DE3534149C1 - Axial face seal (sliding ring seal) - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine axiale Gleitringdichtung, bei der mindestens eines der Dichtelemente aus einem gesinterten keramischen Werkstoff besteht.The present invention relates to an axial Mechanical seal in which at least one of the Sealing elements made of a sintered ceramic Material exists.
Dichtelemente aus keramischem Werkstoff, wie Gleitringe oder Gegenringe, werden in axialen Gleitringdichtungen zusammen mit einem Gegenele ment, das aus einem Werkstoff geringerer Härte als der Keramikwerkstoff besteht, verwendet. Dies er gibt sich z. B. aus der DE-OS 27 25 685. Das Gegen element wirkt mit seiner Funktionsfläche gegen das Dichtelement und entweder das Dicht- oder das Gegenelement rotiert und jeweils das andere Ele ment ist stationär gelagert.Sealing elements made of ceramic material, such as Slide rings, or mating rings, are in axial Mechanical seals together with a counter element ment made of a material of lower hardness than the ceramic material is used. This he z. B. from DE-OS 27 25 685. The opposite element works against this with its functional surface Sealing element and either the sealing or the Counter element rotates and the other Ele ment is stationary.
Weite Verbreitung haben axiale Gleitringdichtungen gefunden, bei denen ein Dichtelement aus einem keramischen Werkstoff, wie z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, und das Gegenelement aus einem Kohlewerkstoff besteht. Wie sich aus der Literaturstelle "WADC-Technical-Report 56-267, Part. II" (1958), in der die Werkstoffe und deren Kombinationen zur Herstellung von Gleitringdich tungen für die Anwendung in Gasturbinen beschrie ben wird, ergibt, wurde Aluminiumoxid als Reibungspartner aber auch noch für Karbide, Werk zeugstahl, Molybdänsilizid, hochwarmfeste Legie rungen und rostfreien Stahl vorgeschlagen. Diese Literaturstelle schlägt ferner auf rostfreien Stahl aufgebrachtes Zirkonoxid als Reibungspartner gegen Chrom- und Titankarbid, Werkzeugstahl und hochtemperaturbeständige Legierungen vor. Die keramischen Werkstoffe haben sich gegenüber den Hartmetallen vor allem aufgrund ihrer noch größe ren Härte in weiten Bereichen durchsetzen können, weisen aber infolge der immer höher geschraubten Anforderungen und der ständig wachsenden Bean spruchungen noch gewisse Nachteile auf, so daß es in einigen besonders problematischen Einsatzbe reichen zu einem unerwünschten, vorzeitigen Ver schleiß bzw. zur Zerstörung der keramischen Bau teile kommt. Hierzu führt das DE-Buch von E. Mayer "Axiale Gleitringdichtungen" (1965, Seite 79) aus, daß infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit von Hartkohle die zwischen den Reibungspartnern ent stehende Reibungswärme nicht in ausreichender Weise abgeleitet wird. In Keramikelementen als Reibungspartner solcher Hartkohleelemente können dadurch Thermoschockrisse entstehen. In jüngster Zeit hat sich nun gezeigt, daß insbesondere die in sehr großem Maß in Kühlwasserpumpen von Verbren nungsmotoren eingesetzten axialen Gleitringdich tungen, die ein aus keramischem Werkstoff beste hendes Dichtelement als Reibungspartner eines auf Kohlebasis bestehenden Gegenelements aufweisen, eine noch verbesserungsbedürftige Betriebssicher heit aufweisen. Wenn auch noch nicht in allen Ein zelheiten geklärt ist, worauf das Versagen der keramischen Dichtelemente in diesem Einsatzbereich bei besonders extremer Beanspruchung zurückzufüh ren ist, läßt sich die noch nicht ausreichende Betriebssicherheit vermutlich darauf zurückführen, daß bei maximaler Motorendrehzahl ein zeitweiliger Totalverlust des Kühlmittels im Dichtspalt, näm lich an der Stelle, an der keramisches Dichtele ment und Gegenelement auf Kohlebasis miteinander in Eingriff stehen, eintritt und es dabei zu einem starken Temperaturanstieg kommt. Messtechnisch ist dieser Temperaturanstieg noch nicht erfaßbar, er dürfte aber bis zu 1000°C betragen. Tritt nun nach Absenkung der Motorendrehzahl wieder Kühl mittel in den Dichtespalt ein, tritt infolge des mehrere 100°C betragenden Temperaturunterschieds ein Thermoschock ein, obwohl dieser Temperatur schock nur in lokalen und der Funktionsfläche be nachbarten Bereichen, wo Dichtelemente und Gegen element in Eingriff stehen, eintritt, kann dadurch eine Zerstörung des keramischen Dichtelementes eintreten. Axial mechanical seals are widely used found in which a sealing element from a ceramic material, such as. B. alumina or silicon carbide, and the counter element a carbon material. How from the Literature "WADC Technical Report 56-267, Part. II "(1958), in which the materials and their Combinations for the production of mechanical seals described for use in gas turbines ben results in alumina was considered Frictional partner also for carbides, plant steel, molybdenum silicide, high-temperature alloy steel and stainless steel. These Literature also suggests stainless Steel-applied zirconium oxide as a friction partner against chrome and titanium carbide, tool steel and high temperature resistant alloys. The ceramic materials have compared to the Hard metals mainly because of their size can enforce their hardness in a wide range, but due to the ever higher screwed Requirements and the ever growing bean certain disadvantages, so that it in some particularly problematic applications range to an undesirable, premature Ver wear or to destroy the ceramic construction parts is coming. The DE book by E. Mayer leads to this "Axial mechanical seals" (1965, page 79), that due to the low thermal conductivity of Hard coal ent between the friction partners standing frictional heat is insufficient Way is derived. In ceramic elements as Frictional partners of such hard carbon elements can this creates thermal shock cracks. Most recently Time has now shown that especially in very large in cooling water pumps from Verbren used axial mechanical seals the best made of ceramic material sealing element as a friction partner Have a carbon base existing counter element, an operational safety still in need of improvement show unit. If not in all ones details of what the failure of the ceramic sealing elements in this area of application in particularly extreme conditions ren, the not yet sufficient Operational security probably due to that at maximum engine speed a temporary Total loss of coolant in the sealing gap, näm Lich at the point where the ceramic seal carbon-based element and counter-element engage, enter, and become one strong temperature rise comes. Is metrological this rise in temperature is not yet detectable, he but should be up to 1000 ° C. Now kick cooling again after lowering the engine speed medium enters the density gap, occurs as a result of several 100 ° C temperature difference a thermal shock even though this temperature shock only in local and functional areas neighboring areas where sealing elements and counter element can engage, occurs, can destruction of the ceramic sealing element enter.
In der Praxis hat man sich bisher damit beholfen, ein z. B. Aluminiumoxid bestehendes Dichtele ment mit einem relativ geringen Profiltraganteil herzustellen und damit von Anfang an die Kontakt fläche zwischen Aluminiumoxidteil und Gegenelement auf Kohlebasis auf ein gewisses Maß zu begrenzen. Dabei war in Kauf zu nehmen, daß die Dichtungs wirkung, solange das Hartkohleteil noch nicht abgetragen ist, unbefriedigend bleibt und daß ferner die nach dem Einlaufen erreichte Abdicht wirkung unterhalb des vorstellbaren Optimums liegt. Durch die Begrenzung der Kontaktfläche konnte dabei aber eine gewisse Reibungsbegrenzung und damit ein besonders extremer Temperaturanstieg vermieden werden. Diese Bemühungen reichen aber in den meisten Fällen noch nicht aus.In practice, people have so far managed to a z. B. Alumina existing gasket ment with a relatively low proportion of profile wear to establish and thus the contact from the beginning area between the aluminum oxide part and the counter element to a certain extent on a coal basis. It was accepted that the seal effect as long as the hard coal part is not yet is worn, remains unsatisfactory and that furthermore the seal achieved after running in effect below the imaginable optimum lies. By limiting the contact area but was able to limit friction and thus a particularly extreme rise in temperature be avoided. But these efforts are sufficient in most cases not yet.
Auch ein eigener Vorschlag der Anmelderin, wie er sich aus der EP-A 43 456 ergibt und der für die fraglichen Bauteile eine Abmischung aus oxidkera mischen Komponenten mit 3-25 Gew.-% ZrO2 und/oder HfO2 vorsieht und damit die Einstellung eines Pro filtraganteils von 10-40% ermöglichen will, hat sich infolge der noch nicht befriedigenden Thermo schockfestigkeit als noch nicht in jedem Fall aus reichend gezeigt.Also, the applicant's own proposal, as it results from EP-A 43 456 and which provides for the components in question a mixture of oxide ceramic components with 3-25 wt .-% ZrO 2 and / or HfO 2 and thus the setting wants to enable a pro filtragungsteil of 10-40%, has not yet been shown to be sufficient in every case due to the unsatisfactory thermal shock resistance.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe ge stellt, die bestehenden Nachteile zu beseitigen und ein aus keramischem Werkstoff bestehendes Dichtelement für eine axiale Gleitringdichtung, insbesondere für eine Kühlwasserpumpe eines Ver brennungsmotors, zu entwickeln, das bessere Not laufeigenschaften besitzt und damit eine erhöhte Thermoschockfestigkeit aufweist. Das Dichtelement soll dabei im Zusammenspiel mit seinem Gegenele ment, insbesondere mit einem Gegenelement auf Kohlebasis, bei diesem ein Verschleißverhalten bewirken, wie bei solchen Gegenelementen auch im Zusammenspiel mit den bekannten Dichtelementen aus keramischen Werkstoff vorliegt. Schließlich soll das Dichtelement auch eine mit den bekannten Dichtelementen vergleichbare Abdichtwirkung zeigen.The present invention has the task ge provides to eliminate the existing disadvantages and one made of ceramic material Sealing element for an axial mechanical seal, in particular for a cooling water pump of a Ver internal combustion engine, to develop the better need has running properties and thus an increased Has thermal shock resistance. The sealing element should be in interaction with his counterpart ment, especially with a counter element Carbon base, with this a wear behavior effect, as with such counter-elements in Interaction with the known sealing elements ceramic material is present. After all, it should the sealing element also one with the known Sealing elements comparable sealing effect demonstrate.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung bei einem Dichtelement der eingangs er wähnten Art die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 vor.The present provides for the solution of this task Invention with a sealing element of the beginning he mentioned the characteristics of Claim 1 before.
Die Verwendung von Aluminiumtitanat was bisher für feuerfeste und temperaturbeständige - nicht aber für auf Verschleiß beanspruchte - Bauteile vorge schlagen worden.The use of aluminum titanate has been for fireproof and temperature-resistant - but not for components subject to wear and tear been hit.
Betrachtet man nun rückwirkend die Entwicklungs tendenzen auf dem Gebiet der axialen Gleitring dichtungen und zieht dabei in Betracht, daß zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit die in großem Maße eingesetzten Dichtelemente aus Sinter metallen in immer stärkerem Maße durch keramische Dichtelemente ersetzt wurden, weil man sich von der größeren Härte der keramischen Werkstoffe eine höhere Verschleißfestigkeit versprach, so muß die hervorragende Eignung von Aluminiumtitanat für keramische Dichtelemente von axialen Gleitring dichtungen als überraschend gewertet werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten keramischen Werkstoffen für dieses Einsatzgebiet weist nämlich Aluminiumtitanat nur eine sehr geringe Biegebruch festigkeit auf, die bei weniger als 1/10 der Bie gebruchfestigkeit von gesintertem Aluminiumoxid liegt. Darüber hinaus handelt es sich aber bei Aluminiumtitanat auch noch um einen vergleichs weise sehr porösen Werkstoff, der über eine innere Rißstruktur verfügt. Ein weiteres Kriterium , das bisher bei der Eignungsbeurteilung von Werkstoffen für axiale Gleitringdichtungen bzw. deren Elemente im Vordergrund stand, ist die Werkstoffhärte, wo bei die Härte der bekannten keramischen Werkstoffe noch weit über der Härte der früher verwendeten Sintermetalle liegt. Aluminiumtitanat hat dagegen eine Härte, die noch unter der Härte von Sinter metallen liegt. Auch aus diesem Grunde ist die Auswahl von Aluminiumtitanat zur Herstellung von Dichtelementen für axiale Gleitringdichtungen als ein glücklicher Griff anzusehen.If you look retrospectively at the development tendencies in the field of axial sliding ring seals, taking into account that Improve the wear resistance in Sintered sealing elements used to a large extent metals increasingly by ceramic Sealing elements have been replaced because of the greater hardness of the ceramic materials promised higher wear resistance, so the excellent suitability of aluminum titanate for ceramic sealing elements of axial sliding ring seals are considered surprising. in the Contrary to the previously known ceramic Materials for this area of application have namely Aluminum titanate has only a very small bending break strength on less than 1/10 of the flex break resistance of sintered alumina lies. But beyond that it is Aluminum titanate also by comparison wise very porous material that has an inner Crack structure has. Another criterion that Previously in the suitability assessment of materials for axial mechanical seals and their elements in the foreground, the material hardness is where with the hardness of the known ceramic materials still far above the hardness of those previously used Sintered metals. Aluminum titanate has against it a hardness that is still below the hardness of sinter metal lies. For this reason too Selection of aluminum titanate for the production of Sealing elements for axial mechanical seals as a happy grip to look at.
Aluminiumtitanat ist zwar infolge seiner außeror dentlich geringen Druckfestigkeit nach den übli chen Härtemeßtechniken überhaupt nicht meßbar, seine Härte ist aber mit ca. 600-700 HV anzu nehmen, wohingegen die Härte der bisher verwende ten keramischen Werkstoffe wesentlich höher liegt, wie sich aus der nachfolgenden Zusammenstellung ergibt.Aluminum titanate is exceptional because of its low pressure resistance according to the usual hardness measurement techniques cannot be measured at all, however, its hardness is around 600-700 HV take, whereas the hardness of the previously used ceramic materials is significantly higher, as can be seen from the following compilation results.
Al2O3: HV ca. 2000
ZrO2: HV ca. 1300
SiC: HV ca. 2400Al 2 O 3 : HV approx. 2000
ZrO 2 : HV approx. 1300
SiC: HV approx. 2400
Die Eignung von erfindungsgemäßen Dichtelementen mit ihrem hohen Aluminiumtitanatanteil überrascht insbesondere beim Einsatz in Kühlwasserpumpen von Verbrennungsmotoren. Durchgeführte Versuche bele gen, daß selbst bei extremster Beanspruchung keine vorzeitige Zerstörung infolge thermischer Be lastung bei den erfindungsgemäßen Dichtelementen zu beobachten war und die erreichten Verschleiß festigkeiten liegen überraschenderweise durchaus im Bereich der für keramische Dichtelemente übli chen Werte. Bei dem erfindungsgemäß in einer axi alen Gleitringdichtung zu verwendenden Dichtele ment findet ein Werkstoff Verwendung, der nicht aus reinem Aluminiumtitanat besteht, das bekannt lich dadurch gebildet wird, daß Aluminiumoxid und Titanoxid in stöchiometrischem Verhältnis von ca. 56 : 44 Gew.-% miteinander vermischt und bei Tem peraturen oberhalb 1350°C kalziniert werden. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß neben dem zwingend vorgeschriebenen Aluminiumtitanat in einer Menge von 60-93 Vol.-% die restlichen Kom ponenten aus den Oxiden und oxidischen Verbin dungen, wie sie im Anspruch 1 aufgezählt sind, be stehen. Neben den Oxiden von Aluminium und Titan, kommen damit insbesondere in Frage, Reaktionspro dukte der vorgenannten oxidischen Substanzen, wie z. B. Aluminiumsilikat, Zirkonsilikat Magnesiumti tanat und Eisentitanat.The suitability of sealing elements according to the invention surprised with its high proportion of aluminum titanate especially when used in cooling water pumps from Internal combustion engines. Experiments carried out bele gene that even under the most extreme stress premature destruction due to thermal loading load in the sealing elements according to the invention was observed and the wear achieved Surprisingly, strengths are quite good in the area of übli for ceramic sealing elements values. In the invention in an axi All mechanical seals to be used ment uses a material that is not consists of pure aluminum titanate, which is known Lich formed by the fact that alumina and Titanium oxide in a stoichiometric ratio of approx. 56: 44% by weight mixed together and at tem temperatures above 1350 ° C can be calcined. According to the invention it is now provided that in addition to the mandatory aluminum titanate in an amount of 60-93 vol .-% the remaining com components from the oxides and oxidic compound Applications as listed in claim 1, be stand. In addition to the oxides of aluminum and titanium, come into question in particular, reaction pro products of the aforementioned oxidic substances, such as e.g. B. aluminum silicate, zirconium silicate magnesium ti tanate and iron titanate.
Reaktionsprodukte des Aluminiumtitanats mit den im Anspruch 1 genannten Oxiden - mit Ausnahme des Magnesiumoxids bzw. des Eisenoxids - sind dagegen unter dieser Definition nicht zu verstehen. Unter dem in Ansprüchen und Beschreibung beschriebenen Aluminiumtitanat ist ein Werkstoff zu verstehen, bei dem das Aluminiumtitanat im Kristallgitter des b-Al2O3TiO5 (Pseudobrookit-Struktur) teilweise durch Magnesium oder Eisen substituiert sein kann. Es können hierbei maximal 50% des β-Al2TiO5 (rechnerisch) durch MgTi2O5 und/oder Fe2TiO5 er setzt werden.Reaction products of aluminum titanate with the oxides mentioned in claim 1 - with the exception of magnesium oxide or iron oxide - are not to be understood by this definition. The aluminum titanate described in the claims and description is to be understood as a material in which the aluminum titanate in the crystal lattice of b -Al 2 O 3 TiO 5 (pseudobrookite structure) can be partially substituted by magnesium or iron. A maximum of 50% of the β -Al 2 TiO 5 (by calculation) can be replaced by MgTi 2 O 5 and / or Fe 2 TiO 5 .
Eine wesentliche Bedeutung kommt auch der Maßnahme zu, den für die Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtelementes verwendeten Werkstoff frei von wei teren oxidischen Verunreinigungen, von denen bei spielsweise Na2O zu nennen ist, zu halten. Als Sinterhilfsmittel hat sich der Zusatz der Oxide von Yttrium, Lanthan und Cer vielfach als hilf reich herausgestellt, jedoch sollte der Anteil dieser Substanzen nicht höher als 5 Vol.-% sein. Sofern Zirkoniumoxid im Werkstoff des Dichtele mentes vorliegt, nimmt es fast ausschließlich die monokline Modifikation ein, was darauf zurückzu führen ist, daß der Werkstoff insgesamt über eine relativ niedrige Festigkeit verfügt und daher nicht als Matrixwerkstoff zu verstehen ist, in dem das darin eingelagerte Zirkonoxid infolge der bei der Abkühlung eintretenden Umwandlung von tetra gonal nach monoklin zu Mikrorissen führt, wie sie in der DE-OS 25 49 652 zur Festigkeitsteigerung von Keramikformkörpern beschrieben sind.The measure of keeping the material used for the production of the sealing element according to the invention free of further oxide contaminants, of which Na 2 O is to be mentioned in the example, is also of significant importance. The addition of the oxides of yttrium, lanthanum and cerium has often proven to be helpful as a sintering aid, but the proportion of these substances should not be higher than 5% by volume. If zirconium oxide is present in the material of the sealing element, it almost exclusively takes on the monoclinic modification, which is due to the fact that the material as a whole has a relatively low strength and is therefore not to be understood as a matrix material in which the zirconium oxide embedded therein results the transformation of tetra gonal to monoclinic that occurs during cooling leads to microcracks, as described in DE-OS 25 49 652 for increasing the strength of ceramic molded bodies.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung besteht das Dichtelement einer axialen Gleitringdichtung aus einem Werkstoff mit einem Aluminiumtitanatanteil von 73-88 Vol.-%. Als ganz besonders bevorzugt hat sich jedoch ein Dichtelement erwiesen, dessen übrige Komponenten neben einem Aluminiumtitanatanteil von 73-88 Vol.-% aus 1-15 Vol.-% Aluminiumoxid, 1-24,5 Vol.-% Titanoxid, 0-2 Vol.-% oxidischer Verunrei nigungen und 0,5-6 Vol.-% Siliziumdioxid, die als silikatische Phase vorliegen, bestehen. Ein solches Dichtelement verfügt über eine besonders hohe Thermoschock- und Verschleißfestigkeit. In a preferred embodiment of the present ing invention there is a sealing element axial mechanical seal made of one material an aluminum titanate content of 73-88 vol .-%. However, one has proven to be very particularly preferred Proven sealing element, the rest of its components in addition to an aluminum titanate content of 73-88 Vol .-% from 1-15 vol .-% alumina, 1-24.5 Vol .-% titanium oxide, 0-2 vol .-% oxidic impurities and 0.5-6 vol .-% silicon dioxide, which as silicate phase exist. A such a sealing element has a special high thermal shock and wear resistance.
Sofern in Ansprüchen und Beschreibung zahlenmäßige Angaben für die einzelnen Komponenten des Werk stoffes, aus dem das erfindungsgemäße Dichtelement besteht, gegeben werden, sind darunter die mit Hilfe der Röntgenbeugungsmethode erfaßten kristal linen Anteile zu verstehen. Die Meßmethode schließt in einer unvermeidbaren Weise die Ermitt lung von amorphen bzw. kriptokristallinen Anteile der einzelnen Substanzen aus. So gesehen, basieren die gemachten Angaben darauf, daß die mit Hilfe der Röntgenuntersuchungsmethode erfaßbaren kristallinen Anteile auf 100% hochgerechnet werden. Am Bei spiel des Aluminiumtitanatanteils bedeutet dies, daß die ermittelten Anteile auf die im Werkstoff des Dichtelementes vorhandenen kristallinen Pha senanteile bezogen werden, wobei der wahre Alumi niumtitanatgehalt des Werkstoffes noch unter den nach dieser Methode ermittelten Werten liegen kann.If numerical in claims and description Information for the individual components of the plant material from which the sealing element according to the invention exists, are among them those with With the help of the X-ray diffraction method captured crystal to understand linen shares. The measurement method closes the investigation in an unavoidable manner amorphous or cryptocrystalline components of the individual substances. So seen, based the information given that with the help X-ray examination method detectable crystalline Shares are extrapolated to 100%. At Bei play of the aluminum titanate portion this means that the determined proportions on the in the material of the sealing element present crystalline Pha shares, whereby the real alumi nium titanate content of the material is still below the values determined using this method may lie.
Zur Erzielung einer besonders hohen Verschleiß festigkeit der axialen Gleitringdichtung, unter der der Fachmann immer die Verschleißfestigkeit des Gegenelementes versteht, hat sich eine axiale Gleitringdichtung als besonders geeignet erwiesen, bei der das Dichtelement aus einem Werkstoff be steht, der die nachfolgenden Merkmale aufweist.To achieve particularly high wear strength of the axial mechanical seal, under the expert always the wear resistance of the Counter element understands, has an axial Mechanical seal proven to be particularly suitable, in which the sealing element be made of a material stands, which has the following features.
Biegebruchfestigkeit: σ B <20 MPa,
Porosität: 5-18 Vol.-%,
thermischer Längenausdehnungskoeffizient:
α RT-500°C: -1×10-6 bis +2×10-6 (K-1),
mittlere Korngröße: < 12 µm,
E-Modul: 11 000-35 000 MPa.Flexural strength: σ B <20 MPa,
Porosity: 5-18 vol .-%,
thermal coefficient of linear expansion:
α RT-500 ° C: -1 × 10 -6 to + 2 × 10 -6 (K -1 ),
average grain size: <12 µm,
Modulus of elasticity: 11,000-35,000 MPa.
Vorzugsweise liegen die Werte jedoch wie folgt:However, the values are preferably as follows:
Biegebruchfestigkeit: σ B < 28 MPa,
Porosität: 6-10 Vol.-%,
thermischer Längenausdehnungskoeffizient:
a RT-500°C: -0,5×10-6 bis +0,5×10-6
(K-1),
mittlere Korngröße: < 7 µm,
E-Modul: 15 000-25 000 MPaFlexural strength: σ B <28 MPa,
Porosity: 6-10 vol .-%,
thermal coefficient of linear expansion:
a RT-500 ° C: -0.5 × 10 -6 to + 0.5 × 10 -6 (K -1 ),
average grain size: <7 µm,
Modulus of elasticity: 15,000-25,000 MPa
Als Gegenelement für das keramische Dichtelement der erfindungsgemäßen axialen Gleitringdichtung haben sich insbesondere solche Gegenelemente als geeignet erwiesen, die aus einem Kohlewerkstoff bestehen. Dabei kann das Gegenelement aus einem gesinterten und metallisch imprägnierten Kohle werkstoff bestehen, wobei insbesondere ein mit Antimon imprägnierter Kohlewerkstoff geeignet ist. Eine für viele Zwecke aber ausreichende und wirt schaftlichere Lösung besteht in der Verwendung eines Gegenelementes aus einem gesinterten und mit Polyester oder Parafin imprägnierten Kohlewerk stoff. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines Gegenelementes aus kunstharzge bundener Kohle, z. B. eines mit Polyester gebunde nen Kohlewerkstoffes. Solche Gegenelemente verfü gen über eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und ihr Einsatz im Zusammenspiel mit keramischen Dichtelementen wurde bisher für viele Anwendungs gebiete ausgeschlossen, weil infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit eine Ableitung der entstehenden Reibungswärme nicht erfolgt und infolgedessen bei dem keramischen Dichtelement die Gefahr einer Beschädigung infolge Thermoschocks bestand. Die hervorragende thermische Belastbarkeit des erfin dungsgemäß in einer axialen Gleitringdichtung zu verwendenden Dichtelementes ermöglicht die Über windung des bisher bestehenden Nachteiles und führt damit zu einer in wirtschaftlicher Hinsicht besonders interssanten Lösung.As a counter element for the ceramic sealing element the axial mechanical seal according to the invention have such counter-elements in particular proven suitable from a carbon material consist. The counter element can be made from one sintered and metallically impregnated coal consist of material, in particular with Antimony impregnated carbon material is suitable. A sufficient for many purposes and hosts The more economical solution is the use a counter element from a sintered and with Coal mill impregnated with polyester or paraffin material. However, that is very particularly preferred Use of a counter element made of synthetic resin bound coal, e.g. B. tied with polyester carbon material. Such counter elements very low thermal conductivity and their use in interaction with ceramic Sealing elements have been used for many applications areas excluded because of the low Thermal conductivity a derivative of the resulting Frictional heat does not occur and as a result the ceramic sealing element the risk of Damage due to thermal shock existed. The excellent thermal resilience of the invent in accordance with an axial mechanical seal using sealing element enables the over overcoming the existing disadvantage and thus leads to an economically particularly interesting solution.
Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der er findungsgemäßen Gleitringdichtung sind Kühlwasser pumpen, insbesondere solche von Verbrennungs motoren, bei denen die axiale Gleitringdichtung starken Temperaturschwankungen, sogenannten Thermoschocks, ausgesetzt wird.A particularly preferred area of application for the Mechanical seal according to the invention are cooling water pumps, especially those from combustion motors in which the axial mechanical seal strong temperature fluctuations, so-called Thermal shock.
In wirtschaftlicher Hinsicht bietet die vorlie gende Erfindung infolge der geringen Härte des Aluminiumtitanats noch den Vorteil, daß durch die leichte Bearbeitbarkeit im Vergleich z. B. zu Sili ziumkarbid wesentlich geringere Fertigungskosten entstehen.In economic terms, the present Invention due to the low hardness of Aluminum titanate still has the advantage that easy workability in comparison z. B. to Sili zium carbide significantly lower manufacturing costs arise.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figur und Beispielen näher erläutert. Insbesondere läßt sich die Erfindung auch so anwenden, daß ein Dichtelement beidseitig mit einem Gegenelement in Eingriff gebracht wird. The invention is illustrated below with reference to FIG and examples explained in more detail. In particular, lets apply the invention so that a Sealing element on both sides with a counter element in Intervention.
Die Figur zeigt in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße axiale Gleitringdichtung, wie sie in einer Kühlwasserpumpe eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird.The figure shows a in a sectional view axial mechanical seal according to the invention, as they in a cooling water pump of an internal combustion engine is used.
Bei der axialen Gleitringdichtung 10 steht ein erfindungsgemäßes Dichtelement 1 mit seiner Funk tionsfläche 3 im Eingriff mit einem Gegenelement 2 aus kunstharzimprägnierter Kohle. Das Dichtelement 1 befindet sich im Dichtungsgehäuse 6, wo es in axial verlaufenden Nuten 9 gegen den Druck einer Feder 7 beweglich angeordnet ist. Ein Dichtungs balg 8 dient der inneren Abdichtung. Beim Gegen element 2 dienen in seiner Bohrung angebrachte Halteringe 5 zur Befestigung auf Welle 11. Nuten 9 nehmen Fortsätze 4 des Dichtelementes 1 auf, so daß dies zwar axial verschieblich, aber drehfest im Dichtungsgehäuse 6 angeordnet ist. Ein Pumpen gehäuse 12 ist nur teilweise dargestellt.In the case of the axial mechanical seal 10 , a sealing element 1 according to the invention, with its functional surface 3, engages with a counter element 2 made of carbon impregnated with synthetic resin. The sealing element 1 is located in the sealing housing 6 , where it is arranged in axially extending grooves 9 against the pressure of a spring 7 . A sealing bellows 8 is used for internal sealing. When counter element 2 are used in its bore retaining rings 5 for attachment to shaft 11th Grooves 9 take extensions 4 of the sealing element 1 , so that this is axially displaceable but non-rotatably arranged in the seal housing 6 . A pump housing 12 is only partially shown.
In den Beispielen 1 bis 3 werden die nachstehend beschriebenen Ausgangsrohstoffe eingesetzt:In Examples 1 to 3, the following are described raw materials used:
A - αAl2O₃:
spezifische Oberfläche = 7 m2/g,
D50 Korngröße = 0,5 µm,
B - TiO2 (Rutiltype):
spezifische Oberfläche = 6 m2/g,
D50 Korngröße = 0,5 µm,
C - SiO2-Rohstoff (Quarzsand):
spezifische Oberfläche < 20 m2/g,
D50 < 0,3 µm,
D - ZrO2 (unstabilisiert):
spezifische Oberfläche = 8 m2/g,
D50 = 0,4 µmA - α Al 2 O₃:
specific surface = 7 m 2 / g,
D 50 grain size = 0.5 µm,
B - TiO 2 (rutile type):
specific surface = 6 m 2 / g,
D 50 grain size = 0.5 µm,
C - SiO 2 raw material (quartz sand):
specific surface area <20 m 2 / g,
D 50 <0.3 µm,
D - ZrO 2 (unstabilized):
specific surface = 8 m 2 / g,
D 50 = 0.4 µm
1050 g von A werden mit 450 g von B in einer Kugelmühle naß vermahlen. der Mahlschlicker wird getrocknet und bei einer Temperatur von 1550°C bei einer Haltezeit von 1 h kalziniert. Hierbei bildet sich durch Reaktion ein Produkt mit einem hohen Al2TiO5-Anteil. Das kalzinierte Pulver wird in einer Kugelmühle naß auf eine spezifische Ober fläche von 8 m2/g gemahlen und nach Zusatz eines Bindemittels sprügetrocknet.1050 g of A are ground wet with 450 g of B in a ball mill. the grinding slip is dried and calcined at a temperature of 1550 ° C. with a holding time of 1 h. A product with a high Al 2 TiO 5 content is formed by reaction. The calcined powder is wet milled in a ball mill to a specific surface of 8 m 2 / g and spray-dried after the addition of a binder.
Das Sprühgranulat wird bei einem Preßdruck von 1000 kp/cm2 trocken zu einem Formkörper (Dicht element) verpreßt und bei einer Temperatur von 1430°C bei einer Haltezeit von 2 h gesintert und anschließend rasch abgekühlt. Das Dichtelement besteht zu 78 Vol.-% aus Al2TiO5, Rest: Al2O3 und TiO2.The spray granules are pressed dry to a shaped body (sealing element) at a pressure of 1000 kp / cm 2 and sintered at a temperature of 1430 ° C. with a holding time of 2 h and then rapidly cooled. The sealing element consists of 78% by volume of Al 2 TiO 5 , the rest: Al 2 O 3 and TiO 2 .
242 g A werden mit 242 g B und 17 g C naß in einer Kugelmühle vermahlen und die Suspension nach Zu satz eines Bindemittels sprühgetrocknet.242 g A are ground wet with 242 g B and 17 g C in a ball mill and the suspension is spray-dried after addition of a binder.
Das so hergestellte Granulat wird mit einem Preß druck von 1000 kp/cm2 trocken zu einem Formkörper (Dichtelement) verpreßt und bei einer Temperatur von 1450°C bei einer Haltezeit von 2 h gesintert und anschließend rasch abgekühlt. Das Dichtelement besteht zu 72 Vol.-% aus Al2TiO5, Rest: Al2O3, TiO2 und SiO2 als silikatische Phase.The granules produced in this way are dry-pressed to a shaped body (sealing element) with a pressure of 1000 kp / cm 2 and sintered at a temperature of 1450 ° C. with a holding time of 2 h and then rapidly cooled. The sealing element consists of 72% by volume of Al 2 TiO 5 , the rest: Al 2 O 3 , TiO 2 and SiO 2 as the silicate phase.
1050 g von A und 450 g von B werden in einer Kugel mühle naß vermahlen. Der Mahlschlicker wird ge trocknet und bei einer Temperatur von 1550°C bei einer Haltezeit von 1 h kalziniert. Hierbei bildet sich durch Reaktion ein Produkt mit einem hohen Al2TiO5-Anteil. Das kalzinierte Pulver wird in einer Kugelmühle zusammen mit 170 g von D naß auf eine spezifische Oberfläche von 8 m2/g vermah len. Unter Zusatz eines Bindemittels wird diese Suspension sprügetrocknet und das Sprühgranulat bei einem Preßdruck von 1000 kp/cm2 trocken zu einem Formkörper (Dichtelement) verpreßt und an schließend bei einer Temperatur von 1420°C und einer Haltezeit von 2 h gesintert und danach rasch abgekühlt. Das Dichtelement besteht zu 65 Vol.-% aus Al2 TiO5; Rest: Al2O3, TiO2 und ZrO2 überwie gend in der monoklinen Phase. Die mittlere Korn größe des Zirkonoxids liegt bei < 1 µm. 1050 g of A and 450 g of B are wet milled in a ball mill. The grinding slip is dried and calcined at a temperature of 1550 ° C. with a holding time of 1 h. A product with a high Al 2 TiO 5 content is formed by reaction. The calcined powder is milled in a ball mill together with 170 g of D wet to a specific surface area of 8 m 2 / g. With the addition of a binder, this suspension is spray-dried and the spray granules are pressed dry to a shaped body (sealing element) at a pressure of 1000 kp / cm 2 and then sintered at a temperature of 1420 ° C. and a holding time of 2 h and then rapidly cooled. The sealing element consists of 65% by volume of Al 2 TiO 5 ; Rest: Al 2 O 3 , TiO 2 and ZrO 2 predominantly in the monoclinic phase. The average grain size of the zirconium oxide is <1 µm.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die an den erfin dungsgemäßen Dichtelementen ermittelten Meßwerte.The table below shows the inventions measured values determined according to the sealing elements.
Claims (9)
25 Vol.-% Titanoxid (TiO2)
6 Vol.-% Siliziumoxid (SiO2)
5 Vol.-% Eisenoxid (Fe2O3)
10 Vol.-% Zirkoniumoxid (ZrO2)
10 Vol.-% Magnesiumoxid (MgO)
5 Vol.-% von einem oder mehreren der Oxide von Yttrium, Lanthan und Cer,
maximal 2 Vol.-% oxidischer Verunreinigungen und bis zu
20 Vol.-% von Reaktionsprodukten dieser oxidischen Verbindungen zusammengesetzt,wobei sich alle Volumenteile - mit Ausnahme des Porenanteils - zu 100 Vol.-% ergänzen. 1. Axial mechanical seal, in which at least one of the sealing elements consists of an aluminum oxide-containing ceramic sintered material, characterized in that the material of the sealing element ( 1 ) consists of: 60-93 vol .-% aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ), and the rest consists of up to: 20 vol .-% aluminum oxide (Al 2 O 3 )
25 vol.% Titanium oxide (TiO 2 )
6 vol .-% silicon oxide (SiO 2 )
5 vol.% Iron oxide (Fe 2 O 3 )
10 vol .-% zirconium oxide (ZrO 2 )
10 vol .-% magnesium oxide (MgO)
5% by volume of one or more of the oxides of yttrium, lanthanum and cerium,
a maximum of 2 vol .-% oxidic impurities and up to
20 vol .-% of reaction products of these oxidic compounds, whereby all parts by volume - with the exception of the pore fraction - add up to 100 vol .-%.
1-15 Vol.-% Aluminiumoxid,
1-24,5 Vol.-% Titanoxid,
0,5-6 Vol.-% Siliziumdioxid als silika tische Phase,
bis zu 2 Vol.-% weiterer oxidischer Verunreinigungenbesteht, wobei sich alle Volumenanteile - mit Ausnahme des Porenanteils - auf 100 Vol.-% ergänzen.3. Axial mechanical seal according to one of claims 1 to 2, characterized in that the material of the sealing element ( 1 ) consists of: 73-88 vol .-% aluminum titanate,
1-15 vol.% Alumina,
1-24.5 vol .-% titanium oxide,
0.5-6 vol .-% silicon dioxide as a silicic phase,
up to 2% by volume of further oxidic impurities, with all parts by volume - with the exception of the proportion of pores - adding up to 100% by volume.
Porosität: 5-18 Vol.-%,
thermischer Längenausdehnungskoeffizient:
α RT-500°C: -1×10-6 bis +2× 10-6 K-1,
mittlere Korngröße: < 12 µm,
E-Modul: 11 000-35 000 MPa. 4. Axial mechanical seal according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sealing element ( 1 ) consists of a material with the following measured values. Bending strength σ B : <20 MPa,
Porosity: 5-18 vol .-%,
thermal coefficient of linear expansion:
α RT-500 ° C: -1 × 10 -6 to + 2 × 10 -6 K -1 ,
average grain size: <12 µm,
Modulus of elasticity: 11,000-35,000 MPa.
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|---|---|---|---|
| DE19853534149 DE3534149C1 (en) | 1985-09-25 | 1985-09-25 | Axial face seal (sliding ring seal) |
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| DE (1) | DE3534149C1 (en) |
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