DE2536515A1 - Maschinenelement, beispielsweise gleitlagerung oder gleitdichtung, mit zwei relativ zueinander umlaufenden und aufeinander gleitenden teilen - Google Patents
Maschinenelement, beispielsweise gleitlagerung oder gleitdichtung, mit zwei relativ zueinander umlaufenden und aufeinander gleitenden teilenInfo
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Description
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| DIPL. ING. K. | SBTTRG |
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| PHILIPPINE - WJH | ■>. ai»7« |
R.935
Augsburg, den 14. August 1975
Roll3-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square,
London SWlY 4JS, England
Maschinenelement, beispielsweise Gleitlagerung oder Gleitdichtung,
mit zwei relativ zueinander umlaufenden und aufeinander gleitenden Teilen
Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement, beispielsweise eine Gleitlagerung oder eine GIeitdichtung, mit zwei
relativ zueinander umlaufenden und aufeinander gleitenden
603810/0665
253G515
Teilen, von welchen eines verhältnismäßig starr und da3 andere verhältnismäßig nachgiebig ist.
Insbesondere beinhaltet die Erfindung Oberflächenüberzüge für derartige Maschinenelemente für hohe Drehzahlen,
beispielsweise für Membransegment-Gaslagerungen*
Im Betrieb von Membransegment-Gaslagerungen tritt
während des Anlaufs und des Auslaufs eine Berührung zwischen den beiden Lagerungsteilen ein und es besteht bei starker
Belastung auch die Möglichkeit, daß eine solche Berührung auch bei hohen Drehzahlen auftritt.
Um die Lebensdauer der Gleitflächen der Teile zu
erhöhen, sind diese bisher mit reibungsarmen Werkstoffen wie beispielsweise P,T,P.E überzogen worden. Diese Werkstoffe
sind jedoch nicht in der Lage, hohen Betriebstemperaturen standzuhalten, wie sie beispielsweise in
Gasturbinentriebwerken auftreten. Zur Schaffung einer Lagerung, die für die Verwendung in heißen Zonen einer
Gasturbine geeignet ist, ist es notwendig, einen überzug zu entwickeln, der sowohl die erforderlichen niedrigen
Reibwerte aufweist als auch Temperaturen bis zu 55O0C
standhält.
609810/088S
ORfGlNAL INSPECTED
Aus veröffentlichten Forschungsergebnissen ist es
bekannt, daß Oxide gewisser Metalle während eines Verschleißes bei erhöhten Temperaturen Glasuren bilden und daß diese
Glasuren günstige Reibeigenschaften besitzen. Diese bekannten Ergebnisse geben jedoch keine Lehre über eine Möglichkeit der
Anwendung derartiger Glasuren zur Verschleißminderung zwischen
sich relativ zueinander drehenden Teilen eines Maschinenelements der oben beschriebenen Artv
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur praktischen Anwendbarkeit der genannten Glasuren
zur Verschleißminderung der Gleitflächen von relativ zueinander
umlaufenden und aufeinander gleitenden Teilen zu finden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das verhältnismäßig starre Teil mit einem Oberflächenbelag
aus einem glasurbildenden Oxid mit einer Schichtdicke
zwischen 0,075 mm und 0,5 mm und das verhältnismäßig nachgiebige
Teil mit einem Oberflächenbelag aus einem glasurbildenden Oxid mit einer Dicke zwischen 0,0025 mm und 0,0125 mm
versehen ist.
Die gestellte Aufgabe wird also gemäß der Erfindung
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dadurch gelöst, daß auf den beiden Teilen Oberflächenbeläge aus glasurbildenden Oxiden mit unterschiedlichen Dicken
aufgebracht sind. Untersuchungen mit dem Erfindungs gegens tand, insbesondere mit Membransegment-Gaslagerungen, haben gezeigt,
daß Oxidschichten mit einer Dicke von über 0,025 nun bis 0,075 mm unter Betriebsbedingungen nicht über eine
größere Zeitspanne hinweg an dem verhältnismäßig nachgiebigen Teil anhaften, sondern infolge von elastischen
Verformungen dieses Teils abspringen. Wird die Dicke der Oxidbeläge jedoch verringert, so sind sie in stärkerem
Maße Verletzungen durch äußere Einwirkungen ausgesetzt, beispielsweise durch in die Lagerung hineingelangten
Staub.
Bei der erfindungs gemäße η Wahl der überzüge auf den
Lagerungsteilen springt das Oxid nicht von dem verhältnismäßig nachgiebigen Teil ab, und obwohl Fremdkörper den dünnen
Oxidbelag auf dem verhältnismäßig nachgiebigen Teil selbst so stark beschädigen können, daß das blanke Substratmetall
freigelegt wird, wird die Dicke der Oxidschicht auf dem verhältnismäßig starren Lagerungsteil nicht bis zur Freilegung
des blanken Metalls durchdrungen werden können, so daß ein Versagen der Lagerung verhindert wird© Außerdem weist
die dünne Glasurschicht Selbstheilungseigenschaften
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auf, da das freigelegte Substratmetall oxidiert und sich
infolge der reibenden Berührung die Glasur wieder ausbildet.
Die Dicke der Oxidschicht auf dem verhältnismäßig starren Teil liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,075 mm
und 0,175 nun, Die Dicke derOxidschicht auf dem verhältnismäßig
nachgiebigen Teil liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 mm.
Die Metalle zur Bildung der Oxidschichten sind vorzugsweise aus der Gruppe Nickel, Chrom, Eisen und Kobalt gewählt,
obwohl auch Oxide anderer Metalle Glasuren bilden können und grundsätzlich jedes glasurbildende Oxid geeignet
ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist eine Membransegment-Gas lagerung einen verhältnismäßig starren
Wellenzapfen auf, der von einer Vielzahl von Membransegmenten umschlossen ist. Der Wellenzapfen ist mit einem
glasurbildenden Oxid mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,075 mm und 0,175 mm überzogen und die Membransegmente
sind mit einer, aus einer Verbindung von Kobalt und Chromkarbid bestehenden Schicht überzogen, deren Oberfläche
bis in eine Tiefe von 0,0125 mm oxidiert ist.
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Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig, 1 eine Membransegment-Gas lagerung,
bei welcher die Erfindung Anwendung finden kann,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die
in Pig« I dargestellte Lagerung, welcher schema tisch die
Anordnung der Membransegmente und der Überzüge zeigt, und
Fig, 3 ein Membransegment mit
oxidierter Oberfläche«
Die in den Zeichnungen dargestellte Membransegment-Gaslagerung weist einen Wellenzapfen 2 auf, der drehbar
in einer Lagerbüchse 4 gelagert ist. Die Büchse H steht
fest und weist an ihrer Innenfläche eine Anzahl von Membransegmenten 6 auf, Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind
acht Membransegmente 6 vorgesehen, die jeweils einen Winkel von etwa 90° überdecken und sich gegenseitig jeweils um
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etwa 50 % überlappen. Die Membransegmente 6 sind in
Schlitzen in der Lagerbüchse 4 gehaltert. Membransegment-Gaslagerungen
sind an sieh bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3 215 480, und da sich die vorliegende Erfindung
auf die Behandlung der Gleitflächen dieser Lagerung und anderer Bauformen von Maschinenelementen bezieht, wird
die Lagerung hier nicht näher beschrieben.
Der überzug auf dem Wellenzapfen ist in Pig, 2 durch
die dicke Linie 8 dargestellt, und in Fig. 3 ist die oxidierte Oberflächenschicht eines Membransegments bei 10
dargestellt.
Im Betrieb einer derartigen Lagerung dreht sich der Wellenzapfen innerhalb der Membransegmente 6, und es wird
Luft zwischen die Membransegmente und den Wellenzapfen gezogen, so daß zwischen den Membransegmenten und einer
Gleitfläche auf dem Wellenzapfen ein Luftpolster entsteht, welches die Lagerbelastung trägt, ohne daß zwischen den
Gleitflächen der Lagerungsteile eine Berührung stattfindet»
Die oben beschriebene Lagerung stellt ein Ausführungsbeispiel einer Gaslagerung dar, welches ohne die übliche
ölschmierung getrieben wird. Derartige Lagerungen müssen ge·
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wohnlich während des Anlaufs während einer gewissen Zeitspanne
trocken laufen, wobei eine Berührung zwischen den Gleitflächen stattfindet, bis sich das Luftpolster gebildet
hat und sich der Wellenzapfen von der Gleitfläche der Lagerbüchse abhebt. Während dieser Zeitspanne sind
die Gleitflächen infolge der Reibung dem Verschleiß unterworfen und es sind sehr glatte, verschleißbeständige Gleitflächen
erforderlich.
Die Erfindung beinhaltet eine Oberflächenbehandlung, die insbesondere bei Gaslagerungen anwendbar ist und eine
sehr glatte Oberfläche mit niedrigen Reib- und Verschleißeigenschaften
erzeugt.
Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen eine Membransegment-Gaslagerung
der mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Art simuliert wurde, wobei jedoch nur ein
einziges Membransegment verwendet wurde, welches derart übereinem Wellenzapfen montiert war, daß es bei verschiedenen
Lagerdrücken in Reibberührung mit einer besonders ausgebildeten Gleitfläche auf dem Wellenzapfen
in Berührung gebracht werden konnte. Der Wellenzapfen wurde während dieser Versuche mit einer Drehzahl von
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etwa 5500 U/min gedreht und es wurde eine Reihe von Stop-Start-Zyklen durchgeführt, um die Anlaufperiode
einer Luftlagerung darzustellen. Jeder Versuch wurde beendet, wenn ein Aufschwimmen des Wellenzapfens auftrat.
Verschiedene Kombinationen von Oxidüberzügen wurden untersucht und es hat sich gezeigt, daß sie der Lagerung
keine beträchtliche Lebensdauer verleihen. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß, wenn sowohl der Wellenzapfen als
auch die MembranSegmente in einer Schichtdicke zwischen
0,025 mm und 0,05 mm mit einem Chrom oder Kobalt in oxidierbaren Mengen enthaltenden Material überzogen wurden und die
Oberflächenschichten der überzüge bis in eine Tiefe von 0,005 mm durch Erhitzen in der Luft oxidiert wurden, die
Lagerung Beschädigungen durch Staubpartikelchen aus der Luft ausgesetzt war, welche die Oxidschichten verkratzten und
das Substratmetall des Wellenzapfens und der Membransegmente freilegten. Die sich folglich ergebende Metall-Metall-Berührung
verursachte ein Versagen des Lagers.
Dicke Oxidüberzüge auf dem Membran segment brachen
jedoch bei Biegungen des Membran segments auf.
Die Lösung dieser Probleme ist das Aufbringen eines
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Oxidüberzuges mit einer Dicke zwischen 0,075 mm und 0,175 mm auf dem Wellenzapfen und eines Oxidüberzugs auf dem Membransegment
mit einer Dicke zwischen 0,0025 mm und 0,0125 mm«
Auf diese Weise ist die Oxidschicht auf dem Membransegment dünn genug, um sich ohne Rißbildungen im Betrieb
mit dem Membransegment biegen zu können, und es wird eine Metall-Metall-Berührung auch nach dem Hineingelangen von
Fremdkörperchen vermieden, da das Zerkratzen der Oxidoberfläche des Wellenzapfens nicht tief genug ist, um
das Substratmaterial des Wellenzapfens freizulegen. Außerdem
weist die dünne Oxidschicht auf dem Membransegment Selbstheilungseigenschaften auf und die Kratzer werden
infolgedessen schnell wieder geglättet, so daß wieder eine kontinuierliche Oxidoberfläche entsteht.
Der dicke Oxidüberzug auf dem Wellenzapfen wurde durch Plasmaspritzen von Kobaltoxid oder Chromoxid unmittelbar
auf den Wellenzapfen hergestellt. Das Kobaltoxid schien zwar die bessere Glasur zu ergeben, es traten aber Schwierigkeiten
beim Aufsprühen des Oxids auf. Das Chromoxid konnte mittels eines kommerziell verfügbaren Verfahrens aufgebracht
werden. Selbstverständlich können auch andere glasurbildende Oxide Anwendung finden. Die Dicke der überzüge
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2 5 3 G B 1
auf-dem Wellenzapfen kann abgewandelt werden, jedoch ist
ein Minimalwert von 0,075 mm erforderlich, um ein Durchkratzen des Überzuges durch Staub oder Abriebteilchen
zu verhindern, welche normalerweise in der Umgebung der Lagerung vorhanden sind» Insbesondere bei einem Gasturbinentriebwerk
erscheint eine überzugsdicke von bis zu 0,25 mm erforderlich, damit ein ausreichender Sicherheitsspielraum
vorhanden ist. Es können auf der Welle auch überzüge mit
einer Dicke von bis zu 0,5 mm verwendet werden, jedoch wurde bei dieser Dicke nach einer verhältnismäßig kurzen Lebensdauer
schon ein gewisses Abspringen bzw. Rissigwerden beobachtet.
Ein direktes Plasmaaufspritzen des Oxids auf das Membransegment hat sich als nicht möglich herausgestellt,
jedoch ist hier ein Aufdampfen möglich.
Das bevorzugte Verfahren bestand darin, zuerst das Membransegment mit einem Gemisch aus 75 Volumenprozent
Kobalt und 25 Volumenprozent Chromkarbid bis auf eine Dicke zwischen 0,025 mm und 0,05 mm zu überziehen und
dann den Oberflächenbelag bis in eine Tiefe von etwa 0,05 mm durch Erhitzen in Luft zu oxidieren.
Das Kobalt-Chrom-Karbid-Gemisch ist unter der Bezeichnung TRIBOMET lOHC bekannt,
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6G981Q/0665
ORIGINAL INSPECTED
Die Vorbereitung der Lagerflächen war wichtig zur Erzeugung der erforderlichen Fertigoberfläche, und das
Verfahren, welches die besten Ergebnisse ergab, war folgendes: Die Wellenzapfenoberfläche wurde mit Dampf
abgeblasen und mit einem Haftüberzug aus Nickelaluminid
bis auf eine Dicke von 0,05 mm bis 0,075 mm bespritzt.
Sodann wurde Kobaltoxid oder Chromoxid bis auf eine Dicke von 0,25 mm durch Plasmaspritzung aufgetragen» Die Wellenzapfenoberfläche
wurde dann geschliffen und zur Herstellung einer glatten Fertigoberfläche geläppt. Eine ähnliche
Behandlung ist auch bei anderen Oxidüberzügen anwendbar.
Das Membransegment, welches aus einer unter dem Namen NIMONIC 90 bekannten Nicke Ib as is legierung hergestellt
und 0,125 mm dick war, wurde zuerst säuregeätzt und dann mit TRIBOMET 104C bis auf eine Schichtdicke zwischen 0,025 mm
und 0,0375 mm galvanisiert. Der Oberflächenbelag wurde dann auf eine Dicke von 0,0125 mm bis 0,025 mm diamantgeläppt,
so daß sich eine Fertigoberflächenschicht mit einer mittleren Schichtdicke von 0,025 nun bis 0,05 mm
ergab. Die Fertigoberfläche war spiegelblank. Für den TRIBMOET 104C-Belag können Dicken von etwa 40 % der Membransegmentdicke
verwendet werden, wobei eine minimale Dicke von etwa 0,05 mm zu bevorzugen ist· Das Läppen
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609810/0665
stellte sicher, daß die Dicke des Meinbranseginentsubstrats mit dem überzug bis auf 0,005 mm bis 0,01 mm gleichförmig
war.
Das überzogene Membransegment wurde dann in Luft durch Erhitzen auf 60O0C während vier Stunden oxidiert, was einen
gleichförmigen Oxidüberzug mit einer Dicke von 0,005 mm
ergab.
Die Erfindung wurde oben mit Bezug auf eine besondere Bauart eines bekannten Luftlagers beschrieben« Die erfindungsgemäße
Oberlächenbehandlung ist selbstverständlich auch bei jedem anderen Maschinenelement der beschriebenen Art anwendbar,
beispielsweise bei Dichtungen, die eine verhältnismäßig starre Komponente und eine verhältnismäßig nachgiebige
Komponente aufweisen, welche mit sehr kleinen Spielräumen relativ zueinander umlaufen.
Einer der Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung
liegt darin, daß der Oxidüberzug einen hohen Schmelzpunkt aufweist, weshalb Lagerungen mit den
oxidierten Oberflächen bei viel höheren Temperaturen als bekannte Lagerungen eingesetzt werden können. Beispielsweise
sind bekannte Gasturbinenlagerungen nur bis zu einer
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Betriebstemperatur von unterhalb 25O°C anwendbar, was von
der Betriebstemperaturgrenze des erforderlichen Schmieröls
herrührt. Luftlager mit oxidierten Oberflächen können auch noch bei Temperaturen von über 55O°C betrieben
werden und ihr Temperaturgrenzwert ist mehr durch den Substratwerkstoff als den Oxidüberzug bestimmt. Außerdem
sind die Selbstheilungseigenschaften der Oxidglasur mit steigender Betriebstemperatur besser.
b09810/0665
Claims (1)
- Patentansprüchel\ Maschinenelement, beispielsweise Gleitlager oder Gleitdichtung mit zwei relativ zueinander umlaufenden und aufeinander gleitenden Teilen, von welchen eines verhältnismäßig starr und das andere verhältnismäßig nachgiebig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das verhältnismäßig starre Teil mit einem Oberflächenbelag (8) aus einem glasurbildenden Oxid mit einer Schichtdicke zwischen 0,075 mm und 0,5 mm und das verhältnismäßig nachgiebige Teil mit einem Oberflächenbelag (10) aus einem glasurbildenden Oxid mit einer Schichtdicke zwischen 0,0025 mm und 0,0125 mm versehen ist.2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidbelag auf dem verhältnismäßig starren Teil eine Dicke zwischen 0,075 mm und 0,175 mm aufweist.3. Maschinenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das verhältnismäßig starre Teil aufgebrachte glasurbildende Oxid ein Kobaltoxid ist,M, Maschinenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das verhältnismäßig starre Teil aufgebrachte glasurbildende Oxid ein Chromoxid ist.- 15 -5. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verhältnismäßig nachgiebige Teil mit einem Gemisch aus Kobalt und Chromkarbid überzogen ist, und daß dieser Oberflächenbelag zur Herstellung einer glasurbildenden Oxidschicht oxidiert ist.6. Maschinenelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gemisch aus 75 Volumenprozent Kobalt und aus 25 Volumenprozent Chromkarbid besteht.7. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe eine Membransegment-Gaslagerung ist und daß bei dieser der Wellenzapfen das verhältnismäßig starre Teil und eine Anzahl von biegsamen, den Wellenzapfen im Betrieb auf einem Gaspolster tragenden Membransegmenten das verhältnismäßig nachgiebige Teil darstellen.8. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenbelages aus einem glasurbildenden Oxid auf der Oberfläche eines dünnen Membran segments einer Membransegment-Gas lagerung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Kobalt und Chromkarbid mit einer Schichtdicke von bis zu HO % der Membransegmentdicke durch Aufgalvanisieren aufgebracht wird und daß die Oberfläche dieses Überzugs bis in eine- 16 -609810/0665Tiefe von 0,0025 mm bis 0,0125 mm durch Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre oxidiert wird.- 17 -6098 10/0665Λ*Leerseite
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OGA | New person/name/address of the applicant | ||
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |