DE102013014068A1 - Sliding contact for high and ultra high vacuum applications - Google Patents

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Martin Dienwiebel
Pantcho Stoyanov
Michael Moseler
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitkontakt mit einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die Sie miteinander in Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können. Die in Kontakt stehenden Gleitflächen des Grundkörpers und des Gegenkörpers bestehen bei dem vorgeschlagenen Gleitkontakt aus voneinander verschiedenen Materialien, von denen ein erstes Material Wolfram, Rhenium oder Tantal und ein zweites Material Diamant ist. Der vorgeschlagene Gleitkontakt weist eine sehr geringe Reibung mit hoher Verschleißfestigkeit auf und ist insbesondere für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen geeignet.The present invention relates to a sliding contact with a base body and a counter body, each having at least one sliding surface over which they are in contact with each other and can slide by relative movement to each other. The contacting sliding surfaces of the main body and the counter body are in the proposed sliding contact of mutually different materials, of which a first material tungsten, rhenium or tantalum and a second material is diamond. The proposed sliding contact has a very low friction with high wear resistance and is particularly suitable for high and ultra-high vacuum applications under extreme environmental conditions.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitkontakt mit einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die sie miteinander in Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können.The present invention relates to a sliding contact with a base body and a counter-body, each having at least one sliding surface, over which they are in contact with each other and can slide by relative movement to each other.

Gleitkontakte sind in vielen technischen Bereichen erforderlich, wenn zwei in mechanischem Kontakt stehende Bauteile oder Bauteilkomponenten eine Relativbewegung zueinander ausführen. In der Regel sind hierbei Gleitkontakte mit sehr geringer Reibung ohne Stick-Slip Effekte und hoher Verschleißfestigkeit erwünscht, insbesondere für Positionieranwendungen im Hoch- und Ultrahochvakuum. Positionieranwendungen im Vakuum sind insbesondere für die Elektronikindustrie, bspw. zur Positionierung von Wafern, und die Raumfahrtindustrie von Bedeutung. So ist beispielsweise die Weiterentwicklung von leistungsstarken Satelliten stark von der Verfügbarkeit von wartungsfreien Materialien abhängig, die extremen Umweltbedingungen standhalten können, d. h. Strahlung, großen Temperaturbereichen, Ultrahochvakuum, usw. Durch die große Anzahl von komplexen Kontakten und Bewegungen der mechanischen Komponenten in Raumfahrzeugen ist die Lebensdauer von vielen Raumfahrzeugen durch die mechanischen Eigenschaften und die Gleiteigenschaften der verwendeten Materialien beschränkt. Ungünstige Reibungs- und Verschleißeigenschaften können zum Misserfolg der beweglichen Komponenten und anschließend zu erheblichen Beschädigungen des Raumfahrzeugs führen. Eine Reparatur ist bspw. bei Satelliten nahezu unmöglich, nachdem diese die Erde verlassen haben.Sliding contacts are required in many technical fields when two components in mechanical contact or component components make a relative movement to each other. In general, sliding contacts with very low friction without stick-slip effects and high wear resistance are generally desirable, especially for positioning applications in high and ultra-high vacuum. Vacuum positioning applications are particularly important for the electronics industry, for example for the positioning of wafers, and the aerospace industry. For example, the evolution of powerful satellites is heavily dependent on the availability of maintenance-free materials that can withstand extreme environmental conditions; H. Radiation, large temperature ranges, ultrahigh vacuum, etc. Due to the large number of complex contacts and movements of the mechanical components in spacecraft, the life of many spacecraft is limited by the mechanical properties and the sliding properties of the materials used. Unfavorable friction and wear properties can lead to the failure of the moving components and subsequently to significant damage to the spacecraft. A repair is, for example, almost impossible with satellites after they have left the earth.

Daher besteht ein starker Bedarf and der Entwicklung von Luftfahrtwerkstoffen oder Beschichtungen, die einerseits in der Lage sind, die Feuchtigkeitseinwirkung und die Schwingungen während des Starts zu überleben und andererseits auch über Milliarden von Zyklen in harten Umgebungen wirksam arbeiten können. So werden die Materialien in der Luft- und Raumfahrt aufgrund der Veränderungen mit der Höhe verschiedenen Luftfeuchtigkeiten und einem großen Temperaturbereich von bspw. –40 bis +300°C ausgesetzt. Darüber hinaus können planetare Explorationen auch durch Abrieb scheitern, der durch die Bombardierung mit Feinstaub (z. B. CO2-Partikel) verursacht werden kann.Therefore, there is a strong demand for the development of aerospace materials or coatings capable on the one hand of surviving the effects of moisture and vibrations during take-off and, on the other hand, of being able to effectively operate over billions of cycles in harsh environments. So the materials in the aerospace industry are exposed due to the changes with the height of different humidities and a wide temperature range of, for example. -40 to + 300 ° C. In addition, planetary exploration can also fail due to attrition, which can be caused by bombardment with particulate matter (eg, CO 2 particles).

Stand der TechnikState of the art

Bisher wurden mechanische Komponenten mit Gleitkontakten aufgrund der obigen Probleme in Hoch- und Ultrahochvakuumanlagen oder Raumfahrtzeugen möglichst vermieden. Für hochgenaue Positionierung werden in UHV-Anlagen (UHV: Ultrahochvakuum) daher weitestgehend Piezoaktoren oder auch mechanische Durchführungen verwendet. In manchen Fällen werden auch Festschmierstoffe eingesetzt. Diese Festschmierstoffe, wie bspw. MoS2, weisen positive tribologische Eigenschaften auf, sind aber zu weich, um Abrieb langfristig zu widerstehen, und arbeiten nicht in allen Umgebungen. Hartstoffschichten sind wiederum thermisch stabil, haben aber allgemein schlechte tribologische Eigenschaften, wie dies bspw. in RR Chromik et al., „In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings”, Wear 2007, 262, Seiten 1239 bis 1252 beschrieben ist. Daher ist es unwahrscheinlich, dass ein Festschmiermittel stabil genug für Positionieranwendungen im Hoch- oder Ultrahochvakuum sowie in Luft- und Raumfahrtanwendungen ist, bei denen die verschiedensten Bedingungen zu erfüllen sind.So far, mechanical components with sliding contacts due to the above problems in high and ultra-high vacuum systems or spacecraft were avoided as possible. For high-precision positioning, UHV systems (UHV: ultrahigh vacuum) therefore use largely piezo actuators or mechanical feedthroughs. In some cases, solid lubricants are used. These solid lubricants, such as MoS 2 , have positive tribological properties, but are too soft to resist abrasion in the long term, and do not work in all environments. Hard material layers are in turn thermally stable, but generally have poor tribological properties, such as in RR Chromik et al., "In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings", Wear 2007, 262, pages 1239 to 1252 is described. Therefore, a solid lubricant is unlikely to be stable enough for high and ultra-high vacuum and aerospace applications where a variety of conditions have to be met.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleitkontakt mit sehr geringer Reibung und hoher Verschleißfestigkeit anzugeben, der sich auch für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen unter extremen Bedingungen eignet, wie sie bspw. bei Luft- und Raumfahrtanwendungen auftreten können.The object of the present invention is to provide a sliding contact with very low friction and high wear resistance, which is also suitable for high and ultra-high vacuum applications under extreme conditions, as they may occur, for example, in aerospace applications.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Gleitkontakt gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gleitkontaktes sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the sliding contact according to claim 1. Advantageous embodiments of the sliding contact are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Der vorgeschlagene Gleitkontakt besteht in bekannter Weise aus einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die sie miteinander in mechanischem Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können. Mit Grundkörper und Gegenkörper werden dabei die beiden aneinander gleitenden Bauteile oder Komponenten verstanden, unabhängig davon, ob sich nur eine der beiden Komponenten bewegt und die andere stationär ist oder sich beide Komponenten bewegen. Die in Kontakt stehenden Gleitflächen des Grundkörpers und des Gegenkörpers bestehen bei dem vorgeschlagenen Gleitkontakt aus unterschiedlichen bzw. voneinander verschiedenen Materialien. Die eine Gleitfläche wird dabei aus Wolfram, Rhenium oder Tantal als erstem Material gebildet, die mit dieser in Kontakt stehende zweite Gleitfläche aus Diamant als zweitem Material. Unter den Gleitflächen sind hierbei jeweils die Flächen am oder auf dem Grundkörper und Gegenkörper zu verstehen, die miteinander in mechanischem Kontakt stehen und bei der Relativbewegung aneinander gleiten.The proposed sliding contact consists in a known manner of a base body and a counter body, each having at least one sliding surface over which they are in mechanical contact with each other and can slide by relative movement to each other. The basic body and the counterpart body are understood to be the two components or components which slide against one another, regardless of whether only one of the two components is moving and the other is stationary or whether both components are moving. The sliding surfaces in contact of the main body and the counter body consist in the proposed sliding contact of different or mutually different materials. The one sliding surface is formed from tungsten, rhenium or tantalum as the first material, which is in contact with this second sliding surface made of diamond as the second material. In this case, the sliding surfaces are to be understood in each case as the surfaces on or on the base body and counter body, which are in mechanical contact with one another and slide against one another during the relative movement.

Bei der Entwicklung des vorgeschlagenen Gleitkontaktes wurde erkannt, dass die Tribosysteme Diamant-Wolfram, Diamant-Rhenium und Diamant-Tantal sehr niedrige Reibwerte und Verschleißraten im Ultrahochvakuum aufweisen. Aus ex situ Elementtiefenprofilen, die mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie von derartigen Gleitflächen von Grund- und Gegenkörper erzeugt wurden, ist ersichtlich, dass keine chemischen Wechselwirkungen bzw. Veränderungen zwischen den beteiligten Partnern durch den Reibvorgang auftreten und deswegen niedrige Reibwerte möglich sind. Damit werden durch die vorgeschlagenen Materialpaarungen Gleitkontakte im Vakuum mit einer Positioniergenauigkeit ermöglicht, die gegenüber anderen Lösungen deutlich erhöht ist. Der vorgeschlagene Gleitkontakt weist sehr geringe Reibkräfte (geringe Stick-Slip Effekte) und sehr geringe Verschleißraten der Gleitflächen auf. Der Gleitkontakt kann im Vakuum, Hochvakuum und Ultrahochvakuum uneingeschränkt eingesetzt werden und benötigt keinerlei zusätzliche Schmierstoffe. Die für die Gleitflächen eingesetzten Materialien weisen außerdem eine sehr geringe Anfälligkeit gegen Strahlungsschäden auf und sind hochtemperaturbeständig. During the development of the proposed sliding contact, it was recognized that the tribological systems diamond tungsten, diamond rhenium and diamond tantalum have very low coefficients of friction and wear rates in ultra-high vacuum. From ex situ element depth profiles, which were generated by means of X-ray photoelectron spectroscopy of such sliding surfaces of the base and counter-body, it is evident that no chemical interactions or changes between the partners involved by the rubbing process occur and therefore low coefficients of friction are possible. This sliding contacts are made possible in a vacuum with a positioning accuracy by the proposed material pairings, which is significantly increased compared to other solutions. The proposed sliding contact has very low frictional forces (low stick-slip effects) and very low wear rates of the sliding surfaces. The sliding contact can be used without restriction in vacuum, high vacuum and ultrahigh vacuum and requires no additional lubricants. The materials used for the sliding surfaces also have a very low susceptibility to radiation damage and are resistant to high temperatures.

Das vorgeschlagene Tribosystem des Gleitkontaktes kann entweder aus Vollmaterial oder auch als Schicht hergestellt werden. Auch eine Kombination aus Schicht auf der einen und Vollmaterial auf der Gegenseite ist möglich. So kann in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Gleitkontaktes wenigstens eine der Gleitflächen durch die Oberfläche oder einen Oberflächenbereich des Grundkörpers oder des Gegenkörpers gebildet sein, wobei der Grundkörper bzw. Gegenkörper dann vollständig aus dem ersten oder dem zweiten Material besteht.The proposed tribosystem of the sliding contact can be made either of solid material or as a layer. A combination of layer on one side and solid material on the opposite side is also possible. Thus, in one embodiment of the proposed sliding contact, at least one of the sliding surfaces may be formed by the surface or a surface region of the main body or of the counter body, wherein the main body or counter body then consists entirely of the first or the second material.

In einer anderen Ausgestaltung ist wenigstens eine der Gleitflächen durch eine Beschichtung der Oberfläche oder eines Oberflächenbereiches des Grundkörpers oder des Gegenkörpers gebildet, wobei die Beschichtung dann aus dem ersten oder zweiten Material besteht, der Grundkörper oder Gegenkörper jedoch aus einem anderen Material gebildet sein kann.In another embodiment, at least one of the sliding surfaces is formed by a coating of the surface or a surface region of the main body or of the counter body, wherein the coating then consists of the first or second material, but the main body or counter body may be formed of a different material.

Bei beiden Ausgestaltungen kann der jeweils andere Körper dann ebenfalls vollständig aus dem jeweils anderen Material gebildet sein oder mit diesem Material beschichtet sein.In both embodiments, the respective other body can then also be formed completely from the respective other material or be coated with this material.

Grundkörper und Gegenkörper können beim vorgeschlagenen Verfahren jeweils lediglich eine Gleitfläche oder auch mehrere Gleitflächen aufweisen. Hierbei können lokal mehrere kleinere Gleitflächen am einen Körper auf eine größere Gleitfläche des anderen Körpers treffen. Auch mehrere Gleitflächen des einen Körpers können zu mehreren Gleitflächen des anderen Körpers korrespondieren.In the proposed method, the base body and the counterpart body can each have only one sliding surface or even a plurality of sliding surfaces. In this case, locally several smaller sliding surfaces on one body can hit a larger sliding surface of the other body. Also, a plurality of sliding surfaces of one body may correspond to a plurality of sliding surfaces of the other body.

So können in einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Gleitkontakts die Gleitflächen des einen Körpers durch voneinander beabstandete Diamantpartikel gebildet sein, die dann entweder auf eine größere zusammenhängende Gleitfläche am anderen Körper treffen oder auf entsprechend kleinere zu den Diamantpartikeln korrespondierende Gleitflächen am anderen Körper.Thus, in a further embodiment of the proposed sliding contact, the sliding surfaces of a body may be formed by diamond particles spaced apart, which then either hit a larger continuous sliding surface on the other body or correspondingly smaller sliding surfaces on the other body corresponding to the diamond particles.

Das erste und/oder das zweite Material liegen vorzugsweise in polykristalliner Form im Gleitkontakt vor. So können die Gleitflächen in dieser Ausgestaltung bspw. aus polykristallinem Wolfram und aus polykristallinem Diamant gebildet sein.The first and / or the second material are preferably in polycrystalline form in sliding contact. Thus, the sliding surfaces in this embodiment, for example, be formed of polycrystalline tungsten and polycrystalline diamond.

Der vorgeschlagene Gleitkontakt kann in vielen technischen Anwendungen, bspw. in der Elektronikindustrie, bei der Chipherstellung, bei der Herstellung von MEMS- oder NEMS-Bauteilen oder in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. So ermöglicht der Gleitkontakt mit dem vorgeschlagenen Tribosystem die Erhöhung der Dauerhaltbarkeit von NEMS/MEMS, Chips und Raumfahrtkomponenten, wie bspw. Schwungrädern, Gyroskopen, Solarzellen, Antennen-Laufwerken, Sensor-Pointing Mechanismen, Getrieben, Pumpen, Scan-Geräten, Sensoren, Aktoren oder Schlössern und Verriegelungen. Durch die hohe Härte der beteiligten Materialien ist es möglich, ein breites Spektrum von Pressungen, bspw. von ca. 100 bis 1010 Pa, und Gleitgeschwindigkeiten, bspw. von ca. 0 bis 20 m/s, abzudecken, die in der Regel bei derartigen Komponenten auftreten.The proposed sliding contact can be used in many technical applications, for example in the electronics industry, in chip manufacture, in the production of MEMS or NEMS components or in the aerospace industry. Thus, sliding contact with the proposed tribology system allows increasing the durability of NEMS / MEMS, chips and aerospace components, such as flywheels, gyroscopes, solar cells, antenna drives, sensor-pointing mechanisms, gears, pumps, scanners, sensors, actuators or locks and locks. Due to the high hardness of the materials involved, it is possible to cover a wide range of pressures, for example. From about 100 to 1010 Pa, and sliding speeds, for example. From about 0 to 20 m / s, which are usually in such Components occur.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Der vorgeschlagene Gleitkontakt wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:The proposed sliding contact will be described in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 eine Messung des Reibungskoeffizienten des Tribosystems Diamant-Wolfram im UHV; 1 a measurement of the friction coefficient of the tribosystem diamond tungsten in UHV;

2 eine MD-Simulation von Diamant gegen Wolfram; 2 an MD simulation of diamond versus tungsten;

3 ein erstes Beispiel des vorgeschlagenen Gleitkontaktes in schematischer Darstellung; 3 a first example of the proposed sliding contact in a schematic representation;

4 ein zweites Beispiel des vorgeschlagenen Gleitkontaktes in schematischer Darstellung; und 4 a second example of the proposed sliding contact in a schematic representation; and

5 ein drittes Beispiel des vorgeschlagenen Gleitkontaktes in schematischer Darstellung. 5 a third example of the proposed sliding contact in a schematic representation.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwenden das Tribosystem Wolfram-Diamant für die Gleitkontakte, das besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der geringen Reibung und hohen Verschleißfestigkeit unter extremen Umgebungsbedingungen aufweist.The following embodiments use the tribosystem tungsten diamond for the sliding contacts, the particularly advantageous Low friction and high wear resistance characteristics in extreme environmental conditions.

1 zeigt hierzu eine Messung des Reibungskoeffizienten von Diamant gegen Wolfram im UHV im Vergleich zum Reibungskoeffizienten bei 50% RH (RH: relative Luftfeuchtigkeit) in Abhängigkeit von der Anzahl der Gleitzyklen. Aus der 1 ist ersichtlich, dass der Reibwert im UHV von ca. 0,04 eindeutig niedriger als die Reibung bei 50% RH von ca. 0,14 ist. Nach Ausheizen der UHV-Kammer für mehr als 24 Stunden und der damit verbundenen Reduktion des Partialdrucks von H2O sinkt der Reibwert auf etwa 0,006. 1 shows a measurement of the friction coefficient of diamond versus tungsten in UHV compared to the friction coefficient at 50% RH (RH: relative humidity) as a function of the number of sliding cycles. From the 1 It can be seen that the coefficient of friction in the UHV of about 0.04 is clearly lower than the friction at 50% RH of about 0.14. After annealing the UHV chamber for more than 24 hours and the associated reduction of the partial pressure of H 2 O, the coefficient of friction drops to about 0.006.

Diese geringen Reibwerte lassen sich darauf zurückführen, dass zwischen Diamant und Wolfram keine chemischen Wechselwirkungen bzw. Veränderungen durch den Reibvorgang auftreten. Die Ursache auf molekularer Ebene für diese geringen Veränderungen können durch MD-Simulationen (MD: Molekulardynamik) von Diamant gegen Wolfram beschrieben werden, die unter Benutzung realistischer W-H-C Potenziale durchgeführt wurden. Die 2 zeigt hierzu den simulierten Zustand zu Beginn des Gleitprozesses (Teilabbildung a) nach 100 ps (Teilabbildung b) und nach 7,4 ns (Teilabbildung c). Die oberen Atome stellen hierbei das Wolfram in einer Wolframschicht 3, die unteren Atome den Kohlenstoff in der Diamantschicht 4 dar. Aus der Simulation ist ersichtlich, dass nach Einglätten der Wolframschicht 3 ein reibungsarmer Tibokontakt ohne weitere nennenswerte Materialveränderung erfolgt.These low coefficients of friction can be attributed to the fact that no chemical interactions or changes due to the rubbing process occur between diamond and tungsten. The cause at the molecular level for these minor changes can be described by MD simulations (MD: molecular dynamics) of diamond versus tungsten, which were performed using realistic WHC potentials. The 2 shows the simulated state at the beginning of the sliding process (partial image a) after 100 ps (partial image b) and after 7.4 ns (partial image c). The upper atoms represent the tungsten in a tungsten layer 3 , the lower atoms the carbon in the diamond layer 4 The simulation shows that after the tungsten layer has smeared in 3 a low-friction Tibokontakt without further significant change in material takes place.

3 zeigt ein erstes Beispiel des vorgeschlagenen Gleitkontakts in schematischer Darstellung, bei dem die beiden den Grund- und den Gegenkörper darstellenden Substrate 1, 2 jeweils an ihrer Oberfläche mit Wolfram und Diamant beschichtet sind. Im Beispiel der 3 ist das obere Substrat 1 mit einer Wolframschicht 3, das untere Substrat 2 mit einer Diamantschicht 4 beschichtet. Die Diamantschicht 4 kann dabei aus mikrokristallinem Diamant (MCD) und/oder nanokristallinem Diamant (NCD) gebildet sein. 3 shows a first example of the proposed sliding contact in a schematic representation, in which the two the basic and the counter body performing substrates 1 . 2 each coated on its surface with tungsten and diamond. In the example of 3 is the upper substrate 1 with a tungsten layer 3 , the lower substrate 2 with a diamond layer 4 coated. The diamond layer 4 can be formed from microcrystalline diamond (MCD) and / or nanocrystalline diamond (NCD).

Abhängig vom Substratmaterial können diese Beschichtungen mit verschiedenen PVD- oder CVD-Depositionsverfahren hergestellt werden. Die Dicke der Schichten kann mit dem entsprechenden System beschränkt variiert werden und bspw. im Bereich von 10 nm bis 40 μm liegen. Bei dem Beispiel der 3 stellen die Wolframschicht 3 und die Diamantschicht 4 jeweils die miteinander in Kontakt tretenden Gleitflächen des Grund- und des Gegenkörpers dar, die in der durch den Pfeil angegebenen Gleitrichtung 6 aneinander gleiten. Diese wie auch die nachfolgenden Figuren stellen dabei jeweils einen Ausschnitt aus dem Grund- und Gegenkörper dar. Grund- und Gegenkörper können dabei nur lokal oder auch an ihrer gesamten, zum jeweils anderen Körper gerichteten Oberfläche beschichtet sein.Depending on the substrate material, these coatings can be prepared by various PVD or CVD deposition techniques. The thickness of the layers can be varied in a limited manner with the corresponding system and can be, for example, in the range from 10 nm to 40 μm. In the example of 3 put the tungsten layer 3 and the diamond layer 4 in each case the sliding surfaces of the base body and the counter body which come into contact with one another, which are in the sliding direction indicated by the arrow 6 glide together. These as well as the following figures each represent a section of the base and counter body. Base and counter body can be coated only locally or on their entire, directed to the other body surface.

4 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die beiden den Grund- und den Gegenkörper darstellenden Substrate 1, 2 zur Bildung der Gleitflächen mit Wolfram und Diamant beschichtet sind. In diesem Beispiel ist das obere Substrat 1 am entsprechenden Oberflächenbereich vollständig mit einer Wolframschicht 3 einer geeigneten Dicke beschichtet, während die Gegenfläche, d. h. die Oberfläche des unteren Substrates 2 lediglich teilweise mit Partikeln 5 aus Diamant beschichtet ist. Die Größe der Diamantpartikel 5 kann dabei beispielsweise zwischen ~2 nm und 40 μm betragen. Das untere Substrat 2 weist somit eine Vielzahl von Gleitflächen an der Oberfläche auf, die durch die jeweiligen Diamantpartikel 5 gebildet werden. Durch die voneinander beabstandete Anordnung von Diamantpartikeln 5 anstelle einer geschlossenen Diamantschicht können die Kosten der Beschichtung mit Diamant minimiert werden. Weiterhin wird durch diese Schmierungsstrategie auch die Entwicklung vereinfacht. So kann für das Aufbringen der Diamantpartikel 5 ein Nanokompositmaterial von beispielsweise Siliziumkarbid und Diamant benutzt werden, das auf die Oberfläche des Substrates 2 aufgebracht wird. Das Matrixmaterial dieser Nanokompositschicht wird dann weggeätzt (z. B. mit Phosporsäure H3PO4), um die Diamant-Partikel 5 auf der Oberfläche freizulegen. Dies kann auch unter Verwendung anderer geeigneter Ätzmittel in Verbindung mit dafür geeigneten Nanokompositmaterialien erfolgen. Gerade die Entwicklung und Lebensdauer von Nano- und Mikrosystemen (NEMS/MEMS) kann besonders von diesem Ansatz profitieren. Durch Nutzung von Ätzverfahren zur Freilegung der Diamant-Partikel 5 können Reibungs- und Verschleißraten minimiert und gleichzeitig komplizierte Depositionsverfahren oder Ablagerung flüssiger Schmierstoffe vermieden werden. 4 shows another example in which the two substrates representing the base and the counter body 1 . 2 To form the sliding surfaces are coated with tungsten and diamond. In this example, the upper substrate is 1 at the corresponding surface area completely with a tungsten layer 3 coated to a suitable thickness, while the counter surface, ie the surface of the lower substrate 2 only partially with particles 5 made of diamond is coated. The size of the diamond particles 5 may be, for example, between ~ 2 nm and 40 microns. The lower substrate 2 thus has a plurality of sliding surfaces on the surface, passing through the respective diamond particles 5 be formed. By the spaced arrangement of diamond particles 5 instead of a closed diamond layer, the cost of diamond coating can be minimized. Furthermore, this lubrication strategy also simplifies development. So may for the application of the diamond particles 5 a nanocomposite material of, for example, silicon carbide and diamond may be used which is deposited on the surface of the substrate 2 is applied. The matrix material of this nanocomposite layer is then etched away (eg with phosphoric acid H 3 PO 4 ) to the diamond particles 5 to expose on the surface. This can also be done using other suitable etchants in conjunction with suitable nanocomposite materials. Especially the development and lifetime of nano- and microsystems (NEMS / MEMS) can benefit especially from this approach. By using etching techniques to expose the diamond particles 5 Friction and wear rates can be minimized while avoiding complicated deposition processes or deposition of liquid lubricants.

Auch im Beispiel der 4 ist wieder die Gleitrichtung 6 angedeutet, entlang der Grund- und Gegenkörper aneinander gleiten können. Die Gleitrichtung ist dabei jeweils durch entsprechende Führungen des Grund- und Gegenkörpers vorgegeben, die in den Figuren jedoch nicht dargestellt sind.Also in the example of 4 is the sliding direction again 6 indicated, along the base and counter body can slide together. The sliding direction is in each case predetermined by corresponding guides of the base and counter body, which are not shown in the figures.

5 zeigt schließlich eine Beschichtungsstrategie für Komponenten in Fretting-Anwendungen. Für diese spezielle Anwendung werden beide Komponenten, d. h. die untere Komponente 7 sowie die obere Komponente 8, die wiederum Grund- und Gegenkörper darstellen, gezielt an den Stellen beschichtet, die sich in Kontakt befinden sollen. Im vorliegenden Beispiel, das wie auch die 3 und 4 einen Querschnitt durch den vorgeschlagenen Gleitkontakt zeigt, ist die untere Komponente 7 jeweils mit Diamant-Partikeln 5 zur Herstellung der Gleitflächen und die obere Komponente 8 mit lokalen Wolframschichten bzw. Wolframplatten 3 beschichtet, die jeweils den Diamant-Partikeln 5 der unteren Komponente 7 gegenüber stehen. Die Fretting-Richtung 9 ist in diesem Beispiel ebenfalls mit dem Pfeil angedeutet. 5 finally shows a coating strategy for components in fretting applications. For this particular application are both components, ie the lower component 7 as well as the upper component 8th , which in turn represent the base and counter-body, coated in a targeted manner at the points that are to be in contact. In the present example, as well as the 3 and 4 shows a cross section through the proposed sliding contact is the lower component 7 each with diamond particles 5 for the production of sliding surfaces and the upper component 8th with local tungsten layers or tungsten plates 3 coated, each containing the diamond particles 5 the lower component 7 stand opposite. The fretting direction 9 is also indicated in this example with the arrow.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
oberes Substratupper substrate
22
unteres Substratlower substrate
33
Wolframschichttungsten layer
44
Diamantschichtdiamond layer
55
Diamantpartikeldiamond particles
66
Gleitrichtungsliding
77
untere Komponentelower component
88th
obere Komponenteupper component
99
Fretting-RichtungFretting direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • RR Chromik et al., „In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings”, Wear 2007, 262, Seiten 1239 bis 1252 [0004] RR Chromik et al., "In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings", Wear 2007, 262, pages 1239 to 1252 [0004]

Claims (6)

Gleitkontakt mit einem Grundkörper und einem Gegenkörper (1, 2), die jeweils wenigstens eine Gleitfläche (3, 4) aufweisen, über die sie miteinander in Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können, wobei die in Kontakt stehenden Gleitflächen (3, 4) des Grundkörpers und des Gegenkörpers (1, 2) aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sind, von denen ein erstes Material Wolfram oder Rhenium oder Tantal und ein zweites Material Diamant ist.Sliding contact with a main body and a counter body ( 1 . 2 ), each having at least one sliding surface ( 3 . 4 ), over which they are in contact with each other and can slide by relative movement to each other, wherein the sliding surfaces in contact ( 3 . 4 ) of the main body and of the counterbody ( 1 . 2 ) are formed from mutually different materials, of which a first material is tungsten or rhenium or tantalum and a second material is diamond. Gleitkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gleitflächen (3, 4) durch eine Oberfläche oder einen Oberflächenbereich des Grundkörpers oder Gegenkörpers (1, 2) gebildet ist, wobei der Grundkörper oder Gegenkörper (1, 2) vollständig aus dem ersten oder zweiten Material besteht.Sliding contact according to claim 1, characterized in that at least one of the sliding surfaces ( 3 . 4 ) through a surface or a surface region of the main body or counter body ( 1 . 2 ), wherein the main body or counterbody ( 1 . 2 ) consists entirely of the first or second material. Gleitkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gleitflächen (3, 4) durch eine Beschichtung einer Oberfläche oder eines Oberflächenbereiches des Grundkörpers oder Gegenkörpers (1, 2) gebildet ist, wobei die Beschichtung aus dem ersten oder zweiten Material besteht.Sliding contact according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the sliding surfaces ( 3 . 4 ) by a coating of a surface or a surface region of the main body or counter body ( 1 . 2 ), wherein the coating consists of the first or second material. Gleitkontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitflächen (3, 4) des Grundkörpers oder Gegenkörpers (1, 2), die aus dem zweiten Material bestehen, durch voneinander beabstandete Diamantpartikel (5) gebildet sind, die auf einem Oberflächenbereich des Grundkörpers oder Gegenkörpers (1, 2) aufgebracht sind.Sliding contact according to claim 3, characterized in that the sliding surfaces ( 3 . 4 ) of the main body or counterbody ( 1 . 2 ), which consist of the second material, by spaced-apart diamond particles ( 5 ) are formed on a surface region of the main body or counter body ( 1 . 2 ) are applied. Gleitkontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Material in polykristalliner Form in den Gleitflächen (1, 2) vorliegt bzw. vorliegen.Sliding contact according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and / or the second material in polycrystalline form in the sliding surfaces ( 1 . 2 ) is present or present. Verwendung des Gleitkontaktes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Hoch- oder Ultrahochvakuumanwendungen.Use of the sliding contact according to one of claims 1 to 5 in high or ultra-high vacuum applications.
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VDI-Richtlinien, VDI 2840, Ausgabe vom November 2005 *

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