DE102010036815A1 - Coating bodies, useful as a diffusion barrier against diffusing carbon or carbon compounds from the support body, comprises applying a first layer of silicide and applying a second layer of a low-melting glass and sintering - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Trägerkörpern, insbesondere -platten, aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff oder Graphit mit einer Glasoberfläche sowie eine solche beschichtete Trägerplatte mit einer Glasoberfläche.The present invention relates to a method for coating carrier bodies, in particular plates, of carbon-fiber-reinforced carbon or graphite with a glass surface and such a coated carrier plate with a glass surface.
Trägerkörper, insbesondere -platten, werden als Träger für Sinterteile verwendet, die aus pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren für Kfz-Getriebe, Zahnräder, Turbinenschaufeln, Werkzeuge, Motorenkomponenten oder dergleichen stammen. Bei diesen Fertigungsverfahren werden Metallpulver mechanisch in Formwerkzeugen bei Drücken zwischen 1 t und 10 t pro Quadratzentimeter zu Grünlingen verdichtet und anschließend bei hohen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der am niedrigsten schmelzenden Komponente in Sinteröfen gesintert. Das Sintern erfolgt im Vakuum oder unter speziellen drucklosen oder unter Druck stehenden Atmosphären, bei Temperaturen von beispielsweise 1.200°C bis 1.300°C, oftmals mit anschließender Schockkühlung unter Verwendung von flüssigem Stickstoff. Gerade diese Thermoschockbehandlung belastet die Trägerkörper besonders.Carrier bodies, in particular plates, are used as carriers for sintered parts originating from powder metallurgical production methods for motor vehicle transmissions, gear wheels, turbine blades, tools, engine components or the like. In these manufacturing processes, metal powders are mechanically compacted into greenware in molds at pressures of between 1 ton and 10 tons per square centimeter, and then sintered at high temperatures below the melting point of the lowest melting component in sintering furnaces. The sintering is carried out in vacuum or under special unpressurized or pressurized atmospheres, at temperatures of, for example, 1200 ° C to 1300 ° C, often with subsequent shock cooling using liquid nitrogen. Especially this thermal shock treatment loads the carrier body especially.
Grundsätzlich dürfen die Trägerkörper weder mit den Metallen oder Legierungen noch mit den Atmosphärenbestandteilen wie Wasserstoff, Kohlenwasserstoffen, Stickstoff, Argon oder Formiergas reagieren, noch aufgrund der häufigen Beschickungswechsel und der damit verbundenen hohen mechanischen Belastung stark verschleißen, noch sich verziehen oder weich werden. Diese Körper müssen temperaturbeständig und auch temperaturwechselbeständig sein. Die Werkstoffe kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff und Graphit sind daher grundsätzlich nachteilig, da sie leicht mit Wasserstoff zu Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen reagieren und so Poren bilden, die zur Erweichung führt. Diese Materialien sind relativ weich, werden leicht beschädigt und sind hinsichtlich Abriebfestigkeit, mechanischer Stabilität, chemischer Inertheit, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit sowie Haftungseigenschaften eher nachteilig. Bei direktem Kontakt mit den zu sinternden Grünlingen führen sie zu deren Aufkohlung durch Diffusion des im Material des Trägerkörpers enthaltenen Kohlenstoffs in das Metall. Ein solcher Kontakt muss auch deswegen vermieden werden, weil er zu einer Benetzung, also zu einem intensiven Anhaften der zu sinternden Metallteile an die Trägerkörper führt, auf denen er aufliegt.In principle, the carrier bodies must not react with the metals or alloys nor with the atmospheric constituents such as hydrogen, hydrocarbons, nitrogen, argon or forming gas, nor wear out excessively due to the frequent feed changes and the associated high mechanical load, nor become warping or softening. These bodies must be temperature-resistant and also resistant to thermal shock. The materials carbon fiber reinforced carbon and graphite are therefore fundamentally disadvantageous, since they react easily with hydrogen to form methane or higher hydrocarbons and thus form pores, which leads to softening. These materials are relatively soft, are easily damaged and are rather disadvantageous in terms of abrasion resistance, mechanical stability, chemical inertness, temperature and thermal shock resistance and adhesion properties. In direct contact with the green bodies to be sintered, they lead to their carburizing by diffusion of the carbon contained in the material of the carrier body in the metal. Such a contact must also be avoided because it leads to a wetting, ie to an intensive adhesion of the metal parts to be sintered to the carrier body, on which it rests.
Um diesen Anforderungen in den unterschiedlichen Einsatzbereichen gerecht zu werden, müssen Trägerkörper aus den genannten Materialien mit entsprechenden Beschichtungen versehen werden.In order to meet these requirements in the different areas of application, carrier bodies made of the materials mentioned must be provided with appropriate coatings.
Insbesondere für sehr saubere Sinteröfen ohne Staub, Fasern oder Kohlenstoffpartikel ist eine diffusionsdichte, harte und mechanisch belastbare Glasbeschichtung der Trägerkörper aus Graphit oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff wünschenswert. Das unmittelbare Aufbringen von Glassuspensionen führt aufgrund der mangelnden Benetzung nicht zum Ziel. Zwischen der Glasschicht und dem Trägerkörper entsteht keine Verbindung, eine dauerhafte belastbare Beschichtung kann nicht erreicht werden. Aus dem Stand der Technik sind daher andere Verfahren bekannt, eine glasartige Oberfläche zu erzeugen.In particular for very clean sintering furnaces without dust, fibers or carbon particles, a diffusion-proof, hard and mechanically loadable glass coating of the carrier bodies made of graphite or carbon-fiber-reinforced carbon is desirable. The direct application of glass suspensions does not lead to the goal due to the lack of wetting. There is no connection between the glass layer and the carrier, a durable, load-bearing coating can not be achieved. From the prior art, therefore, other methods are known to produce a glassy surface.
Beispielsweise offenbart die
Aus der
Aus der
Aus der
Aus der
Demnach ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, MoSi2 in Kombination mit Glasbildnern innerhalb einer Beschichtung als mehr oder weniger homogene Mischung einzusetzen.Accordingly, it is generally known from the prior art to use MoSi 2 in combination with glass formers within a coating as a more or less homogeneous mixture.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Beschichtung für Körper aus Graphit oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff oder einer Mischung aus beiden unter Verwendung eines Silizides, insbesondere von MoSi2 und einem Glas anzugeben, bei dem auf den Körper eine erste Schicht aus ausschließlich einem Silizid, wie beispielsweise MoSi2, HfSi2, ZrSi2, aufgebracht und diese oberhalb von 1.500°C für mehr als 30 min zur Erzeugung eines intensiven chemischen Verbundes mit dem Körper gesintert wird, so daß eine möglichst unporöse, feste und dichte Schicht erhalten wird, und auf die erste chemisch mit dem Körper verbundene Schicht eine zweite Schicht aus einer niedrigschmelzenden Glasur aufgebracht und oberhalb von 1.300°C aufgesintert wird. Mit sehr großem Vorteil schlägt die Erfindung vor, eine dicke, dichte Schicht aus einem Silizid, insbesondere MoSi2 vorzusehen, die aufgrund der Sinterbedingungen chemisch mit dem Körpermaterial innig verbunden ist. Diese chemische Bindung kann durch die Ausbildung einer Si-C-Bindung aus dem Silizid und dem Kohlenstoff des Trägerkörpers erfolgen. Erfindungsgemäß wird beispielswese reines MoSi2 eingesetzt, welches während des Behandlungsvorganges auch in den Körper hinein diffundiert. Gerade die innige chemische Verbindung des Körpers mit der ersten Beschichtungsschicht ermöglicht mit großem Vorteil die gewünschte Thermoschockbeständigkeit der späteren, fertigen Beschichtung. Die zweite Schicht, eine Glasschicht, verbessert die Beständigkeit des erfindungsgemäß beschichteten Körpers gegen die eingangs genannten thermischen und mechanischen Belastungen und ist insbesondere auch als Diffusionssperre gegen diffundierenden Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen aus dem Trägerkörper in das aufliegende, zu sinternde Werkstück äußerst geeignet.The present invention therefore has for its object to provide a coating for bodies of graphite or carbon fiber reinforced carbon or a mixture of both using a silicide, in particular MoSi 2 and a glass, in which on the body a first layer of exclusively a silicide, such as MoSi 2 , HfSi 2 , ZrSi 2 , and this is sintered above 1500 ° C for more than 30 min to produce an intense chemical bond with the body, so that a non-porous, solid and dense layer is obtained, and a second layer of low-melting glaze is applied to the first layer chemically bonded to the body and sintered above 1,300 ° C. With great advantage, the invention proposes to provide a thick, dense layer of a silicide, in particular MoSi 2 , which is chemically bonded to the body material due to the sintering conditions. This chemical bond can be carried out by forming a Si-C bond from the silicide and the carbon of the carrier body. According to the invention, for example pure MoSi 2 is used, which also diffuses into the body during the treatment process. Especially the intimate chemical connection of the body with the first coating layer allows with great advantage the desired thermal shock resistance of the later finished coating. The second layer, a glass layer, improves the resistance of the inventive coated body against the aforementioned thermal and mechanical stresses and is particularly suitable as a diffusion barrier against diffusing carbon or carbon compounds from the carrier body in the resting, to be sintered workpiece extremely suitable.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf die zweite Schicht eine dritte Schicht aus Al2O3 aufgebracht und bei mehr als 1.500°C für mehr als 30 min zur Erzeugung eines intensiven chemischen Verbundes mit der zweiten Schicht und ggf. ersten Schicht aufgesintert wird. Eine dritte Schicht wie beschrieben verbessert mit großem Vorteil die chemische Dichtheit der Beschichtung gegen Diffusion von C-Verbindungen aus dem Trägermaterial in das Werkstück und verbessert dessen mechanische Belastbarkeit, so daß im späteren Einsatz des erfindungsgemäß beschichteten Trägerkörpers viele Sinterzyklen ohne Beschädigung desselben durchlaufen werden können.In an embodiment of the invention, it is provided that a third layer of Al 2 O 3 is applied to the second layer and sintered at more than 1500 ° C. for more than 30 min to produce an intensive chemical bond with the second layer and possibly the first layer , A third layer as described improves with great advantage the chemical tightness of the coating against diffusion of C-compounds from the carrier material into the workpiece and improves its mechanical strength, so that in later use of the invention coated carrier body many sintering cycles can be run through without damage.
Enthält die dritte Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung Additive mit einem Anteil von 1 bis 10 Gew.-%, wobei die Additive gewählt sind aus der Gruppe Borcarbid, Kohlenstoff, lassen sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Beschichtung mit Vorteil an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassen.Contains the third layer of the coating according to the invention additives in a proportion of 1 to 10 wt .-%, wherein the additives are selected from the group boron carbide, carbon, the physical and chemical properties of the coating can be adapted to the particular conditions of use with advantage.
Mit großem Vorteil ist vorgesehen, dass bei einer dreischichtigen Beschichtung die zweite Schicht eine Dicke von nicht mehr als 50 μm aufweist und sie daher als Haftvermittlungsschicht zwischen der inneren ersten und äußeren dritten Schicht der Beschichtung wirkt. Die Haftvermittlung erfolgt hierbei auch dadurch, dass das Al2O3 als sogenanntes Zwischenoxid als Netzwerkbildner und -wandler der Grundstruktur der intermediären Glasschicht wirkt. Hierdurch erfolgt eine stabile Verbindung zwischen Al2O3, Glas und der inneren Silizidschicht der Beschichtung.With great advantage, it is provided that in the case of a three-layer coating, the second layer has a thickness of not more than 50 μm and therefore acts as an adhesion-promoting layer between the inner first and outer third layers of the coating. In this case, adhesion is also effected by Al 2 O 3 acting as a so-called intermediate oxide as a network former and converter of the basic structure of the intermediate glass layer. This results in a stable connection between Al 2 O 3 , glass and the inner silicide layer of the coating.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird unter einer Inertgasatmosphäre und/oder unter Verwendung eines Temperaturprogramms durchgeführt, wobei die Vorläufersubstanzen der Beschichtungsschichten Korngrößen von 0,1 bis 200 μm, vorzugsweise 0,5 bis 25 μm aufweisen und wobei sich die Korngrößen und/oder -verteilungen zweier Vorläufersubstanzen unterscheiden können.The coating method of the invention is carried out under an inert gas atmosphere and / or using a temperature program, wherein the precursor substances of the coating layers have particle sizes of 0.1 to 200 .mu.m, preferably 0.5 to 25 .mu.m, and wherein the particle sizes and / or distributions of two precursor substances may differ.
In prozeßtechnisch einfacher Weise schlägt die Erfindung vor, die Schichten durch Spritzen, Tauchen oder Dippen auf den zu beschichtenden Körper aufzubringen.In a process technology simple way, the invention proposes to apply the layers by spraying, dipping or dipping on the body to be coated.
Mit diesem Verfahren können die zu beschichtenden Körper als Pulver, Platte, Stäbchen, Kugel, Zylinder oder Faser oder einem Gemisch hieraus vorliegen, ohne daß dies die Güte der jeweiligen Beschichtung beeinträchtigte.With this method, the bodies to be coated can be present as powder, plate, rod, ball, cylinder or fiber or a mixture thereof, without this affecting the quality of the respective coating.
Beispiel 1example 1
Eine etwa 1 cm dicke Platte aus kohlenfaserverstärktem Kohlenstoff wird in eine MoSi2-Schlicke eingetaucht und anschließend 4 h bei 1.780°C unter Inertgas gesintert. Nach dem Abkühlen wird eine niedrigschmelzende Glasur aufgetragen und bei 1.400°C aufgesintert.An approximately 1 cm thick plate of carbon fiber reinforced carbon is immersed in a MoSi 2 -Sschlicht and then sintered at 1,780 ° C under inert gas for 4 h. After cooling, a low-melting glaze is applied and sintered at 1400 ° C.
Beispiel 2Example 2
Eine etwa 1,5 cm dicke Platte aus Graphit wird wie oben beschrieben behandelt, wobei die Glasschicht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Beschichtungcoating
- 22
- Körperbody
- 33
- MoSi2-Schicht (innerste Beschichtungsschicht)MoSi 2 layer (innermost coating layer)
- 44
- Grenzschichtinterface
- 55
- Glasschicht (zweite Beschichtungsschicht)Glass layer (second coating layer)
- 66
- Al2O3-Schicht (dritte, äußere Beschichtungsschicht)Al 2 O 3 layer (third, outer coating layer)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- GB 812740 A [0009] GB 812740A [0009]
- DE 60118437 T2 [0010] DE 60118437 T2 [0010]
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- 2010-08-03 DE DE201010036815 patent/DE102010036815A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |