DE2929510A1 - Tribologische schichten zum schutz von maschinenelementen vor verschleiss und korrosion - Google Patents

Tribologische schichten zum schutz von maschinenelementen vor verschleiss und korrosion

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Description

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Tribologische Schichten zum Schutz von Maschinenelementen vor Verschleiß und Korrosion
Es ist bereits bekannt, daß harte Schichten auf der Basis der Nitride, Carbide, Carbonitride, Boride, Silicide und Oxide von Elementen der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente verschleißfeste Eigenschaften haben.
Durch gezielte Paarung von obigen Hartstoffschichten kann eine weitere bedeutende Verbesserung der Eigenschaften von Maschinenelementen erzielt werden, insbesondere im Hinblick auf deren Anwendung in extremen Umweltbedingungen. Extreme Umweltbedingungen zeichnen sich durch das Einwirken von hohen Temperaturen und/oder hohen Drücken und/oder guten Vacua und/oder die Anwesenheit von chemisch aggressiven, korrosiven Medien aus. Diese extremen Umweltbedingungen können vor allem in der chemischen Verfahrenstechnik, in der Nukleartechnik, im Weltraum und im Waffenbau festgestellt werden. Sie äußern sich durch chemischen Angriff, der zur Korrosion und zum vorzeitigen Versagen von Maschinenelementen führt, und durch erhöhten Verschleiß bei Anwendungen in der Kernreaktortechnik und im Weltraum aufgrund des ungünstigen Reibungsverhaltens klassischer Konstruktionsmaterialien bei erhöhter Temperatur und in hohem Vakuum.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf hin, durch Einführung von geeigneten Schutzüberzügen klassischen Konstruktionsmaterialien den Zugang in den Apparate- und Maschinenbau für Anwendungen in extremen Umweltbedingungen zu sichern. Darüber hinaus helfen diese Schutzüberzüge auch ia konventionellen Maschinenbau, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betroffenen Elemente zu erhöhen.
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Durch Abscheidung von Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Boriden, Siliciden und Oxiden von Elementen der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente auf metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen können deren Oberflächeneigenschaften erfindungsgemäß den jeweiligen Anwendungsbedürfnissen angepaßt werden. Diese Abscheidung kann mittels Gasphasenreaktion chemisch oder physikalisch oder mittels Festkörper- oder FlUssigphasentransportreaktion hergestellt werden.
Auswahlkriterium für die Schichtpaarung sind die chemischphysikalischen Eigenschaften bestimmter Schichtkombinationen im gewünschten Anwendungsbereich und die Verwendbarkeit eines Grundstoffes für eine bestimmte Beschichtungsmethode. Nach der eingeführten Reibungs- und Verschleißtheorie sollten in Reibungskontakt befindliche Elemente so gepaart sein, daß der eine hart und der andere weich ist und sie sich gegenseitig nicht lösen. Die nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen tribologischen Paarungen sind derart, daß beide Partner eine hohe Härte haben und ineinander vollständig mischbar sind. Ihre Anwendung wird durch die nachfolgenden Beispiele gezeigt, welche die Erfindung im einzelnen erläutern.
Beispiel 1
Die chemische Verfahrenstechnik bedient sich zur Herstellung bestimmter thermodynamischer Gleichgewichte, die die Voraussetzung für die Synthese vieler neuartiger Werkstoffe sind, in zunehmendem Maße niedriger Drücke im Mittel- und Feinvakuumbereich. Die dabei anfallenden Spalt- und/oder Reaktionsnebenprodukte sind vielfach Dämpfe von Säurei und Basen, die die Pumpenelemente korrodieren. Drehkolben und Drehschieberpumpen, die zusammen mit Kühlfallen zur Zeit in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung finden, müssen häufig gewartet werden, um bei Anwesenheit von Säure-"und Basendämpfen die notwendige Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu erreichen.
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Nach vorliegender Erfindung werden die Pumpenkavität mit Titannitrid und die drehenden Pumpeneleraente, wie Kolben oder Drehschieber, mit Titancarbid beschichtet. Titannitrid bzw. Titancarbid wird in Form einer 2 bis 5,um dicken, rissefreien Schicht nach einem bekannten Verfahren, z.B. dem aus der CH-PS 452 205 bekannten Verfahren für die Beschichtung von metallischen und nichtmetallischen Gegenständen durch Abscheidung aus der Gasphase, auf die zu schützenden Pumpenelemente aufgetragen.
Die Reibungspartner Titancarbid gegen Titannitrid zeichnen sich durch einen niedrigen dynamischen und statischen Reibungskoeffizienten aus und haben hervorragende verschleißmindernde Eigenschaften. Da der Reibungskoeffizient TiC-TiN mit veränderlicher Temperatur, Druck und Feuchtigkeit weitgehend konstant bleibt, sind solchermaßen geschützte Pumpenelemente weniger anfällig gegen Störungen des Schmiermechanismus und haben hervorragende Notlaufeigenschaften bei Versagen derselben.
Die Korrosionsbeständigkeit von TiN und TiC schützt darüber hinaus die Pumpenelemente, wie Kolben, Drehschieber, Kavitätsinnenraura usw., vor chemischem Angriff, und es ist somit möglieb, herkömmliche Pumpen den hohen Anforderungen der chemischen Industrie zugänglich zu machen, ohne auf kostspielige Sonderkonstruktionen zurückgreifen zu müssen.
Es ist offensichtlich, daß dieser Schutzmechanismus, der die tribologischen und mechanischen Eigenschaften der Vakuumpumpen verbessert, auch für Pumpen von korrosiven Flüssigkeiten und Schmelzen verwendet werden kann.
Beispiel 2
Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von heliumgekühlten Kernreaktoren ist es notwendig, zu immer höheren Temperaturen (bis 900° C) zu gehen. Diese erhöhten Temperaturen im hochreinen Edelgas bewirken eine Desorption aller schützenden
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Oxidschichten auf der Oberfläche von tribologisch funktioneilen Flächen. Daraus resultiert eine starke Verschweißneigung der betroffenen Reibungspartner und unzulässig hohe Reibungskoeffizienten.
Die neben den hohen Temperaturen sehr hohen Drücke machen es notwendig, in der Tribologie von Kernreaktorarmaturen die relative Konstanz des Reibungskoeffizienten von TiC-TiN sowie deren Charakter, als Diffusionsbarriere zu wirken, einzusetzen. Lager für Drücke bis 250 Mp pro Auflagestelle können in käfigloser Ausführung mit Wälzkörpern, die abwechselnd mit TiC und TiN beschichtet wurden, hergestellt werden. Das Konstruktionsmaterial der Ringe und Wälzkörper muß den Temperaturen und der Genauigkeitsklasse des Lagers angepaßt werden.
Der niedrige Reibungskoeffizient TiC-TiN gewährleistet ein Funktionieren der Lagermit günstigem Reibungsverhalten und verhindert ein Verschweißen der Lagerelemente bei längerem Stillstand. Abhängig von den dynamischen .Anforderungen an das Lager kann eine zusätzliche Trockenschmierung mittels aufgestäubtem MoS2 vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt somit herkömmlichen Konstruktionsmaterialien beim Bau von tribologischen Elementen der Kernreaktortechnik Anwendung zu finden.
Beispiel 3
Bei Gyroskopen, die unter Weltraumbedingungen, d.h. Drücken bis 10 Torr und Temperaturen bis 200 C, betrieben werden, muß durch geeignete Konstruktionsmaßraahmen eine Schmierung gewährleistet werden.
Erfindungsgemäße Lagerelemente können unter Ausnutzung des niedrigen Reibungskoeffizienten einer Hartstoffpaarung TiC-SiC, wobei die Lagerringe mit Titancarbid und die Rollelemente mit
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SiC beschichtet werden, wartungsfrei gemacht werden. Auch in diesem Fall kann eine zusätzliche Beschichtung mit MoS2 erforderlich werden.
Die erfindungsgemäßen Lagerelemente können auch in klassisch geschmierten Gyroskopen verwendet werden und ergeben dadurch hervorragende Notlaufeigenschaften.
Beispiel 4
Im Hochofenbau müssen Lagerelemente bei Temperaturen bis 850° C in oxydierender Atmosphäre betrieben werden. Durch Beschichten der Rollelemente mit Si3N4 und der zugeordneten Laufbahnen mit MoSi2 wird die hohe Oxydationsbeständigkeit von SigN. und das gute Reibungsverhalten von MoSi2 ausgenutzt, um herkömmliche Materialien in einem höheren als sonst üblichen Temperaturbereich anwenden zu können.
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Claims (4)

  1. Patentans pr ü c h e
    1f Maschinenelemente, die rollenden und gleitenden Beanspruchungen ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibepartner durch Überzüge mit niedrigen statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten geschützt sind, die nach ihrem tribologischen Verhalten ausgewählt sind und die aus Carbiden und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden und/oder Boriden und/oder Siliciden und/oder Oxiden von Elementen der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente in Form von Mischungen oder Mischkristallen bestehen, die in geeigneter Weise aufgetragen und nach ihren physikochemischen Eigenschaften dem Anwendungszweck entsprechend kombiniert sind.
  2. 2. Maschinenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Reibepartner einen Titancarbidüberzug und der andere einen Titannitridüberzug enthält.
  3. 3. Maschinenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Reibepartner einen Titancarbidüberzug und der andere einen Siliciumcarbidüberzug enthält.
  4. 4. Maschinenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Reibepartner einen Siliciumnitridüberzug und der andere einen Molybdänsilicidüberzug enthält.
    90988B/0913
    MÜNCHEN: TELEFON (O89) 32BBSS
    KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24244
    BERLIN: TELEFON (O3O) 8312088
    KABEL: PROPINDUS - TELEX O1 84O57
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