DE10055443A1

DE10055443A1 - Beschichtete Rotorwelle für einen Spinnrotor zum Offenend-Spinnen

Info

Publication number: DE10055443A1
Application number: DE2000155443
Authority: DE
Inventors: Juergen Meyer
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Rotorwelle für einen Spinnrotor zum Offenend-Spinnen mit einer radialen und einer axialen Lagerfläche, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl die radiale als auch die axiale Lagerfläche eine oberflächliche Siliciumnitrid enthaltende Dispersionsschicht besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Siliciumnitrid beschichtete Rotorwelle für einen Spinnrotor zum Offenend-Spinnen.

Beim Offenend-Rotorspinnen wird ein auf eine stabförmige Welle aus meist gehärtetem Stahl gepreßter Rotor mittels Flachriemen auf Drehzahlen bis ca. 150000 min^-1 gebracht. Radial wird die Welle von zwei parallel angeordneten Stützscheibenpaaren in der gewünschten Lage gehalten. Axial erfolgt die Lagerung/ Positionierung der Welle zum Rotorspinnen (Rotorwelle) in der Offenend-Spinnvorrichtung entweder im direkten mechanischen Kontakt mit einem meist als Kugel ausgebildeten Gegenkörper o der durch Magnetkräfte oder Druckluft theoretisch berührungs frei.

Bei direkter mechanischer Berührung beispielsweise mit einer Stahlkugel tritt erheblicher Verschleiß an der Kontaktfläche der Rotorwelle auf, so daß bereits früh nach geeigneten Be schichtungen der Rotorwelle zur Erhöhung ihrer Lebensdauer ge sucht wurde. Als besonders vorteilhaft erwies sich bereits in den 80er Jahren bei den damals üblichen Rotordrehzahlen bis ca. 100000 min.^-1 eine Dispersionsbeschichtung aus Chemisch Nickel mit eingelagertem Siliciumkarbidpulver. Diese Beschich tung verhindert gleichzeitig das Einlaufen der radialen Stütz scheiben an den Kontaktflächen und ist daher heute bei allen Ausführungsformen von Rotorwellen Stand der Technik, soweit es die radialen Lagerflächen der Rotorwelle betrifft.

Die weitere Steigerung der Rotordrehzahlen führte zu unzuläs sigem Verschleiß der axialen Lagerfläche der Rotorwellen. Man begann daher, an dieser Stelle Einsätze aus Sinterkeramik, insbesondere Siliciumnitrid, anzubringen. Siliciumnitrid hat sich nicht nur wegen seiner Härte und Schlagzähigkeit, sondern insbesondere auch wegen seiner geringen Adhäsionsneigung als am besten geeignet gezeigt, den Verschleiß der stirnseitigen Lagerfläche der Rotorwellen zu minimieren.

Diese besondere Eigenschaft kommt nicht nur bei Dauerkontakt der Rotorwelle mit einem Gegenkörper positiv zur Geltung, son dern ist gerade bei unbeabsichtigtem, aber in der Praxis nicht sicher zu vermeidendem spontanem Direktkontakt der Rotorwelle mit einer anderen Oberfläche in einem theoretisch berührungs freien Lager außerordentlich wichtig. Ein adhäsiver Material übertrag beim Direktkontakt, wie er ohne die Einsätze aus Sin terkeramik auftritt, stört die hier geforderte, äußerst enge Maßtoleranz nachhaltig, so daß es zu beschleunigtem Versagen der gesamten Lagerung kommt. Einsätze aus Sinterkeramik erhö hen aber die Kosten für eine Rotorwelle ganz erheblich.

EP 794279 schlägt deshalb vor, die axiale Lagerfläche der Ro torwelle zumindest teilweise mit einer Karbid-haltigen Be schichtung, vorzugsweise B₄C oder SiC, zu versehen.

Die vorliegende Erfindung macht sich nun zur Aufgabe, eine Ro torwelle für einen Spinnrotor zum Offenend-Spinnen zur Verfü gung zu stellen, die sehr wirtschaftlich herzustellen ist und dennoch die vorteilhaften Eigenschaften der teuren Silicium nitrid Sinterkeramikeinsätze an der axialen Lagerfläche auf weist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Rotorwelle mit einer radia len und einer axialen Lagerfläche die dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl die radiale als auch die axiale Lagerfläche eine oberflächliche Siliciumnitrid enthaltenden Dispersions schicht besitzt.

Die Siliciumnitrid enthaltenden Dispersionsschicht besteht vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung, besonders bevorzugt aus außenstromlos abgeschiedenem Nickel (chemisch Nickel). Sie hat vorzugsweise eine Stärke von 15 bis 30 µm.

Die Oberfläche der Dispersionsschicht besteht vorzugsweise zu ca. 20 bis 30% aus Siliciumnitrid Partikeln.

Die Siliciumnitrid Partikel haben vorzugsweise eine Korngröße von 0,1 bis 10 µm, bevorzugt 0,5 bis 5 µm, insbesondere 1 bis 4 µm.

Sie sind gleichmäßig in der Dispersionsschicht verteilt, so daß auch bei verschleißbedingter Schichtdickenabnahme eine stets gleichbleibende Mikrostruktur der Oberfläche sicherge stellt ist.

Vorzugsweise sind keine weiteren Partikel in die Dispersions schicht eingelagert.

Die Siliciumnitrid Partikel verleihen der radialen Lagerfläche der Rotorwelle die erwünschte Mikrostruktur zur Schlupfminde rung. Gleichzeitig verleihen sie der axialen Lagerfläche, die die Kontaktfläche der Rotorwelle zu den feststehenden Teilen der Offenend Spinnvorrichtung bildet, die notwendige geringe Adhäsionsneigung, wie sie bisher nur durch Siliciumnitrid Sin terkeramikeinsätze zu erhalten war.

Wie bereits erwähnt, werden wegen der Anforderungen an die Be rührungsfläche der Rotorwelle mit den radialen Stützscheiben Rotorwellen an ihrem Umfang nach dem Stand der Technik mit ei ner Nickel-Siliciumkarbid-Dispersionsschicht belegt. Es ist somit wirtschaftlich äußerst vorteilhaft, im Zuge der ohnehin für die Zylinderfläche der Rotorwelle üblichen Dispersionsbe schichtung Siliciumnitrid Partikel in die Schicht einzulagern.

Die erfindungsgemäßen Rotorwellen werden vorzugsweise wie im Stand der Technik für die Herstellung der Nickel-Silicium karbid-Dispersionsschicht üblichen Verfahren hergestellt, wo bei jedoch statt eines SiC-Pulvers ein Siliciumnitrid Pulver eingesetzt wird.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Rotorwelle erfolgt dem nach vorzugsweise nach einem in der Galvanotechnik üblichen Verfahren, bevorzugt mittels der außenstromlosen Vernickelung.

Dazu geht man beispielsweise wie folgt vor:
In einem üblichen Vernickelungsbad sind Siliciumnitrid Parti kel in einer Größe bis zu 10 µm, bevorzugt unter 5 µm, insbe sondere im Korngrößenbereich 1 bis 4 µm dispergiert.

Eine Rotorwelle erfährt eine auf das Grundmaterial abgestimmte chemische Vorbehandlung. Die Vorbehandlung ist Voraussetzung für den Erhalt einer haftfesten Beschichtung. Sie ist im Stand der Technik bekannt und besteht üblicherweise aus bekannten Entfettungs-, Beiz- und Aktivierungsbehandlungen. Anschließend erfolgt die Beschichtung in einem sogenannten Chemisch-Nickel- Siliciumnitridbad (Bad zur außenstromlosen Nickel-Silicium nitrid-Abscheidung). Chemische Bäder zur Dispersionsbe schichtung sind im Stand der Technik bekannt. Durch eine ge eignete Bewegung von Rotorwelle und Elektrolyt wird eine gleichmäßige Einlagerung des Siliciumnitrids auf allen zu be schichtenden Flächen der Rotorwelle erreicht. Vorteilhafter weise wird dies Verfahren, wie im Stand der Technik üblich, gleichzeitig mit einer Vielzahl von Rotorwellen in einer Char ge durchgeführt. Die Dicke der abgeschiedenen Schicht richtet sich nach den Anforderungen der jeweiligen Offenend- Spinnvorrichtung. Die entsprechenden Verfahrensparameter sind im Stand der Technik bekannt.

Vorzugsweise wird im Anschluß an die Beschichtung die Binde phase aus chemisch Nickel thermisch ausgehärtet. Dies ge schieht vorzugsweise durch eine mindestens einstündige Wärme behandlung.

Die optimale Aushärtung erfordert vorzugsweise eine Temperatur von 250 bis 450°C, besonders bevorzugt von etwa 350°C.

Durch die thermische Aushärtung werden die Eigenschaften der Bindephase erheblich verbessert.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Er findung.

Beispiel 1 Herstellung erfindungsgemäßen Rotorwelle

Der stabförmige Rohkörper eines Rotorwelle die im allgemeinen aus niedrig legiertem Stahl, z. B. Wälzlagerstahl besteht, wur de, wie im Stand der Technik üblich, zumindest teilweise ge härtet und durch Schleifen auf die endgültige Form und Genau igkeit gebracht. Auf dieser üblichen Rotorwelle müssen die zum Montieren des Spinnrotors auf der Welle vorgesehene Paßfläche sowie je nach Maschinenkonzept allfällige andere Flächen von Beschichtung frei gehalten werden. Dazu werden entsprechende Abdeckungen aus einem nichtmetallischen Material über diese Flächen der Rotorwelle geschoben.

Um eine sichere Positionierung und gezielte Warenbewegung in den zum Aufbringen der Beschichtung notwendigen Behandlungsbä dern zu gewährleisten, werden die mit den Abdeckungen versehe nen Rotorwellen in Warenträger gesteckt, die eine gegenseitige Berührung der zu beschichtenden Flächen während der Behandlung verhindern.

Die bestückten Warenträger werden in das Transportsystem eines Galvanikautomaten eingehängt und den folgenden Behandlungs schritten unterzogen

- alkalische Heißentfettung bei 60°C über 20 Minuten 3 × Spülen mit Wasser
- saure Sparbeize bei Raumtemperatur 10 Minuten 3 × Spülen mit Wasser
- Aktivieren in 3 Säuregemisch bei Raumtemperatur 3 Minuten 3 × spülen mit Wasser
- Temperieren in vollentsalztem Wasser 75°C 5 Minuten
- Beschichten in einem Chemisch Nickel Bad, z. B. Shipley NL 65 mit dispergiertem Siliciumnitridpulver 1-4 µm Korngröße bei 85°C über 2 Stunden.
Ultraschall-Spülen in vollentsalztem Wasser

Die Zusammensetzung der genannten Bäder ist im Stand der Tech nik bekannt.

Nach dem Trocknen werden die beschichteten Rotorwellen aus dem Warenträger entnommen und die Abdeckungen wieder abgezogen. Es folgen die weiteren Bearbeitungsschritte:

- Wärmebehandeln für 2 Stunden bei 350°C
- Gleitschleifen in einem Rundvibrator mit Keramik-Chips über 2 Stunden
- Trocknen und mit dünnem Ölfilm konservieren, um ein Rosten der unbeschichteten Flächen zu verhindern.

Die so behandelten Rotorwellen weisen an allen Lagerflächen eine zu ca. 25% aus Siliciumnitrid bestehende Nickel- Dispersionsbeschichtete Oberfläche auf.

Beispiel 2 Vergleich erfindungsgemäßer mit Silicium nitrid/Nickel beschichteter Rotorwellen mit Rotorwellen, die gemäß Stand der Technik mit Siliciumcarbid/Nickel beschichtet sind.

Beim Offenend Spinnen wird von der Einheit Rotor-Rotorwelle eine Lebensdauer von mindestens 8000 Betriebsstunden verlangt. Um zu einer Beurteilung in vertretbarer Zeit zu gelangen, wur den die tribologischen Verhältnisse verschiedener Axiallage rungen simuliert und dabei bewußt Fluchtfehler hervorgerufen, um Materialübertrag zwischen Wellenoberfläche und Lagerwerk stoff zu provozieren.

Vor Versuchsbeginn wurde mittels Tastschnittgerät das Profil der im Lagerbereich liegenden Fläche der zu prüfenden Rotor wellen vermessen.

Die Rotorwellen wurden auf eine Drehzahl von 125000 min^-1 be schleunigt. Nach Erreichen eines ruhigen Laufzustands wurde mittels einstellbarem Fallgewicht ein definierter Schlag auf das Lagergehäuse ausgeübt, um eine Auslenkung und damit einen konstruktionswidrigen Kontakt im Lagerspalt zu erzeugen.

Nach dem Abbremsen wurden die Versuchswellen aus der Vorrich tung entnommen und zunächst optisch im Stereomikroskop bei 15facher Vergrößerung begutachtet. Stellen mit Kontaktspuren wurden wie vor Versuchsbeginn mittels Tastschnittgerät vermes sen, um Materialabtrag oder -übertrag quantifizieren zu kön nen. Als zulässiger Grenzwert wurde eine Profilabweichung von 0.1 µm Höhe oder Tiefe definiert.

Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle zusammengefaßt (Mittelwerte aus je 5 Versuchen)

Tabelle

Veränderung der Beschichtungsoberfläche von Rotorwel len bei Spontankontakt mit Gegenwerkstoff

Während die Beschichtung nach dem Stand der Technik mit Einla gerung eines Karbids (hier Siliciumkarbid) in 2 von 4 Fällen unzulässigen Materialübertrag verursachte, zeigte die Schicht mit einem Nitrid als Dispergat (hier Siliciumnitrid) in allen Fällen geringe bis gar keine Adhäsionseffekte.

Claims

1. Rotorwelle für einen Spinnrotor zum Offenend-Spinnen mit einer radialen und einer axialen Lagerfläche, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl die radiale als auch die axiale Lagerfläche eine oberflächliche Siliciumnitrid ent haltenden Dispersionsschicht besitzt.

2. Rotorwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumnitrid enthaltenden Dispersionsschicht vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.

3. Rotorwelle nach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Silici umnitrid enthaltenden Dispersionsschicht aus außenstromlos abgeschiedenem Nickel (chemisch Nickel) besteht.

4. Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Siliciumnitrid enthaltenden Dispersi onsschicht eine Stärke von 15 bis 30 µm hat.

5. Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dispersionsschicht eine Oberfläche hat, die zu 20 bis 30% aus Siliciumnitrid Partikeln be steht.

6. Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Siliciumnitrid Partikel eine Korngrö ße von 0,1 bis 10 µm haben

7. Rotorwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Siliciumnitrid Partikel gleichmäßig in der Dispersionsschicht verteilt sind.