DK164101B

DK164101B - Glideelement, som paa en eller flere arbejdsflader er belagt med keramiske materialekomponenter, samt anvendelse af glideelementet

Info

Publication number: DK164101B
Application number: DK555985A
Authority: DK
Inventors: Ulf Dworak; Dieter Fingerle; Hans Olapinski; Kilian Friederich
Original assignee: Feldmuehle Ag
Priority date: 1985-03-16
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1992-05-11
Also published as: NO854948L; DE3663800D1; DE3509572C1; DK555985A; EP0195205A2; FI854855L; JPS61215279A; FI80671B; ES8704143A1; DK555985D0; FI854855A0; DK164101C; EP0195205B1; EP0195205A3; FI80671C; ES549034A0

Description

DK 164101 B

Den foreliggende opfindelse angår et glideelement, som på en eller flere arbejdsflader er belagt med en eller flere keramiske materialekomponenter, og er i friktionsindgreb med mindst yderligere et glideelement.

5 Der kendes glideelementer af den nævnte art. Hertil hører f.eks. glideringe til glideringtætninger, således som de i form af metalbærelegemer, der er belagt med keramisk materiale, f.eks. er beskrevet i de tyske brugsmønstre nr. 17 77 610 og nr. 77 18 782. Belægningen påføres her ved plasmasprøjtemetoden for det meste med 10 en tykkelse på ca. 100 pm. Den påførte belægning underkastes på den ved keramiske materialer sædvanlige måde en efterbehandling i form af slibning og lapning. I og for sig adskiller overfladerne af disse belægninger sig ikke fra de ligeledes kendte udelukkende af en keramisk komponent eller af en blanding af flere keramiske komponenter 15 bestående ubelagte massive keramiklegemer, der ligeledes anvendes som glidering eller som tætningsskive for blandebatterier. Hertil kan henvises til trykskrifterne DE-B- 12 82 377 FR-A- 14 54 755 DE-B- 12 91 957 20 DE-A- 28 34 146 EP-B- 43 456

Yderligere forslag findes i DE-A- 27 11 500, der angiver en med en polytetrafluorethylenbelægning forsynet metal konstruktionsdel til anvendelse i en blandeventil.

25 Alle disse forslag er behæftede med visse ulemper, der især består i, at de ved de ældre forslag foreslåede ubelagte af massivt keramik bestående keramiklegemer har en for hø] statisk friktion, hvorfor der også i den nævnte publikation EP-B 43 456 foreslås en speciel blanding af keramiske materialekomponenter til opnåelse af en 30 særlig lav profilbæreandel. Ved dette forslag fraviges ganske vist for første gang den hidtil sædvanlige opfattelse, at en tilstrækkelig tættevirkning kun kunne opnås med en høj profilbæreandel, men alligevel har også dette forslag visse fremstillingstekniske ulemper, idet fremstillingsomkostningerne i mange tilfælde som følge af det 35 keramiske udgangspulvers overordentligt høje finhed overskrider en økonomisk acceptabel grænse på grund af det høje energiforbrug.

Sammenlignet med disse nævnte forslag er ulemperne ved de med keramiske materialer belagte metalformlegemer, at de termiske udvidelseskoefficienter mellem metalbærelegemet og belægningen ikke

DK 164101 B

2 stemmer overens, og at disse glideelementer derfor ikke kan anvendes inden for bestemte termisk højt belastede anvendelsesområder, idet der i tilfælde af et termochock er fare for, at belægningen skaller af bærelegemet. Allerede mikroafskalninger fører til en dramatisk for-5 mindskelse af tætningsvirkningen. En yderligere ulempe er korrosionen mellem metal og keramik. Dertil kommer, at overfladebeskaffenheden ved keramikbelagte metalglideelementer ikke er af bedre kvalitet end ved de såkaldte massivkeramikglideelementer, og disse glideeie-menter har derfor også forholdsvis høje friktionsværdier.

10 Formalet med opfindelsen er at udvikle et glideelement, der, når det er i friktionsindgreb med et efter dettes form tilpasset yderligere glideelement, har en lille friktionskoefficient og især en lille statisk friktionskoefficient. Samtidig skal glideelementet i anvendelsestilfælde, hvor det er nødvendigt også have en god tættende virkning, 15 og desuden skal det have en forbedret termochockbestandighed og korrosionsbestandighed.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved hjælp af et glideelement med de i krav l's kendetegnende del angivne ejendommeligheder.

20 Angivelserne i kravene og i beskrivelsen med hensyn til belægningens kornstørrelse gælder for parallelt med belægningsplanet fremstillede slibepræparater.

Opfindelsen baserer sig på den erkendelse, at der ved glideelementer kan opnås tydeligt reducerede friktionskoefficienter, 25 dersom en finkornet og meget tynd - ikke efterbearbejdet - belægning påføres på et plant bearbejdet bærelegeme selv under forudsætning af, at bærelegemet på grund af den overfladebehandling, der er foretaget på dette, har en høj profilbæreandel.

Til realisering af opfindelsen anvendes de i og for sig 30 kendte kemiske og fysiske pådampningsmetoder, der ikke er genstand for opfindelsen, og anvendes inden for helt andre områder af teknikken, nemlig ved belægning af skæreplatter til for det meste af hårdlegeringer bestående formlegemer. En sådan metode kendes f.eks. fra DE-C 31 44 192.

35 Ved hjælp af den foranstaltning, at formlegemerne, inden deres belægning, slibes og/eller lappes, opnås, at glideelementerne også efter belægningen har en god planhed, således som det f.eks. er nødvendigt ved glideelementer, der anvendes som tætningsskiver. Glideelementer med krumme arbejdsflader får den for deres anvendelse

DK 164101 B

3 nødvendige tolerance ved denne forbehandling. Pi grund af deres planhed henholdsvis deres tolerance virker glideelementerne ifølge opfindelsen også i høj grad tættende, dersom de som maskinkonstruktionsdele f.eks. anvendes, hvor der kræves en høj aftætning. Eksemp-5 ler på disse anvendelsesområder er ligeledes glideringe for glidering-tætninger og tætningsskiver til blandebatterier.

Skønt det endnu ikke er fuldt ud klarlagt, hvad den overraskende lille friktionskoefficient ved glideelementerne ifølge opfindelsen skyldes, må det formodes, at den skyldes udformningen af over-10 fladen, der antageligt kan forklares som følger: Ved hjælp af den med overordentlig ringe tykkelse udformede belægning med en kornfinhed, der fortrinsvis ikke overskrider 0,5 pm, fås en meget lille profilbære-andel, fordi den med overordentlig ensartethed påførte belægning ikke kræver nogen som helst efterbearbejdning, som f.eks. slibning eller 15 lapning. I fremstillingsteknisk henseende fås der en forskel i forhold til de kendte ved plasmasprøjtning belagte glideelementer, idet der ved disse først skulle foretages en overfladebearbejdning af belægningen ved slibning og lapning, før den nødvendige planhed kunne opnås, hvilket imidlertid medførte en høj profilbærearidel, der forø-20 gede friktionen.

Med de nu kendte undersøgelsesmetoder, til hvilke også den i EP-B 43 456 beskrevne fremgangsmåde til bedømmelse af i påfaldende lys fremstillede mi krofotografier, er det ikke muligt mileteknisk at registrere den yderst fine overfladestruktur af belægningen på glide-25 elementerne ifølge opfindelsen, idet sædvanlige mikroskopers opløsningsevne ikke er tilstrækkelig. For udformningen af en lille profil-bæreandel taler imidlertid de meget små friktionsværdier ved glideelementerne ifølge opfindelsen, som gengives i den følgende tabel.

Den følgende tabel gengiver gennemsnitsværdierne af fire enkeltmå-30 linger af tør glidefriktion og statisk friktion ved glideelementer ifølge opfindelsen og kendte glideelementer, der er fremstillet ved belægning af et i og for sig kendt af aluminiumoxidkeramik med høj renhed bestående bærelegeme med forskellige keramiske materialer. Glideelementerne ifølge opfindelsen var herunder i friktionsindgreb med et i 35 og for sig kendt ikke-belagt glideelement af aluminiumoxidkeramik af høj renhed.

DK 164101 B

4

Tabel

Belægnings- GI idefriktions- Statisk friktionskomponent koefficient koefficient 5 μ μ0 · (løsnekraft)

Aluminiumoxid 0,105 0,154

Titannitrid 0,09 0,153 10 Titancarbonitrid 0,133 0,197

Sammenligningsforsøg: kendte glideelementer ifølge EP-B- 43 456 0,196 0,379 15

Kendte glideelemnter af aluminiumoxidkeramik af høj renhed 0,4 0,45 20 Til fremstilling af belægningerne kan anvendes chlorider af de egnede metaller, f.eks. titantetrachlorid til titannitrid- eller titan-carbidbelægninger, hvor der som en egnet gas tilsættes ammoniak, og der i tilfælde af titancarbid desuden anvendes metangas. Til fremstilling af titancarbonnitridbelægninger anvendes gasblandinger af 25 ammoniak og metan. Til fremstilling af et aluminiumoxidlag anvendes aluminiumchlorid som udgangsmateriale, og som iltbærer anvendes vanddamp.

Som en særlig foretrukken udførelsesform har g lideelementet ifølge opfindelsen en belægning med en tykkelse på 0,8 - 3 pm. En 30 belægning med denne yderst ringe tykkelse er navnlig en fordel, dersom glideelementerne ikke kun skal have en meget ringe friktion men også skal virke tættende, idet en sidan ringe tykkelse af belægningen lader konturen af det slebne og lappede bærelegeme være næsten uændret, og der derved fis et glideelement med næsten uæn-35 dret planhed.

Ifølge yderligere en foretrukken udførelsesform består bærelegemet af keramiske materialer på basis af aluminiumoxid, mullit, zirkoniumsilikat, zirkoniumoxid, hafniumoxid, aluminiummagnesiumspi-

DK 164101 B

5 nel, siliciumcarbid, siliciumnitrid eller en blanding af disse komponenter. Muligheden for at kunne vælge mellem disse materialer gør det muligt at afstemme sideelementerne specielt til det foreliggende anvendelsesområde. Således vil man f.eks. som biokompatibel materiale især 5 anvende aluminiumoxid, eller dersom der ønskes en særlig god korro-sionsbestandighed, et bærelegeme af aluminiumoxid, zirkoniumoxid, siliciumcarbid eller siliciumnitrid.

Ifølge yderligere foretrukne udførelsesformer for opfindelsen består belægningen af oxiderne, nitriderne, karbiderne eller borider-10 ne af aluminium, zirkonium, titan, hafnium, vanadium, niob, silicium, tantal, chrom, molybdæn eller wolfram eller disses kombinationer. Til opnåelse af særligt korrosionsbestandige belægninger er oxiderne af aluminium og zirkonium samt siliciumcarbid og siliciumnitrid egnet, medens titannitrid, titankarbid og titancarbonnitrid er egnet til frem-15 stilling af særligt hårde belægninger.

Til en sikker forbindelse af belægningen med bærelegemet kan det være nødvendigt at anbringe et mellemlag til fastholdelse af belægningen. Ved forskellige bærelegemekombinationer og keramiske materialekomponenter for belægningen kan der Ifølge en foretrukken 20 udførelsesform også anvendes flere mellemlag, hvor hvert enkelt mellemlag forbedrer fastholdelsen i forhold til det næste mellemlag. Til forskellige anvendelsesområder har et glideelement ifølge opfindelsen uden mellemlag imidlertid vist sig at være absolut tilstrækkeligt. Til glideelementer med en belægning af aluminiumoxid har et mellemlag af 25 titancarbonnitrid vist sig at være særligt hensigtsmæssigt. Også her har det til bibeholdelse af bærelegemets konturer og dermed af tolerancen henholdsvis af planheden vist sig at være hensigtsmæssigt at fremstille mellemlaget i en tykkelse på indtil 2 pm.

Valget af belægningsmetoden (PVD eller CVD) er i og for 30 sig ikke kritisk, men til komplicerede konstruktionsformer og en belægning på alle sider har CVD-metoden vist sig at være særligt egnet, medens PVD-metoden frembyder visse økonomiske fordele på grund af de forholdsvis lave arbejdstemperaturer på 200-400°C i forhold til 1000°C ved CVD-metoden.

35 Ifølge yderligere foretrukne udførelsesformer består bære legemet af aluminiumoxid og er forsynet med en belægning ligeledes af aluminiumoxid eller af siliciumnitrid, siliciumcarbid, titannitrid, titan-carbid eller titancarbonnitrid. Til fremstilling af bærelegemet er blandinger særligt foretrukne, der består af mindst 90 vægtprocent

DK 164101 B

6 aluminiumoxid og resten af en eller flere af oxiderne af magnesium, silicium, titan og zirkonium, der også skal forstås at falde ind under begrebet aluminiumoxid. Bærelegemer af aluminiumoxid, som er belagt med aluminiumoxid, er særligt biokompatible, og disse glideelementer 5 kan derfor fortrinsvis anvendes til fremstilling af kunstige ledproteser. Belægninger af titancarbid og titancarbonnitrid er foretrukne, fordi der uden mellemlag kan opnås en god fastholdelse på bærelegemer af aluminiumoxid.

Glideelementer ifølge den foreliggende opfindelse kan anven-10 des inden for mange områder af teknikken. Særligt foretrukket er anvendelsen af et glideelement ifølge opfindelsen, der har et bærelegeme af aluminiumoxid, som er forsynet med en belægning af aluminiumoxid som tætningsskive i en blandeventil, der også er kendt under betegnelsen etgrebsbtandebatteri eller sanitært blandebatteri. Et andet 15 foretrukkent anvendelsesområde er anvendelsen af glideelementer ifølge opfindelsen med et bærelegeme af aluminiumoxid og belægninger af titannitrid, titancarbonnitrid eller titancarbid som glidering ved en glideringtætning.

De følgende eksempler og beskrivelsen af figurerne tjener 20 til nærmere forklaring af opfindelsen.

Eksempel 1

Til fremstilling af en til sanitære blandebatterier bestemt 25 tætningsskive, der er beregnet til indgreb med en anden ikke til opfindelsen hørende sædvanlig tætningsskive af aluminiumoxid, fremstilles et bærelegeme af en pulverblanding bestående af 99,2 vægtprocent aluminiumoxid, 0,5 vægtprocent magnesiumoxid og 0,3 vægtprocent siliciumoxid, idet pulverblandingen på i og for sig kendt måde forma-30 les til en finhed på d^Q=0,8 pm, og en tætningsskive formes af pulverblandingen og sintres. Efter afkøling bearbejdes tætningsskiven ved slibning og lapning til en planhed på 2 heliumlysbånd. Der måles en profilbæreandel på 80% i overensstemmelse med den i EP-B 43 456 beskrevne målemetode.

35 På den til dannelsen af funktionsfladen forsynede side af tætningsskiven påføres et mellemlag af titancarbonnitrid med en tykkelse på 0,5 pm ved CVD-fremgangsmåden. Umiddelbart derefter påføres en belægning af rent AI^O^ med en tykkelse på 2pm, der danner funktionsfladen. Belægningens middelkornstørrelse er 0,5 pm.

Friktionen ved den ifølge opfindelsen fremstillede tætningsskive mod en standardtætningsskive af ren aluminiumoxidkeramik konstateredes at være: 7

DK 164101 B

5 Glidefriktionskoefficient Statisk friktionskoefficient μ M0 0,09 0,13 ίο

En sammenligningsmiling af det i dette eksempel beskrevne bærelegeme i form af en tætningsskive inden belægningen med CVD-la-get af titancarbonnitrid giver: 15 Glidefriktionskoefficient Statisk friktionskoefficient μ μ0 0,25 0,42 20

Malingen af friktionsværdierne viser, at der ved hjælp af belægningen kunne opnås en væsentlig mindre friktion.

Eksempel 2 25 På det i eksempel 1 beskrevne bærelegeme påføres uden mellemlag et lag af titancarbonnitrid med en tykkelse på 2,5 pm. Belægningens kornstørrelse er 0,3 pm. Der konstateredes en glidefriktionskoefficient på 0,1 og en statisk friktionskoefficient på 0,17 af friktionen mod den i eksempel 1 beskrevne standardtætningsskive af 30 aluminiumoxid.

Eksempel 3

Der fremstilles en glidering til en glideringtætning, idet der fremstilles et bærelegeme af 98 vægtprocent aluminiumoxid, 0,8 vægt- 35 procent magnesiumoxid og 1,2 vægtprocent siliciumoxid ved den i eksempel 1 beskrevne fremgangsmåde, hvorpå bærelegemet efter slibning og polering til en planhed på 2 heliumlysbånd belægges med en belægning af titancarbonnitrid i en tykkelse på 5 pm efter CVD-meto-den. De udfundne friktionsværdier svarer til værdierne i eksempel 1.

DK 164101 B

8 På tegningen viser: fig. 1 i tværsnit et skematisk billede af et udsnit af et bærelegeme, således som det anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, 5 fig. 2 et skematisk billede af et tværsnit gennem det i fig. 1 viste bærelegeme efter udførelsen af belægningen ifølge opfindelsen, fig. 3 et skematisk billede af et tværsnit gennem yderligere en udførelsesform for et glideelement ifølge 10 den foreliggende opfindelse med et mellemlag.

Ved det i fig. 1 viste bærelegeme 2 drejer det sig om et kendt glideelement, hvis overflade 6 er slebet og lappet. Et kornudbrudssted 7, der er opstået under slibeprocessen, har en dybde x og er vist stærkt forstørret.

15 Det i fig. 2 viste glideelement 1 er dannet ved, at der ved CVD-metoden er påført en belægning 3 på overfladen 6 af det i fig. 1 viste bærelegeme 2. Belægningen 3 har en tykkelse på 1,8 øm og følger i sin kontur konturen af bæreelementet 2's overflade 6, således som det kan ses i området ved kornudbrudsstedet 7. Overfladen af 20 belægningen 3 danner glideelementet 1's arbejdsflade 4. Den i området ved kornudbrudsstedet 7 optrædende fordybning 7' har en dybde på X'.

Til fremstilling af det i fig. 3 viste glideelement anvendtes det i forbindelse med fig. 1 beskrevne bærelegeme 2. Et mellemlag 5 25 med en tykkelse på 0,5 øm påførtes ved CVD-metoden, og en belægning 3, der danner arbejdsfladen 4, blev anbragt oven på mellemlaget 5 i en tykkelse på 1,6 øm. Også her ses, at mellemlaget 5 henholdsvis belægningen 3 følger konturen af bærelegemet 2's overflade 6. En fordybning 7" i området ved kornudbrudsstedet 7 henholdsvis for-30 dybningen 7' har en dybde på X".

Det skal udtrykkeligt anføres, at belægningen 3 også følger bærelegemet 2's kontur ved sådanne steder, der er finere end det viste kornudbrudssted 7. Af hensyn til enkeltheden er dette imidlertid ikke vist.

33

Claims

1. Glideelement, som pi en eller flere arbejdsflader er belagt med en eller flere keramiske materialekomponenter og er i 5 friktionsindgreb med mindst yderligere et glideelement, kende tegnet ved, at mindst ét af glideelementerne (1) har et ved formning og sintring af keramiske materialer fremstillet slebet og/eller lappet bærelegeme (2), der i det mindste på dets arbejdsflader (4) har en ved kemisk eller fysisk pådampningsmetode (CVD eller PVD) 10 opnået belægning (3) af en eller flere keramiske komponenter i en tykkelse på 0,2 - 10 pm og en kornstørrelse, der ikke overskrider 1 pm.

2. Glideelement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at bærelemeget (2) består af keramiske materialer på basis af alumini- 15 umoxid, mullit, zirkoniumsilikat, zirkoniumoxid, hafniumoxid, alumini-ummagnesiumspinel, siliciumcarbid, siliciumnitrid eller en blanding af disse komponenter.

3. Glideelement ifølge kravene 1 og 2, kendetegnet ved, at belægningen (3) består af oxider, nitrider, carbider 20 eller borider af aluminium, zirkonium, titan, hafnium, vanadium, niob, tantal, chrom, molybdæn, wolfram og silicium eller kombinationer deraf.

4. Glideelement ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at glideelementet (1) desuden har et eller flere mellemlag (5) mellem 25 bærelegemet (2) og belægningen (3).

5. Glideelement ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det har et mellemlag (5) af titancarbonnitrid.

6. Glideelement ifølge kravene 4 og 5, kendetegnet ved, at mellemlaget (5) har en tykkelse på indtil 2 pm.

7. Glideelement ifølge kravene 1-6, kendetegnet ved, at bærelegemet (2) og belægningen (3) består af aluminiumoxid.

8. Glideelement ifølge kravene 1-6, kendetegnet ved, at bærelegemet (2) består af aluminiumoxid og belægningen (3) af siliciumnitrid.

9. Glideelement ifølge kravene 1-6, kendetegnet ved, at bærelegemet (2) består af aluminiumoxid og belægningen (3) af siliciumcarbid.

10. Glideelement ifølge kravene 1-6, kendetegnet ved, at bærelegemet (2) består af silicumnitrid og belægningen (3) af DK 164101 B aluminiumoxid.

11. Glideelement ifølge kravene 1-6, kendetegnet ved, at bærelegemet (2) består af aluminiumoxid og belægningen (3) af titannitrid, titancarbid eller titancarbonnitrid.

12. Anvendelse af et glideelement ifølge krav 7 som tæt ningsskive i et blandebatteri.

13. Anvendelse af et glideelement ifølge krav 11 som glidering * en glideringtætning. 15 20 25 30 35