NL8500833A

NL8500833A - Pijp met binnenlaag.

Info

Publication number: NL8500833A
Application number: NL8500833A
Authority: NL
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1984-04-19
Filing date: 1985-03-21
Publication date: 1985-11-18
Also published as: ZA852617B; SE8501902D0; SE463278B; CH663455A5; GB2158103B; SE8501902L; GB2158103A; DE3506012C2; IT1184190B; US4641450A; FR2563318B1; GB8508898D0; JPS60238475A; IT8520038A0; FR2563318A1; DE3506012A1

Description

* ~ N033046 1

Pijp met binnenjaag.

Beschrijving

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een pijp, in het 5 bijzonder een wapenloop, waarvan het binnenoppervlak is voorzien van een dunne laag van een hard materiaal, om deze tegen slijtage en corrosie te beschermen en om de wrijving te verminderen.

Om de hechtkracht en de weerstand tegen afwrijven van in vacuilm opgebrachte lagen te verbeteren, werden reeds verschillende maatregelen 10 getroffen; het is bijvoorbeeld bekend, dat door kathode-verstuiving opgebrachte lagen beter hechten op veel onderlagen dan door gewoon opdampen opgebrachte lagen. Ook de nieuwere werkwijzen van opdampen met behulp van ionen kunnen gebruikt worden, om een verhoogde hechtkracht te bereiken.

15 Al deze bekende maatregelen voldoen echter niet, wanneer lagen bij het gebruik zwaarder en vaker belast worden door rek, zoals dit juist bij wapenlopen tijdens het schieten het geval is.

Buizen met van een laag voorzien binnenoppervlak worden voor de meest verschillende doeleinden gebruikt en met de meest verschillende 20 werkwijzen voor het aanbrengen van de laag vervaardigd, bijvoorbeeld door insmelten (DE-0S-2.841.295, DE-OS-3.237.655) door chemische afscheiding uit de gasfase (DE-OS-2.718.148) door opdampen (Amerikaanse ftctrooischriften 4.354.456 en 4.407.712) of door kathode-verstuiving (DE-AS-2.810.301, DE-OS-2.655.942, DE-OS-2.729.286, Duits octrooi- \ 25 schrift 976.529, DE-OS-3.150.591).

De bekleding met een laag van wapenlopen wordt slechts zelden uitdrukkelijk vermeld, bijvoorbeeld door Gibson (Duits octrooischrift 3.150.591) in samenhang met een werkwijze die gebruik maakt van kathode-verstuiving of door Königer c.s. (Duits octrooischrift 2.537.623) en 30 door Meistrung c.s. (DE-AS-2.809.709).

Het zou doelmatig zijn, wapenlopen te voorzien van een blnnenlaag van harde stoffen, om een verbetering van de slijtage- en corrosiebe-stendigheid en een vermindering van de wrijving te bereiken. Desondanks is tot nu toe geen succesvolle binnenlaag van dit soort bekend gewor-35 den. De reden daarvoor werd tot nu toe daarin gezien, dat de hecht- sterkte van de laag harde stof onvoldoende is, een probleem, dat bij de in werkelijkheid toegepaste diffusieharding wegens het niet aanwezige binnengrensvlak van het begin af aan niet optreedt.

In DE-AS-2.809.709 wordt een dikke (ongeveer 1,3 mm) door een 40 thermische spuitwerkwijze op een kern gebrachte keramiek laag beschre- 85 0 0 8 3 3 .'>1 é 2 ven, die dan door het opkrimpen van een pijp op deze overgedragen wordt. Zo'n dikke laag bezit uit zichzelf natuurlijk een hoge sterkte en is daarom niet alleen op de hechtsterkte op het substraat aangewezen, zoals het bij de hier beschouwde dunne (dunner dan 10 ym) lagen 5 het geval is. Men zou eigenlijk beter van een ingezette keramiekpijp kunnen spreken, die door spuiten vervaardigd werd.

Het doel van de onderhavige uitvinding is een pijp met een van binnen opgebrachte laag zodanig uit te voeren, dat de laag bij rek tengevolge van hoge drukken in het inwendige van de pijp en eventueel ook 10 bij hogere temperaturen tijdens het gebruik niet afbladdert. Dit doel wordt bereikt door een pijp met een van binnen opgebrachte laag van een in verhouding tot de pijp harder materiaal, met het kenmerk, dat de laag bij de voorziene gebruikstemperatuur in zijn vlak met ten minste Δ F/F =» 1 x 10”3 gestuikt is.

15 Daarbij duidt F de oppervlakte van de laag aan en AF de oppervlak te, waarmee de laag bij het stuiken verkleind wordt; AF/F = 10“^ betekent dus, dat de oppervlakte van de laag met 1 promille verkleind wordt.

Op verrassende wijze is gebleken, dat de op de binnenkant van de 20 pijp aangebrachte gestuikte lagen krachtig hechten, ook wanneer lagen van hetzelfde materiaal, die op zich op dezelfde wijze doch zonder stuiken tijdens het opbrengen vervaardigd werden, bij latere belasting door rek gemakkelijk loslaten. Men kan vermoeden dat tengevolge van de door scheuren ontstane kerven de hechting van de laag ten opzichte van 25 belasting door wrijving, zoals deze bijvoorbeeld bij een schot in de wapenloop optreedt, sterk verminderd wordt.

Wat de mate van de benodigde stuiking van de laag betreft, moet in ogenschouw genomen worden, tot op welke hoogte de pijp door de vervorming bij het latere gebruik rek ondergaat. De stuiking in procenten van 30 de laag moet ten minste net zo groot, op doelmatige wijze echter iets groter gekozen worden dan de rek in procenten die bij het gebruik optreedt om scheurvorming door te grote rek van de laag met zekerheid te vermijden.

Bij schietproeven met wapenlopen met binnenlagen van verschillende 35 soorten dunne harde stoffen bleek op verrassende wijze, dat inderdaad slechts dan een verhoogde bestendigheid tegen slijtage bereikt kon worden, wanneer de lagen onder een voldoend grote drukspanning (compressie) stonden, en wel moesten de lagen, zoals gezegd, in hun vlak met ten minste AF/F » 1/1000 gestuikt zijn. Dit vormde een tegenspraak met 40 de tot nu toe geldende resultaten van afscheurproeven, waarbij de lagen 85003*3 3 met kleine spanningen een hogere hechtkracht vertoonden. Men kan uit deze resultaten concluderen, dat niet de hechtkracht van de laag zelf de begrenzende factor is, aangezien deze door de uitvinding Immers aanzienlijk verbeterd kon worden.

5 Bijzonder gunstig is het gebruik van de uitvinding in die geval len, waarin de op te brengen lagen zelf niet voldoende taai zijn en daarom al bij een iets te grote rek scheuren.

De door middel van schietproeven met buizen volgens de uitvinding verkregen experimentele resultaten stemmen overeen met het volgende 10 model: lagen die met de vermelde hoeveelheid of meer gestuikt zijn, worden tijdens het schot en de daarbij optredende zwelling van de pijp niet op de trek belast maar veeleer door de door de stuiking opgeroepen drukspanning ontlast. Door deze tijdelijke ontlasting wordt de hechtkracht van de laag tijdens het schot eerder zelfs verbeterd. Er onstaan 15 geen breuken en scheuren in de laag, zolang hij onder drukspanning staat. Dit zou een wezenlijke bijdrage kunnen leveren aan de stabiliteit van de laag.

Er zijn verschillende bekende werkwijzen voor het vervaardigen van gestuikte lagen zoals zij bij de uitvinding nodig zijn. Bij laag-ma-20 terialen met - in verhouding tot het pijp - kleinere warmte-uitzet-tingscoè'fficiè'nten kan men een stuiking van de laag bereiken door een temperatuurverhoging tijdens het aanbrengen van de laag: Δ F/F - 2 Δ 1/1 - 2 (aaubstraat - . laag> Δ I 25

Het is echter gebleken, dat deze bekende werkwijze voor het bereiken van de benodigde stuiking van de laag weliswaar wezenlijk bijdragen kan, doch in veel gevallen voor een voldoende stuiking alleen niet voldoet. De pijp mag namelijk tijdens het aanbrengen van de laag niet zo 30 heet gemaakt worden, dat het staal zijn hardheid verliest. De temperatuur bij het aanbrengen van de laag wordt daarom ongeveer gelijk gekozen aan de aanlooptemperatuur, bijvoorbeeld 550°C. Bij een schot wordt de pijp weer verhit, en deze mag ter plekke van de laag temperaturen bereiken overeenkomstig die tijdens het aanbrengen van de laag. De te-35 gelijkertijd door de overdruk bij het schot veroorzakte rek van de pijp leidt, zoals uitgelegd, tot een ontlasting van de stuikspanning en dit laatste verhindert het openscheuren van de laag.

In de laatste tijd zijn verdere werkwijzen voor het aanbrengen van lagen in vacuifiu bekend geworden, waarbij een grotere compressie van het 40 materiaal van de laag door de inwerking van hoog energetisch ionen be- 8500333 4 reikt werd. In dit verband wordt naar de volgende literatuurplaatsen verwezen: J.A. Thornton c.s., Thin Solid Films 64 (1979) 111 5 J.A. Thornton c.s., J. Vac. Sci. Technol. 14 (1977) 164 D.W. Hoffmann c.s., J. Vac. Sci. Technol. 17 (1980) 380 en 425 M.R. Gaertner c.s., US-PS-4.256.780

Voor het opbrengen van de lagen kunnen de bekende werkwijzen en 10 inrichtingen voor het aanbrengen van binnenlagen van pijpen gebruikt worden. Een inrichting voor het behandelen van de binnenwand van een pijp, die bijzonder geschikt is voor het aanbrengen van een laag bij verhoogde temperatuur en bij ionenbeschieting, is in de octrooiaanvrage nr. 2544/83 beschreven.

15 Als voorbeeld werden lagen van titaannitride, titaankarbide, ti- taanboride en wolfraamkarbide op de binnenkant van pijpen opgebracht. Over het algemeen zijn boride, karbide en nitride van overgangsmetalen van de vierde tot de zesde groep, van het periodieke systeem geschikt. Bij het opbrengen van de lagen in het kader van de uitvinding kun-20 nen de bekende ondersteunende maatregelen voor het bereiken van een goede hechtkracht ook nog gebruikt worden, bijvoorbeeld een goede voor-afgaande reiniging van de binnenwand van de pijp, een voorafgaande ont-gassing door verhitting of beschieting met elektronen, het verwijderen door verstuiven van de bovenste laag door kathodisch etsen, gebruik van 25 een elektrisch voorspanning op het vlak waar een laag aangebracht moet worden tijdens het opbrengen van de laag en andere.

Voor het meten van de stuiking van de laag werden de volgende werkwijzen ontwikkeld: 1. Een star testlichaam werd allereerst voorzien van een chroomlaag, 30 waarvan de dikte iets groter moest zijn dan die van de aansluitend opgebrachte laag van hard materiaal. Het gerede en van lagen voorziene testlichaam werd in kunsthars gebed en geslepen, zodat de lagen in dwarsdoorsnede zichtbaar werden. De slijpkant werd gedurende 50 seconden in zoutzuur van 18% behandeld, om de chroomlaag 35 op te lossen. Onder de microscoop is daarna ter plekke van de chroomlaag een sleuf zichtbaar, waarin zich de losgelaten laag hard materiaal golfvormig uitstrekt. Uit de amplitude en de golflengte van de sinusvormige slijpkant van de laag kan men op bekende manier de lineaire stuiking Δ1/1 berekenen. De stuiking van 40 het vlak heeft dan een dubbel zo grote waarde: AF/F = 2 Δ 1/1.

85-3 0 3 3 3 5

Voor het geval dat de spleet te dun ls en daarom het volledig spanningsvrij worden van de laag niet toelaat, wordt een te kleine waarde voor de stulking gemeten. Daar deze uitvinding leert dat de stuiking groter dan ΔΕ/Έ - 1/1000 moet zijn, kan deze eis niette-5 min correct getest worden.

2. Een testlichaam voorzien van een laag wordt met de twee tegenover elkaar liggende einde ingespannen en onder invloed van krachten langzaam gerekt, totdat de laag van hard materiaal scheurt. Dit laatste kan bijvoorbeeld met behulp van een microscoop of een mi-10 crofoon vastgesteld worden en de daartoe benodigde rek Δ 1/1 geme ten worden. Daar de laag van hard materiaal aanzienlijk brosser is dan het staal, mag men aannemen, dat hij reeds bij de geringste rek scheurt. De gemeten rek is dus gelijk of slechts onbelangrijk groter dan de stuiking van de laag van hard materiaal.

15 3. Van een testlichaam voorzien van een laag wordt de hardheid van de laag hard materiaal met behulp van de Vickers testwerkwijze bij verschillende belastingen gemeten. Daarbij blijkt, dat de diamant al bij een last p^O schijnbaar geen indrukking achterlaat. Men ziet dit het beste daaraan, dat het kwadraat van de diagonaal d 20 van de indrukking, uitgezet als funktie van de belasting p, een verloop van de kromme vertoont, dat voor d^ 0 een positieve eindwaarde p* vertoont. Het relateren van deze meetwaarde p* aan een bepaalde stuiking van de laag is met behulp van de onder punt 1 en 2 beschreven meetmethode mogelijk.

8500833

Claims

1. Buis met een van binnen opgebrachte laag van een in verhouding tot de pijp harder materiaal, met het kenmerk, dat de laag op de voorziene gebruikstemperatuur in haar vlak met minstens Δ F/F 1.10-^ gestuikt is.

2. Pijp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laag bij de aanlooptemperatuur van het voor de vervaardiging van de pijp gebruikte staal in haar vlak met ten minste Δ F/F ** 1.10“^ gestuikt is. 8500833