AT17511U1 - Titandiborid beschichtetes bauteil aus refraktärmetall - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil bestehend aus einem Refraktärmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils mindestens teilweise mit einer Schicht aus TiB2 beschichtet ist, die Herstellung des Bauteils sowie die Verwendung von TiB2 als Trennmittel bei Hochtemperaturanwendungen.
Description
TITANDIBORID BESCHICHTETES BAUTEIL AUS REFRAKTÄRMETALL
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil bestehend aus einem Refraktärmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils mindestens teilweise mit einer Schicht aus TiB2 beschichtet ist, die Herstellung des Bauteils sowie die Verwendung von TiB2 als Trennmittel bei Hochtemperaturanwendungen.
[0002] Bei Hochtemperaturanlagen, wie beispielsweise Sinteröfen, Wärmebehandlungsanlagen und Quarzschmelzanlagen oder auch bei Lichtanlagen und Verdampfungsanlagen kommt es zum Einsatz von Bauteilen und Komponenten, die auch nach mehrmaliger Temperatur- und Spannungsbelastung lösbar sein müssen. Die Lösbarkeit solcher Bauteile nach Einwirkung hoher Temperaturen im Bereich von 1000 °C bis 1800 °C stellt eine besondere Herausforderung dar, da die typischerweise metallgefertigten Bauteile an ihrer Kontaktfläche zur Versinterung mit der Gegenkontaktfläche, dem Phänomen des Fressens, neigen. Werden die Kontaktflächen zusätzlich mit Druck beaufschlagt, wie beispielsweise im Falle einer Schraubverbindung, wird die metallurgische Verbindung der Kontaktflächenpaare noch gefördert. Danach können die Kontaktflächenpaare nicht mehr zerstörungsfrei voneinander getrennt werden und die Trennung führt zum Untergang mindestens eines Bauteils.
[0003] Zur Vermeidung dieses Problems werden im Stand der Technik unterschiedliche Werkstoffpaarungen oder der Einsatz von Hilfs- und Trennmitteln, wie beispielweise Hülsen oder aufgebrachte Trennschichten von Pasten eingesetzt. Jedoch stoßen diese Methoden unter extremen Bedingungen schnell an ihre Grenzen. So sind zum Beispiel manche Hilfs- und Trennmittel aufgrund der Abdampfungsgefahr ihrer Bestandteile im Vakuum nicht verwendbar und/oder wegen Zersetzungs- oder Querkontaminationsgefahr in ihrer Einsatztemperatur limitiert. Aktuell werden für den Einsatz im Ofenbau beispielweise Al‚O3-, ZrO2- oder Bornitrid-Sprays oder Pulver eingesetzt. Jedoch sind diese Varianten ungeeignet für Anwendungen mit Temperaturen über 1400°C, da insbesondere die Querkontamination zwischen Bauteilen und dem Hilfs- und Trennmittel ein Problem darstellt.
[0004] Bei der Herstellung von grobkörnigen, kriechbeständigen Molybdän-Chargierblechen ist eine Rekristallisationsglühung bei Temperaturen von mehr als 1700°C notwendig, wobei im Stapel Bleche teilweise versintern und daher nach der Glühfahrt nicht mehr trennbar sind. Bisher wurden Wolfram-Feinbleche als Trennhilfsmittel verwendet. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Wolfram-Feinbleche nur einmal verwendbar sind und dadurch wesentlich zu den hohen Herstellungskosten von Chargierblechen beitragen.
[0005] Die DE 102013213503 betrifft eine Schraubverbindung für Vakuumanwendungen mit einer Schraube mit Außengewinde und einem Bauteil mit einem innen liegenden Muttergewinde, wobei entweder das Bauteil oder die Schraube oder beide aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl gebildet sind, wobei durch das Beschichten von Bauteil/Schraube mit zu den Grundwerkstoffen unterschiedlichen Beschichtungsstoffen unterschiedliche Kontaktflächenpaare geschaffen werden, die ein gegenseitiges Gleiten ohne vakuumschädliche Schmierstoffe ermöglichen.
[0006] In der GB201110939 wird ein erstes Element bereitgestellt, das zum selektiven Eingreifen in ein zweites Element geeignet ist, wobei das erste Element eine Beschichtung umfasst und mindestens ein Eingriffsabschnitt des ersten Elements in der Beschichtung beschichtet ist, wobei die Beschichtung durch Aufdampfen gebildet ist, um eine thermochemisch stabile Schicht für Temperaturen bis zu 800 °C bereitzustellen. Die Beschichtung kann ein oder mehrere Nitride, Oxide oder Carbide von Titan, Chrom oder Aluminium umfassen. Beispielsweise kann die Beschichtung eines oder mehrere aus Titannitrid, Chromnitrid, Aluminiumnitrid, Titanoxid, Chromoxid, Aluminiumoxid, Titancarbid, Chromcarbid oder Aluminiumcarbid umfassen.
[0007] Auf dem Gebiet von Hochtemperaturbehandlungen wird zunehmend der Einsatz von besonders hohen Temperaturen von über 1800 °C gefordert. Gleichzeitig werden immer höhere
Anforderungen an die Reinheit der behandelten Produkte gestellt.
[0008] Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein beschichtetes Bauteil bereitzustellen, welches auch nach einem Einsatz mit Temperaturen im Bereich von 1400 °C bis 1800 °C, lösbar ist, wobei keine Zersetzung oder Querkontamination mit anderen Bauteilen oder behandelten Produkten auftritt.
[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellen eines Bauteils gemäß Anspruch 1 bestehend aus einem Refraktärmetall, dessen Oberfläche mindestens teilweise mit einer Schicht aus TiB2 beschichtet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, die frei untereinander kombinierbar sind.
[0010] Die Beschichtung mit einer TiB» Schicht ermöglicht die Verwendung der Bauteile in verschiedenen Atmosphären, wie Wasserstoff oder im Vakuum, ohne dass mit einer Abdampfung, Querkontamination oder Zersetzung gerechnet werden muss. Die Schicht gewährleistet zudem den zerstörungsfreien Austausch bzw. das zerstörungsfreie Offnen von Bauteilen. Ein Versintern von Einzelteilen kann dadurch verhindert werden und somit gewährleistet, dass sie lösbar bleiben. Durch das Beschichten mit TiB» konnte der bislang breiteste Temperaturanwendungsbereich von 400 °C bis zu 1800°C ohne Verunreinigungs-/Kontaminationsgefahr oder Fressen abgedeckt und eine Lösbarkeit der Bauteile/Maschinenelemente erreicht werden.
[0011] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindung lösbar, wenn in direktem Kontakt zueinander stehende Oberflächen von Bauteilen ohne Beschädigung der Bauteile wieder voneinander getrennt werden können und nicht lösbar, wenn die Bauteile mindestens teilweise zerstört werden müssen, um die kontaktierenden Oberflächen wieder voneinander zu trennen.
[0012] Das erfindungsgemäße beschichtete Bauteil ist insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet, also für Temperaturen von 400 °C bis 2000 °C, vorliegend insbesondere 1400 °C bis 1800 °C.
[0013] Um diesen Temperaturen standzuhalten besteht das Bauteil der vorliegenden Erfindung aus einem Refraktärmetall.
[0014] Unter einem Refraktärmetall wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Rhenium und Legierungen der genannten Metalle, vorliegend auch als Refraktärmetalllegierungen bezeichnet, verstanden. Refraktärmetalllegierungen sind Legierungen mit wenigstens 50 at. % eines oder mehrerer der oben genannten Metalle gemeint, bevorzugt mit wenigstens 70 at. %, weiter bevorzugt mit wenigstens 90 at. % und noch weiter bevorzugt mit wenigstens 95 at. %.
[0015] Es versteht sich, dass der Schmelzpunkt des oben definierten Refraktärmetalls so gewählt wird, dass das Bauteil geeignet für die im Einsatz angestrebte Temperatur ist. Vorzugsweise hat das Refraktärmetall einen Schmelzpunkt von mehr als 1400 °C, weiter bevorzugt von mehr als 1800 °C und weiter bevorzugt von mehr als 2000 °C.
[0016] In einer Ausführungsform besteht das Bauteil aus Molybdän, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen oder aus einer Molybdänlegierung.
[0017] In einer Ausführungsform ist weiter bevorzugt, dass die Legierung neben Molybdän aus bis zu 30 Gew.-% weiterer der oben genannten Refraktärmetallelemente besteht.
[0018] In einer weiteren Ausführungsform werden Zusammensetzungen bevorzugt, welche neben Molybdän aus den folgenden, in Gewichtsprozent angegebenen Anteilen von Elementen bestehen:
[0019] 0,5 Gew.-% Ti und 0,08 Gew.-% Zr sowie 0,01 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% C. 1,2 Gew.-% Hf und 0,01 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% C. 0,3 Gew.-% La2zOs. 0,7 Gew.-% La2Os. 0,47 Gew.-% Y2O3 und 0,08 Ce‚Os. 0,005 bis 0,1 Gew.-% K und 0,005 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Si sowie 0,01 bis 0,2 Gew.-% O. 5 Gew.-% Re oder 41 Gew.-% Re. 30 Gew.-% W. Des Weiteren sind auch Zusammensetzungen umfasst, bei denen die hier angegebenen Anteile um bis zu 10 % abwei-
chen.
[0020] Die Angaben der Anteile sowie die Angaben beziehen sich auf das jeweils in Bezug genommene Element (z.B. Mo, C oder W), unabhängig davon, ob dieses in dem Molybdänbasiswerkstoff in elementarer oder gebundener Form vorliegt. Die Anteile der verschiedenen Elemente werden über chemische Analyse bestimmt.
[0021] Der Begriff Bauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst Einzelteile (Maschinenelemente, Komponenten), insbesondere Konstruktionsmittel die zum Austausch oder zum reversiblen Befestigen und Lösen von Maschinenelementen geeignet sind, sowie aus Einzelteilen zusammengesetzte Baugruppen. Als geeignete Einzelteile sind insbesondere Schrauben, Muttern, Stifte, Passstifte, Unterlegscheiben, Bolzen, Bleche, Klammern, Rohre, Stangen und U-Schienen zu nennen. Als Baugruppen sind insbesondere verschweißte und vernietete Bauteile, wie Gaseinlass-Rohre, Heizungsaufhängungen und Chargiergestelle zu nennen. Der Begriff Bauteile im Sinne der vorliegenden Erfindung schließt ausdrücklich Schneidteile von Zerspanungswerkzeugen aus.
[0022] Bevorzugte Bauteile als Produktionshilfsmittel sind Kontaktteile, wie Trennbleche und Unterlegscheiben.
[0023] Insbesondere bevorzugt sind Bauteile als Konstruktionshilfsmittel, die ein Gewinde aufweisen, wie eine Schraube oder eine Mutter. Besonders bevorzugt ist eine Schraube.
[0024] Die Schicht des Bauteils besteht erfindungsgemäß aus TiB»2. Die TiB» Schicht wird typischerweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung von H>2, N» TiCl«4 und BCls gebildet. Typischerweise wird die Schicht bei einer Temperatur im Bereich von 800 °C bis 900 °C über einen Zeitraum von 5 bis 9 h auf dem Bauteil abgeschieden, vorzugsweise bei 850 °C über einen Zeitraum von 7 h. Die Herstellung der Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) ist ebenfalls möglich.
[0025] Entsprechend beschichtete Bauteile weisen eine TiB2-Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von 1 um bis 5 um, bevorzugt 1,5 um bis 4 um, weiter bevorzugt 2 um bis 3,5 um und noch weiter bevorzugt 2,6 um bis 3,1 um auf. Die Dicke der Schicht kann mittels lateraler REMMessung eines Querschliffs des beschichteten Bauteils bestimmt werden. Das Bauteil weist typischerweise keine weiteren Schichten aus anderen Materialien auf. Gegebenenfalls kann eine Haftvermittlerschicht, vorzugsweise bestehend aus TiN mit einer Dicke im Bereich von 0,5 um bis 1,8 um zwischen dem Substrat und der TiB2 Schicht vorhanden sein. Die TiB2-Schicht ist die äußerste Schicht des beschichteten Bauteils.
[0026] Typischerweise ist die Schicht vollständig auf der mit weiteren Bauteilen zu kontaktierender Oberfläche des beschichteten Bauteils aufgebracht. Um die Lösbarkeit der Bauteile zu erreichen ist es bereits ausreichend, wenn die Schicht nur teilweise auf der mit weiteren Bauteilen zu kontaktierender Oberfläche des beschichteten Bauteils aufgebracht wird.
[0027] Bevorzugt sind 20 bis 100 % der mit einem weiteren Bauteil zu kontaktierender Fläche des beschichteten Bauteils mit der Schicht beschichtet, weiter bevorzugt 50 bis 100 %.
[0028] Die vorliegende Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo nach dem Einsatz eines Bauteils im Hochtemperaturbereich eine gute Lösbarkeit desselben von einem anderen Bauteil erforderlich ist. Entsprechend ist die Verwendung von Titandiborid als Trennmittel zur Verbesserung der Lösbarkeit von Bauteilen bei Hochtemperaturanwendungen ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise wird das Titandiborid in Form einer mittels CVD oder PVD aufgebrachten Schicht verwendet, vorzugsweise auf einem Bauteil bestehend aus einem Refraktärmetall.
[0029] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen.
BEISPIELE
[0030] TZM Platte (Molybdän mit einem Gewichtsanteil von 0,5 Ti und 0,08 Zr sowie 0,01 bis
0,04 C) 140x80x9mm, 9 mm lange Durchgangsbohrung M6 Gewinde gefräst. Molybdänunterlegscheibe: 18x6, 4x1,5mm Molybdänschraube: M6x12mm
[0031] Vergleichsbeispiel 1 (C1): Molybodänschrauben (gewalzt) ohne Beschichtung.
[0032] Vergleichsbeispiel 2 (C2): Mehrere Molybdänschrauben (gewalzt) mit einer TiN CVD-Beschichtung wurden unter Verwendung von H2, N2 und TiClk bei einer Temperatur von 850 °C über 7 h hergestellt. Die Dicke der TiN Schichten betrug 2,6 um bis 3,1 um.
[0033] Erfindungsgemäßes Beispiel (E): Mehrere Molybdänschrauben (gewalzt) mit einer TiB»2 CVD-Beschichtung wurden unter Verwendung von H2, N2, TiCl« und BCl3 bei einer Temperatur von 850 °C über 7 h hergestellt. Die Dicke der TiB» Schichten betrug 2,6 um bis 3,1 um.
[0034] Wie in nachstehender Tabelle angegeben, wurden mehrere Versuche zur Bewertung der TiB2 Schicht im Vergleich zur TiN Schicht und zum unbeschichteten Bauteil unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Dazu wurden jeweils drei Schrauben (S$S1 bis S3) mit Unterlegscheibe ausgewählt und bei einem Anzugsdrehmoment von 12 Nm in die Platte geschraubt. Es wurden Hochtemperaturbehandlungen bei Temperaturen (T in °C) von 400 °C bis 1800 °C und verschiedenen Atmosphären (A) (Wasserstoff (H), Vakuum 10° mbar (V)) über verschiedene Haltezeiten (H) durchgeführt. Das Offnungsdrehmoment (L in Nm) nach der Hochtemperaturbehandlung wurde gemessen und die Gewinde visuell auf Fressen (F) untersucht und gegebenenfalls Bruch (B) der Schraube festgestellt.
Bsp IT HA IS1 S2 S3 gesamt
LO JF B LO IF B LO IF B F B E1 400 2 V 5 Inein nein 5 Inein Inein 5 Inein nein Inein Inein 1000 2 V 5 Inein nein 5 Inein Inein 5 Inein nein Inein Inein 1400 2 V 5 Inein nein 5 Inein Inein 5 Inein nein Inein Inein 1400 1168 IV 110 Inein nein 10 I|nein Inein 10 Inein nein nein nein 1800 2 V 115 nein nein 115 Inein Inein 115 Inein nein nein Inein 1400 2 H 5 Inein nein 5 Inein nein 5 nein nein nein nein 1800 2 H 115 IJnein nein (15 nein nein [12 nein nein nein nein
C1 400 2 V 15 nein nein 20 ja nein 15 ja nein teilw nein 1000 [2 V 115 ja nein 12 ja nein 12 ja nein ja nein 1400 2 NV 15 ja IMnein 15 ja ja 15 ja ja la teilw 1400 2 H 12 ja ja 12 ja nein 12 ja nein ja teilw
C2 11400 2 V 5 Inein nein 10 ja nein 5 ja nein teilw nein 1400 168 V 12 ja nein 12 ja nein 15 nein Inein teilw nein 1800 2 MV 10 ja nein 10 ja Inein 10 ja nein ja nein 1400 2 H 10 ja nein 5 nein nein 10 nein Jnein |teilw Inein 1800 [2 H 12 ja nein 12 ja nein 10 ja nein ja nein
[0035] Wie anhand der vorstehenden Tabelle deutlich wird, zeigen die unbeschichteten Bauteile, hier Platte und Schraube, bereits bei niedrigen Temperaturen ab 400 °C ein Fressen und sind deshalb ungeeignet für Hochtemperaturanwendungen.
[0036] Die TiN beschichteten Schrauben zeigen ein teilweises Fressen der Bauteile bei 1400 °C in Wasserstoffatmosphäre und im Vakuum, ebenfalls im Langzeitversuch, und ein Fressen aller Bauteile in allen Atmosphären bei 1800 °C.
[0037] Hingegen erfolgt mit der erfindungsgemäßen TiB2-Beschichtung kein Fressen der Schraubverbindung. Mithin kann die Beschichtung die Lösbarkeit von sich kontaktierenden Refraktärmetallbauteilen auch bei Langzeit-Hochtemperaturanwendungen erreichen. Eine Querkontamination zwischen den Bauteilen wurde nicht festgestellt.
Claims (11)
1. Bauteil bestehend aus einem Refraktärmetall, dadurch gekennzeichnet, dass die mit weiteren Bauteilen zu kontaktierende Oberfläche des Bauteils mindestens teilweise mit einer Schicht aus TiB» beschichtet ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Refraktärmetall ein Metall ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Rhenium sowie Legierungen der genannten Metalle.
3. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Refraktärmetall aus mindestens 70 Gew.% Molybdän besteht.
4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bauteil eine Schraube, eine Mutter, ein Stift, ein Passstift, eine Unterlegscheibe, ein Bolzen, ein Blech, eine Klammer, ein Rohr, eine Stange oder eine U-Schiene ist.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bauteil eine Baugruppe aus verschweißten und/oder vernieteten Einzelteilen ist.
6. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die TiB2-Schicht eine Dicke im Bereich von 1 um bis 5 um aufweist.
7. Bauteil nach einem der der vorangehenden Ansprüche, wobei die mit weiteren Bauteilen zu kontaktierende Oberfläche des Bauteils vollständig beschichtet ist.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mit weiteren Bauteilen zu kontaktierende Oberfläche des Bauteils teilweise beschichtet ist.
9. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus durch CVD aufgedampftem TiB» besteht.
10. Verwendung von TiB2 als Trennschicht auf Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen.
11. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Bauteils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Bauteils bestehend aus einem Refraktärmetall - Abscheiden einer Schicht aus TiB2 auf mindestens einem Teil der mit weiteren Bauteilen zu kontaktierenden Oberfläche des Bauteils durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).
Hierzu keine Zeichnungen
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