DE3244595C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein durch Walzen geblähter Graphitpartikel hergestellter Dichtungskörper, insbesondere eine Zylinderkopfdichtung.

Pulver- und partikelförmiger Graphit, besonders Natur­ graphit wird im Gemisch mit keramischen und metalli­ schen Stoffen und mit Kunstharzen seit langem für Dichtungen und Packungen aller Art verwendet (siehe z. B. Chem.-Ing.-Technik Bd. 22 (1950) Nr. 13/14, S. 284. Für Dichtungen und Packungen, die besonders hohen Temperaturen oder aggres­ siven Medien ausgesetzt sind, ist es von Vorteil, die günstigen Stoffeigenschaften des Graphits in vollem Maße auszunutzen, d. h., ihre Nutzung nicht durch den Zusatz anderer Stoffe zu den Dichtungen und Packungen zu begrenzen.

Verschiedene Naturgraphitsorten, besonders flockenför­ mige Naturgraphite, sind vergleichsweise bildsam und lassen sich ohne Zusätze von Bindern oder anderen die Haftfestigkeit fördernde Stoffe zu Körpern der verschie­ densten Form verpressen, z. B. zu Platten oder Ringen. Ihre Verwendung, besonders auch auf dem Gebiet der Dichtungen, ist wegen der geringen Festigkeit überhaupt nicht oder nur in geringem Umfang möglich. Graphit­ formlinge mit einer wesentlich größeren Festigkeit erhält man mit einem durch die DE-PS 12 53 130 bekanntgewor­ denen Verfahren, bei welchem man Graphitpartikel mit einer oder mehreren oxidierenden Säuren behandelt, eine Graphiteinlagerungsverbindung herstellt und die Verbindung durch Einwirkung von Wärme zersetzt. Dabei entstehen ziehharmonikaartige geblähte oder expan­ dierte Graphitpartikel, die ohne Binder zu flexiblen Folien oder Schichtkörpern, die ausschließlich aus Graphit bestehen, z. B. durch Walzen oder Gesenkpressen verdichtet werden können.

Aus geblähten Graphitpartikeln hergestellte Körper werden vorteilhaft als Dichtungen, Packungen, Bürsten, Strahlungsschirme und ähnliches verwendet und es hat nicht an Versuchen gefehlt, die günstige Temperatur- und Korrosionsfestigkeit des physiologisch unbedenk­ lichen Werkstoffs auch für Flachdichtungen zu nutzen, besonders für Zylinderkopfdichtungen. Diese Dichtungen bestehen im wesentlichen aus einem Kern aus Blech, Metallgeweben und ähnlichen Verstärkungseinlagen, die mit Bohrungen des Zylinderkopfs fluchten, und die Oberfläche des Kerns bedeckende, durch Verdichten ge­ blähter Graphitpartikel hergestellte Graphitschichten. Eine Flachdichtung mit einem metallischen Stützkern, auf den beidseitig Graphitschichten aufgewalzt sind, ist beispielsweise durch die DE-GM 75 26 276 bekannt. In einer durch die DE-OS 24 04 544 bekanntgewordenen Ausführungsform setzen sich die Graphitschichten aus Teilen verschiedener Dichte und Dicke zusammen, so daß beim Anziehen der Dichtung eine zusätzliche Dicht­ wirkung erzielt wird.

Flachdichtungen werden bei ihrer Verwendung zwischen Gegenflächen eingespannt, wobei größere Druckspannungen in den Dichtungen entstehen. Durch eine Vielzahl von Gleitprozessen, bei denen die die Graphitschichten bildenden Graphitkristalle gegeneinander verschoben werden, "fließt" der Graphit in alle Vertiefungen der Gegenfläche und paßt sich der Kontur dieser Fläche voll­ kommen an. Bei diesem für die Wirkung der Dichtung vor­ teilhaften Prozeß nimmt die Haftreibung zwischen Gra­ phitschicht und Gegenfläche erheblich zu, so daß der Graphit häufig nur durch Zerstörung der Dichtung von der Gegenfläche gelöst werden kann. Ein anderer Nach­ teil besteht naturgemäß darin, daß die Dichtungsflächen nur durch größere Kräfte getrennt werden können.

Gemäß DE-OS 24 41 602 ist es bekannt, die Oberfläche von durch Walzen geblähter Graphitpartikel hergestellten Dichtungen mit einem die Haftreibung mindernden Stoff zu beschichten. Geeignete Stoffe sind nach diesen Vorschlägen Verbindungen mit Schichtgitterstruktur, wie Molybdänsulfid, Bornitrid und Graphitfluorid, tem­ peraturbeständige antiadhäsive Polymere, wie Poly­ tetrafluorethylen und Polyimid, und Metallseifen. Zu­ sätzlich können die Schichten auch abrasive Stoffe enthalten, z. B. Quarzmehl. Diese Dichtungen führen jedoch nicht immer zum Erfolg, möglicherweise bedingt durch das Abscheren oder Ablösen der Beschichtung. Es ist schließlich auch bekannt, Dichtungen aus einem Weichstoff an der Oberfläche mit dünnen Schichten zu versehen, die Graphit, Talkum und ähnliche Stoffe ent­ halten, um das Ankleben der Dichtung an den Gegenflä­ chen zu vermeiden (DE-PS 12 64 902). Besonders Talkum enthaltende Beschichtungen verhindern unter bestimmten Bedingungen das Ankleben der Dichtung, auf anderen Gebieten, z. B. bei Zylinderkopfdichtungen, kann das An­ kleben der Dichtung jedoch nicht ausgeschlossen werden, vielmehr kommt es häufig zu Verklebungen zwischen Dichtung und Gegenfläche.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Haftung von Flachdichtungen, besonders von Zylinderkopfdichtungen, die durch Walzen geblähter Graphitpartikel hergestellt sind, zu be­ grenzen, so daß die Dichtung ohne weiteres von den Gegenflächen gelöst werden kann.

Die Aufgabe wird mit einem Dichtungskörper der eingangs genannten Art gelöst, der nur über einen Teil seiner Dicke in einer von der Oberfläche der Dichtung ausgehenden Zone Furanharz enthält. Insbesondere beträgt die Dicke des Furanharz enthalten­ den Teils des Dichtungskörpers 0,05 bis 0,15 mm.

Unter dem Begriff Furanharz werden durch Kondensation von Furfurylalkohol oder Furfurol gebildete duropla­ stische Harze verstanden. Der Furanharzgehalt im Dichtungskörper bewirkt eine das "Fließen" der Gra­ phitpartikel hemmende Versteifung der Graphitpartikel, so daß Vertiefungen der Gegenfläche nicht mit Gra­ phit ausgefüllt werden. Die Haftkräfte zwischen Dich­ tung und Gegenfläche sind geringer, so daß die Teile nicht miteinander verkleben und sich leicht vonein­ ander lösen lassen. Für diesen überraschenden Effekt ist es nicht nötig, dem Dichtungskörper über seine gesamte Dicke Furanharz zuzusetzen, vielmehr reicht eine vergleichsweise dünne Zone, die von der Oberfläche der Dichtung ausgeht. Die Dicke der Zone ist so be­ messen, daß das "Fließen" des Graphits in dem der Gegenfläche zugewandten Bereich des Dichtungskörpers unterdrückt wird und die Flexibilität des gesamten Körpers im wesentlichen erhalten und nicht über das unbedingt notwendige Maß beeinträchtigt wird. Die gün­ stigste Dicke der mit Furanharz gefüllten Zone des Körpers hängt entsprechend auch von der Dicke der Dichtung ab, wobei im allgemeinen dünne Dichtungen auch schmalere mit Harz gefüllte Zonen erfordern.

Durch die US-PS 11 37 373 sind Dichtungen und Packungen aus Graphit bekannt, die durch Pressen eines geblähten Graphitpartikel und ein phenolisches Kondensations­ produkt enthaltenden Gemisches hergestellt sind. Der­ artige Dichtungen und Packungen weisen eine besonders große Festigkeit auf, die mit normalen, nichtgeblähten Naturgraphitpartikeln nicht erreicht werden kann. Ande­ rerseits sind die Körper nicht flexibel, so daß daraus hergestellte Flachdichtungen leicht zerbrechen und die Dichtwirkung oftmals nicht ausreicht.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtungskörpers wird auf dessen Oberfläche Flurfurylalkohol oder Fur­ furol und ein in den Furanderivaten gelöster Härtungska­ talysator beispielsweise durch Sprühen oder Pinseln aufgetragen. Die Lösung wird durch Kapillarkräfte in den Körper gesaugt, wobei die Eindringgeschwindigkeit wegen der kleinen Kapillardurchmesser sehr klein ist. Vorkon­ densate auf der Basis von Furanderivaten oder von Phenolverbindungen diffundieren auch unter hohen Drücken - vermutlich aufgrund ihrer Molekülgröße - nicht in den Dichtungskörper, überraschend aber mono­ merer Furfurylalkohol und Furfurol. Diese Verbindungen dringen mit einer kleinen, im wesentlichen gleich­ mäßigen Geschwindigkeit auch ohne Anwendung von Druck in Dichtungskörper aus verdichteten geblähten Graphitpartikeln ein und verbleiben auch während der für die Kondensation und Härtung des Harzes nötigen Wärmebehandlung in den Körpern, so daß nur sehr geringe Verluste entstehen. Die Dicke der mit Furanharz ge­ füllten Zone eines Dichtungskörpers kann dabei wegen der im wesentlichen gleichmäßigen Eindringgeschwindig­ keit der Monomeren mit ausreichender Genauigkeit aus der Einwirkungszeit bestimmt und vorgegeben werden.

Als Kondensationsmittel und Härtungskatalysatoren der Monomeren, besonders Furfurylalkohol, eignen sich besonders schwache Säuren und Säureanhydride, z. B. Maleinsäureanhydrid, Benzolsulfonsäure usw., deren Konzentration in dem Imprägniermittel zweckmäßig etwa 5 bis 15% betragen soll. Bevorzugt wird eine 90% Furfurylalkohol und 10% Maleinsäureanhydrid enthaltende Lösung, die auf den Dichtungskörper ge­ spritzt oder gepinselt wird. Entsprechend der ge­ wünschten Eindringtiefe wird der Rest der Lösung nach einer Einwirkzeit von 5 bis 10 Minuten von der Ober­ fläche des Dichtungskörpers entfernt. Da an der Ober­ fläche verbleibende Rückstände bei der Kondensations­ behandlung ein klebriges Harz bilden, ist für eine vollständige Entfernung der Lösung zu sorgen, z. B. mit einem Gummischaber, einem Schwamm oder einem saug­ fähigen Tuch.

Der imprägnierte oder teilweise imprägnierte Dichtungs­ körper wird dann in einer ersten Stufe auf etwa 80 bis 140°C und nach einer Verweilzeit von etwa einer Stunde in einer zweiten Stufe auf etwa 180 bis 220°C erhitzt und die Temperatur ebenfalls etwa eine Stunde gehalten. Imprägnierung und Wärmebehandlung werden bei Dichtungen, die metallische oder andere Kerne enthalten, zweckmäßig in dieser Form ausgeführt. Nach einer anderen Verfahrens­ weise wird der Dichtungskörper zunächst einseitig im­ prägniert, das Imprägnierungsmittel gehärtet und der Körper dann auf den Kern gepreßt oder gewalzt. Gege­ benenfalls müssen die Formungsbedingungen der etwas größeren Steifigkeit des vorimprägnierten Dichtungs­ körpers angepaßt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Vergleichs­ beispiels erläutert:

Durch thermische Zersetzung von Graphithydrogensulfat gebildete geblähte Graphitpartikel wurden zu einem folienartigen Schichtkörper mit einer Dicke von 2 mm gewalzt, dessen Rohdichte ca. 1,0 g/cm³ betrug. Der Schichtkörper wurde geteilt und ein Teil mit einer Lösung, enthaltend 90% Furfurylalkohol und 10% Malein­ säureanhydrid beschichtet. Nache einer Verweilzeit von 10 Minuten wurde der Rest der Lösung abgewischt, der Gewichtszuwachs betrug ca. 2%, entsprechend 40 g/m². Der imprägnierte Körper wurde auf 120°C und dann auf 200°C erhitzt, die Haltezeiten bei diesen Temperatur­ stufen waren jeweils eine Stunde. Die Körper (100 × 50 × 2 mm) wurden zwischen geschliffene Stahl­ platten (Werkstoff-Nr. 1.1203) gespannt, die Flächen­ pressung betrug 50 N/mm². Nach einer Versuchszeit bei Raumtemperatur von sieben Tagen ließen sich beide Dich­ tungskörper leicht von den Gegenflächen lösen.

Ein zweiter Versuch wurde unter den gleichen Bedingungen bei einer Temperatur von 200°C durchgeführt. Der unbe­ handelte Körper war derart mit den Gegenflächen ver­ klebt, daß er zum Lösen der Dichtung zerstört werden und die Reste mühsam von Gegenflächen geschabt werden mußten. Der erfindungsgemäße Dichtungskörper löste sich demgegenüber wie bei Raumtemperatur rückstandslos von den Gegenflächen.

Claims (4)

1. Durch Walzen geblähter Graphitpartikel hergestellter Dichtungskörper, insbesondere Zylinderkopfdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß er nur über einen Teil seiner Dicke in einer von der Oberfläche der Dichtung ausgehenden Zone Furanharz enthält.

2. Dichtungskörper nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Furanharz-haltigen Schicht 0,05 bis 0,15 mm beträgt.

3. Verfahren zum Herstellen eines Dichtungskörpers nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskörper mit einer ein Furanderivat aus der Gruppe Furfurylalkohol, Furfurol und einen Härtungskatalysator enthaltenden Lösung beschichtet, nach einer Verweilzeit von 5 bis 10 min der Lösung entnommen und zur Kondensation und Här­ tung in einer ersten Stufe auf 80 bis 140°C und in einer zweiten Stufe auf 180 bis 220°C erhitzt wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskörper mit einer 90% Furfuryl­ alkohol und 10% Maleinsäureanhydrid enthaltenden Lösung beschichtet wird.