DE102004052866A1

DE102004052866A1 - Diamantbeschichtung von Verdrängerkomponenten, wie Zahnkomponenten, für eine chemische Beständigkeit und tribologischen Verschleißschutz in einer Verdrängereinheit

Info

Publication number: DE102004052866A1
Application number: DE102004052866A
Authority: DE
Inventors: Gerald Vögele; Thomas Weisener
Original assignee: HNP Mikrosysteme GmbH
Current assignee: HNP Mikrosysteme GmbH
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-11
Also published as: WO2006047998A1; US20090087563A1; EP1807546A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen zumindest eine Bauteilkomponente einer fluidischen Mikro- oder Minieinheit (1) zum Verdrängen eines chemisch aggressiven Fluids mit einer Grundbaukomponente (2, 3) aus einem chemisch nicht ausreichend resistenten, aber mechanisch genügend stabilen ersten Werkstoff (A). Die Verdrängereinheit (1) wird werkstoffabtragend und dabei auf ein erstes Maß (m1) genau gefertigt und zumindest auf für das Verdrängen aktiven Flächenabschnitten mit einer wenigstens 1 mum starken Schicht (10) aus polykristallinem Diamant beschichtet zum Erhalt eines für die Verdrängereinheit (1) passenden zweites Maßes (m2) der Bauteilkomponente. Eine chemisch beständige, reibungs-reduzierte Bauteilkomponente zum Verdrängen des chemisch aggressiven Fluids entsteht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine oder zwei komplementäre Zahnradkomponenten einer Verdrängereinheit (1) als Innen- oder Außenkomponente (2) einer Dosier- oder Förderpumpe. Chemische Beständigkeit bzw. eine Verbesserung des Verschleißschutzes bei den Bauteilkomponenten wird erreicht.

Description

Gegenstand der Erfindung ist – im allgemeinen Sinn – ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Diamantlage oder solchen Schicht beschichteten Verdränger-Komponente und eine solche Baukomponente (als tribologisch belastetes Bauteil) für eine fluidische Verdrängereinheit, wie Pumpe oder Dosiereinheit, wobei rotativ und axial arbeitende Einheiten umfasst sind (Kolbenverdränger, Schneckenverdränger oder Rotationsverdränger).
Gegenstand der Erfindung ist auch ein mit einem Diamanten schichtbelegtes Hartmetallzahnrad für eine fluidische Mini- bis Mikroeinheit. Ebenso ist das zugehörige Verfahren zur Herstellung betroffen.
Im Stand der Technik sind Zahnräder typischerweise aus Metallen hergestellt. Diese können nicht bzw. nicht ausreichend resistent ihre Aufgabe im Zusammenhang mit chemisch aggressiven Medien, insbesondere im sauren pH-Bereich, erfüllen. Es kann zwar im Stand der Technik ein vollständiges Zahnrad aus einem chemisch inerten Werkstoff gefertigt werden. Die hierfür einsetzbaren Fertigungsverfahren sind jedoch sehr kostenaufwendig, wie z.B. ein Koordinatenschleifen, wenn hohe Genauigkeiten gefordert sind.

Die technische Aufgabe liegt darin, eine chemische Beständigkeit bzw. eine Verbesserung des Verschleißschutzes bei den genannten Bauteilkomponenten zu erreichen.

Durch eine bevorzugt mehrere Mikrometer starke und dadurch homogen und chemisch dicht werdende Beschichtung einer Grundbaukomponente mit polykristallinem Diamant wird eine chemische Inertheit der Komponente ausgebildet (Anspruch 1). Die Inertheit basiert auf der hohen Beständigkeit von Diamant gegenüber fluidischen Stoffen, mit denen er im Kontakt steht (Anspruch 3, Anspruch 4).

Die Beschichtung mit dem polykristallinem Diamant ebnet raue Oberflächen des darunter liegenden Werkstoffs.

Mit dem Verfahren kann ein Zahnrad aus einem chemisch nicht inerten Werkstoff "auf Maß" gefertigt werden und mit einer sich an diese Fertigung anschließenden Beschichtung die inerte Eigenschaft erhalten, unter Bildung des zweiten Maßes (Anspruch 21).

Die beiden genannten Maße, "erstes Maß" und "zweites Maß" repräsentieren das zunächst vorgenommene Rücksetzen an der Grundbaukomponente, welches bei einem Innenbauteil nach radial innen und bei einem Außenbauteil nach radial außen erfolgt, um das erste Maß genau zu erhalten. Auf dieses Rücksetzen der Grundbaukomponente erfolgt das Auftragen der zumindest 1 μm starken Diamantschicht, zum Erhalt des zweites Maßes, das Repräsentant für eine Rückgängigmachung des Rücksetzens ist, also beim Innenbauteil für ein größeres radiales Maß sorgt und beim Außenbauteil das radiale Innenmaß der gebildeten beschichteten Oberfläche reduziert. Das so erhaltene zweite Maß ist maßgebend für die Genauigkeit bei der Funktion von zusammengesetzten Baukomponenten in der zu bildenden Verdrängereinheit.

Während das erste Maß für eine solche Funktion nicht ausreicht, ist die beschichtete Form der beiden "komplementären" Bauteile (Anspruch 16) für die Funktion ausreichend und genügend.

Die "Maße" stehen also repräsentativ für jeweils eine Fülle von Dimensionen auch in axialer Richtung bei Stirnflächen (axialen Lagerstellen), vgl. Anspruch 17.

Das Herstellverfahren eignet sich insbesondere für Kleinstzahnräder (Anspruch 7, Anspruch 8) – ist aber auch für größere Zahnräder einsetzbar. Hartmetall, als erster Werkstoff der Grundbaukomponente, kann sehr genau bearbeitet werden und auch die Diamantschicht kann mit genauesten Toleranzen aufgebracht werden, so dass inerte Zahnräder mit höchster Genauigkeit hergestellt werden können. In der Pumpe als Beispiels eines Verdrängers werden alle Lagerkomponenten so beschichtet, dass jede Fläche, die gegen eine andere Fläche läuft (Relativbewegung), beschichtet ist (Ansprüche 13, 14 und 17). Dies betrifft die förderwirksamen Flächen und auch die Stirnflächen.

Gegenüber einem Keramikbauteil hat die diamant-beschichtete Hartmetallbauteilkomponente den Vorteil, dass sie in der chemischen Beständigkeit überlegen ist.

Es können mit dem Verfahren kleine und sehr exakte Formen aus Hartmetall hergestellt werden, bei denen die Herstellkosten gegenüber einem (inerten) Keramikbauteil mit vergleichbarer Genauigkeit niedriger sind (Anspruch 10, Anspruch 11). Dabei ist impliziert, dass aus funktionalen Gründen in der Pumpe ein Keramik- oder Kunststoffteil erforderlich wäre, also eigentlich gar keine Wahlmöglichkeit zu diesem Werkstoff besteht.

Bei Kunststoff als Grundwerkstoff müssten wegen häufig auftretender Quellungen die Konturen vorher entsprechend korrigiert werden. Die damit bedingten Spalte führen zu höheren hydraulischen Verlusten.

Gegenüber dem Kunststoffteil hat das beanspruchte Bauteil (Anspruch 30, Anspruch 31) den Vorteil, dass aufgrund eines minimalen Verschleißes eine wesentlich höhere Standzeit erreicht wird und ein Quellen nicht auftritt. Gleichzeitig ist durch die erzielbare Genauigkeit von diamant-beschichteten Hartmetallbauteil-Komponenten der Einsatz in funktionell anspruchsvolleren Anwendungen, wie Dosiertechnik, Hochdruckförderung, möglich.

Eine hohe Güte der Beschichtung wird durch das bei höheren Temperaturen durchgeführte CVD-Beschichtungsverfahren (CVD = chemical vapour deposition) erreicht (Anspruch 2, Anspruch 9). Gegenüber einem PVD-Beschichtungsverfahren (PVD = physical vapour deposition) wird eine deutlich bessere Bindung der diamantenen Schicht an dem hartmetallischen Substrat erreicht.

Die besonderen Eigenschaften des nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Zahnrades (Anspruch 30) zielen insbesondere auf den Einsatz in Pumpen (Anspruch 19) beliebiger Art. Das Herstellverfahren der Zahnräder mag aufwendig sein, die technischen Erfordernisse beispielsweise in der chemischen Produktion kompensieren dennoch den Aufwand und die eingesetzten Kosten aufgrund fehlender Alternativen.

Die Zahnräder sind die funktionellen Komponenten einer Zahnring- bzw. Gerotorpumpe bzw. eines -motors (Ansprüche 5, 6 und 18).

Derartige Zahnräder können insbesondere in rotatorischen Verdrängerpumpen, wie Außenzahnradpumpen oder Innenzahnradpumpen (z.B. Zahnringpumpen) eingesetzt werden. Die Zahnräder sind beispielsweise ein innenverzahntes Außenrad und ein außenverzahntes Innenrad. Die Verzahnung ist bevorzugt zykloid.

Das Verfahren eignet sich auch für außen verzahnte Zahnräder (Anspruch 23).

Über diese spezielle Eignung für außenverzahnte Zahnräder oder Zahnringpumpen in kleinsten Formaten, kann das beanspruchte Verfahren auf alle Verdrängerkomponenten erstreckt werden, die nicht nur Rotationsverdränger sind, also auch axial arbeitende Verdränger oder Schneckenverdränger (Anspruch 19). Wird die Schichtstärke der Diamantschicht erhöht, auf Werte größer 5 μm oder insbesondere auch größer 10 μm, wird die chemische Beständigkeit größer (Anspruch 20). Hingegen ist bei kleinen Schichtstärken des Diamanten eine reibungs- und verschleißmindernde Wirkung schon bei geringen Schichtdicken spürbar und wirksam (Anspruch 34).

Hier wird eine reibungs-reduzierte Ausbildung der Verdrängereinheit betont, wobei alle in tribologischem Kontakt stehenden Flächen mit der Diamantschicht belegt (beschichtet) werden. Alle entstehenden Reibungsflächen werden so reibungsmindernd aufeinander funktionsgenau und maßgenau angepasst. Die zusammen-gehörenden Bauteilkomponenten sind im Verständnis des Anspruchs 34 diejenigen, welche in ihrer Funktion zusammenarbeiten, zur Bildung der Verdrängereinheit. Es versteht sich dabei, dass die tribologisch belasteten (gegeneinander laufenden) Flächen nicht nur radial gerichtete Flächen sein müssen, sondern auch stirnseitige Flächen sind, an denen eine axiale Lagerung der Bauteilkomponenten stattfindet.

Die Haftung der Diamantschicht auf der Oberfläche der Grundbaukomponente aus dem ersten Werkstoff, bevorzugt Hartmetall, wird durch eine auf der Oberfläche dieses Hartmetalls gebildete Matrix verbessert (Anspruch 12, 15). Hier wird ein zwischen 6% und 15% Kobaltanteil besitzender Kobaltbinder eingesetzt. Es entsteht eine Bindermatrix (Anspruch 15), welche die Diamantschicht zuverlässig mit dem Grundwerkstoff verbindet.

Wird als Binderwerkstoff des Hartmetalls Kobalt gewählt, kann der Kobaltbinder auf der Oberfläche des Hartmetalls entfallen.

Für die Dauer der Beschichtung wird die Bauteilkomponente gestützt (gelagert, bzw. sie ruht auf einer Stützhilfe). Diese Stützhilfe ist in ihrer Form relativ beliebig. Mit einem Abschnitt dieser Stützhilfe greift diese an einem spezifisch ausgeformten Abschnitt der Bauteilkomponente an, so beispielsweise einer Abflachung für ein stehendes Lagern oder einer Ausnehmung für ein hängendes Lagern. Als Stützhilfe kommen Füße oder Drähte oder anders geformte Träger in Betracht. Zumindest zwei Abflachungen sind bevorzugt (Anspruch 32), um das zu beschichtende Bauteil auf zwei unterschiedliche Stellen lagern zu können und so die während einer Lagerung jeweils nicht beschichtete Fläche bei der anderweitigen Lagerung dann zumindest einmalig mit zu beschichten.

Ein Zahnrad, welches während des Beschichtens gelagert wird, kann im Zahnfuß auch aber so gestaltet sein, dass durch Freistellung eine Berührung während des Laufs oder gegenseitigen Eingriffs nicht stattfindet. An diesen Stellen kann ein Zahnrad ebenso zwischengestützt werden. Eine weitere Haltemöglichkeit wäre diejenige, mit Hilfe von zwei Drähten oder zwei linien-berührenden Elementen, wie Schneiden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von mehreren Ausführungsbeispielen näher beschrieben und dabei erläutert und ergänzt.
1 ist ein diamantbeschichtetes Außenzahnrad 2 für eine Zahnringpumpe.
2 ist ein diamantbeschichtetes Innenzahnrad 3 für eine Zahnringpumpe.
3 ist ein Schnitt mit einer Vergrößerung Oberfläche des Außenzahnrads 2.
Die Zahnräder 2, 3 nach 1 und 2 sind die funktionellen Komponenten einer fluidischen Zahnring- bzw. Gerotorpumpe bzw. eines solchen fluidischen Motors 1 mit zwei radial versetzten Achsen 100 und 101. Die Zahnräder sind ein innenverzahntes Außenrad 3 und ein außenverzahntes Innenrad 2 mit einer Wellenöffnung 30. Die Verzahnung ist zykloid.
In einer nicht gesondert dargestellten fluidischen Pumpe (oder fluidischem Motor) 1 mit einem nicht gezeigten Gehäuse hat die Pumpe eine beidseitige oder eine einseitige Lagerung des bewegten ersten Rotors 2, bei mitbewegtem zweiten Rotor.
In der Pumpe werden alle Lagerkomponenten mit einer Diamantschicht 10 – wie in 3 dargestellt – so beschichtet, dass jeder Flächenabschnitt, der im zusammen gebautem Zustand gegen einen anderen Flächenabschnitt läuft (Relativbewegung), beschichtet ist. Dargestellt sind hier zwei Rotoren in auseinander gebautem Zustand in den 1 und 2.
Die Grundformen, welche zunächst werkstoff-abtragend zu erzeugen sind (oder aus Urformen) entstehen, sind in 1 und 2 dargestellt, hier aber bereits angedeutet mit Beschichtungen 10, welche aufzubringen sind und welche in Detailansicht in den Ausschnittsvergrößerungen der 3 an einer Stelle 2c eines nach Außen ragenden Zahns eines Innenrades 2 dargestellt sind. Diese 3 kann invertiert (komplementär) auch auf die
2 übertragen werden. Ist zunächst die Herstellung der Grundform Voraussetzung, hat diese noch nicht die Diamantbeschichtung 10, welche erst im Zuge des weiteren Verfahrens aufgetragen wird.
Eine Grundform wird urgeformt, und durch Werkstoff-Abtragung hergestellt. Die hierbei entstehende Fülle von Maßen sind in 3 mit den beiden Maßen m1 und m2 symbolisch repräsentiert.
Insbesondere in der hier gezeigten Ausschnittsvergrößerung der Diamantschicht 10 zeigt sich die Grundform mit ihrem ersten Maß m1, welches rückgesetzt ist, gegen einem mechanisch besser passenden Maß, mit Bezug auf das Komplementärbauteil, welches hier in der 2 als innenverzahntes Außenrad dargestellt ist. Die Urform kann eine ursprüngliche noch ungenaue Maßgebung betreffen, sie wird werkstoff-abtragend auf das erste Maß m1 abgetragen. Dieses erste Maß wird im zu beschreibenden Beschichtungsvorgang mit einer Diamantschicht 10 belegt, ggf. einem darunterliegenden Matrixbinder 2d auf der Oberfläche 2c. Mit der Diamantschicht wird das zweite symbolische Maß m2 erreicht, welches maßgenau mit der ebenso bearbeiteten nach innen ragenden förderwirksamen Fläche des Außenrades im Betrieb zusammenwirkt.
Eine Zahnradkontur wird bei der Herstellung einer Grundform bevorzugt drahterodiert, d.h. mit besonderer Eignung bei der Herstellung von Kleinstzahnräder mit/oder ohne hohe Formgenauigkeit. Andere Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von harten Werkstoffen, wie Schleifen oder Laserschneiden, sind aber ebenso möglich.
Die Höhe und Ebenheit der Zahnräder (als Grundbauteil) wird durch Schleifen (und Läppen) im Mikrometerbereich erreicht. Hartmetallzahnräder aus Werkstoff A werden für die folgende Beschichtung äquidistant an ihren (zu beschichtenden) funktionalen Förder-Flächenabschnitten 2c, 3c zurückgesetzt, also mit einem entsprechend geringeren (bzw. größeren) Maß abtragend gefertigt. Gleiches gilt für die Stirnseiten, welche hier in Aufsicht in den 1 und 2 mit bereits aufgetragener Diamantschicht 10 zu sehen sind. Auch die gegenüberliegend angeordnete Stirnseite wird entsprechend abtragend gefertigt, zum Erhalt des ersten Maßes m1, noch ohne die Diamantbeschichtung 10. In gleicher Weise kann auch die Wellenfläche der Ausnehmung 30 mit einer entsprechend abtragenden Fertigung versehen werden, zum Erhalt einer Genauigkeit des Maßes m1. Auch die Außenseite des Außenrades der 2 kann entsprechend auf das Maß m1 genau gefertigt werden. Das Maß m1 steht dabei repräsentativ für die jeweils zutreffende Dimension an dem jeweiligen Flächenabschnitt, so der Außenverzahnung, dem Innendurchmesser, den Stirnflächen, der Innenverzahnung des Außenrades, den Stirnflächen und der Außenfläche des Außenrades, welches in einem Gehäuse drehbar sein kann. Es folgt eine Vorbehandlung der genannten Flächenabschnitte zur Verbesserung der Haftung der aufzubringenden Diamantschicht.
Über bevorzugt ein CVD Verfahren wird die polykristalline, chemisch dichte Diamantschicht 10 auf das Zahnrad 2 oder/und 3 aufgebracht, die eine chemische Beständigkeit schafft bei der Funktion als Pumpenzahnrad. Auch tribologische Eigenschaften können verbessert werden, d.h. die Reibung wird reduziert.
Der Substratwerkstoff A ist Hartmetall. Eine bevorzugte Ausführung ist Hartmetall mit unter 15%, insbesondere im Bereich 6% Kobalt-Binder, als Matrix 2d zumindest auf den fördernden Oberflächen-Abschnitten 2c, 3c, welche tribologisch belastet werden. In gleicher Weise werden auch die Stirnflächen mit der Matrix beschichtet, hier nicht gesondert dargestellt. Auch radiale hülsen- oder ringförmige Oberflächen, innen und außen, können entsprechend beschichtet werden, auch nicht gesondert dargestellt. Es ergibt sich durch die Beschichtung in der Detailansicht von 3 eine gesamte Schichtdicke "d", welche die Matrixschicht 2d und die Diamantschicht 10 beinhaltet. Beide Schichten gemeinsam definieren das zweite Maß m2, welche auftragend auf das erste Maß m1 das im Beispiel für das Innenrad gewählte äußere Maß definiert. Dieses zweite Genauigkeitsmaß symbolisiert die funktionell genauen Maße, welche benötigt werden, um mit einem entsprechenden radialen Innenmaß des Außenrades nach 2 förderwirksam zusammenarbeiten zu können.
Die hier gemachten Ausführungen gelten dann entsprechend auch für das radiale Innenmaß des Außenrades und eine dort aufgetragene Matrix 2d, mit Schicht 10 zum Erhalt des dortigen genauen Innenmaßes, auch symbolisch mit der Bezeichnung m2 versehen.
Die optimale Schichthöhe "d" liegt im Bereich von 10 μm bis 15 μm
Für den Beschichtungsprozess sind nicht dargestellte Stützhilfen für die Aufstellung jedes Teils vorgesehen, damit die "funktionalen Flächen" homogen beschichtet werden können und die an den Aufstellflächen geringere Beschichtung die Gesamtfunktion nicht beeinträchtigt. Diese werden beim Zahnrad in Bereiche gelegt, wo im Betrieb keine tribologischen Belastungen entstehen. Damit jede der Aufstellflächen überhaupt beschichtet werden kann, sind mindestens zwei Aufstellflächen bzw. Lagerungsflächen vorzusehen (bei jeder Bauteilkomponente).
Der Beschichtungsprozess 10 wird unterbrochen, damit eine Umlagerung stattfinden kann.
Die Stützstellen werden an solche Stellen gelegt, an denen im Betrieb der Pumpe keine hohen tribologischen Belastungen stattfinden.
Am Außenrad 3 werden mindestens zwei gegenüber liegende Abflachungen 3a, 3b angebracht, auf denen das nach radial innen gezahnte Zahnrad auf einer ebenen Fläche stehen kann. Die Abflachungen beeinträchtigen die spätere Lagerung des Außenrades am Außendurchmesser nicht nachteilig.
Beim Innenrad 2 werden in der Wellenbohrung 30 mindestens zwei Freistellungen 2a, 2b eingebracht, auf der das nach radial außen gezahnte Zahnrad hängend auf einem Draht gehalten werden kann. Die Freistellungen können abgerundet oder eckig sein.
An einem Zahnrad können alternative Stützstellen in solchen Bereichen geschaffen werden, in denen keine tribologischen Belastungen erfolgen oder in denen keine Relativbewegung zwischen zwei Funktionsteilen stattfindet. Derartige Flächen können durch Freistellung geschaffen werden, vgl. das Beispiel der Abflachung.
Bei einem evolvent-verzahnten Zahnrad können die Stützstellen im Fußkreis des Innen- bzw. Außenrades liegen, wo keine Relativbewegung stattfindet.
Die Beschichtung 10 mit polykristallinem Diamant führt ab einer bestimmten Höhe (Stärke) der Schicht zu einer chemischen Inertheit der Oberfläche. Die Schichthöhe sollte dazu in Abwägung der Toleranzanforderungen oberhalb 1 μm und unter 40 μm bevorzugt im wesentlichen 15 μm betragen. Die Schichthöhe wird in Abhängigkeit vom Beschichtungsverfahren so gewählt, dass eine chemisch dichte Schicht besteht. Gleichzeitig ist ein lebensdauerabhängiger und lastspezifischer Verschleiß, der in der Regel minimal ist, einzubeziehen. Dies ist versuchstechnisch zu verifizieren und in die zu definierende ursprüngliche Schichthöhe (Dicke oder Stärke) mit einzubeziehen.
Hervorzuheben ist bei Diamant insbesondere die breite pH-Beständigkeit gegenüber Säuren und Basen gleichermaßen. Der Einsatz von diamant-beschichteten Zahnrädern bei sauren Medien konkurriert beispielsweise mit Zahnrädern, die aus Keramik oder Kunststoff hergestellt sind. Keramische Werkstoffe haben gegenüber Säuren eine ausgezeichnete Beständigkeit, reagieren aber gegenüber Basen empfindlich. Dies gilt insbesondere für die verbreitete Oxidkeramik.
In umgekehrter Weise verhält es sich bei Metallen, die von basischen Medien nicht angegriffen werden, dagegen aber je nach Basis- und Veredelungselementen gegenüber Säuren eine nur geringe Beständigkeit aufweisen.
Die Diamantschicht 10 reduziert mit einem Reibkoeffizienten im Bereich von 0,1 die Reibung deutlich. Wenn Verdrängerkomponenten relativ-bewegt werden, insb. Zahnräder auf- bzw. gegeneinander abrollen, ergibt sich damit ein vergleichsweise geringer Energieeintrag in die bewegte Oberfläche. Die damit verbundene niedrige thermische Gefügebeanspruchung ist ein kausaler Faktor für die Verringerung des Verschleißes. Metalle und auch Keramiken haben deutlich höhere Reibkoeffizienten im Bereich von 0,2 bis 0,4, oft aber auch höher.
Für die optimale Gestaltung der Reibverhältnisse hinsichtlich eines minimalen Verschleißes ist es sinnvoll, alle gegeneinander bewegten (drehenden, rollenden) Oberflächen mit Diamant zu beschichten, da die Verschleißrate im tribologischen Oberflächenkontakt minimal ist. Eine Ausnahme kann bei Pumpen beispielsweise die Welle im Bereich des Wellendichtrings sein.
Bei Pumpen bedeutet diese Anforderung, dass alle weiteren Funktionsteile, wie die radialen und axial wirkenden Lagerelemente und die Wellen (Welle) nach dem gleichen Verfahren hergestellt sein sollten und mit einer Diamantschicht 10 versehen sind, wie in 3 für einen Außenzahn dargestellt.
Eine polykristalline Diamantschicht kann nur auf einer begrenzten Zahl von Substraten als Grundwerkstoff (Werkstoff des zu beschichtenden Bauteiles) mit ausreichender Höhe aufgebracht werden. Hierzu zählt neben Keramik auch Hartmetall. Bei Hartmetall unterscheidet man verschiedene Bindersysteme, bei denen Kobalt oder Nickel das Matrixsubstrat bilden. Für die Diamantbeschichtung 10 eignet sich insbesondere Hartmetall A mit Kobaltbinder 2d.
Für eine optimale Bindung der Schicht 10 an das Substrat beinhaltet die Bindermatrix 2d nicht zuviel Metall, auf dem die Diamantschicht nicht optimal haftet. Gleichzeitig darf nicht zu wenig Bindermetall vorhanden sein, da sonst das Substrat versprödet und die an der Oberfläche befindlichen Karbide nicht ausreichend gehalten werden. Ein bevorzugter Binderanteil liegt bei unter 15%, insbesondere ca. 6% Kobalt (bei Varianz von ±20%). Derartiges Hartmetall wird heute für Werkzeuge eingesetzt, wo die so genannte PKD-Beschichtung (PKD ist polykristalliner Diamant) für höchste Anforderungen hinsichtlich einer Standzeiterweiterung eingesetzt wird. Eine Vorbehandlung des Substrates ist ein Punkt für die Güte der Schichtbindung. Er umfasst u.a. Reinigungs- und Ätzprozesse zur Vorbereitung der Oberfläche. In Zukunft können auch Hartmetalle mit anderen Binder- und Substratanteilen an der Oberfläche verwendet werden.
Der Schichtauftrag 10 erfolgt heute mit ±10% Genauigkeit. Er ist jedoch gut kontrollierbar, da das Schichtwachstum langsam erfolgt. Um eine möglichst geringe Schwankung der Schichthöhe an beabstandeten Stellen zu erreichen, sollte diese auf das von chemischer Seite Notwendige eingeschränkt werden.
Der Auftrag einer Diamantschicht erfolgt äquidistant, d.h. aus einer Spitze wird eine Rundung. Dies bedeutet, dass zur Erreichung der Funktions-Kontur nach der Beschichtung eine vorher um den Schichtbetrag korrigierte (reduzierte) Form gefertigt worden sein muss. Hierfür stehen symbolisch die beiden Maße m1, m2.
Die Fertigung von Zahnrädern, insbesondere von Kleinstzahnrädern oder hochgenau tolerierten Zahnrädern aus Hartmetall ist durch Feinbearbeitungsverfahren wie z.B. Drahterodieren, Schleifen, Laserschneiden, Läppen, Honen etc. kostengünstig möglich. Sie tragen Werkstoff ab.
Insbesondere das Drahterodieren bietet bei der Herstellung der Konturen von hochgenauen Kleinstzahnrädern Vorteile. Dies gilt für die grundsätzliche Fertigbarkeit von Zahnrädern mit heutigen Methoden.
Innenverzahnte Zahnräder lassen sich ab einem Außendurchmesser von unter im wesentlichen 15 mm praktisch nicht mehr durch Profilschleifen herstellen. Die Fertigung durch Koordinatenschleifen ist sehr aufwändig. Somit können kleinste Zahnräder derzeit nur durch ein Urformverfahren wie z.B. Spritzguss hergestellt werden. Dabei können nur begrenzte Genauigkeiten der Zahnräder erzielt werden, die schlechter sind, als die, welche für hochwertige hydraulische Eigenschaften einer Pumpe, beispielsweise die Erzeugung von hohen Drücken oder die Realisierung einer genauen Dosierung, erforderlich sind.
Für außenverzahnte Zahnräder gilt das oben Gesagte nur eingeschränkt, da kleinere Außendurchmesser in der Fertigung möglich sind. Aber auch in diesem Fall ist die Herstellung von genauen Konturen aufwändig.
Gegenüber der schleiftechnischen Herstellung von hochgenauen Kleinstzahnrädern ist die Drahterodiertechnik die kostengünstigere Alternative.
In Kombination mit der Diamantbeschichtung von Hartmetallzahnrädern kann ein besonderer Vorteil gegenüber Keramikzahnrädern erreicht werden. In besonderen Fällen erweitert das Verfahren grundsätzlich die Herstellbarkeit von inerten hochgenauen Kleinstzahnrädern.
Die Fertigungsvorschriften sind neben den Zahnrädern für alle Funktionskomponenten anzuwenden, die im tribologischen Kontakt stehen. Dies sind alle Lager und Wellen.

Claims

Verfahren zum Herstellen zumindest einer Bauteilkomponente einer fluidischen Verdrängereinheit, wie einer Mikro- oder Minieinheit (1), zum Verdrängen, wie Fördern oder Dosieren, eines chemisch aggressiven Fluids; (a) wobei zumindest eine Grundbaukomponente (2, 3) aus einem chemisch nicht ausreichend resistenten, aber mechanisch genügend stabilen ersten Werkstoff (A) werkstoff-abtragend und dabei auf ein erstes Maß (m1) genau gefertigt wird; (b) wobei die erst-maßgenaue Grundbaukomponente (2, 3) zumindest auf – für das Verdrängen aktiven – Flächenabschnitten mit einer zumindest 1 μm starken Schicht (10) aus polykristallinem Diamant mit einem Beschichtungsverfahren beschichtet wird, zum Erhalt eines zweiten Maßes (m2) der Bauteilkomponente, passend für die Verdrängereinheit (1); zur Bildung einer chemisch beständigen, reibungs-reduzierten Bauteilkomponente zum Verdrängen des chemisch aggressiven Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsverfahren ein CVD-Diamantbeschichtungs-Verfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die polykristalline Diamantschicht dünner als 40 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 1, wobei die Diamantschicht in einer Stärke von im Wesentlichen 10 μm bis 15 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bauteilkomponente zumindest ein Zahnrad (2, 3) einer innen-verzahnten Verdrängerpumpe ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zwei Bauteilkomponenten hergestellt werden, als ein Außenzahnrad und ein Innenzahnrad für eine Zahnring-Verdrängerpumpe (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mikro- oder Minieinheit einen Durchmesser unter 10 cm, insbesondere unter 5 cm besitzt (als Kleinstbaukomponente).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Durchmesser von unter 15 mm die Größenordnung der Mikrobaueinheit definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsverfahren bei höheren Temperaturen, insbesondere im Bereich von oberhalb 800°C arbeitet, bevorzugt in einem Bereich von 1500°C bis 2500°C.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Werkstoff (A) kein Keramikwerkstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, wobei der erste Werkstoff (A) ein Hartmetall ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei unter 15% eines Kobaltbinders, zumindest auf den mit der Diamantschicht (10) zu beschichtenden Oberflächen der Grundbaukomponente (2, 3) angeordnet sind oder werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei die Diamantschicht (10) auf allen Flächenabschnitten der einen Bauteilkomponente (2, 3) aufgebracht wird, welche gegenüber einer korrespondierenden, gegenüberliegenden Fläche einer komplementären Bauteilkomponente (3, 2) relativbewegbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei Bauteilkomponenten hergestellt werden und jeweils alle gegenüberliegenden Flächenabschnitte, als gegeneinander laufende Flächen mit einer Diamantschicht (10) beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei in einer Vorbehandlung auf zumindest den – mit polykristallinem Diamant zu beschichtenden – Oberflächenabschnitten der Grundbaukomponente (2, 3) eine Bindermatrix (2d) gebildet wird, insbesondere mit weniger Metallanteilen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste und eine zweite Bauteilkomponente hergestellt wird, die eine im Wesentlichen komplementäre Außen- bzw. Innenform haben.
Verfahren nach Anspruch 1, 13 oder 14, bei welchem Verfahren alle gegeneinander bewegten Flächenabschnitte einer Verdrängereinheit (1) mit einer Diamantschicht (10) nach Anspruch 1 beschichtet werden, also Zahnflächen (2c, 3c), radiale und axiale Lagerstellen, insbesondere Stirnflächen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verzahnung von einem Außenrad und einem Innenrad zykloid oder evolvent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bauteilkomponente eine Komponente einer Schneckenpumpe, Kolbenpumpe oder Rotationsverdrängerpumpe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schichtstärke der Diamantschicht (10) größer als 5 μm, insbesondere größer als 10 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei alle zu beschichtenden, gegeneinander laufenden Flächenabschnitte auf das erste Maß (m1) äquidistant zurückgesetzt werden, und die Diamant-Beschichtung (10) auf die zurückgesetzte Oberfläche aufgebracht wird, zur Bildung des zweiten Maßes (m2), mit dem die beschichteten Komponenten der Verdrängereinheit (1) arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bauteilkomponente (2, 3) zumindest eine Stützgeometrie (2a, 3a), insbesondere eine Ausnehmung oder Abflachung, aufweist, auf welcher die Bauteilkomponente gelagert ist, während des Beschichtungsvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei Bauteilkomponenten hergestellt werden, als zwei Außenräder einer Verdrängerpumpe.
Verfahren zum Herstellen von zusammen-gehörenden Bauteilkomponenten einer fluidischen Verdrängereinheit, wie einer Mikro- oder Minieinheit (1), zum Fördern oder Dosieren eines Fluids; (a) wobei zumindest zwei Grundbaukomponenten (2, 3) aus einem mechanisch genügend stabilen ersten Werkstoff (A), wie einem Hartmetall, gefertigt werden; (b) wobei diese Grundbaukomponenten (2, 3) auf ihren für das Verdrängen aktiven Flächenabschnitten und ihren Stirnseiten jeweils mit einer Schicht (10) aus einem polykristallinem Diamant mit einem Beschichtungsverfahren beschichtet werden; zur Bildung einer reibungs-reduzierten Verdrängereinheit zum Verdrängen des Fluids.
Zahnradkomponente einer Verdrängereinheit (1), als Innen- oder Außenkomponente (2) einer Dosier- oder Förderpumpe oder herstellbar nach einem Verfahren zumindest eines der Ansprüche 1 bis 29.
Zwei komplementäre Zahnradkomponenten, jede nach Anspruch 30, bevorzugt eine als Außenrad und eine als Innenrad, aber beide hergestellt nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 29.
Bauteilkomponente(n) nach Anspruch 25 oder 26, wobei je zumindest zwei Abflachungen oder Ausnehmungen (2a, 2b; 3a; 3b) an jeder der Komponenten vorgesehen sind, um während des Beschichtens gestützt oder gehalten zu werden.
Baukomponente nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Verzahnung evolvent oder zykloid ist.