DE2252409A1

DE2252409A1 - Dichtung

Info

Publication number: DE2252409A1
Application number: DE19722252409
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Mccormick
Original assignee: Ramsey Corp
Current assignee: Ramsey Corp
Priority date: 1971-11-24
Filing date: 1972-10-25
Publication date: 1973-06-07
Also published as: JPS4863301A; GB1364144A; IT969816B; JPS5229768B2; BR7208181D0; AU4754672A

Description

RAMSEY CORPORATION, Manchester and We i dme η Roads,

Manchester, Missouri / V. St» A.

Unser Zeichen: R 784

Dichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Dichtungen oder Dichtungsflächen und insbesondere auf Flächendichtungsbauteile und eine Beschichtung für diese.

Derartige Flächendichtungen werden im allgemeinen als Wellenab·- dichtungen verwendet, bei denen ein drehbarer Bauteil gegen einen nicht drehbaren Bauteil an einer Dichtungsgrenz- oder Dichtungszwischenfläche anliegt. Wenigstens einer dieser Bauteile wird gegen den anderen Bauteil gedrückt. Der stationäre Bauteil ist an einem Gehäuse befestigt und der drehbare Bauteil ist in abgedichteter Weise an einem drehbaren Teil befestigt, der sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt. Die Dichtung verhindert eine Leckströmung aus dem Innenraum des Gehäuses zum Außenraum oder umgekehrt. Derartige Flächendichtungen sind in zahlreichen speziellen Ausführungsformen bekannt. Allen Ausführungsformen ist jedoch eine Grenz- oder Zwischenfläche zwischen einem sich drehenden und einem sich nicht drehenden 'Bauteil gemeinsam. Diese Grenz- oder Zwischenfläche benötigt normalerweise ungleiche Materialien, von denen eines verschleißfest ist und das andere einen gewissen Grad des Verschleißes aufnimmt und welches gewisse Einlaufeigenschaften aufweist und. eine konstante Dichte aufrechterhält.

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Ein typisches Ausführungsbeispiel für Flächendichtungeri dieser Art ist bei Wasserpumpen für Brennkraftmaschinen gegeben. Die Welle der Wasserpumpe geht durch ein Gehäuse hindurch und endet im Schaufelrad der Pumpe. Da die Schaufelradkammer mit dem Kühlmedium für die Brennkraftmaschine gefüllt ist, muß ein Dichtungsglied zwischen der Welle und dem Gehäuse vorgesehen sein, um ein Durchlecken aus der Schaufelradpumpe längs der Welle zur Außenseite des Gehäuses hin zu verhindern.

Wegen der hohen Temperatur, die während bestimmter Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine in der abzudichtenden Flüssigkeit auftritt und wegen der Möglichkeit des Auftretens von extrem hohen Temperaturen bei Ausfall des Kühlsystems müssen die zusammenpassenden Bauteile der Dichtung aus Materialien hergestellt sein, die ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen aufrechterhalten. Ein allgemein verwendetes Material für den verschleißfesten Bauteil ist ein keramisches Material. Obwohl diese Materialien bei konstanten Temperaturen zufriedenstellende Ergebnisse bringen, können sie zu einem Ausfall führen, wenn sie thermischen Schubbelastungen ausgesetzt sind, wie sie während eines schnellen Temperaturanstieges in der Brennkraftmaschine auftreten können oder während eines schnellen Temperaturabfalls, was auftreten kann, wenn beispielsweise neues und kälteres Kühlmittel in das System eingefüllt wird. Unter diesen Umständen können die bisher bekannten keramischen Dichtungen, mikroskopisch feine Risse oder Spalte erhalten. Diese Risse oder Spalte, die durch einen thermischen Schock hervorgerufen werden, setzen sich fort, bis das Dichtungselement vollständig getrennt ist und damit ausfällt. Ein derartiger Ausfall kann außerordentlich nachteilig bei den vorbestimmten Betriebsbedingungen sein, wobei ein solcher Ausfall zu einer schweren Beschädigung der Brennkraftmaschine führen kann.

Zusätzlich zu den Problemen, die durch thermische Schöckbelastungen auftreten, die durch schnelle Temperaturänderungen erzeugt Werden, kann bei Wasserpumpen für Brennkraftmaschinen und ähnlichen

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Einrichtungen, wie beispielsweise Waschmaschinen, ein weiterer Grund für einen Ausfall bei hohen Temperaturen auftreten. Die Dichtungen sind im allgemeinen derart aufgebaut, daß sie deshalb den hohen Temperaturen widerstehen können, weil sie eine gewisse Menge der Wärme, die durch die Reibung an der Dichtungsfläche erzeugt wird, an die Flüssigkeit abgeben, die abgedichtet werden soll. Unter bestimmten Betriebszuständen des Schaufelrades der Pumpe können Kavitationen auftreten, was dazu führt, daß der Bereich, der-die Dichtung umgibt, flüssigkeitsfrei wird. Wenn die Dichtung während einer bestimmten Zeitdauer läuft, während der der Bereich um die Dichtung herum von Flüssigkeit frei ist, kann dies zu einem extremen Temperaturanstieg im keramischen Dichtungselement führen. Wenn die Dichtung nicht in der Lage ist, einer derart erhöhten Temperatur zu widerstehen, kann dies zu einem Ausfall durch thermische Ausdehnung führen. Wenn alternativ das Dichtungsmaterial, dieser Temperatur widerstehen kann, kann möglicherweise ein Ausfäll Zustandekommen und zwar durch eine thermische Schockeinwirkung, wenn die Kavitation verstärkt wird.

Durch die Erfindung werden diese Nachteile der bekannten keramischen Dichtungen ausgeschaltet, wobei die Vorteile der keramischen Werkstoffe als ein Dichtungsflächenmaterial beibehalten werden.· Erfindungsgemäß ist ein Dichtungselement vorgesehen, welches aus rostfreiem Stahl besteht und dieses Dichtungselement weist eine Dichtungsfläche auf, die mit einem keramischen Material beschich-

tet ist. Diese Beschichtung wird vorzugsweise mittels eines Plasmastrahles aufgetragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Flächen- oder Beschichtungsmaterial aus einem Gemisch von Aluminium-Oxyd und Titan-Oxyd und das Basismaterial ist rostfreier Stahl AISI Nr. 301. Der Basisbauteil wird vorzugsweise mittels eines Metall-Keramik-Verfahrens hergestellt. Als Alternative ist eine Zirkon-Oxyd-Beschichtung vorgesehen.

Durch die Erfindung wird ein Flächendichtungsbauteil für eine Flächenabdichtung geschaffen, wobei der Bauteil aus einem Basis-

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abschnitt aus rostfreiem Stahl besteht, auf den eine mittels eines Plasmastrahls aufgebrachte Beschichtung sich befindet, die aus einem Aluminium-Oxyd-Titan-Oxyd-Gemisch besteht, wobei diese Beschichtung hochwarmfest ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles einer Wasserpumpe eines Kraftfahrzeuges, wobei eine Wasserpumpendichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig. 1 dargestellten Dichtung in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Dichtungsbauteil und

Fig. 1 eine Schnittansicht des in Fig. 3 gezeigten Dichtungsbauteiles.

In Fig. 1 ist ein Wasserpumpengehäuse IO dargestellt, durch das hindurch sich eine Welle 11 erstreckt, die in einem freien Ende 12 ausläuft, an dem ein Pumpenschaufelrad 13 gelagert ist. Wenn diese Anordnung mit anderen Abschnitten des nicht dargestellten Pumpengehäuses zusammengebaut ist, so ist der Raum um das Schaufelrad herum und der Raum 15 zwischen dem Schaufelrad und der Wandung 16 des Gehäuses mit Kühlwasser gefüllt. Um einen Austritt des Kühlwassers zu verhindern, ist eine Dichtung 17 zwischen der Welle 11 und der Wellenöffnung 18 des Gehäuses angeordnet. Diese Dichtung weist, wie dargestellt, einen U-Profilgehäusering 19 auf, der einen radial nach außen umgebogenen Flansch 20 hat, welcher über einem Abschnitt der Wandung 16 des Gehäuses liegt. Der U-Profilgehäusering 19 weist einei axial verlaufenden inneren Umfangsschenkel 21 auf, der in dichtem Abstand zur äußeren Ober-

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fläche der Welle diese umgibt. Ein Trägerring 22 ist im U-Profil des Ringes 20 angeordnet und eine Feder 23 ist zwischen einer radialen Wandung 24 des Trägerringes und der Stegwandung 25 des U-Profils angeordnet und drückt den Trägerring 22 von der Stegwandung fort. Ein stationärer Dichtungsring 27 ist zwischen dem inneren Umfangsschenkel 21 und dem Trägerring 22 angeordnet, wobei die radial nach außen verlaufende Wandung 2k des Trägerringes gegen einen Abschnitt 28 dieses Dichtungsringes anliegt. Der Dichtungsring weist eine Dichtungsnase 29 auf, die sich axial von diesem erstreckt und zwar von der axialen Endwandung 30 aus, die der Feder gegenüberliegt. Der Ring 27 oder dessen Nasenabschnitt 29 bestehen vorzugsweise aus kohlenstoffverstärktem Kunststoffmaterial oder einem ähnlichen verschleißfesten Material, um eine gute Dichtungsfläche zu ergeben.

Eine sich drehende Dichtungsbaugruppe 32 ist um die Welle 11 herum angeordnet und liegt gegen eine radiale Wandung 33 des Schaufelrades an. Die Feder 23 drückt die Dichtungsnase 29 des Dichtungsringes 27 in Kontakt mit einer Dichtungsfläche 35 der sich drehenden Dichtungsbaugruppe 32. Die Dichtungsgrenzfläche der Dichtungsbauteile ist der Kontaktbereich zwischen der Nase und der Dichtungsfläche 35.

Bei bisher bekannten Dichtungen für Wasserpumpen bestand die Dichtungsbaugruppe 32 im allgemeinen aus einem Ring aus keramischem Material, wobei eine Fläche dieses Ringes die Dichtungsfläche aufwies. Dieser keramische Ring war im allgemeinen in einer axialen Nut einer Halterung aus Kunststoff oder Kautschuk angeordnet, wobei diese Halterung ihrerseits um die Welle herum verlief, die an ihrem äußeren Umfang ein Metallband trug. Das Metallband diente dazu, den Keramikring festzuhalten, nachdem der Ring infolge von thermischen Schockeinwirkungen in Fragmente zerbrochen ist. Wenn der Keramikring durch offene Spalte beschädigt ist, die durch thermische Schockeinwirkungen entstanden sind, so kann selbstverständlich die Dichtung nicht mehr richtig funktionieren.

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Die erfindungsgemäße Dichtungsbaugruppe 32 weist einen Stützbauteil 37 auf, der einen L-förmigen Querschnitt haben kann» wie es die Fig. 2 zeigt,und der um die Welle 11 herum derart angeordnet ist, daß er auf der äußeren Oberfläche dieser Welle mit Paßsitz sitzt. Ein radialer Vorsprung 38 des Stützgliedes 37 kann gegen die radiale Wandung 33 des Schaufelrades 13 in abdichtender Anlage anliegen. Das Stutzglied besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff oder aus einem Elastomermaterial.

Ein Dichtungsring 40 ist um einen Teil des Stützgliedes 37 herum angeordnet und liegt am Stützglied in abdichtender Weise an. Der Dichtungsring 40 und das Stützglied 37 drehen sich mit der Welle 11.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, weist der Dichtungsring '40 im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei abgeschrägte Ecken 11, 42, 43 und 44 vorgesehen sind. Der Dichtungsring hat eine innere Umfangsoberfläche 45 und eine äußere Umfangsoberfläche 46. Ferner ist eine radial sich erstreckende Endwandung an der Rückseite 47 vorgesehen und eine radial sich erstreckende axiale Endwandung 48 an der Vorderseite, wobei diese Endwandung die Dichtungsoberfläche 35 trägt. Die abgeschrägten Kanten 41, 42 and 43 erstrecken sich vorzugsweise um den gesamten Umfang herum und zwar an den Schnittstellen der äußeren und inneren Umfangsoberflachen mit den axialen Endwandungen. Die Abschrägungen dienen dazu, die Integrität einer zerbrechlichen Beschichtung aufrechtzuerhalten und zwar sowohl nach deren Herstellung als auch während des Betriebes. Diese Abschrägungen können auch dazu verwendet werden, den Aufbau von Beschichtungsmaterial an der inneren Umfangsoberfläche des Ringes auf ein Minimum herabzusetzen.

Der innere Umfang 25 liegt im zusammengebauten Zustand, wie es Fig. 2 zeigt, mit Paßsitz gegen das Stützglied 37 an.

BAD ORIGINAL

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Die Dichtungsfläche 35 besteht aus einem mittels Plasmastrahl aufgebrachten, verschleißfesten Keramikmaterial. Bevorzugte keramische Materialien umfassen Aluminium-Oxyde, Chrom-Oxyde, Titan-Oxyde und Zirkon-Oxyde und Gemische von diesen. Der Ring ^O besteht aus einem korrosionsfestem Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Bronze und Aluminium und ist vorzugsweise ein Körper aus einem gesinterten Metallpulver. Ein bevorzugter rostfreier Stahl ist der Stahl AISI Nr. 301. Dieser Stahl hat die folgende Zusammensetzung:

Kohlenstoff 0,08 bis 0,20

Mangan . 2,0 Nickel 6,00 bis 8,00 -

Chrom 16,00 bisl8,00

Eisen , Rest

Der Ring wird vorzugsweise nach einem Metallkeramikverfahren aus einem Rohpulvermaterial der obigen Zusammensetzung hergestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dichtungsoberfläche 35 durch ein Plasmastrahlsprühverfahren hergestellt, bei dem ein Metalloxyd-Keramikmaterial auf die Oberfläche 48 aufgesprüht wird. Das Plasmastrahlsprühverfahren erzeugt eine sichere Bindung zwischen der Keramikbeschichtung und dem Basismaterial aus rostfreiem Stahl, wobei gleichzeitig die Ausbildung einer Oberfläche sichergestellt wird, die die gewünschte Zugfestigkeit und die gewünschte Porosität aufweist, die für eine lange Lebensdauer einer Dichtungsoberfläche erforderlich sind. Es ist wünschenswert, die Oberflächenporosität auf einen Wert von unter 5 Volumen-/? zu halten. Eine Bindeschicht, die die Verbindung des Keramikmaterials mit dem Ring verbessert, wie beispielsweise eine aus Nickel-Aluminid, Molybdän u. dgl., kann verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtung aus einer Titan-Dioxyd-Aluminium-Oxyd-Zusammensetzung.

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Vorzugsweise weist die Zusammensetzung ein Minimum von etwa 60 Gew.-Jf Aluminium-Oxyd und ein Maximum von etwa 40 Gew.-36 Titan-Dioxyd auf. Eine spezielle Zusammensetzung, gegeben in Gew.-Jf ist die folgende:

Titan-Dioxyd 12,0 bis 15,0 Gew.-Jf

Organische Feststoffe 3»0 Gew.-Jf Maximum

Aluminium-Oxyd 78,0 Gew.-Jf Minimum

Andere Oxyde total 5»5 Gew.-36 Maximum

Das Pulvergemisch, das bei dem Plasmastrahlverfahren verwendet wird, hat vorzugsweise einen Größenbereich, der ausreicht, um durch ein Sieb von -270 Mesh hindurchgeht. Wenn die Beschichtung aufgebracht ist, weist diese im allgemeinen eine Vickers-Härte (DPH)₁₁₀ im Bereich von 500 bis zu etwa 1500 in der Titan-Oxyd-Phase auf und in der Aluminium-Oxyd-Phase eine Vickers-Härte (DPH)₁₁₀ von etwa 2300 bis zu etwa 3300.

In der Praxis wurde gefunden, daß diese Beschichtung eine zufriedenstellende Dichtungsfläche ergibt und zwar insbesondere dann, wenn sie zusammen mit einem Dichtungsring verwendet wird, der dem Dichtungsring 27 entspricht, der aus einem Kunstharz bestehen kann. Thermische Schockeinwirkungen können dazu führen, daß mikroskopisch feine Risse oder Spalte in der Oberfläche auftreten. Diese Risse oder Spalte haben jedoch keine schädliche Einwirkung auf die Dichtungsleistung, da das keramische Material lediglich eine Oberflächenbeschichtung auf dem Ring 40 bildet. Die Risse oder Spalte können sich keinesfalls durch den gesamten Ring hindurch fortsetzen.

Bei einer anderen Ausführungsform kann für die Dichtungsfläche 35 eine Zirkon-Oxyd-Beschichtung verwendet werden. Eine typische Beschichtung kann in der Weise hergestellt werden, daß ein Zirkon-Oxyd-Pulver in einen Plasmastrahl eingeführt wird, um die Oberfläche ¹J8 des Ringes zu beschichten.

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Bei jeder Beschichtung wird diese vorzugsweise durchgeführt, nachdem die Abschrägungen 42 und ^'5 ausgebildet sind. Die Anordnung dieser Abschrägungen setzt die Neigung der Beschichtung, an den inneren und äußeren Kanten abzubrechen, herab.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß durch die Erfindung ein verbesserter Dichtungsring für Flächendichtung geschaffen wird, wobei der Dichtungsring einen Ring aus rostfreiem Stahl aufweist, der eine Verschleißoberfläche trägt, die mit einer verschleißfesten Keramikbeschichtung beschichtet ist, wobei diese Keramikbeschichtung in situ mittels eines Plasmastrahlverfahrens hergestellt ist, wobei ein Metall-Oxyd gegen eine Oberfläche· des Ringes aus rostfreiem Stahl gesprüht wird.

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Claims

- ίο - Patent ansprüche

1.)Dichtung für eine Wasserpumpe zur Abdichtung gegen ein Durchlecken zwischen der Welle und dem Gehäuse einer Wasserpumpe, wobei ein vom Gehäuse getragener Bauteil vorgesehen ist und ein von der Welle getragener Bauteil und wobei jeder Bauteil aneinander angepaßte Dichtungsflächen aufweist und mit einer Feder, die einen der Bauteile gegen den anderen an der Dichtungsfläche drückt, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Welle getragene Bauteil einen korrosionsfesten Dichtungsring aufweist, der eine axiale Endwand hat, daß diese axiale Endwand eine harte, verschleißfeste Beschichtung aufweist, daß diese Beschichtung ein Gemisch aufweist, welches hauptsächlich aus Aluminium-Oxyd besteht, wobei als weiterer Bestandteil ein Material vorgesehen ist, ausgewählt aus der Gruppe der Oxyde von Titan, Zirkon und Gemische von diesen, wobei dieses Gemisch auf diese Endwandung mittels eines Plasmasprühverfahrens aufgebracht wird und wobei die verschleißfeste Beschichtung die Dichtungsoberfläche für den von der Welle getragenen Bauteil bildet.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 60 Gew.-? bis 80 Gew.-56 Aluminium-Oxyd und 10 Gew.-? bis 40 Gew.-35 Titan-Dioxyd enthält.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring aus rostfreiem Stahl besteht.

4. Dichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring aus pulverisiertem rostfreiem Stahl besteht.

5· Dichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring abgeschrägte innere und äußere Umfangskanten an den axialen Endwandungen aufweist.

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