DE2611524A1

DE2611524A1 - Aus graphit und polyimidharz bestehender dichtungsring und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2611524A1
Application number: DE19762611524
Authority: DE
Inventors: Guenther Genthe
Original assignee: Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH and Co
Current assignee: Burgmann Grundstuecksverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 1976-03-18
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2611524C2

Description

Aus Graphit und Polyimidharz bestehender Dichtungs-
ring und Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Erfindung betrifft einen aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsring, der besonders für die Abdichtung umlaufender Wellen oder in Axialrichtung bewegter Stangen und speziell als Kurbelwellendichtung einsetzbar ist.
Bekannt sind Formmassen zur Herstellung von Dichtungsringen, bestehend aus einer trockenen homogenen Mischung von Graphit mit einer in der Natur vorkommenden oder vergleichsweisen Struktur in fein gemahlenem Zustand und pulverförmigen Polyimid. Aus einer derartigen Formmasse hergestellten Dichtungsringe sind wenig elastisch und weisen insbesondere nur eine geringe Bruchdehnung auf, so daß Sorgfalt beim Einbau geboten ist und auch die Gefahr besteht, daß bei betriebsmäßigen Versetzungen der abzudichtenden Welle ein Bruch des Dichtungsringes eintritt. Solchen Dichtungsringen mangelt es auch an einer Speicherfähigkeit für 51, welche zur Verbesserung des Gleitverhaltens an der Welle und damit zur Verminderung des Ringverschleißes dann erwünscht wäre, wenn das abzudichtende Medium aus Ul besteht und dieses zeitweise nicht an der Dichtung ansteht, wie dies beispielsweise bei Kurbelwellendichtungen von Brennkraftmaschinen der Fall sein kann. Unabhängig davon ist auch bei der Herstellung von Ringen aus der bekannten Formmasse zu beanstanden, daß erhebliche Preßdrücke und diesen widerstehende, ausreichend stabile Preßformen erforderlich sind.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsring unter Aufrechterhaltung von dessen vorteilhaften Temperatureinsatzgrenzen zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile beseitigt sind, d.h. der bis zum Eintritt eines Bruches erhebliche elastische Verformbarkeit und bei örtlich hoher Flächenpressung auch eine gewisse plastische Verformbarkeit besitzt, die Fähigkeit zur Ulspeicherung aufweist und sich einfach herstellen, insbesondere verpressen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dichtungsring aus einem Gefüge von aus komprimierten Graphitexpandat gebildeten flachen Körpern aufgebaut ist, welcher die Form von Kissen oder Scheiben aufweisen, deren größte seitliche Ausdehnung ein Mehrfaches ihrer Dicke beträgt und die unter Belassung von Hohlräumen über- und nebeneinander mit ihren größten seitlichen Ausdehnungen im Wesentlicnen in zur Längsachse des Dichtungsringes senkrechten Ebenen liegend ar-.eerunet sind, daß die Körper von einer dünnen Schicht aus vernezter Poly- .o imidharz umhüllt sind und daß nur Teile dieser Schichten versch.e-derer Körper durch Brücken aus vernetzten Polyimidharz miteinancer verbjnder sind.
Dichtungsringe dieser Ausbildung weisen eine Temperatureinsatzgrenze auf, wie sie aus Naturgraphit und Polyimidharz bestehende Dictungsringe besitzen,.d.h. sie sind dauernd bis zu Temperaturen von 210°C. bei bestimmten Polyimidharz-Typen auch höher / einsetzbar. Der erfindungsgemäße Dichtungsring besitzt ferner eine die Bruchgefahr beim Einbau und im Anlauf gegen unruhige Wellen praktisch völlig ausschaltende hohe elastische Verformbarkeit. Er kann sich auch bei örtlich hohen Flächenpressungen, wie sie beim ungenauen Einbau in Bezug auf die Welle oder bei deren nachträglichen winkel.-förmigen Versetzung entstehen, an die Welle anpassen, so daß die Gefahr übermäßig hoher Kantenpressungen vermieden ist. Durch die beträchtliche Olspeicherfähigkeit werden die Notlaufeigenschaften verbessert.
Die geringe spezifische Wichte des Dichtungsringes bietet darüber hinaus dann Vorteile, wenn dieser in Radialrichtung elastisch gelagert wird, da dann bei mit Radialschlag behafteten Wellen nur geringe Beschleunigungskräfte auf den Dichtungsring einwirken, der demzufolge den radialen Wellenbewegungen ohne Verschleißerscheinungen folgen kann.
Vorzugsweise bildet das Polyimidharz einen Gewichtsanteil von 20-45%, insbesondere von 20-35%.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsringes. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß erfindungsgemäß in einem Lösungsmittel 3 Gewichtsprozent Polyimid aufgelöst werden, in diese Lösung Graphit in Form von aus Graphitexpandat bestehenden diskreten Teilchen (Granulat, Flocken kurzen Abschnitten von Extrusionssträngen od.ähnl.) mit Abmessungen angenähert in der Größenordnung von einem Millimeter eingerührt wird, ohne die Struktur des Graphitexpandats zu zerstören, diese Mischung bis zum Verbleib einer geringen Restfeuchtigkeit an Lösungsmittel getrocknet wird, dann die Mischung zu einem Ring durch Druckeinwirkung in der Ring-Längsachse bei Umgebungstemperatur verpreßt wird, dann der Ring bei erhöhter Temperatur von wenigstens 1300 C getrocknet und durch einen weiteren Preßvorgang die für den Dichtungsring vorgesehene endgültige Form erteilt wird, worauf eine Nachtemperung bei einer Temperatur höher als 130° C bis zur Vernetzung des Polyimidharz durchgeführt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden in vier Gewichtsteilen des Lösungsmittels, das vorzugsweise aus Methyläthyl-Keton besteht, 2,5 Gewichtsteile Graphitexpandat eingerührt. Die Trocknung der Mischung aus Graphitexpandat, Polyimid und Lösungsmittel soll vorzugsweise bis zu einem Feststoffgehalt an Polyimid und Grapr'itexpandat von 80 erfolgen.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsringes kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß von Graphit-Expandat in Form von diskreten Teilchen (Granulat, Flocken, kurzen Abschnitten von Extrusionssträngen od.
ähnl.) mit Abmessungen angenähert in der Größenordnung von einem M4'lli;teter ausgegangen wird, diesem Graphit-Expandat vor seiner Einbrincung in eine Pressform pulverförmiges Polyimidharz in einem Gewichtsanteil von 20-84;', insbesondere 50 bis SOt trocken zugegeben wird, beide Komponenten bis zur gleichförmigen Verteilung des Polyimidharz-Pulvers unter minimaler mecnanischer Einwirkung auf die Graphit-Expandat-Teilchen gerischt werden, die Mischung zu einem Ring durch Druckeinwirkung in der Ring-Längsachse bei Umgebungstemperatur verpreßt wird und der Ring einer Temperung bei einer Temperatur höher als 1300 C bis zur Vernetzung des Polyimidharzes unterzogen wird.
Bei beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die temperung bzw. Nachtemperung des Dichtungsringes nach dem letzten Preßvorgang vorteilhaft bis von 1600 C bis 250 0C ansteigenden Temperaturen durchgeführt, und zwar vorzugsweise während einer Zeitdauer von ca.
10 Stunden, wobei anschließend die Temperatur von 2500 C während einer weiteren Zeitdauer von 10 Stunden aufrechterhalten wird.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Dichtungsring; Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Gefüges des erfindungsgemäßen Dichtungsringes in einer zu seiner Längsachse parallelen Schnittansicht.
Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte, für eine umlaufende Welle bestimmte Dichtungsring 1 hat die Gestalt eines kurzen Rohrabschnittes.
In der zylindrischen Innenwand 2 sind Rückfördernuten 3 in Form eines mehrgängigen Gewindes ausgespart.
Die Steigungsrichtung der Rückfördernuten 3 ist so gewählt, daß bei einer vorgegebenen Drehrichtung der koaxial zur Längsachse 4 des Dichrungsringes 1 angeordneten und von dessen Innenwand 2 anliegend oder mit minimalem radialen Abstand umschlossenen Welle (nicht dargestellt) das flüssige Medium wieder in den abzudichtenden Raum zurückgefördert wird.
Der Dichtungsring 1 besteht aus einem Gefüge (Fig. 3), dessen volumen-und gewichtsmäßig größter Anteil von Körpern 6 gebildet wird. Diese Körper weisen die Gestalt unregelmäßig geformter Kissen oder Scheiben auf, deren größte seitliche Ausdehnung ein Mehrfaches ihrer Dicke beträgt. Sie sind dergestalt über- und nebeneinander angeordnet, daß sie jeweils mit ihrer größten seitlichen Ausdehnung im wesentlichen in zur Ring-Längsachse 4 senkrechten Ebenen liegen, wobei Hohlräume 7 verbleiben.
Die Körper 6 bestehen aus Graphit in Form von Graphitexpandat, das eine Pressung in Richtung der Längsachse 4 erfahren hat. Die Körper sind von einer dünnen Schicht aus vernetzten Polyimidharz umhüllt. Dieses kann auch kleinere Vertiefungen, Spalten od.ähnl. der Körper ausfüllen. Die durch Schichten, welche benachbarte Körper umhüllen, sind/aus dem gleichen vernetzten Polyimidharz bestehenden Brücken 8 verbunden. Das Polyimidharz verbindet weiterhin unmittelbar aneinanderliegende Körper 6 nach Art einer flachen Klebestelle. Anzumerken ist insbesondere, daß die Brücken 8, d.h. das vernetzte Polyimidharz,den Raum zwischen den Körpern 6 nicht vollständig ausfüllen, so daß die Hohlräume 7 verbleiben, die vorzugsweise in radialer Richtung des fertigen Ringes miteinander in Verbindung stehen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Dichtungsringes werden zuerst drei Gewichtsprozent Polyimid in einem Lösungsmittel gelöst. In diese Lösunq wird Graphit in Form Flocken, von diskreten Teilchen, vorzugsweise Granulatloder kurzen Abschnitten von Polyimid-Extrusionssträngen, im Verhältnis von vier Gewichtsteilen/Lösungs zu 2,5 Gewichtsteilen Graphitexpandat eingerührt. Der Rührvorgang wird nur solange durchgeführt, bis eine gleichförmige Verteilung der Graphitexpandat-Teilchen im Lösungsmittel erreicht ist, wobei zudem der Rührvorgang in schonender Weise durchzuführen ist, damit die auf die Graphitexpandat-Teilchen einwirkenden mechanischen Kräfte gering bleiben. Es wird dadurch vermieden, daß diese Teilchen zerbrechen und feine Partikel bilden, welche beim fertigen Ring die Hohlräume zusetzen würden. Die für das erfindungsgemäße Verfahren am besten geeigneten Graphitexpandat-Teilchen weisen Abmessungen in der Größenordnung von einem Millimeter auf.
Anschließend wird die Mischung aus Graphitexpandat-Teilchen, Polyimidharz und Lösungsmittel durch Verdampfung des letzteren soweit getrocknet, bis ein Feststoffanteil von ca. 80% erhalten wird. Die so gewonnene Masse wird in eine Preßform eingebracht und durch einen Preßstempel, der in Richtung der Längsachse des zu fertigenden Dichtungsringes vorgeschoben wird, zu dem Ring verpreßt. Dieser Vorgang soll bei Umgebungstemperatur verlaufen.
Anschließend wird der bereits ausreichende Festigkeit für die weitere Handhabung aufweisende Ring aus der Preßform entnommen und bei einer Temperatur vom ca. 1300 getrocknet wird. Anschließend an diese Trocknung erfolgt ein weiterer Preßvorgang, die dem Ring die endgültige Form verleiht.
Nach diesem Preßvorgang wird der Ring einer Nachtemperung bei von 130 bis 2500 C ansteigender Temperatur bis zur Vernetzung des Polyimidharzes unterzogen. Für die Zeitdauer der Nachtemperung ist eine Abhängigkeit von der angewandten Temperatur dergestalt gegeben, daß sich die Zeitdauer bei erhöhter Temperatur abkürzt.
Gemäß einer geänderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Graphit-Expandat in Form von diskreten Teilchen (Granulat, Flocken, kurze Abschnitte von Extrusionssträngen) mit pulverförmigen Polyimidharz unter minimaler mechanischer Einwirkung, vorteilhaft in einem Taumelmischer bis zur gleichförmigen Verteilung des Polyimidharzes gemischt.
Der Polyimidharz-Gewichtsanteil soll 20 - 84%, vorzugsweise 50 - 60% betragen.
Das Gemisch wird durch Druckeinwirkung in der Ring-Längsachse verpreßt, anschließend wird der Ring einer Nachtemperung bei von 1300 bis 2500 C ansteiengender Temperatur bis zur Vernetzung des Polyimidharzes unterzogen. L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t ans p r ü c h e.

Aus Graphit und Polyimidharz bestehender Dichtungsring, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t, daß der Dichtungsring (1) aus einem Gefüge von aus komprimierten Graphitexpandat gebildeten flachen Körpern (6) aufgebaut ist, welche die Form von Kissen oder Scheiben aufweisen, deren größte seitliche Ausdehnung ein Mehrfaches ihrer Dicke beträgt und die unter Belassung von Hohlräumen (7) über-und nebeneinander mit ihren größten seitlichen Ausdehnungen im wesentlichen in zur Längsachse (4) des Dichtungsringes senkrechten Ebenen liegend angeordnet sind, daß die Körper von einer dünnen Schicht aus vernetzten Polyimidharz umhüllt sind und daß nur Teile der dieser Schichten verschiedener Körper durch Brücken (8) aus vernetzten Polyimidharz miteinander verbunden sind.
2.) Dichtungsring nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Polyimidharz einen Gewichtsanteil von 20-45,°t bildet.
3.) Dichtungsring nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Polyimidharz einen Gewichtsanteil von 30-35zO bildet.
4.) Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsringes, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in einem Lösungsmittel 3 Gewichtsprozent Polyimid aufgelöst werden, in diese Lösung Graphit in Form von aus Graphitexpandat bestehenden diskreten Teilchen (Granulat, Flocken, kurzen Abschnitten von Extrusionssträngen od.ähnl.) mit Abmessungen angenähert in der Größenordnung von einem Millimeter eingerührt wird, ohne die Struktur des Graphitexpandats zu zerstören, diese Mischung bis zum Verbleib einer geringen Restfeuchtigkeit an Lösungsmittel getrocknet wird, dann die Mischung zu einem Ring durch Druckeinwirkung in der Ring-Längsachse bei Umgebungstemperatur verpreßt wird, dann der Ring bei erhöhter Temperatur von wenigstens 1300 C getrocknet und durch einen weiteren Preßvorgang die für den Dichtungsring vorgesehene endgültige Form erteilt wird, worauf eine Nachtemperung bei einer Temperatur höher als 1300 C bis zur Vernetzung des Polyimidharzes durchgeführt wird.
5.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in vier Gewichtsteilen des Lösungsmittels 2,5 Gewichtsteile Graphitexpandat eingerührt werden.
6.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Polyimid in Methyläthyl-Keton gelöst wird.
7.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Mischung aus Graphitexpandat, Polyimid und Lösungsmittel bis zu einem Feststoffgehalt an Polyimid und Graphitexpandat von 801 getrocknet wird.
8.) Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit und Polyimidharz bestehenden Dichtungsringes, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß von Graphit-Expandat in Form von diskreten Teilchen (Granulat, Flocken, kurzen Abschnitten von Extrusionssträngen od. ähnl.) mit Abmessungen angenähert in der Größenordnung von einem Millimeter ausgegangen wird, diesem Graphit-Expandat vor seiner Einbringung in eine Pressform pulverförmiges Polyimidharz in einem Gewichtsanteil von 20 bis 84% trocken zugegeben wird, beide Komponenten bis zur gleichförmigen Verteilung des Polyimidharz-Pulvers unter minimaler mechanischer Einwirkung auf die Graphit-Expandat-Teilchen gemischt werden, die Mischung zu einem Ring durch Druckeinwirkung in der Ring-Längsachse bei Umgebungstemperatur verpreßt wird und der Ring einer Temperung bei einer Temperatur höher als 1300 C bis zur Vernetzung des Polyimidharzes unterzogen wird.
9.) Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Mischung der Graphitexpandat-Teilchen und des Polyimidharz-Pulvers in einem Taumelmischer vorgenommen wird.
10.) Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß dem Graphit-Expandat das Polyimidharz-Pulver in einem Gewichtsanteil von 50 bis 60m zugegeben wird.
11.) Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Nachtemperung des Dichtungsringes nach dem letzten Preßvorgang bei von 1600 C bis 2500 C ansteigenden Temperaturen durchgeführt wird.
12.) Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Nachtemperung mit ansteigender Temperatur während einer Zeitdauer von ca. 10 Stunden erfolgt und anschließend die Temperatur von 250° C während einer weiteren Zeitdauer von ca.

10 Stunden aufrechterhalten wird.