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Dichtung aus Stahl mit oberflächengehärteten, dichtenden Schneidkanten
und Verfahren zum Herstellen solcher Dichtungen Dichtungen sind erforderlich an
den Verbindungs- oder Durchgangsstellen bzw. Verschlußstellen von Rohren, Behältern,
Maschinenteilen u. dgl. sowie zwischen Sitz und Teller von Ventilen, um den Übertritt
von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten aus einem Raum in einen anderen oder nach
außen zu verhindern.
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Es sind Dichtungen bekannt, bei welchen ein aus Stahl bestehender
Dichtring zur Verwendung kommt, der an jeder seiner beiden Stirnseiten eine kreisförmig
verlaufende Dichtkante von keilförmigem Profil aufweist. Die beiden Dichtkanten
sind oberflächengehärtet und infolge dieser Behandlung von so harter Beschaffenheit,
daß sie unter der Einwirkung eines Anpreßstückes in den Werkstoff der zugehörigen
Dichtfläche einzuschneiden und abzudichten vermögen. Ebenso ist es bekannt, eine
Dichtfläche an ihrer Stirnseite unmittelbar, d. h. ohne Verwendung eines Ringes
mit einer Dichtkante der beschriebenen Art und Wirkungsweise zu versehen.
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Es wurde gefunden, daß sich mit derartig ausgebildeten und beschaffenen
Dichtkanten unter schwierigsten Verhältnissen und für höchste Drücke Dichtungen,
selbst bei hochflüchtigen Gasen erreichen lassen, wenn insbesondere für die keilförmigen
Schneidkanten und deren Verhalten gegenüber den Dichtflächen optimale Verhältnisse
geschaffen sind. Diese optimalen Verhältnisse ergeben sich erfindungsgemäß dadurch,
daß die Schneidkanten und ihre Flanken spiegelglatte Oberflächen von unangreifbarer,
außerordentlich harter Beschaffenheit aufweisen, das Einschneiden in die
Dichtflächen
so tief erfolgt, daß mit Sicherheit die Dichtflächenunebenheiten unterschnitten
sind und der Keilwinkel an den Flanken jeder Schneidkante mindstens 6o° beträgt.
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Die spiegelglatte und unangreifbare Oberfläche ,der keilförmigen Schneidkante
und ihrer Flanken verhindert; insbesondere beim Einbau mit sich drehenden Dichtkanten,
:das Auftreten unnötiger und schädlicher Reibungswiderstände oder Anfressungen an
!der Dichtfläche, so daß ein stets sauberes und zügiges Einschneiden gewährleistet
ist. Gleichzeitig wird auch der Einschneidvorgang als solcher erleichtert. Damit
hält sich der Kraftaufwand in solchen Grenzen, daß noch ein Anziehender Dichtung
von Hand mit Hilfe von Schraubenschlüsseln,, gegebenenfalls verlängert durch ein
aufgestecktes Rohr, oder ähnlichen Geräten möglich ist.
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Durch die außerordentlich harte, keilförmige Schneidkante mit den
ebenfalls sehr harten Oberflächen der Schneidkantenflanken ist ein genügend tiefes
Einschneiden in die Dichtfläche gewährleistet. Die sich beim Einschneiden der 5chneidkante
in die Dichtfläche bildende grabenartige Vertiefung unterschneidet alle etwa vorhandenen
Unebenheiten der Dichtfläche und bedingt darüber hinaus noch eine Verdichtung des
Materials entlang den Wänden dieser grabenartigen Vertiefung. Dadurch erhält die
Schneidkante eine unverrückbar feste Lage gegenüber der Dichtfläche, und die Dichtwirkung
wird wesentlich gesteigert, -denn auf diese Weise sind auch minimalste Liderungsverluste
ausgeschlossen, so daß .derartige Dichtungen den höchsten Anforderungen und Drücken
von 2ooo atü und mehr gewachsen sind.
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Unterstützt werden diese hervorragenden Eigenschaften durch die sinnvolle
Wahl des Keilwinkels an den Flanken jeder Schneidkänte. Dieser soll mindestens 6ö°
betragen. Bei spitzerem Winkel besteht die Gefahr, daß wegen des Fehlens eines ausreichend
zähen Materialkernes unter der Oberflächenhärteschicht die Schneidkante ausbricht
und nicht mehr schneidet und dichtet. Andererseits darf der keilförmige Schneidkantenflankenwinkel
auch nicht zu stumpf gewählt werden, da dann die Schneidwirkung infolge des zunehmenden
Einschneidwiderständes nachläßt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, mit dessen Hilfe es gelingt,
Dichtungen der gekennzeichneten Art herzustellen. Erfindungsgemäß werden dabei die
mit spitzeren Keilwinkeln als die Endformen vorgedrehten Schneidkanten und die unmittelbar
benachbarten Flankenoberflächen durch Druckwirkung bei Raumtemperatur einer verfestigenden,
glättenden und den Keilwinkel abflachenden Materialverdichtung und anschließend
die Schneidkanten zusammen mit ihren Tragkörpern einer Oberflächenwarmhärtung unterworfen.
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Durch das Kaltdrücken, zweckmäßig zwischen Ober- und Untergesenk,
werden zunächst die beim Drehen der Schneidkantenflanken unvermeidlichen Drehriefen
und Oberflächenrauhigkeiten geglättet und gleichzeitig die Oberfläche durch plastische
Verformung mit .damit verbundener Verdichtung gehärtet, wobei von besonderer Bedeutung
ist, daß .der unter der nunmehr gehärteten Oberfläche liegende Materialkern die
Elastizität und Zähigkeit des Stahles im Anlieferungszustand beibehält. Derartige
Schneidkanten weisen auf der Oberfläche eine außerordentliche Härte auf und brechen
im Gebrauch infolge .des zähen Kernmaterials nicht mehr aus oder stumpfen ab. Mit
der plastischen Verformung ergibt sich gleichzeitig ein Ausgleich der etwa beim
Drehen entstandenen Maßungenauigkeiten,. insbesondere hinsichtlich !des Durchmessers
der kreisförmigen Schneidkanten.
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Für die einzelnen Trägertypen ist es dadurch möglich, für korrespondierende
Dichtkanten gleiche Durchmessermaße einzuhalten, denn das Kaltpressen wird mit gleichbleibendem
Werkzeug durchgeführt. Damit sind die Schwierigkeiten beseitigt, ,die sich beim
Drehen für das Einhalten -der vorgesehenen Mäße ergeben. Derartige Schneid- bzw.
Dichtkanten mit gleichen bzw. kongruenten Kreisformen ermöglichen die Austauschbarkeit.
Weiter ergibt die verfestigende Verdichtung der Schneidkanten und der Schneidkantenflanken
eine spiegelglatte Oberfläche. Anfressungen oder Hemmungen beim Einschneiden sind
vermieden.
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Die sich anschließende Warmhärtung bedingt eine Oberflächengefügeumwandlung
durch Einwirkung verschiedener Elemente in der Hitze. Durch .diese zweite Härtung
erhält die Schneidkante selbst und die Oberfläche der Schneidkantenflanken eine
vollkommene Unnachgiebigkeit von außergewöhnlich harter Beschaffenheit. Außerdem
sind derartige Oberflächen vollkommen unangreifbar.
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Auf diese Weise werden alle Voraussetzungen geschaffen, die zu einer
optimalen Anwendung von dichtenden, oberflächengehärteten Schneidkanten erforderlich
sind.
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An Hand des in der Zeichnung in den Fig. i und 2 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels ist das Herstellungsverfahren näher erläutert und in Fig. 3
ein Anwendungsbeispiel gezeigt. Im einzelnen stellen ,dar -Fig. i ein mit zwei nach
entgegengesetzten Seiten weisenden, kreisringförmigen Schneidkanten (eine Schneidkante
innen, die andere;Schneidkante außen) versehenes Anschlußstück für eine Rohrleitung
an einem Behälter oder Gerät im vorgedrehten Zustand vor Beginn der Kaltpressung;
Fig. 2 !das gleiche Anschlußstück nach Beendigung ,der Kaltpressung, also im kaltgehärteten
Zustand, Fig: 3 das fertige Anschlußstück im Gebrauch und Fig. q. bis 6 schematisch
den Ablauf der Kaltverformung. ' Das in Fig. 3 .dargestellte Anschlußstück i stellt
die dichte Verbindung des Rohrendes 2 mit der Austrittsöffnung 3 eines Behälters
oder Gerätes q. her. Dazu dienen zwei kegelförmige Sehneidkanten 5 und 6, wobei
die äußere Schneidkante 5 :die dichte Verbindung zur Wand des Behälters oder Gerätes
4. und die innere Schneidkante 6 die dichte Verbindung zur Stirnfläche des Rohrendes
2 ergibt.
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Zum Herstellen des Anschlußstückes i wird dieses, wie aus Fig. i ersichtlich,
mit den zwei keilförmigen
Schneidkanten 5 und 6 im vorgedrehten
Zustand, also mit spitzeren Keilwinkeln als der Endform, in einer aus Obergesenk
7 und Untergesenk 8 bestehenden Preßeinrichtung eingesetzt. Durch Druckeinwirkung
in Richtung der eingezeichneten Pfeile auf die Schneidkanten 5 und 6 ergibt sich
schließlich die in Fig. 2 dargestellte Endform. Dabei ist der Winkel, der zwischen
den Druckflächen am Obergesenk 7 und Untergesenl: 8 vorgesehen ist, größer als der
Ausgangskeilwinkel der Schneidkanten 5 und 6. Die sich :dabei ergebende Materialverdichtung
ist in den Fig. 4. bis 6 im Prinzip dargestellt. Es soll anschließend :die Druckeinwirkung
des Obergesenks@7 auf die Schneidkante 6 betrachtet werden. Zur Verdeutlichung sind
die Drehriefen an der Oberfläche übertrieben dargestellt. Diese Drehriefen sind
für das Einschneiden höchst nachteilig, selbst wenn die Schneidkante in diesem Zustand
oberflächenwarmgehärtet sein sollte. Schnei.dkanten mit derartigen Flankenoberflächen
fressen sich allzuhäufig infolge ihres Reibungswiderstandes an .den Dichtflächen
fest und machen eine ordnungsgemäße Dichtwirkung illusorisch. Im Ausgangszustand
er Schneidkante 6 ist der Winkel zwischen den Flanken 9 kleiner als der Winkel zwischen
den Druckflächen io am Obergesenk 7. Die Druckwirkung des Obergesenks 7 wird so
lange auf .die Flanken 9 der Schneidkante 6 fortgesetzt, bis deren Verdichtung so
weit fortgeschritten ist, daß nunmehr der Winkel zwischen den Flanken 9 der Schneidkante
6 gleich dem Winkel zwischen den Druckflächen io am Obergesenk 7 ist. Dieser Zustand
ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 6 zeigt den Zustand beim Abheben des Obergesenks
7 nach Beendigung :des Preßvorganges. Es ist nochmals zu sehen, daß die Druckflächen
io am Obergesenk 7 parallel zu den korrespondierenden Flanken 9 an der keilförmigen
Schneidkante 6 liegen. Diese Oberflächenverdichtung beseitigt alle beim Drehen auftretenden
Oberflächenrauheiten und Ungenauigkeiten und bedingt eine ausgezeichnete Oberflächenhärte.
Es entsteht eine spiegelglatte Oberfläche. Die so erreichte Maßgenauigkeit gewährleistet
,die Austauschbarkeit.
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Im Anschluß an diese Kaltverformung wird der Anschlußkörper i noch
einem bekannten Warmhärteverfahren unterworfen, sei @es eine Oberflächenbehandlung
durch Einsatzhärten oder durch Nitrierhärtung. Hierdurch ergibt sich eine weitere
Steigerung der Härte der Schneidkanten, die so eine außergewöhnliche Härte erhalten
und darüber hinaus vollkommen unangreifbar sind.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Einbau des Anschlußkörpers i wird
dieser zunächst mit dem Gewindestutzen i i in die Bohrung 3 der Wand des Behälters
oder Gerätes d. eingeschraubt. Dabei gräbt sich die harte, keilförmige Schneidkante
5 ausreichend tief in das Wandmaterial ein und dichtet dort zwischen der Bohrung
3 und :der Atmosphäre ab. Darauf wird das mit aufgeschweißtem Bund 12 ausgerüstete
Rohrende 2 mit Hilfe :der Überwurfmutter 13 auf das entsprechende Gewinde am Anschlußstück
i aufgezogen. Bei der hierbei erfolgenden zwangsläufigen Axalverschiebung nimmt
die Schulter 14 der Überwurfmutter 13 den Bund i2 und hierdurch das Rohrende 2 mit,
in dessen Stirnfläche dabei die harte, keilförmige Schneidkante 6 einschneidet,
wobei alle Oberflächenunebenheiten unterschnitten werden. Damit ist die Dichtung
zwischen Rohrende 2 und Anschlußstück i hergestellt, so daß nunmehr der Rohrinhalt
ohne jeglichen Verlust- und selbst bei höchsten Drücken in den Behälter gelangt
oder umgekehrt.
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Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Anwendung,des Verfahrens zum
Herstellen harter Schneidkanten mit optimalen Eigenschaften an Anschlußstücken,
also unmittelbar an den Dichtungsflächen, kann mit gleichen Vorteilen auch auf Dichtungsschneidringe
angewendet werden, die zwischen je zwei Dichtflächen eingebracht werden sollen.
Das gleiche ist für Ventile möglich, wobei sich die harte Schneidkante entweder
am Teller oder am Sitz befinden kann.