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 Fraunhofer IST
 


1. CVD-Diamant-Dünnschichtabscheidung

Diamantschichten werden mit aktivierten CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) hergestellt. Bei den CVD-Beschichtungsverfahren liegen die Ausgangsstoffe gasförmig vor. Durch chemische Reaktionen in der Gasphase und an der Substratoberfläche wird die Schicht gebildet. Zur Herstellung von Diamant ist eine Aktivierung notwendig, die diese Reaktionen in Gang bringt. Diese Aktivierung kann thermisch oder elektrisch erfolgen. Eine elektrische Aktivierung, die meist durch ein Plasma geschieht, eignet sich gut zur Abscheidung von hochreinen Diamantschichten auf vorzugsweise ebenen Substraten sowie zur Herstellung von dicken Diamantschichten bis zu mehreren Millimetern Dicke.

Für die Werkzeugbeschichtung eignet sich das CVD-Verfahren mit thermischer Aktivierung durch heiße Filamente (Hot Filament, HF) sehr gut [1]. Die Filamente können für die stark unterschiedlichen, komplexen Werkzeuggeometrien sehr gut angepasst werden. Die Substratoberflächen müssen einen bestimmten Abstand zu den Filamenten einhalten (ca. 5 bis 30 mm). Eine 3D-Beschichtung, auch von Hinterschneidungen und Rückseiten, ist so problemlos möglich. In den am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST verfügbaren Beschichtungsanlagen sind Aktivierungsflächen bis 1000 mm mal 500 mm möglich. Damit lassen sich zum einen sehr große Werkzeuge beschichten. Zum anderen lassen sich Diamantschichten auf einer großen Zahl kleinerer Werkzeuge gleichzeitig und damit kostengünstig abscheiden.

 

2. Substratmaterialien

Als Substratmaterialien für Werkzeuge kommen in Frage: Hartmetall und Keramik (z. B. Siliciumnitrid, Siliciumcarbid). Bei Hartmetallen (WC-Co) spielt die genaue chemische Zusammensetzung und die Struktur (Korngröße) für das Erreichen einer hohen Haftfestigkeit und Schichtqualität eine große Rolle. Bestimmte Bedingungen für Elementkonzentrationen müssen eingehalten werden (z. B. Co < 12 %). Generell ist bei Hartmetallen eine Abstimmung mit dem Hartmetallhersteller günstig, um optimale Ergebnisse für die Haftfestigkeit zu erhalten. Schon die normalen Chargenschwankungen bei der Hartmetallherstellung können sich in Unterschieden beim Beschichtungsergebnis auswirken. Üblicherweise stehen die mechanischen Eigenschaften bei der Hartmetallherstellung im Vordergrund, für die CVD-Beschichtung ist jedoch die chemische Zusammensetzung wichtiger.

Verschiedene Techniken, um von der Hartmetallzusammensetzung unabhängig zu werden, sind möglich. Eine in der Entwicklung befindliche Möglichkeit ist die Abscheidung von Diffusionsbarriereschichten unterhalb der Diamantschicht, z. B. TiC oder SiC [2]. Die auch industriell eingesetzte Möglichkeit besteht in einem chemischen Ätzprozeß oder in der Wärmebehandlung der Hartmetallsubstrate vor der Beschichtung, die das Kobalt aus der Randzone entfernen [3].

Generell ist die Beschichtung von eisenhaltigem Stahls sehr schwierig. Zum einen bewirkt das Eisen eine katalytische Bildung der graphitischen Kohlenstoffphase statt der Diamantphase. Zum anderen sind die E-Moduln und thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Diamant so unterschiedlich, daß zum einen ein „Eierschaleneffekt“ auftritt, der bei Belastung ein leichtes Zerbrechen der spröden Diamantschicht auf dem relativ weichen Stahlsubstrat bewirken kann. Zum anderen treten für die Haftfestigkeit nachteilige hohe Spannungen auf. Für diese Probleme sind Zwischenschichtsysteme in der Entwicklung, die als Diffusionsbarriere dienen und einen sanften Übergang der E-Moduln und eine teilweise Kompensation der Spannungen bewirken [4]. Weiterhin muß bei der Stahlbeschichtung die Substrattemperatur während des Beschichtungsprozesses beachtet werden. Sie liegt normalerweise zwischen 800 und 1.000° C, kann aber durch entsprechende Maßnahmen auf 500° C gesenkt werden.

 

3. Mechanismus

Damit sich aus einer kohlenwasserstoffhaltigen Gasphase eine Diamantschicht auf der Substratoberfläche bilden kann, sind einige Voraussetzungen nötig. Nach einer werkstoffangepaßten Vorbehandlung, bei der z. B. aus Hartmetallen störende Kobaltanteile herausgeätzt werden, wird die Oberfläche mit sehr kleinen Diamantkeimen versehen. Das Substrat wird anschließend in eine Kammer gebracht, in der ein Vakuum von typischerweise 10 bis 100 mbar herrscht. Die Kammer enthält Wasserstoff mit einem Anteil von wenigen Prozent eines Kohlenstoffträgergases, z. B. Methan. Aus dem Kohlenstoff des Methan (CH4) wird der Diamant gebildet. Dazu läuft z. B. beim Hot-Filament-Verfahren folgender Mechanismus ab:

1. Mit Hilfe einer Aktivierung werden Wasserstoffmoleküle in atomaren Wasserstoff aufgespalten. Die Wasserstoffatome diffundieren und gelangen in die Nähe der Substratoberfläche, die durch die heißen Filamente auf 500 bis 1.000 °C geheizt wird.
2. Die Wasserstoffatome erzeugen aus dem Methan Methylradikale, die entweder zur Substratoberfläche gelangen, oder weiter zu anderen Kohlenwasserstoffspezies reagieren.
3. Die Wasserstoffatome erzeugen durch Abstraktionsreaktionen auf den Diamantkeimen, die auf der Substratoberfläche verankert sind, aktive Plätze für die Anlagerung von Kohlenstoffspezies.
4. Methylradikale lagern sich an die aktiven Plätze auf den Keimen an.
5. Durch weitere H-Abstraktion werden von den angelagerten Methylradikalen die Wasserstoffatome entfernt, der verbleibende Kohlenstoff wird in das Kristallgitter eingebaut. Gleichzeitig werden neue aktive Plätze an den eingebauten C-Atomen geschaffen.
6. Durch die kontinuierliche Anlagerung und den Einbau von Kohlenstoff wachsen die Keime zu zusammenhängenden, polykristallinen Schichten, deren Dicke durch die Wachstumsdauer bestimmt werden kann.


Die einzelnen entstehenden Diamantkristalle wachsen säulenförmig bis zur gewünschten Schichtdicke, wobei sie langsamer wachsende Kristalle überwachsen, so daß eine geschlossene Schicht entsteht. Die Schichtraten liegen beim HF-CVD-Verfahren typischerweise zwischen 0,1 und 3 µm/h. Bei plasmaaktivierten CVD-Verfahren werden im Labor Raten bis max. 1 mm/h erreicht. Jedoch werden mit steigender Rate die beschichteten Flächen deutlich kleiner. Sie betragen bei den höchsten Raten lediglich einige wenige Quadratmillimeter.

4. Literatur

1  Klages, C.-P. ; Schäfer, L.: Hot-Filament Deposition of Diamond. In: Dischler, B. ; Wild, C. (Hrsg.): Low-Pressure Synthetic Diamond. Berlin: Springer, 1998
2  Inspector, A. ; Oles, E. ; Bauer, C.: Theory and Practice in Diamond Coated Metal-Cutting Tools. In: Int. J. of Refractory & Hard Materials (1997) 15, S. 49-56

5. Weitere Literatur zu CVD-diamantbeschichteten Werkzeugen

  • Dimigen, H. ; Gäbler, J.: Potentiale superharter Werkzeugschichten aus Diamant und cBN. In: 9. Intern. Braunschweiger Feinbearbeitungskolloquium FBK (1999). Essen: Vulkan-Verl., 1999. S. 20.1-20.16. - ISBN 3-8027-8644-0
  • Vandenvelde, T. et al.: Cutting applications of DLC, hard carbon and diamond films. In: Surface and Coating Technology (1999) 113, S. 80-85
  • Gäbler, J. ; Schäfer, L. ; Pleger, S.: CVD-diamantbeschichtete Werkzeuge. In: Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, TU Chemnitz: 4. Industriefachtagung "Oberflächen- und Wärmebehandlungstechnik" / 4. Werkstofftechnisches Kolloquium (Chemnitz, 2001). Aachen: Verl. Mainz, 2001. S. 37 - 42. - ISBN 3-89653-891-8

6. CVD-Diamant-Dickschichtabscheidung

CVD-Diamant-Dickschichten werden in der Regel mit plasmaaktivierten CVD-Verfahren abgeschieden, da diese höhere Schichtraten aufweisen als z. B. das Hot-Filament-Verfahren. Der grundlegende Mechanismus ist der gleiche wie bei der Dünnschichtabscheidung. Die Schichtdicken liegen in der Regel zwischen 0,2 und 0,5 mm (maximal 2 mm). Der Durchmesser der Substrate, auf denen die Dickschichten abgeschieden werden, beträgt bis zu 300 mm. Substratmaterialien sind z. B. Silicium, Molybdän oder Hartmetall. Nach der Abscheidung werden die Diamantschichten vom Substrat gelöst. Für Zerspanungswerkzeuge mit bestimmter Schneide muss dann die sehr raue Oberseite geläppt werden. Die freitragenden Schichten werden nun mit dem Laser in die gewünschte Form geschnitten. Anschließend werden sie mit einem Vakuumlötverfahren auf dünne Plättchen aus Molybdän oder Hartmetall montiert. Diese Halbzeuge können dann beim Werkzeughersteller auf die bearbeitungsspezifischen Werkzeuggrundkörper montiert werden. Abschließend wird die genaue Form und die nötige Schneidkantenschärfe durch Schleifen und Polieren der Schneidkante erzeugt.

Da die dabei herzustellende Geometrievielfalt durch die Einschränkungen der Polierprozesse sehr begrenzt ist, gibt es CVD-Dickschichten, die durch eine Dotierung bei der Abscheidung elektrisch leitfähig gemacht werden. Dadurch wird es möglich, die Schichten durch Funkenerosion (Electro Discharge Machining, EDM) zu bearbeiten. Damit ist es z. B. möglich, Spanleitstufen zu erzeugen.

 
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