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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Dichtungsgliedern aus einem harten Material, wobei die Dichtwirkung auf der präzisen Endbearbeitung der Dichtungsglieder und nicht auf der Zwischenlage irgendwelcher Dichtungen aus biegsamem Material beruht. Diese Dichtungsglieder können in Hähnen, Ventilen in der Industrie und Einspritzpumpen für Dieselmotoren verwendet werden.
Dichtungsscheiben, die aus harten Materialien hergestellt sind und zur Durchflussregelung und als Absperreinrichtungen in Hähnen u. dgl. verwendet werden, werden üblicherweise mit Oxiden oder gesinterten Aluminiumsilikaten erzeugt, die auf eine Rauhheit von ungefähr 0, 2 bis 0, 4 Mikrometer geschliffen werden. Zufolge dieser präzisen Endbearbeitungen arbeiten diese Scheiben zur Bildung von Dichtungen zusammen, die sich zur Regulierung und Unterbrechung eines Fluidflusses durch das System eignen. Ausserdem haben diese früheren bekannten Dichtungsscheiben zufolge der Festigkeit der verwendeten Materialien, normalerweise 23000 N/mm2, eine erhöhte effektive Lebensdauer, und sie können Fremdkörpern, wie z. B. Sandkörnern, wiederstehen, die frühere Dichtungsglieder beschädigen könnten.
Zufolge der präzisen Endbearbeitung der Arbeitsflächen zwischen den Dichtungsscheiben neigen jedoch diese Scheiben zum Aneinanderhaften, was ohne irgendein Schmiermittel die Reibung zwischen den Scheiben erhöht. Der normale Koeffizient dieser früheren Materialien ist in der Grössenordnung von 0, 12.
Um eine wirksame Drehung dieser Dichtungsscheiben relativ zueinander und einen korrekten Betrieb des Hahnes vorzusehen, wird zwischen den Scheiben eine dünne Schicht eines Siliziumschmiermittels vorgesehen.
Im Laufe der Zeit und bei wiederholter Verwendung des Hahns, die ein gegenseitiges Verdrehen der Scheiben bewirkt, wird jedoch das Siliziumschmiermittel allmählich dispergiert, sodass sich die Reibung zwischen den Scheiben auf nicht annehmbare Werte erhöht. Schliesslich wird das Ventil aufhören zu arbeiten.
Es wurden Versuche unternommen, um diese Dichtscheiben unter Verwendung von Wolframkarbid herzustellen. Jedoch zeigten sich die Herstellungskosten für diese Art von Scheiben als untragbar.
Es wurden weitere Versuche unternommen, um die Scheiben für Hähne mit einem Material herzustellen, das aus Siliziumkarbid (SiC) zusammengesetzt ist. Das Siliziumkarbid sieht in seinen bekannten unterschiedlichen Kristallmodifikationen Härten zwischen 28000 N/mm2 und 35000 N/mm2 vor, was viel höher ist als die Härte der bisher für diesen Zweck verwendeten Materialien, während es Reibungskoeffizienten von annähernd 0, 05 vorsieht. Ausserdem hat dieses Material eine verminderte Neigung zum Haften, wie sie bei anderen glatt bearbeiteten Flächen gefunden wird, wodurch die Reibung zwischen den zusammenarbeitenden Scheiben des Hahns vermindert wird. Trotz dieser Verbesserungen im Betrieb neigt die Reibung zwischen den beiden Scheiben aus Siliziumkarbid bei längerer Verwendung zum Ansteigen über annehmbare Werte hinaus.
Schliesslich hat der Anmelder Dichtungsscheiben für Hähne gebaut, wobei das zusammenarbeitende Paar von Scheiben verschiedene Reibungseigenschaften hat und wenigstens eine Scheibe aus Siliziumkarbid geformt ist.
Wenngleich dieses Verfahren eine nachhaltige Reibungsverminderung zwischen den Dichtungsscheiben ohne Hinzufügen eines Schmiermittels ergab, erfordern die Herstellung und das Schleifen der aus SiC gebildeten Scheiben spezielle Anlagen und Technologien. Es war daher notwendig, ein Herstellungsverfahren zu entwickeln, welches weitverbreitet und problemlos angewandt werden könnte, wobei doch die Kosten nicht unerschwinglich wären.
Die vorliegende Erfindung wird mehr im Detail verständlich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in der die Bezugszahlen in allen Darstellungen auf gleiche Teile bezogen sind, und in der
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung der Dichtungsglieder der vorliegenden Erfindung ist ; und
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, Dichtungsglieder aus einem ausreichend harten Material herzustellen, die einen Reibungskoeffizienten erreichen können, der niedrig genug ist, um einen korrekten Betrieb des Hahns od. dgl. erlaubt, wobei die Herstellungskosten der Dichtungsscheiben begrenzt werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können leistungsfähige Dichtungsglieder hergestellt werden durch Bildung der Dichtungsglieder aus einem harten Material, das sich zum präzisen Schleifen eignet, und durch Überziehen zumindest eines der beiden Dichtungsglieder mit einer dünnen Schicht aus wesentlich härterem Material. Dieser Überzug wird durch physikalisches oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase aufgebracht, um die zusammenarbeitenden Flächen zwischen den Scheiben zu bilden, welche unterschiedliche Reibungskoeffizienten haben. Unter den verwendbaren Überzugsmatrialien werden Silizumkarbide, Metallkarbide, Metallnitride (insbesondere die Übergangsmetalle) und Kohlenstoffe mit kubischen Kristallgitter bevorzugt.
Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine der Dichtungsscheiben mit dem Überzugsmaterial unter Anwendung des physikalischen oder chemischen Niederschlagens aus der Dampfphase überzogen.
Beim Anwenden des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung müssen beide Dichtungsglieder geeignet sein, eine präzise Endbearbeitung zu erfahren, wie z. B. eine, die durch ein genaues Schleifen erhalten wird, um ein wirksames Arbeiten der Dichtungsglieder zu erlauben. Anders als die herkömmlichen Dichtungsscheiben erfordern
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die durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Dichtungsglieder nicht eine übermässig grosse Härte, um einer lang andauernden Benutzung zu widerstehen.
Vielmehr sehen die das Dichtungsglied bildenden Materialien in den durch Niederschlagen von sehr harten Materialien erzeugten Dichtungsgliedem einen Träger für den Überzug vor, während die Zusammenarbeit zwischen den Dichtungsgliedem zum Abdichten durch das wesentlich härtere Überzugsmaterial erfolgt, das an zumindest einem der Dichtungsglieder aufgebracht wurde. Auf diese Weise können die Dichtungsglieder nach der vorliegenden Erfindung aus Materialien gebildet werden, die ungeachtet dessen, dass sie hart und widerstandsfest genug sind, um eine geeignete Endbearbeitung zu erfahren und einer Deformation zu widerstehen, für sich allein ohne die Hinzufügung des Überzugs nicht zur Bildung von Dichtungsgliedern akzeptiert werden können.
Unter den Materialien, die zur Bildung der Dichtungsglieder geeignet sein können, befinden sich Stealite, Keramikmaterialien von mässiger Qualität, Metalle und einige synthetische Materialien, die durch hohe Härte, Steifigkeit und Stabilität gekennzeichnet sind. Ein unüberzogenes Dichtungsglied, das mit einem Dichtungsglied zusammenarbeitet, welches mit dem wesentlich härteren Material überzogen ist und ein glattes Endaussehen hat, wird jedoch trotz seiner begrenzten Härte nicht beschädigt. Vielmehr erweist sich der Unterschied in der Härte zwischen den zwei zusammenarbeitenden Flächen des Dichtungsgliederpaares als grosser Vorteil bei der Herabsetzung des Reibungskoeffizienten ohne Hinzufügung eines Schmiermittels. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, das zweite Dichtungsglied zu überziehen.
Andererseits können beide Dichtungsglieder mit dem Überzugsmaterial bedeckt werden, jedoch müssen in diesem Fall die zwei zusammenarbeitenden Flächen ausreichend unterschiedliche Eigenschaften haben, um eine adäquate Bewegung zwischen den Flächen vorzusehen. Dies kann entweder durch Bedecken der zwei Dichtungsglieder mit zwei verschiedenen Überzugsmaterialien oder durch Aufbringen der Überzugsmaterialien über Flächen mit verschiedenen Bearbeitungsgraden oder durch eine Kombination dieser zwei erreicht werden.
Ein wichtiger Vorteil von Schichten harter Materialien, die durch ein physikalisches oder chemisches Dampfverfahren aufgebracht werden, bezieht sich auf die oben erwähnten Schichten, die das Aussehen der Flächen der Dichtungsglieder nicht ändern. Daher kann die Scheibe, auf der ein sehr hartes Material niedergeschlagen werden soll, beispielsweise durch Schleifen oder Schneiden bearbeitet werden, bevor der Niederschlagsprozess durchgeführt wird, und nachfolgendes Arbeiten an einem Material, das hart genug ist, um dem Berarbeitungsprozess zu widerstehen. Andererseits ist dieses Material nicht so hart, um diesen Vorgang schwierig und teuer zu gestalten oder um spezielle Einrichtungen und Technologien beim Herstellen der Dichtungsscheiben zu erfordern.
Dieser Umstand setzt die Produktionskosten herab, sodass herkömmliche Maschinen bei der Herstellung der Dichtungen verwendet werden können.
Die Verwendung eines Paares von zusammenarbeitenden Dichtungsgliedem, von denen eines einen grösseren Härtegrad als das andere zufolge seines Überzugs und der glatten Fläche hat, erlaubt die Verwendung eines Materials mit einer geringeren Härte für das andere Dichtungsglied. Das andere Dichtungsglied kann ein rauheres Endaussehen haben und mikroskopische Löcher enthalten, welche die Auflagefläche zwischen den Dichtungsgliedern herabsetzen. Zufolge dieser Besonderheit wird die Reibung zwischen den zwei Dichtungsgliedem weiter vermindert. Ausserdem werden die Herstellungskosten nicht nur deshalb herabgesetzt, weil die Herstellung des nicht überzogenen Dichtungsgliedes billiger ist, sondern ebenso, weil die erforderliche Endbearbeitung reduziert wird.
Ein Vorteil der Dichtungsglieder, die mit einer Schicht aus Siliziumkarbid überzogen sind, ist die chemische Stabilität dieser Verbindung. Sie wird keiner Korrosion oder Deformation in jeder Art von Wasser unterworfen und sieht einen ausserordentlichen Widerstand gegenüber Oxidation vor. Eine ähnliche Eigenschaft kennzeichnet überdies auch andere Materialien mit grosser Härte, die aus der Dampfphase niedergeschlagen werden können, und insbesondere durch Kohlenstoff mit einem kubischen Kristallgitter. Dieses Material, welches nicht zur Bildung des Körpers des Dichtungsgliedes verwendet werden könnte, ist zufolge seines verminderten Reibungskoeffizienten, der angenähert 0, 02 beträgt, ausserordentlich vorteilhaft.
Selbstverständlich kann das Verfahren nach dieser Erfindung unabhängig von der Gestalt und Grösse der in der Vorrichtung verwendeten Dichtungsglieder angewandt werden. Derartige Dichtungsglieder können flach sein oder Körper bilden, deren Arbeitsflächen konvex oder konkav sind. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung erhält die Gleitbewegungen der Geräte, die solche Glieder verwenden, für längere Zeitdauern. Das vorliegende Verfahren erhöht jedoch nicht die Kosten der Herstellung der Dichtungsglieder, da die Kosten für das Dampfniederschlagsverfahren durch die niedrigeren Kosten der Materialien, die die Dichtungsglieder bilden, und durch die niedrigeren Kosten der Bearbeitung der Dichtungsglieder aufgewogen werden.
Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich bei der Herstellung von Dichtungsscheiben für Ventile und Hähne, entweder solchen, die ein Paar Scheiben haben, oder solchen mit drei Scheiben oder nur einer Scheibe, die mit kupplungsähnlichen Scheiben zusammenarbeitet, die an den Einlässen für das Wasser angeordnet werden. Ausserdem kann dieses Verfahren entweder bei Hähnen, wo die Scheiben in nur einer Richtung vom Wasser
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gequert werden, welches danach in den Hahn oder in die Hüllenkörper fliesst, oder bei jenen Hähnen angewandt werden, wo Wasser quer zu den Scheiben in jeder Richtung fliesst.
Die Anwendung auf Ventile und Hähne ist jedoch nicht ausschliesslich, und wie oben erwähnt liegen andere Anwendungen, die für die Paare von Dichtungsgliedem gemäss dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gesehen werden, bei Ventilen in der Industrie, insbesondere jenen, die hohen Temperaturen und/oder der Einwirkung von chemischen Produkten ausgesetzt sind, und bei Ventilen und Kolben für Einspritzpumpe von Dieselmotoren.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird das hier beschriebene Verfahren zur Bildung von Dichtungsgliedem (10) und (12) verwendet, welche zusammenarbeiten, um den Fluidfluss durch ein Ventil oder einen Hahn zu steuern. Beide Dichtungen (10 und 12) weisen einen Grundkörper (14) auf, der aus einem Material mit mässiger Härte besteht, wie z. B. Stealiten, Keramikmaterialien, Metallmaterialien oder synthetischen Materialien. Zumindest eine der Dichtungsscheiben ist mit einem härteren Material (16) überzogen, welches die gesamte Dichtung bedecken kann, wie in Fig. 1 gezeigt ist, oder nur auf der Arbeitsfläche oder zusammenarbeitenden Fläche (18) einer der Dichtungen aufgebracht sein kann.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Überzugsmaterial aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumkarbiden, Metallkarbiden, Metallnitriden und kubisch kristallisierten Kohlenstoffen, ausgewählt.
Als weitere Alternative können beide Dichtungen (10) und (12) vollständig mit einem dieser Überzugsmaterialien überzogen sein. Vor der Aufbringung des Überzugs (16) wird jedoch eine der Dichtungen, (10 oder 12), einer unterschiedlichen Endbearbeitung unterzogen, sodass die zusammenarbeitenden Flächen der Dichtungen verschiedene Bearbeitungsgrade haben.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte nur zum klaren Verständnis, und es sollen darin keine nicht notwendigen Beschränkungen verstanden werden, da sich für den Fachmann einige Modifikationen ohne Abweichen vom Umfang und Geist der anliegenden Patentansprüche ergeben.
PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Paares von Dichtungsgliedern für Ventile und Hähne und mit zusammenarbeitenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass es die Bildung beider Dichtungsglieder aus einem Material, das sich zum Schleifen auf eine präzise Endausführung eignet, das Überziehen wenigstens eines der Dichtungsglieder mit einer Schicht aus einem Material, das einen Härtekoeffizienten hat, der wesentlich grösser ist als jener des Bildungsmaterials, wobei das Überzugsmaterial durch physikalisches oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase aufgebracht wird, und die Fertigbearbeitung der zusammenarbeitenden Flächen der Dichtungsglieder mit verschiedenen Reibungskoeffizienten umfasst.