DE69105383T2 - Werkzeugeinsatz. - Google Patents

Werkzeugeinsatz.

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/01Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes on temporary substrates, e.g. substrates subsequently removed by etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugeinsatz und insbesondere auf einen solchen Einsatz, der eine verschleißfeste Oberfläche aufweist.
  • Es werden viele Werkzeugeinsätze kommerziell verwendet, die eine verschleißfeste Oberfläche aufweisen. Beispiele für solche Einsätze sind Düsen und vager. Im Falle von Düsen können verschleißfeste Oberflächen durch Sintercarbid oder durch ein Metall bereitgestellt werden. Solche Oberflächen neigen zu kurzen Nutzungsdauern, wenn sie widrigen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind.
  • GB-A-1 012 529 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung eines Kunststoffmaterials mit einem stark haftenden nichtmetallischen anorganischen Film wie einem Titandioxidfilm, umfassend das Beschichten eines erwärmten festen chemisch inerten Trägermaterials wie Gold mit einem nichtmetallischen anorganischen Film durch eine Dampfphasentechnik, die eine chemische Reaktion, z.B. die Hydrolyse von TiCl&sub4;-Dampf, beinhaltet, das Binden des Films an das Kunststoffmaterial und das Trennen des Trägers von dem Film.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeugeinsatz bereitgestellt, der eine Diamantschicht umfaßt, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten Hauptflächen darbietet, wobei die eine Hauptfläche der Diamantschicht eine verschleißfeste Oberfläche für den Werkzeugeinsatz bereitstellt und die andere Hauptfläche der Diamantschicht an einen Träger auf Polymerbasis gebunden ist, der eine ausreichende Festigkeit besitzt, um die Kräfte auszuhalten, denen der Werkzeugeinsatz bei der Verwendung ausgesetzt ist.
  • Weiterhin beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugeinsatzes, wie er oben beschrieben ist, umfassend die Schritte des Bereitstellens einer geeigneten Form, der Abscheidung einer Diamantschicht auf wenigstens einem Teil einer Fläche der Form, der Bindung eines Trägers auf Polymerbasis, wie er oben beschrieben ist, an eine Fläche der Diamantschicht und des Entfernens der Form, um auf der Schicht eine verschleißfeste Diamantoberfläche bloßzulegen.
  • Die Zeichnungen veranschaulichen schematisch die verschiedenen Schritte der Ausführung der Erfindung.
  • Die verschleißfeste Oberfläche der Diamantschicht ist vorzugsweise so geformt, daß sie einen Kanal definiert, dessen Querschnitt typischerweise eine geschlossene Gestalt hat. Beispiele für geeignete Kanäle sind zylindrische und konische Kanäle. Beispiele für solche Werkzeugeinsätze sind Düsen.
  • Der Werkzeugeinsatz kann auch ein Lager sein.
  • Das Polymer soll hinreichend fest sein, um die Kräfte auszuhalten, denen der Werkzeugeinsatz während der Verwendung ausgesetzt ist. Es wird daher gemäß der Natur des Einsatzes variieren. Das Polymer kann ein Thermoplast oder ein Duroplast sein. Im allgemeinen werden Thermoplaste bevorzugt.
  • Das Polymer kann zum Beispiel die folgenden Merkmale aufweisen:
  • Dichte: 0,90-1,23 g/cm³
  • Wärmekapazität: 1,916-2,100 kJ/Kg/K
  • Zugfestigkeit: 12-200 N/mm²
  • Erweichungstemperatur: 88 bis 155ºC
  • Rockwell-Härte: 44-60 C-Skala
  • thermischer Ausdehnungskoeffizient: 5 - 710 ppm
  • Beispiele für Polymere mit diesen Merkmalen sind Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonate, Neopren und Polybutadien. Solche Polymere sind besonders geeignet für Werkzeugeinsätze, die Düsen sind.
  • Weitere Beispiele für geeignete Thermoplaste sind Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyaryletherketon, Poly(amid-imid) und Polyphenylensulfid.
  • Das Polymer kann verstärkt werden, indem man Fasern oder Pulver mit einbezieht oder darin einbettet. Diese Pulver können metallischer oder keramischer Natur sein, und ein besonders geeignetes Beispiel ist Graphitpulver oder -faser. Ein Beispiel für geeignete Metallteilchen sind Kupferteilchen. Typischerweise wird das Pulver oder die Faser in einer Menge von bis zu 40 Massenprozent des Polymers bereitgestellt.
  • Ein Beispiel für ein geeignetes Polymer ist ein hochstrapazierfähiges Poly(amid-imid)harz wie das unter dem Handelsnamen Torlon verkaufte. Ein besonders geeignetes Harz dieses Typs ist das mit der Nummer 7130, das 30 Massenprozent Graphitfasern und 1 Massenprozent Fluorkohlenstoff enthält.
  • Die Diamantschicht kann durch Methoden erzeugt oder auf der Form abgeschieden werden, die in der Technik bekannt sind, wie Chemical Vapour Deposition (CVD; chemische Abscheidung aus dem Dampf) und Ionenimplantation (auch bekannt als Ionenstrahlabscheidung) Die bevorzugte Methode ist CVD, mit der auf der Form eine CVD- Diamantschicht entsteht.
  • CVD beinhaltet die Synthese von Diamant aus der Gasphase. Der Vorgang umfaßt im allgemeinen das Bereitstellen eines Gemischs aus Wasserstoff- oder Sauerstoffgas und einer geeigneten gasförmigen Kohlenstoffverbindung wie einem Kohlenwasserstoff, die Anwendung von genügend Energie auf das Gas, um den Wasserstoff oder Sauerstoff zu atomarem Wasserstoff oder Sauerstoff und das Gas zu aktiven Kohlenstoff-Ionen, -atomen oder CH-Radikalen zu dissoziieren und um die Abscheidung solcher aktiven Spezies auf einem Substrat unter Bildung von Diamant zu ermöglichen. Die Dissoziation der Gase kann durch eine Vielzahl von Methoden erfolgen.
  • Eine solche Methode ist die Verwendung eines Glühdrahtes. Bei dieser Methode beträgt die Gastemperatur am Glühdraht etwa 2000ºC, und das Substrat, auf dem das Wachstum von Diamant erfolgt, ist bei 800 bis 1100ºC.
  • Eine zweite häufig verwendete Methode ist eine plasmaunterstützte Methode. Der Wasserstoff oder Sauerstoff und die gasförmige Kohlenstoffverbindung werden in einem Plasmabereich in einen Reaktionszustand angeregt. Die Anregungsenergie kann Mikrowelle, RF- oder DC-Plasma oder UV-Licht oder Wärme sein. Das Substrat wird durch das Plasma aufgeheizt.
  • Die Form wird aus einem Material bestehen, das sich eignet, unter Verwendung der bestimmten gewählten Methode eine Diamantschicht darauf entstehen zu lassen. Beispiele für geeignete Materialien, insbesondere für CVD, sind Silicium, Titan, Hafnium, Tantal, Molybdän sowie Carbide und Nitride davon.
  • Die Form kann durch Methoden wie Ätzen, Spanen und Fräsen von der Diamantschicht entfernt werden.
  • Unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen wird nun eine Ausführung der Erfindung beschrieben. Unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen wird in einem ersten Schritt I eine Siliciumform in Form eines Kegels 10 bereitgestellt. In Schritt II erhält der Kegel 10 eine Diamantschicht 12, die unter Verwendung irgendeiner bekannten CVD-Methode über die gesamte schräge Mantelfläche 14 abgeschieden wird. Die Diamantschicht 12 hat eine rauhe Außenfläche 16. Der diamantbeschichtete Kegel aus Schritt II wird dann in eine geeignete Form gegeben, und ein polymerer Träger 18 um den Kegel herum erzeugt (Schritt III). Der geformte polymere Träger 18 besitzt einen Teil 20 mit einem Gewinde. Im letzten Schritt IV wird der Siliciumkegel 10 entfernt, zum Beispiel durch Ätzen, und der obere Abschnitt 22 der in Schritt III erzeugten Einheit entfernt, zum Beispiel durch Fräsen, wobei eine Düse auf Polymerbasis mit vorgefertigtem Gewinde mit einer Diamantauskleidung entsteht. Die Innenfläche 24 stellt eine hoch abriebfeste Fläche für den Kanal 26 der Düse dar. Die Fläche 24 besitzt eine feine Oberflächenbeschaffenheit, die die des Kegels 10 wiedergibt und keine rauhe Oberflächenbeschaffenheit wie ein Film oder eine Schicht aus normalem CVD-Diamant.

Claims (11)

1. Gegenstand, umfassend eine Schicht (12), die Hauptflächen (24,16) auf einander gegenüberliegenden Seiten darbietet, wobei die eine Hauptfläche (24) der Schicht eine verschleißfeste Oberfläche für den Gegenstand bereitstellt und die andere Hauptfläche (16) der Schicht an einen Träger auf Polymerbasis (18) gebunden ist, der eine ausreichende Festigkeit besitzt, um die Kräfte auszuhalten, denen der Gegenstand bei der Verwendung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein Werkzeugeinsatz und die Schicht (12) eine Diamantschicht ist.
2. Werkzeugeinsatz gemäß Anspruch 1, wobei die verschleißfeste Oberfläche (24) der Diamantschicht (12) so geformt ist, daß sie einen Durchgang definiert.
3. Werkzeugeinsatz gemäß Anspruch 2, wobei die verschleißfeste Oberfläche (24) der Diamantschicht (12) so geformt ist, daß sie einen Durchgang (26) mit einem Querschnitt mit geschlossener Form definiert.
4. Werkzeugeinsatz gemäß Anspruch 3, wobei der Durchgang (26) ein zylindrischer oder ein konischer Durchgang ist.
5. Werkzeugeinsatz gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diamantschicht (12) eine CVD-Diamantschicht ist.
6. Werkzeugeinsatz gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymer die folgenden Merkmale aufweist:
Dichte: 0,90-1,23 g/cm³
Wärmekapazität: 1,916-2,100 kJ/Kg/K
Zugfestigkeit: 12-200 N/mm²
Erweichungstemperatur: 88 bis 155ºC
Rockwell-Härte: 44-60 C-Skala
thermischer Ausdehnungskoeffizient: 5 - 710 ppm
7. Werkzeugeinsatz gemäß Anspruch 6, wobei das Polymer aus Polyethylen und Polypropylen ausgewählt ist.
8. Werkzeugeinsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Polymer aus Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyaryletherketon, Poly(amid-imid) und Polyphenylensulfid ausgewählt ist.
9. Werkzeugeinsatz gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem es sich um eine Düse handelt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte des Bereitstellens einer geeigneten Form (10), der Abscheidung einer Schicht (12) auf wenigstens einem Teil einer Fläche (14) der Form (10), der Bindung eines Trägers auf Polymerbasis (18) an eine Fläche (16) der Schicht (12) und des Entfernens der Form (10), um eine verschleißfeste Oberfläche (24) bloßzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein Werkzeugeinsatz und die Schicht (12) eine Diamantschicht ist.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Form (10) aus einem Material besteht, das aus Silicium, Titan, Hafnium, Tantal, Molybdän sowie Carbiden und Nitriden davon ausgewählt ist.
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