DE102007027474A1

DE102007027474A1 - Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102007027474A1
Application number: DE200710027474
Authority: DE
Inventors: Thomas Holzapfel; Martin Kirchhof; Andreas Dr. Schrüfer
Original assignee: Burgmann Industries GmbH and Co KG
Current assignee: EagleBurgmann Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Ein Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Oberfläche eines Werkstücks (2) unter Anwendung bekannter Diamantbeschichtungstechnologien, insbesondere dem CVD-Beschichtungsverfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass man vor dem Beschichten das Werkstück mit nach oben weisender zu beschichtender Oberfläche in einem Bett (3) aus körnigem Material so einbettet, dass eine durch das Bett gebildete freie Oberfläche mit der Ebene der zu beschichtenden Werkstückoberfläche im Wesentlichen fluchtet und dass man danach die Diamantbeschichtung unter Einbeziehung der zu beschichtenden Werkstückoberfläche und wenigstens eines der Werkstückoberfläche benachbarten Oberflächenbereiches des Bettes vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Oberfläche eines Werkstücks unter Anwendung bekannter Diamantbeschichtungstechnologien, insbesondere des CVD-Beschichtungsverfahrens.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich auf die Ausbildung hochgradig planer Diamantbeschichtungen auf Gleitringen von Gleitringdichtungen.
Verschiedene Verfahren zum Abscheiden von Diamantmaterial auf Oberflächen zur Bildung kristalliner Diamantbeschichtungen sind bekannt. Bekannt ist insbesondere das CVD-Beschichtungsverfahren (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasabscheidung). Bezüglich weiterer Details zu diesem Verfahren wird auf J. Otschik, A. Schrüfer, et al, Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Proccedings of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 verwiesen. Dieser Bericht ist damit, soweit er für das Verständnis der vorliegenden Erfindung relevant ist, in die Offenbarung einbezogen.
Ein Problem bei der herkömmlichen Diamantbeschichtung von Oberflächen ist, dass die gebildeten Diamantschichten häufig für bestimmte Anwendungsfälle keine oder eine nicht ausreichende Planität besitzen. Insbesondere bei der Beschichtung von Gleitringen für Gleitringdichtungen wird eine hohe natürliche Planität der gebildeten Diamantschichten verlangt, da eine spätere Nachbearbeitung wegen der grossen Härte des Materials nicht oder nur mit erheblichem technischen Aufwand möglich ist. Zur Verbesserung der natürlichen Planität wurde schon vorgeschlagen, das zu beschichtende Werkstück während des Beschichtungsvorganges in Drehung zu versetzen und/oder die zu beschichtende Oberfläche mit sog. Umstellungsringen nach aussen abzudecken. Eine andere bekannte Vorgehensweise besteht in einer komplizierten Strömungsführung bei der Gasabscheidung. Ein gemeinsamer Nachteil der bekannten Vorgehensweisen ist, dass für die praktische Realisierung aufwändige teure Techniken erforderlich sind und dennoch die gewünschte hochgradige Planität nicht immer erhalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwünschten Art zu schaffen, mit dem sich mit relativ geringem technischen Aufwand Diamantbeschichtungen mit extremer Planität in wirtschaftlicher Weise und mit geringen Kosten realisieren lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach wird vor dem eigentlichen Abscheiden von Diamantmaterial das Werkstück mit nach oben weisender zu beschichtender Oberfläche in einem Bett aus körnigem Material, vorzugsweise einem Bett aus einem karbidischen Material, wie SiN, Si, SiC, W, WC so eingebettet, dass die Oberfläche des Bettes mit der Ebene der Werkstoffoberfläche wenigstens weitestgehend fluchtet. Danach erfolgt die Diamantbeschichtung unter Einbeziehung der Werkstoffoberfläche und eines benachbarten planen Oberflächenbereiches des Bettes. Infolge davon erhält die gesamte Werkstoffoberfläche eine extrem gleichförmige Beschichtung frei von Randinhomogenitäten wie sie ansonsten kaum vermeidbar sind. Das erfindungsgemässe Verfahren hat ferner den Vorteil, dass gleichzeitig eine Vielzahl von Werkstücken beschichtet werden kann, indem mehrere Werkstücke im Bett aus dem körnigen Material so angeordnet werden, dass sämtliche zu beschichtende Oberflächen in einer Ebene zu liegen kommen. Dabei brauchen die Werkstücke selbst nicht identisch sein, sondern könnten durchaus unterschiedliche Abmessungen haben.
Besonders bevorzugt wird, dass gemäss einer Weiterbildung der Erfindung das Werkstück (oder die Werkstücke) zunächst mit der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche nach unten weisend auf einer planen Trägerfläche gelegt, danach um das Werkstück das körnige Material angeordnet, so dass das Werkstück in dem körnigen Material eingebettet wird, das Werkstück und das gebildete Bett aus dem körnigen Material zusammen mit der Trägerfläche umgewendet, so dass die Trägerfläche nach oben weisend zu liegen kommt, und die Trägerfläche entfernt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Trägerfläche um einen Teil einer Füllkastenanordnung, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Zur Verdichtung des körnigen Materials wird bevorzugt, dass dieses während der Bildung des Bettes unter Rüttelschwingungen versetzt wird.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich mit relativ einfachen Mitteln in wirtschaftlicher Weise Oberflächenbeschichtungen auf Werkstücken, wie Gleitringen, mit der erforderlichen hochgradigen Planität herstellen, wobei die Beschichtung selbst nach herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Diamantbeschichtungstechnologien, z. B. dem CVD-Beschichtungsverfahren, erfolgen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung dargestellt ist die erfindungsgemässe Vorbereitung für eine Diamantbeschichtung an einer Vielzahl von Werkstücken mit jeweils planer Oberfläche, z. B. den Oberflächen von Gleitringen, die beim Einsatz der Gleitringdichtung die Gleitflächen bilden. Es zeigen:
1 einen Füllkasten mit einer Vielzahl von Werkstücken in einem Bett aus körnigem Material gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2–5 die verschiedenen Schritte für die Bereitstellung eines Füllkastens mit einer Vielzahl von Werkstücken in einem Bett aus körnigem Material gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist ein Füllkasten 1 gezeigt, in dem eine Vielzahl von Werkstücken 2, 2' in einem Bett 3 aus körnigem Material so angeordnet sind, dass die freie Oberfläche des Bettes mit den zu beschichtenden Oberflächen der Werkstücke in im Wesentlichen einer gemeinsamen Ebene liegt. In der in 1 gezeigten Konfiguration kann anschliessend die chemische Gasphasenabscheidung zur Bildung einer kristallinen Diamantbeschichtung auf den Werkstückoberflächen vorgenommen werden.
Obschon die in 1 gezeigte Anordnung, wenn erwünscht, auch auf andere Weise geschaffen werden könnte, wird ein bevorzugtes Verfahren nachfolgend anhand von 2 bis 5 beschrieben.
2 zeigt, dass auf der planen Bodenfläche 4 eines Hilfskastens 5 mehrere Werkstücke 2, 2' in Abstand voneinander mit nach unten weisenden zu beschichtenden Oberflächen 6, 6' aufgelegt werden, so dass diese auf einer gemeinsamen Ebene zu liegen kommen.
Danach wird gemäss 3 der Hilfskasten 5 mit einem geeigneten körnigen Material 3 aufgefüllt, so dass die Werkstücke 2, 2' vollständig darin eingebettet werden, einschliesslich der Zwischenräume zwischen benachbarten Werkstücken.
Anschliessend wird auf den Hilfskasten 5 der Füllkasten 1 mit nach unten weisender Aunahmemulde aufgesetzt, wie dies in 4 gezeigt ist, um das gebildete Bett 3 und die darin eingebetteten Werkstücke 2, 2' zu fixieren.
Nach Umwendung der in 4 gezeigten Konfiguration um 180°, wie dies in 5 gezeigt ist, kann der Hilfskasten 5 weggenommen werden, so dass das Bett 3 mit den in einer Ebene ausgerichteten zu beschichtenden Werkstückoberflächen freigelegt wird und mit dem Beschichten begonnen werden kann.
Das körnige Material, bei dem es sich vorzugsweise um karbidisches Material aus der vorgenannten Materialgruppe handelt, sollte weitestgehend staubfrei sein und eine Partikelgrösse haben, die zwischen 0,1 mm und der Abmessung des zu beschichtenden Werkstückes zwischen der zu beschichtenden und einer gegenüberliegenden Oberfläche liegt. Vorzugsweise sollte die Partikelgrösse zwischen etwa 0,5 und 1,0 mm betragen. Obschon sich es sich bei dem körnigem Material um ein in der Konfiguration beliebig gestaltetes granulatförmiges Material handeln kann, wird bevorzugt, dass die Partikel eine runde, vorzugsweise kugelförmige Konfiguration aufweisen. Das körnige Material kann monodispers oder polydispers sein, oder es können Mischformen vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Otschik, A. Schrüfer, et al, Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Proccedings of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 [0003]

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Oberfläche eines Werkstücks unter Anwendung bekannter Diamantbeschichtungstechnologien, insbesondere dem CVD-Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Beschichten das Werkstück mit nach oben weisender zu beschichtender Oberfläche in einem Bett aus körnigem Material so einbettet, dass eine durch das Bett gebildete freie Oberfläche mit der Ebene der zu beschichtenden Werkstückoberfläche im wesentlichen fluchtet, und dass man danach die Diamantbeschichtung unter Einbeziehung der zu beschichtenden Werkstückoberfläche und wenigstens eines der Werkstückoberfläche benachbarten Oberflächenbereiches des Bettes vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück zunächst mit der zu beschichtenden Werkstückoberfläche nach unten weisend auf einer planen Trägerfläche, insbesondere einer Füllkastenanordnung, anordnet, danach um das Werkstück das körnige Material anordnet, so dass das Werkstück in dem körnigen Material eingebettet wird, das Werkstück und das gebildete Bett aus dem körnigen Material zusammen mit der Trägerfläche umwendet, so dass die Trägerfläche nach oben weisend zu liegen kommt, und die Trägerfläche entfernt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig eine Vielzahl von beabstandeten Werkstücken mit im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichteten zu beschichtenden Oberflächen vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen staubfreies körniges Material verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material ein karbidisches Material, insbesondere aus der Gruppe der SiN, Si, SiC, W, WC umfassenden Karbide, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material aus granulatförmigen Partikeln zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material eine Partikelgrösse zwischen 0,1 mm und gleich oder annähernd gleich der Abmessung des zu beschichtendem Werkstücks zwischen der zu beschichtenden und einer gegenüberliegenden Oberfläche, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm, hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material monodispers ist.
Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material polydispers ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material während der Bildung des Bettes unter Rüttelschwingungen versetzt wird.