EP1832753A2 - Structure providing an interface between two moving mechanical parts, manufacturing method and application to vacuum pumps - Google Patents
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- EP1832753A2 EP1832753A2 EP07103799A EP07103799A EP1832753A2 EP 1832753 A2 EP1832753 A2 EP 1832753A2 EP 07103799 A EP07103799 A EP 07103799A EP 07103799 A EP07103799 A EP 07103799A EP 1832753 A2 EP1832753 A2 EP 1832753A2
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Definitions
- the invention relates to the interface structures between moving mechanical parts, in particular parts of pumps or other systems moving in a vacuum atmosphere, in which counteracting contact surfaces are in motion relative to one another with respect to each other. a game alternately weak or zero.
- Antagonist contact surfaces in motion relative to each other are generally necessary either for the transmission of mechanical forces from one part to another, or for the realization of a support from one part to the other, either for the realization of a gas or liquid tightness.
- Friction when the low clearance becomes zero between two opposing surfaces in a contact, is traditionally achieved by providing the presence of a liquid lubricant.
- liquid lubricants have the disadvantage of evaporating, producing emission of polluting vapors whose presence is incompatible with the criteria of vacuum systems "clean and dry".
- the object of the invention is to increase the wear resistance of the moving contact surfaces in motion relative to one another, while decreasing their friction.
- the document WO-2005/014 892 discloses a method of coating a substrate to improve its resistance to corrosion and abrasion by particles.
- the metal substrate is covered with three ceramic layers: a first transition layer, a hardness functional layer and a porous surface layer.
- the surface layer whose porosity is able to retain a composite layer containing a lubricant.
- the invention provides an interface structure comprising a first mechanical part and a second mechanical part having respectively at least a first surface and at least a second opposing surface facing said first surface, the first mechanical part having a clean structure of low density metal or alloy and the surface area of the first surface of the first mechanical part comprising at least two ceramic surface layers, a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, the porosity of the outer surface layer containing a material that promotes sliding.
- the first surface of the first mechanical part and the second surface of the second mechanical part are in motion relative to one another in permanent or temporary sliding contact in a vacuum atmosphere, the second mechanical part having a clean structure in metal or alloy of low density, and the surface area of the second counter surface comprising at least one dense layer of ceramic.
- the ceramic surface area of the first piece of clean structure of light metal By transforming in a ceramic the surface area of the first piece of clean structure of light metal, with a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, the ceramic surface area is given a great hardness which allows it to to withstand high localized pressures by limiting the deformations, and the ceramic surface area is given a capacity to receive a finishing treatment by grinding which gives it the most regular geometry possible in the interface area.
- the porous outer surface layer is particularly adherent to the structure of the metal part via the internal sub-layer of the same nature but denser of the same metal converted into ceramic.
- porous outer surface layer is a very effective bonding layer for a slip-promoting material, and may itself receive and retain slip-promoting material for subsequent redistribution in the contact interface between the opposing surfaces, This results in a very significant reduction of friction, and results in a reduction of the emission of particles.
- the porosities of the porous outer ceramic surface layer contain a slip-promoting material.
- a slip-promoting material is an organic and / or inorganic solid lubricant, for example chosen from the family comprising graphite, disulfide of molybdenum, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
- the slip promoting material is contained in a solid polymer. It is thus a mixture of polymer and lubricant, and the polymer promotes the attachment of the lubricant to the ceramic.
- the solid polymer is a heat-cured resin, for example a polymer selected from the family comprising polyamide imides, polyimides, epoxy resins, polyaryl sulfone.
- the polymer will be chosen according to its chemical or physical resistance spectrum adopted to the nature and temperature of the fluids in contact.
- the polymerization temperature of the resin is greater than 200 ° C, and more preferably between 230 ° C and 370 ° C.
- the porous outer ceramic surface layer which is thus impregnated with solid polymer, can be further coated with a surface layer of said solid polymer, which polymer surface layer constitutes an adaptation layer capable of be final dimensioned by a preliminary operation of machining, adjustment or lapping. This ensures the achievement of a minimum clearance between the first and second mechanical parts.
- the solid polymer Due to the porous structuring of the outer surface layer constituting an ideal coupling support, the solid polymer is very adherent.
- the metal or alloy of low density can be taken from the family of metals or alloys including aluminum, titanium, magnesium.
- the second mechanical part has a clean structure of low density metal or alloy, and the second counter surface comprises at least one dense layer of the metal or alloy converted into a ceramic. This dense layer may then constitute the surface layer of said second mechanical part.
- the second counter surface may comprise a porous outer surface layer and a dense inner underlayer of said metal or alloy converted into a ceramic.
- the ceramic layers may advantageously have a metal layer structure or alloy transformed into ceramic by micro-arc oxidation.
- the invention also relates to a method for producing an interface structure as defined above.
- the method comprises a step of micro-arc oxidation of the metal or alloy of the superficial zone of a first surface and at least a second counter surface, the spark parameters of the micro-arc oxidation step being chosen to form at least one ceramic surface layer.
- the method comprises a step in which the porous outer ceramic surface layer of the first surface receives a coating of slip-promoting material.
- the coating of sliding-promoting material is produced by nebulized spraying, dipping, impregnation, or centrifugation.
- the method further comprises a heating step for polymerizing the resin of the slip-promoting material in order to provide the necessary hardness and structural strength.
- the method may advantageously comprise a machining step, called a conformation step, of at least one antagonistic surface in ceramic obtained by micro-arc oxidation of a metal or alloy surface.
- the invention also provides various applications of such an interface structure for constituting friction surfaces, continuous or discontinuous, between moving mechanical parts in a vacuum atmosphere, especially in vacuum pumps.
- an interface structure according to the invention is provided between a first mechanical part 1 and a second mechanical part 2, which respectively have at least a first surface 1a and a second counter surface 2a. .
- the opposing surfaces 1a and 2a are facing each other and are sliding relative to one another, illustrated by the arrow 3, with parts 1 and 2 being in contact with each other. one of the other according to their antagonistic surfaces 1a and 2a, whether occasionally or accidentally.
- the first mechanical part 1 has a clean structure 1b metal or alloy of low density, for example a metal or alloy taken from the family of metals or alloys including aluminum, titanium, magnesium.
- the surface area of the first surface 1a of the first mechanical part 1 comprises at least two layers 1c and 1d in which said low density metal or alloy has been converted into a ceramic.
- the outer surface layer 1c has a porous physical structure, that is to say having pores that open outwards towards the second mechanical part 2, while the inner sub-layer 1d is dense, essentially devoid of porosities.
- the nature of the ceramic constituting the internal 1d and outer 1c surface layers may advantageously be alpha alumina (corundum) ⁇ -AL 2 O 3 in the case where said metal or alloy is based on aluminum.
- the hardness of the inner sub-layer 1d can then be at least 1200 to 2000 Vickers.
- the porous outer surface layer 1c is covered with a surface layer 1e of a solid polymer, the said solid polymer also filling the pores of the outer porous surface layer 1c.
- the solid polymer is chosen from heat-curable resins, for example in the family comprising polyamide imides, polyimides, epoxy resins and polyaryl sulphone.
- the solid polymer constituting the surface layer contains at least one organic and / or inorganic solid lubricant, for example chosen from the family comprising graphite, molybdenum disulphide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
- organic and / or inorganic solid lubricant for example chosen from the family comprising graphite, molybdenum disulphide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
- the second mechanical part 2 has a clean structure 2b of metal or alloy of low density, for example taken from the family of metals or alloys including aluminum, titanium, magnesium, and the second counter-surface 2a comprises at least one dense surface layer 2d of said metal or alloy converted into a ceramic.
- the vacuum friction coefficients for such antagonistic pairs are thus close to or less than 0.1.
- micro-arc oxidation can be carried out by a double surface layer of ceramic with a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, then machining the ceramic to retain only all or part of the dense inner sub-layer which then forms the dense 2d surface layer.
- the second counter surface 2a is then smooth and hard, and lacks a porous outer ceramic surface layer and a polymer surface layer.
- FIG. 3 which illustrates in greater detail a possible superficial zone structure of the first mechanical part 1, in which the clean structure 1b of metal or alloy of low density, for example an aluminum alloy, is considered.
- the internal dense ceramic underlayer 1d obtained by transformation of said metal or alloy forming the clean structure 1b
- the outer porous ceramic surface layer 1c obtained by transformation of said metal or alloy constituting the clean structure 1b
- the surface layer 1e in solid polymer.
- Such a surface structure is advantageously produced by a micro-arc oxidation process, in which the surface area of the clean structure 1b is made of aluminum alloy to form the two inner dense 1d and outer porous 1c layers.
- the level of the original surface 5 of the clean structure 1b, before micro-arc oxidation, is illustrated in dashed lines.
- the clean structure 1b is progressively transformed into a porous outer surface layer 1c and a dense inner sub-layer 1d, the outer porous surface layer 1c occupying a thickness substantially between one quarter and one-third of the total thickness T of the layer transformed into ceramic, said total layer thickness T transformed into ceramic which can be of the order of 50 to 100 micrometers, the original surface 5 occupying substantially the average position in the total thickness T of the layer converted into ceramic.
- a thickness E of surface layer 1e equal to about 20 microns, this thickness being able to be modified according to the applications, according to the needs.
- the interface structure between the two mechanical parts 1 and 2 comprises a first zone A and a second zone B, marked in the figure.
- the first mechanical part 1 is intended to move in circular translation with respect to the second mechanical part 2 in the plane perpendicular to the section, and along an axis of eccentricity normal to this plane.
- the interface structure of the first interface zone A consists of axial surfaces of the two parts 1 and 2
- the interface structure of the second interface zone B consists of radial surfaces of the parts 1 and 2.
- first interface zone A we find the structure of the embodiment of Figure 1, and the corresponding elements are identified by the same reference numerals.
- the first mechanical part 1 comprises a solid polymer surface layer 1 and an outer porous ceramic surface layer 1c.
- the two mechanical parts 1 and 2 each comprise a respective layer 1d or 2d dense ceramic.
- the two mechanical parts 1 and 2 each comprise a dense internal underlayer 1d or 2d ceramic, a porous outer surface layer 1c or 2c ceramic, and a surface layer 1 e or 2e in solid polymer.
- This embodiment of Figure 2 is adapted in particular for sealing and sliding without damage in a SCROLL type pump.
- the ceramics of the dense ceramic layer 2d present on the surface spread and polish the polymer of the surface layer 1e and possibly absorb it in part. Lubricant consumption is minimized.
- the antagonistic surfaces 1a and 2a can be perfectly formed, and during this step of lapping the material transfers from one surface to the other can occur. After break-in, the emission of particles is minimal or non-existent.
- Figure 1 The structure of Figure 1 is usable in the case where the mechanical parts 1 and 2 slide on one another permanently.
- FIG. 2 performs two functions, namely a permanent slip on the first interface zone A and a play with possible accidental friction in the second interface zone B.
- first piece 1 having a clean structure 1b light metal alloy, for example an aluminum alloy, whose outer surface is illustrated by the dotted line 5.
- a clean structure 1b light metal alloy for example an aluminum alloy
- This clean structure 1b is subjected to micro-arc oxidation, which is an old process known in the state of the art, but which has not yet been applied to the production of moving part interface structures. , especially in a vacuum.
- the process may for example be as described in the document WO-01/81 658 .
- the first mechanical part 1, or at least the area of its own structure 1b is immersed in an electrolytic bath composed of an aqueous solution of alkali metal hydroxide, such as potassium or sodium, and of an oxyacid salt of an alkali metal, the first piece 1 forming one of the electrodes.
- a variable voltage having an appropriate waveform is applied to the electrodes.
- an insulating dielectric layer consisting of hydroxide is formed.
- a breakdown of this dielectric layer is observed with an increasing micro-arc activity, as a function of the electrical energy applied to the electrodes.
- This second step lasts, depending on the chosen parameters, between fifteen and thirty minutes or so.
- the surface layer develops in thickness and a ceramic is formed whose composition and physical properties depend in part on the electrolyte and in part on the voltage waveforms applied to the electrodes.
- a ceramic is formed predominantly of alpha alumina ( ⁇ -AL 2 O 3 ) also called corundum.
- the outer surface layer 1c ceramic is porous, by the presence of the craters produced by the micro-arcs.
- a dense internal 1d ceramic underlayer develops in depth.
- the spark-out parameters of the micro-arc oxidation step are selected, in particular the waveform and the value of the voltage applied to the electrodes, so as to constitute the two surface layers of metal or alloy converted into ceramic 1c. and 1d, depending on the desired thickness.
- the outer surface of the porous surface layer 1c of the micro-arc oxidation-transformed ceramic is then coated with a solid polymer.
- This coating may be carried out by nebulized spraying, dipping, impregnation, or spin spinning, for example.
- the solid polymer penetrates the pores of the porous layer 1c, so that it becomes very adherent to the ceramic.
- the thickness E of the surface layer 1c may be for example about 20 microns.
- a firing temperature greater than 200 ° C, and preferably between 230 to 370 ° C, may be chosen depending on the composition of the polymer.
- the polymer may advantageously be an added resin, including at least one organic and / or inorganic solid lubricant such as graphite, molybdenum disulfide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
- organic and / or inorganic solid lubricant such as graphite, molybdenum disulfide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
- the same method as that described above in connection with FIG. 3 can be used first, until a ceramic layer consisting of a dense inner sub-layer 2d and an outer porous surface layer 2c.
- the outer porous surface layer 2c is then machined out, leaving only all or part of the dense inner layer 2d. It is forbidden to add a polymer surface layer.
- the micro-arc oxidation allows excellent adhesion of the ceramic to the light alloy substrate.
- the continuous ceramic layer from its dense part to the porous part, has a maximum resistance to mechanical stresses.
- the polymer optionally used is optimally imbedded in the pores, which allows a high adhesion of the product to the surface of the workpiece.
- the presence of solid lubricant in the polymer gives it particularly improved rubbing qualities.
- FIG. 4 illustrates a first application of the invention for producing the joint interface structure in a SCROLL type vacuum pump.
- the operating principle of a SCROLL pump is based on the conjugation of two spiral cut profiles in a circular translational motion.
- One of the turns, mobile moves without rotation on itself relative to the fixed turn. Its center then describes a circle of radius equal to the spacing between the turns. This movement reveals an open volume allowing the suction of a fluid, then the volume closes and a transfer phase occurs on the length of the profile, which is transformed into compression, the radius of turns decreasing. Refoulement takes place at final side in the central part of the turns where the residual volume becomes minimal.
- the sealing of such a pump is axially and radially between the projecting parts, the walls, the recessed parts of the turns, the grooves.
- the sealing is done in particular by axial compensation joints intended to minimize the space that exists axially between the end of the walls and the bottom of the grooves of the two parts.
- the seal protrudes from the wall and slides over the bottom of the furrow opposite it.
- an elastomer element may be inserted between the gasket itself and the bottom of the groove to give the assembly an elasticity in the axial direction so as to press the gasket onto the counter-face independently of the positions of the turns themselves. .
- Figure 4 illustrates an application of the invention to the interface structure between the seal and the counter surface.
- the seal 10 is disposed in the bottom of the groove 11, and rubs against the smooth end surface 12 of the wall 13.
- the seal 10 is formed of a ceramic surface area produced as previously indicated by micro-arc oxidation.
- An elastomer compression portion 14 is interposed between the bottom of the groove 11 and the seal 10.
- FIG. 5 illustrates another application of the invention for producing the accidental contact zones of a turbomolecular pump.
- a molecular pump comprises a rotor 20 rotating at high speed along an axis II-II around a stator 21, the assembly being disposed in a housing 22.
- a peripheral accidental contact zone 23 must be provided between the housing 22 se deforming under the effect of external stresses and the rotor 20.
- This accidental contact zone 23 may comprise an interface structure as defined above according to the invention, with the housing 22 acting as the first mechanical part 1 , and with the rotor 20 acting as the second mechanical part 2.
- FIG. 5 also illustrates the use of the invention to establish the zones in contact during the start-up and landing phases of a gas-bearing pin of such a turbomolecular pump.
- the principle of a gas bearing pin is to establish smooth bearings and an axial stop with low clearance, a few microns, compared to a tree. Nozzles are provided in these bearings to generate a local gas pressure in the interstitial interplay between surfaces. When the spindle rotates at high speed the aerodynamic lift effect is maximum.
- the axial abutment 24 is between an abutment 25 and a lower bearing / abutment 26.
- the upper bearing 27 guides the rotor 20.
- the opposing pairs thus arranged are applications of the present invention.
- the rotating parts constitute the mechanical part 1, and the static parts constitute the mechanical part 2.
- the contact between parts is certain in the starting phase as in that of stop.
- the use of a coating suitable for friction without emission of particles is necessary.
- the aerodynamic lift is acquired only when the spindle reaches the higher speeds, even with the addition of the incoming purges which are compensated in this operation in depression by a pumping of extraction of the gas which escapes from the interstitial zones so as to limit the leak at the top of the spindle.
- the upper bearing 27 is extended by a dynamic seal 28 to introduce a maximum pressure drop between the volume of the bearing and the vacuum pump part.
- FIG. 6 there is illustrated another application of the invention for the realization of the interface structures in a SCROLL pump.
- the rotor 31 moves by rubbing axially on the stator 32.
- the one and the other constitute alternately the first mechanical part 1 or the second mechanical part 2 in the direction described in relation with FIG. 3.
- the antagonistic surfaces of play friction According to the invention, the micro-arc oxidation is completed by coating the surfaces with a resin containing solid lubricant.
- the reciprocal conformation of the lateral faces is obtained by prior running-in of the assembled parts.
- Figure 7 illustrates another application of the invention for the realization of the interface structures in a piston vacuum pump.
- the surfaces Friction antagonists are produced according to the invention by micro-arc oxidation.
Abstract
Description
L'invention concerne les structures d'interface entre des pièces mécaniques en mouvement, en particulier des pièces de pompes ou autres systèmes se mouvant dans une atmosphère en dépression, dans lesquelles des surfaces de contact antagonistes sont en mouvement les unes par rapport aux autres avec un jeu alternativement faible ou nul.The invention relates to the interface structures between moving mechanical parts, in particular parts of pumps or other systems moving in a vacuum atmosphere, in which counteracting contact surfaces are in motion relative to one another with respect to each other. a game alternately weak or zero.
Des surfaces de contact antagonistes en mouvement les unes par rapport aux autres sont généralement nécessaires soit pour la transmission d'efforts mécaniques d'une pièce à l'autre, soit pour la réalisation d'un appui d'une pièce sur l'autre, soit pour la réalisation d'une étanchéité aux gaz ou aux liquides.Antagonist contact surfaces in motion relative to each other are generally necessary either for the transmission of mechanical forces from one part to another, or for the realization of a support from one part to the other, either for the realization of a gas or liquid tightness.
La friction, quand le jeu faible devient nul entre deux surfaces antagonistes dans un contact, est traditionnellement réalisée en prévoyant la présence d'un lubrifiant liquide. Toutefois, dans une atmosphère en dépression, les lubrifiants liquides présentent l'inconvénient de s'évaporer, produisant l'émission de vapeurs polluantes dont la présence est incompatible avec les critères des systèmes sous vide "propres et secs".Friction, when the low clearance becomes zero between two opposing surfaces in a contact, is traditionally achieved by providing the presence of a liquid lubricant. However, in a vacuum atmosphere, liquid lubricants have the disadvantage of evaporating, producing emission of polluting vapors whose presence is incompatible with the criteria of vacuum systems "clean and dry".
Dans le domaine des pompes ou des compresseurs, on connaît déjà, comme décrit dans le document
Cette technique présente toutefois l'inconvénient que la matrice continue à subir le frottement d'écoulement et la compression des fluides pompés pendant l'utilisation du système. L'échauffement et les contraintes répétitives sur la pièce rechargée sont systématiques. Il peut en résulter, surtout dans un usage où la nature des fluides gazeux peut être chimiquement agressive, sous l'effet d'une telle attaque, soit un gonflement ou une striction, soit un décollement de la matrice. Il est à craindre une augmentation progressive du jeu entre les deux pièces, réduisant l'efficacité de l'interface, induisant par exemple une perte d'étanchéité. De plus, si les frottements entre pièces se produisent, l'usure génèrera continuellement une émission de particules qui s'échappent dans le flux ambiant, ce qui n'est pas souhaitable dans les applications du vide.However, this technique has the disadvantage that the matrix continues to experience flow friction and fluid compression. pumped during the use of the system. The heating and the repetitive stress on the reloaded part are systematic. This can result, especially in a use where the nature of the gaseous fluids can be chemically aggressive, under the effect of such an attack, swelling or necking, or a detachment of the matrix. It is feared a gradual increase in clearance between the two parts, reducing the efficiency of the interface, leading for example a loss of watertightness. In addition, if inter-piece friction occurs, the wear will continuously generate an emission of particles that escape into the ambient flow, which is not desirable in vacuum applications.
Ainsi, invention vise à augmenter la résistance à l'usure des surfaces antagonistes de contact en mouvement les unes par rapport aux autres, tout en diminuant leur frottement.Thus, the object of the invention is to increase the wear resistance of the moving contact surfaces in motion relative to one another, while decreasing their friction.
Dans le document
Dans le domaine du vide, c'est-à-dire lorsque les pièces en mouvement sont dans une atmosphère en dépression, la difficulté est encore accrue, par le fait que les surfaces antagonistes de contact en mouvement les unes vis-à-vis des autres ne peuvent pas emprisonner entre elles un "matelas" de molécules gazeuses. La friction est alors permanente, la sollicitation est maximale. Ceci contrairement aux systèmes de pièces en déplacement dans une atmosphère à pression voisine ou supérieure à la pression atmosphérique, où le glissement est facilité par l'interposition d'un film gazeux d'autant plus efficace que les pièces sont en mouvement rapide, selon un régime aérodynamique.In the field of vacuum, that is to say when the moving parts are in a vacuum atmosphere, the difficulty is further increased by the fact that the contact surfaces in contact with each other with respect to others can not imprison between them a "mattress" of gaseous molecules. The friction is then permanent, the solicitation is maximum. This in contrast to systems moving parts in an atmosphere at or near atmospheric pressure, where the sliding is facilitated by the interposition of a gaseous film all the more effective that the parts are in rapid motion, according to a aerodynamic regime.
Par ailleurs on connaît certains documents (
Le document
Selon la présente invention, dans un système comportant des pièces en mouvement l'une vis-à-vis de l'autre, en particulier sous vide, on veut permettre, sans risque de grippage ou d'abrasion significative, le contact permanent ou temporaire des surfaces antagonistes en mouvement les unes par rapport aux autres en contact glissant avec un jeu très faible ou nul, tout en minimisant l'émission de particules et donc en minimisant l'usure progressive des surfaces en cours d'utilisation normale.According to the present invention, in a system comprising moving parts vis-à-vis the other, particularly under vacuum, it is desired to allow, without risk of seizure or significant abrasion, permanent or temporary contact opposing surfaces moving relative to each other in sliding contact with very little or no play, while minimizing the emission of particles and thus minimizing the progressive wear of surfaces in normal use.
Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose une structure d'interface comprenant une première pièce mécanique et une seconde pièce mécanique ayant respectivement au moins une première surface et au moins une seconde surface antagoniste en regard de ladite première surface, la première pièce mécanique ayant une structure propre en métal ou alliage de faible densité et la zone superficielle de la première surface de la première pièce mécanique comprenant au moins deux couches superficielles en céramique, une couche superficielle externe poreuse et une sous-couche interne dense, la porosité de la couche superficielle externe contenant un matériau qui favorise le glissement. La première surface de la première pièce mécanique et la seconde surface de la seconde pièce mécanique sont en mouvement l'une par rapport à l'autre en contact glissant permanent ou temporaire dans une atmosphère en dépression, la seconde pièce mécanique ayant une structure propre en métal ou alliage de faible densité, et la zone superficielle de la seconde surface antagoniste comprenant au moins une couche dense en céramique.To achieve these and other objects, the invention provides an interface structure comprising a first mechanical part and a second mechanical part having respectively at least a first surface and at least a second opposing surface facing said first surface, the first mechanical part having a clean structure of low density metal or alloy and the surface area of the first surface of the first mechanical part comprising at least two ceramic surface layers, a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, the porosity of the outer surface layer containing a material that promotes sliding. The first surface of the first mechanical part and the second surface of the second mechanical part are in motion relative to one another in permanent or temporary sliding contact in a vacuum atmosphere, the second mechanical part having a clean structure in metal or alloy of low density, and the surface area of the second counter surface comprising at least one dense layer of ceramic.
En transformant en une céramique la zone superficielle de la première pièce à structure propre en métal léger, avec une couche superficielle externe poreuse et une sous-couche interne dense, on donne à la zone superficielle en céramique une grande dureté qui lui permet de supporter des pressions localisées élevées en limitant les déformations, et on donne à la zone superficielle en céramique une capacité de recevoir un traitement de finition par rectification qui lui confère la géométrie la plus régulière possible dans la zone d'interface. La couche superficielle externe poreuse est particulièrement adhérente à la structure de la pièce en métal via la sous-couche interne de même nature mais plus dense de ce même métal transformé en céramique. Et la couche superficielle externe poreuse constitue une couche d'accrochage très efficace pour un matériau favorisant le glissement, et peut elle-même recevoir et retenir du matériau favorisant le glissement pour le redistribuer ensuite dans l'interface de contact entre les surfaces antagonistes, Il en résulte ainsi une réduction très sensible des frottements, et il en résulte une réduction de l'émission de particules.By transforming in a ceramic the surface area of the first piece of clean structure of light metal, with a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, the ceramic surface area is given a great hardness which allows it to to withstand high localized pressures by limiting the deformations, and the ceramic surface area is given a capacity to receive a finishing treatment by grinding which gives it the most regular geometry possible in the interface area. The porous outer surface layer is particularly adherent to the structure of the metal part via the internal sub-layer of the same nature but denser of the same metal converted into ceramic. And the porous outer surface layer is a very effective bonding layer for a slip-promoting material, and may itself receive and retain slip-promoting material for subsequent redistribution in the contact interface between the opposing surfaces, This results in a very significant reduction of friction, and results in a reduction of the emission of particles.
Les porosités de la couche superficielle externe poreuse en céramique contiennent un matériau favorisant le glissement. Une amélioration des propriétés tribologiques et une réduction simultanée de l'émission de particules peuvent être obtenues en prévoyant que le matériau qui favorise le glissement est un lubrifiant solide organique et/ou minéral, par exemple choisi dans la famille comprenant le graphite, le disulfure de molybdène, le nitrure de bore, le disulfure de tungstène, le PTFE.The porosities of the porous outer ceramic surface layer contain a slip-promoting material. An improvement in the tribological properties and a simultaneous reduction in the emission of particles can be obtained by providing that the material which promotes sliding is an organic and / or inorganic solid lubricant, for example chosen from the family comprising graphite, disulfide of molybdenum, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
De préférence, le matériau qui favorise le glissement est contenu dans un polymère solide. Il s'agit ainsi d'un mélange de polymère et de lubrifiant, et le polymère favorise l'accrochage du lubrifiant à la céramique.Preferably, the slip promoting material is contained in a solid polymer. It is thus a mixture of polymer and lubricant, and the polymer promotes the attachment of the lubricant to the ceramic.
Le polymère solide est une résine polymérisée à chaud, par exemple un polymère choisi dans la famille comprenant les polyamides imides, les polyimides, les résines époxy, le polyaryl sulfone. Le polymère sera choisi en fonction de son spectre de résistance chimique ou physique adopté à la nature et à la température des fluides en contact. De préférence la température de polymérisation de la résine est supérieure à 200°C, et de préférence encore comprise entre 230°C et 370°C.The solid polymer is a heat-cured resin, for example a polymer selected from the family comprising polyamide imides, polyimides, epoxy resins, polyaryl sulfone. The polymer will be chosen according to its chemical or physical resistance spectrum adopted to the nature and temperature of the fluids in contact. Preferably the polymerization temperature of the resin is greater than 200 ° C, and more preferably between 230 ° C and 370 ° C.
Selon une possibilité, la couche superficielle externe poreuse en céramique, qui est ainsi imprégnée de polymère solide, peut être en outre recouverte d'une couche de surface dudit polymère solide, laquelle couche de surface de polymère constituant une couche d'adaptation susceptible d'être mise à dimension définitive par une opération préliminaire d'usinage, d'ajustage ou bien de rodage. On assure ainsi la réalisation d'un jeu minimal entre les première et seconde pièces mécaniques.According to one possibility, the porous outer ceramic surface layer, which is thus impregnated with solid polymer, can be further coated with a surface layer of said solid polymer, which polymer surface layer constitutes an adaptation layer capable of be final dimensioned by a preliminary operation of machining, adjustment or lapping. This ensures the achievement of a minimum clearance between the first and second mechanical parts.
Du fait de la structuration poreuse de la couche superficielle externe constituant un support d'accrochage idéal, le polymère solide est très adhérent.Due to the porous structuring of the outer surface layer constituting an ideal coupling support, the solid polymer is very adherent.
Selon l'invention, le métal ou alliage de faible densité peut être pris dans la famille des métaux ou alliages comprenant l'aluminium, le titane, le magnésium.According to the invention, the metal or alloy of low density can be taken from the family of metals or alloys including aluminum, titanium, magnesium.
La seconde pièce mécanique a une structure propre en métal ou alliage de faible densité, et la seconde surface antagoniste comprend au moins une couche dense du métal ou alliage transformé en une céramique. Cette couche dense peut alors constituer la couche superficielle de ladite seconde pièce mécanique.The second mechanical part has a clean structure of low density metal or alloy, and the second counter surface comprises at least one dense layer of the metal or alloy converted into a ceramic. This dense layer may then constitute the surface layer of said second mechanical part.
En alternative, selon certaines applications, la seconde surface antagoniste peut comprendre une couche superficielle externe poreuse et une sous-couche interne dense dudit métal ou alliage transformé en une céramique.Alternatively, according to some applications, the second counter surface may comprise a porous outer surface layer and a dense inner underlayer of said metal or alloy converted into a ceramic.
Selon l'invention, les couches en céramique peuvent avantageusement présenter une structure de couche de métal ou alliage transformée en céramique par oxydation micro-arc.According to the invention, the ceramic layers may advantageously have a metal layer structure or alloy transformed into ceramic by micro-arc oxidation.
L'invention a aussi pour objet un procédé pour la réalisation d'une structure d'interface telle que définie ci-dessus. Le procédé comprend une étape d'oxydation micro-arc du métal ou alliage de la zone superficielle d'une première surface et d'au moins une seconde surface antagoniste, les paramètres d'étincelage de l'étape d'oxydation micro-arc étant choisis de façon à constituer au moins une couche superficielle en céramique.The invention also relates to a method for producing an interface structure as defined above. The method comprises a step of micro-arc oxidation of the metal or alloy of the superficial zone of a first surface and at least a second counter surface, the spark parameters of the micro-arc oxidation step being chosen to form at least one ceramic surface layer.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape au cours de laquelle la couche superficielle externe poreuse en céramique de la première surface reçoit une enduction de matériau favorisant le glissement.According to one embodiment, the method comprises a step in which the porous outer ceramic surface layer of the first surface receives a coating of slip-promoting material.
Avantageusement, l'enduction de matériau favorisant le glissement est réalisée par projection nébulisée, par trempage, par imprégnation, ou par centrifugation.Advantageously, the coating of sliding-promoting material is produced by nebulized spraying, dipping, impregnation, or centrifugation.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d'échauffement pour polymériser la résine du matériau favorisant le glissement afin de lui apporter la dureté et la résistance de structure nécessaire.According to another embodiment, the method further comprises a heating step for polymerizing the resin of the slip-promoting material in order to provide the necessary hardness and structural strength.
Le procédé peut avantageusement comprendre une étape d'usinage, dit de conformation, d'au moins une surface antagoniste en céramique obtenue par oxydation micro-arc d'une surface en métal ou alliage.The method may advantageously comprise a machining step, called a conformation step, of at least one antagonistic surface in ceramic obtained by micro-arc oxidation of a metal or alloy surface.
L'invention prévoit également diverses applications d'une telle structure d'interface pour la constitution de surfaces antagonistes de frottement, continu ou discontinu, entre des pièces mécaniques en mouvement dans une atmosphère en dépression, notamment dans des pompes à vide.The invention also provides various applications of such an interface structure for constituting friction surfaces, continuous or discontinuous, between moving mechanical parts in a vacuum atmosphere, especially in vacuum pumps.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une structure d'interface selon un mode de réalisation de l'invention, avec contact dynamique entre les deux pièces antagonistes ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une structure d'interface selon un autre mode de réalisation de l'invention, avec un contact permanent entre des surfaces axiales, et avec un jeu entre des surfaces radiales ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe illustrant le détail de structure d'une première surface à double couche de céramique et couche de surface en polymère ;
- la figure 4 illustre une première application d'une structure d'interface selon l'invention, pour la réalisation d'un joint d'étanchéité de pompe SCROLL ;
- la figure 5 illustre une seconde application d'une structure d'interface selon l'invention, pour la réalisation de zones de contact accidentel d'une pompe turbo moléculaire et pour la réalisation de paliers et d'une butée à gaz sur une telle pompe ;
- la figure 6 illustre une troisième application d'une structure d'interface selon l'invention, pour une pompe SCROLL ; et
- la figure 8 illustre une autre application d'une structure d'interface selon l'invention pour une pompe à piston.
- Figure 1 is a schematic sectional view of an interface structure according to one embodiment of the invention, with dynamic contact between the two opposing parts;
- Figure 2 is a schematic sectional view of an interface structure according to another embodiment of the invention, with a permanent contact between axial surfaces, and with a clearance between radial surfaces;
- Fig. 3 is a schematic sectional view illustrating the structural detail of a first double-layered ceramic surface and a polymeric surface layer;
- FIG. 4 illustrates a first application of an interface structure according to the invention, for producing a SCROLL pump seal;
- FIG. 5 illustrates a second application of an interface structure according to the invention, for the realization of accidental contact zones of a turbo molecular pump and for the production of bearings and a thrust bearing on such a pump. ;
- FIG. 6 illustrates a third application of an interface structure according to the invention, for a SCROLL pump; and
- FIG. 8 illustrates another application of an interface structure according to the invention for a piston pump.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, une structure d'interface selon l'invention est prévue entre une première pièce mécanique 1 et une seconde pièce mécanique 2, qui ont respectivement au moins une première surface 1a et une seconde surface antagoniste 2a.In the embodiment illustrated in FIG. 1, an interface structure according to the invention is provided between a first
Les surfaces antagonistes 1a et 2a sont en regard l'une de l'autre et sont l'une par rapport à l'autre en mouvement de glissement, illustré par la flèche 3, étant observé que les pièces 1 et 2 sont en contact l'une de l'autre selon leurs surfaces antagonistes 1a et 2a, que ce soit occasionnellement ou accidentellement.The opposing surfaces 1a and 2a are facing each other and are sliding relative to one another, illustrated by the arrow 3, with
La première pièce mécanique 1 a une structure propre 1 b en métal ou alliage de faible densité, par exemple un métal ou alliage pris dans la famille des métaux ou alliages comprenant l'aluminium, le titane, le magnésium.The first
La zone superficielle de la première surface la de la première pièce mécanique 1 comprend au moins deux couches 1c et 1d dans lesquelles ledit métal ou alliage de faible densité a été transformé en une céramique. On distingue ainsi une couche superficielle externe 1c et une sous-couche interne 1d, de même nature, c'est-à-dire en céramique à base dudit métal ou alliage de faible densité constituant la structure propre 1b de la première pièce mécanique 1.The surface area of the
La couche superficielle externe 1c présente une structure physique poreuse, c'est-à-dire comportant des porosités qui débouchent vers l'extérieur en direction de la seconde pièce mécanique 2, tandis que la sous-couche interne 1d est dense, essentiellement dépourvue de porosités.The outer surface layer 1c has a porous physical structure, that is to say having pores that open outwards towards the second
La nature de la céramique constituant les couches superficielles interne 1d et externe 1c peut avantageusement être de l'alumine alpha (corindon) α-AL2O3 dans le cas où ledit métal ou alliage est à base d'aluminium. La dureté de la sous-couche interne 1d peut alors être d'au moins 1 200 à 2 000 Vickers.The nature of the ceramic constituting the internal 1d and outer 1c surface layers may advantageously be alpha alumina (corundum) α-AL 2 O 3 in the case where said metal or alloy is based on aluminum. The hardness of the
Dans la réalisation illustrée sur la figure 1, la couche superficielle externe 1c poreuse est recouverte d'une couche de surface 1e d'un polymère solide, ledit polymère solide remplissant également les porosités de la couche superficielle externe 1c poreuse.In the embodiment illustrated in FIG. 1, the porous outer surface layer 1c is covered with a
Le polymère solide est choisi parmi les résines polymérisables à chaud, par exemple dans la famille comprenant les polyamides imides, les polyimides, les résines epoxy, le polyaryl sulfone.The solid polymer is chosen from heat-curable resins, for example in the family comprising polyamide imides, polyimides, epoxy resins and polyaryl sulphone.
De préférence, le polymère solide constituant la couche de surface le contient au moins un lubrifiant solide organique et/ou minéral, par exemple choisi dans la famille comprenant le graphite, le disulfure de molybdène, le nitrure de bore, le disulfure de tungstène, le PTFE.Preferably, the solid polymer constituting the surface layer contains at least one organic and / or inorganic solid lubricant, for example chosen from the family comprising graphite, molybdenum disulphide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
La seconde pièce mécanique 2 a une structure propre 2b en métal ou alliage de faible densité, par exemple pris dans la famille des métaux ou alliages comprenant l'aluminium, le titane, le magnésium, et la seconde surface antagoniste 2a comprend au moins une couche superficielle 2d dense dudit métal ou alliage transformé en une céramique.The second
Les coefficients de friction sous vide pour de tels couples antagonistes sont ainsi voisins de ou inférieurs à 0,1.The vacuum friction coefficients for such antagonistic pairs are thus close to or less than 0.1.
On peut par exemple réaliser par oxydation micro-arc une double couche superficielle de céramique à couche superficielle externe poreuse et sous-couche interne dense, puis usiner la céramique pour ne conserver que tout ou partie de la sous-couche interne dense qui forme alors la couche superficielle 2d dense. La seconde surface antagoniste 2a est alors lisse et dure, et est dépourvue de couche superficielle externe poreuse en céramique et de couche de surface en polymère.For example, micro-arc oxidation can be carried out by a double surface layer of ceramic with a porous outer surface layer and a dense inner sub-layer, then machining the ceramic to retain only all or part of the dense inner sub-layer which then forms the dense 2d surface layer. The
En prévoyant des surfaces antagonistes 1a et 2a à couches superficielles en céramique présentant une structure de couche transformée par oxydation micro-arc, on obtient à la fois une bonne résistance à l'usure, une bonne adhérence de la couche superficielle externe à la structure sous-jacente, et un glissement amélioré entre ces surfaces.Providing ceramic surface
On considère maintenant la figure 3, qui illustre avec plus de détails une structure possible de zone superficielle de la première pièce mécanique 1, dans laquelle on retrouve la structure propre 1 b en métal ou alliage de faible densité, par exemple un alliage d'aluminium, la sous-couche interne 1d dense en céramique obtenue par transformation dudit métal ou alliage formant la structure propre 1b, la couche superficielle externe 1c poreuse en céramique obtenue par transformation dudit métal ou alliage constituant la structure propre 1b, et la couche de surface 1e en polymère solide.FIG. 3, which illustrates in greater detail a possible superficial zone structure of the first
Une telle structure de surface est réalisée avantageusement par un procédé d'oxydation micro-arc, dans lequel on transforme la zone superficielle de la structure propre 1 b en alliage d'aluminium pour former les deux couches interne dense 1d et externe poreuse 1c. On a illustré, en pointillés, le niveau de la surface d'origine 5 de la structure propre 1b, avant oxydation micro-arc. Au cours du procédé d'oxydation micro-arc, la structure propre 1b se transforme progressivement en surface en une couche superficielle externe 1c poreuse et une sous-couche interne 1d dense, la couche superficielle externe 1c poreuse occupant une épaisseur comprise sensiblement entre le quart et le tiers de l'épaisseur totale T de la couche transformée en céramique, ladite épaisseur totale T de couche transformée en céramique pouvant être de l'ordre de 50 à 100 micromètres, la surface d'origine 5 occupant sensiblement la position moyenne dans l'épaisseur totale T de la couche transformée en céramique.Such a surface structure is advantageously produced by a micro-arc oxidation process, in which the surface area of the
On peut par exemple choisir une épaisseur E de couche de surface 1e égale environ à 20 micromètres, cette épaisseur pouvant être modifiée selon les applications, en fonction des besoins.For example, it is possible to choose a thickness E of
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la structure d'interface entre les deux pièces mécaniques 1 et 2 comprend une première zone A et une seconde zone B, repérées sur la figure. La première pièce mécanique 1 est destinée à se déplacer en translation circulaire par rapport à la seconde pièce mécanique 2 dans le plan perpendiculaire à la coupe, et selon un axe d'excentration normal à ce plan. Ainsi, la structure d'interface de la première zone d'interface A est constituée par des surfaces axiales des deux pièces 1 et 2, tandis que la structure d'interface de la seconde zone d'interface B est constituée par des surfaces radiales des pièces 1 et 2.In the embodiment of Figure 2, the interface structure between the two
Dans la première zone d'interface A, on retrouve la structure du mode de réalisation de la figure 1, et les éléments correspondants sont repérés par les mêmes références numériques. Dans cette première zone d'interface A, seule la première pièce mécanique 1 comprend une couche de surface le en polymère solide et une couche superficielle externe 1c poreuse de céramique. Les deux pièces mécaniques 1 et 2 comportent chacune une couche respective 1d ou 2d dense en céramique.In the first interface zone A, we find the structure of the embodiment of Figure 1, and the corresponding elements are identified by the same reference numerals. In this first interface zone A, only the first
Dans la seconde zone d'interface B, les deux pièces mécaniques 1 et 2 comportent chacune une sous-couche interne dense 1d ou 2d en céramique, une couche superficielle externe poreuse 1c ou 2c en céramique, et une couche de surface 1 e ou 2e en polymère solide.In the second interface zone B, the two
Ce mode de réalisation de la figure 2 est adapté notamment pour assurer l'étanchéité et les glissements sans détérioration dans une pompe de type SCROLL.This embodiment of Figure 2 is adapted in particular for sealing and sliding without damage in a SCROLL type pump.
Le couplage d'une première surface 1a traitée par oxydation micro-arc puis enduite de polymère solide 1e avec une seconde surface antagoniste 2a également traitée par oxydation micro-arc puis usinée jusqu'à ne conserver en surface que tout ou partie de sa sous-couche interne 2d dense en céramique, donne des résultats optimaux en termes de friction et d'échauffement du contact, et en termes de libération de particules polluantes.The coupling of a
Dans la première zone d'interface A, la céramique de la couche 2d en céramique dense, présente en surface, étale et polit le polymère de la couche de surface 1e et l'absorbe éventuellement en partie. La consommation de lubrifiant est minimisée.In the first interface zone A, the ceramics of the dense
Au cours d'une étape préliminaire de rodage, on peut conformer parfaitement les surfaces antagonistes 1a et 2a, et il peut se produire au cours de cette étape de rodage des transferts de matière d'une surface vers l'autre. Après rodage, l'émission de particules est minimale, voire inexistante.During a preliminary run-in step, the
Ces propriétés autorisent un fonctionnement sans autre apport de lubrifiant pour des périodes de longue durée. Et une telle structure d'interface est particulièrement efficace en particulier dans les pompes sèches à vide, par la réalisation de joints étanches et par l'absence d'émission de particules polluantes.These properties allow operation without further lubricant supply for long periods of time. And such an interface structure is particularly effective especially in vacuum dry pumps, by producing seals and the absence of emission of polluting particles.
La structure de la figure 1 est utilisable dans le cas où les pièces mécaniques 1 et 2 glissent l'une sur l'autre en permanence.The structure of Figure 1 is usable in the case where the
La structure de la figure 2 réalise deux fonctions, à savoir un glissement permanent sur la première zone d'interface A et un jeu avec friction accidentelle possible dans la seconde zone d'interface B.The structure of FIG. 2 performs two functions, namely a permanent slip on the first interface zone A and a play with possible accidental friction in the second interface zone B.
On considère maintenant la réalisation pratique de la zone superficielle de la première pièce 1 telle que représentée sur la figure 3.We now consider the practical realization of the superficial zone of the
Initialement, on part d'une structure de première pièce 1 ayant une structure propre 1 b en alliage de métal léger, par exemple un alliage d'aluminium, dont la surface externe est illustrée par la ligne en pointillés 5.Initially, one starts from a structure of
On soumet cette structure propre 1b à une oxydation micro-arc, qui est un procédé déjà ancien et connu dans l'état de la technique, mais qui n'a pas été encore appliqué à la réalisation de structures d'interface de pièces en mouvement, notamment dans le vide.This
Le procédé peut être par exemple tel que décrit dans le document
Dans un tel procédé, on immerge la première pièce mécanique 1, ou au moins la superficie de sa structure propre 1b, dans un bain électrolytique composé d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin, tel que potassium ou sodium, et d'un sel oxyacide d'un métal alcalin, la première pièce 1 formant l'une des électrodes. On applique aux électrodes une tension variable ayant une forme d'onde appropriée.In such a method, the first
Dans une première étape, qui dure suivant les alliages de quelques secondes à quelques minutes, il se forme une couche diélectrique isolante constituée d'hydroxyde.In a first step, which lasts after the alloys from a few seconds to a few minutes, an insulating dielectric layer consisting of hydroxide is formed.
Dans une seconde étape, on observe un claquage de cette couche diélectrique avec une activité micro-arc qui va en s'amplifiant, en fonction de l'énergie électrique appliquée aux électrodes. Cette deuxième étape dure, en fonction des paramètres choisis, entre quinze et trente minutes environ.In a second step, a breakdown of this dielectric layer is observed with an increasing micro-arc activity, as a function of the electrical energy applied to the electrodes. This second step lasts, depending on the chosen parameters, between fifteen and thirty minutes or so.
Au cours d'une troisième étape, la couche superficielle se développe en épaisseur et il se forme une céramique dont la composition et les propriétés physiques dépendent en partie de l'électrolyte et en partie des formes d'ondes de tension appliquées aux électrodes. En présence d'une structure propre 1b en alliage d'aluminium, on forme une céramique ayant majoritairement de l'alumine alpha (α-AL2O3) encore appelée corindon.In a third step, the surface layer develops in thickness and a ceramic is formed whose composition and physical properties depend in part on the electrolyte and in part on the voltage waveforms applied to the electrodes. In the presence of a
Du fait de la poursuite du développement des micro-arcs, la couche superficielle externe 1c en céramique est poreuse, par la présence des cratères produits par les micro-arcs. Par contre, il se développe en profondeur une sous-couche interne 1d dense en céramique.Due to the further development of micro-arcs, the outer surface layer 1c ceramic is porous, by the presence of the craters produced by the micro-arcs. On the other hand, a dense internal 1d ceramic underlayer develops in depth.
On choisit les paramètres d'étincelage de l'étape d'oxydation micro-arc, notamment la forme d'onde et la valeur de la tension appliquée aux électrodes, de façon à constituer les deux couches superficielles de métal ou alliage transformé en céramique 1c et 1d, selon l'épaisseur recherchée.The spark-out parameters of the micro-arc oxidation step are selected, in particular the waveform and the value of the voltage applied to the electrodes, so as to constitute the two surface layers of metal or alloy converted into ceramic 1c. and 1d, depending on the desired thickness.
Pour constituer la zone superficielle de première surface 1a illustrée sur la figure 4, on enduit ensuite d'un polymère solide 1e la surface externe de la couche superficielle poreuse 1c de la céramique transformée par oxydation micro-arc. Cette enduction peut être réalisée par projection nébulisée, par trempage, par imprégnation, ou par centrifugation (spin method) par exemple. Au cours de cette enduction, le polymère solide pénètre dans les porosités de la couche poreuse 1c, de sorte qu'il devient très adhérent à la céramique. L'épaisseur E de la couche de surface le peut être par exemple d'environ 20 micromètres.To form the first
On procède ensuite à un échauffement du polymère, pour obtenir sa polymérisation sur la première surface la transformée en céramique. Une température de cuisson supérieure à 200°C, et de préférence comprise entre 230 à 370°C, pourra être choisie en fonction de la composition du polymère.The polymer is then heated to obtain polymerization on the first surface of the ceramic. A firing temperature greater than 200 ° C, and preferably between 230 to 370 ° C, may be chosen depending on the composition of the polymer.
Le polymère peut avantageusement être une résine additionnée, incluant au moins un lubrifiant solide organique et/ou minéral tel que le graphite, le disulfure de molybdène, le nitrure de bore, le disulfure de tungstène, le PTFE.The polymer may advantageously be an added resin, including at least one organic and / or inorganic solid lubricant such as graphite, molybdenum disulfide, boron nitride, tungsten disulfide, PTFE.
Au cours d'une étape de rodage des surfaces antagonistes 1a et 2a respectives de la première pièce mécanique 1 et de la seconde pièce mécanique 2, après assemblage des deux pièces mécaniques l'une avec l'autre, on déplace les deux pièces mécaniques 1 et 2 en frottement l'une contre l'autre, ce qui produit l'usure progressive de la couche de surface 1e, qui devient parfaitement conformée à la seconde surface antagoniste 2a.During a step of lapping the respective opposing
Pour réaliser la seconde surface antagoniste 2a à couche superficielle dure, on peut utiliser tout d'abord le même procédé que celui décrit ci-dessus en relation avec la figure 3, jusqu'à l'obtention d'une couche de céramique composée d'une sous-couche interne 2d dense et d'une couche superficielle externe 2c poreuse. On élimine ensuite, par usinage, la couche superficielle externe 2c poreuse, pour ne laisser subsister que tout ou partie de la couche interne 2d dense. On s'abstient d'ajouter une couche de surface en polymère.In order to produce the second hard surface
L'oxydation micro-arc permet une excellente adhérence de la céramique au substrat en alliage léger. La couche continue de céramique, de sa partie dense à la partie poreuse, présente une résistance maximale vis-à-vis des contraintes mécaniques. Le polymère éventuellement utilisé est incrusté de manière optimale dans les porosités, ce qui permet une adhérence élevée du produit à la surface de la pièce. La présence de lubrifiant solide au sein du polymère le dote de qualités frottantes particulièrement améliorées.The micro-arc oxidation allows excellent adhesion of the ceramic to the light alloy substrate. The continuous ceramic layer, from its dense part to the porous part, has a maximum resistance to mechanical stresses. The polymer optionally used is optimally imbedded in the pores, which allows a high adhesion of the product to the surface of the workpiece. The presence of solid lubricant in the polymer gives it particularly improved rubbing qualities.
Sur la figure 4, on a illustré une première application de l'invention, pour réaliser la structure d'interface de joints dans une pompe à vide de type SCROLL.FIG. 4 illustrates a first application of the invention for producing the joint interface structure in a SCROLL type vacuum pump.
Le principe de fonctionnement d'une pompe SCROLL est basé sur la conjugaison de deux profils taillés en spirale dans un mouvement de translation circulaire. L'une des spires, mobile, se déplace sans rotation sur elle-même par rapport à la spire fixe. Son centre décrit alors un cercle de rayon égal à l'entraxe entre les spires. Ce mouvement fait apparaître un volume ouvert permettant l'aspiration d'un fluide, puis le volume se referme et une phase de transfert se produit sur la longueur du profil, qui se transforme en compression, le rayon des spires diminuant. Le refoulement s'effectue au final latéralement dans la partie centrale des spires où le volume résiduel devient minimal.The operating principle of a SCROLL pump is based on the conjugation of two spiral cut profiles in a circular translational motion. One of the turns, mobile, moves without rotation on itself relative to the fixed turn. Its center then describes a circle of radius equal to the spacing between the turns. This movement reveals an open volume allowing the suction of a fluid, then the volume closes and a transfer phase occurs on the length of the profile, which is transformed into compression, the radius of turns decreasing. Refoulement takes place at final side in the central part of the turns where the residual volume becomes minimal.
L'étanchéité d'une telle pompe se fait axialement et radialement entre les parties saillantes, les murs, les parties évidées des spires, les sillons. L'étanchéité se fait notamment par des joints de compensation axiaux destinés à minimiser l'espace qui existe axialement entre l'extrémité des murs et le fond des sillons des deux pièces. Ainsi, dans l'extrémité du mur est taillée une gorge dans laquelle est glissé un patin de matériau plastique à propriétés de frottement optimisées qui épouse la forme spiralée du mur. Le joint est saillant par rapport au mur et glisse sur le fond de sillon qui lui est opposé. Selon certaines configurations un élément en élastomère peut être intercalé entre le joint lui-même et le fond de gorge pour conférer au montage une élasticité dans le sens axial de manière à plaquer le joint sur la contre-face indépendamment des positions des spires elles-mêmes.The sealing of such a pump is axially and radially between the projecting parts, the walls, the recessed parts of the turns, the grooves. The sealing is done in particular by axial compensation joints intended to minimize the space that exists axially between the end of the walls and the bottom of the grooves of the two parts. Thus, in the end of the wall is cut a groove in which is slid a pad of plastic material with optimized friction properties that matches the spiral shape of the wall. The seal protrudes from the wall and slides over the bottom of the furrow opposite it. According to certain configurations, an elastomer element may be inserted between the gasket itself and the bottom of the groove to give the assembly an elasticity in the axial direction so as to press the gasket onto the counter-face independently of the positions of the turns themselves. .
La figure 4 illustre une application de l'invention à la structure d'interface entre le joint et la surface antagoniste. Dans ce cas et selon une disposition uniquement exploitable par la nature rigide de l'élément, le joint 10 est disposé dans le fond du sillon 11, et frotte contre la surface d'extrémité lisse 12 du mur 13. Le joint 10 est formé d'une zone superficielle en céramique réalisée comme indiqué précédemment par oxydation micro-arc. On distingue la couche interne 10d en céramique dense, la couche superficielle externe 10c en céramique poreuse, et la couche de surface 10e en polymère. Une partie élastomère de compression 14 est interposée entre le fond du sillon 11 et le joint 10.Figure 4 illustrates an application of the invention to the interface structure between the seal and the counter surface. In this case and in an arrangement that can only be exploited by the rigid nature of the element, the
Sur la figure 5, on a illustré une autre application de l'invention pour réaliser les zones de contact accidentel d'une pompe turbomoléculaire. Une telle pompe moléculaire comprend un rotor 20 tournant à grande vitesse selon un axe II-II autour d'un stator 21, l'ensemble étant disposé dans un carter 22. Une zone périphérique de contact accidentel 23 doit être prévue entre le carter 22 se déformant sous l'effet de contraintes externes et le rotor 20. Cette zone de contact accidentel 23 peut comprendre une structure d'interface telle que définie ci-dessus selon l'invention, avec le carter 22 jouant le rôle de la première pièce mécanique 1, et avec le rotor 20 jouant le rôle de la seconde pièce mécanique 2.FIG. 5 illustrates another application of the invention for producing the accidental contact zones of a turbomolecular pump. Such a molecular pump comprises a
La figure 5 illustre également l'usage de l'invention pour établir les zones en contact durant les phases de démarrage et d'atterrissage d'une broche à paliers à gaz d'une telle pompe turbomoléculaire. Le principe d'une broche à paliers à gaz consiste à établir des paliers lisses et une butée axiale avec faibles jeux, quelques microns, par rapport à un arbre. Des ajutages sont ménagés dans ces paliers pour générer une surpression gazeuse locale dans le jeu interstitiel entre surfaces. Lorsque la broche tourne à grande vitesse l'effet de portance aérodynamique est maximal. Sur la figure 6 la butée axiale 24 est comprise entre une contre butée 25 et un palier / butée inférieur 26. En partie haute le palier supérieur 27 guide le rotor 20. Les couples antagonistes ainsi disposés sont des applications de la présente invention. Les parties tournantes constituent la pièce mécanique 1, et les parties statiques constituent la pièce mécanique 2. Le contact entre pièces est certain dans la phase de démarrage comme dans celle d'arrêt. L'usage d'un revêtement apte aux frottements sans émission de particules est nécessaire. La portance aérodynamique n'est acquise que lorsque la broche atteint les vitesses supérieures, même avec l'adjonction des purges entrantes qui sont compensées dans ce fonctionnement en dépression par un pompage d'extraction du gaz qui s'échappe des zones interstitielles de manière à limiter la fuite en partie haute de la broche. Dans ce but le palier supérieur 27 est prolongé d'un joint dynamique 28 pour introduire une perte de charge maximale entre le volume du palier et la partie pompe à vide.FIG. 5 also illustrates the use of the invention to establish the zones in contact during the start-up and landing phases of a gas-bearing pin of such a turbomolecular pump. The principle of a gas bearing pin is to establish smooth bearings and an axial stop with low clearance, a few microns, compared to a tree. Nozzles are provided in these bearings to generate a local gas pressure in the interstitial interplay between surfaces. When the spindle rotates at high speed the aerodynamic lift effect is maximum. In FIG. 6 the axial abutment 24 is between an
Sur la figure 6, on a illustré une autre application de l'invention pour la réalisation des structures d'interface dans une pompe SCROLL. Le rotor 31 se déplace en frottant axialement sur le stator 32. L'un et l'autre constituent alternativement la première pièce mécanique 1 ou la seconde pièce mécanique 2 au sens décrit en relation avec la figure 3. Les surfaces antagonistes de frottement à jeu faible sont réalisées selon l'invention par oxydation micro-arc complétée par l'enduction des surfaces avec une résine additionnée de lubrifiant solide. La conformation réciproque des faces latérales est obtenue par rodage préalable des pièces assemblées.In Figure 6, there is illustrated another application of the invention for the realization of the interface structures in a SCROLL pump. The
La figure 7 illustre une autre application de l'invention pour la réalisation des structures d'interface dans une pompe à vide à pistons. On distingue deux pistons 41a et 41b, symétriques par rapport à un actionneur électromagnétique central 43, et qui se déplacent ensemble en constituant la ! première pièce mécanique 1 qui se déplace en translation par rapport à des chemises 42 constituant la seconde pièce mécanique 2. Les surfaces antagonistes de frottement sont réalisées selon l'invention par oxydation micro-arc.Figure 7 illustrates another application of the invention for the realization of the interface structures in a piston vacuum pump. There are two
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