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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines tribologisch belasteten Bauteils, welches zumindest teilweise aus zumindest einem keramischen Werkstoff besteht. Tribologisch belastete Bauteile der eingangs genannten Art können beispielsweise Gleitlager oder Gleitringdichtungen sein.
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Aus der
DE 1 982 171 U1 ist eine Gleitringdichtung aus einem keramischen Werkstoff bekannt. Diese dient zur Abdichtung einer rotierenden Welle einer Kreiselpumpe. Durch den Einsatz der Gleitringdichtung soll das Austreten des Fördermediums aus der Pumpenkammer vermieden werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Keramiken in aggressiven Umgebungen hohen korrosiven Belastungen ausgesetzt sind. Die Korrosion führt zu einer Aufrauhung der Dichtflächen, wodurch die Dichtwirkung und das Reibverhalten negativ beeinflusst werden. Ein fortgesetzter korrosiver Angriff führt schließlich zum Versagen der Gleitringdichtung.
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Y. Meng, B. H. Hu und Q. Chang: Control of local friction of metal/ceramic contacts in aqueous solutions with an electrochemical method, Wear, Vol. 260 (2006) 305–309 beschreibt den Einfluss eines elektrochemischen Potentials auf die Reibung und das Verschleißverhalten einer Reibpaarung von Kupfer und Siliciumnitrid. Die Autoren beobachten jedoch bei Anlegen eines elektrischen Potentials mittels einer externen Spannungsquelle einen Anstieg des Reibungskoeffizienten und einen erhöhten Verschleiß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine verlängerte Einsatzdauer eines tribologisch belasteten Bauteils ermöglicht. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das Reibverhalten eines tribologisch belasteten Bauteils zu optimieren.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Beeinflussen des elektrochemischen Potentials an einem tribologisch belasteten Bauteil das Reibverhalten und das Verschleißverhalten beeinflusst werden kann. Das Beeinflussen des elektrochemischen Potentials kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Potentials an zumindest einen Teil des tribologisch belasteten Bauteils und/oder zumindest eine Elektrode erfolgen Auf diese Weise kann durch Anlegen eines elektrischen Potentials das Einlaufverhalten, das Langzeitverhalten und das Laufverhalten in Phasen extremer Belastung gezielt eingestellt werden. Hierdurch kann die Lebensdauer keramischer Komponenten durch Reduktion der Tribokorrosion wesentlich erhöht werden. Das Verfahren kann an allen tribologisch belasteten Bauteilen eingesetzt werden, welche zumindest teilweise aus zumindest einem keramischen Werkstoff bestehen. Die tribologisch belasteten Bauteile können beispielsweise Wälzlager, Gleitlager oder Gleitringdichtungen umfassen. Die keramischen Werkstoffe können oxidische und nicht-oxidische Strukturkeramiken enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Al2O3, ZrO2, SiC, TiN, MoS2 und/oder Si3N4. Die keramischen Werkstoffe können in einigen Ausführungsformen der Erfindung unvermeidbare Verunreinigungen enthalten, welche während des Herstellungsverfahrens in das Material eingebracht werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist der keramische Werkstoff eine elektrische Leitfähigkeit auf. In einigen Ausführungsformen kann der spezifische Widerstand des Werkstoffes von 102 Ω·cm bis 105 Ω·cm reichen. Die elektrische Leitfähigkeit kann beispielsweise durch Dotierstoffe eingestellt werden, welche dem keramischen Werkstoff gezielt zugefügt werden. Auf diese Weise kann das Reibungs- und Verschleißverhalten des tribologisch belasteten Bauteiles auch über die Leitfähigkeit des Werkstoffes beeinflusst werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels einer Spannungsquelle eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und dem Bauteil aufrechterhalten wird, welche kleiner ist als das Korrosionspotential. Das Korrosionspotential ist dabei dasjenige Potential, bei welchem der Stromfluss aus der Spannungsquelle zwischen der ersten Elektrode und dem Bauteil minimal ist. Unter diesen Bedingungen hat sich überraschend gezeigt, dass sowohl das Reibverhalten als auch der Verschleiß des tribologisch belasteten Bauteils optimiert ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine zweite Elektrode vorgesehen sein, welche zur Erfassung eines Ist-Wertes des elektrochemischen Potentials dient. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Vorrichtung ausgeführt werden, welche in ihrem wesentlichen Aufbau einer elektrochemischen Dreielektrodenmessanordnung entspricht.
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Das flüssige Medium, in welches das tribologisch belastete Bauteil zumindest teilweise eintaucht, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine ionische Flüssigkeit oder ein Schmierstoff mit elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das flüssige Medium eine verdünnte Säure oder eine verdünnte Lauge enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das flüssige Medium eine Salzlösung enthalten. Sofern das tribologisch belastete Bauteil Teil einer Pumpe ist, kann das flüssige Medium zumindest teilweise durch das Fördermedium bzw. das zu fördernde Fluid gebildet sein. In diesem Fall kann das Pumpengehäuse bzw. die im Pumpengehäuse angeordneten Fluidkanäle als Einrichtung zur Aufnahme des flüssigen Mediums ausgestaltet sein, so dass die erfindungsgemäße Beaufschlagung mit einem elektrischen Potential in besonders einfacher Weise in einer an sich bekannten Pumpe integriert werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 das tribologische Prüfprinzip, anhand dessen die Wirkungsweise der Erfindung demonstriert wird.
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2 zeigt die wesentlichen Komponenten der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes.
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3 zeigt Messkurven, anhand derer das Korrosionspotential ermittelt werden kann.
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4 zeigt den Reibungskoeffizient eines tribologisch belasteten Bauteils in Abhängigkeit des elektrochemischen Potentials.
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5 zeigt das Verschleißverhalten eines tribologisch belasteten Bauteils in Abhängigkeit des elektrochemischen Potentials.
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Die nachfolgende Beschreibung ist so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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1 zeigt das tribologische Prüfprinzip, anhand dessen die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert wird. Gemäß 1 wird das tribologische Verhalten eines Stiftes 20 untersucht, welcher unter einer vorgebbaren axialen Kraft auf einer Scheibe 10 abläuft. Der Stift 20 befindet sich dazu ortsfest in einer Halterung 21. Der Stift 20 kann lösbar mit der Halterung 21 verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Relativbewegung zwischen dem Stift 20 und der Scheibe 10 durch Rotation der Scheibe 10 ermöglicht. Hierzu ist die Scheibe 10 mit einem Schaft 12 verbunden, welcher mittels eines nicht dargestellten Antriebes in Rotation versetzt wird. Durch die Rotation der Scheibe 10 relativ zum Stift 20 entsteht auf der Unterseite der Scheibe 10 eine Laufspur 11.
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Die Scheibe 10 und der Stift 20 bilden in der dargestellten Ausführungsform ein Beispiel eines tribologisch belasteten Bauteils 1. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das tribologisch belastete Bauteil 1 auch andere geometrische Ausgestaltungen annehmen und beispielsweise die geometrische Form eines an sich bekannten Wälzlagers, eines Gleitlagers oder einer Gleitringdichtung annehmen.
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Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zum Betrieb des tribologisch belasteten Bauteils 1 wird dieses in eine Einrichtung 30 zur Aufnahme eines flüssigen Mediums 31 eingebracht. In der einfachsten, in 1 dargestellten Ausführungsform, ist die Einrichtung 30 ein oben offener Behälter, welcher durch die obere Öffnung mit dem flüssigen Medium 31, dem tribologisch belasteten Bauteil 1 und weiteren, anhand von 2 näher erläuterten Elektroden befüllt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung 30 das Gehäuse einer Maschine bzw. eines Gerätes sein, bzw. ein Teil eines solchen Gehäuses. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung 30 zumindest einen Teil eines Pumpengehäuses darstellen, wobei das flüssige Medium 31 das mit der Pumpe zu fördernde Fluid enthält oder daraus besteht. In diesem Fall kann das tribologisch belastete Bauteil 1 eine Gleitringdichtung, ein Gleitlager und/oder ein Wälzlager sein, welches ein mit dem Fluid in Kontakt stehendes rotierendes Bauteil dichtet oder lagert.
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Das flüssige Medium 31 kann eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise kann das flüssige Medium 31 eine ionische Flüssigkeit sein, eine Salzlösung, eine verdünnte Säure, eine verdünnte Lauge oder ein Gemisch der genannten Flüssigkeiten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das flüssige Medium 31 ein Öl oder ein Fett enthalten oder daraus bestehen.
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Die Reibpartner 20 und 10 enthalten zumindest einen keramischen Werkstoff. Der keramische Werkstoff kann eine oxidische Strukturkeramik sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Werkstoff eine nicht-oxidische Strukturkeramik sein. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstoff Al2O3, ZrO2, TiN, MoS2, SiC und/oder Si3N4 enthalten. Um einen durch das angelegte Potential hervorgerufenen Stromfluss über das tribologisch belastete Bauteil zu ermöglichen, kann dieses in einigen Ausführungsformen einen spezifischen Widerstand von 102 Ω·cm bis 105 Ω·cm aufweisen.
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Der Betrieb des tribologisch belasteten Bauteils 1 wird anhand der 2 erläutert. In 2 ist schematisch ein tribologisch belastetes Bauteil 1 dargestellt, welches in einer Einrichtung 30 in einem flüssigen Medium 31 angeordnet ist.
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Weiterhin befindet sich in der Einrichtung 30 eine Elektrode 2. Die Elektrode 2 kann als Gegenelektrode aus einem Platin-haltigen Werkstoff hergestellt sein. Zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens, d. h. des Reibungskoeffizienten und des Verschleißverhaltens, des tribologisch belasteten Bauteils 1 ist die erste Elektrode 2 mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle 43 verbunden und das Bauteil 1 mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle 43. In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Kontaktierung an einem feststehenden Teil des Bauteiles 1. Auf diese Weise bildet sich zwischen dem Bauteil 1 und der ersten Elektrode 2 ein elektrisches Feld in dem flüssigen Medium 31 aus. Der zwischen dem Bauteil 1 und der ersten Elektrode 2 durch das flüssige Medium 31 fließende Strom kann mittels einer Messeinrichtung 42 bestimmt werden. Die Spannungsquelle 43 kann eine umpolbare Spannungsquelle enthalten, so dass der erste Pol, welcher mit der ersten Elektrode 2 verbunden ist, fallweise ein Plus-Pol oder ein Minus-Pol sein kann und der zweite Pol, welcher mit dem Bauteil 1 verbunden ist, fallweise ein Minus-Pol oder ein Plus-Pol sein kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Spannungsquelle 43 eine Spannung mit einem Betrag zwischen 0 Volt und 2 Volt bereitstellen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann in der Einrichtung 30 bzw. in dem flüssigen Medium 31 eine zweite Elektrode 3 angeordnet sein. Die zweite Elektrode 3 kann als Referenzelektrode verwendet werden. Sie kann dazu eine an sich bekannte Ag/AgCl-Elektrode sein. Sofern eine zweite Elektrode 3 verwendet wird, kann das tribologisch belastete Bauteil 1, die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 3, die Einrichtung 30 und das flüssige Medium 31 einen Aufbau bilden, welcher einer elektrochemischen Dreielektrodenmessanordnung ähnlich ist. Mittels der zweiten Elektrode 3 und einem Messgerät 41 kann eine elektrische Spannung gemessen werden. Der auf diese Weise gemessene Wert kann als elektrochemisches Potential bezeichnet werden oder das elektrochemische Potential repräsentieren.
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Die Spannungsquelle 43, das Strommessgerät 42 und das Spannungsmessgerät 41 können in einem Potentiostat 40 zusammengefasst sein. Der Potentiostat 40 kann weitere, nicht gezeigte Einrichtungen enthalten, beispielsweise eine Benutzerschnittstelle, mittels welcher ein gewünschter Wert für einen Strom oder eine elektrische Spannung einstellbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann im Potentiostat 40 weiterhin eine Regeleinrichtung vorhanden sein, um eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom auf einen vorgebbaren Sollwert zu regeln. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Potentiostat 40 eine Einrichtung zur Ermittlung des Korrosionspotentials oder eine Einrichtung zur automatisierten Ermittlung eines Sollwertes aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Potentiostat 40 eine Schnittstelle zu einem Computer 50 aufweisen. Der Computer 50 kann zur Regelung des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung verwendet werden, zur Aufzeichnung gemessener Strom- oder Spannungswerte und/oder zur Archivierung der so erhaltenen Daten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Computer 50 eine Software zur Ermittlung des Korrosionspotentials oder eine Software zur automatisierten Ermittlung eines Sollwertes für den Strom und/oder die anzulegende Spannung ausführen.
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Die 3 bis 5 zeigen Messergebnisse, welche mit dem anhand von 1 und 2 beschriebenen Aufbau erhalten wurden. Dabei wurden als Reibpartner ein Stift 20 und eine Scheibe 10 aus festphasengesintertem Siliciumcarbid verwendet, welches mit Aluminium dotiert war. Das flüssige Medium 31 enthielt eine 3,5-%ige Lösung aus NaCl.
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3 stellt in Kurve A den zwischen dem Stift 20 und der Scheibe 10 gemessenen Reibungskoeffizient auf der rechten Ordinate dar. Auf der linken Ordinate ist der jeweilige Messwert der Kurve B aufgetragen, welcher die gemessene Stromdichte repräsentiert. Auf der Abszisse ist das mittels der Spannungsquelle 43 angelegte und mit der Messeinrichtung 41 bestimmte Potential aufgetragen.
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3 zeigt, dass das Anlegen einer geringen elektrischen Spannung zunächst eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten verursacht. Wenn der Betrag der elektrischen Spannung steigt, bleibt der Reibungskoeffizient zunächst konstant, während die gemessene Stromdichte sinkt. Bei etwa 216,5 mV zeigt die gemessene Stromdichte ein Minimum. Bei weiterer Erhöhung des Betrages des Potentials steigt die Stromdichte B wieder an. Die Stelle des Minimums der Stromdichte B wird in der vorliegenden Beschreibung als Korrosionspotential bezeichnet. Das Korrosionspotential kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung von der Zusammensetzung des flüssigen Mediums 31 und/oder vom verwendeten Material des Stiftes 20 und/oder vom verwendeten Material der Scheibe 10 abhängen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Reibungskoeffizient unter den spannungslosen Ausgangswert sinkt, wenn das elektrochemische Potential niedriger ist als das Korrosionspotential. Auf diese Weise kann durch das Anlegen eines elektrischen Potentials die Reibung vermindert oder auch erhöht werden.
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4 zeigt den gemessenen Reibungskoeffizient auf der Ordinate gegenüber der Zeit auf der Abszisse. Dargestellt sind vier unterschiedliche Kurvenverläufe für vier unterschiedliche Potentiale. Dabei zeigt die Kurve A den Reibungskoeffizient für ein elektrochemisches Potential von +300 mV. Kurve B repräsentiert die Messwerte, welche bei einem elektrochemischen Potential von –300 mV erhalten wurden. Kurve C zeigt den Reibungskoeffizient, wenn ein elektrochemisches Potential in Höhe des Korrosionspotentials angelegt wurde. Kurve D repräsentiert schließlich Messwerte, welche bei ausgeschaltetem Potentiostat 40 erhalten wurden.
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Nach 4 zeigt der Reibungskoeffizient ein mittleres Niveau von etwa 0,06 sowohl ohne angelegte Spannung als auch bei einer angelegten Spannung, welche dem Korrosionspotential entspricht. In diesem Fall hat die angelegte Spannung nahezu keinen Einfluss auf das Reibverhalten.
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Sofern ein elektrisches Potential angelegt wird, welches ein elektrochemisches Potential bewirkt, welches niedriger ist als das Korrosionspotential, ergibt sich eine substantielle Verringerung des Reibungskoeffizienten auf etwa 0,03. Durch Vergrößern des elektrischen Potentials kann der Reibungskoeffizient bis auf 0,16 ansteigen. 4 zeigt, dass die gemessenen Reibungskoeffizienten nach wenigen Minuten auf einem nahezu konstanten Wert verharren. Nach etwa 10 Minuten wurden die angelegten Spannungen abgeschaltet. Dadurch konvergiert der Reibungskoeffizient sehr rasch auf einen Wert von etwa 0,1. Dieser Wert ist unabhängig davon, welches elektroische Potential vor dem Abschalten der Spannung angelegt war. 4 zeigt somit, dass das Reibverhalten eines tribologisch belasteten Bauteils durch das angelegte elektrische Potential beeinflusst werden kann. Somit wird es erstmals möglich, das Einlaufverhalten, das Langzeitverhalten und das Laufverhalten in Phasen extremer Belastung gezielt zu beeinflussen. Hierdurch kann die Lebensdauer tribologisch belasteter Bauteile aus einem keramischen Werkstoff oder das Verhalten eines das Bauteil enthaltenden Gerätes in einfacher Weise beeinflusst werden.
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5 zeigt den Flächenverschleiß anhand der Balken A auf der linken Ordinate und die Verschleißtiefe anhand der Messwerte B auf der rechten Ordinate. Auf der Abszisse sind unterschiedliche elektrochemische Potentiale von –300 mV bis +300 mV aufgetragen.
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5 illustriert, dass der Flächenverschleiß und die Verschließtiefe bei einem Potential, welches in etwa dem Korrosionspotential entspricht, maximal ist. Durch Anlegen eines größeren Potentials steigt zwar der Reibungskoeffizient, wie anhand von 4 bereits erläutert, jedoch sinkt sowohl der Flächenverschleiß als auch die Verschleißtiefe substantiell ab. Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass bei einem elektrochemischen Potential, welches niedriger ist als das Korrosionspotential, der Flächenverschleiß und die Verschleißtiefe sehr stark reduziert wird. Somit beruht die Verringerung des Reibungskoeffizienten, welche in 4, Kurve B dargestellt ist, nicht auf einer elektrochemischen Zersetzung des tribologisch belasteten Bauteils an der Kontaktfläche. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 2 und dem Bauteil 1, welche ein elektrochemisches Potential bewirkt, welches kleiner ist als das Korrosionspotential, kann somit sowohl das Laufverhalten als auch die Lebensdauer der Reibpaarung günstig beeinflusst werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit tribologisch belastete Bauteile erhalten werden, welche höhere Einsatzzeiten und Leistungen erreichen. Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Einsatzsicherheit steigen.
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Selbstverständlich können die dargestellten Ausführungsbeispiele verändert werden, um auf diese Weise weitere, unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten.
