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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.
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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.
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Die Titancarbidbeschichtung wird gewöhnlich durch chemische Abscheidung
aus der Dampfphase ~aufgebracht, wobei zwei verschiedene Arbeitsverfahren angewendet
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Verfahren kann innerhalb eines weiten Bereichs des Drucks oder
der Partialdrücke des dampfförmigen niederen Titanchlorids oder -bromids durchgeführt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Diamant kann ein Industriediamant in Form einer Diamantplaque
oder in Form von besonders ausgebildeten
Teilchen sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die gesamte Staubprobe (log) wurde mit einer gleichförmigen
anhaftenden
Titancarbidschicht beschichtet, welche bewirkte? daß die gesamte Probe den elektrischen
Strom leitete.
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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.
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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.
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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.
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Schneidverhältnis -6° Ansatzwinkel 70°
Zufuhr 0,4
mm/u Schneidtiefe 2,0 mm Schneidgeschwindigkeit l5om/Min.
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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.
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b) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde
gemäß dem obigen Beispiel 1 hergestellt.
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Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs
beraubten Zone betrugen 5,9 µm, bzw.
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l,0 µm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,02 µm.
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c) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde
gemäß dem obigen Beispiel 2 hergestellt.
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Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs
beraubten Zone betrugen 5,4 pm bzw.
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0,5 µm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,02 µm.
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d) Ein zementiertes Carbidwerkzeug mit einer Titancarbidschicht wurde
gemäß dem obigen Beispiel 3 hergestellt.
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Die Schichtdicke der Titancarbidschicht und der des Kohlenstoffs
beraubten Zone betrugen ),o jirn bzw.
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O,l pm. Die Titancarbid-Korngröße war kleiner als 0,o2 pm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.