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DE102007027474A1 - Flat layer formation from diamond material on surface of workpiece, involves utilizing well-known diamond coating technology, particularly chemical vapor deposition coating process - Google Patents

Flat layer formation from diamond material on surface of workpiece, involves utilizing well-known diamond coating technology, particularly chemical vapor deposition coating process Download PDF

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Abstract

Flat layer formation involves utilizing well-known diamond coating technology, particularly a chemical vapor deposition (CVD) coating process. A workpiece (2) before coating is embedded in a bed (3) made of granular material with a surface. The surface is coated in such a manner that a free surface formed by the bed aligns with the level of the workpiece surface, which is to be coated. The diamond coating is carried out by integrating the workpiece surface and a surface area of the bed adjacent to the workpiece surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Oberfläche eines Werkstücks unter Anwendung bekannter Diamantbeschichtungstechnologien, insbesondere des CVD-Beschichtungsverfahrens.The The invention relates to a method for forming a planar layer of a diamond material on a surface of a workpiece using known diamond coating technologies, in particular of the CVD coating process.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich auf die Ausbildung hochgradig planer Diamantbeschichtungen auf Gleitringen von Gleitringdichtungen.The The invention relates in particular, but not exclusively on the formation of highly planar diamond coatings on slip rings of mechanical seals.

Verschiedene Verfahren zum Abscheiden von Diamantmaterial auf Oberflächen zur Bildung kristalliner Diamantbeschichtungen sind bekannt. Bekannt ist insbesondere das CVD-Beschichtungsverfahren (Chemical Vapour Deposition, chemische Gasabscheidung). Bezüglich weiterer Details zu diesem Verfahren wird auf J. Otschik, A. Schrüfer, et al, Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Proccedings of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 verwiesen. Dieser Bericht ist damit, soweit er für das Verständnis der vorliegenden Erfindung relevant ist, in die Offenbarung einbezogen.Various methods of depositing diamond material on surfaces to form crystalline diamond coatings are known. In particular, the CVD coating method (Chemical Vapor Deposition, chemical vapor deposition) is known. For more details on this procedure will be on J. Otschik, A. Schrüfer, et al., Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Propping of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 directed. This report is thus included in the disclosure insofar as it is relevant to the understanding of the present invention.

Ein Problem bei der herkömmlichen Diamantbeschichtung von Oberflächen ist, dass die gebildeten Diamantschichten häufig für bestimmte Anwendungsfälle keine oder eine nicht ausreichende Planität besitzen. Insbesondere bei der Beschichtung von Gleitringen für Gleitringdichtungen wird eine hohe natürliche Planität der gebildeten Diamantschichten verlangt, da eine spätere Nachbearbeitung wegen der grossen Härte des Materials nicht oder nur mit erheblichem technischen Aufwand möglich ist. Zur Verbesserung der natürlichen Planität wurde schon vorgeschlagen, das zu beschichtende Werkstück während des Beschichtungsvorganges in Drehung zu versetzen und/oder die zu beschichtende Oberfläche mit sog. Umstellungsringen nach aussen abzudecken. Eine andere bekannte Vorgehensweise besteht in einer komplizierten Strömungsführung bei der Gasabscheidung. Ein gemeinsamer Nachteil der bekannten Vorgehensweisen ist, dass für die praktische Realisierung aufwändige teure Techniken erforderlich sind und dennoch die gewünschte hochgradige Planität nicht immer erhalten wird.One Problem with conventional diamond coating of surfaces is that the diamond films formed are common for certain use cases no or insufficient planarity have. Especially in the coating of slip rings for Mechanical seals will have a high natural planarity the formed diamond layers, since a later Post-processing not because of the great hardness of the material or only with considerable technical effort is possible. To improve the natural planarity has already been proposed, the workpiece to be coated during the coating process in rotation and / or the to be coated surface with so-called. Umstellungsringen to cover to the outside. Another known procedure exists in a complicated flow guidance at the Gas separation. A common disadvantage of the known approaches is that elaborate for the practical realization expensive techniques are required and still the desired high-grade planarity is not always preserved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwünschten Art zu schaffen, mit dem sich mit relativ geringem technischen Aufwand Diamantbeschichtungen mit extremer Planität in wirtschaftlicher Weise und mit geringen Kosten realisieren lassen.Of the Invention is based on the object, a method of the initially desired way of dealing with which is relatively small technical effort Diamond coatings with extreme planarity can be realized in an economical manner and at low cost.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach wird vor dem eigentlichen Abscheiden von Diamantmaterial das Werkstück mit nach oben weisender zu beschichtender Oberfläche in einem Bett aus körnigem Material, vorzugsweise einem Bett aus einem karbidischen Material, wie SiN, Si, SiC, W, WC so eingebettet, dass die Oberfläche des Bettes mit der Ebene der Werkstoffoberfläche wenigstens weitestgehend fluchtet. Danach erfolgt die Diamantbeschichtung unter Einbeziehung der Werkstoffoberfläche und eines benachbarten planen Oberflächenbereiches des Bettes. Infolge davon erhält die gesamte Werkstoffoberfläche eine extrem gleichförmige Beschichtung frei von Randinhomogenitäten wie sie ansonsten kaum vermeidbar sind. Das erfindungsgemässe Verfahren hat ferner den Vorteil, dass gleichzeitig eine Vielzahl von Werkstücken beschichtet werden kann, indem mehrere Werkstücke im Bett aus dem körnigen Material so angeordnet werden, dass sämtliche zu beschichtende Oberflächen in einer Ebene zu liegen kommen. Dabei brauchen die Werkstücke selbst nicht identisch sein, sondern könnten durchaus unterschiedliche Abmessungen haben.These Object is according to the invention by the features of claim 1 solved. After that, before the actual deposition of Diamond material the workpiece with facing upwards Coating surface in a bed of granular Material, preferably a bed of a carbide material, such as SiN, Si, SiC, W, WC embedded so that the surface of the bed with the plane of the material surface at least largely aligned. Thereafter, the diamond coating takes place under Inclusion of the material surface and an adjacent one plan surface area of the bed. As a result of this receives the entire surface of the material is extremely uniform Coating free of edge inhomogeneities as otherwise are hardly avoidable. The inventive method has Furthermore, the advantage that at the same time a variety of workpieces can be coated by placing several workpieces in bed the granular material are arranged so that all surfaces to be coated come to lie in one plane. The workpieces themselves do not need to be identical, but could well have different dimensions.

Besonders bevorzugt wird, dass gemäss einer Weiterbildung der Erfindung das Werkstück (oder die Werkstücke) zunächst mit der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche nach unten weisend auf einer planen Trägerfläche gelegt, danach um das Werkstück das körnige Material angeordnet, so dass das Werkstück in dem körnigen Material eingebettet wird, das Werkstück und das gebildete Bett aus dem körnigen Material zusammen mit der Trägerfläche umgewendet, so dass die Trägerfläche nach oben weisend zu liegen kommt, und die Trägerfläche entfernt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Trägerfläche um einen Teil einer Füllkastenanordnung, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Zur Verdichtung des körnigen Materials wird bevorzugt, dass dieses während der Bildung des Bettes unter Rüttelschwingungen versetzt wird.Especially it is preferred that according to a development of the invention the workpiece (or workpieces) first with the material surface to be coated downwards placed pointing on a flat support surface, then arranged around the workpiece the granular material, leaving the workpiece in the granular material embedded, the workpiece and the bed formed from the granular material together with the support surface turned over so that the support surface is up pointing to lie, and the support surface Will get removed. Preferably, the support surface is around a part of a Füllkastenanordnung, whereupon will be discussed in more detail. To compact the grainy Material is preferred to be this during formation of the bed is shaken under vibration.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich mit relativ einfachen Mitteln in wirtschaftlicher Weise Oberflächenbeschichtungen auf Werkstücken, wie Gleitringen, mit der erforderlichen hochgradigen Planität herstellen, wobei die Beschichtung selbst nach herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Diamantbeschichtungstechnologien, z. B. dem CVD-Beschichtungsverfahren, erfolgen kann.With The inventive method can be with relative simple means in an economical way surface coatings on workpieces, such as sliding rings, with the required produce high-grade planarity, the coating itself conventional diamond coating technologies known to those skilled in the art, z. As the CVD coating process can take place.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.The Invention will become more apparent hereinafter with reference to the drawings explained.

In der Zeichnung dargestellt ist die erfindungsgemässe Vorbereitung für eine Diamantbeschichtung an einer Vielzahl von Werkstücken mit jeweils planer Oberfläche, z. B. den Oberflächen von Gleitringen, die beim Einsatz der Gleitringdichtung die Gleitflächen bilden. Es zeigen:Shown in the drawing, the inventive preparation for a diamond coating on a variety of workpieces, each with a flat surface, z. As the surfaces of slip rings when using the mechanical seal form the sliding surfaces. Show it:

1 einen Füllkasten mit einer Vielzahl von Werkstücken in einem Bett aus körnigem Material gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a filling box with a plurality of workpieces in a bed of granular material according to an embodiment of the invention,

2–5 die verschiedenen Schritte für die Bereitstellung eines Füllkastens mit einer Vielzahl von Werkstücken in einem Bett aus körnigem Material gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 - 5 the various steps for providing a filling box with a plurality of workpieces in a bed of granular material according to another embodiment of the invention.

In 1 ist ein Füllkasten 1 gezeigt, in dem eine Vielzahl von Werkstücken 2, 2' in einem Bett 3 aus körnigem Material so angeordnet sind, dass die freie Oberfläche des Bettes mit den zu beschichtenden Oberflächen der Werkstücke in im Wesentlichen einer gemeinsamen Ebene liegt. In der in 1 gezeigten Konfiguration kann anschliessend die chemische Gasphasenabscheidung zur Bildung einer kristallinen Diamantbeschichtung auf den Werkstückoberflächen vorgenommen werden.In 1 is a filler box 1 shown in which a variety of workpieces 2 . 2 ' in a bed 3 are arranged of granular material so that the free surface of the bed with the surfaces to be coated of the workpieces in substantially a common plane. In the in 1 The configuration shown can then be followed by chemical vapor deposition to form a crystalline diamond coating on the workpiece surfaces.

Obschon die in 1 gezeigte Anordnung, wenn erwünscht, auch auf andere Weise geschaffen werden könnte, wird ein bevorzugtes Verfahren nachfolgend anhand von 2 bis 5 beschrieben.Although the in 1 shown arrangement, if desired, could also be created in other ways, a preferred method is described below with reference to 2 to 5 described.

2 zeigt, dass auf der planen Bodenfläche 4 eines Hilfskastens 5 mehrere Werkstücke 2, 2' in Abstand voneinander mit nach unten weisenden zu beschichtenden Oberflächen 6, 6' aufgelegt werden, so dass diese auf einer gemeinsamen Ebene zu liegen kommen. 2 shows that on the flat floor surface 4 an auxiliary box 5 several workpieces 2 . 2 ' at a distance from each other with surfaces facing down to be coated 6 . 6 ' be placed so that they lie on a common plane.

Danach wird gemäss 3 der Hilfskasten 5 mit einem geeigneten körnigen Material 3 aufgefüllt, so dass die Werkstücke 2, 2' vollständig darin eingebettet werden, einschliesslich der Zwischenräume zwischen benachbarten Werkstücken.Thereafter, according to 3 the auxiliary box 5 with a suitable granular material 3 filled up so that the workpieces 2 . 2 ' be completely embedded therein, including the spaces between adjacent workpieces.

Anschliessend wird auf den Hilfskasten 5 der Füllkasten 1 mit nach unten weisender Aunahmemulde aufgesetzt, wie dies in 4 gezeigt ist, um das gebildete Bett 3 und die darin eingebetteten Werkstücke 2, 2' zu fixieren.Then it is on the auxiliary box 5 the filling box 1 mounted with down facing Aunahmemulde, as in 4 shown is the bed formed 3 and the workpieces embedded therein 2 . 2 ' to fix.

Nach Umwendung der in 4 gezeigten Konfiguration um 180°, wie dies in 5 gezeigt ist, kann der Hilfskasten 5 weggenommen werden, so dass das Bett 3 mit den in einer Ebene ausgerichteten zu beschichtenden Werkstückoberflächen freigelegt wird und mit dem Beschichten begonnen werden kann.After conversion of in 4 shown configuration by 180 °, as shown in 5 shown, the auxiliary box 5 be taken away, leaving the bed 3 is exposed with the aligned in a plane to be coated workpiece surfaces and can be started with the coating.

Das körnige Material, bei dem es sich vorzugsweise um karbidisches Material aus der vorgenannten Materialgruppe handelt, sollte weitestgehend staubfrei sein und eine Partikelgrösse haben, die zwischen 0,1 mm und der Abmessung des zu beschichtenden Werkstückes zwischen der zu beschichtenden und einer gegenüberliegenden Oberfläche liegt. Vorzugsweise sollte die Partikelgrösse zwischen etwa 0,5 und 1,0 mm betragen. Obschon sich es sich bei dem körnigem Material um ein in der Konfiguration beliebig gestaltetes granulatförmiges Material handeln kann, wird bevorzugt, dass die Partikel eine runde, vorzugsweise kugelförmige Konfiguration aufweisen. Das körnige Material kann monodispers oder polydispers sein, oder es können Mischformen vorliegen.The granular material, which is preferably carbidic Material from the aforementioned material group is, as far as possible be dust-free and have a particle size between 0.1 mm and the dimension of the workpiece to be coated between the one to be coated and one opposite Surface lies. Preferably, the particle size should be between about 0.5 and 1.0 mm. Although it is the granular Material around an arbitrarily designed in the configuration granular material it is preferred that the particles are round, preferably have spherical configuration. The grainy Material can be monodisperse or polydisperse, or it can Mixed forms are present.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - J. Otschik, A. Schrüfer, et al, Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Proccedings of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 [0003] - J. Otschik, A. Schrüfer, et al., Crystalline Diamond Coatings for Mechanical Seal Applications, Procuting of Mechanical Sealing Technology Conference, Institution of Mechanical Engineers, London, 2007 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Ausbildung einer planen Schicht aus einem Diamantmaterial auf einer Oberfläche eines Werkstücks unter Anwendung bekannter Diamantbeschichtungstechnologien, insbesondere dem CVD-Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Beschichten das Werkstück mit nach oben weisender zu beschichtender Oberfläche in einem Bett aus körnigem Material so einbettet, dass eine durch das Bett gebildete freie Oberfläche mit der Ebene der zu beschichtenden Werkstückoberfläche im wesentlichen fluchtet, und dass man danach die Diamantbeschichtung unter Einbeziehung der zu beschichtenden Werkstückoberfläche und wenigstens eines der Werkstückoberfläche benachbarten Oberflächenbereiches des Bettes vornimmt.Method for forming a planar layer of a diamond material on a surface of a workpiece using known diamond coating technologies, in particular the CVD coating method, characterized in that embedded in a bed of granular material before coating the workpiece with surface facing upwards to be coated in that a free surface formed by the bed is substantially flush with the plane of the workpiece surface to be coated, and thereafter the diamond coating is carried out taking into account the workpiece surface to be coated and at least one surface area of the bed adjacent to the workpiece surface. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück zunächst mit der zu beschichtenden Werkstückoberfläche nach unten weisend auf einer planen Trägerfläche, insbesondere einer Füllkastenanordnung, anordnet, danach um das Werkstück das körnige Material anordnet, so dass das Werkstück in dem körnigen Material eingebettet wird, das Werkstück und das gebildete Bett aus dem körnigen Material zusammen mit der Trägerfläche umwendet, so dass die Trägerfläche nach oben weisend zu liegen kommt, und die Trägerfläche entfernt.Method according to claim 1, characterized in that that the workpiece with the first to be coated Workpiece surface facing down on one plan carrier surface, in particular a Füllkastenanordnung, arranges, then around the workpiece the granular Arranges material, leaving the workpiece in the granular Material is embedded, the workpiece and the formed Bed of granular material together with the support surface turns so that the support surface facing upward comes to rest, and removes the support surface. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig eine Vielzahl von beabstandeten Werkstücken mit im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichteten zu beschichtenden Oberflächen vorgesehen wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that at the same time a plurality of spaced workpieces with essentially aligned in a common plane too coating surfaces is provided. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen staubfreies körniges Material verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that substantially dust-free granular Material is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material ein karbidisches Material, insbesondere aus der Gruppe der SiN, Si, SiC, W, WC umfassenden Karbide, umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granular material is a carbide Material, in particular from the group of SiN, Si, SiC, W, WC comprehensive Carbides, includes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material aus granulatförmigen Partikeln zusammengesetzt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granular material of granular Particles is composed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material eine Partikelgrösse zwischen 0,1 mm und gleich oder annähernd gleich der Abmessung des zu beschichtendem Werkstücks zwischen der zu beschichtenden und einer gegenüberliegenden Oberfläche, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm, hat.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granular material is a Particle size between 0.1 mm and equal or approximate equal to the dimension of the workpiece to be coated between the surface to be coated and an opposite surface, preferably 0.5 to 1.0 mm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material monodispers ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granular material is monodisperse is. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material polydispers ist.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the granular material polydisperse is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das körnige Material während der Bildung des Bettes unter Rüttelschwingungen versetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the granular material during the formation of the bed shaken under vibration becomes.
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