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Die Erfindung geht aus von einem Gleitringdichtungsring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der Druckschrift
DE 3528934 A1 ist ein Gleitringdichtungsring bekannt, welcher aus einer Keramik gebildet ist. Der Gleitringdichtungsring besteht aus einem Werkstoff auf Siliziumnitrid-Basis, bei dem der Anteil der Siliziumnitridphase und/oder der Siliziumnitridmischkristallphase bei mindestens 60 Gew.-% liegt.
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Ferner ist aus der Druckschrift
DE 10306 096 A1 eine Gleitringdichtung bekannt, welche aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht, der wenigstens eine metallische Phase aufweist, welche 30 bis 70 Vol.-% ausmacht, und der wenigstens eine nichtmetallische anorganische Komponente mit einem Anteil von 25 bis 70 Vol.-% als keramischem Werkstoff aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, einen gattungsgemäßen Gleitringdichtungsring bereitzustellen, welcher langlebig ist und kostengünstig herstellbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
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Die Erfindung geht aus von einem Gleitringdichtungsring mit wenigstens einem Bereich, welcher aus einer Keramik besteht.
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Es wird vorgeschlagen, dass 30 bis 70 Volumenprozent des Bereichs aus FeSiCr bestehen. Unter einem „Gleitringdichtungsring” soll insbesondere ein Gleitring oder ein Gegenring einer Gleitringdichtung verstanden werden. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine langlebige Bauweise und eine kostengünstige Herstellbarkeit erreicht werden. Insbesondere kann eine Fläche, welche in einem eingebauten Zustand einer Fläche eines zweiten Gleitringdichtungsrings gegenüberliegt, kostengünstig insbesondere eben hergestellt werden, wobei die beiden Flächen insbesondere einen Dichtspalt, der wenigstens zeitweise einen Flüssigkeitsfilm aufweist, bilden können. Insbesondere kann eine Verschleißfeste Ausbildung des Gleitringdichtungsrings erzielt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass Null bis 25 Volumenprozent des Bereichs aus SiC bestehen. Dadurch kann eine hohe Härte des Bereichs erreicht werden, welche vorteilhaft für eine besonders hohe Benutzbarkeitsdauer des Bereichs ist.
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Vorzugsweise bestehen 30 bis 45 Volumenprozent des Bereichs aus Siliziumoxycarbid. Auf diese Weise kann eine lange Gebrauchsdauer und insbesondere eine hohe Härte des Bereichs erreicht werden.
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Mit Vorteil ist die Härte HV(10) des Bereichs kleiner als 14 GPa. Dadurch kann zusammen mit einer hohen Härte eine kostengünstige Herstellung des Bereichs erreicht werden. Insbesondere kann der Bereich bei seiner Herstellung kostengünstig in seine Endform gebracht werden, wobei insbesondere ein kostengünstiges zumindest teilweise aus Borcarbid gebildetes Werkzeug verwendet werden kann.
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Außerdem wird eine Gleitringdichtung vorgeschlagen, welche zwei der Gleitringdichtringe aufweist, wobei die beiden Gleitringdichtringe ein Gegenlaufpaar bilden. Dadurch kann ein geringer Verschleiß zusammen mit einer kostengünstigen Herstellbarkeit erreicht werden.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitringdichtungsrings vorgeschlagen, bei welchem der Ausgangsstoff, welcher durch das Verfahren zu dem Gleitringdichtungsrings verarbeitet wird, zu 20 bis 60 Volumenprozent aus FeSiCr besteht. Auf diese Weise kann eine langlebige Bauweise und eine kostengünstige Herstellbarkeit erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte Kombination aus einer hohen Härte, Zähigkeit, Festigkeit und Verschleißfestigkeit erreicht werden. Vorzugsweise besteht der Ausgangsstoff zu 22 bis 45 Volumenprozent aus FeSiCr, wodurch eine besonders hohe Langlebigkeit erreicht wird.
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Vorzugsweise besteht der Ausgangsstoff zu Null bis 25 Volumenprozent aus SiC. Dadurch kann eine Härte des Gleitringdichtungsrings erreicht werden, welche vorteilhaft für eine besonders hohe Benutzbarkeitsdauer des Gleitringdichtungsrings ist. Bevorzugt besteht der Ausgangsstoff zu 7 bis 20 Volumenprozent aus SiC, wodurch eine besonders gebrauchsangepasste Härte erzielt werden kann.
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Mit Vorteil besteht der Ausgangsstoff zu 35 bis 70 Volumenprozent aus einem Silikonharz. Hierdurch kann eine lange Gebrauchsdauer und insbesondere eine hohe Härte des Gleitringdichtungsrings erreicht werden. Vorzugsweise besteht der Ausgangsstoff zu 50 bis 65 Volumenprozent aus dem Silikonharz, wodurch hohe Bindungskräfte innerhalb des Keramikelements erreicht werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgangsstoff frei von Katalysatoren. Unter einem „Katalysator” soll insbesondere ein Stoff verstanden werden, welcher die Herstellung des Keramikelements beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dadurch kann ein qualitativ hochwertiger, homogener und zugleich kostengünstiger Gleitringdichtungsring hergestellt werden.
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Vorzugsweise wird der Ausgangsstoff zunächst geschmolzen und danach extrudiert oder durch Spritzgießen weiterverarbeitet oder durch Pressen mit gleichzeitiger und von mehreren Seiten erfolgenden Wärmeübertragung auf den geschmolzenen Ausgangsstoff weiterverarbeitet. Auf diese Weise kann eine effiziente Herstellung erreicht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination.
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Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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1 zeigt einen Teil eines Teilschnitts durch eine Pumpe, welche eine Gleitringdichtung mit einem erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsring aufweist, und
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Gleitringdichtungsrings.
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1 zeigt einen Teil eines Teilschnitts durch eine Pumpe, welche eine Gleitringdichtung mit einem ersten und einem zweiten erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsring 12, 14 aufweist. Die Gleitringdichtungsring 12, 14 bestehen aus demselben Material. Die beiden Gleitringdichtungsringe 12, 14 bilden ein Gegenlaufpaar, welches zusammen mit Nebendichtungen 34, welche als O-Ringe ausgebildet sind, einen eine Flüssigkeit (nicht dargestellt) enthaltenden Innenbereich 36 gegen einen Außenbereich 38 abdichtet. Der Innenbereich 36 umgibt eine Welle 40 der Pumpe. Eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle 40 und dem Gleitringdichtungsring 12 ist durch Stifte 42 gebildet, so dass bei Drehungen der Welle 40 um ihre Drehachse 44 der Gleitringdichtungsring 12 immer mitgedreht wird. Einer der Nebendichtungen 34, welche an dem Gleitringdichtungsring 12 anliegt, übt aufgrund seiner Elastizität einen Druck entlang der Drehachse 44 auf den Gleitringdichtungsring 12 aus, so dass dieser gegen den Gleitringdichtungsring 14 gedrückt wird. Der Gleitringdichtungsring 14 liegt an einem Gehäuseelement 46 an. Bei Betriebsvorgängen, bei denen sich die Welle 40 dreht, ist zwischen den Gleitringdichtungsringen 12, 14 in der Regel ein Film der Flüssigkeit angeordnet, wobei ein direktes Gleiten der Gleitringdichtungsringen 12, 14 aneinander auch auftreten kann.
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Ein Bereich 10 des ersten Gleitringdichtungsrings 12, welcher identisch ist mit dem gesamten Gleitringdichtungsring 12, besteht aus einer Keramik. Der Bereich 10 ist zu fünfundvierzig Volumenprozent aus FeSiCr, zu fünfzehn Volumenprozent aus SiC und zu 35 Volumenprozent aus Siliziumoxycarbid gebildet. Fünf Volumenprozente des Bereichs 10 sind weitere Bestandteile, insbesondere Silizide. Durchschnittliche Volumenkonzentrationen von FeSiCr, SiC und Siliziumoxycarbid sind innerhalb des Bereichs 10 konstant. Alternativ hierzu kann eine durchschnittliche Volumenkonzentration von SiC in einem ersten Teilbereich des Bereichs 10, welcher einen größeren Abstand von einer Fläche des Bereichs 10, an welcher ein Gleiten an dem Gleitringdichtungsrings 14 auftreten kann, aufweist als ein zweiter Teilbereich des Bereichs 10, kleiner sein als in dem zweiten Teilbereich, so dass der zweite Teilbereich härter ist als der erste Teilbereich.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsrings werden zunächst ein erstes Granulat, welches aus FeSiCr besteht, ein zweites Granulat, das aus SiC besteht, und ein drittes Granulat zu einer homogenen Mischung vermischt, welche den Ausgangsstoff 18 bildet (2). Statt jedem der Granulate kann auch ein Pulver verwendet werden. Das dritte Granulat besteht aus einem lösemittelfreien, festen Methylsiliconharz, welches in einem Temperaturbereich von 35–55°C schmilzt und ab einer Temperatur von 350°C thermisch zersetzt wird. Der Ausgangsstoff 18, der durch das Verfahren zu dem Gleitringdichtungsring verarbeitet wird, besteht zu vierzig Volumenprozent aus FeSiCr, zu zehn Volumenprozent aus SiC und zu fünfzig Volumenprozent aus dem genannten Methylsilikonharz. Der Ausgangsstoff 18 ist frei von Katalysatoren.
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In einem weiteren Verfahrensschritt findet eine Formgebung 24 für den Ausgangsstoff 18 statt. Dazu wird der Ausgangsstoff 18 durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht und hierdurch in einen thermoplastischen Zustand überführt. Nachfolgend wird aus dem Ausgangsstoff 18 eine homogene Masse hergestellt. Die homogene Masse kann durch Extrudieren hergestellt werden, wobei durch Anpassen einer Düsengeometrie eines verwendeten Extruders beliebige kontinuierliche Formen extrudiert werden können. Die geschmolzene Extrusionsmasse kann im flüssigen Zustand weiterverarbeitet werden. Denkbar sind ein Prägen, Spritzgießen, Stanzen, Warmwalzen und Pressen. Der geschmolzene Ausgangsstoff 18 wird dabei in einem heißen Werkzeug oberhalb des Schmelzpunkts des Ausgangsstoffs 18 verarbeitet. Um hinreichende Formstabilität des geschmolzenen Ausgangsstoffs 18 zu erreichen, kann die Oberfläche des Ausgangsstoffs 18 im Werkzeug bei erhöhten Temperaturen zu einem Duroplasten vernetzt werden. Als weitere Weiterverarbeitung ist ferner ein Laminieren denkbar, wobei dies insbesondere für große oder hinterschnittene Bauteile gilt. Eine Formstabilität des durch die Formgebung 24 zu einem Formkörper geformten Ausgangsstoffs 18 wird durch Abkühlen erreicht. Die beschriebene Formgebung 24 ermöglicht eine endformnahe Fertigung bei niedrigen Temperaturen und geringem Materialverschleiß in Bearbeitungswerkzeugen. Durch kontinuierliche Verfahren wie Spritztgießen oder Extrudieren wird eine Serienanwendung ermöglicht. Ferner wird durch den hohen volumenprozentualen Anteil des genannten Methylsilikonharzes an dem Ausgangsstoff 18 eine geringe Abrasion von Werkzeugen sowohl beim Spritzgießen als auch bei der Extrusion und der folgenden Konturgebung erreicht.
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Danach wird der Formkörper abgekühlt und anschließend in einem Druckofen unter Luftdruck bei erhöhten Temperaturen durch eine Vernetzung 26 vernetzt. Für polykondensativ vernetzende Teile muss ein atmosphärischer Überdruck angewandt werden, um Blasenbildung durch entweichende Gase zu verhindern. Beim vernetzen wird der Schmelzbereich des Formkörpers durchlaufen.
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Danach erfolgt bei einem ersten Pyrolyseschritt 28 bei Temperaturen von 250°C bis 800°C ein Organikausbrand und eine Pyrolyse von anorganischen Rückständen.
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Bei einem zweiten Pyrolyseschritt 30 findet danach die Umsetzung des Formkörpers zum keramischen Körper statt, und zwar während einer Pyrolyse unter Stickstoffdruck bis fünf Megapascal bei Temperaturen bis 1500°C, wobei bis 1000°C alle organischen Anteile entfernt werden und bis 1500°C ein nahezu vollständig dichtes Keramikkomposit entsteht. Aufgrund der geringen Temperaturen und der Vermeidung von Hilfsstoffen ergibt sich eine nur sehr geringe an der Oberfläche des Keramikkomposits befindliche Reaktionsschicht, die kostengünstig entfernt wird. Die Reaktionsschicht ist insbesondere dünn im Vergleich zu einer Sinterhaut, welche bei Standardkeramiken entfernt werden muss. Nachfolgend findet ein Endkonturschleifen 32 statt, wodurch ein geschliffenes Teil entsteht.
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Durch mechanische Oberflächenbehandlung, wie Kugelstrahlen, Rollieren, Suspensions- oder Injektorverfestigungsstrahlen, können infolge der Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht die Verschleißbeständigkeit sowie die statische und zyklische Festigkeit gesteigert werden.
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Die Vickershärte HV(10) des Gleitringdichtungsrings liegt zwischen 8 und 14 Gigapascal. Diese Vickershärte und die thermischen und elektrischen Eigenschaften des Gleitringdichtungsrings können durch die Zusammensetzung des Ausgangsstoffs
18 aus seinen drei Bestandteilen eingestellt werden. Das Keramikkomposit weist die gleiche Härte auf. Aufgrund der genannten Härte kann bei einer Endbearbeitung ein geringer Verschleiß von Schleifmitteln erreicht werden und es können kostengünstige Werkstoffe für die Hartbearbeitungswerkzeuge verwendet werden. Beispielsweise kann statt Diamant Borcarbid benutzt werden. Bezugszeichenliste
| 10 | Bereich |
| 12 | Gleitringdichtungsring |
| 14 | Gleitringdichtungsring |
| 18 | Ausgangsstoff |
| 24 | Formgebung |
| 26 | Vernetzung |
| 28 | Pyrolyseschritt |
| 30 | Pyrolyseschritt |
| 32 | Endkonturschleifen |
| 34 | Nebendichtung |
| 36 | Innenbereich |
| 38 | Außenbereich |
| 40 | Welle |
| 42 | Stift |
| 44 | Drehachse |
| 46 | Gehäuseelement |
