DE3413164C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fressen ist eine Art Verschleiß aufgrund von Haftung, der bei relativ hohen Belastungen größte Schäden hervorruft. Das Festsetzen ineinandergreifender Teile ist häufig das Ergebnis starken Fressens und tritt gewöhnlich nach kurzer Benutzung von Einrichtungen auf. Besonders ver­ schraubte Teile sind für ihre Neigung zum Festsetzen bekannt.

Wenn zwei Flächen unter Belastung zusammengepreßt werden, bilden die aufeinander einwirkenden Oberflächen starke Bindungen aufgrund des lokalen hohen Drucks und der durch Bewegung erzeugten Wärme aus. Wenn sich diese Verbindun­ gen an der Grenzfläche lösen, tritt nur ein geringer Schaden auf und die Teile laufen glatt aneinander. Wenn andererseits Brüche in einem der Materialien auftreten, sind große Schäden die Folge. Dieser Schaden wird Fressen genannt.

In der Vergangenheit wurden organische und anorganische Schmiermittel zur Verhinderung von Schäden durch Fressen angewandt. Eines der bekannten Verfahren ist die metallische Galvanisierung mit Zinn und/oder Zink, die schwere Umweltprobleme aufwirft. Ebenfalls verwendet wur­ den Beschichtungen durch Phosphatumwandlung, wobei aber ebenfalls Umweltprobleme auftreten; darüber hinaus sind diese Beschichtungen nur auf bestimmte Substrate aufbring­ bar. Schmiermittel, wie das sogenannte "API"-Gewinde- Schmiermittel, werden bei Schraubverbindern verwendet, um ein Gleiten der bewegten Teile zu ermöglichen, sofern diese nicht chemisch, thermisch oder physikalisch zer­ stört oder verdrängt werden. Wenn jedoch der Schmierfilm zerstört wird, setzt eine Kaltverschweißung der sich berührenden Oberflächen ein. Kaltver­ schweißungen führen zur Zerstörung durch Fressen der in­ einandergreifenden Flächen.

Die GB-PS 14 36 459 offenbart in erster Linie die Beschichtung einer Bohrmeißeloberfläche durch das bekannte Ionenbeschichtungs­ verfahren, um den Verschleiß der Schneiden zu verringern und damit die Standzeit des Werkzeuges zu erhöhen.

Aufgabe ist es, das Fressen zweier Metalloberflächen, wie sie beispielsweise bei einer lösbaren Schraubenverbindung aufeinander wirken, zu verhindern und damit Zerstörungen der Elementever­ bindung vorzubeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Schnitt einer Schraubverbin­ dung zweier Rohrelemente;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt eines Gewindegangs eines der Rohrelemente gemäß Fig. 1, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurde;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt eines Gewindegangs eines der Rohrelemente gemäß Fig. 1, der nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren be­ schichtet wurde;

Fig. 4 ein Diagramm, das wiedergibt, wie sich die Zusam­ mensetzung der nach dem Verfah­ ren hergestellten Schichten bei Mehrfachbeschich­ tungen ändert;

Fig. 5 Schematisch den Einsatz von Ionenbeschichtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 6 schematisch den Einsatz von Zerstäubungsverfah­ ren zur Durchführung des Ver­ fahrens; und

Fig. 7 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Beschichtung von Gewinde­ elementen eines langgestreckten Rohrelements.

Das Verfahren zur Verhinderung von Fres­ sen ist für viele verschiedene Anwendungen geeignet. Das Problem des Fressens bei Gewindeverbindungen tritt beson­ ders in der Öl- und Gasindustrie beim Verbinden und Lösen von Förderleitungen auf. Das Problem des Fressens ist besonders groß bei Rohrleitungen aus hochlegiertem rost­ freiem Stahl und bei Legierungen auf Nickelbasis, die bei der Ölförderung zur Überwindung von Korrosion in Bohr­ löchern verwendet werden.

Fig. 1 zeigt ein rohrförmiges Element, beispielsweise ein erstes Rohr 10, mit ersten Gewindegängen 12, die mit zweiten Gewindegängen 14 auf einem mit dem ersten Rohr 10 zusammenwirkenden rohrförmigen Element, beispielsweise einem zweiten Rohr 16, zusammenwirken. Die Schraubverbin­ dung zwischen den Rohren 10 und 16 weist ebene Flächen 20 und 22 sowie Dichtungsbereiche 24 und 26 auf. In Fig. 1 ist eine spezielle Verschraubung dargestellt; das erfin­ dungsgemäße Verfahren bezieht sich jedoch auf alle Arten von Verschraubungen. Fressen kann zwischen beliebigen Teilen der Verschraubung auftreten, jedoch treten üb­ licherweise die größten Schäden durch Fressen in den Dichtungsbereichen 24 und 26 auf.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Metall­ schicht aufgebracht, die in die Oberfläche der metallenen Gewindegänge 12 und 14, der ebenen Fläche 20 und 22 sowie der Dichtungsbereiche 24 und 26 stufenweise eingebracht wird. Die Metallschicht wird als integraler Teil des Substrat-Atomgitters als gleichmäßig abdeckende Schicht mit gleichbleibender Dicke mittels Hochenergieablagerung von atomgroßen Teilchen des gewünschten, zweckmäßigen Materials aufgebracht. Die Metallschicht kann irgendein relativ weiches Metall mit niedriger Reibung, guter Haf­ tung und geringer Scherfestigkeit sein, z. B. Gold, Sil­ ber, Blei, Zinn, Indium, Palladium oder Kupfer, das mit Hilfe von Hochenergie-Ionenbeschichtung als dünne, direkt mit dem maschinell bearbeiteten Gewindeprofil verbundene Schicht aufgebracht wird. Insbesondere wird mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ein mit einer dünnen Schicht ver­ sehenes, maschinell bearbeitetes Profil geschaffen, auf dessen Außenfläche eine oder mehrere Schichten mittels Ionenbeschichtung mitPartikeln hoher Energie aufgebracht sind. Es können auch andere Arten weicher Schichten ver­ wendet werden, wie z. B. anorganische Verbindungen mit Schichtgitterstruktur etwa Molybdändisulfid.

Außerdem kann es bei Verwendung von korrosionsbeständigen Legierungen für die Rohre 10 und 16 erwünscht sein, eine oder mehrere Grenzschichten aus hartem Metall vorzusehen, etwa aus Chrom, Titan oder aus verschiedenen gehärteten, hitzebeständigen Materialien wie Metallkarbid, Metall­ nitrid, keramischen Substanzen oder Keramik-Metall-Ver­ bundwerkstoffen (cermets). In diesem Fall vermischt sich das Äußere der harten Schichten mit einer Lage der weiche­ ren, mechanisch isolierenden Schichten, so daß die härte­ re Ausgangsdeckschicht gleitfähig wird.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Gewinde­ gangs 14, aus dem der aus einer dünnen Schutzschicht sowie einer Außenschicht bestehende, abgestufte Aufbau der Legierung ersichtlich ist, wobei beide Schichten mit­ tels Bedampfung mit Teilchen hoher Energie oder mittels eines Ionenbeschichtungsverfahrens aufgebracht wurden. Bei Beginn der Ablagerung kommen die aufgrund der elek­ trischen Ladung beschleunigten Ionen an und werden in der Substrat-Gitterstruktur 30 begraben. Während des Aufbaus der Schicht, beispielsweise bei Verwendung harter Metalle wie Chrom, wird eine dünne Schicht 32 abgelagert, die der Oberfläche des zweiten Gewindeganges 14 Festigkeit und Haltbarkeit verleiht. Bei weiterem Schichtaufbau beginnt die Abstufung der Materialien, wobei das harte, unten liegende Material der dünnen Schicht 32 stetig prozentual abnimmt, während der prozentuale Anteil einer äußeren Materialschicht 34, beispielsweise aus Gold, stetig zu­ nimmt. Die Gesamtdicke der beiden Schichten 32 und 34 beträgt etwa 1 bis 1,2 µm. Die Materialschicht 34 kann beispielsweise etwa 0,2µm betragen. Auf Wunsch können auch mehrere Schichten verwendet werden, beispielsweise eine innere Schicht aus Titan, eine zweite Schicht aus Titankarbid und eine äußere Schicht aus Titannitrat.

In Fig. 3 ist eine Beschichtung des Gewindegangs 14 mit einer einzigen Schicht dargestellt. Die einschichtige Be­ schichtung kann dort verwendet werden, wo Fressen weniger schwerwiegend ist, als dies dort der Fall ist, wo mehr­ schichtige Beschichtungen gemäß Fig. 2 notwendig sind. Eine aus einem einzigen Element bestehende Beschichtung kann aus einer einzigen Materialschicht 36 bestehen, die mittels eines Teilchen hoher Energie verwendenden Ionen­ beschichtungs-Verfahrens auf den Gewindegang 14 aufgebracht wird. Es hat sich herausgestellt, daß aufgrund von ein­ schichtigen Beschichtungen aus Kupfer, Indium oder Gold Gestängerohrverbindungen 10mal zusammen- und auseinander­ gebaut werden können, während dies bei unbeschichteten Verbindungen nur halb so oft der Fall ist.

Um die Haftung der Materialschicht 36 auf dem Gewindegang 14 zu verbessern oder um Probleme zu vermeiden, die auf einer schwachen Affinität der Materialschicht 36 mit dem Gewindegang 14 beruhen, ist eine dünne Schicht bzw. Zwischenschicht 38 von etwa 0,2 µm vorteilhaft, die aus einem wechselseitig aktivem Material wie Nickel besteht. Die gleichmäßige, dreidimensionale Beschichtungscharak­ teristik der Ionenbeschichtung ermöglicht auch das Schichtwachstum auf einer der mit einem Pfeil 42 angezeig­ ten Plattierungsströmung abgewandten Fläche 40.

Fig. 4 zeigt eine Skizze der Legierungszusammensetzung in Prozent über der Ablagerungsstärke eines Materials A, Linie 44, und eines Materials B, Linie 46. Material A kann beispielsweise eine Chromschicht 32 gemäß Fig. 2 und Material B beispielsweise eine Goldschicht ent­ sprechend der äußeren Materialschicht 34 in Fig. 2 sein. Für die ersten 0,4 µm der Dicke ist die Schicht 32 wesentlich härter. Bei weiterer Ablagerung beginnt sich das weichere Material B der Schicht 34 abzulagern und prozentual zuzunehmen, während der Anteil des Materials A der Schicht 32 abnimmt. In den äußeren 0,2 µm der Dicke besteht die Schicht im wesentlichen ganz aus weicherem Material beispielsweise aus Gold wie in der Schicht 34.

Das Aufbringen der dünnen Schichten auf die Rohre 10 und 16 kann durch mehrere verschiedene Verfahren ausgeführt werden, z. B. durch chemisches Bedampfen, durch Verdampfen im Vakuum, was auch als physikalisches Bedampfen bezeich­ net wird, durch Zerstäuben mit Hochfrequenz, Gleichstrom und verschiedenen Magnetronarten sowie durch Ionenplattie­ rungen gemäß US-PS Re. 30 401 (Reissue-Patent).

Wichtig ist bei dem Verfahren, das ver­ besserte Ionenbeschichtungsverfah­ ren mit hoher Teilchenenergie, die zum Beschichten von Substraten wie Rohrgewinden mit vielen verschiedenen Ma­ terialien bei einer hohen Ablagerungsrate nötig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen hohen Energie­ fluß zur Substratoberfläche, was zu einer hohen Ober­ flächentemperatur, einer besseren Diffussion und besseren chemischen Reaktionen führt, ohne daß eine Erwärmung (bulk heating), eine Änderung der Oberfläche oder der Grenzflächenstruktur notwendig wäre, und ohne daß sich die Schicht bei der Ablagerung physikalisch vermischt. Mit der Ionenbeschichtung werden schnelle Ablagerungsraten erreicht, die dünne Schichten von einigen Millimetern und nicht nur von einigen Zehntel µm Dicke ermöglichen. Die erhöhte, den Ionen erteilte Ausgangsleistung erleichtert vorteilhaft die Beschichtung von großen ungleichmäßig ge­ formten Gegenständen und von innen liegenden Durchmessern und Gewindegängen mit einer gleichmäßigen Schicht, deren Stärke sehr dünn, aber auch bis zu einigen Millimetern dick sein kann.

In Fig. 5 ist die verbesserte Ionen­ beschichtungsvorrichtung mit einer Verdampfungsquelle dar­ gestellt, in der die durch Verdampfung freiwerdenden Atome durch Zusammenstöße mit Elektronen ionisiert wer­ den, während sie durch ein Magnetfeld hindurch zum Sub­ strat wandern, um das Material, das in das Substrat eingebracht werden soll, im Bereich des Substrats in plasmatischen Zustand zu versetzen. Die zur Verwendung bei dem Verfahren geeignete Vorrichtung 50 hat ein eine Kammer ein­ schließendes und zur Erzeugung von Vakuum geeignetes Ge­ häuse 52. Das Gehäuse 52 kann senkrecht oder horizontal angeordnet sein und besteht aus einem beliebigen Mate­ rial, das zur Aufrechterhaltung von Vakuum geeignet ist. Das Gehäuse 52 hat einen von einem ersten Ventil 56 gesteuerten Auslaß 54, der zu einer nicht dargestellten Pumpe zur Evakuierung des Gehäuses 52 führt. Die Ionen­ beschichtungsvorrichtung 50 kann über ein zweites Ventil 57 wieder auf Atmosphärendruck gebracht werden.

Im Gehäuse 52 befindet sich eine Befestigung 58 zum Halten eines oder mehrerer Substrate 60. Wie in Fig. 5 dargestellt, weist das Substrat 60 ein Innengewinde für eine Rohrverbindung auf. Es sind eine Gleichspannungs­ quelle 61 sowie eine Hochfrequenzquelle 62 vorgesehen, die mit der Befestigung 58 verbunden sind, um von einer Materialverdampfungsquelle ausgehende positive Ionen in Richtung auf das Substrat 60 anzuziehen. Als Verdampfungs­ quelle kann jede beliebige, geeignete Quelle zur Ver­ dampfung von Beschichtungsmaterial gewählt werden, bei­ spielsweise ein feuerfester Bolzen, eine Elektronenstrahl­ kanone, ein durch Induktion erhitzter Tiegel, ein Lichtbo­ gen oder, wie in Fig. 5 dargestellt, ein oder mehrere elektrische Drähte, die als Verdampfungsquellen 64 und 66 dienen, und die jeweils mit Spannungsquellen 68 und 70 verbunden sind. Zwei solche Verdampfungsquellen 64 und 66 können zur Ablagerung verschiedener Materialien und zur Ablagerung zu verschiedenen Zeiten verwendet werden.

Mit dem Gehäuse 52 ist eine von einem Dosierventil 74 gesteuerte Gasversorgungsleitung 72 verbunden, durch die ein Eingangsgas in das Gehäuse 52 eingebracht werden kann. Das eingeleitete Gas kann ein Edelgas oder ein leitendes Gas zur Durchführung spezifischer Funktionen sein; es kann z. B. zum Beschluß durch Edelgasionen zur Reinigung des Substrats 60 vor dem Beschichtungsvorgang dienen oder zur Kollisionsstreuung der durch Verdampfung freigesetzten Atome, um die Gleichmäßigkeit der Beschich­ tung dreidimensionaler Gegenstände zu verbessern. Der Hochfrequenzgenerator 62 dient für diese Zwecke, da das Versprühen unter Hochfrequenz im allgemeinen besser reinigt als das Versprühen mit Gleichspannung. Darüber hinaus kann das Eingangsgas ein metallhaltiges Gasplasma zur Erreichung einer hohen Eindringtiefe in Metall sein.

Die Befestigung 58 ist mit einem Arm oder einem Magneten 76, der beispielsweise Permanentmagnente oder Elektro­ magnete aufweist, sowie mit Magneten 78 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 80 nahe des Substrats 60 versehen, so daß durch Verdampfung freigesetzte Atome, die sich durch sich spiralförmig im Magnetfeld 80 bewegende Elektronen bewegen, durch Zusammenstöße mit Elektronen ionisiert wer­ den und sofort von dem hohen negativen Potential angezo­ gen werden, das von der negativen Ladung der Gleichspan­ nungsquelle 61 erzeugt wird. Alle Verbindungen zum Inneren des Gehäuses 52 werden durch Isolatoren 82 gelei­ tet.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die in Fig. 5 dargestellte Hochenergie-Ionenbeschichtungs­ vorrichtung 50 über den Auslaß 54 auf ein geeignetes Vakuum beispielsweise 1,4 µbar evakuiert. Wenn das Sub­ strat 60 aus chemischen oder physikalischen Gründen ge­ reinigt werden soll, kann über die Gasversorgungsleitung 72 Gas in das Gehäuse 52 geleitet werden, beispielsweise bei einem Druck von 10 bis 20× 1,3 µbar und ein durch das Gas gebildetes Hochfrequenzplasma wird die Oberfläche des Substrats 60 bombadieren und vorzugsweise die Reini­ gung bewirken. Nach der Reinigung wird das Gas aus dem evakuierten Gehäuse 52 vor Beginn des Beschichtungsvor­ gangs abgezogen.

Über die Gleichspannungsquelle wird eine negative Gleich­ spannung, beispielsweise 3 bis 5 kV an die Befestigung 58 gelegt, die als Kathode dient, um positive Ionen durch den Hochspannungsabfall in Richtung auf das Substrat 60 anzuziehen. Die Beschichtung beginnt, sobald einer oder beide elektrischen Drähte, die als Verdampfungsquellen 64 und 66 dienen, auf eine Temperatur erhitzt sind, die hoch genug ist, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen. Wenn die Verdampfungsquellen 64 und 66 widerstandser­ hitzte Quellen sind, werden als Spannungsquellen 68 und 70 Wechselspannungsversorgungen mit niedriger Spannung und hohem Strom verwendet.

Die Magnete 76 und 78 liefern ein Magnetfeld 80 für bei der Verdampfung entstehende thermische Elektronen, so daß diese sich spiralförmig bewegen und einen dichten Ionisationsquerschnitt für die Atome des verdampfenden Materials bilden, die auf dem Weg zum Substrat 60 durch die Elektronenwolke hindurchtreten. Auf diese Weise ist die Ionisation im Bereich des Substrats 60 am größten also dort, wo auch der größte Bedarf ist. Entweder einer oder beide elektrischen Widerstandsdrähte der Ver­ dampfungsquellen 64 und 66 können durch Veränderung der Eingangsleistung der zugehörigen Spannungsquellen 68 und 70 verwendet werden, um eine oder mehrere Materialschich­ ten auf dem Substrat 60 zu erhalten.

Das Verfahren wurde anhand einer herkömm­ lichen Ionenbeschichtungsvorrichtung 50 beschrieben, es kann jedoch auch die Zerstäubungstechnik angewandt wer­ den. Fig. 6 zeigt eine Zerstäubungseinrichtung 90 mit ähnlichen und entsprechenden Teilen wie sie anhand von Fig. 5 bei der Ionenbeschichtungsvorrichtung 50 beschrie­ ben wurden. Die Zerstäubungseinrichtung 90 weist eine Kathode 92 aus Beschichtungsmaterial auf. Das Substrat 60 wird in einem inerten Plasma 94 angeordnet, das von einer Spannungsversorgung 96 aufrechterhalten wird. Die Span­ nungsversorgung 96 kann eine Hochfrequenz- oder Gleich­ spannungsversorgung sein. Das Substrat 60 kann auf Erd­ potential oder mit Hilfe der Spannungsquelle 98 auf einen negativen Potential gehalten werden. Positive Ionen 100 des Plasmas 94 aus inertem Gas bombadieren die negative Kathodenoberfläche der Kathode 92 und schlagen durch die Zusammenstöße aus dem Material der Kathode 92 Atome heraus, von denen einige zum Beschichten des Substrats 60 übertreten.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens der Ionen­ beschichtung gemäß Fig. 5 bzw. der Zerstäubungsbeschichtung gemäß Fig. 6 sind zur Beschichtung kurzer, mit einem Gewinde versehener Produkte geeignet, beispielsweise für Verbindungsstücke, jedoch nicht für ein Gehäuse 52 mit einer Vakuumeinrichtung, das die üblicherweise in Ölländern verwendeten Rohre von etwa 9 bis 12,2 m Länge einschließt. Ein weiteres Ziel des Ver­ fahrens ist die Schaffung einer Ionenbeschichtungsvorrich­ tung zur Ablagerung einer Materialschicht auf den maschi­ nell bearbeiteten Profilen eines langgestreckten Rohr­ elements, wobei der Bau einer Vakuumvorrichtung vermieden wird, der lang genug wäre, das Rohrelement ganz einzu­ schließen. Das Beschichtungsverfahren ist so gewählt, daß nur das notwendigerweise maschinell bearbeitete Profil des Rohrs von Vakuum umgeben sein muß. Darüber hinaus können ein oder mehrere mit Gewinde versehene Elemente des Rohres gleichzeitig beschichtet und das Rohr gedreht werden, um die Gleichmäßigkeit der Schicht zu verbessern.

In Fig. 7 ist eine Rohrgewindebeschichtungsvorrichtung 120 dargestellt, in der die maschinell hergestellten Pro­ file 124 und 126 eines Rohres 122 gleichzeitig beschich­ tet werden können. Obwohl nur ein Rohr 122 dargestellt ist, könne mit der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung mehrere Rohre 122 gleichzeitig beschichtet werden. In Fig. 7 werden gleiche Bezugszeichen für gleiche und entsprechende Teile gemäß Fig. 5 und 6 verwendet.

In ein Gehäuse 52 ragt das maschinell hergestellte Profil 124 des Rohrs 122. Das Gehäuse 52 schließt einen Auslaß 54 mit einem ersten Ventil 56 ein, das mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe zur Evakuierung des Innenraums des Gehäuses 52 verbunden ist. Das Gehäuse 52 ist außer­ dem mit einer Gasversorgungsleitung 72 versehen, die von einem Dosierventil 74 gesteuert wird. Eine geeignete Mate­ rialverdampfungseinrichtung ist vorgesehen, beispielswei­ se ein elektrischer Draht 64. Natürlich kann ein zusätz­ licher Draht 66 mit einer zugehörigen Spannungsquelle 70 gemäß Fig. 5 bei der Rohrgewindebeschichtungsvorrichtung 120 ebenfalls verwendet werden. Der Draht 64 ist vorzugs­ weise nahe dem äußeren des mit einem Gewinde versehenen Elements 124 angeordnet. Der Draht 64 ist mit einer Spannungsquelle 68 verbunden. Das Rohr 122 wird mit Hilfe von Antriebswalzen 130 gedreht, die das Rohr 122 in Richtung des Pfeils 130a drehen.

Es ist eine Gleichspannungsquelle 61 vorgesehen, die eine negative Gleichspannung an dem Rohr 122 herstellt, damit das von dem Draht 64 verdampfte Material an das maschi­ nell hergestellte Profil 124 angezogen wird. Darüber hinaus ist im Inneren des Rohres 122 in der Nähe des Profils 124 ein Magnet 76 zur Erzeugung eines Magnetfel­ des 80 vorgesehen.

Da es schwierig ist, die Enden eines Rohres 122 in ein Gehäuse 52 einzubringen und darin zur Aufbringung einer Materialschicht auf die Profile 124 und 126 ein Vakuum aufrechtzuerhalten, während das Rohr 122 gedreht wird, ist das Gehäuse 52 mit einem an einem Flansch befestigten Ansatz 132 versehen. Der Ansatz 132 kann mit Hilfe von Querwänden 134, 136 und 138 in mehrere Kammern 140, 142 und 144 unterteilt. Die Querwände 134 bis 138 weisen Dichtungsringe 146 auf, die in leichtem Kontakt mit der Oberfläche des Rohrs 122 stehen und das Eindringen von Gas in die Kammern 140, 142 und 144 und in das Innere des evakuierten Gehäuses 52 auf ein Minimum begrenzen.

Die Kammer 144, die vom Gehäuse 52 am weitesten entfernt ist, wird über eine Leitung 148 und ein Ventil 150 unter einen leichten Überdruck mit einem Edelgas, beispielswei­ se Argon, gesetzt. Wenn Argon aus der Kammer 144 durch die Querwand 138 austritt, so gelangt es an die Umgebungs­ luft, und sollte Argon durch die Querwand 136 austreten, gelangt es in die benachbarte Kammer 142. Die Kammer 142 ist über eine Leitung 152 und ein Ventil 154 mit einer nicht dargestellten Pumpe verbunden, die mehr Gas abpumpt als durch ein Leck von der Kammer 144 eindringt, so daß der absolute Druck in der Kammer 142 etwa 0,1379 bar beträgt. Diese Anordnung begrenzt den Druckunterschied, der ein Leck zwischen den Kammern 144 und 142 ermöglicht. Zusätzlich ist eine weitere, nicht dargestellte Pumpe über eine Leitung 156 und ein Ventil 158 mit der Kammer 140 verbunden, um den Arbeitsdruck auf einem Wert von unter 1 mmHg zu halten. Zusätzliche Kammern können je nach Rauhigkeit des Rohrs 122 und je nach dem mit den Dichtungsringen 146 erreichten Dichtungsgrad notwendig sein. Bei Verwendung der Kammern 140, 142 und 144 ist der Betrag von Argon, der von der Kammer 144 in die evakuier­ te Kammer innerhalb des Gehäuses 52 sickert, relativ gering und alles Argon, das in das Gehäuse 52 gelangt, kann über die Leitung 54 abgepumpt werden.

Wenn das Innere des Rohres 122 verschlossen ist, verläuft das Verfahren zur Beschichtung des Profils 124 ähnlich, wie bei der Ionenbeschichtungsvorrichtung 50 gemäß Fig. 5 und der Zerstäubungseinrichtung 90 gemäß Fig. 6. Auf­ grund der ungleichen Oberflächenrauhigkeit der Rohre 122 und der veränderlichen Leckrate von Mal zu Mal ist der wirkliche Argondruck in der Kammer des Gehäuses 52 bei jedem Verfahrensablauf immer verschieden. Es ist daher notwendig, ein Magnetfeld 80 als unabhängige Ionisations­ einrichtung zu verwenden, wobei das Magnetfeld 80 durch Einbringen eines Magnets 76 im Bereich um das Profil 124 aufgebaut wird, in dem die Beschichtung gewünscht wird. Durch Verdampfung freigesetzte Atome bewegen sich zwischen den Elektronen hindurch, die sich im Magnetfeld 80 spiralförmig bewegen, und werden durch Zusammenstöße mit diesen Elektronen ionisiert und sofort von dem von der Spannungsquelle 61 aufgebauten hohen negativen Poten­ tial des Rohres 122 angezogen.

Zur vorangegangenen Beschreibung des Verfahrens ist anzu­ merken, daß zur Ionisation kein Gas vorhanden zu sein braucht. Wenn jedoch bei sehr unregelmäßigen Oberflächen eine gleichmäßige Schicht erforderlich ist, kann ein wenig Edelgas hinzugefügt werden, um das Material zu zerstreuen und eine gleichmäßigere Schicht zu erhalten. Wird Edelgas, beispielsweise Argon, bei einem Druck von unter 10×1,3 µbar bis 2×1,3 µbar, dem typischen Ionisationsdruck, verwendet, so beeinträchtigt dies nicht die Schichteigenschaften durch Gaseinschlüsse in der ab­ gelagerten Schicht.

Das Profil 124 wird, wie gesagt, im Vakuum beschichtet. Zwar könnte ein Stopfen im Inneren des Rohres 122 ange­ ordnet werden, um das Profil 124 unter Vakuum zu halten, doch ist es vorteilhaft beide Profile 124 und 126 im gleichen Vakuum zu beschichten, um Kosten und Zeit für die zweimalige Evakuierung des Rohres 122 zu sparen. Eine Endkappenanordnung 170 ermöglicht die gleichzeitige Abla­ gerung einer Materialschicht auf dem Profil 126 sowie dem Profil 124 unter voller Ausnutzung des Vakuumpumpen­ systems im Gehäuse 52.

Die Endkappenanordnung 170 weist ein Kappenelement 172 mit mehreren Dichtungen 174, 176 und 178 auf, von denen eine, beispielsweise die Dichtung 178 am Ende des Rohres 122 anliegt. Wenn im Inneren des Rohres 122 durch Pumpen ein Vakuum hergestellt wird, wird die Dichtung 178 durch den Atmosphärendruck dicht angedrückt, so daß sich das Kappenelement 172 mit dem Rohr 122 dreht.

Ein Körper 180 ist drehbar in der Endkappenanordnung 170 angebracht; er besteht aus einem beliebigen Kunststoff, der gut isoliert, eine geringe Reibung aufweist und hitze­ beständig ist und beispielsweise als PTFE verkauft wird. Der Körper 180 wird von einer Klammer 181 erfaßt und wird an der Drehung gehindert. Eine geeignete Dichtung 182 an der Stirnseite und eine O-Ring-Dichtung 184 verhindern Leckagen. Es ist eine ge­ eignete Verdampfungsquelle, beispielsweise ein Draht 190 vorgesehen, der über durch den Körper 180 verlaufende elektrische Leitungen 194 mit einer Spannungsquelle 192 verbunden ist. Vorzugsweise innerhalb des Rohres 122 ist in der Nähe des Profils 126 in dem Bereich ein Magnet 196 vorgesehen, in dem die Beschichtung erwünscht ist, um eine dichte Elektronenwolke zur Ionisation aufgrund von Zusammenstößen zu schaffen. Magnetische Kraftlinien 198 des Magnets 196 fangen Elektronen ein, die den erhitzten Draht 190 aufgrund von Glühemission verlassen. Dadurch werden Atome der Verdampfungsquelle in der Elektronen­ wolke positiv ionisiert und durch die von der Spannungs­ quelle 61 erzeugte hohe negative Polarität in Richtung auf das Rohr 122 beschleunigt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verhinderung des Fressens von zusammenwirken­ den verschraubten Elementen (10, 16), bei welcher ein Materi­ alfilm durch Hochenergie-Ionenbeschichtung auf das maschi­ nell bearbeitete Profil (14) von mindestens einem Element (16) aufgetragen wird, um einen dünnen mechanisch trennenden Film auf die zusammenwirkenden Oberflächen Metall auf Metall (12, 14) zu liefern, der einen niedrigeren Scherspannungswert hat und dadurch die zusammenwirkenden Oberflächen Metall auf Metall (12, 14) voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht eine Vielzahl von Schichten (32, 34) aufweist, wobei die innere Schicht (32) härter als die äuße­ re Schicht (34) ist, die auf dem maschinell bearbeiteten Profil (14) aufgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Schicht Gold, Silber, Blei, Zinn, Indium oder Kupfer verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Gesamtdicke der Schichtenstapel ein Bereich von 0,05 µm bis 6 mm eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als innere Schicht (32) Chrom und als äußere Schicht (34) Gold eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dicke der Chromschicht 0,2 bis 0,4 µm und die Dicke der äußeren Goldschicht etwa 0,2 µm eingestellt werden.