DE2323652A1 - Carbidbeschichtungen - Google Patents

Carbidbeschichtungen

Info

Publication number
DE2323652A1
DE2323652A1 DE19732323652 DE2323652A DE2323652A1 DE 2323652 A1 DE2323652 A1 DE 2323652A1 DE 19732323652 DE19732323652 DE 19732323652 DE 2323652 A DE2323652 A DE 2323652A DE 2323652 A1 DE2323652 A1 DE 2323652A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
titanium
carbon
diamond
titanium carbide
deposition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19732323652
Other languages
English (en)
Inventor
Cecil Hayman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fulmer Research Institute Ltd
Original Assignee
Fulmer Research Institute Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fulmer Research Institute Ltd filed Critical Fulmer Research Institute Ltd
Publication of DE2323652A1 publication Critical patent/DE2323652A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32Carbides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

  • Carbidbeschichtungen Die Erfindung betrifft die chemische Abscheidung von feuerfesten anorganischen Verbindungen auf Substrate aus der Gasphase und die dabei erhaltenen Produkte. Die Erfindung betrifft insbesondere die Abscheidung von Titancarbid bei einer Temperatur zwischen 500 und 1200°0 in Form einer Beschichtung auf zementierten Carbidwerkzeugen aus Eisen und Stahl hergestellten Gegenständen und Industriediamanten.
  • Für die Bearbeitung von Stahl und Gußeisen bei relativ hohen Schneidgeschwindigkeiten unter Verwendung eines gesinterten Hartcarbid-Schneidwerkzeugs hat sich eine Beschichtung aus Titancarbid, die gewöhnlich eine Dicke von weniger als lo Mikron aufweist, als günstig erwiesen.
  • Die Titancarbidbeschichtung wird gewöhnlich durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase ~aufgebracht, wobei zwei verschiedene Arbeitsverfahren angewendet werden.
  • Bei einem Verfahren wird die Abscheidung bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur von 900 bis 110000 und bei dem anderen bei einem Druck von 1 bis 100 torr bei einer Temperatur von 700 bis 1100°C durchgeführt. In jedem Falle wird das Ditancarbid als Ergebnis der Reaktion von Titantetrachlorid mit einer dampf- bzw. gasförmigen kohlenstoffhaltigen Verbindung, z.B. Methan, in Gegenwart von Wasserstoff abgeschieden. Es ist vorgeschlagen worden, daß die Reaktion gemäß der folgenden Reaktionsleistung abläuft: TiCl4 + CH4 TiC + 4HCl .............. (i) Diese Verfahren erfordern infolge von ungünstigen thermodynamischen Bedingungen die Anwendung hoher Abscheidungszeiten, um die Titancarbidbeschichtung in der gewünschten Sc.ic-tdicke zu erhalten. Weiterhin haben die Abscheidungstedingullgen einen bedeutenden Einfluß auf die physikalische Struktur des mit Titancarbid beschichteten, gesinterten Hartcarbid-Werkzeugs. Die gemäß den oben genannten Verfahren erhaltene Titancarbidbeschichtung besteht aus einer dem Substrat benachbaren feinkörnigen Schicht und einer grobkörnig gewachsenen ilicht an der Oberfläche. Das der Titancarbidabscheidung benachbarte zemen-tierte Oarbidsubstrat erweist sich oft als in hohem Ausmaß entkohlt, und zwischen der Titancarbidbeschichtung und dem Substrat können Feinlunker auftreten. Die Kombination einer brüchigen entkohlten Zonenschicht (Sta-Phase) mit derartigen Feinlunkern führt zu einer erheblichen Verringerung der Festigkeit des Schneidwerkzeugs.
  • Es ist auch bekannt, daß die Abriebfestigkeit einer Titancarbidbeschichtung mit der Abnahme der Korngröße zunimmt. Es ist daher vorteilhaft, eine feinkörnigere und daher abriebfestere Titancarbidschicht anstelle der gemäß den obigen Verfahren erhaltenen Schichten herzusteT-len.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Abscheidung von Titancarbid auf eine Substratoberfläche gefunden, durch das kürzere Abscheidungszeiten und niedrigere Abscheidungstemperaturen erreicht werden können. Durch dieses Verfahren wird auch eine erhebliche Zunahme sowohl der Abriebfestigkeit als auch der Härte bzw. Zähigkeit von mit Titancarbid beschichteten Werkzeugen erzielt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur chemischen Abscheidung einer Verbindung des Titans mit einem oder mehreren der Elemente Bor, Kohlenstoff und/oder Stickstoff aus der Gasphase auf eine metallische oder nichtmetallische Oberfläche geschaffen.Das Verfahren der Erfindung umfaßt die Ausbildung der genannten Gitanverbindung, indem man bei erhöhten Temperaturen unterhalb 12000C einen Dampfstrom aus Titanchloriden mit gemischter Wertigkeit oder Titanbromiden mit gemischter Wertigkeit mit einer flüchtigen oder verdampfbaren Verbindung des Bors, Kohlenstoffs und/oder Stickstoffs und/oder mit einer Quelle für Bor, Kohlenstoff -und/oder Stickstoff in dem Substrat umsetzt, wobei der Dampfstrom aus den Chloriden oder Bromiden mit gemischter Wertigkeit ein Atomverhältnis von Chlor oder Brom zu Titan aufweist, das zum wesentlich*s weniger als 4,0 : 1 beträgt, und die Titanverbindung auf der Substratoberfläche abgeschieden wird.
  • Pür die Durchführung des Verfahrens der Erfindung kann irgend eine geeignete Methode angewendet werden, die ein Gemisch der Titanchloride oder Titanbromide niedrigerer Wertigkeit in Dampfform ergibt. Das Gemisch aus Chloriden oder Bromiden niedrigerer Wertigkeit kann durch die Verdampfung von festem Titantrichlorid oder -tribromid hergestellt werden. Diese Verbindungen niedriger Wertigkeit werden beim Erhitzen nicht nur verdampft, sondern können auch disproportionieren. Im Falle des Titantrichlorids kann die Disproportionierung beispielsweise zum Ausfällen von festen Titandichlorid gemäß der folgenden Reaktionsgleichung führen: 2TiCl(fest) TiC12(fest) + SDiC14(gaaE.) -.(ii) Die Abscheidung des Dichlorids ist äußerst unerwünscht, da sie zu einer Abnahme der für die Reaktion zur Verfügung stehenden gasförmigen Titantrichloridmenge und auch zu der Verdünnung des Dampfes derselben mit Titantetrachlorid führt.
  • Ein besonders geeignetes und bequemes Verfahren zur Ausbildung des Dampfgemisch8 aus Titanchlorid oder -bromid niedrigerer Wertigkeit besteht daraus, daß man einen Strom von Titantetrachlorid oder Titantetrabromid über ein erhitztes Bett aus Titanmetall leitet, wobei unter geeigneten Bedingungen das Gemisch aus Chloriden oder Bromiden der niedrigeren Wertigkeit gebildet wird.
  • Im Falle des Titanchlorids kann die auftretende Hauptreaktion durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: 3TiCl4(gasf.) + Ti 4TiCl3(gasf.) (iii) Der Anteil des in dem Gasgemisch der Chloride niedrigerer Wertigkeit verbleibenden Titantetrachlorids hängt von den Reaktionsbedingungen, insbesondere von der Temperatur des Titans und dem Anfangsdruck oder Partialdruck des Titantetrachlorid-Dampfs ab. Mit einem Anfangsdruck des Titantetrachlorids von 12,5 torr und Titantemperaturen von 1100 und 14000K kann die Titantetrachloridmenge in der Mischung der niederen Halogenide so niedrig sein, daß er 6 bzw. 2,5 Volumen% beträgt. Bei loo torr kann die Menge des zurückbleibenden Titantetrachlorids nocn relativ niedrig sein und von 11 Volumen% bei 11000K bis 4 Volumen% bei 1400°K schwanken. Somit kann in leichter Weise für Titantetrachlorid bei einem Anfangsdruck unterhalb loo torr und Titantemperaturen oberhalb 8000C ein Chloriddampfgemisch niedrigerer Wertigkeit mit einem Gehalt von mindestens 80 Volumen% dampfförmigen TiCl3, d.h. ein Dampfgemisch, in dem das Atomverhältnis Cl/li gleich oder kleiner als 3,2:1 ist, erhalten werden.
  • Vorzugsweise werden der Druck oder Partialdruck des Titantetrahalogenids, die Temperatur des Titanbettes, die gesamte Oberfläche des Titans und die gesamte Gasströmungsgeschwindigkeit über dem Titan so ausgewählt, daß (1) eine optimale Konversion des Titantetrahalogeniddampfs zu Trihalogeniddampf ,(2) eine vernachlässigbare Kondensation des Trihalogeniddampfs und (3) eine vernachlässigbare Bildung festen Dihalogeniddampfs entweder durch Reaktion des Trihalogeniddampfs mit Titan oder durch die Disproportionierung von Trihalogeniddampf zu festem Dihalogenid und gasförmigem Tetrahalogenid gewährleistet wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere für die Abscheidung von Titancarbid in Form einer Beschichtung auf einem Substrat geeignet ist, wird ein Strom dampfförmigen Titantetrachlorids über ein heißes Titanmetallbett geleitet, und zwar unter solchen Bedingungen, daß der Tetrachloriddampf im wesentlichen in Trichloriddampf umgewandelt wird, und man dieses Dampfgemisch des niederen Chlorids in einer getrennten Zone der Vorrichtung mit dem erhitzten Substrat in Gegenwart einer flüchtigen oder verdampfbaren Verbindung des Kohlenstoffs in Berührung bringt, wodurch eine Reaktion eintritt und Titancarbid auf dem Substrat ausgebildet wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung kann die flüchtige oder verdampfbare Kohlenstoffverbindung mit einer Kohlenstoffquelle, welche in dem Substrat zur Verfügung steht, ersetzt bzw. ergänzt werden.
  • Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere zum Abscheiden von Titancarbidbeschichtungen geeignet, wobei höhere Abscheidungsgeschwindigkeiten, als dies bisher unter vergleichbaren Bedingungen bezüglich der Abscheidungstemperatur und Abscheidungszeit möglich war, erreicht werden können. Unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung kann beispielsweise eine Beschichtungsgeschwindigkeit von 50 ikron/Std. bei einer Abscheidungstemperatur von 1000°C erreicht werden, im Vergleich zu Geschwindigkeiten zwischen zwei und lo Mikron/Std. bei den gleichen Temperaturen für andere Verfahren.
  • Die flüchtige oder verdampfbare kohlenstoffhaltige Quelle, die als Kohlenstoffquelle dient, ist vorzugsweise Methan. Methan kann'über einen weiten Konzentrationsbereich verwendet werden, ohne daß dabei schädliche Wirkungen infolge einer Kohlenstoffabscheidung auftreten.
  • Somit können die Atomverhältnisse von Kohlenstoff zu Titan in der vereinigten Gasmischung, die in die Abscheidungskammer eingebracht wird, im Bereich von 5:1 bis 1:1 liegen.
  • Für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung kann das dampfförmige Titantetrachlorid oder Tetrabromid mit einem Trägergas vermischt werden, welches auch das dampfförmige Titantrichlorid oder Tribromid in die Absciieidungszone der Vorrichtung transportiert. Wenn die Bor-, Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindung in flüchtiger oder verdampfbarer Form vorliegt, kann es vorteilhaft sein, diese Gase mit einem Trägergas zu vermischen, um z.B.
  • zu gewährleisten, daß die tineargeschwindigkeiten der das Titan und das Wichtmetall transportierenden Ströme miteinander verträglich sind. Es können beispielsweise Argon oder Wasserstoff verwendet werden. Das Verfahren kann jedoch unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, daß ein Trägergas nicht erforderlich ist, beispielsweise in dem Pall, wo die miteinander wechselwirkenden Gase oder Dämpfe unter verringertem Druck durch die Vorrichtung gesaugt werden, indem man an den Gasauslaß der Vorrichtung eine Saugkraft anlegt.
  • Das Verfahren kann innerhalb eines weiten Bereichs des Drucks oder der Partialdrücke des dampfförmigen niederen Titanchlorids oder -bromids durchgeführt werden.
  • Der Anfangsdruck des Titantetrachlorids oder -tetrabromids kann beispielsweise weniger als 1 torr oder bis zu mehreren loo torr betragen, vorausgesetzt, daß die anderen experimentellen Parameter so ausgewählt werden, daß die bisher bezeichneten Bedingungen erfüllt werden. Wenn man einen Anfangsdruck des Titantetrachloride oder -tetrabromide von lo torr verwendet, wird die Temperatur des Titanbettes somit vorzugsweise bei nicht wesentlich weniger als 8000C gehalten, oder bei Verwendung eines Druckes von 100 torr nicht wesentlich weniger als 9000C. Eine bevorzugte Temperatur für das Titanbe( liegt im Bereich von 850 bis 1050°C, und ein bevorzugter Anfangsdruck des Tetrachlorids oder Tetrabromids ist geringer als 20 torr.
  • Im allgemeinen wird der Trichlorid- oder Tribromiddampf in der Abscheidungekammer vor der hbscheidungsreaktion bei einem niedrigen Dructdtirtialdruck gehalten, da die Reaktion des Titantrichloride oder -tribromide mit einem Kohlenwasserstoff,wie Methan, mit einer größeren Wirksamkeit erfolgt, wenn der Druck oder Partialdruck der Reaktanten verringert ist.
  • Für einen gegebenen Wert bezüglich des Druckes des Titantetrachlorids oder -tetrabromide und einer gegebenen Temperatur des Titanbettes ist die Ge3amtströmungsgeschwindigkeit des Gases über dem Titanbett im allgemeinen ausreichend niedrig und die Gesamtoberfläche des Titans ausreichend hoch, um sicherzustellen, daß die Umwandlung des Tetrachlorids oder Tetrabromids zu dampfförmigem Trichlorid oder Tribromid ein Atomverhältnis von Chlor oder Brom zu Titan liefert, das gleich oder kleiner als 3,2:1 ist.
  • Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere für das Aufbringen von dünnen Titancarbidschichten auf gesinterte harte Carbide, Eisen oder Stahl nützlich. Bei der tierstellung von Beschichtungen auf gesinterten ilartcarbidwerkzeugen kann beispielsweise Titantrichlorid wie oben beschrieben hergestellt werden und dann zusammen mit einem getrennten Methanstrom in Berührung mit einem gesinterten Werkzeug gebracht werden, welches bei einer ausreichend hohen Temperatur gehalten wird, um Titancarbid auf dessen Oberfläche abzuscheiden. Sehr gute Ergebnisse können erhalten werden, wenn die Werkzeugtemperatur 850 bis 1000°C und die Abscheidungszeit 1 Stunde beträgt.
  • Wenn Titancarbidbeschichtungen auf gesinterten Hartcarbidwerkzeugen hergestellt werden, wird das Verfahren weiterhin vorzugsweise in einem Reaktionsrohr ausgeführt, welches von einem mit zwei getrennt gesteuerten elektrischen Wicklungen ausgestatteten Ofen umgeben ist, so daß die Einlaß- und Auslaßabschnitte des Reaktionsrohres, wo der Dampfstrom des Titantrichlorids erzeugt bzw. die Abscheidung des Titancarbids erfolgt, bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden können. Um eine Kondensation der Halogendämpfe zu verhindern, sollte die Temperatur zwischen den Zonen vorzugsweise nicht wesentlich unter die Temperatur der kühlsten Zone absinken.
  • In einem besonderen Verfahren wird somit dampfförmiges Titantetrachlorid in Mischung mit einem Trägergas, wie Wasserstoff oder einem geeigneten anderen inerten Gas bei einem Gesamtdruck von etwa einer Atmosphäre in dem Einlaßabschnitt mit heißem Titan umgesetzt, um den Dampf des niederen Titanchlorids zu erhalten, der dann zu dem Aus laßabschnitt des Rohres geleitet wird, wo er an der Oberfläche des erhitzten Werkzeugs mit Methandampf, dem ein Trägergas,wie Wasserstoff oder Argon, zugemischt ist, umgesetzt wird.
  • Beschichtete Werkzeuge mit sehr guten strukturellen und mechanischen Eigenschaften können erhalten werden, wenn die Temperatur des Abschnitts zur Erzeugung von Titantrichlorid im Bereich von 750 bis 85o0C, die Werkzeugtemperatur im Bereich von 800 bis 1ooo0C und die Strömungsgeschwindigkeiten des Titantrichlorids und des Wasserstoffs sowie des Methans und des Wasserstoffs Do, 900, 150 bzw. 9oo mMol. betragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann als Kohlenstoffquelle das Substrat, beispielsweise ein gesintertes Wolframcarbidwerkzeug, ein Werkzeug auf der Basis von Eisen mit einem Gehalt an Kohlenstoff oder ein Industriediamant dienen. Unter diesen Bedingungen kann ein Strom aus dampfförmigem Titantrichlorid, vermischt mit einem geeigneten Trägergas, wie Argon, in die erhitzte das zu beschichtende Substrat enthaltende Abscheidungskammer geleitet werden. Als Ergebnis der Reaktion zwischen dem dampfförmigen Titantrichlorid und dem Substrat wird eine Beschichtung aus Titancarbid direkt auf dem Substrat erzeugt. Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein hohes Ausmaß an Bindung bei Temperaturen erzielt werden, welche erheblich niedriger sind als die, die im allgemeinen erforderlich sind, wenn der Kohlenstoff von einem eine kohlenstoffhaltige Verbindung enthaltenden Gas geliefert wird.
  • Es ist anzunehmen, daß bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Titancarbidbildung als Ergebnis der Disproportionierung des Titantrichloriddampfs gemäß der folgenden Gleichung verläuft: 4TiCl3(gasf.) + C(fest) TiC(auf C-Substrat) + 3TiCl4(gasf.) Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung kann eine flüchtige oder verdampfbare Kohlenstoffverbindung in Kombination mit einem kohlenstoffhaltigen Substrat verwendet werden. Bei der Ausbildung von Titancarbidbeschichtungen kann beispielsweise zunächst eine dünne Titancarbidschicht aufgebracht werden, indem man dampfförmiges Titantrichlorid über ein heißes kohlenstoffhaltiges Substrat leitet und man dann, ohne den Prozeß zu unterbrechen, Methan oder eine geeignete andere Kohlenstoffverbindung enthaltenden Dampf in die Abscheidungskammer einleitet. Geeignete Temperaturen zur Ausführung beider Stufen der Abscheidung liegen bei 600 bis 8000C, Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Diamant hergestellt, der gemäß dem Verfahren der Erfindung mit Titancarbid beschichtet ist. Somit können Titancarbidbeschichtungen mit nützlicher Schichtdicke, die ein elektrisches Leitvermögen aufweisen, auf Diamanten bei Temperaturen bis herab zu 500°O unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung abgeschieden werden. Dabei stellt der Diamant vorzugsweise die gesamte Kohlenstoffquelle dar. Es ist zu beachten, daß sich eine besonders innige Bindung zwischen-dem Diamanten und der Titancarbidbeschichtung ausbildet.
  • Der Diamant kann ein Industriediamant in Form einer Diamantplaque oder in Form von besonders ausgebildeten Teilchen sein.
  • Bei der 1Ierstellung von mit Diamanten ausgerüsteten Werkzeugen steht die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs mit der Festigkeit der Haftbindung zwischen der Diamant-und der Metall- oder Harzmatrix in Beziehung. Wenn die Bindung zu schwach ist, kann der Diamant in leichter Weise "herausgezogen" werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des mit Diamanten ausgerüsteten Werkzeuges begrenzt wird.
  • Die Leistungsfähigkeit dieser Werkzeuge kann zwar vergrößert werden, indem man die Diamanten mit einem Grundmetall beschichtet, welches dann mit der iletall- oder Harzmatrix verbunden wird, eine noch weiter-gehende Verbesserung wird jedoch mit einer Titancarbidbeschichtung erreicht, da diese <,eschichtung eine innige sehr feste windung mit dem Diamanten ausbildet und auch als Mittel für die weitere Befestigung anderer Metalle oder Materialien dient.
  • Die Erfindung schließt somit ein Verfahren zur Herstellung eines mit Titancarbid beschichteten Diamanten ein, das die direkte Abscheidung von Titancarbid auf diesen umfaßt, indem man den Diamanten bei erhöhter Temperatur mit einem dampfförmigen Strom von Titanchloriden mit gemischter Wertigkeit oder Titanbromiden mit gemischter Wertigkeit mit einem Diamantsubstrat umsetzt, wobei die Dämpfe der Chloride oder Broinide gemischter Wertigkeiten ein Atomverhältnis von Chlor oder Brom zu Titan aufweisen, das erheblich-kleiner als 4,0:1 ist.
  • Somit kann eine Beschichtung von Titancarbid auf einer Diamantoberfläche hergestellt werden, indem man einen Strom eines heißen Titantrichloriddampfs in Mischung mit einem Argonträgergas bei einem Gesamtdruck von einer Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa boo°C über ein Diamantsubstrat leitet. Es wird eine dünne fest haftende Titancarbidbeschichtung auf' dem Diamanten erzeugt, und zwar im Zeitraum eine Stunde.
  • Das Verfahren der Erfindung kann auch für die Abscheidung von Beschichtungen aus Bor- oder Stickstoffverbindungen des Titans verwendet werden. Somit kann in der vorstehend beschriebenen Weise hergestelltes gasförmiges Titantrichlorid zusammen mit Argon oder W sserstoff als Trägergas in die erhitzte Abscheidungskammer eingeleitet und mit Stickstoff in freier oder gebundener Form wie mit Stickstoffgas oder einem nitrierten Stahl oder mit Bor in Form einer verdampfbaren Verbindung, wie Diboran, oder in Form einer in dem Substrat enthaltenen schwachen Borverbindung umgesetzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Beispiel 1 Es wurde ein Versuch zur Herstellung einer Titancarbidbeschichtung auf einer Werkzeugspitze aus hartem ges in tertem Wolframcarbid durchgeführt. Ein Argonstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 1/Std. (N.T.P.) wurde eine Stunde lang durch eine Vorricht;rng geleitet, die zwei unabhängig voneinander heizbare Abschnitte aufwies. Dann wurde der Ofen angeschaltet und die Temperatur des Einlaßabschnitts (Titanbett) und des Auslaßabschnitts (Abscheidung) auf Te,nperaturen von 850°C bzw. 10000C eingesteuert; Dann wurde der Argonstrom unterbrochen und eine gasförmige Mischung von Wasserstoff und Titantetrachlorid (Strömungsgeschwindigkeiten - 9oo bzw.
  • do mMol/Std.) durch ein Bett aus Titanmetallschwamm (Titanteilchengröße - 2 mm, Bettdimensionen - 3 cm x 20 cm) geleitet. In dem Bett trat eine Reaktion unter Bildung von dampfförmigem Titantrichlorid auf. Dieser Dampf wurde zusammen mit dem als Trägergas dienenden Wasserstoff und irgendwelchen kleinen Mengen von nicht umgesetzten dampfförmigen Titantetrachlorid in die Titancarbid-Abscheidungszone der Vorrichtung eingeführt. Gleichzeitig wird ein Gasstrom von Wasserstoff und Methan bei Strömungsgeschwindigkeiten von 900 bzw. 150 mMol/Std. direkt in die Abscheidungszone geleitet, ohne daß er das Titanbett durchquert. Nach einer Stunde wurden die Gase durch Argon ersetzt, und man ließ die Apparatur auf Raumtemperatur abkühlen. Die anschließende Untersuchung der Werkzeug spitzen zeigte, daß diese mit einer fest anhaftenden Titancarbidschicht mit einer Schichtdicke von 5,9 µm versehen war. Die Titancarbid-Korngröße der Abscheidung betrug weniger als 0,02 um und die des Kohlenstoffs beraubte Zone zwischen der Abscheidung und den Substrat betrug zwischen 0,5 und 1,0 pm.
  • Beispiel 2 Unter ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel l angegeben, wurde ein Versuch durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die Temperatur des Tita£bettes und die Abscheiaungstemperatur 850°C bzw. 900°C betrug und daß die TiCl4H2 und CH4/H2 - Strömungsgeschwindigkeiten 60/900 bzw. 150/900 mMol/Std. betrugen. Eine identische Werkzeugspitze wurde mit einer Titancarbidschicht mit einer Schichtdicke von 5,4 µm innerhalb einer Stunde beschichtet. bis Korngröße betrug weniger als 0,02 µm und die an Kohlenstoff verarmte Zone wischen der Abscheidunu und den Substrat etwa 0,5 pm.
  • Beispiel @ in unter ähnlichen Bedingungen wie Beispiel 1 angegeben, wurde ein Versuch durchgeführt mit der Ausnahme, daß die Titanbett-Temperatur und die Abscheidungstemperatur 850°C bzw. 8oo0C betrugen und die TiCl4/H2 und CH4/H2 -Strömungsgesehwindigkeiten 50/900 bzw. 150/900 mMol/Std.
  • betrugen. Eine identische Werkzeugspitze wurde mit einer Titancarbidschicht mit einer Schichtdicke von 3,0 µm innerhalb einer Stunde beschichtet. sie Titancarbid-Korngrößebetrug weniger als 0,02 µm und die an Kohlenstoff verarmte Zone maß weniger als 0,2 µm.
  • Beispiel 4 Unter vergleichbaren Bedingungen wie die des Beispiels 1 wurde ein Versuch durchgeführt mit der Ausnahme, daß TiCl4/H2 und CH4/H2-Strömungsgeschwindigkeiten 120/1800 bzw. 300/l800 rrfiol/Std. betrugen. Eine identische Werkzeugspitze wurde mit einer Titancarbidbeschichtung mit einer Schichtdicke von )>j> zum m innerhalb einer Stunde beschichtet.
  • Beispiel 5 Unter identischen Bedingungen wie im Beispiel 1 wurde ein Versuch durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die Titanbett-Temperatur und die Abscheidungsternperatur jeweils 8250c betrugen und die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase TiCl4/Argon und CH4/Argon 60/900 bzw. 60/900 mMol/ waren. Es bildete sich eine Titancarbidbeschichtung mit einer Schichtdicke von lo,2 um innerhalb einer Stunde auf einem Graphitsubstrat aus. In einem identischen Versuch, in dem Argon durch Wasserstoff ersetzt wurde, bildete sich eine Titancarbidbeschichtung mit einer Schichtdicke von 9,5 um innerhalb einer Stunde auf einem ähnlichen Graphitsubstrat aus.
  • Beispiel 6 Unter den des Beispiels 1 vergleichbaren Bedingungen wurde ein Versuch durchgeführt, mit der Ausnahme, daß der Wasserstoff durch Argon ersetzt wurde, die TiCl4/Ar- und CH4/Ar-Strömungsgeschwindigkeiten )/9ovo und 0/9oo mMol/Std.
  • betrugen unAititanbett-Temperatur und die Abscheidungstemperatur 850°C bzw. 8000C waren. Auf einer Diamantplaque mit einer Oberfläche von etwa 1 cm2 bildete sich eine dünne, gleichförmige, anhaftende undlektrisch leitende Titancarbidbeschichtung innerhalb einer Stunde aus.
  • Beispiel 7 Es wurde ein dem Versuch 6 ähnlicher Versuch durchgeführt, bei dem die Abscheidungszeit zwei Stunden betrug und die Diamantplacue durch Industriediamantenstaub (diamin grit) ersetzt war. Zur Abscheidung wurde der Industriediamantenstaub in einem mechanisch geschüttelten Becher aufbewahrt.
  • Die gesamte Staubprobe (log) wurde mit einer gleichförmigen anhaftenden Titancarbidschicht beschichtet, welche bewirkte? daß die gesamte Probe den elektrischen Strom leitete.
  • In den Figuren 1 bis 5 der Zeichnungen sind die Ergebnisse von Versuchen zum Vergleich des Verschleißes der vorderen Schneidfläche (flank) und des Kraterverschleißes (crater wear) von mit Titancarbid gemäß einem bekannten Verfahren beschichteten Schneidwerkzeugen und von den erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeugen gezeigt.
  • Als Substrat für sämtliche der mit Titancarbid beschichteten Werkzeuge wurde ein Material der Güteklasse ISO P30 (ISO P30 grade) (Zusammensetzung ih Gewichtsprozent: 8,0% CO, 78,5% WC und 13,5% kubische Carbide von TiC, TnC und NbC) verwendet.
  • Werkzeug- und Schneidedaten Die Lebensdauer des Werkzeugs und der Kraterverschleiß wurden beim Drehen in einem gehärteten und getemperten Stahl untersucht. Die Schneiddaten waren die folgenden: Material: Gehärteter und getemperter Stahl, SIS 2541 (1,4 Cr, 1,4 Ni, 0,2% MO) Härte HB-270.
  • Schneidverhältnis -6° Ansatzwinkel 70° Zufuhr 0,4 mm/u Schneidtiefe 2,0 mm Schneidgeschwindigkeit l5om/Min.
  • Werkzeugmaterial: a) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß einem bekannten Verfahren hergestellt. Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen 0,5 Mm bzw. 4,5 pm. Die Korngröße des Titancarbids schwankte zwischen 0,02 bis 0,2 µm.
  • b) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß dem obigen Beispiel 1 hergestellt.
  • Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen 5,9 µm, bzw.
  • l,0 µm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,02 µm.
  • c) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß dem obigen Beispiel 2 hergestellt.
  • Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen 5,4 pm bzw.
  • 0,5 µm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,02 µm.
  • d) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß dem obigen Beispiel 3 hergestellt.
  • Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen ),o jirn bzw.
  • O,l pm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,o2 pm.
  • In den Figuren la und lb sind der mittlere Verschleiß de: vorderen Schneidfläche VB und der Kraterverschleiß KT für die Werkzeuge a bzw. b in Abhängigkeia von der Zeit gezeigt. Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, ist die Verschleißfestigkeit des gemäß der Erfindung beschichteten Werkzeugs erheblich größer als Sie des Vergl ei chswerkzeugs a.
  • In den Figuren 2a und 2b sinie gleichen Abnutzungsteste für die Werkzeuge a bzw. c gezeigt. Wie in Beispiel 1 ist die Verschleißfestigkeit der erfindungsgemäß beschichteten Werkzeuge erheblich größer als die des Vergleichswerkzeugs a.
  • In den Figuren 3a und 3b ist der gleiche Verschleißtest für die Werkzeuge a bzw. b gezeigt. Den Figuren kann entnommen werden, daß die Verschleißfestigkeit für das Werkzeug gemäß der Erfindung nur geringfUgig größer ist als für das Vergleichswerkzeug a. Die Ursache für die kleine Zunahme der Verschleißfestigkeit kann in diesem Fall in der geringen Schichtdicke der TiC-Schicht des Werkzeugs d gesehen werden.
  • Die Festigkeit bzw. Zähigkeit der Titancarbidschicht der erfindungsgemäß beschichteten Schneidwerkzeuge wurde durch Planfräsen eines Kohlenstoffstahls (Arbeitsfläche: 150 mm Breite, 600 mm Länge) mit einem Flächenfräser vom Wegwerf-Typ mit einem einzigen Fräserzahn untersucht. Es wurden die folgenden Schneiddaten verwendet: Material: Kohlenstoffstahl SIS 1672 (0,45% C, o,65 Mn) HB - 170.
  • Ansatzwinkel: 750 Schneidtiefe: 5 mm Zufuhr/Zahn 0,1 mm Schneidgeschwindigkeit 100m/Min Werkzeugmaterial: A) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß eines bekannten Verfahrens hergestellt. Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen 5,2 Mm bzw. ),6 pm. Die Titancarbid-Korngröße lag im Bereich von O,o2 bis 0,2 Fm.
  • B) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt. Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs beraubten Zone betrugen 5,1 µm bzw. 0,5 µm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als O,o2 pm.
  • Das Substrat für die Werkzeuge A und B war ein Material der Güteklasse ISO P4o mit der Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 10,5% Co> 78% WC und 11,5% kubische Carbide von TiCß TaC und NbC.
  • Der Verschleiß (Abmeißelungen und normaler Verschleiß an der vorderen Schneidkante) wurde nach unterschiedlichen Schneidlängen untersucht. Das Ergebnis dieses Versuchs ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
  • Tabelle Werkzeug Verschleiß (mm) nach verschiedenen Schneidlängen Schneidlänge Schneidlänge Schneidlänge 250 mm 450 mm 6oo mm A 0,21 o,v8 o,47 B 0,05 0>09 0,12 Wie sich aus der Tabelle ergibt, weisen die erfindungsgemäß hergestellten Schneidwerkzeuge eine Festigkeit auf, die erheblich größer ist als die der gemäß einem bekannten Verfahren hergestellten.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur chemischen Abscheidung einer Verbindung des Titans mit einem oder mehreren der Elemente Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff aus der Gasphase auf einem metallischen oder nichtmetallischen Substrat, wobei die Titanverbindung gebildet wird> indem man bei erhöhten Temperaturzn unterhalb l2oo0C einen Dampfstrom von Titanchlorid oder Ti.tanbromid mit einer Kohlenstoff-, Bor- und/oder Stickstof:quelle umsetzt und die Titanverbindung auf der Substratoberflache abscheidet, dadurch g e k e n n z ei c h n e t, daß der Titanchlorid-oder Titanbromiddampf ein Atomverhältnis von Chlor oder Brom zu Titan von erheblich weniger als 4,0:1 aufweist und die Kohlenstoff-, Bor- und/oder Stickstoffquelle eine flüchtige oder verdampfbare Kohlenstoff-, Bor- und/oder Stickstoffverbindung und/oder eine Kohlenstoff-, Bor- und/oder Stickstoffquelle in dem Substrat umfaßt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Titanchloriddampf durch die Reaktion von Titantetrachlorid mit Titanmetall hergestellt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i ch ne t, daB das Titan auf mindestens 800°C erhitzt wird.
    4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis ), dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das Atomverhältnis von Chlor oder Brom zu Titan in dem Dampf eich oder kleiner als 3.2:1 ist.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c n n e t, daß die verdampfbare oder flüssige Verbindung des Kohlenstoffs Methan st.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, daß die Kohlenstoffquelle ein gesintertes hartes Wolframcarbid ist.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kohlenstoffquelle ein Diamant ist.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß der Diamant ein Industriediamant ist.
    9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i e h n e t, daß der Diamant in Form von einzelnen teilchen vorliegt.
    L e e r s e i t e
DE19732323652 1972-05-11 1973-05-10 Carbidbeschichtungen Pending DE2323652A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB2204372 1972-05-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2323652A1 true DE2323652A1 (de) 1973-11-29

Family

ID=10172957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19732323652 Pending DE2323652A1 (de) 1972-05-11 1973-05-10 Carbidbeschichtungen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE2323652A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0032887A1 (de) * 1980-01-21 1981-07-29 Sandvik Aktiebolag Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zementierten Karbidproduktes und das erhaltene Produkt
DE3434616A1 (de) * 1983-12-19 1985-08-29 Veb Werkzeugkombinat Schmalkalden, Ddr 6080 Schmalkalden Oberflaechenschichten aus titan-bor-nitrid-verbindungen und herstellungsverfahren

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0032887A1 (de) * 1980-01-21 1981-07-29 Sandvik Aktiebolag Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zementierten Karbidproduktes und das erhaltene Produkt
DE3434616A1 (de) * 1983-12-19 1985-08-29 Veb Werkzeugkombinat Schmalkalden, Ddr 6080 Schmalkalden Oberflaechenschichten aus titan-bor-nitrid-verbindungen und herstellungsverfahren

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2760031C2 (de)
DE3522583C2 (de)
DE69308091T2 (de) Mit mehreren metallschichten umhüllte diamantschleifmittel mit einer stromlos abgeschiedener metallschicht
DE69017631T2 (de) Harte und schmierende dünne Schicht aus amorphem Kohlenstoff-Wasserstoff-Silizium, damit beschichtete Eisenbasis-Werkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung.
DE2825009C2 (de) Hartmetallkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
DE69204089T2 (de) Vielkörnige Schleifpartikel.
DE69215168T2 (de) Verbesserte, mit Titancarbonitrid überzogene Schneideinsätze sowie Verfahren zu deren Herstellung
DE1959690C3 (de) Verfahren zur Herstellung einer Überzugsschicht auf Werkzeugen für die spanende und spanlose Formgebung
DE3872482T2 (de) Ueberzogene schleifkoerner und herstellungsverfahren fuer diese.
DE102005032860A1 (de) Hartstoffbeschichtete Körper und Verfahren zu deren Herstellung
DE19962056A1 (de) Schneidwerkzeug mit mehrlagiger, verschleissfester Beschichtung
DE3719515A1 (de) Oxidationsbeständiger Körper aus Kohlenstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
DE3211047A1 (de) Vorzugsweise mit bindemittel angereicherte, zementierte carbidkoerper und verfahren zu ihrer herstellung
DE10354543B3 (de) Dualphasenhartstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Verwendung
DE2233699A1 (de) Verfahren zur erhoehung der abreibfestigkeit der oberflaeche von hartmetallteilen
EP0229282B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Formkörpers
DE3907693C2 (de)
EP1095168A1 (de) Hartmetall- oder cermet-körper und verfahren zu seiner herstellung
DE2323652A1 (de) Carbidbeschichtungen
DE3650539T2 (de) Verfahren zum Erzeugen von Siliciumkarbid-Teilchen und von einem Siliciumkarbid-Sinterkörper
EP0425056A1 (de) Verfahren zur Abscheidung mikrokristalliner Festkörperpartikel aus der Gasphase mittels Chemical Vapour Deposition (CVD)
DE2619330A1 (de) Verfahren zur herstellung von belaegen aus hafniumverbindungen
DE69915866T2 (de) Verfahren zur herstellung von beschichtungen auf titanbasis
DE1942292B2 (de) Verfahren zur abscheidung eines ueberzuges
DE19825983C2 (de) Verfahren zum Aufbringen von Diamant- und karbidische Phasen enthaltenden Komposit-Gradienten-Schichten