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Dichtungswerkstoff, insbesondere für
Dichtleisten in Rotationskolbenmotoren.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung eines verschleissfesten, korrisionsbeständigen
und bruchfesten Werkstoffes für Dichtungszwecke, insbesondere für Dichtleisten in
Rotationskolbenmotoren.
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Der Werkstoff besteht aus einer Oxidkeramik, die mit einem Metall
oder einer Metallegierung getränkt ist.
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Bei einem Rotationskolbenmotor hat der Kolben die Form eines gleichseitigen
Dreiecks zenit konvexen Seitenflächen. Er bewegt sich drehend in einem Gehäuse,
dessen Innenraum eine ovale, in der Mitte leicht eingeschnürte Gestalt hat. Die
drei Ecken des Kolbens folgen bei der Drehung stets enganliegend er Wand des Gehäuse,
so dass drei periodisch kleiner bzw. grösser werdende, gegeneinander abgeschlossene
und um 120°C versetzte Arbeitsräume entstehen. In die Ecken des Kolbens sind Dichtungsstreifen
eingelassen1 die sogenannten Dichtleisten, die die einzelnen Arbeitsräume hermetisch
gegeneinander abdichten sollen und deren zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer
eines der Hauptprobleme fUr die Verwendung von Rotationskolbennlotoren in der Praxis
bildet.
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Da die Kolben in den Rotationskolbenmotoren hohe Drehgeschwindigkeiten
entwickeln, werden an den Werkstoff dieser Dichtleisten, in Anpassung an das Gehäusematerial,
grosse Anforderungen gestellt, insbesondere an die Verschleissfestigkeit. Dan-eben
spielt aber auch die Thermoschock- und Korrosionsbeständigkeit eine grsse Rolle,
dn de Dichtleisten direkt den er heissen und stark korrotlierend wirkenden Verbrennungsgasen
ausgesetzt sind.
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Sehr schnelle Temperaturwechsel, beispielsweise bei Anlassen des Motors,
können zu inneren Spannungen und damit zur Bruch des Werkstofi's führen. Auch die
Schlag- und Biegebruchfestigkeit eines für die Herstellung von Dichtleisten in Rotationskolbenmotoren
geeigneten Werkstoffs müssen hervorragend sein, damit während des Motorenlaufs keine
Bruchtstücke entstehen, die schmirgelnd auf die Gegenlauffiäche des Gehäuses wirken,
Schleifspuren verursachen und damit die Abdichtwirkung wesentlich herabsetzen.
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Die Verwendung von metallischen Werkstoffen für Dichtleisten hat sicji
nicht bewährt, da diese bei den sehr hohen Drehzahlen des Rotationskolbens sehr
schnell verschleissen und ihre Abdichtungsfunktion dann nicht mehr erfüllen können.
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Fs hat tlaher nicht an Versuchen gefehlt, die günstigen Eigenschaften
von metallischen und keramischen Werkstoffen in einem Verbundwerkstoff zu kombinieren.
So wurden beispielsweise Hartmetalle aus verschiedenen Metallkarbiden und Metallen
für Dichtleisten in Rotationskolbenmotoren verwendet. Diese haben sich aber in der
Praxis nicht in vollem Umfang bewährt, da sie nicht genügend bruchfest sind, so
dass die Gehäuselauffläche durch Bruchstücke zerkratzt und die Abdichtwirkung und
damit die Lebensdauer der Dichtleisten verschlechtert wird.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dichtungswerkstoff
zu entwickeln, insbesondere für Dichtleisten in Rotationskolbenmotoren, der neben
einer hohen Verschleissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auch eine hohe Thermoschockbeständigkeit,
Schlag- und Biegebruchfestigkeit besitzt.
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Alle diese geforderten Eigenschaften besitzt überraschenderweise ein
mit Metallen oder Metallegierungen getränkter poröser oxidkeramischer
Werstoff.
Dabei kann der oxidkeramische Anteil von 40 bis 95 Vol.% variiert werden, ohne dass
sic die für Dichtleisten besonders günstigen Eigenschaften dieses Werkstoffs wesentlich
ändern. Besonders geeignet sind Werkstoffe mit 70 bis 85 Vol.% Oxidkeramik, Rest
metallische Bestandteile.
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Bewährt haben sich von allem Silber und/oder Kupfer bzw. deren Legierungen
untereinander oder mit anderen Metallen als metallische Komponente des erfindungsgemässen
Werkstoffs. Als oxidkeramische Komponente können praktisch alle hochschmelzenden
Oxide Verwendung finden.
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Ganz besonders bewährt hat sich als Dichtungswerkstoff, insbesondere
für Dichtleisten in Rotationskolbenmotoren, ein Material aus Aluminiumoxid, getränkt
mit Silber und/oder Kupfer oder deren Legierungen, wobei der Aluminiumoxidanteil
vorteilhafterweise 70 bis 85 Vol.% beträgt. So besitzt zum Beispiel ein Werkstoff
aus 80 Vol.% Al2O3 und 20 Vol.% Silber eine ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit,
die vergleichbar ist mit der von metallischen Werkstoffen. So kann dieser erfindungsgemässe
Werkstoff beispielsweise von 800°C auf Zimmertemperatur in einem Ölbad mit dem Motorenöl
10W-30 abgeschreckt werden, ohne dass er seine früheren Festigkeitseigenschaften
verliert.
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lin Vergleich zu rein metallischen Werkstoffen besitzen die erfindungsgemässen
Dichtungswerkstoffe eine erheblich gesteigerte Verschleissfestigkeit. Die Metallkomponente
der erfindungsgemässen Werkstoffe, insbesondere bei der Verwendung von Silber, wirkt
als zusätzliches Schmiermittel und verbessert so die Abdichtwirkung und die Lebensdauer
der Dichtleisten.
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Die folgende Tabelle gibt die Eigenschaftswerte eines erfindungsgemässen
Werkstoffes aus 80 Vol.% Al2O3 und 20 Vol.% Ag an im Vergleich zu einigen bisher
verwendeten Dichtleistenwerkstoffen in Rotationskolbenmotoren:
| Werkstoff 80 Vol.% Al2O3 Cr-legierter Hartmetall |
| 20 Vol.% Ag Grauguss |
| Höhenverschleiss 0,5 1,5 - 4 0,6 |
| im Rotationskol- |
| benmotor |
| µm . h-1 |
| Biegebruch- |
| festigkeit 50 60 175 |
| kp .mm-2 |
| Schlagfestig- |
| keit 11 20 5,5 |
| kp . cm-1 |
| Härte HV |
| kp . mm-2 750 450 900 |
Minderung der Biegebruchfestig- 0 0 0 infolge Thermoschock (800°C z.T. in Öl HD
10W-30)
Die Herstellung der erfindungsgemässen Dichtungswerkstoffe
erfolgt in bekannter Weise durch Tränkung der gesinterten Oxidkeramikgerüste mit
den schmelzflüssigen Metall bzw. Metalllegierung. Die Art der Herstellung des erfindungsgemässen
Dichtungswerkstoffs, nämlich durch Tränken eines gesinterten, mit durchgehenden
poren versehenen oxidkeramischen Gerüstes, scheint für die besonderen Eigenschaften
dieses Werkstoffs in bezug auf die Verwendung für Dichtleisten in Rotationskolbenrnotoren
von ausschlaggebender Bcdeutung zu sein.
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Neben Aluminiumoxid können Tr den oidkeramischen Bestandteil beispielsweise
noch JCalzium-, Magnesium-, Beryllium, Zirkon-und/oder Titanoxid zur Anwendung kommen,
während als metallischer Bestandteil neben Silber und/oder Kupfer oder deren Legicrungen
untereinander oder mit anderen Metallen, wie beispielsweise Nickel, Titan, Zirkon,
Beryllium und/oder Vanadin, auch andere Metalle, wie beispielsweise Eisen, Kobalt,
Nickel, Chrom, Gold Platin und/oder Palladium oder deren Legierungen Verwendung
finden können.
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Die Verwendung der erfindungsgemässen Dichtungswerkstoffe beschränkt
sich nicht nur auf Dichtleisten iür Rotationskolbenmotoren, sondern sie können auch
in allen sonstigen Fällen angewendet werden, bei denen es auf eine besondere Verschleissfestigkeit,
Sorrosions- und Thermoschockbeständigkeit, auf eine hohe Bruchfestigkeit und auf
die Schmiereigenschaften des Dichtungsmaterials ankommt, beispielsweise bei Gleitringen
in Pumpen.
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Der erfindungsgemässe Dichtungsweflkstoff braucht nicht als massiver
Körper eingesetzt werden, sondern kann auch als Überzug auf einem Träger zur Anwendung
komluen.