DE602005003278T2

DE602005003278T2 - Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE602005003278T2
Application number: DE602005003278T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Murakami; Kenji Kiryu; Koji Kametaka
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: KR20060053093A; JP2006057725A; DE602005003278D1; EP1630463B1; US20060038353A1; EP1630463A1; KR101275873B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mechanischen Dichtungseinrichtung für eine in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen montierte Wasserpumpe oder eine andere Pumpe für den allgemeinen Gebrauch; insbesondere bezieht sie sich auf eine mechanische Dichtungseinrichtung mit überlegener Haltbarkeit und überlegenen Trockenlaufeigenschaften, bei der Festfressen oder Verschleiß eines Gleitdichtungselements vermieden werden und kreischende Geräusche während der Gleitbewegung wirksam unterdrückt werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als Dichtringe für mechanische Dichtungen und dergleichen zur Abdichtung in Fluiden sind im allgemeinen Gleitelemente aus Kohlenstoff weithin in Gebrauch. Diese Gleitelemente aus Kohlenstoff haben neben der Feststoffschmierfähigkeit geeignete Relief-Formen auf den Gleitflächen, so daß sie einen Flüssigkeitsfilm halten können, der durch das abgedichtete Fluid mit der Gleitdichtfläche des Gleitdichtungselements gebildet wird, und deshalb ausgezeichnete Schmierungseigenschaften aufweisen können.
Wenn jedoch eine mechanische Dichtung unter Bedingungen eingesetzt wird, in denen große Mengen an Verunreinigungen vorhanden sind, so wird das Gleitelement aus Kohlenstoff durch die Verunreinigungen an seiner Oberfläche aufgeraut und verschlissen, wodurch die Dichtfunktion beeinträchtigt wird und es in einigen Fällen zu einer Leckage des abgedichteten Fluids kommt. Wenn ein Fluid mit einer hohen Konzentration an Silikat abgedichtet wird, wird außerdem schließlich das Silikat ausfällen und sich zwischen den Gleitflächen ablagern und in ähnlicher Weise die Dichtfunktion beeinträchtigen und in manchen Fällen zur Leckage führen.
Um diese Probleme zu überwinden, wird manchmal eine mechanische Dichtung benutzt, bei der anstelle von Gleitelementen aus Kohlenstoff ein hartes Material wie etwa Siliziumkarbid als Material mit hoher Härte und hoher Festigkeit eingesetzt wird und dies mit einem daran gleitenden Material kombiniert wird, das aus einem harten Material wie etwa Siliziumkarbid besteht, in dem sich Poren befinden. Eine solche mechanische Dichtung hat jedoch die folgenden Probleme.
Zunächst ist Siliziumkarbid zwar sehr hart und hat überlegene Verschleißfestigkeit, doch hat es nur schlechte Selbstschmierungseigenschaften. Wenn Elemente aus Siliziumkarbid miteinander kombiniert werden und unter Bedingungen hoher Last aneinander reiben, so werden die Gleitflächen umgehend zu Spiegelflächen poliert. Wenn die Gleitbewegung endet und der Schmierfilm zwischen den Gleitflächen abreißt, kommt es deshalb zu einer Haftung an den blank polierten Gleitdichtflächen, und beim Beginn einer Gleitbewegung wird der Reibungskoeffizient unnormal ansteigen, und es wird manchmal zu einem Festfressen kommen. Außerdem hat dieses Karbid schlechte Selbstschmierungseigenschaften, so daß die Gleitflächen auch beim Gleiten zum Haften neigen und ein Stick-Slip-Effekt auftritt und während der Gleitbewegung kreischende Geräusche verursacht werden. Aufgrund dieses Kreischens werden die Gleitflächen zu einer Vibrationsquelle und verursachen schließlich eine Vibration der Pumpe als Ganzes. Außerdem kann das fortgesetzte Kreischen zu unnormaler Abnutzung führen.
Weiterhin ist es möglich, in einem Substrat aus Siliziumkarbid fein verteilte Poren anzubringen, damit die abgedichtete Flüssigkeit dazu veranlaßt wird, in die Gleitfläche einzudringen und während der Gleitbewegung einen Flüssigkeitsspeichereffekt oder einen hydrodynamischen Effekt zu erzeugen und dadurch das abnormale Gleitdrehmoment oder Festfressen zu verhindern (siehe z. B. die japanische Patentveröffentlichung (B) Nr. 5-69066 ). Wenn jedoch aus irgendeinem Grund auch nur für kurze Zeit ein Zustand auftritt, in dem keine Flüssigkeit in der Nähe der Gleitflächen vorhanden ist, oder zur Zeit des Anlaufens oder Anhaltens, wenn nicht erwartet werden kann, daß die sich relativ zueinander bewegenden Gleitflächen einen Flüssigkeitsschmierungseffekt zeigen, so geraten die Gleitflächen schließlich in Festkörperkontakt, und es tritt ein ähnlicher Zustand auf wie oben.
Wenn ein solcher Festkörperkontakt auftritt, so wird schnell Reibungshitze erzeugt, und die Gummipackung und andere sekundäre Dichtungselemente werden durch die Hitze beschädigt, und die Abdichtungsfunktion kann nicht stabil aufrechterhalten werden, die in der abgedichteten Flüs sigkeit gelösten Substanzen werden ausfällen und sich zwischen den Gleitflächen ablagern, und die Abdichtfunktion läßt sich in einigen Fällen nicht stabil aufrechterhalten.
Dichtungsvorrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 werden beschrieben in US-A-5 707 065 , US2002/074744 A1 und US2002/ 074728 A1 .
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht und hat das Ziel, eine mechanische Dichtungseinrichtung bereitzustellen, die eine überlegene Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Trockenfressen aufweist und Fressen oder Verschleiß der Gleitdichtelemente verhindert und das Auftreten von kreischenden Geräuschen während der Gleitbewegung wirksam unterdrückt.
Die Erfinder haben entdeckt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß als ein Gleitdichtelement ein Element verwendet wird, das Siliziumkarbid als Substrat aufweist und Kohlenstoff enthält, und als das andere (Gegen-)Gleitdichtelement ein poröses Gleitdichtelement verwendet wird, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält, und verwirklichten dadurch die vorliegende Erfindung.
Die mechanische Dichtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine mechanische Dichtungseinrichtung zum Abdichten eines Fluids durch Anlage eines ersten Gleitdichtungselements an einem zweiten Gleitdichtungselement, wobei das erste Gleitdichtungselement ein Gleitdichtungselement ist, das Siliziumkarbid als Substrat aufweist und Kohlenstoff enthält, und das zweite Gleitdichtungselement ein Gleitdichtungselement ist, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält und unabhängig darin dispergierte Poren in einer Größe von 5 bis 200 μm aufweist.
Dadurch, daß gemäß der Erfindung als das erste Gleitdichtungselement ein Dichtungselement verwendet wird, das aus einem Substrat aus Siliziumkarbid besteht (gewöhnliches, Si enthaltendes druckgesintertes SiC), dem Kohlenstoff zugesetzt ist, wird es möglich, die Selbstschmierungseigenschaften zu verbessern und das Auftreten von Kreischen während der Gleitbe wegung zu verhindern. Aufgrund der verbesserten Selbstschmierungsfähigkeit ist es möglich, das Fressen der Gleitdichtungselemente und das Kreischen während der Gleitbewegung wirksam zu verhindern, während dies bei Gleitdichtungselementen, die nur Siliziumkarbid enthielten, ein Problem war.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung als das erste Gleitdichtungselement ein Element eingesetzt wird, das ein Substrat aus Siliziumkarbid aufweist, dem Kohlenstoff zugesetzt ist, und als das andere Gleitdichtungselement (das zweite Gleitdichtungselement) wird ein poröses Dichtungselement verwendet, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält. Aus diesem Grund ist es möglich, eine verbesserte Selbstschmierung zu erreichen und das Kreischen zu unterdrücken und die Dauerhaftigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Eines der ersten und zweiten Gleitdichtungselemente sollte ein rotierendes Element sein, während das andere ein stationäres Element ist. Zum Beispiel kann das erste Gleitdichtungselement ein rotierendes Element sein, während das zweite Gleitdichtungselement ein stationäres Element ist, oder umgekehrt.
Der Kohlenstoff ist in dem ersten Gleitdichtungselement in einer Form enthalten, in der er in dem Substrat aus Siliziumkarbid dispergiert ist. Durch wirksame Dispersion des Kohlenstoffs in dem ersten Gleitdichtungselement kann der Effekt der Zugabe von Kohlenstoff weiter gesteigert werden.
Bevorzugt hat das erste Gleitdichtungselement einen Flächenanteil an Kohlenstoff von vorzugsweise 0,4 bis 80%, noch besser 1–10%, und einen Kohlenstoffgehalt von vorzugsweise 0,1–30 Gew.%, noch bevorzugter 0,2–5 Gew.% (bezogen auf das erste Gleitdichtungselement als Ganzes).
Wenn das Flächenverhältnis für den Gehalt an Kohlenstoff in dem oben genannten Bereich liegt, läßt sich die Verbesserung der Selbstschmierungseigenschaften durch Zugabe von Kohlenstoff erreichen, ohne daß die Vorteile des Siliziumkarbids dadurch beeinträchtigt werden. In der vorliegenden Erfindung bedeutet "Flächenverhältnis des Kohlenstoffs" das Verhältnis der Anwesenheit des Kohlenstoffzusatzes an der Oberfläche oder irgendeiner Querschnittsfläche des Gleitdichtungselements, ausgedrückt als ein Flächenverhältnis.
Der Kohlenstoff ist nicht besonders beschränkt, doch können z. B. genannt werden: Graphit (natürliche oder künstliche Graphite) und andere graphitische Kohlenstoffe, Ruß oder Phenolharz, Epoxidharz, etc, karburiert, um Aktivkohleharz, Aktivkohle und andere kohlenstoffhaltige Materialien und dergleichen zu bilden. Die Verwendung eines oder mehrerer dieser Materialien ist bevorzugt. Insbesondere wird in der vorliegenden Erfindung in geeigneter Weise Graphit (künstliches oder natürliches Graphit) und anderer graphitartiger Kohlenstoff eingesetzt. Diese Materialien sind als Hauptbestandteil bevorzugt.
Zur Aufrechterhaltung der Festigkeit als ein Gleitmaterial hat das erste Gleitdichtungselement vorzugsweise eine Vickers-Härte von 300 bis 3000, weiter bevorzugt 600 oder mehr. Weiterhin hat gemäß der vorliegenden Erfindung das erste Gleitdichtungselement eine scheinbare spezifische Dichte von vorzugsweise 2,0 bis 3,2.
Die Gestalt der in dem zweiten Gleitdichtungselement enthaltenen Poren ist vorzugsweise sphärisch. Die mittlere Porengröße beträgt vorzugsweise 10 bis 70 μm und die Porosität liegt vorzugsweise bei 3 bis 20 Vol.%, besonders bevorzugt bei 4 bis 8 Vol.%.
Durch Einstellung der in dem zweiten Gleitdichtungselement enthaltenen Poren auf den oben genannten Bereich ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, die Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit zu verbessern und Schmierfähigkeit zu erreichen. Das "Porenflächenverhältnis" bedeutet das Verhältnis des Vorhandenseins von Poren an der Oberfläche oder irgendeiner Querschmittsfläche des Gleitdichtungselements, ausgedrückt als ein Flächenverhältnis.
Vorzugsweise hat das zweite Gleitdichtungselement eine Vickers-Härte von vorzugsweise 2000 bis 3000, besonders bevorzugt 2200 oder mehr, damit die Festigkeit als Gleitmaterial erhalten bleibt. Außerdem hat in der vorliegenden Erfindung das zweite Gleitdichtungselement eine scheinbare spezifische Dichte von vorzugsweise 2,7 bis 3,2.
Die Anwendungsmöglichkeiten der mechanischen Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht besonders beschränkt; z. B. kann sie für eine Wasserpumpe und dergleichen benutzt werden, die in einem Kraft fahrzeug und dergleichen montiert ist. Außerdem ist bei der mechanischen Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das abgedichtete Fluid nicht besonders beschränkt. Zweckmäßig ist z. B. die Verwendung von Wasser, einem Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Ethylenglykol, das als "LLC" (long life coolant) bekannt ist, oder irgendeinem Fluid auf Wasserbasis. Wenn Wasser als abgedichtetes Fluid verwendet wird, treten normalerweise besonders häufig kreischende Geräusche während der Gleitbewegung auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch selbst bei Verwendung von Wasser das Auftreten von Kreischgeräuschen wirksam unterdrückt werden.
Indem als als Gleitelement ein Gleitdichtungselement verwendet wird, das Siliziumkarbid als Substrat aufweist und Kohlenstoff enthält, und als anderes (Gegen-)Gleitdichtungselement ein poröses Gleitdichtungselement verwendet wird, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine mechanische Dichtungseinrichtung zu schaffen, die überlegene Haltbarkeits- und Trockenlaufeigenschaften aufweist, Fressen oder Verschleiß des Gleitdichtungselements vermeidet und das Auftreten von kreischenden Geräuschen bei der Gleitbewegung wirksam unterdrückt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Schnitt durch eine mechanische Dichtungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 eine Graphik zur Erläuterung eines Kreischtests für die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1 gezeigt wird, ist die mechanische Dichtungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zwischen einem Dichtungsgehäuse 20 und einer Welle 22 angeordnet. Diese mechanische Dichtungseinrichtung 1 umfaßt einen stationären Ring, der durch einen Dichtring 2 gebildet wird, und einen rotierenden Ring, der durch einen Gegenring 4 gebildet wird, und diese liegen mit ihren Gleitflächen 2a und 4a aneinander an. Diese Gleitflächen haben die Funktion von Dichtungsflächen und rotierenden Be rührungsflächen. Der Dichtring 2 ist durch eine Kartusche 6 am Dichtungsgehäuse 20 gehalten. Der Gegenring 4 ist durch ein Tragelement 18 auf der Welle 22 gehalten.
Der durch den Dichtring 2 gebildete stationäre Ring wird dadurch mit seiner Gleitfläche 2a gegen die Gleitfläche 4a des Gegenrings 4 angedrückt, daß er über einen Balg 8 durch die Elastizität einer Feder 10 beaufschlagt wird. Der Balg 8 wird durch erste und zweite Halter 12 und 14 fest in Position gehalten. Die Feder 10 ist zwischen dem ersten Halter 12 und der Kartusche 6 gehalten.
Andererseits wird der durch den Gegenring 4 gebildete rotierende Ring mit seiner Gleitfläche 4a gegen die Gleitfläche 2a des Dichtrings 2 angedrückt, und der ist durch die Packung 6 an dem Tragelement 18 gehalten und kann sich deshalb frei mit der Welle 22 drehen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird als Dichtring 2 ein Gleitdichtungselement verwendet, das Siliziumkarbid als ein Substrat aufweist, und als Gegenring 4 wird ein poröses Gleitdichtungselement verwendet, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält. Der Dichtring 2 und der Gegenring 4 werden nachstehend beschrieben werden.
Dichtring 2
Der Dichtring 2 besteht aus einem Gleitdichtungselement, das Siliziumkarbid als ein Substrat aufweist und Kohlenstoff in einen in dem Siliziumkarbid dispergierten Zustand enthält. Der Dichtring 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem Gleitdichtungselement aus Siliziumkarbidkristallen, in dem Kohlenstoff dispergiert ist.
Der in den Siliziumkarbidkristallen dispergierte Kohlenstoff ist nicht besonders beschränkt. Als Beispiel können genannt werden: Graphit (künstliches oder natürliches Graphit) und andere graphitartige Kohlenstoffe, Ruß, Phenolharz, Epoxidharz etc., karburiert, um Aktivkohleharz, Aktivkohle oder andere kohlenstoffhaltige Materialien zu bilden. Diese werden vorzugsweise allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr Typen eingesetzt. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die Verwendung von Gra phit (künstlichem oder natürlichem Graphit) und anderen graphitartigen Kohlenstoffen als Hauptbestandteil bevorzugt.
Der Dichtring 2 enthält den Kohlenstoff mit einem Flächenverhältnis von vorzugsweise 0,4 bis 80%, besonders bevorzugt 1 bis 10%. Weiterhin ist der Kohlenstoff in bezug auf den Dichtring 2 als Ganzes in einer Menge von vorzugsweise 0,1 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 0,2 bis 5 Gew.% enthalten.
Mit den obigen Werten für das Flächenverhältnis oder den Kohlenstoffgehalt kann durch die Zugabe von Kohlenstoff eine Verbesserung der Selbstschmierungseigenschaften erreicht werden, ohne daß sich Abstriche bei den Vorteilen ergeben, die das Siliziumkarbid bietet. Wenn das Flächenverhältnis oder Kohlenstoffgehalt zu gering ist, so wird der Effekt der Zugabe des Kohlenstoffs nicht spürbar, und die Selbstschmierung wird unzureichend, die Trockenlaufeigenschaften werden schlechter und es kommt leichter zu einem Fressen. Wenn sie andererseits zu groß sind, so tritt erhöhter Verschleiß auf, und die Haltbarkeit nimmt tendenziell ab.
Dadurch, daß in der vorliegenden Ausführungsform die Menge an Kohlenstoff in dem genannten Bereich gehalten wird, läßt sich eine Vickers-Härte des Dichtungsrings 2 von vorzugsweise 300 bis 3000, besonders bevorzugt 600 oder mehr erreichen, und die scheinbare spezifische Dichte des Dichtrings 2 kann vorzugsweise im Bereich von 2,0 bis 3,2 gewählt werden. Wenn der Dichtring 2 eine zu geringe Vickers-Härte hat, so wird der Verschleiß beträchtlich, und im Ergebnis nimmt die Haltbarkeit ab. Außerdem läßt sich das Gewicht der Dichtung selbst nicht so weit verringern, wenn die spezifische Dichte zu hoch ist.
Das Verfahren zur Herstellung des Dichtrings 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann für die Herstellung das folgende Verfahren angewandt werden. Zunächst werden Siliziumkarbid-Kristallpulver, Kohlenstoffpulver, verschiedene Bindemittelharze und, je nach Bedarf, eine Sinterhilfe mit einem wasserlöslichem Lösungsmittel und dergleichen gemischt, etwa in einer Kugelmühle oder dergleichen. Als nächstes wird das erhaltene Gemisch mit einem Sprühtrockner oder dergleichen granuliert, und die erhaltenen Granula werden in eine gewünsch te Form gebracht. Der so erhaltene geformte Artikel wird dann gebrannt, um den Dichtring 2 zu erzeugen.
Gegenring 4
Der Gegenring 4 besteht aus einem Gleitdichtungselement, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält und unabhängig darin dispergierte Poren mit einer Größe von 5 bis 200 μm aufweist.
Die Poren haben vorzugsweise eine mittlere Größe von 10 bis 70 μm. Wenn die mittlere Größe der Poren zu gering oder zu groß ist, so nimmt der Effekt der Poren tendenziell ab.
Die Porosität beträgt vorzugsweise 3 bis 20 Vol.%, besonders bevorzugt 4 bis 8 Vol.%. Wenn das Porenverhältnis zu klein ist, haben die Poren nicht den nötigen Effekt, und wenn es zu groß ist, nehmen die Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit ab.
Durch Einstellung der oben genannten Wertebereiche für die in dem Siliziumkarbid gebildeten Poren ist es in der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit zu verbessern und für Schmierfähigkeit zu sorgen.
Dadurch, daß die in dem Siliziumkarbid gebildeten Poren in dem Bereich gehalten werden, ist es in der vorliegenden Ausführungsform weiterhin möglich, die Vickers-Härte des Gegenrings 4 vorzugsweise im Bereich von 2000 bis 3000 zu wählen, besonders bevorzugt im Bereich von 2200 oder mehr, und die scheinbare spezifische Dichte des Gegenrings 4 vorzugsweise im Bereich von 2,7 bis 3,2 zu wählen. Wenn die Vickers-Härte des Gegenrings 4 zu klein ist, wird der Verschleiß beträchtlich, und infolgedessen nimmt die Haltbarkeit ab.
Das Verfahren zur Herstellung des Gegenrings 4 ist nicht besonders beschränkt, doch kann z. B. unter anderem das folgende Verfahren genannt werden. Zunächst werden Siliziumkarbid-Kristallpulver und verschiedene Bindemittelharze und, je nach Bedarf, andere Verbindungen zubereitet und in einem Lösungsmittel auf Wasserbasis gemischt. Die gemischte Lösung wird mit einem Sprühtrockner oder dergleichen granuliert, und die Granula werden mit einer vorbestimmten Menge von Harz-Granulaten gemischt, die eine mittlere Korngröße von 40 bis 60 μm oder so haben. Dieses Gemisch wird in eine gewünschte Form gebracht, und der geformte Artikel wird in Vakuum oder einer inerten Atmosphäre gebrannt, um das Bindemittelharz zu karburieren und gleichzeitig die etwa 40 bis 60 μm großen Harz-Granula thermisch aufzubrechen und zu dispergieren, um Poren zu bilden. Danach wird der geformte Artikel bei einer vorbestimmten Temperatur weiter gebrannt, so daß man einen Gegenring 4 aus porösem Siliziumkarbid erhält.
In der vorliegenden Ausführungsform wird als Dichtring 2 ein Gleitdichtungselement verwendet, das aus einem Substrat aus Siliziumkarbid besteht und Kohlenstoff enthält, und deshalb kann die Selbstschmierung der Gleitfläche 2a verbessert werden und das Fressen der Gleitfläche oder das Kreischen während der Gleitbewegung kann wirksam unterdrückt werden. Weiterhin wird in der vorliegenden Ausführungsform nicht nur als Dichtring 2 ein Gleitdichtungselement verwendet, das ein Substrat aus Siliziumkarbid aufweist und Kohlenstoff enthält, sondern es wird auch als Gegenring 4 ein poröses Gleitdichtungselement verwendet, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält. Deshalb wird neben dem Effekt der verbesserten Selbstschmierung auch eine Verbesserung der Haltbarkeit und Verschleißfestigtkeit erreicht.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weisen im Rahmen der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Zum Beispiel wurde in der obigen Ausführungsform als Dichtring 2 ein Gleitelement verwendet, das aus einem Substrat aus Siliziumkarbid bestand und dem Kohlenstoff zugesetzt war, und als Gegenring 4 wurde ein poröses Gleitdichtungselement verwendet, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthielt, doch kann auch eine Umkehrung der Gleitelemente verwendet werden. Das heißt, es ist auch möglich, als Dichtring 2 ein poröses Gleitelement zu verwenden, das Siliziumkarbid als Hauptbestandteil enthält, und als Gegenring 4 ein Gleitelement zu verwenden, das aus einem Substrat aus Siliziumkarbid besteht, dem Kohlenstoff zugesetzt ist.
Beispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, doch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
In Beispiel 1 werden als Dichtring 2 ein Gleitelement mit einem Substrat aus Siliziumkarbid, in dem Kohlenstoff dispergiert ist, und als Gegenring 4 ein Gleitelement aus Siliziumkarbid mit unabhängig darin dispergierten Poren verwendet, um die mechanische Dichtung 1 herzustellen, wie sie in 1 gezeigt ist.
Zunächst wird zur Herstellung eines Dichtrings 2 aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit eine Zubereitung hergestellt, mit 92,5 Gew.% Siliziumkarbid-Kristallpulver des Typs α mit einer mittleren Korngröße von 0,7 μm, 4 Gew.% Graphit, 2 Gew.% eines durch ein Phenolharz gebildeten Form-Bindemittels und 0,5 Gew.% einer durch Borkarbid-Pulver gebildeten Sinterhilfe. Als nächstes wurde Wasser zugegeben, und das Resultat wurde in einer Kugelmühle gemischt, dann wurde ein Sprühtrockner zum Sprühtrocknen verwendet, um Granula herzustellen. Diese wurden bei einem Form-Flächendruck von 1000 kg/cm² kalt gepreßt, um sie in die Form des in 1 gezeigten Dichtrings zu bringen. Weiterhin wurde der geformte Artikel 12 Stunden lang einer Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre bei 800°C unterzogen und schließlich bei 2140°C eine Stunde lang gesintert, um einen Dichtring 2 zu bilden, der aus einem Gleitelement mit einem Substrat aus Siliziumkarbid und darin dispergiertem Graphit bestand.
Als nächstes wurden die Vickers-Härte, die scheinbare spezifische Dichte und das Kohlenstoff-Flächenverhältnis (Kohlenstoffdispersionsgrad) des erhaltenen Dichtrings 2 gemessen. Die Meßresultate waren eine Vickers-Härte von 2350, eine spezifische Dichte von 3,15 und ein Kohlenstoff-Flächenverhältnis von 1%.
Als nächstes wurde als Gegenring 4, der als Gegengleitelement dient, ein poröser Gegenring 4 hergestellt, der eine dichte Struktur hatte und ein bei normaler Temperatur gesintertes Siliziumkarbid-Substrat aufwies. Der Gegenring 4 aus Siliziumkarbid hatte ein Vickers-Härte von 2550, eine Dichte von 3,04, eine mittlere Porengröße von 65 μm und ein Poren-Flächenverhältnis von 4%.
Vergleichsbeispiel 1
Abgesehen von der Verwendung eines Gleitelements aus weichem Kohlenstoff als Dichtring 2 wurde die gleiche Prozedur ausgeführt wie in Beispiel 1, um die in 1 gezeigte mechanische Dichtung 1 herzustellen. Im Vergleichsbeispiel 1 umfaßt die mechanische Dichtung 1 demgemäß einen Dichtring 2 aus weichem Kohlenstoff und einen Gegenring 4 aus Siliziumkarbid.
Der Dichtring 2 aus weichem Kohlenstoff hatte eine Vickers-Härte von 90 und eine Dichte 1,60.
Vergleichsbeispiel 2
Abgesehen von der Verwendung eines Gleitelements aus Siliziumkarbid mit unabhängig darin dispergierten Poren als Dichtring 2 wurde die gleiche Prozedur wie in Beispiels 1 angewandt, um die in 1 gezeigte mechanische Dichtung herzustellen. Im Vergleichsbeispiel 2 wurde somit eine mechanische Dichtung 1 hergestellt, die einen Dichtring 2 aus Siliziumkarbid und einen Gegenring aus Siliziumkarbid hatte.
Vergleichsbeispiel 3
Abgesehen von der Verwendung eines Gleitelements mit einem Substrat aus Siliziumkarbid und darin dispergiertem Graphit als Gegenring 4 wurde die gleiche Prozedur wie in Beispiel 1 angewandt, um die in 1 gezeigte mechanische Dichtung 1 herzustellen. In Vergleichsbeispiel 3 wurde somit eine mechanische Dichtung 1 hergestellt, die einen Dichtring 2 aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit und einen Gegenring 4 aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit aufwies.
Bewertung der mechanischen Dichtung
Die mechanischen Dichtungen nach Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden Tests unterzogen, um die Widerstandsfähigkeit gegen die Ablagerung von Silikat, die Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen, die Neigung zu Kreischgeräuschen und die Trockenlauffestigkeit festzustellen.
Test der Widerstandsfähigkeit gegen Silikatablagerungen
Der Test der Widerstandsfähigkeit gegen Silikatablagerungen ist ein Test zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen das Phänomen der Ausfällung und Ablagerung von Ca, P, Si und anderen gelösten Bestandteilen, die einem LLC (Kühlwasser) zur Vermeidung der Rostbildung zugesetzt werden. Wenn die gelösten Bestandteile schließlich ausgefällt und auf dem Dichtring oder dem Gegenring abgelagert werden, so wird jeder Ring verschlissen, und schließlich tritt ein Leckage der Kühlflüssigkeit auf.

Der Test auf Widerstandsfähigkeit gegen Silikatablagerungen wurde mit einer Testvorrichtung ausgeführt, bei der als abgedichtete Flüssigkeit eine 50%-ige wässrige Lösung einer LLC Kühlflüssigkeit verwendet wurde, bei einer Testtemperatur von 110°C, einer Testzeit von 1000 Stunden und einem Abdichtdruck des Fluids von 0,1 MPa, mit abwechselndem Wechsel der Drehzahl zwischen 600 min^–1 für eine Dauer von 8 Sekunden und 6710 min^–1 für 4 Sekunden. Jede Probe wurde bewertet durch Messung des Ausmaßes der Leckage der Kühlflüssigkeit nach 1000 Stunden. Je kleiner die Leckage, desto besser. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt. Außerdem wurde Beispiel 1 unter Bedingungen niedriger Last und hoher Last getestet. Die Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 1

	Dichtring	Gegenring	Last [N]	Leckage an LLC [ml]
Beispiel 1	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Poröses Siliziumkarbid	26,0	10,0
Vergleichsbeispiel 1	Weicher Kohlenstoff	Poröses Siliziumkarbid	26,0	76,0
Vergleichsbeispiel 2	Poröses Siliziumkarbid	Poröses Siliziumkarbid	28,8	13,2
Vergleichsbeispiel 3	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	26,0	18,0

Tabelle 2

		Last [N]	Leckage an LLC [ml]
Beispiel 1	Niedrige Last	26	10
Beispiel 2	Hohe Last	19,5	2

Gemäß Tabelle 1 zeigt die mechanische Dichtung nach Beispiel 1, mit einem Dichtring aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) und einem Gegenring aus porösem Silizium nach 1000 Stunden eine Leckage des Kühlmittels von nur 10,0 ml – ein gutes Ergebnis. Außerdem zeigte die mechanische Dichtung nach Beispiel 1 selbst nach dem Ende des Tests noch eine gute Dichtfähigkeit. Es konnten keine Ablagerungen von Si oder anderen Substanzen beobachtet werden.
Weiterhin wird durch Tabelle 2 bestätigt, daß die mechanische Dichtung nach Beispiel 1 nach 100 Stunden selbst dann noch eine geringe Leckrate hatte – ein gutes Ergebnis – wenn die Belastung der Dichtung geändert wurde.
Dagegen hatten Vergleichsbeispiele 1 und 2, bei denen als Dichtring weicher Kohlenstoff oder poröses Siliziumkarbid verwendet wurden, und Beispiel 3, bei dem als Dichtring und Gegenring Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) verwendet wurden, nach 1000 Stunden hohe Leckraten an Kühlflüssigkeit, die gemäß Tabelle 1 76,0 ml, 13,2 ml bzw. 18,0 ml betrugen.
Test auf Widerstandsfähigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen
(Test auf Verschleißfestigkeit bei Verunreinigungen)

Der Test auf Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen ist ein Test, bei dem der Kühlflüssigkeit Verunreinigungen zugemischt werden und die Verschleißfestigkeit der mechanischen Dichtung bei einem solchen Gemisch bewertet wird. Der Test auf Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigunen wurde bei der Testanordnung durchgeführt, bei der als abgedichtete Flüssigkeit eine 50%-ige wässrige Lösung einer LLC Kühlflüssigkeit verwendet wurde, der Verunreinigungen zugemischt waren, bei einer Testtemperatur von 90°C, einer Testzeit von 50 Stunden, einem Abdichtdruck von 0,1 MPa und einer Drehzahl von 8000 min^–1. Bei dem Test wurden als Verunreinigungen JIS Z8901 "Test Use Powder and Test Use Particles" Typ 3 und Typ 8 in Mengen von 2,8 g und Formsand (#80 bis 100) in einer Menge von 2,8 g bezogen auf 1000 g der Kühlflüssigkeit zugegeben. JIS Z8901 Typ 3 und Typ 8 sind Testpartikel mit Mediangrößen auf Gewichtsbasis (50% Größe) von 6,6, bis 8,6 μm. Jede Probe wurde bewertet durch Messung des Ausmaßes an Leckage der Kühlflüssigkeit nach 50 Stunden. Je kleiner die Leckage, desto besser. Die Resultate sind Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

	Dichtring	Gegenring	Last [N]	Leckage an LLC [ml]
Beispiel 1	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Poröses Siliziumkarbid	23,0	0,2
Vergleichsbeispiel 1	Weicher Kohlenstoff	Poröses Siliziumkarbid	25,8	50,0
Vergleichsbeispiel 2	Poröses Siliziumkarbid	Poröses Siliziumkarbid	26,7	6,0
Vergleichsbeispiel 3	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	26,0	5,0

Gemäß Tabelle 3 zeigt die mechanische Dichtung nach Beispiel 1, bei der ein Dichtring aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) und ein Gegenring aus porösem Siliziumkarbid verwendet wurde, nach 50 Stunden nur eine Leckmenge an Kühlflüssigkeit von 0,2 ml – ein gutes Resultat. Außerdem zeigt die mechanische Dichtung nach Beispiel 1 selbst nach dem Ende des Tests eine gute Dichtfähigkeit und auch eine gute Form der Gleitflächen.
Dagegen traten bei Vergleichsbeispiel 1 und 2, bei denen weicher Kohlenstoff oder poröses Siliziumkarbid für den Dichtring verwendet wurden, und Vergleichsbeispiel 3, bei dem Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) für den Dichtring und den Gegenring verwendet wurden, nach 50 Stunden große Leckmengen von 50,0 ml, 6,0 ml bzw. 5,0 ml. Es wurde be stätigt, daß Vergleichsbeispiel 1, bei dem poröser harter Kohlenstoff als Dichtring verwendet wurde, keine wesentlichen Probleme hatte, jedoch unter schwerem Verschleiß und Aufrauhung an der Gleitfläche litt und deshalb nur eine geringe Haltbarkeit hatte.
Kreischtest
Der Kreischtest wurde ausgeführt, indem ein etwaiges Kreischen unter den Testbedingungen bei Änderung der Drehzahl und der Meßtemperatur untersucht wurde.
Der Kreischtest wurde mit einer Testanordnung durchgeführt (Testsystem, bei dem die mechanische Dichtung in einem Flüssigkeitstank angebracht war und die Menge der Ansammlung von Leckflüssigkeit aus der Dichtung am Boden des Tanks gemessen wurde), bei der als abgedichtete Flüssigkeit eine 50%-ige wässrige Lösung einer LLC Kühlflüssigkeit oder Wasser verwendet wurde, unter Bedingungen mit einem Fluiddruck von 0 MPa (Atmosphärendruck) und bei Verwendung einer Welle mit einem Durchmesser von ϕ6 als Testwelle. Wie in 2 gezeigt ist, wurde die Messung unter allen Drehzahlbedingungen von 0 bis 2000 min^–1 und unter allen Temperaturbedingungen von 40 bis 100°C ausgeführt.
Jede Probe wurde bewertet, indem die Kreischrate nach der folgenden Gleichung (1) aus dem Verhältnis der Kreisxhpunkte (AR: Fläche des Klingelns (Gleitgeräusch) zu allen Meßpunkten (AT: Testfläche) berechnet wurde. Das heißt, je kleiner die Kreischrate, desto größer ist der Bereich der Drehzahlen und Temperaturen, in dem das Kreischen unterdrückt ist, während das Kreischen je nach Drehzahl und Temperatur um so leichter auftritt, je höher die Kreischrate ist. Wie in 2 gezeigt ist, trat das Kreischen in der Tendenz besonders leicht unter Bedingungen niedriger Drehzahl und hoher Temperatur auf. In den Beispielen wurde der Kreischtest unter Verwendung ähnlicher Meßpunkte und ähnlicher Bedingungen für alle Proben ausgeführt. Kreischrate (%) = Kreischpunkte (AR)/alle Meßpunkte (AT) × 100 (1)

Je kleiner die Kreischrate, desto besser. Die Resultate sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4

	Dichtring	Gegenring	Kreischrate
	Dichtring	Gegenring	LLC 50% wässrige Lösung	Wasser
Beispiel 1	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Poröses Siliziumkarbid	0	5,4
Vergleichsbeispiel 1	Weicher Kohlenstoff	Poröses Siliziumkarbid	0	5,4
Vergleichsbeispiel 2	Poröses Siliziumkarbid	Poröses Siliziumkarbid	0	10,0
Vergleichsbeispiel 3	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	16,4	36,7

Anhand von Tabelle 4 konnte bestätigt werden, daß die mechanische Dichtung nach Beispiel 1, bei der ein Dichtring aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) und ein Gegenring aus porösem Siliziumkarbid verwendet wird, eine niedrige Kreischrate hatte, und zwar sowohl bei Verwendung von Kühlflüssigkeit als auch bei Verwendung von Wasser, und das Kreischen in einem weiten Bereich von Drehzahlen und Temperaturen unterdrücken konnte.
Dagegen konnte bestätigt werden, daß Vergleichsbeispiel 2, bei dem poröses Siliziumkarbid für den Dichtring verwendet wurde, und Vergleichsbeispiel 3, bei dem Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) für den Dichtring und dem Gegenring verwendet wurden, Kreischraten von 10% bzw. 36.7% hatten, d. h., stark zum Kreischen neigten, insbesondere bei Verwendung von Wasser als abgedichteter Flüssigkeit. Diese Proben zeigten insbesondere bei niedriger Drehzahl und hoher Temperatur eine höhere Neigung zum Kreischen. Bei Vergleichsbeispiel 1, bei dem weicher Kohlenstoff als Dichtring verwendet wurde, war die Kreischrate etwa die gleiche wie in Beispiel 1.
Test auf Trockenlauffestigkeit
Der Test auf Trockenlauffestigkeit ist ein Test, bei dem ein Gleittest ohne die Verwendung einer abgedichteten Flüssigkeit ausgeführt wird und die Zeit bis zum Fressen gemessen wird. Durch Verbesserung der Trockenlauffestigkeit ist es möglich, ein Fressen der Dichtung wirksam zu verhindern, selbst dann, wenn das Phänomen der Haftung durch Festkörperkontakt der Gleitfläche auftritt.

Der Test auf Trockenlauffestigkeit wurde mit einer Testanordnung in einer (trockenen) Luftatmosphäre bei Atmosphärendruck durchgeführt, mit einer Testzeit von 10 Minuten und einer Drehzahl von 2000 min^–1. Jede Probe wurde bewertet durch Bewertung der Zeit vom Beginn bis zum Fressen der Dichtung (Freßzeit). Die Freßzeit ist vorzugsweise lang. Die Resultate sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5

	Dichtring	Gegenring	Last [N]	Freßzeit [mim]
Beispiel 1	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Poröses Siliziumkarbid	24,6	9,0
Vergleichsbeispiel 1	Weicher Kohlenstoff	Poröses Siliziumkarbid	25,0	kein Fressen
Vergleichsbeispiel 2	Poröses Siliziumkarbid	Poröses Siliziumkarbid	24,6	1,5
Vergleichsbeispiel 3	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	25,0	12,0

Gemäß Tabelle 5, in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, bei denen sowohl für den Dichtring als auch für den Gegenring Materialien mit großer Härte verwendet wurden, während Vergleichsbeispiel 2, das eine Freßzeit von 1,5 Minuten hatte, hatte Beispiel 1 eine Freßzeit von 9 Minuten. Es konnte bestätigt werden, daß Beispiel 1 eine längere Zeit bis zum Fressen hatte und überlegene Trockenlaufeigenschaften hatte. In Beispiel 1 trat nach Ablauf von 5 Minuten nach dem Beginn des Tests keine Schädigung an den Gleitflächen auf. Da im Vergleichsbeispiel 1 ein weiches Material für den Dichtring verwendet wurde, trat kein Fressen auf.
Gesamtbewertung

Tabelle 6 zeigt die Resultate des Tests auf Widerstandsfähigkeit gegen Silikatablagerungen, Widerstand gegen Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen, des Kreischtests und des Trockenlauftests für die mechanischen Dichtungen nach Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3. In der Tabelle bedeutet "G", daß gute Resultate erhalten werden konnten, während "P" (poor) bedeutet, daß keine guten Resultate erhalten werden konnten. Tabelle 6

	Dichtring	Gegenring	Widerstandsfähigkeit gegen Silikatablagerungen	Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen	Kreischtest	Trockenlauftest
Beispiel 1	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Poröses Siliziumkarbid	G	G	G	G
Vergleichsbeispiel 1	Weicher Kohlenstoff	Poröses Siliziumkarbid	P	P	G	G
Vergleichsbeispiel 2	Poröses Siliziumkarbid	Poröses Siliziumkarbid	G	G	G	P
Vergleichsbeispiel 3	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit	G	G	P	G

Wie in Tabelle 6 gezeigt ist, hatte Beispiel 1, bei dem ein Dichtring aus Siliziumkarbid mit dispergierten Graphit (Kohlenstoff) und ein Gegenring aus porösen Siliziumkarbid verwendet wurde, in jedem der Tests gute Resultate.
Dagegen hatte Vergleichsbeispiel 1, bei dem ein Dichtring aus weichem Kohlenstoff verwendet wurde, eine schlechte Haltbarkeit (Test auf Widerstandsfähigkeit gegen Silikalablagerungen und Test auf Widerstandsfähgigkeit gegen Oberflächenaufrauhung durch Verunreinigungen), während Vergleichsbeispiel 2, bei dem als Dichtring poröses Silizium verwendet wurde, schlechte Trockenlaufeigenschaften hatte.
Weiterhin neigte Vergleichsbeispiel 3, bei dem Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit für den Dichtring und den Gegenring verwendet wurden, zum Kreischen. Anhand der Resultate für Vergleichsbeispiel 3 konnte bestätigt werden, daß wenn Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit sowohl für den Dichtring als auch für den Gegenring verwendet wird, das Kreischen leichter auftritt und die Effekte der vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden konnten.
Anhand dieser Resultate konnte deshalb bestätigt werden, daß durch Verwendung einer Kombination aus einem Dichtring aus Siliziumkarbid mit dispergiertem Graphit (Kohlenstoff) und einem Gegenring aus porösem Siliziumkarbid eine mechanische Dichtungseinrichtung erhalten werden kann, die eine überlegene Haltbarkeit und überlegene Trockenlaufeigenschaften hat, Fressen und Verschleiß der Gleitdichtelemente vermeidet und kreischende Geräusche während der Dauer der Gleitbewegung wirksam unterdrückt.

Claims

Mechanische Dichtungseinrichtung zur Abdichtung eines Fluids dadurch, daß ein erstes Gleitdichtungselement (2) und ein zweites Gleitdichtungselement (4) miteinander in Anlage gebracht werden, wobei das erste Gleitdichtungselement (2) ein Gleitdichtungselement mit einem Substrat als Siliziumcarbid ist, das Kohlenstoff enthält, und das zweite Gleitdichtungselement (4) ein Gleitdichtungselement ist, das Siliziumcarbid als Hauptbestandteil enthält und unabhängig darin dispergierte Poren mit einer Größe von 5 bis 200 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff in dem ersten Gleitdichtungselement (2) in einem in das Substrat aus Siliziumcarbid dispergierten Zustand enthalten ist.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Gleitdichtungselement (2) ein Kohlenstoff-Flächenverhältnis von 0,4 bis 80% hat.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das erste Gleitdichtungselement (2) einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 30 Gew.% in Bezug auf das erste Gleitdichtungselement (2) insgesamt aufweist.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Anspreche, bei der der Kohlenstoff Graphit als Hauptbestandteil umfaßt.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das erste Gleitdichtungselement (2) eine Vicker's-Härte von 300 bis 3000 und eine scheinbare spezifische Dichte von 2,0 bis 3,2 aufweist.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Anspreche, bei der das zweite Gleitdichtungselement (4) eine Porosität von 3 bis 20% Porenvolumen aufweist.
Mechanische Dichtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Anspreche, bei der das zweite Gleitdichtungselement (4) eine Vickers's Härte von 2000 bis 3000 und eine scheinbare spezifische Dichte von 2,7 bis 3,2 aufweist.