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Herstellen beschichteter Schraubenrotoren

Titel: Herstellen beschichteter Schraubenrotoren
Thema: Anwendung von Verschleißschutz- und Einlaufbeschichtungen in Schraubenmaschinen, hergestellt durch physical vapour deposition (PVD) und atmosphärisches Plasmaspritzen (APS)
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft  Sonderforschungsbereich SFB 316 Teilprojekt B1
Förderungsdauer: 1985-1998
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. K. Kauder
Cooperation: In Zusammenarbeit mit em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. H.-D. Steffens und Prof. Dr.-Ing. F.-W. Bach des Lehrstuhls für Werkstofftechnologie

Ziel des Teilprojektes B1 des Sonderforschungsbereichs (SFB) 316 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ist die Substitution des Synchronisationsgetriebes von Schraubenkompressoren im Trockenbetrieb und im Betrieb mit Wassereinspritzung.

 

Das Getriebe verhindert bei diesen Betriebsarten eine Berührung der Rotoren, die bei metallischen Werkstoffen zu Betriebsstörungen durch Oberflächenversagen führt. Für einen Verzicht auf das Synchronisationsgetriebe müssen folglich verschleißbeständige Werkstoffe im Bereich der Rotorflanken zum Einsatz kommen. Als Lösungsansatz zu dieser Problematik dient die Beschichtung metallischer Grundkörper mit verschleißbeständigen Werkstoffen. Die Werkstoffverbunde sollen der Verschleißbeanspruchung im Zahneingriff über lange Zeiträume (> 10 000 h) bei geringem Verschleiß (< 30µm) standhalten. Die Herstellung der Schichten erfolgt am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie der Universität Dortmund und teilweise mit industriellen Partnern durch physical vapour deposition (PVD) und atmosphärisches Plasmaspritzen (APS).

metco

Bild 1: Beschichtung eines Schraubenrotors durch APS mit einem CNC-gesteuerten Plasmabrenner des Typs Metco 9MB mit Kontrolleinheit des Typs Metco EG 88

Während eine PVD-Beschichtung von Schraubenrotoren unproblematisch ist und zu gleichmäßigen Schichtdicken zwischen 2 und 30 µm führt, müssen die APS-Schichten mit einem Brenner Lage für Lage aufgetragen werden. Bei üblichen Schichtdicken um 200 µm ist eine spezielle 5-Achsen CNC-Steurung des Brenners (Typ Metco 9MB) unabdingbar. Durch eine optimale Auslegung der Spritzbahnen und ihres Abstandes voneinander kann die Welligkeit durch die nebeneinander liegenden Lagen auf ein technisch akzeptables Minimum reduziert werden, Bild 1
verzahnung

Bild 2: Relative Flankengleitgeschwindigkeit einer Verzahnung am Beispiel eines Rotorstirnschnitts

links: Ausschnitt eines Nebenrotorprofils, Index NR
 rechts: Ausschnitt eines Hauptrotorprofils, Index HR
w  Winkelgeschwindigkeit
M Rotormittelpunkt und Drehachse
C Wälzpunkt
P Eingriffspunkt
v Geschwindigkeit Bedeutung der Indices:
g  gleit-
 t  tangential-
n  normal-
 

 

 

Die vorliegenden Beanspruchungen werden zunächst durch eine Simulation der Kinematik, Zahneingriffskräfte bzw. Hertzsche Pressungen und Umgebungstemperaturen ermittelt, um daraus Versuchsparameter ableiten zu können, Bild 2. Die Kenntnis solcher Parameter ermöglicht die Durchführung vereinfachter Modellversuche mit zylindrischen Prüfkörpern, die gegenüber realen Betriebsversuchen mit Kompressoren wesentlich schneller und günstiger sind. Mit Hilfe der Modellversuche wird aus einer Vielzahl von Schichtmodifikationen eine Vorauswahl für die aufwendigeren Betriebsversuche getroffen, Bild 3. Die Versuche ergeben wichtige Hinweise zum Verständnis auftretender Verschleißmechanismen, bei denen je nach Werkstoffsystem verschiedene Effekte im Vordergrund stehen modellversuchsanlage

Bild 3: Modellversuchsanlage Standardparameter:

 

Umfangsgeschwindigkeit der getriebenen Prüfkörpers: u1 = 30 m/s
Umfangsgeschwindigkeit der gebremsten Prüfkörpers: u2 = 27 m/s
Resultierende Relativgeschwindigkeit:  Dv = 3 m/s
Hertzsche Pressung im Kontaktbereich: p = 60 N/mm²
b Heizelemente zur Erwärmung des Prüfraumes
c Zylindrische Prüfkörper
d Wirbelstrombremse mit Drehmoment- und Drehzahlmessung
e Linearschlitten für Probekörper
f Auf den Linearschlitten wirkende Gewichte
g  Sensor für Antriebsdrehzahl


Der Projektverlauf zeigt, daß eine genauere Untersuchung der Kontaktverhältnisse erforderlich ist. Eine Erweiterung der Simulation im Bereich des Linienkontaktes der Prüfkörper zeigt, daß dynamische Lastspitzen um den Faktor 10-20 höher liegen können als der statische Mittelwert. Darüberhinaus führen Oberflächenrauheiten im Mikrobereich zu Pressungsüberhöhungen um bis zu zwei Größenordnungen. In Verbindung mit der Relativgeschwindigkeit entstehen Hot-Spots an den Werkstoffoberflächen, die eine erhebliche thermische Belastung der Werkstoffe mit Oxidationsgefahr hervorrufen. Bei Trockenverschleiß hat sich APS-Chromoxid (Cr2O3) bewährt, das in Modellversuchen nach einem Einlaufabtrag von ca. 0,01-0,02 mm in 1000 h Versuchsdauer eine Schichtdickenabnahme von unter 0,01 mm zeigt. Die Standzeit bei Betriebsversuchen mit Schraubenkompressoren ist bisher auf 50 h begrenzt. Ursachen sind vor allem in der Geometrie der unbeschichteten Grundkörper der Rotoren zu sehen. Denn aufgrund der Einschränkungen des Fertigungsverfahrens weisen sie nicht die für einen Beschichtungsvorgang optimalen gleichmäßigen Untermaße auf, sondern der Schichtdickenverlauf muß in Abhängigkeit von den Flankenkoordinaten variiert werden. PVD-Wolframkarbid-Kohlenstoff (WC/C) hat sich bei Wasserbenetzung als günstig erwiesen. Betriebsversuche mit einem Schraubenkompressor und Wassereinspritzung verlaufen über 2000 h ohne Versagen erfolgreich und es sind nur geringe Verschleißmarken sichtbar. Bei PVD-Chromnitrid (CrxN) führt ein lagenweises Abscheiden von Phasen mit unterschiedlichen Stickstoffgehalten (Multilayerkonzept) zu einer deutlich längeren Standzeit in Modellversuchen bei Raumtemperatur und erlaubt außerdem die Herstellung größerer Schichtdicken. Der Einsatz bei höheren Temperaturen (150°C) führt dagegen zu einer Zertsörung der Schicht durch partielle Oxidation im Kontaktbereich. Betriebsverschleißversuche mit Wassereinspritzung zeigen auch nach 1000 h Versuchsdauer noch kein Maschinenversagen, die Verschleißmarken sind jedoch ausgeprägter als bei WC/C. Gegen Ende des Projektes verlagern sich die Untersuchungen auf den Bereich der Einlaufbeschichtungen, die bei Schraubenrotoren eine Verbesserung des Betriebsverhaltens durch Spaltminimierung und erhöhte Betriebssicherheit bewirken. Ferner ist eine Instandsetzung von Gehäuseoberflächen möglich. Diese Thematik wird im Transferbereich 12 der DFG fortgeführt (Transferbereich: Bauteile aus metall-keramischen Verbundwerkstoffen, Teilprojekt: Herstellen von Schraubenmaschinen mit einer keramischen Einlaufbeschichtung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens).

 

Literatur:

  • Tagungsbände und Arbeitsberichte des Sonderforschungsbereiches 316 der DFG von 1985-1995: Herstellung, Be- und Verarbeitung sowie Prüfung metallischer und metall-keramischer Verbundwerkstoffe, Teilprojekt: Herstellen beschichteter Schraubenrotoren, Universität Dortmund, Eigenverlag
  • Dreischhoff, U.: Festkörperreibung in Schraubenmaschinen. Ein Beanspruchungsmodell für Werkstoffverbunde. Dissertation, Universität Dortmund, Fortschrittberichte VDI, Reihe 5, Nr. 230, 1991
  • Dämgen, U.: Beanspruchung von verschleißbeständigen Werkstoffverbunden in Schraubenkompressoren. Dissertation, Universität Dortmund , 1998
  • Kauder, K.; Dämgen, U.: Wassereinspritzung in Schraubenkompressoren, In: VDI Berichte 1135, S. 175-194, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1994
  • Kauder, K., Dämgen, U.: Verschleißschutzschichten und Wassereinspritzung in Schraubenkompressoren.In: Schraubenmaschinen, Forschungsberichte des Fachgebietes Fluidenergiemaschinen Nr. 2, ISSN 0945-1870, S. 23-37 Universität Dortmund,1994
  • Kauder, K.; Helpertz, M.: Einlauf- und Hybridschichten für Schraubenkompressoren. In: VDI-Berichte 1391, S. 1-16, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1998
  • Bach, F.-W.(Hrsg.); Steffens, H.-D.: Metallische und metall-keramische Verbundwerkstoffe, erste Auflage, KONTEC Verlag, Dortmund 1999 (in Arbeit)