DD139602A1

DD139602A1 - Verfahren zur erzeugung von boridschichten aus der gasphase

Info

Publication number: DD139602A1
Application number: DD20897078A
Authority: DD
Inventors: Hermann Plaenitz; Gerd Treffer; Hartmut Koenig; Guenter Marx
Original assignee: Hermann Plaenitz; Gerd Treffer; Hartmut Koenig; Guenter Marx
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1980-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Bordiffusionsschichten auf metallischen Werkstoffen aus der Gasphase. Sie verbessern wesentlich die Gebrauchseigenschaften der metallischen Werkstoffe wie Härte, Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit und das Korrosionsverhalten. Das Ziel der Erfindung'ist, ein Verfahren zu schaffen, das es gestattet die Schichtbildung unter technischen Bedingungen reproduzierbar zu gestalten, kürzere Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig größeren Schichtdicken zu erreichen, die Wirkatmosphäre konstant zu halten und ein sauberes Arbeiten zu gewährleisten. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Boride eines Ubergangselementes der 4.-8, Gruppe des Periodensystems der Elemente, dadurch erzeugt werden, daß ein als Borträger fungierendes Borhalogenid (z.B. Bortribromid) mit einem flüssigen Metallhalogenid der Ubergangselemente der 4.-6. Gruppe des Periodensystems der Elemente (z.B. Titantetrachlorid) bei Raumtemperatur gemischt . wird und diese gemeinsam vom Wasserstoff als Trägergas in den Reaktionsraum überführt werden, der auf eine Temperatur größer 900 K erhitzt wird und das zu beschichtende Werkstück enthält. Dabei bildet sich durch Eindiffusion des Bors das entsprechende Borid.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Boridschichten aus der Gasphase

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahrenj zur Erzeugung von Bordiffusionsschichten auf metallischen Substraten, insbesondere JEisenbasiswerkstoffen aus der Gasphase'. Sie dient dazu,die wesentlichen Gebrauchseigenschaften der metallischen Werkstoffe, wie Härte, Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit, Korrosionsverhalten« zu verbessern. Es ist möglich,damit eine Oberflächenveredlung materialökonomisoh günstiger, einfacher Metalle.» z. B. der Mass'enstähle,zu erreichen, oder eine Oberflächenverbesserung von besonders verschleißbeanspruchten Bauteilen, z. B. Lagern oder Umformwerkzeiigen, bis hin zur weiteren Erhöhung der Oberflächenhärte und -festigkeit von Spezialwerkstoffen und Sonderlegierungen, z* B_e Hartmetallen und eisenfreien M-W-Co-Legierungen für spanabhebende Werkzeuge, zu erzielen«

Charakteristik, der bekannten technischen Lösungen

Es sind Verfahren bekannt, die mit flüssigen, festen und auch gasförmigen Borierungsmitteln arbeiten. Beim Arbeiten mit flüssigen Borierungsmitteln gibt es die. Möglichkeiten, das Borieren in Salzschmelzen mit und ohne Elektrolyse und in wässrigen Lösungen unter Hoclifrequenzerhitsung durchzuführen*

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Die ersten beiden Möglichkeiten haben den Nachteil, daß durch die Entstehung einer schlecht entfernbaren -Schmelz-, schicht auf dem Yierkstück, durch, eine unbefriedigende. Temperaturregelbarkeit, durch Korrosion der Siegelmateialien und durch Schattenwirkung bei Einsatz der Elektrolyse, die Anwendbarkeit beeinträchtigt wird· Pur das Borieren in wässrigen Lösungen stehen nur Borax und Bor-Säureanhydrid zur Verfügung, da die anderen Borverbindungen eine große Reaktivität zu Wasser besitzen· Die ge- nannten Borverbindungen haben jedoch den 'Nachteil, daß auf Grund der festen Bor-Sauerstoff-Bindung nicht genügend Bor für den Diffusionsvorgang geliefert wird* Das Borieren mit festen Borieruiigsmitteln hat bisher die breiteste Anwendung gefunden* Die Werkstücke v/erden dabei mit einer boriermittelenthaltenden Paste bestrichen oder in pulverförmiges Boriermittel eingebettet, wodurch sich auch die Möglichkeit ergibt,partiell zu borieren· Übliche borliefernde Medien sind: amorphes Bor, Borcarbid und Perrobor. Wesentliche Nachteile des Verfahrens ergeben sich daraus, daß Pulverteilchen auf die Oberfläche aufgeschweißt v/erden und dadurch schwierige Nacharbeiten an den Werkstücken nötig sind, sehr hohe Borierungstemperaturen und Borierungszeiten angewendet v/erden müssen, um ausreichende Schichtdicken zu erzielen· Selbst die Einführung von Aktivatoren, wie z. B, von Ammoniumchlorid oder Pluoroborat konnten keine wesentlichen Verbesserungen bringen (A.' G-. Matusc.hka, KEM (1973) 5, S. 54 - 63»*

H. Krzymuiski, HTM 28 (1973) 3, S. 100 - 105)* Die bisher bekannten Verfahren, die mit gasförmigen Borie- -rungsinitteln arbeiten, liefern nur geringe und unregelmäßige Schichten, zum Teil sind Korrosionsprodukte eingeschlossen oder es erfolgt eine zu-starke'Aufkohlung des Werkstückes. (BED - OS, 1 796 215 (1968)j W. Fichtel, Ind. Ana. 95 (1973) 88, S. 2029 -2033)· Als borabgebende Mittel wurden Borhalogenide., Borwasserstoffe, sowie andere anorganische und organische Borverbindungen wie (CH^)-rB und (CpH_R)-,B in reiner Ponn oder in

Verdünnung mit Wasserstoff angewendet«, Neben einem hohen Preis, wird ihre Handhabung in Einzelfällen z, B» beim Diboran durch ihre hohe Giftigkeit erschwert. Daraus resultiert, daß die Borierungsverfahren mit gasförmigen Borierungsmitteln in der Praxis noch keine besondere -Anwendung gefunden haben«

j Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es gestattet, die Wirkatmosphäre-konstant" zuhalten und einen ständigen Konzentrationsausgleich im gesamten Eeaktionsrauni zu erreichen_?um die Schichtbildungen unter technischen Bedingungen reproduzierbar zu gestalten, kürzere .Bearbeitungszeiten bei- gleichzeitig größeren Schichtdicken zu erreichen und ein sauberes Arbeiten zu gewährleisten*

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, auf Werkstoffen, vorzugsweise Eisen— werkstoffen, eine Boridschicht aus der Gasphase zu erzeugen» Bei den bisher bekannten lösungen gibt es einige entscheidende Mangels

- die Herstellung beliebiger Stoffgemische und die Einstellung unbegrenzter Mischungsverhältnisse ist nicht möglich^ weil die eingesetzten Substanzen nicht unbe-'grenzt mischbar sind*

'.-.- Während des Prozesses kann die Zusammensetzung der WirkatiaoSphäre nicht konstant gehalten werden, dadurch ist

die Schichtbildung nicht gut reproduzierbar» -- Die Verfahren können nur diskontinuierlich durchgeführt werden„ weil in Bädern oder in Pulverpackungen gearbeitet wird» .

- Es ist sum Teil eine .aufwendige· iTacnbehandluiig der ?/erkstiloke notwendig (z* B» Beseitigung von Ans int er ung en odor Sohnie)

- Eine wirtschaftliche Behandlung, größerer Stückzahlen und . von Werkstücken mit größeren Abmessungen ist kaum möglich, da die Bader erst wieder regeneriert werden müssen oder die Bäder nur mit begrenzten Maßen herstellbar sind,

Pie Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Boride eines Übergang sei em ent es der 4» - 8, Gruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere des Eisens, dadurch erzeugt werden, daß ein als Borträger fungierendes Borhalogenid, vorzugsweise Bortribromid, beispielsweise mit einem flüssigen Hetallhalogenid der Übergangselemente der 4» - 6. Gruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere mit Titantetrachlorid bei Raumtemperatur gemischt wird und diese gerneinsam vom Wasserstoff als Trägergas in den Reaktionsraum überführt werden, der auf eine Temperatur größer 900 K erhitzt wird und das zu beschichtende Substrat enthält, !lach Einleitung der gasförmigen Komponenten in den Äeaktionsraum erfolgt durch Eindiffundieren des Bors in den jeweiligen Substratwerkstoff die Bildung des entsprechenden Borids, Das zugesetzte flüssige Metallhalogenid wird selbst nicht mit eingebaut. Der Anteil der borliefernden Verbindung am Gemisch soll zwischen 10 und 50 V0I.-5& betragen und wird für die Dauer der Erzeugung der Boridschicht konstant gehalten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden·

Zur Erzeugung einer Boridschicht wird der gereinigte Wasserstoff in das mit dem Borierungsgemisch gefüllte Verdampfergefäß geleitet, reichert sich dort entsprechend dem jeweiligen Partialdruck mit dem Borierungsmittel an und überführt es in den auf die entsprechende T-emperatur gebrachten Reaktionsraum, wo sich das Werkstück

befindet und der Diffusionsvorgang erfolgt. Folgende Behandlungsparameter wurden angewandt :

Arbeitstemperatur % 1223 K

Behandlungszeit s . , 2,5 Stunden

Arbeitsdruck ϊ 101325 Pa

Wasserstoffdurchsatz % 5,5 Liter/Stünde

Anteil des Titantetrachlorids

in der flüssigen Mischphase 80 VoI»-^

Temperatur der flüssigen Mischphase 298 K

Substratwerkstoff Aruico-Eisen

Die metallographischen Untersuchungen zeigten₅daß die gebildete Eisenboridschicht über die Randzone des gesamten Substrates ausgebildet war, zahnförmig in den Grundwerkstoff eingewachsen war und eine mittlere Dicke von 130^m aufweist. Eine solche Schichtdicke ist für die technische Anwendung im allgemeinen ausreichend; stärkere Schichten sind nur für spezielle Anwendungsfälle erforderlich und können durch entsprechende Variation der Behandlungszeit oder Behandlungstemperatur erreicht werden« Die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugten Boridschichten liegen in der Schichtdicke und Qualität wesentlich über denen,die mit anderen gasförmigen Borierungs™ mitteln herstellbar sind. Das verwendete Gemisch laßt sich wesentlich günstiger handhaben als die bisher eingesetzten gasförmigen Borierungsmittel.

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Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Herstellung von Boridschichten aus der Gasphase auf Substratwerkstoffen von Übergangsmetallen der 4· - 8· Gruppe des Periodensystems der Elemente, gekennzeichnet dadurch, daß ein als Borträger dienendes Borhalogenid beispielsweise mit einem flüssigen Metallhalogenide vorzugsweise der 4· - 6· Gruppe des Periodensystems der Elemente, bei Raumtemperatur gemischt wird und mittels eines Trägergases, vorzugsweise Wasserstoff, in den Reaktionsraum überführt und bei Temperaturen größer 900 K mit dem Substratwerkstoff zur Reaktion gebracht wird·
1.1. Verfahren nach Punkt 1·, gekennzeichnet dadurch, daß das

Borhalogenid Bortribromid ist, .

1*2. Verfahren nach Punkt 1. und 1,1.,. gekennzeichnet dadurch» daß der Anteil des flüssigen Borhalogenide 10-50 Vol.-#, vorzugsweise 20 Vo1·-$, beträgt»
1.3. Verfahren nach Punkt 1. bis 1*2», gekennzeichnet dadurch, daß das Borhalogenid und das Metallhalogenid gemeinsam durch Wasserstoff in den .Reaktionsraum überführt v/erden.
1.4· Verfahren nach Punkt 1, bis 1.5·, gekennzeichnet dadurch, daß als Substrat ein metallischer Yierkstoff, vorzugsweise ein Eisenwerkstoff verwendet wird.