DE202006006425U1

DE202006006425U1 - Bauteil, insbesondere Gleitring einer Gleitringdichtungsanordnung

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Publication number: DE202006006425U1
Application number: DE202006006425U
Authority: DE
Original assignee: Burgmann Industries GmbH and Co KG
Current assignee: EagleBurgmann Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2016-04-22

Abstract

Bauteil, insbesondere Gleitring einer Gleitringdichtungsanordnung, bestehend aus einem Basiskörper (2) aus einem ersten Material, und einem eine verschleissfeste Oberfläche aufweisenden, mit dem Basiskörper verbundenen Funktionskörper (3), so dass die verschleissfeste Oberfläche wenigstens einen Bereich einer Stirnseite des Basiskörpers überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionskörper (3) ein plättchenförmiger Verbundkörper, bestehend aus einer Substratschicht (4) aus einem zweiten Material und einer darauf gebildeten, die verschleissfeste Oberfläche aufweisenden Schicht (5) aus einem Diamantmaterial ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere Gleitring einer Gleitringdichtungsanordnung, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Bauteil mit verschleissfester Oberfläche und guten tribologischen Eigenschaften zum Zusammenwirken mit der Oberfläche eines anderen Bauteils, wobei sich die Bauteile relativ zueinander umfänglich oder translatorisch bewegen können, wie dies z.B. bei Gleitringen von Gleitringdichtungsanordnungen der Fall ist.
Insbesondere bei trockenlaufenden Gleitringdichtungsanordnungen werden an die Verschleissfestigkeit der zusammenwirkenden Gleitflächen der Gleitringpaarung hohe Anforderungen gestellt, da unter bestimmten Betriebsbedingungen, z.B. beim An- und Abfahren oder Betriebsstörungen einer mit einer solchen Anordnung ausgestatteten Gerätschaft, die Gleitflächen in Berührung miteinander treten können, was zu einem erhöhten Verschleiss und damit vorzeitigem Versagen der Anordnung und/oder erhöhter Leckage führen kann. Es wurde schon vorgeschlagen ( DE 39 42 408 C ), die tribologischen Eigenschaften des stationären Gleitringes dadurch zu verbessern, dass man ihn mit einem separaten Gleitkörper aus einem kohlekeramischen Werkstoff ausgestattet hat. Der Gleitkörper greift in eine im Gleitringgrundkörper vorgesehene Nut ein und wird dadurch gehalten. Zwar wird die Gleiteigenschaft des stationären Gleitringes verbessert, jedoch wird keine wesentliche Verbesserung der Verschleissfestigkeit erhalten. Ausserdem müssen Mittel zur Montage des Gleitkörpers am Gleitringgrundkör per vorgesehen werden, die die Querschnittskonfiguration des Gleitringes komplizieren und ggf. dessen Betriebsverhalten in unerwünschter Weise beeinträchtigen können.
Bekannt ist es ferner, zur Verbesserung sowohl der Verschleissfestigkeit als auch tribologischen Eigenschaften Gleitringe mit kristallinen ein- oder mehrlagigen Diamantschichten zu versehen ( EP 0 164 999 A , DE 199 22 665 A ). Diese Diamantschichten werden nach bekannten CVD-Abscheidungsverfahren direkt auf der betreffenden Stirnfläche der Gleitringrundkörper in situ aufgebracht, wobei wegen der beim Abscheidungsprozess auftretenden hohen Temperaturen die Wahl des Basismaterials für die Gleitringe auf solche Materialien eingeschränkt ist, die diese hohen Temperaturen unbeschadet überstehen und geeignete Wachstumsbedingungen für die Diamantkristalle schaffen. Daher kommen im Wesentlichen nur karbidische Materialien, wie Siliciumcarbid (SiC) oder Wolframcarbid (WC) zur Anwendung. Ein weiteres Problem ist das Auftreten von unerwünschten Randeffekten, die zu unterschiedlich dicken Diamantschichten führen können und dadurch bedingt sind, dass der Basiskörper des zu beschichtenden Gleitringes häufig nicht die erforderliche Ebenheit in radialer und Umfangsrichtung aufweist. Diese Probleme können durch thermische Einwirkungen verstärkt werden. Andererseits ist ein Nacharbeiten der Oberflächen von Diamantschichten, so dass diese eine gewünschte Ebenheit erfährt, aufgrund der Härte des Materials praktisch nicht möglich bzw. ausserordentlich aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einer Diamantschicht mit hochverschleissfester ebener Oberfläche versehenes Bauteil ohne die genannten Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich der Wahl der für den Basiskörper des Bauteiles in Frage kommenden Materialien zu schaffen. Dabei soll dieses Bauteil in wirtschaftlicher Weise bereitgestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemässe Bauteil weist einen Funktionskörper auf, der einen plättchenförmigen Verbundkörper darstellt, der unabhängig vom Basiskörper des Bauteiles in einem getrennten Fertigungsschritt bereit gestellt werden kann. Der Verbundkörper besteht aus einer Substratschicht aus einem für das Diamantwachstum geeigneten Material wie SiC oder WC und einer darauf ausgebildeten Diamantschicht, die die verschleissfeste Oberfläche schafft. Da die Ausbildung des Funktionskörpers von den Eigenschaften des Basiskörpers nicht beeinflusst wird, können für das Wachstum der Diamantkristalle optimale Bedingungen vorgesehen und eingehalten werden, so dass Diamantschichten erhalten werden können, die sich durch eine gewünscht geringe und gleichförmige Dicke und Oberflächenbeschaffenheit auszeichnen und dadurch ohne weitere Bearbeitung zum Einsatz bereit stehen. Wegen der separaten Fertigung des Funktionskörpers bestehen keine Einschränkungen hinsichtlich der Wahl eines geeigneten Materials für den Basiskörper, so dass insbesondere auch duktile Materialien, wie gewisse Stahlmaterialien, aber, wenn erwünscht, auch polymere Werkstoffe aufgrund ihrer wirtschaftlichen Formbarkeit zum Einsatz kommen können. Nach der Verbindung des Funktionskörpers mit dem Basiskörper durch eine geeignete lösbare oder unlösbare Verbindungstechnik, z.B. durch Kleben, wird ein Bauteil geschaffen, das sich besonders für den Einsatz in der Dichtungstechnik, insbesondere zur Bildung der Gleitringe von Gleitringdichtungsanordnungen eignet, bei denen ein Trockenlauf zwischen relativ sich bewegenden Teilen wenigstens unter bestimmten Betriebsbedingungen häufig nicht vermieden werden kann.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist daher eine Gleitringdichtungsanordnung gemäss dem Anspruch 12 mit Gleitringen, die entsprechend dem vorerwähnten Bauteil ausgebildet sind.
Zu weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Ansprüche verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Vorteilen und Wirkungen sowie Anwendungsmöglichkeiten anhand einer Ausführungsform und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 in fragmentarischer geschnittener Schemaansicht ein erfindungsgemäss ausgebildetes Bauteil,
2 in einer Ansicht ähnlich 1 den Funktionskörper des Bauteiles, und
3 in fragmentarischer, längsgeschnittener, hälftiger Ansicht eine Gleitringdichtungsanordnung mit erfindungsgemäss ausgebildeten Gleitringen gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.
Obschon die Erfindung im Folgenden vornehmlich in Verbindung mit der Anwendung bei Gleitringen von Gleitringdichtungsanordnungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung auf dieses Anwendungsgebiet nicht eingeschränkt ist, sondern grundsätzlich vorteilhaft auch dann zum Einsatz kommen kann, wenn bei relativ zueinander bewegenden Oberflächen, die in Berührung miteinander treten können, nicht nur gute tribologische Eigenschaften gewünscht sind, sondern auch eine besondere Verschleissfestigkeit der Oberflächen eine besondere Rolle spielt, z.B. bei den zusammenwirkenden Lagerflächen von Gleitlagern, Flächendichtungen anderer Art als Gleitringdichtungen etc.. Besondere Vorteile besitzt die Erfindung bei Trockenlauf der aufeinandergleitenden Oberflächen, d.h. Wegfall von Schmiermitteln.
In 1 trägt das erfindungsgemässe Bauteil das allgemeine Bezugszeichen 1. Das Bauteil 1 umfasst, wie dargestellt, einen Basiskörper 2 und einen plättchenförmigen Funktionskörper 3 mit geringer Dicke. Der Funktionskörper 3 wird in einem separaten Fertigungsschritt bereit gestellt und mit dem Basiskörper 2 in einem weiteren Schritt fest verbunden. Er ist in 2 in einem Zustand als Zwischenprodukt gezeigt.
Der Funktionskörper 3 umfasst eine Substratschicht 4 und eine feinkristalline Diamantschicht 5.
Der Basiskörper 1 kann aus irgendeinem für den jeweiligen späteren Einsatz geeigneten Material bestehen. Geeignete Materialien sind z.B. Metalle, insbesondere Stahlmaterialien, die sich aufgrund ihrer Duktilität leicht in eine gewünschte spezielle Form, z. B. ringförmige Konfiguration mit recht- oder vieleckförmigem Querschnitt formen lassen. Auch können polymere Materialen mit oder ohne Verstärkung durch organische oder anorganische Faserwerkstoffe zum Einsatz kommen. Wenn erwünscht, könnte der Basiskörper 1 auch aus anderen Materialien, vorzugsweise solchen mit gleichem oder ähnlichem Wärmeausdehnungsverhalten wie das Material der Substratschicht 4 bestehen, wodurch die thermische Belastbarkeit des Bauteils 1 heraufgesetzt würde.
Die Diamantschicht 5 wird nach einem der bekannten Diamantabscheidungs (CVD)-Verfahren, in situ auf der Substratschicht 4 gebildet. Insbesondere bevorzugt kommen das sog. Hot Filament CVD- oder Plasma-CVD-Verfahren zum Einsatz. Diese Verfahren sind dem Fachmann mit allen einschlägigen Verfahrensparametern und einzuhaltenden Konditionen bekannt und brauchen an dieser Stelle daher nicht näher erläutert zu werden. Grundzüge des Hot Filament CVD-Verfahrens sind z.B. zu entnehmen aus Busmann, H.-G., Hertel, I.V., Vapor Grown Polycristalline Diamond Films, Carbon 36(4), 1998. Verfahrenhinweise zum Hot Filament CVD-Verfahren sind ferner in der DE 199 22 665 B4 enthalten. Zum Plasma CVD-Verfahren kann z.B. verwiesen werden auf: Jones, G. A., On the behavior of mechanical seal face materials in dry line contact, Wear 256(3–4), 2004.
Die Diamantschicht 5 kann ein- oder mehrlagig sein. Für eine mehrlagige Ausbildung kann in einem ersten Schritt auf dem Substrat eine erste Diamantlage und auf dieser in einem weiteren Schritt eine weitere Diamantlage ausgebildet werden, wie dies z.B. in der DE 199 22 665 B4 vorgeschlagen ist. In jedem Fall zeichnet sich die erhalte ne Diamantschicht 5 durch eine besondere Oberflächengüte aus, die grundsätzlich keiner Nachbearbeitung bedarf.
Vorzugsweise hat jeder Diamantkristall eine mittlere Abmessung in Querschnittsrichtung zwischen etwa 1,0 bis etwa 5,0 μm. Die Dicke der Diamantschicht 5 sollte weniger als 20 μm betragen, wobei eine Dicke von 3,0 bis 10 μm bevorzugt wird. Eine ausgeprägte Orientierung kann fehlen oder ist in den bevorzugten [111] oder [100] Richtungen.
Besonders geeignete Materialien für die Substratschicht 4 sind karbidische Materialien, wie SiC oder WC, da diese die Keimbildung und das Diamantwachstum begünstigen. Ausserdem erfordert die CVD-Technik den Einsatz von Temperaturen von z.B. 900°C und mehr. Gegenüber diesen Temperaturen sind die genannten karbidischen Materialien ausreichend beständig. Es versteht sich, dass, wenn erwünscht, auch andere Materialien zum Einsatz kommen können. Um eine für die spätere Diamantabscheidung geeignete Oberflächenbeschaffenheit der Substratschicht 4 zu erhalten, sollte deren Wachstumsfläche z.B. mit Hilfe von Diamantstaub, angerauht werden, um den sich bildenden Diamantkristallen eine ausreichende Angriffsfläche zu bieten. Die Diamantschicht hat eine kristalline bzw. polykristalline Struktur.
Der plättchenförmige Funktionskörper 3 ist ein Verbundkörper bestehend aus der Substratschicht 4 und Diamantschicht 5 und sollte vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 30 mm haben, wobei eine Dicke von 2 bis 8 mm besonders bevorzugt wird. Für die Substratschicht 4 verbleibt eine ausreichende Dicke, die dem Funktionskörper 3 eine geeignete Dimensionsstabilität für die weitere Verwendung zur Bereitstellung des Bauteiles 1 gemäss 1 verleiht. Zur Vermeidung unerwünschter Randeffekte bei der Abscheidung der Diamantschicht 5 sollte die Dicke der Substratschicht 4 so gering wie möglich gehalten werden.
Zur Bereitstellung des Bauteils 1 wird der vorgefertigte Funktionskörper 3 in einem weiteren Fertigungsschritt in geeigneter Weise mit einer Oberfläche oder Stirnfläche des Basiskörpers 2 verbunden, wie dies bei 6 in 1 angedeutet ist. Dadurch wird wenigstens ein Bereich der Oberfläche oder Stirnfläche von dem Funktionskörper 3 überdeckt.
Die Verbindung kann lösbar oder unlösbar sein. Zur lösbaren Verbindung kann z.B. zwischen den zu verbindenden Oberflächen ein mikrofein strukturierter Klettverschluss vorgesehen werden, wie er aus dem Textilbereich bekannt ist. Bevorzugte nicht lösbare Verbindungstechniken sind Kleben oder Löten. Zum Einsatz kommen kann auch eine Vulkanisierung von an den zu verbindenden Flächen des Funktions- und Basiskörpers 1, 2 vorgesehenen Schichten aus einem elastomeren Material.
Alle genannten Verbindungstechniken sind dem Fachmann bekannt und brauchen nicht näher erläutert zu werden. Es versteht sich, dass die Verbindungstechnik im Hinblick auf die thermische und mechanische Beanspruchung des Bauteiles beim betrieblichen Einsatz ausgewählt werden sollte.
Beispiel
Es wurde ein ringförmiges Bauteil 1 mit einem Basiskörper 2 aus einem Stahlmaterial und einem Funktionskörper 3 unter Anwendung der Klebetechnik nach folgenden Schritten bereitgestellt.
Schritt 1:
Planschleifen einer Stirnfläche eines ringförmigen Basiskörperrohlings auf ein Rauhigkeitsmass Ra < 0,32,
Aufrauhen der geschliffenen Oberfläche durch Sandstrahlen auf ein Rauhigkeitsmass Ra > 3 μm,
Reinigen und Entfetten der aufgerauhten Oberfläche mit Azeton oder Akohol,
Schritt 2:
Bereitstellen des Funktionskörpers 3 mit einer Substratschicht 4 aus einem SiC-Material, auf der eine polykristalline Diamantschicht 5 nach dem Hot Filament CVD-Verfahren ausgebildet worden ist,
Schritt 3:
Bestreichen der zugewandten Oberflächen der Substratschicht 4 des Funktionskörpers 3 nach Reinigen und Entfetten gemäss Schritt 1 und der aufgerauhten gereinigten und entfetteten Oberfläche des Basiskörpers 2 mit einem geeigneten Klebstoff, wie er z.B. unter dem Handelsnamen DeloMonopax 1196 oder M 295 der Firmen Delo Industrieklebstoffe GmbH oder HTK Hanseatisches Technologie Kontor GmbH erhältlich sind.
Ausüben einer bestimmten Druckkraft von 30 bis 75 N/cm² zwischen den zu verbindenden Flächen,
Aushärtenlassen des Klebstoffs im Autoklaven bei einer Temperatur zwischen 130° und 180° C.
Das erhaltene Bauteil, das sich zur Verwendung als Gleitring eignet, zeigte eine durch die Diamantschicht geschaffene äussere Obertfläche mit hervorragender Ebenheit, extrem hoher Verschleissfestigkeit und gleichzeitig guter tribologischer Beschaffenheit, wobei der Basiskörper durch den Fertigungsvorgang keinerlei thermische Verformungen oder Verwerfungen erfahren hatte. Die Klebverbindung erwies sich über den gesamten veranschlagten Einsatztemperatur- und -druckbeanspruchungsbereich des Bauteils als beständig und schaffte eine dauerhafte feste Verbindung zwischen den Teilen.
3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer Gleitringdichtungsanordnung mit einem Paar zusammenwirkender Gleitringe 10, 11, von denen einer (11) drehfest gegenüber einem stationären Teil, z.B. einem Pumpengehäuse, und der andere (10) zur gemeinsamen Drehung mit einer Welle 13, z.B. einer Pumpenlaufradwelle, verbunden ist. Eine allgemein mit 14 angedeutete Einrichtung dient zum Halt des Gleitringes 10 und zu dessen drehmomentübertragenden Verbindung mit der Welle 13, und ausserdem zur axialen Beaufschlagung des Gleitringes 10 mit einer Vorspannkraft, so dass die einander zugewandten, in radialen Ebenen liegenden Gleitflächen der Gleitringe 10, 11 in dichtende Eingriff miteinander gehalten sind. Die Gleitflächen, im vorliegenden Fall beider Gleitringe 10, 11, sind durch die äusseren Oberflächen der Diamantschichten 5, 5' der an den betreffenden Stirnflächen der Gleitringe 10, 11 vorgesehenen Funktionskörper 3 mit den Substratschichten 4 bzw. 4' und Diamantschichten 5 bzw. 5' gebildet.
Wie dargestellt, ist die Stirnfläche des stationären Gleitringes 11 mit der grösseren radialen Abmessung bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung vollständig mit dem betreffenden Funktionskörper 3 überdeckt. Dies hat den Vorteil einer vereinfachten Lagerhaltung, indem der Gleitring 11 mit unterschiedlich radial bemessenen rotierenden Gleitringen 10 zusammenwirken kann. Es könnte jedoch auch nur der Teil der Stirnfläche des Gleitringes 11 überdeckt ist, der mit dem Funktionskörper 3 eines betreffenden rotierenden Gleitringes 10 zusammenwirken soll. Auch könnte vorgesehen werden, dass nur einer der Gleitringe 10, 11, z.B. der rotierende Gleitring 10, in der erfindungsgemässen Weise ausgestaltet ist. Die Basiskörper der Gleitringe 10, 11 bestehen bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung aus unterschiedlichen Materialien, wie diese durch die unterschiedliche Schraffur in 3 angedeutet ist. Z.B. kann der Basiskörper des stationären Gleitringes 11 wegen der komplexen Querschnittkonfiguration aus einem Stahlmaterial bestehen, während für den Basiskörper des rotierenden Gleitring 10 ein anderes geeignetes Material wie SiC zum Einsatz kommen kann. In der Wahl dieser speziellen Materialien für die Basiskörper der Gleitringe 10, 11 ist je doch keine Einschränkung zu sehen, da die Erfindung grundsätzlich die Anwendung einer Vielzahl von Materialien ermöglicht.

Claims

Bauteil, insbesondere Gleitring einer Gleitringdichtungsanordnung, bestehend aus einem Basiskörper (2) aus einem ersten Material, und einem eine verschleissfeste Oberfläche aufweisenden, mit dem Basiskörper verbundenen Funktionskörper (3), so dass die verschleissfeste Oberfläche wenigstens einen Bereich einer Stirnseite des Basiskörpers überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionskörper (3) ein plättchenförmiger Verbundkörper, bestehend aus einer Substratschicht (4) aus einem zweiten Material und einer darauf gebildeten, die verschleissfeste Oberfläche aufweisenden Schicht (5) aus einem Diamantmaterial ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine ringförmige Konfiguration hat.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein dimensionsstabiles Material mit duktiler Eigenschaft, insbesondere ein solches aus der Gruppe der Metalle, insbesondere Stahlmaterial, und Polymere umfassenden Materialien ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein karbidisches Material, insbesondere ein solches aus der Gruppe der SiC und WC umfassenden Materialien ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material im Wesentlichen demjenigen des zweiten Materials entspricht oder das erste und zweite Material wenigstens gleiche oder ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) aus dem Diamantmaterial eine polykristalline Struktur hat.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) aus dem Diamantmaterial in situ auf der Substratschicht (4) nach einem CVD-Verfahren gebildet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionskörper (3) eine Dicke von 0,1 bis 30 mm, vorzugsweise 2 bis 8 mm, und die Schicht (5) aus dem Diamantmaterial eine Dicke ≤ etwa 20 μm, vorzugsweise 3,0 bis 10 μm hat.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Abmessung der Kristalle des Diamantmaterials in Querschnittsrichtung zwischen etwa 1,0 bis etwa 5,0 μm beträgt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionskörper (3) mit dem Basiskörper (2) lösbar oder unlösbar verbunden ist.
Bauteil nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionskörper (3) mit dem Basiskörper (2) durch Kleben, unter Einsatz eines Elastomers durch Vulkaninisierung oder durch Lötung verbunden ist.
Gleitringdichtungsanordnung mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe (10, 11) mit gegenüberliegenden, bei Betrieb einen Dichtspalt begrenzenden Gleitflächen, wobei einer der Gleitringe zur gemeinsamen Drehung mit einer Welle und der andere zur drehfesten Montage vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Gleitringe (10, 11) gemäss dem Bauteil (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, so dass wenigstens eine der Gleitflächen die Oberfläche der Schicht (5) aus dem Diamantmaterial umfasst.