WO2018024837A1 - Method for surface-coating a component, and coating apparatus for carrying out the method - Google Patents

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Hans Jürgen Maier
Ulrich Holländer
Daniel WULFF
Bernd-Arno Behrens
Deniz YILKIRAN
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating

Definitions

  • the invention relates to a method for surface coating of a component, the surface to be coated is wholly or at least partially formed as a metal surface, wherein the surface to be coated is provided with a friction-reducing and / or strength-enhancing coating.
  • the invention also relates to a coating device for carrying out such a method.
  • the surface coating of components with friction-reducing and / or strength-increasing coatings is a method used in many fields of technology for achieving the desired component properties.
  • a field of use is e.g. the development of lightweight components.
  • a weight reduction of a component is in many cases accompanied by a decrease in the strength and the surface hardness of the materials used.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • Both methods are relatively expensive in terms of the necessary equipment and the residence time of the components in the plants.
  • the heat input in the component can not always be influenced as desired, so that undesirable side effects can occur with certain components or certain materials, such as, for example, an unwanted heat treatment of the component to be coated.
  • the invention has for its object to provide an improved method for surface coating of a component, which is more efficient.
  • This object is achieved according to claim 1 in a method of the type mentioned above in that the component is transported through an oven and in the oven with heating by means of a process gas introduced into the furnace, which is admixed with a coating additional material with the friction-reducing and / or strength-increasing coating is coated.
  • the invention has the advantage that instead of complicated PVD or CVD apparatus, the coating method can be carried out by means of a furnace.
  • Such an oven can be relatively simple in construction and can be provided at low cost.
  • an improved control of the heating of the component to be coated so that in particular an unwanted
  • Heat treatment or other damage to the component by the coating process can be avoided.
  • the inventive method can be carried out at lower temperatures.
  • no expensive additional apparatuses are required, such as e.g. for plasma support in CVD processes.
  • the generation of a negative pressure is not required in the method according to the invention.
  • the stove can basically be an oven of any kind. In principle, a commercial oven is also suitable. More advantageous are industrial furnaces set up for such coating processes.
  • the furnace may in particular be designed as an open furnace, i. unlike PVD or CVD equipment, have a heating chamber that is not hermetically sealed from the outside environment.
  • the furnace can be formed as a continuous furnace. Accordingly, the component can be transported through the continuous furnace, e.g. by a conveyor of the continuous furnace. The component can be transported further during the coating process. It is also possible to stop transporting the component during the entire coating process or part of the coating process, i. to stop.
  • a continuous furnace also called tunnel kiln
  • tunnel kiln refers to a special type of furnace, in which the supply of processing material is carried out continuously.
  • the components are moved by means of a conveyor in the continuous furnace and transported in particular by a heated heat treatment section.
  • the Components can be on a conveyor or stand or be transported hanging by the continuous furnace.
  • the conveying device can be, for example, a conveyor belt, in particular at high temperatures around a metallic conveyor belt, which is guided through the continuous furnace at a certain speed and thereby transports the processing material through the continuous furnace.
  • the desired coating can be applied to the component surface relatively quickly in the furnace, in particular in the continuous furnace, so that a short process time can be achieved for the production of a coated component.
  • Another advantage is that a continuous coating process can be realized by the continuous furnace by a variety of components to be coated is continuously transported through the continuous furnace. So it is possible, e.g. Aluminum components with a process time of about 10 minutes with a ceramic coating to provide.
  • the process gas may be a shielding gas, e.g. an inert gas.
  • the process gas can be selected according to the properties of the component to be coated. If the metal surface to be coated is e.g. made of aluminum, nitrogen can be used as process gas. In the case of a metal surface made of steel or titanium, nitrogen can preferably be used as the process gas.
  • the coating additive material can be admixed to the process gas, in particular in an already gaseous state.
  • the friction-reducing and / or strength-increasing coating produced on the component can, after carrying out the method according to the invention, consist directly of the coating additional material or, e.g. due to a chemical reaction with the surface to be coated, another chemical substance formed with the coating additive.
  • the process gas is heated by a heating device, eg a heating device of the furnace, and the component is heated in the furnace by means of the heated process gas to a process temperature suitable for the coating process.
  • a heating device eg a heating device of the furnace
  • the component is heated in the furnace by means of the heated process gas to a process temperature suitable for the coating process.
  • the heating thus takes place by heat transfer of the heat contained in the process gas to the component.
  • a certain proportion of the heating of the component can take place by heat radiation from the heating device.
  • the coating of the component takes place in the furnace substantially at ambient pressure or a pressure above the ambient pressure.
  • ambient pressure is meant the pressure in the environment outside the furnace. This has the advantage that no special measures for controlling the pressure in the furnace are required.
  • the oven does not have to be sealed. It can be used an open furnace, in which the process gas can flow to the outside. Accordingly, the pressure in the furnace may be equal to or slightly above the ambient pressure, in particular by the fact that the introduction of the process gas, a slight pressure increase is generated inside the furnace.
  • ambient pressure is meant in particular the atmospheric pressure, i. 1 bar.
  • the surface to be coated in the furnace is first oxidized and then provided with the rubbing-reducing and / or strength-enhancing coating.
  • This has the advantage that better adhesion of the coating to the component can be realized by the previous oxidation of the surface. It is advantageous to design the oxidation effectively, so that morphologically and chemically suitable oxide compounds are formed from the metal atoms of the component on the component surface, which can act as adhesion promoters for the subsequently applied coating.
  • the process gas introduced into the furnace has an oxygen content and the oxidation of the surface to be coated is effected by the oxygen content of the process gas.
  • the process gas can also be used as a carrier medium for the oxygen required for oxidation.
  • For the oxidation of the coating surface is a relatively low oxygen content in the process gas sufficient, for example in the range of 10 to 30 ppm.
  • the oxidation of the surface to be coated can be carried out such that initially only the process gas with the oxygen content is introduced into the furnace and only after a certain exposure time, when sufficient oxidation of the surface to be coated has occurred, the coating additive material is added.
  • the coating process it is also possible to begin the coating process immediately with the addition of the coating additional material.
  • the oxygen content present in the process gas is reduced by adding the coating additive to the process gas.
  • a ceramic-like layer for example a ceramic layer
  • a ceramic-like layer is produced on the surface of the component to be coated.
  • the component is heated in the oven to a temperature below the recrystallization temperature. Accordingly, unwanted damage to the component avoided.
  • the lowest recrystallization temperature of the respective materials is regarded as the recrystallization temperature.
  • the invention allows a highly efficient surface coating of components, wherein the coating can also be done on an industrial scale, ie in large-scale productions of components.
  • components for example, tools can be coated, for example in the field of metal forming, stamping tools, cutting blades, cutting inserts, turning tools and the like, and in the area of joining tools, for example, clinching tools.
  • machines eg piston machines, cylinder running surfaces, parts of turbochargers and compressors as well as valve train components can be coated.
  • the components coated according to the invention show reduced friction and increased strength at the coated surface. The reduced friction makes it possible to dispense in many applications on friction-reducing lubricants such as oil or at least reduce their required amount.
  • a further advantage of the invention is that the coating can be produced in comparison with the prior art with improved crystal structures, in particular particularly fine-crystalline, homogeneous crystal structures can be produced.
  • silane As a coating additive, which is also referred to as a precursor, for example, silane can be used. Particularly advantageous is the use of monosilane, but also higher silane chains can be used as precursor. If, for example, an aluminum surface is coated according to the invention, an oxide layer is first produced on the aluminum surface, on which an SiO 2 layer is then deposited by means of the monosilane. This is not only possible with pure aluminum, but also with aluminum alloys, eg AISM MgMn. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the friction-reducing and / or strength-increasing coating is produced as a crystalline coating, in particular in the form of deposited on the surface to be coated mixed crystals.
  • the friction-reducing and / or strength-increasing coating can be produced from the gas phase, from the melt and from solutions. Such methods are particularly suitable for producing the aforementioned crystalline coating. Depending on the type of production of the coating, different attachment mechanisms of the coating material to the surface occur.
  • the atmospheric production of a crystal from the gas phase produces a self-bound crystal which has no or substantially no bond with the environment. When producing a crystal from the melt, it is necessary to produce a crystallization seed in the melt and to use this as a nucleus of the crystal to be formed. Similar is the approach to solutions.
  • the friction-reducing and / or strength-increasing coating is deposited from the gas phase, whereby crystallization nuclei are first applied to the surface to be coated to produce the crystalline coating and crystals are grown from these crystallization nuclei distributed over the surface become in the further course of the process to a crystalline coating forming, successive closing and thus at the end substantially closed crystal layer together.
  • crystallization nuclei can be deposited from silicon or a silicon-containing substance and these can be applied to a diffusion-active surface.
  • the crystalline coating is produced by metal-silicon mixed oxides deposited from the gas phase, wherein the silicon component can be formed from a gaseously supplied coating additive material and the oxidation can be formed by one in the process gas existing oxygen content can be done.
  • the metal can be eg iron.
  • the gaseous coating additive material may be, for example, a silicon-containing gas, for example silane.
  • various nanoscale metal-silicon mixed oxides are generated, which may, for example, have a garnet-like crystal structure of stoichiometry, for example in the form of skiagite (Fe (III) 3Fe (II) 2 [SiO4] 3).
  • crystal lattices of SiO4 tetrahedra are formed, in which two (Fe 2+ ) and trivalent (Fe 3+ ) iron ions are embedded in vacancies with corresponding oxygen atom environment (six or eight adjacent oxygen atoms).
  • Characteristic of this type of oxide mixed crystals are high hardness and good thermal and chemical stability.
  • Another advantage of the production of such coatings is that they are already produced at comparatively low temperatures, for example at 500 ° C.
  • the procedure described for producing such mixed oxide layers at comparatively low temperatures has the further advantage that the coated component, eg a tool, does not undergo phase transition temperatures, in particular no recrystallization temperature, with regard to surface heating. For hardenable steels, this also applies below the tempering temperature. Such temperature limits are usually higher for tools.
  • a crystalline surface coating produced in the manner described has in contrast to non-crystalline coatings particularly low coefficients of friction and a particularly high abrasion resistance.
  • a device for carrying out a method according to one of the preceding claims comprising at least one furnace with at least one heating device and at least one supply connection for process gas, and with at least one process gas supply device which is connected to the process gas supply connection is and the to Admixed a coating additive material to the process gas is set up.
  • the furnace may in particular be designed as an open furnace, in the interior of which substantially ambient pressure is present. In this way, the oven can be realized with little technical effort and, accordingly, inexpensive. Accordingly, a hermetic seal is not required.
  • Fig. 1 - a coating device in a schematic representation
  • Fig. 2 - a process gas supply device in a schematic representation.
  • the coating device shown in Figure 1 has a continuous furnace 1, which is reproduced for clarity in a sectional view, in reality but apart from the inlet and outlet point of a conveyor 2 is substantially closed.
  • the continuous furnace 1 has a longitudinal direction through the continuous furnace conveyor 2, which is designed to convey components 3 through the continuous furnace 1.
  • the conveyor 2 may be formed as a conveyor belt or other suitable means for the transport of the processed material through the continuous furnace 1.
  • the continuous furnace 1 may be formed, for example, as a roller kiln, conveyor belt kiln, walking beam kiln, chain kiln, piercing furnace or through-flow furnace, or as a combination thereof, if, for example, different configurations of the conveying device are realized in combination.
  • the conveyor 2 which is moved in the arrow direction, the components 3 are transported through the continuous furnace 1.
  • the conveyor 2 can be driven for example by a motor, not shown.
  • the components 3 are first moved through an inlet section 4, then through a subsequent heat treatment section 5, which is also referred to as annealing channel, and then through an adjoining cooling section 8.
  • the heat treatment section 5 has a heating device 6 , eg in the form of incandescent filaments.
  • a cooling of the heated components 3 for example by a guided through a wall of the cooling section 8 cooling medium.
  • the continuous furnace 1 has a supply port 7 for supplying the process gas into the interior of the continuous furnace 1.
  • the supply port 7 is connected to a process gas supply device 9.
  • the process gas introduced into the continuous furnace 1 via the supply port 7 generally propagates in all directions, in particular entering the heat treatment section 5 in which the components 3 are heated and the generation according to the invention of the friction-reducing and / or strength-increasing coating on the to be coated surface is performed.
  • the supply port 7 may also be divided into two strands, as will be explained below with reference to FIG. In this case, the one strand may be e.g. be aligned in the direction of the heat treatment section 5, the other strand in the direction of the cooling section 8. On the two strands of the supply port 7 different proportions of the amount of the supplied process gas can be initiated, e.g. a higher proportion via the first strand in the direction of the heat treatment section 5 and a lesser part in the direction of the cooling section 8.
  • FIG. 2 shows the process gas supply device 9 with further details.
  • the process gas supply device 9 may, for example, various reservoirs 10, 1 1, 12, 13 for different gases to be mixed, for example, a hydrogen tank 10, an argon container 1 1 and a nitrogen container 12. Further, a container 13 for the coating additive material may be present, for example monosilane.
  • the containers 10, 1 1, 12, 13 are above a respective container respectively downstream quantity-influencing device 14, 15, 16, 17 connected to a mixing chamber 18. About the quantity-influencing means 14, 15, 16, 17, the respectively supplied amount of a gas from one of the containers 10, 1 1, 12, 13 are set to a desired value and in particular regulated to this value. This can be done, for example, via a variable area flowmeter.
  • the supplied gas fractions are mixed together in the mixing chamber 18 and fed via the supply port 7, which is divided into two strands, the continuous furnace 1. In each of the strands, another variable area flowmeter 19 may be arranged.

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Abstract

The invention relates to a method for surface-coating a component whose surface to be coated is fully or at least partially in the form of a metal surface, wherein the surface to be coated is provided with a friction-reducing and/or strength-increasing coating, wherein the component is conveyed through a continuous furnace and is coated with the friction-reducing and/or strength-increasing coating in the continuous furnace while being heated by means of a process gas which is introduced into the continuous furnace and to which a coating additive material is added. The invention also relates to a coating apparatus for carrying out a method of this type.

Description

Verfahren zum Oberflächen beschichten eines Bauteils sowie Beschichtungs- einrichtung zur Durchführung des Verfahrens  Process for the surface coating of a component and coating device for carrying out the method
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenbeschichten eines Bauteils, dessen zu beschichtende Oberfläche ganz oder wenigstens zum Teil als Metalloberfläche ausgebildet ist, wobei die zu beschichtende Oberfläche mit einer reibungsmin- dernden und/oder festigkeitserhohenden Beschichtung versehen wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Beschichtungseinrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. The invention relates to a method for surface coating of a component, the surface to be coated is wholly or at least partially formed as a metal surface, wherein the surface to be coated is provided with a friction-reducing and / or strength-enhancing coating. The invention also relates to a coating device for carrying out such a method.
Das Oberflächenbeschichten von Bauteilen mit reibungsmindernden und/oder festig- keitserhöhenden Beschichtungen ist ein in vielen Bereichen der Technik eingesetztes Verfahren zur Erzielung der gewünschten Bauteileigenschaften. So ist ein Einsatzgebiet z.B. die Entwicklung von Leichtbaukomponenten. Eine Gewichtsreduzierung eines Bauteils geht in vielen Fällen mit der Abnahme der Festigkeit sowie der Oberflächenhärte der verwendeten Werkstoffe einher. Als Beschichtungsverfahren werden vorwiegend PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) und CVD (chemische Gasphasenabscheidung) Prozesse eingesetzt. Beide Verfahren sind hinsichtlich der notwendigen Anlagen und der Verweilzeit der Bauteile in den Anlagen relativ aufwendig. Zudem lässt sich der Wärmeeintrag im Bauteil nicht immer wie gewünscht beeinflussen, so dass bei bestimmten Bauteilen bzw. bestimmten Materia- lien unerwünschte Nebeneffekte auftreten können, wie z.B. eine ungewollte Wärmebehandlung des zu beschichtenden Bauteils. The surface coating of components with friction-reducing and / or strength-increasing coatings is a method used in many fields of technology for achieving the desired component properties. Thus, a field of use is e.g. the development of lightweight components. A weight reduction of a component is in many cases accompanied by a decrease in the strength and the surface hardness of the materials used. PVD (Physical Vapor Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) processes are predominantly used as coating processes. Both methods are relatively expensive in terms of the necessary equipment and the residence time of the components in the plants. In addition, the heat input in the component can not always be influenced as desired, so that undesirable side effects can occur with certain components or certain materials, such as, for example, an unwanted heat treatment of the component to be coated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Oberflächenbeschichten eines Bauteils zu geben, das effizienter ist. Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Bauteil durch einen Ofen transportiert wird und im Ofen unter Erwärmung mittels eines in den Ofen eingeleiteten Prozessgases, dem ein Be- schichtungs-Zusatzmaterial zugemischt wird, mit der reibungsmindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung beschichtet wird. Die Erfindung hat den Vorteil, dass statt aufwendiger PVD- oder CVD-Apparaturen das Beschichtungsverfahren mittels eines Ofens durchgeführt werden kann. Ein solcher Ofen kann relativ einfach aufgebaut sein und kostengünstig bereitgestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf diese Weise auch eine verbesserte Kontrolle der Erwärmung des zu beschichtenden Bauteils erfolgen, so dass insbesondere eine ungewollteThe invention has for its object to provide an improved method for surface coating of a component, which is more efficient. This object is achieved according to claim 1 in a method of the type mentioned above in that the component is transported through an oven and in the oven with heating by means of a process gas introduced into the furnace, which is admixed with a coating additional material with the friction-reducing and / or strength-increasing coating is coated. The invention has the advantage that instead of complicated PVD or CVD apparatus, the coating method can be carried out by means of a furnace. Such an oven can be relatively simple in construction and can be provided at low cost. In the method according to the invention can also be done in this way an improved control of the heating of the component to be coated, so that in particular an unwanted
Wärmebehandlung oder eine sonstige Schädigung des Bauteils durch den Beschich- tungsprozess vermieden werden kann. Im Vergleich zu anderen Verfahren, insbesondere CVD-Prozessen, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden. Ferner sind keine aufwendigen Zusatzapparatu- ren erforderlich, wie z.B. für eine Plasma-Unterstützung bei CVD-Prozessen. Auch die Erzeugung eines Unterdrucks ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich. Heat treatment or other damage to the component by the coating process can be avoided. Compared to other methods, in particular CVD processes, the inventive method can be carried out at lower temperatures. Furthermore, no expensive additional apparatuses are required, such as e.g. for plasma support in CVD processes. The generation of a negative pressure is not required in the method according to the invention.
Der Ofen kann grundsätzlich ein Ofen jeder Art sein. Prinzipiell eignet sich auch ein handelsüblicher Backofen. Vorteilhafter sind für solche Beschichtungsvorgänge eingerichtete Industrieöfen. Der Ofen kann insbesondere als offener Ofen ausgebildet sein, d.h. im Gegensatz zu PVD- oder CVD-Apparaturen eine Heizkammer aufweisen, die nicht hermetisch gegenüber der Außenumgebung abgedichtet ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Ofen als Durchlaufofen aus- gebildet sein. Dementsprechend kann das Bauteil durch den Durchlaufofen transportiert werden, z.B. durch eine Fördereinrichtung des Durchlaufofens. Das Bauteil kann während des Beschichtungsvorgangs weiter transportiert werden. Es ist auch möglich, das Bauteil während des gesamten Beschichtungsvorgangs oder eines Teils des Beschichtungsvorgangs nicht weiter zu transportieren, d.h. anzuhalten. The stove can basically be an oven of any kind. In principle, a commercial oven is also suitable. More advantageous are industrial furnaces set up for such coating processes. The furnace may in particular be designed as an open furnace, i. unlike PVD or CVD equipment, have a heating chamber that is not hermetically sealed from the outside environment. According to an advantageous development of the invention, the furnace can be formed as a continuous furnace. Accordingly, the component can be transported through the continuous furnace, e.g. by a conveyor of the continuous furnace. The component can be transported further during the coating process. It is also possible to stop transporting the component during the entire coating process or part of the coating process, i. to stop.
Als Durchlaufofen, auch Tunnelofen genannt, bezeichnet man eine spezielle Ofenbauart, bei der die Zuführung von Verarbeitungsgut kontinuierlich erfolgt. Die Bauteile werden mittels einer Fördereinrichtung im Durchlaufofen bewegt und dabei insbesondere durch einen beheizten Wärmebehandlungsabschnitt transportiert. Die Bauteile können auf einer Fördereinrichtung liegen oder stehen oder auch hängend durch den Durchlaufofen transportiert werden. Bei der Fördereinrichtung kann es sich z.B. um ein Förderband handeln, insbesondere bei hohen Temperaturen um ein metallisches Förderband, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Durchlaufofen geführt wird und dabei das Verarbeitungsgut durch den Durchlaufofen transportiert. As a continuous furnace, also called tunnel kiln, refers to a special type of furnace, in which the supply of processing material is carried out continuously. The components are moved by means of a conveyor in the continuous furnace and transported in particular by a heated heat treatment section. The Components can be on a conveyor or stand or be transported hanging by the continuous furnace. The conveying device can be, for example, a conveyor belt, in particular at high temperatures around a metallic conveyor belt, which is guided through the continuous furnace at a certain speed and thereby transports the processing material through the continuous furnace.
Versuche haben gezeigt, dass mittels der Erfindung die gewünschte Beschichtung relativ schnell in dem Ofen, insbesondere in dem Durchlaufofen, auf die Bauteilober- fläche aufgebracht werden kann, so dass sich für die Herstellung eines beschichteten Bauteils eine kurze Prozesszeit realisieren lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den Durchlaufofen ein kontinuierliches Beschichtungsverfahren realisiert werden kann, indem eine Vielzahl von zu beschichtenden Bauteilen kontinuierlich durch den Durchlaufofen transportiert wird. So ist es möglich, z.B. Aluminium-Bauteile mit einer Prozesszeit von ca. 10 Minuten mit einer Keramik-Beschichtung zu versehen. Experiments have shown that by means of the invention, the desired coating can be applied to the component surface relatively quickly in the furnace, in particular in the continuous furnace, so that a short process time can be achieved for the production of a coated component. Another advantage is that a continuous coating process can be realized by the continuous furnace by a variety of components to be coated is continuously transported through the continuous furnace. So it is possible, e.g. Aluminum components with a process time of about 10 minutes with a ceramic coating to provide.
Das Prozessgas kann ein Schutzgas sein, z.B. ein inertes Gas. Insbesondere kann das Prozessgas gemäß den Eigenschaften des zu beschichtenden Bauteils gewählt werden. Besteht die zu beschichtende Metalloberfläche z.B. aus Aluminium, kann Stickstoff als Prozessgas eingesetzt werden. Bei einer Metalloberfläche aus Stahl o- der Titan kann bevorzugt Stickstoff als Prozessgas eingesetzt werden. The process gas may be a shielding gas, e.g. an inert gas. In particular, the process gas can be selected according to the properties of the component to be coated. If the metal surface to be coated is e.g. made of aluminum, nitrogen can be used as process gas. In the case of a metal surface made of steel or titanium, nitrogen can preferably be used as the process gas.
Das Beschichtungs-Zusatzmaterial kann insbesondere in bereits gasförmigem Zustand dem Prozessgas zugemischt werden. Die auf dem Bauteil erzeugte reibungs- mindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung kann nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar aus dem Beschichtungs-Zusatzmaterial bestehen oder, z.B. infolge einer chemischen Reaktion mit der zu beschichtenden Oberfläche, eine mit dem Beschichtungs-Zusatzmaterial gebildete, andere chemische Substanz sein. The coating additive material can be admixed to the process gas, in particular in an already gaseous state. The friction-reducing and / or strength-increasing coating produced on the component can, after carrying out the method according to the invention, consist directly of the coating additional material or, e.g. due to a chemical reaction with the surface to be coated, another chemical substance formed with the coating additive.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prozessgas durch eine Heizeinrichtung, z.B. eine Heizeinrichtung des Ofens, erwärmt wird und das Bauteil im Ofen mittels des erwärmten Prozessgases auf eine für den Beschichtungsvorgang geeignete Prozesstemperatur erwärmt wird. Auf diese Weise kann das Bauteil besonders schonend erwärmt werden. Insbesondere kann eine Erwärmung auf unerwünscht hohe Temperaturwerte vermieden werden. Die Erwärmung erfolgt somit durch Wärmeübertragung der im Prozessgas enthaltenen Wärme auf das Bauteil. Zusätzlich kann ein gewisser Anteil der Erwärmung des Bauteils durch Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung erfolgen. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the process gas is heated by a heating device, eg a heating device of the furnace, and the component is heated in the furnace by means of the heated process gas to a process temperature suitable for the coating process. In this way the component can be heated particularly gently. In particular, heating to undesirably high temperature values can be avoided. The heating thus takes place by heat transfer of the heat contained in the process gas to the component. In addition, a certain proportion of the heating of the component can take place by heat radiation from the heating device.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung des Bauteils in dem Ofen im Wesentlichen bei Umgebungsdruck oder einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks erfolgt. Mit Umgebungsdruck ist der Druck in der Umgebung außerhalb des Ofens gemeint. Dies hat den Vorteil, dass keine besonderen Maßnahmen für die Kontrolle des Drucks im Ofen erforderlich sind. Insbesondere muss der Ofen nicht abgedichtet sein. Es kann ein offener Ofen eingesetzt werden, bei dem das Prozessgas nach außen strömen kann. Dementsprechend kann der Druck im Ofen gleich dem Umgebungsdruck oder etwas darüber liegen, insbesondere dadurch, dass durch die Einleitung des Prozessgases eine leichte Druckanhebung im Inneren des Ofens erzeugt wird. Unter Umgebungsdruck wird hierbei insbesondere der Atmosphärendruck verstanden, d.h. 1 bar. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the coating of the component takes place in the furnace substantially at ambient pressure or a pressure above the ambient pressure. By ambient pressure is meant the pressure in the environment outside the furnace. This has the advantage that no special measures for controlling the pressure in the furnace are required. In particular, the oven does not have to be sealed. It can be used an open furnace, in which the process gas can flow to the outside. Accordingly, the pressure in the furnace may be equal to or slightly above the ambient pressure, in particular by the fact that the introduction of the process gas, a slight pressure increase is generated inside the furnace. By ambient pressure is meant in particular the atmospheric pressure, i. 1 bar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zu beschichtende Oberfläche in dem Ofen zunächst oxidiert wird und dann mit der rei- bungsmindernden und/oder festigkeitserhohenden Beschichtung versehen wird. Dies hat den Vorteil, dass durch die vorherige Oxidation der Oberfläche eine bessere Haftung der Beschichtung an dem Bauteil realisiert werden kann. Es ist dabei vorteilhaft, die Oxidation effektiv zu gestalten, so dass morphologisch und chemisch geeignete Oxidverbindungen aus den Metallatomen des Bauteils an der Bauteiloberfläche entstehen, die als Haftvermittler für die anschließend aufgebrachte Beschichtung fungieren können. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the surface to be coated in the furnace is first oxidized and then provided with the rubbing-reducing and / or strength-enhancing coating. This has the advantage that better adhesion of the coating to the component can be realized by the previous oxidation of the surface. It is advantageous to design the oxidation effectively, so that morphologically and chemically suitable oxide compounds are formed from the metal atoms of the component on the component surface, which can act as adhesion promoters for the subsequently applied coating.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das in den Ofen eingeleitete Prozessgas einen Sauerstoffgehalt hat und die Oxidation der zu beschichtenden Oberfläche durch den Sauerstoffgehalt des Prozessgases erfolgt. Auf diese Weise kann das Prozessgas zugleich als Trägermedium für den für eine Oxidation erforderlichen Sauerstoff genutzt werden. Für die Oxidation der zu be- schichtenden Oberfläche ist dabei ein relativ geringer Sauerstoffgehalt im Prozessgas ausreichend, z.B. im Bereich von 10 bis 30 ppm. Die Oxidation der zu beschichtenden Oberfläche kann derart erfolgen, dass zunächst nur das Prozessgas mit dem Sauerstoffgehalt in den Ofen eingeleitet wird und erst nach einer gewissen Einwirk- zeit, wenn eine ausreichende Oxidation der zu beschichtenden Oberfläche erfolgt ist, das Beschichtungs-Zusatzmaterial zugemischt wird. Je nach Anwendungsfall ist es auch möglich, den Beschichtungsvorgang gleich mit der Zumischung des Beschich- tungs-Zusatzmaterials zu beginnen. In jedem Fall ist es vorteilhaft, dabei den verbleibenden Sauerstoffgehalt im Prozessgas zu kontrollieren und/oder zu regeln. Dies kann z.B. durch Regelung eines entsprechenden Sauerstoffpartialdrucks im Prozessgas erfolgen. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the process gas introduced into the furnace has an oxygen content and the oxidation of the surface to be coated is effected by the oxygen content of the process gas. In this way, the process gas can also be used as a carrier medium for the oxygen required for oxidation. For the oxidation of the coating surface is a relatively low oxygen content in the process gas sufficient, for example in the range of 10 to 30 ppm. The oxidation of the surface to be coated can be carried out such that initially only the process gas with the oxygen content is introduced into the furnace and only after a certain exposure time, when sufficient oxidation of the surface to be coated has occurred, the coating additive material is added. Depending on the application, it is also possible to begin the coating process immediately with the addition of the coating additional material. In any case, it is advantageous to control and / or regulate the remaining oxygen content in the process gas. This can be done for example by controlling a corresponding oxygen partial pressure in the process gas.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der im Prozessgas vorhandene Sauerstoffgehalt durch Zumischen des Beschichtungs-Zu- satzmaterials zu dem Prozessgas verringert wird. Dies hat den Vorteil, dass bei Beginn der Einwirkung des Beschichtungs-Zusatzmaterials auf die zu beschichtenden Oberfläche quasi automatisch der Sauerstoffgehalt sinkt, was für den Vorgang der Erzeugung der reibungsmindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung vorteilhaft ist. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the oxygen content present in the process gas is reduced by adding the coating additive to the process gas. This has the advantage that at the beginning of the action of the coating additive material on the surface to be coated quasi automatically the oxygen content decreases, which is advantageous for the process of generating the friction-reducing and / or strength-increasing coating.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als rei- bungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung eine keramikartige Schicht, z.B. eine Keramikschicht, auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils erzeugt wird. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Bauteilen hinsicht- lieh der Oberflächenhärte und Reibung der Oberfläche optimieren, z.B. Werkzeuge im Bereich der Umformtechnik und/oder der Fügetechnik, sowie Bauteile von Motoren oder anderen Kolbenmaschinen, z.B. Zylinder hinsichtlich der Zylinderlaufflächen oder Ventiltriebskomponenten. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil im Ofen auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt wird. Dementsprechend werden unerwünschte Schädigungen des Bauteils vermieden. Ist das Bauteil aus unterschiedlichen Materialien gebildet, so gilt als Re- kristallisationstemperatur die niedrigste Rekristallisationstemperatur der jeweiligen Materialien. Die Erfindung erlaubt eine hoch effiziente Oberflächenbeschichtung von Bauteilen, wobei die Beschichtung auch in einem industriellen Maßstab erfolgen kann, d.h. bei Großserienproduktionen von Bauteilen. Es können als Bauteile z.B. Werkzeuge beschichtet werden, z.B. im Bereich der Umformtechnik Stanzwerkzeuge, Schneidmesser, Schneidplatten, Drehmeißel und ähnliches, sowie im Bereich der Fügewerk- zeuge beispielsweise Clinch-Werkzeuge. Im Bereich von Maschinen, z.B. Kolbenmaschinen, können Zylinderlaufflächen, Teile von Turboladern und Kompressoren sowie Ventiltriebskomponenten beschichtet werden. Die erfindungsgemäß beschichteten Bauteile zeigen eine verminderte Reibung sowie eine erhöhte Festigkeit an der beschichteten Oberfläche. Durch die verminderte Reibung wird es möglich, in vielen Anwendungen auf reibungsmindernde Schmierstoffe wie Öl zu verzichten oder deren erforderliche Menge zumindest zu reduzieren. According to an advantageous development of the invention, it is provided that as friction-reducing and / or strength-increasing coating, a ceramic-like layer, for example a ceramic layer, is produced on the surface of the component to be coated. In this way, it is possible to optimize a multiplicity of components with regard to the surface hardness and friction of the surface, eg tools in the field of forming technology and / or joining technology, as well as components of engines or other reciprocating engines, eg cylinders with regard to the cylinder running surfaces or valve train components. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the component is heated in the oven to a temperature below the recrystallization temperature. Accordingly, unwanted damage to the component avoided. If the component is formed from different materials, then the lowest recrystallization temperature of the respective materials is regarded as the recrystallization temperature. The invention allows a highly efficient surface coating of components, wherein the coating can also be done on an industrial scale, ie in large-scale productions of components. As components, for example, tools can be coated, for example in the field of metal forming, stamping tools, cutting blades, cutting inserts, turning tools and the like, and in the area of joining tools, for example, clinching tools. In the area of machines, eg piston machines, cylinder running surfaces, parts of turbochargers and compressors as well as valve train components can be coated. The components coated according to the invention show reduced friction and increased strength at the coated surface. The reduced friction makes it possible to dispense in many applications on friction-reducing lubricants such as oil or at least reduce their required amount.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Beschichtung im Vergleich zum Stand der Technik mit verbesserten Kristallstrukturen erzeugt werden können, insbeson- dere können besonders feinkristalline, homogene Kristallstrukturen erzeugt werden. A further advantage of the invention is that the coating can be produced in comparison with the prior art with improved crystal structures, in particular particularly fine-crystalline, homogeneous crystal structures can be produced.
Als Beschichtungs-Zusatzmaterial, das auch als Precursor bezeichnet wird, kann z.B. Silan eingesetzt werden. Vorteilhaft ist insbesondere der Einsatz von Monosilan, aber auch höhere Silan-Ketten können als Precursor eingesetzt werden. Wird bei- spielsweise eine Aluminiumoberfläche erfindungsgemäß beschichtet, so wird auf der Aluminiumoberfläche zunächst eine Oxidschicht erzeugt, auf der dann mittels des Monosilans eine SiO2-Schicht abgeschieden wird. Dies ist nicht nur bei reinem Aluminium möglich, sondern auch bei Aluminiumlegierungen, z.B. AISM MgMn. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung als kristalline Beschichtung erzeugt wird, insbesondere in Form von auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschiedenen Mischkristallen. Auf diese Weise kann die zuvor erläuterte Beschichtungstechnologie noch weiter entwickelt werden. Mit dem zuvor angegebenen Verfahren können gezielt Mischkristalle auf Gegenständen, wie z.B. Werkzeugen, erzeugt werden. Im Gegensatz zu amorphen Beschichtungen können kristalline Beschichtungen im Hinblick auf ihre Verschleißfestigkeit stabiler ausgebildet sein. As a coating additive, which is also referred to as a precursor, for example, silane can be used. Particularly advantageous is the use of monosilane, but also higher silane chains can be used as precursor. If, for example, an aluminum surface is coated according to the invention, an oxide layer is first produced on the aluminum surface, on which an SiO 2 layer is then deposited by means of the monosilane. This is not only possible with pure aluminum, but also with aluminum alloys, eg AISM MgMn. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the friction-reducing and / or strength-increasing coating is produced as a crystalline coating, in particular in the form of deposited on the surface to be coated mixed crystals. In this way, the previously explained Coating technology to be further developed. With the above-mentioned method, it is possible to purposefully produce mixed crystals on objects, such as tools. In contrast to amorphous coatings, crystalline coatings can be made more stable with regard to their wear resistance.
Die reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung kann aus der Gasphase, aus der Schmelze sowie aus Lösungen erzeugt werden. Solche Verfahren eignen sich insbesondere zur Erzeugung der zuvor erwähnten kristallinen Beschichtung. Je nach Art der Erzeugung der Beschichtung treten unterschiedliche An- bindungsmechanismen des Beschichtungsmaterials an die Oberfläche auf. Bei der atmosphärischen Erzeugung eines Kristalls aus der Gasphase entsteht ein in sich gebundener Kristall, der mit der Umgebung keine oder im Wesentlichen keine Bindung aufweist. Bei der Erzeugung eines Kristalls aus der Schmelze gilt es, einen Kristallisationskeim in der Schmelze zu erzeugen und diesen als Keimzelle des zu bildenden Kristalls zu verwenden. Ähnlich ist auch die Vorgehensweise bei Lösungen. The friction-reducing and / or strength-increasing coating can be produced from the gas phase, from the melt and from solutions. Such methods are particularly suitable for producing the aforementioned crystalline coating. Depending on the type of production of the coating, different attachment mechanisms of the coating material to the surface occur. The atmospheric production of a crystal from the gas phase produces a self-bound crystal which has no or substantially no bond with the environment. When producing a crystal from the melt, it is necessary to produce a crystallization seed in the melt and to use this as a nucleus of the crystal to be formed. Similar is the approach to solutions.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung aus der Gasphase ab- geschieden wird, wobei zur Erzeugung der kristallinen Beschichtung zunächst Kristallisationskeime auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden und aus diesen über die Oberfläche verteilten Kristallisationskeimen Kristalle gezüchtet werden, die im weiteren Verlauf des Verfahrens zu einer die kristalline Beschichtung bildenden, sich sukzessive schließenden und damit am Ende im Wesentlichen ge- schlossenen Kristallschicht zusammenwachen. Hierdurch kann eine gleichmäßig geschlossene verschleißfeste Oberfläche erzeugt werden. Es können bspw. Kristallisationskeime aus Silizium oder einer siliziumhaltigen Substanz abgeschieden werden und diese auf eine diffusionsaktive Oberfläche aufgebracht werden. Da die Oberfläche in solchen Fällen nicht schmelzflüssig oder gelöst ist, können durch Diffusion über die Oberfläche verteilt aus den erzeugten Kristallisationskeimen heraus Kristalle gezüchtet werden, die gezielt über die Zeit zu der Kristallschicht zusammenwachsen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die kristalline Beschichtung durch aus der Gasphase abgeschiedene Metall-Silizium- Mischoxide erzeugt werden, wobei der Silizium-Anteil aus einem gasförmig zugeführten Beschichtungs-Zusatzmaterial gebildet werden kann und die Oxidation durch ei- nen im Prozessgas vorhandenen Sauerstoffgehalt erfolgen kann. Das Metall kann z.B. Eisen sein. Das gasförmig zugeführte Beschichtungs-Zusatzmaterial kann z.B. ein Silizium-haltiges Gas sein, z.B. Silan. Auf diese Weise können abhängig vom jeweiligen durch den Sauerstoffpartialdruck einstellbaren Silangehalt der Atmosphäre verschiedene, nanoskalige Metall-Silizium-Mischoxide erzeugt werden, die bspw. eine granatartige Kristallstruktur der Stöchiometrie aufweisen kann, z.B. in Form von Skiagit (Fe(lll)3Fe(ll)2[SiO4]3). Hierbei bilden sich Kristallgitter aus SiO4-Tetraeder, in die zwei- (Fe2+) und dreiwertige (Fe3+) Eisenionen in Gitterlücken mit entsprechender Sauerstoffatom-Umgebung (je sechs bzw. acht angrenzende Sauerstoffatome) eingelagert sind. Kennzeichnend für diese Art von oxidischen Mischkristallen sind eine hohe Härte sowie eine gute thermische und chemische Stabilität. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the friction-reducing and / or strength-increasing coating is deposited from the gas phase, whereby crystallization nuclei are first applied to the surface to be coated to produce the crystalline coating and crystals are grown from these crystallization nuclei distributed over the surface become in the further course of the process to a crystalline coating forming, successive closing and thus at the end substantially closed crystal layer together. As a result, a uniformly closed wear-resistant surface can be produced. For example, crystallization nuclei can be deposited from silicon or a silicon-containing substance and these can be applied to a diffusion-active surface. Since the surface is not molten or dissolved in such cases, can be grown by diffusion over the surface distributed from the crystallization nuclei generated out crystals that grow together over time to the crystal layer targeted. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the crystalline coating is produced by metal-silicon mixed oxides deposited from the gas phase, wherein the silicon component can be formed from a gaseously supplied coating additive material and the oxidation can be formed by one in the process gas existing oxygen content can be done. The metal can be eg iron. The gaseous coating additive material may be, for example, a silicon-containing gas, for example silane. In this way, depending on the respective adjustable by the oxygen partial pressure silane content of the atmosphere, various nanoscale metal-silicon mixed oxides are generated, which may, for example, have a garnet-like crystal structure of stoichiometry, for example in the form of skiagite (Fe (III) 3Fe (II) 2 [SiO4] 3). Here, crystal lattices of SiO4 tetrahedra are formed, in which two (Fe 2+ ) and trivalent (Fe 3+ ) iron ions are embedded in vacancies with corresponding oxygen atom environment (six or eight adjacent oxygen atoms). Characteristic of this type of oxide mixed crystals are high hardness and good thermal and chemical stability.
Ein weiterer Vorteil der Erzeugung solcher Beschichtungen liegt darin, dass diese bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen erzeugt werden, z.B. bei bereits 500°C. Die beschriebene Vorgehensweise der Herstellung solcher Mischoxidschich- ten bei vergleichsweise geringen Temperaturen hat den weiteren Vorteil, dass das beschichtete Bauteil, z.B. ein Werkzeug, im Hinblick auf die Oberflächenerwärmung keine Phasenumwandlungstemperaturen, insbesondere keine Rekristallisationstemperatur, durchläuft. Bei härtbaren Stählen gilt dies auch unterhalb der Anlasstemperatur. Solche Temperaturgrenzwerte liegen in der Regel bei Werkzeugen bei höheren Werten. Versuche haben gezeigt, dass eine in der beschriebenen Weise erzeugte kristalline Oberflächenbeschichtung im Gegensatz zu nicht kristallinen Beschichtungen besonders geringe Reibwerte und eine besonders hohe Abriebfestigkeit aufweist. Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens einen Ofen mit wenigstens einer Heizeinrichtung und wenigstens einem Zufuhranschluss für Prozessgas, und mit wenigstens einer Prozessgas-Bereitstellungseinrichtung, die mit dem Prozessgas-Zufuhranschluss verbunden ist und die zur Zumischung eines Beschichtungs-Zusatzmaterials zum Prozessgas eingerichtet ist. Hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Der Ofen kann insbesondere als offener Ofen ausgebildet sein, in dessen Innenraum im Wesentlichen Umgebungsdruck vorhanden ist. Auf diese Weise kann der Ofen mit wenig techni- schem Aufwand und dementsprechend kostengünstig realisiert werden. Eine hermetische Abdichtung ist dementsprechend nicht erforderlich. Another advantage of the production of such coatings is that they are already produced at comparatively low temperatures, for example at 500 ° C. The procedure described for producing such mixed oxide layers at comparatively low temperatures has the further advantage that the coated component, eg a tool, does not undergo phase transition temperatures, in particular no recrystallization temperature, with regard to surface heating. For hardenable steels, this also applies below the tempering temperature. Such temperature limits are usually higher for tools. Experiments have shown that a crystalline surface coating produced in the manner described has in contrast to non-crystalline coatings particularly low coefficients of friction and a particularly high abrasion resistance. The aforementioned object is further achieved by a device for carrying out a method according to one of the preceding claims, comprising at least one furnace with at least one heating device and at least one supply connection for process gas, and with at least one process gas supply device which is connected to the process gas supply connection is and the to Admixed a coating additive material to the process gas is set up. As a result, the advantages explained above can be realized. The furnace may in particular be designed as an open furnace, in the interior of which substantially ambient pressure is present. In this way, the oven can be realized with little technical effort and, accordingly, inexpensive. Accordingly, a hermetic seal is not required.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment using drawings.
Es zeigen Show it
Fig. 1 - eine Beschichtungseinrichtung in schematischer Darstellung und Fig. 2 - eine Prozessgas- Bereitstellungeinrichtung in schematischer Darstellung. Fig. 1 - a coating device in a schematic representation and Fig. 2 - a process gas supply device in a schematic representation.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet. Die in Figur 1 dargestellte Beschichtungseinrichtung weist einen Durchlaufofen 1 auf, der zur besseren Erkennbarkeit in geschnittener Darstellung wiedergegeben ist, in der Realität aber abgesehen von der Einlauf- und Auslauf-Stelle einer Fördereinrichtung 2 im Wesentlichen geschlossen ist. Der Durchlaufofen 1 weist eine in Längsrichtung durch den Durchlaufofen verlaufende Fördereinrichtung 2 auf, die zur Förderung von Bauteilen 3 durch den Durchlaufofen 1 eingerichtet ist. Die Fördereinrichtung 2 kann als Förderband oder als andere geeignete Einrichtung für den Transport des Verarbeitungsguts durch den Durchlaufofen 1 ausgebildet sein. So kann der Durchlaufofen 1 z.B. als Rollenofen, als Förderbandofen, als Hubbalkenofen, als Kettendurchlaufofen, als Durchstoßofen oder als Durchfahrofen ausgebildet sein, oder als Kombination hieraus, wenn z.B. in Kombination miteinander abschnittsweise unterschiedliche Ausgestaltungen der Fördereinrichtung realisiert sind. Durch die Fördereinrichtung 2, die in Pfeilrichtung bewegt wird, werden die Bauteile 3 durch den Durchlaufofen 1 transportiert. Die Fördereinrichtung 2 kann z.B. durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben werden. In der Bewegungsrichtung der Fördereinrichtung 2 werden die Bauteile 3 zunächst durch einen Einlaufabschnitt 4 bewegt, dann durch eine sich anschließenden Wärmebehandlungsabschnitt 5, der auch als Glühkanal bezeichnet wird, und dann durch einen sich daran anschließenden Kühlabschnitt 8. Der Wärmebehandlungsabschnitt 5 weist eine Heizeinrichtung 6 auf, z.B. in Form von Glühwendeln. Im Kühlabschnitt 8 erfolgt eine Abkühlung der erwärmten Bauteile 3, z.B. durch ein durch eine Wand des Kühlabschnitts 8 geleitetes Kühlmedium. In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements. The coating device shown in Figure 1 has a continuous furnace 1, which is reproduced for clarity in a sectional view, in reality but apart from the inlet and outlet point of a conveyor 2 is substantially closed. The continuous furnace 1 has a longitudinal direction through the continuous furnace conveyor 2, which is designed to convey components 3 through the continuous furnace 1. The conveyor 2 may be formed as a conveyor belt or other suitable means for the transport of the processed material through the continuous furnace 1. Thus, the continuous furnace 1 may be formed, for example, as a roller kiln, conveyor belt kiln, walking beam kiln, chain kiln, piercing furnace or through-flow furnace, or as a combination thereof, if, for example, different configurations of the conveying device are realized in combination. By the conveyor 2, which is moved in the arrow direction, the components 3 are transported through the continuous furnace 1. The conveyor 2 can be driven for example by a motor, not shown. In the direction of movement of the conveyor 2, the components 3 are first moved through an inlet section 4, then through a subsequent heat treatment section 5, which is also referred to as annealing channel, and then through an adjoining cooling section 8. The heat treatment section 5 has a heating device 6 , eg in the form of incandescent filaments. In the cooling section 8, a cooling of the heated components 3, for example by a guided through a wall of the cooling section 8 cooling medium.
Der Durchlaufofen 1 weist einen Zufuhranschluss 7 zur Zuführung des Prozessgases in das Innere des Durchlaufofens 1 auf. Der Zufuhranschluss 7 ist mit einer Prozessgas-Bereitstellungeinrichtung 9 verbunden. Das über den Zufuhranschluss 7 in den Durchlaufofen 1 eingeleitete Prozessgas breitet sich grundsätzlich in alle Richtungen aus, dabei gelangt es insbesondere in den Wärmebehandlungsabschnitt 5, in dem die Bauteile 3 erwärmt werden und die erfindungsgemäße Erzeugung der reibungs- mindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung auf der zu beschichtenden Oberfläche durchgeführt wird. Der Zufuhranschluss 7 kann auch in zwei Stränge aufgeteilt sein, wie nachfolgend anhand der Figur 2 erläutert wird . In diesem Fall kann der eine Strang z.B. in Richtung des Wärmebehandlungsabschnitts 5 ausgerichtet sein, der andere Strang in Richtung des Kühlabschnitts 8. Über die zwei Stränge des Zufuhranschlusses 7 können unterschiedliche Anteile der Menge des zugeführten Prozessgases eingeleitet werden, z.B. ein höherer Anteil über den ers- ten Strang in Richtung des Wärmebehandlungsabschnitts 5 und ein geringerer Teil in Richtung des Kühlabschnitts 8. The continuous furnace 1 has a supply port 7 for supplying the process gas into the interior of the continuous furnace 1. The supply port 7 is connected to a process gas supply device 9. The process gas introduced into the continuous furnace 1 via the supply port 7 generally propagates in all directions, in particular entering the heat treatment section 5 in which the components 3 are heated and the generation according to the invention of the friction-reducing and / or strength-increasing coating on the to be coated surface is performed. The supply port 7 may also be divided into two strands, as will be explained below with reference to FIG. In this case, the one strand may be e.g. be aligned in the direction of the heat treatment section 5, the other strand in the direction of the cooling section 8. On the two strands of the supply port 7 different proportions of the amount of the supplied process gas can be initiated, e.g. a higher proportion via the first strand in the direction of the heat treatment section 5 and a lesser part in the direction of the cooling section 8.
Die Figur 2 zeigt die Prozessgas-Bereitstellungseinrichtung 9 mit weiteren Details. Die Prozessgas-Bereitstellungseinrichtung 9 kann z.B. verschiedene Vorratsbehälter 10, 1 1 , 12, 13 für unterschiedliche zu mischende Gase enthalten, z.B. einen Wasser- stoffbehälter 10, einen Argon-Behälter 1 1 und einen Stickstoff-Behälter 12. Ferner kann ein Behälter 13 für das Beschichtungs-Zusatzmaterial vorhanden sein, z.B. Mo- nosilan. Die Behälter 10, 1 1 , 12, 13 sind über eine dem jeweiligen Behälter jeweils nachgeordnete Mengen-Beeinflussungseinrichtung 14, 15, 16, 17 mit einer Mischkammer 18 verbunden. Über die Mengen-Beeinflussungseinrichtungen 14, 15, 16, 17 kann die jeweils zugeführte Menge eines Gases aus einem der Behälter 10, 1 1 , 12, 13 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden und insbesondere auf diesen Wert geregelt werden. Dies kann z.B. über Schwebekörper-Durchflussmesser erfolgen. Die zugeführten Gasanteile werden in der Mischkammer 18 miteinander vermischt und über den Zufuhranschluss 7, der in zwei Stränge aufgeteilt ist, dem Durchlaufofen 1 zugeführt. In jedem der Stränge kann ein weiterer Schwebekörper- Durchflussmesser 19 angeordnet sein. FIG. 2 shows the process gas supply device 9 with further details. The process gas supply device 9 may, for example, various reservoirs 10, 1 1, 12, 13 for different gases to be mixed, for example, a hydrogen tank 10, an argon container 1 1 and a nitrogen container 12. Further, a container 13 for the coating additive material may be present, for example monosilane. The containers 10, 1 1, 12, 13 are above a respective container respectively downstream quantity-influencing device 14, 15, 16, 17 connected to a mixing chamber 18. About the quantity-influencing means 14, 15, 16, 17, the respectively supplied amount of a gas from one of the containers 10, 1 1, 12, 13 are set to a desired value and in particular regulated to this value. This can be done, for example, via a variable area flowmeter. The supplied gas fractions are mixed together in the mixing chamber 18 and fed via the supply port 7, which is divided into two strands, the continuous furnace 1. In each of the strands, another variable area flowmeter 19 may be arranged.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Oberflächenbeschichten eines Bauteils (3), dessen zu beschichtende Oberfläche ganz oder wenigstens zum Teil als Metalloberfläche ausgebildet ist, wobei die zu beschichtende Oberfläche mit einer reibungsmindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) in einem Ofen (1 ) erwärmt und mittels eines in den Ofen (1 ) eingeleiteten Prozessgases, dem ein Beschichtungs-Zusatzmate- rial zugemischt wird, mit der reibungsmindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung beschichtet wird. 1 . Method for surface coating of a component (3) whose surface to be coated is completely or at least partially formed as a metal surface, wherein the surface to be coated is provided with a friction-reducing and / or strength-increasing coating, characterized in that the component (3) in a Furnace (1) is heated and coated by means of a process gas introduced into the furnace (1), to which a coating additional material is mixed, with the friction-reducing and / or strength-increasing coating.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas durch eine Heizeinrichtung (6) erwärmt wird und das Bauteil (3) im Ofen (1 ) mittels des erwärmten Prozessgases auf eine für den Beschich- tungsvorgang geeignete Prozesstemperatur erwärmt wird. 2. Method according to the preceding claim, characterized in that the process gas is heated by a heating device (6) and the component (3) is heated in the furnace (1) by means of the heated process gas to a process temperature suitable for the coating process.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Bauteils (3) in dem Ofen (1 ) im Wesentlichen bei Umgebungsdruck oder einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks erfolgt. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coating of the component (3) in the furnace (1) takes place substantially at ambient pressure or a pressure above the ambient pressure.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche in dem Ofen (1 ) zunächst oxidiert wird und dann mit der reibungsmindernden und/oder festigkeitserhöhenden Beschichtung versehen wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface to be coated in the furnace (1) is first oxidized and then provided with the friction-reducing and / or strength-increasing coating.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Ofen (1 ) eingeleitete Prozessgas einen Sauerstoffgehalt hat und die Oxidation der zu beschichtenden Oberfläche durch den Sauerstoffgehalt des Prozessgases erfolgt. 5. The method according to the preceding claim, characterized in that in the furnace (1) introduced process gas has an oxygen content and the Oxidation of the surface to be coated by the oxygen content of the process gas takes place.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Prozessgas vorhandene Sauerstoffgehalt durch Zumischen des Be- schichtungs-Zusatzmaterials zu dem Prozessgas verringert wird. 6. The method according to any one of claims 4 to 5, characterized in that the oxygen content present in the process gas is reduced by admixing the coating additional material to the process gas.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung eine keramikartige Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils (3) erzeugt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as a friction-reducing and / or strength-increasing coating, a ceramic-like layer on the surface to be coated of the component (3) is generated.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component (3) is heated to a temperature below the recrystallization temperature.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1 ) als Durchlaufofen ausgebildet ist und das Bauteil (3) durch den Ofen (1 ) transportiert wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the furnace (1) is designed as a continuous furnace and the component (3) through the oven (1) is transported.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung als kristalline Beschichtung erzeugt wird, insbesondere in Form von auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschiedenen Mischkristallen. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the friction-reducing and / or strength-increasing coating is produced as a crystalline coating, in particular in the form of deposited on the surface to be coated mixed crystals.
1 1 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsmindernde und/oder festigkeitserhöhende Beschichtung aus der Gasphase abgeschieden wird, wobei zur Erzeugung der kristallinen Beschichtung zunächst Kristallisationskeime auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden und aus diesen über die Oberfläche verteilten Kristallisationskeimen Kristalle gezüchtet werden, die im weiteren Verlauf des Verfahrens zu einer die kristalline Beschichtung bildenden, im Wesentlichen geschlossenen Kristallschicht zusammenwachen. 1 1. Method according to the preceding claim, characterized in that the friction-reducing and / or strength-increasing coating is deposited from the gas phase, wherein initially crystallization nuclei are applied to the surface to be coated to produce the crystalline coating and crystals are grown from these distributed over the surface crystals, which, in the further course of the process, join together to form a substantially closed crystal layer which forms the crystalline coating.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline Beschichtung durch aus der Gasphase abgeschiedene Metall-Silizium-Mischoxide erzeugt werden, wobei der Silizium-Anteil aus einem gasförmig zugeführten Beschichtungs-Zusatzmaterial gebildet werden kann und die Oxidation durch einen im Prozessgas vorhandenen Sauerstoffgehalt erfolgen kann. Method according to one of claims 10 to 1 1, characterized in that the crystalline coating are produced by deposited from the gas phase metal-silicon mixed oxides, wherein the silicon portion can be formed from a gaseously supplied coating additive material and the oxidation by a can be done in the process gas oxygen content.
Beschichtungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens einen Ofen (1 ) mit wenigstens einer Heizeinrichtung (6) und wenigstens einem Zufuhranschluss (7) für Prozessgas, und mit wenigstens einer Prozessgas-Bereitstellungseinrichtung (9), die mit dem Prozessgas-Zufuhranschluss verbunden ist und die zur Zumischung eines Beschichtungs-Zusatzmaterials zum Prozessgas eingerichtet ist. Coating device for carrying out a method according to one of the preceding claims, comprising at least one furnace (1) with at least one heating device (6) and at least one supply port (7) for process gas, and with at least one process gas supply device (9) connected to the process gas Supply connection is connected and which is set up for admixing a coating additive material to the process gas.
Beschichtungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1 ) als offener Ofen ausgebildet ist, in dessen Innenraum im Wesentlichen Umgebungsdruck vorhanden ist. Coating device according to the preceding claim, characterized in that the furnace (1) is designed as an open furnace, in the interior of which substantially ambient pressure is present.
15. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1 ) als Durchlaufofen ausgebildet ist. 15. Coating device according to one of claims 10 to 14, characterized in that the furnace (1) is designed as a continuous furnace.
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