DE102012202152A1

DE102012202152A1 - Dichtungsbauteil

Info

Publication number: DE102012202152A1
Application number: DE201210202152
Authority: DE
Inventors: Klaus Becker; Harald Vornehm; Frank STEINHAUER; Sebastian Wiegmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Dichtungsbauteil mit einer Dichtungslauffläche, auf der in der Montagestellung ein berührendes Dichtelement, insbesondere eine Lippendichtung, läuft, bestehend aus einem Trägerring (2) mit einer darauf aufgebrachten, die Dichtungslauffläche (4) bildenden Keramikschicht (3), wobei der Trägerring (2) aus einem Kunststoff besteht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Dichtungsbauteil mit einer Dichtungslauffläche, auf der in der Montagestellung ein berührendes Dichtelement, insbesondere eine Lippendichtung, läuft.
Hintergrund der Erfindung
Solche Dichtungsbauteile oder Dichtungsringe kommen überall dort zum Einsatz, wo Medien mittels berührender Dichtungen wie den genannten Lippendichtungen voneinander getrennt werden sollen. Als Beispiele sind hierzu Hydraulikpumpen, Propellermotoren, Hochmomentmotoren oder Axial- und Radialkolbenmotoren zu nennen, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Das Dichtungsbauteil wird beispielsweise am rotierenden Bauteil, z. B. einer Welle, angeordnet, während das Dichtelement benachbart und lagefest positioniert ist, oder umgekehrt.
Derartige Dichtungsbauteile werden in aller Regel aus Stahl wie beispielsweise 100Cr6 oder Edelstahl wie z. B. X20Cr13 oder X22CrNi17 hergestellt. Edelstahl deshalb, da viele über das Dichtungsbauteil abzudichtende Medien oxidierend auf herkömmlichen Stahl wirken, es also mithin zu Korrosionserscheinungen kommen würde, wenn kein korrosionsresistentes Metall verwendet wird. Die zwingende Verwendung derartiger spezieller Stähle ist jedoch mit beachtlichen Herstellkosten des Dichtungsbauteils verbunden, im Übrigen ist das Dichtungsbauteil auch relativ schwer. Darüber hinaus kommt es auch zu beachtlicher Reibung im Kontaktbereich zwischen dem Dichtelement und der Trägerring-Lauffläche, was zu Verschleißerscheinungen führt.
Der Erfindung liegt dabei das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Dichtungsbauteil anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Dichtungsbauteil mit einer Dichtungslauffläche vorgesehen, bestehend aus einem Trägerring mit einer darauf aufgebrachten, die Dichtungsfläche bildenden Keramikschicht, wobei der Trägerring aus einem Kunststoff besteht.
Das erfindungsgemäße Dichtungsbauteil ist ein Zwei-Komponenten-Bauteil, bestehend aus einem Trägerring aus Kunststoff respektive auf Kunststoffbasis, der mit einer Keramikschicht belegt ist, die die Dichtungslauffläche bildet. Die Verwendung einer Keramikschicht zur Bildung der Lauffläche ist dahingehend von Vorteil, als eine Keramikschicht eine extreme Stabilität und Festigkeit aufweist, verbunden mit einer hohen Oberflächengüte, was sehr hohe Gleitgeschwindigkeiten bei gleichzeitig geringer Reibung erlaubt, mithin also auch eine längere Lebensdauer des Dichtungsbauteils. Die Verwendung eines Trägerrings aus Kunststoff respektive auf Kunststoffbasis ist ferner dahingehend von Vorteil, als er sehr kostengünstig und einfach hergestellt werden kann, und er natürlich auch keinerlei Oxidationsneigung zeigt, selbst wenn das abzudichtende Medium an den Trägerringwerkstoff gelangt, was durchaus der Fall sein kann, da die Keramikschicht eine gewisse Restporosität aufweist, durch die das Medium, beispielsweise Wasser oder ein anderes korrosiv wirkendes Fluid, defundieren kann. Bei Verwendung eines Trägerrings aus Kunststoff respektive auf Kunststoffbasis sind hier jedoch keinerlei Probleme gegeben, da es zu keiner Oxidation kommt.
Darüber hinaus ist das Dichtungsbauteil auch relativ leicht, da der Kunststoff-Trägerring deutlich leichter ist als ein Stahl- oder Edelstahlring, und da die Keramikschicht das Gewicht nur unwesentlich beeinflusst, da sie relativ dünn aufgebracht werden kann, nicht zuletzt resultierend aus ihren hervorragenden Festigkeits- und Gleiteigenschaften.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich ein weitgehend stromisolierendes Bauteil, das durch die Verwendung des Kunststoffs auch eine gewisse dämpfende, elastische Eigenschaft besitzt, erhalten wird.
Der Kunststoff selbst kann ein beliebiger Kunststoff sein, solange der hieraus hergestellte Trägerring die an das Dichtungsbauteil gestellten mechanischen Eigenschaften zeigt. Bevorzugt wird ein Kunststoff, der einfach verarbeitbar ist, beispielsweise durch Gießen oder Spritzen. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Kunstharz, beispielsweise ein Epoxidharz, oder eine Elastomer-Kunstharz-Bindung.
Wichtig hinsichtlich der Wahl des zu verwendenden Kunststoffs ist, dass er mit der Keramikschicht belegt werden kann, was beispielsweise mittels thermischem Spritzen zur Bildung einer dünnen Keramikschicht, die beispielsweise eine Dicke von ≤ 1 mm, vorzugsweise von ≤ 0,5 mm besitzt, erfolgen kann. Als mögliche Beschichtungsmaterialien ist Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) oder Chromoxidkeramik (Cr₂O₃) zu nennen, die Schichthärten von ca. 1.500 HV aufweisen. Nach dem Aufbringen, beispielsweise dem thermischen Spritzen, wird die Keramikschicht drallfrei geschliffen, die Oberflächenrauheit liegt im Bereich von Rz1-4, mit Rmax von ca. 6,3, beispielsweise für Cr₂O₃-Schichten.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, zunächst die ringförmige Keramikschicht als separaten Ring herzustellen, und diesen sodann mit dem den Trägerring bildenden Kunststoffmaterial zu umgießen und so die Keramikschicht einzubetten. Dies würde auch die Verwendung von Keramiken ermöglichen, die beispielsweise nicht durch thermisches Spritzen abgeschieden werden können, sondern anderweitig herzustellen sind.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kunststoff, insbesondere das Kunstharz, mit wenigstens einem Zuschlagstoff, insbesondere einem Reibmaterial, gefüllt ist. Dieser Zuschlagstoff, insbesondere das Reibmaterial, kann dabei in Form von Pulvern, Partikeln oder Spänen eingebracht sein, denkbar ist aber auch alternativ oder zusätzlich das Einbringen dieses Zuschlagstoffs bzw. Reibmaterials in Form von Fasern. Durch Zugabe eines oder mehrerer Zuschlagstoffe können die mechanischen Eigenschaften des Kunststoff-Trägerrings variiert und letztlich auch unter Berücksichtigung des Einsatz- oder Verwendungszwecks eingestellt werden. Besonders bevorzugt werden als Zuschlagstoffe solche Stoffe verwendet, die als Reibmaterial verwendet werden, sodass sich mithin also ein Trägerring aus einem Reibwerkstoff ergibt, nämlich bestehend aus der Kunststoffmatrix mit dem eingebrachten Reibmaterial, beispielsweise in Form der Pulver, Partikel, Späne oder der Fasern.
Als solche Zuschlagstoffe respektive insbesondere Reibmaterialien oder Reibwerkstoffe können Mineralien, Metalloxide, organische Füllstoffe, Graphit oder metallische Zusätze wie Stahlwolle und Eisenpulver sowie Pulver und Späne aus Kupfer, Zinn, Bronze und Messing oder anderer Metalle/Metalllegierungen zugegeben werden. Zusätzlich oder alternativ sind auch Partikel oder Fasern aus anorganischen Materialien wie z. B. natürliche Mineralfasern (Wollastonit, Kalziummetasilikat), künstliche mineralische Fasern (z. B. Glasfasern, Schlacken- und Gesteinswolle), Keramikfasern (z. B. Aluminiumsilikate) oder Kohlenstofffasern zu nennen, wie auch organische Fasern aus Baumwolle, Zellulose, Flachs oder Fasern aus Polyacrylnitril, wie natürlich auch die extrem hochfesten Aramidfasern. Das heißt, dass letztlich unterschiedlichste Zuschlagstoffe zugegeben werden können, vornehmlich solche, die als Reibwirkstoff genutzt werden können, was jedoch nicht zwingend ist.
Bevorzugt werden von Haus aus als Reibwerkstoffe vorgesehene Materialien verwendet, wie sie beispielsweise von der LuK Friction GmbH, Industriestr. 7, 57577 Hamm/Sieg erhältlich sind. Zu nennen ist hier insbesondere der unter der firmeninternen Bezeichnung der LuK Friction GmbH vertriebene Werkstoff T578, jedoch auch die anderen Reibwerkstoffe der LuK Friction GmbH, die unter den firmeninternen Bezeichnungen T363E, T531, T537, T539, T541, T544, T567, T571, T577 und T579 vertrieben werden. Auf die öffentlich erhältlichen Datenblätter dieser Reibwerkstoffe wird verwiesen.
Die Verwendung dieser quasi vorgefertigten beziehungsweise definiert formulierten Reibwerkstoffe bestehend aus einem Kunststoff respektive Kunststoffmatrix und speziellen, der jeweiligen Werkstoffmischung zugrunde liegenden Zuschlagstoffkombination ermöglicht es, entsprechende Trägerringe mit den diesen vorbekannten Reibwerkstoffen zugehörigen physikalischen und mechanischen Parametern herzustellen. Solche Reibwerkstoffe, die beispielsweise zur Herstellung von Bremsbelegen und Ähnliches verwendet werden, zeichnen sich vornehmlich durch hohe mechanische Festigkeitsparameter aus, wie sie sich auch durch sehr gute chemische Beständigkeit gegenüber insbesondere fluiden Medien wie Wasser, Schmierstoff und Treibstoff auszeichnen.
Werden der oder die Zuschlagstoffe respektive insbesondere das oder die Reibmaterialien in Form von Pulvern, Partikeln oder Spänen oder kurzen Fasern eingebracht, so besteht die Möglichkeit, den Trägerring entweder als Massepressling herzustellen, oder als Gieß- oder Spritzbauteil.
Alternativ hierzu ist es aber auch denkbar, als Zuschlagstoff, insbesondere als Reibmaterial, ein Garn zu verwenden, also eine lange technische Faser, wie beispielsweise eine Glasfaser oder eine Aramidfaser oder Keramikfasern. Dieses Garn wird im Rahmen der Herstellung des Trägerrings um einen Dorn gewickelt, bildet also eine innen liegende Wickelmatrix, um die sodann, die Wickelmatrix durchdringend, der Kunststoff, vornehmlich das eingangs genannte Kunstharz, wie beispielsweise Epoxidharz, gespritzt wird. Natürlich kann auch hier zusätzlich ein pulver- oder partikelförmiger weiterer Zuschlagstoff zugegeben werden.
Insgesamt bietet die Kombination der beiden Werkstoffe, also des aus Kunststoff oder auf Kunststoffbasis gefertigten Trägerrings und der aufgebrachten Keramikschicht, ein in vielerlei Richtung besonders vorteilhaftes Dichtungsbauteil, das insbesondere durch Einbringen entsprechender Zuschlagstoffe respektive durch die grundsätzliche Verwendung bekannter Reibwerkstoffe, wie insbesondere den zuvor von der LuK Friction GmbH vertriebenen, vorbekannten Reibwerkstoffen, hervorragende physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund kann das erfindungsgemäße Dichtungsbauteil in vielen Bereichen eingesetzt werden, wo eine solche berührende Dichtung realisiert werden soll, und Medien abgedichtet werden sollen, die für übliche Metalle, so diese nicht besonders korrosionsgeschützt sind, oxidativ wirken würden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Dichtungsbauteil, und
2 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs der aufgebrachten Keramikschicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungsbauteil 1, bestehend aus einem im Wesentlichen zylindrischen Trägerring 2, auf den außenseitig eine Keramikschicht 3 aufgebracht ist, deren Außenfläche 4 eine Lauffläche für ein hier nicht näher gezeigtes, berührend anliegendes Dichtelement wie beispielsweise eine Lippendichtung darstellt.
Der Trägerring 2 besteht aus einem Kunststoff, weist also eine Kunststoffmatrix auf, in die bevorzugt ein oder mehrere Zuschlagstoffe, insbesondere ein Reibmaterial, eingebracht sind. Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten Kunststoff um ein Kunstharz, in das der Zuschlagstoff respektive das Reibmaterial entweder partikulär in Form von Pulvern, kleinen Partikeln oder Spänen, oder in Form von kürzeren Fasern eingebracht ist. Alternativ kann der Zuschlagstoff auch als gewickeltes technisches Garn, z. B. Glas- oder Keramikfasern, eingebracht sein. In jedem Fall ist jedoch eine Kunststoff- respektive bevorzugt Kunstharzgrundmatrix vorhanden, in die der oder die Zuschlagstoffe eingebettet sind.
Besonders bevorzugt wird hierzu ein vorkonfigurierter Reibwerkstoff verwendet, bevorzugt der Reibwerkstoff mit der Handelsbezeichnung T578 der LuK Friction GmbH, bei dem es sich um einen asbestfreien Garnwickelwerkstoff, der mit Kunstharz gebunden ist, handelt. Bei diesem ist also ein langfaseriges gewickeltes technisches Garn als Zuschlagstoff in die Kunstharzmatrix eingebettet. Dieses Material T578 zeichnet sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften wie auch sehr gute chemische Beständigkeit gegen verschiedene insbesondere fluide Medien aus, es kann auch ohne Weiteres durch geeignete mechanische Bearbeitung nachbearbeitet werden. Jedoch können selbstverständlich anstelle dieses Materials T578 auch andere vorkonfigurierte Reibwerkstoffzusammensetzungen als Grundmaterial für den Trägerring 2 verwendet werden, wie sie einleitend bereits genannt wurden. Jedoch ist die Verwendung derartiger Reibwerkstoffe nicht zwingend erforderlich, vielmehr können auch anders formulierte Materialmischungen auf Basis eines Kunststoffs zur Bildung des Trägerrings verwendet werden.
Auf dem Trägerring ist wie beschrieben die Keramikschicht 3 aufgebracht, wozu im gezeigten Beispiel am Trägerring eine am Ringumfang vorgesehene radiale Eintiefung 5 vorgesehen ist, die von dem die Keramikschicht 3 bildenden Keramikmaterial gefüllt ist. Dieses Keramikmaterial kann beispielsweise Al₂O₃ oder Cr₂O₃ sein, andere Keramiken sind jedoch denkbar. Bevorzugt werden solche Keramiken verwendet, die durch thermisches Spritzen abgeschieden werden können, wobei die abgeschiedene Keramikschicht nach dem Abscheiden selbstverständlich mechanisch nachbearbeitet wird, beispielsweise durch drallfreies Überschleifen oder andere die Oberfläche vergütende mechanische Behandlungen.
Die Schichtdicke der Keramikschicht 3 sollte zwischen 0,1–0,5 mm liegen, sieh sollte 1 mm nicht übersteigen. Die Oberflächenrauheit sollte im Bereich von Rz 1–4 liegen, bei einem Rmax von ca. 6. Die Schichthärte sollte im Bereich von wenigstens 12.000 HV sein, sie sollte bevorzugt jedoch wenigstens ca. 1.500 HV betragen, insbesondere im Hinblick auf eine möglichst lange Standzeit.
Wie in der in 2 gezeigten vergrößerten Teilschnittansicht dargestellt ist, besteht der Trägerring 2 aus dem Matrix bildenden Kunststoff 6, vorzugsweise wie beschrieben dem Kunstharz wie beispielsweise Epoxidharz, in das im gezeigten Beispiel exemplarisch Zuschlagstoffe in Form von Fasern 7 und Partikeln 8 eingebracht sind. Bei diesen kann es sich um beliebige der bereits einleitend genannten Zuschlagstoffe handeln, z. B. metallische Partikel aus Eisen, Kupfer, Zinnbronze, Messing etc. oder aber natürliche oder künstliche mineralische Fasern oder Keramikfasern etc., wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Das in den 1 und 2 gezeigte Dichtungsbauteil 1 ist ein Innenring, der mit dem die Dichtlippe oder dergleichen aufweisenden zweiten, außen liegendem Dichtelement die gesamte Dichtung bildet. Das gezeigte Dichtungsbauteil wird beispielsweise auf eine Welle aufgepresst und so fixiert, was im Hinblick auf die hervorragenden mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials des Trägerrings 2 ohne Weiteres möglich ist.
Alternativ zur Ausgestaltung als innen liegendes Bauteil ist es selbstverständlich auch denkbar, das Dichtungsbauteil 1 auch als außen liegendes Bauteil zu konfigurieren. In diesem Fall wäre die Keramikschicht 3 an der Innenseite des Trägerrings 2 aufgebracht, während das Dichtelement noch weiter innen liegt.
Der Trägerring 2 selbst kann entweder als Massepressling hergestellt sein, mithin also aus einer plastisch vorformbaren Grundmasse enthaltend den Kunststoff respektive das Kunstharz sowie die Zuschlagstoffe in einer entsprechenden Pressform gepresst sein. Alternativ kann er auch als Gieß- oder Spritzbauteil unter Verwendung geeigneter Gieß- und Spritzgerätschaften hergestellt sein. Daneben besteht die Möglichkeit, den Trägerring auch als Wickelbauteil herzustellen, wenn nämlich als Zuschlagstoff eine technische Faser oder ein technisches Garn wie Glasfaser, Keramikfaser oder Aramidfaser verwendet wird. Diese wird um einen Dorn gewickelt, wonach der Wickelkörper mit dem Kunststoff respektive vorzugsweise dem Kunstharz umspritzt oder umgossen wird, sodass der Wickelkörper vollständig eingebettet wird.
Bezugszeichenliste

1: Dichtungsbauteil
2: Trägerring
3: Keramikschicht
4: Lauffläche
5: Eintiefung
6: Kunststoff
7: Faser
8: Partikel

Claims

Dichtungsbauteil mit einer Dichtungslauffläche, auf der in der Montagestellung ein berührendes Dichtelement, insbesondere eine Lippendichtung, läuft, bestehend aus einem Trägerring (2) mit einer darauf aufgebrachten, die Dichtungslauffläche (4) bildenden Keramikschicht (3), wobei der Trägerring (2) aus einem Kunststoff (6) besteht.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6) ein Kunstharz ist.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (6), insbesondere das Kunstharz, mit wenigstens einem Zuschlagstoff, insbesondere einem Reibmaterial gefüllt ist.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff, insbesondere das Reibmaterial in Form von Pulvern, Partikeln (8) oder Spänen eingebracht ist.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff, insbesondere das Reibmaterial, in Form von Fasern (7) eingebracht ist.
Dichtungsbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (2) ein Massepressling oder ein Gieß- oder Spritzbauteil ist.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff, insbesondere das Reibmaterial ein Garn ist.
Dichtungsbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Garn gewickelt ist.