EP1988295A2 - Oberflaechenbeschichtete Maschinenelemente - Google Patents

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EP1988295A2 EP08007797A EP08007797A EP1988295A2 EP 1988295 A2 EP1988295 A2 EP 1988295A2 EP 08007797 A EP08007797 A EP 08007797A EP 08007797 A EP08007797 A EP 08007797A EP 1988295 A2 EP1988295 A2 EP 1988295A2
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    • F15B15/1457—Piston rods

Definitions

  • the invention relates to machine elements and components as sliding elements, which are equipped with a low-wear and corrosion-resistant surface coating.
  • Low-wear and corrosion-resistant surfaces are required, inter alia, for machine elements and components in which a first is moved in a sliding manner relative to a second, in a linear or rotary manner.
  • Such components are coated with metallic layers of hard chrome, nickel or bronze.
  • coatings with ceramic materials, sintered materials, titanium nitride, titanium carbide or plastics are also known.
  • the cylinder inner surface and piston rod surface are coated on all sides with plastic in Vortex sintering process or powder spraying.
  • the plastic used is polytetrafluoroethylene as a three-dimensionally crosslinkable, temperature-resistant thermoplastic in powder form with the addition of further components.
  • the hard material layer is harder than the material of the slider and has a roughness of less than 10 microns.
  • oxide or non-oxidic ceramic layers which are applied primarily by plasma spraying, can be adapted in their properties by doping specific applications, but always require a complex final machining by grinding.
  • Ceramic layers on sliding bodies or piston rods usually have a sufficient hardness, but are relatively sensitive to corrosive attacks due to the inevitable existing porosity, with aggressive substances up to penetrate the metal surface and can cause the layer to burst. Additional seals of porous layers also do not provide permanent corrosion protection. Layers of hard chrome provide good wear protection, but are also not particularly resistant because of the micro-cracking against chemical influences.
  • titanium nitride, titanium carbide or the like which are applied by PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) method are very hard, but because of the small layer thickness mechanically sensitive. The roughness of the layers thus applied corresponds to that of the substrate. Accordingly, the surfaces are mechanically machined as piston rods or other sliding bodies to the required quality and prepare technologically.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the object of the invention is to equip machine elements and components made of metal as sliding elements with a surface made of a hard material layer, which is corrosion-resistant, abrasion-resistant, has good sliding properties and is inexpensive to produce.
  • the invention is based on the fact that a hard material layer as a surface for machine elements and components as sliding elements made of metal in the form of a glaze consists of a material of amorphous structure.
  • a hardening glaze an enamel is used as an amorphous hardening glaze.
  • the glassy surface of the enamel has an extremely low wear and a high impact resistance when using the sliding elements.
  • the crack-free and pore-free surface of the enamel protects the substrate in the form of the metal of the machine elements and components against corrosive influences.
  • the property values of the hard material layer of enamel as a sliding layer can be influenced in particular in terms of their hardness, toughness and color in a known manner by means of doping, in the form of admixtures to the enamel frit.
  • the thickness of the enamel applied in particular in one layer as a hard material layer on the sliding body is preferably in a range of 80-500 micrometers.
  • the hard material layer does not require post-processing after melting or firing in the enamelling process.
  • Worn or damaged hard coatings can be removed, for example, by means of blasting.
  • the sliding bodies can be regenerated in this way with the aid of a re-applied layer of enamel.
  • the color of the hard material layer can be selected without adversely affecting the required quality of the surface of the slider for the respective purpose, also for design purposes.
  • the hard material layer has different coloring.
  • the coloring is conveniently carried out with signal colors in contrast to a base color, these sections, such as point or annular, are designed as signal marks. In this way, it is possible to visually detect the extended length of the piston rod of a working cylinder or the position of another sliding member on the basis of the signal marks by means of an optical sensor.
  • the invention will be described as an embodiment of hand Fig. 1 explained in more detail as an outline of a section through a tubular piston rod of a working cylinder.
  • Fig. 1 is applied to an outer shell of a tubular metallic piston rod 1 of a working cylinder, a hard material layer 2 made of enamel with a glassy surface 3.
  • a hard material layer 2 made of enamel with a glassy surface 3.
  • an adhesive layer 4 is formed by chemical reactions during the enameling process, the melting or incineration, which forms a solid, almost insoluble compound of glassy, amorphous solidifying mass with the outer shell of the piston rod 1 causes.
  • the hard material layer 2 has a hardness of at least 700 HV (Vickers hardness), which gives the required wear resistance as well as shock and impact resistance.
  • the layer thickness of the hard material layer 2 is preferably in the range of 100 micrometers. However, layer thicknesses of 80 to 500 micrometers are possible and can be implemented depending on the particular application. When manufactured with known enameling a thickness deviation of about 10 micrometers with a roundness deviation of a maximum of 0.6 percent of the nominal diameter of the piston rod 1 is ensured over the length of the piston rod. If necessary, a piston rod coated with the hard material layer 2 made of enamel can be regenerated by removing the hard material layer 2, preferably by means of sandblasting, and then applying it again. In this way can be adjusted by the choice of the thickness of the hard material layer 2, the diameter of the piston rod in a narrow range.
  • the hard material layer 2 made of enamel with the glassy surface is known to be resistant to water and aggressive chemical substances, whereby the high corrosion resistance significantly prolongs the life of working cylinders with piston rods 1, the hard coating layer 2 made of enamel, in an environment with aggressive influences.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente mit einer Oberfläche aus einer Hartstoffschicht, die korrosionsbeständig, abriebfest ist, gute Gleiteigenschaften aufweist und günstig herstellbar ist. Erfindungsgemäß ist die Hartstoffschicht (2) eine Glasur aus einem Material amorpher Struktur mit glasartiger Oberfläche (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft Maschinenelemente und Bauteile als Gleitelemente, die mit einer verschleißarmen und korrosionsfesten Oberflächenbeschichtung ausgerüstet sind.
  • Verschleißarme und korrosionsfeste Oberflächen sind unter anderem für Maschinenelemente und Bauteile erforderlich, bei denen ein Erstes gegenüber einem Zweiten linear oder rotierend, aufeinander gleitend bewegt wird.
    Üblicherweise werden derartige Bauteile mit metallischen Schichten aus Hartchrom, Nickel oder Bronze beschichtet. Bekannt sind auch Beschichtungen mit keramischen Materialien, Sintermaterialien, Titannitrid, Titancarbid oder Kunststoffen.
  • Beispielsweise wird in der Druckschrift DE 299 13 762 U1 ein hydraulisch beaufschlagbarer Arbeitszylinder beschrieben, dessen Zylinderinnenfläche und Kolbenstangenoberfläche allseitig mit Kunststoff im Wirbelsinterverfahren oder Pulversprühverfahren beschichtet sind. Als Kunststoff kommt Polytetrafluorethylen als ein dreidimensional vernetzbarer, temperaturbeständiger Thermoplast in Pulverform unter Beimischung weiterer Komponenten zum Einsatz.
  • Die Beschichtung von Oberflächen der gleitenden Teile eines Trennschiebers, die zusammenwirkenden Kontaktflächen im Schiebergehäuse und am Dichtkörper, sind nach der Druckschrift DE 202 09 420 U1 mit einem Hartstoff aus einem Karbid oder Oxid versehen. Die Hartstoffschicht ist härter als das material des Schiebers und weist eine Rauheit von weniger als 10 Mikrometer auf.
  • Andere Ausführungen von Hartstoffschichten sind in den Druckschriften DE 201 06 763 U1 und DE 31 47 949 A1 beschrieben. Während bei einem Bergbauzylinder die Kolbenstange und die innere Zylinderoberfläche durch eine Salzbad-Nitrocarburierung die Oberflächen gehärtet und gut gegen Korrosion geschützt sind, weist die Oberfläche eines Maschinenelementes aus Stahl, insbesondere einer Kolbenstange, eine Schutzschicht aus Kunststoffen oder Kunstharzen auf, die auf einer durch Carbonitrierung gebildeten porösen ε - Schicht aufgetragen sind.
  • Aus der Druckschrift DE 39 10 725 C1 ist die zusätzliche Beschichtung von Bauteilen aus Stahl, insbesondere Kolbenstangen hydraulischer Zylinder, die eine Beschichtung mit Nickel oder Chrom aufweisen, bekannt. Auf die Schicht aus Nickel oder Chrom als metallische Haftschicht auf dem Stahl ist eine keramische Schicht, im wesentlichen bestehend aus Aluminiumoxid und Titandioxid in einer Schichtdicke von 100 - 300 Mikrometer aufgebracht.
  • Alle diese bekannten Schichten auf Oberflächen von Maschinenelementen sind entweder in Bezug auf den Verschleiß oder der Korrosion im Dauerbetrieb nicht ausreichend fest oder beständig sowie ist deren Herstellung mit erheblichem Aufwand verbunden.
  • Die oxidischen oder auch nichtoxidischen keramischen Schichten, die vorwiegend durch Plasmaspritzen aufgebracht sind, können zwar in ihren Eigenschaften durch Dotierungen spezifischen Anwendungsfällen angepasst werden, erfordern jedoch stets eine aufwändige Endmaßbearbeitung mittels Schleifen.
    Keramische Schichten auf Gleitkörpern oder Kolbenstangen haben meist eine ausreichende Härte, sind jedoch wegen der unvermeidlich vorhandenen Porosität gegenüber korrosiven Angriffen relativ empfindlich, wobei aggressive Stoffe bis auf die Metalloberfläche vordringen und ein Absprengen der Schicht bewirken können.
    Zusätzliche Versiegelungen von porösen Schichten zeitigen auch keinen dauerhaften Korrosionsschutz.
    Schichten aus Hartchrom bieten einen guten Verschleißschutz, sind aber wegen der Mikrorissigkeit gegen chemische Einflüsse ebenfalls nicht besonders beständig.
  • Oberflächenbeschichtungen aus Titannitrid, Titancarbid oder Ähnlichem, die mittels PVD- (Physical Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) - Verfahren aufgebracht sind, sind sehr hart, jedoch wegen der geringen Schichtdicke mechanisch empfindlich. Die Rauhigkeit der so aufgebrachten Schichten entspricht der des Substrats. Dem entsprechend sind die Oberflächen, wie von Kolbenstangen oder anderen Gleitkörpern mechanisch bis zur erforderlichen Qualität zu bearbeiten sowie technologisch vorzubereiten.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente mit einer Oberfläche aus einer Hartstoffschicht auszurüsten, die korrosionsbeständig, abriebfest ist, gute Gleiteigenschaften aufweist und günstig herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Erfindung liegt zu Grunde, dass eine Hartstoffschicht als Oberfläche für Maschinenelemente und Bauteile als Gleitelemente aus Metall in Form einer Glasur aus einem Material amorpher Struktur besteht. Als amorph erhärtende Glasur wird ein Email eingesetzt.
  • Die glasartige Oberfläche des Email weist beim Einsatz der Gleitelemente einen extrem geringen Verschleiß und eine hohe Schlagfestigkeit auf.
    Durch die riss- und porenfreie Oberfläche des Email ist das Substrat in Form des Metalls der Maschinenelemente und Bauteile gegen korrosive Einflüsse geschützt. Während des Emailliervorgangs, beim Aufschmelzen, entsteht eine feste, fast unlösbare Verbindung der glasartig, amorph erstarrenden Masse.
    Die Eigenschaftswerte der Hartstoffschicht aus Email als Gleitschicht lassen sich insbesondere in Bezug auf deren Härte, Zähigkeit und Farbe in bekannter Weise mittels Dotierungen, in Form von Beimischungen zur Emailfritte, beeinflussen.
    Die Dicke des insbesondere in einer Schicht als Hartstoffschicht auf dem Gleitkörper aufgebrachten Emails liegt vorzugsweise in einem Bereich von 80 - 500 Mikrometer.
  • Die Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den guten Gleiteigenschaften der Hartstoffschicht aus Email bei gleichzeitig geringem Verschleiß und hohem Korrosionsschutz.
  • Bei sich relativ zueinander bewegenden Gleitelementen, deren Oberflächen aufeinander gleiten, ist nur die Oberfläche eines der Gleitelemente mit der Hartstoffschicht ausgerüstet und zwischen beiden Oberflächen befindet sich in üblicher Weise ein Schmierfilm.
  • Die Hartstoffschicht bedarf nach dem Aufschmelzen bzw. dem Einbrand im Emaillierprozess keiner Nachbearbeitung.
  • Verschlissene oder beschädigte Hartstoffschichten lassen sich beispielsweise mittels Strahlverfahren entfernen.
  • Die Gleitkörper sind auf diese Weise mit Hilfe einer erneut aufzubringenden Schicht aus Email regenerierbar.
  • Das Aufbringen der Hartstoffschicht aus Email ist technologisch gut beherrschbar und erfordert keinen erheblichen technologischen Aufwand oder umweltproblematische Verfahren.
  • Die Farbe der Hartstoffschicht kann ohne negative Beeinflussung der erforderlichen Qualität der Oberfläche des Gleitkörpers für den jeweiligen Einsatzzweck, auch für Designzwecke, gewählt werden.
  • In einer Ausführungsvariante weist die Hartstoffschicht unterschiedlicher Einfärbung auf. Die Einfärbung erfolgt günstigerweise mit Signalfarben im Kontrast zu einer Grundfarbe, wobei diese abschnittsweise, wie punkt- oder ringförmig, als Signalmarken ausgebildet sind.
    Auf diese Weise ist es möglich, die ausgefahrene Länge der Kolbenstange eines Arbeitszylinders oder die Position eines anderen Gleitelements an Hand der Signalmarken mittels eines optischen Sensors oder visuell zu erfassen.
  • Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an Hand von Fig. 1 als Ausriss eines Schnitts durch eine rohrförmige Kolbenstange eines Arbeitszylinders näher erläutert.
  • Nach Fig. 1 ist auf einem Außenmantel einer rohrförmigen metallischen Kolbenstange 1 eines Arbeitszylinders eine Hartstoffschicht 2 aus Email mit einer glasartigen Oberfläche 3 aufgebracht. Zwischen dem Außenmantel der Kolbenstange 1 und der Hartstoffschicht 2 bildet sich während des Emailliervorgangs, dem Aufschmelzen bzw. Einbrand, durch chemische Reaktionen eine Haftschicht 4 aus, die eine feste, fast unlösbare Verbindung der glasartig, amorph erstarrenden Masse mit dem Außenmantel der Kolbenstange 1 bewirkt.
  • Die Hartstoffschicht 2 weist eine Härte von mindestens 700 HV (Vickers Härte) auf, wodurch die erforderliche Verschleißfestigkeit sowie die Stoß- und Schlagfestigkeit gegeben ist.
  • Die Schichtdicke der Hartstoffschicht 2 liegt vorzugsweise im Bereich von 100 Mikrometern.
    Es sind jedoch Schichtdicken von 80 bis 500 Mikrometern möglich und in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzzweck realisierbar.
    Bei Herstellung mit bekannten Emaillierverfahren wird über die Länge der Kolbenstange eine Dickenabweichung von etwa 10 Mikrometern bei einer Rundheitsabweichung von maximal 0,6 Prozent des Nenndurchmessers der Kolbenstange 1 gewährleistet.
    Eine mit der Hartstoffschicht 2 aus Email beschichtete Kolbenstange ist bei Bedarf regenerierbar, indem die Hartstoffschicht 2 vorzugsweise mittels Sandstrahlen entfernt wird und anschließend erneut aufgebracht wird.
    Auf diese Weise lassen sich durch die Wahl der Dicke der Hartstoffschicht 2 die Durchmesser der Kolbenstange in einem engen Bereich anpassen.
  • Die Hartstoffschicht 2 aus Email mit der glasartigen Oberfläche ist bekanntermaßen gegen Wasser und aggressiven chemischen Stoffen beständig, wodurch die hohe Korrosionsbeständigkeit die Lebensdauer von Arbeitszylindern mit Kolbenstangen 1, deren Hartstoffschicht 2 aus Email besteht, in einer Umgebung mit aggressiven Einflüssen wesentlich verlängert.
  • Verwendete Bezugszeichen
    • 1
    Kolbenstange
    2
    Hartstoffschicht
    3
    glasartige Oberfläche
    4
    Haftschicht

Claims (6)

  1. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente mit einer Oberfläche aus einer Hartstoffschicht dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hartstoffschicht (2) eine Glasur aus einem Material amorpher Struktur mit glasartiger Oberfläche (3) ist.
  2. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hartstoffschicht (2) aus der amorph erhärteten Glasur ein Email ist.
  3. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Kolbenstange (1) eines Arbeitszylinders eine Hartstoffschicht (2) aus Email aufweist.
  4. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hartstoffschicht (2) eine dem Einsatzzweck angepasste Farbe aufweist.
  5. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hartstoffschicht (2) eine dekorative Farbe aufweist.
  6. Maschinenelemente und Bauteile aus Metall als Gleitelemente nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hartstoffschicht (2), im Kontrast zu einer Grundfarbe Farbareale aufweist, die als Signalmarken zur visuellen oder Auswertung mittels optischer Sensoren dienen.
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