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
INHALT Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant Anlagentechnik Bauteilgeometrien Beschichtbare Werkstoffe Gleitringdichtungen und Gleitlager Schleifwerkzeuge Drahtziehsteine Harmetallzerspanungswerkzeuge 1
Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant Chemical Vapour Deposition (CVD) Aktivierte (Niederdruck-) Gasphasenabscheidung Druck: 10 100 mbar Substrattemperaturen: 600 1.000 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
Anlagentechnik CVDiamond XXL Reaktorvolumen: 1000 l Beschichtungsfläche: 5000 cm² Max. Heizleistung: 100 kw 3
Bauteilgeometrien Mikrobauteile Große Bauteile bis 500 mm 1000 mm Planare Bauteile und 3D-Bauteile Innenbeschichtungen Beschichtung großer Stückzahlen. 4
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 Anwendung: Dichtungen und Lager in wässriger, korrosiver oder trockener Umgebung bei extremen Beanspruchungen Ausweitung des Einsatzspektrums Weniger Ausfallzeiten Standzeiterhöhung 6
Gleitringdichtungen und Gleitlager Axiallagerung Spaltrormotorpumpe: Trockenlauf Abschaltkriterium T > 250 C 7
Gleitringdichtungen Gasdichtungen Sehr hohe Anforderung an Schichtdickengleichmäßigkeit 0.5 µm -0.5 405 mm Durchmesser bis 480 mm.
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 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
Drahtziehsteine 9,8 µm 10,3 µm 10,3 µm Min. Durchmesser: 1 mm 6,3 µm
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
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
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
Förderhinweis Teile dieser Arbeiten wurden gefördert durch BMBF und BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Kontakt Dr.-Ing. Jan Gäbler Telefon (05 31) 21 55-625 jan.gaebler@ist.fraunhofer.de 15
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