專利名稱：用于氣體軸承的涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其中氣體軸承被涂覆硬層的真空泵，并涉及一種 用于制備這樣的真空泵氣體軸承的方法。
背景技術(shù)：
當在例如渦輪分子泵或徑向渦輪鼓風(fēng)機(例如，Turbostream )等 快速旋轉(zhuǎn)的氣體輸送機中使用無接觸、低摩擦的氣體軸承時，在這樣 的機器啟動和停止時，在相對于彼此旋轉(zhuǎn)的軸承元件之間(其中氣體 壓力不足以建立允許軸承的無接觸運轉(zhuǎn)所需的支承力)存在干摩擦(固 體摩擦)階段。因此，取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計，在發(fā)生干摩擦的情況下得到 有限的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
為了延長經(jīng)受摩擦的軸承元件的使用壽命，合理地采用用于該目 的的耐磨材料。基本上，對于特定的摩擦系統(tǒng)，耐磨性的確隨著硬度 的增加而增加，然而這樣的材料的可加工性降低。因此，硬質(zhì)材料可 能的耐磨性被其可加工性所限制。
到目前為止，需要通過例如珩磨或金剛石加工等精細加工對所使 用的硬質(zhì)材料成形。這些操作不僅很單調(diào)，而且由于加工工具通常必 須具有更高的硬度，還限制了所使用的硬質(zhì)材料的硬度。
例如，DE34 396 48A1也說明了軸承面的制造。首先，通過堆積 硬質(zhì)材料球而得到緊密堆積的球。接下來，通過輥軋將這些表面壓緊， 隨后對其進行金剛石加工。
因此，加工限制了可使用的硬質(zhì)材料的數(shù)量。因而，只能在有限 的程度上考慮所要求的特定摩擦性能。
在氣體輸送機的情況下，摩擦系統(tǒng)的特定性能事實上是，在大氣 環(huán)境下形成的含水吸附層己不能在真空條件下建立。在大氣條件下， 該水膜一方面可用作潤滑劑，而另一方面可在所涉及的表面上引起顯 著影響磨損性能的摩擦化學(xué)反應(yīng)。因此，其中大氣吸附層具有減少磨損效應(yīng)且因此具有積極效應(yīng)的層狀系統(tǒng)，在真空或惰性氣體的情況下
可能具有明顯較低的耐磨性(H. Czichos, K.-H. Habig: "Tribologie Handbuch, Reibung und Verschleifi"， 2nd Ed. 2003, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, pp.據(jù)ff.; D. Klaffke: "Ver-schleiJ3 in trockener Luft", Tribologie und Schmie腿gstechnik, Vol. 44., No. 7 (1997)， pp. 219-224)。
另一方面，為真空條件優(yōu)化的層體系統(tǒng)在大氣條件下可能具有較 低的耐磨性。
在真空條件下由于缺乏水膜而引起的這些缺點可影響在高真空條 件下工作的泵，例如渦輪分子泵以及徑向渦輪鼓風(fēng)機。
已在真空泵的軸承中用作潤滑劑的油脂具有這樣的缺點，特別是 在高真空應(yīng)用中，其可蒸發(fā)并因此導(dǎo)致不合要求的分壓，且潤滑劑可 能泄露。另外存在于空氣泵應(yīng)用中且通常能夠鈍化反應(yīng)表面的氧氣在 真空應(yīng)用中剛好不存在。并且，另外通常存在于大氣條件下發(fā)生的泵 應(yīng)用中的軸或轉(zhuǎn)子的表面上的水膜，在真空條件下消失。這樣的基本 條件導(dǎo)致所涉及的確定磨損性能的磨損參與件的表面間的反應(yīng)。原理 上，如果通過摩擦化學(xué)地形成的反應(yīng)產(chǎn)物使摩擦系數(shù)最小化，如果界 面粘結(jié)的趨勢減小，如果表面硬度增加和/或如果不發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)， 則可實現(xiàn)磨損的最小化。
DE 199115983 Al說明了一種具有氣體軸承的真空泵，其中氣體軸 承沒有進行涂覆。
DE 19725784 Al說明了例如在掃描儀和打印機中采用的快速旋轉(zhuǎn) 鏡輪中使用的快速旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)氣體軸承。這些是在大氣壓力下的應(yīng) 用。
WO 02/10598 Al說明了同樣是在大氣壓力下的電機主軸的動態(tài)氣 體軸承。
DE 19821601 CI說明了在大氣壓力下、在例如掃描儀或打印機的
應(yīng)用中的快速旋轉(zhuǎn)軸的氣體軸承。
WO 02/35099 Al說明了其中由球軸承承載軸的真空泵。
WO 94/6228 Al說明了其中轉(zhuǎn)子由特殊鋁鋰合金制成的真空泵。
DE 4403340 Al說明了通過堆積隨后輥軋硬質(zhì)材料，之后進行表面
金剛石加工，而用硬質(zhì)材料對空氣靜壓軸承進行的涂覆。
5DE 19950463 B4說明了在例如硬盤軸的大氣應(yīng)用中的氣體軸承的 CVD涂覆。在所說明的方法中，必須部分地去掉涂層，使得總是強制 地構(gòu)造涂層。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種同樣在真空條件下的氣體軸承， 其中盡管當使用硬質(zhì)材料層時可使耐磨性最小化，然而仍可盡可能簡 單地制備氣體軸承。
在第一實施例中，本發(fā)明的目的是通過真空泵1來實現(xiàn)的，該真 空泵無潤滑劑并且包括吸入口 2、排出口 3和承載支撐在氣體軸承5 中的氣體軸承轉(zhuǎn)子16的軸4，其特征在于至少面向軸4和/或面向氣 體軸承轉(zhuǎn)子16的氣體軸承表面9具有硬層10，該硬層10具有在0.5 至30 )im范圍內(nèi)的層厚，并且由在0.01 N的測量力下具有至少1000 HK 的顯微硬度的材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的真空泵1優(yōu)選地具有至少一個吸入口 2、至少一個排 出口 3和至少一個外殼15。優(yōu)選地，至少一個轉(zhuǎn)子6和至少一個定子 7形成無潤滑劑的并且被輸送氣體所流經(jīng)的輸送空間8。
本發(fā)明含義內(nèi)的真空泵是在高真空下使用的泵，涵蓋了直至在預(yù) 真空下使用的泵的整個范圍。前述的泵包括，例如，機械動力真空泵， 如側(cè)通道壓縮機、渦輪壓縮機(軸向、徑向)、分子泵和渦輪分子泵。 渦輪壓縮機的類群包括，例如，徑向渦輪鼓風(fēng)機，如TUrbo-Stream 。
除了簡化的處理外，使用低成本的襯底材料導(dǎo)致成本的節(jié)約。另 外，可選擇比目前可用于該目的的結(jié)構(gòu)材料還要硬的涂層，這可導(dǎo)致 元件使用壽命的延長。
由于根據(jù)本發(fā)明的硬層10的特別薄的設(shè)計，氣體軸承5的定子元 件11中的可能必需的結(jié)構(gòu)元件可通過，例如，對制成定子元件11的 材料進行的精細加工來成形或構(gòu)造，使得仍然通過這樣的成形或構(gòu)造 來精確地復(fù)制硬層10的表面。例如，這可以是鋼或鋁合金。由于硬層 的低的層厚，于是將以大約達到1 [im的必要精度來精確地復(fù)制這些結(jié) 構(gòu)元件，而不論設(shè)置在定子元件上的硬層10。因此，優(yōu)選地，不要求 硬層IO的材料處理。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，硬層IO本身不需要具有任何附加的構(gòu)造并且可以是基本光滑的。
由于根據(jù)本發(fā)明的真空泵1的硬層IO優(yōu)選地是基本光滑的，所以
與已知的氣體軸承相比，例如在DE 4403340 Al或DE 19950463 B4中
對硬層10的高成本的單調(diào)的后處理是不必要的。即，與此已知的現(xiàn)有 技術(shù)相比，如果需要對制成的表面9進行構(gòu)造，則由于例如鋼或鋁合 金的基層材料11基本上更容易被處理，表面9的構(gòu)造也可被制造。
優(yōu)選地，氣體軸承5基本由氣體軸承定子元件11、氣體供應(yīng)裝置 12和氣體排出口 13組成。從而特別地簡化了氣墊的形成。
硬層10下方的定子元件11優(yōu)選地被構(gòu)造為包括作為氣體供應(yīng)裝 置12和氣體排出口 13的入口通道12和出口通道13。因此，氣體供應(yīng) 裝置12和氣體排出口 13可特別容易地集成在定子元件11中。
優(yōu)選地，只有直接面向軸4的定子元件11的部分支承硬層10。因 此，通過節(jié)省硬質(zhì)材料可基本上更廉價地制備定子元件11。
優(yōu)選地，硬層10的材料是從碳或硬碳化合物中選擇的，特別是金 屬鋁、鎢、鉻或鈦的碳化物、氮化物或碳氮化物。這樣的層可被實現(xiàn) 為單相或多相的層狀系統(tǒng)，直到遞變的層狀復(fù)合物。
優(yōu)選地，硬層10的層厚在整個硬層10中的改變不超過10%。由 于硬層10的這種特別規(guī)則的制造，根據(jù)本發(fā)明的真空泵的使用壽命可 明顯地増長。因此，硬層10的粗糙度Ra也優(yōu)選地達到500 nm，特別 地達到100nm。根據(jù)DIN EN ISO 4287，粗糙度用Ra表示。本發(fā)明含
義中的Ra是平均粗糙度且表示在表面上的測量點距中線的平均距離。
在參考長度內(nèi)，中線與實際廓線以這樣的方式相交基于中線的廓偏 差的絕對值之和是最小值。
特別地，當根據(jù)本發(fā)明的硬層10的層厚優(yōu)選地在1至5 pm，特別 是在1至2.5 )im的范圍內(nèi)時，涂覆后的元件的機械后處理不再必要。 因此，可特別容易地觀察到氣體軸承的與功能相關(guān)的公差。
在另一實施例中，本發(fā)明的目的是通過根據(jù)本發(fā)明的用于制備真 空泵的氣體軸承的方法來實現(xiàn)的，在該方法中，通過選自PVD、 CVD、 電解或不帶電原子或分子的注入中的涂覆方法涂覆硬層10。在這種情 況下，縮寫PVD表示物理氣相沉積并表示其中在表面上不發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)的所有氣相沉積方法。CVD表示化學(xué)氣相沉積，其中所謂的前體分子在被氣相沉積在表面上之后發(fā)生反應(yīng)以形成特定的化合物。
這些是物理地(PVD)或化學(xué)地(CVD)將磨損保護層IO從氣相 沉積到襯底材料11上的方法。如果采用等離子體支持的PVD或CVD 方法作為涂覆方法，將是特別有優(yōu)勢的。通過點燃等離子體來支持這 些方法，其導(dǎo)致處理溫度降低，等等。特別是在將熱敏感襯底材料11 用于涂覆時，這是有優(yōu)勢的。然而，例如，如果注入不帶電原子或分 子(例如，Dichronites )的方法能夠在真空或惰性干燥氣體條件下理 想地實現(xiàn)滑動而不造成粘附或磨損，還可通過這些方法來涂覆涂層10。
在涂覆操作之前，優(yōu)選地在特定的處理步驟中，用離子特別是用 氬離子蝕刻表面9，以便由此實現(xiàn)涂覆的硬層10的特別高的粘接強度。


圖1示出以渦輪分子泵為實例的根據(jù)本發(fā)明的真空泵1的橫截面 視圖。
圖2示出定子11的表面9上的硬層10的局部放大視圖，其中軸4 被硬層10圍繞。
圖3示出定子11的不同的實施例(a:螺旋槽設(shè)計，b:傾斜片設(shè) 計，c: Garrett設(shè)計，d: MTI設(shè)計)。
具體實施例方式
下面通過具體的實例說明本發(fā)明，但是本發(fā)明的主旨不受限于該
實例
氣體軸承5或氣體軸承元件可以是具有同心地布置并且螺旋形延
伸的氣體通道的軸向氣體軸承的球形對稱的圓盤(參見圖3a)。該元件 由合金鋼制成。為了確保軸向軸承元件的可操作性，其上側(cè)以及對應(yīng) 的相對圓盤的上側(cè)必須被拋光。該元件的表面9由例如Bingen的 Balzers Verschleii3schutz GmbH以商品名稱BALINIT⑧出售的PVD硬質(zhì) 材料層10涂覆。在啟動進入操作狀態(tài)和從操作狀態(tài)停下的過程中，兩 個軸承盤相接觸，這導(dǎo)致滑動摩擦。為了獲得具有高粘接強度的涂層 10，對元件表面9進行清潔預(yù)處理，以通過利用氬離子的離子刻蝕獲 得純金屬表面9。然后，為了磨損保護，涂覆"Me-C:H"型的硬金屬-碳PVD層IO。層厚大約為4 pm。從而精確地復(fù)制了拋光后的表面光 潔度。以相同的方式處理相對的圓盤。因此，利用分別具有不同摩擦 特性的富含碳原子的相和富含金屬原子的相的目的明確的布置，可控 制磨損性能并使其適應(yīng)環(huán)境條件。獲得了對于0.01 N的測量力具有 1000 HK硬度的層10。因此即使在真空條件下，也可獲得在更高滑動 速度下對粘附磨損的高耐磨性。在實驗中，可形成完全無磨損。
權(quán)利要求
1. 一種真空泵(1)，無潤滑劑且包括吸入口(2)、排出口(3)和承載支撐在氣體軸承(5)中的氣體軸承轉(zhuǎn)子(16)的軸(4)，其特征在于至少面向軸(4)和/或面向氣體軸承轉(zhuǎn)子(16)的氣體軸承表面(9)具有硬層(10)，該硬層(10)具有在0.5至30μm范圍內(nèi)的層厚，并且由在0.01N的測量力下具有至少1000HK的顯微硬度的材料制成。
2. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于包括氣體軸承 定子元件(11)，該氣體軸承定子元件(11)被設(shè)計為具有作為氣體供 應(yīng)裝置(12)和氣體排出口 (13)的入口通道和出口通道。
3. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于只有直接面向 軸(4)的氣體軸承定子元件(11)的部分支承硬層(10)。
4. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于硬層(10)的 材料選自碳，或者金屬鎢、鉻或鈦的碳化物、氮化物或碳氮化物。
5. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于硬層(10)的層厚在整個層中的變化不超過10%。
6. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于硬層(10)的粗糙度Ra達到500nm，特別是達到100nm。
7. 如權(quán)利要求l所述的真空泵(1)，其特征在于硬層(10)的 層厚在從l至5pm，特別是從1至2.5)im的范圍內(nèi)。
8. —種用于制備如權(quán)利要求1至7中的任意一項所述的真空泵(1 ) 的氣體軸承的方法，其中通過選自PVD、 CVD、電解或者不帶電原子 或分子的注入中的涂覆方法來涂覆硬層(10)。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于將等離子體支持的PVD或CVD方法用作涂覆方法。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在涂覆操作之前的 一個處理步驟中，用離子，特別是用氬離子蝕刻表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種其中氣體軸承被涂覆硬層的真空泵，并涉及一種用于制備這樣的真空泵的氣體軸承的方法。
文檔編號F04D29/05GK101432526SQ200780015551
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者M·弗羅伊茨海姆, R·布盧門撒爾 申請人:歐瑞康萊寶真空公司