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Die Erfindung betrifft ein Dichtungsartikel für Packungsringe und Stopfbuchspackung aus Graphit.
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Packungsmaterialien werden in breitem Umfang verwendet, um den Austritt von Fluid um ein Arbeitselement in einem Gehäuse mit Fluid, wie z. B. einen drehenden Schaft oder einen Gleitschaft in Fluidregelventilen oder bei einem hin- und hergehenden Pumpenschaft, zu verhindern. Normalerweise wird eine derartige Packung aus einem elastischen Element gebildet und wird unter eine statische Last gesetzt, indem sie innerhalb einer Stopfbuchse um das Arbeitselement in ihrer Position verschraubt wird. In anderen Fällen wird die Packung einer Federbelastung ausgesetzt, was als vorgespannte Packungskonfiguration bezeichnet wird. Eine vorgespannte Packung ist besonders nützlich, wenn man das Austreten von unerwünschten Fluiden in die Umgebung verhindern will. Ferner wird bei Betriebstemperaturbedingungen von etwa 232°C (das heißt Betriebstemperatur im Packungsbereich) angestrebt, eher allgemein verfügbare Graphitpackungen anstatt Packungsmaterial, das aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) gebildet ist, zu verwenden, da eine PTFE-Packung bei derartigen erhöhten Temperaturen zum Extrudieren neigt, was zum Versagen der Packung und zum Austritt von Fluid führen könnte.
Als Dichtungsmaterial von zum Beispiel Verbindungsteilen von Rohren und dergleichen in Kraftwerken oder der chemischen Industrie, d. h. zum Dichten von vor allem heißen, gefährlichen und/oder kriechfähigen Medien wie Dampf oder Wärmeträgeröle, wird Graphit als Grundmaterial zur Herstellung von Dichtungen verwendet. Graphit zeichnet sich vor allem durch seine Eignung und Wärmebeständigkeit in einem weiten Temperaturbereich von ungefähr -200°C bis zu ungefähr 550°C, Unempfindlichkeit gegen Wechsellasten, hohe Anpassungsfähigkeit an Unebenheiten von Dichtflächen (wie z. B. Flanschflächen), Leckagedichtigkeit und im Wesentlichen universelle chemische Beständigkeit aus. Dichtungen auf der Basis von Graphit als Dichtungsmaterial weisen typischerweise ferner eine hohe Gasdichtigkeit und Biegbarkeit auf und können üblicherweise bis zu einem Innendruck von ungefähr 250 bar eingesetzt werden. Neben den vorstehend genannten Eigenschaften weist Graphit als Dichtungsmaterial eine gute Leitfähigkeit von Wärme und elektrischem Strom auf. Graphit als Dichtungsmaterial wird bevorzugt in Form von expandiertem Graphit verarbeitet, das in einem hohen Maße komprimiert wird. Graphit ist allerdings empfindlich für Oxidation. Der Oxidationsprozess wird mit zunehmender Temperatur in Gegenwart von Sauerstoff beschleunigt und führt bei einer Temperatur von ungefähr 500°C zu einem signifikanten Masseverlust. Ab einer Temperatur von ungefähr 600°C beginnt expandiertes Graphit in Gegenwart von Sauerstoff zu sublimieren. Hierdurch besteht die Gefahr, dass die Abdichtungseigenschaften bereits deutlich unterhalb der vorstehend genannten Temperaturgrenze verloren gehen. Je nach Anwendungszweck können sich auch die elektrische Leitfähigkeit, die Empfindlichkeit gegenüber elektrolytischer Korrosion und die Empfindlichkeit gegenüber starker Säuren als nachteilig erweisen. Eine Dichtung auf der Basis von Graphit kann auch eine Kontamination eines abzudichtenden Mediums mit Graphitpartikeln verursachen, da Graphitdichtungen dazu neigen an Dichtungsflächen zu verkleben. Beim Lösen einer derart verklebten Dichtung kann es zur Freisetzung von Graphitpartikeln kommen, die nachfolgend in das Medium gelangen können. Insbesondere bildet die Passivierung einen Schutz gegen Oxidation und/oder vermindert das Anhaften der Dichtung an zu dichtenden Oberflächen durch Ausbildung einer Anti-Haftschicht. Wenn Graphit als Dichtungsmaterial verwendet wird, kann es zur Verklebung bzw. Anhaftung der Graphitdichtung an den zu dichtenden Oberflächen kommen, an denen die Graphitdichtung anliegt. Durch die Anhaftung kann es beim Ausbau einer Graphitdichtung nach ihrer Verwendung auch zu einer Delamination der Graphitdichtung kommen. Eine Passivierung vermindert zumindest und verhindert bevorzugt im Wesentlichen die Anhaftung des Graphitdichtungsmaterials der Dichtung an einer oder mehreren zu dichtenden Oberflächen. Bei Kontakt mit Luft bzw. Sauerstoff ist die maximale Einsatz- bzw. Betriebstemperatur einer Graphitdichtung aufgrund der Oxidation auf eine Temperatur zwischen ungefähr 450°C und 550°C beschränkt.
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In der
DE 20 2012 003 210 U1 wird ein Verfahren zur Passivierung von Graphitdichtungen durch Beschichten beschrieben, wobei die Herstellung eines erfindungsgemäßen modifizierten Dichtungselements folgende Schritte umfasst:
- a. Bereitstellen eines Graphitdichtungsmaterial;
- b. Formen/Bilden eines Dichtungselements aus dem Graphitdichtungsmaterial, wobei das Graphitdichtungsmaterial insbesondere eine Weichstoffauflage des Dichtungselements bildet;
- c. teilweises oder vollständiges Einbringen eines Polysilazan-Precursors in das Dichtungselement und/oder teilweises oder vollständiges Aufbringen des Polysilazan-Precursors auf die Oberfläche des Dichtungselements;
- d. Vernetzen des Polysilazan-Precursors; und
- e. Pyrolyse des Polysilazan-Precursors, so dass der pyrolysierte Polysilazan-Precursor einen keramikartigen Bestandteil des Dichtungselements bildet.
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Im Falle einer Precursor-Lösung kann die gewünschte bzw. erforderliche Viskosität anhand der Konzentration des Polysilazan-Precursors in dem Lösungsmittel eingestellt werden. Die Konzentration des Polysilazan-Precursors in der Lösung beträgt bevorzugt ungefähr 20 Gew.-%. Der Polysilazan-Precursor, wenn er als Feststoff vorliegt, kann ebenso in Pulverform verarbeitet werden, indem der feste, bevorzugt pulverförmig aufbereitete Polysilazan-Precursor z. B. bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 100°C bis 120°C, bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 110°C, mittels Infrarotstrahlung an- bzw. aufgeschmolzen wird. Sofern die erfindungsgemäße Dichtung lediglich an ihren äußeren Oberfläche mit einer dichten Schutzschicht zu versehen ist, kann z. B. ein hochviskoser Polysilazan-Precursor aufgebracht werden, von dem lediglich eine geringfügige Menge in die Dichtung eindringt. Das Trocknen wird bei Temperaturen im Bereich von ungefähr 100°C bis 120°C, bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 110°C, insbesondere über eine Dauer von ungefähr 15 Minuten durchgeführt. Vorzugsweise wird das Dichtungselement nach jedem Einbringen und/ oder Aufbringen des Polysilazan-Precursors getrocknet.
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Die
EP 027 535 A zeigt einen Packungsring auf, der aus Graphit mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt hergestellt ist. Die axiale innere Oberfläche des Ringes ist beschichtet, vorzugsweise mit PTFE. Die Beschichtung kann ein PTFE-Profil umfassen, dessen Abmessungen denjenigen des Graphitringes entsprechen. Mehrere derartige Dichtringe können nebeneinander angeordnet werden, um einen Packungssatz zu bilden, wobei sie gegeneinander gepreßt werden.
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Als Dichtungsmaterial ist flexibler Graphit erfolgreich verwendet worden, wie beispielsweise in
US-Patent 4.190.257 offenbart wird. Die hierin benutzte Bezeichnung „flexibler Graphit“ bedeutet ein Material, das im Wesentlichen aus Graphit besteht, das durch Verdichten von abgeblätterten Graphitflocken zwecks Bildung eines zusammenhängenden Produkts hergestellt wurde. Flexibler Graphit wird als Dichtungsmaterial bevorzugt, weil es seine Federkraft gestattet, dass das Dichtungsmaterial seine Kontur an die inneren Dimensionen der Stopfbüchse anpasst und einen genauen Pressverband mit der Welle bildet und damit eine Dichtung liefert. Außerdem weist der Graphit thermische und chemische Beständigkeit auf, da er im Wesentlichen aus reinem Kohlenstoff besteht. Ein Problem mit flexiblem Graphit als Dichtungsmaterial besteht darin, dass er zum Extrudieren oder Abfließen in den Spielraum an der Stelle neigt, an der die Welle durch eine Öffnung in die Stopfbüchse tritt. Dieses Problem ist besonders dort schwerwiegend, wo die Spielräume groß sind, z.B. verursacht durch Verschleiß. Eine Lösung dieses Problems ist die Bereitstellung eines Dichtungs-Systems, das einen kreisförmigen Endring rund um die Welle an der Stelle enthält, an der die Welle durch die Öffnung der Stopfbüchse hindurchgeht. Der Endring sollte von einem Material sein, das genügend steif ist, um die Auspressen des Ringes selbst zu verhindern, aber genügend elastisch sein, um eine undurchlässige Dichtung rund um die Welle zu bilden. Der Endring dient zum Verstopfen oder Verringern des Spiels zwischen der Welle und der Stopfbüchse und zur Verhinderung des Auspressens von Dichtungsmaterial in den Spielraum.
Die Anwesenheit dieser Verstärkungsmittel, wie Maschendraht oder durch Laminierung von Platten flexiblen Graphits auf verstärkten Polymer- oder Metallplatten hergestellt, sind in der
US 4.457.491 und
US 4.234.639 offenbart, verschlechtert jedoch gewöhnlich die chemische die thermische Beständigkeit dieser Verbundwerkstoffe. Außerdem können Metallverstärkungen in einem Endring die Welle beschädigen und übermäßigen Verschleiß verursachen.
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Die
DE 68 906 805 T2 beschreibt Verbundwerkstoffringe aus 65 Gew. % von beweglichen Graphitteilchen und aus 35 Gew. % des Phenolharzes, bezogen auf das Gesamtgewicht. Dieser Verbundwerkstoff soll ein Extrudieren oder Abfließen der Graphitteilchen verhindern. Die Packungsringe aus flexiblem Graphit wurden aus flexiblem Graphitplattenmaterial bis zu einer Dichte von 1,44 g/cm
3 gepresst. Dieser Ringtyp wird gegenwärtig kommerziell in Kugelhähnen benutzt.
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Die
EP 672 851 B1 beschreibt eine Graphitdichtung zur zuverlässigen Abdichtung , die aus einer Stopfbuchse in einem Gehäuse; einer Grundbuchseinrichtung zum Haltern eines Arbeitselements in der Stopfbuchse und einer Packungsanordnung, aus Packungsringen besteht, wobei der Packungsring aus einer Vielzahl von räumlich getrennten Platten aus flexiblem Graphitplattenmaterial gebildet ist und jede flexible Graphitplatte mit einer jeweiligen Zwischenplatte aus PTFE-Plattenmaterial laminiert ist,
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In der
DE 29 42 598 A1 wird ein Dichtungsring aus Graphit mit im Wesentlichen rechteckigem, V' insbesondere von quadratischem Querschnitt beschrieben, wobei der Dichtungsring mindestens an seiner axialen Innen- und/oder Außenfläche eine zur Isolierung von elektrischen Strömen geeignete Beschichtung aufweist. Die Beschichtung ist aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt
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Die
EP 10 776 A1 beschreibt ein extrudiertes Packungsmaterial für Stopfbuchspackungen, das aus einer gesinterte Mischung aus PTFE-Harz und mindestens einem Füllstoffmaterial wie Kohlenstoff, Graphit, Glimmer oder metallischen Füllstoffen besteht. Der Stopfbuchspackungsring wird aus der Wicklung geschnitten, die durch Extrudieren des Packungsmaterials in Form einer spiralförmigen Spule entsteht und anschließend gesintert wird.
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Alle aus dem Stand der Technik bekannten Graphitdichtungen weisen den Nachteil auf, dass der Graphit zum Extrudieren oder Abfließen in den Spielraum an der Stelle neigt, an der die Welle durch eine Öffnung in die Stopfbüchse tritt. Dieses Problem ist besonders dort schwerwiegend, wo der Dichtungsspalt durch Verschleiß, auch durch Haftreibung groß ist und die Innendrücke über 250 bar sowie die Arbeitstemperatur über 500°C liegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Graphitdichtung, insbesondere Graphitdichtringe für Stopfbuchspackungen zu entwickeln, die eine niedrige Haftreibung aufweisen und ein Extrudieren und Abfließen des Graphits vermeiden.
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Die
DE 10 2016 012 178 A1 des Anmelders beschreibt eine Flachdichtung aus Graphit, die aus einer Graphit-Dichtungsplatte aus flexiblen, expandierten Grafitfolien, mit/oder ohne Edelstahlblecheinlage oder Edelstahl-Spießblechträger oder aus einer verstärkten, mehrlagigen Graphit- Dichtungsplatte in kleberfreiem Verbund mit Edelstahlfolien oder aus flexiblem expandierten Graphit im mechanischem Verbund mit einer dreidimensionalen Streckblecheinlage aus Chrom-Nickel-Stahl besteht, wobei die aus einer Graphit-Dichtungsplatte ausgestanzte oder ausgeschnittene Dichtung mit einer Kohlenstoffschicht, die aus einer harten diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und aus einer auf der harten diamantähnlichen Kohlenstoffschicht aufgebrachten, weichen und versiegelnden Kohlenstoffschicht besteht, beschichtet ist. Ziel dieser Erfindung ist es, eine Beschichtung von Graphitdichtungen zu entwickeln, die bei hohen Temperaturen und hohem Druck auf den Dichtungsoberflächen zu keinen Verkleben führt und damit keine Verunreinigung auf den Dichtoberflächen verursacht und geringe Leckagewerte aufweist.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass diese Beschichtung aus einer ersten harten diamantähnlichen, eine Härte von 2000 bis 3000 HV aufweisende Kohlenstoffschicht und aus einer auf dieser ersten harten diamantähnlichen Kohlenstoffschicht aufgebrachten, zweiten weichen und versiegelnden Kohlenstoffschicht, die auf einen Graphit-Packungsring oder auf eine aus mehreren Graphit- Packungsringen bestehende Stopfbuchspackung bei Dichtungen für dynamische Belastungen durch rotierende oder lineare Bewegungen von Wellen oder Stangen aufgetragen sind, wesentlich das Verschleiß- und Abfließverhalten und die tribologischen Eigenschaften verbessern und die Haftreibung sowie den Welleneinlauf verringern.
Die Beschichtung kann sowohl auf einen einzelnen Graphit- Packungsringe nach dessen Konfektionierung, aber auch auf eine Stopfbuchspackung bestehend aus einzelnen Graphit- Packungsringen aufgebracht sein.
Die Beschichtung besteht aus einer mittels einer plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) mit einer Abscheidespannung bis 900 V gefertigte erste harte diamantähnliche Schicht (Diamond-Like-Carbon DLC) und einer auf diese harte diamantähnliche (DLC) Schicht mit einer Abscheidespannung von 500 bis 700 V aufgebracht zweite weiche, versiegelnde Schicht.
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Die Erfindung soll nun näher an Hand eines Beispiels beschreiben werden: Die Packung besteht aus besteht aus Graphitringen, die in an sich bekannter Weise gefertigt werden. Auf diesen Graphitring wird mittels plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) mit einer Abscheidespannung bis 900 V eine harte diamantähnliche Schicht (Diamond-Like-Carbon DLC) auf den Packungsring aufgetragen. Je härter diese Schicht ist, desto optimalere legt sich die Schicht auf die Oberfläche des Packungsringes und verbindet. sich mit dieser.
Diese DLC-Schichten besitzen Härten von ca. 2000 bis 3000 HV und zeichnen sich ganz besonders durch gegenüber metallischen Reibpartnern sehr niedrige Trockenreibwerte von ca. 0,1 bis 0,25 aus, die sie auch in inerten Atmosphären oder unter Vakuum beibehalten. Sie sind bis ca. 500°C anwendbar. Auf diese harte diamantähnliche (DLC) Schicht wird eine weiche Schicht zur Kohlenstoffversiegelung aufgetragen, wobei diese Schicht mit einer Abscheidespannung von 500 bis700 V auf die DLC- Schicht aufgetragen. Bei Stopfbuchspackungen aus Graphitringen kann jeder einzelne Graphit-Packungsring oder eine Packung aus mehreren Graphit-Packungsringen auf dieses Weise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet werden.
Nur in dem Zusammenwirken einer aufgebrachten harten diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (DLC) mit einer auf diese DLC- Schicht aufgetragene weiche Kohlenstoffschicht zur Kohlenstoffversiegelung wurden das Verschleiß- und Einlaufverhalten der Dichtungsartikel verbessert und Haftreibung gesenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012003210 U1 [0003]
- EP 027535 A [0005]
- US 4190257 [0006]
- US 4457491 [0006]
- US 4234639 [0006]
- DE 68906805 T2 [0007]
- EP 672851 B1 [0008]
- DE 2942598 A1 [0009]
- EP 10776 A1 [0010]
- DE 102016012178 A1 [0013]