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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Dichtungsgliedern aus einem harten Material, wobei die Dichtwirkung auf der präzisen Endbearbeitung der Dichtungsglieder und nicht auf der Zwischenlage irgendwelcher Dichtungen aus biegsamem Material beruht. Diese Dichtungsglieder können in Hähnen, Ventilen in der Industrie und Einspritzpumpen für Dieselmotoren verwendet werden.
Dichtungsscheiben, die aus harten Materialien hergestellt sind und zur Durchflussregelung und als Absperreinrichtungen in Hähnen u. dgl. verwendet werden, werden üblicherweise mit Oxiden oder gesinterten Aluminiumsilikaten erzeugt, die auf eine Rauhheit von ungefähr 0, 2 bis 0, 4 Mikrometer geschliffen werden. Zufolge dieser präzisen Endbearbeitungen arbeiten diese Scheiben zur Bildung von Dichtungen zusammen, die sich zur Regulierung und Unterbrechung eines Fluidflusses durch das System eignen. Ausserdem haben diese früheren bekannten Dichtungsscheiben zufolge der Festigkeit der verwendeten Materialien, normalerweise 23000 N/mm2, eine erhöhte effektive Lebensdauer, und sie können Fremdkörpern, wie z. B. Sandkörnern, wiederstehen, die frühere Dichtungsglieder beschädigen könnten.
Zufolge der präzisen Endbearbeitung der Arbeitsflächen zwischen den Dichtungsscheiben neigen jedoch diese Scheiben zum Aneinanderhaften, was ohne irgendein Schmiermittel die Reibung zwischen den Scheiben erhöht. Der normale Koeffizient dieser früheren Materialien ist in der Grössenordnung von 0, 12.
Um eine wirksame Drehung dieser Dichtungsscheiben relativ zueinander und einen korrekten Betrieb des Hahnes vorzusehen, wird zwischen den Scheiben eine dünne Schicht eines Siliziumschmiermittels vorgesehen.
Im Laufe der Zeit und bei wiederholter Verwendung des Hahns, die ein gegenseitiges Verdrehen der Scheiben bewirkt, wird jedoch das Siliziumschmiermittel allmählich dispergiert, sodass sich die Reibung zwischen den Scheiben auf nicht annehmbare Werte erhöht. Schliesslich wird das Ventil aufhören zu arbeiten.
Es wurden Versuche unternommen, um diese Dichtscheiben unter Verwendung von Wolframkarbid herzustellen. Jedoch zeigten sich die Herstellungskosten für diese Art von Scheiben als untragbar.
Es wurden weitere Versuche unternommen, um die Scheiben für Hähne mit einem Material herzustellen, das aus Siliziumkarbid (SiC) zusammengesetzt ist. Das Siliziumkarbid sieht in seinen bekannten unterschiedlichen Kristallmodifikationen Härten zwischen 28000 N/mm2 und 35000 N/mm2 vor, was viel höher ist als die Härte der bisher für diesen Zweck verwendeten Materialien, während es Reibungskoeffizienten von annähernd 0, 05 vorsieht. Ausserdem hat dieses Material eine verminderte Neigung zum Haften, wie sie bei anderen glatt bearbeiteten Flächen gefunden wird, wodurch die Reibung zwischen den zusammenarbeitenden Scheiben des Hahns vermindert wird. Trotz dieser Verbesserungen im Betrieb neigt die Reibung zwischen den beiden Scheiben aus Siliziumkarbid bei längerer Verwendung zum Ansteigen über annehmbare Werte hinaus.
Schliesslich hat der Anmelder Dichtungsscheiben für Hähne gebaut, wobei das zusammenarbeitende Paar von Scheiben verschiedene Reibungseigenschaften hat und wenigstens eine Scheibe aus Siliziumkarbid geformt ist.
Wenngleich dieses Verfahren eine nachhaltige Reibungsverminderung zwischen den Dichtungsscheiben ohne Hinzufügen eines Schmiermittels ergab, erfordern die Herstellung und das Schleifen der aus SiC gebildeten Scheiben spezielle Anlagen und Technologien. Es war daher notwendig, ein Herstellungsverfahren zu entwickeln, welches weitverbreitet und problemlos angewandt werden könnte, wobei doch die Kosten nicht unerschwinglich wären.
Die vorliegende Erfindung wird mehr im Detail verständlich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in der die Bezugszahlen in allen Darstellungen auf gleiche Teile bezogen sind, und in der
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung der Dichtungsglieder der vorliegenden Erfindung ist ; und
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, Dichtungsglieder aus einem ausreichend harten Material herzustellen, die einen Reibungskoeffizienten erreichen können, der niedrig genug ist, um einen korrekten Betrieb des Hahns od. dgl. erlaubt, wobei die Herstellungskosten der Dichtungsscheiben begrenzt werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können leistungsfähige Dichtungsglieder hergestellt werden durch Bildung der Dichtungsglieder aus einem harten Material, das sich zum präzisen Schleifen eignet, und durch Überziehen zumindest eines der beiden Dichtungsglieder mit einer dünnen Schicht aus wesentlich härterem Material. Dieser Überzug wird durch physikalisches oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase aufgebracht, um die zusammenarbeitenden Flächen zwischen den Scheiben zu bilden, welche unterschiedliche Reibungskoeffizienten haben. Unter den verwendbaren Überzugsmatrialien werden Silizumkarbide, Metallkarbide, Metallnitride (insbesondere die Übergangsmetalle) und Kohlenstoffe mit kubischen Kristallgitter bevorzugt.
Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine der Dichtungsscheiben mit dem Überzugsmaterial unter Anwendung des physikalischen oder chemischen Niederschlagens aus der Dampfphase überzogen.
Beim Anwenden des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung müssen beide Dichtungsglieder geeignet sein, eine präzise Endbearbeitung zu erfahren, wie z. B. eine, die durch ein genaues Schleifen erhalten wird, um ein wirksames Arbeiten der Dichtungsglieder zu erlauben. Anders als die herkömmlichen Dichtungsscheiben erfordern
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die durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Dichtungsglieder nicht eine übermässig grosse Härte, um einer lang andauernden Benutzung zu widerstehen.
Vielmehr sehen die das Dichtungsglied bildenden Materialien in den durch Niederschlagen von sehr harten Materialien erzeugten Dichtungsgliedem einen Träger für den Überzug vor, während die Zusammenarbeit zwischen den Dichtungsgliedem zum Abdichten durch das wesentlich härtere Überzugsmaterial erfolgt, das an zumindest einem der Dichtungsglieder aufgebracht wurde. Auf diese Weise können die Dichtungsglieder nach der vorliegenden Erfindung aus Materialien gebildet werden, die ungeachtet dessen, dass sie hart und widerstandsfest genug sind, um eine geeignete Endbearbeitung zu erfahren und einer Deformation zu widerstehen, für sich allein ohne die Hinzufügung des Überzugs nicht zur Bildung von Dichtungsgliedern akzeptiert werden können.
Unter den Materialien, die zur Bildung der Dichtungsglieder geeignet sein können, befinden sich Stealite, Keramikmaterialien von mässiger Qualität, Metalle und einige synthetische Materialien, die durch hohe Härte, Steifigkeit und Stabilität gekennzeichnet sind. Ein unüberzogenes Dichtungsglied, das mit einem Dichtungsglied zusammenarbeitet, welches mit dem wesentlich härteren Material überzogen ist und ein glattes Endaussehen hat, wird jedoch trotz seiner begrenzten Härte nicht beschädigt. Vielmehr erweist sich der Unterschied in der Härte zwischen den zwei zusammenarbeitenden Flächen des Dichtungsgliederpaares als grosser Vorteil bei der Herabsetzung des Reibungskoeffizienten ohne Hinzufügung eines Schmiermittels. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, das zweite Dichtungsglied zu überziehen.
Andererseits können beide Dichtungsglieder mit dem Überzugsmaterial bedeckt werden, jedoch müssen in diesem Fall die zwei zusammenarbeitenden Flächen ausreichend unterschiedliche Eigenschaften haben, um eine adäquate Bewegung zwischen den Flächen vorzusehen. Dies kann entweder durch Bedecken der zwei Dichtungsglieder mit zwei verschiedenen Überzugsmaterialien oder durch Aufbringen der Überzugsmaterialien über Flächen mit verschiedenen Bearbeitungsgraden oder durch eine Kombination dieser zwei erreicht werden.
Ein wichtiger Vorteil von Schichten harter Materialien, die durch ein physikalisches oder chemisches Dampfverfahren aufgebracht werden, bezieht sich auf die oben erwähnten Schichten, die das Aussehen der Flächen der Dichtungsglieder nicht ändern. Daher kann die Scheibe, auf der ein sehr hartes Material niedergeschlagen werden soll, beispielsweise durch Schleifen oder Schneiden bearbeitet werden, bevor der Niederschlagsprozess durchgeführt wird, und nachfolgendes Arbeiten an einem Material, das hart genug ist, um dem Berarbeitungsprozess zu widerstehen. Andererseits ist dieses Material nicht so hart, um diesen Vorgang schwierig und teuer zu gestalten oder um spezielle Einrichtungen und Technologien beim Herstellen der Dichtungsscheiben zu erfordern.
Dieser Umstand setzt die Produktionskosten herab, sodass herkömmliche Maschinen bei der Herstellung der Dichtungen verwendet werden können.
Die Verwendung eines Paares von zusammenarbeitenden Dichtungsgliedem, von denen eines einen grösseren Härtegrad als das andere zufolge seines Überzugs und der glatten Fläche hat, erlaubt die Verwendung eines Materials mit einer geringeren Härte für das andere Dichtungsglied. Das andere Dichtungsglied kann ein rauheres Endaussehen haben und mikroskopische Löcher enthalten, welche die Auflagefläche zwischen den Dichtungsgliedern herabsetzen. Zufolge dieser Besonderheit wird die Reibung zwischen den zwei Dichtungsgliedem weiter vermindert. Ausserdem werden die Herstellungskosten nicht nur deshalb herabgesetzt, weil die Herstellung des nicht überzogenen Dichtungsgliedes billiger ist, sondern ebenso, weil die erforderliche Endbearbeitung reduziert wird.
Ein Vorteil der Dichtungsglieder, die mit einer Schicht aus Siliziumkarbid überzogen sind, ist die chemische Stabilität dieser Verbindung. Sie wird keiner Korrosion oder Deformation in jeder Art von Wasser unterworfen und sieht einen ausserordentlichen Widerstand gegenüber Oxidation vor. Eine ähnliche Eigenschaft kennzeichnet überdies auch andere Materialien mit grosser Härte, die aus der Dampfphase niedergeschlagen werden können, und insbesondere durch Kohlenstoff mit einem kubischen Kristallgitter. Dieses Material, welches nicht zur Bildung des Körpers des Dichtungsgliedes verwendet werden könnte, ist zufolge seines verminderten Reibungskoeffizienten, der angenähert 0, 02 beträgt, ausserordentlich vorteilhaft.
Selbstverständlich kann das Verfahren nach dieser Erfindung unabhängig von der Gestalt und Grösse der in der Vorrichtung verwendeten Dichtungsglieder angewandt werden. Derartige Dichtungsglieder können flach sein oder Körper bilden, deren Arbeitsflächen konvex oder konkav sind. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung erhält die Gleitbewegungen der Geräte, die solche Glieder verwenden, für längere Zeitdauern. Das vorliegende Verfahren erhöht jedoch nicht die Kosten der Herstellung der Dichtungsglieder, da die Kosten für das Dampfniederschlagsverfahren durch die niedrigeren Kosten der Materialien, die die Dichtungsglieder bilden, und durch die niedrigeren Kosten der Bearbeitung der Dichtungsglieder aufgewogen werden.
Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich bei der Herstellung von Dichtungsscheiben für Ventile und Hähne, entweder solchen, die ein Paar Scheiben haben, oder solchen mit drei Scheiben oder nur einer Scheibe, die mit kupplungsähnlichen Scheiben zusammenarbeitet, die an den Einlässen für das Wasser angeordnet werden. Ausserdem kann dieses Verfahren entweder bei Hähnen, wo die Scheiben in nur einer Richtung vom Wasser
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gequert werden, welches danach in den Hahn oder in die Hüllenkörper fliesst, oder bei jenen Hähnen angewandt werden, wo Wasser quer zu den Scheiben in jeder Richtung fliesst.
Die Anwendung auf Ventile und Hähne ist jedoch nicht ausschliesslich, und wie oben erwähnt liegen andere Anwendungen, die für die Paare von Dichtungsgliedem gemäss dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gesehen werden, bei Ventilen in der Industrie, insbesondere jenen, die hohen Temperaturen und/oder der Einwirkung von chemischen Produkten ausgesetzt sind, und bei Ventilen und Kolben für Einspritzpumpe von Dieselmotoren.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird das hier beschriebene Verfahren zur Bildung von Dichtungsgliedem (10) und (12) verwendet, welche zusammenarbeiten, um den Fluidfluss durch ein Ventil oder einen Hahn zu steuern. Beide Dichtungen (10 und 12) weisen einen Grundkörper (14) auf, der aus einem Material mit mässiger Härte besteht, wie z. B. Stealiten, Keramikmaterialien, Metallmaterialien oder synthetischen Materialien. Zumindest eine der Dichtungsscheiben ist mit einem härteren Material (16) überzogen, welches die gesamte Dichtung bedecken kann, wie in Fig. 1 gezeigt ist, oder nur auf der Arbeitsfläche oder zusammenarbeitenden Fläche (18) einer der Dichtungen aufgebracht sein kann.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Überzugsmaterial aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumkarbiden, Metallkarbiden, Metallnitriden und kubisch kristallisierten Kohlenstoffen, ausgewählt.
Als weitere Alternative können beide Dichtungen (10) und (12) vollständig mit einem dieser Überzugsmaterialien überzogen sein. Vor der Aufbringung des Überzugs (16) wird jedoch eine der Dichtungen, (10 oder 12), einer unterschiedlichen Endbearbeitung unterzogen, sodass die zusammenarbeitenden Flächen der Dichtungen verschiedene Bearbeitungsgrade haben.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte nur zum klaren Verständnis, und es sollen darin keine nicht notwendigen Beschränkungen verstanden werden, da sich für den Fachmann einige Modifikationen ohne Abweichen vom Umfang und Geist der anliegenden Patentansprüche ergeben.
PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Paares von Dichtungsgliedern für Ventile und Hähne und mit zusammenarbeitenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass es die Bildung beider Dichtungsglieder aus einem Material, das sich zum Schleifen auf eine präzise Endausführung eignet, das Überziehen wenigstens eines der Dichtungsglieder mit einer Schicht aus einem Material, das einen Härtekoeffizienten hat, der wesentlich grösser ist als jener des Bildungsmaterials, wobei das Überzugsmaterial durch physikalisches oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase aufgebracht wird, und die Fertigbearbeitung der zusammenarbeitenden Flächen der Dichtungsglieder mit verschiedenen Reibungskoeffizienten umfasst.
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The present invention relates to a method of making sealing members from a hard material, the sealing effect being based on the precise finishing of the sealing members and not on the interposition of any seals made of flexible material. These sealing members can be used in taps, industrial valves and injection pumps for diesel engines.
Sealing disks, which are made of hard materials and for flow control and as shut-off devices in taps and. Like. Are used, are usually produced with oxides or sintered aluminum silicates, which are ground to a roughness of about 0.2 to 0.4 microns. As a result of these precise finishes, these disks work together to form seals that are suitable for regulating and stopping fluid flow through the system. In addition, due to the strength of the materials used, typically 23000 N / mm2, these earlier known sealing washers have an increased effective service life and can remove foreign bodies such as e.g. B. grains of sand resist, which could damage earlier sealing members.
However, due to the precise finishing of the working surfaces between the sealing washers, these washers tend to stick together, which increases the friction between the washers without any lubricant. The normal coefficient of these earlier materials is on the order of 0, 12.
To provide effective rotation of these sealing washers relative to each other and correct operation of the tap, a thin layer of silicon lubricant is provided between the washers.
Over time, however, and with repeated use of the tap that causes the disks to twist, the silicon lubricant is gradually dispersed, increasing the friction between the disks to unacceptable levels. Eventually the valve will stop working.
Attempts have been made to manufacture these sealing washers using tungsten carbide. However, the manufacturing cost of this type of disc was prohibitive.
Further attempts have been made to manufacture the washer disks with a material composed of silicon carbide (SiC). The silicon carbide in its known different crystal modifications provides hardnesses between 28000 N / mm2 and 35000 N / mm2, which is much higher than the hardness of the materials previously used for this purpose, while providing friction coefficients of approximately 0.05. In addition, this material has a reduced tendency to stick as found on other smooth machined surfaces, reducing the friction between the cooperating discs of the tap. Despite these operational improvements, the friction between the two silicon carbide disks tends to rise above acceptable levels with prolonged use.
Finally, the applicant built sealing washers for taps, the cooperating pair of washers having different friction properties and at least one washer being formed from silicon carbide.
Although this process resulted in a sustainable reduction in friction between the sealing washers without the addition of a lubricant, the manufacture and grinding of the washers formed from SiC require special systems and technologies. It was therefore necessary to develop a manufacturing process that could be used widely and easily, but the cost would not be prohibitive.
The present invention will be more fully understood by referring to the following description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, in which the reference numerals refer to the same parts throughout the drawings, and in which:
1 is a cross-sectional view of the sealing members of the present invention; and
Figure 2 is a cross-sectional view of another embodiment of the invention.
An object of this invention is to produce sealing members from a sufficiently hard material that can achieve a coefficient of friction low enough to allow the tap or the like to operate correctly, while limiting the manufacturing cost of the sealing washers.
According to the present invention, high-performance sealing members can be produced by forming the sealing members from a hard material that is suitable for precise grinding and by coating at least one of the two sealing members with a thin layer of significantly harder material. This coating is applied by physical or chemical vapor phase deposition to form the cooperating surfaces between the disks which have different coefficients of friction. Among the coating materials that can be used, silicon carbides, metal carbides, metal nitrides (in particular the transition metals) and carbons with cubic crystal lattices are preferred.
According to one aspect of the present invention, at least one of the sealing washers is coated with the coating material using physical or chemical vapor deposition.
When applying the method according to the present invention, both sealing members must be capable of undergoing precise finishing, such as. B. one obtained by precise grinding to allow the sealing members to work effectively. Unlike the traditional sealing washers require
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the sealing members formed by the method of the present invention are not excessively hard to withstand prolonged use.
Rather, the materials forming the sealing member provide a support for the coating in the sealing members produced by the precipitation of very hard materials, while the cooperation between the sealing members for sealing takes place through the substantially harder coating material which was applied to at least one of the sealing members. In this way, the sealing members of the present invention can be formed from materials which, despite being tough and tough enough to undergo proper finishing and resisting deformation, will not form on their own without the addition of the coating can be accepted by sealing members.
Among the materials that can be used to form the sealing members are stealite, moderate quality ceramic materials, metals and some synthetic materials that are characterized by high hardness, rigidity and stability. However, an uncoated sealing member that works with a sealing member that is coated with the much harder material and has a smooth finish will not be damaged despite its limited hardness. Rather, the difference in hardness between the two cooperating surfaces of the pair of sealing elements proves to be a great advantage in reducing the coefficient of friction without the addition of a lubricant. For this reason, it is not necessary to cover the second sealing member.
On the other hand, both sealing members can be covered with the coating material, but in this case the two cooperating surfaces must have sufficiently different properties to provide adequate movement between the surfaces. This can be achieved either by covering the two sealing members with two different coating materials or by applying the coating materials over surfaces with different degrees of processing or by a combination of these two.
An important advantage of layers of hard materials applied by a physical or chemical vapor process relates to the layers mentioned above, which do not change the appearance of the surfaces of the sealing members. Therefore, the disc on which a very hard material is to be deposited can be processed, for example by grinding or cutting, before the precipitation process is carried out, and subsequent work on a material that is hard enough to withstand the processing process. On the other hand, this material is not so hard to make this process difficult and expensive or to require special facilities and technologies in the manufacture of the sealing washers.
This reduces production costs so that conventional machines can be used in the manufacture of the seals.
The use of a pair of cooperating sealing members, one of which has a greater degree of hardness than the other due to its coating and smooth surface, allows a material of lower hardness to be used for the other sealing member. The other seal member may have a rougher finish and contain microscopic holes that reduce the seating area between the seal members. Due to this special feature, the friction between the two sealing members is further reduced. In addition, the manufacturing cost is reduced not only because the uncoated sealing member is cheaper to manufacture, but also because the finishing required is reduced.
An advantage of the sealing members, which are coated with a layer of silicon carbide, is the chemical stability of this connection. It is not subject to corrosion or deformation in any type of water and provides exceptional resistance to oxidation. A similar property also characterizes other materials with great hardness that can be deposited from the vapor phase, and in particular by carbon with a cubic crystal lattice. This material, which could not be used to form the body of the sealing member, is extremely advantageous due to its reduced coefficient of friction, which is approximately 0.02.
Of course, the method of this invention can be used regardless of the shape and size of the sealing members used in the device. Such sealing members can be flat or form bodies whose working surfaces are convex or concave. The application of the present invention maintains the sliding movements of the devices using such links for extended periods of time. However, the present method does not increase the cost of manufacturing the sealing members because the cost of the vapor deposition process is offset by the lower cost of the materials that make up the sealing members and the lower cost of machining the sealing members.
The present invention is particularly useful in the manufacture of sealing washers for valves and taps, either those that have a pair of washers, or those with three washers, or only one washer that cooperates with clutch-like washers that are placed at the water inlets . In addition, this procedure can either be used on taps where the disks are in only one direction from the water
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can be traversed, which then flows into the tap or into the casing body, or can be used for those taps where water flows in all directions across the disks.
However, the application to valves and taps is not exclusive and, as mentioned above, other applications that are seen for the pairs of sealing members according to the method according to the present invention are in industrial valves, especially those that are high temperature and / or exposed to chemical products, and to valves and pistons for diesel engine injection pumps.
Referring to FIGS. 1 and 2, the method described herein is used to form sealing members (10) and (12) which work together to control fluid flow through a valve or tap. Both seals (10 and 12) have a base body (14) which consists of a material with moderate hardness, such as. B. stealites, ceramic materials, metal materials or synthetic materials. At least one of the sealing washers is coated with a harder material (16), which can cover the entire seal, as shown in FIG. 1, or can only be applied to the working surface or cooperating surface (18) of one of the seals.
In the preferred embodiment, the coating material is selected from the group consisting of silicon carbides, metal carbides, metal nitrides and cubic crystallized carbons.
As a further alternative, both seals (10) and (12) can be completely covered with one of these coating materials. Before the coating (16) is applied, however, one of the seals (10 or 12) is subjected to a different finishing, so that the cooperating surfaces of the seals have different degrees of processing.
The foregoing description has been presented for purposes of clear understanding only, and is not intended to be understood to be any unnecessary limitation, as certain modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the claims.
1. A method of manufacturing a pair of sealing members for valves and taps and with cooperating surfaces, characterized in that it involves forming both sealing members from a material suitable for grinding to a precise finish, covering at least one of the sealing members with one Layer of a material that has a hardness coefficient that is substantially greater than that of the educational material, the coating material being applied by physical or chemical vapor deposition, and the finishing of the cooperating surfaces of the sealing members with different coefficients of friction.