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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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
!
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 !
?
Diamant für extreme Beanspruchungen
Der Beschichtungsprozess…
Grundaufbau
Starke Anbindung
(Kovalent)
Diamant für extreme Beanspruchungen
(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
Diamant für extreme Beanspruchungen
Die Diamantschicht…
- Dichte Schichten ab einigen100 nm
- Hohe Diamantqualität
- Unterschiedliche Schicht-morphologien
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 für extreme Beanspruchungen
Diamant
Hervorragende Haftfestig-keit wegen Karbidzwischen-schicht (kovalente Bindung)!
Diamantschicht
TiC
Titansubstrat
Einbettmasse
TiC (bzw. Metallkarbid)
Diamant auf Metallen…
Titan (bzw. Metall)
Diamant für extreme Beanspruchungen
Beschichtbare Materialien…
Diamond layer
Ceramic
Keramiken
Diamond layer
in situ generated carbide
Resin
Metalle
SiC ist bereits ein Karbid hervorragend beschichtbar !
Diamant für extreme Beanspruchungen
Zusammenfassung Beschichtbarkeit von SiC – Gleit-
ringen mit kristallinem Diamant:
-Hervorragend haftfest (kovalent gebunden)
-Kein Verzug (ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten)
Diamant für extreme Beanspruchungen
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) !
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 !
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
Tribometer WAZAU TRM 1000 !!! TROCKENLAUF !!!
Testbedingungen:
- 2 m/s
- 0,4MPa
- Realtest
- Gleitringdichtung
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 !!!
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 !
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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
Diamant für extreme Beanspruchungen
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 !
Diamant für extreme Beanspruchungen
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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