ES2201831T3

ES2201831T3 - Capa de diamante policristalina con textura 1oo.

Info

Publication number: ES2201831T3
Application number: ES99968768T
Authority: ES
Inventors: Matthias Fryda; Jochen Brand
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: EP1144719A2; WO2000026433A2; DE19850346C2; WO2000026433A9; DE19850346A1; DE59906460D1; WO2000026433A3; EP1144719B1; ATE246267T1

Abstract

Capa de diamante policristalina con textura 100 y con rugosidad de superficie ajustada en forma definida, que ha sido aplicada sobre un sustrato, caracterizada porque la rugosidad de la superficie, ajustada en forma definida, se obtiene previendo en esta capa cavidades con una profundidad ajustada en forma definida y con una proporción ajustada de la superficie de las anchuras A1 de abertura de las cavidades, y por lo menos en una parte de las cavidades está aplicado al menos un material adicional para mejorar las propiedades de la capa de diamante.

Description

Capa de diamante policristalina con textura 100.

La invención se refiere a capas policristalinas de diamante, que pueden tener otras propiedades, además de la resistencia contra la fricción y un pequeño desgaste, y que por lo tanto pueden ser optimizadas selectivamente para la finalidad de aplicación respectiva en cada caso.

En el caso de componentes que estén sometidos a esfuerzos tribológicos, como por ejemplo herramientas para el mecanizado de materiales por arranque de viruta, es conocido ya el sistema de dotarles de recubrimientos duros, resistentes a la fricción y al desgaste.

En especial los recubrimientos de diamante policristalino, gracias a su excelente resistencia al desgaste y a las propiedades muy buenas de fricción, hacen posible una clara prolongación de la duración de vida de tales componentes, incluso sometidos a condiciones extremadamente abrasivas.

Es ya de conocimiento general la fabricación de capas de diamante policristalinas por medio de diversos procedimientos de precipitación a partir de la fase gaseosa, como el CVD, por ejemplo el procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso químico con filamento caliente (Hot Filament Chemical Vapor Deposition = HF-CVD) o bien el de precipitación en fase gaseosa por proceso químico con microondas o bien por medio de chorro de plasma. Procesos de esta clase han sido descritos repetidas veces en la bibliografía, por ejemplo en el estudio de K. Bachmann y W. van Enckevort titulado "Tecnologías de precipitación de diamante", publicado en "Diamond and Related

\hbox{Materials}

" 1 (Diamante y Materiales Afines) de 1992, páginas 1021 a 1034 o bien en el estudio de B. Lux et al. titulado "Diamante para herramientas y abrasivos" publicado en la misma publicación en las páginas 1034 a 1037.

Además, en el estudio de C. Wild et al. titulado "Precipitación en fase gaseosa por proceso químico y caracterización de películas de diamante de caras lisas con textura 100", publicado en "Diamond and Related Materials" 2 (Diamante y Materiales Afines), del año 1993, páginas 158 a 168, en el documento de patente europea EP 0 807 693, así como también en la patente norteamericana US 5 437 891, se describe la fabricación de capas de diamante orientadas con textura 100 con superficie lisa.

El documento de patente US 4 992 082 se refiere a una herramienta con una capa de diamante, produciéndose la capa de diamante de manera que se hace que crezcan sobre la respectiva superficie de la herramienta un gran número de partículas de diamante individuales, que no estén en contacto entre sí y cuya orientación sea estática, e incorporando estas partículas de diamante en una matriz compuesta de un aglutinante, para aumentar la resistencia de adherencia. Sin embargo, se ha comprobado que para muchas aplicaciones se requieren otras propiedades, además de una gran resistencia al desgaste, para poder conseguir un resultado óptimo.

Así, según sea la finalidad de aplicación, puede ser deseable proporcionar a los componentes otras propiedades, por ejemplo para variar el comportamiento de reticulado o las propiedades de deslizamiento de las superficies, o bien se pueden exigir buenas propiedades antiadhesivas, para impedir que el material que se debe utilizar se pegue sobre las superficies de una herramienta de arranque de viruta o bien para evitar uniones locales por soldadura.

Se han hecho ya numerosas propuestas para variar las propiedades de la superficie de herramientas de esta clase, aplicando sobre la herramienta, por medio de procedimientos de precipitación ya conocidos, capas de diferentes composiciones, y por lo tanto con diferentes propiedades.

Así, es conocido que, por medio de la combinación de capas de material duro con capas de recubrimiento con poca fricción, se puede aumentar la duración de vida de herramientas sometidas a esfuerzos tribológicos, por ejemplo brocas de taladrar.

El documento EP -A- 0 625 588 describe una secuencia de capas de polímero de plasma como capa de material duro aplicable sobre sustratos con una capa funcional que, además de los elementos básicos carbono e hidrógeno, contiene también elementos adicionales no metálicos o semimetálicos y puede ser fabricada por medio de los procedimientos convencionales de precipitación en fase gaseosa por proceso físico PVD o por proceso químico CVD. La capa funcional sirve para influir sobre el comportamiento de reticulado o de adherencia frente a líquidos y gases y sirve para proporcionarle a la superficie resistencia química contra ácidos, lejías y disolventes.

Así, el documento de patente US 5 108 813 describe un elemento de deslizamiento con una capa de diamante crecida en forma estadística, habiendo sido aplicado un material blando sobre las irregularidades de la superficie de esta capa de diamante crecida estadísticamente, para mejorar el coeficiente de fricción. Las capas de diamante crecidas estadísticamente tienen una morfología desigual de la superficie con rugosidades con las más diversas profundidades y estructuras.

Sin embargo, existe una considerable necesidad de disponer de una capa de recubrimiento de diamante uniforme, que pueda proporcionar de forma sencilla las más diversas propiedades adicionales.

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Por lo tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar una capa de recubrimiento de diamante mejorada, que además de una resistencia al desgaste y a la fricción, tenga otras funciones adicionales, así como un procedimiento de la fabricación de una capa de esta clase.

Este objeto se soluciona por medio de una capa de diamante policristalina con textura 100 y con una rugosidad de superficie ajustada en forma definida, con las características indicadas en la reivindicación 1.

Las capas de diamante realizadas según la invención tienen una rugosidad ajustada en forma definida, rellenándose los valles o las cavidades de la rugosidad con por lo menos otro material, que le proporciona a la capa de diamante la propiedad adicional deseada.

El por lo menos un material puede llenar entonces total o parcialmente todas las cavidades o solo una parte de ellas, puede salir por fuera de las cavidades y puede cubrir total o parcialmente la superficie.

Sobre la capa de diamante se puede aplicar también una o varias capas antes o después de la aplicación del material deseado.

Rugosidad ajustada en forma definida en el sentido de la presente invención significa que los valle de la rugosidad tienen una profundidad aproximadamente uniforme, en comparación con capas de diamante crecidas con orientación estadística, siendo posibles variaciones debidas al procedimiento. Sin embargo, estas variaciones debidas al procedimiento son pequeñas en comparación con la amplitud de las variaciones de los valles de la rugosidad que se producen en capas de diamante crecidas en forma estadísticamente.

La capa de diamante realizada según la invención crece en lo esencial en forma orientada y tiene una textura 100, estando el plano 100 de los cristales de diamante alineado en lo esencial horizontalmente respecto a la superficie del sustrato.

La capa de diamante con textura 100 y con rugosidad de la superficie ajustada en forma definida, realizada según la invención, puede ser obtenida por medio de una precipitación en fase gaseosa por proceso químico (CVD) en varias etapas. Especialmente preferida para ello es la utilización del procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso químico con filamento caliente (Hot Filament Chemical Vapor Deposition = HF-CVD).

Para ello, después de la formación previa habitual de gérmenes en un sustrato cualquiera deseado, en una primera etapa se realiza la precipitación de la capa de diamante texturizada, con una dirección preferida del crecimiento de los cristales esencialmente en perpendicular a la superficie del sustrato, para ajustar la profundidad máxima de la rugosidad, y en una segunda etapa, con una dirección preferente del crecimiento de los cristales en lo esencial horizontal a la superficie del sustrato, el ajuste de las condiciones de la superficie y por lo tanto la parte de la superficie de la anchura de abertura de las cavidades en el conjunto de la superficie.

A continuación se explica la invención a título de ejemplo con ayuda de los dibujos adjuntos, en los que se muestran:

-: en la figura 1 una fotografía, tomada con microscopio electrónico de barrido de superficies, de una capa de diamante crecida y orientada en forma estadística;

-: en la figura 1b esquemáticamente el contacto de un contracuerpo con la capa de diamante orientada en forma estadística;

-: en la figura 2a una fotografía, tomada con microscopio electrónico de barrido de superficies, después de la precipitación de la capa de diamante texturizada para el ajuste de la profundidad de rugosidad deseada (primera etapa);

-: en la figura 2b una representación esquemática de la capa, después de la primera etapa;

-: en la figura 3a una fotografía tomada con microscopio electrónico de barrido de superficies de la capa de diamante realizada según la invención, después de la segunda etapa;

-: en la figura 3b una representación esquemática de la configuración de la capa realizada según la invención; y

-: en la figura 4 dos variaciones de la capa realizada según la invención con material funcional aplicado sobre ella.

Según se muestra en las figuras 2b y 3b, la capa realizada según la invención crece primeramente en forma de pirámide en la primera etapa en dirección hacia arriba (1), con lo cual se puede ajustar la profundidad de las rugosidades (indicada aquí en el dibujo con R_{máx}) y en la segunda etapa crece en superficie (2) en el sentido de la anchura, con lo cual se puede ajustar la relación de superficies como relación entre las partes A2 y A1 de la superficie. Aquí, la parte A2 de la superficie significa la extensión de la forma de pirámide en la primera etapa de las cristalitas crecidas en paralelo a la superficie del sustrato, y la parte A1 de la superficie significa la anchura del orificio o abertura de las cavidades. El crecimiento en altura no está ciertamente impedido del todo en la segunda etapa, pero predomina con mucho el crecimiento en superficie.

Por medio de la medida del crecimiento en superficie, que tiene lugar también en las cavidades, según se muestra en la figura 3b, y que disminuye la profundidad al ir aumentando el crecimiento, se puede ajustar según se necesite la rugosidad de la superficie.

La profundidad de las rugosidades R_{máx}, así como la relación entre superficies A2 : A1, no están sometidas a ninguna limitación especial y pueden variar libremente según se necesite.

La forma de dejar crecer selectivamente películas de diamante orientadas con textura 100, con una variación adecuada de los parámetros de precipitación por medio del procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso químico CVD con microondas ayudado con plasma, ha sido descrito y discutido, por ejemplo, por C. Wild et al. en su estudio titulado "Precipitación en fase gaseosa por proceso químico y caracterización de películas de diamante de caras lisas con textura 100", publicado en "Diamond and Related Materials" 2 (Diamante y Materiales Afines), de 1993, páginas 158 a 168.

Un procedimiento especialmente preferido para la realización de capas según la presente invención con una rugosidad definida de las superficies es el procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso químico con filamento caliente (HF- CVD), según ha sido discutido y descrito, por ejemplo, por Bachmann y van Enckeford en su estudio titulado "Tecnologías de precipitación de diamante", publicado en "Diamond and Related Materials" 1 (Diamante y Materiales Afines) del año 1992, páginas 1021 a 1034.

Sin embargo, se entiende y es ya conocido de forma general por los técnicos especializados, que para procesos de precipitación de capas se tienen que sincronizar los parámetros del proceso entre sí y ajustarlos en dependencia de los aparatos concretos que se vayan a utilizar en cada caso.

Para dejar que crezca en forma selectiva la capa de diamante propuesta en la presente invención con orientación con textura 100, es ventajoso añadirle al gas de reacción de la primera etapa una cantidad muy pequeña de nitrógeno.

Además, se ha comprobado que es ventajoso elegir la concentración de la combinación de carbono en la primera etapa con un valor más alto que en la segunda etapa.

Las temperaturas del filamento y del sustrato deberán ser más elevadas en la segunda etapa que en la segunda etapa.

A continuación se explica el procedimiento HF-CVD, preferido según la presente invención, para la fabricación de la capa de diamante propuesta en la invención, con ayuda de un ejemplo de realización.

Un reactor adecuado para este ejemplo puede tener un volumen de 0,12 m^{3}, filamentos de tántalo con un diámetro de 1 mm y una distancia de 10 mm entre el filamento y el sustrato.

Para la primera etapa se emplea una mezcla de gases compuesta de entre el 1,2% y el 2,6% de volumen de metano como combinación de carbono, entre 10 y 100 ppm de nitrógeno y el resto de hidrógeno. La temperatura del filamento es preferentemente de entre 2300 y 2500ºC con una temperatura del sustrato de entre 800 y 850ºC. La duración de la precipitación depende de la profundidad de rugosidad deseada.

Para la segunda etapa, la composición de la mezcla de gases es preferentemente de entre el 0,6% y el 1,6% de volumen de metano como combinación de carbono y el resto de hidrógeno. La temperatura del filamento debería ser aquí de aproximadamente entre 2400 y 2600ºC con una temperatura del sustrato de aproximadamente entre 875 y 950ºC. La duración de la precipitación depende de las características de superficie deseadas.

Una presión adecuada para ambas etapas es de aproximadamente 40 mbar con un flujo de gas de aproximadamente 1 slm (litros standard por minuto).

El procedimiento propuesto en la presente invención es adecuado en especial también para el recubrimiento de sustratos de gran superficie y/o configurados en forma complicada.

Las rugosidades producidas en la capa de diamante realizada según la invención sirven para el alojamiento de por lo menos un material adicional, que le proporcione a la superficie la deseada propiedad adicional y que por lo tanto se puede denominar capa funcional.

Por ejemplo, la fricción y el desgaste de los contracuerpos puede ser reducida al mínimo por medio de materiales como lubrificantes sólidos o líquidos, sulfuros, seleniuros, teflón, metales blandos, por ejemplo estaño, aluminio o plomo, así como mediante la aplicación de capas de DLC. La energía de la superficie o bien la capacidad de reticulado puede ser variada, por ejemplo, por medio de silicona, sulfuros, teflón o capas de DLC.

Además, se ha comprobado que se mejora considerablemente la capacidad de soporte hidrodinámica de los componentes, que estén recubiertos con la capa de diamante realizada según la invención con una rugosidad de la superficie ajustada en forma definida. Este efecto se debe a la configuración relativamente regular y uniforme de las irregularidades, es decir de las cavidades. A diferencia de las capas crecidas con orientación estadística, en las que un contracuerpo se desliza sobre pocas puntas, según se muestra esquemáticamente en la figura 1b, en la capa de diamante realizada según la invención hay un contracuerpos apoyado con penetración sobre una superficie relativamente plana, según se representa en la figura 3b. La proporción de cavidades (A1) en este caso es preferentemente de entre el 30% y el 90% del total de la superficie, pero en especial entre el 50% y el 60%.

En la figura 4 se muestran ejemplos de posibilidades de aplicación del material adicional (5).

En la lista siguiente se exponen ejemplos de posibilidades de aplicación de la capa de diamante realizada según la invención con material adicional, así como materiales adecuados para influir sobre determinadas propiedades de la superficie:

- Herramientas de mecanizado por arranque de	Disminución de la fricción y de la tendencia a pegarse,
viruta, como placas de corte inversibles, fresas,	mejor arranque de viruta, en especial en metales ligeros,
brocas de taladrar:	por medio de capas de carbono no amorfo y/o de MoS_{2}.

- Herramientas de prensado, como herramientas	Reducción de la tendencia al pegado por medio de
de prensado para piezas sinterizadas (por ejemplo,	carbono amorfo y/o teflón, logro de un efecto antiadhesivo,
cerámica y piezas de metal duro), machos para	en especial para machos de troquelado de comprimidos,
troquelar comprimidos:	con una parte preferida de la superficie antiadhesiva de
	entre el 80% y el 90% de la superficie total y el resto
	diamante.

- Herramientas de deformación, como	Utilización de las cavidades para mejorar la capacidad
herramientas de embutición profunda:	hidrodinámica de soporte (proporción preferida de la
	superficie de las cavidades entre el 30% y el 60% de la
	superficie total), consecución de un efecto antiadhesivo,
	en especial en el caso de mecanizado de metales ligeros
	por medio de carbono amorfo y teflón.

- Cojinetes, como cojinetes de deslizamiento	Reducción de la fricción y del desgaste de los contra-
y rodamientos a bolas:	cuerpos por medio de teflón, MoS_{2} y/o metales blandos
	en especial en el caso de cojinetes de deslizamiento,
	aprovechamiento de las cavidades para mejorar la
	capacidad hidrodinámica de soporte (proporción preferida
	de la superficie de las cavidades entre el 30% y el
	60% de la superficie total).

- Emparejamientos de émbolo/cilindro, como	Utilización de las cavidades para mejorar la capacidad
en las bombas, por ejemplo en bombas para	hidrodinámica de soporte, reducción de la fricción por
productos químicos:	medio de teflón y/o de MoS_{2}.

- Elementos de guía, como guías lineales y	Reducción del riesgo de ensuciamiento por medio de teflón
guías de hilos:	y/o de carbono amorfo, disminución de la fricción,
	por ejemplo por medio de MoS_{2}.

En cuanto a la capa funcional, se puede tratar de un material teñido en color, por ejemplo para proporcionarle un color deseado al respectivo componente recubierto con la capa, o bien puede ser también un barniz.

La aplicación de materiales y el rellenado de los valles de las rugosidades pueden ser realizados con procedimientos adecuados de cualquier tipo para ello y no están sometidos por lo general a limitaciones especiales. Ejemplos de procedimientos adecuados son, por ejemplo, la inmersión, la aplicación simple, el recubrimiento con una capa, etc.

El material adicional puede ser aplicado también por medio de un procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso físico PVD o químico CVD. En estos casos, la aplicación puede ser realizada en especial "in situ", es decir en la misma instalación de recubrimiento, en la que se hace la precipitación de la capa de diamante, a continuación de la precipitación de la capa de diamante.

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Se entiende que la presente invención proporciona un gran número de posibilidades para variar las propiedades de la superficie de capas de diamante aplicadas sobre herramientas y piezas, según sean las necesidades y la finalidad de utilización de cada caso.

Lista de referencias de los dibujos

1: Crecimiento en la primera etapa

2: Crecimiento en la segunda etapa

3: Capa de diamante crecida con orientación estadística

4: Contracuerpo

5: Material adicional.

Claims

1. Capa de diamante policristalina con textura 100 y con rugosidad de superficie ajustada en forma definida, que ha sido aplicada sobre un sustrato, caracterizada porque la rugosidad de la superficie, ajustada en forma definida, se obtiene previendo en esta capa cavidades con una profundidad ajustada en forma definida y con una proporción ajustada de la superficie de las anchuras A1 de abertura de las cavidades, y por lo menos en una parte de las cavidades está aplicado al menos un material adicional para mejorar las propiedades de la capa de diamante.

2. Capa de diamante policristalina según la reivindicación 1, caracterizada porque la proporción de la superficie de la anchura A1 de las aberturas es de entre el 30% y el 90% del total de la superficie.

3. Capa de diamante policristalina según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el material ha sido elegido de entre materiales para mejorar el comportamiento tribológico.

4. Capa de diamante policristalina según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el material es un material para reducir la fricción, para disminuir la tendencia al pegado, para reducir el ensuciamiento, un material con efecto antiadherente o un material para optimizar la capacidad de reticulado.

5. Capa de diamante policristalina según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el material se elige de entre un lubrificante sólido o líquido, un sulfuro, un seleniuro, teflón, estaño, aluminio, plomo, capas de DLC y silicona.

6. Procedimiento para la fabricación de una capa de diamante policristalina con textura 100 y con una rugosidad de superficie ajustada en forma definida, según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en un procedimiento de precipitación en fase gaseosa se deja que crezcan en un sustrato cristales de diamante en orientación con textura 100, de manera que en una primera etapa se elige la dirección preferida del crecimiento de los cristales en perpendicular respecto a la superficie del sustrato y en una segunda etapa se elige la dirección preferente del crecimiento de los cristales en sentido horizontal respecto a la superficie del sustrato, y la rugosidad de la superficie se ajusta por medio de la medida del crecimiento de los cristales en la segunda etapa, y en las cavidades obtenidas mediante el ajuste de la rugosidad de la superficie se introduce por lo menos un material adicional para mejorar las propiedades de la capa de diamante.

7. Procedimiento para la fabricación de una capa de diamante policristalina según la reivindicación 6, caracterizado porque la precipitación se realiza con un procedimiento de precipitación en fase gaseosa por proceso químico con filamento caliente.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado porque a la mezcla de gases de reacción se le añade nitrógeno en la primera etapa.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la concentración de la combinación de carbono en la mezcla de gases de reacción en la primera etapa se elige con un valor más alto que en la segunda etapa.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la temperatura del filamento y la temperatura del sustrato en la segunda etapa se eligen con un valor más alto que en la primera etapa.

11. Herramienta o pieza componente, que ha sido recubierta por lo menos en parte con una capa de diamante policristalina realizada según una de las reivindicaciones 1 a 5.

12. Herramienta según la reivindicación 11, caracterizada porque la herramienta es una herramienta de mecanizado por arranque de viruta, una herramienta de prensado o una herramienta de deformación.

13. Pieza según la reivindicación 11, caracterizada porque la pieza es un cojinete, un emparejamiento de émbolo/cilindro o un elemento de guía.