DE2929510C2 - Paarungen von Hartstoffschichten zum Schutz von Lagerungen und Führungen vor Verschleiß und Korrosion - Google Patents
Paarungen von Hartstoffschichten zum Schutz von Lagerungen und Führungen vor Verschleiß und KorrosionInfo
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Description
Es ist bereits bekannt daß harte Schichten auf der Basis der Nitride, Carbide und Carbonitride von
Elementen der Gruppen IV bis VI des Periodensystems der Elemente verschleißfeste Eigenschaften haben.
Durch gezielte Paarung von obigen Hartstoffschichten
kann eine weitere bedeutende Verbesserung der Eigenschaften von Lagerungen und Führungen erzielt
werden, insbesondere im Hinblick auf deren Anwendung in extremen Umweltbedingungen. Extreme Umweltbedingungen
zeichnen sich durch das Einwirken von hohen Temperaturen und/oder hohen Drücken
und/oder guten Vacua und/oder die Anwesenheit von chemisch aggressiven, korrosiven Medien aus. Diese
extremen Umweltbedingungen können vor allem in der chemischenVerfahrenstechnik, in der Nukleartechnik,
im Weltraum und im Waffenbau festgestellt werden. Sie äußern sich durch chemischen Angriff, der zur
Korrosion und zum vorzeitigen Versagen von Maschinenelementen führt, und durch erhöhten Verschleiß bei
Anwendungen in der Kernreaktortechnik und im Weltraum aufgrund des ungünstigen Reibungsverhaltens
klassischer Konstruktionsmaterialien bei erhöhter Temperatur und im hohen Vakuum.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf hin, durch Einführung der Paarungen von Schutzüberzügen
Titancarbid gegen Titannitrid und Titancarbid gegen Siliciumcarbid klassischen Konstruktionsmaterialien,
d. h„ zähen, metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen,
den Zugang in den Apparate- und Maschinenbau für Anwendungen in extremen Umweltbedingungen
zu sichern. Darüber hinaus helfen diese Schutzüberzüge auch im konventionellen Maschinenbau, die
Zuverlässigkeit und Lebensdauer der betroffenen Elemente zu erhöhen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit Lagerungs- und Führungselemente gemäß den vorstc
henden Patentansprüchen.
Die Abscheidung der erfindungsgemäßen Hartstoffiiberzüge
kann mittels Gasphasenreaktion chemisch oder physikalisch öder mittels Festkörper- oder
Flüssigphasentransportreaktion erfolgen.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele im einzelnen erläutert.
Die chemische Verfahrenstechnik bedient sich zur Herstellung bestimmter themioclvnamischer Gleichgewichte,
die die Voraussetzung für die Synthese vieler neuartiger Werkstoffe sind, in zunehmendem Maße
niedriger Drücke im Mittel- und Feinvakuumbereich. Die dabei anfallenden Spalt- und/oder Reaktionsnebenprodukte
sind vielfach Dämpfe von Säuren oder Basen, die die Pumpenelemente korrodieren. Drehkolben und
Drehschieberpumpen, die zusammen mit Kühlfallen zur Zeit in der chemischen Verfahrenstechnik Anwendung
finden, müssen häufig gewartet werden, um bei
to Anwesenheit von Säure- und Basendämpfen die notwendige Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu erreichen.
Nach vorliegender Erfindung werden die Pumpenkavität mit Titannitrid und die drehenden Pumpenelemente,
wie Kolben oder Drehschieber, mit Titancarbid beschichtet Titannitrid bzw. Titancarbid wird in Form
einer 2 bis 5 um dicken, porenfreien Schicht nach einem
bekannten Verfahren, z. B. dem aus der CS-'-PS 4 52 205
bekannten Verfahren für die Beschichtung von metallisehen und nichtmetallischen Gegenständen durch
Abscheidung aus der Gasphase, auf die zu schützenden Pumpenelemente aufgetragen.
Die Reibungspartner Titancarbid gegen Titannitrid zeichnen sich durch einen niedrigen dynamischen und
statischen Reibungskoeffizienten aus und haben hervorragende verschleißmindernde Eigenschaften. Da der
Reibungskoeffizient TiC-TiN mit veränderlicher Temperatur, Druck und Feuchtigkeit weitgehend konstant
bleibt, sind solchermaßen geschützte Pumpenelemente weniger anfällig gegen Störungen des Schmiermechanismus
und haben hervorragende Notlaufeigenschaften bei Versagen desselben.
Die Korrosionsbeständigkeit von TiN und TiC schützt darüber hinaus die Pumpenelemente, wie
Kolben, Drehschieber, Kavitätsinnenraum usw., vor
chemischem Angriff, und es ist somit möglich, herkömmliche Pumpen den hohen Anforderungen der
chemischen Industrie zugänglich zu machen, ohne auf kostspielige Sonderkonstruktionen zurückgreifen zu
«ο müssen.
Es ist offensichtlich, daß dieser Schutzmechanismus, der die tribologischen und mechanischen Eigenschaften
der Vakuumpumpen verbessert, auch für Pumpen von korrosiven Flüssigkeiten und Schmelzen verwendet
*5 werden kann.
Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von heliumgekühlten Kernreaktoren ist es notwendig,
zu immer höheren leniperaturen (b.s 900 C) ω gehen.
Diese erhöhten Temperaturen im hochreinen Edelgas bewirken eine Desorption aller schützenden Oxidschichten
auf der Oberfläche von tribologisch iunktionellen
Flächen. Daraus resultieren eine starke Verschweißneigung der betroffenen Reibungspartner und
unzulässig hohe Reibungskoeffizienten.
Die neben den hohen Tempraturen sehr hohen Drücke machen es notwendig, in der Trioologie von
Kernreaktorarmaturen, die relative Konstanz, des
μ Reibungskoeffizienten von TiC-TiN sowie ileren Charakter,
all Diffiisionsbarriere zu wirken, einzusetzen.
Lager für Drücke bis 250 Mp pro Aufiagestelle können in käfigloscr Ausführung mit Wiilz.körpern. die abwechselnd
mit TiC und TiN beschichtet wurden, hergestellt
Ί5 werden. Das Konstruktionsmaterial der Ringe und
Wälzkörper muß den Temperaluren und der Gcnauig· keitsklasse des Lagers angepaßt werden.
Der niedrige Reibungskoeffizient TiC-TiN gewährlei-
stet ein Funktionieren der Lager mit günstigem Reibungsverhalten und verhindert ein Verschweißen
der Lagerelemente bei längerem Stillstand. Abhängig von den dynamischen Anforderungen an das Lager
kann eine zusätzliche Trockenschmierung mittels aufgestäubtem M0S2 vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt somit herkömmlichen Konstruktionsmaterialien, beim Bau von tribologischen
Elementen der Kernreaktortechnik Anwendung zu finden.
Bei Gyroskopen, die unter Weltraumbedingungen, d.h. Drücken bis 10~8mbar und Temperaturen bis
200"C, betrieben werden, muß durch geeignete
Konstruktionsmaßnahmen eine Schmierung gewährleistet werden.
Erfindungsgemäße Lagerelemente können unter Ausnutzung des niedrigen Reibungskoeffizienten einer
Hartstoffpaarung TiC-SiC, wobei die Lagerringe mit Titancarbid und die Rollelemente mit SiC beschichtet
werden, wartungsfrei gemacht werden. Auch in diesem Fall kann eine zusätzliche Beschichtung mit M0S2
erforderlich werden.
Die erfindungsgemäßen Lagerelemente können auch in klassisch geschmierten Gyroskopen verwendet
werden und ergeben dadurch hervorragende Notlaufeigenschaften.
Claims (2)
1. Lagerungs- und Führungselemente, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der
sich in gegenseitigem Kontakt befindlichen, beweglichen, aus zähen metallischen oder nichtmetallischen
Werkstoffen bestehenden Elemente mit Paarungen von haftfesten, porenfreien, korrosions- und verschleißfesten
Hartstoffüberzügen verschiedener Zusammensetzung versehen ist, wobei ein Element mit
Titancarbid und das andere mit Titannitrid oder ein ElemeDt mit Siliciumcarbid und das andere mit
Titancarbid beschichtet ist
2. Lagerungs- und Führungselemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überzogenen
Reibungsflächen eine zusätzliche Schicht aus Molybdänsulfid aufweisen.
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