DE102013110757A1

DE102013110757A1 - Process for coating carbonaceous components with a SiC layer

Info

Publication number: DE102013110757A1
Application number: DE201310110757
Authority: DE
Inventors: Andreas Hannemann
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Verfahren zur zumindest abschnittsweisen Beschichtung eines kohlenstoffhaltigen Bauteils (1) mit einer Siliziumcarbidschicht (2), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Bauteils (1), das elementaren Kohlenstoff umfasst, – Aufbringen eines siliziumhaltigen Materials auf einem zur Beschichtung vorgesehenen Abschnitt des Bauteils (1), der elementaren Kohlenstoff umfasst, – zumindest abschnittsweises Erhitzen des mit einem siliziumhaltigen Material versehenen Bauteilabschnitts in einem durch einen Lichtbogen erzeugten Plasma.Method for at least partially coating a carbon-containing component (1) with a silicon carbide layer (2), comprising the steps: - providing a component (1) comprising elemental carbon, - depositing a silicon-containing material on a portion of the component (1) provided for the coating ), which comprises elemental carbon, - at least partially heating the component section provided with a silicon-containing material in a plasma generated by an arc.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von elementaren Kohlenstoff aufweisenden Bauteilen mit einer Schicht aus Siliziumkarbid (SiC). The present invention relates to a method for coating elemental carbon components with a layer of silicon carbide (SiC).

Es ist in vielen technischen Bereichen üblich, kohlenstoffhaltige Materialien wie Graphit, Kohlenstoffasern oder ein Kohlenstofffasergeflecht mit einer SiC-Schicht zu überziehen. In diesem Zusammenhang werden unter elementaren Kohlenstoff umfassenden Materialien solche Materialien wie Graphit, expandierter Graphit, expandierter gepresster Graphit, Kohlenstofffaser-Gewebe und -Gelege verstanden. SiC-Schichten werden zumeist zum Schutz von Oberflächen vor Oxidation oder vor anderen chemischen Reaktionen verwendet. Ebenso steigert die Siliziumcarbidschicht die Abrieb- und Verschleißfestigkeit des elementaren Kohlenstoff umfassenden Bauteils beträchtlich. It is common in many technical fields to coat carbonaceous materials such as graphite, carbon fibers or a carbon fiber braid with a SiC layer. In this context, materials comprising elemental carbon are understood to mean such materials as graphite, expanded graphite, expanded pressed graphite, carbon fiber fabric and sheets. SiC coatings are mostly used to protect surfaces from oxidation or other chemical reactions. Likewise, the silicon carbide layer significantly increases the abrasion and wear resistance of the elementary carbon component.

Gemäß dem Stand der Technik ist es üblich, SiC-Schichten durch Verfahren, die auf einer Abscheidung aus der Gasphase beruhen, aufzubringen. Derartige Verfahren sind als CVD- und CVI-Verfahren (CVD – chemical vapor deposition; CVI – chemical vapor infiltration) bekannt. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass teure Spezialöfen benötigt werden. According to the prior art, it is common to apply SiC layers by methods based on a vapor deposition. Such methods are known as CVD (Chemical Vapor Depiltration) (CVD) methods. However, these methods have the disadvantage that expensive special ovens are needed.

Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Formkörper umfassend eine mit SiC angereicherte Schicht nach Anspruch 19, sowie dessen Verwendung nach Anspruch 20 vorgeschlagen. Against this background, a method according to claim 1, a molding comprising an SiC-enriched layer according to claim 19, as well as its use according to claim 20 is proposed.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren zur zumindest abschnittsweisen Beschichtung eines kohlenstoffhaltigen Bauteils mit einer Siliziumcarbidschicht (2), die Schritte:

– Bereitstellen eines Bauteils (1), das elementaren Kohlenstoff umfasst,
– Aufbringen eines siliziumhaltigen Materials auf einem zur Beschichtung vorgesehenen Abschnitt des Bauteils (1), der elementaren Kohlenstoff umfasst und
– zumindest abschnittsweises Erhitzen des mit einem siliziumhaltigen Material versehenen Bauteilabschnitts in einem durch einen Lichtbogen erzeugten Plasma.

According to one embodiment, the proposed method comprises at least partially coating a carbon-containing component with a silicon carbide layer ( 2 ), the steps:

- providing a component ( 1 ) comprising elemental carbon,
Application of a silicon-containing material on a portion of the component intended for coating ( 1 ), which includes elemental carbon and
- At least partially heating the provided with a silicon-containing material component portion in a plasma generated by an arc.

Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der Einfachheit des Verfahrens, der Möglichkeit, ausschließlich einen ausgewählten Abschnitt der Oberfläche des Bauteils mit der SiC-Schicht auszurüsten und deutlich verringerten Kosten gegenüber herkömmlichen, auf Prozeßöfen basierenden Techniken, insbesondere bei einer lediglich abschnittsweisen Oberflächenbehandlung. Advantages of this embodiment are the simplicity of the method, the ability to equip only a selected portion of the surface of the device with the SiC layer, and significantly reduced costs over conventional process-oven based techniques, especially in a single section surface treatment.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei eine Oberfläche des elementaren Kohlenstoff umfassenden Bauteils (1) Graphit, eine Kohlenstofffaser, ein Kohlenstofffasergeflecht, -gelege, einen Kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff, Graphen, ein Fulleren, Glaskohlenstoff und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen umfasst. According to a further embodiment, a method is proposed, wherein a surface of the elementary carbon component ( 1 ) Graphite, a carbon fiber, a carbon fiber braid, scrim, a carbon fiber reinforced carbon, graphene, a fullerene, glassy carbon and / or carbon nanotubes.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich beispielsweise aus der dauerhaften und stoffschlüssigen Anbindung der erzeugten SiC-Schicht an das Bauteil bzw. an dessen elementaren Kohlenstoff aufweisende Oberfläche. Besonders eigen sich die hinsichtlich ihrer Porosität einstellbaren Oberflächen von Bauteilen, die aus Graphit, gepresstem Graphit oder gepresstem expandierten (exfoliertem) Graphit bestehen und andere, zumindest abschnittsweise eine Graphenstruktur aufweisende Kohlenstoffmaterialien. Advantages of this embodiment result, for example, from the permanent and materially bonded connection of the SiC layer produced to the component or to its elemental carbon-containing surface. The porosity-adjustable surfaces of components consisting of graphite, pressed graphite or pressed expanded (exfoliated) graphite and other carbon materials which at least partially have a graphene structure are particularly peculiar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das vorgeschlagene Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest abschnittsweise Erhitzen bei einer Temperatur erfolgt, die die Schmelztemperatur von Silizium erreicht oder diese übersteigt. According to a further embodiment, the proposed method is characterized in that the at least partial heating takes place at a temperature which reaches or exceeds the melting temperature of silicon.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich daraus, dass Silizium unabhängig in welcher Form es zur Schichtbildung bereitgestellt wird, gut in Porenräume des Bauteils eindringen kann und somit auch die gebildete Siliziumcarbid-Schicht fest auf der Oberfläche des behandelten Bauteils haftet. Advantages of this embodiment result from the fact that silicon independently in which form it is provided for layer formation, can penetrate well into pore spaces of the component and thus also the silicon carbide layer formed firmly adheres to the surface of the treated component.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das zumindest abschnittsweise Erhitzen des mit einer Siliziumquelle ausgerüsteten Bauteils unter Einwirkung eines Plasmalichtbogens durch Einbringen des Bauteils in einen Plasmalichtbogen. According to a further embodiment, the at least partial heating of the component equipped with a silicon source takes place under the action of a plasma arc by introducing the component into a plasma arc.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus dem Vorliegen chemisch hochreaktiver Spezies im Plasma, und die Erhitzung durch den Stromfluss im Lichtbogen, die die gewünschte chemische Umsetzung befördern. Ebenso können vorliegende oberflächliche Verunreinigungen beseitigt und an der Oberfläche des Bauteils vorliegender Kohlenstoff chemisch aktiviert werden. Das Vorliegen chemisch aktiver Kohlenstoffspezies begünstigt die Bildung der Siliziumcarbid-Schicht. Advantages of this embodiment result from the presence of chemically highly reactive species in the plasma, and the heating by the current flow in the arc, which promote the desired chemical reaction. Likewise, superficial impurities present can be eliminated and carbon present on the surface of the component can be chemically activated. The presence of chemically active carbon species favors the formation of the silicon carbide layer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vorgeschlagen, das Erhitzen in Gegenwart eines zusätzlich zugeführten Gases vorzunehmen, wobei das zusätzliche Gas ausgewählt ist unter Stickstoff, Wasserstoff, einem Edelgas, bevorzugt Argon oder Helium oder einem Gemisch von zumindest zwei der benannten Gase. According to a further embodiment of the method it is proposed to carry out the heating in the presence of an additionally supplied gas, wherein the additional gas is selected from nitrogen, hydrogen, a noble gas, preferably argon or helium or a mixture of at least two of the named gases.

Vorteile ergeben sich aus der Möglichkeit die Energie des Plasmas in Abhängigkeit von der Konzentration und Art zugesetzter Gasmoleküle bzw. im Plasma entstehender reaktiver Molekülspezies zu modifizieren. Advantages result from the possibility of the energy of the plasma in dependence of the To modify the concentration and type of added gas molecules or reactive molecular species arising in the plasma.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der zum lokalen Zünden eines Plasmas eingesetzte Lichtbogen erzeugt, indem eine Brennerelektrode als Kathode und das Bauteil als Anode fungiert. According to a further embodiment, the arc used for locally igniting a plasma is generated by a burner electrode acting as a cathode and the component as an anode.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich durch die Möglichkeit, einerseits den Ort des Auftretens des Plasmas, die Dauer der Einwirkung des Plasmas auf die Oberfläche und dessen Energie, beispielsweise durch die Wahl und gezielte Einstellung der Parameter Stromstärke, Spannung, Polarisation und/oder Impulsdauer exakt steuern zu können. Advantages of this embodiment result from the possibility of precisely controlling on the one hand the location of the occurrence of the plasma, the duration of the action of the plasma on the surface and its energy, for example by the selection and targeted adjustment of the parameters current, voltage, polarization and / or pulse duration to be able to.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das siliziumhaltige Material in Form eines Pulvers bereitgestellt. According to a further embodiment of the method, the silicon-containing material is provided in the form of a powder.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich daraus, dass über die grosse spezifische Oberfläche der Partikel im Pulver die Reaktivität der erzeugten chemisch aktivierten Siliziumspezies und damit die stoffliche Zusammensetzung und Dicke der SiC-Schicht eingestellt werden kann. Die Verwendung eines siliziumhaltigen Pulvers erlaubt beispielsweise bei Zuführung des Pulvers mit Hilfe eines zusätzlich zugeführten Gases. Als Gas kommt beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff oder Edelgase, bevorzugt Argon oder Helium oder ein Gemisch dieser Gase in Betracht. Advantages of this embodiment result from the fact that the reactivity of the chemically activated silicon species produced and thus the material composition and thickness of the SiC layer can be adjusted via the large specific surface area of the particles in the powder. The use of a silicon-containing powder allows, for example, when the powder is supplied by means of an additionally supplied gas. As the gas, for example, nitrogen, hydrogen or noble gases, preferably argon or helium or a mixture of these gases into consideration.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das siliziumhaltige Material in Form eines Schlickers, einer Dispersion oder einer Paste bereitgestellt. According to another embodiment, the silicon-containing material is provided in the form of a slurry, a dispersion or a paste.

Daraus ergibt sich beispielsweise der Vorteil, dass ein Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis im der Oberfläche zugeführten Material eingestellt werden kann. Gemeinsam mit den Parametern des Plasmas erlaubt das, die Schichtdicke und einen Konzentrationsverlauf des Siliziums in der erzeugten SiC-Schicht einzustellen und zu steuern. This results, for example, in the advantage that a silicon-carbon ratio in the material fed to the surface can be adjusted. Together with the parameters of the plasma, this makes it possible to set and control the layer thickness and a concentration curve of the silicon in the SiC layer produced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das siliziumhaltige Pulver einer Prozess-Zone über den Plasma-Lichtbogen, und/oder in dessen unmittelbarer Nähe, beispielsweise durch einen Gasstrom, zugeführt. According to a further embodiment, the silicon-containing powder is supplied to a process zone via the plasma arc, and / or in its immediate vicinity, for example by a gas flow.

Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass die je Zeiteinheit zugeführte Stoffmenge und somit die erzeugte Schichtdicke und die stoffliche Zusammensetzung der in der Prozesszone erzeugten SiC-Schicht gesteuert werden können. Dabei kann die Zuführung der Siliziumquelle, insbesondere in Pulverform, über den Plasma-Lichtbogen und/oder in dessen unmittelbarer Nähe gemeinsam mit der Zuführung eines zusätzlichen Gases oder eines Gasgemischs von zumindest zwei Gasen erfolgen. Das ermöglicht eine verbesserte Reproduzierbarkeit der unter sonst gleichen Bedingungen (bspw. Spannung, Stromstärke, Temperatur, Einwirkzeit) erzeugten Schichten. Advantages of this embodiment are that the amount of substance supplied per unit time and thus the generated layer thickness and the material composition of the SiC layer produced in the process zone can be controlled. In this case, the supply of the silicon source, in particular in powder form, can take place via the plasma arc and / or in its immediate vicinity together with the supply of an additional gas or a gas mixture of at least two gases. This enables improved reproducibility of the layers produced under otherwise identical conditions (for example, voltage, current, temperature, exposure time).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des siliziumhaltigen Materials auf die zu behandelnde Bauteiloberfläche durch Aufsprühen. Ebenso kann das Bauteil an den mit SiC zu beschichtenden Abschnitten mit der Siliziumquelle bestäubt und/oder bestrichen werden. Ebenso kann das Bestäuben unter Nutzung eines elektrostatischen Potentials, insbesondere unter Nutzung eines Potentialunterschieds zwischen einem elektrostatischen Potential der Bauteiloberfläche und einem elektrostatischen Potential des siliziumhaltigen Materials erfolgen. Alternativ kann das Bauteil in eine Dispersion oder in eine Lösung des siliziumhaltigen Materials eingetaucht werden. According to a further embodiment, the application of the silicon-containing material takes place on the component surface to be treated by spraying. Likewise, the component can be dusted and / or coated on the sections to be coated with SiC with the silicon source. Likewise, the dusting can be carried out using an electrostatic potential, in particular using a potential difference between an electrostatic potential of the component surface and an electrostatic potential of the silicon-containing material. Alternatively, the component may be immersed in a dispersion or in a solution of the silicon-containing material.

Vorteile dieser Ausführungsformen ergeben sich aus einer guten Haftung der dann erzeugten SiC-Schicht auf dem Bauteil und der Möglichkeit die auf dem Bauteil vor dem Erhitzen erzielte Schichtdicke der Siliziumquelle zu steuern. Advantages of these embodiments result from good adhesion of the SiC layer then produced on the component and the possibility of controlling the layer thickness of the silicon source achieved on the component before heating.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das siliziumhaltige Material ein kohlenstoffhaltiges Material, vorzugsweise eine Celluloseverbindung, insbesondere einen Celluloseether und/oder eine celluloseetherhaltige Verbindung. According to a further embodiment, the silicon-containing material comprises a carbonaceous material, preferably a cellulose compound, in particular a cellulose ether and / or a cellulose ether-containing compound.

Vorteile bestehen darin, dass eine Siliziumquelle mit homogener Konzentration bereit steht. Advantages are that a silicon source with homogeneous concentration is ready.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin den Schritt Trocknen des aufgebrachten siliziumhaltigen Materials. According to a further embodiment, the proposed method further comprises the step of drying the applied silicon-containing material.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich beispielsweise bei der Verwendung von Schlickern, Pasten und Dispersionen als Siliziumquelle. Ein vollständiges Trocknen aufgebrachter Schichten erlaubt es, homogene Schichtdicken aufzubauen, da das Absplittern der zuvor aufgebrachten Siliziumquelle weitestgehend vermieden werden kann. Advantages of this embodiment are evident, for example, in the use of slips, pastes and dispersions as a silicon source. Complete drying of applied layers makes it possible to build up homogeneous layer thicknesses since the chipping of the previously applied silicon source can be largely avoided.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die beim Erhitzen verwendeten Parameter derart gewählt, dass eine Mischschicht erzeugt wird, in der eine Siliziumkonzentration über eine Dicke der Schicht in Richtung zum Bauteil abfällt und/oder eine Kohlenstoffkonzentration in Richtung zum Bauteil ansteigt oder ein Maximum durchläuft. Bevorzugt wird erreicht, dass die Siliziumkonzentration zur Bauteiloberfläche hin abnimmt. According to a further embodiment, the parameters used during heating are chosen such that a mixed layer is produced in which a silicon concentration drops over a thickness of the layer in the direction of the component and / or a carbon concentration increases or reaches a maximum in the direction of the component. It is preferably achieved that the silicon concentration decreases towards the component surface.

Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich beispielsweise aus der guten Haftung, besonders vorteilhaften Abrasionseigenschaften und/oder besonderer Korrosionsbeständigkeit der erzeugten Gradientenschichten. Zusätzlich erlauben es die erzielten Gradientenschichten, den Elastizitätsmodul der Oberfläche gezielt einstellen zu können. Advantages of this embodiment result, for example, from the good adhesion, particularly advantageous abrasion properties and / or particular corrosion resistance of the gradient layers produced. In addition, the gradient layers achieved allow the elastic modulus of the surface to be adjusted in a targeted manner.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens werden die beim Erhitzen verwendete Parameter ausgewählt unter: einer Stromstärke und/oder einer Spannung einer gepulsten oder einer ungepulsten Gleichspannung. According to a further embodiment of the proposed method, the parameters used during heating are selected from: a current intensity and / or a voltage of a pulsed or an unpulsed DC voltage.

Das bietet den Vorteil, sowohl die Oberflächentemperatur des Bauteils als auch die Schnelligkeit der Schichtabscheidung und damit die Struktur der SiC-Schicht steuern und auf bevorzugte Werte einstellen zu können. This offers the advantage of being able to control both the surface temperature of the component and the speed of the layer deposition and thus the structure of the SiC layer and to be able to set them to preferred values.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Dicke der abgeschiedenen Siliziumcarbidschicht durch die Menge der pro Flächeneinheit aufgebrachten Stoffmenge Silizium eingestellt. Gleichzeitig oder alternativ dazu wird eine Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Siliziumcarbidschicht durch die Parameter Stromstärke, Konzentration und die Art eines verwendeten Schutzgases oder eines verwendeten Schutzgasgemischs bzw. Prozessgases oder Prozessgasgemischs sowie durch eine Anpassung der zur Erhitzung verwendeten Parametern gesteuert. According to a further embodiment of the proposed method, the thickness of the deposited silicon carbide layer is adjusted by the amount of the amount of silicon applied per unit area. At the same time or alternatively, a surface condition of the silicon carbide layer produced is controlled by the parameters current intensity, concentration and the type of protective gas or a protective gas mixture or process gas or mixture used and by adjusting the parameters used for heating.

Vorteile ergeben sich durch die somit erreichbare Oberflächengüte der mit SiC ausgerüsteten Graphitschicht, insbesondere hinsichtlich ihrer gesteigerten Abriebfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Advantages result from the thus achievable surface quality of the SiC-equipped graphite layer, in particular with regard to their increased abrasion resistance and wear resistance.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten SiC-Schicht ausgewählt unter einer Haftfestigkeit der SiC-Schicht auf dem Bauteil, einer Rauheit, einer Porosität und/oder einer Härte. Eine bevorzugte Haftfestigkeit liegt insbesondere bei einer stoffschlüssigen Verbindung der SiC-Schicht zum Graphit vor. Eine vorteilhafte Oberflächenbeschaffenheit kann insbesondfere in einer spezifischen Rauheit oder Rautiefe der Oberfläche bestehen. Bevorzugte Rauheiten liegen im Bereich von 10 bis 80, bevorzugt im Bereich von 20 bis 40 µm. According to a further embodiment, the surface condition of the SiC layer produced is selected from an adhesion strength of the SiC layer on the component, a roughness, a porosity and / or a hardness. A preferred adhesive strength is in particular in a cohesive connection of the SiC layer to the graphite. An advantageous surface finish may consist in particular in a specific roughness or surface roughness of the surface. Preferred roughnesses are in the range of 10 to 80, preferably in the range of 20 to 40 microns.

Gemäß weiterer Ausführungsformen wird ein Formkörper umfassend Graphit vorgeschlagen, der eine gesteigerte Verschleißfestigkeit aufweist. Der Formkörper kann vollständig oder teilweise aus Graphit oder einem Kohlenstoffhaltigen Material bestehen. In jedem Fall aber weist er eine Oberfläche auf, die zumindest teilweise mit einer SiC-Schicht ausgestattet ist, wobei die Ausstattung der Oberfläche erfolgt, indem ein siliziumhaltiges Material auf die Oberfläche aufgebracht wird und unter Einwirkung eines Plasmalichtbogen zumindest bis zur Schmelztemperatur von Silizium erhitzt wird. According to further embodiments, a molded article comprising graphite is proposed, which has an increased wear resistance. The molding may be wholly or partially made of graphite or a carbonaceous material. In any case, however, it has a surface which is at least partially provided with a SiC layer, wherein the surface is provided by a silicon-containing material is applied to the surface and is heated under the action of a plasma arc at least up to the melting temperature of silicon ,

Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der Ausbildung einer SiC-Schicht auf dem Graphit im Ergebnis der Einwirkung des Lichtbogens und der damit gesteigerten Abriebfestigkeit des Formkörpers gegenüber einem gleichgestaltigen Formkörper, dessen Oberfläche lediglich unmodifizierten Graphit bzw. unmodifiziertes Kohlenstoffhaltiges Material aufweist. Advantages of this embodiment are the formation of a SiC layer on the graphite as a result of the action of the arc and thus increased abrasion resistance of the molded body compared to a uniform shape body whose surface has only unmodified graphite or unmodified carbonaceous material.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, einen derartig mit Siliziumcarbid (SiC) modifizierten Formkörper für die Herstellung oder Handhabung eines Walzgutes, insbesondere eines eisenhaltigen Walzgutes zu verwenden. Beispielsweise können Graphitwalzen bzw. Rollen oder mit Graphit beschichtete Rollen oder Walzen im Stahlwerk zum Walzen eines Rohlings oder zur Führung eines Walzgutes, eines Rohlings oder eines gewalzten Stranges genutzt werden. According to a further embodiment, it is proposed to use a shaped body modified in this way with silicon carbide (SiC) for the production or handling of a rolling stock, in particular of a ferrous rolling stock. For example, graphite rolls or rolls or graphite-coated rolls or rolls can be used in the steel mill for rolling a blank or for guiding a rolling stock, a blank or a rolled strand.

Vorteile bestehen in einer gesteigerten Abriebfestigkeit gegenüber dem nicht mit SiC ausgerüsteten Formkörper, einer Walze oder Rolle, insbesondere einer verlängerten Standzeit. Advantages consist in an increased abrasion resistance compared to the moldings not equipped with SiC, a roller or roller, in particular an extended service life.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Dabei können mehrere Ausführungsformen ausgewählt und miteinander kombiniert werden. Ebenso können alle Ausführungsformen unter Weglassen einzelner oder mehrerer Ausführungsformen oder Weglassen spezifischer Merkmale miteinander kombiniert werden. The above-described embodiments may be arbitrarily combined with each other. In this case, several embodiments can be selected and combined with each other. Similarly, all embodiments may be combined with omission of one or more embodiments or omission of specific features.

Die beiliegenden Figuren veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechend ähnliche Teile. The accompanying figures illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. The elements of the drawings are relative to one another and not necessarily to scale. Like reference numerals designate corresponding parts to one another.

1 zeigt die Erzeugung einer SiC-Schicht durch Plasmabehandlung einer auf ein Werkstück aufgebrachten Schicht mit Hilfe eines WIG-Handbrenners. 1 shows the production of a SiC layer by plasma treatment of a layer applied to a workpiece using a TIG hand torch.

2 zeigt das Prinzip der Schichterzeugung im WIG-Lichtbogen. 2 shows the principle of layer generation in the TIG arc.

3 zeigt das Prinzip der Schichterzeugung im Plasma-Lichtbogen. 3 shows the principle of layer generation in plasma arc.

4 zeigt einen gerillten Probenkörper (Graphit) nach Beschichtung. 4 shows a grooved specimen (graphite) after coating.

Die Erzeugung der Siliziumkarbidschichten im Plasma ist unabhängig von der Art der Erzeugung des Plasmas. Wie in 1 gezeigt, kann ein Wolfram-Inertgas-Brenner (WIG-Handbrenner), wie er beispielsweise für das Inertgasschweissen verwendet wird verwendet werden. Die zu beschichtende Graphit-Probe 1 wird mit der Schlickerschicht 2 versehen. Nach dem Antrocknen wird der Lichtbogen 3 des Brenners 4 über die Probe geführt. Es hat sich bewährt, den Abstand der Kathode zur Oberfläche gleichmäßig zu halten. Dem, Fachmann, dem die Verfahrensweise des WIG-Schweissens vertraut ist, bereitet die Handhabung des Handbrenners keine Schwierigkeiten. Bei der manuellen Handhabung eines Handbrenners ist ein in etwa konstanter Abstand und eine in etwa konstante Fortschrittsbewegung von Vorteil für die Gleichmäßigkeit der erzeugten SiC-Schicht. The generation of the silicon carbide layers in the plasma is independent of the type of generation of the plasma. As in 1 A tungsten inert gas burner (TIG hand torch), as used, for example, for inert gas welding, can be used. The graphite sample to be coated 1 comes with the slip layer 2 Mistake. After drying, the arc becomes 3 of the burner 4 passed over the sample. It has been proven to keep the distance of the cathode to the surface evenly. Those skilled in the art familiar with the TIG welding procedure will find no difficulty in handling the handheld torch. When manually handling a hand torch, an approximately constant distance and an approximately constant advancement movement are advantageous for the uniformity of the SiC layer produced.

Gemäß typischen Ausführungsformen kann die Schichtausbildung automatisch erfolgen. Die in 2 gezeigte Vorrichtung zur Schichtmodifikation ist nach dem Prinzip des WIG-Schweißens konfiguriert. Sie umfasst zumindest einen Brenner 4, der das Inertgas 5, beispielsweise Argon, an der W-Elektrode 6 vorbeiführt, sodass sich ein Lichtbogen 3 zwischen der Oberfläche des Graphit-Teils 1, bzw. der kohlenstoffhaltigen Schicht 2 auf der Graphitprobe 1 ausbildet. Entweder der zumindest eine Brenner oder die Probe können kontinuierlich bewegt werden, sodass der Lichtbogen allmählich die gesamte mit dem Siliziumorganischen Ausgangsmaterial beschichtete Probenoberfläche überstreicht. According to typical embodiments, the layer formation can be done automatically. In the 2 The apparatus shown for layer modification is configured according to the principle of TIG welding. It includes at least one burner 4 that is the inert gas 5 , For example, argon, at the W electrode 6 passes, forming an arc 3 between the surface of the graphite part 1 , or the carbon-containing layer 2 on the graphite sample 1 formed. Either the at least one burner or the sample can be moved continuously so that the arc gradually sweeps over the entire sample surface coated with the organosilicon feedstock.

3 zeigt das Funktionsprinzip einer alternativen Ausführungsform der SiC-Beschichtung im Plasma-Lichtbogen. Der Brenner 4 führt beispielsweise ein beliebiges Plasmagas 5 und ein Schutzgas 7. Die Plasmawolke 3 wird kontinuierlich über die Oberfläche der auf das Graphitteil 1 aufgebrachten Schicht 2 der jeweils gewählten Zusammensetzung geführt, sodass stoffschlüssige eine SiC-Schicht auf der Oberfläche des Graphit 1 gebildet wird. 3 shows the principle of operation of an alternative embodiment of the SiC coating in the plasma arc. The burner 4 leads, for example, any plasma gas 5 and a protective gas 7 , The plasma cloud 3 is continuously over the surface of the graphite part 1 applied layer 2 the respectively selected composition, so that cohesive SiC layer on the surface of the graphite 1 is formed.

In 4 ist ein gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel modifizierter Probenkörper gezeigt. Die gerillte Probenoberfläche wurde bei 135 A unter einem Arbeitsabstand von 22 mm des Brennerkopfes eines Handbrenners (Speedway SW 418) zur Probenoberfläche mit einer SiC-Schicht versehen. Eine Ausschnittsvergrößerung des in 4A umrahmten Bereichs ist in 4B gezeigt. Typischerweise liegt die Rauheit, in Abhängigkeit von der ursprünglichen Rauheit der Oberfläche des Bauteils, im Bereich von 20 µm bis 60 µm, teilweise bis 80 µm und ist insgesamt recht ausgeglichen. Im vorliegenden Fall zeigte die statistische Auswertung gemessener Werte Rauheiten R_a im Bereich von 9 bis 11 µm und für R_z im Bereich von 65 bis 85 µm. In 4 a modified according to a practical embodiment sample is shown. The grooved sample surface was provided with a SiC layer at 135 A at a working distance of 22 mm from the burner head of a hand-held burner (Speedway SW 418) to the sample surface. An excerpt from the in 4A framed area is in 4B shown. Typically, the roughness, depending on the original roughness of the surface of the component, is in the range of 20 microns to 60 microns, sometimes up to 80 microns and is quite balanced overall. In the present case, the statistical evaluation of measured values showed roughnesses R _a in the range of 9 to 11 μm and for R _z in the range of 65 to 85 μm.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ein siliziumhaltiges Material auf ein Kohlenstoffhaltiges Material, bevorzugt auf ein zumindest überwiegend aus elementarem Kohlenstoff bestehendes Bauteil aufgebracht wird und dass das Bauteil mit dem siliziumhaltigen Material anschließend im Lichtbogen erhitzt wird. So kann auf einfache und kostengünstige Weise eine SiC-Schicht auf Graphit und anderen Kohlenstoff-Materialien aufgebracht und gleichzeitig fest verankert werden. In summary, it should be noted that, according to the proposed method, a silicon-containing material is applied to a carbonaceous material, preferably to a component consisting at least predominantly of elemental carbon, and that the component with the silicon-containing material is subsequently heated in the arc. Thus, a SiC layer can be applied to graphite and other carbon materials in a simple and cost-effective manner and at the same time firmly anchored.

Besonders zuverlässig funktioniert das Verfahren bei Bauteiloberflächen, die Graphit und/oder Kohlenstofffasern oder Fasergeflechte umfassen. Besonders vorteilhaft umfasst zumindest ein zu beschichtender Abschnitt der Oberfläche des Bauteils kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff, Graphit, expandierten Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, ein Fulleren und/oder ein anderes Kohlenstoffmaterial, beispielsweise Glaskohlenstoff. The method works particularly reliably for component surfaces comprising graphite and / or carbon fibers or fiber braids. Particularly advantageously, at least one section of the surface of the component to be coated comprises carbon fiber-reinforced carbon, graphite, expanded graphite, graphene, carbon nanotubes, a fullerene and / or another carbon material, for example glassy carbon.

Eine besonders gute Anbindung der erzeugten SiC-Schicht an das kohlenstoffhaltige Bauteil kann erreicht werden, wenn entweder das Bauteil zumindest teilweise auf eine Temperatur zwischen 1100 °C und 1500 °C, vorteilhafterweise zwischen 1350 °C und 1450 °C, insbesondere bis auf 1410 °C – die Schmelztemperatur von Silizium – erhitzt wird und/oder wenn ein zum Erhitzen verwendetes Medium eine solche Temperatur aufweist. Derartige Temperaturen können mit einem Lichtbogen erreicht werden. A particularly good connection of the SiC layer produced to the carbon-containing component can be achieved if either the component at least partially at a temperature between 1100 ° C and 1500 ° C, advantageously between 1350 ° C and 1450 ° C, in particular up to 1410 ° C - the melting temperature of silicon - is heated and / or if a medium used for heating has such a temperature. Such temperatures can be achieved with an arc.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Bauteil mit dem aufgebrachten siliziumhaltigen Material in die Funkenstrecke eines Lichtbogens eingebracht oder mit einem Plasma in Kontakt gebracht, das durch einen Lichtbogen gezündet wird, wobei der Lichtbogen weitestgehend ununterbrochen aufrechterhalten wird. Hierdurch werden besonders hohe Aufheizraten erreicht, wodurch Silizium aus dem siliziumhaltigen Material besonders weit in das Bauteil vordringen kann. Hierdurch wird eine besonders gute Haftung der SiC-Schicht auf dem Bauteil ermöglicht. Besonders günstig kann ein Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt werden, wenn der Lichtbogen von einem Schutzgas oder einem Prozessgasstrom umgeben ist. According to a particularly advantageous embodiment, the component is introduced with the applied silicon-containing material in the spark gap of an arc or brought into contact with a plasma which is ignited by an arc, wherein the arc is largely maintained uninterrupted. As a result, particularly high heating rates are achieved, whereby silicon from the silicon-containing material can penetrate particularly far into the component. As a result, a particularly good adhesion of the SiC layer on the component is made possible. A plasma can be generated by an arc in a particularly favorable manner if the arc is surrounded by an inert gas or a process gas stream.

Vorteilhaft wird als siliziumhaltiges Material ein siliziumhaltiger Schlicker verwendet. Dieser lässt sich besonders leicht aufbringen. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Aufsprühen, Aufpinseln oder durch Eintauchen des Bauteils in den siliziumhaltigen Schlicker erfolgen. Advantageously, a silicon-containing slip is used as the silicon-containing material. This is particularly easy to apply. The application can be done for example by spraying, brushing or by immersing the component in the siliceous slip.

Besonders vorteilhaft enthält das siliziumhaltige Material auch Kohlenstoff. Beispielsweise können Zellulose, Zelluloseether oder zelluloseetherhaltige Verbindungen im siliziumhaltigen Material, d.h. in der Siliziumquelle, enthalten sein. Durch das kohlenstoffhaltige Material können besonders schnell relativ dicke SiC-Schichten von 200 bis 1000 µm, bevorzugt von 400 bis 500 µm erzeugt werden, da die SiC-Schicht nicht ausschließlich durch Eindiffundieren von Silizium in das Bauteil entsteht, sondern der im siliziumhaltigen Material enthaltene Kohlenstoff eine Schichtbildung unterstützt. Dabei kann die Wirkung der zellulosehaltigen oder zelluloseetherhaltigen Verbindung in der Bereitstellung einer Pyrolysequelle und einer Stabilisierung des silizimhaltigen Pulvers, beispielsweise als Schutzkolloid, bestehen. Particularly advantageously, the silicon-containing material also contains carbon. For example, cellulose, cellulose ethers, or cellulose ether-containing compounds in the siliceous material, i. in the silicon source. The carbonaceous material makes it possible to produce relatively thick SiC layers of 200 to 1000 .mu.m, preferably of 400 to 500 .mu.m, particularly rapidly, since the SiC layer is not formed exclusively by diffusion of silicon into the component, but rather the carbon contained in the silicon-containing material supports a layer formation. In this case, the effect of the cellulose-containing or cellulose ether-containing compound in the provision of a Pyrolyquellen and a stabilization of the siliceous powder, for example as a protective colloid exist.

Vorteilhaft kann das siliziumhaltige Material auf nur einen Teil der Oberfläche des Bauteils aufgebracht werden. So ist es möglich, schutzbedürftige Bereiche des Bauteils mit einer Schutzschicht zu überziehen ohne unnötig Energie, Zeit und siliziumhaltiges Material zur Erzeugung einer SiC-Schicht an wenig beanspruchten Stellen des Bauteils zu verbrauchen. Advantageously, the silicon-containing material can be applied to only a part of the surface of the component. It is thus possible to coat protective areas of the component with a protective layer without unnecessarily consuming energy, time and silicon-containing material for producing a SiC layer at parts of the component which are not particularly stressed.

Um eine optimale Qualität der erzeugten SiC-Schicht zu gewährleisten, empfiehlt es sich, das siliziumhaltige Material nach dem Auftragen zu trocknen und das Bauteil mit dem siliziumhaltigen Material erst nach dem Trocknen zu erhitzen. Das Beschichtungsverfahren umfasst somit zusätzlich den Schritt: – Trocknen der Schicht des auf das Bauteil aufgebrachten siliziumhaltigen Materials. In order to ensure optimum quality of the SiC layer produced, it is recommended to dry the silicon-containing material after application and to heat the component containing the silicon-containing material only after drying. The coating process thus additionally comprises the step of: drying the layer of the silicon-containing material applied to the component.

Eine zusätzliche Reinigung der Oberfläche des Bauteils vor dem Aufbringen des siliziumhaltigen Materials kann die Qualität der SiC-Schicht weiter verbessern. Insbesondere kann eine verbesserte Haftung durch die Kombination eines form- und stoffschlüssigen Verbundes der Schicht mit dem Bauteil erzielt werden. Additional cleaning of the surface of the component prior to application of the silicon-containing material can further improve the quality of the SiC layer. In particular, improved adhesion can be achieved by the combination of a positive and cohesive bond of the layer with the component.

Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass aufwendige Ofenfahrten zur Herstellung von Si/SiC-Schichten auf kohlenstoffhaltigen Oberflächen, beispielsweise auf Graphitbauteilen, vermieden werden. An advantage of the proposed method is that expensive furnace runs for the production of Si / SiC layers on carbonaceous surfaces, for example on graphite components, are avoided.

Weiterhin erlaubt das vorgeschlagene Verfahren, beispielsweise bei der Erzeugung eines Plasmas durch Zünden eines örtlich definierten Plasma-Lichtbogens, ausgewählte Oberflächenabschnitte eines Bauteils unabhängig von der Größe des Bauteils bzw. dem üblicherweise beschränkten Fassungsvermögen eines zur Verfügung stehenden Spezialofens durchführen zu können. Furthermore, the proposed method, for example when generating a plasma by igniting a locally defined plasma arc, allows selected surface sections of a component to be able to be performed independently of the size of the component or the usually limited capacity of an available special furnace.

Vorteilhaft können Parameter beim Erhitzen so gewählt werden, dass eine Mischschicht erzeugt wird, in der eine Siliziumkonzentration in Richtung des Bauteilinneren kontinuierlich abfällt. Als Parameter kann beispielsweise eine Aufheizrate oder eine Endtemperatur dienen. Wird wie beschrieben ein Lichtbogen zum Erhitzen verwendet, so kann die Ausbildung einer Mischschicht auch durch eine Steuerung weiterer Parameter, wie z.B. einer Ladungsdichte, beeinflusst werden. Eine Erzeugung derartiger Mischschichten ist vorteilhaft, da durch diese eine Abrasions-, Oxidations- und/oder Korrosionsbeständigkeit besonders effektiv erhöht werden kann. Advantageously, parameters during heating can be selected such that a mixed layer is produced in which a silicon concentration continuously drops in the direction of the component interior. As a parameter, for example, serve a heating rate or a final temperature. If, as described, an arc is used for heating, the formation of a mixed layer can also be achieved by controlling further parameters, such as e.g. a charge density, be influenced. A generation of such mixed layers is advantageous because it can be particularly effectively increased by this abrasion, oxidation and / or corrosion resistance.

In ähnlicher Weise können durch Parameter beim Erhitzen die Oberflächeneigenschaften der SiC Schicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine SiC-Schicht erzeugt werden, die einen bestimmten Reibungskoeffizienten aufweist. Similarly, heating parameters can affect the surface properties of the SiC layer. For example, a SiC layer can be produced which has a certain coefficient of friction.

Das insgesamt beschriebene Verfahren zur Beschichtung von kohlenstoffhaltigen Bauteilen und insbesondere von Graphit und Kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff ist einfach und kostengünstig durchführbar, wobei die Haftung der erzeugten SiC-Schicht auf der Oberfläche so einstellbar ist, dass eine Abrasionsfestigkeit der Materialoberfläche, eine chemische Beständigkeit – vorrangig gegenüber Oxidation, und eine Härte deutlich gesteigert werden kann. The overall method described for coating carbonaceous components and in particular graphite and carbon fiber reinforced carbon is simple and inexpensive to carry out, wherein the adhesion of the SiC layer produced on the surface is adjustable so that an abrasion resistance of the material surface, a chemical resistance - prior to oxidation , and a hardness can be increased significantly.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren. The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.

Claims

Method for at least partially coating a carbon-containing component ( 1 ) with a silicon carbide layer ( 2 ), comprising the steps: - providing a component ( 1 ) comprising elemental carbon, - depositing a silicon-containing material on a portion of the component to be coated ( 1 ), which comprises elemental carbon, - at least partially heating the component section provided with a silicon-containing material in a plasma generated by an arc.

The method of claim 1, wherein a surface of the elementary carbon component ( 1 ) Comprises graphite, a carbon fiber, a carbon fiber braid, a carbon fiber scrim, a carbon fiber reinforced carbon, graphene, a fullerene, glassy carbon and / or carbon nanotubes.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least partially heating takes place at least up to the melting temperature of silicon.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least partially heating by introducing the component into a plasma ( 3 ), which is generated by an arc.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating in the presence of an additionally supplied gas ( 5 ), which is selected from nitrogen, hydrogen, a noble gas, preferably argon or helium, or a mixture of at least two of the named gases.

The method of claim 4, wherein the arc is generated by a burner electrode acts as a cathode and the component as an anode.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the silicon-containing material comprises a powder.

The method of claim 7, wherein the silicon-containing material is provided in the form of a slurry, a dispersion or a paste.

The method of claim 7, wherein the powder is supplied via the plasma arc and / or in its immediate vicinity, for example by a gas stream, a process zone.

The method of claim 9, wherein the powder is supplied with at least one according to claim 5 additionally supplied gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the application of silicon-containing material is carried out by: spraying, dusting, brushing or by immersing the component in the silicon-containing material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the silicon-containing material contains a carbonaceous material, preferably a cellulose compound, in particular a cellulose ether and / or a cellulose ether-containing compound.

The method of any one of the preceding claims, further comprising: - Drying of the applied silicon-containing material.

Method according to one of the preceding claims, wherein the parameters used in the heating are selected such that a mixed layer is generated in which a silicon concentration over a thickness of the layer decreases towards the component and / or a carbon concentration increases towards the component or a maximum passes.

The method of claim 14, wherein the parameters used in the heating are selected from: a current strength and / or a voltage of a pulsed or an unpulsed DC voltage.

Method according to one of the preceding claims, wherein a thickness of the silicon carbide layer is adjusted by the molar amount of silicon applied per unit area.

Method according to one of the preceding claims, wherein a surface condition of the silicon carbide layer produced is controlled by the parameters current intensity, voltage concentration and / or type of additionally added gas.

A method according to claim 17, wherein the surface finish is selected from an adhesive strength of the SiC layer on the component, a roughness, a porosity and / or a hardness.

A molded article comprising graphite having increased wear resistance, comprising a graphite surface, wherein the graphite surface is at least partially provided with a SiC layer by heating a silicon-containing material on the graphite surface in a plasma arc at least to the melting temperature of silicon.

Use of a molded article comprising graphite or a carbonaceous material, wherein a surface of the graphite or the carbonaceous material at least partially comprises a SiC-containing layer for the production or handling of a rolling stock.