweisen. Bevorzugt sind mehrlagige Strukturen, bei denen jede Lage eine Dicke im Bereich von 0,25- 2,5 μιη aufweist. Besonders bevorzugt sind Strukturen mit sehr dünnen Lagen im Bereich von 0,5- 1,5 μιη. Innerhalb einer mehrlagigen Diamantschicht können verschiedenste Folgen von Lagen gebildet werden. Bevorzugt ist eine Struktur, bei der zwei Arten von Lagen mehrfach aufeinander folgend abwechselnd angeordnet sind, also bspw. ein erster Typ einer Lage A überwiegend aus nanokristallinem Diamant und ein zweiter Typ einer Lage B aus mikrokristalli- nem Diamant in einer abwechselnden Struktur der Form A B A B... .

In einer Schichtstruktur der Diamantschicht mit verschiedenen Lagen ist es bevorzugt, dass die jeweils äußerste Lage der Diamantschicht überwiegend aus nanokristallinem Diamant besteht. Hierdurch wird eine besonders glatte Schichtoberfläche erzielt. Hingegen ist es bevorzugt, dass die innerste Lage der Diamantschicht, die in Kontakt steht mit dem Substrat oder der Zwischenschicht, zumindest überwiegend aus mikrokristallinem Diamant besteht. Für eine mikrokristalline Lage der Diamantschicht hat sich eine bessere Haftung gezeigt. Insbesondere ist bevorzugt, dass die innerste Lage der Diamantschicht eine Dicke von 3 μιη oder weniger aufweist, besonders bevorzugt noch geringer, bspw. 2 μιη oder weniger, oder sogar 1,2 μιη oder weniger.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Diamantschicht elektrisch nichtleitend. Dies ist der Fall für eine undotierte Diamantschicht oder für sehr geringe Dotierung, bspw. mit weniger als 0,05 at- Bor.

Die Hartstoff schicht kann direkt auf der Diamantschicht abgeschieden werden, bevorzugt in einem PVD-Verfahren, besonders bevorzugt per Magnetronsputtern.

Neben der bei dem erfindungsgemäßen beschichteten Körper vorgesehenen Haftschicht kann zwischen der Diamantschicht und der Hartstoffschicht auch eine Übergangsschicht vorgesehen sein. Die Haftschicht oder die Übergangsschicht können dabei direkt mit der Diamantschicht und/oder der Hartstoffschicht in Kontakt stehen, unterscheiden sich aber in ihrer Struktur und/oder Zusammensetzung von der Hartstoff schicht und/oder der Diamantschicht. Insbesondere kann die Haftschicht einen geringeren Anteil an Hartstoffver- bindungen aufweisen als die Übergangsschicht und/oder als die Hartstoffschicht.

Eine Haftschicht, die Kohlenstoff und mindestens ein metallisches Element umfasst, ist bei dem erfindungsgemäßen beschichteten Körper zwischen der Diamantschicht und der Hartstoff schicht vorgesehen. Insbesondere kann die Haftschicht unmittelbar an die Dia- mantschicht angrenzen. Es können ein oder mehrere metallische Elemente in der Haftschicht vorgesehen sein, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti und Cr. Mindestens ein metallisches Element der Haftschicht kann bevorzugt auch ein Element der Hartstoff schicht oder der Übergangsschicht sein.

Die Haftschicht ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet durch Implantation von Metallatomen in einer äußeren Zone der Diamantschicht. Dies erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch ein HIPIMS-Ätzverfahren, bei dem Metallionen in die Oberfläche der Diamantschicht implantiert werden.

Die Haftschicht kann bspw. mindestens die Elemente Ti und C aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Haftschicht, die Ti, Cr oder beide Elemente enthält und direkt auf der Diamantschicht gebildet ist. Dabei ist bevorzugt, dass die Haftschicht überwiegend, d.h. zu mehr als 50 at- , bevorzugt mehr als 90 at- Ti und C aufweist, besonders bevorzugt aus Ti und C besteht. Dabei ist weiter bevorzugt, dass die Haftschicht die Hartstoffverbindung TiC enthält.

Die Haftschicht weist bei dem erfindungsgemäßen beschichteten Körper eine Dicke von 2 - 80 nm auf, bevorzugt 5 - 40 nm. Es ist bevorzugt, dass die Konzentration mindestens eines metallischen Elements, bevorzugt aller metallischen Elemente in der Haftschicht einen mit dem Abstand vom Substrat ansteigenden Gradienten aufweisen, also der Metallanteil nach Außen hin zunimmt. Beispielsweise sind Haftschichten bevorzugt, bei denen die Konzentration von Ti und/ oder Cr einen mit dem Abstand vom Substrat ansteigenden Gradienten aufweist, also bei denen unmittelbar in Kontakt mit der Diamantschicht zunächst eine im Vergleich geringere Konzentration von Ti und/oder Cr vorhanden ist, die dann bevorzugt stetig ansteigt. So wird ein guter Übergang zwischen der Diamantschicht und der Hartstoffschicht oder der Übergangsschicht geschaffen, insbesondere im Fall einer Hartstoffschicht oder Übergangsschicht, die ihrerseits Ti und/oder Cr als Bestandteile aufweist. Durch eine Haftschicht kann eine gute Verankerung in der Diamantschicht erreicht werden. So wird der Übergang zur Hartstoff schicht oder einer Übergangsschicht verbessert. Zudem wird die Diamantschicht durch das Einbringen von metallischen Elementen leitfähig, so dass nachfolgende Sputterverfahren problemlos angewendet werden können. Die Außenseite der Haftschicht wird bevorzugt überwiegend durch eine Hartstoffverbindung gebildet, bspw. TiC oder Cr ₃ C ₂ .

Eine Übergangsschicht zwischen der Diamantschicht und der Hartstoff Schicht, oder zwischen der Haftschicht und der Hartstoff Schicht kann bspw. mindestens ein metallisches Element und ein nichtmetallisches Element enthalten. Dabei unterscheidet sich die Übergangsschicht bevorzugt in der Zusammensetzung von der Hartstoffschicht.

Die Übergangsschicht kann bspw. mindestens eines, bevorzugt mehrere der Elemente Si, V, W, Ti, Cr, C oder N enthalten. Bevorzugt enthält sie C und/oder N als nichtmetallische Elemente und Ti und/oder Cr als metallische Elemente. Besonders bevorzugt ist eine Übergangsschicht, die Ti als eines der metallischen Elemente oder als einziges metallisches Element enthält.

Bspw. kann die Übergangsschicht Ti-N, Ti-C, Ti-C-N, Cr-C, Cr-C-N oder Cr-N enthalten bzw. überwiegend oder vollständig hieraus bestehen. Besonders bevorzugt ist Ti-C. Diese Materialsysteme haben sich als besonders geeignet erwiesen, um einen guten Übergang von der Diamantschicht oder Haftschicht zur Hartstoff Schicht zu erreichen. Die Übergangsschicht besteht bevorzugt überwiegend aus Hartstoffverbindungen, bevorzugt zu über 70 vol-%, besonders bevorzugt zu über 90 vol-%. Dabei ist bevorzugt der Anteil von Hartstoff- Verbindungen in der Übergangsschicht höher als in der Haftschicht.

Eine Übergangsschicht kann bspw. eine Dicke von 0,1 - 2 μιη, bevorzugt von 0,5 - 1,5 μιη aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Dicke der Übergangsschicht oder der Haftschicht, oder der Summe der Dicken von Haft- und Übergangsschicht in Abhängigkeit von der Rauheit der Diamantschicht gewählt werden. Bevorzugt kann diese Dicke kleiner sein als der Wert der Oberflächenrauheit Rz der Diamantschicht. So können Scherebenen in den Schichten insbesondere während des Einsatzes als Werkzeug, bspw. zur Zerspanung, vermieden werden.

Die Struktur und Zusammensetzung der Übergangsschicht kann über die Dicke konstant und homogen sein. Es ist aber bevorzugt, dass die Zusammensetzung über die Dicke variiert. Bevorzugt kann die Konzentration von nichtmetallischen Elementen in der Übergangs- schicht variieren. Dabei ist es bevorzugt, dass näher an der Diamantschicht die Konzentration von Kohlenstoff höher ist, während näher an der Hartstoffschicht die Konzentration von Nichtmetallelementen der Hartstoffschicht höher ist. Ferner kann die Konzentration von nichtmetallischen Elementen in der Übergangsschicht so variieren, dass sie sich über einen Teil der Dicke oder über die gesamte Schichtdicke der Übergangssicht kontinuierlich verändert, indem sich bspw. zwischen einer TiC-Lage und einer TiN-Lage eine gradierte TiCN- Lage befindet.

Die Übergangsschicht kann mindestens eine Lage aufweisen, die Kohlenstoff, Stickstoff und mindestens ein metallisches Element umfasst. Insbesondere kann die Übergangsschicht eine erste Lage mit Kohlenstoff, Stickstoff und einem oder mehreren metallischen Elementen und eine weiter vom Substrat entfernte zweite Lage aus einem Nitrid des oder der metallischen Elemente umfassen. Dabei sind Übergangsschichten bevorzugt, die Ti als einziges metallisches Element aufweisen (bspw. Ti-C, bevorzugt Ti-C-N oder Ti-N), oder die Cr als einziges metallisches Element aufweisen (bspw. Chromcarbid, insbesondere Cr ₂ C ₃ , Cr- C-N oder Cr-N), oder die sowohl Ti als auch Cr als metallische Elemente aufweisen.

Bevorzugt kann eine Haftschicht gebildet sein durch in die Diamantschicht im äußeren Bereich implantierte und/oder eindiffundierte Atome von einem oder mehreren metalli- sehen Elementen der Hartstoffschicht oder Übergangsschicht, bspw. von mindestens einem der Elemente Cr, AI und Ti, besonders bevorzugt Ti. Eine Implantation und Anregung von Atomen ist insbesondere möglich durch eine Ionen-Vorbehandlung mit ausreichender Bias- Spannung, durch die ionisierte Atome auf die Diamantschicht als Substrat hin beschleunigt und dort implantiert werden und/oder eindiffundieren. Durch die Implantation und/oder Diffusion ergibt sich eine besonders vorteilhafte Haftschicht als Interface-Bereich zwischen der Diamantschicht und der Hartstoffschicht oder zwischen der Diamantschicht und einer Übergangsschicht. Bzgl. des Verfahrens ist es bevorzugt, dass vor Aufbringen der Hartstoffschicht oder Übergangsschicht die Oberfläche der Diamantschicht mittels HIPIMS- Metallionenätzung vorbehandelt wird. Hierdurch kann ein besonders inniger Schichtver- bund mit guten mechanischen Eigenschaften und guter Schichthaftung erzielt werden. Eine HIPIMS-Metallionenätzung erlaubt insbesondere eine günstige Implantation, Diffusion und Aktivierung der Ionen im oberflächennahen Bereich der Diamantschicht, so dass die Bildung einer Haftschicht möglich ist. Dabei kann beim Metallionenätzen eine oder mehrere Magnetron-Kathoden als HIPIMS-Elektrode betrieben werden. HIPIMS (High Power Impuls Magnetron Sputtering), auch HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) sieht den Betrieb mindestens einer Magnetron-Kathode mit sehr kurzen, sehr energiereichen Pulsen vor, wodurch eine hohe Ionisationsdichte erzielt wird. Charakteristisch für den HIPIMS-Betrieb ist ein geringes Verhältnis zwischen der Pulsdauer und der Pulspause von unter 0,1, d. h., dass die Pulspause mehr als 10-mal so lang ist wie die Pulsdauer. Vorrichtungen und Verfahren zum Betrieb von Magentron-Kathoden per HIPIMS sind bspw. offenbart in der WO 2009/132822 A2 der Anmelderin. Die dort genannten Betriebsarten, Elektroden-Konfigurationen und Definitionen, insbesondere zum HIPIMS bzw. HPPMS- Betrieb, werden hier ausdrücklich mit einbezogen, ebenso wie die Angaben zum Ionenätzen und Ionenimplantation in dieser Betriebsart.

Durch die Implantation und/oder Eindiffusion von Ionen in die Diamantschicht und/oder das Zerstäuben der Diamantschicht können Metallcarbide gebildet werden. Bspw. bei Ti- Ionen reagiert Titan zu Titancarbid (TiC) und es ergibt sich eine gradierte Haftschicht.

Damit es auf nichtleitenden Diamantschichten nicht zu Aufladungen oder Bogenentladun- gen kommt, ist eine sorgfältige Auswahl der Bias-Spannung beim Ionenätzen ebenso wie bei der Beschichtung mittels Magnetron-Sputtern sinnvoll. Während bei leitfähigen Schichten eine Bias-Spannung von bspw. 1000V gewählt werden kann, ist bei nichtleitenden Diamantschichten zumindest zu Beginn der Behandlung eine geringere Bias-Spannung von bspw. 200 - 400V, bevorzugt 250 - 350 Volt empfehlenswert. Die genannten Bias- Spannungen sind so zu verstehen, dass der negative Pol am Substrat liegt. Nach Bildung einer leitfähigen Haftschicht kann Magnetronsputtern wie bei leitfähigen Substraten fortgeführt werden kann. Eine Dotierung der Diamantschicht bspw. mit Bor, mit der eine elektrische Leitfähigkeit erzielt werden kann, ist somit nicht notwendig. So wird der Aufwand verringert und auch eine Kontamination der Beschichtungsanlage mit Bor sowie Einflüsse von Bor auf die Diamantschicht vermieden.

In einer Ausführungsform kann auf der Diamantschicht durch Zugabe eines kohlenstoffhal- tigen Reaktivgases reaktiv eine Karbidschicht, bspw. TiC-Schicht als eine erste Lage einer Übergangsschicht erzeugt werden. Anschließend kann durch Wechsel auf ein stickstoffhaltiges Reaktivgas eine Nitridschicht, bspw. TiN-Schicht als zweite Lage einer Übergangsschicht abgeschieden werden. Auch hier ist ein gradierter Übergang von einer Karbidlage auf eine Nitridlage über eine Karbonitrid-Zwischenlage bevorzugt, bspw. von Ti-C auf Ti-N über eine Ti-C-N-Zwischenlage. Auf die so gebildete Übergangsschicht mit äußerer Nitrid-Lage, insbesondere Ti-N, kann nahezu jede der genannten Hartstoffschichten aufgebracht werden, im Besonderen nitridische Schichten wie Ti-Al-N. Alternativ zur Verwendung von Ti kann auch Cr verwendet werden. Dann können, ebenso wie oben beispielhaft für Ti beschrieben, bspw. zunächst Cr-Ionen in die Diamantschicht implantiert werden und/oder eindiffundieren. Dies ist bspw. bei einer Cr-haltigen Hartstoffschicht sinnvoll. Auch Kombinationen mit Ti und Cr sind möglich. Es können auch Metalle wie Ti, W, Ta einzeln oder in Kombination verwendet werden.

Besonders bevorzugt kann die Hartstoff Schicht mittels Magnetron-Sputtern aufgebracht werden, wobei bevorzugt mindestens eine Magentron-Kathode nach dem HIPIMS- Verfahren betrieben wird. Dabei kann die Hartstoff Schicht ausschließlich mit einer oder mehreren HIPIMS-Kathoden erzeugt werden, oder die HIPIMS-Kathode wird gemeinsam mit anderen Kathoden, bspw. UBM-Kathoden im DC-Betrieb verwendet, um die Hartstoffschicht aufzubringen.

Das HIPIMS-Verfahren kann auch verwendet werden, um eine Zwischenschicht zwischen den Substrat und der Diamantschicht zu erzeugen. Auch hier kann die Zwischenschicht vollständig durch HIPIMS-Beschichten und/oder durch Simultanbetrieb mindestens einer HIPIMS-Kathode mit weiteren Kathoden erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Aufbringen der Zwischenschicht das Substrat mittels Ionenätzen vorbehandelt werden, wobei die Ionen durch mindestens eine Magnetron-Kathode erzeugt werden, die nach dem HIPIMS-Verfahren betrieben wird.

Sowohl die Vorbehandlung der Diamantschicht durch HIPIMS-Metallionenätzung als auch die anschließende Erzeugung der Hartstoff Schicht oder vorherige Erzeugung einer Zwischenschicht kann bevorzugt in einer Mehrkathoden-Magnetronsputteranlage, insbesondere mit mehreren unbalancierten Magnetrons erfolgen, die sich einzeln selektiv konventio- nell oder mittels HIPIMS betreiben lassen. So kann die erfindungsgemäße Erzeugung der Haftschicht mittels HIPIMS-Metallionenätzung erfolgen, indem mindestens eine Magnetron-Kathode in der HIPIMS-Betriebsart betrieben wird. Dabei ist es möglich, dass kein oder nur ein geringes Schichtwachstum stattfinden, wobei die Erzeugung der Haftschicht durch eine Umwandlung der obersten Zone der Diamantschicht erfolgt. Die Vorbe- handlung führt zu einem Aktivieren der Diamantoberfläche, zu einer Implantation oder Eindiffusion von Metallatomen, sowie zur Bildung von Metallcarbiden. Dabei kann die Diamantschicht zu einem kleinen Anteil auch selbst zerstäubt werden. Andererseits können auch kohlenstoffhaltige Gase wie CH4 oder C2H2 zusätzlich zugeführt werden.

Auch bei der anschließenden Erzeugung der Hartstoffschicht oder einer Zwischenschicht kann mindestens eine Magnetron-Kathode in der HiPiMS-Betriebsart betrieben werden. Im Gegensatz zur Vorbehandlung durch Metallionenätzung werden dabei höhere Schichtraten angestrebt. Dazu werden bevorzugt neben Reaktivgasen auch Inertgase wie Argon und Krypton eingeleitet.

In Mehrkathoden-Magnetronsputteranlagen können die einzelnen Kathoden auch im Mischbetrieb z.T. konventionell und z.T. in HIPIMS-Betriebsart betrieben werden. Im Vergleich zu Arc-basierten PVD-Verfahren, wie bspw.„Are Ion Plating" (AiP) entstehen beim Sputter- Verfahren hier keine Droplets in den Schichten. Es findet jedoch ein geringer Einbau von Sputtergasen in die Schicht statt. Der Inertgasanteil in der Schicht kann bspw. in der Regel zwischen 0,1 und 0,5 Atomprozent liegen. Eine Reduktion des Inertgasanteils in einer im HIPIMS-Verfahren erzeugten Hartstoffschicht kann bspw. durch eine Erhöhung der Anzahl oder der Leistung der HIPIMS- Kathoden erfolgen. Bevorzugt kann eine Reduktion erzielt werden, indem während der Beschichtung keine konstante Bias-Spannung am Substrat angelegt wird, sondern eine gepulste Bias-Spannung, die bevorzugt mit den HIPIMS-Pulsen synchronisierte Bias-Pulse aufweist. Ein HIPIMS-Verfahren mit derartigen synchronisierten Bias-Pulsen ist in der WO 2014/ 154894 Ai beschrieben, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere durch synchrone, aber zeitlich zu den HIPIMS-Pulsen versetzte Bias-Pulse, mit denen eine Bias-Spannung anliegt zu den Zeiten, in denen die Metallionendichte während der HiPiMS-Pulse besonders hoch ist, kann der Inertgasanteil in der Schicht auf bspw.0,01-0,1 Atomprozent reduziert werden. Die Hartstoffschicht kann so bspw. je nach Art der Herstellung einen Inertgasanteil 0,01 bis 0,5 Atomprozent aufweisen.

Typische Werte für die HIMIPS Parameter sind gemittelte Leistungen von bspw. 2,27 bis 22,7 W/cm ² der Targetfläche, also bspw. je Target mit jeweils einer Fläche von bspw. 440 cm ² eine Leistung von 1000 - 10.000 W. Die im HIPIMS-Verfahren bevorzugt verwendeten Pulsdauern können bspw. 10-200 μβ betragen. Die HIPIMS-Pulse können bevorzugt mit Frequenzen von bspw. 100 - 10.000 Hz erzeugt werden. Bevorzugte Werte für den Druck in einer Beschichtungskammer können bspw. bei 100 - 1000 mPa liegen.

Im bevorzugten Fall der Verwendung synchronisierter Bias-Pulse wird bei HIPIMS- Frequenzen oberhalb 1000 Hz für die Bias-Pulse die gleiche Frequenz gewählt; unterhalb von 1000 Hz und bei einer Anzahl von N zeitlich versetzt betriebenen HIPIMS-Kathoden ist für die Bias-Pulse die N-fache Frequenz bevorzugt. Der Offset für die Biaspulse zum effekti- veren Einfangen der Metallionen kann bspw. 10-120 μβ betragen bei Pulslängen von maximal 200 μβ. Die Biasspannungen können bspw. 10-1200 V betragen.

Als Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Diamantschicht ist eine metallische Zwischenschicht bevorzugt. Diese kann besonders bevorzugt zumindest überwiegend aus Atomen der Elemente Cr, W und/oder Ti bestehen. Beispiele hierzu sind offenbart in der WO2011/135100 der Anmelderin, die diesbezüglich hiermit ausdrücklich einbezogen wird.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht ein beschichtetes Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Schichtstruktur entsprechend einer ersten Ausführungsform;

Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Schichtstruktur entsprechend einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht einen Schaftfräser 10 mit einem Schaft 12 und einer Schneide 14. Die Schneide 14 umfasst Hauptschneiden 16 und Nebenschneiden 18. Beide bilden Funkti- onsflächen des Werkzeugs 10.

Im Ausführungsbeispiel besteht der Körper des Fräsers 10 aus Hartmetall, d.h. gesinterten Wolframcarbid-Körnern in einer Cobalt-Matrix. Mindestens die Schneide 14 ist mit einer Beschichtung mit einem Schichtaufbau versehen, der nachstehend erläutert wird. In Fig. 2 ist schematisch ein Querschnitt durch einen Schichtaufbau gemäß einer ersten Ausführungsform 20 dargestellt. Im unteren Bereich befindet sich nur teilweise dargestellt das Hartmetall-Substrat 22. Im gezeigten Beispiel unmittelbar darauf angeordnet ist eine Diamantschicht 24. Oberhalb der Diamantschicht 24 ist eine Hartstoffschicht 26 gebildet.

Die Diamantschicht 24 ist im gezeigten Beispiel eine mehrlagige Diamantschicht mit abwechselnd angeordneten Lagen aus mikrokristallinem Diamant 28 und aus nanokristalli- nem Diamant 30. Unmittelbar auf dem Substrat 22 ist eine erste Lage 28 aus mikrokristal- linem Diamant angeordnet, darüber eine Lage 30 aus nanokristallinem Diamant usw. Die äußerste Lage 30 der Diamantschicht 24 ist eine nanokristalline Lage.

Die Hartstoff schicht 26 ist oberhalb der Diamantschicht 24 angeordnet, wobei zwischen den Schichten eine Haftschicht 32 und einer Übergangsschicht 33 gebildet sind.

Die Hartstoffschicht 26 ist im gezeigten Beispiel eine einlagige Al-Ti-Cr-N-Schicht.

Die Haftschicht 32 ist in dem Beispiel als Ti-C-Schicht gebildet, wobei Ti-Atome durch HIPIMS-Ätzen in der Oberfläche der Diamantschicht 24 implantiert und/oder eindiffun- diert sind.

Die Übergangsschicht 33 weist (nicht dargestellt) eine innere Hartstofflage aus reaktiv abgeschiedenem TiC, eine äußere Lage aus reaktiv abgeschiedenem TiN und dazwischen eine Übergangszone aus TiCN auf.

Das Werkzeug 10 mit der Beschichtung auf der Schneide 14 gemäß dem dargestellten Schichtaufbau 20 erweist sich als besonders geeignet zum Zerspanen von faserverstärkten Verbundstoffen, von Aluminium-Silizium-Legierungen und von stahl- oder eisenhaltiger Gusslegierung. Die Al-Ti-Cr-N-Hartstoffschicht 26 ist dabei mit der Diamantschicht 24 fest verankert. Durch die Hartstoffschicht 26 ist die harte Diamantschicht 24 von einem unmittelbaren Kontakt mit dem jeweils bearbeiteten Werkstoff isoliert, so dass chemischer Verschleiß minimiert ist. Eine verbleibende Rauheit der Diamantschicht 24 wird durch die Hartstoff schicht 26 nivelliert. Bei der Bearbeitung der genannten Werkstoffe bleibt die thermische Belastung begrenzt durch die gute Wärmeleitfähigkeit der Diamantschicht 24. Zur Herstellung des Werkzeugs 10 wird auf dem Hartmetall-Substrat 22 nach ausreichender Vorbehandlung erst die Diamantschicht 24 in einem Hot-Filament-CVD-Verfahren aufgebracht, wie bspw. beschrieben in der WO 00 / 60137. Die nanokristallinen Lagen 30 können dabei mit einem Verfahren gemäß der WO 2004/ 083484 Ai erzeugt werden.

Oberhalb der Diamantschicht 24 wird anschließend die Haftschicht 32 auf der Oberfläche der Diamantschicht 24 gebildet. Dies erfolgt innerhalb einer PVD-Anlage. Nach dem Aufheizen der Substrate und einem Ionenätzen mit Ar-Ionen mit Pulsen im Mittelfrequenzbe- reich erfolgt zunächst eine Behandlung der Oberfläche der Diamantschicht 24 durch ein Ionenätzen mit per HIPIMS erzeugten Ti-Ionen, bspw. in einer Anlage gemäß WO 2009/132822 A2. Hierbei werden Ti-Ionen, die aus einem Ti-Target einer per HIPIMS betriebenen Magnetron-Kathode erzeugt werden, durch eine Bias-Spannung von ca.300 V auf das Werkzeug 10 hin beschleunigt und so in die Oberfläche der Diamantschicht 24 eingebracht.

Nach ca. 30 Minuten hat sich eine ca. 20 nm dicke, leitfähige Haftschicht aus Ti-C gebildet. Diese Bildung kann durch Eindiffundieren der energiereichen und sehr reaktiven Ti-Ionen oder Atome erfolgen und /oder auch durch Implantation der Ti-Ionen. Die Reaktion kann ferner durch gesputterte und angeregte Kohlenstoffatome des Materials der Diamantschicht 24 begünstigt werden. Analyse mit XPS hat ergeben, dass die Ti-C Haftschicht die Hartstoffverbindung TiC enthält. Durch diese Behandlung wird die zuvor als undotierte Diamantschicht elektrisch nicht leitfähige Oberfläche elektrisch leitfähig und kann einfacher mit weiteren Sputterverfahren behandelt werden.

Durch die Zugabe von Argon als Prozessgas sowie ein kohlenstoffhaltiges Reaktivgas, bspw. C2H2, sowie durch Reduktion der Bias-Spannung, erfolgt die Bildung einer Übergangsschicht 33, indem zunächst eine TiC-Schicht abgeschieden wird. Nachfolgend wird die Zuführung des kohlenstoffhaltigen Gases kontinuierlich verringert, während in ansteigendem Maße Stickstoff als Reaktivgas zugeführt wird. So wird eine äußere TiN Lage und zwischen der inneren und äußeren Lage der Übergangsschicht 33 TiCN gebildet. Innerhalb der Übergangsschicht 33 weisen somit beide nichtmetallische Elemente N, C eine in Dickenrichtung variierende Konzentration auf, wobei in Richtung vom Substrat aufwärts der Kohlenstoffanteil stetig geringer wird während der Stickstoffanteil stetig ansteigt.

Anschließend wird auf die Haftschicht 32 die Al-Ti-Cr-N Hartstoffschicht 26 mittels reaktiven Magnetron-Sputterns unter Zuführung von Stickstoff aufgebracht.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schichtaufbau 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dieser umfasst wie der Schichtaufbau 20 gemäß der ersten Ausführungsform eine Diamantschicht 24 oberhalb des Substrats 22 und eine Hartstoff Schicht 26 oberhalb der Diamantschicht 24.

Die Struktur der Diamantschicht 24 ist hier im Unterschied zur ersten Ausführungsform einlagig. Zwischen der Diamantschicht 24 und der Hartstoffschicht 26 ist eine Haftschicht 32 (nicht dargestellt), aber keine Übergangsschicht 33 vorgesehen.

Der Schichtaufbau 40 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich vom Schichtaufbau 20 gemäß der ersten Ausführungsform weiter durch eine Zwischenschicht 34, die auf der Oberfläche des Substrats 22 gebildet und zwischen dem Substrat 22 und der Diamantschicht 24 angeordnet ist. Bei der Zwischenschicht 34 handelt es sich um eine vorwiegend metallische Zwischenschicht aus Cr.

Bei der Herstellung des Schichtaufbaus 40 gemäß Fig. 3 erfolgt zunächst die Erzeugung der Zwischenschicht 34 in einem Magnetron-Sputter Verfahren mit mindestens einem Cr- Target. Anschließend wird auf die so gebildete Zwischenschicht 34, wie schon für den Schichtaufbau 20 beschrieben, zunächst die Diamantschicht 24 und anschließend die Haftschicht 32und die Hartstoff Schicht 26 aufgebracht.