DD143070A1 - METHOD FOR GENERATING DIAMOND CRYSTALLITES - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung von Diamantkristalliten findet Anwendung im Verschleißschutz, im Werkzeugmaschinenbau und in der Pulvermetallurgie. Das Ziel der Erfindung besteht darin, Diamantkristallite unter Verwendung billiger Ausgangsmaterialien und einfacher technologischer Verfahren herzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Diamantkristallite ohne Anwendung der Hochdrucksynthese bzw. ohne zusätzliche Keimkristalle, die in der Niederdrucksynthese notwendig sind, herzustellen. Erfindungsgemäß werden Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichen Eigenschaften, die durch ionengestützte Verfahren hergestellt wurden, entweder freitragend oder auf temperaturbeständigen Substraten einer Temperbehandlung unterzogen. Die Temperbehandlung wird bei Restgasdrücken von 1 bis 10"5 Pa und definierter Restgaszusammensetzung, vorzugsweise in Kohlenwasserstoffen und/oder aktivierenden Gasen und/oder Dämpfen, bei Temperaturen von 750 bis 2500 K durchgeführt. Die erfindungsgemäß hergestellten Diamantkristallite sind anwendbar zum Verschleißschutz, zur Lebensdauererhöhung von Werkzeugen, zur elektrischen Isolation, als Keime für die Niederdruckdiamantsynthese, als Feinschleif- oder Polierraittel oder als Ausgangsprodukt für die Pulvermetallurgie.The process for producing diamond crystallites finds Application in wear protection, in machine tool engineering and in the Powder metallurgy. The object of the invention is Diamond crystallites using inexpensive source materials and to produce a simple technological process. The invention the object underlying diamond crystallites without application of the High pressure synthesis or without additional seed crystals, in the Low pressure synthesis are necessary to produce. According to the invention are carbon films with diamond-like properties, the were prepared by ion-supported methods, either self-supporting or on temperature-resistant substrates Subjected to tempering treatment. The tempering treatment is included Residual gas pressures of 1 to 10 "5 Pa and defined residual gas composition, preferably in hydrocarbons and / or activating gases and / or vapors, at temperatures from 750 to 2500 K performed. The diamond crystallites produced according to the invention are applicable for wear protection, for lifetime increase of tools, for electrical insulation, as germs for Low-pressure diamond synthesis, as a fine grinding or polishing agent or as a starting material for powder metallurgy.

Description

-λ- 212 415 -λ- 212 415

Verfahren zur Erzeugung von DiamantkristallitenProcess for producing diamond crystallites

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Diamantkristalliten, die anwendbar sind zum Verschleißschutz, zur Lebensdauererhöhung von Werkzeugen, zur elektrischen Isolation, als Keime für die Uiederdruckdiamantsynthese, als Peinschleif- oder Poliermittel oder als Ausgangsprodukt für die Pulvermetallurgie.The invention relates to a method for producing diamond crystallites which are applicable to wear protection, tool life increase, electrical insulation, as nuclei for Uiederdruckdiamantsynthese, as Peinschleif- or polishing or as a starting material for powder metallurgy.

Charakterisierung der bekannten technischen LösungenCharacterization of the known technical solutions

Allgemein bekannt ist das Verfahren der Diamant-Hochdrucksynthese, bei dem in einer speziellen Hochdruckkammer bei'Generally known is the process of diamond high-pressure synthesis, in which in a special high-pressure chamber at '

9 -2 Druckwerten von mehr als 5 . 10Nm und Temperaturen über 1500 K aus Graphit oder anderen Kohlenstoffträgem künstliche Diamanten synthetisiert werden. Die für die Hochdrucksynthese erforderlichen Apparaturen sind sehr aufwendig.9 -2 pressure values of more than 5. 10Nm and temperatures above 1500 K can be synthesized from graphite or other carbon supported artificial diamonds. The equipment required for the high-pressure synthesis are very expensive.

Die Diamant-Niederdrucksynthese (Derjagin und Fedoseev, Uspechi Chimii 39 (1970) 1661; Derjagin u.a. Zh. Fiz. Khim. 47 (1973) 32; Angus u.a., J. Appl. Phys. 39 (1968) 2915; Chauhan u.a., J. Appl. Phys. 47 (1976) 4746) erfordert dagegen Impfkristalle mit Größen von 0,1 /um und mehr als Ausgangsmaterial, Auf diesen Impfkristallen wachsen in einer Atmosphäre kohlenstoffhaltiger Gase mit weniger als Atmosphärendruck bei Temperaturen um 1300 K Diamantkristalle epitaktisch auf. Die neben dem Diamant gleichfallsThe diamond low pressure synthesis (Derjagin and Fedoseev, Uspechi Chimii 39 (1970) 1661; Derjagin et al., Zh. Fiz. Khim. 47 (1973) 32; Angus et al., J. Appl. Phys. 39 (1968) 2915; Chauhan et al., J Appl. Phys. 47 (1976) 4746), on the other hand, requires seed crystals having sizes of 0.1 μm and more as the starting material. These seed crystals epitaxially grow in an atmosphere of carbonaceous gases having less than atmospheric pressure at temperatures of about 1300 K diamond crystals. The next to the diamond as well

-a- 2t 2 415-a- 2t 2 415

auf dem Impfkristall wachsenden Nicht-Diamant-Phasen müssen anschließend durch eine nachbehandlung z. B. in einer Wasserstoff- oder Sauerstoffatmosphäre beseitigt werden.on the seed crystal growing non-diamond phases must then be treated by a post-treatment z. B. be eliminated in a hydrogen or oxygen atmosphere.

Dünne, unter loneneinv/irkung abgeschiedene Kohlenstoffschichten, deren Eigenschaften oft als "diamantähnlich" be-, zeichnet werden, enthalten Anteile tetraedrischer Bindungen, wobei diese Schichten aber meist mikrokristallin oder quasiamorph sind (Aisenberg und Chabot, J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953; Golyanov und Demidov US-Pat. Nr. 3.840.451; Weißmantel, Proc. 7th Intern. Vac. Gongr. & 3rd Intern. Conf. Solid Surfaces, Wien 1977, 1533; Whitmell und Williamson, Thin Solid Films 35 (1976) 255; Holland und Ojha, Proc. 7th Intern. Vac. Congr. & 3rd Intern. Conf. Solid Surfaces, Wien 1977; Bewilogua u. a., Surface Science (1979) ).Thin layers of carbon deposited under ion irradiation, whose properties are often characterized as "diamond-like", contain fractions of tetrahedral bonds, but these layers are mostly microcrystalline or quasi-amorphous (Aisenberg and Chabot, J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953; Golyanov and Demidov US Pat. No. 3,840,451; Weißmantel, Proc. 7th International Vac. Gongr. & 3rd International Conf. Solid Surfaces, Vienna 1977, 1533; Whitmell and Williamson, Thin Solid Films 35 (1987); 1976) 255; Holland and Ojha, Proc. 7th International Vac. Congr. & 3rd Intern Conf Solid Surfaces, Vienna 1977; Bewilogua et al., Surface Science (1979)).

In einigen Fällen wird von Diamantkristalliten mit Größen von einigen Mikrometern berichtet, wobei allerdings keine Angaben über die Flächendichte der Kristallenen sowie über die Reproduzierbarkeit des Verfahrens vorliegen (Spencer u.a., Appl. Phys. Lett. 29 (1976) 118).In some cases diamond crystallites with sizes of a few micrometers are reported, although there are no data on the areal density of the crystals and on the reproducibility of the process (Spencer et al., Appl. Phys. Lett. 29 (1976) 118).

In der Literatur wird auf Diamantanteile verwiesen, die beim Tempern von Kohle-Aufdampffilmen entstehen, über deren Größe keine Angaben vorliegen (z. B. Grigorovici u.a., J. noncrystalline Solids 8-10 (1972) 793; Morisaki u.a., J. noncrystalline Solids 18 (1975) 149)*Reference is made in the literature to the proportion of diamond resulting from the annealing of carbon vapor-deposited films whose size is not known (eg, Grigorovici et al., J. Noncrystalline Solids 8-10 (1972) 793; Morisaki et al., J. Noncrystalline Solids 18 (1975) 149) *

Zusammenfassend wird zum Stand der Technik festgestellt, daß es keines der bisher bekannten Verfahren gestattet, reproduzierbar Diamantkristallite mit Größen von 0.1 /um und mehr mit einfachen technischen Mitteln und ohne Verwendung von Diamant-Impfkristallen herzustellen.In summary, it is noted in the prior art that none of the previously known methods allow to reproducibly produce diamond crystallites with sizes of 0.1 μm and more by simple technical means and without the use of diamond seed crystals.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, Diamantkristallite herzustellen unter Verwendung billiger Ausgangsmaterialien und einfacher technologischer Verfahren.The object of the invention is to produce diamond crystallites using inexpensive starting materials and simple technological processes.

% 1 2 415 % 1 2 415

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Diamantkristallite ohne Anwendung der Hochdrucksynthese bzw. ohne zusätzliche Keimkristalle, die in der Niederdrücksynthese notwendig sind, herzustellen. Die Hochdrucksynthese erfordert kostspielige, technologisch komplizierte Hochdrucksynthese-Anlagen, in denen eine Graphit-Diamant-Urawandlung abläuft. Ein wesentlicher Mangel der Niederdrucksynthese besteht darin, daß stets Dia- " mantkristalle, z. B. natürliche Diamanten, als Ausgangsmaterialien verwendet werden müssen.The invention has for its object to produce diamond crystallites without the use of high-pressure synthesis or without additional seed crystals, which are necessary in the Niederdrücksynthese. High-pressure synthesis requires expensive, technologically complicated high-pressure synthesis equipment in which a graphite-diamond Urawandlung runs. An essential shortcoming of low-pressure synthesis is that it is always necessary to use diamond crystals, for example natural diamonds, as starting materials.

Erfindungsgemäß werden Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichen Eigenschaften, die durch ionengestützte Verfahren hergestellt wurden, entweder freitragend oder auf temperaturbeständigen Substraten einer Temperbehandlung unterzogen. Die Temperbehandlung wird bei Restgasdrücken von 1 bis 10 ^J Pa und definierter Restgaszusammensetzung, vorzugsweise in Kohlenwasserstoffen und/oder aktivierenden Gasen Und/oder Dämpfen, bei Temperaturen von 750 bis 2500 K durchgeführt. Das Aufheizen der Schicht kann durch Widerstandserwärmung, Induktionserwärmung, Elektronen- oder lonenbeschuß oder durch Lichtstrahlung erfolgen. Als Folge der Temperbehandlung entstehen in der Schicht Diamantkristallite, deren Größe von der Restgaszusammensetzung, dem Druck und dem Temperatur-Zeit-Verlauf des Temperprozesses abhängen. Die Diamantkristallite können mittels bekannter Verfahren von den Uicht-Diamant-Anteilen der Kohlenstoffschicht getrennt werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es, Diamant- - kristallite reproduzierbar herzustellen.According to the invention, carbon layers with diamond-like properties, which have been produced by ion-supported methods, are subjected to an annealing treatment either on a cantilever or on heat-resistant substrates. The annealing treatment is carried out at residual gas pressures of 1 to 10 ^J Pa and defined residual gas composition, preferably in hydrocarbons and / or activating gases and / or vapors, at temperatures of 750 to 2500 K. The heating of the layer can be done by resistance heating, induction heating, electron or ion bombardment or by light radiation. As a result of the annealing treatment, diamond crystallites are formed in the layer whose size depends on the residual gas composition, the pressure and the temperature-time profile of the annealing process. The diamond crystallites can be separated from the over-diamond portions of the carbon layer by known methods. With the help of the solution according to the invention, it is possible to reproducibly produce diamond crystallites.

Ausführungsbeispielembodiment

Mit Hilfe eines Gas-Ionenplattierverfahrens nach DD-WP 133688 werden Kohlenstoffschichten von ca. 0,2/um Dicke auf NaCl-Spaltflächen abgeschieden, in destilliertem Wasser vom Substrat abgelöst und auf einer Unterlage aus Molybdän-Blech aufgebracht. Diese Probe wird bei einem Restgasdruck vonWith the aid of a gas-ion plating method according to DD-WP 133688, carbon layers of about 0.2 μm thick are deposited on NaCl cleavage surfaces, detached from the substrate in distilled water and applied to a substrate made of molybdenum sheet. This sample is at a residual gas pressure of

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10 Pa einer Temperbehandlung durch Widerstandsheizung unterzogen, wobei die Temperatur nach jeweils 20 min. Temperzeit stufenweise von Raumtemperatur bis auf 1300 K erhöht und nach 20 min. Temperzeit bei 1300 K in 10 min auf Raumtemperatur erniedrigt wird. Dabei wachsen Diamantkristallite mit Größen von wenigstens 0,1 /Um, die in einer verbleibenden Kohlenstoffmatrix eingebettet sind.10 Pa of an annealing treatment by resistance heating, the temperature after every 20 min. Temper time gradually increased from room temperature to 1300 K and after 20 min. Annealing time at 1300 K in 10 min to room temperature is lowered. This grows diamond crystallites with sizes of at least 0.1 / Um, which are embedded in a remaining carbon matrix.

Claims (2)

212 415212 415 Erfindungsanspruchinvention claim 1· Verfahren zur Erzeugung von Diamantkristalliten in Kohlenstoff schichten,die durch ionengestützte Verfahren abgeschieden wurden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf -temperaturbeständigen Substraten oder freitragend beiA process for producing diamond crystallites in carbon layers deposited by ion-supported processes, characterized in that the layers are based on -temperature-resistant substrates or self-supporting -5-5 Restgasdrücken von 1 bis 10 Pa und definierter Restgaszusammensetzung, vorzugsweise in Kohlenwasserstoffen und/ oder aktivierenden Gasen und/oder Dämpfen, und bei Temperaturen von 750 bis 2500 K einer Temperbehandlung nach einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf unterzogen , werden.Residual gas pressures of 1 to 10 Pa and defined residual gas composition, preferably in hydrocarbons and / or activating gases and / or vapors, and at temperatures of 750 to 2500 K subjected to an annealing treatment according to a predetermined temperature-time course. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Diamantkristallite reproduzierbar ist.2. The method according to item 1, characterized in that the production of the diamond crystallites is reproducible.