DE1950066A1 - Coated item and process for its manufacture - Google Patents

Coated item and process for its manufacture

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Description

Patentanwälte Dfpl.lng.F.WcfctaEnn, 1950066Patent attorneys Dfpl.lng.F.WcfctaEnn, 1950066

Oipl. Ing. F-LlVCiSkXiUR, üfl. Chain. ilHuber
8 München 27, USbUtr.22
Oipl. Ing.F-LlVCiSkXiUR, üfl. Chain. ilHuber
8 Munich 27, USbUtr. 22

Case 2Ö616-7 Case 2Ö616-7

GULP GENERAL ATOMIC INC.GULP GENERAL ATOMIC INC.

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San Diego / CALIFORNIA, USASan Diego / CALIFORNIA, USA Überzogener Gegenstand undCoated object and BsaaaxiaaaaesasssaaasassaaBsaaaxiaaaaesasssaaasassaa Verfahren zu seiner HerstellungProcess for its manufacture

Die Erfindung betrifft das Überziehen von Gegenständen und insbesondere Verfahren zum Überziehen von Gegenständen mit pyrolytischem Kohlenstoff sowie die nach diesen Verfahren hergestellten Erzeugnisse»The invention relates to the coating of objects and in particular processes for coating objects with pyrolytic carbon, as well as those according to these processes manufactured products »

Das Überziehen von Gegenständen mit pyrolytiechem Kohlenstoff ist ein bekannter Überziehvorgang, ßr wird im allgemeinen so ausgeführt, daß auf Gegenständen pyrolytlecher Kohlenstoff abgeschieden wird, der durch Zersetzung bei hoher Temperatur (Pyrolyse) von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wie flüchtigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, gebildet wird· Aus der US-Patentschrift 3 29Ö 921 sind verschiedene spezifische Beispiele für das Erzielen einer derartigen Ablagerung bekannt. Dabei sind die Arten des gebildeten kristallinen pyrolytischen Kohlenstoffes definiert. Ein bevorzugtes Übersiehverfahren gemäß dieser Patentschrift besteht in einem Wirbelbettverfahren, bei dem das Kohlenwasserstoffgas oder eine MischungThe coating of objects with pyrolytic carbon is a well-known coating process, ßr is generally carried out so that pyrolytic carbon on objects deposited by decomposition at high temperature (Pyrolysis) of carbonaceous substances, such as volatile or gaseous hydrocarbons, is formed · From the Various specific examples of achieving such a deposition are known in U.S. Patent 3,290,921. The types of crystalline formed are pyrolytic Carbon. A preferred overspray process in accordance with this patent is a fluidized bed process in which the hydrocarbon gas or a mixture

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des Kohlenwasserstoffgases mit einem Trägergas dazu verwendet wird, ein Bett von zu überziehenden Gegenständen in Schwebe zu halten.of the hydrocarbon gas is used with a carrier gas to move a bed of objects to be coated in To keep levitation.

Bei dem Überziehen im Wirbelbett und bei anderen bekannten möglichen Verfahren zum Abscheiden von pyrolytischotn Kohlenstoff werden für die Erzeugung der Zersetzung des Kohlen» wasserstoffgases hohe Temperaturen verwendet» Derartige Zersetzungstemperaturen variieren beispielsweise zwischen öoo° C und 23oo° C. Bei derartigen hohen Temperaturen zer» setzt sich das Kohlenwasserstoffgas und auf den Gegenständen wird elementarer Kohlenstoff abgeschieden«With coating in a fluidized bed and with other known ones possible processes for the deposition of pyrolytic carbon are used for the production of the decomposition of the carbon » hydrogen gas uses high temperatures »Such Decomposition temperatures vary between, for example öoo ° C and 23oo ° C. At such high temperatures the hydrocarbon gas and settles on the objects elemental carbon is deposited "

Durch geeignete Wahl der Temperatur, der kohlenstoffhaltigen Substanz und anderer Betriebsvariabler erhält man verschiedene unterschiedliche Arten von pyrölytischem Kohlenstoff« Wie in der vorstehend genannten Patentschrift angeführt ist? können wenigstens drei verschiedene Kohlenstoffstrukturen erzielt werden, nämlich laminarer Kohlenstoff, isotroper Kohlenstoff und körniger Kohlenstoff· Die Festigkeiten dieser Arten von pyrölytischem Kohlenstoff ändern sich. Wenn man bei dem abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoff hohe Festigkeiteeigenschaften erzielen will, verwendet man stärkere Kohlenstoff arten, d. h. isotropen oder laminaren Kohlenstoff.By suitable choice of temperature, the carbon-containing one Substance and other operational variables one obtains various different types of pyrolyctic carbon " As stated in the above patent? can have at least three different carbon structures be achieved, namely laminar carbon, isotropic carbon and granular carbon · The strengths of these Types of pyrolytic carbon vary. If you are at If the deposited pyrolytic carbon wants to achieve high strength properties, one uses stronger types of carbon, d. H. isotropic or laminar carbon.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abscheiden von pyrolytischesi Kohlenstoff zu schaffen, wobei eine hohe Strukturfestigkeit erzielt wird. Ein weiteres Ziel.besteht darin, feste Gegenstände zu schaffen, die mit pyrölytischem Kohlenstoff überzogen sind·The object of the present invention is to provide a method for depositing pyrolytic carbon, whereby a high structural strength is achieved. Another goal. Is to create solid objects that go with are coated with pyrolytic carbon

Erfindungsgemäß werden die Bedingungen der pyrolytischen Kohlenstoffabscheidung sorgfältig gesteuert, um pyrolytischen Kohlenstoff abzuscheiden bzw. abzulagern, der einen Wärmeaus-According to the invention, the conditions of the pyrolytic Carbon deposition carefully controlled to be pyrolytic To deposit or deposit carbon, which releases heat

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dehnungskoeffinzienten hat, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des su überziehenden Gegenstandes, so daß der pyrolytische Kohlenstoff, nachdem sieh der über« zogene Gegenstand auf Raumtemperatur abgekühlt hat, unter einer tangentialen Druckbeanspruchung steht« Man nimmt an« daß irgendeine wesentliche tangential© Druckbeanspruohung, die hervorgerufen wird, die Strukturfestigkeit des beschichteten Gegenstandes erhöht und daß die sich ergebende Pestig· keit des überzogenen Gegenstandes umso größer ist, Je größer der Betrag der tangentialen Druckbeanspruchung ±ntt bis »ine obere Grenz«, wie später erwähntf erreicht ist. Di· Kohlen» stoffe, auf denen das Hauptinteresse liegt, sind isotrope Kohlenstoff· t die bei Temperaturen von etwa I5oo° C oder darunter abgeschieden werden« Diese Kohlenstoffe haben einen Bruchmodul im Bereich von 21{1 kg/mm (3o ooo psi ) bisHas expansion coefficient which is less than the coefficient of thermal expansion of the object to be coated, so that the pyrolytic carbon, after the coated object has cooled to room temperature, is under a tangential compressive stress is caused, the structural strength of the coated object is increased and that the resulting resistance of the coated object is greater, the greater the amount of tangential compressive stress ± nt t up to "an upper limit", as mentioned later f is reached. Di · coals "materials on which the main interest is located, are isotropic carbon · t are deposited at temperatures of about I5oo ° C or below" These carbons have up to a modulus of rupture in the range of 21 {1 kg / mm (3o ooo psi)

49r 2 kg/nun (7o ooo psi ) und sind deshalb gut in der Lage, diesen tangentialen Druckbeanspruchungen zu wiederstehen.49 r 2 kg / now (70,000 psi) and are therefore well able to withstand these tangential pressure loads.

Insbesondere hat pyrolytischer Kohlenstoff unter Druckspannung eine größere strukturelle Festigkeit als unter Zug» spannung. Unter Ausnutzung des Vorteils dieser höheren Druck·» festigkeit ist es möglich, einen überzogenen Gegenstand mit hoher Strukturfestigkeit herzustellen* Die Verwendung dieser relativ hohen Temperaturen, die für ein Erreichen der Pyrolyse des Kohlenwasserstoffgases und der darauffolgenden Abscheidung auf dem zu überziehenden Gegenstand erforderlich sind, erleichtern das Erreichen dieses Zwecks aufgrund des großen, verfügbaren Temperaturunterschiedes.In particular, pyrolytic carbon has greater structural strength under compressive stress than under tension » tension. Taking advantage of this higher compressive strength, it is possible to use a coated object to produce high structural strength * The use of these relatively high temperatures necessary for achieving pyrolysis of the hydrocarbon gas and the subsequent deposition are required on the object to be coated, facilitate the achievement of this purpose due to the large, available temperature difference.

Wegen der hohen Temperaturent bei welchen die Pyrolyse durchgeführt wirdt sind die Materialien« aus denen die zu überziehenden. Gegenstände hergestellt werden können, etwas begrenzt. Bin derartiger Stoff, auf den manchmal als Grund» stoff bzw. Substrat Dezug genommen wird, soll bei den Pyrolysetemperaturen kaine wesentlichen Festigkeitsverluste auf-Because of the high temperatures t in which the pyrolysis is carried out t the materials "from which the article to be coated. Items can be made somewhat limited. Such a substance, which is sometimes used as a base material or substrate, should not suffer any significant loss of strength at the pyrolysis temperatures.

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weisen und chemisch nicht mit den Substanzen in der Pyrolysezone reagieren. Beispiele für geeignete Substratstoffe umfassen Kohlenstoff, insbesondere Graphit, Tantal, Wolfram, Molybdän, Legierungen davon und feuerfeste Materialien ganz allgemein,, wie Mullit« Der Wärmeausdehnungskoeffizient von möglichen Substratmaterialien ist.üblicherweise bekannt oder« wenn er nicht bekannt ist, leicht zu bestimmten. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung werden üblicherweise Substrate mit Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen etvra 6 und 9 χ Ιο"6/00 gewählt.and do not chemically react with the substances in the pyrolysis zone. Examples of suitable substrate materials include carbon, in particular graphite, tantalum, tungsten, molybdenum, alloys thereof and refractory materials in general, such as mullite. The coefficient of thermal expansion of possible substrate materials is usually known or, if not known, easily determined. Usually substrates are chosen with thermal expansion coefficients between etvra 6 and 9 χ Ιο "6/00 for the purposes of the present application.

Der zu überziehende Gegenstand wird in der Zone angeordnet,, in der die Pyrolyse durchgeführt werden soll, und darin.auf eine vorher ausgewählte Temperatur erhitzt. Diese Temperatur ist, wie später ausgeführt wird, funktionoll von der Art dee abzuscheidenden Kohlenstoffs, von dem erwünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten des abgeschiedenen Kohlenstoffs und von der Größe der endgültigen tangentialen Druckbeanspruchung, die bei dem kalten überzogenen Gegenstand erreicht wird, abhängig» Die Temperatur und die anderen Überziehbedingungen werden dementsprechend gewählt, um den gewünschten speziellen kristallinen Typ des Kohlenstoffs und einen vorher gewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kohlenstoffs, der geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substratmateriala, zu schaffen.The object to be coated is placed in the zone in which the pyrolysis is to be carried out, and in heated to a preselected temperature. This temperature, as will be explained later, is functional of the type dee carbon to be deposited, the desired coefficient of thermal expansion of the deposited carbon and on the size of the final tangential compressive stress that when the cold coated object is reached, depending on the temperature and the other coating conditions chosen accordingly to the particular crystalline type of carbon desired and one previously chosen Coefficient of thermal expansion of carbon, the lower is than the coefficient of thermal expansion of the substrate material a, to accomplish.

Oa eines der Ziele des Überziehvorgangs darin besteht, ein Erzeugnis mit hoher Strukturfestigkeit herzustellen, sollte der verwendete pyrölytische Kohlenstoff dieses Ziel vervollständigen. Im allgemeinen soll die Dichte des abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoffes wenigstens etwa 1,5 g/cnr betragen, da poröse Kohlenstoffe gegen Druck keinen so hohen Widerstand aufweisen wie dichtere Kohlenstoffe. Oa eine gute. Strukturfestigkeit ein Kriterium für das sich ergebendeOa one of the goals of the enrobing process is to provide a Manufacture of product with high structural strength should be the pyrolyctic carbon used complete this goal. In general, the density of the deposited pyrolytic carbon should be at least about 1.5 g / cm2, since porous carbons do not have as high a resistance to pressure as denser carbons. Oa good one. Structural strength a criterion for the resulting

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Produkt ist, sollte gleicherweise der pyrolytisch« Kohlenstoff überzug stark genug sein, um eine derartige Festigkeit zu erzeugen» Dementsprechend ist der pyrolytisch« Kohlenstoff üb er zug wenigstens etwa 23 M dick und hat ttblicherweise eine Stärke von loo u oder mehr. Obwohl sowohl laminare als auch isotrope Kohlenstoffe zur Herstellung von überzöge·» nen Gegenständen mit guter Strukturfestigkeit verwendet wer» den können,, bevorzugt man isotropen Kohlenstoff, da er keine Neigung zum Aufspalten aufweist und in den isotropen Über» zügen auf ungleichförmigen Umrissen an Stellen, wo kle±ne Krümmungsradien auftreten, keine Spannungen infolge anisotroper Expansion entstehen« Im allgemeinen wird isotroperProduct, the pyrolytic carbon coating should likewise be strong enough to provide such strength To produce "accordingly, the pyrolytic" carbon is at least about 23M thick and usually has a thickness of 100 microns or more. Although both laminar as well as isotropic carbons for the production of coatings · » objects with good structural strength are used » den can, isotropic carbon is preferred because it does not contain any Has a tendency to split and in the isotropic coatings on non-uniform outlines in places where small Radii of curvature occur, no stresses arise as a result of anisotropic expansion «In general, isotropic

Kohlenstoff bevorzugt, der eine scheinbare KrietallitgrBöeCarbon, which has an apparent crystallite size, is preferred

ο von etwa 5o A oder weniger hat und bei Temperaturen zwischenο of about 50 A or less and at temperatures between etwa 12oo C und 15oo C abgeschieden ist·about 1200 C and 1500 C is deposited

Das Abkühlen des überzogenen Gegenstandes von der hohen Ab·» Scheidungstemperatur führt zu einer Schrumpfung oder Kontraktion, von sowohl dem Substratmaterial als auch dem Überzug» Um die gewünschte tangentiale Druckbeanspruchung zu erzielen, muß dio Vorbindung zwischen dein Kohlenstoff über zug und dem Substrat genügend fest sein und der Wärmeausdehnungekoeffizient des Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff soll eich von dem Wärmeaustauschkoeffizienten des Substrate nicht so stark unterscheiden, daß die Bindung bricht oder reißt» Andererseits soll der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kohlenstoffs mit Sicherheit nicht größer sein als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrätmaterials, damit der Überzug beim Abkühlen nicht unter Spannung gesetzt wird, was ihn für ein Reißen anfälliger machen würde. Oer Wärmeausdehnungskoeffizient des Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff ist durch Auswahl geringer als der des Substratmaterials, so daß nach Abkühlen des überzogenen Gegenstandes sich das Substratmaterial mehr zusammenzieht als der Überzug und den Überzug unter eine tangentiale Druckbeanspruchung setzt. Der Unterschied der Koeffizienten sollThe cooling of the coated object from the high deposition temperature leads to a shrinkage or contraction of both the substrate material and the coating. In order to achieve the desired tangential compressive stress, the preliminary bond between the carbon coating and the substrate must be sufficiently strong and the coefficient of thermal expansion of the pyrolytic carbon coating should not differ so much from the coefficient of heat exchange of the substrate that the bond breaks or tears is put under tension, which would make it more prone to tearing. The coefficient of thermal expansion of the pyrolytic carbon coating is selected to be less than that of the substrate material so that after the coated article has cooled, the substrate material contracts more than the coating and the coating are subjected to tangential compressive stress. The difference in the coefficients should be

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jedoch nicht so groß sein, daß nach dem Kühlen die Druck-Bruchbeanspruchung des Überzugs erreicht wird, was zu einer . Zerstörung des Überzugs führen würde, oder daß sich das Substrat von dem Überzug an der dazwischenliegenden Grenzfläche abtrennt.however, not so large that the compressive fracture of the coating is reached after cooling, resulting in a . Destruction of the coating, or that the Severing substrate from coating at the interface therebetween.

Die Größe der tangentialen Druckbeanspruchung in dem Überzüge* material nach dem Abkühlen hängt nicht nur von dein Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialien ab. sondern auch von dem Temperaturunterschied zwischen der Abscheidungstemperatur und der Umgebungstemperatur» Die zu erwartende Temperaturdifferenz wird deshalb bei dar Bestimmung des gewünschten Wärmeau3dehnungskoeffi° zienten für den abzuscheidenden pyrolytischen Kohlenstoff berücksichtigt. Aufgrund der unterschiedlichen miteinander in Beziehung stehenden Variablen, die berücksichtigt werden müssen, kann kein.fester Zahlenwert definitiv angegeben werden· Üblicherweise ist jedoch der Wärmeausdehnungs« koeffizient des Substrats nicht mehr als etwa 5o % gr'a&tr als der des KohlenstoffÜberzugs.The size of the tangential compressive stress in the coating * material after cooling does not only depend on the difference in the coefficients of thermal expansion of the respective materials. but also from the temperature difference between the deposition temperature and the ambient temperature. The expected temperature difference is therefore taken into account when determining the desired coefficient of thermal expansion for the pyrolytic carbon to be deposited. Due to the various interrelated variables that have to be taken into account, no fixed numerical value can be given definitively. However, the coefficient of thermal expansion of the substrate is usually no more than about 50 % greater than that of the carbon coating.

Venn der überzogen· Gegenstand bei Temperaturen verwendet wird, die sich von der Umgebungstemperatur unterscheiden, dann wird die Temperatur der beabsichtigten Verwendung eben·» falls berücksichtigt. Vorzugsweise soll der Überzug sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei der Gebrauchstemperaturt wenn al« sich unterseil·!dan, unter einer tangantialen Druck« beanspruchung stehen.If the coated article is used at temperatures different from the ambient temperature, then the temperature of the intended use will also be taken into account. Preferably, the coating should both ambient temperature and at the use temperature t when al "under rope ·! Dan, are under pressure tangantialen" stress.

Der Bruchmodul von bei etwa 15oo° C oder darunter abgeschiedenem pyrolytischen Kohlenstoff soll 21,1 kg/mm ()o ooo psi ) übersteigen. Bei Überzügen aui pyrolytischem Kohlenstoff wurden tangential· Druckbeanspruchungen zwischen etwa 3(52 kg/mm2 (5 ooo psi ) und 21,1 kg/mm Oo ooo psi )The modulus of rupture of pyrolytic carbon deposited at about 150 ° C or below is said to exceed 21.1 kg / mm () o, ooo psi). In the case of coatings made of pyrolytic carbon, tangential compressive loads between about 3 (52 kg / mm 2 (5,000 psi) and 21.1 kg / mm Oo, ooo psi)

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erzielt, wobei die sich ergebenden Überzogenen Gegenstände hohe Strukturfestigkeiten aufweisen. Sine tangentiäle Druck* , beanspruchung mit wenigstens einer Höhe von l(t,i kg/mm (2o ooo psi ) kann erzielt werden, wenn ein Substrat aus Graphit verwendet wird, mit dem der pyrolytische Kohlenstoff eine hervorragende Bindung bildet. Eine tatsächliche Obere Grenze für die tangentiale Druckfestigkeit ist nicht bestimmt worden und hängt sehr wahrscheinlich wenigstens teilweise von dem Substratmaterial und davon ab, wie fest eine Bindung daran erzielt wird. Im allgemeinen tritt, wenn diese obere Grenze überschritten wird, wenn die Kohlenstoffschicht relativ dick ist, ein Lösen der Bindung ein, und 'wenn der Kohlenstoffüberzug dünn ist, erfolgt eine Zerstörung der Kohlenstoffschicht durch Druck«achieved, the resulting Coated Articles have high structural strengths. Sine tangential pressure *, load with at least a height of l (t, i kg / mm (20,000 psi) can be achieved using a graphite substrate with which the pyrolytic carbon forms an excellent bond. An actual one The upper limit for the tangential compressive strength is not has been determined and is very likely at least hanging depends in part on the substrate material and how tightly a bond is achieved thereto. Generally occurs when this upper limit is exceeded if the carbon layer is relatively thick, a loosening of the bond, and If the carbon coating is thin, it will be destroyed the carbon layer through pressure "

Erfindungsgemäß können Gegenstände mit verschiedenen geometrischen Formen überzogen werden. Gewöhnlich ist die größte Abmessung der überzogenen Gegenstände wenigstens gleich 12,7 mm (1/2 inch), da die Festigkeit des Gegenstandes ein gewünschter Vorteil ist. Für einige besondere Zwecke jedoch können kleinere Gegenstände erwünscht sein. Kugeln, Stäbe und sogar Rohre sind Beispiele für derartige Gegenstände, die mit guter Strukturfestigkeit hergestellt werden können»According to the invention, objects with various geometric shapes can be coated. Usually is the largest Dimension of the coated articles at least equal to 12.7 mm (1/2 inch) as the strength of the article is one desired benefit is. For some special purposes, however, smaller items may be desired. Balls, bars and even pipes are examples of such items that can be made with good structural strength »

Die folgenden Beispiele zeigen zur Erläuterung zwei Verfahren zur Herstellung von festen, mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Gegenständen. Beide Beispiele verwenden die allgemein bevorzugten Verfahren zum Abscheiden von isotropem Kohlenstoff bei Temperaturen unter etwa 15oo° C. Für die Zwecke der weiteren Erklärung ist es, wenn ein pyrolytisches Abscheidverfahren verwendet wird, nicht wesentlich schwieriger, isotropen Kohlenstoff bei Temperaturen unter etwa I5oo° C abzuscheiden, als laminaren Kohlenstoff oder bei höherer Temperatur abgeschiedenen isotropen Kohlenstoff abzulagern*The following examples illustrate two procedures for the production of solid, with pyrolytic carbon coated objects. Both examples use the generally preferred methods of depositing isotropic Carbon at temperatures below about 15oo ° C. For the The purpose of further explanation is if a pyrolytic Deposition process used, not significantly more difficult, isotropic carbon at temperatures below about I5oo ° C to be deposited as laminar carbon or isotropic carbon deposited at a higher temperature *

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Da derartige ni edri gteiap era tur~i sot rope Kohlenstoffe mit einem BAF von 1(1 oder weniger, scheinbaren KristalliteSince such low edri gteiap era tur ~ i sot rope carbons with a BAF of 1 ( 1 or less, apparent crystallites

ο ■ - ■ο ■ - ■

größen von 5ο A oder weniger und einer Dichte bis zu etwasizes of 5ο A or less and a density up to about

3
2fO g/cm abgeschieden werden können,, werden aie dement» sprechend üblicherweise verwendet, da sie eine größere Festigkeit und sine größere Verschleißfestigkeit haben. Jedoch kann isotroper Kohlenstoff, der bei Temperaturen über etwa I5oo° C abgeschieden wurde, beispieleweise aus Methan, Propan oder dergleichen, für viele Anwendungszwecke verwendet werden. Gleicherweise kann.laminarer Kohlenstoff, der, wenn er von Methan bei Temperaturen unter I5oo C abgeschieden ist, eine scheinbare Kristallitgröße von etwa
3
20 g / cm2 can be deposited, are accordingly usually used, since they have greater strength and greater wear resistance. However, isotropic carbon deposited at temperatures above about 150 ° C, for example from methane, propane, or the like, can be used for many purposes. Likewise, laminar carbon, which when separated from methane at temperatures below 150 ° C, can have an apparent crystallite size of about

β ■β ■

5o A oder weniger und eine Dichte größer oder gleich etwa 1,5 g/cnr hatB den Erfordernissen vieler Anwendungszwecke entsprechend genügene 50 A or less and a density greater than or equal to approximately 1.5 g / cm2, B has to meet the requirements of many applications accordingly e

BEISPIEL 1EXAMPLE 1

Man wählt einen allgemein sphärischen Gegenstande der aus Graphit besteht und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 8 χ lo° / C hat. Das Sphäroid hat einen Durchmesser von annähernd l8e7 mm (3/4 inch)r ist etwas sandgestrahlt, um irgendwelche losen Teilchen zu entfernent und in einem senk» rechten Graphitreaktionsrohr angeordnet· Das Rohr hat einen Durchmesser von etwa 6S3 cm und wird auf eine. Tempera tür von etwa lAoo° C erhitzt, während ein durch das Rohr hindurchgehender Heliumgasstrom aufrechterhalten wird« Wenn mit dem Überziehen begonnen werden kannt werden das Sphäroid und eine zusätzliche Beschickung von loo g Zirkondioxydteilchen (um eine zusätzliche, verfügbare Ablagerungsoberfläche zu schaffen, wie es in der US-Patentschrift 3 399 969 erklärt ist), die eine mittlere Teilchengröße von etwa fcoo Ji haben, in das Reaktionsrohr gefüllt. Propangas wird mit Helium vermischt« um einen Partialdruck dse Propane von atwa o»3 atm. (Gesamtdruck 1 atm) zu erzeugen. Der gesamte Gasdurchsatz wird auf One chooses a generally spherical object e made of graphite and has a coefficient of thermal expansion of about 8 χ lo ° / C. The spheroid has a diameter of approximately l8 e 7 mm (3/4 inch) r is sandblasted something to any loose particles t be removed and disposed in a perpendicular "right graphite reaction tube · The tube has a diameter of about 6 S 3 cm and will be on a. Tempera door of about lAoo ° C heated while a current passing through the pipe, helium gas flow is maintained "If it can be started with the coating the spheroid and an additional charge of loo g Zirkondioxydteilchen (t be to provide an additional, available deposition surface as in U.S. Patent 3,399,969), which have an average particle size of about fcoo Ji, are filled into the reaction tube. Propane gas is mixed with helium by a partial pressure of about 3 atm. (Total pressure 1 atm). The entire gas throughput is on

00981 5/U5300981 5 / U53

etwa 4ooo corvrain gehalten. Daβ Propan unterliegt der Pyrolyse und scheidet Kohlenstoff ab» Auf de» Sphäroid wird Kohlenstoff in Form von isotropem pyro.ly.tisehen Kohlenstoff mit einem .tfärnteeusdehnungskoeffinzienten von etwa 5 χ to" / C abgeschieden» Sine spatere Untersuchung zeigt auch, daß der Kohlenstoff ein BAP (Bacon Anisotropiefaktor) von etwa J,l t eine scheinbare KristallitgrÖße von. etwa ko A und eine Dicht von etwa 1,7 g/cm"* hat. Das Abscheiden wird fortgesetzt, bis ein Überzug aus isotropem pyrolytischen Kohlenstoff von etwa 15o u,. (6/I000 inch) Dicke erreicht ist, wobei die Zeit etwa eine Stunde beträgt«held about 4,000 corvrain. Propane is subject to pyrolysis and deposits carbon. »On the» spheroid, carbon is deposited in the form of isotropic pyro.ly.tisehen carbon with a color expansion coefficient of about 5 to "/ C» Your later investigation also shows that the carbon is a BAP (Bacon Anisotropy Factor) of about J.1 t has an apparent crystallite size of about ko A and a density of about 1.7 g / cm "*. The deposition continues until a coating of isotropic pyrolytic carbon of about 150 microns. (6/1000 inch) thickness is reached, the time being about an hour «

Die sich ergebende überzogene Kugel kann sich auf Umgebungs·» temperatur abkühlen und wird aus dem Reaktionsrohr entfernt. Die Änderung in der Temperatur von nahezul4oo° C zwischen der Ablagerungstemperatur und der Umgebungstemperatur bewirkt eine Kontraktion des Kohlenstoffsphäroids als Substrat, die in genügendem Maße größer ist als die des Überzugs aus isotropem Kohlenstoff, so daß sich in dem Überzug eine Druckbeanspruchung in Umfangsrichtung von etwa lo,5 kg/mm (I5000 psi) einstellt» Diese Beanspruchung liegt gut unter der gesetzten Bruch-Druckbeanspruchung des Überzugs«The resulting coated ball can affect the surrounding environment. cool temperature and is removed from the reaction tube. The change in temperature of nearly 400 ° C between the deposition temperature and the ambient temperature causes a contraction of the carbon spheroid as the substrate, which is sufficiently larger than that of the coating of isotropic carbon so that there is a compressive stress in the circumferential direction of about 10.5 kg / mm in the coating (I5000 psi) »This stress is well below the set breaking compressive stress of the coating "

Der erzielte Überzogene Gegenstand silt als strukturell hoch» fest· Beispielsweise bricht ein Kontrollgegenstand, der auf ähnliche Weise mit pyrolytischem isotrop etlichen Kohlenstoff überzogen ist? der einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Kohlenstoffsubstrat hat, so daß sein Umfang unter Zugspannung steht, wenn er von einer Höhe von etwa Im (3 ft) herabfällt. Der oben beschriebene überzogene Gegenstand, dessen äußerer Überzug unter Druckbeanspruchung steht, kann wiederholt aus der gleichen Höhe herabfallen, ohne daß eine' Beschädigung auftritt. Andere Versuche zeigen, daß das überzogene Sparoid nicht nur einen guten Bruchwiderstand, sondern auch eine gute Verschleißfestigkeit aufweist·The obtained coated article is structurally highly »strong · For example, a control article which is similarly coated with pyrolytic isotropic several carbon breaks? which has a greater coefficient of thermal expansion than the carbon substrate so that its perimeter will be in tension when dropped from a height of about Im (3 feet). The above-described coated article, the outer coating of which is under pressure, can repeatedly drop from the same height without being damaged. Other tests show that the coated sparoid has not only good breaking resistance, but also good wear resistance.

009815/1AS3009815 / 1AS3

-Io ~-Io ~

BEISPIEL 2 . . EXAMPLE 2 . .

JrJr

Ein Graphitsphäroid ähnlich dem in Beispiel 1 überzogenen wird in das gleiche Reaktionsrohr eingebracht, das auf oine Temperatur Von etwa I35o° C erhitzt ist, wahrend ein durch os hindurchgehender Heliumgasstrom aufrechterhalten wird. Wenn mit dem Überziehen begonnen werden kann, wird eine ähnliche zusätzliche Beschickung von loo g ZrO«-Teilchen in das Reaktionsrohr eingefüllt. Propangas wird mit dem Helium vermischt, so daß ein Gasdurchsatz, der einen Partialdruck des Propans von etwa o,4 atm (Gesamtdruck 1 atm) aufweist, von etwa 8ooo cnrvmin erzielt wird· Das gesamte Helium wird in Fora von Blasen durch Methyltrichlorsilan gedrückt. Das Propan und das Methyltrichlorsilan unterliegen der Pyrolyse, so daß ein Gemisch von isotropem Kohlenstoff und Siliciumcarbid auf dem Sphäroid abgeschieden wird. Die Abscheidung wird über eine Zeit von etwa einer Stunde fortgesetzt, bis ein Überzug von etwa 2oo ρ (8/loo© inch) Dicke erreicht ist.A graphite spheroid similar to that coated in Example 1 is placed in the same reaction tube heated to a temperature of about 135 ° C. while maintaining a flow of helium gas therethrough. When coating can commence, a similar additional charge of 100 g of ZrO2 particles is added to the reaction tube. Propane gas is mixed with the helium so that a gas throughput, which has a partial pressure of propane of about 0.4 atm (total pressure 1 atm), of about 8,000 cnrvmin is achieved. All the helium is forced through methyltrichlorosilane in bubbles. The propane and methyltrichlorosilane undergo pyrolysis, so that a mixture of isotropic carbon and silicon carbide is deposited on the spheroid. The deposition is continued for a period of about one hour until a coating of about 2oo ρ (8 / loo inch) is achieved.

Die sich ergebende überzogene Kugel kann «ich auf Umgebungstemperatur abkühlen und wird aus dem Reaktionsrohr entfernt. Die Prüfung des Überzugs aus isotropen Kohlenstoff-Silicium« earbid zeigt, daß er einen Wärmeausdehnungekoeffizienten von etwa 6 χ Io /0C und eine Dichte von etwa 2 g/ctar hat· D^e Überzug enthält etwa Io Gewichtsprozent Silicium in Form von Siliciumcarbid· Der isotrope Kohlenetoff bat ein BAF von etwa 1,1 und eine scheinbare Kristallitgröße von etwa 35 A. Die Änderung in der Temperatur bewirkt ein Kontraktion des Substrat sphäroid·, die in ausreichendem Maße größer ist als die des Überzugs, so daß in den Überzug eine Druckbeanspruchung in Üefengsrichtung von etwa 7 t ©3 kg/mm (Io ooo psi) entsteht« Die·· Beanspruchung liegt gut unter der geschätzten Bruch-Druckbeanspruchung des Überzug··The resulting coated ball is allowed to cool to ambient temperature and is removed from the reaction tube. The examination of the coating of isotropic carbon-silicon "earbid shows that it has a Wärmeausdehnungekoeffizienten of about 6 χ Io / 0 C and a density of about 2 g / CTAR has · D ^ e coating contains about Io weight percent of silicon in the form of silicon carbide · The isotropic carbon had a BAF of about 1.1 and an apparent crystallite size of about 35 A. The change in temperature causes the substrate to contract spheroidally which is sufficiently greater than that of the coating that a Compressive stress in the longitudinal direction of about 7 t © 3 kg / mm (Io ooo psi) arises «The ·· stress is well below the estimated breaking compressive stress of the coating ··

00-9 8-T 5/-US 300-9 8-T 5 / -US 3

Der so erzielte überzogene Gegenstand gilt als hervor« ragend strukturfeste Das überzogene Sphäroid kann wiederholt aus etwa 1 m (3 ft) herabfallent ohne daß eine Be» Schädigung auftritt. Andere Versuche zaigon,' daß das überzogene Sphäroid nicht nur einen guten Bruchvriderstand sondern auch eine gute Verschleißfestigkeit aufweist. Für den Überzug aus isotropem Kohlenstoff»Siliciumcarbid giltt daß er alle Vorteile vom Gesichtspunkt der Festigkeit und der Verschleißfestigkeit wie der völlig aus Kohlenstoff erzeugte Überzug des Beispieles 1 hat ο Darüber hinaus gilt, daß, wenn die anderen Überziehveränderlichen im allgemeinen gleichgehalten werden, ein Überzug aus isotropem Kohlenstoff, der mit einem Siliciunicarbidzusatz abgeschieden wurde, eine größere Festigkeit hatf als der gleiche isotrope Kohlenstoff ohne Zusatzstoff. Allgemein gilt, daß bis zu etwa 15 Gewichts« prozent Silicium oder einer äquivalenten Menge eines ehnli* chett Carbid bildenden Zusatzstoffes, eingeschlossen werden könnenf ohne daß die gewünschten Eigenschaften der Überzüge aus pyrolytischein Kohlenstoff, vie sie vorstehend beschrieben sind, beeinträchtigt werden«The thus obtained coated article applies emerged as the "outstanding structural strength The coated spheroid can be repeated from about 1 m (3 ft) fall t without a Be" injury occurs. Other attempts ensure that the coated spheroid has not only good resistance to fracture but also good wear resistance. Applies to the coating of isotropic carbon "silicon carbide t that he has all the advantages from the standpoint of strength and wear resistance such as the completely produced from carbon coating of Example 1 ο In addition, it holds that when the other stall variables generally kept equal to, a coating from isotropic carbon which has been deposited with a Siliciunicarbidzusatz, f has a greater strength than the same isotropic carbon without additive. General that up to about 15 weight 'percent silicon, or an equivalent amount Chett a ehnli * applies, carbide-forming additive can be included f can without the desired properties of the coatings of pyrolytischein carbon, vie described above, be affected "

009815/1453009815/1453

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS le Überzogener Gegenstand mit hoher Festigkeit, gekennzeichnet durch einen Gegenstand aus einem Material mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizientent durch einen diesen Gegenstand umgebenden Überzug aus pyrolytic schem Kohlenstoff, der darauf bei einer Temperatur weit über der Umgebungstemperatur abgeschieden ist und eine feste Bindung zu dem darunterliegenden Gegenstand hat, wobei der pyrolytische Kohlenstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner ist als der des Materials des Gegenstandes, und unter im wesentlichen tangentialer Druckbeanspruchung als Ergebnis der thermischen Kontraktion steht, die während des AbkUhlens des überzogenen Gegenstandes von der Abecheideteiaperatur auf die Umgebungen temperatur erfolgt« /le Coated object with high strength, characterized by an object made of a material with a known coefficient of thermal expansion t by a coating of pyrolytic carbon surrounding this object, which is deposited thereon at a temperature well above ambient temperature and has a firm bond to the object below wherein the pyrolytic carbon has a coefficient of thermal expansion which is smaller than that of the material of the object, and is under substantially tangential compressive stress as a result of the thermal contraction which occurs during the cooling of the coated object from the separating device temperature to the ambient temperature «/ 2. Überzogener Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekenn· zeichnet, daß die tangentiale Druckbeanspruchung wenig»2. Coated article according to claim 1, characterized in that shows that the tangential compressive stress is little » 2
stens etwa 3,52 kg/mm (5ooo psi) beträgt.
2
is at least about 3.52 kg / mm (500 psi).
3· Überzogener Gegenstand nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet „ daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials zwischen etwa 6 und 9 χ ίο" /°C liegt·3 · Coated article according to claim I 1, characterized in that "the coefficient of thermal expansion of the material is between about 6 and 9 χ ίο" / ° C · k. Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kohlenstoffschicht wenigstens etwa 25 ρ beträgt. k . Coated article according to one of Claims 1, 2 and 3, characterized in that the thickness of the carbon layer is at least about 25 ρ. 5* Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet„ daß das Material Kohlenstoff ist.5 * Coated article according to any one of claims 1, 2 and 3, characterized “that the material is carbon is. 00981 5/HS300981 5 / HS3 !950066! 950066 . 6. Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff aus isotropem Kohlenstoff besteht.. 6. Coated article according to any one of claims 1, 2 and 3 »characterized in that the pyrolytic carbon coating consists of isotropic carbon. 7ο Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche I1 2 und 3« dadurch gekennzeichnete, daß der pyrolytisch^ Kohlenstoff isotroper Kohlenstoff mit einer Dichte von wenigstens etwa 1,5 g/cm und einer scheinbaren Kriatallitgröße von etwa 5o A oder weniger ist.7ο Coated article according to one of Claims 1 1 2 and 3 «characterized in that the pyrolytic carbon is isotropic carbon with a density of at least about 1.5 g / cm and an apparent Kriatallite size of about 50 Å or less. 8« Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche le 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff ein isotroper Kohlenetoff mit einem BAP von etwa 1,1 oder weniger ist.8 "The coated article of any one of claims l e 2 and 3, characterized in that the pyrolytic carbon is an isotropic Kohlenetoff with a BAP of about 1.1 or less. 9. Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3„ dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff laminar ist und eine Dichte von wenigstens etwa 1,5 g/cm ■ und eine scheinbare Kristallitgröße von etwa' 5o A oder weniger hat·9. Coated article according to any one of claims 1, 2 and 3 "characterized in that the pyrolytic carbon is laminar and has a density of at least about 1.5 g / cm and an apparent crystallite size of about 50 Å or has less Ioο Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3« dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffüberzug ein darin dispergiertes Zusatzstoffcarbid enthält.Ioο coated object according to one of claims 1, 2 and 3 « characterized in that the carbon coating is a contains additive carbide dispersed therein. 11» Überzogener Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff überzug ein darin dispergiertes Siliciumcarbid enthält*11 »Coated article according to one of Claims 1, 2 and 3, characterized in that the carbon coating is a contains silicon carbide dispersed therein * 12. Verfahren zum Überziehen eines Gegenstandes aus einem Material mit bekanntem Wärmeausdehiruagskoeffiziente» mit pyrolytischem Kohlenstoff, um einen überzogenen Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche herzustellen, der hoch· feste Eigenschaften hat, dadurch gekennzeichnet, daß der12. A method of coating an object made of a material with a known coefficient of thermal expansion with pyrolytic carbon to produce a coated object one of the preceding claims, which has high strength properties, characterized in that the 009815/145 3009815/145 3 - 1*1 -- 1 * 1 - su übersiehende Gegenstand auf eine vorher gewählt· Abseheidetemperatur erhitzt wird, daß das Abscheiden des pyrolytischen Kohlenstoffs auf dem Gegenstand aus einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei der vorher gewählten Temperatur unter Bedingungen bewirkt wird, die zu einer Bildung von Kohlenstoff führen, der einen vorher gewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der geringer ist als der des Materials des Gegenstandes, und daß der überzogene Gegenstand auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wobei der Unterschied, zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Gegenstandes und dee abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoffs derart und die Bindung dazwischen ausreichend fest ist, daß beim Abkühlen von der Abscheidetemperatur auf Umgebungstemperatur der pyrolytische Kohlenstoffüberzug unter eine wesentliche tangentiale üruckbeanspruchung gesetzt wird.the object to be overlooked is heated to a preselected separation temperature such that the pyrolytic carbon is deposited on the object from a carbonaceous atmosphere at the preselected temperature under conditions which lead to the formation of carbon which has a preselected coefficient of thermal expansion, which is less than that of the material of the object, and that the coated object is cooled to ambient temperature, the difference between the coefficient of thermal expansion of the material of the object and the deposited pyrolytic carbon such and the bond therebetween being sufficiently strong that upon cooling from the Deposition temperature to ambient temperature, the pyrolytic carbon coating is placed under substantial tangential reverse stress. 13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die A liegt13 · Method according to claim 12, characterized in that the A lies die Ahscheideteaperatur zwischen etwa 15oo° C und I2oo° Cthe ash temperature between about 1500 ° C and 12oo ° C Ik» Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials zwischen etwa 6 bi» 9 * lo"^/°C liegt. Ik » method according to claim 12, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the material is between approximately 6 to 9 * lo" ^ / ° C. 15« Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis l4, dadurch gekennzeichnet, daß die. tangentiale Oruckbeanspruchung wenigstens etwa 3„52 kg/mm (Jjooo psi) beträgt«15 «Method according to one of claims 12 to 14, characterized marked that the. tangential compression is at least about 3 "52 kg / mm (Jjooo psi)" l6. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15« dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kohlenstoffschicht wenigstens etwa 25 ρ beträgt»l6. Method according to one of Claims 12 to 15 «thereby characterized in that the thickness of the carbon layer is at least about 25 ρ » 00981 S/145300981 S / 1453 17· Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis l6» dadurch gekennzeichnet^ daß die kohlenstoffhaltige Atmosphäre einen Kohlenwasserstoff, ein Inertgas und eine flüchtige Verbindung enthält, die wiederum ein Carbid bildendes Element enthält.17 · Method according to one of Claims 12 to 16 »thereby characterized ^ that the carbon-containing atmosphere contains a hydrocarbon, an inert gas and a volatile compound, which in turn contains a carbide-forming element. l8„ Verfahren nach· einem der Ansprüche 12 bis 17« dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand aus Kohlenetoff besteht.18 "Method according to one of claims 12 to 17" thereby characterized in that the object is made of carbon. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis l8, dadurch19. The method according to any one of claims 12 to l8, characterized gekennzeichnet, daß der abgeschiedene pyrolytisch® Kohlenstoff isotroper Kohlenstoff mit einer Dichte von wenig-characterized that the deposited pyrolytisch® carbon is isotropic carbon with a density of little- stens etwa 1,5 g/cm^ und einer scheinbaren Xristailit-at least about 1.5 g / cm ^ and an apparent xristailite o größe von etwa 5o A oder weniger ist.O size is about 5o A or less. 2oc Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis l8, dadurch gekennzeichnett daß der pyrolytische Kohlenstoff ein laminarer Kohlenstoff mit einer Dichte von wenigstens etwa 1;5 g/cmJ und einer scheinbaren Krietallitgröße von.etwa 5o A oder weniger ist·2oc method according to any one of claims 12 to l8, characterized in that t the pyrolytic carbon, a laminar carbon having a density of at least about 1; 5 g / cm and an apparent J Krietallitgröße von.etwa 5o A or less · 0Q9815/U530Q9815 / U53
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