CH640885A5 - Mit einem harten ueberzug versehene maschinenelemente. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung zielt daraufhin, durch Einführung von geeigneten Schutzüberzügen klassischen Konstruktionsmaterialien den Zugang in den Apparate- und Maschinenbau für Anwendungen in extremen Umweltbedingungen zu sichern.
Darüberhinaus helfen diese Schutzüberzüge auch im konventionellen Maschinenbau die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betroffenen Elemente zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft daher mit einem harten Überzug versehene Maschinenelemente, die rollenden und gleitenden Beanspruchungen unterworfen und dadurch gekennzeichnet sind, dass die Reibepartner einen harten verschleiss- und korrosionsfesten Überzug aus einem Karbid, Nitrid, Karbonitrid, Borid, Silizid oder Oxyd eines Elementes der Gruppen III bis VIII des periodischen Systems oder deren Mischungen oder Mischkristallen aufweisen.
Die Auftragung oder Abscheidung des genannten Überzugs kann sowohl auf metallischen wie auch nicht-metallischen Werkstoffen erfolgen mittels Verfahren chemischer oder physikalischer Art wie beispielsweise durch Gasphasenreaktion oder Festkörper- oder Flüssigphasentransportreak-tion. Auswahlkriterium für die Schichtpaarung sind die chemisch-physikalischen Eigenschaften bestimmter Schichtkombinationen im gewünschten Anwendungsbereich und die Verwendbarkeit eines Grundstoffs für eine bestimmte Beschichtungsmethode.
Die Erfindung soll in der Folge an Hand einiger Anwendungsbeispiele erläutert werden.
1. Die chemische Verfahrenstechnik bedient sich in zunehmendem Masse niedriger Drücke im Mittel- und Feinvaku-umbereich zur Herstellung bestimmter thermodynamischer Gleichgewichte, Voraussetzung für die Synthese vieler neuartiger Werkstoffe.
Die dabei anfallenden (Spalt und/oder) Reaktionsbeiprodukte sind vielfach Dämpfe von Säuren und Basen, die die Pumpenelemente korrodieren.
Drehkolben und Drehschieberpumpen, die zusammen mit Kühlfallen zurzeit in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung finden, müssen häufig gewartet werden, um bei Anwesenheit von Säure- und Basendämpfen die notwendige Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu erreichen.
Nach vorliegender Erfindung wird die Pumpenkavität mit Titannitrid beschichtet, und die drehenden Pumpenelemente wie Kolben oder Drehschieber mit Titankarbid.
Titannitrid und Titankarbid wird in Form einer 2-5 um dicken, rissefreien Schicht nach einem bekannten Verfahren, z.B.: dem für die Beschichtung von metallischen und nichtmetallischen Gegenständen durch Abscheidung aus der Gasphase patentierten Verfahren nach Schweizer Patent Nr. 452 205 auf den zu schützenden Pumpenelementen aufgetragen.
Die Reibepartner Titankarbid gegen Titannitrid zeichnen sich durch einen niedrigen dynamischen und statischen Reibekoeffizient aus und haben hervorragende verschleissmin-dernde Eigenschaften. Da der Reibungskoeffizient TiC-TiN mit veränderlicher Temperatur, Druck und Feuchtigkeit weitgehend konstant bleibt, sind solchermassen geschützte Pumpenelemente weniger anfällig gegen Störungen des Schmiermechanismus und haben hervorragende Notlaufeigenschaften bei Versagen desselben.
Die Korrosionsbeständigkeit von TiN und TiC schützt darüber hinaus die Pumpenelemente wie Kolben, Drehschieber, Kavitätsinnenraum usw. vor chemischem Angriff, und es ist somit möglich, herkömmliche Pumpen den hohen Anforderungen der chemischen Industrie zugänglich zu machen ohne auf kostspielige Sonderkonstruktionen zurückgreifen zu müssen.
Es ist offensichtlich, dass dieser Schutzmechanismus, der die tribologischen und mechanischen Eigenschaften der Vakuumpumpen verbessert, auch für Pumpen von korrosiven Flüssigkeiten und Schmelzen verwendet werden kann.
2. Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von heliumgekühlten Kernreaktoren ist es notwendig, zu immer höheren Temperaturen (bis 900°C) zu gehen.
Diese erhöhtem Temperaturen im hochreinen Edelgas bewirken eine Desorption aller schützenden Oxydschichten auf der Oberfläche von tribologisch funktionellen Flächen. Daraus resultiert eine starke Verschweissneigung der betroffenen Reibepartner und unzulässig hohe Reibekoeffizienten.
Die neben den hohen Temperaturen sehr hohen Drücke machen es notwendig, in der Tribologie von Kernreaktorarmaturen die relative Konstanz des Reibekoeffizienten von TiC-TiN, sowie deren Charakter als Diffusionsbarriere zu wirken, einzusetzen.
Lager für Drücke bis 250 Mp pro Auflagestelle können in käfigloser Ausführung mit Wälzkörpern, die abwechselnd mit TiC und TiN beschichtet wurden, hergestellt werden. Das Konstruktionsmaterial der Ringe und Wälzkörper muss den Temperaturen und der Genauigkeitsklasse des Lagers ange-passt werden.
Der niedrige Reibungskoeffizient TiC-TiN einerseits, sowie TiC-Stahl und TiN-Stahl anderseits gewährleistet ein Funktionieren der Lager mit günstigem Reibeverhalten und verhindert ein Verschweissen der Lagerelemente bei längerem Stillstand. Abhängig von den dynamischen Anforde-
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rungen an das Lager kann eine zusätzliche Trockenschmierung mittels aufgestäubtem M0S2 vorgesehen werden.
Die patentmässige Erfindung erlaubt somit herkömmlichen Konstruktionsmaterialien beim Bau von tribologi-schen Elementen der Kernreaktortechnik Anwendung zu 5 finden.
3. Bei Gyroskopen, die unter Weltraumbedingungen, d.h. Drücken bis ICH Torr und Temperaturen bis 200°C betrieben werden, muss durch geeignete Konstruktionsmassnahmen eine Schmierung gewährleistet werden.
Erfindungsmässige Lagerelemente können unter Ausnützung des niedrigen Reibungskoeffizienten einer Hartstoffpaarung TiC-SiC, wobei die Lagerringe mit Titankarbid und
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die Rollelemente mit SiC beschichtet werden, wartungsfrei gemacht werden. Auch in diesem Fall kann eine zusätzliche Beschichtung mit M0S2 erforderlich werden.
Die erfmdungsmässigen Lagerelemente können auch in klassisch geschmierten Gyroskopen verwendet werden und ergeben dadurch hervorragende Notlaufeigenschaften.
4. Im Hochofenbau müssen Lagerelemente bei Temperaturen bis 650°C in oxydierender Atmosphäre betrieben werden. Durch Beschichten der Rollelemente mit SÌ3N4 und der zugeordneten Laufbahnen mit TiC wird die hohe Oxydationsbeständigkeit von SÌ3N4 und das gute Reibeverhalten von TiC benützt, um herkömmliche Materialien in einem höheren als sonst üblichen Temperaturbereich anwenden zu können.
B
Claims (2)
1. Mit einem harten Überzug versehene Maschinenelemente, die rollenden und gleitenden Beanspruchungen unterworfen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibepartner einen harten, verschleiss- und korrosionsfesten Überzug aus einem Karbid, Nitrid, Karbonitrid, Borid, Silizid oder Oxyd eines Elements der Gruppen III bis VIII des periodischen Systems oder deren Mischungen oder Mischkristallen aufweisen.
2. Maschinenelemente nach Patenanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibepartner einen Überzug aus einer der Materialpaarungen Titankarbid/Titannitrid, Titankarbid/Siliziumkarbid und Siliziumnitrid/Titankarbid aufweisen.
Es wurde durch verschiedene Anwendungs- und Prozesspatente gezeigt, dass harte Schichten auf der Basis der Nitride, Karbide, Karbonitride, Boride, Silizide und Oxyde der Gruppen III - VIII des periodischen Systems der Elemente verschleissfeste Eigenschaften haben.
Durch gezielte Paarung von obigen Hartstoffschichten kann eine weitere bedeutende Verbesserung der Eigenschaften von Maschinenelementen erzielt werden, insbesondere im Hinblick auf deren Anwendung in extremen Umweltbedingungen.
Extreme Umweltbedingungen sind gekennzeichnet durch das Einwirken von hoher Temperatur und/oder hohen Drucken und/oder guten Vacua, und/oder die Anwesenheit von chemisch aggressiven, korrosiven Medien.
Diese extremen Umweltbedingungen können vor allem in der chemischen Verfahrenstechnik, in der Nukleartechnik, im Weltraum und im Waffenbau festgestellt werden. Sie äussern sich durch chemischen Angriff, der zur Korrosion und zum vorzeitigen Versagen von Maschinenelementen führt und durch erhöhten Verschleiss bei Anwendungen in der Nuklearreaktortechnik und im Weltraum auf Grund des ungünstigen Reibeverhaltens klassischer Konstruktionsmaterialien bei erhöhter Temperatur und in hohem Vakuum.
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