Post on 14-Feb-2019
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CVD-DIAMANTBESCHICHTUNGEN ALS KONSTRUKTIONS-ELEMENT FÜR EXTREME BEANSPRUCHUNGEN
Dr.-Ing. Jan Gäbler, Dr. Markus Höfer, Dr. Lothar Schäfer, Dr. Volker SittingerFraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig
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INHALT
Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant
Anlagentechnik
Bauteilgeometrien
Beschichtbare Werkstoffe
Gleitringdichtungen und Gleitlager
Schleifwerkzeuge
Drahtziehsteine
Harmetallzerspanungswerkzeuge
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Heißdraht-CVD-Abscheidung von Diamant
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Chemical Vapour Deposition (CVD)Aktivierte (Niederdruck-) Gasphasen-abscheidung
Druck: 10 …100 mbar
Substrattemperaturen: 600 … 1.000 °C
Foto: Rainer Meier, Wittmar; ©Fraunhofer IST
Prekursoren(H2 + CH4)
Drähte W / Ta(< 2800°C)
H und CxHy
(CH4, C2H2, CH3, …)
2 µm
2 µm
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Anlagentechnik
CVDiamond XXL
Reaktorvolumen: 1000 l
Beschichtungsfläche: 5000 cm²
Max. Heizleistung: 100 kW
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Bauteilgeometrien
Mikrobauteile
Große Bauteile bis 500 mm × 1000 mm
Planare Bauteile und 3D-Bauteile
Innenbeschichtungen
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Beschichtung großer Stückzahlen.
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Beschichtbare Werkstoffe
Metalle
Nb, Ti Elektroden, Sonotroden, med. Instrumente, Implantate etc.
Mo Substrat für CVD-Diamant Dickschicht
Ta, W
Keramiken
Si3N4, SiC Gleitringdichtungen, Gleitlager
Al2O3, SiO2, Glas
Hartmetalle WC-Co Werkzeuge, Komponenten
Halbleiter
Silicium
Diamant
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Foto: Kemmer Präzision
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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
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Gleitringdichtungen und Gleitlager
Axiallagerung Spaltrormotorpumpe: Trockenlauf
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Abschaltkriterium
T > 250 °C
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GleitringdichtungenGasdichtungen
405 mm
-0.5
0.5
µm
Sehr hohe Anforderung an Schichtdickengleichmäßigkeit
Durchmesser bis 480 mm.
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Average thickness: 9.11 µm
Standard deviation: 0.21 µm (2,3%)
5%
Most of the variation caused by measurement process
Gleitringdichtungen Schichtdickengleichmäßigkeit
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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
10
2 µm
10 µm
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Drahtziehsteine
9,8 µm
10,3 µm
10,3 µm
6,3 µmMin. Durchmesser: 1 mm
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Drahtziehsteine
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)
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Quelle: Drahtwerk Elisental
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Hartmetallzerspanungswerkzeuge
Zwischenschichten (SiC, Si3N4, W) Unabhängigkeit von der
Hartmetallsorte Beschichtbarkeit hochcobalt-
haltiger Hartmetallsorten Vermeidung der Cobaltätze Erhalt der Bruchfestigkeit
schlanke Schaftwerkzeuge
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WC-Co
Diamant
SiC
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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
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Förderhinweis
Teile dieser Arbeiten wurden gefördert durch BMBF und BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
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Kontakt
Dr.-Ing. Jan Gäbler
Telefon (05 31) 21 55-625
jan.gaebler@ist.fraunhofer.de
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