DE3590390T1 - Process for applying hard coatings and the like to metals and the product obtained thereby - Google Patents
Process for applying hard coatings and the like to metals and the product obtained therebyInfo
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- C23—COATING 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
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- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Beschichten von Metallen (die nachstehend als Substrate oder Substratmetalle bezeichnet sind) mit Beschichtungen, die harte Oberflächen, chemisch beständige Überzüge etc. bilden.The invention relates to the coating of metals (hereinafter referred to as substrates or substrate metals are) with coatings that form hard surfaces, chemically resistant coatings, etc.
Hartbeschichtungen wurden entwickelt, um eine Kombination von Hochleistungs-Eigenschaften wie Reibungs-, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit für billigere Metallbauteile zu erhalten. Frühere Verfahren, die beim Aufbringen dieser Beschichtungen angewandt wurden, basierten auf der Oberflächenbehandlung metallischer Substrate durch Diffusion von Kohlenstoff, Stickstoff, Bor oder Silizium, so daß die Hartmaterialien direkt auf der Substratoberfläche gebildet wurden. Bei den meisten neueren Techniken wird eine Hartschicht als äußere Beschichtung aufgebracht. Beispiele für solche Techniken sind Gasphasenabscheidung nach chemischen Verfahren bzw. CVD-Verfahren, PVD-Verfahren, Laser-Fusion, Sputtern, Flammen- oder Plasmaspritzen und die Beschichtungskanone. Mit der eventuellen Ausnahme von CVD-Verfahren sind diese Techniken teuer und auf die Sichtlinie beschränkt, was zu unterschiedlicher Dicke und ungleichmäßiger Beschichtung insbesondere an Ecken, Öffnungen und bei komplexen Formen führen kann.Hard coatings are designed to have a combination of high performance properties such as friction, wear and tear Maintain corrosion resistance for cheaper metal components. Previous processes used in applying these coatings based on the surface treatment of metallic substrates by diffusion of carbon, Nitrogen, boron or silicon, so that the hard materials were formed directly on the substrate surface. Both Most newer techniques use a hard coat as the outer coating. Examples of such techniques are Gas phase deposition using chemical processes or CVD processes, PVD processes, laser fusion, sputtering, flame or Plasma spray and the coating gun. With the possible exception of CVD processes, these techniques are expensive and limited to the line of sight, resulting in different thickness and uneven coating especially at corners, openings and can lead to complex shapes.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Aufbringen von Beschichtungen aus M1X auf Substratmetalle, wobei M1 das Metall ist, dessen Verbindung auf das Substrat aufzubringen ist, X ein Element wie Stickstoff, Kohlenstoff, Bor oder Silizium und η eine Zahl ist, die das Atomverhältnis von X zu M angibt.The object of the invention is to provide an improved method for applying coatings of M 1 X to substrate metals, where M 1 is the metal whose compound is to be applied to the substrate, X is an element such as nitrogen, carbon, boron or silicon and η is a number which indicates the atomic ratio of X to M.
Dabei sollen ferner beschichtete Substratmetalle angegeben werden, wobei die vorstehend angegebenen Beschichtungen M1X gleichmäßig sind und auf dem Substrat haften.Coated substrate metals are also to be specified, the coatings M 1 X given above being uniform and adhering to the substrate.
Diese und weitere Aufgaben und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen.These and other objects and objects of the invention will become apparent from the following description and the accompanying one Claims.
Gemäß der Erfindung wird eine Legierung oder ein physikalisches Metallgemisch vorgesehen, bestehend aus zwei Metallen M1 und M2, die entsprechend den weiter unten angegebenen Kriterien gewählt sind. Diese Legierung oder dieses Metallgemisch wird dann geschmolzen unter Bildung einer gleichförmigen Schmelze, die auf ein Metallsubstrat durch Tauchen desselben in die Schmelze aufgebracht wird. Alternativ wird das Metallgemisch bzw. die Legierung in einem feinverteilten Zustand reduziert, und das feinverteilte Metall wird in ein flüchtiges Lösungsmittel eingebracht unter Bildung einer Emulsin, die durch Sprühen oder Bürsten auf das Metallsubstrat aufgebracht wird. Die resultierende Beschichtung wird in einer Schutzgasatmosphäre erhitzt, um das flüchtige Lösungsmittel zu verdampfen und die Legierung bzw. das Metallgemisch auf die Substratoberfläche aufzuschmelzen. (Wenn physikalische Metallgemische eingesetzt werden, werden diese entweder durch Schmelzen in eine Legierung umgewandelt, oder sie werden wie bei der vorstehend angegebenen Emulsionsmethode in situ legiert oder miteinander verschmolzen.) Unter bestimmten Umständen, wenn z. B. die Legierung bei hoher Temperatur schmilzt, so daß das Substratmetall durch Aufschmelzen einer LegierungsbeschichtungAccording to the invention, an alloy or a physical metal mixture is provided, consisting of two metals M 1 and M 2 , which are selected according to the criteria given below. This alloy or mixture of metals is then melted to form a uniform melt which is applied to a metal substrate by dipping it into the melt. Alternatively, the metal mixture or alloy is reduced in a finely divided state and the finely divided metal is placed in a volatile solvent to form an emulsin which is applied to the metal substrate by spraying or brushing. The resulting coating is heated in a protective gas atmosphere in order to evaporate the volatile solvent and to melt the alloy or the metal mixture onto the substrate surface. (If physical mixtures of metals are employed, they are either converted into an alloy by melting, or they are alloyed or fused in situ as in the emulsion method outlined above.) In certain circumstances, e.g. B. the alloy melts at high temperature so that the substrate metal by melting an alloy coating
nachteilig beeinflußt werden könnte, kann die Legierung durch Plasmaspritzen aufgebracht werden.could be adversely affected, the alloy can be applied by plasma spraying.
Die Metalle M1 und M2 werden entsprechend den folgenden Kriterien ausgewählt: M. bildet eine warmfeste Verbindung mit X (d. h. einem Nitrid, einem Carbid, einem Borid oder einem Silizid), wenn es bei hoher Temperatur einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die eine geringe Konzentration von X oder eines dissoziierbaren Moleküls oder einer Verbindung von X enthält. Die stabile Verbindung, die M- mit X bildet, kann als M1X dargestellt werden, wobei η das Atomverhältnis von X zu M1 bezeichnet.The metals M 1 and M 2 are selected according to the following criteria: M. forms a heat-resistant compound with X (ie a nitride, a carbide, a boride or a silicide) when it is exposed to an atmosphere at a high temperature which is low Concentration of X or a dissociable molecule or compound of X contains. The stable compound that M- forms with X can be represented as M 1 X, where η denotes the atomic ratio of X to M 1.
Das Metall M_ bildet under diesen Bedingungen keine stabile Verbindung mit X und bleibt entweder vollständig oder im wesentlichen vollständig in der metallischen Form. Ferner ist M2 mit dem Substratmetall insofern kompatibel, als es in einer Zwischenschicht zwischen der äußeren M1X -Schicht (infolge derThe metal M_ does not form a stable compound with X under these conditions and remains either completely or essentially completely in the metallic form. Furthermore, M 2 is compatible with the substrate metal in that it is in an intermediate layer between the outer M 1 X layer (as a result of the
inin
Reaktion mit X) und dem Substrat resultiert, wobei diese Zwischenschicht dazu dient, die M1X -Schicht an das Substrat zuReaction with X) and the substrate results, this intermediate layer serving to attach the M 1 X layer to the substrate
ι ηι η
binden. Eine wechselseitige Diffusion von M2 und dem Substratmetall unterstützt diesen Bindungseffekt.tie. Mutual diffusion of M 2 and the substrate metal supports this binding effect.
Es ist zu beachten, daß M1 ein Gemisch bzw. eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen sein kann, die den Anforderungen an M1 entspricht, und daß M2 ebenfalls ein Gemisch bzw. eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen sein kann, die den Anforderungen an M2 entspricht.It should be noted that M 1 can be a mixture or an alloy of two or more metals which meets the requirements for M 1 , and that M 2 can also be a mixture or an alloy of two or more metals which meets the requirements for M 2.
Die so gebildete und aufgebrachte Beschichtung wird dann bevorzugt einem Glühvorgang unterworfen. Das Glühen kann entfallen, wenn Glühen unter Einsatzbedingungen stattfindet.The coating so formed and applied is then preferred subjected to an annealing process. Annealing can be omitted if annealing takes place under operating conditions.
Wenn eine Beschichtung geeigneter Dicke auf die Substratlegierung durch das beschriebene Tauchbeschichtungsverfahren oder das Emulsionsverfahren (im letzteren Fall, nachdem das Lösungsmittel verdampft und die M1 M~-Leg ierung bzw. dasIf a coating of suitable thickness is applied to the substrate alloy by the dip-coating process described or the emulsion process (in the latter case after the solvent has evaporated and the M 1 M ~ alloy or the
-Gemisch auf die Substratoberfläche aufgeschmolzen ist) oder durch irgendein anderes geeignetes Verfahren aufgebracht ist, wird die Oberfläche in einer selektiv reaktiven Atmosphäre bei geeigneter hoher Temperatur ausgelagert.Mixture has melted onto the substrate surface) or Applied by any other suitable method, the surface will be in a selectively reactive atmosphere suitably high temperature outsourced.
Zur Bildung einer Nitrid-, Carbid-, Borid- oder Silizidschicht auf dem Substratmetall kann eine geeignete, thermisch dissoziierbare Verbindung bzw. ein Molekül von Stickstoff, Kohlenstoff, Bor oder Silizium eingesetzt werden. Beispiele geeigneter gasförmiger Medien sind in der folgenden Tabelle I angegeben, die Medien angibt, wobei X = Stickstoff etc.To form a nitride, carbide, boride or silicide layer on the substrate metal, a suitable, thermally dissociable Compound or a molecule of nitrogen, carbon, boron or silicon can be used. Examples of suitable ones gaseous media are given in the following Table I, which indicates the media, where X = nitrogen etc.
Gasförmige Medien zur Bildung von Nitriden, Carbiden, Boriden und SuizidenGaseous media for the formation of nitrides, carbides, borides and suicides
X Gasförmige Medien X Gaseous media
N N2, NH3 oder deren GemischeNN 2 , NH 3 or mixtures thereof
C Methan, AcetylenC methane, acetylene
B Boran, Diboran, BorhalogenideB borane, diborane, boron halides
Si Silan, Trichlorsilan, Tribromsilan, SiliziumtetrachloridSi silane, trichlorosilane, tribromosilane, Silicon tetrachloride
Wenn ein sehr niedriger Partialdruck der reaktiven Spezies erforderlich ist, kann diese mit einem Inertgas, z. B. Argon, verdünnt werden. Wenn die aktive Spezies aus einer gasförmigen Reaktion von zwei Vorstufen-Spezies resultiert, kann die Konzentration der aktiven Spezies durch Einstellen des Verhältnisses der Vorstufen—Spezies geregelt werden.If a very low partial pressure of the reactive species is required, this can be achieved with an inert gas, e.g. B. argon, be diluted. If the active species results from a gaseous reaction of two precursor species, the concentration may the active species can be controlled by adjusting the ratio of the precursor species.
Aus diesem Verfahren resultiert ein Gefüge, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.This process results in a structure as shown in FIG. 1.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Substratlegierung 10, die mit einer laminaren Beschichtung 11 überzogen ist. Die laminare Beschichtung 11 besteht aus einer metallischen Zwischenschicht 12 und einer äußeren M1X -Schicht 13. Die rela-1 shows a cross section through a substrate alloy 10 which is covered with a laminar coating 11. The laminar coating 11 consists of a metallic intermediate layer 12 and an outer M 1 X layer 13. The rela-
i ηi η
tiven Dicken der Schichten 12 und 13 sind übertrieben dargestellt. Die Substratschicht 10 ist so dick, wie es für den jeweiligen Einsatzzweck erforderlich ist.tive thicknesses of layers 12 and 13 are shown exaggerated. The substrate layer 10 is as thick as is necessary for the respective application.
Die Schichten 12 und 13 haben gemeinsam typischerweise eine Dicke von ca. 300-400 pm, wobei die Dicke der Schicht 12 ca. 250 pm und die der Schicht 13 ca. 150 pm beträgt. Es ist zu beachten, daß die Schicht 12 eine Dicke hat, die zur Bildung einer festen Verbindung mit dem Substrat ausreicht, und daß die Dicke der Schicht 13 an ihren Einsatzzweck angepaßt ist.The layers 12 and 13 together typically have a thickness of approx. 300-400 μm, the thickness of the layer 12 being approx. 250 pm and that of the layer 13 is approx. 150 pm. It should be noted that the layer 12 has a thickness sufficient for formation a firm connection to the substrate is sufficient, and that the thickness of the layer 13 is adapted to its intended use.
Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung der Beschichtung und des Substrats. Eine genauere Darstellung ist in Fig. 1A gezeigt, wobei das Substrat 10 und die äußere Schicht M-X der für Fig. 1 gegebenen Beschreibung entsprechen. Dabei ist jedoch eine Diffusionszone D vorhanden, die eine Legierung aus einem oder mehreren Substratmetallen und dem Metall M2 oder eine Interdiffusionsschicht sein kann, die aus einer Diffusion von Substratmetall vom Substrat weg nach außen und von M2 nach innen in das Substrat resultiert. Ferner ist eine Zwischenzone I vorhanden, die ein Cermet sein kann, das als Verbundschicht aus M-X und M2 gebildet ist.Figure 1 is a simplified representation of the coating and substrate. A more detailed illustration is shown in FIG. 1A, the substrate 10 and the outer layer MX corresponding to the description given for FIG. 1. However, a diffusion zone D is present, which can be an alloy of one or more substrate metals and the metal M 2 or an interdiffusion layer resulting from a diffusion of substrate metal away from the substrate and from M 2 inward into the substrate. There is also an intermediate zone I, which can be a cermet which is formed as a composite layer from MX and M 2.
Die Metalle M- und M2 werden entsprechend dem gewünschten Einsatzzweck ausgewählt. Die folgende Tabelle II gibt Metalle an, die als M- verwendbar sind, und die Tabelle III gibt Metalle an, die als M2 geeignet sind. Dabei kann nicht jedes Metall der Tabelle II mit jedem Metall der Tabelle III verwendet werden; in jedem M-/M2~Paar muß M2 edler als M- sein. Ein wei-The metals M and M 2 are selected according to the desired application. The following Table II lists metals that are useful as M- and Table III lists metals that are useful as M 2 . Not every metal in Table II can be used with every metal in Table III; in every M- / M 2 ~ pair M 2 must be nobler than M-. A white
terer Faktor ist der vorgesehene Einsatzzweck, z. B., ob eine harte Oberfläche oder eine gegen wäßrige Umgebungen beständige Oberfläche, eine als Schmiermittel wirkende Oberfläche etc. gewünscht wird. Ferner sollte die Beschaffenheit des Substrats in Betracht gezogen werden. Es ist ersichtlich, daß einige Metalle in beiden Tabellen aufgeführt sind; d. h., ein Metall M-, das in der Tabelle II aufgeführt ist, kann mit einem weniger edlen Metall M. aus der Tabelle III als M2 (das edlere Metall) eingesetzt werden.The other factor is the intended use, e.g. B. whether a hard surface or a surface resistant to aqueous environments, a surface acting as a lubricant, etc. is desired. The nature of the substrate should also be taken into account. It can be seen that some metals are listed in both tables; that is, a metal M- listed in Table II can be used with a less noble metal M. from Table III than M 2 (the more noble metal).
Aktinium Aluminium Barium Beryllium Calcium ZerActinium Aluminum Barium Beryllium Calcium Cer
Chrom Dysprosium Erbium Europium Gadolinium Hafnium Holmium Lanthan Lithium Magnesium MolybdänChromium Dysprosium Erbium Europium Gadolinium Hafnium Holmium Lanthanum Lithium Magnesium Molybdenum
Neodym NiobNeodymium niobium
Praseodym Samarium Skandium S i1i ζ i um Tantal Terbium Thorium Thulium Titan Wolfram Vanadium Ytterbium Yttrium ZirkoniumPraseodymium Samarium Scandium S i1i ζ i um Tantalum Terbium Thorium Thulium Titanium Tungsten Vanadium Ytterbium Yttrium Zirconium
TABELLE IIITABLE III
(M2)(M 2 )
Cobalt Kupfer GoldCobalt copper gold
Iridium EisenIridium iron
Mangan Molybdän Nickel OsmiumManganese Molybdenum Nickel Osmium
Palladium Platin Rhenium Rhodium Rubidium Ruthenium Silber ZinnPalladium Platinum Rhenium Rhodium Rubidium Ruthenium silver tin
Zinkzinc
Es ist zu beachten, daß zwei oder mehr Metalle aus der Tabelle II und zwei oder mehr Metalle aus der Tabelle III zur Bildung der Beschichtungslegierung bzw. des Beschichtungsgemischs eingesetzt werden können. Beispiele für geeignete M../M2-Metallpaare einschließlich Gemische aus zwei oder mehr M..-Metallen und zwei oder mehr M2-Metallen sind in der Tabelle IV aufgeführt. It should be noted that two or more metals from Table II and two or more metals from Table III can be used to form the coating alloy or the coating mixture. Examples of suitable M ../ M 2 metal pairs, including mixtures of two or more M .. metals and two or more M 2 metals, are listed in Table IV.
IVIV
Selbstverständlich ist nicht jedes Metallpaar für jeden Zweck geeignet. Wenn z. B. M- Silizium ist, neigt die Beschichtung zur Sprödigkeit; einige Paare eignen sich besser für Härte, andere zum Einsatz als Hitzebarrieren, wieder andere für die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit etc.Of course, not every metal pair is suitable for every purpose. If z. B. M silicon, the coating tends to to brittleness; some pairs are better suited for hardship, others for use as heat barriers, still others for the Oxidation and corrosion resistance etc.
Beispiele für eutektische Legierungen sind in der Tabelle V aufgeführt. Dabei ist zu beachten, daß nicht sämtliche aufgeführten Legierungen auf sämtlichen Substraten brauchbar sind. In manchen Fällen sind die Schmelzpunkte angenähert aufgeführt. Die Zahlen bezeichnen den ungefähren Masseprozentsatz von M2.Examples of eutectic alloys are given in Table V. It should be noted that not all of the alloys listed can be used on all substrates. In some cases the melting points are approximate. The numbers indicate the approximate mass percentage of M 2 .
Ti - 28,5 Ni 942Ti - 28.5 Ni 942
Ti - 32 Fe 1085Ti - 32 Fe 1085
Ti - 28 Co 1025Ti - 28 Co 1025
Ti - 50 Cu 955Ti - 50 Cu 955
Ti - 72 Cu 885 Ti - 48 Pd *' 1080Ti - 72 Cu 885 Ti - 48 Pd * '1080
Zr- 17 Ni 960Zr-17 Ni 960
Zr - 27 Ni 1010Zr - 27 Ni 1010
Zr - 16 Fe 934 Zr - 27 Co ** 1061Zr - 16 Fe 934 Zr - 27 Co ** 1061
Zr- 54 Cu 885Zr- 54 Cu 885
Zr- 27 Pd 1030Zr- 27 Pd 1030
Zr - 37 Pt 1185Zr - 37 Pt 1185
Zr - 25 Rh 1065Zr - 25 Rh 1065
Hf - 72 Ni 1130Hf - 72 Ni 1130
Hf - 38 Cu 970Hf - 38 Cu 970
Th - 36 Ni . 1037Th - 36 Ni. 1037
Th - 17 Fe * 875Th- 17 Fe * 875
975975
880880
632632 11501150
875875
910910 10001000 11001100
640640 11001100
960960
725725
890890
840840
830830
760760
900900
950950
802802
903903
907907 10801080 12701270 11751175
577577 12591259
802802 12001200 14101410
964964
870870
979979
Die Tabelle VA nennt bestimmte tertiäre Legierungen, die bei der praktischen Anwendung der Erfindung brauchbar sind.Table VA identifies certain tertiary alloys which are useful in practicing the invention.
55,18 Ti - 23,13 Nb - 21,69 Ni 40,38 Ti - 43,52 Zr - 16,10 Ni 40,07 Ti - 44,35 Zr - 15,58 Co 25,37 Ti - 65,69 Zr - 11,94 Pe 17,36 Ti - 38,01 Zr - 44,63 Cu 69,65 Zr - 16,07 Y - 14,26 Ni 55,96 Zr - 23,34 Y - 20,70 Ni 43,0β Zr - 40,98 Y - 15,94 Co 56,76 Zr - 32,43 Y - 10,81 Pe 47,89 Zr - 34,39 Y - 17,72 Pd 56,68 Zr - 22,35 Nb - 20,97 Ni 49,33 Zr - 32,43 Hf - 43,94 Ni 24,20 Zr - 48,51 Hf - 27,29 Ni55.18 Ti - 23.13 Nb - 21.69 Ni 40.38 Ti - 43.52 Zr - 16.10 Ni 40.07 Ti - 44.35 Zr - 15.58 Co 25.37 Ti - 65.69 Zr - 11.94 Pe 17.36 Ti - 38.01 Zr - 44.63 Cu 69.65 Zr - 16.07 Y - 14.26 Ni 55.96 Zr - 23.34 Y - 20.70 Ni 43.0β Zr - 40.98 Y - 15.94 Co 56.76 Zr - 32.43 Y - 10.81 Pe 47.89 Zr - 34.39 Y - 17.72 Pd 56.68 Zr - 22.35 Nb - 20.97 Ni 49.33 Zr - 32.43 Hf - 43.94 Ni 24.20 Zr - 48.51 Hf - 27.29 Ni
Yttrium, Calcium und Magnesium sind in Zirkonium-Edelmetall(M2)■ Legierungen besonders vorteilhaft, weil sie Zirkonium in der kubischen Form stabilisieren. Beispiele für solche ternären Legierungen sind nachstehend aufgeführt:Yttrium, calcium and magnesium are particularly advantageous in zirconium precious metal (M 2 ) alloys because they stabilize zirconium in the cubic form. Examples of such ternary alloys are given below:
Zr Y Ca Ma NiZr Y Ca Ma Ni
76 8 1676 8 16
77 .'■·" 7 16
79 . 5 1677. '■ · "7 16
79. 5 16
Die Tabelle VI zeigt Beispiele von Metallsubstraten, auf die die Metallpaare aufgebracht werden können.Table VI shows examples of metal substrates to which the metal pairs can be deposited.
TABELLE VI SuperlegierungenTABLE VI Superalloys
Gußlegierung auf Nickelbasis, ζ. B. IN 738 Gußlegierung auf Cobaltbasis, z. B. MAR-M509 Knetlegierung auf Nickelbasis, z. B. Rene 95 Knetlegierung auf Cobaltbasis, z. B. Haynes-Legierung Nr. 188Nickel-based cast alloy, ζ. B. IN 738 cobalt-based cast alloy, e.g. B. MAR-M509 Nickel-based wrought alloy, e.g. B. Rene 95 wrought cobalt-based alloy, e.g. B. Haynes alloy No. 188
Knetlegierung auf Eisenbasis, z. B. Discaloy Hastalloy X
RSR 185
Incoloy 901Wrought iron-based alloy, e.g. B. Discaloy Hastalloy X
RSR 185
Incoloy 901
Beschichtete Superlegierungen (korrosionsfest beschichtet) Superlegierungen, die mit Co(oder Ni)-Cr-Al-Y-Legierung beschichtet sind, z. B. 15-25 % Cr, 10-15 % Al, 0,5 % Y, Rest Co oder Ni Coated superalloys (corrosion-resistant coated) Superalloys coated with Co (or Ni) -Cr-Al-Y alloy, e.g. B. 15-25% Cr, 10-15% Al, 0.5% Y, the remainder Co or Ni
StähleSteels
Werkzeugstähle (Schmiedestahl, Gußstahl oder pulvermetallurgischer
Stahl)
Z. B. AISIM2; AISIW1Tool steels (forged steel, cast steel or powder metallurgical steel)
E.g. AISIM2; AISIW1
Austenitstahl 304
Ferritstahl 430
Martensitstahl 410Austenitic steel 304
Ferrite steel 430
Martensitic steel 410
Kohlenstoffstähle
AISI 1018 Carbon steels
AISI 1018
Legierte Stähle
AISI 4140
Maraging 250 Alloy steels
AISI 4140
Maraging 250
GußeisenCast iron
Grauguß, Kugelgraphitgußeisen, Temperguß, legiertes GußeisenGray cast iron, spheroidal graphite cast iron, malleable cast iron, alloyed cast iron
UNSF 10009UNSF 10009
Titan und Titanlegierungen, z. B. ASTM Güte 1; T1-6A1-4VTitanium and titanium alloys, e.g. B. ASTM Grade 1; T1-6A1-4V
Nickel und Nickellegierungen, z. B. Nickel 200, Monel 400 CobaltNickel and nickel alloys, e.g. B. Nickel 200, Monel 400 Cobalt
Kupfer und seine Legierungen, z. B. C10100; C 17200; C26000; C 95200Copper and its alloys, e.g. B. C10100; C 17200; C26000; C 95200
Hochschmelzende Metalle und Legierungen Molybdänlegierungen, z. B. TZM
Niobiumlegierungen, z. B. FS-85
Tantallegierungen, z. B. T-111
Wolframlegierungen, ζ. B. W-Mo-Legierungen Refractory metals and alloys Molybdenum alloys, e.g. B. TZM
Niobium alloys, e.g. B. FS-85
Tantalum alloys, e.g. B. T-111
Tungsten alloys, ζ. B. W-Mo alloys
Ni- und cobaltgebundene Carbide, z. B. WC-3 bis 25 Co stahlgebundene Carbide, z. B. 40-55 Vol.-% TiC, Rest Stahl; 10-20 % TiC - Rest StahlNi and cobalt bonded carbides, e.g. B. WC-3 to 25 Co steel bonded carbides, e.g. B. 40-55 vol .-% TiC, remainder steel; 10-20% TiC - the rest steel
Das Verhältnis von M1 zu M2 ist sehr unterschiedlich und hängt ab von Faktoren wie der Wahl von M1 und M2, der Beschaffenheit des Substratmetalls, der gewählten reaktiven gasförmigen Spezies, der Umwandlungstemperatur, dem Einsatzzweck der Beschichtung (ob sie z. B. als Wärmebarriere oder als gehärtete Oberfläche dienen soll), etc.The ratio of M 1 to M 2 is very different and depends on factors such as the choice of M 1 and M 2 , the nature of the substrate metal, the selected reactive gaseous species, the transition temperature, the intended use of the coating (e.g. whether it is . to serve as a thermal barrier or as a hardened surface), etc.
Das Tauchbeschichtungsverfahren wird bevorzugt. Es ist leicht durchführbar, und die Legierungsschmelze entfernt Oberflächenoxide (die Abplatzen verursachen können). Bei diesem Verfahren wird eine M../M2-Legierungsschmelze hergestellt, und die Substratlegierung wird in ein Bad der Beschichtungslegierung getaucht. Die Temperatur der Legierung und die Verweildauer,The dip coating method is preferred. It's easy to do, and the alloy melt removes surface oxides (which can cause chipping). In this process, a M ../ M 2 alloy melt is produced and the substrate alloy is immersed in a bath of the coating alloy. The temperature of the alloy and the dwell time,
während der das Substrat in die Legierungsschmelze gehalten wird, bestimmen die Dicke und Glätte der Beschichtung. Wenn eine aerodynamische Oberfläche oder eine Schneidkante hergestellt wird, wird eine glattere Oberfläche als für einige andere Zwecke benötigt. Die Dicke der aufgebrachten Beschichtung kann zwischen einem Bruchteil von 1 μτη und mehreren mm liegen. Bevorzugt wird eine Beschichtung mit einer Dicke von ca. 300-400 pm aufgebracht, wenn eine Hitzebarriere vorgesehen werden soll. Eine Hartoberfläche braucht nicht so dick zu sein. Selbstverständlich wird die Beschichtungsdicke entsprechend den Erfordernissen eines speziellen Einsatzzwecks gewählt. while the substrate is held in the alloy melt, determine the thickness and smoothness of the coating. When making an aerodynamic surface or cutting edge, a smoother surface is needed than for some other purposes. The thickness of the applied coating can be between a fraction of 1 μm and several mm. A coating with a thickness of approx. 300-400 μm is preferably applied if a heat barrier is to be provided. A hard surface doesn't need to be that thick. Of course, the coating thickness is selected according to the requirements of a special application.
Das Emulsionsaufschmelzverfahren bietet den Vorteil, daß die Beschichtungslegierung bzw. das Beschichtungsmetallgemisch verdünnt wird und daher die Dicke der auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung leichter kontrollierbar ist. Ferner können auch komplexe Formen beschichtet werden, und der Prozeß ist wiederholbar, so daß eine Beschichtung erwünschter Dicke aufgebaut wird. Typischerweise wird das Emulsionsaufschmelzverfahren wie folgt angewandt: Eine pulverförmige Legierung aus M1 und M2 wird mit einem Leichtbenzin und einem organischen Bindemittel wie Nicrobraz 500 (Well Colmonoy Corp.) und MPA-60 (Baker Caster Oil Co.) vermischt. Typische Mengenverhältnisse der Emulsion sind: Beschichtungslegierung 45 Gew.-%, Leichtbenzin 10 Gew.-% und organisches Bindemittel 45 Gew.-%. Dieses Gemisch wird dann z. B. in einer Keramikkugelmühle unter Verwendung von Aluminiumoxidkugeln vermählen. Nach Trennung der resultierenden Emulsion von den Aluminiumoxidkugeln wird das Gemisch (während es in Bewegung gehalten wird, um eine gleichmäßige Verteilung der Legierungsteilchen in dem flüssigen Medium sicherzustellen) auf die Substratoberfläche aufgebracht, und das Lösungsmittel wird z. B. in Luft bei Umgebungstemperatur oder etwas höherer Temperatur verdampft. Der aus Legierung und Binder bestehende Rückstand wird dann auf die Oberfläche aufgeschmolzen, indem er in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. in Argon, das zur Sauerstoffgetterung überThe emulsion melting process offers the advantage that the coating alloy or the coating metal mixture is diluted and therefore the thickness of the coating applied to the substrate can be more easily controlled. Furthermore, complex shapes can also be coated and the process is repeatable so that a coating of a desired thickness is built up. Typically the emulsion melting process is used as follows: A powdery alloy of M 1 and M2 is mixed with a mineral spirits and an organic binder such as Nicrobraz 500 (Well Colmonoy Corp.) and MPA-60 (Baker Caster Oil Co.). Typical proportions of the emulsion are: coating alloy 45% by weight, mineral spirits 10% by weight and organic binder 45% by weight. This mixture is then z. B. ground in a ceramic ball mill using aluminum oxide balls. After separating the resulting emulsion from the alumina spheres, the mixture is applied to the substrate surface (while it is kept agitated to ensure even distribution of the alloy particles in the liquid medium) and the solvent is e.g. B. evaporated in air at ambient temperature or slightly higher temperature. The residue consisting of alloy and binder is then melted onto the surface by being placed in a protective gas atmosphere, e.g. B. in argon, which is used for oxygen gettering
heiße Calciumspäne geleitet wurde, auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird. Der Binder zersetzt sich, und die Zersetzungsprodukte werden verdunstet.hot calcium chips was passed to a suitable temperature is heated. The binder decomposes, and so do the decomposition products are evaporated.
Wenn die Legierung aus M.. und M2 einen so hohen Schmelzpunkt hat, daß dieser den Schmelzpunkt des Substrats entweder übersteigt oder diesem sehr nahekommt, kann die Legierung durch Sputtern, Aufdampfen oder mit einem anderen Verfahren aufgebracht werden.When the alloy of M .. and M2 has such a high melting point has that this either exceeds the melting point of the substrate or comes very close to this, the alloy can be applied by sputtering, vapor deposition or some other method will.
Es ist vorteilhaft, M1 und M2 in Form einer Legierung einzusetzen, die entweder ein eutektisches oder nahezu eutektisches Gemisch ist. Dies bietet den Vorteil, daß eine Beschichtung einer definitiven vorhersehbaren Zusammensetzung gleichmäßig aufgebracht wird. Ferner haben eutektische und nahezu eutektische Gemische niedrigere Schmelzpunkte als nichteutektische Gemische. Daher besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit als bei hochschmelzenden Legierungen, daß das Substratmetall nachteilig beeinflußt wird, und sie sind leichter zu sintern als hochschmelzende Legierungen.It is advantageous to use M 1 and M 2 in the form of an alloy which is either a eutectic or almost eutectic mixture. This offers the advantage that a coating of a definite predictable composition is applied evenly. Furthermore, eutectic and near-eutectic mixtures have lower melting points than non-eutectic mixtures. Hence, refractory alloys are less likely than refractory alloys to adversely affect the substrate metal and are easier to sinter than refractory alloys.
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.The following examples serve to illustrate the invention.
Das Substratmetall war Werkzeugstahl in Form eines Stabs. Die Beschichtungslegierung war eine eutektische Legierung mit 71,5 % Ti und 28,5 % Ni. Dieses Eutektikum hatte einen Schmelzpunkt von 942 0C. Der Stab wurde in diese Legierung bei 1000 eC für die Dauer von 10 s getaucht, entnommen und 5 h bei 800 °C geglüht. Er wurde dann für 15 h bei 800 0C in sauerstoff freiem Stickstoff ausgelagert. Der Stickstoff wurde langsam mit Atmosphärendruck über den Stab geschickt. Die resultierende Beschichtung war kontinuierlich und haftend. Die Zusammensetzung des Titannitrids TiN hängt von der Temperatur und dem Stickstoffdruck ab.The substrate metal was tool steel in the form of a rod. The coating alloy was a eutectic alloy containing 71.5% Ti and 28.5% Ni. This eutectic has a melting point of 942 0 C. The rod was in this alloy at 1000 e C for a period of 10 s immersed, removed and 5 annealed at 800 ° C. It was then stored in oxygen-free nitrogen at 800 ° C. for 15 h. The nitrogen was slowly passed over the rod at atmospheric pressure. The resulting coating was continuous and adherent. The composition of the titanium nitride TiN depends on the temperature and the nitrogen pressure.
Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei weicher unlegierter Stahl als Substrat verwendet wurde. Es wurde eine Titannitridschicht aufgebracht.Example 1 was repeated using mild carbon steel as the substrate. It became a titanium nitride layer upset.
Die Beschichtungen nach den Beispielen 1 und 2 sind nützlich, weil die behandelte Oberfläche hart ist. Dies ist besonders bei weichem unlegiertem Stahl vorteilhaft, da dieser zwar kostengünstig, aber weich ist. Es bietet sich also die Möglichkeit, ein kostengünstiges Metall mit harter Oberfläche zu erhalten.The coatings of Examples 1 and 2 are useful because the surface treated is hard. This is special advantageous for soft unalloyed steel, since it is inexpensive, but soft. So there is the possibility obtain an inexpensive metal with a hard surface.
Es wurde wie in Beispiel 1, jedoch bei einer Temperatur von 650 °C vorgegangen. Die Beschichtung mit einer Dicke von 2 ι war heller als die Beschichtung von Beispiel 1.It was as in Example 1, but at a temperature of 650 ° C proceeded. The coating with a thickness of 2 ι was lighter than the coating of Example 1.
Dunklere Farben, die bei höheren Temperaturen erhalten wurden, weisen auf eine stochiometrische Zusammensetzung TiN hin.Darker colors obtained at higher temperatures indicate a stoichiometric composition of TiN.
Gleichartige Beschichtungen wurden auf rostfreien Stahl aufgebracht. Similar coatings have been applied to stainless steel.
Eine eutektische Legierung mit 83 % Zr und 17 % Ni (Schmelzpunkt 961 0C) wurde eingesetzt. Das Substratmetall (Werkzeugstahl) wurde bei 1000 0C tauchbeschichtet, für 3 h bei 1000 0CA eutectic alloy with 83% Zr and 17% Ni (melting point 961 ° C.) was used. The substrate metal (tool steel) is dip coated at 1000 0 C for 3 h at 1000 0 C
rf -rf -
geglüht und wie in den Beispielen 1 und 3 in Stickstoff bei 800 0C ausgelagert. Es resultierte eine gleichförmige haftende Beschichtung von 2-3 pm.annealed and as paged in Examples 1 and 3 in nitrogen at 800 0 C. A uniform, adherent coating of 2-3 µm resulted.
Es wurde eine eutektische Legierung aus 48 % Zr und 52 % Cu mit einem Schmelzpunkt von 885 0C eingesetzt. Werkzeugstahl wurde für 10 s in die Legierung bei 1000 °C getaucht, entnommen und für 5 h bei 1000 0C geglüht. Er wurde dann in Stickstoff mit einem Druck von 0,98 bar für 50 h bei 800 0C ausgelagert. Es resultierte eine gleichförmige haftende Beschichtung .There was a eutectic alloy of 48% Zr and 52% of Cu having a melting point of 885 0 C. Tool steel was dipped for 10 s in the alloy at 1000 ° C, removed and annealed for 5 hours at 1000 0 C. It was then outsourced in nitrogen at a pressure of 0.98 bar for 50 h at 800 0 C. A uniform adhesive coating resulted.
Ein Vorteil von Kupfer als Metall M2 besteht darin, daß es ein guter Wärmeleiter ist, was für die Wärmeableitung (in den Werkzeugkörper) bei Schneidvorgängen nützlich ist.An advantage of copper as the metal M 2 is that it is a good conductor of heat, which is useful for dissipating heat (into the tool body) during cutting operations.
Eine eutektische Legierung mit 77 % Ti und 23 % Cu mit einem Schmelzpunkt von 875 0C wurde eingesetzt. Heißtauchen erfolgte bei 1027 0C für 10 s; Glühen erfolgte bei 900 0C für 5 h; Auslagern in N2 erfolgte bei 900 0C für 100 h. Es resultierte eine haftende, kontinuierliche Beschichtung. Das Substratmetall war Schnellstahl.A eutectic alloy with 77% Ti and 23% Cu with a melting point of 875 ° C. was used. Hot dipping was carried out at 1027 0 C for 10 s; Annealing took place at 900 ° C. for 5 h; Aging in N2 took place at 900 ° C. for 100 h. An adherent, continuous coating resulted. The substrate metal was high speed steel.
Werkzeugstahl wurde mit einer Ti-Ni-Legierung beschichtet und wie in Beispiel 3 geglüht. Das reaktive Gas war Methan, das mit oder ohne Inertgasverdünner wie Argon oder Helium eingesetzt werden kann. Der beschichtete Stahlstab wurde in MethanTool steel was coated with a Ti-Ni alloy and annealed as in Example 3. The reactive gas was methane, that can be used with or without an inert gas diluent such as argon or helium. The coated steel rod was in methane
- *β- * β
bei 1000 0C für 20 h ausgelagert. Es resultierte eine harte, haftende Titankarbidbeschichtung.aged at 1000 ° C. for 20 h. A hard, adherent titanium carbide coating resulted.
Das Verfahren gemäß Beispiel 7 kann unter Verwendung von BH3 als reaktives Gas bei einer Temperatur oberhalb 700 0C, z. B. >700 0C bis 1000 0C, für 10-20 h wiederholt werden. Dabei wird eine harte und haftende Titanboridbeschichtung gebildet.The method according to Example 7 can be carried out using BH 3 as the reactive gas at a temperature above 700 ° C., e.g. B.> 700 0 C to 1000 0 C, be repeated for 10-20 h. A hard and adhesive titanium boride coating is formed in the process.
Das Verfahren gemäß Beispiel 7 wurde wiederholt unter Einsatz von Silan SiH- als reaktives Gas, und zwar mit oder ohne einem verdünnenden Inertgas wie Argon oder Helium. Die Temperatur und Auslagerungszeit kann >700 0C bis 1000 °C und 10-20 h betragen. Es wurde eine harte und haftende Titansilizidbeschichtung gebildet.The procedure of Example 7 was repeated using silane SiH- as the reactive gas, with or without a diluting inert gas such as argon or helium. The temperature and aging time can> 700 0 C to 1000 ° C and amount to 10-20 h. A hard and adhesive titanium silicide coating was formed.
Unter anderem sind folgende Überlegungen zu beachten:Among other things, the following considerations must be observed:
Das Metall M2 sollte mit dem Substrat kompatibel sein. Es sollte z. B. keine spröde intermetallische Verbindung mit Metallen des Substrats bilden. Bevorzugt ändert es die mechanischen Eigenschaften des Substrats nicht merklich und weist einen großen Löslichkeitsbereich im festen Zustand im Substrat auf. Ferner bildet es bevorzugt ein niedrigschmelzendes Eutektikum mit M-. Es sollte auch kein hochstabiles Karbid, Nitrid, Borid oder Silizid bilden. Wenn z. B. M1 in ein Nitrid umzusetzen ist, sollte M2 kein stabiles Nitrid unter den Bedingungen bilden, die zur Bildung des M--Nitrids angewandt werden. The metal M2 should be compatible with the substrate. It should e.g. B. do not form a brittle intermetallic compound with metals of the substrate. It preferably does not change the mechanical properties of the substrate noticeably and has a wide range of solubility in the solid state in the substrate. Furthermore, it preferably forms a low-melting eutectic with M-. It should also not form a highly stable carbide, nitride, boride or silicide. If z. B. M 1 is to be converted into a nitride, M 2 should not form a stable nitride under the conditions that are used to form the M-nitride.
Bei dem Heißtauchverfahren zum Aufbringen einer M-/M2-Legierung kann durch schnelles Drehen und/oder Wischen ein ungleichmäßiges Aufbringen auf die Oberfläche vermieden bzw. reduziert werden.In the hot dipping process for applying an M / M 2 alloy, uneven application to the surface can be avoided or reduced by rapid turning and / or wiping.
Das Glühen nach dem Aufbringen der Legierung bzw. des Gemischs aus M- und M2 sollte erfolgen, um eine gute Bindung zwischen der Legierung und dem Substrat zu erzielen.The annealing after the application of the alloy or the mixture of M and M 2 should take place in order to achieve a good bond between the alloy and the substrate.
Die Umwandlung der Legierungsbeschichtung zum Endprodukt erfolgt bevorzugt durch Auslagerung in einem langsam strömenden Reaktionsgasstrom bei einer Temperatur und einem Druck, die """ ausreichend sind, um das reaktive gasförmige Molekül bzw. die Verbindung mit M1 umzusetzen, die jedoch nicht so hoch sind, daß eine Umsetzung mit M2 stattfindet. Ferner ist es vorteilhaft, eine Temperatur etwas über dem Schmelzpunkt der Beschichtungslegierung einzusetzen, die z. B. geringfügig über dem eutektischen Schmelzpunkt der Legierung liegt. Die Anwesenheit einer flüssigen Phase unterstützt die Wanderung von M-zur Oberfläche und das Verdrängen von M2 in der äußeren Schicht.The conversion of the alloy coating to the end product is preferably carried out by aging in a slowly flowing stream of reaction gas at a temperature and a pressure which are """sufficient to convert the reactive gaseous molecule or the compound with M 1 , but which are not so high that a reaction takes place with M 2. It is also advantageous to use a temperature slightly above the melting point of the coating alloy, for example slightly above the eutectic melting point of the alloy The presence of a liquid phase supports the migration of M- to the surface and displacing M 2 in the outer layer.
Wenn die Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Beschichtungslegierung liegt, und wenn die durch M- und das reaktive Gas gebildete Verbindung schnell wächst, wird M2 in der wachsenden Verbindung eingeschlossen, wodurch die Teilchen von M-X gebunden werden. In diesem Fall wird ein Cermet gebildet, was Vorteile bieten kann, z. B. ein W- oder Nb-Karbid, das durch Cobalt oder Nickel gebunden ist.When the temperature is below the melting point of the coating alloy, and when the compound formed by M and the reactive gas grows rapidly, M 2 becomes trapped in the growing compound, thereby binding the particles of MX. In this case, a cermet is formed, which can offer advantages, e.g. B. a W or Nb carbide bound by cobalt or nickel.
Es ist somit ersichtlich, daß ein neues und vorteilhaftes Verfahren zum Aufbringen einer M-X -Beschichtung auf ein Metallsubstrat sowie neue und vorteilhafte Produkte angegeben werden. It can thus be seen that a new and advantageous method for applying an M-X coating to a metal substrate as well as new and advantageous products are indicated.
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