DE69413495T2 - Diamant-Drahtziehdüse mit positionierter Öffnung - Google Patents

Description

DIAMANT-DRAHTZIEHDÜSE MIT POSITIONIERTER ÖFFNUNG TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Diamant-Drahtziehdüsen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Drähte aus Metallen, wie Wolfram, Kupfer, Eisen, Molybdän und korrosionsbeständigem Stahl, werden hergestellt durch Ziehen der Metalle durch Diamant-Werkzeuge. Einkristalline Diamant-Werkzeuge sind schwierig herzustellen, neigen zur leichten Spanbildung, Spaltung und versagen häufig katastrophal wegen der beim Drahtziehen auftretenden außerordentlichen Drucke.
• Unter Bezugnahme auf einkristalline Drahtziehdüsen wird in "Properties and Applications of Diamond", Wilks et al., Butterworth-Heinemann Ltd. 1991, Seiten 505-507, berichtet: "Die beste Wahl der [kristallographischen] Richtung ist nicht zu offensichtlich, weil beim Hindurchgehen des Drahtes durch die Düse sein Umfang den Diamant auf einem vollen 360º-Bereich von Ebenen abschleift, und die Abriebsraten auf diesen Ebenen etwas verschieden sind. Das ursprüngliche, kreisförmige Loch wird daher nicht nur größer, sondern verliert seine Gestalt. < 110> -Richtungen bieten jedoch häufig den Vorteil, daß der Draht die Seiten des Loches mit {001}- und {011}-Orientierungen in abriebsbeständigen Richtungen abschleift".
• Diamant-Werkzeuge, die einige der mit natürlichen Diamanten schlechterer Qualität verbundenen Probleme vermeidet, umfassen mikroporöse Massen, die aus winzigen Kristallen natürlicher oder synthetisierter Diamanten oder aus Kristallen von Diamant zusammengepreßt sind. Die Nachteile solcher polykristallinen harten Massen ergeben sich, wie in der US-PS 4,016,736 angedeutet, aufgrund der Anwesenheit von Mikrohohlräumen/Poren und weichen Einschlüssen. Diese Hohlräume und Einschlüsse können größer als 10 um im Durchmesser sein. Die Verbesserung des Patentes nutzt eine metallgebundene Karbidhülle als eine Quelle fließfähigen Metalles, das die Hohlräume füllt und zu einer verbesserten Drahtziehdüse führt.
• Die EP-A1-0 494 799 beschreibt eine polykristalline CVD-Diamantschicht mit einem darin ausgebildeten, durchgehenden Loch, die in einem Träger montiert ist. Wie in Spalte 2, Zeilen 26-30 ausgeführt, "Die relativ statistische Verteilung der Kristall-Orientierungen im CVD-Diamant stellt einen gleichmäßigeren Abrieb während des Gebrauches des Einsatzes sicher". Wie in Spalte 3, Zeilen 50-54 ausgeführt, "Die Orientierung des Diamant in der polykristallinen CVD-Diamantschicht 10 kann derart sein, daß die meisten der Kristallite eine kristallographische (111)-Achse in der Ebene aufweisen, d.h. parallel zu den Oberflächen 14, 16 der Schicht 10".
• Andere Kristall-Orientierungen für CVD-Filme sind bekannt. Die US-PS 5,110,579 von Anthony et al. beschreibt einen transparenten, polykristallinen Diamantfilm, wie er in Fig. 3A dar gestellt ist, wobei im wesentlichen transparente Stengel von Diamantkristallen eine < 110> -Orientierung senkrecht zur Basis haben.
• Wegen seiner hohen Reinheit und gleichmäßigen Konsistenz kann CVD-Diamant, verglichen mit dem leichter erhältlichen und eine geringere Qualität aufweisenden natürlichen Diamant, im zusammengepreßten Zustand eingesetzt werden. Weil CVD-Diamant ohne vorhandene Hohlräume hergestellt werden kann, ist er häufig erwünschter als polykristalliner Diamant, der mittels Verfahren bei hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt wurde. Weitere Verbesserungen in der Struktur von CVD-Drahtziehdüsen sind jedoch erwünscht. Insbesondere Verbesserungen in der Kornstruktur von CVD-Diamant-Drahtziehdüsen, die den Abrieb und die Gleichmäßigkeit des Abriebs verbessern, sind besonders erwünscht.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher erwünscht, eine dichte, hohlraumfreie Drahtziehdüse aus CVD-Diamant mit einer Struktur zu erhalten, die für einen verbesserten Abrieb und eine Gleichmäßigkeit des Abriebs sorgt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Düse zum Drahtziehen eines vorbestimmten Durchmessers geschaffen, die einen Körper aus CVD-Diamant der Art umfaßt, die eine Region größerer Diamantkörner und eine Region kleinerer Diamantkörner einschließt und eine periphere Seitenoberfläche und gegenüberliegende obere und untere Oberflächen aufweist, wobei mindestens ein Teil der peripheren Seitenoberfläche in einer Region größerer Diamantkörner und ein anderer gegenüberliegender Teil der peripheren Seitenoberfläche in einer Region kleinerer Diamantkörner liegt, eine Öffnung sich durch diesen Körper von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche zwischen diesem Teil der peripheren Seitenoberfläche und dem gegenüberliegenden Teil der Seitenoberfläche erstreckt. Die Öffnung kann geeigneterweise in einer Region von Diamantkörnern mit der erwünschten Größe angeordnet sein.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Öffnung einen drahttragenden Teil mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der den Durchmesser des Drahtes bestimmt und sich entlang einer Achse erstreckt, die sich in einem Winkel hinsichtlich der Wachstumsrichtung der Diamantkörner erstreckt. Vorzugsweise liegen die axiale Richtung der Öffnung oder Bohrung und die Wachstumsrichtung der Diamantkörner im wesentlichen senkrecht zueinander. Die Diamantkörner haben eine bevorzugte < 110> -Orientierung parallel zu ihrer Wachstumsrichtung.
• Die Korn-Wachstumsrichtung oder Korn-Stengelrichtung liegt im Winkel zur axialen Richtung der Öffnung. Ein drahtabstützender Abschnitt kann daher in erwünschter Weise angeordnet sein. In einem Falle kann der drahttragende Abschnitt derart angeordnet sein, daß er eine Vielzahl von einkristallinen Diamantkörnern schneidet, und in einem anderen Falle kann er im wesentlichen vollständig innerhalb eines einzelnen Kornes angeordnet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Diamant-Drahtziehdüse;
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnittes der in Fig. 1 gezeigten Drahtziehdüse, und
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 2 gezeigten Abschnittes der Drahtziehdüse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Fig. 1 veranschaulicht eine aus einer CVD-Diamantschicht hergestellte Diamant-Drahtziehdüse 11. Solche Düsen werden typischerweise aus einer CVD-Diamantschicht geschnitten, die von einem Substrat abgetrennt wurde, auf dem sie gewachsen ist. Diese Schicht kann bis zu einer bevorzugten Dicke verdünnt werden. Die gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Düsenrohlings können durch mechanischen Abrieb oder andere Mittel, wie Laser-Polieren, Ionen-Verdünnen oder anderer chemischer Methoden, plan- und/oder dünner gemacht werden bis zu der erwünschten Oberflächengüte. Vorzugsweise können leitende CVD-Diamantschichten durch Bearbeiten mittels elektrischer Entladungen geschnitten werden, während isolierende Filme mit einem Laser zu Scheiben, Quadraten oder anderen symmetrischen Gestalten geschnitten werden können. Beim Einsatz zum Drahtziehen wird die äußere Peripherie der Düse 11 in einem Träger montiert, um den axial ausgerichteten Kräften beim Drahtziehen zu widerstehen.
• Wie detaillierter in Fig. 1 gezeigt, schließt die Drahtziehdüse 11 eine Öffnung 12 ein, die entlang einer Achse in einer Richtung senkrecht zu beabstandeten parallelen, flachen Oberflächen 13 und 15 ausgerichtet ist. Für die Zwecke der Beschreibung wird die Oberfläche 13 im folgenden als die obere Oberfläche und die Oberfläche 15 als die untere Oberfläche 15 bezeichnet. Die Öffnung 12 ist von einer geeigneten Größe, die durch die erwünschte Größe des Drahtes bestimmt ist. Der gerade Bohrungsabschnitt 17 der Öffnung 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt, der den erwünschten Enddurchmesser des zu ziehenden Drahtes bestimmt. Von dem geraden Bohrungsabschnitt 17 aus erweitert sich die Öffnung 12 am Austrittskonus 19 zur oberen Oberfläche 13 hin und am Eintrittskonus 21 zur unteren Oberfläche 15 hin. Der zu ziehende Draht verläuft anfänglich durch den Eintrittskonus 21, wo eine anfängliche Größenverringerung vor dem Hindurchgehen durch den geraden Bohrungsabschnitt 17 und dem Austrittskonus 19 stattfindet.
• Der Eintrittskonus 21 erstreckt sich über einen größeren Abstand entlang der axialen Richtung als der Austrittskonus 19. Der gerade Bohrungsabschnitt 17 liegt daher dichter zur oberen Oberfläche 13 als zur unteren Oberfläche 15. Der Eintrittskonus 21 schließt eine breite Erweiterung 25 ein, die sich zur unteren Oberfläche 15 hin öffnet, und eine engere Erweiterung 23, die sich zwischen der geraden Bohrung 17 und der breiteren Erweiterung 25 erstreckt.
• Die Öffnung 12 kann geeigneterweise geschaffen werden, indem man zuerst ein Pilot-Loch mit einem Laser bohrt und dann einen mit Ultraschall vibrierenden Stift in Verbindung mit einer Diamant-Schleifmittelaufschlämmung benutzt, um eine Öffnung 12 durch im Stande der Technik bekannte Verfahren zu schleifen.
• Typische Drahtziehdüsen haben eine Scheibengestalt, obwohl quadratische, hexagonale, oktagonale oder andere polygonale Gestalten benutzt werden können. Vorzugsweise haben Drahtziehdüsen eine Dicke von etwa 0,4-10 mm. Die Längenabmessung beträgt im Falle einer polygonalen Gestalt oder die Durchmesser-Abmessung im Falle einer abgerundeten Gestalt vorzugsweise von 1-20 mm. Bevorzugte Dicken sind solche von 0,3-10 mm, wobei bevorzugte Längen 1-5 mm betragen. Die zum Drahtziehen geeignete Öffnung 12 hat einen Durchmesser von 0,030 mm bis 5,0 mm. Drahtziehdüsen, die wie oben hergestellt sind, können zum Ziehen von Draht mit erwünscht gleichmäßigen Eigenschaften benutzt werden. Die Drahtziehdüse kann mehr als ein Loch enthalten, und diese Löcher können vom gleichen Durchmesser und der gleichen Gestalt sein, brauchen es aber nicht.
• Eine bevorzugte Technik zum Bilden des Substrates für die Diamant-Drahtziehdüse der vorliegenden Erfindung ist in der US-PS 5,110,579 von Anthony et al. beschrieben. Gemäß den in dieser PS beschriebenen Verfahren wird Diamant durch chemisches Bedampfen auf einem Substrat, wie Molybdän, durch ein Glühfaden-Verfahren gezüchtet. Gemäß dieses Verfahrens wird eine geeignete Mischung, wie in dem Beispiel erläutert, über einem Glühfaden für eine geeignete Zeitdauer geleitet, um das Substrat bis zu einer erwünschten Dicke aufzubauen und einen Diamantfilm zu erzeugen. Wie in der PS ausgeführt, besteht ein bevorzugter Film aus im wesentlichen transparenten Stengeln von Diamantkristallen mit einer < 110> -Orientierung senkrecht zur Basis. Korngrenzen zwischen benachbarten Diamantkristallen, die Wasserstoffatome zur Absättigung freier Kohlenstoff-Bindungen aufweisen, sind bevorzugt, wobei angenommen wird, daß mindestens 50% der Kohlenstoffatome tetraedrisch gebunden sind, gemäß Raman-Spektroskopie, IR- und Röntgen- Analyse. Es ist auch ins Auge gefaßt, daß H-, F-, Cl-, O- oder andere Atome freie Kohlenstoffatome absättigen können. Der in der vorliegenden Erfindung benutzte bevorzugte Film hat die oben beschriebenen Eigenschaften, die einschließen, daß Korngrenzen zwischen benachbarten Diamantkristallen vorzugsweise Wasserstoffatome zur Absättigung freier Kohlenstoffbindungen aufweisen, wie in der PS veranschaulicht.
• Die in Fig. 2 gezeigte Ansicht des polykristallinen Diamantfilms im Querschnitt veranschaulicht weiter die im wesentlichen transparenten Stengel von Diamantkristallen mit < 110> -Orientierung senkrecht zur axialen Richtung der Öffnung 21. Fig. 1 veranschaulicht einen Abschnitt der peripheren Seitenoberfläche bei 35, die sich senkrecht zwischen der oberen Oberfläche 13 und der unteren Oberfläche 15 dazwischen erstreckt. Hat die Drahtziehdüse eine kreisförmige Gestalt, dann umfaßt der Abschnitt 35 einen schmalen Teil der Peripherie. Hat die Drahtziehdüse 11 eine polygonale Gestalt, dann kann der Abschnitt 35 eine ganze Seitenoberfläche sein. Die Orientierung wird beim Schneiden der Düse 11 aus dem Diamantfilm bestimmt. Eine gegenüberliegende periphere Oberfläche ist bei 37 in Fig. 1 dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, die eine vergrößerte Draufsicht eines Teiles der Drahtziehdüse von Fig. 1 ist, entspricht die Bezugsziffer 45 einer Region kleinerer Diamantkörner, die benachbart dem Seitenabschnitt 35 liegen, und die Bezugsziffer 47 entspricht einer Region größerer Diamantkörner, die benachbart dem Seitenabschnitt 37 liegen. Die Orientierung des Diamantfilms ist derart, daß der periphere Seitenabschnitt 35 der anfänglichen Wachstumsoberfläche entspricht, und der Seitenabschnitt 37 entspricht der der Dampfabscheidung ausgesetzten Oberfläche oder der endgültigen Oberfläche. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat die Öffnung 12 eine Achse, die in einem Winkel bezüglich der Wachstumsrichtung der Diamantkörner liegt. Vorzugsweise liegen die axiale Richtung der Bohrung der Drahtziehdüse und die Wachstumsrichtung der säulenförmigen Diamantkörner, die eine bevorzugte < 110> -Orientierung parallel zu ihrer Säulenrichtung (die ihre Wachstumsrichtung ist) haben, im wesentlichen senkrecht zueinander.
• Der Diamantfilm ist vorzugsweise so angeordnet, daß die periphere Oberfläche 35 der Drahtziehdüse der anfänglichen Wachstumsoberfläche entspricht, die benachbart dem Molybdän- Substrat während des Wachstums des Diamantfilms lag, und die periphere Oberfläche 37 ist die dem chemischen Bedampfen ausgesetzte Oberfläche. Diese Anordnung der Drahtziehdüse führt zu einer mikro-graphischen Struktur, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, bei der die Öffnung 12 in einer Region von Diamantkörnern mit einer Größe angeordnet ist, die zwischen der der Diamantkörner der anfänglichen Wachstumsregion 45 und der Endwachstumsregion 47 liegt.
• Die anfängliche Dampfabscheidung von Diamant auf dem Substrat führt zur Keimbildung von Diamantkörnern oder einzelnen Dimantkristallen. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt die Wachstumsrichtung oder die Stengel-Richtung der einzelnen Kristalle in einer axialen Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zu den entsprechenden peripheren Abschnitten 35 und 37 und im wesentlichen parallel zur oberen und unteren Oberfläche 13 und 15, der Querschnittsfläche, gemessen entlang Ebenen parallel zu den entsprechenden peripheren Abschnitten 45 und 47, die von der Oberfläche 45 zur Oberfläche 47 und im wesentlichen parallel zur oberen und unteren Oberfläche 13 und 15 verlaufen. Die Querschnittsfläche der Kristalle, gemessen entlang den Ebenen parallel zu den entsprechenden peripheren Abschnitten 45 und 47 nimmt entlang der Kornwachstums-Richtung zu. Fig. 2 zeigt eine Ansicht der oberen Oberfläche 13, wo ein Teil der Diamantkörner bei ihrer Zwischenbreite liegt.
• Wie bereits erwähnt, ist es möglich, die Position des geraden Bohrungsabschnittes auszuwählen. Wie oben erwähnt und in der Zeichnung gezeigt, ist der gerade Bohrungsabschnitt 17 an einer Stelle von Diamantkristallen mittlerer Breite angeordnet. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der gerade Bohrungsabschnitt 17 bei der Region des Substrates mit den kleineren Körnern angeordnet sein, so daß der Bohrungsabschnitt 17 im wesentlichen vollständig innerhalb einer Vielzahl von Diamantenkörnern liegt. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die gerade Bohrung 17 in einer Vielzahl von Diamantkörnern angeordnet. Es ist auch vorgesehen, daß der gerade Bohrungsabschnitt 17 innerhalb eines einkristallinen Diamantkornes angeordnet ist. Dies würde eine Untersuchung der Kristallstruktur erfordern, um den geraden Bohrungsabschnitt 17 in geeigneter Weise anzuordnen.
• Die bevorzugte < 110> -Kornrichtung liegt vorzugsweise senkrecht zur Hauptebene des Films, und sie ist statistisch um die < 110> -Richtung ausgerichtet. In Fig. 3 liegt die < 110> -Wachstumsrichtung der Diamantkörner parallel zur oberen Oberfläche 13 und zur unteren Oberfläche 15 der Düse und senkrecht zur axialen Richtung der Bohrung 12 der Düse. Aufgrund des verbesserten Abriebs und der verbesserten Rißbeständigkeit beim Einsatz als Drahtziehdüse ist nicht opaker oder transparenter oder durchscheinender CVD-Diamant bevorzugt.
• Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Films ist das oben beschriebene Glühfaden- Verfahren. Zusätzliche bevorzugte Eigenschaften des Diamantfilms schließen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 4W/cm-K ein. Solche Drahtziehdüsen haben eine verbesserte Abriebsbeständigkeit und Rißbeständigkeit, die mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit zunimmt. Der Film ist vorzugsweise nicht opak oder transparent oder durchscheinend, und er enthält Wasserstoff und Sauerstoff zu mehr als etwa 1 ppm. Der Diamantfilm kann Verunreinigungen und absichtliche Zusätze enthalten. Verunreinigungen können in Form von Katalysator-Material, wie Eisen, Nickel oder Cobalt, vorliegen.
• Die Diamant-Abscheidung auf Substraten aus Si, Ge, Nb, V, Ta, Mo, W, Ti, Zr oder Hf führt zu Rohlingen von CVD-Diamant-Drahtziehdüsen, die freier von Fehlern sind, wie Rissen, als andere Substrate. Durch Neutronenaktivierungs-Analyse wurde festgestellt, daß geringe Mengen dieser Substrat-Materialien in die auf diesen Substraten hergestellten CVD-Diamantfilme eingebaut sind. Der Film kann daher mehr als 10 ppb und weniger als 10 ppm von Si, Ge, Nb, V, Ta, Mo, W, Ti, Zr oder Hf enthalten. Zusätzlich kann der Film mehr als 1 ppm eines Halogens, d.h. Fluor, Chlor, Brom oder Iod, enthalten. Weitere Zusätze können N, B, O und P einschließen, die in Form absichtlicher Zusätze vorhanden sein können. Es ist vorgesehen, daß Filme, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, nach anderen Verfahren hergestellt sind, wie Mikrowellen-Verfahren zur Diamantherstellung.
• Es ist vorgesehen, daß CVD-Diamant mit einer solchen bevorzugten Leitfähigkeit nach anderen Verfahren hergestellt werden kann, wie Mikrowellen-CVD und Gleichstrom-Strahl-CVD. Absichtliche Zusätze können N, S, Ge, Al und P, jeweils in Mengen von weniger als 100 ppm, einschließen. Es ist vorgesehen, daß geeignete Filme mit größeren Mengen hergestellt werden können. Geringere Mengen von Verunreinigungen begünstigen erwünschte Eigenschaften der Zähigkeit und Abriebsbeständigkeit der Drahtziehdüse. Die bevorzugtesten Filme enthalten weniger als 5 ppm und vorzugsweise weniger als 1 ppm Verunreinigungen und absichtliche Zusätze.

Claims (10)

1. Düse zum Drahtziehen mit einem vorbestimmten Durchmesser, umfassend einen Körper aus CVD-Diamant, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper von der Art ist, die eine Region größerer Diamantkörner und eine Region kleinerer Diamantkörner einschließt, wobei die Düse eine periphere Seitenoberfläche und gegenüberliegende obere und untere Oberflächen aufweist, wobei mindestens ein Teil der peripheren Seitenoberfläche in einer Region größerer Diamantkörner und ein anderer gegenüberliegender Teil der peripheren Seitenoberfläche in einer Region kleinerer Diamantkörner liegt, eine Öffnung sich von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche zwischen dem einen Teil der peripheren Seitenoberfläche und dem gegenüberliegenden Teil der Seitenoberfläche durch den Körper erstreckt.

2. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der eine Teil einer peripheren Seitenoberfläche einer anfänglichen Diamant-Wachstumsoberfläche entspricht.

3. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin sich die Öffnung vollständig entlang einer axialen Richtung von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche in einem Winkel zur axialen Richtung durch den Körper erstreckt.

4. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 3, worin der drahttragende Teil einen geraden Bohrungsabschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt umfaßt.

5. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 3, worin sich die Öffnung in einer Richtung von dem geraden Bohrungsabschnitt zu der oberen Oberfläche nach außen erweitert und sich in der entgegengesetzten Richtung zu der unteren Oberfläche nach außen erweitert.

6. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 5, worin die Erweiterung nach außen in der einen Richtung einen Ausgangskonus für den Draht und die Erweiterung nach außen in der anderen Richtung zur unteren Oberfläche einen Eintrittskonus bildet.

7. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 6, worin der Eintrittskonus sich über einen größeren Abschnitt entlang der axialen Richtung erstreckt als der Austrittskonus.

8. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Körper eine von einer Oberfläche zur anderen Oberfläche gemessene Dicke von etwa 0,3-10 mm hat.

9. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Diamant durch chemische Dampfabscheidung auf einem Substrat, bestehend aus Si, Ge, Mo, Nb, V, Ta, W, Ti, Zr oder Hf oder Legierungen davon, gezüchtet ist.

10. Düse zum Drahtziehen nach Anspruch 1, worin der Diamant einen Film aus im wesentlichen transparenten Stengeln von Diamantkristallen mit einer < 110> -Orientierung in einem Winkel zur axialen Richtung der Öffnung umfaßt.