WO2017182669A1 - Dichtung und herstellungsverfahren für eine dichtung - Google Patents

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WO2017182669A1
WO2017182669A1 PCT/EP2017/059630 EP2017059630W WO2017182669A1 WO 2017182669 A1 WO2017182669 A1 WO 2017182669A1 EP 2017059630 W EP2017059630 W EP 2017059630W WO 2017182669 A1 WO2017182669 A1 WO 2017182669A1
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seal
layer
polymer
preceramic
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PCT/EP2017/059630
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Magnus Reichert
Maximilian Hofmann
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ElringKlinger AG
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
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    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/10—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing
    • F16J15/102—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/08—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with exclusively metal packing
    • F16J15/0818—Flat gaskets
    • F16J2015/0856—Flat gaskets with a non-metallic coating or strip

Definitions

  • the present invention relates to a seal, a first part with at least one coating is provided at least ⁇ min, over which the first part is in contact with a second part in an installation position. Further, of the products contained ⁇ constricting invention relates to a method for producing such a seal.
  • seals of the aforementioned type are known from the prior art, in which touch the individual elements in a mounting situation. These seals are therefore also referred to as contact seals and represent the largest group within the seals.
  • the primary task here is to prevent or at least narrowly limit unwanted material transitions from one room to another.
  • a loading of the surfaces in a contact region between the first and the second part of a seal represents a significant problem.
  • coating materials are regularly designed as an elastomer-based coating. These coatings can by additives such. As boron and / or graphite temperature stable and / or reduce friction.
  • a coating is provided from a preceramic polymer at a SEN according to the invention ⁇ seal in a contact region between a first part and a second part.
  • a manufacturing method is a solution of the above object, wherein a coating in a contact area between a first part and a second part using a preceramic polymer in a spraying process, or by using a roll-coat method on a respective substrate or min ⁇ at least applied to a later formed in an installed position contact area between the first part and the second part.
  • the coating is thus applied using known coating methods of spraying, printing, rolling a layer or application of a roll-coat method on dipping to doctoring.
  • Preceramic polymers are well known with different Supremeset ⁇ tongues of the prior art.
  • the term preceramic polymer is to be understood as meaning a ceramic material which, in an initial state, has a plastically deformable, polymeric matrix which, in a high-temperature environment, is at least partially polymeric Conversion is converted into a ceramic body. Under the action of heat, the micro-molecular state of the preceramic polymer changes, while the auxiliaries and solvents are discharged, while retaining the macromolecular state. In the initial state, a garkera ⁇ premix polymer is able to adapt and microscopic irregularities and to adapt himself up exactly to any surface texture.
  • a layer thickness of a coating of the preceramic polymer as friction-reducing coating is between about 2 ym to about 100 ym, preferably between about 10 ym to about 20 ym. Too thin layer thicknesses are disadvantageous because they provide too little protective layer and should in some way serve as a "sacrificial layer.” Thick layers of over 20 ym show From a complete Wegplatzen the layer to a very good protective effect very different results and must ⁇ sen therefore be investigated separately in a particular application and application. Here there is then in particular on the substrate used to, with a high coefficient of expan ⁇ coefficient and high temperatures likely to lead to flaking.
  • a layer thickness of a coating of the preceramic polymer as a seal improving layer between about 5 ym to about 35 ym, but preferably the coating is only so thick ⁇ brought, so that the coating just the unevenness of the surface of the coated Compensates component and thus between about 5 ym to about 20 ym.
  • Thicker layers ha ⁇ ben here usually no advantage, they only cost more and keep it under circumstances worse.
  • the layer thicknesses are thus depending on the surface of the mating component regularly between about 5 ym to about 20 ym.
  • the material of the coating is a Si-CN-0 preceramic, which is filled with hexagonal boron nitride, abbreviated as hBN.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • a proportion of the hBN filler is about 50 ⁇ 6, preferably between about 10% to about 40%.
  • ⁇ a range from about 10% to about 30% is sought.
  • ⁇ Cä a sealing variant of the coating.
  • the porosity of the layer can, within certain limits, be changed by the size of the boron nitride platelets, as well as a further production process in the form of, for example, a stamping / bending process. This adjustment of the porosity of the coating is necessary in particular to avoid adhesion or cohesion defects additional or additional fillers are MoS, graphite, C nanotubes, graphene and / or S1 3 N 4 into consideration. Further also SiCO, SiC, SiBCN, SiCN, SiBCNO as precursor systems or pre ⁇ ceramics according to the invention can be used.
  • the above object is achieved by a method for producing a seal of the type specified above in various embodiments, wherein the coating in a spraying process or using a roll-coat method on a respective substrate or at least on ei ⁇ nen in a mounting position later trained contact area between the first part and the second part is applied.
  • the coating is then subsequently pyrolyzed onto the coating on subsequent application as a friction-reducing or wear-protecting layer to the coating step.
  • the coating only receives its actual intended Functional ⁇ ness.
  • a spring steel or a nickel-based alloy is used as the supporting substrate.
  • a coating is ceramified during precipitation hardening of the supporting substrate.
  • the polymer does not burn within the precursor ceramic, but transforms into a ceramic, at least partially and for example to a 50% polymer content and 50% ceramic content. A well-known from the prior art discharge from the seal is thus largely prevented.
  • the coating when used as a sealing layer, is delivered without the step of heat treatment. In one more not heat-treated delivery and installation state is the best possible adaptation to a respective counterpart component, the second part allows. Only after completion of an installation with thus optimal molding of the coating between the parts of the coating in a temperature range above 150 ° C is progressively cured.
  • a pre- ⁇ cured coating may be provided, which is effected during assembly due to their hardness, a smoothing of rugosities in a contact region and towards further cured in an insert, in particular at elevated temperatures over time.
  • a coating of a sealing partner has been described which is only "one-sided."
  • the use of a separate sealing intermediate layer is preferred coating on both sides supported on a sealing layer in the form of a metallic carrier on ⁇ .
  • the metallic support is carried out in particular in the form of a sheet.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an embodiment of a seal in a mounting situation, not shown;
  • FIG. 2 shows a sectional view through a first part provided with a coating;
  • Figure 3 is a sectional view through a second part with a low surface quality before assembly of the seal
  • FIG. 4 shows sectional views through a first and a second part and a carrier provided with coatings analogous to the representation of Figures 2 and 3;
  • FIG. 5 is a sectional view of the embodiment according to FIG. 4 in an assembled state
  • FIG. 6 shows a plan view of a gasket layer on a Ver ⁇ internal-combustion engine
  • FIG. 7 shows a side view of the gasket layer of FIG. 6 in an installation situation
  • Figure 8 a plan view of a gasket layer for a
  • Figure 1 shows a sectional view through an embodiment of a gasket 1 in a ready assembled state.
  • a first part 2 which is provided with at least one coating 3, sealingly connected via the coating 3 with a second part 4.
  • a contact between the first part 2 and the second part 4 by the plastic deformability of the coating 3 is thereby maximally intensified has been that the coating 3 consists of a preceramic polymer.
  • the coating 3 Before assembly, the coating 3 has been applied to a surface 5 of the first part 2, as shown in FIG.
  • This surface 5 has here a very high surface quality and thus a low roughness or roughness depth x.
  • a surface 6 of the second part 4 is sketched with a significantly lower surface quality in order to illustrate a corresponding difference.
  • a roughness y has been indicated in Figure 3, which would not allow a high density in principle. Due to the plastic deformability of the coating 3, however, a very good sealing is achieved even without previously performed ⁇ upper surface treatment of the surface 6 of the first part 4 after assembly in a situation of use.
  • FIG. 4 shows a sectional view through a first part 2 and a second part 4 of a flange connection with a gasket layer 7 arranged between only indicated flanges in the form of a carrier 8 provided on both sides with coatings 3a, 3b
  • Carrier 8 which is designed in the present case as a metal sheet, have a high surface quality, so that has been dispensed with a recording of roughness. Both surfaces are provided with respective coatings 3a, 3b of a preceramic polymer.
  • preceramic polymers have been used as soft layers, since they can very well adapt to a respective counterpart component in order to compensate for unevenness by plastic deformation. Furthermore, there is the possibility of using already hardened or at least precured or partially crosslinked preceramic coatings. Here it is possible that in the course ei ⁇ nes assembly irregularities of the mating member smoothly pressed by a pre-ceramic coating or leveled who can ⁇ . Also hereby a compensation of unevenness could be done by mediating the preceramic coating. However, hard coatings are very brittle, whereas soft coatings still shrink when cured. It therefore remains the particular application reserved to wel ⁇ cher type of coating is used in each case to realize an optimal and durable seal concept.
  • Figure 6 shows a sketch of the plan view of a Sealing layer on an internal combustion engine.
  • a known material selection combination such as cylinder head 2 in aluminum, gasket layer 7 in spring steel and manifold 4 as a cast component with connected exhaust pipe A
  • very different thermal expansion coefficients, as well as different temperatures of the components un ⁇ indirectly meet each other.
  • a cylinder head is cooled regularly, with no further cooling of the components is provided below. It occurred thus on movements between the cylinder head and the elbow, which must be taken from the seal ⁇ or intercepted. For this purpose, movements of up to 5 mm have been found in practice.
  • FIG. 8 shows a plan view of an embodiment of a gasket layer 7 for a flange in an exhaust pipe A of an internal combustion engine.
  • the ge through the cylinder ⁇ clocked outlet of exhaust gases are added, an overall system mechanical in vibration, so that the respective counter-components also move in the region of a flange relative to each other.
  • the gasket layers used in these areas are known to be circular around a recess for a gas channel 11 around closed beads 12.
  • the coating 3 is an insert in all seals 1 with relative movement offers.
  • a particular embodiment provides here with spring steels or nickel based alloys as a carrying substrate, since in this case the deposited coating can be ceramified Be ⁇ ⁇ equal to during the precipitation hardening of the substrate. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung (1), bei der mindestens ein erster Teil (2) mit mindestens einer Beschichtung (3) versehen ist, über die der erste Teil (2) mit einem zweiten Teil (4) in einer Einbaulage in Kontakt steht. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dichtung (1). Um eine Dichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu schaffen, die eine wesentliche Minderung bekannter Probleme bei einer vergleichsweise langen Standzeit und guten Dichtigkeit auch in einem Bereich höherer und hoher Betriebstemperaturen bewirken, wird vorgeschlagen, dass in einem Kontaktbereich zwischen dem erste Teil (2) und dem zweiten Teil (4) eine Beschichtung (3) aus einem präkeramischen Polymer vorgesehen ist. Ferner ist ein Herstellungsverfahren eine Lösung dieser Aufgabe, bei dem eine Beschichtung (3) in einem Kontaktbereich zwischen einem ersten und zweiten Teil (2, 4) unter Verwendung eines präkeramischen Polymers in einem Sprühprozess, oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat bzw. mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich aufgebracht wird.

Description

Dichtung und Herstellungsverfahren für eine Dichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung, bei der min¬ destens ein erster Teil mit mindestens einer Beschichtung versehen ist, über die der erste Teil mit einem zweiten Teil in einer Einbaulage in Kontakt steht. Ferner betrifft die vorlie¬ gende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dichtung .
Aus dem Stand der Technik sind zahllose Bauformen von Dichtungen der vorstehend genannten Art bekannt, bei denen sich in einer Einbausituation die einzelnen Elemente berühren. Diese Dichtungen werden daher auch als Berührungsdichtungen bezeichnet und stellen innerhalb der Dichtungen die größte Gruppe dar. Wie bei allen Dichtungen besteht auch hier die Aufgabe vor allen Dingen darin, ungewollte StoffÜbergänge von einem Raum in einem anderen Raum zu verhindern oder zumindest eng zu begrenzen. Bekannterweise stellt hierbei insbesondere eine Be¬ schaffenheit der Oberflächen in einem Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Teil einer Dichtung ein wesentliches Problem dar. Zum Ausgleich von Oberflächenrauigkeiten ist der Einsatz von Beschichtungswerkstoffen bekannt, die regelmäßig als Elastomer-basierende Beschichtung ausgeführt sind. Diese Beschichtungen können durch Zusätze, wie z. B. Bor und/oder Graphit temperaturstabiler und/oder reibungsmindernd wirken .
Als Problem tritt hierbei jedoch auf, dass bei hohen Tempera¬ turen ein jeweiliges Elastomer verbrennt, so dass schließlich nur ein Füllstoff-Anteil zurückbleibt. Im Laufe der Zeit wird dieser verbleibende Füllstoff-Anteil jedoch durch dynamische Belastungen in dem betreffenden System größtenteils ausgeworfen. Damit verändert bzw. verschlechtert sich das Betriebsver- halten der Beschichtung also mit fortschreitender Betriebsdauer. Schließlich tritt regelmäßig eine Leckage in einem Ausmaß auf, dass im Rahmen einer Reparatur die Dichtung ersetzt werden muss.
Als Alternative sind des Weiteren metallische Beschichtungen bekannt, welche ebenfalls in höheren Temperaturbereichen bis ca. 1.000° C eingesetzt werden können und auch dort noch eine Dichtungsaufgabe sowie gegebenenfalls auch reibungsvermindern- de Eigenschaften aufweisen. Nachteilig sind hierbei jedoch die hohen Kosten, welche aus einer sehr langen Prozesszeit von bis zu 12 Stunden sowie einer sehr geringen Anzahl an Teilen resultiert, welche gleichzeitig beschichtet werden können.
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, über eine Vielzahl der klassischen Wärmebehandlungen eine Oberfläche eines Substrates bzw. eines Teils der Dichtung zu härten. Diese bekannten Verfahrensschritte senken zwar einen Reibverschleiß der behandel¬ ten Teile, erhöhen jedoch den Verschleiß eines Gegenbauteils, da keine reibvermindernden Eigenschaften erzielt werden können. Zudem ist in diesem Fall ein Wärmeeintrag in das betref¬ fende Bauteil kritisch, da j a bei Hochtemperaturlegierungen zu einer deutlich verminderten Langzeittemperaturstabilität führen kann.
Damit zeigt der bekannte Stand der Technik zusammenfassend folgende Nachteile auf:
• Elastomere, Werkstoffe verbrennen und darin enthaltene Füllstoffe werden ausgeblasen oder ausgewaschen. Damit geht die Dichtungseigenschaft weitgehend verloren.
• Metallische Beschichtungen sind vergleichsweise sehr teu¬ er .
• Beim Diffusionsbeschichten, insbesondere Borieren, oder klassischem Härten verlieren Legierungen an thermischer Langzeitstabilität. Zudem ist nur eine Verschleißoptimie¬ rung, jedoch keine Verringerung des Verschleißes durch positive Beeinflussung von Reibkoeffizienten möglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Dichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine Dichtung zu schaffen, die zu den vorstehend genannten Punkten eine wesentliche Minderung bei einer vergleichsweise langen Standzeit und guten Dichtigkeit auch in einem Bereich höherer und hoher Betriebstemperaturen bewirken.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhän¬ gigen Ansprüche dadurch gelöst, dass bei einer erfindungsgemä¬ ßen Dichtung in einem Kontaktbereich zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil eine Beschichtung aus einem präkeramischen Polymer vorgesehen ist. Ferner ist ein Herstellungsverfahren eine Lösung der vorstehenden Aufgabe, bei dem eine Beschichtung in einem Kontaktbereich zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil unter Verwendung eines präkeramischen Polymers in einem Sprühprozess , oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat bzw. min¬ destens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem erste Teil und dem zweiten Teil aufgebracht wird. Die Beschichtung wird also unter Anwendung bekannter Beschichtungsverfahren von Sprühen, Drucken, Aufwalzen einer Schicht oder Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens über Tauchen bis Rakeln aufgetragen.
Präkeramische Polymere sind mit unterschiedlichen Zusammenset¬ zungen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Unter dem Begriff eines präkeramischen Polymeres ist ein keramischer Werkstoff zu verstehen, der in einem Ausgangszustand eine plastisch verformbare, polymere Matrix aufweist, der in einer Hochtemperaturumgebung unter mindestens teilweiser stofflicher Umwandlung in einen keramischen Körper gewandelt wird. Unter thermischer Einwirkung verändert sich - unter Austrag von Hilfs- und Lösungsmitteln - der mikro-molekulare Zustand des präkeramischen Polymeres unter Beibehaltung des makromolekularen Zustands. In dem Ausgangszustand ist ein präkera¬ misches Polymer so in der Lage, sich auch mikroskopisch kleinen Unebenheiten anzupassen und damit sich an jegliche Oberflächenbeschaffenheit hochgenau zu adaptieren. In einem ver¬ netzten Endzustand wirkt dieses Material hingegen unter weit¬ gehender Beibehaltung einer einem jeweiligen Anwendungsfall angepassten Außenform dann wie eine Keramik. Im Gegensatz zur Ausformung einer sog. grünen Keramik ist die endgültige Geometrie und Formgebung bei präkeramischen Polymeren damit schon vor einer Vernetzung definiert und wird weitgehend beibehal¬ ten. Damit haftet eine Beschichtung aus einem präkeramischen Polymer nach einer Vernetzung stets weiterhin auf einem jeweiligen Substrat. Aus zahlreichen Veröffentlichungen sind Verwendungen präkeramischer Polymere zur gezielten Ausrüstung von Oberflächen mit besonderen, multifunktionalen Eigenschaften bekannt, es geht jedoch hieraus keine Verwendung und Anpassung auf den vorliegenden Anmeldungsfall hervor. Präkeramiken in Verbindung mit Dichtungen sind also bislang ebenso wenig offenbart worden, wie Verfahren, die den vorstehend unter Bezug auf Elastomer-basierte Beschichtungen beschriebener Aushärtung als positiven Effekt nutzen können. Hierzu wird nachfolgend im Detail ausgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung beträgt eine Schichtdicke einer Beschichtung aus dem präkeramischen Polymer als reibvermindernde Beschichtung zwischen ca. 2 ym bis etwa 100 ym, vorzugsweise zwischen ca. 10 ym bis etwa 20 ym. Zu dünne Schichtdicken sind nachteilig, da sie zu wenig Schutzschicht vorhalten und in gewisser Weise als „Opferschicht" dienen sollten. Dicke Schichten von über 20 ym zeigen von einem kompletten Wegplatzen der Schicht bis zu einer sehr guten Schutzwirkung sehr unterschiedliche Ergebnisse und müs¬ sen daher in einem jeweiligen Einsatz- und Anwendungsfall separat untersucht werden. Hier kommt es dann insbesondere auf das verwendete Substrat an, wobei ein hoher Ausdehnungskoeffi¬ zient und hohe Temperaturen eher zum Abplatzen führen.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung beträgt eine Schichtdicke einer Beschichtung aus dem präkeramischen Polymer als dichtungsverbessernde Schicht zwischen ca. 5 ym bis etwa 35 ym, vorzugsweise ist die Beschichtung aber nur so dick auf¬ gebracht, sodass die Beschichtung gerade die Unebenheiten der Oberfläche des beschichteten Bauteils ausgleicht und damit zwischen ca. 5 ym bis etwa 20 ym liegt. Dickere Schichten ha¬ ben hier i.d.R. keinen Vorteil, sie kosten lediglich mehr und halten unter Umständen schlechter. Üblicherweise liegen die Schichtdicken damit je nach Oberfläche des Gegenbauteils also regelmäßig zwischen ca. 5 ym bis etwa 20 ym.
Als präkeramisch Polymere können im Rahmen der vorliegenden Erfindung u.a. Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane und Polysilazane verwendet werden. Vorzugsweise ist das Material der Beschichtung eine Si-C-N-0 Präkeramik, welche mit hexago- nalem Bornitrid, abgekürzt als hBN bezeichnet, aufgefüllt ist. Ein Anteil des hBN-Füllers liegt be etwa 50 ~6 , Vorzugs weise zwischen ca. 10% bis etwa 40%. Im Falle der verschlei߬ mindernden Schicht ist ein Bereich von ca. 10% bis etwa 30% angestrebt. Für eine abdichtende Variante der Beschichtung ist ein Bereich θΠ Cä . 5"6 bis 50% vorteilhaft. Die Porosität der Schicht kann in gewissen Grenzen durch die Größe der Bornitrid-Plättchen, als auch einen weiteren Fertigungsprozess in Form z.B. eines Stanz-/Biegeprozesses verändert werden. Diese Einstellung der Porosität der Beschichtung ist notwendig, um insbesondere Adhäsions- bzw. Kohäsionsfehler zu vermeiden. Als weitere oder zusätzliche Füllstoffe kommen MoS, Graphit, C- Nanotubes, Graphen und/oder S13N4 in Betracht. Weiter sind auch SiCO, SiC, SiBCN, SiCN, SiBCNO als Precursor-Systeme bzw. Prä¬ keramiken im Sinne der Erfindung einsetzbar.
Weiter wird die vorstehende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtung der in verschiedenen Ausführungsformen vorstehend angegebenen Art, wobei die Beschichtung in einem Sprühprozess oder unter Anwendung eines Roll-Coat- Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat bzw. mindestens auf ei¬ nen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem erste Teil und dem zweiten Teil aufgebracht wird.
Dabei wird die Beschichtung bei nachfolgender Verwendung als reibvermindernde oder verschleißschützende Schicht an den Be- schichtungsschritt an den Auftrag anschließend pyrolysiert. Durch diese Pyrolyse bzw. Wärmebehandlung erhält die Beschichtung erst ihre eigentliche bestimmungsgemäße Funktionsfähig¬ keit.
Vorzugsweise wird als tragendes Substrat ein Federstahl oder eine Nickelbasislegierung verwendet. Auf diesem tragenden Substrat wird eine Beschichtung während des Ausscheidungshärtens des tragenden Substrats keramisiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elastomerbeschichtungen verbrennt das Polymer innerhalb der Präkeramik jedoch nicht, sondern wandelt sich - zumindest teilweise und beispielsweise zu einem 50% Polymeranteil und 50% keramischer Anteil - in eine Keramik um. Ein nach dem Stand der Technik bekannter Austrag aus der Dichtung wird damit weitgehend unterbunden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung bei Verwendung als abdichtende Schicht ohne den Schritt einer Wärmebehandlung ausgeliefert. In einem noch nicht wärmebehandelten Auslieferungs- und Einbauzustand wird eine bestmögliche Adaption an ein jeweiliges Gegenbauteil, das zweite Teil, ermöglicht. Erst nach Abschluss eines Einbaus mit damit optimaler Anformung der Beschichtung zwischen den Teilen wird die Beschichtung in einem Temperaturbereich über 150 °C fortschreitend ausgehärtet. Alternativ kann auch eine vorge¬ härtete Beschichtung vorgesehen sein, die beim Zusammenbau aufgrund ihrer Härte eine Glättung von Rauigkeiten in einem Kontaktbereich bewirkt und in einem Einsatz insbesondere bei erhöhter Temperatur über die Zeit hin weiter ausgehärtet wird.
Über die vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung hinweg wurde eine nur „einseitige" Beschichtung eines Dichtungspartners beschrieben. Vor dem Hintergrund einer hohen Fertigungsflexibilität bei geringen Herstellungskosten wird die Verwendung einer separaten Dichtungs-Zwischenlage bevorzugt. Dementsprechend ist in einer besonderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Beschichtung beidseitig auf eine Dichtungslage in Form eines metallischen Trägers auf¬ getragen ist. Dabei ist der metallische Träger insbesondere in Form eines Blechs ausgeführt. Eine Auswahl bezüglich der Be¬ schichtung sowie der Mächtigkeit der jeweiligen Beschichtung kann weiterhin entsprechend der vorstehenden Beschreibung ausgewählt werden.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeich¬ nung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung :
Figur 1: eine Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform einer Dichtung in einer nicht weiter dargestellten Einbausituation ; Figur 2: eine Schnittdarstellung durch einen mit einer Beschichtung versehenen ersten Teil;
Figur 3: eine Schnittdarstellung durch einen zweiten Teil mit geringer Oberflächengüte vor einem Zusammenbau der Dichtung;
Figur 4: Schnittdarstellungen durch einen ersten sowie einen zweiten Teil und einen mit Beschichtungen versehenen Träger analog der Darstellung der Figuren 2 und 3;
Figur 5: eine Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß Figur 4 in einem zusammengebauten Zustand;
Figur 6: eine Draufsicht auf eine Dichtungslage an einer Ver¬ brennungskraftmaschine ;
Figur 7: eine Seitenansicht der Dichtungslage von Figur 6 in einer Einbausituation;
Figur 8: eine Draufsicht auf eine Dichtungslage für einen
Flansch in einer Abgasleitung und
Figur 9: ein vergrößerter Ausschnitt aus der Schnittdarstel¬ lung der Dichtungslage von Figur 8 in einer Einbausi¬ tuation .
Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet .
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform einer Dichtung 1 in einem fertig zusammengebauten Zustand. Hier ist ein erster Teil 2, der mit mindestens einer Beschichtung 3 versehen ist, über die Beschichtung 3 mit einem zweiten Teil 4 abdichtend verbunden. In einer dargestellten Einbaulage ist in einem Kontaktbereich ein Kontakt zwischen dem erste Teil 2 und dem zweiten Teil 4 durch die plastische Verformbarkeit der Beschichtung 3 dadurch maximal intensiviert worden, dass die Beschichtung 3 aus einem präkeramischen Polymer besteht.
Vor einem Zusammenbau ist die Beschichtung 3 auf einer Oberfläche 5 des ersten Teils 2 aufgetragen worden, wie in Figur 2 dargestellt. Diese Oberfläche 5 weist hier eine sehr hohe Oberflächengüte und damit eine geringe Rauigkeit bzw. Rautiefe x auf. Im Vergleich hierzu ist eine Oberfläche 6 des zweiten Teils 4 mit einer deutlich geringeren Oberflächengüte skizziert, um einen entsprechenden Unterschied zu verdeutlichen. Hier ist in Figur 3 also eine Rautiefe y angedeutet worden, die eine hohe Dichtigkeit grundsätzlich nicht zulassen würde. Aufgrund der plastischen Verformbarkeit der Beschichtung 3 wird jedoch nach einem Zusammenbau in einer Einsatzsituation eine sehr gute Dichtigkeit auch ohne zuvor durchgeführte Ober¬ flächenbehandlung der Oberfläche 6 des ersten Teils 4 erzielt.
Analog der Darstellungen der Figuren 2 und 3 zeigt Figur 4 eine Schnittdarstellung durch einen ersten Teil 2 sowie einen zweiten Teil 4 einer Flanschverbindung mit einer zwischen nur angedeuteten Flanschen angeordneten Dichtungslage 7 in Form eines beidseitig mit Beschichtungen 3a, 3b versehenen Trägers 8. Die Oberflächen dieses Trägers 8, der im vorliegenden Fall als Metallblech ausgeführt ist, weisen eine hohe Oberflächengüte auf, sodass hier auf eine Einzeichnung von Rautiefen verzichtet worden ist. Beide Oberflächen sind mit jeweiligen BeSchichtungen 3a, 3b aus einem präkeramischen Polymer versehen.
Mit dem Zusammenbau und dem Verspannen entlang der nur durch strich-punktierte Linien dargestellten Verschraubungen tritt nun beidseits des Trägers 7, der zuvor mit Bezugnahme auf die Abbildung von Figur 1 beschrieben wurde, ein Effekt auf, wonach das Material der Beschichtungen 3a, 3b nun die Rauigkei- ten der zugeordneten Oberflächen 5, 6 abdichtend ausfüllen. Es ergibt sich damit ein wesentlich verbesserter Dichtungsverbund. Diese Dichtung ist aufgrund der gewählten Materialien auch in einem höheren Betriebstemperaturbereich dauerhaft zuverlässig einsetzbar. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen von ca. 1.000°C bis 1.200 °C vollzieht sich eine Umwandlung der Beschichtungen 3a, 3b aus einem präkeramischen Polymer hin zu polymer-abgeleiteten Keramiken, englisch als. polymer- derived ceramic, kurz PDC bezeichnet. Die vorstehend beschrie¬ bene formtreue Verbindung der Beschichtungen 3a, 3b zum Träger 7 bleibt dabei erhalten. Dieser Punkt ist insbesondere im Un¬ terschied von PDC zu üblichen Schrumpfungsraten von ca. 10% und mehr bei der Verarbeitung sog. grüner Keramik besonders zu betonen .
Vorstehend sind vor allen Dingen präkeramische Polymere als weiche Schichten verwendet worden, da sie sich sehr gut einem jeweiligen Gegenbauteil anpassen können, um Unebenheiten durch plastische Verformungen auszugleichen bzw. auszufüllen. Ferner besteht die Möglichkeit eines Einsatzes bereits gehärteter o- der zumindest vorgehärteter oder teilvernetzter präkeramischer Beschichtungen. Hier besteht die Möglichkeit, dass im Zuge ei¬ nes Zusammenbaus Unebenheiten des Gegenbauteils durch eine präkeramische Beschichtung glattgedrückt bzw. eingeebnet wer¬ den können. Auch hiermit würde ein Ausgleich von Unebenheiten unter Vermittlung der präkeramischen Beschichtung erfolgen können. Harte Schichten sind jedoch sehr spröde, wohingegen weiche Beschichtungen beim Aushärten noch schrumpfen. Es bleibt also dem jeweiligen Anwendungsfall vorbehalten, zu wel¬ cher Art der Beschichtung jeweils gegriffen wird, um ein optimales und langlebiges Dichtungskonzept zu realisieren.
Mit Blick auf den Bereich des Einsatzes von Dichtungen unter Reibverschleiß werden die folgenden Ausführungsbeispiele be¬ schrieben: Figur 6 zeigt eine Skizze der Draufsicht auf eine Dichtungslage an einer Verbrennungskraftmaschine. Bei einer bekannten Werkstoffauswahlkombination, beispielsweise Zylinderkopf 2 in Aluminium, Dichtungslage 7 in Federstahl und Krümmer 4 als Gussbauteil mit angeschlossener Abgasleitung A, treffen sehr unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten, als auch unterschiedliche Temperaturen der Bauteile un¬ mittelbar aufeinander. Neben den vorstehend beschriebenen Unterschieden in der Materialauswahl wird ein Zylinderkopf regelmäßig gekühlt, wobei nachfolgend keine Kühlung der Bauteile mehr vorgesehen ist. Es treten damit Bewegungen zwischen dem Zylinderkopf und dem Krümmer auf, welche von der Dichtung auf¬ genommen bzw. abgefangen werden müssen. Hierzu sind in der Praxis Bewegungen von bis zu 5 mm festgestellt worden. Bedingt durch die hohen Einspannkräfte durch die in Figur 7 angedeute¬ ten Zugbolzen und Verschraubungen durch Ausnehmungen 9 der Dichtungslage mit zusätzlichen Öffnungen 10 als Ausnehmungen für Brennkammern hindurch wirken auf die Dichtungslage 7 entsprechend hohe Reibungskräfte verschleißend ein. Hierzu veran¬ schaulicht die Abbildung von Figur 7 als Seitenansicht der Dichtungslage 7 von Figur 6 in einer Einbausituation nochmals die einzelnen Schichten mit jeweils unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen. Zur Verschleißminderung wird hier eine Dichtungslage 7 mit nicht weiter zeichnerisch dargestell¬ ten Beschichtungen 3 an beiden Oberflächen eines Trägers 8 in Form eines Metallblechs vorgesehen. Die präkeramische Be¬ Schichtungen 3 dienen dabei einer Abriebminderung.
Neben unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten können Verschleißerscheinungen in Bereichen von Dichtungen 1 auch aufgrund von System-Dynamiken auftreten. Hierzu zeigt die Skizze von Figur 8 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Dichtungslage 7 für einen Flansch in einer Abgasleitung A einer Verbrennungskraftmaschine. Der durch die Zylinder ge¬ taktete Auslass von Abgasen versetzt ein Gesamtsystem mecha- nisch in Schwingungen, sodass sich die jeweiligen Gegenbauteile auch im Bereich einer Flanschverbindung relativ zueinander bewegen. Die in diesen Bereichen verwendeten Dichtungslagen weisen bekanntermaßen kreisförmig um eine Ausnehmung für einen Gaskanal 11 herum geschlossene Sicken 12 auf. Anhand der ver¬ größerten Darstellung eines Ausschnitts einer Sicken- Dichtungslage in einer Einbausituation gemäß Figur 9 wird deutlich, dass im Wesentlichen die mit strich-punktierte Linie um¬ schlossenen Bereiche der Sicke 12 durch ihre Anlage an den je¬ weiligen Flanschen 2, 4 im Zuge deren Relativbewegung stark durch Verschleiß belastet werden. Hier wird ein weiteres Mal eine verschleißmindernde Beschichtung einer Dichtungslage 8 mit oberflächlich aufgetragener präkeramischer Beschichtung 3a, 3b vorteilhaft als Verschleißminderung verwendet. Damit wird eine Standzeit einer Sickendichtung auch im hochtempe¬ rierten Einsatzfeld einer Abgasleitung mit zusätzlicher mechanischer Schwingungsbelastung deutlich verlängert.
Im Falle einer Verwendung der Beschichtung 3 als abdichtende Schicht ist ein Einsatz auf bzw. an allen Bauteilen denkbar. Sinnvoll ist dies bereits ab einem Einsatz-Temperaturbereich über 150 °C. In darunterliegenden Betriebstemperaturbereichen sind andere Systeme bei geringeren Kosten verfügbar und erfül¬ len das technische Anforderungsprofil ebenso.
Für die reibmindernde bzw. verschleißschützende Variante der Beschichtung 3 bietet sich ein Einsatz in allen Dichtungen 1 mit Relativbewegung an. Ein besonderes Ausführungsbeispiel bietet sich hier bei Federstählen oder Nickelbasislegierungen als tragendem Substrat an, da hierbei die aufgetragene Be¬ schichtung während des Ausscheidungshärtens des Substrats zu¬ gleich keramisiert werden kann. Bezugszeichenliste
1 Dichtung
2 erster Teil
3 Beschichtung
3a, 3b Beschichtung (beidseitig)
4 zweiter Teil
5 Oberfläche des ersten Teils 2
6 Oberfläche des zweiten Teils 4
7 Dichtungslage mit Beschichtungen an beiden Oberflächen
8 Träger / Metallblech
9 Ausnehmung in der Dichtungslage 7 für Zugbolzen oder Verschraubung
10 Ausnehmung in der Dichtungslage 7 (Brennkammer)
11 Gaskanal
12 Sicke, radial geschlossen
A Abgasleitung
d Schichtdicke
Δ1 jeweilige thermische Längenausdehnung der Bauteile x Rautiefe / Unebenheiten des ersten Teils 2
y Rautiefe / Unebenheiten des zweiten Teils 4

Claims

Ansprüche
1. Dichtung (1), bei der mindestens ein erster Teil (2) mit mindestens einer Beschichtung (3) versehen ist, über die der erste Teil (2) mit einem zweiten Teil (4) in einer Einbaulage in Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (3) in einem Kontaktbereich zwischen dem erste Teil (2) und dem zweiten Teil (4) aus einem präkera¬ mischen Polymer besteht.
2. Dichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d) der Beschichtung (3) aus dem präkeramischen Polymer, die als reibvermindernde Beschichtung (3) ausgebildet ist, zwischen ca. 5 ym bis etwa 35 ym beträgt, vorzugsweise zwischen ca. 10 ym bis et¬ wa 20 ym.
3. Dichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d) der Beschichtung (3) aus dem präkera¬ mischen Polymer, die als dichtungsverbessernde Beschich¬ tung (3) ausgebildet ist, zwischen ca. 5 ym bis etwa 35 ym beträgt, vorzugsweise ist die Beschichtung (3) aber nur so dick aufgebracht, sodass die Beschichtung (3) gerade die Unebenheiten (x, y) der Oberfläche (5, 6) mindestens des unbeschichteten Bauteils (4) ausgleicht und damit zwischen ca. 5 ym bis etwa 20 ym liegt.
4. Dichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (3) eine Si-C-N-0 Präkeramik ist, welche mit hexagonalem Bornitrid (hBN) aufgefüllt ist, wobei ein Anteil des Fül¬ lers be etwa 50% liegt, vorzugsweise zwischen ca. 10% bis etwa 40%.
5. Dichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) beidsei¬ tig auf eine Dichtungslage (7) in Form eines metallischen Trägers aufgetragen ist, insbesondere in Form eines Blechs.
6. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein erster Teil (2) mit mindestens einer Beschichtung (3) versehen wird, wobei der erste Teil (2) in einer Einbaulage über die Beschichtung (3) mit einem zweiten Teil (4) in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) unter Verwendung eines präkeramischen Polymers in einem Sprühprozess , oder unter Anwendung eines Roll-Coat- Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat bzw. mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem erste Teil (2) und dem zweiten Teil (4) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) bei Verwendung als reibvermindernde oder verschleißschützende Schicht an den Beschichtungsschritt anschließend pyrolysiert wird.
8. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als tragendes Substrat ein Fe¬ derstahl oder eine Nickelbasislegierung verwendet wird, auf dem eine Beschichtung (3) während des Ausscheidungshärtens keramisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) bei Verwendung als abdichtende Schicht oh¬ ne den Schritt einer Wärmebehandlung ausgeliefert und erst nach einem Einbau in einem Temperaturbereich über 150 °C fortschreitend ausgehärtet, oder eine vorgehärtete Be- schichtung (3) im Einsatz weiter ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3, 3a, 3b) beidseitig auf eine Dichtungslage (7) in Form eines metal lischen Trägers (8) aufgetragen wird.
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