DE1056449B - Process for the production of coatings from hard carbides - Google Patents
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Description
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BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 30.APRIL1959NOTICE THE REGISTRATION AND ISSUE OF THE EDITORIAL: APRIL 30, 1959
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Überzügen aus harten Carbiden, beispielsweise der Metalle Titan, Zirkon, Vanadin und Wolfram, durch Reaktion von Halogenverbindungen des carbidbildenden Metalles mit Gasgemischen aus Wasserstoff und flüchtigen Kohlenwasserstoffen, wodurch Carbidüberzüge hergestellt werden, die keinen elementaren Kohlenstoff und kein freies Metall enthalten, dabei aber eine in sich festverwachsene, feinkörnige Struktur besitzen.The present invention relates to a process for the production of coatings from hard carbides, for example the metals titanium, zirconium, vanadium and tungsten, by reaction of halogen compounds of the carbide-forming metal with gas mixtures of hydrogen and volatile hydrocarbons, thereby producing carbide coatings that are not elemental carbon or free Contain metal, but have an integral, fine-grained structure.
Die harten Carbide der Metalle der III. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems zeichnen sich durch hervorragende physikalische Eigenschaften und chemische Resistenz aus. Die Verbindungen haben daher in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung für die Herstellung von Werkzeugen und Maschinenteile erlangt, die hohen Verschleißbeanspruchungen, Korrosions- oder Oxydationsangriffen ausgesetzt sind. Werkstücke, die überwiegend aus Carbiden bestehen, werden nach pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, wobei den Carbiden Bindemetalle beigegeben werden, die die Zähigkeit dieser carbidhaltigen Werkstoffe verbessern. Bei der Herstellung von Werkstücken aus Hartmetallegierungen entfallen erhebliche Unkosten auf die Bereitstellung der harten Carbide und auf die Endbearbeitung durch Schleifen. Es war daher erwünscht, Werkstücke aus billigeren und leichter bearbeitbaren Werkstoffen herzustellen und diese danach mit Carbiduberzügen zu versehen.The hard carbides of the III. to VI. Group of the periodic table are characterized by excellent physical properties and chemical resistance. The connections therefore have in the last few years an increasing importance for the manufacture of tools and machine parts that are exposed to high levels of wear, corrosion or oxidation. Workpieces that mainly consist of carbides are manufactured using powder metallurgical processes, binder metals are added to the carbides, which increase the toughness of these carbide-containing Improve materials. When manufacturing workpieces from hard metal alloys, considerable amounts are omitted Expenses for the provision of the hard carbides and for the finishing by grinding. It was therefore desirable to produce workpieces from cheaper and more easily machinable materials and these then to be provided with carbide coatings.
Aus der Glühlampenindustrie ist eine Reihe von Vorschlägen bekannt, harte Carbide der Metalle der III. bis VI. Gruppe durch Reaktion von flüchtigen Metallhalogeniden mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserstoff auf Glühfäden aus hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram und Molybdän, oder aus Kohlenstoff bei hohen Temperaturen nach folgender Reaktion abzuscheiden.A number of proposals are known from the incandescent lamp industry, hard carbides of the metals of the III. to VI. Group to be deposited by reaction of volatile metal halides with gaseous hydrocarbons in the presence of hydrogen on filaments made of refractory metals such as tungsten and molybdenum, or of carbon at high temperatures after the following reaction.
TiCl4+CH4-^TiC+ 4 HCl.TiCl 4 + CH 4 - ^ TiC + 4 HCl.
Das abgeschiedene Carbid enthielt aber noch freien Kohlenstoff, der seinen Zusammenhalt wesentlich beeinträchtigt, so daß solche Überzüge schon bei geringfügigen Beanspruchungen, insbesondere bei Reibungsund Stoßbeanspruchungen, zum Reißen und Abblättern neigen. Um die lästige Kohleristoffabscheiduug /u vermeiden, hat man die gasförmigen Kohlenwasser-/stoffe in den Reaktionsgasen durch Kohlenmonoxyd / ersetzt. Die AbscheidungSprodukte sind hierbei jedoch J/ mehr oder weniger stark mit Sauerstoff verunreinigt. /1 Derartige stark mit Sauerstoff verunreinigte Abschei-/ I dungsprodukte besitzen nicht die optimalen mechani- \ sehen Eigenschaften des reinen oder praktisch reinen \ Titancarbides.However, the deposited carbide still contained free carbon, which significantly impairs its cohesion, so that such coatings even with minor stresses, especially in the case of friction and Impact loads, prone to cracking and peeling. About the annoying carbon separation / u avoid the gaseous hydrocarbons in the reaction gases replaced by carbon monoxide /. The deposition products are here, however J / contaminated to a greater or lesser extent with oxygen. / 1 Such separators heavily contaminated with oxygen / Invention products do not have the optimal mechanical properties of the pure or practically pure \ Titanium carbides.
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Verfahren zur Herstellung von überzügen aus harten CarbidenProcess for the production of coatings from hard carbides
Anmelder:Applicant:
Metallgesellschaft Aktiengesellschaft, Frankfurt/M., Reuterweg 14Metallgesellschaft Aktiengesellschaft, Frankfurt / M., Reuterweg 14
Willy Ruppert, Frankfurt/M.,Willy Ruppert, Frankfurt / M.,
und Gottfried Schwedler, Offenbach/M.,and Gottfried Schwedler, Offenbach / M.,
sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors
Es ist auch bekannt, zur Vermeidung der Abscheidung von freiem Kohlenstoff die kohlenwasserstoffhaltigen Gase stärker, wenn auch noch nicht genügend mit Wasserstoff zu verdünnen und das Halogenid des carbidbildenden Metalls in großem Überschuß zuzusetzen. Dabei wurde aber neben dem Carbid freies Metall oder ein Carbid mit zu geringem Kohlenstoffgehalt abgeschieden, so daß zur Erreichung eines hinreichenden Kohlenstoffgehalts im Überzug eine Nachcarburierung mit Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen über 2000° C erforderlich war. Ein solches Verfahren ist nicht nur unwirtschaftlich, da erhebliche Mengen unverbrauchtes Metallhalogenid die Reaktionskammer verlassen, sondern bei größeren Anlagen auch schwierig zu steuern, da die entweichenden Halogenide zum Verstopfen der Abgasleitungen neigen. ^It is also known, to avoid the deposition of free carbon, the hydrocarbonaceous Gases stronger, if not yet sufficiently diluted with hydrogen and the halide of the to add carbide-forming metal in large excess. But besides the carbide, it became free Metal or a carbide deposited with too low a carbon content, so that to achieve a If the carbon content in the coating is sufficient, subsequent carburization with hydrocarbons at temperatures above 2000 ° C was required. Such a process is not only uneconomical, it is considerable Quantities of unused metal halide leave the reaction chamber, but in larger systems also difficult to control as the escaping halides clog the exhaust pipes tend. ^
Für sämtliche Verfahren der Abscheidung von harten Carbiden durch Reaktion von Halogeniden der carbidbildenden Metalle mit flüchtigen Kohlenstoffverbindungen waren hohe Temperaturen von mindestens 1300° C erforderlich, was die Auswahl geeigneter Grundwerkstoffe stark einschränkte. Es wurden sogar als günstigste Reaktionstemperaturen solche empfohlen, die über dem Schmelzpunkt des carbidbildenden Metalles liegen. Im Falle der Abscheidung des Ti C wären demnach Temperaturer oberhalb 1700° C vorzuziehen. Die abgeschiedenen Carbide waren nur bei hohen Reaktionstemperaturen in sich fest verwachsen, während sie bei tiefen Reaktionstemperaturen zwar in feinkörniger Form, jedoch nur als lockere, lose zusammenhängende Kristallhaufwerke erhalten wurden.For all processes of the deposition of hard carbides by the reaction of halides of the carbide-forming metals with volatile carbon compounds were high temperatures of at least 1300 ° C required, which severely restricted the selection of suitable base materials. There were even recommended as the most favorable reaction temperatures are those above the melting point of the carbide-forming metal. In the case of the deposition of Ti C, there would be temperatures preferable above 1700 ° C. The deposited carbides were only at high reaction temperatures firmly grown together, while at low reaction temperatures they are in fine-grained form, however have only been preserved as loose, loosely connected crystal heaps.
Es wurde nun gefunden, daß Überzüge aus haicen Carbiden der Metalle der III. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, insbesondere der Metalle Titan,It has now been found that coatings of high carbides of the metals of the III. to VI. Group of Periodic table, especially of the metals titanium,
Zirkon, Vanadin und Wolfram, grundsätzlich schon bei wesentlich tieferen Temperaturen gebildet werden können, wenn bestimmte Bedingungen eingehalten werden. Überraschend ergab sich, daß solche Überzüge mit in sich festverwachsener, feinkörniger Struktur und frei von elementarem Kohlenstoff und ungebundenen carbidbildendem Metall dadurch hergestellt werden, daß eine Halogenverbindung des carbidbildenden Metalls mit einem Gasgemisch an den zu überziehenden Werkstücken bei Temperaturen von 900 bis 1200° C zur Reaktion gebracht wird, wobei in dem Gasgemisch Wasserstoff und nicht mehr flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten sind, als ihrem Gleichgewicht mit Kohlenstoff und Wasserstoff bei der Abscheidungstemperatur entspricht. Zircon, vanadium and tungsten, in principle, are formed at significantly lower temperatures can, if certain conditions are met. It was surprisingly found that such coatings with firmly interwoven, fine-grained structure and free of elemental carbon and unbound carbide-forming metal can be prepared in that a halogen compound of the carbide-forming metal with a gas mixture on the workpieces to be coated at temperatures from 900 to 1200 ° C is brought to reaction, with hydrogen and no more in the gas mixture volatile hydrocarbon compounds are included, as their equilibrium with carbon and Corresponds to hydrogen at the deposition temperature.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich geworden, bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und daher auf Werkstoffen, die einfach bearbeitet und billig hergestellt werden können, Überzüge aus Carbiden herzustellen und damit die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche dieser Werkstoffe und von daraus hergestellten Werkstücken wesentlich zu verbessern. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Überzüge* zeichnen sich durch feinkörnige und in sich festverwachsene Struktur aus und besitzen nur eine geringe eigene Oberflächenrauhigkeit, die bei gut vorbereitetem Grundmaterial in der Größenordnung von etwa 2 μ liegt. Die feinkörnigen, festverwachsenen Überzüge lassen sich durch Polieren, beispielsweise mit Diamantstaub, Borcarbidpulver oder auch mit durch Zerspanen gewonnenem Graphitpulver noch wesentlich unter 1 μ vermindern.The process according to the invention has made it possible at a relatively low temperature and therefore coatings on materials that can be easily machined and manufactured cheaply from carbides and thus the mechanical and chemical properties of the surface of these To significantly improve materials and workpieces made from them. According to the invention The coatings * produced by the process are characterized by fine-grained and firmly intergrown coatings Structure and have only a low surface roughness of their own, which is the case with well prepared Base material is on the order of about 2 μ. The fine-grained, firmly grown coatings can be done by polishing, for example with diamond dust, boron carbide powder or by machining The graphite powder obtained can still be reduced significantly below 1 μ.
Durch die erfindungsgemäß gegebene Lehre, ein Gasgemisch zu verwenden, in welchem Wasserstoff und nicht mehr flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten sind, als ihrem Gleichgewicht mit Kohlenstoff und Wasserstoff bei der Abscheidungstemperatur entspricht, wird erreicht, daß die abgeschiedenen Überzüge keinen freien Kohlenstoff enthalten, sondern ausschließlich aus Carbid bestehen. Dies beruht darauf, daß eine bestimmte Konzentration an Kohlenwasserstoff nicht überschritten wird, wenn man diese Vorschrift einhält. Welche Konzentration bei der jeweiligen Abscheidungstemperatur dies ist, kann aus bekannten Tabellenwerken entnommen werden. Dabei ist zu beachten, daß bei Abscheidungstemperaturen von 900 bis 1200° C alle Kohlenwasserstoffe im wesentlichen in Methan aufgespalten sind und daneben höhere Kohlenwasserstoffe nur in zu vernachlässigenden Mengen enthalten sind.By the teaching given according to the invention to use a gas mixture in which hydrogen and no more volatile hydrocarbon compounds are contained than their equilibrium with Carbon and hydrogen corresponds to the deposition temperature, it is achieved that the deposited Coatings do not contain free carbon, but consist exclusively of carbide. This is based on the fact that a certain concentration of hydrocarbon is not exceeded when one adheres to this regulation. What concentration this is at the respective separation temperature, can be taken from known tables. It should be noted that at deposition temperatures from 900 to 1200 ° C all hydrocarbons are essentially split into methane and in addition higher hydrocarbons are only contained in negligible amounts.
Die Notwendigkeit, daß kein freier Kohlenstoff mit dem Carbid abgeschieden wird, schließt jedoch nicht aus, daß die Überzüge auf Gegenstände abgeschieden werden können, die elementaren Kohlenstoff im oder auf dem Grundwerkstoff enthalten. Selbst wenn dieser Kohlenstoff mit dem Gasgemisch mitreagiert, geht er nie als freier Kohlenstoff in die Carbidüberzüge und beeinflußt daher deren Festigkeit nicht.However, it does not preclude the need that free carbon is not deposited with the carbide from that the coatings can be deposited on objects that contain elemental carbon in or contained on the base material. Even if this carbon reacts with the gas mixture, it works never enters the carbide coatings as free carbon and therefore does not affect their strength.
Es ist zweckmäßig, die Konzentration des Halogenides des carbidbildenden Metalls im Reaktionsgemisch so zu wählen, daß sie nicht größer ist als diejenige, die den eingesetzten Kohlenwasserstoffen äquivalent ist. Ein Überschuß an solchen Halogeniden über der genannten Menge ist zwar bei der erfindungsgemäß verwendeten Abscheidungstemperatur von 900 bis 1200° C nicht schädlich, jedoch ist ein Überschuß überflüssig, weil er in die Abgase geht und damit das Verfahren unnötig verteuert.It is useful to check the concentration of the halide of the carbide-forming metal in the reaction mixture to be chosen so that it is not greater than that of the hydrocarbons used is equivalent. An excess of such halides over the stated amount is in accordance with the invention used deposition temperature of 900 to 1200 ° C is not harmful, but an excess superfluous because it goes into the exhaust gases and thus makes the process unnecessarily expensive.
Gasgemische, die die erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllen, werden vorzugsweise erst im Reaktionsraum selbst in ihrer Zusammensetzung hergestellt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß man Halogenwasserstoff mit oder ohne Wasserstoff auf das bzw. die Carbide des bzw. der carbidbildenden Metalle einwirken läßt. Es bildet sich dann das bzw. die entsprechenden Metallhalogenide, flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen und Wasserstoff. Die Herstellung dieses Gasgemisches erfolgt bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur, bei der das harte Carbid auf der zu behandelnden Oberfläche abgeschieden wird. Beispielsweise leitet man zur Herstellung von Titancarbidüberzügen Chlorwasserstoff, gegebenenfalls zusammen mit Wasserstoff, in der Halogenidbildungszone der Abscheidungsapparatur bei Temperaturen von 500 bis 800° C über Titancarbid und das hierbei entstehende Gasgemisch anschließend an die Abscheidungszone, die eine Temperatur von 900 bis 1200° C besitzt. Es ist hierbei auch möglich, in die Abscheidungszone zusätzlich Wasserstoff einzuleiten.Gas mixtures which meet the conditions according to the invention are preferably only produced in their composition in the reaction space itself. This can e.g. B. can be achieved by using hydrogen halide with or without hydrogen which allows the carbide (s) of the carbide-forming metal (s) to act. It then forms the or the corresponding metal halides, volatile hydrocarbon compounds and hydrogen. The production this gas mixture takes place at a temperature which is lower than the temperature at which the hard carbide is deposited on the surface to be treated. For example, one leads to manufacture of titanium carbide coatings hydrogen chloride, optionally together with hydrogen, in the Halide formation zone of the deposition apparatus at temperatures from 500 to 800 ° C over titanium carbide and the resulting gas mixture then passes to the deposition zone, which has a temperature from 900 to 1200 ° C. It is also possible to add hydrogen to the deposition zone initiate.
Diese Verfahrensweise ist möglich, da das Gleichgewicht mit steigenden Temperaturen in Richtung der Carbidbildung verschoben wird, während es bei den niedrigeren Temperaturen in der Halogenidbildungszone noch auf der Seite des Halogenide liegt. Die Überleitung des Gases von der bei niedriger Temperatur befindlichen Halogenidbildungszone in die auf höhere Temperatur befindliche Carbidbildungszone wird vorzugsweise mit so hoher Strömungsgeschwindigkeit durchgeführt, daß das Carbid noch nicht in der Übergangszone, sondern erst auf den mit dem Überzug zu bedeckenden Oberflächen abgeschieden wird.This procedure is possible because the equilibrium with increasing temperatures in the direction of the carbide formation is shifted, while it is at the lower temperatures in the halide formation zone is still on the side of the halide. The conduction of the gas from the at lower Temperature located halide formation zone in the carbide formation zone located at a higher temperature is preferably carried out with such a high flow rate that the carbide still not deposited in the transition zone, but only on the surfaces to be covered with the coating will.
Ähnliche Abscheidungsbedingungen erhält man auch, wenn man durch Überleiten von Halogenwasserstoff mit oder ohne Wasserstoff über das Metall, dessen Carbid abgeschieden werden soll, beispielsweise Titan, eine Gasmischung aus Wasserstoff und Metallhalogeniden, beispielsweise Titanhalogeniden, bildet und in der Carbidbildungszone zu dem Halogeniddämpfe enthaltenden Gasgemisch ein bei der Abscheidungstemperatur im Gleichgewicht befindliches Gemisch aus Wasserstoff und flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen in mindestens solchen Mengen zuleitet, daß die Kohlenwasserstoffverbindungen mindestens dem Metallhalogenid äquivalent sind. Dies kann durch die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Eine solche Gasmischung aus Wasserstoff und flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man Wasserstoff über Kohlenstoff bei einer Temperatur leitet, die mindestens so hoch wie die Temperatur in der Carbidbildungszone ist. Auf diese Weise hergestellte Gasgemische haben sich besonders gut zur Herstellung der Titancarbidüberzüge bewährt.Similar deposition conditions are also obtained by passing hydrogen halide over it with or without hydrogen via the metal whose carbide is to be deposited, for example Titanium, a gas mixture of hydrogen and metal halides, for example titanium halides, forms and in the carbide formation zone to the gas mixture containing halide vapors at the deposition temperature a mixture of hydrogen and volatile hydrocarbon compounds in equilibrium in at least such amounts that the hydrocarbon compounds at least are equivalent to the metal halide. This can be done by adjusting the flow velocities can be achieved. Such a gas mixture of hydrogen and volatile hydrocarbon compounds is preferably produced by hydrogen over carbon at a Conducts temperature which is at least as high as the temperature in the carbide formation zone. To this Gas mixtures produced in this way have proven particularly effective for producing the titanium carbide coatings.
Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei demThere is already a known method in which
Diffusionsschichten auf Metallen, beispielsweise Inchromierungsschichten auf Aluminium, dadurch aufgebracht werden, daß das Chrom in Form von Chromhalogenid über die Gasphase an die Metalloberfläche gebracht wird und unter Bildung von metallischem Chrom reagiert, das in die Oberflächenschicht eindiffundiert. Hierbei wird zwar das Halogenid des Diffusionsmetalls im Reaktionsraum gebildet, aber diese Reaktion wird nicht zur Aufbringung von Carbidüberzügen benutzt.Diffusion layers on metals, for example chromium-plating layers on aluminum, in that the chromium is applied in the form of chromium halide is brought to the metal surface via the gas phase and with the formation of metallic Chromium reacts and diffuses into the surface layer. Although the halide of the Diffusion metal is formed in the reaction space, but this reaction does not lead to the application of carbide coatings used.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in der in Abb. 1 dargestellten VorrichtungThe method according to the invention can be used, for example, in the device shown in FIG
durchgeführt werden. Im Raum 1 befindet sich festes Titancarbid. Durch die Leitung 2 wird Chlorwasserstoff eingeleitet, der bei einer Temperatur von 500 bis 700° C, die im Raum 1 herrscht, Titantetrachlorid und flüchtige Kohlenstoffverbindungen bildet. Die mit Titantetrachlorid und flüchtigen Kohlenstoffverbindungen beladenen Gase treten durch die engen öffnungen der Platte 3 mit hoher Geschwindigkeit hindurch und gelangen in den erweiterten Raum 4, in dem sich die Oberflächen der mit dem Carbidüberzug zu überziehenden Werkstücke befinden. In diesem Teil des Reaktionsraumes 7 herrscht eine Temperatur von etwa 900 bis 1200° C. Hierdurch wird das Gleichgewicht zwischen dem Metallhalogenid, den flüchtigen Kohlenstoffverbindungen, dem Wasserstoff und Chlorwasserstoff zur Seite der Carbidbildung verschoben. Das hierbei gebildete Titancarbid wird auf der Oberfläche der zu überziehenden Werkstücke abgeschieden. Chlorwasserstoff, Wasserstoff und die dem Gleichgewicht entsprechenden Reste von Metallhalogenid, die außerordentlich gering sind, verlassen den Reaktionsofen 5 im Gegenstrom zum einströmenden Reaktionsgas durch den Stutzen 6. Hierbei heizen sie das einströmende Gas auf.be performed. Solid titanium carbide is located in room 1. Through line 2 is hydrogen chloride initiated, the at a temperature of 500 to 700 ° C, which prevails in room 1, titanium tetrachloride and forms volatile carbon compounds. The ones with titanium tetrachloride and volatile carbon compounds Loaded gases pass through the narrow openings in the plate 3 at high speed and get into the enlarged space 4, in which the surfaces of the with the carbide coating covering workpieces. In this part of the reaction space 7 there is a temperature of about 900 to 1200 ° C. This creates the equilibrium between the metal halide and the volatile Carbon compounds, hydrogen and hydrogen chloride shifted to the side of carbide formation. The titanium carbide formed in this way is deposited on the surface of the workpieces to be coated. Hydrogen chloride, hydrogen and the equilibrium residues of metal halide, which are extremely small, leave the reaction furnace 5 in countercurrent to the incoming reaction gas through the nozzle 6. In doing so, they heat up the incoming gas.
Es ist besonders vorteilhaft, daß es bei diesen Ausführungsformen der Erfindung möglich ist, das Metallhalogenid, beispielsweise Titantetrachlorid, innerhalb der Apparatur zu bilden, sei es aus dem Metall und/oder aus einer geeigneten Verbindung des Metalls, beispielsweise dem Carbid des Metalls, das abgeschieden werden soll, da auf diese Weise eine Carbidüberzugsbildung möglich ist, die frei von den Störungen, die bei Verwendung von flüssigem Titantetrachlorid auftreten.It is particularly advantageous that in these embodiments of the invention it is possible to use the metal halide, for example titanium tetrachloride to be formed within the apparatus, be it from the metal and / or from a suitable compound of the metal, for example the carbide of the metal that is deposited should be, since in this way a carbide coating is possible, which is free from the Interferences that occur when using liquid titanium tetrachloride.
Es ist auch möglich, beim Aufbringen von Carbidüberzügen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das bzw. die Metallhalogenide als solche zu verwenden und in den Reaktionsraum hinein zu verdampfen und in der Carbidbildungszone mit einer Gasmischung in Berührung zu bringen, in der sich Wasserstoff und flüchtige Kohlenstoffverbindungen in dem Verhältnis des Gleichgewichts zwischen Wasserstoff, flüchtigen Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoff bei der Abscheidungstemperatur und dem erforderlichen Mengenverhältnis, bezogen auf das eingesetzte Metallhalogenid, befinden.It is also possible when applying carbide coatings by the method according to the invention to use the metal halide or halides as such and to evaporate them into the reaction space and to bring into contact in the carbide formation zone with a gas mixture in which hydrogen and volatile carbon compounds in the ratio of the equilibrium between hydrogen, volatile Hydrocarbons and carbon at the deposition temperature and the required quantity ratio, based on the metal halide used, are located.
Es ist auch möglich, Überzüge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen, die aus Mischungen verschiedener Carbide oder aus Mischungen von mindestens einem Carbid mit mindestens einem Nitrid der Metalle der III. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems bestehen. Diese gemischten Überzüge besitzen ähnliche Eigenschaften wie die Überzüge aus einem Carbid. Zur Herstellung von Überzügen aus gemischten Carbiden kann man in der Halogenidbildungszone ein Gemisch der verschiedenen Metalle, Legierungen der carbidbildenden Metalle und/oder Verbindungen derselben, beispielsweise Carbide, vorlegen und die Halogenide mit Hilfe von Halogenwasserstoff, wie bei der Herstellung der einfachen Carbidüberzüge beschrieben, erzeugen und aus ihnen Carbide auf den zu überziehenden Oberflächen abscheiden. Man kann aber auch die Halogenidbildungszone in einzelne voneinander getrennte Bereiche unterteilen und in jedem dieser Bereiche das bzw. die Halogenide nur eines der carbidbildenden Metalle herstellen und getrennt von dem bzw. den Halogeniden der anderen Metalle der Carbidbildungszone zuleiten.It is also possible to produce coatings using the method according to the invention, which are made from mixtures different carbides or mixtures of at least one carbide with at least one nitride of III metals to VI. Group of the Periodic Table. Have these mixed coatings properties similar to those of the carbide coatings. For the production of coatings from mixed Carbides can be a mixture of different metals and alloys in the halide formation zone the carbide-forming metals and / or compounds thereof, for example carbides, and the Halides with the help of hydrogen halide, as described for the production of the simple carbide coatings, generate and deposit carbides from them on the surfaces to be coated. But you can also subdivide the halide formation zone into individual separate areas and in each of these Areas that produce or halide only one of the carbide-forming metals and separate from feed the halide or halides of the other metals to the carbide formation zone.
Sollen auch Nitride in die Überzüge eingebaut werden, dann kann dies beispielsweise dadurch geschehen, daß man in der Zone der Überzugsbildung dem Gemisch aus Halogeniden und flüchtigen, im Gleichgewicht mit Wasserstoff und Kohlenstoff befinlichen Kohlenstoffverbindungen Stickstoff und/oder stickstoffabgebende Verbindungen oder ein solche enthaltendes Gas zuleitet. Als solche Verbindung kann beispielsweise Ammoniak dienen. In den Fällen, in denen Nitride im Überzug mit abgeschieden werden sollen, ist frei von Sauerstoff und seinen flüchtigenIf nitrides are also to be incorporated into the coatings, this can be done, for example, by that in the zone of formation of the coating the mixture of halides and volatile, im Equilibrium with hydrogen and carbon are carbon compounds nitrogen and / or nitrogen-releasing compounds or a gas containing such feeds. As such, connection can serve for example ammonia. In those cases in which nitrides are deposited in the coating should is free of oxygen and its volatile
ίο Verbindungen, insbesondere Wasserdampf, zu arbeiten. Man kann aber auch bei sämtlichen Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung der Halogenide der carbidbildenden Metalle den Halogenwasserstoff in der Halogenidbildungszone ganz oder teilweise durch die Halogene, insbesondere Brom, ersetzen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Carbidüberzüge solcher Metalle abzuscheiden sind, deren Halogenide leicht durch Wasserstoff reduziert werden.ίο compounds, especially water vapor, to work. But you can also with all variations of the method according to the invention for generating the Halides of the carbide-forming metals or the hydrogen halide in the halide-forming zone partially by the halogens, especially bromine, replace. This is particularly advantageous when Carbide coatings of those metals are to be deposited whose halides are easily reduced by hydrogen will.
Ziehwerkzeuge aus einem Stahl mit 12 bis 13 Vo Chrom und 1,9 bis 2,5% Kohlenstoff sollen mit einem Titancarbidüberzug versehen werden. Die Ziehwerkzeuge werden vor dem Aufbringen der Überzüge, insbesondere an den Arbeitsflächen, feinst bearbeitet, d. h. geschliffen und auf Hochglanz poliert. Dann werden sie mit Hilfe einer Haltevorrichtung in einen Reaktionstiegel aus Quarz gebracht und dieser gut verschlossen. Die im Reaktionstiege! befindliche Luft wird abgepumpt und durch Wasserstoff ersetzt. Der Reaktionsraum wird nun mit Hilfe eines elektrischen Heizaggregates auf die Reaktionstemperatur von 980 bis 1000° C aufgeheizt. Während des Anheizens und während der Zeit, die für die Durchwärmung der Werkstücke bei der Reaktionstemperatur erforderlich ist, wird gereinigter Wasserstoff durch den Reaktionstiegel geleitet. Drawing tools made of a steel with 12 to 13 vol of chromium and 1.9 to 2.5% carbon are said to have a Titanium carbide coating are provided. The drawing tools are prior to the application of the coatings, in particular on the work surfaces, finely machined, d. H. ground and polished to a high gloss. Then will they were placed in a quartz reaction crucible with the aid of a holding device and this was well sealed. The one in the reaction staircase! Any air present is pumped out and replaced with hydrogen. Of the The reaction chamber is now brought to the reaction temperature of 980 with the aid of an electrical heating unit heated up to 1000 ° C. During heating up and during the time it takes for the Workpieces at the reaction temperature is required, purified hydrogen is passed through the reaction crucible.
Wenn die Werkstücke die Reaktionstemperatur angenommen haben, wird an Stelle von reinem Wasserstoff eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen eingeleitet, die durch Überleiten von Wasserstoff über Kohlenstoff bei einer Temperatur von 980 bis 1000° C hergestellt wurde. IVIan erhält eine solche Gasmischung beispielsweise, wenn man ein Quarzrohr mit Kohlenstoff füllt, dieses Rohr auf 980 bis 1000° C anheizt, und bei dieser Temperatur den Wasserstoff durch das Rohr hindurch über den Kohlenstoff leitet. Die erhaltene Gasmischung wird zur Abscheidung der Titancarbidüberzüge in den Reaktionstiegel eingeleitet.When the workpieces have reached the reaction temperature, pure hydrogen is used instead a mixture of hydrogen and hydrocarbons is initiated by passing over Hydrogen was produced over carbon at a temperature of 980 to 1000 ° C. IVIan receives such a gas mixture, for example, if you fill a quartz tube with carbon, this tube to 980 heats up to 1000 ° C, and at this temperature the hydrogen through the pipe over the carbon directs. The gas mixture obtained is used to deposit the titanium carbide coatings in the reaction crucible initiated.
Nach dem Einschalten der Mischung aus Wasserstoff und flüchtigen Kohlenwasserstoffen wird dem Reaktionsraum noch 2% Titantetrachlorid mit Wasserstoff als Trägergas zugeführt. Die entstehende Gasmischung aus Titantetrachlorid, Wasserstoff und flüchtigen Kohlenwasserstoffen ragiert an den Oberflächen der Ziehwerkzeuge unter Bildung eines Titancarbidüberzuges. Die Behandlungsdauer richtet sich nach der Dicke der gewünschten Überzüge. Bricht man die Reaktion nach 3 Stunden ab, indem man die Zufuhr von Titantetrachlorid und flüchtigen Kohlenwasserstoffen unterbindet und nur noch Wasserstoff dem Reaktionsraum zuführt, so erhält man nach dem Abkühlen der Ziehwerkzeuge in Wasserstoff auf Zimmertemperatur auf den Ziehwerkzeugen Überzüge in einer Dicke bis zu 15 μ. Diese Überzüge zeichnen sich durch eine sehr hohe Oberflächengüte aus. Ihre Oberflächenrauhigkeit liegt bei 1,5 bis 2 μ und darunter.After switching on the mixture of hydrogen and volatile hydrocarbons, the 2% titanium tetrachloride with hydrogen as the carrier gas is added to the reaction chamber. The emerging A gas mixture of titanium tetrachloride, hydrogen and volatile hydrocarbons acts on the surfaces of the drawing tools with the formation of a titanium carbide coating. The duration of treatment depends according to the thickness of the coatings desired. If the reaction is stopped after 3 hours by stopping the supply of titanium tetrachloride and volatile hydrocarbons and only hydrogen The reaction chamber is fed in, so after cooling the drawing tools in hydrogen to room temperature On the drawing tools, coatings with a thickness of up to 15 μ. These coatings are characterized by a very high surface quality. Their surface roughness is 1.5 to 2 μ and less.
Nach dem Aufbringen der Überzüge besitzt der Grundwerkstoff eine Härte, die je nach der Abkühlungsgeschwindigkeit und der Zusammensetzung zwischen HV30 kg= 450 und 850 kg/mm2 liegt.After the coatings have been applied, the base material has a hardness which, depending on the cooling rate and the composition, is between HV 30 kg = 450 and 850 kg / mm 2 .
Nach einem Feinpolieren von etwa 10 bis 15 Minuten Dauer, vorzugsweise auf einer Bandpoliermaschine, können die Ziehwerkzeuge eingesetzt werden.After fine polishing of about 10 to 15 minutes, preferably on a belt polishing machine, the drawing tools can be used.
Es sollen zylinderförmige Maschinenteile aus einem Stahl mit etwa l,5°/o Chrom und 4°/o Nickel, beispielsweise Lagerschalen oder Pumpenzylinder, mit einem Titancarbidüberzug versehen werden. Es wird hierzu ein Verfahren gewählt, bei dem die Titanhalogenide erst im Reaktionstiegel gebildet werden, und zwar unter Verwendung einer Apparatur, wie sie in der Abbildung dargestellt ist.It should be cylindrical machine parts made of a steel with about 1.5% chromium and 4% nickel, for example Bearing shells or pump cylinders, are provided with a titanium carbide coating. It becomes this chosen a process in which the titanium halides are only formed in the reaction crucible, namely using an apparatus as shown in the figure.
Der Reaktionstiegel besteht aus Quarz. In ihm ist ein engeres Quarzrohr eingelassen, das an der Unterseite mit einer Siebplatte verschlossen ist. Auf der Siebplatte liegt Titancarbid. Unterhalb der Siebkette ist eine Haltevorrichtung für die mit dem Überzug zu versehenen Werkstücke angebracht. Für die Beheizung der Anlage wird ein zweiteiliges Heizaggregat benutzt. Der eine Teil des Heizaggregates dient zur Beheizung der Halogenidbildung-szone, also der Zone, in der sich das Titancarbid befindet. Der andere Teil des Heizaggregates hat die Zone der Carbidbildung zu heizen, in der die Überzüge abgeschieden werden, also die Zone, in der sich die Werkstücke befinden. Die Halogenidbildungszone wird auf einer tieferen Temperatur gehalten als die Carbidbildungszone.The reaction crucible is made of quartz. A narrower quartz tube is let into it, the one at the bottom is closed with a sieve plate. Titanium carbide lies on the sieve plate. Below the sieve chain a holding device is attached for the workpieces to be coated. For heating The system uses a two-part heating unit. One part of the heating unit is used for heating the halide formation zone, i.e. the zone in which is the titanium carbide. The other part of the heating unit has the carbide formation zone heat in which the coatings are deposited, i.e. the zone in which the workpieces are located. the The halide formation zone is maintained at a lower temperature than the carbide formation zone.
Die Maschinenteile werden feinst bearbeitet und dann mit der Haltevorrichtung in den Reaktionsraum eingeführt und darüber das Rohr mit Siebplatte und dem Titancarbid eingesetzt und anschließend die Apparatur gut verschlossen. Nachdem die Luft aus dem Reaktionstiegel verdrängt wurde, leitet man Wasserstoff durch den Reaktionstiegel, und zwar so, daß der Wasserstoff zunächst über das Titancarbid und dann über die zu überziehenden Zylinder strömt. Mit Hilfe der beiden Heizaggregate wird dann der Reaktionstiegel so angeheizt, daß die Halogenidbildungszone auf eine Temperatur von 600 bis 700° C und die Carbidbildungszone auf eine Temperatur von 980 bis 1000° C gebracht wird. Nach dem Erreichen dieser Temperaturbedingungen wird der Wasserstoffstrom etwas gedrosselt und ihm etwa lO°/o Chlorwasserstoff beigeschaltet. Diese Gasmischung aus Chlorwasserstoff und Wasserstoff reagiert in der Halogenidbildungszone mit dem Titancarbid unter Bildung einer Gasmischung, die aus Chlorwasserstoff, Wasserstoff, Titanchloriden und flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen, teils einfachen Kohlenwasserstoffen, teils Chlorkohlenwasserstoff, besteht. Diese Gasmischung strömt durch die Siebplatte in die Carbidbildungszone und kommt dort mit den Oberflächen der zu überziehenden Maschinenteile in Berührung, wobei sie sich auf die hohen Temperaturen aufheizt. Es scheiden sich festhaftende hochglänzende Titancarbidüberzüge auf den Zylindern ab, und aus der Carbidbildungszone entweicht eine Gasmischung, die überwiegend aus Wasserstoff und Chlorwasserstoff besteht. Nach einer Reaktionszeit von 4 Stunden schaltet man die Chlorwasserstoffzufuhr ab, spült noch kurze Zeit mit Wasserstoff und kühlt den Reaktionstiegel auf Zimmertemperatur ab. Nach dem öffnen des Reaktionstiegels findet man, daß die Werkstücke mit Titancarbidüberzügen in einer Dicke von etwa 15u überzogen sind. Die Überzüge besitzen einen hohen Glanz und eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit von etwa V2 μ.The machine parts are finely machined and then introduced into the reaction chamber with the holding device and the tube with the sieve plate and the titanium carbide inserted over it and then the apparatus tightly closed. After the air has been displaced from the reaction crucible, hydrogen is passed through the reaction crucible in such a way that the hydrogen flows first over the titanium carbide and then over the cylinders to be coated. The reaction crucible is then heated with the aid of the two heating units in such a way that the halide formation zone is brought to a temperature of 600 to 700.degree. C. and the carbide formation zone to a temperature of 980 to 1000.degree. After these temperature conditions have been reached, the hydrogen flow is throttled somewhat and about 10% hydrogen chloride is added to it. This gas mixture of hydrogen chloride and hydrogen reacts in the halide formation zone with the titanium carbide to form a gas mixture which consists of hydrogen chloride, hydrogen, titanium chlorides and volatile hydrocarbon compounds, some simple hydrocarbons, some chlorinated hydrocarbons. This gas mixture flows through the sieve plate into the carbide formation zone and there comes into contact with the surfaces of the machine parts to be coated, whereupon it heats up to the high temperatures. Firmly adhering, high-gloss titanium carbide coatings are deposited on the cylinders, and a gas mixture consisting predominantly of hydrogen and hydrogen chloride escapes from the carbide formation zone. After a reaction time of 4 hours, the supply of hydrogen chloride is switched off, rinsed for a short time with hydrogen and the reaction crucible is cooled to room temperature. After opening the reaction crucible, it is found that the workpieces are coated with titanium carbide coatings to a thickness of about 15μ. The coatings have a high gloss and a very low surface roughness of about V 2 μ.
Claims (7)
USA.-Patentschrift Nr. 1987 576; / S*i
britische Patentschrift Nr. 589 977;
Transactions of the Faraday Society, 1950, S. 190 bis 199.Pamphlets considered;
U.S. Patent No. 1987,576; / S * i
British Patent No. 589,977;
Transactions of the Faraday Society, 1950, pp. 190-199.
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