DE2818935A1

DE2818935A1 - Dichtungselement fuer ventile

Info

Publication number: DE2818935A1
Application number: DE19782818935
Authority: DE
Inventors: Tutomu Saito; Hidenori Yamaoka; Hiroshi Yamazoe
Original assignee: Nippon Carbon Co Ltd; Nippon Petrochemicals Co Ltd; Kitamura Valve Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nippon Carbon Co Ltd; Kitamura Valve Manufacturing Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1978-11-02
Also published as: NO149559B; US4269391A; NO781487L; NO149559C; IT7822854A0; IT7821683V0; FI68715B; NL7804642A; FR2389055B1; GB1602242A; IT1095056B; NL188303C; NL188303B; FI781320A; FR2389055A1; DE2818935C2; FI68715C

Description

NIPPON PETROCHEMICALS COMPANY LIMITED 28. April 1978 3-12, Nishi-Shimbashi 1-chome, T 1200 D/Kr

Minato-ku Tokyo / JAPAN

NIPPON CARBON CO., LTD. 6-1, Hachi-chobori 2-chome, Chuo-ku
Tokyo / JAPAN

KITAMURA VALVE SEIZO KABUSHIKI KAISHA 7-12-5 Nishiogu, Arakawa-ku Tokyo / JAPAN

Beschreibung

Dichtungselement für Ventile

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement für Ventile, das gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen und gegenüber chemischen Angriffen beständig ist. Der Ausdruck "Ventil" ist hierbei nicht auf die Ventile gemäß der Definition nach der Schließrichtung des Dichtungskörpers (entgegen der Strömung) beschränkt, sondern umfaßt Absperrvorrichtungen im weitesten Sinn, insbesondere auch Schieber und Hähne.

Ventildichtungen stellen einen wichtigen Ventilbauteil dar. Um eine glatte Gleitbewegung des Ventilelements gegen die Ventildichtung zu erreichen, muß der Reibungskoeffizient zwischen ihnen gering sein.

Darüber hinaus soll die Ventildichtung, und somit das Dichtungsmaterial aus dem sie besteht, soweit wie möglich die Eigenschaften der Undurchlässigkeit, thermischen Beständigkeit, mechanischen

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Festigkeit und geeignetenSteifigkeit besitzen. Schließlich soll die Ventildichtung kompressibel bei gutem Rückstellvermögen sein.

Diese Eigenschaften werden bei Ventildichtungen aller Ventile, wie Kugel- oder Kegelventile, Drosselklappenventile bzw. Drehschütze, Hähne, Schieber, Tellerventile, Regulierventile, Rückschlagventile, Sicherheitsventile, usw. gefordert.

Die Eigenschaften herkömmlicher Ventildichtungen aus Metall lassen bezüglich der Gleiteigenschaften, Dichteigenschaften, der Wärmebeständigkeit und der Elastizität bzw. des Rückstellvermögens zu wünschen übrig.

Ventildichtungen aus Kunststoffen, wie Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder dgl. besitzen zwar gute Gleiteigenschaften, lassen jedoch bezüglich der Wärmebeständigkeit und der mechanischen Festigkeit zu wünschen übrig. Bei Verwendung des Ventils bei gewöhnlichen Temperaturen hat man zwar in der Praxis keine Probleme; wenn jedoch sehr niedrige Temperaturen auftreten, z.B. bei der Durchflußmengenregelung von aus der Erdölraffination stammendem verflüssigtem Gas (LPG), verflüssigtem Erdgas (LNG) oder dergleichen, oder sehr hohe Temperaturen auftreten, z.B. bei der Durchflußmengenregelung eines Fluids UM 25O⁰C, können bei Kunststoffen Schäden auftreten, die die Ventildichtung undicht werden lassen.

Wenn Kunststoffe auf mehrere hundert ⁰C erhitzt werden, wie dies z.B. bei einem Feuer der Fall sein kann, unterliegen sie der thermischen Zerstörung; werden sie andererseits sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt, so erfolgt Schrumpfung bis hin zum Bruch.

Schließlich unterliegt PTFE dem Kaltfluß unter Druckanwendung, so daß es schwierig wird, die Dichtigkeit bei hohen Drücken zu gewährleisten. Bei 150⁰C ist ein Druck von 20 kg/cm² bereits kritisch.

Zur Überwindung der vorgenannten Nachteile hat man bereits versucht. Asbest, Glasfasern, Kohlenstoff usw. mit PTFE zu vermischen, jedoch werden hierdurch die Wärmebeständigkeit und die mechanische Festig-

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keit nur wenig verbessert."

Verwendet man für die Herstellung von Ventildichtungen kohlenstoffhaltiges Material, bei dem es sich um ein festes Schmiermittel handelt, wird zwar die Wärmebeständigkeit verbessert, jedoch ist die Dichtung durchlässig. Die mechanische Festigkeit läßt zu wünschen übrig und demgemäß kann der Dichtflächendruck für die Gewährleistung einer guten Dichtigkeit nicht ausreichend hoch gewählt werden. Auch die Abnutzung ist relativ groß.

Zur Überwindung dieser Nachteile hat man Phenolharze oder dgl. in die Lücken bzw. öffnungen des kohlenstoffhaltigen Materials zu seiner Verstärkung einverleibt. Eine Wirkung ist jedoch nur bis zu Betriebstemperaturen von etwa 200⁰C zu beobachten, und selbst wenn man das Material zur weiteren Verbesserung der Wärmebeständigkeit besonderen thermischen Veredelungsstufen unterwirft, kommt man nicht über 300⁰C hinaus.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Dichtungsmaterial für Ventile, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Beständigkeit gegenüber hohen und tiefen Temperaturen und dem chemischen Angriff zur Verfügung zu stellen. Weitere Gesichtspunkte sind hierbei gute Dichtigkeit, selbst bei scharfen Bedingungen bezüglich Temperatur und Druck, insbesondere bei hohen und niedrigen Temperaturen, wobei der Durchflußregelung von Fluida bei hohen Drücken eine besondere Bedeutung zukommt, sowie eine gute Abnutzungsbeständigkeit der Dichtflächen und eine lange Funktions s icherheit.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Dichtungselement für Ventile mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilelement, wobei das Dichtungselement zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventilelement angeordnet ist und ein Ventilgehäusekontaktbauteil und ein Ventilelernentkontaktbauteil enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ventilgehäusekontaktbauteil aus einem expandierter Graphit-Kompaktmaterial bzw.-Preßling (nachfolgend und in den Ansprüchen als "Kompaktmaterial" bezeichnet) oder einem expandierter

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Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterial, und das Ventilelementkontaktbauteil aus einem kohlenstoffhaltiges Material /metallisches Material-Verbundmaterial oder einem mit anorganischem Bindemittel imprägnierten kohlenstoffhaltigen Material oder metallischem Material bestehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kugelventil (Kugelhahn) unter Verwendung eines Dichtungselements gemäß der Erfindung,

Fig. 2A bis 21 Längsschnitte durch verschiedene Dichtungselemente gemäß der Erfindung,

Fig. 3A bis 31 Längsschnitte durch weitere Dichtungselemente gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Teil-Längsschnitt durch das Dichtungselement von Fig. 2H, bei Anwendung in einem Kugelventil (Kugelhahn),

Fig. 5 und 6 Teil-Längsschnitte von Ventilen unter Verwendung herkömmlicher Dichtungselemente,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Parallelschieber unter Verwendung eines Dichtungselements gemäß der Erfindung,

Fig. 8A bis 8C Längsschnitte durch Dichtungselemente gemäß der Erfindung für das Ventil (Parallelschieber) von Fig. 7,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein Drosselventil unter Verwendung eines Dichtelements gemäß der Erfindung, und

Fig. 10A bis 10C Längsschnitte durch weitere Dichtungselemente gemäß der Erfindung für das Ventil von Fig. 9.

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Fig. 1 zeigt ein übliches Kugelventil (Kugelhahn) mit einer Ventildichtung 1, einem Ventilgehäuse 2, einem Ventilelement 3, einem Ventilbolzen 4, einer Ventilbolzenhülse 7, einer Ventilbolzendichtung 8 und einer Ventilgehäusedichtung 9.

Die Figuren 2A bis 21 zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Ventil-Dichtungselementen. Das einzelne Dichtungselement enthält ein Ventilgehäusekontaktbauteil 11, das mit dem Ventilgehäuse 2 in Berührung steht, ein Ventilelementkontaktbauteil 12, das so angeordnet ist, daß es mit dem Ventilgehäusekontaktbauteil 1 1 und mit dem Ventilelement 3 in Berührung steht, in einigen Fällen einen Verstärkungsring 13, in einigen Fällen mindestens eine Ringnut 14 in der Kontaktfläche des Ventilelementkontaktbauteils 12, wo dieses das Ventilelement 3 berührt, und in einigen Fällen einen Zusatzring 15, der in die Ringnut oder Ringnuten 14 eingebettet ist.

In einigen dieser Fälle ist das Ventilgehäusekontaktbauteil in eine Nut oder Ausnehmung in dem Ventilelementkontaktbauteil eingepaßt, und in einigen Fällen grenzt es an das Ventilelementkontaktbauteil an und wird mit ihm durch den Verstärkungsring 13 zusammengehalten. In einigen Fällen ist es auch möglich, das Ventilelementkontaktbauteil mit dem Ventilgehäusekontaktbauteil durch Verkleben oder andere Befestigungseinrichtungen zu verbinden, wobei es in einigen Ausführungsformen möglich ist, das Ventilelementkontaktbauteil in eine Nut oder Ausnehmung in dem Ventilgehäusekontaktbauteil einzupassen.

Die einzelnen Buchstaben a bis e bezeichnen in Verbindung mit den Bezugsziffern 11 bis 15 den entsprechenden Bauteil, sofern er in den Ausführungsformen der Fig. 2A bis 21 auftaucht. Ähnliches gilt für die Fig. 3A bis 31.

In den Fig. 2A und 2D ist das Ventilgehäusekontaktbauteil 11a oder 11d in einer Ringnut an der Außenseite des Ventilelementkontaktbauteils 12a oder 12d und zwischen diesem Ventilelementkontaktbau-

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teil und dem Verstärkungsring 13a oder 13d angeordnet und springt etwas nach außen über.

In den Fig. 2B, 2E, 2G_f 2H und 21 ist das Ventilgehäusekontaktbauteil (oder -bauteile) 11b, 11e, 11g, 11h oder 111 in einer . Ringnut angeordnet, die sich an der Außenseite des Ventilelementkontaktbauteils 12b, 12e, 12g, 12h oder 12i befindet, und springt etwas nach außen über.

In den Fig. 2C und 2F ist der Ventilgehäusekontaktbauteil 11c oder 11f als dünner Ring ausgebildet, der mit der Außenseite des Ventilelementkontaktbauteils 12c oder 12f verbunden ist.

In Fig. 2D verlaufen die obere und die untere Fläche (wie in der Figur dargestellt) des Ventilgehäusekontaktbauteils 1Id konisch nach links, um eine Verbesserung der Kraftverteilung und der Elastizität bzw. des Rückstellvermögens zu erzielen.

In Fig. 2E besitzt des Ventilgehäusekontaktbauteil 11e außen eine Vielzahl konzentrischer Ringnuten, um die Flächenpressung zu verteilen und zur Verbesserung der Dichtungsfunktion.

In Fig. 2G ist das Ventilgehäusekontaktbauteil 11g in zwei Teile unterteilt, um eine bessere Dichtung, auch bei niedriger Flächenpressung, zu erreichen.

Die Kontaktfläche des Ventilelementkontaktbauteils 12 zum Ventilelement 3 ist im allgemeinen gekramt und der Fläche des Ventilelements 3 angepaßt, mit Ausnahme der ebenen Fläche des Ventilelementkontaktbauteils 12b ind Fig. 2B.

In den Fig. 2D bis 21 sind in der Kontaktfläche der Ventilelementkontaktbauteile 12d bis 12i eine oder mehrere Ringnuten 14d bis 14i vorgesehen. Die Ringnuten 14d bis 14g besitzen rechteckigen Querschnitt. Demgegenüber besitzt die Ringnut 14h nur eine Wand und erstreckt sich nur über eine Hälfte der Kontaktfläche, so daß sie

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eine Art Ausschnitt darstellt. Die Ringnut 14i besitzt V-förmige Gestalt.

In den Fig. 2F und 2G sind die Zusatzringe 15f und 15g, die aus dem gleichen Material wie das Ventilgehäusekontaktbauteil 11f oder 11g sein können, in die Ringnuten 14f und 14g eingesetzt, um die Dichtungseigenschaften des Ventils zu verbessern.

In den Fig. 3A bis 31 sind andere Dichtungselemente für ein Ventil gezeigt, mit einem Ventilgehäusekontaktbauteil 16, der mit dem Ventilgehäuse 2 in Berührung steht, einem Ventilelementkontaktbauteil 17, das so angeordnet ist, daß es mit dem Ventilgehäusekontaktbauteil 16 und dem Ventilelement 3 in Berührung steht, in einigen Fällen bzw. Figuren mindestens einer Ringnut 18, die in der Kontaktfläche des Ventilelementkontaktbauteils 17 mit dem Ventilelement 3 ausgebildet ist, und in einigen Fällen bzw. Figuren einem Zusatzring 19, der in die Ringnut 18 eingelegt ist, in gleicher Weise wie in den Fig. 2A bis 21.

In diesen Figuren ist das Ventilelementkontaktbauteil 17 aus Metall, und demgemäß besteht kein Erfordernis nach einem Verstärkungsring 13, wie dies in den meisten Ausführungsformen der Fig. 2 der Fall ist.

Fig. 4 zeigt die Anwendung des Dichtungselements von Fig. 2H auf ein Kugelventil (Kugelhahn). Eine weitergehende Beschreibung ist für den Fachmann nicht erforderlich.

Die Fig. 5 und 6 zeigen herkömmliche Ventildichtungen 1a und 1b üblicher Ventile.

In Fig. 5 besteht die Ventildichtung 1a aus nicht-rostendem Stahl. Diese Dichtung wird durch eine Metallfeder 5 gegen das Ventilelement 3 gepreßt, wobei ein O-Ring 6 für die Abdichtung zwischen der Ventildichtung 1a und dem Ventilgehäuse 2 sorgt.

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In Fig. 6 dient eine Ventildichtung 1b aus PTFE für die Abdichtung zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem Ventilelement 3.

Fig. 7 zeigt einen Parallelschieber mit zwei erfindungsgemäßen Dichtungselementen 21, einem Ventilgehäuse 22, zwei Ventilelementen 23, einer Spindel 24, einem Keil bzw. kegeligen Bolzen 25 am Ende der Spindel 24, zwei Schubplatten 26 und einem Handrad 27.

Wenn der Keil 25 durch Drehen des Handrads 27 mit der Spindel 24 nach oben bewegt wird, wird der Kontakt des Keils 25 mit den Schubplatten 26 unterbrochen, so daß sich die Ventilelemente 23 aufeinander zu bewegen können und somit den Durchfluß ermöglichen.

Werden andererseits durch Drehen des Handrads 27 der Keil 25 und die Spindel 24 nach unten bewegt, so werden die Ventilelemente 23 durch die Schubplatten 26 auseinander und gegen die Dichtungselemente 21 gedrückt, wodurch der Durchfluß gesperrt wird.

Die Fig. 8A bis 8C zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Dichtungselementen, die in dem Ventil von Fig. verwendet werden können. Diese Dichtungselemente enthalten ein Ventilgehäusekontaktbauteil 31, ein Ventilelementkontaktbauteil und in einem Fall einen Zusatzring 34. In Fig. 8A ist das Dichtungselement an dem Ventil von Fig. 7 mittels eines Überwurfrings 33 angebracht, der mit seinem Gewinde in den Gewindeteil des Ventilgehäuses 22 eingreift.

Fig. 9 zeigt ein Drosselklappenventil

üblicher Bauart mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement 41, einem Ventilgehäuse 42, einem Ventilelement 43 und einer Spindel

Beim Drehen der Spindel dreht sich das Ventilelement 43 mit, von dem Dichtelement weg oder auf dieses zu.

Die Fig. 1OA bis 10C zeigen verschiedene Dichtungselemente gemäß der Erfindung, die in dem Drosselklappenventil von Fig. 9 Verwendung finden können. Diese Dichtungselemente enthalten ein Ven-

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tilgehäusekontaktbauteil 51 und ein Ventilelementkontakbauteil 52, wobei die Kontaktfläche von letzterem mit dem Ventilelement 53 von Figur zu Figur unterschiedliche Form besitzt.

Die Ventilgehäusekontaktbauteile 11, 16, 31 und 51 der erfindungsgemäßen Dichtungselemente sind entweder aus

(a) einem expandierten Graphit-Kompaktmaterial oder

(b) einem expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterial, das durch Vermischen von expandiertem Graphit und einem anorganischen Bindemittel sowie Verdichten oder Verpressen des Gemisches erhalten wird.

Das expandierte Graphit-Kompaktmaterial ist undurchlässig und elastisch. Bei mechanischer Beanspruchung des Dichtungselements zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventilelement ist somit eine gute Dichtungsfunktion gewährleistet.

Expandierter Graphit besitzt nicht nur eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit, sondern behält seine Eigenschaften auch bei außerordentlich niedrigen Temperaturen. Er kann somit in einem Temperaturbereich verwendet werden, der von sehr hohen Temperaturen, d.h. einigen hundert ⁰C, wie sie z.B. im Fall eines Feuers gegeben sind, bis zu den außerordentlich niedrigen Temperaturen von LPG und LNG reicht.

Zur Verbesserung von mechanischer Festikeit, Elastizität bzw. Rückstellvermögen, Dichte und Undurchlässigkeit kann der expandierte Graphit in Form einer Kombination mit anorganischem Bindemittel als expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterial (b), wie vorstehend beschrieben, verwendet werden.

Inbesondere bei Verwendung des Ventils für unter hohem Druck stehende Fluida wird die Verwendung des Verbundkompaktmaterials (b) bevorzugt, da man hiermit eine bessere Druckfestigkeit und Undurchlässigkeit erhält als mit dem Kompaktmaterial (a),

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das die gleiche Dichte wie das Verbundkompaktmaterial (b) besitzt. Weiterhin ist bei dem Verbundkompaktmaterial (b) auch die plastische Verformung während des Gebrauchs geringer.

Die aus den vorgenannten Werkstoffen hergestellten Ventilgehausekontaktbauteile 11, 16, 31 und 51 besitzen niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten. Sie besitzen in einem breiten Temperaturbereich von - 250 bis 3600⁰C eine gute Formbeständigkeit und Maßhaltegenauigkeit, wobei sich ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich ändern. Demgemäß bestehen keine Probleme beim plötzlichen Erhitzen.

Diese Ventilgehausekontaktbauteile besitzen ausgezeichnete selbstschmierende Eigenschaften und sind korrosionsbeständig gegenüber Säuren, Laugen und organischen Verbindungen.

Die anderen Eigenschaften der Ventilgehausekontaktbauteile bestimmen sich nach Maßgabe des Raumgewichts (Schüttdichte) des Materials,im folgenden als Dichte bezeichnet. Diese Ventilgehausekontaktbauteile besitzen vorzugsweise eine Dichte von etwa 1,1 bis 2,1, insbesondere etwa 1,4 bis 1,8.

Wenn die Dichte der Ventilgehausekontaktbauteile unter 1,1 liegt, sind die Festigkeit und andere Eigenschaften unzureichend. Wenn die Dichte der Ventilgehausekontaktbauteile über 2,1 liegt, nimmt die Härte so stark zu, daß die Elastizität bzw. das Rückstellvermögen zu wünschen übrig läßt.

Die Veränderung der Dichte erfolgt

durch Steuerung der Parameter Druck, Temperatur und Zeit bei der Verdichtung des expandierten Graphits. Beim Einmischen von anorganischem Bindemittel in den expandierten Graphit wird die Q Dichte nach Maßgabe der drei vorgenannten Parameter und darüber hinaus durch die Art und die Menge des anorganischen Bindemittels •P- gesteuert.

Erfindungsgemäß geeignete anorganische Bindemittel sind z.B. Cd

""■* Graphitoxid (Graphitsäure) , Aluminiumphosphat, Borsäure, Wasser- *

glas, kolloidale Kieselsäure, und dgl., vorzugsweise Graphitoxid,

Aluminiumphosphat oder kolloidale Kieselsäure (kolloidales Siliciumdioxid).

Das anorganische Bindemittel wird vorzugsweise in Mengen von 1 bis 20 Gewichtsteilen, vorzugsweise 2 bis 15 Gewichtsteilen und insbesondere 3 bis 10 Gewichtsteilen, jeweils bezogen auf expandierten Graphit, verwendet.

Verwendet man das anorganische Bindemittel in Mengen von unter 1 Teil pro 100 Teile expandierten Graphit, so ist die Festigkeit des expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterials unzureichend. Verwendet man andererseits das anorganische Bindemittel in Mengen von über 20 Teilen pro 100 Teile expandierten Graphit, so nimmt die Härte zu stark zu, was wiederum eine Erniedrigung der Elastizität mit sich bringt.

Der erfindungsgemäß verwendete expandierte Graphit (a) wird wie folgt hergestellt:

Graphit, z.B. Naturgraphit, Pyrolysegraphit (Elektrographit), Kishgraphit oder dgl., wird der Behandlung mit einem starken Oxidationsmittel, wie konzentrierte Schwefelsäure, konzentrierte Salpetersäure, Gemische aus konzentrierter Salpetersäure und Kaliumchlorat oder Gemische aus konzentrierter Schwefelsäure und Kaliumpermanganat, oder mit einer Halogenverbindung, wie Aluminiumchloride zur Bildung einer Schichtgitter-Einlagerungsverbindung unterworfen.

Die erhaltene Graphitteilchenverbindung, in der die Schichtstruktur ausgebildet ist, wird rasch auf über 1000⁰C erhitzt, wobei eine Auflösung der Schichtverbindungen unter Gasentwicklung erfolgt. Man erhält hierbei expandierte Graphitteilchen oder Vermiformen, die durch den bei der Gasentwicklung auftretenden Druck in Richtung des Graphitgitters (C-Axenrichtung) um das 10-bis 300-fache ihrer ursprünglichen Größe expandiert sind.

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Das expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterial (b) wird wie folgt hergestellt:

Der expandierte Graphit und das anorganische Bindemittel in Form einer Lösung oder kolloidalen Lösung bzw. Suspension werden vermischt, getrocknet, verdichtet und weiter erhitzt, mit Ausnahme des Falles, bei dem Graphitoxid als Bindemittel Verwendung findet, wo diese Stufe des weiteren Erhitzens nicht erforderlich ist.

Das Graphitoxid wird vorzugsweise in kolloidaler Form gelöst verwendet.

Borsäure kann in Form einer Lösung, z.B. in Methanol, Äthanol, Aceton oder Wasser, verwendet werden.

Das Lösungsmittel wird in solcher Menge verwendet, daß es bei Raumtemperatur mit Borsäure gesättigt ist. Das Lösungsmittel wird zunächst durch natürliche Trocknung, dann langsames Erwärmen und schließlich Erhitzen des Gemisches auf Temperaturen oberhalb des Siedepunktes des Lösungsmittels erhitzt. Hierbei wird das Gemisch gerührt, um eine vollständige Entfernung, auch der letzten Lösungsmittelspuren zu erreichen.

Beispiele für erfindungsgemäß als Bindemittel geeignete Aluminiumphosphate sind Al₃O₃.3P₂O₅.6H₃O, Al₂O₃-SP₂O₅, Al₂O₃-P₂O₅, Al(H₂PO₄J₃, Al₂(HPO₄)₃, AlPO₄ und Al (PO₃J₃, oder Aluminiumphosphate unter Beteiligung von Natrium, Kalium, Ammonium und/oder Chrom, oder dgl.

Bei Verwendung von Aluminiumphosphat als Bindemittel kann das expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterial in gleicher Weise wie im Fall von Borsäure, wie vorstehend beschrieben, erhalten werden, wobei dies in ähnlicher Weise auch für Wasserglas oder kolloidale Kieselsäure gilt.

Für die Verdichtung des Kompaktmaterials ist für beide Werkstoffe (a) und (b) ein breiter Druckbereich, z.B. 20 bis 2000 kg/cm²,

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geeignet. Allgemein gilt, daß die Dichte des erhaltenen Kompaktmaterials mit steigendem Verdichtungsdruck zunimmt. Die für den speziellen Anwendungszweck des Kompaktmaterials gewünschte Dichte kann somit durch entsprechende Auswahl des Verdichtungsdrucks gesteuert werden.

Bei Verwendung von Borsäure als Bindemittel wird die Verdichtung vorzugsweise bei einer Temperatur von mindestens 600⁰C/ insbesondere 1000 bis 2400⁰C, durchgeführt. Hierzu wird vorzugsweise eine Heißpresse verwendet.

Bei Verwendung von Aluminiumphosphat, Graphitsäure, Wasserglas oder kolloidaler Kieselsäure als Bindemittel kann die Verdichtung bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Das erhaltene Kompaktmaterial ist jedoch dann auf Temperaturen von mindestens 500⁰C, vorzugsweise 600 bis 1300⁰C, zu erhitzen. Diese letzte Erhitzungsstufe ist bei Verwendung von Graphitsäure als Bindemittel jedoch nicht erforderlich.

Die Ventilelementkontaktbauteile 12, 17, 32 und 52 bestehen aus

(c) einem kohlenstoffhaltiges Material (mit Ausnahme von expandiertem Graphit) /metallisches Material-Verbundmaterial (im folgenden auch als "Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterial" bezeichnet),

(d) einem kohlenstoffhaltiges Material (mit Ausnahme von expandiertem Graphit) (im folgenden auch als "Kohlenstoff bezeichnet), das mit mindestens einem anorganischen Bindemittel imprägniert ist,

oder

(e) einem metallischen Material (im folgenden auch als "Metall" bezeichnet).

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Der Ausdruck kohlenstoffhalticjes Material oder Kohlenstoff umfaßt Graphit (kristallin) oder graphitartigen (schwarzen) Kohlenstoff, sowie nicht-kristallinen Kohlenstoff oder nicht-graphitischen Kohlenstoff.

Wenn der oberste Gesichtspunkt der Ventildichtung gute Gleiteigenschaften sind, wird vorzugsweise Graphit verwendet. Wird andererseits das Hauptaugenmerk auf die Abriebbeständigkeit gelegt, wird vorzugsweise Kohlenstoff (nicht-kristalliner Kohlenstoff) verwendet.

Der hier verwendete Ausdruck "Graphit" schließt modifizierten Graphit, wie expandierten Graphit aus.

Der Anteil des Kohlenstoffs in dem Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterial (c) beträgt vorzugsweise 90 bis 60 Volumprozent.

Wenn die Menge des Kohlenstoffs unter 60 Prozent liegt/ sind die Schmiereigenschaften herabgesetzt und der Reibungskoeffizient des Ventilelementkontaktbauteils bezüglich des Metall-Ventilelements steigt an. Liegt andererseits der Anteil des Kohlenstoffs über 90 Prozent, so ist die mechanische Festigkeit herabgesetzt. Es ist erwünscht, mehr als 1000 kg/cm² Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit zu haben.

Der in dem Verbundmaterial der Erfindung verwendete Kohlenstoff wird wie folgt hergestellt:

Ein feinpulvriges Kohlenstoffmaterial, z.B. aus Pechkoks, ölkoks, Kohle, Ruß, Naturgraphit oder synthetischem Grapit^mit einer Teilchengröße von unter 149μΐη, vorzugsweise unter 105μΐη, wird zusammen mit einem organischen Bindemittel, wie Teer, Pech oder dgl., verknetet und dann repulverisiert. Das erhaltene repulverisierte Material wird dann unter Druck verdichtet und hierauf einer Wärmebehandlung bei 800 bis 3000⁰C unter Bildung von Kohlenstoffblöcken unterworfen.

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Das für das Verbundmaterial verwendet Metall besitzt einen Schmelzpunkt von 200 bis 1300⁰C. Im Hinblick auf die thermische Beständigkeit werden vorzugsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen, oder Kupfer- oder Nickellegierungen verwendet. Bei Betriebstemperaturen von unter 400⁰C können auch Antimon oder Antimonlegierungen verwendet werden«,

Somit kommen als Metall z.B. Al, Zn, Cu, Al-Cu, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Zn, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Si, Al-Zn-Mg, Cu-Be, Cu-Mg, Cu-Mn, Cu-Pb, Cu-Si, Cu-Zn-Sn, Cu-Sn-P, Cu-Sn, Cu-Sn-Pb, Cu-Sn-Ni, Cu-Pb-Si, Cu-Ni-Si, Zn-Al-Cu, Sn-Zn, Sn-Al, Sn-Pb, Sn-Pb-Sb, Sn-Sb-Cu, Pt-Cd, Pb-Sb-Sn, Ag-Al, Ag-Cu oder Ag-Sn in Frage.

Bei der Herstellung des Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterials ist es wichtig, daß das Metall gegenüber dem Kohlenstoff ausreichende Benetzungseigenschaften zeigt, damit eine gute Bindungsfestigkeit zwischen Metall und Kohlenstoff erreicht wird. Dies bedeutet, daß der Kontaktwinkel des Metalls zu dem Kohlenstoff klein sein soll.

Im Fall von Al oder Al-Legierungen ist Al zufriedenstellend benetzbar, und somit können in der Praxis beliebige Al-Legierungen verwendet werden. Der Kontaktwinkel von Cu oder Ni bezüglich Kohlenstoff ist jedoch größer, und somit werden diese Metalle in Form von Legierungen mit Sn, Zn, Si oder P verwendet. Darüber hinaus kann man zur Verringerung des Kontaktwinkels zum Kohlenstoff dem Metall 0,5 bis 25 Gewichtsprozent Ti oder Zr als Netzmittel zusetzen. Es wurde gefunden, daß diese Netzmittel bis zur Höchstmenge von 25 Prozent mit gutem Erfolg verwendet werden können.

Nachfolgend ist die Herstellung des Kohlenstoff-Metall-Verbundmaterials beschrieben.

Bei Verwendung von feinpulvrigem Kohlenstoff wird ein dünner Stahl behälter mit dem Kohlenstoffpulver beschickt, abgedeckt und in einem Autoklaven über einen Vorrat des Metalls gehängt, mit dem

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der Kohlenstoff imprägniert werden soll. Wenn das Imprägnierungsmetall geschmolzen und auf eine Temperatur von 50 bis 200⁰C über den Schmelzpunkt erhitzt ist, wird der Behälter abgesenkt, in das geschmolzene Metall eingetaucht und hierin unter einem Druck von 50 bis 150 kg/cm² in einer Inertatmosphäre, wie Stickstoff, gehalten.

Das geschmolzene Metall dringt dann durch die Lücke zwischen dem Behälter und dem Deckel in den Behälter ein und bewirkt eine Verdichtung des Kohlenstoffpulvers nach Art eines isostatischen Druckphänomens, wodurch man ein festes (steifes) Verbundmaterial erhält.

Andererseits wird bei Verwendung eines Kohlenstoffblocks dieser über dem geschmolzenen Metall im Autoklaven aufgehängt. Nachdem man den Druck im Autoklaven unter 5 Torr abgesenkt hat, um die Luft aus den Poren des Kohlenstoffblocks zu entfernen, wird der Block in das geschmolzene Metall abgesenkt und hierin unter dem Druck einer Inertgasatmosphäre, wie Stickstoff, eingetaucht gehalten, in gleicher Weise, wie vorstehend für das Kohlenstoffpulver beschrieben.

Der mit dem anorganischen Bindemittel imprägnierte Kohlenstoff (d) wird in ähnlicher Weise wie das expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel- Verbundkanpaktrnaterial (b) erhalten. Kohlenstoff und anorganisches Bindemittel werden verknetet, verpreßt und dann erhitzt bzw. gebrannt.

Der Kohlenstoff kann auch vorab gepreßt werden. Der gepreßte Kohlenstoff wird einem Teilvakuum unterworfen und in die Bindemittellösung eingetaucht. Durch Anheben des Druckes wird dann die Bindemittellösung in die Poren des Preßlings hineingedrückt. Nachdem man das Lösungsmittel bei 100 bis 200⁰C verdampft hat, erhitzt man auf 500 bis 1300⁰C, um eventuell anwesendes Kristallisationswasser zu entfernen.

In diesem Fall existieren nach der Verdampfung von Lösungsmittel aus den Poren theoretisch Hohlräume in dem Gegenstand; diese

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können jedoch durch Wiederholen des Imprägniervorgangs auf eine praktisch vernachlässigbare Menge herabgesetzt werden. In der Praxis wird es bevorzugt, den Imprägniervorgang mindestens dreimal zu wiederholen, um eine genügende Undurchlässigkeit bzw. Dichtigkeit des Verbundmaterials zu erreichen.

Die zuletzt beschriebene Methode des Vermischens des anorganischen Bindemittels trägt vorzugsweise erheblich mehr zur Verbesserung der Abriebfestigkeit bei. Die imprägnierte Menge des anorganischen Bindemittels beträgt vorzugsweise 0,5 bis 30 Gewichtsprozent, insbesondere 5 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf Kohlenstoff.

In diesem Fall ist es erwünscht, 600 kg/cm² Biegefestigkeit als mechanische Festigkeit zu erreichen.

Darüber hinaus dient in diesem Fall, im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Fall des expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundmaterials (b) das anorganische Bindemittel nicht nur als Bindemittel, sondern auch als Füllstoff für den Kohlenstoff. Der Füllanteil des anorganischen Bindemittels, d.h. der Hohlraumanteil in dem zu füllenden Kohlenstoff, beträgt vorzugsweise 70 bis 100 Prozent, insbesondere 85 bis 100 Prozent.

Als anorganisches Bindemittel werden Aluminiumphosphat, Borsäure und kolloidale Kieselsäure bevorzugt, wobei Aluminiumphosphat und kolloidale Kieselsäure besonders bevorzugt sind.

Der mit dem anorganischen Bindemittel imprägnierte Kohlenstoff besitzt stark verbesserte Eigenschaften bezüglich Abriebfestigkeit, mechanischer Festigkeit, Undurchlässigkeit, Korrosionsbeständigkeit (insbesondere Oxidationsbeständigkeit) und dgl., im Vergleich zu dem Kohlenstoff selbst, da die vakanten Hohlräume des Kohlenstoffs mit Bindemittel imprägniert sind.

Wenn das Ventilelementkontaktbauteil aus Metall besteht, wird die Art des Metalls wie folgt ausgewählt:

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Das Ventilelementkontaktbauteil des Dichtungselements wird danach eingeteilt, ob es hohem Druck, mittlerem Druck oder geringem Druck ausgesetzt werden soll. Nach Maßgabe dieser Einteilung ist dann der maßgebliche Druck größer als etwa 30 kg/cm², zwischen etwa 7 und etwa 30 kg/cm² oder geringer als etwa 7 kg/cm². In ähnlicher Weise kann man die Unterteilung nach den angewendeten Temperaturen in Hoch-, Mittel- und Niedertemperaturventile vornehmen, wobei die vorgenannten Angaben Temperaturen von über etwa 500⁰C, zwischen etwa -20 und 500⁰C, und unter etwa -20⁰C entsprechen.

Im Fall von Hochdruckventilen besteht das Ventilelementkontaktbauteil vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Chromoder Nickelstahl, da diese Stähle gegenüber Korrosion und Abrieb, die durch die mit hoher Geschwindigkeit strömenden Fluida verursacht werden, gut beständig sind.

Im Fall von Hochtemperaturventilen ist das Ventilelementkontaktbauteil vorzugsweise aus einem hoch-kohlenstoffhaltigen, hochchromhaltigen Stahl oder nicht-rostenden Austenitstahl, um insbesondere das Fressen und Anfressen zu vermeiden. Bei nicht-rostenden 18-8 Austenitstählen kann es jedoch zur Ausscheidung von Carbiden im Korngrenzenbereich bei etwa 500⁰C kommen, wodurch eine intergranulare Korrosion verursacht werden kann. Zur Verhinderung dieser Korrosion kann man das Ventxlelementkontaktbauteil einer Schweißung, z.B. Spritzschweizung, mit einem hochkorrosionsbeständigen Metall unterwerfen. Hierzu sind z.B. nicht-rostende hochnickelhaltige Legierungen geeignet, wie Nickel-Molybdän-Chromlegierungen (Hastelloy B) oder Nickel-Kupferlegierungen (Monelmetall).

Zur Verbesserung der thermischen Beständigkeit und Abriebfestigkeit und zur Verhinderung des Fressens, Anfressens und dgl. kann man

das Ventilelementkontaktbauteil einer Oberflächenbehandlung durch Schweißen oder Auftragsschweißen mit Kobalt-Chrom-Wolframlegierungen, Nickel-Chrom-Borlegierungen, Wolframcarbidlegierungen, oder dgl. unterwerfen.

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Diese Schweißung oder Auftragsschweißung kann auch zur Oberflächenhärtung durchgeführt werden, die auch bei anderen Ausführungsformen als Hochtemperaturventile von Vorteil sein kann.

Im Fall von Mitteldruck- oder Mitteltemperaturventilen kann das Ventilelementkontaktbauteil aus 13-prozentigem Chromstahl bestehen, der eine ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit besitzt und dessen Zugfestigkeit nahezu bis 400 bis 450⁰C erhalten bleibt.

Im Fall von Niederdruckventilen kann das Ventilelementkontaktbauteil bei einem Fluid, wie Wasser, Luft oder dgl. aus Aluminiumbronze, Phosphorbronze, Nickelbronze oder dgl. sein. Auch nichtrostender Stahl kann angesichts seiner nicht-korrosiven Eigenschaften und seiner Steifigkeit Verwendung finden.

Im Fall von Niedertemperaturventilen ist das Ventilelementkontaktbauteil vorzugsweise aus nicht-rostendem Austenitstahl, der eine große Sicherheit bringt.

Anstelle der vorgenannten Metalle können auch Al, Al-Legierungen, Cu, Cu-Legierungen, Fe, Fe-Legierungen, Ni, Ni-Legierungen (Ni-Mo-Cr, Ni-Cu oder dgl.), Pb-Legierungen, Mg-Legierungen, Zn-Legierungen, Sn-Legierungen, Ti, Ti-Legierungen, nicht-rostender Ferritstahl, nicht-rostender Martensitstahl, Co-Cr-W-Legierungen, oder dgl. verwendet werden.

Das erfindungsgemäß verwendete Metall wird vorzugsweise nach Maßgabe des verwendeten Fluids, des Drucks und der Temperatur ausgewählt. Hierbei erfolgt die Optimierung unter Berücksichtigung der gewünschten mechanischen Eigenschaften, wie Reibungskoeffizient, Abriebfestigkeit gegenüber dem Fluid und dem Ventilelement, Härte, Streckgrenze, Young'scher Modul, Zugfestigkeit und dgl., der chemischen Eigenschaften,wie Säurebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, usw., der thermischen Eigenschaften, wie thermischer Ausdehnungskoeffizient oder thermische Leitfähigkeit,

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der Formbeständigkeit, der Leichtigkeit der Herstellung, der Wirtschaftlichkeit, und dgl.

Nachfolgend sind Vergleiche von erfindungsgemäßen Dichtungselementen mit herkömmlichen Ventildichtungen beschrieben. Hierbei beziehen sich alle Teile- und Prozentangaben auf das Gewicht, falls nicht anders angegeben.

Die Werkstoffe und die Strukturen der Beispiele 1 bis 8, die sich auf das Dichtungselement der Kugelventile (Kugelhähne)der Fig. 1 beziehen (2 Zoll-Ventil),sind in Tabelle I zusammengestellt.

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der in Beispiel 1 bis 8 verwendeten Werkstoffe sind in den Tabellen II bis IV zusammengestellt.

Die Werkstoffe und die Strukturen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 von herkömmlichen Ventilen mit üblichen Ventildichtungen, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt, sind in Tabelle V aufgeführt; die physikalischen und mechanischen Eigenschaften finden sich in Tabelle VI.

Bemerkungen zu Tabelle I

1.) In den Beispielen 1 bis 4 besteht der Verstärkungsring aus Titan.

2.) Der Kohlenstoff des Ventilelementkontaktbauteils der Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 2 wird wie folgt hergestellt:

Koks (festgelegter Kohlenstoffgehalt 99,01 Prozent, flüchtige Bestandteile 0,61 Prozent, Aschegehalt 0,25 Prozent) wird auf eine Teilchengröße von 40mnoder darunter gemahlen bzw. pulverisiert. 100 Teile des erhaltenen Kokspulvers werden mit 43 Teilen Binde-

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mittel aus.1 Teil Teer und 9 Teilen Pech versetzt. Das erhaltene Gemisch wird in einem Banbury-Mischer mit einer Leistung von 10 kw/kg Beschickung verknetet.

Das verknetete Gemisch, wird auf Raumtemperatur abgekühlt, repulverisiert und dann mit einem Sieb von 149μΐη Maschenweite ausgesiebt..

Das repulverisierte Kokspulver wird in einer Metallform unter einem Druck von 2 bis 4 to/cm² verdichtet. Der erhaltene Preßling wird in einem Ofen auf 1300 ⁰C mit einer Geschwindigkeit von 5°C/Std. unter Stickstoff erhitzt. Die erhaltenen Kohlenstoffblocks besitzen die in Tabelle II angegebenen Dichten (Schüttdichten).

Der Kohlenstoff wird mit den in Tabelle I aufgeführten geschmolzenen Legierungen in einem Autoklaven unter einem Druck Von 80 kg/cm² bei Temperaturen von 450 bis 900⁰C imprägniert. Hierbei erhält man die Ventilelementkontaktbauteile 12i, 12h und 12d der Beispiele 1 bis 3.

Weiterhin wird eine 50-prozentige wässrige Lösung eines Gemisches aus Al₂O- und P₂Oc i^m Verhältnis 1 : 3 hergestellt. Der Kohlenstoff wird mit der Lösung unter vermindertem Druck von 10 Torr für eine Dauer von 30 Minuten und dann unter einem Druck von 7 kg/cm² für eine Dauer von 10 Minuten imprägniert. Hierauf wird der imprägnierte Kohlenstoff getrocknet und 2 Stunden auf 800 ⁰C erhitzt. Dieser Imprägnier- und Trocknungsvorgang wird dreimal wiederholt. Hierbei erhält man das Ventilelementkontaktbauteil 12g von Beispiel 4.

3.) Die Werkstoffe des Ventilelementkontaktbauteils 17 der Beispiele 5 bis 8 sind ebenfalls in Tabelle I zusammengestellt.

4.) Das expandierter Graphit-Kompaktmaterial und das expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkontaktmaterial der Ventilgehäusekontaktbauteile 11 und 16 der Beispiele 1 und 8 werden wie

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folgt hergestellt:

100 Teile Naturgraphit (70 bis 90 Prozent mit einer Teilchengröße von 295 bis 700 μΐη) werden in einer Mischlösung aus 920 Teilen konzentrierter Schwefelsäure und 50 Teilen Natriumnitrat für eine Dauer von etwa 16 Stunden zur Reaktion gebracht.

Die säurebehandelten Teilchen aus Naturgraphit werden in Wasser gewaschen und bei 100⁰C zur Verdampfung des Wassers getrocknet. Hierauf werden die getrockneten Graphitteilchen 5 bis 10 Sekunden auf 1300⁰C erhitzt, wodurch eine Expansion auf etwa das 300-fache ihres ursprünglichen Volumens in Richtung der C-Axe der Graphitteilchen erfolgt. Der expandierte Graphit wird unter einem Druck von 100 kg/cm² preßverformt. Hierbei erhält man die in den Beispielen 1 und 5 verwendeten Ventilgehäusekontaktbauteile.

Ein Graphitoxidbindemittel wird wie folgt hergestellt:

80 Teile Naturgraphit mit einer Teilchengröße von 95 Prozent = unter 48 μΐη, 3422 Teile konzentrierte Schwefelsäure und 40 Teile Natriumnitrat werden vermischt. Die Temperatur der Lösung bzw. des Gemisches wird mittels Trockeneis unter 0⁰C gehalten. Hierauf versetzt man mit 240 Teilen Kaliumpermanganat in einer Menge von 30 Teilen / Stunde.

Nachdem man das Gemisch 18 Stunden gerührt hat, wird die Temperatur allmählich auf Raumtemperatur angehoben. Hierauf verdünnt man mit Wasser, wobei die entwickelte Wärme durch Zugabe von Eis beseitigt wird. Zur Reduktion des Permanganats zum Mangansalz wird etwa 10 Prozent wässriges Wasserstoffperoxid zugegeben bis die purpurrote Farbe von KMnO₄ verschwindet. Hierauf wird gewaschen, bis die Lösung neutral reagiert.

1 Teil des so erhaltenen Graphitoxids wird mit 20 Teilen Wasser versetzt. Das erhaltene dispergierte Graphitoxid und 10 Teile des obengenannten expandierten Graphits werden vermischt, bei 13O⁰C

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getrocknet und unter einem Druck von 100 kg/cm² verpreßt. Hierbei erhält man die in den Beispielen 2 und 6 verwendeten Ventilgehäusekontaktbauteile.

100 Teile des expandierten Graphits werden mit 20 Teilen einer 50-prozentigen Lösung von Borsäure in Methanol versetzt (so daß die zugegebene Borsäuremenge 10 Teile beträgt). Das erhaltene Gemisch wird unter einem Druck von 200 kg/cm² bei einer Temperatur von 1300⁰C für eine Dauer von 10 Minuten der Preßverformung unterworfen. Hierbei erhält man die Ventilgehäusekontaktbauteile der Beispiele 3 und 7.

100 Teile des expandierten Graphits werden mit 20 Teilen einer 50-prozentigen wässrigen Aluminiumphosphataufschlämmung versetzt (so daß die zugegebene Aluminiumphosphatmenge 10 Teile beträgt). Das Gemisch wird unter einem Druck von 200 kg/cm^a verpreßt. Beim Erhitzen der Preßlinge auf 600⁰C für eine Dauer von 2 Stunden erhält man die Ventilgehäusekontaktbauteile der Beispiele 4 und 8.

5.) Die Zusatzringe 15g und 19g der Beispiele 4 und 8 werden aus dem gleichen Werkstoff wie die vorgenannten Ventilgehäusekontaktbauteile hergestellt.

Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß sämtliche Werkstoffe der Beispiele, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen,eine gute thermische Beständigkeit über einen breiten Temperaturbereich, einen kleineren Ausdehnungskoeffizient, einen kleineren Reibungskoeffizient sowie andere wohlausgewogene physikalische Eigenschaften besitzen, die den Anforderungen für ein Ventildichtungselement genügen.

Der Werkstoff des Ventilelementkontaktbauteils des Vergleichsbeispiels 1 besitzt schlechte Dichtungseigenschaften, und somit werden zur Vervollständigung der Abdichtung ein O-Ring und eine Metallblattfeder benötigt. Die hiermit verbundenen Nachteile sind nachfolgend noch ersichtlich.

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Es werden fünf Prüfmuster von jedem Ventil hergestellt, die dann fünf Eignungsprüfungen unterzogen werden.

1.) Feuersicherheitsprüfung

Bei Verwendung eines Dichtungselements in einem Kugelventil darf im Fall eines Feuers das Kugelventil nicht versagen. Dies bedeutet/ daß das Ventil weder zu einer größeren Ausbreitung des Feuers führen noch die Funktion des Ventils selbst beeinträchtigen darf.

Um bei diesem Test die thermische Beständigkeit anderer Bauteile als des Dichtungselements zu gewährleisten, wird für den Ventilbolzen das gleiche Material wie beim Ventilelementkontaktbauteil 12h des Beispiels 2 verwendet. Als Ventilgehäusedichtung 9 dient ein Laminat aus einem Kohlenstoffstahl und expandiertem Graphit-Verbundmaterial, und für die Ventilbolzendichtung 8 wird ein Verbundmaterial aus expandiertem Graphit verwendet.

Die Dichtungselemente oder die Ventildichtungen der Beispiele und der Vergleichsbeispiele werden auf Kugelventile angewendet.

Nachdem man die Kugelventile so eingerichtet hat, daß sie einen inneren Druck von 1,8 kg/cm² beibehalten, werden ihre Oberflächen mit einem Propangasbrenner auf 1000⁰C erhitzt. Innerhalb von 5 Minuten nach dem Verlöschen des Brenners werden folgende Prüfungen an jedem Ventil durchgeführt:

(a) Das Ventil wird mindestens drei- bis fünfmal geöffnet und wie der geschlossen, um seine Funktion zu prüfen.

(b) Nachdem man das Ventil geschlossen hat, wird es bei 0,7 bis 5 kg/cm² einem Wasserdrucktest unterworfen. Hierbei wird die Leckmenge gemessen.

(c) Das Ventil wird dann einem Dichtigkeitstest bei einem Wasser druck von 10 kg/cm² unterworfen. Hierbei wird die -,Leckmenge ge

messen.

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(d) Nach den vorgenannten Prüfungen wird das Ventil auseinander gebaut und bezüglich der einzelnen Bauteile überprüft.

Die Ventile der Beispiele 1, 2 und 4 bis 8 überstehen jede Prüfung. An keinem Bauteil gibt es nach der Prüfung eine Beanstandung, mit Ausnahme des Beispiels 3, wo ein von der Gleitkontaktfläche herrührendes Leck beobachtet wird. Beim überprüfen des Bauteils wird gefunden, daß das imprägnierte Sb und Sn des Ventilelementkontaktbauteils 12d eine Hochtemperatur-Abscheidung unter Bildung von Porositäten an der Gleitkontaktfläche eingegangen ist. Hierdurch ist die Dichtungsfunktion verloren gegangen, und es besteht somit ein Problem bezüglich der Feuersicherheit bei der Verwendung dieses Ventils. Bei allen anderen Bauteilen des Beispiels 3 wird jedoch keinerlei Beanstandung festgestellt.

Sb und Sn, die relativ niedrige Schmelzpunkte besitzen, können jedoch sehr wohl für Zwecke Verwendung finden, bei denen sie nicht Temperaturen über 400⁰C ausgesetzt werden.

Im Vergleichsbeispiel 1 wird Wasseraustritt beobachtet. Beim Zerlegen des Ventils und der überprüfung der einzelnen Bauteile zeigt sich, daß der O-Ring 6 stark beschädigt ist, wodurch die Dichtungsfunktion verlorengeht. Die Elastizität der Metallblattfeder 5 ist unzureichend, und somit kann die Feder den erforderlichen Oberflächendruck nicht aufrechterhalten.

Im Vergleichsbeispiel 2 treten ebenfalls Undichtigkeiten auf. Nach dem Zerlegen des Ventils und der überprüfung der Bauteile zeigt sich, daß der O-Ring 6 und die Metallblattfeder 5, ebenso wie im Vergleichsbeispiel 1, beschädigt sind. In der Ventildichtung 1a wird eine Vielzahl feiner Risse beobachtet.

Beim Vergleichsbeispiel 3 werden sehr große Undichtigkeiten beobachtet. Die Ventildichtung 1a ist aufgrund thermischer Zersetzung völlig verschwunden.

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2.) Niedertemperaturprüfung

Die Ventile werden unter einem Luftdruck von 6 kg/cm² bei -55⁰C gehalten, und unter diesen Bedingungen wird ein Leckversuch durchgeführt.

Das PTFE der Ventildichtung 1b des Ventils vom Vergleichsbeispiels 3 schrumpft und verursacht erhebliches Lecken. Die anderen Ventile bestehen den Test.

3.) Hydraulikprüfung

Es wird eine Wasserdruckprüfung der erfindungsgemäß,en Dichtungselemente bei Drücken von 18_f 21, 53, 105 und 155 kg/cm^a durchgeführt.

Hierbei werden die Ventile diesen Drücken 5 Minuten unterworfen; hierauf werden die Leckmengen bzw. Leckgeschwindigkeiten gemessen. Alle Beispiele und ebenso die Vergleichsbespiele bestehen diese Prüfung.

4.) Luftprüfung

Das eine Ende des Ventilgehäuses wird durch einen Blindflansch verschlossen. Nachdem man das andere Ende mit einem Luftdruck von 2,6,10,16 bzw. 20 kg/cm^a beaufschlagt hat, wird das Ventilelement geöffnet und dann wieder geschlossen, um die Luft bei den angegebenen Druck einzuschließen.Nachdem man in den anderen Flansch Wasser eingegossen hat, wird die Leckmenge aus der Dichtung gemessen.

Bei dem Ventil des Vergleichsbeispiels 2a wird eine Leckmenge von über 0,01 Prozent der gesamten Durchflußmenge unter einem Druck von 10 kg/cm² beobachtet. Die anderen Ventile bestehen die Prüfung.

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5.) Dampfprüfung

Die Ventile werden mit Dampf des angegebenen Drucke jeweils auf die dazugehörigen Temperaturen wie folgt erhitzt: 6kg/cm², 158°C; 10 kg/cm², 179°C; 15 kg/cm², 197°C; 20 kg/cift², 211°C. Das Bedampfen erfolgt so lange,bis das Ventilgehäuse die Temperatur des Dampfes angenommen hat. Hierauf wird die aus den Dichtungen austretende Leckmenge bestimmt.

Im Vergleichsbeispiel 3 erfolgt bei Anwendung von Dampf mit über 10 kg/cm² eine Deformation der Ventildichtungen, was zu Lecks führt. Die anderen Ventile bestehen die Prüfung. Mit Ausnahme des Vergleichsbeispiels 3 wird kein Anfressen des Gleitkontaktpunkts beobachtet.

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Tabelle I

Beispiel Ventilgehäusekontaktbauteil Nr.

1 expandierter Graphit

2 expandierter Graphit/Graphitoxid (10%)-Verbundkompaktmaterial

3 expandierter Graphit/Borsäure(10%)· Verbundkompaktmaterial

4 expandierter Graphit/Aluminiumphosphat (10%)-Verbundkompaktmaterial

5 expandierter Graphit

6 expandierter Graphit/Graphitoxid (10%)-Verbundkompaktmaterial

7 expandierter Graphit/Borsäure (10%)-Verbundkompaktmaterial

8 expandierter Graphit/Aluminiumphosphat (10%)-Verbundkompaktmaterial Ventilelementkontaktbauteil Figur Nr. (Gewichtsprozent)

mit 39%Cu(50%)-Sn(48%)-Ti(2%)- 21 Legierung imprägnierter C-Block

mit 22% Al(85%)-Si(12%)-Ni(3%)- 2H Legierung imprägnierter Kohlenstoffblock

mit 35% Sb(70%)-Sn (30%)-Legierung 2D imprägnierter Kohlenstoffblock

mit 7% Aluminiumphosphat 2G

imprägnierter Kohlenstoffblock
(dreimalige Imprägnierung)

nicht-rostender Austenitstahl 31 (SüS-304)

oberflächenitridiertes Titan 3H Monelmetall (Ni-Cu-Legierung) 3D Hastelloy C (Ni-Mo-Legierung) 3G

CO (JO U)

Tabelle II

ο co co

-J! CO

Spezifisches Gewicht (g/cm³) des Kohlenstoffs Dichte (Schüttgewicht) (g/cm³).

Shorehärte Elastizitätsmodul (kg/mm²) Biegefestigkeit bei Raumtemperatur (kg/cm² ).

Biegefestigkeit bei hoher Temperatur (kg/cm²) Druckfestigkeit (kg/cm²) Thermischer Ausdehnungskoeffizient(x10 /⁰C) Geeigneter Temperaturbereich (⁰C) Schlagzähigkeit nach Charpy (kg-m/cm²) Reibungskoeffizient

	Beispiel	2	Nr.	4
. 1	.1,65	3	1,70
1,78	2,1	1,75	1 ,82
2,9	70	2,7	75
110	2000	75	1200
2100	2200	1300	850
2250	1000	2000	920
1500	3400	750	1700
5000	7,5	3000	5
8	6

-200 bis 800 -200 bis 800 -200 bis 400 -200 bis 130(/ £ 600 500 650 1500 '

0,15 0,18 0,14 0,12

- 36 Tabelle III

Spezifisches Gewicht (g/cm³) Schmelzpunkt (⁰C)

Spezifische Wärme (cal/g.°C)

Thermischer Ausdehnungskoeffizient (x 10"⁶/°C)

Thermische Leitfähigkeit (kcal/m.h.⁰C)

Streckgrenze (kg/mm²) Zugfestigkeit (kg/cm²) Dehnung (%)

Streckspannung (kg/mm²) Härte (HB)

Statischer Reibungskoeffizient bei nicht-rostendem 18-8 Stahl (SüS-304)

1400

bis

1440

0,12
17,3

17,3

Beispiel Nr.

6
4,54

1668

bis

1725

0,13
8,4

12,6

7 8,84

1300

bis

1350

0,127 14,0

22,3

8 8,94

1270

1310

0,92 11,3

9,8-

21	44	38,7	33,7
5700	5500	4900	8470
60	40	35	42
20	21	25	37,7
187	150	160	175
0,54	0,44	0,58	0,51

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Tabelle IV

Dichte (Schüttgewicht)(g/cm³) Elastizitätsmodul (kg/mm²) Zugfestigkeit (kg/cm²) Druckfestigkeit (kg/cm²) Kompressibilität (%) Elastizität (%)

Thermischer Ausdehnungskoeffizient (x10"⁶/°C)

Temperaturbereich für den Gebrauch (⁰C)

Reibungskoeffizient

1	Beispiel 2	Nr. 3	4
1,6	1,5	1*5	1,5
145	160	550	470
120	140	180	175
700	900	1100	1050
20	20	10	12
5	10	50	40
3	3	3	3
-200 bis 2500	-200 bis 2500	-200 bis 2000	-200 bis 1300

0,15

0,11

0,12

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Tabelle V

Vergleichsbeispiel Werkstoff des Ventilgehäuse- Werkstoff·des Ventilelement- Fig.Nr. Nr. kontaktbauteils kontaktbauteils

1 Kombination aus Metallfeder nicht-rostender Stahl 5

⁰⁰ (Federstahl) und Siliconkaut- (SUS-304)

<x> schuk-O-Ring

00 1

_j 2 wie 1 mit Phenolharz imprägnierter 5 1

2 Kohlenstoff (10%)

3 PTFE . PTFE 6

2B18935

Tabelle VI

Spezifisches Gewicht (g/cm³)

Thermische Beständigkeit, Grenztemperatur (⁰C)

Spezifische Wärme (cal/g.°C)

Thermischer Ausdehnungskoeffizient (x10"⁶/°C)

Thermische Leitfähigkeit (kcal/m.h.⁰C) Zugfestigkeit (kg/cm²)

Druckfestigkeit (kg/cm²) Dehnung (%)

Härte (HB)
Reibungskoeffizient

Vergleichebeispiel Nr. 1 2 3

7,9

2,17

-100 bis 810	-30 bis 200	-50 bis 260
0,12	0,2	0,25
17,3	6,5	110
10	110	0,22
5700	650	105 bis 210
5250	1700	120
60	0,5	100 bis 300
187	650	55 ... (Shore D Härte)

0,54

0,15

0,04

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Claims

ate ή ta ns'.p r'.ü c he

M J Dichtungselement für Ventile mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilelement, wobei das Dichtungselement zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventilelement angeordnet ist und ein Ventilgehäusekontaktbauteil (11, 16, 31, 51) aus

(a) einem expandierter Graphit-Kompaktmaterial oder

(b) einem expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel«Verbundkompaktmaterial,

und ein Ventilelementkontaktbauteil (12, 17, 32, 52) aus

(c) einem Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterial,

(d) mit anorganischem Bindemittel imprägnierten Kohlenstoff, oder

(e) Metall

enthält.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte (Schüttdichte) des expandierter Graphit-Kompaktmaterials

(a) mindestens 1,1 beträgt.
3. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte (Schüttdichte) des expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterials (b) mindestens 1,1 beträgt.
4. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindemittel des expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterials

(b) Graphitoxid, Aluminiumphosphat und/oder Borsäure ist.
5. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindemittel des expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel-Verbundkompaktmaterials (b) in Mengen von 1 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf den expandierten Graphit, vorliegt.
6. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff des Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterials (c) nicht-graphitischer Kohlenstoff und/oder graphitischer Kohlenstoff, unter Ausschluß von expandiertem Graphit, ist.
7. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff des mit dem anorganischen Bindemittel imprägnierten Kohlenstoffs (d) nicht-graphitischer Kohlenstoff und/oder graphitischer Kohlenstoff, unter Ausschluß von expandierten Graphit, ist.
8. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterials (c)einen Schmelzpunkt von 200 bis 1300⁰C besitzt.

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9. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Kohlenstoff/Metall-Verbundmate rials (c) in Mengen von 10 bis 40 Volumprozent, bezogen auf Gesamtmenge, vorliegt.
10. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Kohlenstoff/Metall-Verbundmaterial (c) ein Netzmittel aus Titan und/oder zirkon für den Kohlenstoff zugesetzt ist.
11. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzmittel in Mengen von 0,5 bis
25 Gewichtsprozent, bezogen auf Metall, vorliegt.
12. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindemittel des

mit dem anorganischen Bindemittel imprägnierten Kohlenstoffs(d)
Aluminiumphosphat und/oder kolloidale Kieselsäure ist.
13. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindemittel des

mit dem anorganischen Bindemittel imprägnierten Kohlenstoffs (d)
in Mengen von 0,5 bis.30 Gewichtsprozent, bezogen auf Kohlenstoff, vorliegt.
14. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (e) ein hochchromhaltiger
Stahl, nicht-rostender Austenitstahl, nicht-rostender hochnickelhaltiger Stahl, eine hochnickelhaltige Legierung, eine Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung, eine Nickel-Chrom-Bor-Legierung, eine
Wolfram-Carbid-Legierung, Aluminiumlegierung, Kupfer, eine Kupferlegierung, Eisen, eine Eisenlegierung, Nickel, eine Nickellegierung, eine Bleilegierung, Magnesiumlegierung, Zinklegierung, eine Zinnlegierung, Titan, eine Titanlegierung, ein nicht-rostender Ferritstahl und/oder ein nicht-rostender Martensitstahl ist.

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15. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäusekontaktbauteil (11a, 11b, 11d, 11e, 11g, 11h, 11i; 16a, 16b, 16d, 16e, 16g, 16h, 16i; 31; 51) in das Ventilelementkontaktbauteil (12a, 12b, 12d, 12e, 12g, 12h, 12i; 17a, 17b, 17d, 17e, 17g, 17h, 17i/ 32; 52) eingepaßt ist.
16.Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäusekontaktbauteil (11c, 1If; 16c, 16f) mit dem Ventilelementkontaktbauteil (12c, 12f/ 17c, 17f) verbunden ist.
17. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäusekontaktbauteil (11e, 16e) mindestens eine Nut in seiner Kontaktfläche mit dem Ventilgehäuse (2) besitzt.
18. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäusekontaktbauteil (11e, 16e)in mehrere Dichtungsabschnitte unterteilt ist, die im wesentlichen konzentrisch zueinander um eine Symmetrieachse angeordnet sind.
19. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilelementkontaktbauteil (12d bis 12i; 16d bis 16i) mindestens eine Ringnut (14d bis 14i,* 18d bis 18i) in seiner Kontaktfläche mit dem Ventilelement (3) besitzt.
20. Dichtungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (14d bis 14g; 18d bis 18g) rechteckigen Querschnitt besitzt.
21. Dichtungselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der gegebenenfalls mehrfach ausgebildeten Ringnuten (14f, 14g; 18f, 18g) einen eingesetzten Zusatzring (15f, 15g; 19f, 19g) besitzt.

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■■. C mm
22. Dichtungselement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzring aus

(a) einem expandierter Graphit-Kompaktmaterial und/oder

(b) einem expandierter Graphit/anorganisches Bindemittel.-Verbundkompaktmaterial

besteht.
23. Dichtungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Ringnut (14h, 18h) vorgesehen ist, deren eine Seite nach außen offen ist, so daß die Nut als Vertiefung mit nur einer Seitenwand ausgebildet sind.
24. Dichtungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (14i, 18i) einen V-förmigen Querschnitt besitzt.
25. Dichtungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsring (13a; 13d bis 13i) vorgesehen ist, der um die Anordnung aus dem Ventilgehäusekontaktbauteil (11; 11d bis 11i ) und dem Ventilelementkontaktbauteil (12a; 12d bis 12i) angeordnet ist.
26. Verwendung des Dichtungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in einem Kugelhahn.
27. Verwendung des Dichtungselements nach einem der Ansprüche bis 25 in einem Parallelschieber.
28. Verwendung des Dichtungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in einem Drosselklappenventil.
29. Kugelhahn, gekennzeichnet durch ein Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

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30. Parallelschieber, gekennzeichnet durch ein Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 25.
31. Drosselklappenventil gekennzeichnet durch ein Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

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