DE69414461T3

DE69414461T3 - Karbid- oder boridbeschichteter Rotor für Verdrängungsmotor oder -pumpe

Info

Publication number: DE69414461T3
Application number: DE69414461T
Authority: DE
Inventors: Madapusi Kando Keshavan; Melvin D. Mendenhall; Robert Clark Tucker
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2014-03-18
Also published as: CA2119322A1; EP0627556B2; US5395221A; EP0627556A1; SG43287A1; DE69414461D1; CA2119322C; EP0627556B1; JPH06299973A; ES2123676T5; DE69414461T2; ES2123676T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor zur Verwendung in einem Motor oder einer Pumpe mit positiver Verdrängung (Verdrängermotor oder Verdrängerpumpe), wobei der Rotor mit einem Metallcarbid- und/oder Metallborid-Überzug beschichtet ist, um dem Rotor hervorragende Verschleißfestigkeits- und Korrosionsfestigkeitseigenschaften zu verleihen, wenn er in abrasiven und/oder korrodierenden Umgebungen eingesetzt wird.

Hinterrund der Erfindung

Eine Moineau-Verdrängervorrichtung kann als Motor oder Pumpe verwendet werden, wenn der Rotor und der Stator der Vorrichtung eine besondere Form, beispielsweise eine Schneckenform, erhalten, um für einen progressiven Hohlraum zwischen dem Rotor und dem Stator zu sorgen. Beim Betrieb als Pumpe dreht sich der Rotor in dem Stator und bewirkt dabei, dass Fluid entlang dem progressiven Hohlraum vom einen Ende der Pumpe zum anderen bewegt wird. Beim Betrieb als Motor wird Fluid in den progressiven Hohlraum der Vorrichtung gepumpt, so dass die Kraft der Fluidbewegung den Rotor zu einer Drehbewegung in dem Stator veranlasst. Die Drehkraft kann dann über eine Verbindungsstange und eine Antriebswelle übertragen werden. Die Verdrängervorrichtung mit spezifisch ausgebildetem Rotor und Stator kann somit als Motor oder Pumpe benutzt werden, abhängig davon, ob Fluid unter Kraftausübung durch die Vorrichtung gepumpt wird, so dass diese als Motor arbeitet, oder externe Kraft auf den Rotor einwirkt und eine Bewegung des Fluids verursacht, so dass die Vorrichtung als Pumpe arbeitet. Bei der einfachsten Form des Bohrens von Öl- und Gasbohrlöchern überträgt ein Bohrgestängemotor Energie auf die zahlreichen, den Bohrstrang bildenden Rohrabschnitte, wodurch der Bohrstrang und der am Boden des Bohrloches befindliche Bohrer gedreht werden. Das Drehen des Bohrstranges von der Oberfläche aus führt zu starker Reibung und Torsionsbeanspruchung im oberen Teil des Bohrstranges. Reibung zwischen dem Bohrrohr und der Seite des Bohrloches bewirkt zusammen mit der elastischen Dehnung und Verdrehung in dem Bohrrohr, dass auf dem Bohrer ein inkonsistentes Gewicht ruht. Dies ist für den Bohrer schädlich und kann auch zu einem Metall-Ermüdungsbruch in dem Bohrstrang führen. Es ist daher oft von Vorteil, als Antrieb für den Bohrer einen am Boden des Bohrloches befindlichen Motor zu verwenden, so dass nicht der Bohrstrang gedreht werden muss. Dies führt zu einer Verringerung von Verschleiß der Ausrüstung, Verminderung der Bohrgewichtsanfordewngen, Vereinfachung der Bohranordnungen am Boden des Bohrloches und zu verbesserter Kosteneffizienz. Eine Richtungsführungssteuerung ist mit solchen Systemen ebenfalls möglich. Ein derartiger Motor lässt sich in vielen Fällen mit geringeren Kosten betreiben. Eine spezielle Motorkonstruktion, die sich für Anwendungen innerhalb des Bohrloches besonders eignet, ist der oben diskutierte Verdrängermotor, bei dem ein schneckenförmiger Rotor innerhalb eines Stators mittels eines Fluids gedreht wird, das unter Druck durch den Motor gepumpt wird. Die Drehkraft wird dann über eine Verbindungsstange und eine Antriebswelle auf den Bohrer übertragen. Bei Motoren dieser Art ist der Rotor generell aus legiertem Stabstahl mit einer Mittelöffnung für den Durchtritt von Fluid gefertigt und als Schnecke geformt, während es sich bei dem Stator um ein Stück Stahlrohr handelt, das mit einem eingepressten oder eingespritzten Elastomer ausgekleidet ist. Das Elastomer ist so beschaffen, dass es Verschleiß und Beeinträchtigung durch Kohlenwasserstoffe widersteht, und es ist als schneckenförmiger Hohlraum ausgebildet, ähnlich zu aber nicht identisch mit der Schneckenform des Rotors. Neben der Schneckengrundform kann der Rotor mit Hohlkehlen, beispielsweise 10 oder mehr Hohlkehlen, versehen sein. Der dazu passende Stator weist dann ebenso viele Hohlkehlen plus eine auf. Bei zweckentsprechender gegenseitiger Formgebung bilden der Rotor und der Stator eine durchgehende Abdichtung entlang ihren zusammenpassenden Kontaktlinien; außerdem bilden sie einen durch den Motor vom einen zum anderen Ende beim Drehen des Rotors durchgehenden Hohlraum oder mehrere solche Hohlräume. Die Effizienz dieser Motoren hängt in hohem Maße von der präazisen Abmessungsanpassung der Rotor- und Statorprofile ab.
Im Betrieb wird Bohrmedium oder "Schlamm" (für gewöhnlich ein Gemisch aus Wasser und/ oder Öl, Ton, Beschwerungsmitteln und einigen Chemikalien zum Fluidisieren des von dem Bohrer erzeugten Bohrgutes und zum Auffangen von Formationsdrücken) entlang dem Motor zwischen dem Rotor und dem Stator nach unten gepumpt, was bewirkt, dass sich der Rotor dreht und den Bohrer antreibt. Der Feststoffgehalt des Bohrmediums wirkt abrasiv auf die Komponenten des Verdrängermotors, insbesondere des Rotors, während die wasserhaltige Umgebung und vorhandene chemische Substanzen häufig die Neigung haben, Korrosion des Rotors zu fördern. Verschleiß und Korrosion des Rotors neigen dazu, die konstruktionsmäßig vorgesehene Abdichtung zwischen Rotor und Stator zu zerstören und das Betriebsverhalten des Motors so weit zu verschlechtern, dass es notwendig wird, den Motor aus dem Bohrloch herauszunehmen und zu überarbeiten oder zu ersetzen. Rauhe, eckige oder unregelmäßige Oberflächenbereiche, die sich auf dem Rotor infolge seiner Erosion oder Korrosion entwickeln, können einen Verschleiß oder Abspanen des zugehörigen Elastomers bewirken, wodurch sich der Betrieb des Motors verschlechtert, selbst wenn sich der Schaden des Rotors in Grenzen hält, die toleriert werden könnten, würde nicht das Statorelastomer beschädigt. Während ein gewisser Austausch unvermeidlich ist und gegebenenfalls ohnehin durchgeführt werden muss, um Bohrer zur Anpassung an die Eigenschaften der verschiedenen Schichten auszutauschen, durch welche das Bohrloch hindurch gebohrt wird, führen vorzeitiger Verschleiß oder Korrosion zusätzlich zu den Kosten der Nacharbeitung oder des Austauschs der Motorkomponenten zu den zusätzlichen Aufwendungen für das vorzeitige Herausziehen des Bohrstrangs aus dem Bohrloch. Eine Chrombeschichtung wird häufig auf der Rotoroberfläche vorgesehen, um diese gegen Abrieb und Korrosion zu schützen; für gewöhnlich ist dies jedoch nicht zufriedenstellend, weil keine adäquate Abriebfestigkeit erreicht wird und weil durch den Chromüberzug hindurch dringende Flüssigkeit eine Korrosion des Rotorgrundwerkstoffes erlaubt. Außerdem ist es schwierig, eine gleichförmige Dicke der Chrombeschichtung auf der Rotoroberfläche zu erzielen, weil die komplexe Geometrie des Rotors bewirkt, dass sich ungleichförmige elektrische Felder um den Rotor herum während der Plattierung entwickeln, wodurch es zur Ausbildung einer ungleichmäßigen Überzugsdicke kommt, welche die konstruktionsmäßig vorgesehene präzise geometrische Passung zwischen Rotor und Stator verfälscht und die Effizienz des Motors selbst im Neuzustand vermindert. Im Rahmen anderer Versuche, den Rotor gegen Verschleiß und Korrosion zu stützen, wurden Nickelbasislegierungen auf die Rotoroberflächen durch Auftragtechniken wie Plasmasprüh- oder andere thermische Sprühvorrichtungen aufgebracht. Überzüge dieser Art können einer Chromplattierung hinsichtlich der Erosions- und Korrosionsbeständigkeit in gewisser Weise überlegen sein; sie erfordern jedoch eine Verdichtung durch Schmelzen, isostatisches Heißpressen oder ein anderes thermisches Verfahren, um die inhärente Porosität solcher Überzüge abzudichten, so dass das Rotorsubstrat gegenüber den korrodierenden Umgebungen isoliert ist. Jede Wärmebehandlung, der die Rotoren während der Verarbeitung des Überzuges ausgesetzt werden, kann zu einem Verformen der Rotoren mit den gleichen resultierenden Fehlpassungen und Effizienzverlusten führen, wie sie vorstehend erwähnt sind.
Bei einer aus EP-A-0 381 413 bekannten Exzenterschneckenpumpe wird der schneckenförmige Pumpenrotor plasmagesprüht, um auf diesem einen Überzug aus Chromoxid auszubilden und dadurch den Verschleiß des Rotors zu senken.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Überzug für einen Rotor eines Verdrängermotors oder einer Verdrängerpumpe bereitzustellen, der hervorragende Verschleiß- und Korrosionsfestigkeitseigenschaften hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Metallcarbid- und/oder Metallboridüberzuges für schneckenförmige Rotoren zur Anwendung in Verdrängerpumpen oder -motoren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Rotors für einen Verdrängermotor oder eine Verdrängerpumpe mit einem Überzug von hervorragender Verschleißfestigkeit und Korrosionsfestigkeit.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines kosteneffektiven Überzuges für Rotoren, welcher die Lebensdauer von Verdrängervorrichtungen verlängert, bei denen solche Rotoren verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist ein beschichteter Rotor zur Verwendung in einer Vorrichtung mit positiver Verdrängung, die ausgewählt ist aus der aus Motoren und Pumpen bestehenden Gruppe, wobei die Vorrichtung einen Stator mit einer mit dem Rotor zusammenpassenden Oberfläche, die aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Rotor einen thermischen Spritzüberzug aufweist, der aus der aus einem Wolfram-Chromcarbid-Kobalt- oder -Kobaltlegierungsüberzug, einem Wolfram-Chromcarbid- Nickel- oder -Nickellegierungsüberzug, einem Wolframcarbid-Kobalt-Chromüberzug, einem Metallborid-Metall- oder -Metalllegierungsüberzug sowie Überzügen, die Gemische der vorgenannten Werkstoff enthalten, bestehenden Gruppe ausgewählt ist; dass der Überzug mindestens 65 Gew.-% Metallcarbid für den Metallcarbidüberzug und mindestens 65 Gew.-% Metallborid für den Metallboridüberzug aufweist; dass die mittlere Korngröße des Carbids und Borids in dem Überzug weniger als 25 um beträgt, und dass der Überzug eine Härte von mindestens 900 HV.3 hat.

Detaillierte Beschreibung

Die Erfindung stellt einen beschichteten Rotor zur Verwendung bei einem Verdrängermotor oder einer Verdrängerpumpe bereit, bei welcher der Stator des Motors oder der Pumpe eine Oberfläche aus einem Polymerwerkstoff aufweist, die mit dem Rotor zusammenpasst, und wobei der beschichtete Rotor einen Überzug aufweist, der aus der aus einem Wolfram- Chromcarbid-Kobalt- oder -Kobaltlegierungsüberzug, einem Wolfram-Chromcarbid-Nickel- oder -Nickellegierungsüberzug, einem Wolframcarbid-Kobalt-Chromüberzug, einem Metallborid-Metall- oder -Metalllegierungsüberzug sowie Überzügen, die Gemische der vorgenannten Werkstoff enthalten, bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und wobei der Überzug mindestens 65 Gewichtsprozent Metallcarbid bzw. Metallborid enthält und eine Härte von mindestens 900 HV.3, vorzugsweise mindestens 950 HV.3 und besonders bevorzugt mindestens 1000 HV.3 hat. Vorzugsweise liegen das Carbid und/oder Borid in dem Überzug in einer Menge von mehr als 75 Gew.-% und besonders bevorzugt mehr als 90 Gew.-% vor, wobei der Rest ein Metall oder eine Metalllegierung ist. Die Dicke des Überzugs kann in Abhängigkeit von dem speziell ausgewählten Überzug und von dem beabsichtigten Einsatz der Verdrängervorrichtung variieren. Im allgemeinen ist eine Dicke von mindestens 0,013 mm (0,0005 inch) erforderlich, während eine Dicke von mindestens 0,05 mm (0,002 inch) bevorzugt ist.
Die Korn- oder Teilchengröße des Metalls oder der Metalllegierung in dem Überzug sollte vorzugsweise kleiner als die Größe von Teilchen sein, die in einem Fluid enthalten sind, das durch den Motor hindurch gefördert werden soll. Dies stellt auf effektive Weise sicher, dass die Metallphase nicht erodiert wird und dass die Carbid- und/oder Boridteilchen oder -Körner des Überzuges in dem Überzug verbleiben und nicht von dem Fluid verlagert werden. Eine kleine Carbid- und/oder Boridgröße verhindert einen übermäßigen Abrieb des zugehörigen Polymerwerkstoffes.
Es wurde gefunden, dass das Aufbringen von speziellen korrosionsfesten Metallcarbid- oder -boridüberzügen auf die Oberflächen der Rotoren eine wirkungsvolle Verlängerung der Lebensdauer dieser Motoren oder Pumpen bewirken kann, wodurch ihr Einsatz praktischer und kosteneffizienter wird. Geeignete Überzüge sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Wolframchromcarbid-Nickelüberzüge, die wegen des Vorhandenseins von sowohl Chrom als auch Nickel eine verbesserte Korrosionsfestigkeit haben. Ein spezieller Wolframchromcarbid- Nickelüberzug, der chromreiche Teilchen mit mindestens dreimal mehr Chrom als Wolfram enthält und bei dem die chromreichen Teilchen mindestens 4,5 Vol.% des Überzugs ausmachen, ist in US-Patent Nr. 4,999,255 und US-Patent Nr. 5,075,125 offenbart. Ein weiterer bestimmter Wolframchromcarbid-Nickelüberzug, der sich für die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung eignet, ist in US-Patent Nr. 3,071,489 beschrieben, das einen Wolframchromcarbid-Nickelüberzug offenbart, der zwischen etwa 60 und etwa 80 Gew.-% Wolframcarbid, zwischen etwa 14 und etwa 34 Gew.-% Chromcarbid und zwischen etwa 4 und etwa 8 Gew.-% Nickelbasislegierung enthält, wobei ein Teil oder alle Carbide in Form von Wolfram-Chrom-Mischcarbiden vorliegen können.
Es stehen zahlreiche dem Fachmann bekannte Maßnahmen zur Verfügung, um ein Substrat mit einem verschleißfesten Überzug der vorstehend diskutierten Art zu beschichten. Am besten geeignet zum Beschichten von Rotoren mit der oben erläuterten komplexen Gestalt ist ein Verfahren aus der Familie der insgesamt als thermische Sprühverfahren bekannten Prozesse, zu denen das Detonationsauftragsverfahren, das Sauerstoff/Brennstoff-Flammspritzverfahren, das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Brennstoff-Auftragsverfahren und das Plasmaspritzverfahren gehören. Es ist charakteristisch für die mittels dieser Familie von Prozessen aufgetragenen Überzüge, dass sie untereinander verbundene Poren aufweisen, die in Abhängigkeit von dem verwendeten Prozess und den vorgesehenen Prozessparametern fein oder grob sein können. Potentiellen Innen- oder Grenzflächen-Korrosionsproblemen, die durch das Vorhandensein dieser Porosität verursacht sind, kann zur weiteren Verbesserung des Korrosionsschutzes, der mit dem Überzug für den Rotorkörper erhalten wird, begegnet werden, indem die Poren mit einem korrosionsbeständigen Dichtmittel imprägniert werden, für gewöhnlich einem organischen Werkstoff, beispielsweise einem Polymer wie einem Epoxidharz, das an Ort und Stelle polymerisiert, nachdem es in die Porosität in einem nichtpolymerisierten Zustand eingebracht wurde. Ein solches korrosionsbeständiges Dichtmittel wäre auf der Oberfläche eines Rotors erwünscht, weil es für einen Schutz gegen Flüssigkeitskorrosion sorgt; es lässt sich jedoch nicht auf einem unbeschichteten Rotor vorsehen, weil es fast augenblicklich abgeschabt oder wegerodiert würde. Das Polymer-Dichtmittel ist jedoch, wenn es sich in den feinen, untereinander verbundenen Poren eines thermischen Spritzüberzuges hoher Güte befindet, dagegen durch das umgebende harte Überzugsmaterial geschützt. Zusätzlich zu der Bereitstellung einer Verschleißfestigkeit, die besser ist als diejenige, für die der Rotorgrundwerkstoff sorgen kann, schaffen die als solche gegen Korrosion beständigen korrosions- und verschleißfesten Metallcarbid- und/oder -borid-Überzüge nach der Erfindung ein hervorragendes Trägernetzwerk für den zusätzlichen Korrosionsschutz durch einen Polymerüberzug oder ein Polymerdichtmittel.
Ein bevorzugtes Dichtmittel zur Verwendung bei dem Überzug nach der vorliegenden Erfindung ist das Dichtmittel UCAR 100, das von der Praxair Surface Technologies, Inc., bezogen werden kann. UCAR ist eine Marke der Union Carbide Corporation.
Korrosion oder Erosion des Rotors ist als solche wegen der dadurch verursachten geometrischen Anomalitäten unerwünscht; sie ist aber noch schädlicher dadurch, dass unregelmäßige oder scharfe Kanten von korrodierten oder erodierten Bereichen zu ausgedehnten Schäden des damit zusammenwirkenden Elastomer-Statorwerkstoffes führen können, indem sie in diesen Werkstoff einschneiden. Die erosions- und korrosionsfesten Überzüge der vorliegenden Erfindung sollen die Ausbildung von derartigen unregelmäßigen oder scharfkantigen Schadensbereichen verhindern. Selbst die höchst verschleißfesten Überzüge, die eine Fertigbearbeitung auf den höchsten Glättegrad erfahren haben, verschleißen jedoch in gewissem Umfang und verlieren ihre Glätte. Es ist charakteristisch für die Metallcarbid- und Metallborid-Überzüge der Erfindung, dass sie aus Teilchen mit variierenden Härtegraden und variierender Verschleißfestigkeit zusammengesetzt sind; eine solche Teilchen-Teilchen-Variation ist effektiv, um den mechanischen Anforderungen zu widerstehen, denen die Teilchen dadurch ausgesetzt sind, dass sie an der Oberfläche des sich rasch drehenden Rotors anhaften. Wenn die Oberfläche des Überzugs durch den strömenden Schlamm langsam erodiert, ist es unvermeidlich, dass die weicheren und weniger abriebfesten Teilchen des Überzugs zuerst erodiert werden und dass die härteren Teilchen in gewissem Umfang freigelegt werden. Wenn die härteren Teilchen groß oder winklig sind, können sie als Schneidzähne auf das zugehörige Statormaterial einwirken und in dieses einschneiden, wodurch der Schaden verschlimmert wird und der schädliche Gesamteffekt auf das Betriebsverhalten des Motors gesteigert wird. Infolgedessen ist die Korngröße der Teilchen in dem Überzug auf einen mittlere Größe von weniger als 25 um fein unterteilt.
Die bevorzugten erfindungsgemäßen Überzüge sind Wolframchromcarbid-Kobaltüberzüge, die 2 bis 14 Gew.-% Kobalt oder Kobaltlegierung enthalten, während es sich bei dem Rest um gemischte oder legierte Wolframchromcarbide handelt, sowie Wolframchromcarbid-Nickelüberzüge, die zwischen 60 und 80 Gew.-% Wolframcarbid, zwischen 14 und 34 Gew.-% Chromcarbid sowie zwischen 4 und 8 Gew.-% Nickel oder Nickelbasislegierung enthalten.
Die einzige Zeichnung stellt einen Längsschnitt durch eine Einschnecken-Verdrängervorrichtung dar. Die Zeichnung zeigt einen Schneckenrotor 2, der mit einem erfindungsgemäßen Überzug 3 beschichtet ist und der in einem Innenschnecken-Stator 4 sitzt, der in ein Gehäuse 6 eingebaut ist. Zwischen Rotor 2 und Stator 4 befinden sich progressive Hohlräume 8. Wenn Fluid durch die Vorrichtung in der Richtung A hindurch getrieben wird, wird der Rotor gezwungen, sich zu drehen, und die Vorrichtung wirkt als Motor. Vorzugsweise ist der Rotor mit einer Mittelöffnung versehen, wenn er als Motor wirkt. Mit dem Rotor 2 ist eine Welle 10 verbunden, die zum Antrieb eines Bohrers oder dergleichen verwendet werden kann. Wird der Rotor mittels eines externen Antriebssystems durch Drehen der Welle zu Drehbewegungen veranlasst, wird Fluid durch die Vorrichtung in der Richtung B hindurch getrieben, und die Vorrichtung wirkt als Pumpe; das heißt, wenn die Welle 10 rotiert, dreht sich der Rotor 2, und dadurch wird ein Fluid zu dem progressiven Hohlraum 8 gepumpt, worauf das Fluid am Ende des Rotors 2 abgezogen wird.

Beispiel 1

Bei einem Strömungstest, der das Arbeiten eines Verdrängermotors simulierte, wurde ein Schneckenrotor mit einer Chromelektroplattierung der Qualität beschichtet, wie sie normalerweise bei Rotoren vorgesehen wurde, und der Rotor wurde mit einer strömenden Lösung von 300000 Teilen/Million (ppm) an Calciumchlorid 30 Stunden lang einem Druck von 345 kPa (50 psi) ausgesetzt. Der Rotor wurde geprüft und zeigte starke Korrosion. Das Korrosionsmuster, das in Form von kleinen Grübchen anfing, erschien ähnlich dem Korrosionsmuster von chrombeschichteten Rotoren, die bei tatsächlichen Bohrvorgängen verwendet worden waren. Auf einen identischen Rotor wurde ein Wolframchromcarbid-Nickelüberzug aufgebracht, der etwa 24 Gew.-% Chromcarbid und etwa 8 Gew.-% Nickelbasislegierung, Rest Wolframcarbid enthielt, wobei die Überzugsteilchen auf eine mittlere Größe von 50 um oder kleiner fein unterteilt waren. Der Rotor wurde mit einer strömenden Lösung von 100000 ppm Calciumchlorid 200 Stunden lang einem Druck von 345 kPa (50 psi) ausgesetzt, und dann weitere 200 Stunden lang einer strömenden Lösung von 300000 ppm Calciumchlorid ausgesetzt, im Zuge eines Testprogramms, bei dem noch zusätzlich 400 Stunden Kontakt mit der Calciumchloridlösung ohne Strömung vorgesehen waren. Der Rotor wurde geprüft und zeigte keine sichtbare Verschlechterung. Der Rotor nahm eine kleine Menge an Elastomer von dem dazugehörigen Stator auf; dieses wurde jedoch leicht entfernt und führte zu keiner Verschlechterung des Betriebsverhaltens des Motors.

Beispiel 2

Rotationsdauerversuche, wie sie auf Seite 369 von Band 8 der neunten Ausgabe von Metals Handbook, veröffentlicht durch ASM International, Metals Park, OH, 1985, beschrieben sind, wurden mit Probeteilen durchgeführt, die in eine 300000 ppm Calciumchlorid enthaltende Lösung eingetaucht wurden. Die Versuchsteile hatten einen Wolframcarbid-Kobalt-Chromüberzug, der etwa 83 Gew.-% Wolframcarbid, etwa 4 Gew.-% Chrom und als Rest eine Kobaltbasislegierung enthielt und der auf ein Substrat aus Stahl vom Typ AISI- 4140 mit einer Härte von 34 HRC aufgebracht war. Die beschichteten Proben überlebten mehr als 6 Millionen Zyklen in einem Wechselbelastungstest mit einer Höchstbelastung von 0,34 kN/mm² (50000 psi). Unbeschichteter Stahl vom Typ AISI 4140 von ähnlicher Härte fiel bei weniger als 2 Millionen Zyklen aus, selbst wenn die Calciumchloridkonzentration auf 300 ppm reduziert wurde.

Beispiel 3

Ein Rotationsdauerversuch wurde mit Proben durchgeführt, die in eine 300000 ppm Calciumchlorid enthaltende Lösung der in Beispiel 2 beschriebenen Art eingetaucht wurden, und zwar für eine Zielvorgabe von 6 Millionen Zyklen. Die Testproben bestanden aus einem Substrat aus Stahl vom Typ AISI-4140 mit einer Härte von 34 HRC, der mit einem Wolframchromcarbid-Nickelüberzug beschichtet war, der etwa 24 Gew.-% Chromcarbid und etwa 7 Gew.-% Nickelbasislegierung, Rest Wolframcarbid enthielt. Die beschichteten Proben überlebten mehr als 6 Millionen Zyklen, und eine Probe überlebte mehr als 12 Millionen Zyklen. Unbeschichteter Stahl vom Typ AISI-4140 von ähnlicher Härte fiel bei weniger als 2 Millionen Zyklen selbst dann aus, wenn die Calciumchloridkonzentration auf 300 ppm reduziert wurde.

Beispiel 4

Ein Rotor mit einem Durchmesser von 152 mm (6 inch) wurde über seine Länge von 3,25 m (128 inch) mit einem 0,15 bis 0,23 mm (0,006 bis 0,009 inch) dicken Überzug aus einem Wolframchromcarbid-Nickelüberzug beschichtet, der etwa 24 Gew.-% Chromcarbid und etwa 7 Gew.-% Nickelbasislegierung, Rest Wolframcarbid, enthielt. Der Überzug wurde mit einem Epoxidharz-Dichtmittel UCAR 100 abgedichtet und durch Bandschleifen fertig bearbeitet. Der Rotor wurde in einen Motor eingebaut und in einem tatsächlichen Ölbohrbetrieb eingesetzt. Nach einer Laufdauer von 105 Stunden in einem K-Mg-Cl-Bohrmedium befand sich die Oberfläche des Rotors in ursprünglichem Zustand ohne Anzeichen für eine Korrosion des Überzugs oder des darunter liegenden Stahlrotorkörpers. Die Dicke des Überzugs war um 0,038 bis 0,051 mm (0,0015 bis 0,0020 inch) reduziert, und der Innendurchmesser des zugehörigen Stators hatte sich um nur etwa 0,38 mm (0,015 inch) vergrößert. Im Gegensatz dazu hielt ein konventioneller, chromplattierter Rotor im gleichen Betrieb nur 18 Stunden lang aus, bevor er wegen tiefer Korrosion ersetzt werden musste.

Beispiel 5

Ein Rotor ähnlich dem gemäß Beispiel 4, aber mit einem Wolframchromcarbid-Kobaltüberzug, der etwa 13 Gew.-% Kobalt, 4 Gew.-% Chrom, 5 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Wolfram, enthielt, wurde gleichfalls in einem tatsächlichen Ölbohrbetrieb unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 4 getestet. Nach einer Laufdauer von insgesamt 350 Stunden wurde eine Grübchenbildung in der Oberfläche des Überzugs beobachtet. Dessenungeachtet war die Lebensdauer des Rotors wesentlich länger als die des konventionellen chromplattierten Rotors (typischerweise 18 Stunden unter den gleichen Bedingungen).
Es versteht sich, dass der Fachmann im Rahmen des Prinzips und des Umfangs der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen zum Ausdruck kommt, verschiedenartige Änderungen hinsichtlich der Einzelheiten, Werkstoffe und Anordnungen von Teilen vornehmen kann.

Claims

1. Beschichteter Rotor zur Verwendung in einer Vorrichtung mit positiver Verdrängung, die ausgewählt ist aus der aus Motoren und Pumpen bestehenden Gruppe, wobei die Vorrichtung einen Stator mit einer mit dem Rotor zusammenpassenden Oberfläche, die aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- dass der beschichtete Rotor einen thermischen Spritzüberzug aufweist, der aus der aus einem Wolfram-Chromcarbid-Kobalt- oder -Kobaltlegierungsüberzug, einem Wolfram-Chromcarbid-Nickel- oder -Nickellegierungsüberzug, einem Wolframcarbid-Kobalt-Chromüberzug, einem Metallborid-Metall- oder -Metalllegierungsüberzug sowie Überzügen, die Gemische der vorgenannten Werkstoff enthalten, bestehenden Gruppe ausgewählt ist;

- dass der Überzug mindestens 65 Gew.-% Metallcarbid für den Metallcarbidüberzug und mindestens 65 Gew.-% Metallborid für den Metallboridüberzug aufweist;

- dass die mittlere Korngröße des Carbids und Borids in dem Überzug weniger als 25 um (microns) beträgt, und

- dass der Überzug eine Härte von mindestens 900 HV.3 hat.

2. Beschichteter Rotor nach Anspruch 1, wobei die Korngröße des Metalls oder der Metalllegierung weniger als 75 um (microns) beträgt.

3. Beschichteter Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Überzug eine untereinander verbundene Porosität aufweist.

4. Beschichteter Rotor nach Anspruch 3, wobei die Porosität mit einem korrosionsbeständigen Dichtmittel imprägniert ist.

5. Beschichteter Rotor nach Anspruch 4, wobei das Dichtmittel ein Polymermaterial, insbesondere ein Epoxid, ist, welches vor Ort polymerisiert, nachdem es in die Porosität in einem nichtpolymerisierten Zustand eingebracht wurde.

6. Motor mit positiver Verdrängung mit einem beschichteten Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Pumpe mit positiver Verdrängung mit einem beschichteten Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.