DE4115131A1 - Ionenimplantation fuer eine fluid-duese - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Düse zum Abgeben eines Fluids und insbesondere auf eine Düse, in die Ionen implantiert sind, um die nutzbare Lebensdauer der Düse zu erhöhen.

Es ist allgemein bekannt, Düsen in Wasserstrahl-Schneidvorrichtungen aus Steinen herzustellen, insbesondere aus Edelsteinen. Diese Steine neigen dazu, aufgrund von Verunreinigungen in der Struktur des Steines manchmal auszufallen. Das Arbeitsfluid oder Schlamm können eine vorzeitige Be­ schädigung der Oberfläche des Steines bewirken.

Mit Bezug auf Materialien wie Metalle, Keramiken, Verbundwerkstoffe und Kunststoffe, ist eine Implantation von bestimmten Ionen bekannt, um die Eigenschaften der Materialoberfläche zu verbessern, um eine Wider­ standsfähigkeit gegen Abnutzung zu erhöhen. Ionenimplantationen in Steinen und insbesondere bei Düsen, die aus solchen Steinen hergestellt werden, wie sie in Wasserstrahl-Schneidvorrichtungen eingesetzt werden, ist je­ doch nicht bekannt.

Das Gesagte verdeutlicht die Grenzen bei existierenden Wasserstrahl- Schneidvorrichtungen. Deshalb ist es offensichtlich vorteilhaft, eine Alternative aufzuzeigen, die eine oder mehrere der oben genannten Gren­ zen beseitigt. Deshalb wird eine passende Alternative aufgezeigt, die Eigenschaften hat, die im folgenden näher beschrieben werden.

In einem Aspekt der Erfindung wird eine Fluidabgabeeinrichtung aufge­ zeigt, die eine Düse hat, die eine Oberfläche aufweist. Die Düse ist aus einem ersten Material hergestellt. Eine Einhäufung von Ionen, die aus ei­ nem zweiten Material gebildet sind, wird auf die Oberfläche implantiert, wobei die nutzbare Lebensdauer der Düse erhöht wird, durch die ein Fluid unter hohem Druck hindurchströmt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der fol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein Ausführungsbeispiel eines Düsenauf­ baus der Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem Ionen in eine Düse nach der Erfindung implantiert werden.

Fig. 3 ist eine Tabelle, die die nutzbare Lebensdauer (Zyklen) von Sa­ phirdüsen mit Ionenimplantationen nach der Erfindung im Vergleich zu identischen, aber unbehandelten Düsen darstellt, wobei die Betriebsbe­ dingungen gleich sind.

Ein Fluiddüsenaufbau (10) einer Wasserstrahl-Schneidvorrichtung (11) weist eine Düse (12) auf, sowie eine Düsenhalterung (14), die die Düse festhält, und eine Verschlußvorrichtung oder Dichtung (16), die so kon­ struiert ist, daß sie einen Fluidstrom zwischen der Düse (12) und der Halterung (14) verhindert. Im Betrieb fließt Fluid durch eine Öffnung (18) in der Düse (12) unter extrem hohem Druck.

Die Fluiddüse (12) ist typischerweise aus einem ersten Material herge­ stellt, das ein Stein, insbesondere ein Edelstein ist, wie zum Beispiel Diamant, Korund oder ein anderer Stein. Die Korundfamilie umfaßt alle Aluminium-Oxide, die verschiedene Verunreinigungen enthalten (wie zum Beispiel Saphir, Rubin und Topas). Oft enthält die Düse Verunreinigungen oder kann aus einem Material hergestellt sein, das einen vorzeitigen Ausfall der Düse bewirkt.

Um eine schnelle Verschlechterung der Düse (12) zu verhindern, die aus einem Spannungsriß aufgrund der Verunreinigungen resultiert oder die durch Absplittern, Abnutzung und Abtragung durch das Arbeitsfluid oder den Arbeitsschlamm verursacht wird, werden beschleunigte Ionen (20) (die von einer Ionenquelle (21) abgegeben werden) in die gesamte äußere Ober­ fläche (22) der Düse oder in Teile der Oberfläche implantiert. Die Ionen sind aus einem zweiten Material gebildet, das sich vom Material der Düse unterscheidet, und sie können in aufeinander folgenden Schritten aufge­ bracht werden. Es wurde festgestellt, daß die Implantation von bestimm­ ten Ionen in die Oberfläche (22) die Zähigkeit, die Härte oder die Schmierfähigkeit der Düse (12) erhöht.

Die Verwendung von Ionen mit verschiedenen Dichten und aus verschiedenen Materialien, sowie die Implantation der Ionen in verschiedenen Tiefen (durch eine Veränderung der Menge und/oder der Geschwindigkeit, auf die die Ionen an der Oberfläche beschleunigt sind), wird in unterschiedli­ chen Eigenschaften der Düsenoberfläche (22) resultieren, sowie in unter­ schiedlichen zu erwartenden Lebensdauern der Düsen bei ähnlichen Bedin­ gungen.

Während Titan, Nickel und Chrom erfolgreich als Ionen für diese Anwen­ dung eingesetzt wurden, wird erwartet, daß ein großes Spektrum von Ionen abhängig von dem Düsenmaterial verwendet werden kann. Es wurde festge­ stellt, daß insbesondere implantiertes Nickel die Lebensdauer von Sa­ phirdüsen erhöht. Es ist vorherzusehen, daß andere Ionen oder Kombina­ tionen von Ionen besonders geeignet sind für den Gebrauch mit anderen Düsenmaterialien.

Eine glatte und in geeigneter Weise ausgebildete Öffnung (18) ist not­ wendig für die richtige Funktion der Düse (12). Selbst ein feiner Riß in dem Eingangsbereich und/oder in der Öffnung kann ein Abbrechen einer Länge eines kohärenten oder geschlossenen Fluidstromes oder einer fisch­ linienartigen Länge (26) ("fish line length") bewirken, die für einen richtigen Düsenbetrieb notwendig ist.

Es gibt verschiedene Fehler der Düse, die im Betrieb festgestellt werden können. Erstens kann die Düse (12) brechen. Zweitens kann die kritische Geometrie der Öffnung und/oder des Eingangsbereiches absplittern oder abgenutzt werden. Abtragung kann die Öffnung und/oder den Eingangsbe­ reich (18) verformen.

Es gibt verschiedene Gründe, warum Ionenimplantationen die nutzbare Le­ bensdauer der Düsen erhöht. Ein Grund ist, daß die Ionen molekulare Lücken oder Mikrorisse in der kristallinen Struktur der Düse füllen. Da­ durch werden die Spannungen, die auf die Lücken ausgeübt werden, sowie das sich daraus ergebende Brechen der Düse reduziert. Auf diese Weise wird die Düse für die normale Lebensdauer des Materials, aus dem die Düse hergestellt ist, funktionsfähig bleiben, anstatt aufgrund von Brechen vorzeitig auszufallen.

Ein weiterer Grund, warum Ionenimplantation die nutzbare Lebensdauer er­ höht, liegt darin, daß die Ionen die Oberflächenqualität der Düse beein­ flussen. Eine glatte Düsenoberfläche vermindert die Abnutzung der Düse selbst, wodurch die Lebensdauer der Düse verlängert wird.

Noch ein weiterer Grund liegt darin, daß ein Fluid (24), dem die Düse (12) ausgesetzt ist, mit dem Düsenmaterial selbst reagieren kann. Die Implantation von Ionen kann diese Reaktionsfähigkeit verringern.

Claims (17)

1. Fluid-Abgabeeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Düse (12) mit einer Oberfläche (22), wobei die Düse (12) aus einem ersten Material hergestellt ist, und durch eine Anhäufung von Ionen (20), die aus einem zweiten Material gebildet wird, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei die Ionen (20) in die Oberfläche (22) implantiert sind, wodurch die nutzbare Lebensdauer der Düse (12), durch die ein Fluid (24) unter hohem Druck hindurchströmt, erhöht ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Nickel beinhaltet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Titan beinhaltet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Chrom beinhaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material ein Stein, insbesondere ein Edelstein ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stein ein Diamant ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stein ein Korund ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stein ein Saphir ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nutz­ bare Lebensdauer durch Aufrechterhaltung einer nutzbaren geschlos­ senen Strömungslänge (26) bestimmt ist, die von dem Fluid (24) er­ zeugt wird, das die Düse (12) verläßt.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausflußöff­ nung (18), die in der Düse (12) ausgebildet ist, bei der die nutz­ bare Lebensdauer durch Aufrechterhaltung der Oberflächengeometrie des Eingangsbereichs und/oder der Öffnung (18) der Düse (12) be­ stimmt ist.

11. Fluid-Abgabeeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Düsenhalterung (14), die die Düse (12) festhält.

12. Fluid-Abgabeeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Düse (12), die eine Oberfläche (22) aufweist, die aus einem ersten Material herge­ stellt ist, und durch eine Anhäufung von Ionen (20), die aus einem zweiten Material gebildet sind, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei die Ionen (20) in die Oberfläche (22) implan­ tiert sind, wodurch die Härte der Oberfläche (22) verbessert ist.

13. Fluid-Abgabeeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Düse (12), die eine Oberfläche (22) aufweist, die aus einem ersten Material herge­ stellt ist, und durch eine Anhäufung von Ionen (20), die aus einem zweiten Material hergestellt sind, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei die Ionen (20) in die Oberfläche (22) implan­ tiert sind, wodurch die Zähigkeit der Oberfläche (22) verbessert ist.

14. Fluid-Abgabeeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Düse (12), die eine Oberfläche (22) hat, die Verunreinigungen aufweist, wobei die Düse (12) aus einem ersten Material hergestellt ist, und durch eine Anhäufung von Ionen (20), die aus einem zweiten Material gebildet sind, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei die Ionen (20) in die Oberfläche (22) implantiert sind, wodurch die Aus­ wirkungen der Verunreinigungen verringert sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichet, daß die Ver­ unreinigungen Mikrorisse aufweisen, die in der Düse (12) gebildet sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichet, daß die Aus­ wirkungen der Verunreinigungen ein Brechen der Düse (12) beinhal­ ten.

17. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichet, daß die Aus­ wirkungen der Verunreinigungen eine Verringerung der Qualität der Oberfläche (22) beinhalten.