DE19707232A1 - Spinnring und Läufer für Ringspinnmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spinnring und einen Läufer für Ringspinnmaschinen mit Gleitflächen zur Führung des Ringläufers beim Spinnprozeß mit einer harten Oberflächenschicht, die überwiegend aus angelagertem Kohlenstoff besteht.

Spinnringe der obigen Art sind u. a. bekannt durch die DE 43 00 491.

In dieser Schrift wird vorgeschlagen, die Oberfläche des Spinnringes durch die Anlagerung von Kohlenstoffatomen zu beschichten. Unter Vakuum wurde das auf einem elektrischen Potential angebrachte Targetmaterial mittels Lichtbogen in ein Targetplasma überführt und in der Dampfphase unter Wirkung eines niedrigen, negativen elektrischen Potentials auf der Oberfläche des Spinnringes in Atombin­ dung angelagert.

Empfohlen wurden Schichtdicken zwischen 3 und 5 µm.

Der so hergestellte Spinnring besitzt neben den Vorteilen der sehr großen Härte und des niedrigen Reibwiderstandes einige entscheidende Nachteile.

Unter den Bedingungen der mit extrem hoher Frequenz wechselnden Belastung bei oft wechselnder Temperatur (Arbeitstemperatur und Stillstand) der Spinnringe führten die unterschiedlichen Eigenschaften der Oberflächenschicht und des Grundkörpers vor allem im Grenzbereich beider Elemente zu hohen Spannun­ gen. Das hatte zur Folge, daß die Oberflächenschicht aufriß. An den Rißstellen erhöhte sich die Belastung durch den Läufer. Nach und nach lösten sich Teile der Oberflächenschicht. Ein so beschädigter Spinnring war praktisch nicht mehr nutzbar. Der Spinnvorgang mußte unterbrochen und der Spinnring ausgetauscht werden.

Mit der DE 38 17 741 wurde vorgeschlagen, in die Oberfläche eines Spinnringes, der aus einem Stahl mit einem vorgegebenen Kohlenstoff- und Chromanteil Vanadiumcarbid bis zur Sättigungsgrenze zu diffundieren.

Damit wurden zwar die Verschleißerscheinungen geringer, eine Verbesserung der Reibwerte wurde jedoch nicht erreicht. Auch das nachträgliche Schleifen gemäß DE 38 36 670 brachte keine entscheidenden Veränderungen.

Bei den heute üblichen hohen Geschwindigkeiten der Läufer führten die hohen Reibwerte zu Temperaturen, bei denen Läufer und Ring nicht selten miteinander verschweißten. Die hohen Temperaturen am Läufer führten auch oft zu Faden­ brüchen.

Die Möglichkeiten der Schmierung des Ringes und/oder des Läufers waren seit jeher begrenzt, weil in diesem Bereich die Nähe des Garnes zu berücksichtigen war. Die Verwendung von Trockenschmiermitteln, wie Molubdändisulfit, war geboten.

Diese Trockenschmiermittel mußten auf der Oberfläche des Ringes gleichmäßig verteilt werden. Das kann man einigermaßen genau nur bei ausgebautem Spinn­ ring vornehmen. Das Erneuern der Schmierschicht war deshalb mit der Demon­ tage aller Spinnringe verbunden.

Diesem Problem wich man dadurch aus, daß man das Trockenschmiermittel selektiv auf die Gleitflächen des Läufers aufbrachte (DE 40 15 276 A1).

Auch die Beschichtung der Spinnringe, z. B. mit Titanaluminiumnitrid (oder auch mit TiCN bzw. TiN), das mittels CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht wurde, (DE 42 19 197 A1) war unbefriedigend, weil die Reibwerte nach wie vor zu hoch waren.

Ohne Erfolg blieben bisher auch die Versuche der Beschichtung des Ringes mit einer polykristallinen Keramik gemäß DE 43 42 148. Es gelang bisher nicht, die Korngrenzen dieser Keramikkristalle im Bereich der Oberflächen ausreichend und zuverlässig abzurunden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschichtungsart für den Spinnring zu finden, die neben einer großen Härte und Verschleißfestigkeit auch sehr niedrige Reibwerte und damit vertretbare Betriebstemperaturen am Spinnring bei hohen Geschwindigkeiten gewährleistet.

Die Oberfläche und ihre Verbindung mit dem Grundkörper soll auch unter den praktischen Bedingungen des Spinnvorganges bei hohen Temperaturen (bis 400°C) mit schnellen Abkühlungen bei Unterbrechungen des Spinnvorganges stabil bleiben. Wünschenswert ist auch, daß eine evtl. abgearbeitete Oberflächen­ schicht problemlos erneuert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 auf überraschend einfache und komplexe Weise gelöst.

Die modifizierten DLC-Schichten besitzen eine hohe abrassive Verschleißfestig­ keit bei sehr niedrigem Reibwert. Die Reibwerte erreichen das Niveau der Troc­ kenschmierung. Die Lebensdauer der Spinnringe wird deutlich erhöht. Die DLC-Schich­ ten sind chemisch inert und können bis zu einer Temperatur von 400° eingesetzt werden.

Die Spinnringe sind durch die Struktur der Funktionsschicht und deren Elastizität hermetisch gegen das Eindringen von Feuchte geschützt. Sie sind damit be­ sonders für den Einsatz in feuchtwarmer Umgebung geeignet.

Die DLC-Schichten sind bei Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Spinnring und dem Läufer von bis zu 45 m/s geeignet, die Adhäsionsneigung und das Kaltschweißen zu vermeiden.

Die Lösungsform nach Anspruch 1 ist in besonderer Weise zu empfehlen, wenn bei einer hohen Druckbelastung eine hohe Elastizität und ein wirksamer Schutz gegen mechanische Beanspruchungen gefordert wird.

Die Gestaltung der Oberfläche nach Anspruch 2 wird dann besonders empfohlen, wenn die Eigenspannungen der Funktionsschicht reduziert werden sollen. Die Schichthaftung wird dann auch bei häufig wechselnder Temperatur und bei wechselnder mechanisch er Belastung in einem hohen Maße gewährleistet.

Eine Beschichtung nach Anspruch 3 ermöglicht, bei Beibehaltung des Ver­ schleißwiderstandes und der niedrigen Reibwerte, zusätzlich die Reduzierung der Verschmutzungsneigung des Ringes an der Oberfläche.

Mit dem Einfügen von Zwischenschichten, insbesondere solchen aus Refraktär­ metallen (W, Ta, Ti, Nb) nach Anspruch 4, wird die Schichthaftung zuverlässig erhöht.

Die Wahl der Schichtdicken nach den Ansprüchen 5 bis 7 ist jeweils optimal auf die Struktur der Funktionsschicht abgestimmt. Die Komplettbeschichtung nach Anspruch 8 vermeidet nicht nur die Zeitaufwendung zur selektiven Beschichtung der Oberfläche. Der komplette Spinnring wird auf diese Weise zuverlässig gegen jede Korrosion geschützt. Das trifft auch dann zu, wenn der Grundkörper nicht aus rostfreiem Stahl gefertigt ist oder wenn ein bereits abgearbeiteter Ring als Grundkörper verwendet wird.

Mit der Verwendung eines aluminiumlegierten Grundkörpers nach Anspruch 9 werden die anstrebenswerten Eigenschaften der Funktionsschicht ebenfalls erreicht. Die Herstellung dieses Grundkörpers kann jedoch deutlich vereinfacht werden.

Mit der Ausgestaltung auch des Läufers mit einer DLC-Schicht mit einer in den Ansprüchen 1 bis 3 definierten Form kann man den Verschleiß insgesamt noch niedriger halten. Notwendig ist jedoch dann, daß man hinsichtlich der Festigkeit die notwendige Differenzierung berücksichtigt (Ansprüche 10 und 11).

Die Erfindung soll nachstehend an einem einfachen Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen beliebig gestalteten Spinnring im Querschnitt mit der Dar­ stellung der Position des Läufers, der Spule und des Fadens zur Darstellung der Belastungsart,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil der Funktions­ schicht, die nur aus DLC besteht,

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Fig. 2 mit mehreren DLC-Schichten und eingefügten Metallschichten und

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß Fig. 2 mit mehreren DLC-Schichten und eingefügten nichtmetallischen Elementen.

Zur Darstellung des Belastungsfalles am Spinnring sind in Fig. 1 die einzelnen zusammenwirkenden Elemente dargestellt. Die Spindel bzw. Spule 3 wird mit etwa 6000 bis 10 000 Umdrehungen/Minute und mehr angetrieben.

Durch die Reibung des Läufers 2 auf dem oberen Abschnitt des Spinnringes 1 wird der Faden 4 zurückgehalten und im möglichen Maße auf die Spule 3 der Spindel aufgewickelt. Der Läufer 2 muß hier - belastet durch den Faden und die große Fliehkraft - am Oberteil des Spinnringes 1 gleitend geführt werden.

Die Geschwindigkeiten zwischen Läufer 2 und Spinnring 1 liegen im Durchschnitt bei 40 m/s. Es ist einzusehen, daß diese hohe Geschwindigkeit und die dabei auftretenden Fliehkräfte besonders hohe Ansprüche an die Gleitfläche stellen.

In den Fig. 2 bis 4 sind unterschiedliche Schichtformen insbesondere für die Oberfläche des Spinnringes 1, an der der Läufer 2 geführt wird, stark vergrößert dargestellt.

In Fig. 2 ist die DLC-Schicht auf den Grundkörper G im linken Abschnitt direkt aufgetragen. Im rechten Abschnitt ist eine Zwischenschicht ZS eingefügt. Mit ihr reduziert man den plötzlichen Übergang zwischen der weniger hohen Festigkeit des Grundkörpers G und der extrem hohen Festigkeit der DLC-Funktionsschicht.

Die DLC-Funktionsschicht ist eine plasmamodifizierte amorphe Kohlenwasser­ stoffschicht, die man üblicherweise als sog. DLC-Schicht (diamant like carbon) bezeichnet. Diese Schicht wird mit dem ebenfalls bekannten PECVD-Verfahren (Plasma Enhenced Chemical Vapour Deposition) erzeugt. Auf die Beschreibung dieses Verfahrens soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.

Es ist möglich, über dieses Verfahren und über die damit erzeugte Oberflächen­ schicht in der DE 195 45 050 A1 nachzulesen.

Die nach diesem Verfahren hergestellte DLC-Schicht besitzt nach außen hin eine nahezu glatte Oberfläche, die einen vernetzten Charakter hat. Diese DLC-Schicht überzieht gleichmäßig die Oberfläche des Grundkörpers und verhin­ dert neben der Schaffung guter Verschleiß- und Gleiteigenschaften auch das Eindringen von Feuchtigkeit bis zur Oberfläche des Grundkörpers (G).

Die genannten Schichten werden auch zum Zweck des Korrosionsschutzes eingesetzt.

Die in Fig. 2 dargestellte Schicht besitzt eine Schichtdicke der Nutzschicht NS zwischen 1,0 bis 10 µm und eine Härte < 2000 HV. Sie hat eine überdurch­ schnittliche Elastizität. Das Verhältnis der elastischen zur plastischen Verformung liegt bei 3,3.

Auch ohne Zwischenschicht ZS erreicht man ein gutes Haftvermögen. Eine Zwischenschicht ZS, vorzugsweise aus Reaktärmetallen W, Ta, Ti oder Nb, kann dieses Haftvermögen noch verbessern. Die Reibwerte dieser DLC-Schicht liegen bei 0,1 bis 0,2 bei den hier üblichen Belastungen. Das Kaltschweißverhalten dieser DLC-Schicht ist radikal reduziert.

Die in Fig. 3 dargestellte Nutzschicht NS kann wahlweise mit oder ohne Zwischenschicht ZS aufgebracht werden. Bei der Zwischenschichtva­ riante werden diese unmittelbar vor dem Aufbringen der DLC-Schichten abgeschieden. Nach der Fertigstellung jener dünnen (0,1 bis 1 µm) Refraktärmetall-Zwischenschicht werden gleich­ zeitig die DLC-Schichten und die Refraktärmetalle (durch Zerstäubung eines Refraktärmetalltargets) aufgebracht. Solche Refraktärmetalle sind Wolfram, Tantal, Titan oder Niob.

Der Prozeß des Auftragens derartiger Schichten MS während des eingangs definierten Verfahrens muß hier nicht im einzelnen beschrieben werden.

Es empfiehlt sich hier mit magnetfeldgestützter Gleichstromaufladung und DC-Magneto­ ren zu arbeiten.

Die Eigenschaften einer solchen Funktionsschicht (F = DLC + MS) liegen in der weiteren Reduktion der Eigenspannung der Schicht. Hier kann man Schichtdicken bis 15 µm arbeiten.

Die Haftung der Schicht wird verbessert. Der Metallanteil bestimmt auch im erheblichen Maße die Reibungs- und Verschleißeigenschaften dieser Schichten. Unter Verwendung einer Zwischenschicht ZS aus diesen Refraktärmetallen kann die Schichthaftung bis über 40 N vergrößert werden. Zwischenschichten aus einer Cr- oder Ni-Matrix mit eingefügten Diamantpartikeln sind zu empfehlen.

Die dritte Grundvariante ist in Fig. 4 dargestellt. Hier fügt man anstelle der Metallschichten MS, mehr oder weniger gleichmäßig verteilt, nichtmetallische Elemente, wie Flour, Silizium oder Sauerstoff ein. Die Schichtdicken betragen hier max. 8 µm. Es werden Härtegrade bis 1000 HV erreicht. Der besondere Vorteil dieser Schichten nach Fig. 4 besteht in der Reduzierung der Verschmut­ zungsneigung der Oberfläche.

Die Reibwerte werden bei allen Varianten gemäß Fig. 2, 3 und 4 in gleicher Weise gewährleistet. Unterschiedlich im praktisch nutzbaren Bereich ist lediglich die Härte der Schichten. Die notwendige Härte wird im einzelnen durch die Bedingungen beim Spinnprozeß bestimmt.

Das Prinzip des Auftragens dieser DLC-Schichten und die Bewerkstelligung der Haftung dieser Schichten auf den Grundkörper ist nicht abhängig von der Ver­ wendung von Stahl oder Eisen oder bestimmter Legierungsbestandteile des Eisens.

Es ist auch möglich, diese DLC-Schichten auf dem wesentlich einfacher herstell­ baren zerspanbaren Spinnring 1 aus einer Aluminiumverbindung anzuordnen.

Die Schichthaftung, die Verschleißwerte und der sehr günstige Reibwert werden auch hier problemlos erreicht.

Es kann jedoch notwendig werden, zusätzliche, unterschiedliche Zwischen­ schichten vorzusehen, mit denen eine schlagartige Festigkeitsänderung vermie­ den wird.

Es ist sinnvoll die Spinnringe 1 nicht nur im Bereich der Gleitflächen des Läufers 2 zu beschichten sondern den Gesamtkörper des Spinnringes 1 an sich.

Mit dieser Maßnahme erhöht man die Korrosionsbeständigkeit des Spinnringes insbesondere unter tropischen und subtropischen Bedingungen.

Es ist natürlich auch im Sinne der vorliegenden Erfindung den Läufer 2 mit mindestens einer DLC-Schicht zu versehen. Bei der Paarung von Läufer und Spinnring mit DLC Beschichtung ist natürlich zu beachten, daß nicht beide Teile der Paarung die gleiche Härte aufweisen. So kann man einem Spinnring 1 mit reiner DLC-Beschichtung einen Läufer 2 zuordnen bei dem Metallschichten MS oder Nichtmetallschichten NMS eingefügt sind.

Genau so kann man einem Läufer 2 mit reiner DLC-Schicht auch Spinnringe 1 zuordnen, die entweder mit Metallschichten MS oder mit Nichtmetallen NMS angereichert sind.

Alle Zwischenkombinationen sind möglich, wenn man die Graduierung von mindestens einer Stufe beachtet.

Bezugszeichenliste

1

Spinnring

2

Läufer

3

Spule
F Funktionsschicht
DLC, DLC', DLC' DLC-Schichten
MS Metallschicht
NMS Nichtmetallschicht
ZS Zwischenschicht
G Grundkörper

Claims (11)

1. Spinnring für Ringspinnmaschinen mit Gleitflächen zur Führung des Rin­ gläufers beim Spinnprozeß mit einer harten Oberflächenschicht, die überwiegend aus angelagertem Kohlenstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (F) der Oberflächenschicht eine plasma-modifizierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht (Diamant like Carbon = DLC), ist, die nach dem PECVD-Verfahren, (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) her­ gestellt wurde.

2. Spinnring für Ringspinnmaschinen mit Gleitflächen zur Führung des Rin­ gläufers beim Spinnprozeß mit einer harten Oberflächenschicht, die überwiegend aus angelagertem Kohlenstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (F) der Oberflächenschicht eine metallhaltige Polymer­ struktur aus plasma-modifizierten amphoren Kohlenwasserstoffschichten (DLC') ist, in die Refraktärmetalle (z. B. W, Ta, Ti oder Nb) eingefügt sind.

3. Spinnring für Ringspinnmaschinen mit Gleitflächen zur Führung des Rin­ gläufers beim Spinnprozeß mit einer harten Oberflächenschicht, die überwiegend aus angelagertem Kohlenstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (F) der Oberflächenschicht eine Polymerstruktur aus DLC''-Schichten mit eingefügten nichtmetallischen Elementen (F, Si, O₂) ist.

4. Spinnring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Grundkörper (Substrat G) des Ringes und der Funktions­ schicht (F) eine Zwischenschicht (ZS) aus Refraktärmetallen eingefügt ist.

5. Spinnring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Funktionsschicht (F = DLC) 1,0 bis 10 µm beträgt.

6. Spinnring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Funktionsschicht (F = DLC' + MS) 1,0 bis 15 µm beträgt.

7. Spinnring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Funktionsschicht (F = DLC + NMS) 1,0 bis 8 µm beträgt.

8. Spinnring nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche des Spinnringes (1) eine Funktionsschicht (F) mit mindestens einer DLC-Schicht aufweist.

9. Spinnring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (G) des Spinnringes (1) aus einer Aluminiumlegierung besteht.

10. Läufer für einen Spinnring, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Läufer mit mindestens einer DLC-Schicht nach einem der An­ sprüche 1 bis 3 versehen ist.

11. Spinnring-Läufer-Paarung, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elemente (1, 2) mit mindestens einer DLC-Schicht versehen ist und daß die Härte beider Elemente um mindestens eine Festigkeitsstufe von der des anderen Elementes abweicht.