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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Hochtemperaturgleitkörper bzw.
ein -glied und ein Verfahren zur Herstellung des Gleitgliedes zur
Verwendung in Lagern und Dichtungen in Hochtemperaturrotationsmaschinen,
wie beispielsweise Dampfturbinen und Gasturbinen oder auf ein Gleitglied,
das geeignet ist für
Anwendungen welche einen Abnutzungswiderstand erfordern und eine
niedrige Reibung wie beispielsweise bei Schneidwerkzeugen.
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Ausgangspunkt
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Das
Anbringen einer keramischen Beschichtung zum Verbessern des Abnutzungswiderstands
und des Korrosionswiderstands von Lagern und Dichtungen, die aus
Metallmaterialien hergestellt sind ist eine weitverbreitete Praxis.
Materialien welche zur Herstellung solcher Keramikbeschichtungen
verwendet werden umfassen Titannitride (TiN), Titancarbide (TiC),
Chromnitride (CrN), Bornitride (BN) und diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC =
diamond-like carbon). Unter diesen werden TiN und CrN weitverbreitet
in der Industrie als Hartbeschichtungen auf Metallformen und Schneidwerkzeugen
eingesetzt.
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Als
herkömmliche
Verfahren zur Herstellung solcher Hartbeschichtungen werden die
folgenden Oberflächenverbesserungstechniken
angewandt: Ionenplattierverfahren einschließlich physikalische Dampfabscheidung
(PVD) oder chemische Dampfabscheidung (CVD), Sputterabscheidung,
Plasma-CVD und Ionenimplantierung. Insbesondere erhält das dynamische
Ionenstrahlmischen (DM) Verfahren, das das Dampfabscheidungsverfahren
mit der Ionenimplantiertechnologie kombiniert reges Interesse, da
sich die Beschichtung fest mit dem Substrat verbinden kann und die
Beschichtungen bei niedrigen Prozesstemperaturen erzeugt werden
können.
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Eine
der Keramikbeschichtungen, die weltverbreitet eingesetzt wird ist
TiN, das eine typische Substanz ist, die eine interstitielle feste
Verbindung bildet, die in bekannter Weise eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzt.
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TiN
besitzt eine Kristallstruktur des NaCl-Typs, wobei Stickstoffatome
in die aus Ti gebildeten Gitter eintreten. Der Kompositionsbereich
von TiNx ist so breit wie 0,8 < x < 1,16, und wenn
x innerhalb dieses Bereichs verändert
wird, wird der Gitterabstand von TiN verändert. In Folge des überragenden
Widerstands gegen Abnutzung und Korrosion wird eine TiN-Beschichtung
auch in Lagern oder Dichtungskomponenten bzw. -bauteilen verwendet.
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Für Anwendungen
in Rotationsmaschinen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, wie
beispielsweise Dampfturbinen und Gasturbinen gibt es eine Notwendigkeit
für Hartbeschichtungen
mit einem überragenden Abnutzungswiderstand,
einem Hochtemperaturkorrosionswiderstand, sowie überragenden Hochtemperaturgleiteigenschaften,
da die Betriebstemperaturen in der Praxis heutzutage ansteigen.
Eine TiN-Beschichtung wird für
solche Anwendungen in Betracht gezogen, aber es ist heutzutage aus
experimentellen Ergebnissen bekannt, dass in Folge eines ungenügenden Korrosionswiderstands
bei hohen Temperaturen der TiN-Beschichtung selbst die Haltbarkeit
der TiN-Beschichtung
bezweifelt wird, wenn die TiN-Beschichtung einer Hochtemperaturluftatmosphäre oder
einer Hochtemperaturdampfatmosphäre
ausgesetzt ist. Daher erlaubt der derzeitige Stand der Technik nicht
die Verwendung einer TiN-Beschichtung für solche Anwendungen.
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Ferner
gibt es im Allgemeinen für
Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Pumpen eine Tendenz zu einem
Anstieg der Drehzahl und des Betriebsdrucks, was eine Notwendigkeit
für Gleitglieder
mit sich bringt, die harschen Betriebsbedingungen mit hohen Belastungen
und hohen Umfangsgeschwindigkeiten widerstehen können. Hinsichtlich herkömmlicher
TiN-Beschichtungen
ist es bekannt, dass sie für
solche Anwendungen ungeeignet sind, die harsche Gleitbedingungen
besitzen, in Folge inadäquater
Härte und
inadäquatem
Abnutzungswiderstand der TiN-Beschichtung selbst.
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Hinsichtlich
des Standes der Technik wird auch auf die folgenden Dokumente hingewiesen:
- – MUENZ
W-D: 'TITANIUM ALUMINIUM
NITRIDE FILMS: A NEW ALTERNATIVE TO TIN COATINGS' JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY:
PART A, US, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS; NEW YORK; Band 4, Nr.
6, November 1986 (1986-11), Seiten 2717–2725, XP002064735, ISSN: 0734-2101;
- – VAZ
F ET AL: 'Physical,
structural and mechanical characterization of Ti1-XSiXNy films' 25T H INTERNATIONAL CONFERENCE ON METALLURGICAL
COATIONGS AND THIN FILMS, SAN DIEGO, CA, USA, 27. April – 1. Mai
1998, Band 108–109,
Nr. 1–3,
Seiten 236–240,
XP000869552, Surface and Coatings Technology, 10. Oktober 1998,
Elsevier, Schweiz, ISSN:0257-8972;
- – TAKANO I ET
AL: 'Formation of
Ti-Al-N thin films by the dynamic ion mixing method' 9TH INTERNATIONAL
CONFERENCE ON SURFACE MODIFICATION OF METALS BY ION BEAMS, SAN SEBASTIAN, SPANIEN,
4.–8.
SEPTEMBER 1995, Band 84, Nr. 1–3,
Seiten 409–413,
XP000869550, Surface and Coatings Technology, Oktober 1996, Elsevier,
Schweiz, ISSN: 0257-8972;
- – SHEW
B-Y ET AL: 'Effects
of r. f. bias and nitrogen flow rates on the reactive sputtering
of TiAlN films' THIN
SOLID FILMS, CH, ELSEVIERSEQUOIA S. A. LAUSANNE, Band 293, Nr. 1–2, 1997,
Seiten 212-219,
XP004080859, ISSN: 0040-6090;
- – PATENT
ABSTRACTS OF JAPAN Band 018, Nr. 014 (Seite 1672), 11. Januar 1994
und JP 05 250770 A ; und
- – US-A-5
731 079
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Die Erfindung
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Die
Erfindung wurde gemacht um die oben genannten Probleme zu überwinden
und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Gleitglied vorzusehen,
das einer Hochtemperaturkorrosion widerstehen kann, während es
einen überragenden
Abnutzungswiderstand und niedrige Reibungseigenschaften der TiN-Beschichtung
beibehält.
Ein weiteres Ziel liegt im Vorsehen eines Gleitgliedes mit überragenden
Gleiteigenschaften um die Erfordernisse von Rotationsmaschinen,
die mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten und hohen Drücken arbeiten
zu erfüllen,
durch weiteres Verbessern des überragenden
Abnutzungswiderstands und der niedrigen Reibungseigenschaften einer
TiN-Beschichtung.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gleitglied, das ein Substrat und
eine Hartbeschichtung aufweist, die auf dem Substrat ausgebildet
ist, wobei die Hartbeschichtung ein nitridbasierendes Material aufweist,
das im wesentlichen TiN enthält
und wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Cr, Zr und Hf und das eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur
mit einer Gitterkonstante in dem Bereich von 0,414 bis 0,423 nm
in einem Kristall des auf Nitrid basierenden Material besitzt.
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Um
den Widerstand von TiN-Beschichtungen gegenüber Hochtemperaturkorrosion
und Oxidation zu verbessern haben die Erfinder Techniken untersucht
zum Erhalten auf Nitrid basierender Beschichtung, welche andere
Elemente als Ti und N enthalten sowie für Verfahren zum Herstellen
solcher Produkte. D.h. es ist ein Hauptziel den Widerstand gegenüber Hochtemperaturkorrosion
zu verbessern ohne die exzellenten Gleiteigenschaften von TiN (Abnutzungswiderstand
und niedriger Reibungskoeffizient) zu verlieren durch das Entwickeln
von Technologien zum Erzeugen von auf Nitrid basierenden Dünnfilmen,
die andere Elemente als Ti und N enthalten. Das Ergebnis ist eine
Entdeckung, dass ein solches Material eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur
besitzt und im wesentlichen TiN und wenigstens ein Element ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus AI, Cr, Zr und Hf enthält und dass die Gitterkonstante
kleiner sein sollte als 0,423 nm, da dann, wenn sie diesen Wert übersteigt,
die Vickershärte
nicht größer als
2000 ist und der Abnutzungswiderstand ungenügend wird. Diese Materialien
können
auch im Allgemeinen verwendet werden, wo Gleitwiderstandseigenschaften
erforderlich sind.
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Es
wird vorgeschlagen, dass ein auf Nitrid basierendes Material dieser
Erfindung, das im wesentlichen TiN enthält aber auch wenigstens ein
Element ausgewählt
aus der Gruppe Al, Cr, Zr und Hf ein Material ist, in dem einige
der Gitterplätze
des Ti in einer flächenzentrierten
kubischen Kristallstruktur durch wenigstens eines der Elemente substituiert
wird, das ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus AI, Cr, Zr und Hf und dass dieses
Material auch eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzt.
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Untersuchungen
haben bis zum heutigen Zeitpunkt gezeigt, dass das Ziel erreicht
wird, wenn das auf Nitrid basierende Material eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzt, dessen Gitterkonstante zwischen
0,414 bis 0,423 nm liegt, wobei die Vickershärte des Materials nicht kleiner
als 2500 ist, wenn die Kristallitgröße des auf Nitrid basierenden
Material optimiert wird und es bildet sich folgende Zusammensetzung
mit Ausnahme unabdingbarer Verunreinigungen, wie beispielsweise
Kohlenstoff, Sauerstoff, usw.
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Eine
bevorzugte chemische Zusammensetzung eines Gleitgliedes, das aus
dem auf Nitrid basierenden Material aufgebaut ist, wird in einer
Formel definiert, mit der Ausnahme unabdingbarer Verunreinigungen: Ti(100-x)Mex Nitridverbindung,
wobei Me wenigstens ein Element repräsentiert ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Al, Cr, Zr und Hf und x in einem Bereich
liegt, der durch die folgende Beziehung gegeben wird: 2 Atom % ≤ x ≤ 30 Atom %.
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Ein
solches Glied kann durch das DM-Verfahren hergestellt werden, das
erlaubt, das metallische Elemente, Ti und Additive auf einem Substrat
in einem Vakuum dampfabgeschieden werden, während Stickstoff-Ionen in die
Abscheidung implantiert werden. Dieses Verfahren ermöglicht die
Erzeugung eines beschichteten Produkts bei dem die Beschichtung
fest an dem Substrat anhaftet, und zwar bei einem Prozess mit relativ niedriger
Temperatur. Es wird bevorzugt, dass das Substrat einen niedrigen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der nicht größer ist
als 11 × 10–6,
um eine feste Verbindung bzw. ein festes Bonden zu erzeugen, diese
Voraussetzungen werden durch rostfreie Stähle, wie beispielsweise SUS420J2
oder SUS630 oder auf Nickel basierende Legierungen wie beispielsweise
Incoloy 909 erfüllt.
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Es
wird bevorzugt, dass die Beschleunigungsspannung des Ionenstrahls
kleiner ist als 40 kV, da eine höhere
Beschleunigungsspannung eine größere Beschleunigungsvorrichtung
erfordert, was zu höheren
Prozesskosten und der Notwendigkeit eines Strahlenschutzes führt. Wenn
andererseits die Beschleunigungsspannung kleiner ist als 1 kV verbindet
sich die Beschichtung nicht fest mit dem Substrat, so dass das Produkt nicht
geeignet ist für
Hochtemperaturgleitanwendungen.
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Das
Ergebnis von Röntgenstrahlbeugungsmessungen
suggeriert, dass die bevorzugte Kristallitgröße mehrere nm bis 100 nm beträgt. Die
Dicke der Hartbeschichtung kann für jede Anwendung eingestellt
werden, aber es wird bevorzugt, dass die Dicke kleiner ist als mehrere
Zehntel Mikrometer hinsichtlich Kosten und Restspannungen.
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Der
Anteil der Additive während
des Herstellungsprozesses der Hartbeschichtung, welche das DM-Verfahren
verwendet kann eingestellt werden durch Steuern der Verdampfungsrate
von Ti bzw. der additiven Elemente. Die flächenzentrierte kubische Kristallstruktur
des TiN wird erzeugt durch Eintritt der Stickstoffatome in das Ti
Gitter als interstitielle feste Lösung. Wenn eines oder mehrere
der Elemente Al, Cr, Zr oder Hf zu dem TiN hinzugefügt wird,
wird die flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur von TiN unregelmäßig, und zwar immer unregelmäßiger desto
höher die
Konzentration des additiven Elements ansteigt und erreicht schlussendlich
einen amorphen Zustand oder andere Kristallstrukturen. Daher wird
zum Erhalten des Abnutzungswiderstandes und des niedrigen Reibungskoeffizienten
bevorzugt, dass die Gesamtkonzentration der additiven Elemente nicht
größer ist
als 30 Atom %. Ferner haben Studien bis zum heutigen Zeitpunkt gezeigt, dass
der Widerstand gegenüber
Hochtemperaturkorrosion erhöht
wird, wenn die Konzentration des additiven Elements erhöht wird,
aber es wird bevorzugt, dass die untere Grenze der Konzentration
bestimmt wird, um eine kundenspezifische Anpassung des Produkts
an die Anwendungsbedingungen zu ermöglichen, und zwar hinsichtlich
der Korrosionsschärfe
des Hochtemperaturdampfes oder der Hochtemperaturluft.
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Es
wird bevorzugt, dass die Kristalle in (111) Ebenen orientiert sind.
Es ist möglich
die Kristalle in (111) Ebenen durch das DM-Verfahren zu orientieren
durch Steuern der Implantierbedingungen des Stickstoffionenstrahls,
wie z.B. Beschleunigungsspannung, Stromdichte, Implantierenergie
(w/cm2) und den Strahleneinfallswinkel.
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Andererseits
haben die Erfinder auch ein auf Nitrid basierendes Material entwickelt,
das einsetzbar ist in Gleitanwendungen, die keine Hochtemperaturfestigkeit
erfordern. Ein solches Gleitglied weist ein Substrat und eine Hartbeschichtung,
die auf dem Substrat ausgebildet ist, auf, wobei die Hartbeschichtung
ein auf Nitrid basierendes Material aufweist, das im wesentlichen
TiN enthält
und wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus B und Si, und das eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzt, die Kristallite mit einer Durchschnittsgrößer von
nicht größer als
9 nm aufweist. Der Prozess, der zu einem solchen Konzept führt wird
nachfolgend beschrieben.
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Zum
Verbessern der Härte
von TiN-Beschichtungen und zum Verbessern des Abnutzungswiderstands haben
die Erfinder Technologien untersucht zum Erhalten von auf Nitrid
basierenden Beschichtungen, die andere Elemente als Ti und N enthalten,
sowie Verfahren zum Erzeugen solcher Produkte. D.h., das Hauptziel liegt
im Verbessern der Härte
und des Abnutzungswiderstands durch Entwickeln von Technologien
zum Erzeugen von auf Nitrid basierenden Dünnfilmen, die andere Elemente
als Ti und N enthalten. Das Ergebnis ist die Entdeckung, dass ein
solches Material eine flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzt und im wesentlichen TiN und wenigstens
ein Element ausgewählt
aus der Gruppe enthaltend B und Si enthält und eine Vickershärte besitzt
die höher
ist als 3000, wenn die Kristallitgröße nicht größer ist als 9 nm und das die
folgende Zusammensetzung besitzt mit der Ausnahme unabdingbarer
Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlenstoff, Sauerstoff, usw.
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Ein
Gleitglied, das aus einer zweiten Gruppe von auf Nitrid basierenden
Materialien hergestellt ist besitzt eine chemische Zusammensetzung,
die in der folgenden Formel mit der Ausnahme unabdingbarer Verunreinigungen
definiert ist: Ti(100-x)Mex Nitridverbindung,
wobei Me wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus B und Si repräsentiert
und x in einem Bereich liegt, der durch die folgende Beziehung definiert
wird: 2 Atom % ≤ x ≤ 30 Atom %.
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Wie
bei der ersten Gruppe kann ein solches Glied hergestellt werden
durch das DM-Verfahren, das erlaubt, dass metallische Elemente,
Ti und Additive mittels Dampfabscheidung auf ein Substrat in einem
Vakuum aufgebracht werden, während
Stickstoff-Ionen in die Abscheidung implantiert werden. Dieses Verfahren ermöglicht das
Erzeugen eines beschichteten Produkts, bei dem die Beschichtung
eng an dem Substrat anhaftet, und zwar mit einem Prozess, der bei
relativ niedriger Temperatur abläuft.
Es wird bevorzugt, dass das Substrat einen relativ niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von nicht größer als 11 × 10–6 besitzt, um
eine enge bzw. feste Verbindung zu erzeugen, wobei dieses Erfordernis
durch rostfreie Stähle,
wie beispielsweise SUS420J2 oder SUS630, oder nickelbasierende Legierungen
wie beispielsweise Incoloy 909 erfüllt wird. Das Substrat kann
andere Stahlmaterialien als die oben genannten umfassen. Ferner
können
für den Zweck
der Herstellung von abnutzungswiderstehenden Teilen oder Schneidwerkzeugen
unterschiedliche Keramikmaterialien, wie beispielsweise SiC, Si3N4 und Al2O3 sowie superharte
Legierungen, wie beispielsweise WC verwendet werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl
kleiner als 40 kV ist, da eine höhere
Beschleunigungsspannung eine größere Beschleunigungsvorrichtung
erfordert, was zu höheren Prozesskosten
und der Notwendigkeit eines Strahlenschutzes führt. Wenn andererseits die
Beschleunigungsspannung kleiner als 1 kV ist, verbindet sich die
Beschichtung nicht eng mit dem Substrat und das Produkt ist nicht
geeignet für
Gleitanwendungen. Die Dicke der Hartbeschichtung kann für jede Anwendung
eingestellt werden, aber es wird bevorzugt, dass die Dicke kleiner
ist als mehrere Zehntel Mikrometer in Anbetracht der Kosten und
einer Restspannung.
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Der
Anteil der Additive kann während
des Herstellungsprozesses der Hartbeschichtung unter Verwendung
des DM-Verfahrens eingestellt werden durch Steuern der Verdampfungsrate
von Ti und der additiven Elemente. Die flächenzentrierte kubische Kristallstruktur
von TiN wird erzeugt durch das Eintreten von Stickstoffatomen in
das Ti-Gitter als interstitielle feste Lösung. Wenn eines oder mehrere
der Elemente B und Si zu dem TiN hinzugefügt wird, wird bei einem Anstieg
der Konzentration des additiven Elements die flächenzentrierte kubische Kristallstruktur
irregulär
und erreicht schlussendlich andere Kristallstrukturen. Daher wird
es zum Erhalten eines überragenden
Abnutzungswiderstands und eines niedrigen Reibungskoeffizienten
bevorzugt, das die Gesamtkonzentration der additiven Elemente nicht
größer als
30 Atom % ist. Ferner haben Studien bis zum heutigen Zeitpunkt gezeigt,
dass die Härte
und der Abnutzungswiderstand erhöht
werden, wenn die Konzentration des additiven Elements ansteigt,
aber es wird bevorzugt, dass die untere Grenze der Konzentration
bestimmt wird, um eine kundenspezifische Anpassung des Produkts
hinsichtlich der Gleitbedingungen zu ermöglichen.
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Es
wird bevorzugt, dass die Kristalle in der (111) Ebene orientiert
sind. Es ist möglich
die Kristalle in der (111) Ebene während des DM-Verfahrens zu
orientieren durch Steuern der Implantierbedingungen des Stickstoffionenstrahls,
wie beispielsweise der Beschleunigungsspannung, der Stromdichte,
der Implantierenergie (w/cm2) und des Strahleneinfallwinkels.
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Bei
dem Herstellungsprozess der oben beschriebenen Gleitglieder ist
es möglich
bzw. erlaubt eine Hartbeschichtung auf dem Substrat auszubilden
durch simultane Abscheidung in einem Vakuum von Ti und wenigstens
einem Element ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Al, Cr, Zr, Hf, B und Si auf dem Substrat,
während
das Substrat mit Ionenstrahlen bestrahlt wird, die im wesentlichen
Stickstoff-Ionen enthalten.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gleitmechanismus,
der eine Kombination aus einem bewegbaren Glied und einem statischen
Glied aufweist, wobei entweder das bewegbare Glied oder das statische
Glied aus einem Gleitglied gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 4 besteht oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 hergestellt ist
und ein verbleibendes Glied aus einem Material hergestellt ist,
das Karbon bzw. Kohlenstoff enthält.
Das Karbon bzw. Kohlenstoff enthaltende Material kann ein Material
sein, das im wesentlichen Karbon bzw. Kohlenstoff enthält, ein
Material, das mit Karbon bzw. Kohlenstoff infiltriert ist oder ein Dünnfilm,
der Karbon bzw. Kohlenstoff enthält.
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Bei
einem Gleitglied gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 4, einem Verfahren gemäß Anspruch
5 oder einem Gleitmechanismus nach Anspruch 6 oder 7 kann das Substrat
ein Metallmaterial sein.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Aufbereitungswerkzeug,
das ein Gleitglied gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 4 aufweist, oder ein Gleitglied, das durch ein Verfahren gemäß Anspruch
5 hergestellt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung
der Hartbeschichtung dieser Erfindung;
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2 ist
ein Graph, der die Kristallitgrößen- und
Vickershärtewerte
zeigt;
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer Hochtemperaturdampftestvorrichtung;
-
4 ist
ein Diagramm einer Struktur einer nichtkontaktierenden Endflächendichtung
für eine
Dampfturbine;
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5 ist
ein Diagramm einer Magnetpumpe mit dem Gleitglied dieser Erfindung,
das bei einem Axiallager eingesetzt ist; und
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6 ist
ein Diagramm eines Aufbereitungswerkzeugs mit dem Gleitglied dieser
Erfindung.
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Die beste
Art die Erfindung auszuführen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden.
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Zunächst wird
eine Filmabscheidungsvorrichtung des dynamischen Ionenstrahlmischtyps
(DM) unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die Vorrichtung weist eine hermetisch abgedichtete Filmabscheidungskammer 11 auf,
die folgendes aufweist: einen Kupferhalter 12 zum Halten
eines Substrats W an seiner Unterseite; Dampfquellen 13, 14 mit
jeweiligen Heizvorrichtungen 13a, 14a und, die
unterhalb des Halters 12 angeordnet sind; und eine Ionenquelle 15 zum
Bestrahlen von Ionen auf das Substrat W von unterhalb mit einem schiefen
Einfallswinkel. Eine Rotationswelle 16 ist vorgesehen,
um das Substrat W zu drehen, um einen Film gleichförmig abzuscheiden
und der Kupferhalter 12 wird gekühlt durch zirkulierendes Wasser,
das durch die Rotationswelle 16 strömt, um zu verhindern, dass
sich die Substrattemperatur in Folge des Ionenbeschusses erhöht.
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Unter
Verwendung dieser Filmabscheidungsvorrichtung wurden Vergleichstests
unter Verwendung von zwei Arten von Substraten SUS4202J2 Stahl und
Incoloy 909 durchgeführt,
wobei Filme gemäß dem folgenden
Verfahren abgeschieden wurden. In der ersten Gruppe von Testproben
ist wenigstens ein Element ausgewählt aus einer Gruppe aus Metallen
Al, Cr, Zr und Hf in Ti in einem Verhältnis von 2–30 Atom % enthalten, und in
einer zweiten Gruppen von Testproben ist wenigstens ein Element
ausgewählt
aus einer Gruppe von Elementen B und Si in Ti enthalten in einem
Verhältnis
von 2–30
Atom %. Das Substrat W wird vorbehandelt durch Polieren der Probenoberfläche auf
eine Spiegelpolitur, um eine durchschnittliche Oberflächenrauheit von
kleiner als 0,05 μm
zu erhalten, und der Prozess wird beendet durch Ultraschallreinigung
in Alkohol. Die gereinigten Substrate W wurden an dem Halter 12 der
DM-Vorrichtung gemäß 1 befestigt.
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Zunächst wird
die Kammer 11 evakuiert, um ein Vakuum von kleiner als
1 × 10–5 Torr
zu erreichen und eine Sputterreinigung der Probe wurde durchgeführt unter
Verwendung von Stickstoff-Ionen, die mit einer Beschleunigungsspannung
von 10 kV, einer Ionenstromdichte von 0,2 mA/cm2,
und einem Einfallswinkel von 45 Grad aufgestrahlt wurden. Als nächstes wurden
Stickstoff-Ionen
abgestrahlt während
die Stromdichte in der Ionenstrahlquelle 15 gesteuert wurde,
und die Dampfquellen 13, 14 für Ti bzw. das additive Element
erwärmt wurden
mit den Heizvorrichtungen 13a, 14a. Der Abscheidungsprozess
wurde fortgesetzt, während
die Verdampfungsgeschwindigkeit gesteuert wurde, bis eine Filmdecke
von 4 μm
erhalten wurde. Die Filmabscheidungsbedingungen sind in Tabelle
1 dargestellt.
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Tabelle
1: Bedingungen zur Herstellung der Hartbeschichtungen
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Die
Zusammensetzungen der abgeschiedenen Beschichtungen gemäß Tabelle
2 zeigen an, dass in der ersten Gruppe wenigstens ein Element ausgewählt aus
einer Gruppe von Al, Cr, Zr und Hf in einer Größenordnung in dem Bereich von
2~30 Atom % vorhanden ist und, dass in der zweiten Gruppe entweder
B oder Si in einer Größenordnung
in dem Bereich von 2~30 Atom enthalten ist. In dieser Tabelle ist
die Lieferrate der Additive als ein Verhältnis gezeigt, das wie folgt
angegeben ist: (Me-Abscheidungsgeschwindigkeit)/(Ti-Abscheidungsgeschwindigkeit).
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Die
Beschichtungsdicke wurde gesteuert durch Überwachung der Abscheidungsdicke
durch einen Quarzoszillator. Vergleichsproben wurden in der selben
Art und Weise präpariert
unter Verwendung von Substraten welche eine der folgenden Bedingungen
erfüllen:
solche, die keine additiven Elemente enthielten, solche, die keine
flächenzentrierte
kubische Kristallstruktur besitzen, solche, die nicht innerhalb
eines Bereichs der Gitterkonstante 0,414 bis 0,423 nm liegt, solche,
die additive (Al, Cr, Cr, Zr und Hf) außerhalb des Bereichs von 230
Atom % bezüglich
Ti enthielten, und solche, die Nb und Ta in einem Bereich von 4~8
Atom % bezüglich Ti
enthielten. Tabelle
2
* eine andere Kristallstruktur als FCC
**
Infolge des breiten Beugungsmusters nicht ermittelbar
-
Die
Eigenschaften der unterschiedlichen Hartbeschichtungen, die so erhalten
wurden sind auch in Tabelle 2 gezeigt. In der ersten Gruppe besaßen alle
der Hartbeschichtungen eine (111) bevorzugte Orientierung und der
Abstand zwischen (111) Ebenen blieb innerhalb eines Bereichs von
0,2390,242 nm. Die Gitterkonstante, die sich aus diesen Werten der
interplanaren Abstände
ergibt zeigt einen Bereich von 0,4140,419 nm an.
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2 zeigt
auch eine Beziehung zwischen der Vickershärte und der Größe der Kristallite
für eine
Anzahl von unterschiedlichen auf Nitrid basierenden Beschichtungen
in der zweiten Gruppe. Das Ergebnis von Röntgenstrahlbeu gungsstudien
der unterschiedlichen auf Nitrid basierenden Beschichtungen haben
angezeigt, dass die Beschichtungen flächenzentriert kubisch sind
und eine bevorzugte (111) Orientierung besitzen. Die Größe der Kristallite
wurde aus der folgenden Gleichung erhalten: D
= 0,9λ/(βcosθ)wobei
D eine Größe des Kristallits
ist, λ eine
verwendete Röntgenstrahlwellenlänge ist, β eine halbe
Breite ist, θ der
Bragg-Winkel für
(111) ist. Wie sich aus diesen Ergebnissen ergibt, besitzen die
Gleittestproben in der zweiten Gruppe höhere Werte für die Vickershärte über 3500
und einen hohen Widerstand gegenüber
der Gleitabnutzung.
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Als
nächstes
wurden TiN-Beschichtungen mit 0,13 μm Dicke zunächst auf das Substrat in der
Vorrichtung gemäß 1 aufgewachsen,
ohne das Hinzufügen
irgendwelcher Additive und dann wurden unter Verwendung des oben
beschriebenen Verfahrens unterschiedliche Elemente der auf Nitrid
basierenden Beschichtung hinzugefügt, um eine schlussendliche
Dicke von ungefähr
5 μm zu
erhalten. Die Proben wurden dann Hochtemperaturdampfaussetzungstests
unterzogen. 3 zeigt eine schematische Ansicht
der Testvorrichtung, die eine Falle 17, ein Haltegehäuse 18 zum
Halten eines Substrats (Probe) W, einen Ofen 19 zum Halten des
Substrats W auf einer Temperatur, und einen Dampfgenerator 20 aufweist
um Dampf an das Substrat W zu liefern. Die Probe wurde in dem Ofen
für 300
Stunden bei 450 °C
gehalten.
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Die
ausgesetzte Probe wurde einem Sputtervorgang mit Ar-Ionen für eine vorgesehene
Zeitdauer ausgesetzt, um die Oberflächenschicht zu entfernen und
die gesputterte Oberfläche
wurde durch Röntgenstrahlfotoelektronspektroskopie
(XPS = x-ray photoelectron spectroscopy) untersucht, um die Zusammensetzung
zu untersuchen. Dieser Prozess wurde wiederholt, um den Sauerstoffgehalt
an unterschiedlichen Tiefen zu messen, um die Tiefe der Korrosionsreaktion
zu schätzen.
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse dieser Tests, welche anzeigen, das
die auf Nitrid basierenden Hartbeschichtungen, die zu sätzliche
Elemente enthalten einen Widerstand gegenüber einer Hochtemperaturkorrosion
zeigen. Tabelle
3
X Korrosionsdicke über 0,3 μm
Δ Korrosionsdicke über 0,2 μm, kleiner
als 0,3 μm
O
Korrosionsdicke über
0,1 μm,
kleiner als 0,2 μm
⊕ Korrosionsdicke
kleiner als 0,1 μm
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Als
nächstes
wird die Anwendung dieser Erfindung auf einen Passring in einer
Dampfturbine erklärt. 4 zeigt
ein Beispiel der Struktur einer nichtkontaktierenden Endflächendichtung
einer Dampfturbine. In 4 ist eine Rotationswelle 22 mit
einer Wellenhülse 23 in
einem Dichtgehäuse 21 aufgenommen.
Die Wellenhülse 23 hält Rotationsringe 25 (Passringe)
mit Keilnuten 24. Jede der Rotationsringe 25 besitzt
einen gegenüberliegenden
feststehenden Ring. 26. Das Material für den Rotationsring 25 ist
rostfreier Stahl (SUS420J2) und die Gleitoberfläche ist mit einer hochtemperatur-,
gleitabnutzungswiderstehenden Hartbeschichtung gemäß der ersten
Gruppe dieser Erfindung unter Verwendung des DM-Verfahrens beschichtet.
Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist eine Nut an
der Gleitoberfläche
des Rotationsrings 25 von der Hochdruckseite H zu der Niedrigdruckseite
L ausgebildet.
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Jeder
feststehende Ring 26 ist mit einem Dichtringhalter 28 über einen
Stift 27 verbunden und eine Feder 29 ist zwischen
dem Dichtringhalter 28 und dem Dichtgehäuse 21 vorgesehen.
Jeder feststehende Ring 26 wird gegen den Rotationsring 25 gedrückt mittels
der Feder 29 und dem Dichtringhalter 28. Hier
sind auch eine Verriegelungsplatte 30 und Scherkeil 31 vorgesehen.
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Die
nichtkontaktierende Endflächendichtung
der obigen Struktur wird betätigt
durch Drehen der Drehwelle 22, so dass der Drehring 25 und
der feststehende Ring 26 relativ zueinander bewegt werden
und die Nut, die an dem Rotationsring 25 vorgesehen ist,
verwirbelt das Strömungsmittel
bzw. -fluid an der Hochdruckseite H und bildet eine Fluiddichtung
an der hermetischen Oberfläche.
In Folge des Fluidfilms stehen die hermetischen Oberflächen nicht
in Kontakt und erzeugen einen winzigen Abstand zwischen dem festen
Ring 25 und dem Rotationsring 26. Hier kann die
Dichtung gemäß 4 angesehen
werden, als ob sie sich in einem normalen Kompressionszustand befindet
und in einem solchen Fall kann der Gleitabnutzungswiderstand verbessert
werden durch Anlegen der Beschichtung, die durch das DM-Verfahren
hergestellt ist an der Gleitoberfläche des Rotationsrings 25 der
zweiten Gruppe.
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5 zeigt
eine Anwendung dieser Erfindung auf ein Axiallager in einer Magnetpumpe.
In 5 weist das Axiallager ein statisches Glied 41 auf,
das an einer Trennwand 40 angebracht ist und ein bewegbares Glied 42,
das zu dem statischen Glied 41 weist und an dem Laufrad 44 befestigt
ist. Ein Permanentmagnet 46 ist an der Magnetkopplung 43 über die
Trennwand 40 befestigt und weist zu einem Permanentmagneten 45, der
an dem Laufrad 44 fixiert ist. Die Drehung der Magnetkupplung 43 wird über die
Permanentmagneten 46, 45 durch die Magnetkopplungskraft
auf das Laufrad 44 übertragen,
das sich mit einer Axialunterstützung
des Axiallagers dreht.
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Die
Hartbeschichtung dieser Erfindung entweder der Gruppe 1 oder der
Gruppe 2 wird an die Gleitoberfläche
des bewegbaren Glieds 42 angelegt, das das Axiallager bildet,
und zwar über
das DM-Verfahren. Das statische Glied 41 ist aus einem
primär
auf Karbon bzw. Kohlenstoff basierenden Material herge stellt. Durch
die Herstellung eines solchen Axiallagers kann ein überragendes
Axiallager mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten und einer niedrigen
Abnutzungsrate des Karbons bzw. Kohlenstoffs erhalten werden. Obwohl
dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann auch die Gleitoberfläche des
bewegbaren Gliedes eines Radiallagers mit der Hartbeschichtung dieser
Erfindung beschichtet sein und das statische Glied kann aus einem
auf Karbon bzw. Kohlenstoff basierenden Material hergestellt sein,
um dadurch ein in ähnlicher
Weise überragendes
Radiallager zu erzeugen.
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Die 6A und 6B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, wobei die Erfindung an ein Aufbereitungswerkzeug
für eine
Aufbereitung einer verschlechterten Oberfläche eines chemischen/mechanischen
Polierwerkzeugs zum Erzeugen einer flachen Oberfläche an einem
Halbleitersubstrat angewendet wird. Die Oberfläche einer kreisförmigen Metallbasis 52 des
Aufbereitungswerkzeugs ist mit Vorsprüngen 54 versehen,
die einen Scheitelabstand von 0,3 mm und eine Höhe von 0,15 mm besitzen und
die Vorsprünge
sind mit den Hartbeschichtungen 56 dieser Erfindung gemäß der ersten
oder zweiten Gruppe unter Verwendung des DM-Verfahrens beschichtet,
um Oberflächenvorsprünge mit
hoher Härte
zu erzeugen.
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Ein
solches Aufbereitungswerkzeug zeigt eine starke Verbindung zwischen
der Basis 52 und der Hartbeschichtung 56, während derselbe
oder ein überragender
Abnutzungswiderstand und eine überragende Gleitreibung
im Vergleich zu einem herkömmlichen
Aufbereitungswerkzeug gemäß 6C erreicht
wird, das hergestellt wird durch eingebettete Diamantpartikel 58 in
einer elektroplattierten Metallmatrix 60, was insgesamt
zu einer höheren
Festigkeit und Haltbarkeit führt.
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Es
sei bemerkt, dass obwohl Metallmaterialien als ein Substrat verwendet
wurden die Erfindung nicht auf Metallsubstrate beschränkt ist,
sondern auch superharte Legierungen und Keramiken verwendet werden können, um
die selben Ergebnisse zu erzielen.
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Bei
den obigen Ausführungsbeispielen
waren ferner bewegbare Glieder einer Lagereinheit aus Metallen,
superharten Legierungen oder Keramikmaterialien hergestellt und
die Hartbeschichtung dieser Erfindung wurde auf die Gleitoberfläche des
Gliedes angebracht. Jedoch kann auch das statische Glied aus Metallen, superharten
Legierungen oder Keramikmaterialien hergestellt sein und die Hartbeschichtung
dieser Erfindung kann an die Gleitoberfläche angelegt werden und das
bewegbare Glied kann aus einem auf Karbon bzw. Kohlenstoff basierenden
Material hergestellt sein.
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Bei
den obigen Ausführungsbeispielen
war ferner ein Material, das mit einem Gleitglied mit der Hartbeschichtung
dieser Erfindung zusammengebracht wurde, entweder ein harzinfiltriertes
Hartkarbon oder Hartkarbon alleine, aber ein gepaartes Material
ist nicht auf eine solche Kombination beschränkt. Es können unterschiedlichste auf
Karbon bzw. Kohlenstoff basierende Materialien verwendet werden
einschließlich
karbon- bzw. kohlenstoffinfiltrierter Materialien. Karbon- bzw.
kohlenstoffenthaltendes Material kann ein auf Karbon basierendes
Kompositmaterial (karbonfaserverstärktes Kompositmaterial, Karbonkompositmaterial),
Karbon- bzw. Kohlenstoffstahl, Gusseisen, Karbidverbindungen (SiC,
Cr3C4, TiC und ähnliche),
und Karbongruppenbeschichtungen (DLC-Film, TiC-Beschichtung) sein.
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Wie
oben beschrieben sieht die erste Gruppe der Gleitglieder dieser
Erfindung eine Hartbeschichtung für eine Hochtemperaturgleitanwendung
vor mit verbessertem Widerstand gegenüber Hochtemperaturkorrosion,
während
ein exzellenter Abnutzungswiderstand und exzellente niedrige Reibungseigenschaften
der TiN-Beschichtung beibehalten werden. Ferner werden gemäß der zweiten
Gruppe der Gleitglieder dieser Erfindung die Härte der TiN-Beschichtung und dessen Abnutzungswiderstand
weiter verbessert, so dass ein hoher Widerstand gegenüber Gleitabnutzung
vorgesehen werden kann, der sich als Ergebnis höherer Drehzahlen und Drücke, die
heute in Rotationsmaschinen vorgesehen werden, erfüllt wird.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
Erfindung ist anwendbar auf Hochtemperaturgleitbauteile, wie beispielsweise
Lager und Dichtungen, die in Rotationsmaschinen verwendet werden,
die mit hoher Temperatur arbeiten, wie beispielsweise Dampfturbinen,
Gasturbinen oder auf solche Elemente, wie beispielsweise Schneidwerkzeuge,
die einen hohen Abnutzungswiderstand und niedrige Reibungseigenschaften
erfordern.
