DE7920841U1

DE7920841U1 - Maschinenlager

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Publication number: DE7920841U1
Application number: DE7920841U
Authority: DE
Original assignee: LABORATOIRE SUISSE DE RECHERCHES HORLOGERES NEUENBURG (SCHWEIZ)
Current assignee: LABORATOIRE SUISSE DE RECHERCHES HORLOGERES NEUENBURG (SCHWEIZ)
Priority date: 1978-07-21
Publication date: 1979-12-13

Description

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Maschinenlager

Die Neuerung betrifft ein Maschinenlager mit zwei Partnern, die rollenden und gleitenden Beanspruchungen ausgesetzt sind.

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 der obigen Hartstoffschichten kann eine weitere bedeutende Verbesserung der Eigenschaften von Maschinenlagern 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 Veitraum 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 Konstrukdionsmaterialien bei erhöhter Temperatur und in hohem Vakuum.

Die vorliegende !feuerung 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 im konventionellen Maschinenbau, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betroffenen Elemente zu erhöhen.

Durch Abscheidung von Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Boriden, Siliciden und Oxiden von Elementen der Gruppen IXI bis VIII des Periodensystems der Elemente auf metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen können deren Oberflächeneigenschaf -ten neuerungsgemäß den jeweiligen AnwendungsbedUrfnissen angepaßt werden. Diese Abscheidung kann mittels Gasphasenreaktion chemisch oder physikalisch oder mittels Festkörper- oder Plüssigphasentransportreaktion vorgenommen worden sein.

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 R_eibungs- 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 in den nachfolgenden Beispielen beschriebenen neuerungsgemäßen Paarungen sind derart, daß beide Partner eine hohe Härte haben und ineinander vollständig mischbar sind. Ihre Anwendung wird durch die Beispiele gezeigt, welche die Neuerung im einzelnen erläutert.

Der näheren Erläuterung der Neuerung dient auch die beigefügte Zeichnung,deren einzige Figur ein neuerungsgemäßes Maschinenlager zeigt, bestehend aus mehreren Lagerpartnern. Der eine Lagerpartner 1, der mit einem neuerungsgemäßen Überzug 2 versehen ist, kann entweder einer schiebenden Bewegung oder einer Wälzbewegung unterworfen sein. In ersterem Falle ist der andere Lagerpartner 3» der an seiner Lagerfläche ebenfalls mit einem neuenmgsgemäßen Überzug h versehen ist, einstückig ausgebildet, oder er besteht aus zwei fesMiteinander verbundenen Teilen 3a und 3b. Im zweiten Falle besteht der mit dem neuerungsgemäßen Überzug 4 versehene zweite Lagerpartner aus zwei gegeneinander drehbaren Teilen 3a und 3b, zwischen denen sich der erste Lagerpartner 1 abwälzt.

Der erste Lagerpartner kann eine Kugel, eine Walze, eine Nadel ode dgl. sein und gegebenenfalls durch einen Käfig geführt sein.

Beispiel 1

Dis 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 Säuren 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.

Nach vorliegender Neuerung sind die Pumpenkavität mit Titannitrid und die drehenden Pumpenelemente, wie Kolben oder Drehschieber, mit Titancarbid beschichtet. Titannitrid bzw. Titancarbid ist 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 di*rüb«5r hinaus die Pumpenelemente, wie Kolben, Drehschieber, Kavitätsinnenraum usw., vor chemischem Angriff, und es ist somit möglich, 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, immer höhere Temperaturen (bis 900 c) anzuwenden. Diese erhöhten Temperaturen im hochreinen Edelgas bewirken eine Desorption aller schützenden Oxidschichten auf der Oberfläche von tribologisch funktionellen Flächen. Daraus resultiert eine starke Verschweißneigung der betroffenen Reibungepartner 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. Laber für Drücke bis 250 Mp pro Auflagestelle können in käfigloser Ausführung mit Wälzkörpern, die abwechselnd mit TiC und TiN beschichtet sind, hergestellt sein. Das Konstruktionsmaterial der Ringe und Vältkörper muß den Temperaturen und der Genauigkeitsklasse des Lagers angepaßt sein.

Der niedrige Reibungskoeffizient TiC-TiN gewährleistet ein Funktionleren der Lager mit 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 s»in.

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Die vorliegende Neuerung 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 Konstruktionsmaßnahmen eine Schmierung gewährleistet werden.

Neuerungsgemäße Lagerelemente können unter Ausnutzung des niedrigen Reibungskoeffizienten einer Hartstoffpaarung TiC-SiC, wobei die Lagerringe mit Titancarbid und die Rollelemente mit SiC beschichtet sind, wartungsfrei gemacht werden. Auch in diesem Fall kann eine zusätzliche Beschichtung mit MoS„ erforderlich werden.

Die neuerungsgemäßen Lagerelemente können auch in klassisch geschmierten Gyroskopen verwendet werden und ergeben dadurch hervorragende Notlaufeigenschaften.

Beispiel k

Jm Hochofenbau müssen Lagerelemente bei Temperaturen bis 850 C in oxydierender Atmosphäre betrieben werden. Durch Beschichten der Rollelemente mit Si„N. und der zugeordneten Laufbahnen mit MoSi₂ wird die hohe Oxydationsbeständigkeit von Si„NjL und das gute Reibungsverhalten von MoSi„ ausgenutzt, um herkömmliche Materialien in einem höheren als sonst üblichen Temperaturbereich anwenden zu können.

Claims

1. Mascninenlager mit zwei Partnern, die rollenden und gleitenden Beanspruchungen ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Partner (1, 3) mit Überzügen (2, k) mit niedrigen statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten versehen sind, die nach ihrem tribelegischen Verhalten ausgewählt sind und die aus Verbindungen von Elementen der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente in Form von Mischungen oder Mischkristallen bestehen.

2. Maschinenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzüge (2, k) ein Carbid eines Elements der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente ist.

3. Maschinenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzüge (2, 4) ein Nitrid eines Elements der Gruppen III bis VIII des Ferbdensystems der Elemente ist.

k* Maschinenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzüge (2, k) ein

Carbonitrid eines Elements der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente ist.

5. Maschinenlager nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzüge (2, k) ein Bor.i.d eines Elements cijr Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente ist.

6. Maschinenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzug (2, k) ein Silicid eines Elements der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente ist.

7. Maschinenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der Überzüge (2, k) ein Oxid eines Elements der Gruppen III bis VIII des Periodensystems der Elemente ist.

8. Maschinenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der Partner einen Titancarbidüberzug und der andere einen Titannitridüberzug enthält.

9. Maschinenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der Partner einen Titancarbidüberzug und dar andere einen Siliciumcarbidüberzug enthält.

10. Maschinenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Partner einen SiliciumnitridUberzug und der andere einen Molybdänsilicidüberzug enthält.

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