DE19519468A1

DE19519468A1 - Gleitmaterial

Info

Publication number: DE19519468A1
Application number: DE19519468A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Takayama
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: JPH0841483A; DE19519468B4; JP3378404B2; KR100471662B1; KR950032008A; US5792717A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf keramische Gleitmateria lien, die herausragende Gleiteigenschaften besitzen, und zwar nicht nur in Wasser, sondern auch in gasförmiger Atmosphäre. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Gleitmaterialien, die erfolgreich verwendet werden in einer breiten Vielzahl von Pumpen, einschließlich ver tikalen Axialstrompumpen, vertikalen Mischstrompumpen, vertikalen Zentrifugalpumpen, horizontalen Axialstrom pumpen, horizontalen Mischstrompumpen und horizontalen Zentrifugalpumpen, und zwar als Konstruktionsmaterialien von Tauchlagern, die einer gasförmigen Atmosphäre beim Starten der Pumpe oder zum Ende ihres Betriebs hin ausge setzt sind, aber während Stetigzustandsbetriebs bzw. Dauerbetriebs in Wasser untergetaucht sind.

Materialien zur Verwendung in Gleitkontakt mit anderen Materialien müssen Gesamtgleiteigenschaften besitzen, die notwendig sind, um eine zufriedenstellende Gleitwirkung zu gewährleisten und die nicht nur eine Selbst schmierungseigenschaft und Abnutzungswiderstand umfassen, sondern auch dem zugehörigen bzw. zusammenpassenden Material keinen Schaden zufügen, eine geringe Wärmeerzeugung aufweisen und bruchfest sind. Lager, die bei Leistungsübertragungssystemen verwendet werden, sind ein typisches Beispiel von gleitenden Teilen, die beab sichtigt sind zur Verwendung unter Gleitbedingungen und daher diese allgemeinen Gleiteigenschaften besitzen müs sen. Insbesondere wird erwartet, daß Tauchlager in Pumpen, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Bewässerung und Entwässerung in der Landwirtschaft und Abpumpen von Regenwasser und Abwasser in Städten, eine viel höhere Korrosions- und Abnutzungsbeständigkeit besitzen, da die Gleitflächen unter derart ungünstigen Bedingungen verwendet werden, daß diese Lager fließenden Strömungsmitteln, gelegentlich korrodierenden Strömungsmitteln oder Aufschlämmungen ausgesetzt sind, die hartes Festmaterial enthalten.

Eine Klasse von Pumpen, die heute eine übliche Verwendung finden, sind Vertikalpumpen. Während Vertikalpumpen Axialstrom-, Mischstrom- und Zentrifugaltypen umfassen, haben sie das gemeinsame Merkmal, daß sie ein stationä res, wasserleitendes Teil und ein drehendes Teil aufwei sen. Das drehende Teil oder der Rotor beginnt sich zu drehen, wenn es bzw. er von einem Motor angetrieben wird, der nahe dem oberen Ende der Pumpe eingebaut ist, und die Lager, die oberhalb des Impellers positioniert sind, tra gen die radiale Last oder Belastung des Rotors mittels der Hülse, die über letzteren gepaßt ist. Einige dieser Lager sind oberhalb des äußeren Wasserniveaus angeordnet, während des Startens der Pumpe oder zum Ende ihres Be triebs hin und werden mit dem umgebenden Wasser nicht in Kontakt kommen. In anderen Worten sind gewisse Lager einer gasförmigen Atmosphäre beim Starten der Pumpe und zum Ende ihres Betriebs hin ausgesetzt (einem Betrieb unter trockenen Bedingungen), aber während eines Stetig zustandsbetriebs bzw. Dauerbetriebs in Wasser unterge taucht.

Wenn die Lager, die in Vertikalpumpen verwendet werden, im zu pumpenden Wasser untergetaucht sind, arbeitet das Wasser an sich als ein Schmiermittel und irgendwelche festen oder flüssigen Schmiermittel werden nicht benö tigt. Es ist jedoch wichtig zu gewährleisten, daß die Lager dauerhaft die beabsichtigte Gleitwirkung zeigen können, während sie einer Gasatmosphäre ausgesetzt sind während Betriebs unter trockenen Bedingungen.

Gleitmaterialien, die herkömmlicherweise in Tauchlagern verwendet wurden, umfassen Gummis (zum Beispiel NMR oder Nitrilbutadien-Gummi), Metalle (zum Beispiel Messing) und Harze (zum Beispiel Teflon). Gummis zeigen extrem kon sistente bzw. dauerhafte Gleiteigenschaften, wenn sie in Frischwasser oder unter Schmierung mit Wasser oder Ölen in Frischwasser verwendet werden. Jedoch ist das größte Problem bei Gummis, daß sie, wenn sie in einer gasför migen Atmosphäre und ohne Schmierung verwendet werden, intensive Wärme von den gleitenden Teilen erzeugen und in einer kurzen Zeit beschädigt werden, so daß sie nicht mehr als Gleitglieder wirksam sind. Daher werden beim Starten oder am Ende des Betriebs der Pumpen, die Gummi als Konstruktionsmaterial der Tauchlager verwenden, welche entweder im Wasser oder in gasförmiger Atmosphäre verwendet werden, Schmieröle an die Gummi-Gleitteile geliefert oder es wird Wasser zu den Gummigleitteilen eingespritzt von separat vorgesehenen Schmiermittelver sorgungseinheiten, um die Gleitteile zu schützen, die der gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt sind. Ein Problem dieses Ansatzes liegt darin, daß, wenn die Pumpe sehr groß ist mit einer Schaft- oder Wellenlänge, die sich über mehrere -zig Meter erstreckt, viele Lager verwendet werden müssen, und die Notwendigkeit, eine Schmiermit telversorgungseinheit für jedes Lager einzubauen, erhöht die Bau- oder Ausrüstungskosten beträchtlich.

Metalle, wie beispielsweise Messing, besitzen keine selbstschmierenden Eigenschaften und sind nicht in der Lage, unter trockenen Bedingungen einen Gleitvorgang auszuhalten.

Andererseits besitzen Harze gute Selbstschmierungseigen schaften und haben den Vorteil, daß sie in Anwendungen verwendet werden können, die ein Korrosionsproblem bei Metallen verursachen, wie beispielsweise in sauren oder basischen Umgebungen. Jedoch besitzen Harze einen schweren Fehler, indem sie bei Verwendung in Aufschläm mungen, die harte, feste Materie enthält, Abnutzung ausgesetzt sind unter der abradierenden bzw. abschleifen den Wirkung der Materie.

Keramiken besitzen allgemein eine große Härte und Kompressionsfestigkeit, sind gute elektrische Isolatoren und sind beständig gegenüber elektro-chemischer Korro sion. Wegen dieser Vorteile waren Keramiken Gegenstand intensiver Studien in den letzten Jahren, wie in JPA 87/27382 gelehrt wird. Andererseits besitzen Keramiken hohe Reibungskoeffizienten und schlechte Selbstschmie rungseigenschaften und um sie als Gleitmaterialien zu verwenden, werden sie mit hochgradig viskosen Ölen ge schmiert oder mit festen Schmiermitteln (zu einem Kom posit oder Verbund) zusammengesetzt. JPA 83/161982 hat vorgeschlagen, Fluorpolymere mit Keramiken zu verbinden; JPA 82/118080 hat vorgeschlagen, poröse Keramikkörper mit Tetrafluorethylen- oder Chlortrifluorethylenharzen oder Mischungen daraus mit Molybdän-II-Sulfid, Wolfram-II- Sulfid, Molybdänselenid oder Wolframselenid zu impräg nieren; und JPA 86/281086 hat Gleitmaterialien vorge schlagen, wobei Öle von Fluorverbindungen, wie beispiels weise Fluorethylen und Fluorsilikon, in offene Poren von porösen Keramikkörpern imprägniert bzw. eindringen ge lassen wurden. Diese Vorschläge werden sich jedoch in dem Fall nicht als sehr wirksam erweisen, in dem ein Starten und Abschalten einer Pumpe zyklisch wiederholt wird, weil die imprägnierten Harze oder Öle sich von den Keramiken lösen oder trennen, und die anfänglichen Gleit eigenschaften der letzteren können für eine längere Zeit periode nicht beibehalten werden. Daher wird erwartet, daß Lager, die poröse Keramikkörper aufweisen, welche mit Harzen oder Ölen imprägniert sind, während Gleitens unter trockenen Bedingungen nicht zufriedenstellend arbeiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, Lager vorzusehen zur Verwendung mit Pumpen, die eine derart gute Selbstschmie rungseigenschaft besitzen, daß sie die Notwendigkeit eliminieren, getrennte Schmiermittelversorgungseinheiten einzubauen, die bisher verwendet wurden, um Schmiermit telöle an keramische Gleitteile zu liefern oder Wasser in keramische Gleitteile einzuspritzen, um sie zu schützen, wenn sie einer gasförmigen Atmosphäre beim Starten einer Pumpe oder zum Ende ihres Betriebs hin ausgesetzt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, keramische Gleit materialien vorzusehen, die eine konsistente bzw. dauer hafte Gleiteigenschaft besitzen, und zwar nicht nur in Frischwasser, sondern auch in anderen Strömungsmitteln bzw. Flüssigkeiten, wie beispielsweise Seewasser und Flußwasser, das Sand und andere harte, feste Materie enthält, und die zufriedenstellend arbeiten, selbst wenn sie einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt werden.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, keramische Gleitmaterialien vorzusehen, die erfolgreich als Kon struktionsmaterialien von Tauchlagern verschiedenen Arten von Pumpen verwendet werden können, welche zum Behandeln nicht nur von Frischwasser, sondern auch von Aufschläm mungen oder anderen Strömungsmitteln beabsichtigt sind, und zwar einschließlich der vertikalen Axialstrompumpen, vertikalen Mischstrompumpen, vertikalen Zentrifugal pumpen, horizontalen Axialstrompumpen, horizontalen Mischstrompumpen und horizontalen Zentrifugalpumpen.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, dauerhafte Tauchlager vorzusehen, die in Pumpen eingebaut werden können, die zum Handhaben von Strömungsmitteln oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Seewasser und Fluß wasser bestimmt sind, das harte, feste Materie enthält.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Studien durchgeführt, um die Ziele der Erfindung zu er reichen, und haben herausgefunden, daß poröse Keramikkör per, die mit einem stark wasserabsorbierenden Harz in offenen Poren gefüllt waren, die inhärent gewünschten Eigenschaften des Keramikmaterals beibehielten, wie beispielsweise hohe Abnutzungs- und Korrosions beständigkeit, wobei diese Eigenschaften kombiniert wurden mit der Fähigkeit des stark wasserabsorbierenden Harzes, große Mengen von Wasser zu absorbieren und zu halten, wodurch gewährleistet wird, daß die Keramikkörper eine herausragende Selbstschmierungseigenschaft zeigen würden, selbst wenn sie gasförmigen Atmosphären ausgesetzt werden.

Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt auf ein keramisches Gleitmaterial, dessen offene Poren in einem porösen Keramikkörper mit einem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind. Vorzugsweise ist das Volumen von den offenen Poren von ungefähr 5 bis ungefähr 15%.

Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Tauchlager zur Verwendung sowohl in flüssigen als auch in gasförmigen Atmosphären, dadurch gekennzeichnet, daß Glieder des drehenden Teils des Lagers aus einer zementierten harten Legierung hergestellt sind, wogegen Glieder des stationären Teils aus einem porösen Keramik körper hergestellt sind, dessen offene Poren mit einem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind. Vorzugs weise ist das Volumen der offenen Poren in dem porösen Keramikkörper zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15%.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur des Gleitmaterials der Erfindung;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer vertikalen Axialstrompumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Lager ausgestattet ist;

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Seite des Lagerteils von Fig. 2 in Vergrößerung zeigt;

Fig. 4 zeigt schematisch den Gleittester, der in Beispiel 1 verwendet wird;

Fig. 5 zeigt die Vertiefung, die gebildet wurde beim Berechnen des Belastungsintensitätsfaktors; und

Fig. 6 ist ein Graph oder ein Diagramm, das die empirisch gemessene Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren in zwei porösen Keramikkörpern und ihren Belastungsintensitätsfaktoren zeigt.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird nun in Einzelheiten beschrieben.

Keramikpulver werden bei der Erfindung als Ausgangs material für die porösen Keramikkörper verwendet, und die Keramiken besitzen vorzugsweise die höchstmögliche Härte, um einen zufriedenstellenden Abnutzungswiderstand zu ge währleisten. Während es verschiedene Arten von Keramikma terialien gibt, einschließlich derer, die auf Metallen basieren, müssen sie gewisse Eigenschaften besitzen, um als Gleitmaterialien verwendet zu werden, und unter diesen Erfordernissen sind große Härte, hoher Widerstand bezüglich Benutzung und Festfressen, ausreichend niedrige Reibungskoeffizienten, um die zugehörigen bzw. zusammen passenden Glieder nur wenig abzunutzen, hohe Festigkeit und hohe thermische Schlagfestigkeit, hohe Wärmeleitfä higkeit und ausreichend kleine spezifische Gewichte, um die Zentrifugalbelastung zu vermindern. Bevorzugte Bei spiele von Keramikmaterialien, die diese Erfordernisse erfüllen, sind beispielsweise Siliciumcarbid, Silicium nitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titancarbid, Titan nitrid, Bornitrid. Borcarbid und Mischungen von zwei oder mehr dieser Verbindungen, sind aber nicht darauf be schränkt. Weiter bevorzugte Beispiele sind Silicium carbid, Siliciumnitrid, Bornitrid, Borcarbid und Mi schungen aus zwei oder mehr dieser Verbindungen. Wenn die Partikelgröße der Keramikpulver ansteigt, nimmt die me chanische Festigkeit der gesinterten Körper ab; um die Verwendung als Gleitmaterialien zu gewährleisten, wird daher bevorzugt, Keramikpulver mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von nicht mehr als 10 µm zu verwen den.

Die Keramikpulver werden durch herkömmliche Techniken geformt, wie beispielsweise Spritzguß, Schlickerguß, Ex trudieren, Heißwalzen und HIP, und werden dann gesintert, um Keramikkörper zu erzeugen. Wahlweise können Sinter hilfen, Bindemittel und andere Zusatzstoffe oder Additive in angemessenen Mengen zugefügt werden. Das Sintern kann auch durchgeführt werden durch herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Reaktionssintern, normales Sintern und Drucksintern. Um poröse Keramikkörper herzustellen, die offene Poren besitzen, in die stark wasserabsorbierende Harze zu einem späteren Zeitpunkt imprägniert werden bzw. eindringen können, sollte die Feinheit und Partikelgröße der Keramikpulver sowie die Menge der Binderzugabe im Verhältnis zu den Keramikpulvern, sowie die Sintertemperatur angepaßt bzw. eingestellt werden. Ein weiteres wirksames Verfahren ist es, Keramikpulver in Schäume, wie beispielsweise Urethanschäume, zu impräg nieren bzw. eindringen zu lassen und dann die Anordnung zu sintern.

Wenn das Volumen der offenen Poren in den porösen Kera mikkörpern übermäßig hoch ist, werden die Gleitmate rialien, die durch Füllen der Poren mit stark wasser absorbierenden Harzen konstruiert werden, eine unprak tisch niedrige mechanische Festigkeit besitzen. Um dieses Problem zu vermeiden, sollte das Volumen der offenen Poren in den Keramikkörpern vorzugsweise ungefähr 30% nicht überschreiten. Wenn das Volumen der offenen Poren andererseits niedriger als ungefähr 5% ist, wird das Laden oder Eindringen der stark wasserabsorbierenden Harze in die offenen Poren abnehmen, was es der Oberflä che der Keramikkörper erschwert, die beabsichtigte Schmierung vollständig zu erreichen durch die Kombination der Wasser- oder Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit der stark wasserabsorbierenden Harze und ihrer Wasserhaltefä higkeit. Um dieses Problem zu vermeiden, sollte das Volu men der offenen Poren der Keramikkörper vorzugsweise nicht geringer als ungefähr 5% sein.

Wenn die Tauchlager in Pumpen, welche beabsichtigt sind für die Handhabung von Aufschlämmungen, wie beispiels weise Flußwasser, das harten Sand enthält, aus dem harz imprägnierten Gleitmaterial gemäß der Erfindung zusammen gesetzt bzw. aufgebaut sind, ist das Volumen der offenen Poren in den Keramikkörpern vorzugsweise im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 15%. Aus den Daten von Beispiel 2, welches später in dieser Beschreibung beschrieben wird, ist ersichtlich, daß ein hoher Belastungsintensi tätsfaktor und daher eine hohe Zähigkeit gewährleistet ist, wenn das Volumen der offenen Poren innerhalb des genannten Bereichs liegt.

Die so hergestellten, porösen Keramikkörper werden nachfolgend mit stark wasserabsorbierenden Harzen gefüllt. Es wird angenommen, daß stark wasserabsor bierende Harze ihre Wasserabsorptionswirkung durch die Wechselwirkung von zwei Effekten zeigen, wobei einer das Ausbreiten von Molekularketten in Polymerelektrolyten auf Grund des Abstoßens von Carboxyl-Ionen innerhalb des Wassers ist und wobei der andere die Einschränkung sol cher Ausbreitung durch Vernetzungspunkte ist. Stark wasserabsorbierende Harze, die üblicherweise als "Super- Absorptionsmittel" ("super-absorbents") bezeichnet wer den, sind im allgemeinen in der Lage, Wasser in einer Menge von mindestens 100mal ihrem Eigengewicht zu absor bieren. Bei Berücksichtigung der Tatsache, daß Harze, die sich auf Kapillarwirkung verlassen für eine intersti tielle Wasserabsorption, nicht mehr ungefähr 20- bis 30mal ihr Eigengewicht an Wasser absorbieren können, ist leicht ersichtlich, daß stark wasserabsorbierende Harze eine überraschend große Fähigkeit der Wasserabsorption besitzen.

Stark wasserabsorbierende Harze "Atmen" auch durch Absor bieren von Feuchtigkeit unter feuchten Bedingungen und durch Freigeben von Feuchtigkeit unter trockenen Bedin gungen. Ein weiteres Merkmal der stark wasserabsor bierenden Harze ist ihre Fähigkeit, Wasser unter Druck zurückzuhalten; sobald es von den Harzen absorbiert ist, wird der größere Teil des Wassers zurückgehalten, selbst wenn Druck auf die Harze ausgeübt wird.

Die stark wasserabsorbierenden Harze können anhand des Ausgangsmaterials klassifiziert werden in Stärken (Graft- oder Pfropfpolymere und carboxymethylierte Stärken), Zellulosen (Graftpolymere und Carboxymethylzellulose (CMC)), synthetische Polymere (Polyacrylate, Polyvinyl alkohole, Polyacrylamide und Polyethylenoxide (PEO) etc.). Während die stark wasserabsorbierenden Harze typischerweise als weiße amorphe Pulverprodukte verkauft werden, sind sie auch in anderen Formen verfügbar, wie beispielsweise kugelförmige Körner (Perlen), Körnchen bzw. Granulat, kurze Fasern, lange Fasern, nicht-verwebte Stoffe bzw. Textilien und Filme.

Diese stark wasserabsorbierenden Harze werden Wasser absorbieren in dem Moment, in dem sie Wasser ausgesetzt werden. CMC und Poval sind in der Lage, zwischen ungefähr 100 und ungefähr 400 g Wasser pro Gramm zu absorbieren und Poly(natriumacrylat)- und Stärke/Acrylsäure-Systeme werden bis zu 1000 g Wasser pro Gramm absorbieren.

Im Handel erhältliche, stark wasserabsorbierende Harze umfassen die Pulver von vernetzten Polyacrylaten, das Pulver von Isobutyren/Maleat-System, das Pulver von Stärke/Polyacrylat-System, das Pulver von PVA/Poly acrylsäure-System, hydrolysierte Acrylfasern, das Pulver von vernetztem PVA und die Fasern von vernetztem CMC.

Eine Vielzahl von neuen Verwendungen für stark wasserabsorbierende Harze wurde in letzter Zeit vorgeschlagen, und zwar einschließlich Anwendungen als Sanitärprodukte (zum Beispiel Papier-Windeln und Lätzchen), als Gartenbauprodukte, wie beispielsweise als Bodenwasserhalteeinrichtungen und Saatüberzugsmittel, als Bau- und Konstruktionsmaterialien, wie beispielsweise Dichtmittel und Kondensationsverhinderungsmittel, in der Lebensmittelindustrie als Frischhalte-Verpackungs materialien und Kälteisolatoren, als medizinische Einrichtungen, wie beispielsweise Kontaktlinsen und thrombolytische Materialien, und als elektrische oder elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Feuchtigkeitssensoren und medizinische Elektroden. Jedoch gab es keine Berichte, die vorschlagen, Gleitmaterialien mit stark wasserabsorbierenden Harzen zu verbinden bzw. zusammenzusetzen.

Das Gleitmaterial gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch Füllen der offenen Poren in dem porösen Keramik körper mit stark wasserabsorbierenden Harz. Wenn der harzimprägnierte Keramikkörper als gleitendes Teil von Lagern in einer Vertikalpumpe verwendet wird, gibt es keinen Bedarf zum Einspritzen von Wasser vor dem Starten der Pumpe zum Drehen der Drehwelle und doch absorbiert das Harz in dem Keramikkörper den Wasserdampf in der umgebenden feuchten Luft und hält diesen zurück, um dadurch eine zufriedenstellende Leistung oder Eigenschaft des gleitenden Teils zu gewährleisten. Beim Abschalten der Pumpe und einem weiteren Start ist auch kein Bedarf für eine zusätzliche Wasserversorgung vorhanden und das Wasser, das nicht nur auf der Oberfläche des Harzes, sondern auch in seinem Inneren zurückgehalten wurde, wird gestatten, daß das gleitende Teil eine gleichbleibende Leistung zeigt.

Während verschiedene Arten von stark wasserabsorbierenden Harzen beim Zusammensetzen der Keramikgleitmaterialien verwendet werden können, die benötigt werden, um eine konsistente oder dauerhafte Leistung nicht nur in Flüs sigkeiten, sondern auch in Gasen, typischerweise einer Luftatmosphäre zu zeigen, wie es bei Vertikalpumpen häu fig der Fall ist, werden synthetische Polymere bevorzugt und die am meisten bevorzugten synthetischen Polymere sind Polyacrylate und Polyethylenoxide. Wenn diese Harze in poröse Keramikkörper eingebracht bzw. geladen oder eindringen gelassen werden, gewährleistet ihre große Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit, daß Wasserdampf und Taukondensation in der Luftatmosphäre wirksam auf den Harzen adsorbiert wird. Zusätzlich besitzen diese Harze eine ausgeprägte Fähigkeit, Wasser unter Druck zurück zuhalten und daher können Keramikmaterialien, die mit diesen Harzen gefüllt sind, erfolgreich verwendet werden zum Konstruieren von Tauchlagern in Vertikalpumpen.

Die stark wasserabsorbierenden Harze, die vorteilhafter weise als Imprägniermittel in porösen Keramikkörpern verwendet werden, sind insbesondere beispielhaft ange geben durch die Produkte, die von The Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd., unter dem eingetragenen Markennamen "AQUARESERVE AP" verkauft werden. Sie sind leicht vernetzte Copolymere von Acrylsäure und Natrium acrylat und sind in verschiedenen Graden oder Klassen verfügbar einschließlich AP-100 (durchschnittliche Par tikelgröße 300-450 µm), AP-200 (300-450 µm), AP-300 (300- 450 µm) AP-150A (200-300 µm), AP-300A (200-300 µm), AP- 100E (200-300 µm) und AP-200E (200-300 µm). Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel ist eine Gruppe von Produkten, die von Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. unter dem eingetragenen Warenzeichen "AQUAKEEP" verkauft werden. Diese sind vernetzte Polyacrylate und in verschiedenen Graden oder Klassen verfügbar einschließlich 4S (durchschnittliche Partikelgröße 20-30 µm), 10SH-NF (20- 30 µm), 10SH-P (150-300 µm), 10SH (150-300 µm), 10SH- T(50) (300-500 µm), 10SH-T(60) (300-500 µm), 10SH-TS(50) (300-500 µm), 10SH-TS(65) (300-500 µm), EP (100-300 µm), ET (50-250 µm), SA50 (350-450 µm), SA60 (350-450 µm), SA50S (350-450 µm), SA60S (350-450 µm) und SA60N (250-350 µm), die alle weiße Pulver sind.

Wenn die offenen Poren in den porösen Keramikkörpern mit stark absorbierenden Harzen gefüllt werden, wird bevorzugt, eine große Überdeckung durch die Harze bzw. ein möglichst vollständiges Eindringen zu gewährleisten. Dazu kann eines der folgenden zwei Verfahren verwendet werden:

i) die Harzpartikel werden einem Lösungsmittel disper giert bzw. verteilt, um eine Suspension zuzubereiten, die in die offenen Poren in dem Keramikkörper unter Druck eingeführt bzw. imprägniert wird; oder
ii) der poröse Keramikkörper wird in das Harz eingetaucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert hat, und es wird ein Vakuum gezogen, um das Harz in die offenen Poren in dem Keramikkörper eindringen zu lassen oder zu imprägnieren. Nach dem Imprägnierungsschritt wird der Keramikkörper auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, um das Lösungsmittel oder das Wasser durch Verdampfung zu entfernen. Die Im prägnierung und der Erwärmungsprozeß können entweder einmal oder eine Vielzahl von Malen durchgeführt werden.

Das Gleitmaterial der Erfindung besitzt eine mikrosko pische Struktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Sie weist ein poröses Keramikmaterial 1 auf, das offene Poren oder Leerstellen 2 besitzt, die mit einem stark wasserab sorbierenden Harz 3 gefüllt sind.

Da sie gute elektrische Isolatoren sind, besitzen Kera miken einen hohen Widerstand gegen elektro-chemische Kor rosion, die durch das Erzeugen von örtlichen oder lokalen Zellen oder einem Kontakt mit unähnlichen Materialien erzeugt wird. Daher werden Lager, die das keramische Gleitmaterial gemäß der Erfindung sowohl in den drehenden als auch in den stationären Gliedern verwenden, eine konsistente bzw. dauerhafte Gleiteigenschaft zeigen, selbst wenn sie in korrosiven Strömungsmitteln bzw. Flüssigkeiten plaziert werden. Um ein leichtes Ersetzen der Lagerglieder bei der Verwendung in Pumpen zu gewähr leisten, welche laufendes Wasser handhaben, das sehr harte, feste Materie enthält, wie beispielsweise Sand enthaltendes Flußwasser, wird bevorzugt, die stationären Glieder aus dem keramischen Gleitmaterial der Erfindung zusammenzustellen bzw. aufzubauen, wogegen die Drehglie der aus einer zementierten harten Legierung aufgebaut sind.

Zementierte harte Legierungen sind solche Materialien, die Bindemetalle (zum Beispiel Fe, Ni, Co, Ti, Cr und Mo) besitzen, die in die Pulver von Carbiden, Nitriden, Bori den und Siliciden der Elemente der Gruppen IV, V und VI des Periodensystems, wie beispielsweise Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Th, aufgenommen bzw. inkorporiert sind. Bevorzugte Beispiele sind solche, die Wolframcarbi de (WC und W₂C), vorzugsweise in Mengen von ungefähr 40- 95 Gew.-% enthalten. Bevorzugte Bindemittel sind Ni, Co und Ti.

Zementierte harte Legierungen werden allgemein in Formen verarbeitet durch Sintern von Mischungen der oben ange gebenen Pulver bei erhöhten Temperaturen. Jedoch brauchen nicht alle drehenden Glieder aus zementierten harten Le gierungen aufgebaut sein und statt dessen können Glieder aus rostfreiem Stahl oder einem anderen Metall mit einer Schicht aus zementierter harter Legierung überzogen wer den, die in einer Dicke von 1-2 mm abgelagert wird durch Pulverplasmatransferbogenschweißen (PTA), um dadurch die Drehglieder herzustellen.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer vertikalen Axialstrompumpe, die mit dem Lager der Erfindung aus gestattet ist. Bezugszeichen 1 bezieht sich auf das Außenseitenwasserniveau, unterhalb von dem ein Laufrad oder Impeller 102 angeordnet ist. Wenn ein Antriebsmotor 103 zu laufen beginnt, wird seine Drehung über eine Wellenkupplung 104, Wellen 105A und 105B und eine da zwischenliegende Wellen- bzw. Zwischen-Wellenkupplung 106 übertragen, um das Laufrad bzw. den Impeller 102 anzu treiben. Das zu pumpende Strömungsmittel wird durch eine Saugglocke 107 eingezogen, durch eine Ablaßschüssel 108 und aufgehängte Gehäuse 109 und 110 geleitet, um durch einen Auslaßkrümmer 111 abgelassen zu werden. Ein oberes Tauchlager 112 ist durch eine Wellenabstützung 114 getra gen, wogegen ein unteres Tauchlager 113 von einer Rippe 115 getragen wird.

Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Seite des in Fig. 2 gezeigten Lagerteils in Vergrößerung zeigt. Die Welle 105B ist kombiniert mit einer Hülse 116 aus zementierter harter Legierung, wobei die Hülse an seinem Umfang mittels (nicht gezeigter) Befestigungsschrauben fest angebracht ist. Das Lager 112 ist an einem Gehäuse 114 durch Schrumpfpassung gesichert oder befestigt und an der Wellenabstützung 114 befestigt. Ein Sichern oder Be festigen des Lagers 112 auf dem Gehäuse 117 durch Schrumpfpassen bietet den Vorteil, daß gewährleistet wird, daß die Starrheit des Keramikkörpers unter Last ausreichend erhöht wird, um ihn gegen Versagen auf Grund von Deformation zu schützen.

Der Lagerring braucht kein massives zylindrisches Glied zu sein, sondern kann aus zwei oder mehreren zylindri schen Segmenten bestehen, die aus dem Gleitmaterial der Erfindung bestehen und die an dem Gehäuse befestigt sind, wie in JPA 85/30822 gelehrt wird. Da diese Konstruktion einen vergleichsweisen breiten Zwischenraum auf der la teralen Seite jedes Segments vorsieht, wird jegliches Fremdmaterial in dem Strömungsmittel, das gepumpt wird, axial durch diese Zwischenräume strömen, um dadurch eine noch konsistentere oder dauerhaftere Gleiteigenschaft zu gewährleisten, wenn Aufschlämmungen gepumpt werden, die harte, feste Materie enthalten.

Somit weist das Keramikgleitmaterial der Erfindung einen Keramikkörper auf, dessen offene Poren mit dem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind, das Feuchtigkeit, wie beispielsweise Wasserdampf und Taukondensation, absorbiert, wenn es in einer Luftatmosphäre ist, oder Wasser absorbiert, wenn es in Wasser eingetaucht ist. Da die absorbierte Feuchtigkeit oder das absorbierte Wasser selbst unter Druck zurückgehalten wird, bleibt die Gleit oberfläche naß oder geschmiert, und zwar unabhängig davon, ob sie einer Luftatmosphäre oder Wasser ausgesetzt ist.

Zusätzlich ist das Gleitmaterial der Erfindung höchst dauerhaft und geeignet zur Verwendung beim Pumpen von Aufschlämmungen, die harte, feste Materie enthalten, da die Oberflächenschicht durch das harte, feste Material nicht zerkratzt wird.

Verschiedene Beispiele der Erfindung werden beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Die folgenden Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht und sollten keinesfalls als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden.

Beispiel 1

Vier verschiedene Proben wurden zubereitet und gemessen hinsichtlich ihrer Reibungskoeffizienten, und zwar auf die folgende Weise.

Zubereitung der Proben

Die Proben 1 und 2 waren innerhalb des Bereichs der Er findung, wohingegen die Proben 3 und 4 außerhalb des Bereichs der Erfindung waren.

Probe 1

Ein Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von 10 µm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der offenen Poren in dem Sinterteil war 10%. Das Sinter teil wurde dann in AQUAKEEP (Polyacrylat) eingetaucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert war; ein Vakuum wurde gezogen und eine Erwärmung durchgeführt, wodurch die offenen Poren in dem Sinterstück mit dem Harz gefüllt wurden. Die so zubereitete Probe wurde wie ein Lagerring geformt, der einen Innendurchmesser von 75 mm und eine Breite von 40 mm besaß.

Probe 2

Ein Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von 10 µm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der offenen Poren in dem Sinterstück war 10%. Das Sin terstück wurde dann in AQUAKEEP (Polyacrylat) einge taucht, das nach Absorbieren von Wasser geliert war, ein Vakuum wurde gezogen und eine Erwärmung durchgeführt, wodurch die offenen Poren in dem Sinterstück mit dem Harz gefüllt wurden. Die so zubereitete Probe besaß die glei che Form und die gleichen Abmessungen wie die Probe 1.

Probe 3

Ein Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von 1 µm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der Poren in dem Sinterstück war 0,5%, aber es hatte keine offenen Poren. Die so zubereitete Probe besaß die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die Probe 1.

Probe 4

Ein Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von 1 µm wurde durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre gesintert. Das Volumen der Poren in dem Sinterstück war 0,5%, aber es hatte keine offenen Poren. Die so zubereitete Probe besaß die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die Probe 1.

Gleittests

Die Lagerproben 1-4 wurden Gleittests ausgesetzt zur Auswertung ihrer Eigenschaften beim Gleitkontakt mit einer Wellenhülse, die aus einer zementierten harten Legierung hergestellt war, welche aus 92% WC und 8% Co bestand.

(1) Gleitest 1

Die Wellenhülse wurde in Gleitkontakt mit jeder Lager probe gehalten, wie in Fig. 4 gezeigt ist. An der Welle 121 waren eine SUS 304-Hülse 122A und eine Hülse 122B aus zementierter harter Legierung fest mittels (nicht gezeig ter) Befestigungsschrauben angebracht. Das Lager 123 war an dem Gehäuse 124 durch Schrumpfpassung befestigt und auch an der Wellenunterstützung 125 befestigt. Eine Ge wichtsplatte 126 war derart angebracht, daß eine Unwucht oder Unausgeglichenheit erzeugt wurde, um eine radiale Last anzulegen. Ein (nicht gezeigter) Motor wurde be trieben, um die Welle 121 zu drehen. Die Welle wurde mit drei unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten für 30 Minuten gedreht, und zwar bei 4,0 m/sec, 6,0 m/sec und 7,5 m/sec. Der Test wurde durchgeführt, während das gleitende Teil nur einer Luftatmosphäre ausgesetzt war (für die Proben 1 und 2) oder sowohl in frischem Wasser eingetaucht war als auch einer Luftatmosphäre ausgesetzt war (für die Proben 3 und 4).

Die auf das Lager ausgeübte Last besteht aus der Zentri fugalkraft auf Grund des unausgeglichenen Gewichts des Laufrads, der Zentrifugalkraft auf Grund einer Schwing- oder Wackelbewegung (wobbling) des Rotors und der sich nicht im Gleichgewicht befindlichen hydrodynamischen Kraft des Impellers. Die zwei Zentrifugalkomponenten können berechnet werden, jedoch nicht die dritte Kompo nente. Daher wurde die axiale Schwingungswellenform signifikant reduziert, so daß die sich nicht im Gleich gewicht befindliche hydrodynamische Kraft des Laufrads vernachlässigbar klein würde, verglichen mit den Zentri fugalkräften, und die Summe der zwei Zentrifugalkräfte, eine auf Grund des unausgeglichenen Gewichts des Laufrads und die andere auf Grund des Wackelns oder Schwingens des Rotors, wurde als Lagerlast oder -belastung behandelt. Der Druck auf die Lagerfläche war 170 MPa bei einer Belastung bei maximaler Frequenz (maximale Hertz- Belastung).

Nach dem Ende der Wellendrehung wurden Reibungskoeffi zientmessungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Wenn sie im praktischen Bereich von Umfangsgeschwindig keiten (4,0-7,5 m/s) getestet wurden, waren die Reibungs koeffizienten (µ) der Lager der Proben 1 und 2, obwohl sie der Luftatmosphäre ausgesetzt waren, auf Niveaus abgesenkt, die vergleichbar waren mit denen, die erreicht wurden, wenn die Proben 3 und 4 in Wasser eingetaucht waren. Andererseits zeigten die Proben 3 und 4 sehr hohe Reibungskoeffizienten, wenn sie einer Luftatmosphäre ausgesetzt waren. Diese Daten zeigen, daß die keramischen Gleitmaterialien gemäß der Erfindung in zu friedenstellender Weise in einer Luftatmosphäre arbeiten, selbst wenn sie nicht mit einem Schmiermittel versorgt werden, und ihre Schmierungseigenschaft ist vergleichbar zu der, die in Wasser erreicht wird.

(2) Gleittest 2

Ein weiterer Gleittest wurde durchgeführt innerhalb einer Wasseraufschlämmung, die eine Mischung aus Ton und Schluff von 1 : 1 enthielt. Die Tonpartikel besaßen eine durchschnittliche Größe von 30 µm und die Schluffpartikel besaßen eine durchschnittliche Größe von 15 mm. Die Konzentration dieser Partikel war 60 mg/l. Die anderen Bedingungen des Gleittests waren die gleichen wie im Test 1 mit der Ausnahme, daß die Umfangsgeschwindigkeit auf 5,05 m/s eingestellt war und die Testvorrichtung für 200 h betrieben wurde. Die Welle wurde mit 1485 U/min gedreht und der Druck auf die Gleitoberfläche war 170 MPa bei Belastung mit maximaler Frequenz bzw. Drehzahl (maximale Hertzbelastung).

Die Gleitoberflächen der Proben 1 und 2 zeigten eine sehr konsistente oder gleichförmige Eigenschaft bzw. Leistung und kein Teil wurde eingekerbt oder sonst beschädigt durch die Ton- oder Schluffpartikel in der Aufschlämmung. Daher ist klar, daß die keramischen Gleitmaterialien der Erfindung auch eine herausragende Zähigkeit besitzen.

Beispiel 2

Die zwei Probengruppen wurden zubereitet und gemessen hinsichtlich ihres Belastungsintensitätsfaktors in der folgenden Weise.

Probenzubereitung Probengruppe 1

Siliciumcarbidkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 µm wurden durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre unter variierenden Bedingungen gesintert, um verschiedene Werte für das Volumen der of fenen Poren zu ergeben. Die so zubereiteten Proben besa ßen die Maße 50×50×5 mm.

Probengruppe 2

Siliciumnitridkeramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 10 µm wurden durch Extrudieren geformt und in einer Ar-Atmosphäre unter variierenden Bedingungen gesintert, um verschiedene Werte für das Volumen der of fenen Poren zu ergeben. Die so zubereiteten Proben besa ßen die Maße 50×50×5 mm.

Belastungsintensitätsfaktormessungen

Die Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren (in %) und dem Belastungsintensitätsfaktor K_IC (in MPam^-1/2) wurde berechnet für jede Probengruppe auf der Basis von empirischen Daten.

Der Belastungsintensitätsfaktor K_IC wurde berechnet mit der Formel (I) oder (II) abhängig von den Profilen der Brüche oder Risse. Die Formel (I) ist:

(K_ICΦ/Ha^1/2) (H/EΦ)^0,4 = 0,129 (c/a)^-1/2

wobei:
Φ = 0,3 (konstant);
H = Vickers-Härte = P/2a²;
P = Last für Vickers-Härtemessung:
E = Elastizitätsmodul = 300 GPa (für Si₃N₄) oder 400 GPa (für SiC);
a = die Hälfte der Diagonallänge der Eindrückung bzw. Vertiefung;
c = die Hälfte der Länge des Oberflächenbruchs oder -risses.

Für ein richtiges Verständnis der Beziehung zwischen a und c ist Fig. 5(I) zu Rate zu ziehen.

Die Formel (II) ist:

(K_ICΦ/Ha^1/2) (H/EΦ)^0,4 = 0,035 (l/a)^-1/2

wobei:
Φ = 0,3 (konstant);
H = Vickers-Härte = P/2a²;
P = Last für Vickers-Härtemessung:
E = Elastizitätsmodul = 300 GPa (für Si₃N₄) oder 400 GPa (für SiC);
a = die Hälfte der Diagonallänge der Eindrückung bzw. Vertiefung;
l = die Länge des Oberflächenbruchs oder -risses.

Für ein richtiges Verständnis der Beziehung zwischen a und l ist Fig. 5(II) zu Rate zu ziehen.

Fig. 6 ist ein Graph, der die empirische Beziehung zwischen dem Volumen der offenen Poren und dem Be lastungsintensitätsfaktor für jeden Keramiktyp zeigt. Offensichtlich nahm der Belastungsintensitätsfaktor kaum ab, bevor das Volumen der offenen Poren ungefähr 15% überschritt. Es ist bekannt, daß der Belastungsintensi tätsfaktor gut mit der Abnutzungsgröße bzw. dem Abnut zungsgrad korreliert, die bzw. der mit dem ansteigenden Belastungsintensitätsfaktor abnimmt, wie in "Friction and Wear of Hot Pressed Silicon Nitride and Other Ceramic", Transaction of ASME, Journal of Tribology, Band 108, Oktober 1986, berichtet wird. Daher würden poröse Kera mikkörper mit offenen Poren innerhalb des Volumenbereichs von ungefähr 5 bis ungefähr 15% Gleiteigenschaften zei gen, die vergleichbar sind mit denjenigen von festen Ke ramikkörpern oder sogar besser sind, selbst wenn die Lager aus solchen porösen Keramikkörpern bei Aufschläm mungen eingesetzt würden, die harte feste Materie enthal ten. Besonders gute Gleiteigenschaften werden erreicht mit Siliciumnitrid (Si₃N₄).

Eine erhöhte Porosität bedeutet auch das verstärkte Auftreten von Rissen oder Brüchen und daher besitzen im allgemeinen harte und brüchige bzw. spröde Materialien, wie beispielsweise Keramiken, ein erhöhtes Risiko des Auftretens von Schäden, wenn ihre Porosität ansteigt. Beim Beispiel 2 wurde jedoch das Volumen der offenen Poren so eingestellt, daß es innerhalb des genannten geeigneten Bereichs liegt, und es wird angenommen, daß dies zu der wesentlichen Verminderung, und nicht einem Anstieg, der brüchigen bzw. spröden Natur der Keramikma terialien beigetragen hat.

Zusammenfassung verwendet das Keramikgleitmaterial der Erfindung in effektiver Weise das Wasser, das von dem stark wasserabsorbierenden Harz absorbiert wird, so daß die Gleitfläche naß bzw. feucht gehalten wird, um einen niedrigeren Reibungskoeffizienten zu besitzen, und Lager, die aus diesem Gleitmaterial gebildet werden, werden ein beständiges Verhalten haben bei einem Pumpenstart ohne eine Versorgung mit schmierendem Wasser. Daher gibt es keinen Bedarf, zusätzliches Wasser aus separaten Vor richtungen oder Ausrüstung zu liefern.

Das Keramiklager, das aus dem keramischen Gleitmaterial der Erfindung gebildet ist, kann hinsichtlich des Volu mens der offenen Poren richtig angepaßt bzw. eingestellt werden, so daß es eine Abnutzungsbeständigkeit besitzt, die mindestens vergleichbar mit dem Wert ist, der erreicht wurde mit den bisher verwendeten, massiven Keramiklagern.

Zusammenfassend sieht die Erfindung also folgendes vor: Die Erfindung betrifft Gleitmaterial, das einen porösen Keramikkörper aufweist, dessen offene Poren mit einem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind, und zwar vorzugsweise mit einer offenporigen Porosität von ca. 5 bis 15%. Das Gleitmaterial kann verwendet werden, um Glieder des stationären Teils eines Drehlagers in einer Pumpe herzustellen, und zwar zur Verwendung sowohl in einer Flüssigkeit als auch in einer gasförmigen Atmosphäre; Glieder des drehenden Teils des Lagers werden aus einer zementierten, harten Legierung gebildet. Da das Harz Wasser absorbiert und zurückhält, wird das Gleitmaterial zufriedenstellende Eigenschaften zeigen, selbst wenn es einer gasförmigen Atmosphäre ohne Schmierung ausgesetzt wird. Eine konsistente oder dau erhafte Gleiteigenschaft wird gewähreistet nicht nur in Frischwasser, sondern auch in Flüssigkeiten, wie bei spielsweise Aufschlämmungen, die harte, feste Materie enthalten.

Claims

1. Gleitmaterial, wobei die offenen Poren in einen porösen Keramikkörper mit einem stark wasserabsor bierenden Harz gefüllt sind.

2. Gleitmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Volumen der offenen Poren zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15% ist.

3. Tauchlager zur Verwendung sowohl in Flüssigkeit als auch in gasförmiger Atmosphäre, wobei Glieder des sich drehenden Teils aus einer zementierten, harten Legierung hergestellt sind, wogegen Glieder des sta tionären Teils aus einem porösen Keramikkörper her gestellt sind, dessen offene Poren mit einem stark wasserabsorbierenden Harz gefüllt sind.

4. Tauchlager gemäß Anspruch 3, wobei das Volumen der offenen Poren zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15% liegt.