EuroWire January 2015

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Technischer artikel
Januar 2015 49
Diamantschichten wurden abgeschieden
in ein Heißdraht-aktiviertes
Gasphasenabscheidungsgerät mit
Vorspannungsverstärkung.
Nanokristalline dünne Diamantschichten
wurden kontinuierlich vor Ort
abgeschieden auf 10 bis 15μm dicken
konventionellen Diamantschichten
über die Einstellung der CVD-
Prozessparameter (wie z. B. Gasdruck,
Kohlenwasserstoff-Wasserstoffgas-
Mischungsverhältnis und unabhängig
davon ob die Vorspannung angelegt
wird oder nicht), um die sekundäre
Nukleation wesentlich zu verbessern.
Diamantenverbundstoffschichten mit
einer glatten Oberfläche wurden durch die
Abscheidung von alternierenden rauen
polykristallinen und glatten feinkörnigen
nanokristallinen Diamantschichten erzielt[4].
Ein einzelner gerader Tantaldraht wurde
vorbereitet, um auf der Mittellinie des zu
beschichteten Ziehsteins zu liegen (siehe
Abb. 1). Der Tantaldraht wird mittels einer
Hochtemperaturfeder gerade gehalten
oder einer Art speziell entworfenen
Halter im Falle von Ziehsteinen mit sehr
geringem Lochdurchmesser.
Ein einzelner gerader Draht, der in der
Mittelinie des Ziehsteins angeordnet
ist, kann die Temperatur an der
Lochoberfläche des Ziehsteins während
des Abscheidungsverfahrens gleichmäßig
halten. Eine Gleichstromvorspannung
wurden zwischen dem Draht und dem
Ziehstein-Trägermaterial angelegt,
um somit die Nukleationsdichte des
Diamanten zu erhöhen.
3 Charakterisierung
und Diskussion
über Ziehsteine mit
nanokristalliner
Diamantverbundstoff-
Beschichtung
(nano-dies)
In den Abb. 2a und 2b sind die
Oberflächenmorphologie konventioneller
poly- und nanokristalliner
Diamantbeschichtungen dargestellt. Bei
einem konventionellen polykristallinen
Diamanten, wie in der Abb. 2a dargestellt,
zeigt die Schicht eine gut facettierte
mikrokristalline Diamantoberfläche mit
einer Korngröße, die zwischen 2 und
4μm liegt. Die Oberfläche ist sehr rau
und besteht aus einer Kombination von
{111}- und {110}-Facetten. Für einen
nanokristallinen Diamant, wie in der
Abb. 2b dargestellt, scheint die Schicht
sehr dicht zu sein mit einer feinkörnigen
Morphologie (Korngröße zirka 50nm).
Die Oberflächenmorphologie ist
nicht facettiert und viel glatter als die
polykristallinen Diamantschichten.
Abb. 3 zeigt das Raman-Spektrum
der Verbundstoffbeschichtungen der
polykristallinen und der nanokristallinen
Diamantschicht. Für konventionelle
polykristalline Diamantschichten
zeigt sich der einzige ausgeprägte,
charakteristische Peak für Diamanten
(sp3 Kohlenstoff) bei 1.332cm-1. Für
nanokristalline Diamantschichten,
erscheint ein charakteristischer Peak
für Diamanten (sp3 Kohlenstoff) nahe
1.339cm-1. Ein breiter Peak nahe 1.580cm -1
entspricht dem amorphen Kohlenstoff
oder dem nicht-Diamant-Kohlenstoff (sp2
Kohlenstoff). Es kann hergeleitet werden,
dass die konventionelle polykristalline
Diamantschicht viel weniger Nicht-
Diamanten-Komponente enthält. Für
nanokristalline Diamanten ist der Band
des Diamanten bei 1.332cm -1 wesentlich
erweitert und die Raman-Streuintensität
nahe dem Bereich von 1.560cm-1 ist
ausgeprägt.
Die Erweiterung des Bands des Diamanten
ist ein Ergebnis der Reduzierung der
Korngröße auf dem Nanometer-Maßstab,
und die Präsenz der Streuintensität bei
1.560cm-1 wird durch die zunehmenden
sp2-gebundene Komponenten aus
graphitähnlichem oder amorphem
Kohlenstoff an den Korngrenzen in den
Schichten hervorgerufen.
Die Raman-Streuung ist 50 bis 60
Mal höher für den sp2-verbundenen
Kohlenstoff verglichen mit den
sp3-verbundenen Kohlenstoff, daher
dominiert die Diamant-Komponente in
den Schichten. Das Raman-Spektrum der
nanokristallinen Diamantschicht in der
Abb. 3 kann als Darstellung der Oberfläche
der Diamantenverbundstoffschicht
betrachtet werden, denn das
Raman-Spektrum zeigt die Struktur der
Decklage der Schicht.
Die Oberflächenprofile der
konventionellen polykristallinen
Diamantbeschichtung und der
nanokristallinen Diamantenverbundstoff-
Beschichtung wurden, mit derselben
Dicke, bei fünf verschiedenen Werken
für die Bemusterung mit einem
Oberflächenprofilometer geprüft.
Dabei entsprachen die Ergebnisse der
Oberflächenrauheit (Ra) je 309,64nm
und 104,71nm. Vergleichsweise
konnte die Ra der nanokristallinen
Diamantenverbundstoff-Beschichtung
30nm oder nach dem mechanischen
Schleifen sogar niedrigere Werte erreichen.
Entsprechend der Charakterisierung
und Analyse, weist die nanokristalline
Diamantbeschichtung eine glatte
Oberfläche mit einer Korngröße von
zirka 50nm auf, die viel geringer
ist als jene der konventionellen
polykristallinen Diamantbeschichtungen.
Das ist für das Oberflächenschleifen
der Diamantbeschichtungen von
Vorteil. Daher können nanokristalline
Diamantverbundstoff-Beschichtungen
(nano-dies) leicht gefertigt werden, siehe
Abb. 4 (mit Ziehsteinfassung), um die
Anforderungen der hervorragenden
Abriebfestigkeit sowie der sehr hohen
Oberflächenbeschaffenheit und geringen
Reibung mit Aluminium zu erfüllen.
4 Anwendungstests
der mit
nanokristallinen
Diamanten
beschichteten
Ziehsteine beim
Aluminium-
drahtziehen
4.1 Konventionelle
Anwendungstests der mit
nanokristallinen Diamanten
beschichteten Ziehsteine für
Aluminiumdrahtziehen
Es wurden mit nanokristallinen Diamanten
beschichtete Ziehsteine (nano dies)
mit verschiedenen Spezifikationen
(Lochdurchmesser niedriger als 4mm) für
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▲ Abb. 5: Die Anwendungsmöglichkeit der
Wasserschmierung im Ziehverfahren von Rohren
aus Al-Kunststoffcompound mit nanokristallinen
Diamanten beschichteten Ziehsteinen und Aussehen
des Aluminiumprodukts
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