NO854948L - Glideelement belagt med keramiske komponenter samt anvendelse derav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et glideelement som på sin eller sine funksjonsflater er belagt med en eller flere keramiske materialkomponenter og som står i friksjonsinngrep med minst ett ytterligere glideelement.

Glideelementer av den innledningsvis beskrevne type er kjente. Hertil hører f. eks. glideringer i glideringpakninger som er beskrevet i form av med keramikmaterialer belagte metalliske bærere, f. eks. i DE-GM 17 77 610 og 77 18 782. Påføringen av besjiktningen skjer derved ved plasma-sprøytemetoden, i det minste i en tykkelse på ca. 100 pm. Denne påførte belegning blir derved i den for keramikkmaterialer vanlige måte under-kastet en etterbehandling i form av sliping og gnidning. Slik sett adskiller overflaten av disse besjiktninger seg ikke fra de likeledes kjente, enhetlig av en eller en blanding av flere keramiske komponenter bestående ubelagte fullkeramikk legemer som likeledes anvendes som glidering eller som pakningsskive for blandingsbatterier. Tilsvarende publikasjoner finnes i

DE-B- 12 82 377

FR-A- 14 54 755

DE-B- 12 91 957

DE-A- 28 34 146

EP-B- 43 456

Ytterligere forslag finnes i DE-A- 27 11 500 som tar sikte på en metallisk del utstyrt med et polytetrafluoretylen belegg for anvendelse i en blande ventil.

Alle disse forslag oppviser fremdeles visse mangler, spesielt ligger disse mangler i at de eldre, ubelagte fullkeramikkforslag oppviser mangelen med en for høy gnidningsmotstand, derfor har foreliggende søker i det tidligere nevnte EP-B- 43 45 6 også allerede foreslått en spesiell blanding av keramiske materialkomponenter for å oppnå en spesielt lav profil bæreandel. Forslaget overvinner riktignok i første omgang den dom som til nu har ligget i at en tilstrekkelig tettevirkning kun kan oppnås emd en høy profilbærer andel, dog inneholder dette forslag også visse produk- sjonstekniske mangler som oppstår derigjennom at p.g.a. den ekstra høye finhet for det keramiske utgangspulver det hyppig kan komme til produksjonskostnader som overskrider det økonomisk godtagbare mål p.g.a. det høye energiforbruk.

I den italienske søknad 67 746 A/82 er det også foreslått glideelemeter av hårdmaterialer med forskjellige egenskqper hvorved minst et skal bestå av plater av silisiumkarbid. Derved skal det kunne oppnås en friksjonsre-duksjon p.g.a. at friksjonselementene med større hårdhet kombineres med glideelementer med lavere hjårdhet h.h.v. en mindre glatt overflate, hvorigjennom berøringsflaten mellom de to sammenvirkende glideelementer reduseres og det derved oppnås en redusert friksjon. Mangelen ved dette forslag ligger i de relativt høye omkostninger ved silisium karbid og i at, p.g.a. de forskjellige hårdhetsgrader for glideelementene, det hårdere av de to kvasi virker som overflatebearbeidende verktøy for det minde hårde andre glideelement og derved fører til en uønsket overflate-endring av det mindre hårde glideelement.

I sammenligning med disse tidligere nevnte forslag ligger manglene ved de med keramiske materialer belagte metalliske formlegemer i at det ikke opptrer noen uoverensstemmelse i den termiske utvidelseskoeffisient for metallisk bærerlegeme og belegg, og at dette glideelement derfor ikke kan anvendes i bestemte termisk sterkt påkjente anvendelsesområder slik tilfellet kan være når det gjelder termosjokk, nemlig at belegget sprekker fra bæreren. Allerede mikrobrudd fører til en drastisk reduksjon av tetningsvirkningen. En ytterligere mangel består i korrosjon mellom metall og keramikk. I tillegg er overflatebeskaf f enheten for keramikkbe-lagte metalliske glideelementer ikke bedre enn kvaliteten til såkalte fullkeramikkk glideelementer og disse oppviser derfor også relativt høye friksjonsverdier.

Oppfinnelsen har som oppgave å utvikle et glideelement som, når det står i friksjonsinngrep med et i form tilpasset ytterligere glideelement, oppviser en lav friksjonskoeffisient, spesielt en lav vedheftings friksjons koeffisient. Samtidig må glideelementet hvis det tilsiktede anvendelsesområde krever dette, også oppvise en utmerket tetningsvirkning, det bør også oppvise en forbedret termosjokk bestandighet og korrosjonsbestan-dighet.

For å løse denne oppgave angår oppfinnelsen et glideelement av den innledningsvis nevnte art som oppviser de i hovedkravets karakteristikk kjennetegnende trekk.

De i kravene og beskrivelsen gitte utsagn når det gjelder kornstørrelse av belegget gjelder de parallelt med beleggsplanet anordnede slipeprepa-rater.

Oppfinnelsen baserer seg på den erkjennelse at det kan oppnås sterkt reduserte friksjonskoeffisienter ved hjelp av glideelementer hvis et finkornet og meget tynt, ikke etterbearbeidet, belegg påføres på et glattbearbeidet bærerlegeme, også under den forutsetning at bærerlegemet p.g.a. den foretatte overflatebehandling har en høy profil bæreandel.

For realisering griper oppfinnelsen derved tilbake til de i og for seg kjente kjemiske og fysikalske pådampingsteknikker som i og for seg ikke utgjør noen gjenstand av oppfinnelsen, enmlig der man anvender belegning av skjærplater av minst av hårdlegering i bestående formlegemer. En slik fremgangsmåte er f. eks. kjent fra DE-C 31 44 192.

Ved den forholdsregel at man før belegningen sliper og/eller gnir formlegemet oppviser glideelementet, også etter belegning, en utmerket jevnhet, slik det f. eks. forlanges ved pakningsskiver i form av glideelementer.

Glideelementer med krummet forløpende virkeflater oppnår ved denne

forbehandling av formlegemet den for anvendelsen krevede toleranse. Som følge av jevnheten h.h.v. toleransen virker de oppfinnelsesmessige glideelementer tettende i stor grad, også når de anvendes som maskin-byggedel f. eks. på steder der det kreves en høy avtetning. Eksempler på slike anvendelsesområder er f. eks. glideringer for glideringpakninger og pakningsskiver for blandingsbatterier.

Selv om det ikke helt ut er forklart til hva man kan føre tilbake den overraskende lave friksjonskoeffisient for oppfinnelsens glideelementer, kan årsaken formodes å ligge i tildanningen av overflaten som muligens kan forklares som følger: P.g.a. den spesielt lave tykkelse til belegningen og p.g.a. kornfinheten som fortrinnsvis ikke overskrider området 0,5 pm, gir det seg en meget lav profilbærandel slik at den meget jevnt påførte belegning ikke krever noen etterbearbeideing, slik som f. eks. sliping eller glidning. I produk-sjonsteknisk henseende gir det seg i forhold til de kjente og ved plasmapåsprøyting belagte glideelementer dithen en forskjell at det ble foretatt en overflatebearbeiding av belegget ved sliping og gnidning, hvorved først da den nødvendige jevnhet ble oppnådd, riktignok kjøpt med en gnidningsøkende høy profilbæreandel. Med de i dag kjente undersøkelsesmetoder hvortil også den i EP-B- 43 456 beskrevne fremgangsmåte for bedømmelse av i pålys fremstilte mikro fotografier tilhører, kan den ytterst fine overflatestruktur av belegget på oppfinnelsens glideelementer ikke fastholdes måleteknisk fordi oppløsningen til de vanlige mikroskoper ikke lenger er tilstrekkelig. For oppnåelse av en lav profilbæreandel taler imidlertid de meget lave friksjonsverdier til oppfinnelsens glideelementer slik de er fastholdt i tabellene nedenfor. Den følgende tabell gir gjennomsnittsverdier av fire enkeltmålinger som ble gjennomført med henblikk på tørrglide- og tørrvedheftningsfriksjon på oppfinnelsesmessige og kjente glideelementer som ble fremstilt ved belegning av et i og for seg kjent av høyren aluminiumoksyd keramikk bestående bærelegeme med forskjellige keramiske materialer. Oppfinnelsens glideelementer sto der i friksjonsinngrep med et i og for seg kjent, ubelagt glideelement av høyren aluminiumoksyd keramikk.

For fremstilling av belegningene kunne man anvende klorider av de egnede metaller, f. eks. titantetraklorid for titannitrid- eller titankarbid belegg, hvorved som egnet gass ammoniakk ble tilsatt og når det gjaldt titankarbid, metangass også ble benyttet. For fremstilling av titankarbo-nitridbelegg anvendte man gassblandinger av ammoniakk og metan. For fremstilling av et aluminiumoksydsjikt ble det anvendt aluminiumklorid som utgangsmateriale og derved ble vanndamp anvendt som oksygenbærer.

Som spesielt foretrukket utførelsesform oppviser glideelementet et belegg med en tykkelse på 0,8 til 3 pm. Et belegg med denne meget lave tykkelse er spesielt i de tilfeller av fordel når glideelementet ikke bare oppviser en meget lav friksjon men også skal virke tettende, fordi en så liten tykkelse av belegget gjenspeiler konturen til det slepne og polerte bærerlegemet på så og si uforandret måte og det derved oppstår et glideelement av så og si uforandret glatthet.

I h.h.t. ytterligere foretrukne utførelsesformer består bærerlegemet av keramiske materialer på basis av aluminiumoksyd, mullit, zirkonsilikat, zirkonoksyd, hafniumoksyd, aluminiummagnesiumspinell, silisiumkarbid, silisiumnitrid eller en blanding av disse komponenter. Muligheten å kunne velge blant disse materialer gjør det mulig å avstemme glidemater-ialet til det ønskede anvendelsesområde. Således foretrekker man som biokompatibelt materiale spesielt aluminiumoksyd eller, når man ønsker spesielle korrosjonsbestandige materialer, velger man et bærerlegeme av aluminiumoksyd, zirkonoksyd, silisiumkarbid eller silisiumnitrid.

I h.h.t. ytterligere foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen består belegningene av oksydene, nitridene, karbidene eller boridene av aluminium, zirkon, titan, hafnium, vanadium, niob, silisium, tantal, krom, molybden og wolfram samt kombinasjoner derav. For å oppnå spesielt korrosjonssterke belegg benytter man fortrinnsvis oksydene av aluminium og zirkon samt silisiumkarbid og silisiumnitrid mens spesielt hårde belegg benytter titannitrid, titankarbid og titankarbonitrid.

For sikker forbindelse mellom belegg og bærer kan det være nødvendig å tilveiebringe et mellomsjikt for å gi vedhefting av belegget. Ved forskjellige bærer-legemskombinasjoner og keramiske materialkomponenter for belegningen kan det også anvendes flere mellomsjikt i h.h.t. en foretrukket utførelsesform, hvorved hver gang et mellomlegg forbedrer vedheftingen i forhold til det neste mellomlegg. For forskjellige anvendelsesområder viser seg imidlertid et oppfinnelsesmessig glideelement uten mellomsjikt som absolutt tilstrekkelig. For glideelementer med et belegg av aluminiumoksyd har et spesielt hensiktsmessig mellomsjikt vært at titankarbonitrid. Også her har en opprettholdelse av konturene til bærerlegemet og dermed toleransen h.h.v. jevnheten vist seg hensiktsmessig når mellomsjiktet fremstilles i en tykkelse opptil 2 pm.

Valget av belegningsmetode (PVD eller CVD) er i og for seg ikke vesentlig, dog hr det for kompliserte konstruksjonsformer og et allsidig belegg vist seg gunstig å benytte CVD metoden mens PVD metoden p.g.a. den relativt lave arbeidstemperatur på 200 - 400"C sammenlignet med 1000"C ved CVD, rent økonomisk sett byr på visse fordeler.

I h.h.t. ytterligere foretrukne utførelsesformer består bærerlegemet av aluminiumoksyd som er utstyrt med et belegg eventuelt av aluminiumoksyd eller av silisimnitrid, silisiumkarbid, titannitrid, titankarbid eller titankarbonitrid. For fremstilling av bærerlegemet foretrekkes spesielt blandinger som består av minst 90 vekt-% aluminiumoksyd og resten av en eller flere oksyder av magnesium, silisium, titan og zirkon, og som også er å forstå under begrepet aluminiumoksyd. Med aluminiumoksyd belagte bærerlegemer av aluminiumoksyd er spesielt biokompatible og disse glideelementer kan derfor fortrinnsvis benyttes for fremstilling av kunstige leddproteser. Belegg av titankarbid og titankarbonitrid foretrekkes fordi de allerede uten mellombelegg oppviser en utmerket vedheftingsfasthet til bærerlegemene av aluminiumoksyd.

Glideelementer ifølge oppfinnelsen kan anvendes i mange tekniske områder. Spesielt foretrukket er anvendelsen av et oppfinnelsesmessig glideelement som oppviser et bærerlegeme av aluminiumoksyd som er utstyrt med et belegg av aluminiumoksyd, idet anvendelsen er en pkaningsskive i en blandingsventil som også er kjent under betegnelsen enhåndsblander eller sanitærblandebatteri. En annen fortrukket anvendel-sesform er anvendelsen av oppfinnelsens glideelementer som oppviser et bærerlegeme av aluminiumoksyd og belegg av titannitrid, titankarbonitrid eller titankarbid som glidering ved en glideringspaking.

De etterfølgende eksempler og beskrivelsen av figuren skal tjene til en nærmere forklaring av oppfinnelsen uten at dennes beskyttelsesomfang skal innskrenkes.

Eksempel 1

For fremstilling av en for sanitærblandingsbatterier ment pakningsskive som er ment for inngrep med en ytterligere, ikke oppfinnelsesmessig vanlig pakningsskive av aluminiumoksyd, fremstilles et bærerlegeme av en pulverblanding bestående av 99,2 vekt-% aluminiumoksyd, 0,5 vekt-% magnesiumoksyd og 0,3 vekt-% silisiumoksyd, idet pulverblandingen på i og for seg kjent måte blandes til en finhet på d5Q= 0,8 pm og det deretter fra pulverblandingen formes og sintres en pakningsskive. Etter avkjøling blir denne ved sliping og polering bearbeidet til en jevnhet på 2 heliumlysbånd. Det beskrives en profilbæreandel på 80%, tilsvarende en målemetode som er beskrevet i EP-B- 43 456.

På den for tildannelse av funksjonsflaten mente side av pakningsskiven påførs det et mellombelegg av titankarbonitrid med en tykkelse på 0,5 pm ved CVD-metoden. Umiddelbart deretter påføres et belegg av ren AI2O3med en tykkelse på 2 pm som utgjør funksjonsflaten. Den midlere kornstørrelse for belegget utgjør 0,5 pm. Friksjonen for oppfinnelsens fremstilte pakningsskive mot en standardpakningsskive av ren aluminiumoksyd keramikk ble fastslått til:

En sammenligningsmåling av de i dette eksempel beskrevne bærerlegemer i form av en pakningsskive før belegning med CVD-sjiktet av titankarbonitrid ga:

Målingen av friksjonsverdiene vise at det kan oppnås en vesentlig lavere friksjon ved belegningen.

På de i eksempel 1 beskrevne bærerlegemer ble det uten mellomlegg påført et sjikt av titankarbonitrid med en tykkelse på 2 pm. Kornstørrelsen for belegget utgjorde 0,3 pm. Det ble fastslått en glidningsfriksjons koeffisient på 0,1 og en vedheftningsfriksjonskoeffisient på 0,17 mot de i Eksempel 1 beskrevne standardpakningsskiver av aluminiumoksyd.

Eksempel 3

En glidering i en glideringspakning ble fremstilt idet det ble fremstilt et bærerlegeme av 98 vekt-% aluminiumoksyd, 0,8 vekt-% magnesiuwmoksyd og 1,2 vek-% silisiumoksyd i h.h.t. Eksempel 1 hvoretter, etter sliping og polering til en jevnhet på 2 heliumlysbånd, bærerlegemet ble belagt med et belegg av titankarbonitrid med en tykkelse på 5 pm i h.h.t. CVD-metoden. De fastslåtte friksjonsverdier tilsvarer verdiene i Eksempel 1.

I figurene viser:

Fig. 1 skjematisk og i tverrsnitt, et utsnitt av et bærerlegeme slik det

anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 2 skjematisk i tverrsnitt, det i Fig. 1 viste bærerlegeme etter

gjennomført belegning,

Fig. 3 skjematisk og i tverrsnitt, en ytterligere utførelsesform av et

glideelement ifølge oppfinnelsen med et mellomsjikt.

Ved det i Fig. 1 viste bærerlegeme 2 dreier det seg om et kjent glideelement som på sin overflate 6 er slipt og utglattet. Et kornutbruddspunkt 7 som oppsto ved slipingen oppviser en dybde X og er vist sterkt forstørret.

Det i Fig. 2 viste glideelement 1 er oppnådd ved påføring av et belegg 3 i h.h.t. CVD-metoden på overflaten 6 i det i Fig. 1 viste bærerlegeme. Belegningen 3 oppviser en tykkelse på 1,8 pm og følger i konturen konturen av overflaten 6 til bærerelementet 2 slik dette sees i området for punktet 7. Overflaten av belegget 3 danner funksjonsflaten 4 til glideelementet 1. Den i kornutbruddspunkområdet 7 opptredende fordypning T har en dybde på X'.

For fremstilling av det i Fig. 3 viste glideelement 1 ble det i Fig. 1 beskrevne bærerelement 2 benyttet. Et mellomsjikt 5 med en tykkelse på 0,5 pm ble påført ved CVD prosessen og et belegg 3 som utgjorde funksjonsflaten 4 ble påført over mellomsjiktet 5 i en tykkelse på 1,6 pm. Også her se man at mellomsjiktet 5 h.h.v. belegget 3 følger konturen til overflaten 6 av bærerlegemet 2. En fordypning 7" i området for kornut-bruddspunktet 7 h.h.v. fordypningen 7' har en dybde X".

Det skal uttrykkelig henvises til at belegningen 3 følger konturene til bærerlegemet 2 også på slike steder som er finere enn det viste kornutbruddspunkt 7. P.g.a. forenklet tegning er dette imidlertid ikke vist.

Claims (13)

1. Med et eller flere keramiske materialkomponenter på en eller flere funk sjons flate r belagt første glideelement som består i friksjonsinngrep med ytterligere glideelement, karakterisert ved at minst et av glideelementene (1) oppviser en ved forming og sintring av keramiske materialer fremstilt, slipt og/eller polert bærerlegeme (2), som minst på sin funksjonsplate (4) oppviser en i h.h.t. de kjemiske eller fysikalske pådampingsmetoder (CVD eller PVD) oppnådd belegg (3) av en eller flere keramiske komponenter i en tykkelse av 0,2 til 10 pm og en kornstørrelse som ikke overskrider 1 pm.

2. Glideelement ifølge krav 1, karakterisert ved at bærerlegemet (2) består av keramiske materialer på basis av aluminiumoksyd, mullitt, zirkonsilikat, zirkonoksyd, hafniumoksyd, aluminiummagnesiumspinell, silisiumkarbid, silsisiumnitrid eller en blanding av disse komponenter.

3. Glideelement ifølge kravene 1 og 2, karakterisert ved at belegningen (3) består av oksyder, nitrider, karbider eller borider av aluminium, zirkonium, titan, hafnium, vanadium, niop, tantal, krom, molybden, wolfram og silisium eller kombinasjoner derav.

4. Glideelement ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at glideelementet (1) i tillegg oppviser et eller flere mellomsjikt (5) mellom bærerlegemet (2) og belegningen (3).

5. Glideelement ifølge krav 4, karakterisert ved at det oppviser et mellomsjikt (5) av titankarbonitrid.

6. Glideelement ifølge kravene 4 og 5, karakterisert ved at mellomsjiktet (5) har en tykkelse på opptil 2 pm.

7. Glideelement ifølge kravene 1-6, karakterisert ved at bærerlegemet (2) og belegningen (3) består av aluminiumoksyd.

8. Glideelement ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at bærerlegemet (2) består av aluminiumoksyd og belegningen (3) av silisiumnitrid.

9. Glideelement ifølge kravene 1-6, karakterisert ved at bærerlegemet (2) består av aluminiumoksyd og belegningen (3) av silisiumkarbid.

10. Glideelementi ifølge kravene 1 -6, karakterisert ved at bærerlegemet (2) består av silisiumnitrid og belegningen (3) av aluminiumok syd.

11. Glideelement ifølge kravene 1-6, karakterisert ved at bærerlegemet (2) består av aluminiumoksyd og belegningen (3) av titannitrid, titankarbid eller titankarbonitrid.

12. Anvendelse av et glideelement ifølge krav 7 som pakningsskive i et blandingsbatteri.

13. Anvendelse av et glideelement ifølge krav 11, som glidering i en glideringspakning.