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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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Bei Fragen wenden Sie sich bitte an: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

Dr. Simone Kondruweit | Bienroder Weg 54 E | 38108 Braunschweiginfo@ist.fraunhofer.de

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