DE19523163A1 - Gleitlagerteil für ein Flüssigmetallgleitlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlagerteil für ein Flüssig­ metallgleitlager, welches Gleitlagerteil eine im Betrieb mit einem Flüssigmetall in Kontakt stehende Lagerfläche aufweist.

Flüssigmetallgleitlager werden beispielsweise bei Röntgenröh­ ren zur Lagerung der Drehanode verwendet und sind dabei nor­ malerweise im Inneren des Vakuumgehäuses der Röntgenröhre aufgenommen. Ein Vorteil solcher Flüssigmetall-Gleitlager ist deren Fähigkeit, die bei der Röntgenstrahlenerzeugung im Be­ reich der Drehanode anfallenden Verlustwärme gut abzuleiten. Als Flüssigmetall finden in der Regel Gallium-, Indium- oder Zinnlegierungen Verwendung, die bereits bei Raumtemperatur flüssig sind. Ein Problem bei derartigen Flüssigmetallgleit­ lagern besteht darin, eine ausreichend hohe Benetzbarkeit der Lagerflächen der Gleitlagerteile mit dem Flüssigmetall zu ge­ währleisten. Unter Lagerflächen sollten hier diejenigen Flä­ chen der Gleitlagerteile verstanden werden, zwischen denen sich zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Betriebes des Flüssigmetallgleitlagers Flüssigmetall befinden muß. Ist eine ausreichende Benetzbarkeit der Lagerflächen nicht gewährlei­ stet, läßt sich das Flüssigmetallgleitlager nicht völlig mit Flüssigmetall füllen. Es ist dann also nicht gewährleistet, daß die Lagerflächen in ihrer Gesamtheit mit Flüssigmetall benetzt sind, was zur Herabsetzung der Tragfähigkeit des Flüssigmetallgleitlagers führt. Außerdem besteht bei mangeln­ der Benetzbarkeit der Lagerflächen die Gefahr, daß im Betrieb des Gleitlagers Flüssigmetall ausläuft, weil der Flüssig­ metallfilm von den Lagerflächen abreist. Hinzu kommt, daß Flüssigmetalle zum Teil sehr reaktionsfreudig sind, so daß sie unter Umständen die Lagerfläche nicht benetzen, sondern im Bereich der Lagerfläche mit dem Material des Gleitlager­ teils reagieren (insbesondere Gallium ist hochreaktiv).

In der DE 28 52 908 A1 ist ein Flüssigmetallgleitlager für die Drehanode einer Röntgenröhre beschrieben. Dessen Gleit­ lagerteile bestehen aus Molybdän, und zwar wegen der guten Vakuumtauglichkeit dieses Materials und wegen des mit ca. 100° relativ günstig liegenden Benetzungsrandwinkels zwischen Flüssigmetall und einer oxidfreien Lagerfläche aus Molybdän. Da sich auf Lagerflächen aus Molybdän beim Lagern an Luft oder in einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre eine dünne Oxid­ schicht bildet, die die Benetzbarkeit der Lageroberfläche mit Flüssigmetall verschlechtert, werden die Lagerflächen in Was­ serstoff oder einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei Tempe­ raturen von ca. 800° C geglüht. Anschließend werden die Teile bis zu ihrer Verwendung in einer reduzierenden Atmosphäre ge­ lagert, um ein erneutes Entstehen einer Oxidschicht zu ver­ hindern. Nachteilig ist hierbei, daß man auf ein bestimmtes Material für die Gleitlagerteile festgelegt ist.

Aus der DE 38 42 034 A1 und der AT-PS 361 088 ist es eben­ falls bekannt, Molybdän als Grundwerkstoff für das Gleit­ lagerteil eines Flüssigmetallgleitlagers zu verwenden. Außer­ dem ist in der AT-PS 361 088 Wolfram als geeigneter Werkstoff genannt.

Im Falle eines aus der EP 0 479 197 A1 bekannten Flüssig­ metallgleitlagers für die Drehanode einer Röntgenröhre ist dies nicht der Fall. Hier wird die Benetzbarkeit der Lager­ flächen dadurch hergestellt, daß die Gleitlagerteile im Be­ reich der Lagerflächen mit einer Beschichtung aus einem Kar­ bid, Borid oder Nitrid versehen werden. Dies geschieht bei­ spielsweise, indem die Gleitlagerteile im Bereich ihrer La­ gerflächen nach einem PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapour Deposition, d. h. physikalische Schichtabscheidung unter Va­ kuum) beschichtet werden. Es können also nahezu beliebige Werkstoffe für die Gleitlagerteile verwendet werden, sofern nur sichergestellt ist, daß sich diese mit einer fest haften­ den Karbid- Borid- oder Nitridschicht versehen lassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Flüssigmetall-Gleitlager hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Verlustwärme von der Drehanode abzuführen hinter den Erwartungen zurückbleiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlagerteil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Reaktionen des Flüssigmetall mit dem Werkstoff des Gleitlagerteils ausge­ schlossen sind, eine gute Benetzbarkeit der Lagerfläche mit dem Flüssigmetall gewährleistet ist, unterschiedliche Mate­ rialien für das Lagerteil verwendet werden können und die Voraussetzungen dafür geschaffen sind, daß ein unter Verwen­ dung des Lagerteiles gebildetes Flüssigmetallgleitlager bei Verwendung in einer Drehanoderöntgenröhre die im Bereich der Drehanode anfallende Verlustwärme gut ableitet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Gleit­ lagerteil für ein Flüssigmetallgleitlager, welches Gleitla­ gerteil eine im Betrieb mit einem Flüssigmetall in Kontakt stehende Lagerfläche aufweist, die mit einer nach einem PVD-Verfahren aufgebrachten Schicht eines als Diffusionssperre für das Flüssigmetall wirksamen, gut mit dem Flüssigmetall benutzbaren Metalls versehen ist. Infolge der Diffusions­ sperre ist verhindert, daß das Flüssigmetall bis zum Grund­ werkstoff, d. h. dem Material des Gleitlagerteils, vordringt und mit diesem reagiert, z. B. eine Legierung bildet. Zugleich ist durch die Diffusionssperre eine gute Benetzbarkeit durch das Flüssigmetall gewährleistet. Unter einer guten Benetzbar­ keit soll hier übrigens ein Benetzungsrandwinkel von höch­ stens ca. 100° verstanden werden. Da die Schicht nach einem PVD-Verfahren, hierzu zählen insbesondere das Aufdampfen im Hochvakuum und das sogenannte Sputtern (Kathodenzerstäuben), weist die Schicht eine konstante und definierte Dicke auf. Dadurch ist eine konstante und definierte Weite des Lager­ spaltes gewährleistet, wenn ein Flüssigmetallgleitlager aus erfindungsgemäßen Gleitlagerteilen zusammengesetzt wird. Nach einem PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten bieten außerdem den Vorteil, daß sie auf herkömmlich, z. B. durch Waschen und/oder Vakuumausheizen, gereinigten Oberflächen fest haf­ ten. Außerdem enthalten nach einem PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten praktisch keine Verunreinigungen und/oder Gasein­ schlüsse. Wegen der hohen Homogenität der Schicht und der gu­ ten Haftung der Schicht an dem Gleitlagerteil tritt während der Lebensdauer des Flüssigmetallgleitlagers nur ein geringer Abrieb der im Bereich der Lagerfläche eines Gleitlagerteils aufgebrachten Schicht auf. Es kann also nicht zum Abreißen des Flüssigmetallfilmes von der Lagerfläche durch Freisetzen von Gas aus Hohlräumen (Poren) des Grundwerkstoffes des Gleitlagerteils kommen. Weiter lassen sich bei PVD-Verfahren, falls die Schicht aus einer Legierung oder Verbindung be­ steht, die stöchiometrischen Verhältnisse genau einhalten. Infolge des Umstandes, daß die Schicht des erfindungsgemäßen Gleitlagerteils keine nennenswerten Gaseinschlüsse enthält und keine nennenswerte Gefahr besteht, daß durch Verschleiß in dem Grundwerkstoff des Gleitlagerteils enthaltene Gase frei werden können, sind erfindungsgemäße Gleitlagerteile insbesondere zur Verwendung in der Vakuumtechnik und in der Röntgenröhrentechnik (Drehanodenlagerung) geeignet. Da als als Diffusionssperre wirksames Material ein Metall vorgesehen ist, kann insbesondere im Falle des Einsatzes des Geräteteils in einem der Lagerung der Drehanode einer Röntgenröhre die­ nenden Flüssigmetall-Gleitlagers im Betrieb entstehende Ver­ lustwärme gut durch das Flüssigmetallgleitlager abgeführt werden.

In diesem Zusammenhang sieht eine Variante der Erfindung vor, daß das als Diffusionssperre wirksame Metall eine Wärmeleit­ fähigkeit λ von wenigstens 100 W/(m·K) aufweist. Eine gute Wärmeleitfähigkeit des als Diffusionssperre wirksamen Metalls ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Grundwerkstoff des Gleitlagerteiles eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat und/oder das Gleitlager in einer Drehanoden-Röntgenröhre ver­ wendet wird. Im Falle der Verwendung in einer Drehanoden-Röntgenröhre übernimmt nämlich das Flüssigmetallgleitlager wie bereits angedeutet die Funktion eines Wärmetauschers und dient dann dazu, zumindest einen Teil der bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung auf der Anode entstehenden Verlustwärme abzuführen.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist als als Diffusions­ sperre wirksames Metall Wolfram oder eine Wolframlegierung bzw. Molybdän oder eine Molybdänlegierung vorgesehen. Diese Metalle bieten abgesehen davon, daß sie bezüglich des Flüs­ sigmetalls als Diffusionssperre wirksam sind, hinsichtlich der Benetzungsfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit die ge­ wünschten Eigenschaften.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das als Diffusionssperre wirksame Metall gleich dem Grundwerkstoff des Gleitlagertei­ les ist. Dann sind nämlich Probleme durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, durch unerwünschte che­ mische Reaktionen und Haftungsprobleme der Diffusionssperre auf dem Grundwerkstoff von vornherein vermieden.

An den Grundwerkstoff des Gleitlagerteils sind keine besonde­ ren Anforderungen zu stellen, es sei denn, das aus den Gleit­ lagerteilen zusammengesetzte Flüssigmetallgleitlager soll in einer Drehanoden-Röntgenröhre eingesetzt werden. In diesem Falle ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß das Gleitlagerteil aus einem Grundwerkstoff der Gruppe Molyb­ dän, Wolfram, Tantal, Rhenium, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Keramik gebildet ist. Diese Materialien weisen die dann er­ forderliche Vakuumtauglichkeit auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem aus erfindungsgemäßen Lagerteilen zusammen­ gesetzten Flüssigmetallgleitlager für die Drehanode in teilweise geschnittener Darstellung, und

Fig. 2 und 3 in vergrößerter Darstellung die Einzelheiten II und III gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist eine Drehanoden-Röntgenröhre dargestellt, die eine Drehanode 1 aufweist, die in einem Vakuumkolben 2 untergebracht ist. Der Vakuumkolben 2 enthält außerdem noch in an sich bekannter Weise eine Kathode 3, die in einem Kathodenbecher 4 eine in Fig. 1 nicht sichtbare Glühwendel enthält.

Die Drehanode 1 weist einen Anodenteller 5 auf, der an dem einen Ende einer Lagerungswelle 6 fest angebracht ist. Um die drehbare Lagerung der Drehanode 1 zu gewährleisten, ist ein insgesamt mit 7 bezeichnet es Flüssigmetallgleitlager vorge­ sehen, das aus mehreren Gleitlagerteilen zusammengesetzt ist, von denen eines die Lagerungswelle 6 ist. Als weitere Gleit­ lagerteile sind ein Rohrteil 8, ein Boden 9 und ein Deckel 10 vorgesehen.

Das Rohrteil 8, der Boden 9 und der mit einer Bohrung verse­ hene Deckel 10 sind derart miteinander verschraubt (es sind nur die Mittellinien einiger Schrauben dargestellt), daß das verdickte Ende der sich durch die Bohrung des Deckels 10 er­ streckenden Lagerungswelle 6 in der Bohrung des Rohrteiles 8 aufgenommen ist. Dabei bilden die plane Innenseite des Bodens 10, die hohlzylindrische Bohrungswandung des Rohrteiles 8 und die kreisringförmige plane Innenseite des Deckels 10 erste Lagerungsflächen 11, 12 und 13. Die am anderen Ende der Lage­ rungswelle 6 vorgesehene plane kreisförmige Stirnfläche, die zylindrische Mantelfläche des verdickten Ansatzes der Lage­ rungswelle 6 und die kreisringförmige ebene Stirnfläche des zu dem verdickten Ansatz überleitenden Absatzes der Lage­ rungswelle 6 bilden zweite Lagerungsflächen 14, 15 und 16.

Zwischen den Lagerflächen 11 bis 13 einerseits und den Lager­ flächen 14 bis 16 andererseits befindet sich ein in Fig. 1 nicht sichtbarer, mit Flüssigmetall gefüllter Lagerspalt.

Um die Drehanode 1 in Rotation versetzen zu können, ist ein Elektromotor vorgesehen, der als Rotor 17 ein aus einem elek­ trisch leitenden Werkstoff gebildetes topfförmiges Bauteil aufweist, das das mit dem Deckel 10 versehene Ende des Rohr­ teiles 8 übergreift. Der schematisch angedeutete Stator 18 ist im Bereich des Rotors 17 auf die Außenwand des Vakuumkol­ bens aufgesetzt und bildet mit dem Rotor 17 einen elektri­ schen Kurzschlußläufermotor, der bei Versorgung mit dem ent­ sprechenden Strom die Drehanode 1 rotieren läßt.

Die Gleitlagerteile, also die Lagerungswelle 6, das Rohrteil 8, der Boden 9 und der Deckel 10 sind aus einem Material der Gruppe Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium, einer wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Legierung, Edelstahl, Alu­ minium, Kupfer, Keramik gebildet. Vorzugsweise sind die Lage­ rungsteile aus Molybdän oder einer molybdänhaltigen Legierung gebildet, und zwar im Hinblick auf die Vakuumtauglichkeit dieser Materialien (Grundwerkstoffe).

Im Bereich ihrer Lagerflächen 11 bis 16 ist auf den Grund­ werkstoff der Gleitlagerteile in der aus den Fig. 2 und 3 er­ sichtlichen Weise jeweils eine Schicht 21 bis 26 eines als Diffusionssperre für das Flüssigmetall 20 wirksamen, gut mit dem Flüssigmetall 20 benetzbaren Materials aufgebracht. Hier­ durch ist verhindert, daß das Flüssigmetall 20 mit dem Grund­ werkstoff der Gleitlagerteile 6 und 8 bis 10 reagiert. Zugleich ist eine gute Benetzung der Lagerflächen 11 bis 16 gewährleistet, so daß die Gefahr, daß Flüssigmetall 20 aus dem Lagerspalt austritt, gering ist. Um eine gute Ableitung der bei der Erzeugung der Röntgenstrahlung entstehenden Ver­ lustwärme zu gewährleisten, lediglich ca. 1% der der Röntgen­ röhre zugeführten elektrischen Energie wird in Röntgenstrah­ lung umgewandelt, sollten die Schichten aus einem Material bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 100 W/(m·K) aufweist.

Die Schichten 21 bis 26 sind aus Wolfram oder einer Wolfram­ legierung bzw. Molybdän oder einer Molybdänlegierung gebildet und nach einem PVD-Verfahren erzeugt. Bei Verwendung von Molybdän als Material für die Gleitlagerteile eignet sich insbesondere Molybdän als Material für die Schichten 21 bis 26. In diesem Falle werden die Schichten 21 bis 26 vorzugs­ weise durch Sputtern mittels einer Magnetron-Sputterquelle erzeugt. Neben einer hohen Homogenität der Schichten 21 bis 26 ist dann ein rasches Schichtdickenwachstum gewährleistet. Der Sputtervorgang wird in einem Druckbereich zwischen 2·10^-3 mbar und 5·10^-2 mbar durchgeführt. Die negative Spannung am Magnetron beträgt zwischen 200 und 1200 V. Die Kontrolle der Schichtdicke und die Bestimmung des Schicht­ dickenwachstums pro Zeiteinheit erfolgen in an sich bekannter Weise unter Zuhilfenahme eines Schwingquarzes.

Unter den genannten Bedingungen können Molybdänschichten mit einer Dicke zwischen 100 nm (zur Funktion als Diffusionssper­ re erforderliche Mindestdicke) und 2000 nm (noch dickere Schichten haften nicht mehr gut) erzeugt werden. Zur Vorbe­ reitung der zu beschichtenden Oberflächen der aus Molybdän gebildeten Gleitlagerteile genügt es, diese einem Waschprozeß zu unterziehen oder im Vakuum auszuheizen. Oxidhäute des Grundwerkstoffs Molybdän, die eine schlechte Benetzbarkeit mit dem Flüssigmetall zur Folge hätten, müssen nicht entfernt werden (Reduktion in Wasserstoff, Ionenbeschuß).

Die in der beschriebenen Weise erzeugten Schichten dürfen nach Möglichkeit nicht oder nur kurz mit dem Sauerstoff der Luft oder Wasserdampf in Berührung kommen.

Es besteht übrigens auch die Möglichkeit, die Dicken der Schichten 21 bis 26 unter Berücksichtigung der Herstellungs­ toleranzen der entsprechenden Gleitlagerteile derart zu wäh­ len, daß sich für den Betrieb des Flüssigmetallgleitlagers 7 besonders vorteilhafte Spaltweiten zwischen den Lagerflächen 11 und 14, 12 und 15 sowie den Flächen 13 und 16 ergeben.

Im einzelnen kann bei den oben genannten Schichtdickenberei­ chen der Durchmesser der Lagerflächen 12 und 15 um 3,8 µm va­ riiert werden. Der Abstand der Lagerungsflächen 11 und 14 bzw. 13 und 16 voneinander kann jeweils um 3,8 µm variiert werden.

Die Lagerflächen 11 bis 16 können übrigens in an sich bekann­ ter, in den Figuren nicht dargestellter Weise mit insbeson­ dere spiralförmigen Nuten versehen sein, die dazu dienen, das Flüssigmetall am Austreten aus dem Lagerspalt zu hindern.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels grenzen die Lagerflächen 11 bis 16 jeweils unmittelbar an wenigstens eine andere Lagerfläche an (z. B. grenzt die Lagerfläche 15 unmit­ telbar an die Lagerflächen 14 und 16 an). Dies muß nicht not­ wendigerweise so sein. Es können vielmehr auch Zwischenräume bzw. Abstände vorhanden sein.

Auch die Schichten 21 bis 26 grenzen im Falle des beschriebe­ nen Ausführungsbeispiels jeweils unmittelbar an wenigstens eine andere Schicht an (z. B. grenzt die Schicht 25 unmittel­ bar an die Schichten 24 und 26 an). Auch dies muß nicht not­ wendigerweise so sein. Es können vielmehr auch hier Zwischen­ räume bzw. Abstände vorhanden sein. Die Zwischenräume bzw. Abstände zwischen benachbarten Schichten werden dann mit sog. Bedampfungsmasken realisiert, die die darunterliegenden Flä­ chen des Grundwerkstoffes vor dem Dampf- bzw. Teilchenstrom schützen.

Claims (8)

1. Gleitlagerteil (6, 8, 9, 10) für ein Flüssigmetallgleit­ lager (7), welches Gleitlagerteil (6, 8, 9, 10) eine im Be­ trieb mit einem Flüssigmetall (20) in Kontakt stehende Lager­ fläche (11 bis 16) aufweist, die mit einer nach einem PVD-Verfahren aufgebrachten Schicht (21 bis 26) eines als Diffu­ sionssperre für das Flüssigmetall (20) wirksamen, gut mit dem Flüssigmetall (20) benetzbaren Metalls versehen ist.

2. Gleitlagerteil nach Anspruch 1, bei dem das als Diffusi­ onssperre wirksame Metall eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 100 W/(m·K) aufweist.

3. Gleitlagerteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als als Diffusionssperre wirksames Metall Wolfram oder eine Wolframlegierung vorgesehen ist.

4. Gleitlagerteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als als Diffusionssperre wirksames Metall Molybdän oder eine Molyb­ dänlegierung vorgesehen ist.

5. Gleitlagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen als Diffusionssperre wirksames Metall gleich dem Grundwerkstoff des Gleitlagerteiles ist.

6. Gleitlagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches aus einem Grundwerkstoff der Gruppe Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Keramik gebildet ist.

7. Drehanoden-Röntgenröhre mit einem zur Lagerung der Dreh­ anode (1) vorgesehenen Flüssigmetallgleitlager (7), welches wenigstens ein Gleitlagerteil (6, 8, 9, 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.

8. Verwendung eines Gleitlagerteiles (6, 8, 9, 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Flüssigmetallgleitlager (7) zur Lagerung der Drehanode (1) einer Drehanoden-Röntgenröhre.