CVD-DIAMANTBESCHICHTUNGEN ALS KONSTRUKTIONS- ELEMENT FÜR EXTREME BEANSPRUCHUNGEN

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Gisela Scholz
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1 CVD-DIAMANTBESCHICHTUNGEN ALS KONSTRUKTIONS- ELEMENT FÜR EXTREME BEANSPRUCHUNGEN Dr.-Ing. Jan Gäbler, Dr. Markus Höfer, Dr. Lothar Schäfer, Dr. Volker Sittinger Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig

2 INHALT Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant Anlagentechnik Bauteilgeometrien Beschichtbare Werkstoffe Gleitringdichtungen und Gleitlager Schleifwerkzeuge Drahtziehsteine Harmetallzerspanungswerkzeuge 1

Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant Chemical

000 C Prekurs oren (H 2 + CH 4 ) Drähte W / Ta (<

3 Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant Chemical Vapour Deposition (CVD) Aktivierte (Niederdruck-) Gasphasenabscheidung Druck: mbar Substrattemperaturen: C Prekurs oren (H 2 + CH 4 ) Drähte W / Ta (< 2800 C) H und C x H y (CH 4, C 2 H 2, CH 3, ) 2 µm Foto: Rainer Meier, Wittmar; Fraunhofer IST 2 µm 2

4 Anlagentechnik CVDiamond XXL Reaktorvolumen: 1000 l Beschichtungsfläche: 5000 cm² Max. Heizleistung: 100 kw 3

5 Bauteilgeometrien Mikrobauteile Große Bauteile bis 500 mm 1000 mm Planare Bauteile und 3D-Bauteile Innenbeschichtungen Beschichtung großer Stückzahlen. 4

Mo Substrat für CVD-Diamant Dickschicht Ta, W Keramiken Si 3 N 4, SiC

6 Beschichtbare Werkstoffe Foto: Kemmer Präzision Metalle Nb, Ti Elektroden, Sonotroden, med. Instrumente, Implantate etc. Mo Substrat für CVD-Diamant Dickschicht Ta, W Keramiken Si 3 N 4, SiC Gleitringdichtungen, Gleitlager Al 2 O 3, SiO 2, Glas Hartmetalle WC-Co Werkzeuge, Komponenten Halbleiter Silicium Diamant 5

Gleitringdichtungen und Gleitlager CVD-diamantbeschichtetes SiC DiaCer Trockenlauf möglich ohne Fressen keine Schädigung der Dichtfläche Niedriger Reibbeiwert Sehr hohe Ebenheit

7 Gleitringdichtungen und Gleitlager CVD-diamantbeschichtetes SiC DiaCer Trockenlauf möglich ohne Fressen keine Schädigung der Dichtfläche Niedriger Reibbeiwert Sehr hohe Ebenheit Anwendung: Dichtungen und Lager in wässriger, korrosiver oder trockener Umgebung bei extremen Beanspruchungen Ausweitung des Einsatzspektrums Weniger Ausfallzeiten Standzeiterhöhung 6

8 Gleitringdichtungen und Gleitlager Axiallagerung Spaltrormotorpumpe: Trockenlauf Abschaltkriterium T > 250 C 7

9 Gleitringdichtungen Gasdichtungen Sehr hohe Anforderung an Schichtdickengleichmäßigkeit 0.5 µm mm Durchmesser bis 480 mm.

10 Gleitringdichtungen Schichtdickengleichmäßigkeit 5% Average thickness: 9.11 µm Standard deviation: 0.21 µm (2,3%) Most of the variation caused by measurement process

Schleifwerkzeuge Kleinste Körnung bis < 1 µm Duktiles Schleifen

10 bis 80-mal höher als bei gebundener Körnung Schichtdicke ± 3

Seitenschleifscheiben Mikroschleifstifte Honsteine Größen von

11 Schleifwerkzeuge Kleinste Körnung bis < 1 µm Duktiles Schleifen Werkstückrauheit Sa = 3 nm in Glas G-Wert (Verschleißverhältnis) 10 bis 80-mal höher als bei gebundener Körnung Schichtdicke ± 3 % Werkzeuggeometrien: Umfangsschleifscheiben Seitenschleifscheiben Mikroschleifstifte Honsteine Größen von 0,05 mm bis 500 mm Keine Schichtablösung Nachbeschichtbar zum Nachschärfen 2 µm 10 µm 10

12 Drahtziehsteine 9,8 µm 10,3 µm 10,3 µm Min. Durchmesser: 1 mm 6,3 µm

Fe-Legierungen: 3,2 mm Standzeit > 71 t ( PKD) Ni-, NiCr-,

13 Drahtziehsteine Quelle: Drahtwerk Elisental Praxiserprobungen AlMg2: 3,2 mm Standzeit > 60 t ( 10 Hartmetall) Fe-Legierungen: 3,2 mm Standzeit > 71 t ( PKD) Ni-, NiCr-, FeCr-Fülldrähte mit Partikeln (Si, B, WC Legierungen) Standzeit > 7,5 t ( PKD) 12

hochcobalthaltiger Hartmetallsorten Vermeidung der Cobaltätze

14 Hartmetallzerspanungswerkzeuge Zwischenschichten (SiC, Si 3 N 4, W) Unabhängigkeit von der Hartmetallsorte Beschichtbarkeit hochcobalthaltiger Hartmetallsorten Vermeidung der Cobaltätze Erhalt der Bruchfestigkeit schlanke Schaftwerkzeuge Diamant SiC WC-Co 13

15 Zusammenfassung Einsatz von CVD-Diamantschichten bei extremer Beanspruchung hohe Standzeit Trockenlauf Sehr großes Spektrum an Bauteilgrößen und geometrien Anwendungsgerechte Genauigkeiten prozesssicher erreicht Schichtrauheit in weitem Bereich einstellbar Beschichtbare Substratwerkstoffe beachten Beschichtungstechnologie produktionsreif Erfolgreicher Technologietransfere: DiaCer-Gleitringdichtungen, Diamantelektroden 14

16 Förderhinweis Teile dieser Arbeiten wurden gefördert durch BMBF und BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Kontakt Dr.-Ing. Jan Gäbler Telefon (05 31)

17 Urheberrechtshinweis Die Inhalte dieser Präsentation (Texte, Grafiken, Fotos, Logos etc.) und die Präsentation selbst sind urheberrechtlich geschützt. Sie wurden durch das Fraunhofer IST selbstständig erstellt. Ohne schriftliche Genehmigung des Fraunhofer IST dürfen dieses Dokument und/oder Teile daraus nicht weitergegeben, modifiziert, veröffentlicht, übersetzt oder reproduziert werden, weder durch Fotokopien, Mikroverfilmung, noch durch andere insbesondere elektronische - Verfahren. Der Vorbehalt erstreckt sich auch auf die Aufnahme in oder die Auswertung durch Datenbanken. Zuwiderhandlungen werden gerichtlich verfolgt. Copyright Fraunhofer IST, 2015 Bei Fragen wenden Sie sich bitte an: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Dr. Simone Kondruweit Bienroder Weg 54 E Braunschweig info@ist.fraunhofer.de 18

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