DE3413164A1

DE3413164A1 - Verfahren zur verhinderung des fressens von zusammenwirkenden, verschraubten elementen

Info

Publication number: DE3413164A1
Application number: DE19843413164
Authority: DE
Inventors: Gerald Wayne Dallas Tex. White
Original assignee: White Engineering Corp
Current assignee: White Engineering Corp
Priority date: 1983-04-22
Filing date: 1984-04-07
Publication date: 1984-10-25
Also published as: NL8401296A; GB2168724A; GB8600198D0; JPS59200803A; US4468309A; FR2544747B1; GB2142657A; NO841578L; DE3413164C2; GB2142657B; JPH0625566B2; GB8407983D0; FR2544747A1; GB2168724B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Fressen insbesondere für mit Gewinde versehene Verbindungselemente, die beim Zusammen- und Auseinanderbauen leicht fressen.

Fressen ist eine Art Verschleiß aufgrund von Haftung, der bei relativ hohen Belastungen größte Schaden hervorruft. Das Festsetzen ineinandergreifender Teile ist häufig das Ergebnis starken Fressens und tritt gewöhnlich nach kurzer Benutzung von Einrichtungen auf. Besonders verschraubte Teile sind für ihre Neigung zum Festsetzen bekannt.

Wenn zwei Flächen unter Belastung zusammengepreßt werden,

bilden die aufeinander einwirkenden Oberflächen starke 15

Bindungen aufgrund des lokalen hohen Drucks und der durch Bewegung erzeugten Wärme aus. Wenn sich diese Verbindungen an der Grenzfläche lösen, tritt nur ein geringer Schaden auf und die Teile laufen glatt aneinander. Wenn

andererseits Brüche in einem der Materialien auftreten, 20

sind große Schaden die Folge. Dieser Schaden wird Fressen genannt.

In der Vergangenheit wurden organische und anorganische Schmiermittel zur Verhinderung von Schaden durch Fressen angewandt. Eines der bekannten Verfahren war auch die metallische Galvanisierung mit Zinn und/oder Zink, die schwere Umweltprobleme aufwarf. Ebenfalls verwendet wurden Beschichtungen durch Phosphatumwandlung, wobei aber ebenfalls Umweltprobleme auftraten, darüber hinaus waren diese Beschichtungen nur auf bestimmte Substrate aufbringbar. Schmiermittel, wie das spezielle API- Gewinde-Schmiermittel, werden bei Schraubverbindern verwendet, um ein Gleiten der bewegten Teile zu ermöglichen, sofern

diese nicht chemisch, thermisch oder physikalisch zer-35

stört oder ersetzt werden. Wenn jedoch der Schmierfilm

durchdrungen wird, setzt jedoch die Kaltverschweißung der sich berührenden aktiven Oberflächen ein. Kaltverschweißungen führen zur Zerstörung durch Fressen der ineinandergreifenden Flächen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verhinderung von Fressen von aufeinander einwirkenden Metalloberflächen zu schaffen, unabhängig davon, ob es sich um Dichtungsflächen, Schultern oder Gewindeelemente handelt.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs genannten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Verhin-

derung von Fressen geschaffen, mit dem praktisch alle Probleme aufgrund von Fressen vermieden werden, die beim mehrfachen Zusammen- und Auseinanderbauen von verschraubten Verbindungen auftraten.

Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Verhinderung von Fressen zweier zusammenwirkender, miteinander verschraubter Elemente geschaffen. Bei dem Verfahren wird eine Materialschicht mit Hilfe von Hochenergie- Ionenplattierung auf die maschinell hergestellten Oberflächen zu-

mindest eines der verschraubten Elemente aufgebracht, wodurch eine dünne, mechanisch isolierende Schicht mit geringer Scherfestigkeit auf dem mit einem Gewinde versehenen Element geschaffen wird.

Mit der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Verhinderung von Fressen zweier zusammenwirkender, ineinandergreifender Gewindeelemente geschaffen, in dem eine Materialschicht mittels Hochenergie-Ionenplattierung auf die maschinell hergestellten Oberflächen beider Elemente aufgebracht wird, so daß eine dünne Schicht mit geringer

Scherfestigkeit auf beiden aufeinander einwirkenden Metalloberflächen ist, die die aktiven Atomgitterstrukturen der beiden Flächen voneinander trennt und isoliert, wenn die beiden Elemente miteinander verbunden sind, wodurch

Fressen verhindert wird.
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Schließlich wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Verhinderung . von Fressen von miteinander verschraubten Elementen geschaffen, mit dem in die Oberfläche der Elemente eine dünne, in das Basismaterial der Elemente stufenweise eindringende Schicht eingebracht wird, indem eine dünne Schicht in das Basismaterial der Elemente als integrierter Bestandteil der Atomgitterstruktur des Substrats abgestuft eingebracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen vergrößerten Schnitt einer Schraubverbindung zweier Rohrelemente;

Figur 2 einen vergrößerten Schnitt eines Gewindegangs eines der Rohrelemente gemäß Figur 1, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurde;

Figur 3 einen vergrößerten Schnitt eines Gewindegangs eines der Rohrelemente gemäß Figur 1, der nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurde;

Figur 4 ein Diagramm, das wiedergibt, wie sich die Zusammensetzung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichten bei Mehrfachbeschichtungen ändert;

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Figur 5 Schematisch den Einsatz von Ionenplattierung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 6 schematisch den Einsatz von Zerstäubungsverfahren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Figur 7 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung ^₀ des Verfahrens zur Beschichtung von Gewinde

elementen eines langgestreckten Rohrelements.

Das Erfindungsgemäße Verfahren zur Verhinderung von Fressen ist für viele verschiedene Anwendungen geeignet. Das

. ρ- Problem des Fressens bei Gewindeverbindungen tritt besonders in der Öl- und Gasindustrie beim Verbinden und Lösen von Förderleitungen auf. Das Problem des Fressens ist besonders groß bei Rohrleitungen aus hochlegiertem rostfreiem Stahl und bei Legierungen auf Nickelbasis, die bei

2_ der Ölförderung zur Überwindung von Korrosion in Bohrlöchern verwendet werden.

Figur 1 zeigt ein rohrförmiges Element, beispielsweise ein erstes Rohr 10, mit ersten Gewindegängen 12, die mit zweiten Gewindegängen 14 auf einem mit dem ersten Rohr 10 zusammenwirkenden rohrförmigen Element, beispielsweise einem zweiten Rohr 16, zusammenwirken. Die Schraubverbindung zwischen den Rohren 10 und 16 weist ebene Flächen 20 und 22 sowie Dichtungsbereiche 24 und 26 auf. In Figur 1 ist eine spezielle Verschraubung dargestellt; das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich jedoch auf alle Arten von Verschraubungen. Fressen kann zwischen beliebigen Teilen der Verschraubung auftreten, jedoch treten üblicherweise die größten Schaden durch Fressen in den Dichtungsbereichen 24 und 26 auf.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Metallschicht aufgebracht, die in die Oberfläche der metallenen Gewindegänge 12 und 14, der ebenen Fläche 20 und 22 sowie der Dichtungsbereiche 24 und 26 stufenweise eingebracht wird. Die Metallschicht wird als integraler Teil des Substrat-Atomgitters als gleichmäßig abdeckende Schicht mit gleichbleibender Dicke mittels Hochenergieablagerung von atomgroßen Teilchen des gewünschten, zweckmäßigen Materials aufgebracht. Die Metallschicht kann irgendein relativ weiches Metall mit niedriger Reibung, guter Haftung und geringer Scherfestigkeit sein, z.B. Gold, Silber, Blei, Zinn, Indium, Palladium oder Kupfer, das mit Hilfe von Hochenergie-Ionenplattierung als dünne, direkt mit dem maschinell bearbeiteten Gewindeprofil verbundene

^^ Schicht aufgebracht wird. Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein mit einer dünnen Schicht versehenes, maschinell bearbeitetes Profil geschaffen, auf dessen Außenfläche eine oder mehrere Schichten mittels Ionenplattierung mit Partikeln hoher Energie aufgebracht

2® sind. Es können auch andere Arten weicher Schichten verwendet werden, wie z.B. anorganische Verbindungen mit Schichtgitterstruktur etwa Molybdändisulfid.

Außerdem kann es bei Verwendung von korrosionsbeständigen Legierungen für die Rohre 10 und 16 erwünscht sein, eine oder mehrere Grenzschichten aus hartem Metall vorzusehen, etwa aus Chrom, Titan oder aus verschiedenen gehärteten, hitzebeständigen Materialien wie Metallkarbid, Metallnitrid, keramischen Substanzen oder Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen (cermets). In diesem Fall vermischt sich das Äußere der harten Schichten mit einer Lage der weicheren, mechanisch isolierenden Schichten, so daß die härtere Ausgangsdeckschicht gleitfähig wird.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Gewindegangs 14, aus dem der aus einer dünnen Schutzschicht sowie einer Außenschicht bestehende, abgestufte Aufbau der Legierung- ersichtlich ist, wobei beide Schichten mittels Bedampfung mit Teilchen hoher Energie oder mittels eines Ionenplattierungsverfahrens aufgebracht wurden. Bei Beginn der Ablagerung kommen die aufgrund der elektrischen Ladung beschleunigten Ionen an und werden in der Substrat-Gitterstruktur 30 begraben. Während des Aufbaus der Schicht, beispielsweise bei Verwendung harter Metalle wie Chrom, wird eine dünne Schicht 32 abgelagert, die der Oberfläche des zweiten Gewindeganges 14 Festigkeit und Haltbarkeit verleiht. Bei weiterem Schichtaufbau beginnt die Abstufung der Materialien, wobei das harte, unten liegende Material der dünnen Schicht 32 stetig prozentual

abnimmt, während der prozentuale Anteil einer äußeren Materialschicht 34, beispielsweise aus Gold, stetig zunimmt. Die Gesamtdicke der beiden Schichten 32 und 34 beträgt etwa 1 bis 1,2 ,um. Die Materialschicht 34 kann beispielsweise etwa 0,2,um betragen. Auf Wunsch können

auch mehrere Schichten verwendet werden, beispielsweise eine innere Schicht aus Titan, eine zweite Schicht aus Titankarbid und eine äußere Schicht aus Titannitrat.

In Figur 3 ist eine Beschichtung des Gewindegangs 14 mit

einer einzigen Schicht dargestellt. Die einschichtige Beschichtung kann dort verwendet werden, wo Fressen weniger schwerwiegend ist, als dies dort der Fall ist, wo mehrschichtige Beschichtungen gemäß Figur 2 notwendig sind. Eine aus einem einzigen Element bestehende Beschichtung

kann aus einer einzigen Materialschicht 36 bestehen, die mittels eines Teilchen hoher Energie verwendenden Ionenplattierung-Verfahrens auf den Gewindegang 14 aufgebracht wird. Es hat sich herausgestellt, daß aufgrund von einschichtigen Beschichtungen aus Kupfer, Indium oder Gold

Gestängerohrverbindungen lOmal zusammen- und auseinander-

gebaut werden können, während dies bei unbeschichteten Verbindungen nur halb so oft der Fall ist.

Um die Haftung der Materialschicht 36 auf dem Gewindegang 14 zu verbessern oder um Probleme zu vermeiden, die auf einer schwachen Affinität der Materialschicht 36 mit dem Gewindegang 14 beruhen, ist eine dünne Schicht bzw. Zwischenschicht 38 von etwa 0,2,um vorteilhaft, die aus einem wechselseitig aktivem Material wie Nickel besteht. Die gleichmäßige, dreidimensionale Beschichtungscharakteristik der Ionenbeschichtung ermöglicht auch das Schichtwachstum auf einer der mit einem Pfeil 42 angezeigten Plattierungsstromung abgewandten Fläche 40.

. p. Figur 4 zeigt eine Skizze der Legierungszusammensetzung in Prozent über der Ablagerungsstärke eines Materials A, Linie 44, und eines Materials B, Linie 46. Material A kann beispielsweise eine Chromschicht 32 gemäß Figur 2 und Material B beispielsweise eine Goldschicht entsprechend der äußeren Materialschicht 34 in Figur 2 sein. Für die ersten 0,4,Um der Dicke ist die Schicht 32 wesentlich härter. Bei weiterer Ablagerung beginnt sich das weichere Material B der Schicht 34 abzulagerun und prozentual zuzunehmen, während der Anteil des Materials A

_„ der Schicht 32 abnimmt. In den äußeren 0,2 ,um der Dicke /

besteht die Schicht im wesentlichen ganz aus weicherem Material beispielsweise aus Gold wie in der Schicht 34.

Das Aufbringen der dünnen Schichten auf die Rohre 10 und 16 kann durch mehrere verschiedene Verfahren ausgeführt werden, z.B. durch chemisches Bedampfen, durch Verdampfen im Vakuum, was auch als physikalisches Bedampfen bezeichnet wird, durch Zerstäuben mit Hochfrequenz, Gleichstrom und verschiedenen Magnetronarten sowie durch Ionenplattierungen gemäß US-PS Re. 30 401.

Wichtig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das verbesserte Ionenplattierungs- oder Ionenbeschichtungsverfahren mit hoher Teilchenenergie, die zum Beschichten von Substraten wie Rohrgewinden mit vielen verschiedenen Mapterialien bei einer hohen Ablagerungsrate nötig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen hohen Energiefluß zur Substratoberfläche, was zu einer hohen Oberflächentemperatur, einer besseren Diffussion und besseren chemischen Reaktionen führt, ohne daß eine Erwärmung

.p. (bulk heating), eine Änderung der Oberfläche oder der Grenzflächenstruktur notwendig wäre, und ohne daß sich die Schicht bei der Ablagerung physikalisch vermischt. Mit der Ionenplattierung werden schnelle Ablagerungsraten erreicht, die dünne Schichten von einigen Millimetern und

, nicht nur von einigen Zehntel ,um Dicke ermöglichen. Die erhöhte, den Ionen erteilte Ausgangsleistung erleichtert vorteilhaft die Beschichtung von großen ungleichmäßig geformten Gegenständen und von innen liegenden Durchmessern und Gewindegängen mit einer gleichmäßigen Schicht, deren

_?n Stärke sehr dünn, aber auch bis zu einigen Millimetern dick sein kann.

In Figur 5 ist die verbesserte, erfindungsgemäße Ionenplattierungsvorrichtung mit einer Verdampfungsquelle dargestellt, in der die durch Verdampfung freiwerdenden Atome durch Zusammenstöße mit Elektronen ionisiert werden, während sie durch ein Magnetfeld hindurch zum Substrat wandern, um das Material, das in das Substrat eingebracht werden soll, im Bereich des Substrats in plasmatischen Zustand zu versetzen. Die zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete lonenplattierungs-Vorrichtung 50 hat ein eine Kammer einschließendes und zur Erzeugung von Vakuum geeignetes Gehäuse 52. Das Gehäuse 52 kann senkrecht oder horizontal

angeordnet sein und besteht aus einem beliebigen Mate-35

rial, das zur Aufrechterhaltung von Vakuum geeignet ist. Das Gehäuse 52 hat einen von einem ersten Ventil 56 gesteuerten Auslaß 54, der zu einer nicht dargestellten Pumpe zur Evakuierung des Gehäuses 52 führt. Die Ionen-_R plattierungsvorrxchtung 50 kann über ein zweites Ventil 57 wieder auf Atmosphärendruck gebracht werden.

Im Gehäuse 52 befindet sich eine Befestigung 58 zum Halten eines oder mehrerer Substrate 60. Wie in Figur 5 dargestellt, weist das Substrat 60 ein Innengewinde für eine Rohrverbindung auf. Es sind eine Gleichspannungsquelle 61 sowie eine Hochfrequenzquelle 62 vorgesehen, die mit der Befestigung 58 verbunden sind, um von einer Materialverdampfungsquelle ausgehende positive Ionen in Richtung auf das Substrat 60 anzuziehen. Als Verdampfungs-5

quelle kann jede beliebige, geeignete Quelle zur Verdampfung von Beschichtungsmaterial gewählt werden, beispielsweise ein feuerfester Bolzen, eine Elektronenstrahlkanone, ein durch Induktion erhitzter Tiegel, ein Lichtbogen oder, wie in Figur 5 dargestellt, ein oder mehrere elektrische Drähte, die als Verdampfungsquellen 64 und 66 dienen, und die jeweils mit Spannungsquellen 68 und 70 verbunden sind. Zwei solche Verdampfungsquellen 64 und 66 können zur Ablagerung verschiedener Materialien und zur

Ablagerung zu verschiedenen Zeiten verwendet werden.
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Mit dem Gehäuse 52 ist eine von einem Dosierventil 74 gesteuerte Gasversorgungsleitung 72 verbunden, durch die ein Eingangsgas in das Gehäuse 52 eingebracht werden kann. Das eingeleitete Gas kann ein Edelgas oder ein leitendes Gas zur Durchführung spezifischer Funktionen sein; es kann z.B. zum Beschluß durch Edelgasionen zur Reinigung des Substrats 60 vor dem Beschichtungsvorgang dienen oder zur Kollisionsstreuung der durch Verdampfung

freigesetzten Atome, um die Gleichmäßigkeit der Beschich-35

tung dreidimensionaler Gegenstände zu verbessern. Der Hochfrequenzgenerator 62 dient für diese Zwecke, da das Versprühen unter Hochfrequenz im allgemeinen besser reinigt als das Versprühen mit Gleichspannung. Darüber hinaus kann das Eingangsgas ein metallhaltiges Gasplasma zur Erreichung einer hohen Eindringtiefe in Metall sein.

Die Befestigung 58 ist mit einem Arm oder einem Magneten 76, der beispielsweise Permanentmagnente oder Elektro-.-magnete aufweist, sowie mit Magneten 78 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 80 nahe des Substrats 60 versehen, so daß durch Verdampfung freigesetzte Atome, die sich durch sich spiralförmig im Magnetfeld 80 bewegende Elektronen bewegen, durch Zusammenstöße mit Elektronen ionisiert werden und sofort von dem hohen negativen Potential angezogen werden, das von der negativen Ladung der Gleichspannungsquelle 61 erzeugt wird. Alle Verbindungen zum Inneren des Gehäuses 52 werden durch Isolatoren 82 geleitet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Figur 5 dargestellte Hochenergie-Ionenplattierungsvorrichtung 50 über den Auslaß 54 auf ein geeignetes

-4

Vakuum beispielsweise 10 mmHg evakuiert. Wenn das Substrat 60 aus chemischen oder physikalischen Gründen ge-

reinigt werden soll, kann über die Gasversorgungsleitung 72 Gas in das Gehäuse 52 geleitet werden, beispielsweise bei einem Druck von 10 bis 20 χ 10 mmHg, und ein durch das Gasgebildetes Hochfrequenzplasma wird die Oberfläche des Substrats 60 bombadieren und vorzugsweise die Reinigung bewirken. Nach der Reinigung wird das Gas aus dem evakuierten Gehäuse 52 vor Beginn des Beschichtungsvorgangs abgezogen.

Über die Gleichspannungsquelle wird eine negative Gleich-35

Spannung, beispielsweise 3 bis 5 kV an die Befestigung 58

gelegt, die als Kathode dient, um positive Ionen durch den Hochspannungsabfall in Richtung auf das Substrat 60 anzuziehen. Die Beschichtung beginnt, sobald einer oder beide elektrischen Drähte, die als Verdampfungsquellen 64 und 66 dienen, auf eine Temperatur erhitzt sind, die hoch genug ist, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen. Wenn die Verdampfungsquellen 64 und 66 widerstandserhitzte Quellen sind, werden als Spannungsquellen 68 und 70 Wechselspannungsversorgungen mit niedriger Spannung -IQ und hohem Strom verwendet.

Die Magneten 76 und 78 liefern ein Magnetfeld 80 für bei der Verdampfung entstehende thermionische Elektronen, so daß diese sich spiralförmig bewegen und einen dichten

_l ₅ Ionisationsquerschnitt für die Atome des verdampfenden Materials bilden, die auf dem Weg zum Substrat 60 durch die Elektronenwolke hindurchtreten. Auf diese Weise ist die Ionisation im Bereich des Substrats 60 am größten also dort, wo auch der größte Bedarf ist. Entweder einer

2Q oder beide elektrischen Widerstandsdrähte der Verdampfungsquellen 64 und 66 können durch Veränderung der Eingangsleistung der zugehörigen Spannungsquellen 68 und 70 verwendet werden, um eine oder mehrere Materialschichten auf dem Substrat 60 zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand einer herkömmlichen Ionenplattierungsvorrichtung 50 beschrieben, es kann jedoch auch die Zerstäubungstechnik angewandt werden. Figur 6 zeigt eine Zerstäubungseinrichtung 90 mit ähnlichen und entsprechenden Teilen wie sie anhand von Figur 5 bei der Ionenplattierungsvorrichtung 50 beschrieben wurden. Die Zerstäubungseinrichtung 90 weist eine Kathode 92 aus Beschichtungsmaterial auf. Das Substrat 60 wird in einem inerten Plasma 94 angeordnet, das von einer Spannungsversorgung 96 aufrechterhalten wird. Die Span-

nungsversorgung 96 kann eine Hochfrequenz- oder Gleichspannungsversorgung sein. Das Substrat 60 kann auf Erdpotential oder mit Hilfe der Spannungsquelle 98 auf einen negativen Potential gehalten werden. Positive Ionen 100 des Plasmas 94 aus inertem Gas bombadieren die negative Kathodenoberfläche der Kathode 92 und schlagen durch die Zusammenstöße aus dem Material der Kathode 92 Atome heraus, von denen einige zum Beschichten des Substrats 60 übertreten.

Die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Ionenplattierung gemäß Figur 5 bzw. der Zerstäubungsplattierung gemäß Figur 6 sind zur Beschichtung kurzer, mit

_,,- einem Gewinde versehener Produkte geeignet, bespielsweise für Verbindungsstücke, jedoch nicht für ein Gehäuse 52 mit einer Vakuumeinrichtung, das die üblicherweise in Ölländern verwendeten Rohre von etwa 9 bis 12,2 m Länge einschließt. Ein weiteres Ziel des erfindungsgemäßen Ver-

P₀ fahrens ist die Schaffung einer Ionenplattierungsvorrichtung zur Ablagerung einer Materialschicht auf den maschinell bearbeiteten Profilen eines langgestreckten Rohrelements, wobei der Bau einer Vakuumvorrichtung vermieden wird, der lang genug wäre, das Rohrelement ganz einzuschließen. Das Beschichtungsverfahren ist so gewählt, daß nur das notwendigerweise maschinell bearbeitete Profil des Rohrs von Vakuum umgeben sein muß. Darüber hinaus können ein oder mehrere mit Gewinde versehene Elemente des Rohres gleichzeitig beschichtet und das Rohr gedreht werden, um die Gleichmäßigkeit der Schicht zu verbessern.

In Figur 7 ist eine Rohrgewindebeschichtungsvorrichtung 120 dargestellt, in der die maschinell hergestellten Profile 124 und 126 eines Rohres 122 gleichzeitig beschichtet werden können. Obwohl nur ein Rohr 122 dargestellt

ist, könne mit der in Figur 7 dargestellten Vorrichtung mehrere Rohre 122 gleichzeitig beschichtet werden. In Figur 7 werden gleiche Bezugszeichen für gleiche und entsprechende Teile gemäß Figuren 5 und 6 verwendet.

In ein Gehäuse 52 ragt das maschinell hergestellte Profil 124 des Rohrs 122. Das Gehäuse 52 schließt einen Auslaß 54 mit einem ersten Ventil 56 ein, das mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe zur Evakuierung des Innenraums des Gehäuses 52 verbunden ist. Das Gehäuse 52 ist außerdem mit einer Gasversorgungsleitung 72 versehen, die von einem Dosierventil 74 gesteuert wird. Eine geeignete Materialverdampfungseinrichtung ist vorgesehen, beispielsweise ein elektrischer Draht 64. Natürlich kann ein zusätzlicher Draht 66 mit einer zugehörigen Spannungsquelle 70

gemäß Figur 5 bei der Rohrgewindebeschichtungsvorrichtung 120 ebenfalls verwendet werden. Der Draht 64 ist vorzugsweise nahe dem äußeren des mit einem Gewinde versehenen Elements 124 angeordnet. Der Draht 64 ist mit einer Spannungsquelle 68 verbunden. Das Rohr 122 wird mit Hilfe

von Antriebswalzen 130 gedreht, die das Rohr 122 in Richtung des Pfeils 130a drehen.

Es ist eine Gleichspannungsquelle 61 vorgesehen, die eine negative Gleichspannung an dem Rohr 122 herstellt, damit

das von dem Draht 64 verdampfte Material an das maschinell hergestellte Profil 124 angezogen wird. Darüber hinaus ist im Inneren des Rohres 122 in der Nähe des Profils 124 ein Magnet 76 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 80 vorgesehen.

Da es schwierig ist, die Enden eines Rohres 122 in ein Gehäuse 52 einzubringen und darin zur Aufbringung einer Materialschicht auf die Profile 124 und 126 ein Vakuum aufrechtzuerhalten, während das Rohr 122 gedreht wird, ist das Gehäuse 52 mit einem an einem Flansch befestigten

Ansatz 132 versehen. Der Ansatz 132 kann mit Hilfe von

Querwänden 134, 136 und 138 in mehrere Kammern 140, 142 und 144 unterteilt. Die Querwände 134 bis 138 weisen

Dichtungsringe 146 auf, die in leichtem Kontakt mit der

Oberfläche des Rohrs 122 stehen und das Eindringen von

Gas in die Kammern 140, 142 und 144 und in das Innere des evakuierten Gehäuses 52 auf ein Minimum begrenzen.

Die Kammer 144, die vom Gehäuse 52 am weitesten entfernt

-IO ist, wird über eine Leitung 148 und ein Ventil 150 unter einen leichten Überdruck mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, gesetzt. Wenn Argon aus der Kammer 144 durch die Querwand 138 austritt, so gelangt es an die Umgebungsluft, und sollte Argon durch die Querwand 136 austreten,

-j 5 gelangt es in die benachbarte Kammer 142. Die Kammer 142 ist über eine Leitung 152 und ein Ventil 154 mit einer nicht dargestellten Pumpe verbunden, die mehr Gas abpumpt als durch ein Leck von der Kammer 144 eindringt, so daß der absolute Druck in der Kammer 142 etwa 0,1379 bar beträgt. Diese Anordnung begrenzt den Druckunterschied, der ein Leck zwischen den Kammern 144 und 142 ermöglicht. Zusätzlich ist eine weitere, nicht dargestellte Pumpe über eine Leitung 156 und ein Ventil 158 mit der Kammer 140 verbunden, um den Arbeitsdruck auf einem Wert von

nc unter 1 mmHg zu halten. Zusätzliche Kammern können je nach Rauhigkeit des Rohrs 122 und je nach dem mit den Dichtungsringen 146 erreichten Dichtungsgrad notwendig sein. Bei Verwendung der Kammern 140, 142 und 144 ist der Betrag von Argon, der von der Kammer 144 in die evakuiorte Kammer innerhalb des Gehäuses 52 sickert, relativ gering und alles Argon, das in das Gehäuse 52 gelangt, kann über die Leitung 54 abgepumpt werden.

Wenn das Innere des Rohres 122 verschlossen ist, verläuft das Verfahren zur Beschichtung des Profils 124 ähnlich,

wie bei der Ionenplattierungsvorrichtung 50 gemäß Figur 5 und der Zerstäubungseinrichtung 90 gemäß Figur 6. Aufgrund der ungleichen Oberflächenrauhigkeit der Rohre 122 und der veränderlichen Leckrate von Mal zu Mal ist der wirkliche Argondruck in der Kammer des Gehäuses 52 bei jedem Verfahrensablauf immer verschieden. Es ist daher notwendig, ein Magnetfeld 80 als unabhängige Ionisationseinrichtung zu verwenden, wobei das Magnetfeld 80 durch Einbringen eines Magnets 76 im Bereich um das Profil 124

..Q aufgebaut wird, in dem die Beschichtung gewünscht wird. Durch Verdampfung freigesetzte Atome bewegen sich zwischen den Elektronen hindurch, die sich im Magnetfeld 80 spiralförmig bewegen, und werden durch Zusammenstöße mit diesen Elektronen ionisiert und sofort von dem von

. p. der Sp annungs quelle 61 aufgebauten hohen negativen Potential des Rohres 122 angezogen.

Zur vorangegangenen Beschreibung des Verfahrens ist anzumerken, daß zur Ionisation kein Gas vorhanden zu sein braucht. Wenn jedoch bei sehr unregelmäßigen Oberflächen eine gleichmäßige Schicht erforderlich ist, kann ein wenig Edelgas hinzugefügt werden, um das Material zu zerstreuen und eine gleichmäßigere Schicht zu erhalten.

Wird Edelgas, beispielsweise Argon, bei einem Druck von

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unter 10 χ 10 bis 20 χ 10 mmKg, dem typischen Ionisationsdruck, verwendet, so beeinträchtigt dies nicht die Schichteigenschaften durch Gaseinschlüsse in der abgelagerten Schicht.

Das Profil 124 wird, wie gesagt, im Vakuum beschichtet. Zwar könnte ein Stopfen im Inneren des Rohres 122 angeordnet werden, um das Profil 124 unter Vakuum zu halten, doch ist es vorteilhaft beide Profile 124 und 126 im gleichen Vakuum zu beschichten, um Kosten und Zeit für die zweimalige Evakuierung des Rohres 122 zu sparen. Eine

Endkappenanordnung 170 ermöglicht die gleichzeitige Ablagerung einer Materialschicht auf dem Profil 126 sowie dem Profil 124 unter voller Ausnutzung des Vakuumpumpensystems im Gehäuse 52.

Die Endkappenanordnung 170 weist ein Kappenelement 172 mit mehreren Dichtungen 174, 176 und 178 auf, von denen eine, beispielsweise die Dichtung 178 am Ende des Rohres 122 anliegt. Wenn im Inneren des Rohres 122 durch Pumpen ein Vakuum hergestellt wird, wird die Dichtung 178 durch den Atmosphärendruck dicht angedrückt, so daß sich das Kappenelement 172 mit dem Rohr 122 dreht.

Ein Körper 180 ist drehbar in der Endkappenanordnung 170 angebracht; er besteht aus einem beliebigen Kunststoff, der gut isoliert, eine geringe Reibung aufweist und hitzebeständig ist und beispielsweise unter der Marke TEFLON (PTFE) verkauft wird. Der Körper 180 wird von einer Klammer 181 erfaßt und wird an der Drehung gehindert. Eine geeignete Dichtung 182 an der Stirnseite und eine O-Ring-Dichtung 184 verhindern Leckagen. Es ist eine geeignete Verdampfungsquelle, beispielsweise ein Draht 190 vorgesehen, der über durch den Körper 180 verlaufende elektrische Leitungen 194 mit einer Spannungsquelle 192 verbunden ist. Vorzugsweise innerhalb des Rohres 122 ist

2^ in der Nähe des Profils 126 in dem Bereich ein Magnet 196 vorgesehen, in dem die Beschichtung erwünscht ist, um eine dichte Elektronenwolke zur Ionisation aufgrund von Zusammenstößen zu schaffen. Magnetische Kraftlinien 198 des Magnets 196 fangen Elektronen ein, die den erhitzten Draht 190 aufgrund von Thermoemission verlassen. Dadurch werden Atome der Verdampfungsquelle in der Klcklroncnwolke positiv ionisiert und durch die von der Spannungsquelle 61 erzeugte hohe negative Polarität in Richtung

auf das Rohr 122 beschleunigt.
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Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Verhinderung von Fressen mit Gewinde versehenen Elementen geschaffen, indem eine Materialschicht durch Hochenergie-Ionenplattierung auf das maschinell hergestellte Profil zumindest eines Elements aufgebracht wird, um eine dünne Schicht auf die Flächen eines Rohres zu bringen, bei denen Metall auf Metall wirkt.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Verhinderung des Fressens von zusammenwirkenden, verschraubten Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Materialschicht mittels Hochenergie-Ionenplattierung auf ein maschinell hergestelltes Profil (14) zumindest eines der Elemente (10, 16) aufgebracht wird, um mindestens eine dünne, mechanisch isolierende Schicht (32, 34, 36) mit geringer Scherfestigkeit auf den aufeinander einwirkenden Metalloberflächen zu schaffen, damit diese voneinander getrennt sind und ein Festfressen verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der mit einem Gewinde (14) versehenen Elemente (16) beim Aufbringen der Schicht (32, 34, 36) zur Herstellung einer gleichmäßigen Schicht (32, 34, 36) gedreht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Materialschichten (32, 34) auf dem maschinell hergestellten Profil (14) abgelagert werden, wobei die innere Schicht (32) härter als die äußere Schicht (34) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) beispielsweise aus Gold, Silber, Blei, Zinn, Indium oder Kupfer besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine gehärtete hitzebeständige Materialschicht ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete, hitzebeständige Materialschicht eine Metallkarbidschicht ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete, hitzebeständige Materialschicht eine Metalloxidschicht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete, hitzebeständige Materialschicht eine Metallnitridschicht ist.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke in einem Bereich von etwa SI-Einheiten verwenden 0,1/um bis 1 mm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der mehreren Schichten in einem Bereich von etwa 0,05_/um bis 6 mm liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine anorganische Verbindung mit Schichtgitterstruktur ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine Palladiumschicht ist.
13. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (32) Chrom und die äußere Schicht (34) Gold aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Chromschicht etwa 0,2 bis 0,4 ,um und die Dicke der äußeren Goldschicht etwa 0,2,um beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine von einer äußeren Schicht (34) überlagerte Nickelunterlage (32) ist.
16. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine Gold und Kupfer enthaltende Legierung ist.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine Palladium und Kupfer enthaltende Legierung ist.

Γ34Ί3164
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine Palladium und Gold enthaltende Legierung ist.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (32, 34, 36) eine Palladium und Silber enthaltende Legierung ist.