DE102006007552A1

DE102006007552A1 - Beschichtungsverfahren und Beschichtung

Info

Publication number: DE102006007552A1
Application number: DE200610007552
Authority: DE
Inventors: Peter Sindlhauser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: DE102006007552B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren und eine Beschichtung für Graphit/CFC, die, um eine wirtschaftliche und allen Anforderungen gerechte Beschichtung sowie ein Beschichtungsverfahren für Graphit/CFC anzugeben, vorschlägt, aus wenigstens einer auf Graphit/CFC aufgebrachten Vorläufersubstanz mittels Diffusion und chemischer Rekationen wenigstens eine am Graphit/CFC gebundene Beschichtungsschicht zu bilden, vorzugsweise zwei auch untereinander gebundene Beschichtungsschichten zu bilden, beziehungsweise eine Beschichtungsschicht vorschlägt, die am Graphit/CFC gebunden vorliegt und vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die Beschichtungsschichten chemisch und/oder physikalisch miteinander verbunden ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, eine Beschichtung für Graphit und CFC, sowie beschichtetes Graphit und CFC.
Da Graphit- und CFC -Körper (Carbon-Fiber-Carbon) bei hohen Temperaturen nicht weich werden und sich verziehen, werden sie in Form von Platten, Gestellen oder ähnlichem als Distanz- und Auflagekörper in unter anderem pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren für Kfz-Getriebe, Zahnräder, Turbinenschaufeln, Werkzeuge, Motorenkomponenten oder dergleichen verwendet. Sie werden auch als Gestelle beim Härten von Metallen und Legierungen sowie beim Vakuumlöten eingesetzt. Aufgrund der Verzugsfreiheit sind sie den üblicherweise eingesetzten Stahlgestellen überlegen.
In den genannten Anwendungsbereichen werden an die Graphit- bzw. CFC-Körper hohe Anforderungen hinsichtlich Abriebfestigkeit, mechanischer Stabilität, chemischer Inertheit, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit sowie guter Haftungseigenschaften gestellt, wie die nachstehenden Ausführungen zeigen.

Bei pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren werden Metallpulver mechanisch in Formwerkzeugen bei Drücken zwischen 1t und 10t pro Quadratzentimeter verdichtet. Die so erzeugten Grünlinge werden anschließend bei hohen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der am niedrigsten schmelzenden Komponente in Sinteröfen gesintert, wobei gegebenenfalls vorhandene Eutektika zu berücksichtigen sind. Die Sinterbedingungen sind abhängig von den zu sinternden Teilen. Das Sintern kann im Vakuum oder unter speziellen drucklosen oder unter Druck stehenden Atmosphären stattfinden, wobei Temperaturen von beispielsweise 1200°C bis 1300°C eingesetzt werden. Graphit und CFC sind relativ weiche Materialien und unterliegen aufgrund der häufigen Beschickungswechsel und der damit verbundenen hohen mechanischen Belastung einem starken Verschleiß. Sie dürfen weder mit den Metallen oder Legierungen noch mit den Atmosphärenbestandteilen wie Wasserstoff, Kohlenwasserstoffen, Stickstoff, Argon oder Formiergas reagieren, wobei insbesondere eine Reaktion mit Wasserstoff zu Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen über Porenbildung zur Erweichung der Graphit- bzw. CFC-Körper führt. Darüber hinaus muß ein direkter Kontakt von Graphit- bzw. CFC-Körpern mit den zu sinternden Metallteilen vermieden werden, um eine Aufkohlung der Metallteile durch Diffusion des im Graphit enthaltenen Kohlenstoffs in das Metall zu verhindern. Ein solcher Kontakt muss auch deswegen vermieden werden, weil er zu einer Benetzung, also zu einem intensiven Anhaften der zu sinternden Metallteile an den Graphit- bzw. CFC-Körpern führt. Diese Körper müssen sowohl Temperaturbeständig als auch Temperaturwechselbeständig sein, da in Sinteröfen üblicherweise schockgekühlt, die Temperatur also innerhalb weniger Minuten von etwa 1300°C auf 50°C gesenkt wird, beispielsweise durch Einsatz von flüssigem Stickstoff.

Bei Härteprozessen ersetzen Graphit- bzw. CFC-Körper die üblicherweise verwendeten Stahlgestelle, die sich im Einsatz nachteilig verziehen und die wesentlich schwerer als die Graphit- bzw. CFC-Körper sind. Der Ersatz von Graphit- bzw. CFC-Körpern ermöglicht höhere Ofenbeladung und damit eine verbesserte Wirtschaftlichkeit. Auch hier bestehen die oben genannten Anforderungen hinsichtlich Abriebfestigkeit, mechanischer Stabilität, Inertheit und Haftungseigenschaften.

Graphit- bzw. CFC-Körper, die bei Vakuumlötprozessen verwendet werden, dürfen keine Benetzung durch Lot zulassen. Eine solche Benetzung verkürzt die Lebensdauer der teuren Graphit- bzw. CFC-Gestelle und -körper drastisch.

Um diesen Anforderungen in den unterschiedlichen Einsatzbereichen gerecht zu werden, müssen die Graphit- bzw. CFC-Körper mit entsprechenden Beschichtungen versehen werden.

Ein bekannter Beschichtungsstoff ist Titannitrid (TiN), das als Hochtemperaturtrennmittel wirkt. Es ist bekannt, TiN als Suspension auf Graphitkörper aufzutragen, auf denen es nach dem Trocknen lediglich als pulverförmige Schicht aufliegt. Entsprechend gering ist die Bedeckung und Haftung auf den Graphit- bzw. CFC-Körpern, so dass allein durch das Auflegen von zu sinternden Teilen bereits Kontakte entstehen können, beispielsweise an Kanten. Die beim Abkühlen der Sinteröfen entstehenden Turbulenzen und auch die hohen Gasströmungen führen zu einer Aufwirbelung der lose aufliegenden TiN-Schicht, so dass nicht nur die Sinteröfen verschmutzen, sondern auch ein umständliches und häufiges Erneuern der Schicht erforderlich ist. Als weitere Beschichtungsstoffe sind auch oxidische Suspensionen und Pulver wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂) und Yttriumoxid (Y₂O₃) bekannt, die auf Graphitplatten aufgestrichen oder gestreut werden. Diese Beschichtungsstoffe haften ebenfalls nicht und gehen darüber hinaus chemische Reaktionen mit dem Graphit oder dem CFC ein. Hierbei kommt es zur Bildung von CO₂ aus dem Oxidsauerstoff und dem Graphit/CFC-Kohlenstoff. Daneben sind Chromnitrid (CrN) und Chromcarbid (CrC) als Beschichtungsstoffe bekannt.

Neben dem Aufstreichen oder Aufstreuen ist für TiN oder CrN das Auftragsverfahren per Gasphasenabscheidung über PVD oder CVD bekannt. Diese Verfahren sind für die beschriebene Verwendung jedoch nicht wirtschaftlich. Darüber hinaus wird die hiermit erreichbare Haftung der TiN- oder CrN-Schicht auf Graphit/CFC den eingangs genannten Anforderungen nicht gerecht. Im Stand der Technik ist auch bekannt, Molybdängranulat per Plasmaspritzen auf beispielsweise Turbinenschaufeln aufzutragen. Ein derartiger Auftrag auf Graphit/CFC ist jedoch nicht erfolgreich, da sich keine haltbare Verbindung zwischen Metall und Graphit/CFC ausbildet. Eine vergleichbare Haftung Molybdän-Turbinenschaufelstahl wird bei Molybdän-Graphit/CFC nicht erreicht.

Schließlich ist noch ein Verfahren unter Verwendung von Silizium (Si) als Beschichtungsstoff für Graphit/CFC bekannt. Hierbei wird Si in poröse Kohlenstoffkörper infiltriert, wobei es in den Poren zur Bildung eines Gemisches aus Si und SiC kommt. Dieser als CSiC bekannte Werkstoff wird für Gestelle in Keramiköfen verwendet, ist für die eingangs genannten Anwendungsbereiche jedoch ungeeignet, da Si mit Metallen bei Kontakt intensiv reagiert.

Keines der bekannten Beschichtungsverfahren und keine der bekannten Beschichtungen erfüllt alle gestellten Anforderungen, viele Verfahren sind für die genannten Einsatzzwecke unwirtschaftlich.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine wirtschaftliche und allen Anforderungen gerechte Beschichtung sowie ein Beschichtungsverfahren anzugeben.

Die Verfahrensaufgabe wird dadurch gelöst, dass aus wenigstens einer auf Graphit/CFC aufgebrachten Vorläufersubstanz mittels Diffusion und chemischer Reaktionen wenigstens eine am Graphit/CFC gebundene Beschichtungsschicht gebildet wird, vorzugsweise zwei oder mehr auch untereinander gebundene Beschichtungsschichten gebildet werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Beschichtungsverbindung nicht aus Vorläufersubstanzen in der Gasphase gebildet und fertig abgeschieden oder aus den Elementen erzeugt, sondern die Beschichtung wird mit großem Vorteil unaufwändig aus Vorläufersubstanzen in-situ direkt auf und mit dem Graphit/CFC erzeugt. Die stattfindenden Diffusionsprozesse ermöglichen mit großem Vorteil eine feste Verzahnung von späterer Beschichtung und dem Graphit/CFC, da die Vorläufersubstanzen bzw. Reaktionszwischenprodukte in den Graphit/CFC eindringen und dort reagieren können. Im Gegensatz zum Stand der Technik nimmt der Graphit/CFC als Edukt an den chemischen Reaktionen teil, was zu einer besonders haltbaren und stabilen Beschichtung führt. Durch Verwendung mehrerer Vorläufersubstanzen erreicht das erfinderische Verfahren mit großem Vorteil die Bildung unterschiedlichster, an die jeweiligen gestellten Anforderungen angepasster Beschichtungen. Vorteilhafterweise kann somit die Eigenschaft, die ein aus einer Vorläufersubstanz resultierender Beschichtungsanteil nicht aufweist, durch Kombination mit einem aus einer zweiten oder weiteren Vorläufersubstanz resultierender Beschichtungsanteil der Beschichtung zugefügt werden. Die von Diffusion unterstützten chemischen Reaktionen zwischen Graphit/CFC, erster und gegebenenfalls zweiter oder weiterer Vorläufersubstanz führen zu einer Beschichtung, die in ihrer chemischen Zusammensetzung geschichtet aufgebaut ist, wobei die einzelnen Beschichtungsschichten untereinander gebunden sind. Diese Bindung untereinander kann erfindungsgemäß durch ineinander übergehende Beschichtungsschichten, also mittels Übergangsbereichen erfolgen, als auch durch eine vollständige Umsetzung der Vorläufersubstanzen, also durch eine homogen aufgebaute Beschichtung. In beiden Fällen der Beschichtungsschichtbindung untereinander führt das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zu einer festen Verbindung von Graphit/CFC-Körper und Beschichtung als auch zu einer festen Verbindung der Beschichtungsschichten untereinander. Dies gilt umso mehr, als die erste Vorläufersubstanz gezielt mit Graphit/CFC reagiert und so eine intensive Verzahnung zwischen Graphit/CFC und erster Vorläufersubstanz erzeugt wird und Diffusionsprozesse auch zu einer solchen Verzahnung der weiteren Beschichtungsschichten untereinander führen. Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, die Vorläufersubstanzen nicht nur vertikal verteilt in Bezug auf den zu beschichtenden Graphit/CFC-Körper aufzubringen, sondern auch horizontal. Das heißt, erfindungsgemäß kann beispielsweise eine Beschichtung hergestellt werden, deren eine linke Seite mit einer, und deren eine rechte Seite mit einer anderen Beschichtungseigenschaft versehen sind, indem eine, zwei oder mehr Vorläufersubstanzen) auf eine linke und wenigstens eine, zwei oder mehr andere Vorläufersubstanzen) auf eine rechte Seite aufgebracht werden.

Laufen Diffusion und die chemische Reaktionen gleichzeitig ab, wobei die chemischen Reaktionen über eine aus der ersten Vorläufersubstanz erzeugte reaktive Spezies in statu nascendi ablaufen, lassen sich mit großem Vorteil Reaktionswege mit geringer Reaktionsenthalpien beschreiten, so dass das Verfahren bei geringen, wirtschaftlich günstigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Mit großem Vorteil schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Beschichtungsschicht in-situ chemisch unter Einsatz einer energiereichen Starterspezies zu erzeugen. Dabei muß erfindungsgemäß nicht notwendigerweise eine vollständige Umsetzung der Vorläufersubstanzen stattfinden, vielmehr reichen bereits Reaktionen in den Kontaktbereichen der Vorläufersubstanzen mit Graphit/CFC bzw. untereinander aus. Die reaktive Spezies ist in der Lage, sowohl mit der Graphit/CFC-Grundschicht als auch mit der Schicht der zweiten Vorläufersubstanz zu reagieren. Die reaktive Spezies kann dabei ein oder mehrere Bestandteile der ersten Vorläufersubstanz sein, das heißt, es können auch mehr als eine chemische Spezies erfindungsgemäß Reaktionen mit Graphit/CFC und zweiter Vorläufersubstanz starten und eingehen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch temperaturgesteuerte Diffusion und chemische Reaktionen eine geschichtet aufgebaute Beschichtung erzeugt wird, deren einzelne Beschichtungsschichten ineinander übergehen. Der so erreichte Schichtenaufbau mit ineinander übergehenden Schichten führt sowohl zu einer festen Verbindung von Graphit/CFC-Körper und Beschichtung als auch zu einer festen Verbindung der Beschichtungsschichten untereinander, ohne dass das Verfahren bis zur vollständigen Umsetzung sämtlicher Vorläufersubstanzen durchgeführt werden müsste. Dies ist besonders vorteilhaft, da gezielt bestimmte Eigenschaften in bestimmten Bereichen der Beschichtung erzielbar sind. Beispielsweise kann eine Beschichtung hergestellt werden, die im Oberflächenbereich aus Titan besteht, indem eine auf eine erste Vorläufersubstanzschicht aufgebrachte Titanfolie nur in ihrem Kontaktbereich zu dieser chemisch umgesetzt wird und die metallische Oberfläche erhalten bleibt. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu geeignet, eine Oberflächenvergütung aufzubringen.

Statt dessen ist alternativ auch vorgesehen, dass durch temperaturgesteuerte Diffusion und chemische Reaktionen eine homogen aufgebaute Beschichtung erzeugt wird, also die gesamten Vorläufersubstanzen umgesetzt werden und so eine homogene Beschichtung erzeugt wird. Im obigen Beispiel würde die Titanfolie vollständig umgesetzt, so dass die Beschichtungsoberfläche beispielsweise aus TiN bestünde. Je nach verwendeten Vorläufersubstanzen, Verfahrensdauer und -temperatur ergibt sich mit großem Vorteil die Möglichkeit, gezielt in bestimmten Beschichtungstiefen bestimmte Eigenschaften zu erzeugen.

Eventuell vorhandene Übergangsbereiche zwischen den Beschichtungschichten haben nicht notwendigerweise eine stöchiometrische Zusammensetzung oder klar definierte Übergangsgrenzen. Innerhalb der Übergangsbereiche gibt es erfindungsgemäß vielmehr auch Konzentrationsgradienten der einzelnen Beschichtungsbestandteile.

Die Wahl der Vorläufersubstanzen ist dabei an die gewünschte spätere Beschichtungszusamensetzung anzupassen und kann je nach Einsatzzweck und Anforderung variieren. Besonders vorteilhaft sind Vorläufersubstanzen oder Vorläufersubstanzkombinationen gewählt aus der Gruppe gebildet durch a) Boride, insbesondere Titandiborid, Zirkondiborid, Lanthanhexaborid und Chromborid, durch b) Nitride, insbesondere Bornitrid, Siliziumnitrid, Titannitrid und Aluminiumnitrid, durch c) Carbide, insbesondere Borcarbid, Siliziumcarbid und Wolframcarbid, durch d) Sulfide, insbesondere Nickelsulfid, durch e) Silizide, insbesondere Molybdänsilizid und Titansilizid, durch f) Oxide, insbesondere Zirkonoxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid und durch g) Metalle, insbesondere Titan, Aluminium, Zirkon, Chrom und Kupfer. Diese Spezies erlauben die Herstellung eines breiten Spektrums an potentiellen Beschichtungszusammensetzungen, so dass jede erforderliche Beschichtungseigenschaft aus den Vorläufersubstanzen herstellbar ist. Beispielsweise sind bestimmte Oxide inert gegen Metallschmelzen, Carbide sind mechanisch hochfest, Nitride sind bekannte Hochtemperaturtrennmittel und einige haben hohe Wärmeleitfähigkeiten, Boride schließlich dienen als Startersubstanzen und stellen das reaktive Zwischenprodukt zur Verfügung.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Ausgangsstoff Bornitrid ist, dass der zweite Ausgangsstoff metallisches Ti ist, insbesondere eine Ti-Folie oder eine Ti-Suspension und dass das Produkt Schichten von Graphit, Borcarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid aufweist, vorzugsweise mit dazwischen angeordneten Übergangsbereichen, insbesondere einer Bornitridschicht. Bornitrid (BN) hat eine dem Graphit sehr ähnliche Struktur von in Basalebenen angeordneten und miteinander verbundnen Sechsringen, in denen sich Bor- und Stickstoffatome abwechseln. Aus dieser Verbindung bilden sich Borspezies, beispielsweise atomares Bor, die in die Graphit/CFC-Schicht diffundieren und dort mit dem Kohlenstoff zu Borcarbid (BC) reagieren. Es ist auch denkbar, dass sich Borradiakle, radikalische oder ionische Borcluster als reaktive Spezies bilden. Gleichzeitig kann der freigesetzte Stickstoff aus dem Bornitrid mit der metallischen Ti-Folie zu Titannitrid reagieren, einem der gewünschten Beschichtungsbestandteile. Zusätzlich bildet sich durch den Kontakt mit Graphit/CFC Titancarbonitrid (TiCN).

Die exakten Reaktionsmechanismen sind nicht bekannt, bei der Bildung der Beschichtungsschicht spielen jedoch Diffusionsprozesse von Bor-, Stickstoff-, Kohlenstoff- und Titanspezies eine Rolle. Die intensiven Diffusionsprozesse ermöglichen erst die große Verzahnung der Beschichtung mit dem Graphit/CFC sowie der Beschichtungsschichten untereinander. Diese führen beispielsweise zu einer Eindringtiefe der Beschichtung von etwa 0,2 mm in den Graphit/CFC.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren sieht vor, dass es bei einer Temperatur von 1400°C bis 2400°C, vorzugsweise unter einer Inertgasatmosphäre und unter Verwendung eines Temperaturprogramms abläuft. Das Temperaturprogramm beinhaltet dabei eine Aufheizphase, eine Konstantphase von wenigstens 2 min und eine Abkühlungsphase. Vorläufersubstanzen werden ausschließlich in Reinheiten von größer 98% verwendet, wobei die wenigstens eine Vorläufersubstanz mit Korngrößen von 0,1 bis 200 μm, vorzugsweise 0,5 bis 25 μm, eingesetzt wird. Auf diese Weise werden die aufgrund der unterschiedlichen Vorläufersubstanzen, bzw. deren Kombination erforderlichen Verfahrensbedingungen optimal eingehalten, die Korngrößen ermöglichen eine rasche und homogene Umsetzung der Vorläufersubstanzen. Es ist auch denkbar, eine bestimmte Korngrößenverteilung zu verwenden, oder zwei Vorläufersubstanzen mit unterschiedlichen Korngrößen bzw. – verteilungen einzusetzen, so dass die eine Vorläufersubstanz mit kleineren Korngrößen innerhalb der zweiten mit größeren Korngrößen angeordnet ist.

Die gegenständliche Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine erfindungsgemäße Beschichtung am Graphit/CFC gebunden vorliegt und vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die Beschichtungsschichten chemisch und/oder physikalisch miteinander verbunden ausgebildet sind. Ein solcher geschichteter Aufbau ermöglicht die Erfüllung sämtlicher, durch die Einsatzbedingungen an die Graphit/CFC-Körper gestellten Anforderungen. Gleichzeitig wird durch die feste Verzahnung der Beschichtungsschichten untereinander eine lange Standzeit der Beschichtung erreicht. Die Beschichtungsschicht ist mit großem Vorteil demnach sowohl fest an den Graphit/CFC gebunden als auch in ihrem inneren Aufbau aus einzelnen Beschichtungsschichten fest miteinander gebunden.

Zwischen den Beschichtungschichten sind Übergangsbereiche vorgesehen, die eine stöchiometrische, nicht-stöchiometrische oder in Teilbereichen stöchiometrische Zusammensetzung aufweisen. Diese Übergangsbereiche tragen wesentlich zur Haltbarkeit und zu den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung bei. Sie werden durch Diffusionsprozesse reaktiver Spezies bei der Herstellung der Beschichtung erzeugt, wobei ihre Zusammensetzung und Dicke von den gewählten Reaktionsbedingungen abhängen. Die einzelnen Beschichtungsschichten sind mittels der Übergangsbereiche miteinander fest verbunden.

In Ausgestaltung der Beschichtung ist vorgesehen, dass sie aus einer der folgenden Schichtenreihenfolge, gegebenenfalls mit dazwischen angeordneten Übergangsbereichen besteht:

a) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid oder
b) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid, Lanthanoxid oder
c) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid, Lanthanoxid und Yttriumoxid oder
d) Graphit/CFC-Basisschicht, Titancarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid
e) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Bornitrid, Titannitrid und abschließend Titan.

Diese Schichtenreihenfolge erlauben eine an den Anwendungszweck angepasste Oberflächeneigenschaft der Beschichtung, beispielsweise durch eine Nitridschicht eine harte und hochtemperaturtrennende Oberfläche. Die Schichtenreihenfolge ergibt sich dabei aus den Vorläufersubstanzen a) Lanthanborid (LaB₆), b) Lanthanborid und Lanthanoxid, c) Lanthanborid und Yttriumoxid, d) Titan und Titanoxid und e) Bornitrid und Titan. Erfindungsgemäß sind auch weitere Kombinationen der oben genannten Vorläufersubstanzen erfasst, auch solche, die aus drei oder mehr Vorläufersubstanzen gebildet werden und solche, die nicht vertikal in Bezug auf den Graphit/CFC-Körper, sondern horizontal angeordnet sind.

Die gegenständliche Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass eine Beschichtung am Graphit/CFC gebunden vorliegt und homogen aufgebaut ist. Bei dieser Ausführungsform werden die wenigstens eine Vorläufersubstanz vollständig umgewandelt, so dass sich eine homogene Beschichtungszusammensetzung ergibt. Diese Ausführungsform wird immer dann einzusetzen sein, wenn keine horizontal oder vertikal räumlich verteilten Eigenschaften innerhalb der Beschichtung, sondern eine resultierende Gesamteigenschaft der Beschichtung gewünscht wird.

Die Aufgabe wird auch durch Graphit/CFC gelöst, dass eine geschilderte Beschichtung aufweist, die mittels des geschilderten Verfahrens aufgebracht wird.

Das Graphit/CFC kann dabei in jeder denkbaren äußeren Form beschichtet werden, beispielsweise als Pulver, Platte, Stäbchen, Kugel, Zylinder oder Faser. Der Einsatzbereich des Verfahrens ist daher nicht auf Graphit als Distanz- und Auflagekörper in pulvermetallurgischen Verfahren begrenzt sondern geht in alle Anwendungsbereiche von Graphitkörpern hinein. Es ist denkbar, dass ein Graphitkörper seinerseits mit einem weiteren Körper in Verbindung gebracht wird, der mit den anisotropen mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits und einer entsprechenden Schutzschicht versehen werden soll.

Die Erfindung wird nun in Beispielen näher erläutert, ohne das diese einschränkend zu verstehen wären.
Beispiel 1:
Auf einen Graphit-Körper wird eine Bornitridschicht aufgebracht und anschließend bei 80°C getrocknet. Eine etwa 0,1 mm starke, mit Alkohol gereinigte Titanfolie wird auf die getrocknete Schicht gelegt. Der so vorbereitete Körper wird in einem Hochtemperaturprozeß unter Inertgas auf etwa 1.950°C aufgeheizt, etwa 20 min bei dieser Temperatur gehalten und anschließend abgekühlt. In der sich ergebenden Beschichtung haben sich die aufgebrachten Vorläufersubstanzschichten vollständig umgesetzt.
Ein Teil der Vorläufersubstanzen diffundierte in den Körper und bildete dort Borcarbid, wodurch sich eine dauerhafte Verbindung von Körper und erster Beschichtungsschicht ergab. Ein anderer Teil reagierte mit der Ti-Folie zu rötlich goldenem Titancarbonitrid (TiCN), wobei sich Übergangsbereiche zwischen BC und TiCN befinden.
Beispiel 2:
Auf einen CFC-Körper wird eine Lanthanboridschicht aufgebracht und bei 80°C getrocknet. Der so vorbereitete Körper wird in einem Hochtemperaturprozeß unter Inertgas auf etwa 2.100°C aufgeheizt und etwa eine halbe Stunde auf dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlung hat sich eine metallisch silbrig glänzende Schicht aus Borcarbid/Lanthanborid gebildet. Hierbei diffundierte ein Teil des Lanthanborids in das CFC und reagierte zu Borcarbid. Es bildete sich weiterhin eine Übergangsschicht aus Borcarbid und Lanthanborid.
Beispiel 3:
Auf einen Graphit- oder CFC-Körper wird eine Titanfolie aufgelegt. Der so vorbehandelte Körper wird unter Inertgas auf 1.700°C aufgeheizt und etwa eine Stunde bei dieser Temperatur belassen. Hierdurch bildet sich eine Titanoberfläche, unterhalb derer durch Übergangsschichten getrennt eine Titancarbidschicht angeordnet ist. Diese Titancarbidschicht hat sich aus in den Graphit/CFC-Körper diffunidertes Ti gebildet und befindet sich in etwa an der Stelle der ursprünglichen Kontaktfläche von Graphit/CFC-Körper und Titanfolie. Nach erfolgter Abkühlung wird in einem zweiten Verfahrensschritt auf diese Schicht Titanoxid aufgebracht und bei 80°C getrocknet. Der so vorbehandelte Körper wird in einem Hochtemperaturprozeß unter Inertgas auf 1.800°C aufgeheizt und etwa 15 min bei dieser Temperatur belassen. Nach Abkühlung hat sich eine harte, silbrig glänzende graue Oberfläche gebildet. Dies ist auf die Reaktion von Titanoxid mit Titan in verschiedenen Wertigkeitsstufen zurückzuführen.

Claims

Beschichtungsverfahren für Graphit/CFC, dadurch gekennzeichnet, dass aus wenigstens einer auf Graphit/CFC aufgebrachten Vorläufersubstanz mittels Diffusion und chemischer Reaktionen wenigstens eine am Graphit/CFC gebundene Beschichtungsschicht gebildet wird, vorzugsweise zwei oder mehr auch untereinander gebundene Beschichtungsschichten gebildet werden.
Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusion und die chemischen Reaktionen gleichzeitig ablaufen, wobei die chemischen Reaktionen über eine aus der ersten Vorläufersubstanz erzeugte reaktive Spezies in statu nascendi ablaufen.
Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch temperaturgesteuerte Diffusion und chemische Reaktionen eine geschichtet aufgebaute Beschichtung erzeugt wird, deren einzelne Beschichtungsschichten ineinander übergehen.
Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch temperaturgesteuerte Diffusion und chemische Reaktionen eine homogen aufgebaute Beschichtung erzeugt wird.
Beschichtungsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite oder weitere Vorläufersubstanz gewählt ist aus der Gruppe gebildet durch a) Boride, insbesondere Titandiborid, Zirkondiborid, Lanthanhexaborid und Chromborid, durch b) Nitride, insbesondere Bornitrid, Siliziumnitrid, Titannitrid und Aluminiumnitrid, durch c) Carbide, insbesondere Borcarbid, Siliziumcarbid und Wolframcarbid, durch d) Sulfide, insbesondere Nickelsulfid, durch e) Silizide, insbesondere Molybdänsilizid und Titansilizid, durch f) Oxide, insbesondere Zirkonoxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid und durch g) Metalle, insbesondere Titan, Aluminium, Zirkon, Chrom und Kupfer.
Beschichtungsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorläufersubstanz Bornitrid ist, dass die zweite Vorläufersubstanz metallisches Ti ist, insbesondere eine Ti-Folie oder eine Ti-Suspension und dass das Produkt Schichten von Graphit, Borcarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid aufweist, vorzugsweise mit dazwischen angeordneten Übergangsbereichen.
Beschichtungsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Spezies eine Borspezies ist, insbesondere ein Borradikal.
Beschichtungsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusion von Bor-, Stickstoff-, Kohlenstoff- und Metallspezies stattfindet.
Beschichtungsverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer Temperatur von 1400°C bis 2400°C, vorzugsweise unter einer Inertgasatmosphäre und insbesondere unter Verwendung eines Temperaturprogramms durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die wenigstens eine Vorläufersubstanz mit Korngrößen von 0,1 bis 200 μm, vorzugsweise 0,5 bis 25 μm, eingesetzt wird, und wobei sich die Korngrößen bzw. -verteilungen zweier Vorläufersubstanzen unterscheiden können.
Beschichtung für Graphit/CFC, dadurch gekennzeichnet, dass sie am Graphit/CFC gebunden vorliegt und vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die Beschichtungsschichten chemisch und/oder physikalisch miteinander verbunden ausgebildet sind.
Beschichtung für Graphit/CFC gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Beschichtungschichten Übergangsbereiche vorgesehen sind, die eine stöchiometrische, nicht-stöchiometrische oder in Teilbereichen stöchiometrische Zusammensetzung aufweisen.
Beschichtung für Graphit/CFC gemäß Anspruch 10 oder 11, bestehend aus einer der folgenden Schichtenreihenfolgen, gegebenenfalls mit dazwischen angeordneten Übergangsbereichen: f) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid, oder g) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid, Lanthanoxid oder h) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Lanthanborid, Lanthanoxid und Yttriumoxid oder i) Graphit/CFC-Basisschicht, Titancarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid oder j) Graphit/CFC-Basisschicht, Borcarbid, Bornitridschicht, Titannitridschicht und abschließende Titanschicht
Beschichtung für Graphit/CFC, dadurch gekennzeichnet, dass sie am Graphit/CFC gebunden vorliegt und homogen aufgebaut ist.
Graphit/CFC, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beschichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 aufweist.
Graphit / CFC nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Pulver, Platte, Stäbchen, Kugel, Zylinder oder Faser vorliegt.