Kristalliner Diamant · 2019. 4. 17. · Tc Cd In Sn Hg Tl Pb ... störte Pumpe Standzeitbeispiel:...

Kristalliner DiamantDie Revolution für Gleitringdichtungen

DiaCCon GmbHErlangen

Dipl.-Ing. Martin Rüffer

Diamant für extreme Beanspruchungen

- Diamant -

Ein Produkt – vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Tribologie

Dekoration

Abrasion

Medizintechnik

Elektrochemie


Einzigartige Eigenschaften…

Härte- 10000 HV- Härtestes Material

Wärmeleitfähigkeit- 2000 W/Km (RT)- Vier mal höher als kupfer

Chemische Beständigkeit- extrem hohe chemische Beständigkeit

Tribologie- Niedriger Reibkoeffizient- sehr geringer Verschleiß


Amorph, spröde„Kohlenstoffglas“

KristallinStruktur

Eigenschaften im Vergleich

! Adhesiv; schwachKovalent; sehr starkSubstratanbindung und Stärke der Anbindung< 350~ 700T - Beständigkeit

[°C]

4 - 61,3 (2 für Schicht)Wärmedehnung [10-6K-1]

1001002000Therm. Leitfähigkeit [W/Km]

4002201140E-Modul [GPa]

0,6 – 0,80,1 – 0,30,1 – 0,3Reibungskoeffizient µ

25003000-max. 500010000Härte [HV]

SiCDLCDiamant

!


Naturdiamant

Künstlicher

Diamant

Kristalline Diamantschicht

Wie überträgt man diese heraus-

ragenden Eigenschaften auf

Gleitringe ?

-Extreme Härte

-Niedriger Reibkoeffizient

-Hohe chemische Beständigkeit

-Extreme Härte

-Niedriger Reibkoeffizient

-Hohe chemische Beständigkeit

-HOMOGENITÄT !

?


Der Beschichtungsprozess…

Grundaufbau

Starke Anbindung

(Kovalent)


(1) (3)(2)(1) (3)(2)

~ 30 min.

~ 20 h

0 min.

Diamond layer

Ceramic

-Seed – Kristalle

-Beginnendes Wachstum

-Diamantschicht noch nicht geschlossen

-Diamantschicht schließt sich

-Schichtdicke ~300nm

-Kovalente Anbindung

-Kolumnares Wachstum

-Schichtdicke ~4µm

-Prozessende bei Standard-schicht

Diamantkristall wächst an der Oberfläche fest

Sehr starke Anbindung (kovalent) durch hohe Beschichtungstempera-tur


Die Diamantschicht…

- Dichte Schichten ab einigen100 nm

- Hohe Diamantqualität

- Unterschiedliche Schicht-morphologien


Was man wissen muss…

Differenz in den Ausdehnungskoeffizienten von Diamant und Substrat:

-αTitan= 8,35 10-6 * K-1 αDiamant= 1,1 10-6 * K-1 (~2 10-6 * K-1 bei Schicht)

-αSiC= 4 - 5 10-6 * K-1 (viel kleiner als von Metallen, ähnlich dem von Diamant !)

dünnes Substrat

dickes S

ubstrat

Abplatzung

Verzug

TSubst↑

(800°C)

TSubst↓

2000 °C

Bei SiC kein Problem, da ähnliche Wärme-ausdehnungskoeffizienten !

Bei Metallen!


Diamant

Hervorragende Haftfestig-keit wegen Karbidzwischen-schicht (kovalente Bindung)!

Diamantschicht

TiC

Titansubstrat

Einbettmasse

TiC (bzw. Metallkarbid)

Diamant auf Metallen…

Titan (bzw. Metall)


Beschichtbare Materialien…

Diamond layer

Ceramic

Keramiken

Diamond layer

in situ generated carbide

Resin

Metalle

SiC ist bereits ein Karbid hervorragend beschichtbar !


Zusammenfassung Beschichtbarkeit von SiC – Gleit-

ringen mit kristallinem Diamant:

-Hervorragend haftfest (kovalent gebunden)

-Kein Verzug (ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten)


Ag

Cu

SiAl

NiCoFe Mn

Ru

Os

Rh Pd

AuPt Ir ReW TaHf

Mo NbZr

Ti V Cr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Zn Ga

B C

Ge

Tc Cd In Sn

Pb Hg Tl

sehr gut beschichtbar (feste Anhaftung)beschichtbarnicht beschichtbar (Graphitbildung)

Li

Na

K

Rb

Cs

II III IV

Beschichtbare Materialien…

- „grüne“ Elemente & deren Karbide sind hervorragend mit Dia-mant beschichtbar

- Si(C) !


Vorbehandlung

-Reinigung-Bekeimen mit Impfkristallen

Beschichtung

-fünf Hot Filament-Anlagen-Plasmaanlage

Plasmaanlage

-schnell

HF - anlage

-experimental

HF - anlage

-Produktion

HF - anlage

-Kleinserie

2 HF - anlagen

-Produktion


Abrasionswiderstand von unbeschichteten und Diamantbeschichteten Gleitringen

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

unbeschichtet DiamantbeschichtetM

asse

verlu

st n

ach

120s

Stra

hlte

st [m

g]

nicht messbar !!!

diamantbeschichtet unbeschichtet

Sandstrahltest mit stark abrasiven SiC-Pulver

- Partikelgröße 30µm

Krater auf unbeschichteten Ring durch Partikelbombardement

!

Keine Beschädigung der Diamantschicht feststellbar !


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

ma

ss

lo

ss

of s

am

ple

(1

00

0g

er

od

en

t

uncoated TiNAlOx TiNAlOx TiAlN Diamond

Vergleich mitAnderen Schichten

Sandstrahltest unterschiedlicher Schichten auf Titan

-Diamant hat höchste Härte

-Hohe Beständigkeitgegen Dreikörper-verschleiß


Tribometer WAZAU TRM 1000 !!! TROCKENLAUF !!!

Testbedingungen:

- 2 m/s

- 0,4MPa

- Realtest

- Gleitringdichtung


0 5000 10000 15000 200000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Tribologische Eigenschaften…Gleitringe (lager & Dichtungen)

Unbeschichtetes SiCTotalausfall nach kurzer Zeit

Diamantbeschichtetes SiCSehr lange Notlaufzeiten

0 5000 10000 15000 200000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Laufweg [m]

Reibkoeffizient μ

!!! TROCKENLAUF !!!


Verschleißspur

Verschleißtiefe nach 30 km

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Ver

schl

eißt

iefe

[µm

]

Laufspur auf breiter Ringoberfläche durch schmäleren Gegenring nach 30km - Test

Nach 4h reinem Trockenlauf lediglich ~1,25µm Verschleiß !

Dichtflächen sind nicht zerstört !

!!! TROCKENLAUF !!!

Testbedingungen:

-2 m/s

-0,4MPa

-30km bzw. 4Stunden

~1,25μm Laufspurtiefe


Abnahme des Verschleißbetra-ges über die Dauer des tribolo-gischen Tests

Kontaktfläche nimmt zu

Flächenpressung nimmt ab

linearer Verschleißbetrag über Reibarbeit2.0m/s, 0.4MPa, federgelagert

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0 100 200 300 400 500 600

Reibarbeit [kJ]

linea

rer V

ersc

hlei

ßbet

rag

[µm

]

1 km10 km

15 km

30 km

!!! TROCKENLAUF !!! Testbedingungen:-2 m/s

-0,4MPa

-30km bzw. 4Stunden

Verschleiß nimmt durch Einglätten stetig ab !


Chemische Beständigkeit…

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

0 200 400 600 800 1.000

Zeit [h]

Masseverlust [%

]

Diamantbeschichtetes Titan

Unbeschichtetes Titan

10 % HCl

-Korrosionsverbesser-

ung von z.B. Titan

- Versiegelung von

Si - SiC - Bauteilen


Umrüstung in der Praxis-Keine Änderung in Konstruktion oder Konzeption nötig

-Einfaches Austauschen der Gleitringe

-Keine weiteren Kosten

Umrüstung einer „Standardpumpe“auf mit kristallinen Diamant be-schichtete Gleitringdichtungen

Quelle: Unbenannt


Produkt-flüssigkeitmit abrasiven Partikeln

SperrflüssigkeitSiC-Dichtringemit Diamantbeschichtung

SiC-Dichtringeohne Beschichtung

Atmosphäre

Prinzipdarstellung HN 480 mit Dicht-ringen mit Diamantbeschichtung

Gehäuse

Anwendung Rührwerksdichtung- Abrasivpartikel (SiO2) im Reibspalt bei Abdichtung von Farbe

- Diamantbeschichtung auf der Produktseite

-5-fach höhere Standzeit

-Reibung nass um zwei Drittel verringert

-Reibung trocken um zwei Drittel verringert

Quelle: Fa. Hecker


Verzicht auf Kühlung-Mit Diamant weniger Reibung/Wärme auch im Naßlauf (s.a. voriges Beispiel)

-Wegfall bestehender Kühlung (Quench)

Konventionelle GLD mit Quench

„Diamantpumpe“ mit diamantbeschich-teter GLD ohne Quench

Quelle: Unbenannt


Laufen im „eigenen Saft“, zeitweiser Trockenlauf-Mischreibung mit Wärmeentwicklung

-Konkreter Fall: Laufrad vom Kern gelöst, GLD zerstört

-Mit Diamant weniger Reibung/Wärme, keine Zerstörung der Pumpe

Quelle: Unbenannt

Durch Laufen im eigenen Saft zer-störte Pumpe

Standzeitbeispiel:

Bei einer Pumpe mit zeitweisemTrockenlauf wurde alle 4-5 Monate die GLD gewechselt

Seit Einbau einer diamantbeschich-teten GLD kein Wechsel mehr ! Bisherige Laufzeit >15 Monate !


Zusammenfassung

-GLD`s sind hervorragend mit kristallinem Diamant beschichtbar

-Beeindruckende Verbesserungen bei Verschleiß und Kühlaufwand

-Keine Änderung in Konstruktion und Konzeption notwendig

-Keine zusätzlichen Kosten, sondern

!Kostenersparnis bei Wartung und Kühlung!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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