DE10126937C2 - Mechanical seal with an oxide-nitride composite layer - Google Patents
Mechanical seal with an oxide-nitride composite layerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung für die Laufwerke von Gleiskettenfahrzeugen und Baumaschinen mit Gleitringen aus Eisenbasiswerkstoffen, die nach einem der bekannten Verfahren nitriert oder nitrocarburiert sind, wobei die Gleitringe aus einem Eisenbasiswerkstoff bestehen.The invention relates to a mechanical seal for the drives of Caterpillars and construction machines with slide rings made of iron-based materials, which are nitrided or nitrocarburized by one of the known processes, the Slide rings are made of an iron-based material.
Unter den thermochemischen Behandlungsverfahren wird das Nitrieren bzw. Nitrocarburieren von Bauteilen seit langem weltweit industriell eingesetzt, weil hiermit eine wirksame Verbesserung der Randschichteigenschaften hinsichtlich des Verschleiß-, Korrosions- und Dauerschwingfestigkeitsverhaltens erreicht werden kann. Die Hauptanwendungsgebiete in Fahrzeugen liegen dabei in Bereichen, in denen Bauteile hohen Gleitbeanspruchungen unterworfen sind, wie z. B. Stirnräder, Getriebewellen oder Gleitringdichtungen.Nitriding or Nitrocarburizing of components has long been used industrially worldwide because of this an effective improvement of the surface properties with regard to the Wear, corrosion and fatigue behavior can be achieved. The main areas of application in vehicles are in areas in which Components are subject to high sliding stresses, such as. B. spur gears, Gear shafts or mechanical seals.
Beim Nitrieren bzw. Nitrocarburieren dringt der Kohlenstoff bzw. Stickstoff in die Oberfläche der Bauteile ein, so dass es zu Wechselwirkungen mit den Versetzungen kommt und damit zu einer Veränderung der Werkstoffeigenschaften. Der gelöste wie auch der ausgeschiedene Stickstoff bzw. Kohlenstoff erhöhen die Härte, und zwar um so mehr, je größer der Anteil an nitridbildenden Legierungselementen im Bauteil ist. Dabei können Nitridschichten grundsätzlich in zwei Schichtbereiche eingeteilt werden, in eine an der Oberfläche befindliche Verbindungsschicht und in eine unter der Oberfläche befindliche Ausscheidungsschicht.When nitriding or nitrocarburizing, the carbon or nitrogen penetrates into the Surface of the components so that there are interactions with the dislocations comes and thus to a change in the material properties. The solved like the nitrogen or carbon that is excreted increases the hardness, too the greater the proportion of nitride-forming alloy elements in the component. Nitride layers can basically be divided into two layers, in a connection layer on the surface and in a under the Excretion layer on the surface.
Durch die betriebsbedingten Beanspruchungen und den dabei auftretenden Verschmutzungen sind Gleitringdichtungen einem starken abrasiven Verschleiß und einer hohen korrosiven Belastung ausgesetzt. Bedingt durch Umgebungseinflüsse, wie Schwitzwasser u. ä., kann es nach Ruhephasen zu einem Festfressen zwischen den Gleitpartnern kommen und die Funktion der Dichtung wird nachteilig beeinflusst. Due to the operational stresses and the occurring Contaminants are mechanical seals with a strong abrasive wear and tear exposed to a high corrosive load. Due to environmental influences, such as Condensation and Ä., After periods of rest, there can be a seizure between the Sliding partners come and the function of the seal is adversely affected.
Aufgrund dieser Nachteile wird in der US 4,881,983 ein allgemeines Verfahren vorgeschlagen, dass zur Erhöhung des korrosiven Widerstandes von Stahlwerkstoffen führt. Bei diesem Verfahren wird auf die Nitrierschicht eine Oxidschicht aufgebracht, die eine Dicke von 0,2 µm bis 1,0 µm besitzt und die vornehmlich aus Fe3O4 gebildet ist. Nachträglich wird die Oxidschicht einer Endbearbeitung unterzogen, ohne die Dichtheit der Oxidschicht zu beeinflussen. Die Nachbehandlung ist kostenintensiv und damit nachteilig, da sie einen weiteren Verfahrensschritt bedingt.Because of these disadvantages, a general method is proposed in US 4,881,983 that leads to an increase in the corrosive resistance of steel materials. In this method, an oxide layer is applied to the nitriding layer, which has a thickness of 0.2 µm to 1.0 µm and which is primarily formed from Fe 3 O 4 . The oxide layer is subsequently subjected to a finishing process without influencing the tightness of the oxide layer. The aftertreatment is costly and therefore disadvantageous because it requires a further process step.
Die Anmeldung bezieht sich allgemein auf Bauteile aus Stahl, Guss- oder niedriglegierte Eisenbasis-Werkstoffe werden nicht explizit genannt. Die sehr geringe Dicke lässt den Einsatz in Gleitringen oder in Bauteilen, die einer Gleitreibung unterworfen sind, kaum zu, da die Oxidschicht sehr schnell abgenutzt wäre und so die Einlaufphase nicht überstehen würde.The application relates generally to components made of steel, cast or low-alloy iron-based materials are not explicitly mentioned. The very minor Thickness can be used in sliding rings or in components with sliding friction are subject to, hardly, since the oxide layer would wear out very quickly and so Would not survive the warm-up phase.
Das Aufbringen einer Oxidschicht auf eine nitrierte Eisenlegierung zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit mit gleichzeitig dekorativem Aussehen der Oberflächen und einer günstigen Voraussetzung für die Aufnahme von Schmiermitteln wird in der DD 119 822 beschrieben. Hierbei handelt es sich allgemein um Eisen und Eisenlegierungen insbesondere für Zerspanungswerkzeuge, die nitriert und anschließend in einem sauerstoffhaltigen Medium oxidiert werden, so dass sich eine für Zerspanungswerkzeuge günstige etwa 5 µm starke oxidische Deckschicht ausbildet. Diese 5 µm starken Deckschichten sind aber für Bauteile, die einer Gleitreibung unterliegen, ungeeignet, da sich hierin Risse bilden können. Dabei werden vorzugsweise einphasige, oxidische Deckschichten der Form Fe3O4 gebildet. Auch die Verbindungsschichten werden einphasig ausgebildet und liegen beispielsweise als Fe2-3N Schichten vor. Die Ausbildung von mehrphasigen oxidischen Deckschichten oder Verbindungsschichten ist dabei nicht vorgesehen und kann der Schrift nicht entnommen werden.DD 119 822 describes the application of an oxide layer on a nitrided iron alloy to improve the corrosion resistance with a decorative appearance of the surfaces and a favorable prerequisite for the absorption of lubricants. These are generally iron and iron alloys, in particular for cutting tools, which are nitrided and then oxidized in an oxygen-containing medium, so that an approximately 5 μm thick oxide covering layer which is favorable for cutting tools is formed. However, these 5 µm thick cover layers are unsuitable for components that are subject to sliding friction, since cracks can form here. Single-phase, oxide cover layers of the form Fe 3 O 4 are preferably formed. The connecting layers are also formed in a single phase and are present, for example, as Fe 2-3 N layers. The formation of multiphase oxide cover layers or connecting layers is not provided and cannot be found in the document.
Die DE 195 25 862 A1 offenbart eine Gleitringdichtung für Gleiskettenfahrzeugen mit Gleitringen aus Eisenbasiswerkstoffen die nach einem bekannten Verfahren nitriert oder nitrocarburiert sind. Eine Verbindungsschicht ist nicht offenbart. DE 195 25 862 A1 discloses a mechanical seal for caterpillar vehicles Sliding rings made of iron-based materials which are nitrided or are nitrocarburized. A tie layer is not disclosed.
Eine allgemeine Beschreibung eines Verfahrens zur Erzeugung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf Eisenbasiswerkstoffen, bei dem oberflächennahe Bereiche mit Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff angereichert werden, ist in der DE 195 25 182 C2 beschrieben. Die hierin aufgeführten Verfahrensschritte gliedern sich in ein Nitrocarburieren des Eisenbasiswerkstoffes zur Bildung einer aus Eisenkarbonnitriden bestehenden Verbindungsschicht, einem Aktivieren der Oberfläche des Werkstoffs in einem plasmagestützten Unterdruckverfahren und einem Oxidieren des Werkstoffs zur Bildung einer geschlossenen Oxidschicht. Ein Hinweis darauf, dass dieses Verfahren für Bauteile in Gleiskettenfahrzeugen oder Baumaschinen, insbesondere in Laufwerken eingesetzt werden soll, ist der Schrift nicht zu entnehmen.A general description of a method of generating corrosion and Wear protection layers on iron-based materials, in the near-surface Areas enriched with nitrogen, carbon and oxygen are described in DE 195 25 182 C2 described. The process steps listed here are divided into nitrocarburizing the iron base material to form one Iron carbon nitride existing connection layer, activating the surface of the material in a plasma-assisted vacuum process and an oxidation of the material to form a closed oxide layer. An indication that this procedure for components in caterpillars or construction machinery, The document is not to be found in particular in drives.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den beschriebenen Stand der Technik zu erweitern und eine Gleitringdichtung zu entwickeln, die einen verminderten Reibkoeffizienten zu den metallischen Gegenpartnern und einen deutlich höheren Korrosionswiderstand besitzt.The invention is therefore based on the object, the described state of the To expand technology and to develop a mechanical seal that reduces one Coefficient of friction to the metallic counterpart and a significantly higher one Has corrosion resistance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.This object is achieved by the features of Solved claim 1, advantageous developments of the invention are in the Sub-claims documented.
Der erfindungsgemäße Gedanke löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die erzeugte Nitrit- oder Carbonnitritschicht aus einer Ausscheidungsschicht und einer Verbindungsschicht besteht und dass auf die Nitrit- oder Carbonnitritschicht der Gleitringe eine Oxidschicht aufgebracht ist. Die dabei zur Erzeugung der Ausscheidungs- und Verbindungsschicht eingesetzten Nitrierverfahren sind vornehmlich das Gas-Normaldruck- und Plasma-Unterdruck-Verfahren.The idea according to the invention solves the problem in that the generated one Nitrite or carbon nitride layer consisting of a precipitation layer and one Connection layer exists and that on the nitrite or carbon nitride layer Sliding rings an oxide layer is applied. The process of generating the Precipitation and connection layer are used nitriding processes primarily the gas normal pressure and plasma negative pressure process.
Hierbei bildet sich in dem niedriglegierten Werkstoff unterhalb der Oberfläche eine Ausscheidungsschicht, die aus einem oder beiden der Elemente Stickstoff und Kohlenstoff gebildet ist und in der Ausscheidungen als Fe4N und/oder Sondernitride vorliegen. A precipitate layer is formed in the low-alloy material below the surface, which is formed from one or both of the elements nitrogen and carbon and in which precipitates are present as Fe 4 N and / or special nitrides.
An der Oberfläche ist über der Ausscheidungsschicht eine mehrphasige, verschleißbeständige Verbindungsschicht angeordnet, wobei die Dicke der Verbindungsschicht zwischen 30 µm und 1000 µm liegen kann. In den Versuchen hat sich eine Schichtdicke von 200-500 µm als vorteilhaft erwiesen. Durch die in den Werkstoff eingebrachten Elemente: Stickstoff und Kohlenstoff bildet sich an der Oberfläche des Werkstoffs eine mehrphasige Verbindungsschicht aus, in der die Elemente als Verbindungen aus Eisennitriden oder Eisenkarbonnitriden enthalten sind. Vorzugsweise liegen die Elemente als Fe2-3N und/oder Fe2-3NC und/oder Fe4N und/oder Fe4NC und/oder als Sondernitrid oder Sonderkarbonnitrid, wie beispielsweise CrN oder CrCN, vor.A multi-phase, wear-resistant connection layer is arranged on the surface above the precipitation layer, the thickness of the connection layer being between 30 μm and 1000 μm. In the experiments, a layer thickness of 200-500 µm has proven to be advantageous. Due to the elements introduced into the material: nitrogen and carbon, a multiphase compound layer forms on the surface of the material, in which the elements are contained as compounds made of iron nitrides or iron carbonitrides. The elements are preferably in the form of Fe 2-3 N and / or Fe 2-3 NC and / or Fe 4 N and / or Fe 4 NC and / or as special nitride or special carbon nitride, such as CrN or CrCN.
Die Gleitringe besitzen als äußere, das Laufverhalten positiv beeinflussende Schicht eine Oxidschicht. Die Oxidschicht, die mit einer Dicke von 1-4 µm vorliegt ist aus 2- und 3-wertigen Eisenoxiden der Form Hämatit und Magnetit gebildet.The sliding rings have an outer layer that has a positive influence on running behavior an oxide layer. The oxide layer, which is 1-4 µm thick, consists of 2- and trivalent iron oxides in the form of hematite and magnetite.
Durch das Vorhandensein der Oxidschicht auf den Gleitringen der Gleitringdichtung werden Korrosionsbeständigkeit und Laufverhalten wesentlich verbessert. So führt die Oxidschicht zu einer Verminderung des Reibkoeffizienten und wirkt somit während der Gleitbewegung quasi als Gleitmittel, so dass die harten Nitride die Oberflächen der Gleitpartner, insbesondere in der Einlaufphase, nicht beschädigen können.Due to the presence of the oxide layer on the mechanical seals of the mechanical seal corrosion resistance and running behavior are significantly improved. So she leads Oxide layer to reduce the coefficient of friction and thus acts during the Sliding movement quasi as a lubricant, so that the hard nitrides cover the surfaces of the Cannot damage sliding partners, especially in the running-in phase.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der mehrphasigen Oxidschicht ist die deutliche Erhöhung des Widerstandes des Werkstoffs gegen korrosive Medien, wie beispielsweise Chloride und Sulfide, und Säuren.Another significant advantage of the multiphase oxide layer is the clear one Increasing the resistance of the material to corrosive media, such as for example chlorides and sulfides, and acids.
Darüber hinaus zeichnet sich der mit einem Oxid-Nitrid-Schichtverbund versehene Gleitring durch eine deutlich erhöhte Randschichthärte, gegenüber nicht nitrierten Oberflächen, aus, was wiederum den Vorteil bietet, dass zumindest bis zum Abrieb der Ausscheidungsschicht auf der Gleitfläche eine erhöhte Verschleißbeständigkeit besteht. So werden bei unbehandelten Oberflächen Härten von 610 bis 650 HV erreicht, wohingegen in behandelten Oberflächen Randschichthärten von über 900 HV erzielt werden. Die Erhöhung der Härte läßt ebenso eine Erhöhung der Lebensdauer erwarten, so dass die Produktqualität gesteigert wird.In addition, the one with an oxide-nitride layer composite stands out Sliding ring due to a significantly increased surface hardness compared to non-nitrided Surfaces, which in turn offers the advantage that at least until the abrasion Precipitation layer on the sliding surface has increased wear resistance. In this way, hardnesses of 610 to 650 HV can be achieved with untreated surfaces, whereas surface hardnesses of over 900 HV are achieved in treated surfaces become. The increase in hardness also suggests an increase in the service life, so that the product quality is increased.
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