WO2009130252A2 - Elektrisch leitfähige diamantähnliche schicht - Google Patents

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WO2009130252A2
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electrically conductive
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Oliver Nöll
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Auctio Gmbh
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26Deposition of carbon only
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D2205/80Manufacturing details of magnetic targets for magnetic encoders

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating surfaces with an electrically conductive diamond-like layer by means of plasma-assisted chemical vapor deposition.
  • DLC diamond like carbon
  • Such coatings are applied to workpieces in particular by plasma coating techniques, such as the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) process.
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • This process is a special form of "Chemical Vapor Deposition” (CVD), in which the deposition of thin layers by chemical reaction takes place in a vacuum chamber; In this case, the material with which the coating is to be carried out, in the gas or vapor phase before.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the process in PECVD is supported by a plasma.
  • a strong electric field is applied between the substrate to be coated and a counter electrode, through which a plasma is ignited.
  • the plasma breaks up the bonds of the reaction gas and decomposes it into ions or radicals which precipitate on the substrate and cause the chemical precipitation reaction there.
  • a higher deposition rate can be achieved at a lower deposition temperature than with CVD.
  • This type of coating is therefore particularly suitable for punching, cutting, drilling and screwing tools, cutting tools, prostheses, ball or roller bearings, gears, pinions, drive chains, sound and drive units in magnetic recording devices, as well as surgical and dental surgical instruments.
  • knives with exchangeable blades such as surgical knives, blades or knives for industrial applications.
  • the workpieces to be coated may in particular consist of metals, ceramics or plastics, have such materials, or else represent mixtures or composites of said materials.
  • the object of the present invention is therefore to specify such a coating and a production method therefor.
  • the object is achieved by the fact that the gas atmosphere from which the coating is deposited contains a carbon-containing gas and> 0.01% by volume to ⁇ 50% by volume of oxygen,> 0.01% by volume to ⁇ 70% by volume.
  • the argon portion of the gas atmosphere may also be> 0.1% by volume to ⁇ 10% by volume of argon or> 1% by volume to ⁇ 10% by volume of argon.
  • the method according to the invention consequently provides a diamond-like layer which has diamond-like properties and structures and is therefore also referred to as a DLC layer or diamond-like carbon layer, but additionally has sufficient electrical conductivity.
  • a sufficient electrical conductivity in the sense of the present invention denotes an electrical conductivity which is greater than that of an insulator , So preferably has an electrical conductivity of ⁇ > 10 "8 S / m.
  • the gas atmosphere from which the coating is deposited comprises> 8% by volume to ⁇ 12% by volume of oxygen,> 10% by volume to ⁇ 22% by volume of nitrogen and> 4% by volume ⁇ 6% by volume argon.
  • the gas atmosphere from which the coating is deposited comprises 10% by volume of oxygen, 16% by volume of nitrogen and 5% by volume of argon.
  • the gas atmosphere from which the coating is deposited comprises> 10% by volume to ⁇ 70% by volume of the carbon-containing reaction gas.
  • This proportion can also be in a range from> 20% by volume to ⁇ 60% by volume or from> 30% by volume to ⁇ 50% by volume.
  • the control of the volumes of gases via Mass flow controllers, which allow an accuracy of 0.01% by volume.
  • the coating has a high hardness, a high resistance to tribological stresses and a high smoothness combined with a low coefficient of friction.
  • the carbon-containing reaction gas is selected from the group comprising methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butylene, acetylene, propyne and / or butyne.
  • the carbonaceous reaction gas can be selected from a list of C 1 to C 4 saturated and unsaturated gases.
  • the pressure at which the coating is deposited is in a range of> 0.1 Pa to ⁇ 2 Pa. Most preferably, the pressure at which the coating is deposited is in a range of> 0.9 Pa to ⁇ 1.1 Pa.
  • the temperature at which the coating is deposited is in a range from> 0.1 ° Celsius to ⁇ 100 ° Celsius. Most preferably, the temperature at which the coating is deposited, in a range of> 78 ° Celsius to ⁇ 82 ° Celsius.
  • the frequency at which the coating is deposited is in a range from> 10 MHz to ⁇ 20 MHz. Most preferably, the frequency at which the coating is deposited is 13.37 MHz. Such process conditions lead to a particularly hard coating.
  • the present invention furthermore relates to an electrically conductive diamond-like layer obtainable by a method described above.
  • the electrically conductive diamond-like layer has an electrical conductivity ⁇ which is in a range of> 10 5 S / m to ⁇ 10 7 S / m.
  • the electrical Conductivity ⁇ a typical value in the range of> 2 * 10 6 S / m to ⁇ 4 * 10 6 S / m at 25 0 C.
  • the electrical conductivity ⁇ therefore corresponds to a good conductor.
  • the electrically conductive diamond-like layer can have any desired thickness. According to a further preferred embodiment, however, the electrically conductive diamond-like layer has a thickness of> 1 ⁇ m to ⁇ 15 ⁇ m. Most preferably, the thickness of the electrically conductive diamond-like layer is 3 microns. In the case of layer thicknesses of less than 1 ⁇ m, the layer can be eroded more quickly due to wear, and with layer thicknesses of more than 15 ⁇ m adhesion problems of the electrically conductive diamond-like layer relative to the surface can generally occur due to higher residual stresses.
  • the electrically conductive diamond-like layer has a hardness of> 1800 HV to ⁇ 2200 HV. Most preferably, the electrically conductive diamond-like layer has a hardness of 2000 HV.
  • the hardness is testable according to the hardness test according to Vickers, regulated according to the standard DIN EN ISO 6507.
  • Advantageous hereof is a high degree of hardness of the electrically conductive diamond-like layer according to the invention.
  • the subject of the present invention is furthermore a workpiece, wherein the surface of the workpiece comprises an electrically conductive diamond-like layer, as described above.
  • the workpiece may comprise ceramic, iron, steel, high alloy steel, nickel, cobalt and their alloys with chromium, molybdenum and aluminum, copper and copper alloys, titanium or alloys comprising the aforementioned materials.
  • the workpiece may include metals and / or metallic alloys based on Zn, Sn, Cu, Fe, Ni, Co, Al, Ti, and the refractory metals such as Mo, W, Ta, etc.
  • MMC metal-ceramic composites
  • metal-polymer composites as well as ceramic materials of oxides, carbides, borides and nitrides in question.
  • the workpiece may also consist of plastic or a plastic mixture.
  • mixtures of alloys or compounds of the mentioned substances come into question.
  • the entire surface of the workpiece may be coated with the electrically conductive diamond-like layer.
  • the surface of the workpiece comprises a plurality of sections coated with the electrically conductive diamond-like layer and further separated along at least one direction along the surface by electrically non-conductive sections.
  • the width of the sections of the electrically conductive diamond-like layer and the width of the non-conductive sections may be the same or be in a ratio determined by a factor.
  • the sections with the electrically conductive diamond-like layer coated surface and the electrically non-conductive portions are rectangular.
  • the sections may have any width.
  • the sections preferably have a width of> 1 ⁇ m to ⁇ 100 mm.
  • the rectangular-shaped portions of the electrically conductive diamond-like layer coated surface and the electrically non-conductive portions have a same width.
  • the surface of the workpiece comprises a portion coated with the electrically conductive diamond-like layer and provided in a sinusoidal curve on the surface, the sinusoidal portion separating two non-conductive portions.
  • the workpiece is part of a landing gear of an aircraft.
  • the landing gear along the route, which is the landing gear on or extendable, rectangular sections with the electrically conductive diamond-like layer coated surface and electrically non-conductive portions.
  • the workpiece is an electrically insulating carrier material.
  • the electrically insulating carrier material is preferably made of a glass fiber mat impregnated with epoxy resin, Pertinax, hard paper, Teflon, ceramic, polyester film or glass.
  • electrically conductive layers are applied to the electrically insulating carrier material in such a way that electrically conducting conductor tracks are formed, the electrical components, such as resistors or capacitors, to each other electrically conductively connect. This makes it possible by means of the workpiece according to the invention to transport data and / or information via an electrically conductive trace.
  • the invention further relates to a method for producing a workpiece.
  • the method comprises the following steps: a workpiece according to the present invention is provided. A portion of the electrically conductive diamond-like layer is removed by means of a laser.
  • the inventive electrically conductive diamond-like layer can be removed with a laser in such a way that previously mentioned electrically conductive tracks are formed.
  • the invention further relates to a method for determining a position of a workpiece.
  • the method comprises the following steps: a workpiece according to the invention is provided.
  • the surface of the workpiece is scanned, wherein when scanning a portion coated with an electrically conductive diamond-like layer, a different electrical signal is generated than when scanning an electrically non-conductive portion.
  • the number of scanned electrically conductive and electrically non-conductive sections is detected.
  • the route can be detected the workpiece moves.
  • a sensor for example a Hall sensor, can be used for scanning the workpiece.
  • it is possible to detect distances in a resolution of a few ⁇ m around which the workpiece moves.
  • An advantage of this method is that it is aerodynamically low executable, the necessary sensor has a low weight and high reliability.
  • the methods, layers and workpieces described above are preferably used to reduce the wear or abrasion of a surface, wherein a coating is required, which has electrically conductive properties.
  • the invention is also suitable for use in hydraulics or pneumatics for path or distance measurement or as electrically conductive tracks for printed circuit boards.
  • Fig. 1 shows the surface of a workpiece according to the invention according to a first preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows the surface of the workpiece according to the invention according to a second preferred embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 2 a surface of the workpiece 2 according to the invention can be seen in each case.
  • the workpiece 2 shown in FIG. 1 can be used as part of a landing gear of an aircraft.
  • the workpiece 2 according to the invention is part of a movable unit of the landing gear.
  • the moving unit of a landing gear of an aircraft is extended before a landing of the aircraft and retracted after a start of the aircraft. It is very important that the exact position of the landing gear is known.
  • the workpiece 2 for example, the movable part of a hydraulic cylinder of a landing gear is.
  • On the surface of the workpiece 2 are a plurality of electrically conductive with the diamond-like layer coated portions 3 are provided, which are separated along the direction of movement 4 of the hydraulic cylinder by electrically non-conductive portions 5 from each other.
  • the portions of the surface 3 coated with the electrically conductive diamond-like layer and the non-conductive portions 5 are made rectangular.
  • the non-conductive portions 5 may also have a diamond-like layer which can be produced from a coating method known from the prior art.
  • a diamond-like layer can be applied to the sections 3 in succession and by means of a mask, and a non-electrically conductive diamond-like layer can be applied to the sections 5 by means of a negative mask.
  • the surface is coated with the electrically conductive diamond-like layer in a first step, and then the electrically conductive diamond-like layer of the sections 5 are removed with a laser in a second step, so that the sections 5 are thus non-conductive.
  • a sensor 6 is provided, which is designed for example as a Hall sensor.
  • the sensor 6 scans the surface of the hydraulic cylinder along the direction of movement 4 of the hydraulic cylinder.
  • the sensor 6 generates a different signal when sweeping over a section with an electrically conductive diamond-like layer 3 than when sweeping a non-conductive section 5.
  • the width of the sections of the electrically conductive diamond-like layer and the width of the non-conductive sections are preferably the same. Based on the number of swept electrically conductive and electrically non-conductive sections, the position of the hydraulic cylinder can be determined.
  • the surface of the workpiece has a non-conductive region 5. Along a sinusoidal curve, a region of the surface is coated with the electrically conductive diamond-like layer 3.
  • the senor 6 generates a different signal when sweeping over a section with an electrically conductive diamond-like layer 3 than when sweeping a non-conductive portion 5. Based on the lateral distance 7 of the electrically conductive diamond-like layer 3 from the side edge 8 of the hydraulic cylinder, the position of the hydraulic cylinder by means of a sensor 6 can be determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung. Erfindungsgemäß umfasst die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, ein kohlenstoffhaltiges Gas sowie ≥ 0,01 Volumen-% bis ≤ 50 Volumen-% Sauerstoff, ≥ 0,01 Volumen-% bis ≤ 70 Volumen-% Stickstoff und ≥ 0,01 Volumen-% bis ≤ 10 Volumen-% Argon, wobei die Summe der vorgenannten Komponenten ≤ 100 Volumen-% ausmacht. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine diamantähnliche Schicht zur Verfügung, die eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Description

Elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung.
Um die Standzeiten und die Reibungskoeffizienten von Werkstücken zu verbessern, werden seit längerer Zeit schon Oberflächenbeschichtungen eingesetzt. Hier kommen insbesondere kohlenstoffhaltige Beschichtungen ("diamond like carbon", DLC) zum Einsatz.
Solche Beschichtungen werden insbesondere durch Plasmabeschichtungsverfahren, wie das "Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition" -Verfahren (PECVD), auf Werkstücke aufgebracht.
Dieses Verfahren ist eine Sonderform der "Chemical Vapour Deposition" (CVD), bei der die Abscheidung von dünnen Schichten durch chemische Reaktion in einer Unterdruckkammer erfolgt; hierbei liegt das Material, mit welchem die Beschichtung ausgeführt werden soll, in der Gas- oder Dampfphase vor.
Zusätzlich wird der Prozess bei PECVD durch ein Plasma unterstützt. Dazu wird zwischen dem zu beschichtenden Substrat und einer Gegenelektrode ein starkes elektrisches Feld angelegt, durch das ein Plasma gezündet wird. Das Plasma bewirkt ein Aufbrechen der Bindungen des Reaktionsgases und zersetzt es in Ionen oder Radikale, die sich auf dem Substrat niederschlagen und dort die chemische Abscheidereaktion bewirken. Dadurch kann eine höhere Abscheiderate bei geringerer Abscheidetemperatur als mit CVD erreicht werden. Kohlenstoffhaltige Beschichtungen, insbesondere solche aus DLC, zeichnen sich durch eine große Härte, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen tribologische Belastungen sowie eine hohe Glätte verbunden mit einem niedrigem Reibkoeffizienten im Bereich von beispielsweise μ=0,l aus.
Dieser Beschichtungstyp eignet sich daher insbesondere für Stanz-, Schneid-, Bohr- und Schraubwerkzeuge, Zerspanungswerkzeuge, Prothesen, Kugel- oder Wälzlager, Zahnräder, Ritzel, Antriebsketten, Ton- und Antriebseinheiten in magnetischen Aufzeichnungsgeräten, sowie chirurgische und zahnchirurgische Instrumente. Insbesondere eignet er sich für Messer mit wechselbaren Klingen, so beispielsweise chirurgische Messer, Klingen oder Messer für industrielle Anwendungen.
Die zu beschichtenden Werkstücke können insbesondere aus Metallen, Keramik oder Kunststoffen bestehen, solche Werkstoffe aufweisen, oder aber Gemische oder Verbünde aus besagten Werkstoffen darstellen.
Aus der US 2006/0144702 ist eine Diamant-beschichtete Elektrode mit einem mit Diamant beschichteten Substrat bekannt, wobei der vorgenannte Diamant Bor enthält und die Konzentration des Bors mindestens 10,000 ppm und nicht mehr als 100,000 ppm beträgt.
Allerdings konnte mit herkömmlichen kohlenstoffhaltigen Beschichtungen, insbesondere solche aus DLC, keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung erzielt werden. In vielen Anwendungsgebieten ist es jedoch notwendig, dass die kohlenstoffhaltige Beschichtung nicht nur über die vorab beschriebenen Vorteile, sondern zusätzlich über eine ausreichende Leitfähigkeit verfügt, ohne dass eine aufwendige Dotierung benötigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine solche Beschichtung und ein Herstellungsverfahren dafür anzugeben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen mit einer diamantähnlichen Schicht mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung bereitzustellen, wobei die diamantähnliche Schicht eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist und ohne Dotierung erreicht wird. Erfϊndungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, ein kohlenstoffhaltiges Gas sowie > 0,01 Volumen-% bis < 50 Volumen-% Sauerstoff, > 0,01 Volumen-% bis < 70 Volumen-% Stickstoff und > 0,01 Volumen-% bis < 10 Volumen-% Argon umfasst, wobei die Summe der vorgenannten Komponenten < 100 Volumen-% ausmacht. Der Argonanteil der Gasatmosphäre kann auch > 0,1 Volumen-% bis < 10 Volumen-% Argon oder > 1 Volumen-% bis < 10 Volumen-% Argon betragen. Erfϊndungsgemäß wurde gefunden, dass durch die Hinzugabe von Argon zu der Gasatmosphäre der Sauerstoff bei der Zündung des Plasmas gebremst wird, so dass der Stickstoff nicht aus dem Stoffgemisch herausgetrieben wird. Folglich weist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedene Beschichtung keine Metalldotierung auf.
Das erfmdungsgemäße Verfahren stellt folglich eine diamantähnliche Schicht zur Verfügung, die diamantähnliche Eigenschaften und Strukturen aufweist und deshalb auch als DLC- Schicht oder „diamond like carbon"-Schicht bezeichnet wird, jedoch zusätzlich eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dadurch wird es ermöglicht, DLC-Schichten auf Oberflächen aufzutragen, die die vorab genannten Vorteile aufweisen, und zum Beispiel als stromführende Leiterbahnen dienen können oder für eine elektrische Kontaktierung verwendet werden können. Eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine elektrische Leitfähigkeit, die größer als die eines Isolators ist, also vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von σ > 10"8 S/m aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens umfasst die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, > 8 Volumen-% bis < 12 Volumen-% Sauerstoff, > 10 Volumen-% bis < 22 Volumen-% Stickstoff und > 4 Volumen- % bis < 6 Volumen-% Argon. Ganz besonders bevorzugt umfasst die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, 10 Volumen-% Sauerstoff, 16 Volumen-% Stickstoff und 5 Volumen-% Argon. Vorteilhaft hieran ist, dass das Plasma bei einer besonders niedrigen Temperatur, vorzugsweise bei < 100 ° Celsius, gezündet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, > 10 Volumen-% bis < 70 Volumen-% des kohlenstoffhaltigen Reaktionsgases. Dieser Anteil kann auch in einem Bereich von > 20 Volumen-% bis < 60 Volumen-% oder von > 30 Volumen-% bis < 50 Volumen-% liegen. Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der Volumina der Gase über Massenflussregler, welche eine Genauigkeit von 0,01 Volumen-% erlauben. Dadurch bedingt weist die Beschichtung eine große Härte, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen tribologische Belastungen sowie eine hohe Glätte verbunden mit einem niedrigen Reibkoeffizienten auf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das kohlenstoffhaltige Reaktionsgas aus der Gruppe umfassend Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen, Propylen, Butylen, Acetylen, Propin und/oder Butin ausgewählt. Mit anderen Worten kann das kohlenstoffhaltige Reaktionsgas aus einer Liste von Ci bis C4 gesättigten und ungesättigten Gasen ausgewählt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass das C/H- Verhältnis einstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Druck, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 0,1 Pa bis < 2 Pa. Ganz besonders bevorzugt liegt der Druck, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 0,9 Pa bis < 1,1 Pa. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Temperatur, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 0,1 ° Celsius bis < 100 ° Celsius. Ganz besonders bevorzugt liegt die Temperatur, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 78 ° Celsius bis < 82 ° Celsius. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Frequenz, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 10 MHz bis < 20 MHz. Ganz besonders bevorzugt liegt die Frequenz, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, bei 13 ,37 MHz. Derartige Verfahrensbedingungen führen zu einer besonders harten Beschichtung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine elektrische leitfähige diamantähnliche Schicht, erhältlich durch ein vorab beschriebenes Verfahren. Die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht zeichnet sich durch eine große Härte, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen tribologische Belastungen sowie eine hohe Glätte verbunden mit einem niedrigem Reibkoeffizienten im Bereich von beispielsweise μ=0,l, gemessen trocken gegen Stahl 100Cr6, aus, sowie eine elektrische Leitfähigkeit aus.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht eine elektrische Leitfähigkeit σ auf, die in einem Bereich von > 105 S/m bis < 107 S/m liegt. Ganz besonders bevorzugt weist die elektrische Leitfähigkeit σ einen typischen Wert im Bereich von > 2 * 106 S/m bis < 4 * 106 S/m bei 25 0C auf. Die elektrische Leitfähigkeit σ entspricht demnach einem guten Leiter.
Grundsätzlich kann die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht eine beliebige Dicke aufweisen. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht jedoch eine Dicke von > 1 μm bis < 15 μm auf. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Dicke der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht 3 μm. Bei Schichtdicken unter 1 μm kann die Schicht trotz ihrer Härte schneller durch Verschleiß abgetragen werden und bei Schichtdicken ab 15 μm können im Allgemeinen durch höhere Eigenspannungen Haftungsprobleme der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht gegenüber der Oberfläche auftreten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht eine Härte von > 1800 HV bis < 2200 HV auf. Ganz besonders bevorzugt weist die elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht eine Härte von 2000 HV auf. Die Härte ist prüfbar gemäß der Härteprüfung nach Vickers, geregelt nach der Norm DIN EN ISO 6507. Vorteilhaft hieran ist eine große Härte der erfindungsgemäßen elektrischen leitfähigen diamantähnlichen Schicht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Werkstück, wobei die Oberfläche des Werkstücks eine elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht umfasst, wie vorab beschrieben. Das Werkstück kann insbesondere Keramik, Eisen, Stahl, hochlegiertem Stahl, Nickel, Kobalt und deren Legierungen mit Chrom, Molybdän und Aluminium, Kupfer und Kupferlegierungen, Titan oder Legierungen, die die vorgenannten Materialien aufweisen, umfassen. Des Weiteren kann das Werkstück Metalle und/oder metallische Legierungen auf Basis von Zn, Sn, Cu, Fe, Ni, Co, Al, Ti, und den Refraktärmetallen wie Mo, W, Ta etc. umfassen. Weiter kommen gesinterte Metalle und Metall-Keramik-Komposite (MMC) und Metall-Polymer-Komposite sowie keramische Werkstoffe aus Oxiden, Karbiden, Boriden und Nitriden in Frage. Ebenso kann das Werkstück auch aus Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch bestehen. Natürlich kommen auch Mischungen Legierungen oder Verbünde der genanten Stoffe in Frage.
Grundsätzlich kann die gesamte Oberfläche des Werkstücks mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichtet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Oberfläche des Werkstücks eine Mehrzahl von mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitten umfasst, welche weiterhin entlang zumindest einer Richtung entlang der Oberfläche durch elektrisch nicht leitende Abschnitte voneinander getrennt sind. Dabei kann die Breite der Abschnitte aus der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht und die Breite der nichtleitenden Abschnitte gleich sein oder in einem durch einen Faktor bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Vorteilhaft hieran ist, dass beispielsweise mittels eines Sensors ein Signal generierbar ist, wobei das Signal einen elektrisch leitfähigen Abschnitt oder ein Überstreichen eines elektrischen Abschnittes anzeigt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Werkstückes sind die Abschnitte mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Oberfläche und die elektrisch nicht leitenden Abschnitte rechteckförmig ausgebildet. Grundsätzlich können die Abschnitte eine beliebige Breite aufweisen. Bevorzugt weisen die Abschnitte jedoch eine Breite von > 1 μm bis < 100 mm auf. Vorzugsweise weisen die rechteckförmig ausgebildeten Abschnitte der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Oberfläche und die elektrisch nicht leitenden Abschnitte eine gleiche Breite auf. Mittels des vorab erwähnten Sensors können somit Strecken erfasst werden, die bei Überstreichen eines elektrisch leitenden Abschnittes, der eine definierte Breite aufweist, durch den Sensor erfasst werden.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bevorzugt, dass die Oberfläche des Werkstücks einen mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitt umfasst, welcher sinuskurvenförmig auf der Oberfläche vorgesehen ist, wobei der sinuskurvenförmige Abschnitt zwei nicht leitende Abschnitte voneinander trennt. Vorteilhaft hieran ist, dass durch Überstreichen des elektrisch leitfähigen sinuskurvenförmigen Abschnitts mittels eines Sensors eine Position relativ zu einer Ordinate und/oder einer Abszisse des Werkstücks erfassbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Werkstück Teil eines Landefahrwerks eines Flugzeuges. Vorzugsweise weist das Landefahrwerk entlang der Strecke, die das Landefahrwerk ein- oder ausfahrbar ist, rechteckförmige Abschnitte mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Oberfläche und elektrisch nicht leitenden Abschnitte auf. Vorteilhaft hieran ist, dass mittels eines Sensor, beispielsweise mittels eines Hall-Sensors, die Strecke erfassbar ist, die das Landefahrwerk ein- oder ausgefahren ist. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Landefahrwerken, bei denen nur die Zustände „ausgefahren" und/oder „nicht ausgefahren" erfassbar sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Landefahrwerk die Strecke und damit die Position des Landefahrwerks während des Ein- und/oder Ausfahrens des Landefahrwerks erfasst werden. Eine solche Möglichkeit zur Erfassung der Strecke weist ferner eine gute Aerodynamik, eine hohe Verschleissfestigkeit sowie eine große Ausfallsicherheit auf.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Werkstück ein elektrisch isolierendes Trägermaterial ist. Vorzugsweise ist das elektrisch isolierende Trägermaterial aus einer mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte, Pertinax, Hartpapier, Teflon, Keramik, Polyesterfolie oder Glas ausgeführt. Ganz besonders bevorzugt können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Schicht elektrisch leitende Schichten, zum Beispiel durch eine Maske, derart auf das elektrisch isolierendes Trägermaterial aufgetragen, dass elektrisch leitende Leiterbahnen entstehen, die elektrische Bauelemente, wie zum Beispiel Widerstände oder Kondensatoren, miteinander elektrisch leitend verbinden. Dadurch wird es mittels des erfindungsgemäßen Werkstücks ermöglicht, Daten und/oder Informationen über eine elektrisch leitende Leiterbahn zu transportieren.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: ein Werkstück gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt. Ein Abschnitt der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht wird mittels eines Lasers entfernt. Vorzugsweise kann mit einem Laser die erfindungsgemäße elektrisch leitende diamantähnlich Schicht derart entfernt werden kann, dass vorab genannte elektrisch leitende Leiterbahnen entstehen. Durch Entfernung mit einem Laser sind feinere Strukturen von elektrisch leitenden und nichtleitenden Schichten erreichbar, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Produktionsverfahren für Leiterplatten.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Werkstücks. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: ein erfindungsgemäßes Werkstück wird bereitgestellt. Die Oberfläche des Werkstücks wird abgetastet, wobei beim Abtasten eines mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitts ein anderes elektrisches Signal generiert wird als beim Abtasten eines elektrisch nicht leitenden Abschnitts. Die Anzahl der abgetasteten elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Abschnitte wird erfasst. Auf diese Weise kann die Strecke erfasst werden, die sich das Werkstück bewegt. Es kann also beispielsweise die Strecke erfasst werden, die sich ein Landefahrwerk eines Flugzeugs beim Ein- oder Ausfahren des Landefahrwerks bewegt. Zum Abtasten des Werkstücks kann ein Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor, eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Strecken in einer Auflösung einiger μm erfassbar, um die sich das Werkstück bewegt. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass es aerodynamisch günstig ausführbar ist, die dazu notwendige Sensorik ein geringes Gewicht aufweist und eine hohe Ausfallsicherheit aufweist.
Die zuvor beschriebenen Verfahren, Schichten und Werkstücke finden vorzugsweise Anwendung um den Verschleiß oder Abrieb einer Oberfläche zu reduzieren, wobei eine Beschichtung verlangt ist, die elektrisch leitende Eigenschaften aufweist. Die Erfindung eignet sich ferner zum Einsatz in der Hydraulik oder Pneumatik zur Weg- oder Streckenmessung oder als elektrisch leitende Leiterbahnen für Leiterplatten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Werkstücks gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 2 die Oberfläche des erfindungsgemäßen Werkstücks gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus den Figuren 1 bis 2 ist jeweils eine Oberfläche des erfindungsgemäßen Werkstücks 2 ersichtlich. Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 2 ist als Teil eines Landefahrwerks eines Flugzeugs einsetzbar. Insbesondere ist bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Werkstück 2 Teil einer beweglichen Einheit des Landefahrwerks ist. Die bewegliche Einheit eines Landefahrwerks eines Flugzeugs wird vor einer Landung des Flugzeugs ausgefahren und nach einem Start des Flugzeugs wieder eingefahren. Dabei ist es von großer Wichtigkeit, dass die genaue Position des Landefahrwerks bekannt ist.
Im hier vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt das Werkstück 2 beispielsweise den beweglichen Teil eines Hydraulikzylinders eines Landefahrwerks dar. Auf der Oberfläche des Werkstücks 2 sind eine Mehrzahl von mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitte 3 vorgesehen, welche entlang der Bewegungsrichtung 4 des Hydraulikzylinders durch elektrisch nicht leitende Abschnitte 5 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Abschnitte der mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Oberfläche 3 und die nicht leitenden Abschnitte 5 rechteckig ausgeführt.
Die nicht leitenden Abschnitte 5 können ebenso eine diamantähnliche Schicht aufweisen, die aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungsverfahren herstellbar ist. Bei dem hier vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel können beispielsweise nacheinander und mittels einer Maske eine elektrisch leitende diamantähnliche Schicht auf die Abschnitte 3 und mittels einer Negativ-Maske eine nicht elektrisch leitende diamantähnliche Schicht auf die Abschnitte 5 aufgetragen werden. In einem zweiten Fertigungsverfahren wird in einem ersten Schritte die Oberfläche mit der elektrisch leitenden diamantähnlichen Schicht beschichtet und dann in einem zweiten Schritt die elektrisch leitende diamantähnliche Schicht der Abschnitte 5 mit einem Laser abgetragen, so dass die Abschnitte 5 somit nicht leitend sind.
Gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Sensor 6 vorgesehen, der beispielsweise als Hall-Sensor ausgeführt ist. Der Sensor 6 tastet die Oberfläche des Hydraulikzylinders entlang der Bewegungsrichtung 4 des Hydraulikzylinders ab. Dabei generiert der Sensor 6 bei Überstreichen eines Abschnitts mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht 3 ein anderes Signal als bei Überstreichen eines nichtleitenden Abschnitts 5. Die Breite der Abschnitte der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht sowie die Breite der nichtleitenden Abschnitte sind vorzugsweise gleich. Anhand der Anzahl der überstrichenen elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Abschnitte ist die Position des Hydraulikzylinders bestimmbar.
Gemäß eines in Fig. 2 ersichtlichen weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung weist die Oberfläche des Werkstücks einen nicht leitenden Bereich 5 auf. Entlang eines sinuskurvenförmigen Verlaufs ist ein Bereich der Oberfläche mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht 3 beschichtet.
Wie vorab ausgeführt, generiert der Sensor 6 bei Überstreichen eines Abschnitts mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht 3 ein anderes Signal als bei Überstreichen eines nichtleitenden Abschnitts 5. Anhand des seitlichen Abstandes 7 der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht 3 vom seitlichen Rand 8 des Hydraulikzylinders ist die Position des Hydraulikzylinders mittels eines Sensors 6 bestimmbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, ein kohlenstoffhaltiges Gas sowie
> 0,01 Volumen-% bis < 50 Volumen-% Sauerstoff,
> 0,01 Volumen-% bis < 70 Volumen-% Stickstoff und
> 0,01 Volumen-% bis < 10 Volumen-% Argon umfasst, wobei die Summe der vorgenannten Komponenten < 100 Volumen-% ausmacht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, > 8 Volumen-% bis < 12 Volumen-% Sauerstoff, > 10 Volumen-% bis < 22 Volumen-% Stickstoff und > 4 Volumen-% bis < 6 Volumen-% Argon umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gasatmosphäre, aus der die Beschichtung abgeschieden wird, > 10 Volumen-% bis < 70 Volumen-% des kohlenstoffhaltigen Reaktionsgases umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das kohlenstoffhaltige Reaktionsgas ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen, Propylen, Butylen, Acetylen, Propin und/oder Butin.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 0,1 Pa bis < 2 Pa liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Temperatur, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 0,1 ° Celsius bis < 100 ° Celsius liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Frequenz, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, in einem Bereich von > 10 MHz bis < 20 MHz liegt.
8. Elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht nach Anspruch 8, wobei die elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich von > 105 S/m bis < 107 S/m liegt.
10. Elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schicht eine Dicke von > 1 μm bis < 15 μm aufweist.
11. Elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Schicht eine Härte von > 1800 HV bis < 2200 HV aufweist.
12. Werkstück (2), wobei die Oberfläche des Werkstücks (2) eine elektrisch leitfähige diamantähnliche Schicht nach einem der Ansprüche 8 bis 11 umfasst.
13. Werkstück (2) nach Anspruch 12, wobei die Oberfläche des Werkstücks (2) eine Mehrzahl von mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitten (3) umfasst, welche weiterhin entlang zumindest einer Richtung entlang der Oberfläche durch elektrisch nicht leitende Abschnitte (5) voneinander getrennt sind.
14. Werkstück (2) nach Anspruch 13, wobei die Abschnitte der mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht (3) beschichteten Oberfläche und die elektrisch nicht leitenden Abschnitte (5) rechteckförmig ausgebildet sind.
15. Werkstück (2) nach Anspruch 12, wobei die Oberfläche des Werkstücks (2) einen mit der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitt (3) umfasst, welcher sinuskurvenförmig auf der Oberfläche vorgesehen ist, wobei der sinuskurvenförmige Abschnitt (3) zwei nicht leitende Abschnitte (5) voneinander trennt.
16. Werkstück (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Werkstück (2) Teil eins Landefahrwerks eines Flugzeuges ist.
17. Werkstück (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Werkstück (2) ein elektrisch isolierendes Trägermaterial ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (2), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Werkstücks (2) nach Anspruch 17; b) Entfernen eines Abschnitts der elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht (3) mittels eines Lasers.
19. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Werkstücks (2), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Werkstücks (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 17; b) Abtasten der Oberfläche des Werkstücks (2), wobei beim Abtasten eines mit einer elektrisch leitfähigen diamantähnlichen Schicht beschichteten Abschnitts (3) ein anderes elektrisches Signal generiert wird als beim Abtasten eines elektrisch nicht leitenden Abschnitts (5); c) Erfassen der Anzahl der abgetasteten elektrisch leitenden (3) und elektrisch nicht leitenden Abschnitte (5).
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