DE19922665B4 - Process for the production of an extremely smooth fine crystalline diamond layer on three-dimensional bodies and their use - Google Patents

Process for the production of an extremely smooth fine crystalline diamond layer on three-dimensional bodies and their use Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer feinkristallinen Diamantschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra < 1,0 μm auf einem dreidimensionalen Substrat mittels Glühdraht-CVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition), wobei das Verfahren wenigstens zwei Wachstums-Bekeimungs-Zyklen umfasst und die Keimplätze für eine zusätzliche Bekeimung aus Kohlenstoff gebildet werden.A process for producing a fine crystalline diamond layer having a surface roughness R a <1.0 μm on a three-dimensional substrate by means of hot filament chemical vapor deposition (CVD), the process comprising at least two growth-germination cycles and the germination sites for additional nucleation be formed of carbon.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Diamantschicht zur Verminderung der Reibung auf einem dreidimensionalen Grundkörper wie einem Bauteil. Insbesondere betrifft die Anmeldung das Herstellen einer polykristallinen Diamantschicht auf Lager- und Dichtungskomponenten für tribologische Anwendungen.The The present invention relates to a process for the preparation of a Polycrystalline diamond layer to reduce friction on a three-dimensional body like a component. In particular, the application relates to the production of a Polycrystalline diamond layer on bearing and sealing components for tribological Applications.

Es ist bekannt, Flächen von Werkzeugen oder Bauteilen, die hohem Verschleiß ausgesetzt sind, mit einer polykristallinen Diamantschicht zu versehen, die aufgrund ihrer Härte und Verschleißbeständigkeit die Beanspruchung dieser Flächen verringern können und daher die Standzeit der Werkzeuge oder Bauteile erhöhen.It is known areas of tools or components subject to high wear, to be provided with a polycrystalline diamond layer due to their hardness and wear resistance the stress on these surfaces can reduce and therefore increase the service life of the tools or components.

Zur Herstellung von polykristallinen Diamantschichten sind verschiedene Standardverfahren bekannt, beispielsweise Glühdraht-CVD (Hot Filament Chemical Vapor Deposition-Verfahren (HF-CVD)), Mikrowellen-CVD (Microwave Chemical Vapor Deposition-Verfahren (MW-CVD)) oder das Plasmajet-Verfahren. Eine Diskussion dieser Verfahren findet sich etwa in Lux, Haubner und Renat, "Diamond for toolings and abrasives" in "Diamond and Related Materials" 1 (1992), 1035 bis 1047.to Production of polycrystalline diamond films are various Standard methods known, for example, glow wire CVD (Hot Filament Chemical Vapor Deposition Method (HF-CVD)), Microwave CVD (Microwave Chemical Vapor Deposition method (MW-CVD)) or the Plasmajet method. A discussion of these methods can be found in Lux, Haubner and Renat, "Diamond for tooling and abrasive "in" Diamond and Related Materials "1 (1992), 1035 to 1047.

Bei den hierbei erhaltenen Schichten handelt es sich um statistisch gewachsene Diamantschichten, in denen die einzelnen Diamantkristallite unorientiert angeordnet sind. Bei der Herstellung wachsen die einzelnen Diamantkristallite dabei aus vorher auf dem Substrat erzeugten Keimen auf.at the layers obtained are random Grown diamond layers in which the individual diamond crystallites are arranged unoriented. During production, the individual grow Diamond crystallites from previously generated on the substrate germs on.

Derartige unorientiert gewachsene polykristalline Diamantschichten weisen eine hohe Oberflächenrauheit auf.such have unoriented grown polycrystalline diamond layers a high surface roughness on.

Für Reibpaarungen, bei denen zum Beispiel Bauteile oder Komponenten gegeneinander laufen, ist neben hoher Verschleißbeständigkeit und Härte ein geringer Reibungswiderstand für die Qualität ausschlaggebend. Da der Reibwiderstand umso höher ist, je größer die Oberflächenrauheit der Gleitflächen ist, müssen diese möglichst glatt sein. Für bekannte statistisch gewachsene Diamantschichten kann eine ausreichende Glattheit nur durch ein aufwendiges mechanisches Nachpolieren der Oberflächen erhalten werden.For friction pairings, in which, for example, components or components run against each other, is besides high wear resistance and hardness low frictional resistance for the quality decisive. Since the frictional resistance is higher, the larger the surface roughness the sliding surfaces is, have to this possible be smooth. For known statistically grown diamond layers can have a sufficient Smoothness only by a complex mechanical polishing of the surfaces to be obtained.

Der mit der Nachbearbeitung verbundene große und damit unwirtschaftliche Aufwand steht jedoch einer Anwendung dieser konventionellen statistisch gewachsenen Diamantschichten zur Verminderung der Reibung auf komplex geformten Grundkörpern, insbesondere über eine große Flächenausdehnung, entgegen.Of the associated with the post-processing large and thus uneconomical However, effort is an application of this conventional statistical grown diamond layers to reduce friction on complex shaped basic bodies, especially about a big Areal extent, opposite.

Verfahren zur Herstellung von extrem glatten Diamantschichten werden von J. Avigal et al. "(100)-Textured diamond films for tribological applications" in: Diamond and Related Materials, 6 (1997) 381–385, und C. Wild et al., "Chemical vapour desposition and characterization of smooth (100)-faceted diamond films" in: Diamond and Related Materials, 2 (1993) 158–168 beschrieben. Hierbei werden polykristalline Diamantschichten mittels mikrowellenunterstützten CVD-Verfahren orientiert mit (100)-Textur auf Stahl- oder Siliciumsubstraten aufwachsen gelassen. Die erhaltenen Diamantschichten mit orientierter Kristallitstruktur sind sehr glatt und haben einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten.method for the production of extremely smooth diamond layers are of J. Avigal et al. "(100) -Textured diamond films for tribological applications "in: Diamond and Related Materials, 6 (1997) 381-385, and C. Wild et al., "Chemical vapor desposition and characterization of smooth (100) faceted diamond "in: Diamond and Related Materials, 2 (1993) 158-168. Here are Polycrystalline diamond layers oriented by microwave assisted CVD method grown with (100) texture on steel or silicon substrates. The obtained diamond layers with oriented crystallite structure are very smooth and have a very low coefficient of friction.

Weiter wird von J. Avigal, a.a.O., eine polykristalline Diamantschicht mit extrem kleinen Kristalliten, auch Nanokristallitschicht bezeichnet, beschrieben, die erhalten wird, indem dem Reaktionsgas für das MW-CVD zur Herstellung einer (100)-texturierten Schicht ein erhöhter Stickstoffgehalt zugesetzt wird. Auch diese Schicht ist sehr glatt und weist einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf.Further by J. Avigal, supra, a polycrystalline diamond layer with extremely small crystallites, also called nanocrystallite layer, which is obtained by the reaction gas for the MW-CVD for producing a (100) textured layer an increased nitrogen content is added. Also this layer is very smooth and has a very low coefficient of friction.

Das dort beschriebene Verfahren der mikrowellenunterstützten CVD ist jedoch aufgrund der besonderen Plasmageometrie auf ebene, vergleichsweise kleine Flächen beschränkt. Es eignet sich nicht zur Herstellung von homogenen glatten Diamantschichten auf dreidimensionalen komplex geformten Grundkörpern oder insbesondere dreidimensionalen komplex geformten Grundkörpern mit großer Ausdehnung.The There described method of microwave assisted CVD However, due to the special plasma geometry on level, comparatively small areas limited. It is not suitable for the production of homogeneous smooth diamond layers on three-dimensional complex shaped basic bodies or in particular three-dimensional complex shaped basic bodies with big ones Expansion.

Die prioritätsältere nicht vorveröffentlichte Anmeldung der Anmelderin mit deutschen Aktenzeichen DE 198 09 675.5 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Diamantinnenbeschichten von rohrförmigen Hohlkörpern begrenzter Länge sowie danach erhaltene Hohlkörper. Die nach dem dort beschriebenen HF-CVD-Verfahren erhaltenen Schichten können eine Oberflächenrauheit in der Größenordnung von nur 100 nm aufweisen.The priority older not previously published application of the applicant with German file number DE 198 09 675.5 relates to a device and a method for diamond inner coating of tubular hollow bodies of limited length and hollow bodies obtained thereafter. The layers obtained by the HF-CVD process described therein may have a surface roughness of the order of only 100 nm.

Es handelt sich hierbei um statistisch gewachsene Schichten, die verfahrensbedingt jedoch noch einen verhältnismäßig hohen Anteil an Kohlenstoff aufweisen, der nicht in der Diamantmodifikation vorliegt. Diese nicht Diamant-Kohlenstoffanteile können z. B. mittels Ramanspektroskopie nachgewiesen werden. Der nicht Diamant-Kohlenstoff konzentriert sich bevorzugt an den Korngrenzen der Diamantkristallite. Aufgrund der dadurch bedingten verringerten Phasenreinheit besitzen diese Schichten eine geringere chemische Stabilität und eignen sich nicht oder nur stark eingeschränkt für tribo-chemisch beanspruchte Komponenten wie sie z. B. für die chemische Industrie oder Kraftwerkstechnik erforderlich sind.These are statistically grown layers, which due to the process, however, still have a relatively high proportion of carbon, which is not present in the diamond modification. These non-diamond carbon fractions may e.g. B. be detected by Raman spectroscopy. The non-diamond carbon preferably concentrates at the grain boundaries of the diamond crystallites. Due to the resulting reduced phase purity, these layers have a lower chemical stability and are not or only very limited for tribo-chemically stressed components as z. B. for the chemi industrial or power plant technology are required.

In Patent Abstracts of Japan, C-824, betreffend JP 03-28373 A , wird ein Element mit einer Diamantschicht beschrieben, wobei auf der Diamantschicht eine zusätzliche DLC-Schicht abgeschieden worden ist. Dieses Schichtsystem soll insbesondere für verschleißfeste Elemente und Schneidwerkzeuge geeignet sein. Ein Hinweis auf das für die Abscheidung eingesetzte Verfahren, insbesondere die speziellen Verfahrensmaßnahmen, findet sich jedoch nicht.In Patent Abstracts of Japan, C-824 JP 03-28373 A , an element with a diamond layer is described wherein an additional DLC layer has been deposited on the diamond layer. This layer system should be suitable in particular for wear-resistant elements and cutting tools. However, there is no reference to the process used for the deposition, in particular the special process measures.

In Patent Abstracts of Japan, CD-ROM, betreffend JP 11-19572 A , wird eine keramische Laufbuchse mit einer Oberflächenschicht aus DLC und/oder Diamant beschrieben, die als Halterung für einen zylinderförmigen Behälter dienen soll, der bedruckt werden soll.In Patent Abstracts of Japan, CD-ROM JP 11-19572A , A ceramic liner is described with a surface layer of DLC and / or diamond, which is to serve as a holder for a cylindrical container to be printed.

Auch hier findet sich kein Hinweis auf das für die Beschichtung eingesetzte Verfahren, noch auf die speziellen Verfahrensmaßnahmen.Also There is no indication here of what was used for the coating Procedure, nor on the specific procedural measures.

In EP-A-0 561 588 werden mehrlagige Diamantschichten beschrieben, die mittels CVD erhalten werden können. Für die Sekundärbekeimung werden hier als Keime Metalle verwendet, sodass es bei der Schichtabscheidung zur Karbidbildung kommt. Reine Kohlenstaff-Kohlenstoffbindungen sind jedoch stärker als Karbidbindungen.In EP-A-0 561 588 Multi-layer diamond coatings are described which can be obtained by CVD. For the secondary germination, metals are used as nuclei, so that carbide formation occurs during layer deposition. However, pure carbonaceous carbon bonds are stronger than carbide bonds.

In „Surface and Coating Technology" 72 (1995), Seiten 78 bis 87, werden verschleißbeständige Diamantschichten auf einem Substrat aus Aluminiumoxid, insbesondere einem Lager oder Dichtungsringen, beschrieben. Es handelt sich hierbei um ein Mehrkomponenten-Mehrschichtsystem, wobei als Zwischenschicht/Zwischenschichien Diamantschichten mit Titan als Fremdelement eingesetzt werden.In "Surface and Coating Technology "72 (1995), Pages 78 to 87, wear-resistant diamond coatings are used a substrate of alumina, in particular a bearing or Sealing rings, described. This is a multi-component multilayer system, wherein as interlayer / Zwischenschichien diamond layers with Titanium can be used as a foreign element.

Mit den bekannten Verfahren konnte somit bisher keine direkte und dabei gleichförmige und präzis konturgetreue Beschichtung von Bauteilen mit einer extrem glatten Diamantschicht erhalten werden, die eine hohe Oberflächengüte und -maßhaltigkeit erfordern, und wobei die Diamantschicht zusätzlich zur tribologischen Belastbarkeit eine hohe chemische Stabilität aufweist.With The known method thus far could not direct and thereby uniform and precise Contour-faithful coating of components with an extremely smooth Diamond layer are required, which require a high surface quality and dimensional accuracy, and wherein the diamond layer in addition to tribological resilience has a high chemical stability.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer extrem glatten Diamantschicht auf einem dreidimensionalen Grundkörper, wie ein komplex geformtes Bauteil, zur Verfügung zu stellen, die neben ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften eine hohe chemische Stabilität aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, wobei die Diamantschicht auch bei großer Flächenausdehnung ein gleichmäßig homogenes extrem glattes Oberflächenprofil aufweist ohne die Präzision der vorgegebenen Oberflächenstrukturen des Grundkörpers zu beeinträchtigen.It is therefore an object of the present invention, a method for Production of an extremely smooth diamond layer on a three-dimensional base body, such as to provide a complex shaped component, in addition to excellent tribological properties has a high chemical stability. In particular, it is an object to provide such a method place, wherein the diamond layer even with large surface area a uniformly homogeneous extremely smooth surface profile without the precision the given surface structures of the basic body to impair.

Damit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ein dreidimensionaler Grundkörper auch über einen größeren Flächenbereich konturgetreu mit einer gleichmäßig homogenen extrem glatten Diamantschicht versehen werden kann.In order to It is an object of the present invention to provide a method with a three-dimensional body also over a larger surface area contoured with a uniformly homogeneous extremely smooth diamond layer can be provided.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche bevorzugte Ausgestaltungen enthalten.These Task is solved by a method having the features of claim 1, wherein the subclaims preferred Embodiments included.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Oberflächenrauheit Ra < 250 nm erhalten.According to a particularly preferred embodiment, a surface roughness R a <250 nm is obtained.

Im Sinne der Erfindung ergibt sich die Oberflächenrauheit Ra nach DIN NR 4760 und 4762.For the purposes of the invention, the surface roughness R a according to DIN NR 4760 and 4762 results.

Im Sinne der Erfindung bedeutet „feinkristallin", daß die Diamantschicht, bezogen auf die Schichtdicke, eine Vielzahl sehr kleiner Kristallite aufweist, die nicht auf Keimen auf dem Substrat aufgewachsen sind.in the Meaning of the invention "fine crystalline" means that the diamond layer, based on the layer thickness, a large number of very small crystallites which did not grow on germs on the substrate.

Im Sinne der Erfindung bedeutet „dreidimensionaler Grundkörper" einen komplex geformten Körper der im Gegensatz zu einer ebenen Fläche eine strukturierte Oberfläche mit Rundungen, Kanten, Ecken, Vertiefungen etc. aufweist.in the Meaning of the invention means "three-dimensional Body "a complex shaped body in contrast to a flat surface with a structured surface Rounding, edges, corners, depressions, etc. has.

Der erfindungsgemäß erhaltene dreidimensionale Grundkörper mit extrem glatter feinkristalliner Diamantschicht wird mittels eines Hot Filament Chemical Vapour Deposition-Verfahrens mit wiederholten, jedoch wenigstens zwei, Bekeimungs- und Wachstumszyklen erzeugt. Die zusätzlichen Keimbildungsphasen führen zu hohen sekundären Keimdichten von zum Beispiel > 109/cm2.The three-dimensional basic body with extremely smooth fine-crystalline diamond layer obtained in accordance with the invention is produced by means of a Hot Filament Chemical Vapor Deposition process with repeated but at least two nucleation and growth cycles. The additional nucleation phases lead to high secondary nucleus densities of, for example,> 10 9 / cm 2 .

Die Anzahl der Zyklen hängt von der gewünschten Schichtdicke und Oberflächenrauheit ab.The Number of cycles depends from the desired Layer thickness and surface roughness from.

Es handelt sich hierbei um einen mehrstufigen Prozeß, wobei die Schicht mit wenigstens zwei Bekeimungs-Wachstums-Zyklen aufwachsen gelassen wird.It This is a multi-stage process, the layer with at least growing two germination growth cycles.

Mit dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Prozeß mit wenigstens zwei Bekeimungs-Wachstumszyklen können. Diamantschichten mit einer extrem geringen Oberflächenrauheit von etwa 0,025 μm direkt auf einem dreidimensionalen Grundkörper abgeschieden werden, ohne daß eine Nachbehandlung erforderlich ist.With the multi-stage process according to the invention with at least two seedling growth cycles. Diamond films with an extremely low surface roughness of about 0.025 μm di be deposited directly on a three-dimensional body without a post-treatment is required.

In 1 ist der Aufbau einer herkömmlichen statistisch gewachsenen Diamantschicht mit nur einem Bekeimungszyklus gezeigt.In 1 the construction of a conventional randomly grown diamond layer with only one seeding cycle is shown.

2 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäß erhaltenen feinkristallinen Diamantschicht. 2 shows schematically the structure of a fine crystalline diamond layer obtained according to the invention.

In 1 ist ein normaler Beschichtungsvorgang dargestellt, in dem die Kristalle immer größer wachsen, ein Teil der Keime übewachsen wird und eine Oberflächenrauheit entsteht, die etwa 10–15% der Schichtdicke beträgt.In 1 is a normal coating process is shown in which the crystals grow ever larger, overgrow a portion of the germs and a surface roughness is formed, which is about 10-15% of the layer thickness.

In 2 ist ein Wachstum entsprechend der Erfindung gezeigt. Durch zyklisch aufeinanderfolgende Bekeimungs- und Wachstumsphasen resultieren kleinere Kristalle (geringere mittlere Kristallitgröße) und eine deutlich geringere Oberflächenrauheit (etwa 10% der Dicke einer Wachstumsphase).In 2 a growth according to the invention is shown. Cyclic successive nucleation and growth phases result in smaller crystals (lower average crystallite size) and significantly lower surface roughness (about 10% of the thickness of a growth phase).

Bei den herkömmlichen unorientiert gewachsenen Diamantschichten wachsen die Kristallite aus Keimen, die direkt auf dem vorbehandelten Substrat angesiedelt sind. Dabei wachsen die einzelnen Kristallite unorientiert ausgehend von den Keimen direkt auf der Substratoberfläche in die Höhe bis zur endgültigen Schichtdicke, so daß die fertige Schicht, bezogen auf die Schichtdicke, in der Überzahl Kristallite aufweist, die sich von der Substratoberfläche bis zur Schichtaußenfläche erstrecken.at the conventional one Unoriented grown diamond layers grow the crystallites from germs that settled directly on the pretreated substrate are. The individual crystallites grow unoriented from the germs directly on the substrate surface in the height up to final Layer thickness, so that the finished layer, based on the layer thickness, in the majority Has crystallites extending from the substrate surface up to extend to the layer outer surface.

Mit Zunahme der Schichtdicke nimmt dabei die Größe der Kristallite und als Folge davon die Oberflächenrauheit der Schicht zu.With Increase in the layer thickness decreases the size of the crystallites and as Result of it the surface roughness the shift too.

Im Gegensatz dazu zeigt die erfindungsgemäß erhaltene gewachsene feinkristalline Diamantschicht bezogen auf die Schichtdicke in der Mehrzahl Mikrokristallite, deren Ausdehnung geringer ist als die Schichtdicke einschließlich von Mikrokristalliten deren Keim nicht auf der Substrat Oberfläche angesiedelt ist, da durch die zusätzlichen Bekeimungszyklen Keime auf bereits gewachsenen Kristalliten erzeugt werden, aus denen weitere Kristallite wachsen. Die Schichtmorphologie weist somit eine Vielzahl von kleinen Mikrokristalliten auf, die ungeordnet in alle Richtungen wachsen und aufgrund ihrer geringen Größe letztendlich eine wesentlich glattere Oberfläche bilden als die vergleichsweise großen Kristallite, die erhalten werden, wenn die Schicht überwiegend aus auf dem Substrat befindlichen Keimen wachsen gelassen wird.in the In contrast, the grown finely crystalline obtained according to the invention shows Diamond layer based on the layer thickness in the majority of microcrystallites, whose extent is less than the layer thickness including Microcrystallites whose seed is not located on the substrate surface, because of the extra Germination cycles germs on already grown crystallites from which more crystallites grow. The layer morphology thus has a multiplicity of small microcrystallites which grow disorderly in all directions and ultimately because of their small size a much smoother surface form as the comparatively large crystallites obtained if the layer is predominantly off grown on the substrate germs is grown.

Die erfindungsgemäß erhaltenen Diamantschichten besitzen eine hohe Phasenreinheit und zeigen daher eine sehr gute chemische Stabilität, insbesondere Korrosionsstabilität.The obtained according to the invention Diamond layers have a high phase purity and therefore show a very good chemical stability, in particular corrosion stability.

Durch Einstellung der Oberflächenrauheit Ra auf < 1,0 μm, vorzugsweise < 0,5 μm und insbesondere < 250 nm, weisen sie neben hoher Verschleißbeständigkeit und Härte zusätzlich einen extrem geringen Reibungswiderstand auf.By adjusting the surface roughness R a to <1.0 .mu.m, preferably <0.5 .mu.m and in particular <250 nm, they have in addition to high wear resistance and hardness in addition to an extremely low frictional resistance.

Die erfindungsgemäß erhaltenen dreidimensionalen Grundkörper mit extrem glatter feinkristalliner Diamantschicht können somit vorteilhaft für Anwendungen eingesetzt werden, die neben einer hohen tribologischen Belastbarkeit auch chemische Verschleißbeständigkeit erfordern, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie oder Kraftwerkstechnik ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.The obtained according to the invention three-dimensional body with extremely smooth fine crystalline diamond layer can thus advantageous for Applications are used in addition to a high tribological Resilience also require chemical wear resistance, such as Example in the chemical industry or power plant technology without but limited thereto to be.

Bevorzugte Anwendungen sind Lager- und Dichtungskomponenten, wie Gleitringdichtungen, Kugellager, zum Beispiel keramische Kugellager, Kugelhähne, Ventile, Wälzlager, Gleitlager, etc., wobei mindestens ein Bauteil davon mit einer erfindungsgemäßen Schicht versehen ist.preferred Applications include bearing and seal components, such as mechanical seals, ball bearings, for example, ceramic ball bearings, ball valves, valves, rolling bearings, Plain bearing, etc., wherein at least one component thereof with a layer according to the invention is provided.

Das Material der zu beschichtenden Fläche bzw. des Grundkörpers kann ein beliebiges Material sein, wie es für derartige Beschichtungsverfahren verwendet wird.The Material of the surface to be coated or the base body can be any material as used for such coating processes becomes.

Beispielsweise kann es ausgewählt sein unter Keramiken, wie silicium-, aluminium- oder borbasierten Keramiken, Hartmetallen, wie WC-Co 6%, Metallen, wie beispielsweise Tantal, Titan oder Wolfram, und Hartkohle.For example it can be selected be among ceramics, such as silicon, aluminum or boron-based Ceramics, hard metals, such as WC-Co 6%, metals, such as Tantalum, titanium or tungsten, and hard coal.

Zur Ausbildung der extrem glatten feinkristallinen Beschichtung mit Ra weniger als 1,0 μm ist die Apparategeometrie so anzupassen, daß ein gleichmäßiges Wachstum der Kristallite über die gesamte zu beschichtende Fläche einschließlich der vorhandenen Strukturen erfolgt.In order to form the extremely smooth, finely crystalline coating with R a less than 1.0 μm, the geometry of the apparatus must be adjusted so that a uniform growth of the crystallites takes place over the entire surface to be coated, including the existing structures.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung eines dreidimensionalen Grundkörpers mit einer gleichmäßig homogenen, feinkristallinen Diamantschicht mit einer Oberflächenrauheit von Ra kleiner als 1,0 μm wird nachstehend anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht.The inventive method for coating a three-dimensional base body with a uniformly homogeneous, finely crystalline diamond layer having a surface roughness of R a smaller than 1.0 microns is illustrated below with reference to a particularly preferred embodiment.

Ein homogenes Schichtwachstum kann erreicht werden, indem z. B. der Filament-Filament-Abstand dem Filament-Substrat-Abstand annährend gleich gewählt wird.One homogeneous layer growth can be achieved by z. B. the Filament-filament distance approximately equal to the filament-substrate distance chosen becomes.

Geeignete Filament – Filamentabstände betragen z. B. 10 mm bis 20 mm, insbesondere 15 mm bis 20 mm, wobei ein Abstand von 18 mm besonders bevorzugt ist.Suitable filament - filament spacings are z. B. 10 mm to 20 mm, in particular 15 mm to 20 mm, with a distance of 18 mm is particularly preferred.

Der Filament – Substratabstand liegt vorzugsweise bei 10 mm bis 40 mm, insbesondere bei 15 mm bis 25 mm, wobei ein Abstand von 20 mm besonders bevorzugt Für das erfindungsgemäße Verfahren können vorzugsweise Filamente aus Wolfram oder bevorzugt Tantal eingesetzt werden, mit einem Durchmesser von vorzugsweise 0,25 mm bis 1,5 mm, insbesondere von 0,40 mm bis 1,0 mm, und besonders bevorzugt von 0,5 mm.Of the Filament - Substrate distance is preferably 10 mm to 40 mm, in particular 15 mm 25 mm, with a distance of 20 mm is particularly preferred for the inventive method can preferably filaments of tungsten or preferably tantalum used be, with a diameter of preferably 0.25 mm to 1.5 mm, in particular from 0.40 mm to 1.0 mm, and more preferably from 0.5 mm.

Vor der eigentlichen Beschichtung kann der Grundkörper bei Bedarf in üblicher Weise unter Beibehaltung der für die Anwendung erforderlichen Oberflächenrauheit vorbehandelt und/oder einer an das Grundmaterial angepaßten Standardreinigung unterzogen werden.In front the actual coating, the base body when needed in the usual Way while maintaining the for the application required surface roughness pretreated and / or subjected to a standard material adapted to standard cleaning become.

Der gegebenenfalls vorbehandelte Grundkörper wird dann auf übliche Weise vorbekeimt, z. B. mit Nano-Diamantpulver in einer Suspension mit organischen Lösungsmitteln, wie Ethanol, in einem Ultraschallbad oder durch Aufsprühen.Of the optionally pretreated body is then in the usual way germinates, z. B. with nano-diamond powder in a suspension with organic solvents, such as ethanol, in an ultrasonic bath or by spraying.

Die Abscheidung selbst erfolgt vorzugsweise bei einer Filamenttemperatur von 2200°C bis 2800°C, insbesondere 2400°C bis 2600°C, und einer Substrattemperatur von vorzugsweise 500°C bis 950°C, insbesondere von 750°C bis 850°C.The Deposition itself is preferably carried out at a filament temperature from 2200 ° C up to 2800 ° C, especially 2400 ° C up to 2600 ° C, and a substrate temperature of preferably 500 ° C to 950 ° C, in particular from 750 ° C up to 850 ° C.

Als Kohlenstoffverbindung für das Reaktionsgas wird vorzugsweise Methan gewählt.When Carbon compound for the reaction gas is preferably selected methane.

Für die erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform enthält das Reaktionsgas vorzugsweise 0,5 Vol.% bis 3,0 Vol.%, insbesondere 0,5 Vol.% bis 1,5 Vol.%, Kohlenstoffverbindung, Rest Wasserstoff, wobei der Gesamtgasfluß in einem Bereich von 0,5 Standardliter pro Minute (slm) bis 2,0 slm bei einem Reaktorvolumen von bis zu 150 l ausgewählt sein kann.For the inventively preferred embodiment contains the reaction gas preferably 0.5 vol.% To 3.0 vol.%, In particular 0.5 vol.% To 1.5 vol.%, Carbon compound, balance hydrogen, the total gas flow in a range of 0.5 standard liters per minute (slm) to 2.0 slm at a reactor volume of up to 150 l may be selected.

Ein geeigneter Druck beträgt von 10 mbar bis 100 mbar, insbesondere 10 mbar bis 40 mbar.One suitable pressure is from 10 mbar to 100 mbar, in particular 10 mbar to 40 mbar.

Die Bekeimung in zusätzlichen Bekeimungszyklen, auch in-situ-Bekeimung genannt, erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt als Bias-Bekeimung durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) oder einer hochfrequenten Wechselspannung (RF) von 50 V bis 500 V, insbesondere von 150 V bis 300 V.The Germination in additional Bekeimungszyklen, also called in-situ seeding, according to the invention is preferred as bias seeding by applying a direct current (DC) or a high frequency alternating voltage (RF) of 50 V to 500 V, in particular from 150 V to 300 V.

Dabei wird die Konzentration der Kohlenstoffverbindung, vorzugsweise Methan, auf 1,0 Vol.% bis 5 Vol.%, insbesondere 2,0 Vol.% bis 3,0 Vol.% erhöht, der Druck liegt hier vorzugsweise bei 0,1 mbar bis 30 mbar.there is the concentration of the carbon compound, preferably methane, to 1.0 vol.% to 5 vol.%, in particular 2.0 vol.% to 3.0 vol.% elevated, the pressure here is preferably 0.1 mbar to 30 mbar.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sollte die Anfangsphase bis zum Beginn des Kristallitwachstums möglichst kurz gehalten werden, um ein Auflösen der sehr kleinen Keime durch Diffusion in den Grundkörper, Reaktion mit dem Grundkörpermaterial, z. B. Carbidbildung, oder Reaktion mit der Gasphase, wie Ätzen durch den in der Gasphase vorhandenen atomaren Wasserstoff, zu verhindern.For the inventive method The initial phase should be as much as possible until the onset of crystallite growth be kept short to dissolve the very small germs by diffusion into the body, Reaction with the body material, z. As carbide formation, or reaction with the gas phase, such as etching through Prevent the existing in the gas phase, atomic hydrogen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß das Substrat erst in Kontakt mit dem Reaktionsgas gebracht wird, wenn die Substrattemperatur für die Beschichtung erreicht ist, indem das Substrat beispielsweise zusätzlich beheizt wird, um eine schnellere Aufheizung zu erzielen, oder durch Verwendung von Trennwänden, sogenannten Shuttern, zur Trennung von Substrat und Reaktionsgas während der Aufheizphase.In a preferred embodiment this is achieved by the Substrate is brought into contact with the reaction gas, if the substrate temperature for the coating is achieved by the substrate, for example additionally is heated to achieve faster heating, or by Use of partitions, so-called shutters, for the separation of substrate and reaction gas while the heating phase.

Die Anzahl der Wiederholungen der Abscheidungs- und In-Situ-Bekeimungszyklen wird in Abhängigkeit von der gewünschten Schichtdicke und Oberflächenrauheit, die aus der Kristallitgröße resultiert, gewählt.The Number of repetitions of the deposition and in situ seeding cycles becomes dependent from the desired Layer thickness and surface roughness, which results from the crystallite size, selected.

Die durchschnittliche Kristallitgröße in der Schicht läßt sich über die Dauer der Abscheidungsphasen (Wachstumsphasen) und die Anzahl der In-Situ-Bekeimungen einstellen und z. B. mittels Röntgenbeugung nachweisen.The average crystallite size in the layer can be over the Duration of the deposition phases (growth phases) and the number of in-situ germination adjust and z. B. by X-ray diffraction prove.

Besteht die zu beschichtende Fläche des Grundkörpers aus einem nicht leitfähigen Material, wie zum Beispiel Keramik, kann das Substrat durch Beheizung auf die erforderliche Temperatur gebracht werden. Die Beheizung kann zum Beispiel durch ein Hochfrequenzplasma erfolgen.Consists the area to be coated of the basic body from a non-conductive Material, such as ceramics, can heat the substrate by heating be brought to the required temperature. The heating can be done for example by a high-frequency plasma.

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung einer feinkristallinen Diamantschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra < 1,0 μm auf einem dreidimensionalen Substrat mittels Glühdraht-CVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition), wobei das Verfahren wenigstens zwei Wachstums-Bekeimungs-Zyklen umfasst und die Keimplätze für eine zusätzliche Bekeimung aus Kohlenstoff gebildet werden.A process for producing a fine crystalline diamond layer having a surface roughness R a <1.0 μm on a three-dimensional substrate by means of hot filament chemical vapor deposition (CVD), the process comprising at least two growth-germination cycles and the germination sites for additional nucleation be formed of carbon. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filamentmaterial ausgewählt wird unter Wolfram oder Tantal.Method according to claim 1, characterized in that that the filament material is selected is under tungsten or tantalum. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filamentdurchmesser ausgewählt wird, der 0,25 mm bis 1,5 mm beträgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that a filament diameter is selected which is 0.25 mm to 1.5 mm. Verfahren nach einem der 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filament-Filament-Abstand ausgewählt wird, der in einem Bereich von 10 mm bis 20 mm liegt.Method according to one of the 1 to 3, characterized in that a filament-filament spacing is selected which ranges from 10 mm to 20 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filament-Substrat-Abstand ausgewählt wird, der in einem Bereich von 10 mm bis 40 mm liegt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that a filament-substrate distance is selected which is in a range of 10 mm to 40 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamenttemperatur ausgewählt wird aus einem Bereich von 2200°C bis 2800°C.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the filament temperature is selected from a range from 2200 ° C to 2800 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrattemperatur ausgewählt wird aus einem Bereich von 500°C bis 950°C.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the substrate temperature is selected from a range of 500 ° C up to 950 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Kohlenstoffverbindung in dem Reaktionsgas während der Wachstumsphase in einem Bereich von 0,5 Vol.% bis 3,0 Vol.% und während der zusätzlichen Bekeimungszyklen in einem Bereich von 1,5 Vol.% bis 5 Vol.% ausgewählt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized the concentration of carbon compound in the reaction gas while the growth phase in a range from 0.5 vol.% to 3.0 vol.% and while the additional germination cycles is selected in a range of 1.5 vol.% to 5 vol.%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zusätzliche Bekeimung (In-Situ-Bekeimung) als Bias-Bekeimung bei einer Spannung von 50 V bis 500 V erfolgt.Method according to one of claims 1 to 8, characterized that the at least one extra Germination (in-situ germination) as bias germination at a voltage from 50V to 500V. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat zur schnelleren Aufheizung zusätzlich beheizt wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the substrate is additionally heated for faster heating. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und das Reaktionsgas während der Aufheizphase durch eine Trennwand voneinander getrennt werden.Method according to one of claims 1 to 10, characterized that the substrate and the reaction gas during the heating phase by a Partition to be separated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht auf einer Fläche aus Keramik oder Metall aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the diamond layer is made up of a surface Ceramic or metal is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenrauhigkeit Ra der Diamantschicht < 0,5 μm erhalten wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a surface roughness R a of the diamond layer <0.5 μm is obtained. Verwendung einer feinkristallinen Diamantschicht die erhältlich ist nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 als verschleißbeständige Gleitschicht in einer Reibpaarung ausgewählt unter einem Wälzlager, Gleitlager, Gleitringdichtung und einem Ventil.Use of a fine crystalline diamond layer the available is according to a method according to a the claims 1 to 13 as a wear-resistant sliding layer selected in a friction pairing under a rolling bearing, Slide bearing, mechanical seal and a valve.
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