FR2649995A1 - PROCESS FOR SILICIURATION OF STEEL BY CHEMICAL DEPOSITION IN THE GAS PHASE - Google Patents

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Abstract

Un procédé d'amélioration des propriétés superficielles de pièces en acier, notamment de leur dureté superficielle, selon lequel on prépare une pièce en acier à l'état propre; on chauffe la pièce dans un four sous atmosphère inerte jusqu'à une température prédéterminée de siliciuration comprise entre 800 degre(s)C et 1100 degre(s)C; on injecte un mélange gazeux de silane Sin H2n&I1 A2 et d'argon dans le four où se trouve la pièce en acier maintenue à cette température, de façon à former une couche de diffusion contenant 10 à 40 % de silicium en pourcentage atomique à la surface de la pièce en acier, la proportion volumique de silane du mélange gazeux étant de préférence comprise entre 0,1 et 5 %.A process for improving the surface properties of steel parts, in particular their surface hardness, according to which a steel part is prepared in the clean state; the part is heated in an oven under an inert atmosphere up to a predetermined siliciding temperature of between 800 degree (s) C and 1100 degree (s) C; a gaseous mixture of Sin H2n & I1 A2 silane and argon is injected into the furnace where the steel part is kept at this temperature, so as to form a diffusion layer containing 10 to 40% silicon in atomic percentage at the surface of the steel part, the volume proportion of silane in the gas mixture preferably being between 0.1 and 5%.

Description

PROCEDE DE SILICIURATION D'ACIERS PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE GAZEUSE.PROCESS FOR SILICIURATION OF STEELS BY CHEMICAL DEPOSITION IN THE GAS PHASE.

La présente invention concerne un procédé d'amélioration des propriétés superficielles de pièces métalliques par siliciuration au  The present invention relates to a method for improving the surface properties of metal parts by siliciding with

moyen d'un dépot chimique en phase gazeuse.  by means of a chemical deposit in the gas phase.

L'inveettion concerne, plus particulièrement, un procédé de siliciuration par dipSt chimique en phase gazeuse pour l'amélioration de Pruprifta Boperfilcielles, noteent de la dureté et de la  The invention relates, more particularly, to a process of siliciding by chemical dipSt in the gas phase for the improvement of Pruprifta Boperfilcielles, note the hardness and the

résistance a la corrosion des pièces en acier.  corrosion resistance of steel parts.

D'ane a1re glairaie. après leur aise en Forme. les pi&aces métalliques ont besoin d'un traitement de surface pour répondre à des impératifs techniques et économiques de leur environnement d'utilisation. Le traitement de surface permet d'améliorer les propriétés superficielles des pièces métalliques, soit par une modification de la composition d'une couche superficielle de ces pièces, soit par un dépSt d'une couche d'un autre matériau à la  From one year to the next. after their ease in Form. metal parts need surface treatment to meet the technical and economic requirements of their environment of use. The surface treatment makes it possible to improve the surface properties of the metal parts, either by a modification of the composition of a surface layer of these parts, or by a depSt of a layer of another material to the

surface de ces pièces.surface of these parts.

Parmi de nombreuses méthodes connues pour le traitement de surface, la présente invention s'intéresse plus particulièrement à la méthode de dépôt chimique en phase gazeuse (parfois désigné "Chemical Vapor Deposition" ou C.V.D.), notamment pour la siliciuration de  Among many known methods for surface treatment, the present invention relates more particularly to the chemical gas deposition method (sometimes called "Chemical Vapor Deposition" or C.V.D.), in particular for the siliciding of

pièces en acier.steel parts.

Dans la littérature, on peut trouver plusieurs méthodes d'élaboration de couches superficielles siliciurées: l'implantation ionique, le frittage de poudres de silicium et du métal choisi, la projection de plasma, l'électrolyse en bain de sels fondus et le dépôt chimique en phase gazeuse, La méthode de dépSt chimique en phase gazeuse pour la silicturation de métaux présente de nombreux avantages. Elle permet en particulier d'obtenir une couche de dépôt uniforme à la surface des pièces à traiter avec des températures de traitement relativement basses, et ne nécessite pas un vide poussé. Les autres méthodes de siliciuration connues dans la technique présentent au contraire un certain nombre d'inconvénients, tels que le coût élevé de réalisation (implantation ionique), les difficultés de mise en oeuvre (électrolyse, implantation ionique), l'inhomogénéité du dépst (implantation ionique, projection de plasma) ou des épaisseurs trop importantes de couches de dépSt (projection de plasma, frittage), etc. On sait déjà réaliser une siliciuration à l'aide de SiC14 par la méthode de dépSt chimique en phase gazeuse dans le but d'augmenter la perméabilité magnétique et de diminuer la magnétostriction, et surtout diminuer les pertes magnétiques, des tôles d'acier de transformateurs. Pendant la siliciuration, une couche de diffusion de silicium se forme à la surface des pièces en acier. Le chlorure volatil crée des porosités dans la couche siliciurée qui sont  In the literature, one can find several methods of developing siliconized surface layers: ion implantation, sintering of silicon powders and the chosen metal, plasma spraying, electrolysis in molten salt bath and chemical deposition. In the gas phase, the chemical depSt method in the gas phase for metal siliciding has many advantages. It makes it possible in particular to obtain a uniform deposit layer on the surface of the parts to be treated with relatively low treatment temperatures, and does not require a high vacuum. The other siliciding methods known in the art have, on the contrary, a certain number of drawbacks, such as the high cost of production (ion implantation), the difficulties of implementation (electrolysis, ion implantation), the inhomogeneity of the depst ( ion implantation, plasma projection) or excessively thick layers of depSt layers (plasma projection, sintering), etc. It is already known to carry out siliciding using SiC14 by the chemical depSt method in the gas phase with the aim of increasing the magnetic permeability and reducing the magnetostriction, and above all reducing the magnetic losses, of the steel sheets of transformers. . During siliciding, a silicon diffusion layer is formed on the surface of steel parts. The volatile chloride creates porosities in the silicided layer which are

néfastes notamment aux propriétés d'anti-corrosion des pièces.  particularly harmful to the anti-corrosion properties of parts.

L'ajout éventuel d'hydrogène au flux de SiC14 a été envisagé pour éliminer la possibilité de formation de chlorure de fer. Mais des réactions chimiques produisent de l'acide chlorhydrique gazeux qui peut aussi attaquer la couche de diffusion de silicium en y formant  The possible addition of hydrogen to the SiC14 stream has been considered to eliminate the possibility of the formation of iron chloride. But chemical reactions produce gaseous hydrochloric acid which can also attack the silicon diffusion layer by forming there

des porosités.porosities.

On connaît également, par la demande de brevet EP 0 226 130 (AIR PRODUCTS) , la siliciuration de métaux par dépôt chimique en phase gazeuse en utilisant du silane (SiH4) dans un flux d'hydrogène à des températures voisines de 600 à 700 C. Le document fait état d'un processus de diffusion de silicium dans le métal obtenu en faisant un pr&traitement des substrats sous atmosphère d'hydrogène, en  Also known, from patent application EP 0 226 130 (AIR PRODUCTS), is the siliciding of metals by chemical deposition in the gas phase using silane (SiH4) in a hydrogen flow at temperatures in the region of 600 to 700 ° C. The document reports on a silicon diffusion process in the metal obtained by pretreating the substrates under a hydrogen atmosphere,

contr8lant et en minimisant le taux de la vapeur d'eau dans le four.  controlling and minimizing the rate of water vapor in the oven.

La couche de diffusion de silicium obtenue améliore les propriétés d4'utioeoa"loa à haut tauprattre it Inhibe la for-tion de coke  The silicon diffusion layer obtained improves the properties of high tauprattre. It inhibits the formation of coke.

lors d'opérations de cracking d'hydrocarbures.  during oil cracking operations.

D'autres travaux ont été manés pour l'obtention de couches passivantes de siliciure à la surface de pièces métalliques notamment  Other work has been done to obtain passivating layers of silicide on the surface of metal parts in particular

en fer, en titane et en nickel, à l'aide du silane.  in iron, titanium and nickel, using silane.

La demandresse a maintenant découvert, et cela constitue l'idée inventive à la base de la présente invention, qu'il était possible d'obtenir une modification sensible des propriétés mécaniques superficielles de pièces en acier en procédant à une siliciuration de  The Applicant has now discovered, and this constitutes the inventive idea on which the present invention is based, that it was possible to obtain a substantial modification of the surface mechanical properties of steel parts by carrying out siliciding of

ces pièces dans des conditions particulières.  these parts under special conditions.

L'objet de la présente invention est donc de réaliser, dans des conditions particulières, une couche siliciurée de métaux par dépôt chimique an phase gazeuse de silane (SinH2n+2) pour améliorer les propriétés superficielles, notamment les propriétés mécaniques des  The object of the present invention is therefore to produce, under special conditions, a silicided layer of metals by chemical deposition in a gaseous silane phase (SinH2n + 2) to improve the surface properties, in particular the mechanical properties of

pièces traitées.parts processed.

Le petd6 de l'iventiea nt ptyet ea latttceltey d'tmlioret le prap4xi4U Au exfgielles de pièces en acier, notamment pour leur  The petd6 of the ventiea nt ptyet ea latttceltey d'tmlioret the prap4xi4U Au exfgiels of steel parts, especially for their

dureté superlIciel le.superlIcial hardness.

Selon l'invention, on prépare une pièce en acier à l'état propre; puis on chauffe la pièce dans un four Jusqu'à une température prédéterminée TO comprise entre 800 et 1100 C; ensuite on injecte un mélange gazeux contenant un gaz inerte et un silane SinH2n+2 dans le four o se trouve la pièce en acier maintenue à la température TO, de façon à former une couche de diffusion contenant de 10% à 40% de  According to the invention, a steel part is prepared in the clean state; then the part is heated in an oven Up to a predetermined temperature TO between 800 and 1100 C; then a gas mixture containing an inert gas and a silane SinH2n + 2 is injected into the furnace where the steel part is kept at the temperature TO, so as to form a diffusion layer containing from 10% to 40% of

silicium en pourcentage atomique à la surface de la pièce en acier.  silicon in atomic percentage on the surface of the steel part.

La proportion volumique de silane du mélange gazeux est de préférence inférieure à 10%, La température de siliciuration TO0 est avantageusement supérleure à 850'C. Dans ce cas, après avoir été exposée à la température TO, la pièce est de préférence refroidie à environ 850 C, puis trempée par exemple dans une huile à la température ambiante. On peut effectuer ensuite un revenu de la pièce à une température de l'ordre de 5500 à 600 C pendant environ 30 à 60 minutes. Les étapes postérieures à la siliciuration peuvent être modifiées selon le type  The volume proportion of silane in the gas mixture is preferably less than 10%. The siliciding temperature TO0 is advantageously greater than 850 ° C. In this case, after having been exposed to the temperature TO, the part is preferably cooled to around 850 C, then quenched, for example, in an oil at room temperature. One can then carry out an income of the part at a temperature of the order of 5500 to 600 C for approximately 30 to 60 minutes. The stages after siliciding can be modified according to the type

d'acier constituant la pièce à traiter.  of steel constituting the part to be treated.

De préférence, la pièce en acier est maintenue à la température TO de siliciuration pendant une durée comprise entre 0,5 et 40 heures selon la valeur de TO. Le débit du mélange gazeux par unité de volume du four peut varier entre 1 et 10. La pression totale du mélange  Preferably, the steel part is maintained at the siliciding temperature TO for a period of between 0.5 and 40 hours depending on the value of TO. The flow rate of the gas mixture per unit volume of the oven can vary between 1 and 10. The total pressure of the mixture

gazeux est de préférence inférieure à 1000 Pascals.  gaseous is preferably less than 1000 Pascals.

La proportion volumique de silane dans le mélange gazeux est comprise entre 10 ppm et 5%, et est fortement influencée par la température T0 de siliciuration. Avantageusement, cette proportion  The volume proportion of silane in the gas mixture is between 10 ppm and 5%, and is strongly influenced by the siliciding temperature T0. Advantageously, this proportion

peut être choisie entre 0,1% et 5%.  can be chosen between 0.1% and 5%.

Le mélange gazeux injecté, pendant l'étape du maintien de la température T0 à laquelle a lieu la siliciuration de la pièce ne contient de préférence pas d'autres constituants gazeux que le silane et l'argon. Toutefois il peut être avantageux dans certains cas de rajouter au mélange gazeux de l'hydrogène dans des proportions volumiques inférieures à 20% et/ou d'hélium dans des proportions volumiques supérieures à 1%. L'hélium peut également être utilisé  The gas mixture injected, during the step of maintaining the temperature T0 at which the siliciding of the part takes place, preferably does not contain any other gaseous constituents than silane and argon. However, it may be advantageous in certain cases to add hydrogen to the gas mixture in volume proportions of less than 20% and / or of helium in volume proportions of more than 1%. Helium can also be used

comme diluant unique du silane.as the sole diluent for silane.

Pendant l'étape de chauffage de la pièce en acier, le four est de préférence rempli d'un gaz inerte, notamment de l'argon. On peut également injecter un faible pourcentage volumique d'hydrogène inférieur à 20% dans ce gaz inerte. La pression totale du gaz est de préférence inférieure à 1000 Pascals, mais peut également atteindre  During the step of heating the steel part, the furnace is preferably filled with an inert gas, in particular argon. It is also possible to inject a small volume percentage of hydrogen of less than 20% in this inert gas. The total gas pressure is preferably less than 1000 Pascals, but can also reach

la pression atmosphérique.atmospheric pressure.

Le procédé de l'invention est particulièrement adapté pour traiter des pièces en acier au carbone ayant une teneur en carbone inférieure à 0,5%. Les améliorations concernant notamment la dureté et la résistance à la corrosion des pièces sont particulièrement  The method of the invention is particularly suitable for treating carbon steel parts having a carbon content of less than 0.5%. The improvements concerning in particular the hardness and the corrosion resistance of the parts are particularly

remarquables pour ce type d'acier.remarkable for this type of steel.

La préparation à l'état propre de la pièce avant son introduction dans le four a une grande impprtance dans la mesure o la pièce sera chauffée sous atmosphère inerte, car la présence éventuelle d'oxydes à la surface de la pièce à traiter constitue une barrière à la diffusion et peuvent entraîner une mauvaise adhérence du dépôt avec le substrat. Des pièces en fer pur, en superalliage ou en acier inoxydable peuvent également être traitées par le procédé de invention. L'aOut mvemtuel de faibles quantités d'hydror"ne nférieures à % en volume dans le gaz inerte, pendant la phase de chauffage de la pièce, a pour effet de créer une atmosphère réductrice permettant de supprimer la couche d'oxyde qui pourrait subsister éventuellement  The preparation in the clean state of the part before its introduction into the oven is of great importance insofar as the part will be heated under an inert atmosphere, since the possible presence of oxides on the surface of the part to be treated constitutes a barrier diffusion and can cause poor adhesion of the deposit with the substrate. Pieces of pure iron, superalloy or stainless steel can also be treated by the process of the invention. The addition of small amounts of hydrofoil not less than% by volume in the inert gas, during the heating phase of the part, has the effect of creating a reducing atmosphere which makes it possible to remove the oxide layer which may remain. eventually

après le'nettoyage de la pièce par exemple dans un bain ultrasonique.  after cleaning the part, for example in an ultrasonic bath.

La pression dans le four pendant le chauffage de la pièce peut aller Jusqu'à la pression atmosphérique. De manière avantageuse, cette pression est contr8lée en dessous de 1000 Pascals. Dans ces conditions, le débit total du ou des gaz par unité de volume du four pendant la phase de chauffage est préférentiellement choisi entre 1  The pressure in the oven during space heating can go up to atmospheric pressure. Advantageously, this pressure is controlled below 1000 Pascals. Under these conditions, the total flow rate of the gas or gases per unit volume of the oven during the heating phase is preferably chosen between 1

et 10.and 10.

Pendant la phase de silicturation, la pièce est maintenue à la température TO et l'on Itnjecte un mélange gazeux constitué de silane ayant une proportion volumique comprise entre 100 ppm et 1%, de prtéfrem entre 0,5 et 1Z, dilué dans un gaz inerte, par exemple de l'argon. Le temps de siliciuration à la température TO peut être  During the siliciding phase, the part is maintained at the temperature TO and a gas mixture is injected consisting of silane having a volume proportion of between 100 ppm and 1%, of prefrem between 0.5 and 1Z, diluted in a gas. inert, for example argon. The siliciding time at temperature TO can be

MweMtege.e 4eautr -" eatr 2 et 10 hea s.  MweMtege.e 4eautr - "eatr 2 and 10 hea s.

La qualité de la couche de diffusion de silicium obtenue à la surface de la pièce après la siliciuration dépend essentiellement de la composition et de l'état de surface du substrat, et de la cinétique de siliciuration dont les paramètres principaux sont la température de la pièce et la quantité de silane présente à la  The quality of the silicon diffusion layer obtained on the surface of the part after siliciding depends essentially on the composition and the surface condition of the substrate, and on the kinetics of siliciding, the main parameters of which are the temperature of the part. and the amount of silane present at the

surface de la pièce.surface of the room.

Pour réaliser en pratique la siliciuration de la pièce, meintenue à la température TO, on introduit donc le mélange gazeux contenant le silane à l'intérieur du four, de façon à entraîner le contact entre l'atmosphère gazeuse et la surface de la pièce en acier. On estime alors que les phénomènes suivants se produisent: - adsorption des espèces gazeuses y compris le silane, à la surface de la pièce; - réaction chimique à la surface de la pièce consistant en partie en la décomposition du silane en silicium et en hydrogène; - diffusion du silicium dans la pièce en acier formant une couche de diffusion de silicium;  To carry out in practice the siliciding of the part, maintained at the temperature TO, the gas mixture containing the silane is therefore introduced inside the furnace, so as to bring about the contact between the gaseous atmosphere and the surface of the part in steel. It is then estimated that the following phenomena occur: - adsorption of gaseous species, including silane, on the surface of the part; - chemical reaction on the surface of the part consisting in part of the decomposition of the silane into silicon and hydrogen; - diffusion of silicon in the steel part forming a silicon diffusion layer;

- désorption et diffusion des produits volatils formés.  - desorption and diffusion of the volatile products formed.

Il est intéressant de remarquer que l'hydrogène dégagé lors de la décomposition de silane permet une réduction de l'oxygène éventuellement présent dans l'environnement en évitant ainsi la possibilité de formation d'une couche d'oxyde à la surface de la  It is interesting to note that the hydrogen released during the decomposition of silane allows a reduction of the oxygen possibly present in the environment thus avoiding the possibility of formation of an oxide layer on the surface of the

pièce à traiter pendant la siliciuration.  part to be treated during siliciding.

La pression totale du mélange gazeux pendant la siliciuration est de préférence maintenue en dessous de 500 Pascals. On utilise avantageusement le monosilane (SiH4) ou le disilane (Si2H6) pour la  The total pressure of the gas mixture during siliciding is preferably kept below 500 Pascals. Advantageously, monosilane (SiH4) or disilane (Si2H6) is used for the

siliciuration selon le procédé de l'invention.  siliciding according to the method of the invention.

On peut effectuer une oxydation superficielle de la couche siliciurée de la pièce en introduisant un gaz riche en oxygène après la phase de siliciuration et avant d'effectuer la trempe éventuelle  It is possible to carry out a surface oxidation of the silicided layer of the part by introducing an oxygen-rich gas after the siliciding phase and before carrying out any quenching

de la pièce qui peut être suivie d'un revetu.  of the part which can be followed by a coating.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description  The invention will be better understood on studying the description

détaillée de deux exemples de réalisation de l'invention pris à titre nullement limitatif et dont certains résultats sont illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente des profils de dureté des pièces siliciurées en fonction de la profondeur analysée; et la figure 2 représente des profils de dureté en fonction du pourcentage atomique de silicium contenu dans la couche de diffusion analysée.  details of two exemplary embodiments of the invention taken without any limitation being implied and certain results of which are illustrated by the appended drawings, in which: FIG. 1 represents hardness profiles of the silicided parts as a function of the depth analyzed; and FIG. 2 represents hardness profiles as a function of the atomic percentage of silicon contained in the diffusion layer analyzed.

EXEMPLE 1EXAMPLE 1

On façonne une pièce en acier au carbone de type 42 CD 4 (0,41% C; 0,31% Si; 0,64% Mn; 0,94% Cr, 0,21% Mo). La surface de la pièce est dégraissée et désoxydée dans un bain ultrasonique aux acides et solvants. La pièce est ensuite placée dans un four horizontal à parois chaudes qui est alors chauffée jusqu'à 1000C dans de l'argon ayant une pression inférieure à 1000 Pascals. Dès que le four a atteint cette température, le silane (SiH4) dilué dans l'argon (Ar) est injecté dans le four maintenu a une pression d'environ 300 Pascals et à une température de 1000 C. La proportion volumique de silane est d'environ 0,5%. Le débit total du mélange silane/argon em de l'ordre 0,4 dm3mli,,e. On laisse la réaction se dérouler pendant 2 heures, puis on abaisse la température à 850'C, on la maintient pendant environ 30 minutes, on trempe la pièce et on fait  A piece of carbon steel type 42 CD 4 (0.41% C; 0.31% Si; 0.64% Mn; 0.94% Cr, 0.21% Mo) is formed. The surface of the part is degreased and deoxidized in an ultrasonic bath with acids and solvents. The part is then placed in a horizontal oven with hot walls which is then heated to 1000C in argon having a pressure below 1000 Pascals. As soon as the oven has reached this temperature, the silane (SiH4) diluted in argon (Ar) is injected into the oven maintained at a pressure of around 300 Pascals and at a temperature of 1000 C. The volume proportion of silane is about 0.5%. The total flow rate of the silane / argon mixture em of the order of 0.4 dm3mli ,, e. The reaction is allowed to proceed for 2 hours, then the temperature is lowered to 850 ° C., it is maintained for approximately 30 minutes, the part is quenched and

un revenu à 550 C pendant 1 heure.an income at 550 C for 1 hour.

Les résultats obtenus montrent une augmentation sensible de la dureté superficielle qui varie de 330 H11V (en dureté VICKERS) avant le traitement a 500 HV environ après le traitement, les tests de dureté  The results obtained show a significant increase in surface hardness which varies from 330 H11V (in VICKERS hardness) before treatment to around 500 HV after treatment, hardness tests

étant effectués avec 200 g de charge.  being carried out with 200 g of filler.

EXEMPLE 2EXAMPLE 2

On prépare des échantillons en acier au carbone 42 CD 4 sous forme de pastilles d'épaisseur égale à 2 mm et de diamètre égal à mm. Les échantillons sont nettoyés en milieu liquide sous ultrasons t l'aide de produit Branson (marque déposée), de façon à  42 CD 4 carbon steel samples are prepared in the form of pellets with a thickness of 2 mm and a diameter of 1 mm. The samples are cleaned in a liquid medium under ultrasound using Branson (registered trademark) product, so as to

dégraisser et disoxyder la surface des échantillons.  degrease and oxidize the surface of the samples.

L- -erti8tillots smnt enmsite places dans un four tubulaire qui est alors cbau!fî - la température de s.liciuratlon To au-dessus de &SrC, so ar-wa a 500 S ZJacal. Loxqaz la tempirature TO est atteinte, on maintient les échantillons a cette température pendant que l'on injecte dans le four un mélange gazeux constitué de 2,5% H2, 0,5% Si4, 9% Re et 88% Ar. Le débit total et la pression totale du  L- -erti8tillots smnt placed in a tubular oven which is then cbau! Fî - the temperature of s.liciuratlon To above & SrC, so ar-wa at 500 S ZJacal. Loxqaz the temperature TO is reached, the samples are maintained at this temperature while a gas mixture consisting of 2.5% H2, 0.5% Si4, 9% Re and 88% Ar is injected into the oven. total and the total pressure of the

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mélange gazeux sont respectivement 1 dm /minute et 300 Pascals. Le  gas mixture are respectively 1 dm / minute and 300 Pascals. The

temps de siliciuration est égal à 2 heures.  siliciding time is 2 hours.

On abaisse ensuite la température à 850 , puis on fait un revenu des échantillons à 550 pendant une demi-heure. Les échantillons ainsi traités sont ensuite analysés à l'aide des dispositifs habituels d'observation, tels que le microscope électronique à balayage, rugosimètre, l'analyseur à rayons X, le spectroscope AUGER  The temperature is then lowered to 850, then the samples are tempered to 550 for half an hour. The samples thus treated are then analyzed using the usual observation devices, such as the scanning electron microscope, roughness meter, the X-ray analyzer, the AUGER spectroscope.

et le microduromâtre.and the microsurface.

Sur les figures 1 et 2 sont représentés des profils de dureté respectivement en fonction de la profondeur de la couche siliciurée de l'échantillon et du pourcentage atomique en silicium (% Si) conteu dans la couche. Seuls les profils de dureté obtenue selon l'exemple 2 et correspondant à deux températures de silicturation  Figures 1 and 2 show hardness profiles respectively as a function of the depth of the silicon layer of the sample and the atomic percentage of silicon (% Si) contained in the layer. Only the hardness profiles obtained according to Example 2 and corresponding to two siliciding temperatures

TO = 1000 C et TO = 1100 C sont représentées sur les figures.  TO = 1000 C and TO = 1100 C are shown in the figures.

Comme illustré sur la figure 1, pour la température de siliciuration T0 égale à 10OO&C, la dureté déctrot rapidement depuis la surface de la couche siliciurée jusqu'à une profondeur d'environ /um à l'intérieur de cette couche. Puis la dureté devient presque  As illustrated in FIG. 1, for the siliciding temperature T0 equal to 10OO & C, the hardness rapidly de-rotates from the surface of the silicided layer to a depth of approximately / μm inside this layer. Then the hardness becomes almost

constante lorsque la profondeur analysée dépasse 100/um.  constant when the depth analyzed exceeds 100 / µm.

Dans le cas o la température de siliciuration TO est égale à  In the case where the siliciding temperature TO is equal to

1100 C, le profil de dureté diffère de celui obtenu pour TO = 1000 C.  1100 C, the hardness profile differs from that obtained for TO = 1000 C.

Lorsque la profondeur analysée de la couche de diffusion de siliciure augmente, la dureté décroît relativement lentement depuis la surface de la couche jusqu'à environ 250/um. Puis la dureté décroît brusquement entre 250/um et 300/um de profondeur pour atteindre un  As the analyzed depth of the silicide diffusion layer increases, the hardness decreases relatively slowly from the surface of the layer to about 250 µm. Then the hardness suddenly decreases between 250 / um and 300 / um in depth to reach a

palier à partir de 300/um de profondeur.  plateau from 300 / µm deep.

On constate que la profondeur de siliciuration est plus grande lorsque la température de siliciuration TO0 est plus importante, ce qui peut être interprété par la vitesse croissante de diffusion des espèces en fonction de la température. On peut considérer que la profondeur de siliciuration correspond à l'épaisseur de la couche de diffusion du silicium dans le fer. le profil de dureté n fonction de la profondeur montre que cette couche de diffusion du silicium a une épaisseur de l'ordre de 100/um pour la température de siliciuration T0 = 1000 C, et de l'ordre de 250/um pour la température de  It can be seen that the depth of siliciding is greater when the siliciding temperature TO0 is greater, which can be interpreted by the increasing speed of diffusion of the species as a function of the temperature. It can be considered that the siliciding depth corresponds to the thickness of the silicon diffusion layer in the iron. the hardness profile n as a function of the depth shows that this silicon diffusion layer has a thickness of the order of 100 / μm for the siliciding temperature T0 = 1000 C, and of the order of 250 / μm for the temperature of

siliciuration T0 = 1100 C.siliciding T0 = 1100 C.

L'acier 42 CD 4 de départ présente une dureté moyenne de l'ordre de 330 HV (en dureté VICKERS). Après siliciuration, la dureté des échantillons peut atteindre de l'ordre de 475 HV pour TO = 1000C à 525 lv pour T0 = 1100"C à la surface de la couche de diffusion du silicium obtenue selon l'exemple 2 de l'invention. On améliore ainsi  The starting steel 42 CD 4 has an average hardness of the order of 330 HV (in VICKERS hardness). After siliciding, the hardness of the samples can reach around 475 HV for TO = 1000C at 525 lv for T0 = 1100 "C at the surface of the silicon diffusion layer obtained according to Example 2 of the invention. We thus improve

de façon sensible la dureté de la surface des échantillons.  significantly the hardness of the surface of the samples.

La figure 2 montre le profil de la dureté à 25/um de profondeur dans la couche de diffusion de silicium en fonction du pourcentage atomique en silicium à cette profondeur. Sur les deux courbes représentées correspondant à des températures de siliciuratio-n respectivement égales à 10000C et 11000C, on observe une dureté presque constante pour la teneur en silicium comprise entre 0% et 10% atomique. A partir de 10% de Silicium dans la couche siliciurée, la dureté crott très rapidement en fonction de la teneur en Silicium dbm la eoe.m. lm deu dau courbes oaut pratiquement confondues pour la teneur en Silicium inférieure à 15%. Lorsque la teneur en Silicium va au-delà de 15% atomique, la courbe de dureté correspondant à T - I000'C connatt une croissance moins marquée que la courbe correspondant à TO = 1100 C. Sur la figure 2, une augmentation sensible de la dureté est observée pour un pourcentage en silicium supérieur à 10%. En comparant les deux courbes de dureté obtenues à T0 = 1000 C et T0 1100 C, on peut considérer, dans une premièrs approximation, que la dureté pour une valeur de Silicium atomique inférieure à 15% est indépendante de la température de  FIG. 2 shows the profile of the hardness at 25 μm in depth in the silicon diffusion layer as a function of the atomic percentage of silicon at this depth. On the two curves shown corresponding to silicon temperatures respectively equal to 10000C and 11000C, an almost constant hardness is observed for the silicon content of between 0% and 10 atomic%. From 10% silicon in the siliconized layer, the hardness crott very quickly depending on the silicon content dbm the eoe.m. lm deu dau curves oaut practically confused for the silicon content lower than 15%. When the silicon content goes beyond 15 atomic%, the hardness curve corresponding to T - 1000'C experiences less marked growth than the curve corresponding to TO = 1100 C. In FIG. 2, a significant increase in the hardness is observed for a percentage of silicon greater than 10%. By comparing the two hardness curves obtained at T0 = 1000 C and T0 1100 C, we can consider, in a first approximation, that the hardness for an atomic silicon value of less than 15% is independent of the temperature of

siliciuration T0.siliciding T0.

Par ailleurs, on sait que lorsque la teneur en silicium dans la _ouche de diffusion atteint 10% atomique, on obtient une couche dense  Furthermore, it is known that when the silicon content in the diffusion layer reaches 10 atomic%, a dense layer is obtained.

et passivante permettant une bonne protection contre la corrosion.  and passivating allowing good protection against corrosion.

Dana le ta prrsent, l'obrtatten d'une augmentation sensible da la dureté implique simultaniment une teneur en Silicium dans la couche  In the present case, obtaining a significant increase in hardness simultaneously implies a silicon content in the layer

_périie-De a IZ et ptemt eouc d 'a&lloraz leas propzité" ani-  _périie-From to IZ and ptemt eouc d 'to & lloraz leas propzité "ani-

corrosion de la surface d'acier.corrosion of the steel surface.

On observe en outre que lorsque la concentration de silicium est supérieure a 40%, la couche de diffusion de silicium présente certes  It is further observed that when the concentration of silicon is greater than 40%, the silicon diffusion layer certainly presents

une dureté très &levée mais devient fragile et la couche se fissure.  a very high hardness but becomes brittle and the layer cracks.

D'une manière générale, le procédé de l'invention vise à obtenir un pourcentage en silicium dans la couche de diffusion compris entre % et 40% atomique. De préférence, ce pourcentage varie entre 15% et %. On peut donc souligner l'importance du procédé de l'invention pour l'amélioration de la dureté superficielle ainsi que des  In general, the method of the invention aims to obtain a percentage of silicon in the diffusion layer of between% and 40 atomic%. Preferably, this percentage varies between 15% and%. We can therefore emphasize the importance of the process of the invention for improving the surface hardness as well as

propriétés anti-corrosion et anti-usure des pièces en acier.  anti-corrosion and anti-wear properties of steel parts.

Bien entendu la présente invention ne se limite pas à la seule méthode de dép8t chimique en phase gazeuse par chauffage thermique à basse pression comme décrit ci-dessus. Les autres méthodes dérivées, telles que le dépSt thimique en phase gazeuse à la pression  Of course, the present invention is not limited to the sole method of chemical deposition in the gas phase by low pressure thermal heating as described above. Other derived methods, such as gas phase pressure depSt

atmosphérique ou assisté par plasma ou laser, peuvent être utilisées.  atmospheric or plasma or laser assisted, can be used.

D'autres moyens de chauffage, par exemple le chauffage par induction de la pièce, peuvent être utilisés. Toutefois, le dépôt chimique en phase gaseuse par chauffage thermique a basse pression est plus  Other heating means, for example induction heating of the room, can be used. However, chemical vapor deposition by low pressure thermal heating is more

facilement adaptable à une utilisation à l'échelle industrielle.  easily adaptable to use on an industrial scale.

Le procédé de l'invention peut subir de légères modifications pour permettre l'amélioration d'autres propriétés superficielles des métaux, notamment leur résistance à l'abrasion, l'obtention d'une couche de forte perméabilité magnétique, la création d'un interface siliciuré sur le métal permettant l'accrochage facile de pièces ou de dépôts en céramique, l'obtention d'une couche inerte pour certaines  The process of the invention can undergo slight modifications to allow the improvement of other surface properties of metals, in particular their abrasion resistance, the obtaining of a layer of high magnetic permeability, the creation of an interface. silicided on the metal allowing easy attachment of ceramic parts or deposits, obtaining an inert layer for some

réactions chimiques.chemical reactions.

Le procédé pourrait encore être amélioré par des dépôts multicouches ayant des propriétés complémentaires, comme par exemple une couche de siliciure anti-corrosion et une couche de sulfure de fer lubrifiante. Il est également possible de réaliser, à l'aide du procédé de l'invention, des couches composites de siliciure et de nitrure de fer pour augmenter la dureté ou adapter la composition de la surface pour favoriser l'adhésion céramique-etal et pour le cas  The process could be further improved by multilayer deposits having complementary properties, such as for example an anti-corrosion silicide layer and a lubricating iron sulfide layer. It is also possible to produce, using the process of the invention, composite layers of silicide and iron nitride to increase the hardness or adapt the composition of the surface to promote ceramic-etal adhesion and for the case

de céramiques à base de silicium.of ceramics based on silicon.

Les pièces métalliques obtenues par le présent procédé peuvent être utilisées notamment dans les industries mécaniques et les industries de transformation des aciers pour l'amélioration des propriétés de surface vis-à-vis de la corrosion, de la dureté, de la résistance à l'abrasion, de la passivation, de l'adhésion, du magnétisme, etc.  The metal parts obtained by the present process can be used in particular in the mechanical industries and the steel transformation industries for the improvement of surface properties with respect to corrosion, hardness, resistance to abrasion, passivation, adhesion, magnetism, etc.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration des propriétés superficielles de pièces an acier, notamment de leur dureté superficqielle, caractérisé par Js étapes suivamts À on prépare ume pièce en acier à l'état propre; on chauffe la pièce dans un four jusqu'à une *température prédéterminée (TO) comprise entre 800 et 1100 C; on injecte un mélange gazeux contenant un gaz inerte et un silane de formule SinH2n+2 dans le four o se trouve la pièce en acier maintenue à la température To, de façon à former une couche de diffusion contenant de 10% à 40% de silicium en pourcentage atomique à la surface de la pièce en acier, la proportion volumique de silane du mélange gazeux  1. Method for improving the surface properties of steel parts, in particular their surface hardness, characterized by Js following steps: A steel part is prepared in a clean state; the part is heated in an oven to a * predetermined temperature (TO) between 800 and 1100 C; a gaseous mixture containing an inert gas and a silane of the formula SinH2n + 2 is injected into the furnace where the steel part is kept at the temperature To, so as to form a diffusion layer containing from 10% to 40% of silicon in atomic percentage at the surface of the steel part, the volume proportion of silane in the gas mixture étant inférieure à 10%.being less than 10%. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce est maintenue à la température TO pendant une durée comprise entre 0,5 et 40 heures, que le débit du mélange gazeux par unité de volume du four est compris entre 1 et 10 et que la pression totale du  2. Method according to claim 1, characterized in that the part is maintained at the temperature TO for a period of between 0.5 and 40 hours, that the flow rate of the gaseous mixture per unit volume of the oven is between 1 and 10 and that the total pressure of the mélange gazeux est inférieure à 1000 Pascals.  gas mixture is less than 1000 Pascals. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que tas 4& 4m 4 /a @U c e i àU Pzata re T est compris  3. Method according to claim 1, characterized in that heap 4 & 4m 4 / a @U c e i àU Pzata re T is understood entre,2 et 10 heurer.between, 2 and 10 hit. 4. prtIdé selI l'mDe galconque dfes revandiratiDns précédentes, caractérisé par le fait que la proportion volumique de  4. prtIde selI l'mDe galconque dfes revandiratiDns previous, characterized in that the volume proportion of silane est comprise entre 0,1% et 5%.  silane is between 0.1% and 5%. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications  5. Method according to any one of the claims précédentes, caractérisé par le fait que le mélange gazeux injecté pendant l'étape du maintien de la température (To) contient en outre de l'hydrogène ayant une proportion volumeque inférieure à 20% et/ou  above, characterized in that the gaseous mixture injected during the temperature maintenance step (To) also contains hydrogen having a volume proportion of less than 20% and / or de l'hélium ayant une proportion volumique supérieure à 1%.  helium having a volume proportion greater than 1%. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications  6. Method according to any one of the claims précédentes, caractérisé par le fait que pendant l'étape du chauffage de ladite pièce, le four est rempli avec de l'argon pouvant contenir de l'hydrogène, la pression totale étant inférieure ou égale à la  above, characterized in that during the heating step of said room, the oven is filled with argon which may contain hydrogen, the total pressure being less than or equal to the pression atmosphérique.atmospheric pressure. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications  7. Method according to any one of the claims précédentes, caractérisé par le fait que la pièce à traiter est en  above, characterized in that the part to be treated is in acier au carbone ayant une teneur en carbone inférieure à 0,5%.  carbon steel with a carbon content of less than 0.5%. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications  8. Method according to any one of the claims précédentes, caractérisé par le fait que l'on injecte dans le four un gaz riche en oxygène après avoir interrompu l'injection du mélange gazeux, de façon à obtenir une oxydation superficielle de la couche siliciurée..  above, characterized in that an oxygen-rich gas is injected into the furnace after having interrupted the injection of the gaseous mixture, so as to obtain a surface oxidation of the silicided layer. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que la pièce est en acier contenant environ 0,4% de carbone et que la température de siliciuration TO est supérieure à 1000 C, de façon à former à la surface de la pièce une couche de diffusion de silicium d'épaisseur comprise entre 100/um et 300/um et de teneur an9. Method according to claim 7 or 8, characterized in that the part is made of steel containing about 0.4% of carbon and that the siliciding temperature TO is greater than 1000 C, so as to form on the surface of the exhibits a silicon diffusion layer of thickness between 100 / μm and 300 / μm and of an an silicium variant entre 15% et 30% atomique.  silicon varying between 15% and 30 atomic%. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications  10. Method according to any one of the claims précédentes, caractérise par le fait que le silane utilisé est le  above, characterized in that the silane used is the monosilane (SiH4) ou le disilane (Si2H6).  monosilane (SiH4) or disilane (Si2H6). 11. Pièce en acier dont les propriétés superficielles, notamment la dureté et la résistance à l'usure, sont améliorées selon le  11. Steel part whose surface properties, in particular hardness and resistance to wear, are improved according to the procédé défini dans l'une quelconque des revendications précédentes  process defined in any one of the preceding claims
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