DE10320183B4

DE10320183B4 - Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe für mechanische Dichtungen

Info

Publication number: DE10320183B4
Application number: DE2003120183
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. 06366 Kästner
Original assignee: KOETHENER SPEZIALDICHTUNGEN GmbH; Kothener Spezialdichtungen 06369 GmbH
Current assignee: KOETHENER SPEZIALDICHTUNGEN GmbH; Kothener Spezialdichtungen 06369 GmbH
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2023-05-03
Also published as: DE10320183A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe für mechanische Dichtungen, die an Dickstoffpumpen, Schneckenförderern und anderer Anlagen, in welchen hochviskose Medien gefördert werden, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass endgefertigte Gleitringe, bestehend aus bruchfesten Verbundwerkstoffen mit synthetischem Harz getränkt werden und mittels eines punktuell, kontinuierlich fortschreitenden Energiestrahls in Schutzgasatmosphäre in einem ersten Schritt eine Verkokung des im synthetischen Harz enthaltenen Kohlenstoffes und der oberflächliche Aufschluss des Grundwerkstoffes des Gleitringes erfolgt und in einem zweiten Schritt über den Energiestrahl erschmolzenes Metall oder Metalloxide in verdampfter Form und/oder zusätzlicher pulverisierte Kohlenstoff zugegeben wird und mit den bindungsaktiven Bestandteilen des Grundwerkstoffes des Gleitringes und des synthetischen Harzes eine feste innere Verbindung eingeht wobei neben der inneren Verfestigung der oberflächennahen Schichten in diesem 1. und 2. Verfahrensschritt auch ein zusätzlicher Aufbau einer verschleißfesten Schicht in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe für mechanische Dichtungen, wobei die betreffenden Einsatzfälle der erfindungsgemäß hergestellten Gleitringe insbesondere in Anlagen zur Förderung hochviskoser Medien, wie z. B. bei Dickstoffpumpen, Schneckenförderern, Trocknern, Leimanlagen, Bitumenmischer, Tierkörperbeseitigungsanlagen sowie Papier- und Zelluloseanlagen gesehen werden.
Gleitringdichtungen in der chemischen und stoffverarbeitenden Industrie sind funktionsbestimmende Teile die auf spezielle Abdichtungsaufgaben zugeschnitten sind. Eine grundlegende und aus kosten- sowie umwelttechnischen Gründen immer dringendere Forderung an sich besteht in der Gewährleistung der vollen Funktionsfähigkeit über zunehmend längere Zeiträume. Heute werden die Härteeigenschaften von Gleitringen vorrangig über den Einsatz innovativer Massivwerkstoffe aus Silizium- oder Wolframcarbid erzeugt.
Damit verbunden sind erhebliche Herstellungskosten und – zeiten, aber auch Nachteile, die aus dem Sprödbruchverhalten dieser extrem harten Werkstoffe resultieren.
Beschichtungsverfahren, wie das Flamm- und Plasmaspritzen erzeugen zu geringe Schichtdicken bzw. zu große Eigenspannungen zwischen Hartschicht und Beschichtungskörper, so dass eine ausreichende Funktionssicherheit für hoch belastete Gleitringe über ausreichend lange Zeiträume nicht gewährleistet werden kann. Darüber hinaus stellt sich mit dem sprunghaft zunehmenden Industrieeinsatz aller nichtmetallischen Zukunftswerkstoffe auf der Basis von Kohle- oder anderer High-Tech-Fasern immer häufiger die Frage nach geeigneten Verfahren zur Verbesserung des Verschleißschutzes, ein bisher weltweit ungelöstes Problem.
Der Stand der Technik wird heute von der weltweit agierenden Fa. Schunk bestimmt und besteht in der Hochtemperatursilizierung (Ofensilizierung) von Kohlefasern. Dabei gibt es jedoch zwei entscheidende, vor allem verfahrentechnische Nachteile:

– Der Prozess der Ofensilizierung bei hohen Temperaturen ist sehr energie- und zeitintensiv.
– Die Silizierung erfolgt im gesamten aktiven Raum, d. h., das gesamte Bauteil würde siliziert.

Dadurch entstehen erhebliche zusätzliche Spannungen, Brüche, Schrumpfungen, Quellungen usw., die zu einer Schwächung der Gesamtstruktur führen. In der Praxis werden z. Z. deshalb nur Halbzeuge siliziert, da das Formveränderungsverhalten dieser Werkstoffe noch nicht berechenbar ist. Dadurch ergibt sich im Anschluss an diesen Prozess eine aufwendige Nachbearbeitung der Halbzeuge zu Fertigteilen.
Die Erforschung der Prozesse der Silizierung zur Härtung von Bauteilen verschiedener Art wird sehr breit und anwendungsnah betrieben. Ein typisches Beispiel ist die Bremsscheibenentwicklung von der Fa. Daimler-Chrysler, bei der die Hochtemperatur-Silizierung zwischen 1.500°C und 1.650°C erfolgt. Entscheidender Nachteil ist auch hier wieder der extrem hohe Preis dieser Bremsscheiben, hervorgerufen durch einen hohen verfahrenstechnischen Aufwand. Eine wirtschaftlich verwertbare und damit gezielt einsetzbare Lösung zur Laser-Silizierung von etwa phenolharzgebundenen Kohlenfaserstoffen ist allgemein noch nicht bekannt, sodass auch noch nicht an eine verfahrensgemäße Umsetzung – im speziellen Fall der Härtung von Gleitringdichtungen, bestehend aus Kohlefaserstoffen auf der Basis der Laser-Silizierung – gedacht wurde.
Nachfolgend soll auf den Stand der Technik mit konkreten Beispielen näher eingegangen werden.
So beschreibt DE 198 34 018 C1 ein Verfahren zum Erzeugen einer Siliziumkarbid enthaltenen Schutzschicht auf die Oberfläche eines Grundkörpers aus einem Werkstoff, dessen Erweichungstemperatur oberhalb einer zur Erzeugung der Schutzschicht anzuwendenden Temperatur liegt. Bei dem in dieser Lösung modifizierten Ofensilizium handelt es sich um das Aufbringen einer Schutzschicht auf den Grundkörper, indem zum Aufbau einer porösen Kohlenstoffschicht, in die während der Ofenerwärmung Silizium eingebunden wird, Kohlenstoff-Filz, Kohlenstoff-Matten, Kohlenstoffgewebe usw. aufgelegt werden. Dieses äußere Aufbringen neigt oberhalb der Dicke einer Schutzschicht von 2 mm zum Abplatzen.
Eine Verfestigung oberflächennaher Rundschichten am Grundkörper findet nicht statt.
Nach DE 199 58 473 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kompositschichten mit einer Plasmastrahlquelle vorgeschlagen.
Es stellt ein klassisches Auftragen von Schutzschichten auf ein Grundmaterial mittels Plasmastrahl vor, wobei sogenannte Precursor-Materialien modifiziert oder aufgeschmolzen abgeschieden werden. Es erfolgt kein Aufschmelzen des Grundwerkstoffs bzw. kein „Aufbrechen der oberflächennahen Schichten”, so dass auch kein inniger Materialverbund möglich wird. Es ist bekannt, dass mit diesem Verfahren nur eine geringe Energiedichte, durch die relativ große Auftragsfläche, erreichbar ist.
Aus der Diskussion des Standes der Technik ergibt sich demnach, dass es noch keine befriedigenden Lösungen zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Elemente an Dichtungssystemen, wie z. B. Gleitringe gibt.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung eine Lösung zu bieten, mit deren Hilfe bruchfeste Elemente an Dichtungssystemen, wie z. B. Gleitringe, bestehend aus harzgebundenen Kohlefaserstoffen, Aluminiumoxidfasern, PAN-Fasern und ähnlichen Fasern, einer punktuellen oberflächennahen Temperatureinwirkung mit einhergehender Keramikbildung im Werkstoffinneren und auf der Oberfläche durch eine Strahlungsquelle in einer Schutzgasatmosphäre sowie bei ggf. weiterer Zuführung pulverförmiger Metallpartikel und Kohlenstoffs bruch- und verschleißfest präpariert werden, sodass deren kostengünstige Fertigung erreicht, der Verschleißwiderstand traditionell gefertigter Gleitringe überboten wird und die bisher nicht beherrschten technischen Probleme der Ofensilizierung in werkstofflicher Hinsicht (zusätzliche innere Spannung, Brüche, Schrumpfungen, Quellungen etc. mit Schwächung der Gesamtstruktur z. B. bei Kohlefaserstoffen) überwunden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.
Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.
Kleinteilige, kompliziert geformte Fertigteile aus nichtmetallischen Verbundwerkstoffen mit hohem Kohlenstoffanteil, wie etwa Graphite oder auch aus beschichtungsfähigen anderen Werkstoffen bestehend, werden mit organischen Harzen getränkt. Der damit noch nicht gegebene werkstoffliche Verbund der Komponenten zwischen dem Grundwerkstoff und einzulagernden Metallpulverpartikeln sowie Harz wird in einem ersten Verfahrensschritt durch eine Temperatureinwirkung auf das Harz mittels einer Hochenergiestrahlungsquelle dahingehend bewirkt, dass eine Vercrackung des Harzes unter Bildung von zusätzlichem Kohlenstoff hervorgerufen wird und gleichzeitig oberflächennahe Schichten des als kohlenstoffhaltigen oder anderen Verbundwerkstoffen vorliegenden Grundwerkstoffs aufgeschlossen werden. Die Einwirkung des Energiestrahls erfolgt dabei unter innerter Schutzgasatmoshäre.
Im folgenden zweiten Verfahrensschritt, der zeitlich unmittelbar dem ersten folgt, wird über den Bearbeitungskopf einer strahlungstechnischen Anlage in insbesondere koaxialer Pulverzufuhr Metall-, Nichtmetall- oder Metalloxidpulver verflüssigt und in verdampfender Form mit dem Energiestrahl punktuell in die oberflächennah aufgeschlossenen Schichten des kohlenstoffhaltigen oder anderen Verbundwerkstoffs eingebracht mit der Folge, dass die freien Bindungen von vorhandenem Kohlenstoff, SiC-Brücken bilden.
Der Einbau der vorgenannten Pulver bewirkt strukturell in den oberflächennahen Schichten die Ausbildung einer hochverschleißfesten Schicht gegen mechanischen Abrieb, wobei die positive Eigenschaft des Grundwerkstoffes bzgl. der hohen Bruchfestigkeit erhalten bleibt.
Der Grundwerkstoff wird thermisch bezüglich seiner Eigenschaften in der Tiefe nicht beeinflusst.
Handelt es sich um einen werkstofflich bereits harten und festen Grundwerkstoff, wie etwa Kohlefasern, kann in aufbauender Weise bei Zugabe von Hartmetall- bzw. Oxidkeramikpulver der verstärkte Aufbau einer äußeren Verschleißschicht vorangetrieben werden, wobei auch hier zur Kohlenstoffentnahme – zum Aufbau der verschleißharten Schicht – die vorherige Tränkung mit einem organischen Harz erfolgt.
Soll erreicht werden, dass der kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoff bzw. ein analoger Verbundwerkstoff zur besseren Bindung einer aufgebauten Verschleißschicht mit dem Grundwerkstoff einen innigen stofflichen Verbund eingeht, wird einer während des Prozesses ggf. erfolgenden „Verarmung” bindungsaktiver freier C-Atome dahingehend vorgebeugt, dass neben der z. B. Metallpulverzufuhr auch Kohlenstoff zusätzlich zugeführt wird.
Die Oxidation des letzteren wird mittels einer den Energiestrahl gegen die Umwelt abschirmenden Schutzgasatmosphäre (mit innertem Gas) verhindert.
Als geeignete Energiequellen können modifizierte Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahlschweißanlagen eingesetzt werden.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Über einen Bearbeitungskopf eines bekannten Nd: YAG-Lasers mit einer Laserenergieleistung bis etwa 2 kW wird die Energie des Laserstrahls auf insbesondere kleinteilige Gleitringe, bestehend aus dem Verbundwerkstoff Kohlenstofffasern, punktuell in fortschreitender Weise gerichtet, wobei durch vorheriges Tränken der als Fertigteile vorliegenden Gleitringe in Phenolharz oder Epoxidharz, eine Vercrackung dieser Harze unter Bildung von zusätzlichem Kohlenstoff erfolgt und oberflächennahe Schichten des aus Kohlefasern/Graphit bestehenden Gleitrings thermisch aufgeschlossen werden und somit die Bindungsaktivität des Kohlenstoffs dazu genutzt wird, Komponenten in Metallpulverform zugeführt, wie z. B. Si einzulagern.
Die entstehenden SiC-Brücken können im Nano-/Mikrometerbereich des Gleitrings erzeugt werden, wobei auch Tiefen im Grundwerkstoff in Abhängigkeit von der Energiedichte des Laserstrahls, hier am Beispiel bis zu 5 mm, erreichbar sind. Die vorliegend verwendete Energiequelle erreicht Temperaturen zwischen 400°C und 2000°C. Die Zuführung von metallischem Si-Pulver erfolgt in zweckmäßiger Weise koaxial über den Bearbeitungskopf der Laser-Auftragsschweißanlage, wobei das verflüssigte Si über den Laserstrahl nach der Phase der Vercrackung des Phenolharzes in Dampfform in die thermisch/chemisch vorbereiteten bindungsaktiven Schichten des Kohlefaserwerkstoffes des Gleitringes als stabile SiC-Brücken gebunden wird.
Als für die erfindungsgemäße Bearbeitung weitere geeignete Verbundwerkstoffe bzgl. der Lasersilizierung können auch Aluminiumoxidfasern, PAN-Fasern o. a. mit ähnlichem Aufbau vorgesehen werden.
Das sog. Laserhartbeschichten – eine Variante des Lasersilizieren –, mit dem im Sinne der Lasersilizierung ein verstärkender äußerer Schichtaufbau (der Verschleißschicht) erreicht wird, erzeugt eine extrem hohe Härte. Das Verfahren der Lasersilizierung wird dahingehend modifiziert, indem Submicron-Borcarbid-Pulver oberhalb von 2000°C drucklos auf eine PAN- oder Kohlenstoffverbundfaseroberfläche aufgetragen wird. Die so erzeugten SiC-Keramiken können vor allem in Verbindung mit der hochtemperaturfesten Aluminiumoxidfaser für einen langanhaltenden Verschleißschutz sorgen. Schichtdicken von 0,5 mm bis 1 mm sind möglich. Mit dieser Verfahrensvariante kann erreicht werden, Verschleißschichten aus Borkeramik B₄C, Aluminiumoxidkeramik Al₂O₃ oder Mullit-Keramik Al₂O₃-SiO₂ herzustellen.
Wenn es erforderlich ist, die oberflächennahen Schichten des Verbundwerkstoffes bzw. einer erzeugten SiC-Keramik zum einen mittels Lasersilizieren zu behandeln und zum anderen die Verschleißschicht zu verstärken, dann kann neben der Metallpulverzufuhr im Bearbeitungskopf einer Laserschweißanlage noch zusätzlich Kohlenstoff in Pulverform zugeführt werden.
Das Lasersilizieren lasst sich in 3 prinzipielle Modifikationen unterteilen:

– das Lasersilizieren durch innere Aktivierung, indem bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, vorzugsweise Kohlefaserverbünden, Siliziummetallpulver und Kohlenstoff in den Harzbinder beigemischt werden. Dadurch wird es möglich, die Siliziertiefe stärker vom Wärmeeintrag des Lasers und unabhängiger von der Diffusionsgeschwindigkeit zu machen.
– das Lasersilizieren durch äusseres Aktivieren, indem bei der Lasersilizierung zusätzlich Kohlenstoff beigebracht wird. Dadurch wird es möglich, Metallpulverüberschüsse, die möglicherweise die Diffusionskanäle zur Infiltration des Siliziummetalls in das Werkstoffinnere verstopfen zu oberflächigen Karbiden, vorzugsweise Silizium- oder Borkarbid umzuwandeln.
– das Lasernitrieren durch Verwendung von Stickstoff als Schutzgas. Dadurch gelingt es, Metallpulverüberschüsse, vorzugsweise von Silizium oder Bor – bei Verarmung von Kohlenstoff – sofort in Siliziumnitrid oder Bornitrid zu wandeln.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Einsatz von leicht bearbeitbaren, phenolharzgetränkter Kohlefasermaterialien oder ähnlichen Verbundwerkstoffen, die zur Herstellung bruchfester Fertigteile, z. B. für neuartige Gleitringe, Lagerschalen oder Buchsen geeignet sind.
• In der punktuellen Laser-Silizierung, – beschichtung, durch Hochenergieverkokung des Binders und gleichzeitigem Einbringen von z. B. Siliziummetallpulver und gegebenenfalls zusätzlich Kohlenstoffpulver in gasförmiger Phase.

Dadurch werden thermische Bauteilbelastungen, wie sie bei der Ofensilizierung unvermeidlich sind, vermieden.
Die Silizierung erfolgt nur in den gewünschten Bereichen.
Der zeitliche Ablauf des Verfahrens reduziert sich auf ein Minimum und damit auch die Kosten. Die erfindungsgemäß behandelten Produkte weisen gegenüber den in traditioneller Beschaffenheit vorliegenden hauptsächlich Vorteile bzgl. Funktionalität, Langlebigkeit, Verschleiß- und Bruchverhalten sowie Zuverlässigkeit auf. Das beschriebene Verfahren bietet eine kostengünstige Alternative zu allen bisherigen Hartstoffbeschichtungen in der Dichtungstechnik und darüber hinaus.

Claims

Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe für mechanische Dichtungen, die an Dickstoffpumpen, Schneckenförderern und anderer Anlagen, in welchen hochviskose Medien gefördert werden, vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass endgefertigte Gleitringe, bestehend aus bruchfesten Verbundwerkstoffen mit synthetischem Harz getränkt werden und mittels eines punktuell, kontinuierlich fortschreitenden Energiestrahls in Schutzgasatmosphäre in einem ersten Schritt eine Verkokung des im synthetischen Harz enthaltenen Kohlenstoffes und der oberflächliche Aufschluss des Grundwerkstoffes des Gleitringes erfolgt und in einem zweiten Schritt über den Energiestrahl erschmolzenes Metall oder Metalloxide in verdampfter Form und/oder zusätzlicher pulverisierte Kohlenstoff zugegeben wird und mit den bindungsaktiven Bestandteilen des Grundwerkstoffes des Gleitringes und des synthetischen Harzes eine feste innere Verbindung eingeht wobei neben der inneren Verfestigung der oberflächennahen Schichten in diesem 1. und 2. Verfahrensschritt auch ein zusätzlicher Aufbau einer verschleißfesten Schicht in einem weiteren Verfahrensschritt erfolgen kann.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahl verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbundwerkstoff Kohlefaserwerkstoff vorliegt oder es sich um Verbundwerkstoffe mit Aluminiumoxidfasern oder PAN-Fasern handelt.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlefaserwerkstoff kohlefaserverstärktes Graphit ist.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als synthetisches Harz Phenolharz oder Epoxidharz zugegeben wird.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserstrahls bis zu 3 kW beträgt, um eine ausreichende tiefe Oberflächenbehandlung in den oberflächennahen Schichten des Gleitringes zu erreichen.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung des Gleitringes bis in eine Tiefe von maximal 5 mm erfolgt.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte synthetische Harz zusätzlich mit Metallpulverpartikeln vermischt ist.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mittels des Energiestrahls erschmolzene Metall oder die Metalloxide als Metallpulver vorliegt.
Verfahren zur Herstellung verschleiß- und bruchfester Gleitringe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das im Energiestrahl erschmolzene und in verdampfter Form mit dem Grundwerkstoff in Verbindung zu bringende Metallpulver Si- oder Boroxid oder das Metalloxid Al₂O₃ ist.