DE102013014068A1 - Sliding contact for high and ultra high vacuum applications - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitkontakt mit einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die Sie miteinander in Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können. Die in Kontakt stehenden Gleitflächen des Grundkörpers und des Gegenkörpers bestehen bei dem vorgeschlagenen Gleitkontakt aus voneinander verschiedenen Materialien, von denen ein erstes Material Wolfram, Rhenium oder Tantal und ein zweites Material Diamant ist. Der vorgeschlagene Gleitkontakt weist eine sehr geringe Reibung mit hoher Verschleißfestigkeit auf und ist insbesondere für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen geeignet.The present invention relates to a sliding contact with a base body and a counter body, each having at least one sliding surface over which they are in contact with each other and can slide by relative movement to each other. The contacting sliding surfaces of the main body and the counter body are in the proposed sliding contact of mutually different materials, of which a first material tungsten, rhenium or tantalum and a second material is diamond. The proposed sliding contact has a very low friction with high wear resistance and is particularly suitable for high and ultra-high vacuum applications under extreme environmental conditions.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitkontakt mit einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die sie miteinander in Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können.The present invention relates to a sliding contact with a base body and a counter-body, each having at least one sliding surface, over which they are in contact with each other and can slide by relative movement to each other.
Gleitkontakte sind in vielen technischen Bereichen erforderlich, wenn zwei in mechanischem Kontakt stehende Bauteile oder Bauteilkomponenten eine Relativbewegung zueinander ausführen. In der Regel sind hierbei Gleitkontakte mit sehr geringer Reibung ohne Stick-Slip Effekte und hoher Verschleißfestigkeit erwünscht, insbesondere für Positionieranwendungen im Hoch- und Ultrahochvakuum. Positionieranwendungen im Vakuum sind insbesondere für die Elektronikindustrie, bspw. zur Positionierung von Wafern, und die Raumfahrtindustrie von Bedeutung. So ist beispielsweise die Weiterentwicklung von leistungsstarken Satelliten stark von der Verfügbarkeit von wartungsfreien Materialien abhängig, die extremen Umweltbedingungen standhalten können, d. h. Strahlung, großen Temperaturbereichen, Ultrahochvakuum, usw. Durch die große Anzahl von komplexen Kontakten und Bewegungen der mechanischen Komponenten in Raumfahrzeugen ist die Lebensdauer von vielen Raumfahrzeugen durch die mechanischen Eigenschaften und die Gleiteigenschaften der verwendeten Materialien beschränkt. Ungünstige Reibungs- und Verschleißeigenschaften können zum Misserfolg der beweglichen Komponenten und anschließend zu erheblichen Beschädigungen des Raumfahrzeugs führen. Eine Reparatur ist bspw. bei Satelliten nahezu unmöglich, nachdem diese die Erde verlassen haben.Sliding contacts are required in many technical fields when two components in mechanical contact or component components make a relative movement to each other. In general, sliding contacts with very low friction without stick-slip effects and high wear resistance are generally desirable, especially for positioning applications in high and ultra-high vacuum. Vacuum positioning applications are particularly important for the electronics industry, for example for the positioning of wafers, and the aerospace industry. For example, the evolution of powerful satellites is heavily dependent on the availability of maintenance-free materials that can withstand extreme environmental conditions; H. Radiation, large temperature ranges, ultrahigh vacuum, etc. Due to the large number of complex contacts and movements of the mechanical components in spacecraft, the life of many spacecraft is limited by the mechanical properties and the sliding properties of the materials used. Unfavorable friction and wear properties can lead to the failure of the moving components and subsequently to significant damage to the spacecraft. A repair is, for example, almost impossible with satellites after they have left the earth.
Daher besteht ein starker Bedarf and der Entwicklung von Luftfahrtwerkstoffen oder Beschichtungen, die einerseits in der Lage sind, die Feuchtigkeitseinwirkung und die Schwingungen während des Starts zu überleben und andererseits auch über Milliarden von Zyklen in harten Umgebungen wirksam arbeiten können. So werden die Materialien in der Luft- und Raumfahrt aufgrund der Veränderungen mit der Höhe verschiedenen Luftfeuchtigkeiten und einem großen Temperaturbereich von bspw. –40 bis +300°C ausgesetzt. Darüber hinaus können planetare Explorationen auch durch Abrieb scheitern, der durch die Bombardierung mit Feinstaub (z. B. CO2-Partikel) verursacht werden kann.Therefore, there is a strong demand for the development of aerospace materials or coatings capable on the one hand of surviving the effects of moisture and vibrations during take-off and, on the other hand, of being able to effectively operate over billions of cycles in harsh environments. So the materials in the aerospace industry are exposed due to the changes with the height of different humidities and a wide temperature range of, for example. -40 to + 300 ° C. In addition, planetary exploration can also fail due to attrition, which can be caused by bombardment with particulate matter (eg, CO 2 particles).
Stand der TechnikState of the art
Bisher wurden mechanische Komponenten mit Gleitkontakten aufgrund der obigen Probleme in Hoch- und Ultrahochvakuumanlagen oder Raumfahrtzeugen möglichst vermieden. Für hochgenaue Positionierung werden in UHV-Anlagen (UHV: Ultrahochvakuum) daher weitestgehend Piezoaktoren oder auch mechanische Durchführungen verwendet. In manchen Fällen werden auch Festschmierstoffe eingesetzt. Diese Festschmierstoffe, wie bspw. MoS2, weisen positive tribologische Eigenschaften auf, sind aber zu weich, um Abrieb langfristig zu widerstehen, und arbeiten nicht in allen Umgebungen. Hartstoffschichten sind wiederum thermisch stabil, haben aber allgemein schlechte tribologische Eigenschaften, wie dies bspw. in
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleitkontakt mit sehr geringer Reibung und hoher Verschleißfestigkeit anzugeben, der sich auch für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen unter extremen Bedingungen eignet, wie sie bspw. bei Luft- und Raumfahrtanwendungen auftreten können.The object of the present invention is to provide a sliding contact with very low friction and high wear resistance, which is also suitable for high and ultra-high vacuum applications under extreme conditions, as they may occur, for example, in aerospace applications.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Gleitkontakt gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gleitkontaktes sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the sliding contact according to
Der vorgeschlagene Gleitkontakt besteht in bekannter Weise aus einem Grundkörper und einem Gegenkörper, die jeweils wenigstens eine Gleitfläche aufweisen, über die sie miteinander in mechanischem Kontakt sind und durch Relativbewegung aneinander gleiten können. Mit Grundkörper und Gegenkörper werden dabei die beiden aneinander gleitenden Bauteile oder Komponenten verstanden, unabhängig davon, ob sich nur eine der beiden Komponenten bewegt und die andere stationär ist oder sich beide Komponenten bewegen. Die in Kontakt stehenden Gleitflächen des Grundkörpers und des Gegenkörpers bestehen bei dem vorgeschlagenen Gleitkontakt aus unterschiedlichen bzw. voneinander verschiedenen Materialien. Die eine Gleitfläche wird dabei aus Wolfram, Rhenium oder Tantal als erstem Material gebildet, die mit dieser in Kontakt stehende zweite Gleitfläche aus Diamant als zweitem Material. Unter den Gleitflächen sind hierbei jeweils die Flächen am oder auf dem Grundkörper und Gegenkörper zu verstehen, die miteinander in mechanischem Kontakt stehen und bei der Relativbewegung aneinander gleiten.The proposed sliding contact consists in a known manner of a base body and a counter body, each having at least one sliding surface over which they are in mechanical contact with each other and can slide by relative movement to each other. The basic body and the counterpart body are understood to be the two components or components which slide against one another, regardless of whether only one of the two components is moving and the other is stationary or whether both components are moving. The sliding surfaces in contact of the main body and the counter body consist in the proposed sliding contact of different or mutually different materials. The one sliding surface is formed from tungsten, rhenium or tantalum as the first material, which is in contact with this second sliding surface made of diamond as the second material. In this case, the sliding surfaces are to be understood in each case as the surfaces on or on the base body and counter body, which are in mechanical contact with one another and slide against one another during the relative movement.
Bei der Entwicklung des vorgeschlagenen Gleitkontaktes wurde erkannt, dass die Tribosysteme Diamant-Wolfram, Diamant-Rhenium und Diamant-Tantal sehr niedrige Reibwerte und Verschleißraten im Ultrahochvakuum aufweisen. Aus ex situ Elementtiefenprofilen, die mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie von derartigen Gleitflächen von Grund- und Gegenkörper erzeugt wurden, ist ersichtlich, dass keine chemischen Wechselwirkungen bzw. Veränderungen zwischen den beteiligten Partnern durch den Reibvorgang auftreten und deswegen niedrige Reibwerte möglich sind. Damit werden durch die vorgeschlagenen Materialpaarungen Gleitkontakte im Vakuum mit einer Positioniergenauigkeit ermöglicht, die gegenüber anderen Lösungen deutlich erhöht ist. Der vorgeschlagene Gleitkontakt weist sehr geringe Reibkräfte (geringe Stick-Slip Effekte) und sehr geringe Verschleißraten der Gleitflächen auf. Der Gleitkontakt kann im Vakuum, Hochvakuum und Ultrahochvakuum uneingeschränkt eingesetzt werden und benötigt keinerlei zusätzliche Schmierstoffe. Die für die Gleitflächen eingesetzten Materialien weisen außerdem eine sehr geringe Anfälligkeit gegen Strahlungsschäden auf und sind hochtemperaturbeständig. During the development of the proposed sliding contact, it was recognized that the tribological systems diamond tungsten, diamond rhenium and diamond tantalum have very low coefficients of friction and wear rates in ultra-high vacuum. From ex situ element depth profiles, which were generated by means of X-ray photoelectron spectroscopy of such sliding surfaces of the base and counter-body, it is evident that no chemical interactions or changes between the partners involved by the rubbing process occur and therefore low coefficients of friction are possible. This sliding contacts are made possible in a vacuum with a positioning accuracy by the proposed material pairings, which is significantly increased compared to other solutions. The proposed sliding contact has very low frictional forces (low stick-slip effects) and very low wear rates of the sliding surfaces. The sliding contact can be used without restriction in vacuum, high vacuum and ultrahigh vacuum and requires no additional lubricants. The materials used for the sliding surfaces also have a very low susceptibility to radiation damage and are resistant to high temperatures.
Das vorgeschlagene Tribosystem des Gleitkontaktes kann entweder aus Vollmaterial oder auch als Schicht hergestellt werden. Auch eine Kombination aus Schicht auf der einen und Vollmaterial auf der Gegenseite ist möglich. So kann in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Gleitkontaktes wenigstens eine der Gleitflächen durch die Oberfläche oder einen Oberflächenbereich des Grundkörpers oder des Gegenkörpers gebildet sein, wobei der Grundkörper bzw. Gegenkörper dann vollständig aus dem ersten oder dem zweiten Material besteht.The proposed tribosystem of the sliding contact can be made either of solid material or as a layer. A combination of layer on one side and solid material on the opposite side is also possible. Thus, in one embodiment of the proposed sliding contact, at least one of the sliding surfaces may be formed by the surface or a surface region of the main body or of the counter body, wherein the main body or counter body then consists entirely of the first or the second material.
In einer anderen Ausgestaltung ist wenigstens eine der Gleitflächen durch eine Beschichtung der Oberfläche oder eines Oberflächenbereiches des Grundkörpers oder des Gegenkörpers gebildet, wobei die Beschichtung dann aus dem ersten oder zweiten Material besteht, der Grundkörper oder Gegenkörper jedoch aus einem anderen Material gebildet sein kann.In another embodiment, at least one of the sliding surfaces is formed by a coating of the surface or a surface region of the main body or of the counter body, wherein the coating then consists of the first or second material, but the main body or counter body may be formed of a different material.
Bei beiden Ausgestaltungen kann der jeweils andere Körper dann ebenfalls vollständig aus dem jeweils anderen Material gebildet sein oder mit diesem Material beschichtet sein.In both embodiments, the respective other body can then also be formed completely from the respective other material or be coated with this material.
Grundkörper und Gegenkörper können beim vorgeschlagenen Verfahren jeweils lediglich eine Gleitfläche oder auch mehrere Gleitflächen aufweisen. Hierbei können lokal mehrere kleinere Gleitflächen am einen Körper auf eine größere Gleitfläche des anderen Körpers treffen. Auch mehrere Gleitflächen des einen Körpers können zu mehreren Gleitflächen des anderen Körpers korrespondieren.In the proposed method, the base body and the counterpart body can each have only one sliding surface or even a plurality of sliding surfaces. In this case, locally several smaller sliding surfaces on one body can hit a larger sliding surface of the other body. Also, a plurality of sliding surfaces of one body may correspond to a plurality of sliding surfaces of the other body.
So können in einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Gleitkontakts die Gleitflächen des einen Körpers durch voneinander beabstandete Diamantpartikel gebildet sein, die dann entweder auf eine größere zusammenhängende Gleitfläche am anderen Körper treffen oder auf entsprechend kleinere zu den Diamantpartikeln korrespondierende Gleitflächen am anderen Körper.Thus, in a further embodiment of the proposed sliding contact, the sliding surfaces of a body may be formed by diamond particles spaced apart, which then either hit a larger continuous sliding surface on the other body or correspondingly smaller sliding surfaces on the other body corresponding to the diamond particles.
Das erste und/oder das zweite Material liegen vorzugsweise in polykristalliner Form im Gleitkontakt vor. So können die Gleitflächen in dieser Ausgestaltung bspw. aus polykristallinem Wolfram und aus polykristallinem Diamant gebildet sein.The first and / or the second material are preferably in polycrystalline form in sliding contact. Thus, the sliding surfaces in this embodiment, for example, be formed of polycrystalline tungsten and polycrystalline diamond.
Der vorgeschlagene Gleitkontakt kann in vielen technischen Anwendungen, bspw. in der Elektronikindustrie, bei der Chipherstellung, bei der Herstellung von MEMS- oder NEMS-Bauteilen oder in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. So ermöglicht der Gleitkontakt mit dem vorgeschlagenen Tribosystem die Erhöhung der Dauerhaltbarkeit von NEMS/MEMS, Chips und Raumfahrtkomponenten, wie bspw. Schwungrädern, Gyroskopen, Solarzellen, Antennen-Laufwerken, Sensor-Pointing Mechanismen, Getrieben, Pumpen, Scan-Geräten, Sensoren, Aktoren oder Schlössern und Verriegelungen. Durch die hohe Härte der beteiligten Materialien ist es möglich, ein breites Spektrum von Pressungen, bspw. von ca. 100 bis 1010 Pa, und Gleitgeschwindigkeiten, bspw. von ca. 0 bis 20 m/s, abzudecken, die in der Regel bei derartigen Komponenten auftreten.The proposed sliding contact can be used in many technical applications, for example in the electronics industry, in chip manufacture, in the production of MEMS or NEMS components or in the aerospace industry. Thus, sliding contact with the proposed tribology system allows increasing the durability of NEMS / MEMS, chips and aerospace components, such as flywheels, gyroscopes, solar cells, antenna drives, sensor-pointing mechanisms, gears, pumps, scanners, sensors, actuators or locks and locks. Due to the high hardness of the materials involved, it is possible to cover a wide range of pressures, for example. From about 100 to 1010 Pa, and sliding speeds, for example. From about 0 to 20 m / s, which are usually in such Components occur.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Der vorgeschlagene Gleitkontakt wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:The proposed sliding contact will be described in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwenden das Tribosystem Wolfram-Diamant für die Gleitkontakte, das besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der geringen Reibung und hohen Verschleißfestigkeit unter extremen Umgebungsbedingungen aufweist.The following embodiments use the tribosystem tungsten diamond for the sliding contacts, the particularly advantageous Low friction and high wear resistance characteristics in extreme environmental conditions.
Diese geringen Reibwerte lassen sich darauf zurückführen, dass zwischen Diamant und Wolfram keine chemischen Wechselwirkungen bzw. Veränderungen durch den Reibvorgang auftreten. Die Ursache auf molekularer Ebene für diese geringen Veränderungen können durch MD-Simulationen (MD: Molekulardynamik) von Diamant gegen Wolfram beschrieben werden, die unter Benutzung realistischer W-H-C Potenziale durchgeführt wurden. Die
Abhängig vom Substratmaterial können diese Beschichtungen mit verschiedenen PVD- oder CVD-Depositionsverfahren hergestellt werden. Die Dicke der Schichten kann mit dem entsprechenden System beschränkt variiert werden und bspw. im Bereich von 10 nm bis 40 μm liegen. Bei dem Beispiel der
Auch im Beispiel der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- oberes Substratupper substrate
- 22
- unteres Substratlower substrate
- 33
- Wolframschichttungsten layer
- 44
- Diamantschichtdiamond layer
- 55
- Diamantpartikeldiamond particles
- 66
- Gleitrichtungsliding
- 77
- untere Komponentelower component
- 88th
- obere Komponenteupper component
- 99
- Fretting-RichtungFretting direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- RR Chromik et al., „In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings”, Wear 2007, 262, Seiten 1239 bis 1252 [0004] RR Chromik et al., "In situ tribometry of solid lubricant nanocomposite coatings", Wear 2007, 262, pages 1239 to 1252 [0004]
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DE (1) | DE102013014068A1 (en) |
Citations (7)
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