DE19519468B4

DE19519468B4 - Tauchlager zur Verwendung sowohl in Flüssigkeit als auch in gasförmiger Atmosphäre

Info

Publication number: DE19519468B4
Application number: DE19519468A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Takayama
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: JPH0841483A; KR100471662B1; DE19519468A1; KR950032008A; JP3378404B2; US5792717A

Abstract

Tauchlager zur Verwendung sowohl in Flüssigkeit als auch in gasförmiger Atmosphäre, wobei das Tauchlager folgendes aufweist:
einen sich drehenden Teil aus einer zementierten, harten Legierung erhalten durch Inkorporation von Bindemetallen, ausgewählt aus Fe, Ni, Co, Ti, Cr und Mo, in Pulvern von Karbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden der Elemente der Gruppen IV, V und VI des Periodensystems; und
einen stationären Teil aus einem Gleitmaterial, wobei das Gleitmaterial folgendes aufweist:
einen gesinterten offenporigen porösen Keramikkörper, wobei das poröse Keramikkörpermaterial aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titankarbid, Titannitrid, Bornitrid, Borkarbid oder Mischungen von zwei oder mehr dieser Verbindungen besteht, wobei das Volumen der offenen Poren im porösen Keramikkörper zwischen 5 und 30 % ist; und
ein wasserabsorbierendes Harz, das die offenen Poren füllt, zum Schmieren einer Oberfläche des porösen Keramikkörpers, wobei das wasserabsorbierende Harz ausgewählt ist aus Stärken, Zellulosen und synthetischen Polymeren, und zwar letztere ausgewählt aus Polyacrylaten, Polyvinylalkoholen,...

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Tauchlager mit einem stationären Teil aus einem keramischen Gleitmaterial, das herausragende Gleiteigenschaften besitzt, und zwar nicht nur in Wasser, sondern auch in gasförmiger Atmosphäre. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Tauchlager, die erfolgreich verwendet werden in einer breiten Vielzahl von Pumpen, einschließlich vertikalen Axialstrompumpen, vertikalen Mischstrompumpen, vertikalen Zentrifugalpumpen, horizontalen Axialstrompumpen, horizontalen Mischstrompumpen und horizontalen Zentrifugalpumpen, wobei die Tauchlager beim Starten der Pumpe oder zum Ende ihres Betriebs hin einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt sind, aber während Stetigzustands- oder Dauerbetriebs in Wasser untergetaucht sind.

Materialien zur Verwendung in Gleitkontakt mit anderen Materialien müssen Gesamtgleiteigenschaften besitzen, die notwendig sind, um eine zufriedenstellende Gleitwirkung zu gewährleisten und die nicht nur eine Selbstschmierungseigenschaft und Abnutzungswiderstand umfassen, sondern auch dem zugehörigen bzw. zusammmenpassenden Material keinen Schaden zufügen, eine geringe Wärmeerzeugung aufweisen und bruchfest sind. Lager, die bei Leistungsübertragungsystemen verwendet werden, sind ein typisches Beispiel von gleitenden Teilen, die beabsichtigt sind zur Verwendung unter Gleitbedingungen und daher diese allgemeinen Gleiteigenschaften besitzen müssen. Insbesondere wird erwartet, daß Tauchlager in Pumpen, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Bewässerung und Entwässerung in der Landwirtschaft und Abpumpen von Regenwasser und Abwasser in Städten, eine viel höhere Korrosions- und Abnutzungsbeständigkeit besitzen, da die Gleitflächen unter derart ungünstigen Bedingungen verwendet werden, daß diese Lager fließenden Strömungsmitteln, gelegentlich korrodierenden Strömungsmitteln oder Aufschlämmungen ausgesetzt sind, die hartes Festmaterial enthalten.

Eine Klasse von Pumpen, die heute eine übliche Verwendung finden, sind Vertikalpumpen. Während Vertikalpumpen Axialstrom-, Mischstrom- und Zentrifugaltypen umfassen, haben sie das gemeinsame Merkmal, daß sie ein stationäres, wasserleitendes Teil und ein drehendes Teil aufweisen. Das drehende Teil oder der Rotor beginnt sich zu drehen, wenn es bzw. er von einem Motor angetrieben wird, der nahe dem oberen Ende der Pumpe eingebaut ist, und die Lager, die oberhalb des Impellers positioniert sind, tragen die radiale Last oder Belastung des Rotors mittels der Hülse, die über letzteren gepaßt ist. Einige dieser Lager sind während des Startens der Pumpe oder zum Ende ihres Betriebs hin oberhalb des äußeren Wasserniveaus angeordnet und werden mit dem umgebenden Wasser nicht in Kontakt kommen. In anderen Worten sind gewisse Lager einer gasförmigen Atmosphäre beim Starten der Pumpe und zum Ende ihres Betriebs hin ausgesetzt (einem Betrieb unter trockenen Bedingungen), aber während eines Stetigzustandsbetriebs bzw. Dauerbetriebs in Wasser untergetaucht.

Wenn die Lager, die in Vertikalpumpen verwendet werden, im zu pumpenden Wasser untergetaucht sind, arbeitet das Wasser an sich als ein Schmiermittel und irgendwelche festen oder flüssigen Schmiermittel werden nicht benötigt. Es ist jedoch wichtig zu gewährleisten, daß die Lager dauerhaft die beabsichtigte Gleitwirkung zeigen können, während sie bei Betrieb unter trockenen Bedingungen einer Gasatmosphäre ausgesetzt sind.

Gleitmaterialien, die herkömmlicherweise in Tauchlagern verwendet wurden, umfassen Gummis (zum Beispiel NMR oder Nitrilbutadien-Gummi), Metalle (zum Beispiel Messing) und Harze (zum Beispiel Teflon). Gummis zeigen extrem konsistente bzw. dauerhafte Gleiteigenschaften, wenn sie in Frischwasser oder unter Schmierung mit Wasser oder Ölen in Frischwasser verwendet werden. Jedoch ist das größte Problem bei Gummis, daß sie, wenn sie in einer gasförmigen Atmosphäre und ohne Schmierung verwendet werden, an den gleitenden Teilen intensive Wärme erzeugen und in kurzer Zeit beschädigt werden, so daß sie nicht mehr als Gleitglieder wirksam sind. Daher werden beim Starten oder am Ende des Betriebs der Pumpen, die Gummi als Konstruktionsmaterial der Tauchlager verwenden, welche entweder im Wasser oder in gasförmiger Atmosphäre verwendet werden, Schmieröle an die Gummi-Gleitteile geliefert oder es wird Wasser zu den Gummigleitteilen eingespritzt von separat vorgesehenen Schmiermittelversorgungseinheiten, um die Gleitteile zu schützen, die der gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt sind. Ein Problem dieses Ansatzes liegt darin, daß, wenn die Pumpe sehr groß ist mit einer Schaft- oder Wellenlänge, die sich über mehrere -zig Meter erstreckt, viele Lager verwendet werden müssen, und die Notwendigkeit, eine Schmiermittelversorgungseinheit für jedes Lager einzubauen, erhöht die Bau- oder Ausrüstungskosten beträchtlich.

Metalle, wie beispielsweise Messing, besitzen keine selbstschmierenden Eigenschaften und sind nicht in der Lage, unter trockenen Bedingungen einen Gleitvorgang auszuhalten.

Andererseits besitzen Harze gute Selbstschmierungseigenschaften und haben den Vorteil, daß sie in Anwendungen verwendet werden können, die ein Korrosionsproblem bei Metallen verursachen, wie beispielsweise in sauren oder basischen Umgebungen. Jedoch besitzen Harze einen schweren Fehler, indem sie bei Verwendung in Aufschlämmungen, die harte, feste Materie enthält, Abnutzung ausgesetzt sind unter der abradierenden bzw. abschleifenden Wirkung der Materie.

Keramiken besitzen allgemein eine große Härte und Kompressionsfestigkeit, sind gute elektrische Isolatoren und sind beständig gegenüber elektro-chemischer Korrosion. Wegen dieser Vorteile waren Keramiken Gegenstand intensiver Studien in den letzten Jahren, wie in JP 87/27382 A gelehrt wird. Andererseits besitzen Keramiken hohe Reibungskoeffizienten und schlechte Selbstschmierungseigenschaften und um sie als Gleitmaterialien zu verwenden, werden sie mit hochgradig viskosen Ölen geschmiert oder mit festen Schmiermitteln (zu einem Komposit oder Verbund) zusammengesetzt. JP 83/161982 A hat vorgeschlagen, Fluorpolymere mit Keramiken zu verbinden; JP 82/118080 A hat vorgeschlagen, poröse Keramikkörper mit Tetrafluorethylen- oder Chlortrifluorethylenharzen oder Mischungen daraus mit Molybdän-II-Sulfid, Wolfram-II-Sulfid, Molybdänselenid oder Wolframselenid zu imprägnieren; und JP 86/281086 A hat Gleitmaterialien vorgeschlagen, wobei Öle von Fluorverbindungen, wie beispielsweise Fluorethylen und Fluorsilikon, in offene Poren von porösen Keramikkörpern imprägniert bzw. eindringen gelassen wurden. Diese Vorschläge werden sich jedoch in dem Fall nicht als sehr wirksam erweisen, in dem ein Starten und Abschalten einer Pumpe zyklisch wiederholt wird, weil die imprägnierten Harze oder Öle sich von den Keramiken lösen oder trennen, und die anfänglichen Gleiteigenschaften der letzteren können für eine längere Zeitperiode nicht beibehalten werden. Daher wird erwartet, daß Lager, die poröse Keramikkörper aufweisen, welche mit Harzen oder Ölen imprägniert sind, während Gleitens unter trockenen Bedingungen nicht zufriedenstellend arbeiten.

DE 34 35 821 A1 offenbart eine Kombination aus Gleitgliedern, die sowohl unter trockenen (ohne Schmierung) als auch nassen (mit Schmierung) Zuständen betrieben werden kann und folgendes aufweist: ein erstes Glied, hergestellt aus einem Keramikmaterial, und ein zweites Glied, hergestellt aus einem Hartmetall, welches mindestens 75 Gew.-% zementiertes Karbid enthält. Diese Kombination is zur Verwendung als ein Lagermittel in einer Pumpe sowohl der Bauart mit vertikaler Welle als auch der Bauart mit geneigter Welle geeignet, um so eine Betätigung des Motors im trockenen Zustand zu gestatten, und um sodann die Fortsetzung des Betriebs der Pumpe mit Schmierung zu ermöglichen, und zwar mit einer Schmierung, die durch einen Teil der gepumpten Flüssigkeit vorgesehen wird.

Hinsichtlich des Standes der Technik wird ferner auf die JP 60-146,916 A2 aus der gleichen Patentfamilie wie die oben genannte DE 34 35 821 verwiesen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Lager mit derart guten Selbstschmierungseigenschaften vorzusehen, daß es bei Verwendung der Lager in Pumpen nicht notwendig ist, getrennte Schmiermitteiversorgungseinheiten einzubauen, wie sie bisher verwendet wurden, um Schmiermittelöle an keramische Gleitteile zu liefern oder Wasser in keramische Gleitteile einzuspritzen, um die Gleitteile zu schützen, wenn sie beim Starten einer Pumpe oder zum Ende ihres Betriebs hin einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt werden. Insbesondere sollen Tauchlager vorgesehen werden, die eine dauerhafte Gleiteigenschaft besitzen, und zwar nicht nur in Frischwasser, sondern auch in anderen Strömungsmitteln oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Seewasser und Flußwasser, das Sand und andere harte, feste Materie enthält, und die zufriedenstellend arbeiten, selbst wenn sie einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Tauchlager sollen erfolgreich als Tauchlager für verschiedene Arten von Pumpen verwendet werden können, welche zum Behandeln nicht nur von Frischwasser, sondern auch von Aufschlämmungen oder anderen Strömungsmitteln beabsichtigt sind. Die in Betracht gezogenen Pumpen umfassen vertikale Axialstrompumpen, vertikale Mischstrompumpen, vertikale Zentrifugalpumpen, horizontale Axialstrompumpen, horizontale Mischstrompumpen und horizontale Zentrifugalpumpen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Studien durchgeführt, um die Ziele der Erfindung zu erreichen, und haben herausgefunden, daß poröse Keramikkörper, die mit einem stark wasserabsorbierenden Harz in offenen Poren gefüllt waren, die inhärent gewünschten Eigenschaften des Keramikmaterals beibehielten, wie beispielsweise hohe Abnutzungs- und Korrosionsbeständigkeit, wobei diese Eigenschaften kombiniert wurden mit der Fähigkeit des stark wasserabsorbierenden Harzes, große Mengen von Wasser zu absorbieren und zu halten, wodurch gewährleistet wird, daß die Keramikkörper eine herausragende Selbstschmierungseigenschft zeigen würden, selbst wenn sie gasförmigen Atmosphären ausgesetzt werden.

Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Tauchlager zur Verwendung sowohl in flüssigen als auch in gasförmigen Atmosphären, wobei das Tauchlager die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorzugsweise besitzt das wasserabsorbierende Harz die Fähigkeit, etwa 1000 Gramm Wasser pro Gramm Eigengewicht zu absorbieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch die Struktur des Gleitmaterials, das in dem Tauchlager der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

2 ist eine schematische Ansicht einer vertikalen Axialstrompumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Lager ausgestattet ist;

3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Seite des Lagerteils von 2 in Vergrößerung zeigt;

4 zeigt schematisch den Gleittester, der in Beispiel 1 verwendet wird;

5 zeigt die Vertiefung, die gebildet wurde beim Berechnen des Belastungsintensitätsfaktors; und

6 ist ein Graph oder ein Diagramm, das die empirisch gemessene Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren in zwei porösen Keramikkörpern und ihren Belastungsintensitätsfaktoren zeigt.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird nun in Einzelheiten beschrieben.

Keramikpulver werden bei der Erfindung als Ausgangsmaterial für die porösen Keramikkörper verwendet, und die Keramiken besitzen vorzugsweise die höchstmögliche Härte, um einen zufriedenstellenden Abnutzungswiderstand zu gewährleisten. Während es verschiedene Arten von Keramikmaterialien gibt, einschließlich derer, die auf Metallen basieren, müssen sie gewisse Eigenschaften besitzen, um als Gleitmaterialien verwendet zu werden, und unter diesen Erfordernissen sind große Härte, hoher Widerstand bezüglich Benutzung und Festfressen, ausreichend niedrige Reibungskoeffizienten, um die zugehörigen bzw. zusammenpassenden Glieder nur wenig abzunutzen, hohe Festigkeit und hohe thermische Schlagfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und ausreichend kleine spezifische Gewichte, um die Zentrifugalbelastung zu vermindern.

Keramikmaterialien, die diese Erfordernisse erfüllen, sind Siliciumkarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titancarbid, Titannitrid, Bornitrid, Borkarbid und Mischungen von zwei oder mehr dieser Verbindungen. Bevorzugte Beispiele sind Siliciumkarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid, Borkarbid und Mischungen aus zwei oder mehr dieser Verbindungen. Wenn die Partikelgröße der Keramikpulver ansteigt, nimmt die mechanische Festigkeit der gesinterten Körper ab; um die Verwendung als Gleitmaterialien zu gewährleisten, wird daher bevorzugt, Keramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von nicht mehr als 10 μm zu verwenden.

Die Keramikpulver werden durch herkömmliche Techniken geformt, wie beispielsweise Spritzguß, Schlickerguß, Extrudieren, Heißwalzen und HIP, und werden dann gesintert, um Keramikkörper zu erzeugen. Wahlweise können Sinterhilfen, Bindemittel und andere Zusatzstoffe oder Additive in angemessenen Mengen zugefügt werden. Das Sintern kann auch durchgeführt werden durch herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Reaktionssintern, normales Sintern und Drucksintern. Um poröse Keramikkörper herzustellen, die offene Poren besitzen, in die stark wasserabsorbierende Harze zu einem späteren Zeitpunkt imprägniert werden bzw. eindringen können, sollte die Feinheit und Partikelgröße der Keramikpulver sowie die Menge der Binderzugabe im Verhältnis zu den Keramikpulvern, sowie die Sintertemperatur angepaßt bzw. eingestellt werden. Ein weiteres wirksames Verfahren ist es, Keramikpulver in Schäume, wie beispielsweise Urethanschäume, zu imprägnieren bzw. eindringen zu lassen und dann die Anordnung zu sintern.

Wenn das Volumen der offenen Poren in den porösen Keramikkörpern übermäßig hoch ist, werden die Gleitmaterialien, die durch Füllen der Poren mit stark wasserabsorbierenden Harzen konstruiert werden, eine unpraktisch niedrige mechanische Festigkeit besitzen. Um dieses Problem zu vermeiden, soll das Volumen der offenen Poren in den Keramikkörpern 30 % nicht überschreiten. Wenn das Volumen der offenen Poren andererseits niedriger als 5 ist, wird das Laden oder Eindringen der stark wasserabsorbierenden Harze in die offenen Poren abnehmen, was es erschwert, daß die Oberfläche der Keramikkörper die beabsichtigte Schmierung durch die Kombination der Wasser- oder Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit der stark wasserabsorbierenden Harze und ihrer Wasserhaltefähigkeit vollständig erreicht. Um dieses Problem zu vermeiden, soll das Volumen der offenen Poren der Keramikkörper nicht geringer als 5 % sein.

Wenn die Tauchlager in Pumpen, welche beabsichtigt sind für die Handhabung von Aufschlämmungen, wie beispielsweise Flußwasser, das harten Sand enthält, aus dem harzimprägnierten Gleitmaterial gemäß der Erfindung zusammengesetzt bzw. aufgebaut sind, ist das Volumen der offenen Poren in den Keramikkörpern vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 %. Aus den Daten von Beispiel 2, welches später in dieser Beschreibung beschrieben wird, ist ersichtlich, daß ein hoher Belastungsintensitätsfaktor und daher eine hohe Zähigkeit gewährleistet ist, wenn das Volumen der offenen Poren innerhalb des genannten Bereichs liegt.

Die so hergestellten, porösen Keramikkörper werden nachfolgend mit stark wasserabsorbierenden Harzen gefüllt. Es wird angenommen, daß stark wasserabsorbierende Harze ihre Wasserabsorptionswirkung durch die Wechselwirkung von zwei Effekten zeigen, wobei einer das Ausbreiten von Molekularketten in Polymerelektrolyten auf Grund des Abstoßens von Carboxyl-Ionen innerhalb des Wassers ist und wobei der andere die Einschränkung solcher Ausbreitung durch Vernetzungspunkte ist. Stark wasserabsorbierende Harze, die üblicherweise als "Super-Rbsorptionsmittel" bezeichnet werden, sind im allgemeinen in der Lage, Wasser in einer Menge von mindestens 100-mal ihrem Eigengewicht zu absorbieren. Bei Berücksichtigung der Tatsache, daß Harze, die sich auf Kapillarwirkung verlassen für eine interstitielle Wasserabsorption, nicht mehr ungefähr 20- bis 30-mal ihr Eigengewicht an Wasser absorbieren können, ist leicht ersichtlich, daß stark wasserabsorbierende Harze eine überraschend große Fähigkeit der Wasserabsorption besitzen.

Stark wasserabsorbierende Harze "Atmen" auch durch Absorbieren von Feuchtigkeit unter feuchten Bedingungen und durch Freigeben von Feuchtigkeit unter trockenen Bedingungen. Ein weiteres Merkmal der stark wasserabsorbierenden Harze ist ihre Fähigkeit, Wasser unter Druck zurückzuhalten; sobald es von den Harzen absorbiert ist, wird der größere Teil des Wassers zurückgehalten, selbst wenn Druck auf die Harze ausgeübt wird.

Die stark wasserabsorbierenden Harze können anhand des Ausgangsmaterials klassifiziert werden in Stärken (Graft- oder Pfropfpolymere und carboxymethylierte Stärken), Zellulosen (Graftpolymerere und Carboxymethylzellulose (CMC)), synthetische Polymere (Polyacrylate, Polyvinylalkohole, Polyacryalmide und Polyethylenoxide (PEO) etc.). Während die stark wasserabsorbierenden Harze typischerweise als weiße amorphe Pulverprodukte verkauft werden, sind sie auch in anderen Formen verfügbar, wie beispielsweise kugelförmige Körner (Perlen), Körnchen bzw. Granulat, kurze Fasern, lange Fasern, nicht-verwebte Stoffe bzw. Textilien und Filme.

Diese stark wasserabsorbierenden Harze werden Wasseer absorbieren in dem Moment, in dem sie Wasser ausgesetzt werden. CMC und ein unter dem Markennamen Poval^® vertriebener Polyvinylalkohol sind in der Lage, zwischen ungefähr 100 und ungefähr 400 g Wasser pro Gramm zu absorbieren und Poly(natriumacrylat)- und Stärke/Acrylsäure-Systeme werden bis zu 1000 g Wasser pro Gramm absorbieren.

Im Handel erhältliche, stark wasserabsorbierende Harze umfassen die Pulver von vernetzten Polyacrylaten, das Pulver von Isobutyren/Maleat-System, das Pulver von Stärke/Polyacrylat-System, das Pulver von PVA/Polyacrylsäure-System, hydrolysierte Acrylfasern, das Pulver von vernetztem PVA und die Fasern von vernetztem CMC.

Eine Vielzahl von neuen Verwendungen für stark wasserabsorbierende Harze wurde in letzter Zeit vorgeschlagen, und zwar einschließlich Anwendungen als Sanitärprodukte (zum Beispiel Papier-Windeln und Lätzchen), als Gartenbauprodukte, wie beispielsweise als Bodenwasserhalteeinrichtungen und Saatüberzugsmittel, als Bau- und Konstruktionsmaterialien, wie beispielsweise Dichtmittel und Kondensationsverhinderungsmittel, in der Lebensmittelindustrie als Frischhalte-Verpackungsmaterialien und Kälteisolatoren, als medizinische Einrichtungen, wie beispielsweise Kontaktlinsen und thrombolytische Materialien, und als elektrische oder elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Feuchtigkeitssensoren und medizinische Elektroden. Jedoch gab es keine Berichte, die vorschlagen, Gleitmaterialien mit stark wasserabsorbierenden Harzen zu verbinden bzw. zusammenzusetzen.

Das Gleitmaterial des Tauchlagers der Erfindung ist gekennzeichnet durch Füllen der offenen Poren in dem porösen Keramikkörper mit stark wasserabsorbierenden Harz. Wenn der harzimprägnierte Keramikkörper als gleitendes Teil von Lagern in einer Vertikalpumpe verwendet wird, gibt es keinen Bedarf zum Einspritzen von Wasser vor dem Starten der Pumpe zum Drehen der Drehwelle und doch absorbiert das Harz in dem Keramikkörper den Wasserdampf in der umgebenden feuchten Luft und hält diesen zurück, um dadurch eine zufriedenstellende Leistung oder Eigenschaft des gleitenden Teils zu gewährleisten. Beim Abschalten der Pumpe und einem weiteren Start ist auch kein Bedarf für eine zusätzliche Wasserversorgung vorhanden und das Wasser, das nicht nur auf der Oberfläche des Harzes, sondern auch in seinem Inneren zurückgehalten wurde, wird gestatten, daß das gleitende Teil eine gleichbleibende Leistung zeigt.

Verschiedene Arten von stark wasserabsorbierenden Harzen können für die Keramikgleitmaterialien verwendet werden, um eine konsistente oder dauerhafte Leistung nicht nur in Flüssigkeiten, sondern auch in Gasen, typischerweise in einer Luftatmosphäre, wie es bei Vertikalpumpen häufig der Fall ist, zu zeigen. Es werden jedoch synthetische Polymere bevorzugt, und die am meisten bevorzugten synthetischen Polymere sind Polyacrylate und Polyethylenoxide. Wenn diese Harze in poröse Keramikkörper eingebracht bzw. geladen oder eindringen gelassen werden, gewährleistet ihre große Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit, daß Wasserdampf und Taukondensation in der Luftatmosphäre wirksam auf den Harzen adsorbiert wird. Zusätzlich besitzen diese Harze eine ausgeprägte Fähigkeit, Wasser unter Druck zurückzuhalten und daher können Keramikmaterialien, die mit diesen Harzen gefüllt sind, erfolgreich verwendet werden zum Konstruieren von Tauchlagern in Vertikalpumpen.

Die stark wasserabsorbierenden Harze, die vorteilhafterweise als Imprägniermittel in porösen Keramikkörpern verwendet werden, sind beispielsweise leicht vernetzte Copolymere von Acrylsäure und Natriumacrylat und sind in verschiedenen Graden oder Klassen verfügbar, beispielsweise mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 300-450 μm oder 200-300 μm. Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel sind vernetzte Polyacrylate, die in verschiedenen Graden oder Klassen verfügbar sind, beispielsweise mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 20-30 μm, 150-300 μm, 300-500 μm, 100-300 μm, 50-250 μm, 350-450 μm oder 250-350 μm, die alle weiße Pulver sind.

Wenn die offenen Poren in den porösen Keramikkörpern mit stark absorbierenden Harzen gefüllt werden, wird bevorzugt, daß eine große Überdeckung durch die Harze bzw. ein möglichst vollständiges Eindringen erreicht wird. Dazu kann eines der folgenden zwei Verfahren verwendet werden: i) die Harzpartikel werden einem Lösungsmittel dispergiert bzw. verteilt, um eine Suspension zu zubereiten, die in die offenen Poren in dem Keramikkörper unter Druck eingeführt bzw. imprägniert wird; oder ii) der poröse Keramikkörper wird in das Harz eingetaucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert hat, und es wird ein Vakuum gezogen, um das Harz in die offenen Poren in dem Keramikkörper eindringen zu lassen oder zu imprägnieren. Nach dem Imprägnierungsschritt wird der Keramikkörper auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, um das Lösungsmittel oder das Wasser durch Verdampfung zu entfernen. Die Imprägnierung und der Erwärmungsprozeß können entweder einmal oder eine Vielzahl von Malen durchgeführt werden.

Das Gleitmaterial der Erfindung besitzt eine mikroskopische Struktur, wie sie in 1 gezeigt ist. Sie weist ein poröses Keramikmaterial 1 auf, das offene Poren oder Leerstellen 2 besitzt, die mit einem stark wasserabsorbierenden Harz 3 gefüllt sind.

Da sie gute elektrische Isolatoren sind, besitzen Keramiken einen hohen Widerstand gegen elektro-chemische Korrosion, die durch das Erzeugen von örtlichen oder lokalen Zellen oder einem Kontakt mit unähnlichen Materialien erzeugt wird. Um ein leichtes Ersetzen der Lagerglieder bei der Verwendung in Pumpen zu gewährleisten, welche laufendes Wasser handhaben, das sehr harte, feste Materie enthält, wie beispielsweise Sand enthaltendes Flußwasser, werden gemäß der Erfindung die stationären Glieder aus dem keramischen Gleitmaterial aufgebaut, wogegen die drehenden oder Drehglieder aus einer zementierten, harten Legierung aufgebaut sind.

Zementierte, harte Legierungen sind solche Materialien, die Bindemetalle (zum Beispiel Fe, Ni, Co, Ti, Cr und Mo) besitzen, die in die Pulver von Carbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden der Elemente der Gruppen IV, V und VI des Periodensystems, wie beispielsweise Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Th, aufgenommen bzw. inkorporiert sind. Bevorzugte Beispiele sind solche, die Wolframcarbide (WC und W₂C), vorzugsweise in Mengen von ungefähr 40-95 Gew.% enthalten. Bevorzugte Bindemittel sind Ni, Co und Ti.

Zementierte harte Legierungen werden allgemein in Formen verarbeitet durch Sintern von Mischungen der oben angegebenen Pulver bei erhöhten Temperaturen. Der drehende Teil des erfindungsgemäßen Tauchlagers kann auch dadurch hergestellt werden, daß ein Glied aus rostfreiem Stahl oder einem anderen Metall mit einer Schicht aus zementierter harter Legierung überzogen wird, die durch Pulverplasmatransferbogenschweißen (PTA) in einer Dicke von 1-2 mm darauf abgelagert wird.

2 ist eine schematische Ansicht einer vertikalen Axialstrompumpe, die mit dem Lager der Erfindung ausgestattet ist. Bezugszeichen 1 bezieht sich auf das Außenseitenwasserniveau, unterhalb von dem ein Laufrad oder Impeller 102 angeordnet ist. Wenn ein Antriebsmotor 103 zu laufen beginnt, wird seine Drehung über eine Wellenkupplung 104, Wellen 105A und 105B und eine da zwischenliegende Wellen- bzw. Zwischen-Wellenkupplung 106 übertragen, um das Laufrad bzw. den Impeller 102 anzutreiben. Das zu pumpende Strömungsmittel wird durch eine Saugglocke 107 eingezogen, durch eine Ablaßschüssel 108 und aufgehängte Gehäuse 109 und 110 geleitet, um durch einen Auslaßkrümmer 111 abgelassen zu werden. Ein oberes Tauchlager 112 ist durch eine Wellenabstützung 114 getragen, wogegen ein unteres Tauchlager 113 von einer Rippe 115 getragen wird.

3 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Seite des in 2 gezeigten Lagerteils in Vergrößerung zeigt. Die Welle 105B ist kombiniert mit einer Hülse 116 aus zementierter harter Legierung, wobei die Hülse an seinem Umfang mittels (nicht gezeigter) Befestigungsschrauben fest angebracht ist. Das Lager 112 ist an einem Gehäuse 114 durch Schrumpfpassung gesichert oder befestigt und an der Wellenabstützung 114 befestigt. Ein Sichern oder Befestigen des Lagers 112 auf dem Gehäuse 117 durch Schrumpfpassen bietet den Vorteil, daß gewährleistet wird, daß die Starrheit des Keramikkörpers unter Last ausreichend erhöht wird, um ihn gegen Versagen auf Grund von Deformation zu schützen.

Der Lagerring braucht kein massives zylindrisches Glied zu sein, sondern kann aus zwei oder mehreren zylindrischen Segmenten bestehen, die aus dem Gleitmaterial des Tauchlagers der Erfindung bestehen und die an dem Gehäuse befestigt sind, wie in JP 85/30822 A gelehrt wird. Da diese Konstruktion einen vergleichsweisen breiten Zwischenraum auf der lateralen Seite jedes Segments vorsieht, wird jegliches Fremdmaterial in dem Strömungsmittel, das gepumpt wird, axial durch diese Zwischenräume strömen, um dadurch eine noch konsistentere oder dauerhaftere Gleiteigenschaft zu gewährleisten, wenn Aufschlämmungen gepumpt werden, die harte, feste Materie enthalten.

Somit weist das Keramikgleitmaterial in dem Tauchlager der vorliegenden Erfindung einen Keramikkörper auf, dessen offene Poren mit dem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind, das Feuchtigkeit, wie beispielsweise Wasserdampf und Taukondensation, absorbiert, wenn es in einer Luftatmosphäre ist, oder Wasser absorbiert, wenn es in Wasser eingetaucht ist. Da die absorbierte Feuchtigkeit oder das absorbierte Wasser selbst unter Druck zurückgehalten wird, bleibt die Gleitoberfläche naß oder geschmiert, und zwar unabhängig davon, ob sie einer Luftatmosphäre oder Wasser ausgesetzt ist.

Zusätzlich ist das Gleitmaterial in dem Tauchlager der Erfindung höchst dauerhaft und geeignet zur Verwendung beim Pumpen von Aufschlämmungen, die harte, feste Materie enthalten, da die Oberflächenschicht durch das harte, feste Material nicht zerkratzt wird.

Verschiedene Beispiele der Erfindung werden beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Beispiel 1
Vier verschiedene Proben wurden zubereitet und gemessen hinsichtlich ihrer Reibungskoeffizienten, und zwar auf die folgende Weise.
Zubereitung der Proben
Die Proben 1 und 2 waren innerhalb des Bereichs der Erfindung, wohingegen die Proben 3 und 4 außerhalb des Bereichs der Erfindung waren.
Probe 1
Ein Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der offenen Poren in dem Sinterteil war 10 %. Das Sinterteil wurde dann in Polyacrylat eingetaucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert war; ein Vakuum wurde gezogen und eine Erwärmung durchgeführt, wodurch die offenen Poren in dem Sinterstück mit dem Harz gefüllt wurden. Die so zubereitete Probe wurde wie ein Lagerring geformt, der einen Innendurchmesser von 75 mm und eine Breite von 40 mm besaß.
Probe 2
Ein Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der offenen Poren in dem Sinterstück war 10 %. Das Sinterstück wurde dann in Polyacrylat eingetaucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert war, ein Vakuum wurde gezogen und eine Erwärmung durchgeführt, wodurch die offenen Poren in dem Sinterstück mit dem Harz gefüllt wurden. Die so zubereitete Probe besaß die gleiche Form und die gleichen Abnmessungen wie die Probe 1.
Probe 3
Ein Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröpe von 1 μm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphre gesintert. Das Volumen der Poren in dem Sinterstück war 0,5 %, aber es hatte keine offenen Poren. Die so zubereitete Probe besaß die gleiche Form und die gleichen Abmessungen die die Probe 1.
Probe 4
Ein Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 μm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der Poren in dem Sinterstück war 0,5 %, aber es hatte keine offenen Poren. Die so zubereitete Probe besaß die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die Probe 1.
Gleittests
Die Lagerproben 1-4 wurden Gleittests ausgesetzt zur Auswertung ihrer Eigenschaften beim Gleitkontakt mit einer Wellenhülse, die aus einer zementierten harten Legierung hergestellt war, welche aus 92 % WC und 8 % Co bestand.
(1) Gleitest 1
Die Wellenhülse wurde in Gleitkontakt mit jeder Lagerprobe gehalten, wie in 4 gezeigt ist. An der Welle 121 waren eine SUS 304-Hülse 122A und eine Hülse 122B aus zementierter harter Legierung fest mittels (nicht gezeigter) Befestigungsschrauben angebracht. Das Lager 123 war an dem Gehäuse 124 durch Schrumpfpassung befestigt und auch an der Wellenunterstützung 125 befestigt. Eine Gewichtsplatte 126 war derart angebracht, daß eine Unwucht oder Unausgeglichenheit erzeugt wurde, um eine radiale Last anzulegen. Ein (nicht gezeigeter) Motor wurde betrieben, um die Welle 121 zu drehen. Die Welle wurde mit drei unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten für 30 Minuten gedreht, und zwar bei 4,0 m/sec, 6,0 m/sec und 7,5 m/sec. Der Test wurde durchgeführt, während das gleitende Teil nur einer Luftatmosphäre ausgesetzt war (für die Proben 1 und 2) oder sowohl in frischem Wasser eingetaucht war als auch einer Luftatmosphäre ausgesetzt war (für die Proben 3 und 4).
Die auf das Lager ausgeübte Last besteht aus der Zentrifugalkraft auf Grund des unausgeglichenen Gewichts des Laufrads, der Zentrifugalkraft auf Grund einer Schwing- oder Wackelbewegung des Rotors und der sich nicht im Gleichgewicht befindlichen hydrodynamischen Kraft des Impellers oder Laufrads. Die zwei Zentrifugalkomponenten können berechnet werden, jedoch nicht die dritte Komponente. Daher wurde die axiale Schwingungswellenform signifikant reduziert, so daß die sich nicht im Gleichgewicht befindliche hydrodynamische Kraft des Laufrads vernachlässigbar klein würde, verglichen mit den Zentrifugalkräften, und die Summe der zwei Zentrifugalkräfte, eine auf Grund des unausgeglichenen Gewichts des Laufrads und die andere auf Grund des Wackelns oder Schwingens des Rotors, wurde als Lagerlast oder -belastung behandelt. Der Druck auf die Lagerfläche war 170 MPa bei einer Belastung bei maximaler Frequenz (maximale Hertz-Belastung).
Nach dem Ende der Wellendrehung wurden Reibungskoeffizientmessungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Wenn sie im praktischen Bereich von Umfangsgeschwindigkeiten (4,0-7,5 m/s) getestet wurden, waren die Reibungskoeffizienten (μ) der Lager der Proben 1 und 2, obwohl sie der Luftatmosphäre ausgesetzt waren, auf Niveaus abgesenkt, die vergleichbar waren mit denen, die erreicht wurden, wenn die Proben 3 und 4 in Wasser eingetaucht waren. Andererseits zeigten die Proben 3 und 4 sehr hohe Reibungskoeffizienten, wenn sie einer Luftatmosphäre ausgesetzt waren. Diese Daten zeigen, daß die keramischen Gleitmaterialien gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise in einer Luftatmosphäre arbeiten, selbst wenn sie nicht mit einem Schmiermittel versorgt werden, und ihre Schmierungseigenschaft ist vergleichbar zu der, die in Wasser erreicht wird.
(2) Gleittest 2
Ein weiterer Gleittest wurde durchgeführt innerhalb einer Wasseraufschlämmung, die eine Mischung aus Ton und Schluff von 1:1 enthielt. Die Tonpartikel besassen eine durchschnittliche Größe von 30 μm und die Schluffpartikel besaßen eine durchschnittliche Größe von 15 mm. Die Konzentration dieser Partikel war 60 mg/l. Die anderen Bedingungen des Gleittests waren die gleichen wie im Test 1 mit der Ausnahme, daß die Umfangsgeschwindigkeit auf 5,05 m/s eingestellt war und die Testvorrichtung für 200 h betrieben wurde. Die Welle wurde mit 1485 U/min gedreht und der Druck auf die Gleitoberfläche war 170 MPa bei Belastung mit maximaler Frequenz bzw. Drehzahl (maximale Hertzbelastung).
Die Gleitoberflächen der Proben 1 und 2 zeigten eine sehr konsistente oder gleichförmige Eigenschaft bzw. Leistung und kein Teil wurde eingekerbt oder sonst beschädigt durch die Ton- oder Schluffpartikel in der Aufschlämmung. Daher ist klar, daß die keramischen Gleitmaterialien des Tauchlagers der Erfindung auch eine herausragende Zähigkeit besitzen.
Beispiel 2
Die zwei Probengruppen wurden zubereitet und gemessen hinsichtlich ihres Belastungsintensitätsfaktors in der folgenden Weise.
Probenzubereitung
Probengruppe 1
Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm wurden durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre unter variierenden Bedingungen gesintert, um verschiedene Werte für das Volumen der offenen Poren zu ergeben. Die so zubereiteten Proben besassen die Maße 50 × 50 × 5 mm.
Probengruppe 2
Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 μm wurden durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre unter variierenden Bedingungen gesintert, um verschiedene Werte für das Volumen der offenen Poren zu ergeben. Die so zubereiteten Proben besassen die Maße 50 × 50 × 5 mm.
Belastungsintensitätsfaktormessungen
Die Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren (in %) und dem Belastungsintensitätsfaktor K_IC(in MPam-^1/2) wurde berechnet für jede Probengruppe auf der Basis von empirischen Daten.
Der Belastungsintensitätsfaktor K_IC wurde berechnet mit der Formel (I) oder (II) abhängig von den Profilen der Brüche oder Risse. Die Formel (I) ist: (KICΦ/Ha1/2)(H/EΦ)0,4 = 0,129 (c/a) –1/2 wobei

Φ: = 0,3 (konstant);
H: = Vickers-Härte = P/2a²;
P: = Last für Vickers-Härtemessung:
E: = Elastizitätsmodul = 300 GPa (für Si₃N₄) oder 400 GPa (für SiC);
a: = die Hälfte der Diagonallänge der Eindrückung bzw. Vertiefung;
c: = die Hälfte der Länge des Oberflächenbruchs oder -risses.

Für ein richtiges Verständnis der Beziehung zwischen a und c ist 5(I) zu Rate zu ziehen.
Die Formel (II) ist: (KICΦ/Ha1/2)(H/EΦ)0,4 = 0,035 (l/a) –1/2 wobei

Φ: = 0,3 (konstant);
H: = Vickers-Härte = P/2a²;
P: = Last für Vickers-Härtemessung:
E: = Elastizitätsmodul = 300 GPa (für Si₃N₄) oder 400 GPa (für SiC);
a: = die Hälfte der Diagonallänge der Eindrückung bzw. Vertiefung;
l: = die Länge des Oberflächenbruchs oder -risses.

Für ein richtiges Verständnis der Beziehung zwischen a und l ist 5(II) zu Rate zu ziehen.
6 ist ein Graph, der die empirische Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren und dem Be lastungsintensitätsfaktor für jeden Keramiktyp zeigt. Offensichtlich nahm der Belastungsintensitätsfaktor kaum ab, bevor das Volumen der offenen Poren ungefähr 15 überschritt. Es ist bekannt, daß der Belastungsintensitätsfaktor gut mit der Abnutzungsgröße bzw. dem Abnutzungsgrad korreliert, die bzw. der mit dem ansteigenden Belastungsintensitätsfaktor abnimmt, wie in "Friction and Wear of Hot Pressed Silicon Nitride and Other Ceramic", Transaction of ASME, Journal of Tribology, Band 108, Oktober 1986, berichtet wird. Daher würden poröse Keramikkörper mit offenen Poren innerhalb des Volumenbereichs von ungefähr 5 bis ungefähr 15 % Gleiteigenschaften zeigen, die vergleichbar sind mit denjenigen von festen Keramikkörpern oder sogar besser sind, selbst wenn die Lager aus solchen porösen Keramikkörpern bei Aufschlämmungen eingesetzt würden, die harte feste Materie enthalten. Besonders gute Gleiteigenschften werden erreicht mit Siliciumnitrid (Si₃N₄).
Eine erhöhte Porosität bedeutet auch das verstärkte Auftreten von Rissen oder Brüchen und daher besitzen im allgemeinen harte und brüchige bzw, spröde Materialien, wie beispielsweise Keramiken, ein erhöhtes Risiko des Auftretens von Schäden, wenn ihre Porosität ansteigt. Beim Beispiel 2 wurde jedoch das Volumen der offenen Poren so eingestellt, daß es innerhalb des genannten geeigneten Bereichs liegt, und es wird angenommen, daß dies zu der wesentlichen Verminderung, und nicht einem Anstieg, der brüchigen bzw. spröden Natur der Keramikmaterialien beigetragen hat.
Zusammenfassend verwendet das Keramikgleitmaterial des erfindungsgemäßen Tauchlagers in effektiver Weise das Wasser, das von dem stark wasserabsorbierenden Harz absorbiert wird, um die Gleitfläche für einen niedrigeren Reibungskoeffizienten naß bzw. feuchtzu halten, und aus diesem Gleitmaterial gebildete Lager sind auch beim Pumpenstart ohne Versorgung mit schmierendem Wasser haltbar. Daher gibt es keinen Bedarf, zusätzliches Wasser aus separaten Vorrichtungen oder Ausrüstung zu liefern.
Das Tauchlager gemäß der Erfindung, das aus dem keramischen Gleitmaterial gebildet ist, kann hinsichtlich des Volumens der offenen Poren richtig angepaßt bzw. eingestellt werden, so daß es eine Abnutzungsbeständigkeit besitzt, die mindestens vergleichbar mit dem Wert ist, der erreicht wurde mit den bisher verwendeten, massiven Keramiklagern.

Claims

Tauchlager zur Verwendung sowohl in Flüssigkeit als auch in gasförmiger Atmosphäre, wobei das Tauchlager folgendes aufweist: einen sich drehenden Teil aus einer zementierten, harten Legierung erhalten durch Inkorporation von Bindemetallen, ausgewählt aus Fe, Ni, Co, Ti, Cr und Mo, in Pulvern von Karbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden der Elemente der Gruppen IV, V und VI des Periodensystems; und einen stationären Teil aus einem Gleitmaterial, wobei das Gleitmaterial folgendes aufweist: einen gesinterten offenporigen porösen Keramikkörper, wobei das poröse Keramikkörpermaterial aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titankarbid, Titannitrid, Bornitrid, Borkarbid oder Mischungen von zwei oder mehr dieser Verbindungen besteht, wobei das Volumen der offenen Poren im porösen Keramikkörper zwischen 5 und 30 % ist; und ein wasserabsorbierendes Harz, das die offenen Poren füllt, zum Schmieren einer Oberfläche des porösen Keramikkörpers, wobei das wasserabsorbierende Harz ausgewählt ist aus Stärken, Zellulosen und synthetischen Polymeren, und zwar letztere ausgewählt aus Polyacrylaten, Polyvinylalkoholen, Polyacrylamiden oder Polyethylenoxiden.
Tauchlager gemäß Anspruch 1, wobei das wasserabsorbierende Harz die Fähigkeit besitzt, 1000 Gramm Wasser pro Gramm Eigengewicht zu absorbieren.