WO2010006685A1 - Slide ring seal arrangement - Google Patents

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WO2010006685A1 PCT/EP2009/004568 EP2009004568W WO2010006685A1 WO 2010006685 A1 WO2010006685 A1 WO 2010006685A1 EP 2009004568 W EP2009004568 W EP 2009004568W WO 2010006685 A1 WO2010006685 A1 WO 2010006685A1
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boron
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mechanical seal
slide ring
composite material
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PCT/EP2009/004568
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Inventor
Josef Irmler
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Burgmann Industries Gmbh & Co. Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3496—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member use of special materials

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical seal assembly in which at least one sliding surface is made of a boron-nitrogen composite material.
  • the mechanical seal assembly according to the invention has the advantage that it manages in particular without an expensive diamond coating.
  • at least one sliding surface of one of the two sliding rings of the mechanical seal assembly is made of a boron-nitrogen composite material.
  • a boron-nitrogen composite also has a relatively high hardness and, in particular, has an improved high-temperature property compared with a diamond coating.
  • the boron-nitrogen composite lacks the property of diamond that carbon dissolves in iron at high temperatures.
  • a rotating seal ring and / or a stationary seal ring of the mechanical seal assembly is made entirely of a boron-nitrogen composite material.
  • problems of adhesion of a surface layer to a base material can thereby be avoided.
  • no signs of wear occur in a solid sliding ring made of boron-nitrogen composite material in practical application.
  • the boron-nitrogen composite material particularly preferably comprises cumulated nanoparticles of two dense boron nitride phases.
  • the nanoparticles preferably have a size between 12 and 16 nanometers, in particular a size of 14 nanometers.
  • the crystal size is reduced to about 14 nm, the densest crystal structures are formed, so that the Boron nitrogen composite material has the highest hardness.
  • such materials also have almost three times greater wear resistance than a diamond coating and are stable up to temperatures of about 1320 ° C.
  • the boron-nitrogen composite is completely free of carbon. This ensures that even at high temperatures, the material does not dissolve in iron due to the absence of carbon.
  • Boron nitride is preferably used as the boron-nitrogen composite material.
  • boron nitride is used as the material for the slip rings, either as a coating or as a solid material.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a mechanical seal assembly according to an embodiment of the invention.
  • the mechanical seal assembly 1 comprises a first stationary seal ring 2 and a second rotary ring seal 3.
  • the rotary seal ring 3 rotates together with a rotating member 10, e.g. a wave.
  • the two slip rings have opposing sliding surfaces 2a, 3a, which define a sealing gap 4 between them.
  • the mechanical seal assembly 1 seals between a first space 5 and a second space 6 on the rotating shaft 10. Further, the mechanical seal assembly 1 comprises a biasing means 7 with a power transmission ring 8 and a plurality of circumferentially distributed biasing springs 9. The biasing means 7 biases the stationary seal ring 2 against the rotating seal ring 3. With X-X while a rotation axis of the rotating member 10 is designated.
  • the stationary seal ring 2 and the rotary seal ring 3 are made of boron-nitrogen composite material.
  • the boron-nitrogen composite is made from a variety of nanoparticles having a size of about 14 nm. This allows extremely dense tall Fashion of the two sliding rings 2, 3 are achieved, so that the slip rings 2, 3 have a very high hardness and a very high temperature resistance. Furthermore, the slip rings made from the boron-nitrogen composite material have a very high wear resistance. In comparison with diamond-coated slip rings, the sliding rings 2, 3 according to the invention can thereby be manufactured relatively inexpensively and simply, since they are in particular made of massive mass of the boron-nitrogen composite material.
  • the mechanical seal assembly according to the invention can be used in particular in applications in which hitherto the extremely expensive diamond-coated slip rings are used.
  • the massive slip rings have significantly better properties, in particular with regard to temperature stability and wear resistance at high temperatures.
  • the massive formation of the sliding rings of boron-nitrogen composite material also has no liability problems at high temperatures as the previously used coated seal rings.
  • particularly long service life of the seal rings 2, 3 can be achieved and in particular maintenance intervals for the mechanical seal assembly can be significantly increased.
  • the sliding rings 2, 3 according to the invention also have outstanding emergency running properties.

Abstract

The invention relates to a slide ring seal arrangement, comprising a first stationary slide ring (2) having a first sliding surface (2a), and a second rotating slide ring (3) having a second sliding surface (3a), wherein the rotating slide ring (3) turns together with a rotating component (10), wherein the sliding surfaces (2a, 3a) of the slide rings (2, 3) face each other and define a sealing gap (4) between them, wherein the first sliding surface (2a) of the first slide ring (2) and/or the second sliding surface (3a) of the second slide ring (3) is made of a boron-nitrogen composite material.

Description

Gleitringdichtungsanordnung The mechanical seal assembly
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, bei der wenigstens eine Gleitfläche aus einem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist.The present invention relates to a mechanical seal assembly in which at least one sliding surface is made of a boron-nitrogen composite material.
Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Während des Einsatzes von Gleitringdichtungsanordnungen können dabei an den Gleitringen sehr hohe Belastungen, insbesondere sehr hohe Temperaturbelastungen und/oder sehr hohe Druckbelastungen auftreten. Hierzu wurde in der DE 20 2007 016 868 U1 ein Gleitring vorgeschlagen, welcher einen Basiskörper aus einem karbidischen Material und eine am Basiskörper angeordnete, eine Gleitfläche schaffende Beschichtung aus einem Diamantmaterial offenbart. Derartige zweiteilige Gleitringe haben jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass die Beschichtung mit einem Diamantmaterial zu Problemen bezüglich einer Haftung der Beschichtung auf dem Basiskörper führen können. Ferner hat das Diamantmaterial den Nachteil, dass insbesondere bei hohen Temperaturen eine verminderte Härte vorliegt. Bei Verwendung in Gleitringdichtungen kann dies jedoch zu unerwünschten Undichtigkeiten führen. Ferner ist ein weiterer Nachteil des Diamantmaterials, dass dieses sehr teuer ist.Mechanical seal assemblies are known in the prior art in various configurations. During the use of mechanical seal assemblies very high loads, in particular very high temperature loads and / or very high pressure loads can occur on the slip rings. For this purpose, DE 20 2007 016 868 U1 has proposed a sliding ring which discloses a base body made of a carbide material and a coating made of a diamond material that is arranged on the base body and creates a sliding surface. However, such two-part slip rings have the fundamental disadvantage that the coating with a diamond material can lead to problems regarding adhesion of the coating on the base body. Furthermore, the diamond material has the disadvantage that there is a reduced hardness, especially at high temperatures. When used in mechanical seals, however, this can lead to unwanted leaks. Further, another disadvantage of the diamond material is that this is very expensive.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung zu schaffen, welche eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit auch bei hohen Temperaturen und/oder bei hohen mechanischen Beanspruchungen aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a mechanical seal assembly, which has an improved operational reliability even at high temperatures and / or high mechanical stresses.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by a mechanical seal assembly having the features of claim 1. The dependent claims show preferred developments of the invention.
Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung weist den Vorteil auf, dass sie insbesondere ohne eine teuere Diamantbeschichtung auskommt. Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Gleitfläche eines der beiden Gleitringe der Gleitringdichtungsanordnung aus einem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt. Ein derartiger Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff weist ebenfalls eine relativ hohe Härte auf und hat insbesondere im Vergleich mit einer Diamantbeschichtung eine verbesserte Eigenschaft gegenüber sehr hohen Temperaturen. Insbesondere fehlt dem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff die bei Diamant vorhandene Eigenschaft, dass sich Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in Eisen löst.The mechanical seal assembly according to the invention has the advantage that it manages in particular without an expensive diamond coating. According to the invention, at least one sliding surface of one of the two sliding rings of the mechanical seal assembly is made of a boron-nitrogen composite material. Such a boron-nitrogen composite also has a relatively high hardness and, in particular, has an improved high-temperature property compared with a diamond coating. In particular, the boron-nitrogen composite lacks the property of diamond that carbon dissolves in iron at high temperatures.
Besonders bevorzugt ist es, wenn ein rotierender Gleitring und/oder ein ortsfester Gleitring der Gleitringdichtungsanordnung vollständig aus einem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist. Hierdurch können insbesondere Probleme einer Haftung einer Oberflächenschicht auf einem Basismaterial vermieden werden. Ferner treten bei einem massiven Gleitring aus Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff in der praktischen Anwendung keine Verschleißerscheinungen auf.It is particularly preferred if a rotating seal ring and / or a stationary seal ring of the mechanical seal assembly is made entirely of a boron-nitrogen composite material. In particular, problems of adhesion of a surface layer to a base material can thereby be avoided. Furthermore, in a solid sliding ring made of boron-nitrogen composite material in practical application no signs of wear occur.
Besonders bevorzugt umfasst der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff kumulierte Na- nopartikel zweier dichter Bornitrid-Phasen. Hierdurch kann eine besonders hohe Härte von bis zu 85 GPa erreicht werden. Die Nanopartikel weisen dabei vorzugsweise eine Größe zwischen 12 und 16 Nanometern, insbesondere eine Größe von 14 Nanometern, auf. Insbesondere wenn die Kristallgröße auf ca. 14 nm reduziert wird, bilden sich die dichtesten Kristallstrukturen, so dass der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff die höchste Härte aufweist. Ferner weisen derartige Materialien auch eine fast dreimal so große Verschleißresistenz wie eine Diamant- beschichtung auf und sind stabil bis zu Temperaturen von ca. 13200C.The boron-nitrogen composite material particularly preferably comprises cumulated nanoparticles of two dense boron nitride phases. As a result, a particularly high hardness of up to 85 GPa can be achieved. The nanoparticles preferably have a size between 12 and 16 nanometers, in particular a size of 14 nanometers. In particular, when the crystal size is reduced to about 14 nm, the densest crystal structures are formed, so that the Boron nitrogen composite material has the highest hardness. Furthermore, such materials also have almost three times greater wear resistance than a diamond coating and are stable up to temperatures of about 1320 ° C.
Besonders bevorzugt ist der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff vollständig kohlenstofffrei. Hierdurch wird erreicht, dass auch bei hohen Temperaturen der Werkstoff aufgrund des Fehlens von Kohlenstoff sich nicht in Eisen löst.Most preferably, the boron-nitrogen composite is completely free of carbon. This ensures that even at high temperatures, the material does not dissolve in iron due to the absence of carbon.
Vorzugsweise wird als Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff Bornitrid verwendet. Somit wird Bornitrid als Werkstoff für die Gleitringe, entweder als Beschichtung oder als Vollmaterial, verwendet.Boron nitride is preferably used as the boron-nitrogen composite material. Thus, boron nitride is used as the material for the slip rings, either as a coating or as a solid material.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.Hereinafter, an embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing, the only Fig. 1 shows a schematic sectional view of a mechanical seal assembly according to an embodiment of the invention.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 einen ersten stationären Gleitring 2 und einen zweiten rotierenden Gleitring 3. Der rotierende Gleitring 3 dreht sich gemeinsam mit einem rotierenden Bauteil 10, z.B. einer Welle. Die beiden Gleitringe weisen einander gegenüberliegende Gleitflächen 2a, 3a auf, welche zwischen sich einen Dichtspalt 4 definieren.As can be seen in Figure 1, the mechanical seal assembly 1 comprises a first stationary seal ring 2 and a second rotary ring seal 3. The rotary seal ring 3 rotates together with a rotating member 10, e.g. a wave. The two slip rings have opposing sliding surfaces 2a, 3a, which define a sealing gap 4 between them.
Die Gleitringdichtungsanordnung 1 dichtet dabei zwischen einem ersten Raum 5 und einem zweiten Raum 6 an der rotierenden Welle 10 ab. Ferner umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine Vorspanneinrichtung 7 mit einem Kraftübertragungsring 8 und mehreren entlang des Umfangs verteilten Vorspannfedern 9. Die Vorspanneinrichtung 7 spannt den stationären Gleitring 2 gegen den rotierenden Gleitring 3 vor. Mit X-X ist dabei eine Rotationsachse des rotierenden Bauteils 10 bezeichnet.The mechanical seal assembly 1 seals between a first space 5 and a second space 6 on the rotating shaft 10. Further, the mechanical seal assembly 1 comprises a biasing means 7 with a power transmission ring 8 and a plurality of circumferentially distributed biasing springs 9. The biasing means 7 biases the stationary seal ring 2 against the rotating seal ring 3. With X-X while a rotation axis of the rotating member 10 is designated.
In diesem Ausführungsbeispiel sind der stationäre Gleitring 2 und der rotierende Gleitring 3 aus einem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt. Der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff ist aus einer Vielzahl von Nanopartikeln hergestellt, welche eine Größe von ca. 14 nm aufweisen. Hierdurch können extrem dichte Kris- tallstrukturen der beiden Gleitringe 2, 3 erreicht werden, so dass die Gleitringe 2, 3 eine sehr hohe Härte sowie eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Ferner weisen die aus dem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Gleitringe eine sehr hohe Verschleißfestigkeit auf. Im Vergleich mit diamantbeschichteten Gleitringen können die erfindungsgemäßen Gleitringe 2, 3 dabei relativ kostengünstig und einfach hergestellt werden, da diese insbesondere massiv aus dem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff gebildet sind.In this embodiment, the stationary seal ring 2 and the rotary seal ring 3 are made of boron-nitrogen composite material. The boron-nitrogen composite is made from a variety of nanoparticles having a size of about 14 nm. This allows extremely dense tallstrukturen of the two sliding rings 2, 3 are achieved, so that the slip rings 2, 3 have a very high hardness and a very high temperature resistance. Furthermore, the slip rings made from the boron-nitrogen composite material have a very high wear resistance. In comparison with diamond-coated slip rings, the sliding rings 2, 3 according to the invention can thereby be manufactured relatively inexpensively and simply, since they are in particular made of massive mass of the boron-nitrogen composite material.
Somit kann die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung insbesondere bei Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei welchen bisher die extrem teueren mit Diamant beschichteten Gleitringe verwendet werden. Dabei weisen die massiven Gleitringe insbesondere bezüglich der Temperaturstabilität und einer Verschleißresistenz bei hohen Temperaturen signifikant bessere Eigenschaften auf.Thus, the mechanical seal assembly according to the invention can be used in particular in applications in which hitherto the extremely expensive diamond-coated slip rings are used. The massive slip rings have significantly better properties, in particular with regard to temperature stability and wear resistance at high temperatures.
Insbesondere die massive Ausbildung der Gleitringe aus Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff weist ferner keine Haftungsprobleme bei hohen Temperaturen wie die bisher verwendeten beschichteten Gleitringe auf. Hierdurch können besonders hohe Standzeiten der Gleitringe 2, 3 erreicht werden und insbesondere Wartungsintervalle für die Gleitringdichtungsanordnung deutlich vergrößert werden. Ferner haben die erfindungsgemäßen Gleitringe 2, 3 auch hervorragende Notlaufeigenschaften. In particular, the massive formation of the sliding rings of boron-nitrogen composite material also has no liability problems at high temperatures as the previously used coated seal rings. As a result, particularly long service life of the seal rings 2, 3 can be achieved and in particular maintenance intervals for the mechanical seal assembly can be significantly increased. Furthermore, the sliding rings 2, 3 according to the invention also have outstanding emergency running properties.

Claims

Ansprüche claims
1. Gleitringdichtungsanordnung, umfassendA mechanical seal assembly comprising
- einen ersten stationären Gleitring (2) mit einer ersten Gleitfläche (2a), und- A first stationary seal ring (2) with a first sliding surface (2a), and
- einen zweiten rotierenden Gleitring (3) mit einer zweiten Gleitfläche (3a), wobei sich der rotierende Gleitring (3) gemeinsam mit einem rotierenden Bauteil (10) dreht,a second rotating slide ring (3) with a second slide face (3a), the rotating slide ring (3) rotating together with a rotating component (10),
- wobei die Gleitflächen (2a, 3a) der Gleitringe (2, 3) einander gegenüberliegen und zwischen sich einen Dichtspalt (4) definieren,- wherein the sliding surfaces (2a, 3a) of the sliding rings (2, 3) face each other and define between them a sealing gap (4),
- dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gleitfläche (2a) des ersten Gleitrings (2) und/oder die zweite Gleitfläche (3a) des zweiten Gleitrings (3) aus einem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist.- characterized in that the first sliding surface (2a) of the first sliding ring (2) and / or the second sliding surface (3a) of the second sliding ring (3) is made of a boron-nitrogen composite material.
2. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleitring (2) und/oder der zweite Gleitring (3) vollständig aus dem Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist.2. Mechanical seal assembly according to claim 1, characterized in that the first slide ring (2) and / or the second slide ring (3) is made entirely from the boron-nitrogen composite material.
3. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff kumulierte Nanopartikel zweier dichter Bor-Nitrid-Phasen umfasst.3. Mechanical seal assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the boron-nitrogen composite material comprises cumulative nanoparticles of two dense boron nitride phases.
4. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Gleitflächen (2a, 3a) der Gleitringe den Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff in Form von Naπopartikeln mit einer Große zwischen 12 bis 16 nm, insbesondere 14 nm, aufweisen.4. Mechanical seal arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least the sliding surfaces (2a, 3a) of the sliding rings, the boron-nitrogen composite material in the form of Naπopartikeln having a size between 12 to 16 nm, in particular 14 nm.
5. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff vollständig kohlenstofffrei gebildet ist.5. Mechanical seal assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the boron-nitrogen composite material is formed completely free of carbon.
6. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bor-Stickstoff-Verbundwerkstoff Bornitrid ist. 6. Mechanical seal assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the boron-nitrogen composite is boron nitride.
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