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), bevorzugt in die rotatorisch arbeitenden Bauteilkomponente.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein mit einem synthetischen Diamanten schichtbelegtes Hartmetallzahnrad für eine fluidische Mini- bis Mikroeinheit. Ebenso ist ein zugehöriges CVD-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, z.B. als ein Koordinatenschleifen, wenn hohe Genauigkeiten gefordert sind.

Aus DE-A 101 46 793 sind harte Lagerwerkstoffe in Form von Lagerkörpern bekannt, welche durch Positionieren in weicherem Trägermaterial passend ausgerichtet werden können. Die Lagerung soll für Mini- oder Mikropumpen nach den dortigen Vorschlägen verbessert werden. Die DE-A 37 28 946 zeigt eine Anordnung zum Homogenisieren mit einem Homogenisierspalt, der nach dortigen Vorschlägen mit polykristallinen Diamant-Sinterschichten begrenzt ist, vgl. dort insbesondere Anspruch 1 und Spalte 3, Zeilen 31 bis 45 sowie Spalte 4, Zeile 35 bis 43. Aus der WO-A 97/07264 ist ein

Carbid-Substrat bekannt, welches mit polykristallinem Diamant beschichtet wird, wobei ein künstlicher Diamant im Sinne eines synthetischen Diamanten mit zwei verschiedenen Arten als herstellbar beschrieben wir, vgl. dort Seite 1 , mittlerer Absatz, PCD (oder deutsch: PKD) und über eine CVD, welch letzterer einen Diamantfilm abscheidet. Vom Wesen her sollen nach den dortigen Vorschlägen PCD-Einsätze für

Werkzeuge geschaffen werden, wobei Wolframcarbid verwendet wird, vgl. dort Seite 3, erster Absatz, in Verbindung mit einem CVD-Schichtenfilm aus Diamant.

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 bevorzugt polykristallinem Diamant wird eine chemische Inertheit der Komponente ausgebildet (Anspruch 1 ). Die Inertheit basiert auf der hohen Beständigkeit der synthetischen Diamantschicht/Lage gegenüber fluidischen Stoffen, mit denen er/sie im Kontakt steht

(Anspruch 3, Anspruch 4). Die synthetische Diamantlage ist polykristallin in physikalischem Sinn, sie unterscheidet sich von den monokristallinen Naturdiamanten, die eine fast perfekt monokristalline Form haben. Der Polykristall (auch Vielkristall) ist ein kristalliner Festkörper (hier im Sinne der abgeschiedenen Schicht auf der Oberfläche des Substrats, als Grundbaukomponente aus dem ersten Werkstoff), dessen Kristallstruktur unregelmäßig ist. Er besteht aus vielen kleinen Einzelkristallen, so genannten Kristalliten, welche durch Korngrenzen voneinander getrennt werden. Die meisten kristallinen Festkörper der Natur sind polykristallin, zur Unterscheidung gegenüber den monokristallinen Naturdiamanten. Von der Kristallgröße her ist die nicht monokristalline (polykristalline) Diamantschicht bevorzugt mit solch kleinen

Kristallgrößen versehen, dass sie auf der Oberfläche des ersten Werkstoffs der Grundbaukomponente mehrlagig aufgetragen werden können. Bei der Mehrlagigkeit dieser Kristall-Lagen spricht man von einer nanokristallinen Schicht. Der Begriff wird so im physikalischen Sinn verstanden, dass er zur Abgrenzung von polykristallinen Diamantschichten dient, welche durch eine Sinterung entstehen.

Die Eigenschaften einer nanokristallinen Diamantschicht (Anspruch 27) sind hinsichtlich der Rissbildung unter mechanischer Beanspruchung günstig. Das Wachstum eines Risses erfolgt zumeist in Umfangsrichtung und erstreckt sich nicht oder kaum in radialer Richtung, so dass in radialer Richtung gefährdende Öffnungen, welche durch die Risse entstehen, hier nicht entstehen und eine chemische Dichtheit der Oberfläche nicht gefährdet werden kann. Unter einer radialen Richtung wird diejenige verstanden, welche senkrecht zur Erstreckung der Oberfläche liegt, unter der Umfangsrichtung wird diejenige Richtung verstanden, welche parallel zur Oberfläche sich erstreckt.

Wird als Beschichtungsverfahren ein CVD-Beschichtungsverfahren angewendet, so entsteht eine bevorzugte polykristalline Diamantschicht, die nanokristallin im zuvor beschriebenen Bedeutungssinne ist. Sie hat mehrere Lagen von Kristallebenen, die über dem Substrat angeordnet sind. Das unterscheidet sie gegenüber monokritallinen Stoffen, hier in Schichtform. Das CVD-Beschichtungsverfahren ist deshalb besonders günstig (Anspruch 2, 29).

Die Beschichtung mit der bevorzugt physikalisch polykristallinem Diamantlage ebnet raue Oberflächen des darunter liegenden Werkstoffs. Bevorzugt sind rotatorisch arbeitende Bauteilkomponenten so beschichtet.

Mit dem Verfahren kann ein Zahnrad - als Beispiel einer rotatorisch arbeitenden

Bauteilkomponente (Anspruch 24) - aus einem chemisch nicht inerten Werkstoff "auf Maß" gefertigt werden und mit einer sich an diese Fertigung anschließenden synthetischen Diamant-Beschichtung die inerte Eigenschaft erhalten, unter Bildung des zweiten Maßes (Anspruch 21 ,24,25).

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 Grundbau- Komponente erfolgt das Auftragen der zumindest 1 μm starken synthetischen 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.

Da 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 (Anspruch 28). Die beiden Bauteile sind komplementär im Sinne von funktionell zusammen-gehörend.

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 rotierend arbeitenden Verdrängers werden alle Lagerkomponenten so beschichtet, dass zumindest jede Fläche, die gegen eine andere Fläche läuft (Relativbewegung), beschichtet ist (Ansprüche 13, 14 und 17). Dies betrifft auch förderwirksame Flächen des Verdrängers und auch die Stirnflächen.

Eine chemische Inertheit der Bauteilkomponenten, die aus dem nicht chemisch beständigen Werkstoff vorgeformt sind, kann rundum, insbesondere komplett, erreicht werden, wenn alle Flächen mit der synthetischen Diamantschicht beschichtet werden, um einen korrosiven Angriff von fluidischen Medien zu vermeiden (Anspruch 13,

Anspruch 14).

Es ist zu bemerken, dass mit dem CVD-Beschichtungsverfahren (Ansprüche 2, 29) dreidimensionale Körper beschichtet werden können. Unterschieden werden können bei einer solchen dreidimensionalen Struktur also Laufflächen, welche nicht förderwirksam sind, förderwirksame Flächen innerhalb eines Verdrängers und ggf. solche Flächen, welche weder förderwirksam sind, noch Laufflächen im Sinne von Lagerflächen sind. Alle diese Flächen können im Raum dreidimensional ausgebildet sein, brauchen also nicht flach/eben zu sein, um mit der synthetischen Diamantschicht über das CVD-Verfahren beschichtet werden zu können.

Bei einer Förderung der genannten fluidischen Medien sind auch solche Medien erlaubt, die abrasive Partikel enthalten. Dieses Fluid kann zusätzlich chemisch aggressiv sein, ist aber aufgrund des von ihm geförderten Partikelinhalts auch mechanisch aggressiv. Chemische Beständigkeit als solche umschreibt das verdrängte Medium, die Verbesserung des Verschleißschutzes umschreibt auch die genannten abrasiven Partikel, welche Gegenstand der Verdrängung im Rahmen eines fluidischen Mediums sind.

Gegenüber einem Keramikbauteil hat eine mit synthetischem Diamant beschichtete Hartmetall-Bauteilkomponente 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 s höheren hydraulischen Verlusten.

Gegenüber dem Kunststoffteil hat die beanspruchte Bauteilkomponente (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- lo 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, Anspruch 29). Mit ihm wird die nanokristalline i ₅ Diamantschicht erhalten. 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 20 (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. ₅ Gerotorpumpe bzw. eines -motors (Ansprüche 5, 6 und 18).

Derartige Zahnräder können insbesondere in rotatorisch arbeitenden Verdrängerpumpen, wie Außenzahnradpumpen oder Innenzahnradpumpen (z.B. Zahnringpumpen) eingesetzt werden. Die Zahnräder sind beispielsweise ein innenverzahntes Außenrad und ein außenverzahntes Innenrad. Die Verzahnung ist o bevorzugt zykloid (Anspruch 18). Auch zwei Außenräder sind möglich (Anspruch 34).

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

Über diese spezielle Eignung für außenverzahnte Zahnräder oder Zahnringpumpen in kleinsten Formaten, kann das beanspruchte Verfahren auf alle Verdränger- Komponenten erstreckt werden, die nicht nur reine Rotationsverd ränger sind, sondern auch axiale Bewegungen haben, als Verdränger oder Schneckenverdränger 5 (Anspruch 19). Wird die Schichtstärke der synthetischen Diamantschicht erhöht, auf

Werte größer 5μm oder insbesondere auch größer 10μm, wird die chemische Beständigkeit größer (Anspruch 20). Hingegen ist bei kleinen Schichtstärken der Diamantschicht eine reibungs- und verschleiß-mindemde Wirkung schon bei geringen Schichtdicken spürbar und wirksam.

io Hier wird eine reibungs-reduzierte Ausbildung der Verdrängereinheit betont, wobei alle in tribologischem Kontakt stehenden Flächen mit der synthetischen Diamantschicht belegt (beschichtet) werden. Alle entstehenden Reibungsflächen werden so reibungsmindernd aufeinander funktionsgenau und maßgenau angepasst. Die zusammen-gehörenden Bauteilkomponenten sind (im Verständnis des Anspruchs 31) i ₅ 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 sind, sondern auch stirnseitige Flächen sein können, an denen eine axiale Lagerung der bewegten Bauteilkomponente stattfindet.

20 Die Haftung der Diamantschicht auf der Oberfläche der Grundbaukomponente aus dem ersten Werkstoff, bevorzugt Hartmetall, wird durch eine zumindest an 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

2s dem Grundwerkstoff verbindet. Diese Verbindung dient auch dem Zusammenhalt der

Kristalle des Hartmetalls, beispielsweise Wolframcarbid. Die Bindermatrix hält diese Kristalle zusammen, bevorzugt an der Oberfläche, aber auch über die gesamte radiale Erstreckung des Grundwerkstoffs, der beispielsweise gesintert ist aus deiner Pulvermischung von Kobaltpulver und Wolframcarbid-Pulver. Bevorzugte

30 Gewichtsanteile liegen unter 15% des Kobaltbinders (Anspruch 12, Anspruch 15).

Wird als Binderwerkstoff des Hartmetalls Kobalt gewählt, kann ein gesonderter 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 ₅ 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.

Figur 1 ist ein diamantbeschichtetes Außenzahnrad 2 (als Innenrotor) für eine Zahnringpumpe.

Figur 2 ist ein diamantbeschichtetes Innenzahnrad 3 (als

Außenrotor) für eine Zahnringpumpe.

Figur 3 ist ein Schnitt mit einer Oberfläche des Außenzahnrads 2.

Figur 3a ist ein Detailausschnitt von Figur 3.

Figur 4 ist ein Schliffbild eines mit einer synthetischen Diamantlage 10 beschichteten Zahnrads als Innenrotor

(hellgrauer Werkstoff im Schliffbild, mit A bezeichnet), umgeben von einer Einbettungsmasse 50. Der Schnitt liegt senkrecht zur Achse des Innenrotors. Der untere Zahn 10 ist vergrößert im Folgebild dargestellt.

Figur 5 Ausschnittsvergrößerung X des vorhergehenden Bildes am Zahn 10 im gekastelten Bereich und oberhalb der Diamantschicht 10 (durchgehend schwarz) ist der Hartmetallwerkstoff A und unterhalb die Einbettungsmasse aus einer Mischung von Epoxidharz und Kupfer gelegen

Figur 6 ist eine Struktur einer Bindermatrix 2d aus Hartmetall (WC) und Cobalt in einer 1500-fach vergrößerten Oberflächenstruktur. Diese ist durch einen Schnitt und Schliff durch den Werkstoff A im Rahmen einer metallurgischen Oberflächenuntersuchung entstanden.

Die Zahnräder 2,3 nach Figur 1 und Figur 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 innen¬ verzahntes 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 Figur 3 vergrößert 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 Figuren 1 und 2.

Die Grundformen, welche zunächst werkstoff-abtragend zu erzeugen sind (oder aus Urformen entstehen), sind in Figuren 1 und 2 dargestellt, hier aber bereits angedeutet mit Beschichtungen 10, welche aufzubringen sind und welche in Detailansicht in den Ausschnittsvergrößerungen der Figur 3 an einer Stelle 2c eines nach Außen ragenden Zahns eines Innenrades 2 dargestellt sind. Diese Figur 3 kann invertiert (komplementär) auch auf die Figur 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 Figur 3 mit den beiden Maßen m1 und m2 symbolisch repräsentiert. Insbesondere in der hier gezeigten Ausschnittsvergrößerung der Diamantschicht 10 mit ihrer Oberfläche 10a 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 Figur 2 als innen-verzahntes 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 darunter liegenden Matrixbinder 2d zumindest 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 2e, 3e zurückgesetzt, also mit einem entsprechend geringeren (bzw. größeren) Maß abtragend gefertigt. Ein jeweiliger Zahn 2c, 3c ragt weiter hervor (nach außen bzw. innen). Gleiches gilt für die Stirnseiten, welche hier in Aufsicht in den Figuren 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 entstehen, zum Erhalt einer Genauigkeit des Maßes m1. Auch die Außenseite des Außenrades der Figur 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 kann eine Vorbehandlung der genannten Flächenabschnitte zur Verbesserung der Haftung der aufzubringenden Diamantschicht 10 folgen.

Über bevorzugt ein CVD Verfahren wird die "polykristalline" (nicht monokristalline), chemisch dichte Diamantschicht 10 auf das Zahnrad 2 oder/und 3 aufgebracht, die eine chemische Beständigkeit schafft und dies 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 von 6% Kobalt-Binder, als Matrix 2d zumindest auf den fördernden Oberflächen-Abschnitten 2c, 3c, welche tribologisch belastet werden. Diese Struktur kann sich auch in den gesamten Werkstoff A erstrecken. In

gleicher Weise sind die Stirnflächen mit der Matrix versehen, 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 10 in der Detailansicht von Figur 3a eine 5 gesamte Schichtdicke "d", welche die Matrixschicht 2d und die synthetische

Diamantschicht 10 beinhaltet. So wird das zweite Maß m2 definiert, welches auftragend auf das erste Maß m1 das im Beispiel für das Innenrad gewählte äußere Maß definiert. Dieses zweite Genauigkeitsmaß m2 symbolisiert die funktionell genauen Maße, welche benötigt werden, um mit einem entsprechenden radialen lo Innenmaß des Außenrades nach Figur 2 förderwirksam zusammenarbeiten zu können.

Die hier gemachten Ausführungen gelten dann entsprechend auch für das radiale Innenmaß des Außenrades und eine dort zumindest an der Oberfläche vorhandene Matrix 2d, mit Diamantschicht 10 zum Erhalt des dortigen genauen Innenmaßes, auch i5 symbolisch mit der Bezeichnung m2' versehen. Auch hier kann sich die Bindermatrix ganz in den Werkstoff A hinein erstrecken.

Die optimale Schichthöhe "d" liegt im Bereich von 10μm bis 15μm, mit oder ohne oberflächliche Matrixschicht.

Die Matrix 2d, welche Kobald-Binder mit unter 15% Gew.-Anteil, insbesondere im ö Bereich von 6% Gew.-Anteil enthält, wird Bestandteil des Substrats oder des

Substratwerkstoffs A. Er symbolisiert die Grundkomponente, auf weiche die synthetische Diamantschicht 10 durch bevorzugt ein CVD-Verfahren abgeschieden wird. Die Bindermatrix 2d, welche zumindest auf der Oberfläche des Werkstoffs A vorgesehen ist, aber auch den ganzen Werkstoff einnehmen kann, beschreibt einen 5 Werkstoff "Hartmetall", bei dem die Wolframcarbid (WC)-Kristalle von der Matrix zusammengehalten werden. Er bildet damit einen verbindenden Teil oder eine Art "Klebstoff ¹ , welcher die Hartmetall-Kristalle zusammenhält. In der Figur 6 ist diese Struktur beispielhaft zu erkennen, entstanden aus dem Herstellverfahren, bei dem ein Pulver aus WC zusammen mit Kobaltpulver vermischt werden, in den genannten 30 Gew.%-Anteilen, und dann gesintert werden. Es ist ein Schnitt durch den Werkstoff A abgebildet, mit einer Vergrößerung von 1500.

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).

5 Der Beschichtungsprozess 10 wird dazu unterbrochen, damit eine Umlagerung stattfinden kann.

Die Stützstellen sind an solchen Stellen der Pumpenkomponente, an denen im Betrieb der Pumpe keine hohen tribologischen Belastungen stattfinden.

Am Außenrad 3 werden mindestens zwei gegenüber liegende Abflachungen 3a, 3b lo angebracht, auf denen das nach radial innen gezahnte Zahnrad 3 auf einer ebenen

Fläche stehen kann. Die Abflachungen beeinträchtigen die spätere Lagerung des Außenrades am Außendurchmesser nicht nachteilig.

Beim Innenrotor 2 werden in der Wellenbohrung 30 mindestens zwei Freistellungen 2a, 2b eingebracht, auf der das nach radial außen gezahnte Zahnrad hängend auf i ₅ 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 0 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 synthetischem Diamant führt ab einer bestimmten Höhe (Stärke) der Schicht zu einer chemischen Inertheit der Oberfläche. Die Schichthöhe s 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 entsteht. Gleichzeitig ist ein lebensdauerabhängiger und lastspezifischer Verschleiß, der in der Regel minimal ist, einzubeziehen. Dies ist versuchstechnisch zu verifizieren und in die 0 zu definierende ursprüngliche Schichthöhe (Dicke oder Stärke) mit einzubeziehen.

Hervorzuheben ist bei der verwendeten Schicht aus synthetischem 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 5 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 lo Reibung zwischen den bewegten Teilen 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 i5 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 der Schicht mit synthetischem Diamant zu beschichten, da die Verschleißrate im tribologischen Oberflächenkontakt minimal ist. Eine Ausnahme kann 20 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 Figur 3 für einen Außenzahn dargestellt.

2 ₅ Eine nicht mono-kristalline 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 Binde ^' rsysteme, bei denen Kobalt oder Nickel das Matrixsubstrat bilden. Für die Diamantbeschichtung 10 eignet

3o sich insbesondere Hartmetall A mit Kobaltbinder 2d. Dieser hält die Hartmetall-

Kristalle zusammen. Ein Schliffbild eines solchen Werkstoffs ist in Figur 6 mit einer 1500 fachen Vergrößerung gezeigt.

Für eine optimale Bindung der Schicht 10 an das Substrat beinhaltet die zumindest oberflächlich vorgesehene 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 Carbide nicht ausreichend gehalten werden. Ein bevorzugter Binderanteil liegt bei unter 15%, insbesondere bei ca. 6% Kobalt (bei Varianz von ±20%). Derartiges Hartmetall wird heute für Werkzeuge eingesetzt, wo die so genannte PKD-

Beschichtung (PKD ist ein 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 zumindest 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 der synthetischen Diamantschicht 10 erfolgt äquidistant, d.h. aus einer Spitze wird an der Oberfläche 10a 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.

Reale Formen von solchen Beschichtungen 10 sollen anhand der Figuren 4 und 5 erläutert werden. Figur 4 ist ein quer zur Achse liegendes Schliffbild eines Außen- Zahnrades als Innenrotor 2, wie er in Stirnansicht in Figur 1 dargestellt ist. Erkennbar ist der nach außen ragende Zahn 2c im unteren, mittleren Bereich des Bildes, umgeben von einer Einbettungsmasse 50, die eine leitfähige Mischung aus

Epoxydharz und Kupfer ist. Auch eine Wellenöffnung 31 ist zu erkennen, hier ausgefüllt von einer gleichen Einbettungsmasse aber im normalen Zustand des Bauteils offen. Gegenüber Figur 1 ist die Wellenöffnung 31 mehreckig ausgeführt, hat aber auch die unten liegende Stützstelle 2b ¹ , vergleichbar derjenigen Stützstelle 2b von Figur 1.

Die hellgrau homogen zu sehende Gefügegestalt des Werkstoffs A ist oberflächlich mit einer synthetischen Diamantschicht 10 belegt, welche anhand der schematischen Darstellung der Figur 3 erkennbar ist, aber in realer Gestalt anhand der Figur 5 näher erläutert werden kann. Hier ist der Ausgangswerkstoff A als Hartmetall hell im oberen

Abschnitt des Bildes zu sehen. Die darauf mit einem CVD-Verfahren abgeschiedene Diamantschicht 10 hat eine Dicke d\ wie zuvor anhand der Figur 3 erläutert. Dies gilt für den Fall, dass die Matrixschicht 2d sich auf den gesamten Werkstoff A unterhalb der synthetischen Diamantschicht erstreckt.

Die Oberfläche 10a der synthetischen Diamantschicht 10 mit nanokristalliner Struktur ist diejenige Oberfläche, welche im funktionellen Betrieb mit der anderen, gegenüberliegenden Oberfläche des komplementären Bauteils in Verbindung tritt, so des Außenrotors 3 nach Figur 2, dessen nach innen weisende Oberfläche eine Diamantschicht 10 ist, deren Oberfläche 10a den tribologischen Kontakt mit der in Figur 5 gezeigten Oberfläche ausübt.

Die Darstellung der Figur 5 ist eine Ausschnittsvergrößerung des Bereiches X aus Figur 4, wobei Figur 4 eine 25-fache Vergrößerung des Originalbauteils ist und Figur 5 eine 600-fache Vergrößerung des Originalbauteils darstellt, so dass der Vergrößerungsfaktor zwischen den Figuren 4 und 5 der Faktor 24 ist.

Die in Figur 5 unterhalb (näher zum schwarzen Balken) der Oberfläche 10a der synthetischen Diamantschicht 10 gezeigten Körner oder Kristalle sind eine Einbettungsmasse, in welche der Rotor eingebettet wurde, bevor für ein Schliffbild aufbereitet worden ist. Diese Einbettungsmasse 50 bildet keinen Bestandteil des fertigen Rotorbauteils, von denen jede beliebige Kombination aus Außenrad, Innenrad und Außenrad/Außenrad möglich ist.

Die Fertigung von Zahnrädern, insbesondere von Kleinstzahnrädern oder hochgenau tolerierten Zahnrädern aus Hartmetall ist durch Feinbearbeitungsverfahren, wie 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 5 Herstellung von genauen Konturen aufwändig.

Gegenüber der schleiftechnischen Herstellung von hochgenauen Kleinstzahnrädern ist die Drahterodiertechnik eine kostengünstige Alternative.

In der Kombination der Diamantbeschichtung von Hartmetallzahnrädern kann ein besonderer Vorteil gegenüber Keramikzahnrädern erreicht werden. In besonderen io Fällen erweitert das Verfahren grundsätzlich die Herstellbarkeit von inerten hochgenauen Kleinstzahnrädern.

Die Fertigungsvorschriften können neben den Zahnrädern auch für alle Funktionskomponenten angewendet werden, welche im tribologischen Kontakt stehen. Dies sind auch Lager und Wellen.

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