DE19651094C2 - Tribosystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten Bauteil, wobei diese Bauteile je über eine Oberflächenschicht miteinander in trockenem Reibkontakt stehen.

Insbesondere betrifft die Erfindung die werkstoffliche Ausgestaltung von Tribosystemen (Reibsystemen), die in der Luft- und Raumfahrtindustrie ohne flüssige Schmiermittel oder Schmierfette betrieben und mit Bauteiltemperaturen bis 2000°C beansprucht werden, wie beispielsweise in wiederverwendbaren Launchern, Hyperschallflugkörpern und -flugzeugen, Wiedereintrittsflugkörpern und in heißgehenden Komponenten oder von Komponenten im heißen Teil von Triebwerken, wie z. B. Flugtriebwerken.

Alle bekannten flüssigen Schmierstoffe sind an Luft oberhalb einer Dauersumpftemperatur von 200°C und bei kurzzeitigen Temperaturspitzen oberhalb von 350°C thermisch instabil und gehen oberhalb von 400°C in die Gasphase über, so daß sie deshalb kaum, allenfalls als Einweg-Verlustschmierung, verwendbar sind, wobei letztere aber aus öko-toxikologischen Gründen zu vermeiden ist.

Noch immer gibt es Bestrebungen, solche Reibstellen über ein gasförmiges Umgebungsmedium mit Schmierstoffen zu versorgen, die erst bei Reibkontakt durch Zersetzung oder Reaktion mit den Reiboberflächen schmierwirksame Verbindungen auf diesen Oberflächen ausbilden. Dem Gas zugemischte Substanzen, wie z. B. Tricresylphosphat, Phthalocyanin oder Arylphosphat, erfordern aber zum einen ein weiteres Betriebsmittel mit Regel- und Steuerungstechnik und sind zum anderen, im Umfang der bisher bekannt gewordenen Substanzen, ebenfalls öko-toxikologisch bedenklich.

In der Vergangenheit hat es bei Hochtemperaturanwendungen in Tribosystemen oberhalb von 400°C nicht an Versuchen gefehlt, beispielsweise durch Einlagerung von Festschmierstoffen in Schichten und Werkstoffmatrizen oder durch direktes Beschichten mit Festschmierstoffen eine dauerhafte tribologische Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Diese Versuche erwiesen sich aber im praktischen Einsatz nicht als erfolgreich, weil alle bekannten intrinsischen Festschmierstoffe ihre guten tribologischen Eigenschaften mit zunehmender Umgebungstemperatur und/oder ansteigendem Sauerstoffpartialdruck verlieren. Weiterhin schwächen Festschmierstoffe, die in Werkstoffmatrizen eingelagert sind, erheblich deren mechanische Eigenschaften und Beschichtungsfähigkeit.

Es ist daher üblich, in der Luft- und Raumfahrtindustrie Tribosysteme, welche durch die Wärmeleitung von Reibungs- und Prozeßwärme in die Reibstellen mit Bauteiltemperaturen von 700°C bis zu 2000°C beaufschlagt werden und deshalb überwiegend trocken laufen, entweder als unrealisierbar zu verwerfen oder in kältere Regionen mit entsprechend vorgeschalteten Wärmesenken und geeigneter Wärmedämmung zu verlegen. Letzteres führt zu konstruktiven Ausführungen, die voluminös und damit sehr platzverbrauchend sowie schwer und damit wenig gewichtssparend sind. Trotzdem sind solche Ausführungsformen meist nur zum einmaligen Gebrauch für eine Flugmission verwendbar und werden nach jedem Einsatz gewartet und instandgesetzt.

Das tribologische Verhalten bei Trockenlauf der heute überwiegend verwendeten Werkstoffe für die werkstoffliche Ausgestaltung der Tribosysteme begrenzt die Lebensdauer der damit ausgestatteten Produkte und Systeme, weil die Verschleißbeträge bzw. -koeffizienten der Werkstoffpaarungen mit < 10^-5 mm³/Nm zu groß sind. Bedingt dadurch müssen bestimmte konstruktive Anordnungen, die große Verschleißlängen zulassen, und große Toleranzvorgaben verwendet werden, damit die Reibstellen nicht "adhäsiv versagen", d. h. verschweißen ("Festfressen"). Solche Maßnahmen gegen das "adhäsive Versagen" erhöhen stets mit zunehmender Temperatur den Verschleißkoeffizienten, oder mit anderen Worten den Verschleiß, und erlauben nur kurze Lebensdauern. Weitere, die Lebensdauer dieser Produkte bestimmende Versagenskriterien sind die Werkstoffdegradation insbesondere durch Oxidation, Phasenumwandlungen und Kriechen.

Beispielsweise werden für die bei ca. 700°C arbeitenden Reibstellen fies Space Shuttle "HERMES" Lagerwerkstoffe aus Cr₃C₂-CaF₂ vorgeschlagen, die bei 700°C Verschleißkoeffizienten größer als 5 × 10^-5 mm³/Nm aufweisen. CaF₂ als extrinsischer Festschmierstoff erweicht bei ca. 1000°C und scheidet auch wegen der hohen Verschleißkoeffizienten für Anwendungen als Lagerwerkstoff bis 2000°C aus.

Aus der Zusammenfassung der JP 01-294217 A sind ein magnetisches Aufzeichnungsmedium und einen Magnetkopf bekannt, die miteinander in Reibkontakt sind. Das magnetische Aufzeichnungsmedium hat dabei eine widerstandsvermindernde, haltbare und reibfeste kristalline Oberflächenschicht mit ZrO₂ in monokliner und tetragonaler Kristallstruktur. Angaben zum Oberflächenmaterial des Magnetkopfes sind der Publikation nicht zu entnehmen.

Die Erfindung hat zum Ziel, ein Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten Bauteil, die je über eine Oberflächenschicht miteinander in trockenem Reibkontakt stehen, dahingehend zu verbessern, daß es auch bei hohen Temperaturen, wie sie z. B. in Triebwerken auftreten, ohne Probleme funktionssicher betrieben werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß bei einem Tribosystem der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Oberflächenschicht des ersten Bauteils aus einem Material besteht, das auf Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur basiert, und daß das Material der Oberflächenschicht des zweiten Bauteils auf SiC oder HfC basiert.

Durch die Erfindung wird eine Hochtemperaturschmierung erreicht, indem die Oberfläche des ersten Bauteils der ohne flüssige Schmiermittel und/oder Schmierfette arbeitenden geschlossenen Tribosysteme als Gleit- oder Wälzkontakt mit einer Beschichtung versehen wird, die durch ihre stofflichen Voraussetzungen und Eigenschaften strukturell in der Lage ist, auf ihren eigenen freien Oberflächen durch statische Oxidation und/oder durch die während der tribologischen Beanspruchung geförderte Oxidation (sog. Tribooxidation) verschleißmindernde oder verschleißschützende Substanzen zu bilden.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß die angegebenen verschleißmindernden Substanzen eine geringe Scherfestigkeit mit Scherspannungen von kleiner als 100 MPa aufweist und daher in der Lage sind, bei Trockenlauf die Reibkraftübertragung zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen durch Schrerung innerhalb der von ihnen ausgebildeten Schichten aufzunehmen, was sonst üblicherweise bei flüssiggeschmierten Reibstellen im flüssigen Schmierfilm erfolgt. Der Mechanismus der tribologischen Scherung dieser Substanzen bildet somit quasi eine bis zu Temperaturen von 2000°C funktionsfähige Ersatzfunktion anstelle der Scherung eines flüssigen Films. Damit wird erstmals ein klassisches Hochtemperaturproblem, insbesondere in Bereich der Luft- und Raumfahrt, durch eine werkstoffliche Anwendung in situ auf einfache Weise gelöst.

Erfindungsgemäß werden als Oberflächenschicht des ersten Bauteils also zielgerichtet Werkstoffe verwendet, die auf ihren Oberflächen weiche Reaktionsschichten bilden, die in oxidierenden Atmosphären und/oder im Vakuum wenigstens zumeist stabil sind, so daß die tribologische Scherbeanspruchung bei Trockenlauf vom Grundwerkstoff in die oberflächennahen Bereiche zu den Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur verlagert werden, wo die Scherung wie im flüssigen Schmierstoffilm erfolgt. Als weiche Reaktionsschichten sind Substanzen mit einer Vickers-Härte bei Raumtemperatur von weniger als 8 GPa anzusehen.

Bei den erfindungsgemäßen Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur handelt es sich um strukturell exakt beschreibbare Phasen mit einer definierten kristallographischen Anordnung der Atome bestimmter unterstöchiometrischer Oxide. Als Ausführungsbeispiele werden Titan- und Vanadium- Oxide beispielsweise gemäß der Formel (Metall)_nO_2n-1, mit n < 4, und Wolfram- und Molybdän-Oxide sind z. B. nach der Formel (Metall)_nO_3n-1, mit n < 6, gebildet. Diese Metalloxide, die kristallographisch als (Metall)O₆-Oktaeder aufgebaut sind, bilden als kennzeichnende Eigenschaft auf Basis sogenannter planarer Sauerstoff-Defekte ksistallographisch orientierte Scherebenen aus, auf denen schon bei geringen Scherspannungen ab ca. 10 MPa Gittergleitung eintritt.

Als weiche Reaktionschichten oder Oxide der Oberflächenschicht gemäß der Erfindung werden z. B. Substanzen mit einer Vickers-Härte bei Raumtemperatur von weniger als 8 GPa angesehen. Schon bei 1000°C nimmt die Härte dieser Oxide auf Werte von unter 2 GPa ab, mit bis 1600°C weiter fallender Tendenz, was den Scherungsmechanismus durch plastisches Fließen begünstigt, worauf weiter unten noch gesondert eingegangenen wird.

Der augenfälligste Vorteil dieser weichen Oxide zu den früheren Lösungen nach dem Stand der Technik ist, daß sie an Luft chemisch stabil sind, damit ihre guten tribologischen Eigenschaften auch mit zunehmender Temperatur nicht verlieren und ihre Bildung von den Betriebsbedingungen der betrachteten Tribosysteme, z. B. im fliegenden Gerät der Luft- und Raumfahrtindustrie, d. h. bei hohen Temperaturen bis 2000°C und zum Teil Umgebungsatmosphären mit vermindertem Sauerstoffpartialdruck, sogar begünstigt wird. Die Erfindung ist weiterhin auch deshalb vorteilhaft, weil die Verlegung der Reibstelle in kältere Regionen entfällt und die Reibstellen als "heiße Reibstellen" in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden können, was zu einem Gewichtsvorteil und zu einem Gewinn an Bauvolumen führt und sich insbesondere bei der Luft- und Raumfahrt vorteilhaft auswirkt. Die Verschleißkoeffizienten von Werkstoffen, die die erfindungsgemäß verwendeten Strukturen bilden sind oberhalb von 700°C kleiner als 10^-5 mm³/Nm und ermöglichen die werkstoffliche Ausbildung verschleißarmer geschlossener Tribosysteme.

Neben dem Mechanismus des Kristallgleitens hat sich für die genannten Anwendungen auch der Mechanismus des plastischen Fließens, worauf bereits weiter oben hingewiesen wurde, überraschend als hinsichtlich eines Verschleißschutzes günstig erwiesen, insbesondere dann, wenn die Scherspannung der weichen Reaktionschicht kleiner als 100 MPa ist. Plastisches Fließen tritt insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 1000°C auf. Als Substratwerkstoff, auf dessen Oberfläche durch statische Oxidation und/oder Tribooxidation ein weiches Oxid mit geringer Scherspannung entsteht, kommt bevorzugt SiC in Frage, auf dem sich ein SiO_x, mit 1 < x < 2, bildet.

Die Erfindung hat ferner den Vorteil, daß die Beschichtung des ersten Bauteils neben einer verschleißmindernden auch eine reibungsreduzierende Wirkung habt, was der Funktion des Tribosystems zu Gute kommt.

Als weiterer Vorteil wurde gefunden, daß die Betriebsbedingungen in heißen Tribosystemen bei hohen Temperaturen und niedrigen Sauerstoffpartialdrücken die Stabilität der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht des ersten Bauteils begünstigen.

Die Oberflächenschicht des zweiten Bauteils basiert auf SiC oder HfC. Dies ist deshalb vorteilhaft, da auf den entsprechenden Bauteilen häufig z. B. eine SiC-Schicht als Oxidationsschutzschicht vorhanden ist. Mit demselben Vorteil kann vorgesehen sein, daß zwischen der Oberflächenschicht des ersten Bauteils und dem ersten Bauteil eine Zwischenschicht angeordnet ist, die vorzugsweise auf SiC oder HfC basiert.

Durch die Erfindung werden erstmals bestimmte kristallographische Gegebenheiten der in der Oberflächenschicht verwendeten Oxide oder Mischoxide als geeignet zur Lösung der Reibungs- und Verschleißprobleme in heißen Tribosystemen, wie beispielsweise einem "heißen Gelenk", erkannt.

Ohne Einschränkungen kann z. B. das gesamte erste Bauteil direkt aus Werkstoffen mit oder aus besagten Substanzen der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht aufgebaut sein. Gemäß bevorzugten Ausführungen bestehen das erste und/oder das zweite Bauteil jedoch zumindest im wesentlichen aus C/SiC.

Bevorzugte Materialien, die einzeln oder in einer Kombination wenigstens in der Oberflächenschicht des einen Bauteils enthalten sind oder diese Oberflächenschicht zumindest im wesentlichen bilden, sind TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉, Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅).

Im allgemeinen Fall werden erfindungsgemäße Oberflächenschichten, insbesondere des ersten Bauteils, mit Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur bereits als Beschichtungswerkstoff aufgebracht, beispielsweise durch thermisches Spritzen, CVD- oder PVD-Verfahren.

Es ist aber auch möglich, daß die das Tribosystem bestimmenden Oberflächen nach dem Mechanismus der sogenannten Tribooxidation bei Betrieb direkt auf Bauteilen ausgebildet werden, die z. B. im übrigen komplett aus tribologisch vorteilhaften oxidischen, nitridischen, carbidischen oder dieser Werkstoffgruppe zuzurechnenden Substanzen bzw. Gemischen, vorzugsweise in Form von Ingenieurkeramik mit anderen Oxiden oder Nichtoxiden, bestehen. Erfindungsgemäße Oberflächenschichten können sich somit während der tribologischen Beanspruchung durch Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre bilden, wie z. B. bei SiC.

Mit Vorteil kann ferner vorgesehen sein, daß die Oberflächenschicht des ersten Bauteils eine Verschleißschutzschicht ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Fortentwicklung der Erfindung können als Werkstoffe oder Beschichtungen zur Darstellung, Beschichtung oder Infiltration der beteiligten Bauteile zusätzlich auch extrinsische Festschmierstoffe oder Gemische Verwendung finden.

Als Substratwerkstoffe, auf deren Oberfläche sich durch statische Oxidation und/oder Tribooxidation Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur als weiche Reaktionsschichten bilden können, kommen z. B. HfC, TiC, TiN, Ti (C, N), (Ti, Mo) (C, N), SiC, WC, Cr₂C₃, u. a., insbesondere als dünne, passive Filme, in Frage. Diese Substrate sind zusätzlich auch deshalb vorteilhaft, weil sie relativ hart sind, da ihre Vickers-Härte bei Raumtemperatur größer als 10 oder 15 GPa ist. Eine große Härte bedingt eine kleine Mikrokontaktfläche (wahre Kontaktfläche) der Reibpartner mit der Konsequenz, daß bei Reibung die Scherkraft in Verbindung mit der geringen Scherspannung besonders niedrig wird. Damit wird die tribologische Wirkung der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht des ersten Bauteils mit Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur weiter gesteigert. Unter den im heißen Tribosystem angestrebten Betriebsbedingungen können sich z. B. die erfindungsgemäß eingesetzten Strukturen, vorzugsweise schon durch die statische Oxidation des harten Substratwerkstoffes oder spätestens durch reibbedingte Oxidation mit der sauerstoffhaltigen Umgebungsatmosphäre, bilden. Die hier genannten Substratwerkstoffe können grundsätzlich auch die Oberflächenschicht des zweiten Bauteils bestimmen oder darin enthalten sein.

Ein geschlossenes Tribosystem besteht immer aus zwei festen Körpern, die sich mit ihren Oberflächen an bestimmten Kontaktstellen berühren, weshalb man von einer tribologischen Paarung der Werkstoffe spricht. Die als Substrate und Reaktionsschichten angeführten Werkstoffe sind letztendlich keramische Werkstoffe, die drucklos bei Temperaturen oberhalb von 1100°C versintern können. Da sich die beiden Oberflächen der Reibpartner berühren, muß bei Betriebstemperaturen oberhalb von 1100°C (rechnet man die reibbedingte Temperaturerhöhung mit hinein, kann man schon von ca. 800°C ausgehen) mit einem Verschweißen bzw. Zusammensintern gerechnet werden. Dies kann durch Einsatz der Erfindung verhindert werden, wenn die Werkstoffe der Tribopaarung metallurgisch nicht ineinander löslich sind und/oder die Sintertemperaturen oberhalb der Betriebstemperatur liegen.

Die Oberflächenschicht des ersten Bauteils kann auch Füllstoffe, wie TiO₂ und/oder gegenüber den Oxiden oder Mischoxiden in aus MeOe-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur andere Oxide, enthalten. Vorzugsweise können diese anderen Oxide Titan-, Vanadium-, Wolfram- und/oder Molybdän-Oxide, wie z. B. TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉, Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅) oder eine Kombination daraus, enthalten, die sich jedoch von den erfindungsgemäß zwingend in der Oberflächenschicht des ersten Bauteils enthaltenen oder diese Oberflächenschicht bildenden, möglicherweise dieselbe Zusammensetzung aufweisenden Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur, insbesondere in ihrer Phase oder Struktur, unterscheiden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht des ersten Bauteils eine Scherebenenstruktur aufweisen.

Weiterhin können in der Oberflächenschicht des ersten Bauteils und/oder die Oberflächenschicht des zweiten Bauteils bevorzugt Additive zur Haftungsverbesserung enthalten sein.

Mit Vorteil weist die Oberflächenschicht des ersten Bauteils eine Dicke von mindestens 1 µm auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht des ersten Bauteils bis über 400°C, insbesondere bis über 800°C, vorzugsweise bis über 1200°C, und besonders bevorzugt bis über 1600°C, stabil und/oder bleiben in den genannten Temperaturbereichen im festen Zustand. Der thermische Stabilitätsbereich der Struktur der Oberflächenschicht nach der Erfindung reicht von ca. -100°C bis etwa 1600°C und bei einigen Materialien sogar darüber hinaus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung beispielshalber noch näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Schnittansicht eines Lagers mit einem Tribosystem;

Fig. 2 eine schematischer vergrößerte Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tribosystems mit zwei Bauteilen in Reibkontakt;

Fig. 3 eine schematische, vergrößerte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tribosystems mit zwei Bauteilen in Reibkontakt,

Fig. 4 eine schematische, vergrößerte Schnittdarstellung einer dritten Ausführung eines erfindungsgemäßen Tribosystems mit zwei Bauteilen in Reibkontakt,

Fig. 5 eine schematische, vergrößerte Schnittdarstellung einer vierten Ausführung eines erfindungsgemäßen Tribosystems mit zwei Bauteilen in Reibkontakt, und

Fig. 6 eine schematische, vergrößerte Schnittdarstellung einer fünften Ausführung eines erfindungsgemäßen Tribosystems mit zwei Bauteilen in Reibkontakt.

Das in der Fig. 1 dargestellte Lager 1 zeigt eine Gelenkverbindung und enthält einen Lagerkäfig 2, der zum Einbau einer zweigeteilten Lagerschale 3 bajonettverschlußartig ausgebildet ist, wobei die Lagerschale 3 aus entsprechend geformten Lagerschalenhälften 3a und 3b besteht. Die zweigeteilte Lagerschale 3 ermöglicht eine Montage auf einer Welle 4 mit einer sphärisch gekrümmten Lagerfläche 5, welche die Aufnahme von radialen und axialen Lasten ermöglicht. Krafteinleitungseinrichtungen 6 sind starr mit dem Lagerkäfig 2 verbunden. Sämtliche vorgenannten Teile und Elemente des Lagers 1 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Gradienten-CVI-Verfahren aus C/SiC-Material hergestellt.

Die Lagerschale 3 und der die sphärisch gekrümmte Lagerfläche 5 enthaltende Abschnitt der Lagerwelle 4 bilden ein Tribosystem 7. In den Fig. 2 bis 6 sind vergrößerte schematische Schnittansichten durch verschiedene Ausführungsformen der Lagerschale 3 und der Lagerwelle 4 in einem Bereich gezeigt, in dem die Oberflächen dieser Komponenten miteinander in trockenem Reibkontakt stehen, d. h. es findet keine Schmierung statt.

Wie aus den Fig. 2 bis 6 zu erkennen, verfügt die Lagerschale 3 bzw. jede der Lagerhälften 3a und 3b als erstes Bauteil des Tribosystems über eine Oberflächenschicht 8, die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur enthält, als Verschleißschutzschicht für das Substratmaterial der Lagerschale 3.

Die Oberflächenschicht 8 des ersten, die Lagerschale 3 bildenden Bauteils des Tribosystems enthält im dargestellten Fall Oxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender trikliner Kristallstruktur, wie z. B. TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇ oder Ti₁₀O₁₉. Aber auch andere Oxide oder Mischoxide, wie beispielsweise Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅), sind geeignet und können in der Oberflächenschicht 8 enthalten sein.

Bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen des Tribosystems verfügt auch die das zweite Bauteil des Tribosystems bildende Lagerwelle 4 über eine Oberflächenschicht 9, die auf SiC basiert. Als ein anderer bzw. weiterer Werkstoff für diese Oberflächenschicht 9 könnte z. B. auch HfC in Betracht gezogen werden.

Wie aus Fig. 4 entnehmbar, ist bei der dort gezeigten Ausgestaltung des Tribosystems zwischen der Oberflächenschicht 8 des ersten Bauteils 3 und letzterem selbst eine Zwischenschicht 10 angeordnet, die, wie die Oberflächenschicht 9 des zweiten Bauteils 4, auf SiC basiert. Auch hier sind andere Materialien ebenfalls geeignet, wobei lediglich nur beispielsweise HfC genannt sei.

Als SiC wurde bei der vorliegend behandelten Ausführung eine durch "Chemical Vapor Deposition" zum Oxidationsschutz des CVI/C-SiC-Strukturwerkstoffes aufgebrachte Schicht verwendet. Diese SiC-Schicht bildet bereits beim zweiten Bauteil 4 gleichzeitig die Reibschicht und beim ersten Bauteil 3 die Substratoberfläche für die Tribo- Beschichtung seiner Oberfläche.

Als Substrat für diese Triboschichten eignet sich SiC oder HfC besonders gut, weil die große Härte zu einer kleinen "wahren Kontaktfläche" (Mikrokontaktfläche) führt, woraus sich eine nur kleine Scherkraft bzw. Reibungskraft ergibt. Die Härte von SiC liegt bei 1600°C immer noch bei ca. 5-6 GPa.

Es wurde gefunden, daß die Tribooxidation beispielsweise beim SiC als Schmierungs- und Verschleißschutzmechanismus dienen kann, der bei Raumtemperatur in trockener Luft bereits ab 50 Pa Sauerstoffpartialdruck wirkt und von zunehmender Umgebungstemperatur begünstigt wird. Hierzu wird angenommen, daß SiC z. B. bei 1600°C an der Bauteiloberfläche in Silizium und Graphit partiell zerfällt. Für die Anwendung in einem "heißen Gelenk" oder allgemein einem Tribosystem bedeutet dies, daß damit beispielsweise mit der Tribooxidation und der möglichen Graphitbildung auf der SiC-Oberfläche für alle denkbaren Betriebsbedingungen, wie tiefe und hohe Temperaturen sowie niedrige Sauerstoffpartialdrücke und Normalatmosphäre, wirksame und gut wirkende Schmierungs- und Verschleißschutzmechanismen verfügbar sind.

Wenn das SiC in der Reibstelle vor der Montage, z. B. im Falle eines Triebwerksteils am Boden, voroxidiert wird, ist zu erwarten, daß der Verschleißvorrat der weichen Reaktionsschicht für eine Mission, beginnend im Niedervakuum, tribologisch ausreicht.

Eine weitere, in Fig. 5 dargestellte Gestaltungsmöglichkeit des Tribosystems besteht darin, daß die Oberflächenschicht 8 des ersten Bauteils 3 Füllstoffe 11, wie TiO₂ und/oder gegenüber den Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur andere Oxide, enthalten. Solche Oxide können z. B. Titan-, Vanadium-, Wolfram- und/oder Molybdän-Oxide sein. Insbesondere eignen sich hier die ohnehin in dieser Schicht verwendeten Materialien, wie TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇ oder Ti₁₀O₁₉, Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅) oder beliebige Kombinationen daraus.

Zur Haftungsverbesserung enthalten die Oberflächenschichten 8 und 9 der beiden Bauteile 3 und 4 der in Fig. 6 gezeigten Variante des Tribosystems Additive 12. Es ist aber insbesondere in Abhängigkeit vom beabsichtigten Einsatz des Tribosystems und den diesbezüglichen Bedingungen sowie von den verwendeten Materialien und Materialkombinationen auch möglich, nur in einer der beiden Oberflächenschichten 8 oder 9 geeignete Additive oder jeweils verschiedene Additive einzusetzen.

Die Oberflächenschichten 8 und 9 der beiden Bauteile 3, 4 enthalten Werkstoffe, die metallurgisch ineinander, zumindest im wesentlichen, unlöslich sind. Alternativ ist es möglich, daß jede der Oberflächenschichten oder beide ganz aus solchen Werkstoffen besteht bzw. bestehen. Diese Werkstoffe sind so ausgewählt, daß ihre Sintertemperaturen zumindest im wesentlichen oberhalb einer maximalen Betriebstemperatur des Lagers 1 liegen.

Herstellungstechnisch wird die Oberflächenschicht 8 des ersten Bauteils 3 durch CVD, PVD oder thermisches Spritzen auf das erste Bauteil 3 oder ggf. auf die Zwischenschicht 10 aufgebracht. Die Oberflächenschicht 8 hat eine Dicke von 1 µm oder mehr. Die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht 8 weisen eine Scherebenenstruktur auf. Die Scherspannung der Oberflächenschicht 8 des ersten Bauteils 3 ist bei den in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Ausführungsformen kleiner als 100 MPa.

Bei Verwendung geeigneter Werkstoffe sind die Oxide oder Mischoxide der Oberflächenschicht 8 der Lagerhälften 3a, 3b bis über 1600°C, wie beispielsweise bis 2000°C, stabil und bleiben im festen Zustand. Abhängig von den geforderten Einsatzspezifikationen können jedoch auch Oberflächenschichten gebildet werden, die z. B. bis 400°C oder bis 800°C oder bis 1200°C stabil sind und/oder im festen Zustand bleiben.

Die Oberflächenschicht 9 des zweiten Bauteils 4 kann aber auch voroxidiert werden, bevor das zweite Bauteil, d. h. die Lagerwelle 4, in dem Tribosystem montiert wird.

In einzelnen weiteren Konstruktionen können die Oxide oder Mischoxide folgendermaßen eingesetzt werden:

• a) Beschichtung mit Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur bildenden Werkstoffen:
  Als Substrat an der Reibstelle dient ein hochtemperaturbeständiger Werkstoff, der zum Oxidationsschutz an der Reibstelle mit einer SiC-Schicht beschichtet ist. Auf dieser SiC-Schicht wird eine weitere Triboschicht an der Reibstelle mittels thermischem Spritzen, CVD oder PVD aufgebracht, bestehend z. B. aus TiC oder anderen geeigneten Substratwerkstoffen. Die tribologisch wirksamen Reaktionsschichten bilden sich entweder durch die Wirkung der tribologischen Beanspruchung als chemische Reaktion an der Werkstoffoberfläche zwischen dem Werkstoff und dem Umgebungsmedium oder bereits schon durch statische Oxidation. Bei Gleitlagern werden nur die Reibflächen der Lagerinnenschale und die des Lagerzapfens beschichtet, bei einer Ausführung als Wälzlager hingegen mindestens (oder ggf. nur) die Laufbahnen eines entsprechenden Innen- und Außenringes.
• b) Beschichtung mit weiche Oxide bildenden Werkstoffen:
  Als Substrat dient ein hochtemperaturbeständiger Werkstoff, welches zum Oxidationsschutz an der Reibstelle mit einer SiC- Schicht beschichtet ist. Auf dieser SiC-Schicht bildet sich die weiche, tribologisch wirksame Reaktionsschicht zum Verschleißschutz entweder infolge der tribologischen Beanspruchung als chemische Reaktion der Werkstoffoberfläche mit dem Umgebungsmedium oder bereits schon durch statische Oxidation. Damit steht die sich auf dem SiC bildende SiOx-Schicht neben ihrer Wirkung als Oxidationsschutzschicht erstmals auch als eine für Hochtemperaturbeanspruchung geeignete Triboschicht bereit. Bei einer Ausführung als Gleitlager werden nur die Reibflächen der Lagerinnenschale und/oder des Lagerzapfens beschichtet.
• c) Massivwerkstoffe:
  An den Reibstellen können die Beschichtungen durch monolithische Werkstoffe der beschriebenen Art ersetzt werden. Dabei werden bei einem Gleitlager ungeteilte oder geteilte Lagerschalen bzw. Lagerbuchsen in die aus hochtemperaturbeständigen Werkstoffen bestehenden Strukturteile im Bereich des Tribosystems integriert. Bei der Ausführung als Wälzlager bestehen mindestens die Innen- und Außenringe aus den Werkstoffen der beschriebenen Art.

Claims (16)

1. Tribosystem mit einem ersten und einem zweiten Bauteil (3, 4), die je über eine Oberflächenschicht (8, 9) miteinander in trockenem Reibkontakt stehen, wobei die Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) aus einem Material besteht, das auf Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur basiert, und wobei das Material der Oberflächenschicht (9) des zweiten Bauteils (4) auf SiC oder HfC basiert.

2. Tribosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉, Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅) enthalten.

3. Tribosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherspannung der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) kleiner als 100 MPa ist.

4. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) und dem ersten Bauteil eine Zwischenschicht (10) angeordnet ist, die vorzugsweise auf SiC oder HfC basiert.

5. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (3) und/oder das zweite Bauteil (4) zumindest im wesentlichen aus C/SiC bestehen bzw. besteht.

6. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) Füllstoffe (11), wie TiO₂ und/oder gegenüber den Oxiden oder Mischoxiden in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur andere Oxide, enthält.

7. Tribosystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Oxide Titan-, Vanadium-, Wolfram- und/oder Molybdän-Oxide enthalten.

8. Tribosystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Oxide TiO_2-x, Ti₅O₉, Gamma-Ti₃O₅, Ti₉O₁₇, Ti₁₀O₁₉, Mo₈O₂₃, High-V₃O₅, WO₃, W₂₀O₅₈, β-NiMoO₄, Ti_n-2Cr₂O_2n-1, V_0,985Al_0,015O₂, tetragonale Wolframoxid-Bronzen und/oder Vanadiumoxid-Bronzen (M_xV₂O₅) oder eine Kombination daraus enthalten.

9. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) und/oder die Oberflächenschicht (9) des zweiten Bauteils (4) Additive (12) zur Haftungsverbesserung enthält.

10. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) eine Dicke von mindestens 1 µm aufweist.

11. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) eine Verschleißschutzschicht ist.

12. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) bis über 400°C, insbesondere bis über 800°C, vorzugsweise bis über 1200°C und besonders bevorzugt bis über 1600°C, stabil sind.

13. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) bis über 400°C, insbesondere bis über 800°C, vorzugsweise bis über 1200°C und besonders bevorzugt bis über 1600°C, im festen Zustand bleiben.

14. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide oder Mischoxide in aus MeO₆-Oktaedern mit planaren Sauerstoffdefekten bestehender, monokliner, trikliner oder tetragonaler Kristallstruktur der Oberflächenschicht (8) des ersten Bauteils (3) eine Scherebenenstruktur aufweisen.

15. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschichten (8, 9) des ersten (3) und des zweiten Bauteils (4) Werkstoffe enthalten oder aus Werkstoffen bestehen, die metallurgisch ineinander zumindest im wesentlichen unlöslich sind.

16. Tribosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschichten (8, 9) des ersten (3) und des zweiten Bauteils (4) Werkstoffe enthalten oder aus Werkstoffen bestehen, deren Sintertemperaturen oberhalb einer vorgegebenen maximalen Betriebstemperatur liegen.