DE69415772T2 - Drahtziehdüse aus mehrkristallinem Diamant - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drahtziehdüsen aus Diamant.
• Drähte von Metallen, wie Wolfram, Kupfer, Eisen, Molybdän und korrosionsbeständigem Stahl, werden hergestellt durch Ziehen der Metalle durch Diamant-Düsen. Einkristalline Diamant- Düsen sind schwierig herzustellen, neigen zum leichten Absplittern, spalten sich leicht und versagen häufig katastrophenartig wegen der während des Drahtziehens angewendeten extremen Drucke.
• Bezüglich einkristalliner Drahtziehdüsen wird in "Properties and Applications of Diamond", Wilks et al., Butterworth-Heinemann Ltd.1991, Seiten 505-507 berichtet: "Die beste Wahl der (kristallographischen) Richtung ist nicht zu offensichtlich, weil beim Hindurchgehen des Drahtes durch die Düse sein Umfang den Diamant auf einem vollen 360º-Bereich von Ebenen abschleift, und die Abriebsraten auf diesen Ebenen verschieden sind. Das ursprünglich kreistbrmige Loch wird nicht nur größer werden sondern auch seine Gestalt verlieren. < 110> -Richtungen bieten jedoch den Vorteil, daß der Draht die Seiten des Loches mit {001}- und {011}-Orientierungen in abriebsbeständigen Richtungen abschleift.
• Diamant-Düsen, die einige der Probleme bei natürlichen Diamanten dürftigerer Qualität vermeiden, umfassen mikroporöse Massen, die aus winzigen Kristallen natürlicher oder synthetisierter Diamanten oder aus Diamantkristallen zusammengepreßt sind. Die Nachteile solcher polykristallinen harten Massen, wie sie in der US-PS 4,016,736 angegeben sind, sind der Anwesenheit von Mikroporen/Poren und weichen Einschlüssen zuzuschreiben. Diese Poren und Einschüsse können mehr als 10 um Durchmesser aufweisen. Die Verbesserung des Patentes nutzt eine Umhüllung aus Hartmetall, als eine Quelle fließfähigen Metalles, die die Poren in einer verbesserten Drahtziehdüse füllt.
• Die europäische Patentanmeldung 0 494 799 A1 beschreibt eine polykristalline CVD-Diamantschicht mit einem darin ausgebildeten, durchgehenden Loch, die in einem Träger montiert ist. Wie in Spalte 2, Zeilen 26-30 ausgeführt: "Die relativ regellose Verteilung der Kristallorientierungen im CVD-Diamant sichert einen gleichmäßigeren Abrieb während des Gebrauches des Einsatzes". Wie in Spalte 3, Zeilen 50-54 ausgeführt: "Die Orientierung des Diamant in der polykristallinen CVD-Diamantschicht 10 kann derart sein, daß die meisten der Kristallite eine kristallographische (111)-Achse in der Ebenen aufweisen, d. h., parallel zu den Oberflächen 14,16 der Schicht 10".
• Andere Kristall-Orientierungen für CVD-Filme sind bekannt. Die US-PS 5,110,579 von Anthony et al. beschreibt einen transparenten polykristallinen Diamantfilm, wie in Fig. 3A veran schaulicht, als im wesentlichen transparente Säulen von Diamant-Kristallen mit einer < 110> -Orientierung senkrecht zur Basis.
• Wegen seiner hohen Reinheit und gleichmäßigen Konsistenz kann CVD-Diamant erwünscht benutzt werden, verglichen mit dem leichter erhältlichen und eine geringe Qualität aufweisenden natürlichen Diamant. Weil CVD-Diamant ohne Poren hergestellt werden kann, ist er häufig erwünschter als polykristalliner Diamant, der durch Verfahren bei hoher Temperatur und unter hohem Druck hergestellt ist. Weitere Verbesserungen in der Struktur der CVD-Drahtziehdüsen sind jedoch erwünscht. Insbesondere Verbesserungen in der Kornstruktur der Drahtziehdüse aus CVD- Diamant, die den Abrieb verringern und die Gleichmäßigkeit des Abriebs verbessern, sind besonders erwünscht.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher erwünscht, eine dichte porenfreie Drahtziehdtlse aus CVD-Diamant mit einer Struktur herzustellen, die einen verringerten Abrieb und eine verbesserte Gleichförmigkeit des Abriebs aufweist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Düse zum Ziehen von Draht mit einem vorbestimmten Durchmesser geschaffen, umfassend einen Körper aus CVD-Diamant, der eine erste Oberfläche in einer Region größerer Diamantkörner und eine zweite Oberfläche in einer Region kleinerer Diamantkörner, eine sich durch den Körper erstreckende Öffnung und einen drahttragenden Teil mit im wesentlichem kreisförmigem Querschnitt aufweist, der den Durchmesser des Drahtes bestimmt, der näher benachbart der zweiten Oberfläche in der Region kleinerer Körner als der ersten Oberfläche in einer Region größerer Diamantkörner angeordnet ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat eine Düse zum Drahtziehen eine sich vollständig durch den Körper entlang einer axialen Richtung von einer Oberfläche zur anderen erstreckende Öffnung, wobei die Diamantkörner mit einer < 110> -Orientierung sich im wesentlichen entlang der axialen Richtung erstrecken.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der die Korn-Orientierung parallel zur axialen Richtung liegt, befindet sich der den Draht tragende Abschnitt im wesentlichen vollständig innerhalb eines einzelnen Diamantkornes.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Drahtziehdüse aus Diamant,
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnittes der Drahtziehdüse von Fig. 1 und
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 2 gezeigten Abschnittes der Drahtziehdüse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Fig. 1 veranschaulicht eine Drahtziehdüse 11 aus Diamant, die aus einer CVD-Diamantschicht hergestellt ist. Solche Düsen werden typischerweise aus einer CVD-Diamantschicht geschnitten, die von einem Wachstums-Substrat abgetrennt ist. Diese Schicht kann zu einer bevorzugten Dicke verdünnt sein. Die gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Düsen-Rohlinges können durch mechanischen Abrieb oder in anderer Weise, wie Laser-Polieren, Ionen-Verdünnen oder andere chemische Verfahren bis zur erwünschten Oberflächengüte planar gemacht und/oder verdünnt werden. Vorzugsweise können leitende CVD-Diamantschichten durch elektrische Entladung herausgeschnitten werden, während isolierende Filme mit einem Laser unter Bildung von Scheiben, Quadraten oder anderen symmetrischen Gestalten geschnitten werden können. Beim Einsatz zum Drahtziehen wird die äußere Peripherie der Düse 11 in einem Träger montiert, um axial ausgerichteten Kräften aufgrund des Drahtziehens zu widerstehen.
• Wie detaillierter in Fig. 1 gezeigt, schließt die Drahtziehdüse 11 eine Öffnung 12 ein, die entlang einer Achse in einer Richtung senkrecht zu den beabstandeten, parallelen flachen Oberflächen 13 und 15 ausgerichtet ist. Für die Zwecke der Beschreibung wird die Oberfläche 13 im folgenden als die obere Oberfläche und die Oberfläche 15 als die Bodenoberfläche 1b bezeichnet. Die Öffnung 12 hat eine geeignete Größe, die durch die erwünschte Größe des Drahtes bestimmt ist. Der gerade Bohrungsabschnitt 17 der Öffnung 12 schließt einen kreisförmigen Querschnitt ein, der bestimmend für den erwünschten Enddurchmesser des zu ziehenden Drahtes ist. Von dem geraden Bohrungsabschnitt 17 erweitert sich die Öffnung 12 nach außen am Austrittskonus 19 gegen die obere Oberfläche 13 und am Eintrittskonus 21 gegen die Bodenoberfläche 15. Der zu ziehende Draht verläuft anfänglich durch den Eintrittskonus 21, wo eine anfängliche Größenverringerung vor dem Hindurchgehen durch den geraden Bohrungsabschnitt 17 und den Austrittskonus 19 stattfindet.
• Der Eintrittskonus 21 erstreckt sich über eine größere Länge entlang der axialen Richtung als der Austrittskonus 19. Der gerade Bohrungsabschnitt 17 liegt daher dichter an der oberen Oberfläche 13 als an der Bodenoberfläche 15. Der Eintrittskonus 21 schließt einen weiten Konus 25, der sich zur Bodenoberfläche 15 hin öffnet und einen engen Konus 23 ein, der sich zwischen der geraden Bohrung 17 und dem weiten Konus 25 erstreckt. Die Öffnung 12 kann in geeigneter Weise geschaffen werden, indem man zuerst ein Pilot-Loch mit einem Laser bohrt und dann einen Stift benutzt, der mit Ultraschall in Verbindung mit einer Diamantkörner-Aufschlämmung vibriert, um eine Öffnung 12 nach im Stande der Technik bekannten Verfahren zu schleifen.
• Typische Drahtziehdüsen haben eine Scheibengestalt, obwohl quadratische, hexagonale, octagonale oder andere polygonale Gestalten benutzt werden können. Vorzugsweise haben Drahtziehdüsen eine Dicke von 0,4-10 mm. Die Länge, wie im Falle einer polygonalen Gestalt, oder der Durchmesser, wie im Falle einer abgerundeten Gestalt, beträgt vorzugsweise etwa 1-20 mm. Bevorzugte Dicken sind solche von 0,3-10 mm, wobei bevorzugte Längen 1-5 mm betragen. Die Öffnung oder das Loch 12, das zum Drahtziehen geeignet ist, hat typischerweise einen Durchmesser von 0,030 mm bis 5,0 mm. Wie oben hergestellte Drahtziehdüsen können zum Ziehen von Draht mit erwünschten gleichmäßigen Eigenschaften benutzt werden. Die Drahtziehdüse kann mehr als ein Loch enthalten, und diese Löcher können den gleichen Durchmesser und die gleiche Gestalt haben, brauchen es aber nicht.
• Eine bevorzugte Technik zum Bilden des Substrates der Drahtziehdüse aus Diamant der vorliegenden Erfindung ist in der US-PS 5,110,579 von Anthony et al. ausgeführt. Gemäß den in dem Patent angegebenen Verfahren wird Diamant durch chemische Dampfabscheidung auf einem Substrat, wie Molybdän, durch ein Glühfaden- bzw. Filament-Verfahren gezüchtet. Gemäß diesem Verfahren wird eine geeignete Mischung, wie in dem Beispiel erläutert, über einen Glühfaden für eine geeignete Zeitdauer geleitet, um auf dem Substrat eine erwünschte Dicke aufzubauen und einen Diamantfilm zu erzeugen. Wie in dem Patent ausgeführt, besteht ein bevorzugter Film im wesentlichen aus transparenten Säulen von Diamantkristallen mit einer < 110> -Orientierung senkrecht zur Basis. Korngrenzen zwischen benachbarten Diamantkristallen mit Wasserstoffatomen, die freie Kohlenstoffbindungen absättigen, sind bevorzugt, wobei davon ausgegangen wird, daß gemäß Raman-Spektroskopie, Infrarot- und Röntgen-Analyse mindestens 50% der Kohlenstoffatome tetraedrisch gebunden sind. Es ist auch möglich, daß H, F, Ct, O oder andere Atome freie Kohlenstoffatome absättigen.
• Die in Fig. 3 gezeigte Ansicht des polykristallinen Diamantfilms im Querschnitt veranschaulicht weiter die im wesentlichen transparenten Säulen von Diamantkristallen mit einer < 110> -Orientierung senkrecht zur Bodenoberfläche. Der in der vorliegenden Erfindung eingesetzte bevorzugte Film hat die oben angegebenen Eigenschaften, einschließend Korngrenzen zwischen benachbarten Diamantkristallen, die vorzugsweise Wasserstoffatome aufweisen, die freie Kohlenstoffbindungen absättigen, wie in dem Patent ausgeführt.
• Bei Einsatz in der vorliegenden Erfindung wird der Diamantfilm vorzugsweise so angeordnet, daß die obere Oberfläche 13 der Drahtziehdüse der anfänglichen Wachstumsoberfläche entspricht, die sich während des Züchtens des Diamantfilms benachbart dem Molybdän-Substrat befand, und die Bodenoberfläche 15 die Oberfläche ist, die der chemischen Dampfabscheidung ausgesetzt war. Diese Anordnung der Drahtziehdüse führt zu einer mikrographischen Struktur, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die anfängliche Dampfabscheidung von Diamant auf dem Substrat führt zur Keimbildung von Diamantkörnern oder einzelnen Diamantkristallen. Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt mit dem Wachsen der einzelnen Kristalle in einer axialen Richtung, d. h., in einer Richtung senkrecht zu der oberen und Bodenoberfläche 13 und 15, die Querschnittfläche, gemessen entlang Ebenen parallel zur oberen und Bodenoberfläche 13 und 16, zu. Fig. 2 zeigt die Ansicht der oberen Oberfläche 15, wo ein Teil der Diamantkörner minimale Breite hat.
• Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich der gerade Bohrungsabschnitt 17 vorzugsweise im wesentlichen vollständig innerhalb einer Vielzahl von Diamantkörnern. Wie in Fig. 3 gezeigt, schneidet die Innenwand oder Oberfläche der geraden Bohrung 17 eine Vielzahl von Diamantkörnern, wie bei 27 gezeigt, und ist innerhalb dieser Vielzahl von Diamantkörnern angeordnet. Die bevorzugte < 110> -Kornrichtung liegt vorzugsweise senkrecht zur Hauptebene des Films und einer statistisch ausgerichteten Kornrichtung um das < 110> herum.
• Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Films ist das oben beschriebene Filament- bzw. Glühfaden-Verfahren. Zusätzliche bevorzugte Eigenschaften des Diamantfilms schließen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 4 W/cm·K ein. Solche Drahtziehdüsen haben eine verbesserte Abriebsbeständigkeit und Bruchbeständigkeit, die mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit zunehmen. Der Film ist vorzugsweise nicht opaque oder transparent oder durchscheinend, und er weist Wasserstoff und Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1 ppm auf. Der Diamantfilm kann vorzugsweise Verunreinigungen und absichtliche Zusätze enthalten. Verunreinigungen können in Form von Katalysatormaterial, wie Eisen, Nickel oder Cobalt, vorhanden sein.
• Die Diamant-Abscheidung auf Substraten, die hergestellt sind aus Si, Ge, Nb, V, Ta, Mo, W, Ti, Zr oder Hf, führt zu Drahtziehdtlsen aus CVD-Diamant, die weniger Fehler haben, wie Risse, als auf anderen Substraten. Durch Neutronenaktivierungsanalyse wurde festgestellt, daß geringe Mengen dieser Substrat-Materialien in die auf diesen Substraten hergestellten CVD-Diamantfilme eingebaut werden. Der Film kann daher mehr als 10 ppm und weniger als 10 ppm Si, Ge, Nb, V, Ta, Mo, W, Ti, Zr oder Hf enthalten. Zusätzlich kann der Film mehr als 1 ppm eines Halogens, wie Fluor, Chlor, Brom oder Iod, enthalten. Weitere Zusätze können N, B, O und P einschließen, die in Form beabsichtigter Zusätze vorhanden sein können. Es ist vorgesehen, daß Filme, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, nach anderen Verfahren hergestellt werden können, wie nach Verfahren der Bildung von Diamant mittels Mikrowellen.
• Es ist vorgesehen, daß CVD-Diamant mit einer solchen bevorzugten Leitfähigkeit nach anderen Techniken hergestellt werden kann, wie Mikrowellen-CVD und Gleichstrom-Strahl-CVD. Beabsichtigte Zusätze können N, S, Ge, Al und P, jeweils bei Niveaus von weniger als 100 ppm, einschließen. Es ist vorgesehen, daß geeignete Filme mit höheren Niveaus hergestellt werden können. Geringere Niveaus von Verunreinigungen begünstigen erwünschte Eigenschaften von Drahtziehdüsen, wie Zähigkeit und Abriebsbeständigkeit. Die meisten bevorzugten Filme enthalten weniger als b ppm und vorzugsweise weniger als 1 ppm Verunreinigungen und absichtliche Zusätze.
• Es ist bevorzugt, daß der gesamte gerade Bohrungsabschnitt 17 innerhalb einer Vielzahl von Diamantkörnern 27 zu dem Ausmaß angeordnet ist, daß die hauptsächliche Abriebsoberfläche der Bohrung sich in der kleinkörnigen Region des Filmes befindet, die benachbart der anfänglichen Wachstumsoberfläche des Filmes liegt.

Claims (10)

1. Düse zum Ziehen von Draht mit einem vorbestimmten Durchmesser, umfassend einen Körper aus CVD-Diamant, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine erste Oberfläche in einer Region größerer Diamantkörner und eine zweite Oberfläche in einer Region kleinerer Diamantkörner aufweist, sich eine Öffnung durch den Körper erstreckt und einen drahttragenden Teil mit im wesentlichem kreisförmigem Querschnitt aufweist, der den Durchmesser des Drahtes bestimmt, die näher benachbart der zweiten Oberfläche in der Region kleinerer Körner als der ersten Oberfläche in einer Region größerer Diamantkörner angeordnet ist.

2. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin die zweite Oberfläche der anfänglichen Diamant-Wachstumsoberfläche entspricht.

3. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin sich die Öffnung gänzlich entlang einer axialen Richtung von der zweiten Oberfläche zur ersten Oberfläche durch den Körper erstreckt, wobei der Körper Diamantkörner mit einer < 110> -Orientierung einschließt, die sich im wesentlichen entlang der axialen Richtung erstrecken.

4. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 3, worin der drahttragende Teil einen geraden Bohrungsabschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt umfaßt.

5. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 3, worin sich die Öffnung in einer Richtung von dem geraden Bohrungsabschnitt zur ersten Oberfläche hin nach außen erweitert und sich in der entgegengesetzten Richtung zu der zweiten Oberfläche hin nach außen erweitert.

6. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 5, worin die Erweiterung nach außen in einer Richtung einen Austrittskonus für den Draht bildet, und die Erweiterung nach außen in der anderen Richtung zur ersten Oberfläche hin einen Eintrittskonus bildet.

7. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 6, worin sich der Eintrittskonus über einen größeren Abschnitt entlang der axialen Richtung als der Austrittskonus erstreckt.

8. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Körper eine von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche gemessene Dicke von etwa 0,3-10 mm aufweist.

9. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Diamant durch chemische Dampfabscheidung auf einem Substrat, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, Mo, Nb, V, Ta, W, Ti, Zr oder Hf oder deren Legierungen, gezüchtet ist.

10. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Diamant einen Film aus im wesentlichen transparenten, durchscheinenden oder nicht opaken Stengeln aus Diamantkristallen mit einer < 110> -Orientierung senkrecht zur zweiten Oberfläche umfaßt.