DE3113004A1 - Sliding body - Google Patents

Abstract

The invention proposes a sliding body consisting of at least two layers of different material, one layer, having the running surface, consisting of a carbon sliding material and at least one further layer consisting of a fibre composite material. The fibre composite material may be carbon fibre-reinforced carbon or carbon fibre-reinforced plastic. Applications are, inter alia, sealing rings, bearing bushes and graphite shut-off valves.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitkörper, bestehendThe invention relates to a sliding body, consisting

aus zwei Schichten unterschiedlichen Materials.made of two layers of different material.

An Gleitkörpern wie Lagerbuchsen oder Dichtungsringe für Pumpen oder Chemieapparate werden auf Grund der Betriebsbedingungen häufig besondere materialmäßige Anorderungen gestellt. Beispielsweise scheiden Gleitkörper aus Metall bei Verwendung unter Flüssigkeiten mit ungünstigen Schmiereigenschaften wegen der nur geringen Reibungsverminderung oder unter korrosiv wirkenden Gasen und Flüssigkeiten wegen geringer Korrosionsbeständigkeit aus. Bei hohen und tiefen Temperaturen können Kunststoff-Gleitkörper wegen mangelnder Temperaturbeständigkeit und metallische Gleitkörper wegen Ausfall der herkömmlichen Schmiermittel nicht verwendet werden. Auch keramische Stoffe können trotz verschiedener Vorteile wegen ihrer Sprödigkeit und schlechten Thermoschockbeständigkeit den Anforderungen nicht immer genügen.On sliding bodies such as bearing bushes or sealing rings for pumps or Due to the operating conditions, chemical apparatuses often have special material properties Requests made. For example, metal sliding bodies separate when used among liquids with unfavorable lubricating properties because of the low Reduced friction or because of corrosive gases and liquids low corrosion resistance. Plastic sliding bodies can be used at high and low temperatures due to insufficient temperature resistance and metallic sliding bodies due to failure conventional lubricants cannot be used. Ceramic materials can also despite various advantages due to their brittleness and poor thermal shock resistance do not always meet the requirements.

Gut bewährt haben sich bei Vorliegen oben beschriebener Anforderungen Gleitkörper aus Kohlenstoff, wobei dieser Begriff hier für eine Materialgruppe stehen soll, die unten noch näher erläutert wird. Die Biegebruchfestigkeit dieser Materialien ist mit 50 - loo N/mm 2 meistens ausreichend.If the requirements described above are present, they have proven to be effective Sliding body made of carbon, where this term stands for a group of materials should, which is explained in more detail below. The bending strength of these materials with 50 - 100 N / mm 2 is usually sufficient.

Beispielhafte Anwendungen dieser Kohlenstoff-Gleitkörper sind Lagerbuchsen, Dichtungsringe für Gleitringdichtungen und Kolbentrennschieber für Rotationskompressoren.Exemplary applications of these carbon sliding bodies are bearing bushings, Sealing rings for mechanical seals and piston separating valves for rotary compressors.

In einer Reihe von Fällen bei höherer Druckbeaufschlagung oder bei freitragendem Einbau ist es notwendig, z.B.In a number of cases at higher pressurization or at self-supporting installation, it is necessary, e.g.

die Gleitringe dickwandiger auszuführen oder mit Stahlringen zu armieren, um ihre Funklionsfähigkeit sicherzustellen. Hierdurch werden zum Teil aufwendige Ausführungen der Gleitringe notwendig. Gleiches gilt für Kohle-Gleitlagerbuchsen bei freilragendem Einbau.make the sliding rings thicker-walled or reinforced with steel rings, to ensure their functionality. As a result, some of them are complex Designs of the slip rings necessary. The same applies to carbon plain bearing bushes with exposed installation.

Der Erfindug liegt daher die Aufgabe zugrund, einen Gleitkörper zu schaffen, der unter Beibehaltung der guten Eigenschaften des Kohlenstoff-Gleitkörpers eine höhere Festigkeit aufweist.The invention is therefore based on the object of a sliding body create that while maintaining the good properties of the carbon sliding body has a higher strength.

Die Aufgabe wird mit einem Gleitkörper bestehend aus Schichten unterschiedlichen Materials gelöst, wobei die die Lauffläche aufweisende Schicht aus einen Kohlenstoff-Gleitwerkstoff und mindestens eine weitere Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Der Faserverbundwerkstoff ist vorzugsweise kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff oder kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff.The task is different with a sliding body consisting of layers Dissolved material, the tread having the layer made of a carbon sliding material and at least one further layer consists of a fiber composite material. Of the Fiber composite material is preferably carbon fiber reinforced carbon or carbon fiber reinforced plastic.

Unter "Kohlenstoff-Gleitwerkstoff" werden alle für Kohlelager, Kohledichtungsringe und Kohletrennschieber gebräuchlichen Kohlenstoff-Werkstoffe verstanden, wie insbesondere Elektrographit, Kohlenstoffgraphit, kunstharzgebundener Kohlenstoff und kunstharzgebundener Graphit, aber auch kunstharzimprägnierter Elektrographit und kunstharzimprägnierter Kohlenstoff-Graphit sowie schließlich metallimprägnierter Elektrographit und metallimprägnierter Kohlenstoff-Graphit. Zur Metallimprägnierung werden beispielsweise Antimon, Blei, Kupfer und deren Legierungen verwendet."Carbon sliding material" includes all for carbon bearings, carbon sealing rings and carbon cutoff valve common carbon materials understood, such as in particular Electrographite, carbon graphite, resin bonded carbon and resin bonded Graphite, but also synthetic resin-impregnated electrographite and synthetic resin-impregnated ones Carbon-graphite and finally metal-impregnated electrographite and metal-impregnated Carbon graphite. For example, antimony, lead, Copper and its alloys are used.

Unter "kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff" werden Werkstoffe verstanden, die in einer Kohlenstoffmatrix Kohlenstoffasern enthalten. Vorzugsweise liegen die Kohlenstoffasern als Stränge von Endlosfäden vor, die beispielsweise mit einem in hohen.Kohlenstoffrückständen abbaubaren Polymer wie Phenolharz oder Furanharz, mit einem Steinkohlenteerpech oder einem Petrolpech imprägnier werden und dann unter Zug auf einen Kern aufgewickelt werden. Der Kern kann im einfachsten Fall der Ring aus dem die Lauffläche tragenden Kohlenstoff-Gleitmaterial sein. Der Faserring kann jedoch auch auf einem anderen Kernmaterial gewickelt werden und anschließend auf oder in den Kohlenstoffring eingepaßt werden. Bine anschließende Pyrolyse des Imprägniermittels bei 400 bis 3.ooo OC, vorzugsweise 650 bis 1.100 0C in Inertganatmosphäre führt zu einem hochfesten kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoff."Carbon fiber reinforced carbon" is understood to mean materials which contain carbon fibers in a carbon matrix. Preferably the Carbon fibers as strands of continuous filaments, for example with an in high carbon residues degradable polymer such as phenolic resin or furan resin, with be impregnated with a coal tar pitch or a petroleum pitch and then under Train to be wound on a core. In the simplest case, the core can be the ring be made of the carbon sliding material carrying the tread. The fiber ring can however, it can also be wound on a different core material and then on or fitted into the carbon ring. A subsequent pyrolysis of the impregnating agent at 400 to 3,000 ° C., preferably 650 to 1,100 ° C. in an inert atmosphere to a high strength carbon fiber reinforced carbon.

Bei der Verwendiing eines Polymeren als Matrix wird ein "kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff" erhalten.When a polymer is used as a matrix, a "carbon fiber reinforced Plastic "received.

Als Polymere können Duromere wie z.B. Epoxide, Phenolharze, Furanharze, Polyester und Polyimide, aber auch Plastomere wie z.B. Polyamide, Polycarbonate, Polysulfone und schlIeßlich Elastomere wie z.B. Silikonharze eingesetzt werden.Thermosets such as epoxides, phenolic resins, furan resins, Polyesters and polyimides, but also plastomers such as polyamides, polycarbonates, Polysulfones and finally elastomers such as silicone resins can be used.

Durch das Herstellverfahren bedingt, liegt nach der Pyrolyse bzw. der Härtung der Matrix ein Gleitkörper aus zwei fest verbundenen Schichten unterschiedlichen Materials vor. Je nach Anwendung kann es zweckmäßig sein, diesen Körper zur Erhöhung der Dichtheit mit Kunstharz oder Metallen der oben beschriebenen Art zu imprägnieren. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Gleitkörpers ist in der Kombination guter Laufeigenschaften mit einer hohen Festigkeit zu sehen.Due to the manufacturing process, after pyrolysis or the hardening of the matrix a sliding body made of two firmly bonded layers different Materials before. Depending on the application, it may be useful to increase this body to impregnate the tightness with synthetic resin or metals of the type described above. The advantage of the sliding body according to the invention is the combination of good running properties to see with a high strength.

Dei Erfindung wird im folgenden durch verschiedene Ausführungsformen anhand von Zei-hnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen Fig. 1 - den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse Fig. 2 - den Querschnitt eine. erfindungsgemäßen Dichtungsrings Fig. 3 - den Querschnitt eines Trennschiebers In den Figuren ist 1 die Schicht aus Kohlenstoff-Gleitwerkstoff, die eine Lauffläche 3 aufweist. Mit 2 ist die Schicht aus Faserverbundwcrlrstoff bezeichnet. Im Falle des Trennschiebers, Fig. @, sind zwei Schichten 2, 2' aus Faserverbundwerkstoff dargestellt.The invention is hereinafter illustrated by various embodiments explained using drawings as an example. 1 shows the cross section a bearing bush according to the invention Fig. 2 - a cross section. according to the invention Sealing ring Fig. 3 - the cross section of a slide gate valve in the figures 1 the layer of carbon sliding material, which has a running surface 3. With 2 is the layer made of fiber composite material. In the case of the slide valve, Fig. @, Two layers 2, 2 'made of fiber composite material are shown.

Zur weiteren Erläuterung werden im folgenden zwei beispielhafte Herstellverfahren des erfindungsgemäßen Gleitkörpers angegeben.For further explanation, two exemplary production processes are given below of the sliding body according to the invention specified.

Beispiel 1 Zur Armierung eines Kohlenstoff-Gleitringes werden hochfeste Kohlenstoffasern in endloser Form verwendet.Example 1 To reinforce a carbon sliding ring, high-strength Carbon fibers used in endless form.

Die Zahl der Einzelfilamente des Kohlenstoffaserstranges beträgt 6.000, der Durchmesser des Einzelfilamentes 6,5 /um. Die Kohlenstoffasern weisen eine Zugfestigkeit von 3 kN/mm² und einen E-Modul von 210 kN/mm² auf. Die Dichte der Kohlenstoffasern beträgt 1,76 g/cm³ Als Binder wird ein Phenolharznovolak verwendet, welcher mit 12,5 Gew.-% Hexamcthyl.entrc I-.rani.n versetzt ist. Das Phenolharznovolak wird in Äthanol gelöst und auf eine mittlere Viskosität von 700 cP eingestellt. Die Armierung des Kohlenstoffgleitringes erfolgt direkt, d.h. der die Gleitfläche aufweisende Kohlenstoffring wird als Aufwickelkern verwendet. Die Armierung erfolgt dergestalt, daß das trockene Kohlenstoffasertau über eine Anzahl von Führunysrollen vor dein Aufwickeln auf den Kohlenstoffkern mit dem flüssigen Phenolharznovolak imprägniert wird. Hierzu läuft das Kohlenstoffasertau durch das Phenolharzbad, gefolgt von einem Abstreifer, welcher eine definierte Phenolharzmenge auf dem imprägnierten Kohlenstoffasertau einstellt. Das so getränkte Tau wird mit Hilfe eines Fadenauges definiert auf dem die Gleitfläche tragenden Ring abgelegt. Hierbei steht das Kohlenstoffasertau unter einer Spannung, welche einer Abzugskraft von 7 N entspricht. Hierdurch stellt sich ein Faser-/Matrixvolumenanteil von 3 : 2 ein.The number of individual filaments of the carbon fiber strand is 6,000, the diameter of the single filament 6.5 / um. The carbon fibers have tensile strength of 3 kN / mm² and an E-module of 210 kN / mm². The density of the carbon fibers is 1.76 g / cm³ A phenolic resin novolak is used as a binder, which with 12.5 wt .-% Hexamethyl.entrc I-.rani.n is added. The phenolic resin novolak is dissolved in ethanol and adjusted to an average viscosity of 700 cP. The reinforcement of the carbon sliding ring takes place directly, i.e. the one with the sliding surface Carbon ring is used as a winding core used. The reinforcement takes place in such a way that the dry carbon fiber rope passes over a number of guide rollers before winding it on the carbon core with the liquid phenolic novolak is impregnated. For this purpose, the carbon fiber rope runs through the phenolic resin bath, followed from a scraper, which a defined amount of phenolic resin on the impregnated Carbon fiber rope sets. The dew so soaked in this way is made with the help of a thread eye stored in a defined manner on the ring carrying the sliding surface. This is where the carbon fiber rope stands under a tension which corresponds to a pull-off force of 7 N. This provides a fiber / matrix volume fraction of 3: 2 is assumed.

Nach Beendigung des Naßwickelvorganges wird der umwickelte Ring unter andauernder Rotationsbewegung getrocknet und das Phenolharz durch eine Wärmebehandlung bei 180 °C gehärtet. Anschließend erfolgt eine spanabhebende Nachbearbeitung der Kohlenstoffaserarmierung zur Glättung der Oberfläche.After completion of the wet winding process, the wrapped ring is under continuous rotational movement and the phenolic resin through a heat treatment cured at 180 ° C. This is followed by machining post-processing of the Carbon fiber reinforcement for smoothing the surface.

Die Zugfestigkeit des mit kohlenstoffaserverstärkten Phenolharzes armierten Kohlenstoffgleitringes, der nunmehr aus einer Schicht aus Kohlenstoff-Gleitwerkstoff und einer Schicht aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff besteht, beträgt 1.485 N/mm2, während die Zugfestigkeit des nichtarmierten Kohlenstoffgleitringes 46 N/mm2 beträgt.The tensile strength of the carbon fiber reinforced phenolic resin reinforced carbon sliding ring, which now consists of a layer of carbon sliding material and a layer of carbon fiber reinforced plastic is 1,485 N / mm2, while the tensile strength of the non-reinforced carbon sliding ring is 46 N / mm2 amounts to.

Beispiel 2 Ein rotationssymetrischer Körper wird wie in Beispiel 1 mit kohlenstoffaserverstärktem Phenolharznovolak armiert. Im Unterschied zu Ausführungsbeispiel 1 ist der als Wickelkern dienende rotationssymetrische Körper kein als leitelement verwendbarer Kohlenstoff.Example 2 A rotationally symmetrical body is produced as in Example 1 Reinforced with carbon fiber reinforced phenolic resin novolak. In contrast to the exemplary embodiment 1, the rotationally symmetrical body serving as the winding core is not a guiding element usable carbon.

Es werden Kohlenstoffasern mit einer Zugfestigkeit von 2,7 kN/mm², einem E-Modul von 352 kN/mm² und einer 3 Dichte von 1,84 g/cm verwendet. Nach Beendigung des Härtungsschrittes bei 180 °C wird der mit kohlenstofffaserverstärktem Phenolharz armierte, rotationssymetrische Wickelkörper einer thermischen Behandlung in nichtoxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1.200 °C ausgesetzt. Hierbei wird der Phenolharznovolak in Kohlenstoff umgewandelt. Danach weist der aus dem Phenolharz entstandene Kohlenstoff eine Porosität zwischen 10 und 25 % auf. Die Nachverdichtung erfolgt durch weitere Imprägnierungen bis eine Porosität von < 2 % erreicht ist. Hierbei ist es möglich, das Imprägniermittel nur zu härten o{er ebenfalls zu verkoken. Nach Beendigung der Verdichtungsbehandlung wird das Wickelkern entfernt und die Armierung spanabhebend bearbeitet.Die Bearbeitung muß dergestalt erfolgen, daß der faserverstärkte Ring saugend auf den die Gleitfläche tragenden Kohlenstoffring eingepaßt werden kann.There are carbon fibers with a tensile strength of 2.7 kN / mm², an elastic modulus of 352 kN / mm² and a density of 1.84 g / cm are used. After completion the curing step at 180 ° C becomes that with carbon fiber reinforced phenolic resin Reinforced, rotationally symmetrical bobbins of a thermal treatment in non-oxidizing Atmosphere at a temperature of 1,200 ° C. This is where the phenolic resin is novolak converted into carbon. According to this, the carbon formed from the phenolic resin shows a porosity between 10 and 25%. The redensification is carried out by further Impregnation until a porosity of <2% is reached. Here it is possible Only to harden the impregnation agent or to coke it as well. After the Compaction treatment, the winding core is removed and the reinforcement is machined The processing must be done in such a way that the fiber-reinforced ring can be fitted sucking onto the carbon ring carrying the sliding surface.

Die Zugfestigkeit dergestalt armierter, rotations-2 symetrischer Gleitkörper liegt bei 1.100 bis 1.400 N/mm L e e r s e i t eThe tensile strength of such reinforced, rotationally 2 symmetrical sliding bodies is 1,100 to 1,400 N / mm L e r s e i t e

Claims (3)

Gleitkörper P a t e n t a n s p r ü c h e Gleitkörper, bestehend aus Schichten unterschiedlichen Materials, dadurch gekennzeichnet , daß die die Lauffläche aufweisende Schicht aus einem Kohlenstoff-Gleitwerkstoff und daß mindestens eine weitere Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.Sliding body P a t e n t a n s p r ü c h e Sliding body, consisting of Layers of different material, characterized in that the tread having a layer made of a carbon sliding material and that at least one Another layer consists of a fiber composite material. 2. Gleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Faserverbundwerkstoff kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff ist. 2. Slider according to claim 1, characterized in that the fiber composite material is carbon fiber reinforced carbon. 3. Gleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Faserverbundwerkstoff kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff ist. 3. Slider according to claim 1, characterized in that the fiber composite material carbon fiber reinforced plastic is.