CN101432526A - 用于气体轴承的涂层 - Google Patents

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CN101432526A CNA2007800155513A CN200780015551A CN101432526A CN 101432526 A CN101432526 A CN 101432526A CN A2007800155513 A CNA2007800155513 A CN A2007800155513A CN 200780015551 A CN200780015551 A CN 200780015551A CN 101432526 A CN101432526 A CN 101432526A
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Abstract

本发明涉及一种其中气体轴承被涂覆硬层的真空泵，并涉及一种用于制备这样的真空泵的气体轴承的方法。

Description

用于气体轴承的涂层
技术领域
本发明涉及一种其中气体轴承被涂覆硬层的真空泵，并涉及一种用于制备这样的真空泵气体轴承的方法。
背景技术
当在例如涡轮分子泵或径向涡轮鼓风机(例如，
Figure A200780015551D00041
)等快速旋转的气体输送机中使用无接触、低摩擦的气体轴承时，在这样的机器启动和停止时，在相对于彼此旋转的轴承元件之间(其中气体压力不足以建立允许轴承的无接触运转所需的支承力)存在干摩擦(固体摩擦)阶段。因此，取决于结构设计，在发生干摩擦的情况下得到有限的每分钟转数。
为了延长经受摩擦的轴承元件的使用寿命，合理地采用用于该目的的耐磨材料。基本上，对于特定的摩擦系统，耐磨性的确随着硬度的增加而增加，然而这样的材料的可加工性降低。因此，硬质材料可能的耐磨性被其可加工性所限制。
到目前为止，需要通过例如珩磨或金刚石加工等精细加工对所使用的硬质材料成形。这些操作不仅很单调，而且由于加工工具通常必须具有更高的硬度，还限制了所使用的硬质材料的硬度。
例如，DE 34 396 48 A1也说明了轴承面的制造。首先，通过堆积硬质材料球而得到紧密堆积的球。接下来，通过辊轧将这些表面压紧，随后对其进行金刚石加工。
因此，加工限制了可使用的硬质材料的数量。因而，只能在有限的程度上考虑所要求的特定摩擦性能。
在气体输送机的情况下，摩擦系统的特定性能事实上是，在大气环境下形成的含水吸附层已不能在真空条件下建立。在大气条件下，该水膜一方面可用作润滑剂，而另一方面可在所涉及的表面上引起显著影响磨损性能的摩擦化学反应。因此，其中大气吸附层具有减少磨损效应且因此具有积极效应的层状系统，在真空或惰性气体的情况下可能具有明显较低的耐磨性(H.Czichos，K.-H.Habig：＂TribologieHandbuch，Reibung und Verschleiβ＂，2nd Ed.2003，Friedr.Vieweg & SohnVerlag，Wiesbaden，pp.404 ff.；D.Klaffke：＂Ver-schleiβ in trockener Luft＂，Tribologie und Schmierungstechnik，Vol.44.，No.7(1997)，pp.219-224)。
另一方面，为真空条件优化的层体系统在大气条件下可能具有较低的耐磨性。
在真空条件下由于缺乏水膜而引起的这些缺点可影响在高真空条件下工作的泵，例如涡轮分子泵以及径向涡轮鼓风机。
已在真空泵的轴承中用作润滑剂的油脂具有这样的缺点，特别是在高真空应用中，其可蒸发并因此导致不合要求的分压，且润滑剂可能泄露。另外存在于空气泵应用中且通常能够钝化反应表面的氧气在真空应用中刚好不存在。并且，另外通常存在于大气条件下发生的泵应用中的轴或转子的表面上的水膜，在真空条件下消失。这样的基本条件导致所涉及的确定磨损性能的磨损参与件的表面间的反应。原理上，如果通过摩擦化学地形成的反应产物使摩擦系数最小化，如果界面粘结的趋势减小，如果表面硬度增加和/或如果不发生摩擦化学反应，则可实现磨损的最小化。
DE 199115983 A1说明了一种具有气体轴承的真空泵，其中气体轴承没有进行涂覆。
DE 19725784 A1说明了例如在扫描仪和打印机中采用的快速旋转镜轮中使用的快速旋转轴的动态气体轴承。这些是在大气压力下的应用。
WO 02/10598 A1说明了同样是在大气压力下的电机主轴的动态气体轴承。
DE 19821601 C1说明了在大气压力下、在例如扫描仪或打印机的应用中的快速旋转轴的气体轴承。
WO 02/35099 A1说明了其中由球轴承承载轴的真空泵。
WO 94/6228 A1说明了其中转子由特殊铝锂合金制成的真空泵。
DE 4403340 A1说明了通过堆积随后辊轧硬质材料，之后进行表面金刚石加工，而用硬质材料对空气静压轴承进行的涂覆。
DE1 9950463 B4说明了在例如硬盘轴的大气应用中的气体轴承的CVD涂覆。在所说明的方法中，必须部分地去掉涂层，使得总是强制地构造涂层。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种同样在真空条件下的气体轴承，其中尽管当使用硬质材料层时可使耐磨性最小化，然而仍可尽可能简单地制备气体轴承。
在第一实施例中，本发明的目的是通过真空泵1来实现的，该真空泵无润滑剂并且包括吸入口2、排出口3和承载支撑在气体轴承5中的气体轴承转子16的轴4，其特征在于：至少面向轴4和/或面向气体轴承转子16的气体轴承表面9具有硬层10，该硬层10具有在0.5至30μm范围内的层厚，并且由在0.01N的测量力下具有至少1000HK的显微硬度的材料制成。
根据本发明的真空泵1优选地具有至少一个吸入口2、至少一个排出口3和至少一个外壳15。优选地，至少一个转子6和至少一个定子7形成无润滑剂的并且被输送气体所流经的输送空间8。
本发明含义内的真空泵是在高真空下使用的泵，涵盖了直至在预真空下使用的泵的整个范围。前述的泵包括，例如，机械动力真空泵，如侧通道压缩机、涡轮压缩机(轴向、径向)、分子泵和涡轮分子泵。涡轮压缩机的类群包括，例如，径向涡轮鼓风机，如Turbo-Stream
Figure A200780015551D0006133637QIETU
。
除了简化的处理外，使用低成本的衬底材料导致成本的节约。另外，可选择比目前可用于该目的的结构材料还要硬的涂层，这可导致元件使用寿命的延长。
由于根据本发明的硬层10的特别薄的设计，气体轴承5的定子元件11中的可能必需的结构元件可通过，例如，对制成定子元件11的材料进行的精细加工来成形或构造，使得仍然通过这样的成形或构造来精确地复制硬层10的表面。例如，这可以是钢或铝合金。由于硬层的低的层厚，于是将以大约达到1μm的必要精度来精确地复制这些结构元件，而不论设置在定子元件上的硬层10。因此，优选地，不要求硬层10的材料处理。因此，与现有技术相比，硬层10本身不需要具有任何附加的构造并且可以是基本光滑的。
由于根据本发明的真空泵1的硬层10优选地是基本光滑的，所以与已知的气体轴承相比，例如在DE 4403340 A1或DE 19950463 B4中对硬层10的高成本的单调的后处理是不必要的。即，与此已知的现有技术相比，如果需要对制成的表面9进行构造，则由于例如钢或铝合金的基层材料11基本上更容易被处理，表面9的构造也可被制造。
优选地，气体轴承5基本由气体轴承定子元件11、气体供应装置12和气体排出口13组成。从而特别地简化了气垫的形成。
硬层10下方的定子元件11优选地被构造为包括作为气体供应装置12和气体排出口13的入口通道12和出口通道13。因此，气体供应装置12和气体排出口13可特别容易地集成在定子元件11中。
优选地，只有直接面向轴4的定子元件11的部分支承硬层10。因此，通过节省硬质材料可基本上更廉价地制备定子元件11。
优选地，硬层10的材料是从碳或硬碳化合物中选择的，特别是金属铝、钨、铬或钛的碳化物、氮化物或碳氮化物。这样的层可被实现为单相或多相的层状系统，直到递变的层状复合物。
优选地，硬层10的层厚在整个硬层10中的改变不超过10％。由于硬层10的这种特别规则的制造，根据本发明的真空泵的使用寿命可明显地增长。因此，硬层10的粗糙度Ra也优选地达到500nm，特别地达到100nm。根据DIN EN ISO4287，粗糙度用Ra表示。本发明含义中的Ra是平均粗糙度且表示在表面上的测量点距中线的平均距离。在参考长度内，中线与实际廓线以这样的方式相交：基于中线的廓偏差的绝对值之和是最小值。
特别地，当根据本发明的硬层10的层厚优选地在1至5μm，特别是在1至2.5μm的范围内时，涂覆后的元件的机械后处理不再必要。因此，可特别容易地观察到气体轴承的与功能相关的公差。
在另一实施例中，本发明的目的是通过根据本发明的用于制备真空泵的气体轴承的方法来实现的，在该方法中，通过选自PVD、CVD、电解或不带电原子或分子的注入中的涂覆方法涂覆硬层10。在这种情况下，缩写PVD表示物理气相沉积并表示其中在表面上不发生化学反应的所有气相沉积方法。CVD表示化学气相沉积，其中所谓的前体分子在被气相沉积在表面上之后发生反应以形成特定的化合物。
这些是物理地(PVD)或化学地(CVD)将磨损保护层10从气相沉积到衬底材料11上的方法。如果采用等离子体支持的PVD或CVD方法作为涂覆方法，将是特别有优势的。通过点燃等离子体来支持这些方法，其导致处理温度降低，等等。特别是在将热敏感衬底材料11用于涂覆时，这是有优势的。然而，例如，如果注入不带电原子或分子(例如，
Figure A200780015551D00081
)的方法能够在真空或惰性干燥气体条件下理想地实现滑动而不造成粘附或磨损，还可通过这些方法来涂覆涂层10。
在涂覆操作之前，优选地在特定的处理步骤中，用离子特别是用氩离子蚀刻表面9，以便由此实现涂覆的硬层10的特别高的粘接强度。
附图说明
图1示出以涡轮分子泵为实例的根据本发明的真空泵1的横截面视图。
图2示出定子11的表面9上的硬层10的局部放大视图，其中轴4被硬层10围绕。
图3示出定子11的不同的实施例(a：螺旋槽设计，b：倾斜片设计，c：Garrett设计，d：MTI设计)。
具体实施方式
下面通过具体的实例说明本发明，但是本发明的主旨不受限于该实例：
气体轴承5或气体轴承元件可以是具有同心地布置并且螺旋形延伸的气体通道的轴向气体轴承的球形对称的圆盘(参见图3a)。该元件由合金钢制成。为了确保轴向轴承元件的可操作性，其上侧以及对应的相对圆盘的上侧必须被抛光。该元件的表面9由例如Bingen的Balzers Verschleiβschutz GmbH以商品名称
Figure A200780015551D00082
出售的PVD硬质材料层10涂覆。在启动进入操作状态和从操作状态停下的过程中，两个轴承盘相接触，这导致滑动摩擦。为了获得具有高粘接强度的涂层10，对元件表面9进行清洁预处理，以通过利用氩离子的离子刻蚀获得纯金属表面9。然后，为了磨损保护，涂覆“Me-C:H”型的硬金属-碳PVD层10。层厚大约为4μm。从而精确地复制了抛光后的表面光洁度。以相同的方式处理相对的圆盘。因此，利用分别具有不同摩擦特性的富含碳原子的相和富含金属原子的相的目的明确的布置，可控制磨损性能并使其适应环境条件。获得了对于0.01N的测量力具有1000HK硬度的层10。因此即使在真空条件下，也可获得在更高滑动速度下对粘附磨损的高耐磨性。在实验中，可形成完全无磨损。

Claims (10)

1.一种真空泵(1)，无润滑剂且包括吸入口(2)、排出口(3)和承载支撑在气体轴承(5)中的气体轴承转子(16)的轴(4)，其特征在于：至少面向轴(4)和/或面向气体轴承转子(16)的气体轴承表面(9)具有硬层(10)，该硬层(10)具有在0.5至30μm范围内的层厚，并且由在0.01N的测量力下具有至少1000HK的显微硬度的材料制成。
2.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：包括气体轴承定子元件(11)，该气体轴承定子元件(11)被设计为具有作为气体供应装置(12)和气体排出口(13)的入口通道和出口通道。
3.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：只有直接面向轴(4)的气体轴承定子元件(11)的部分支承硬层(10)。
4.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：硬层(10)的材料选自碳，或者金属钨、铬或钛的碳化物、氮化物或碳氮化物。
5.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：硬层(10)的层厚在整个层中的变化不超过10％。
6.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：硬层(10)的粗糙度Ra达到500nm，特别是达到100nm。
7.如权利要求1所述的真空泵(1)，其特征在于：硬层(10)的层厚在从1至5μm，特别是从1至2.5μm的范围内。
8.一种用于制备如权利要求1至7中的任意一项所述的真空泵(1)的气体轴承的方法，其中通过选自PVD、CVD、电解或者不带电原子或分子的注入中的涂覆方法来涂覆硬层(10)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：将等离子体支持的PVD或CVD方法用作涂覆方法。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：在涂覆操作之前的一个处理步骤中，用离子，特别是用氩离子蚀刻表面。
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