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Dokumentenidentifikation DE10225461B4 22.07.2004
Titel Hochtemperaturfestes Dichtelement sowie dessen Verwendung und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder DANA GmbH, 89233 Neu-Ulm, DE
Erfinder Christ, Burkard A., 82515 Wolfratshausen, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 10719 Berlin
DE-Anmeldedatum 05.06.2002
DE-Aktenzeichen 10225461
Offenlegungstag 08.01.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.2004
IPC-Hauptklasse B21F 37/00
IPC-Nebenklasse F16J 15/00   B23P 13/00   B23P 15/06   F02F 5/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochtemperaturfestes Dichtelement sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ringförmige Dichtelemente aus metallischen Werkstoffen, z.B. Kolbenringe, sind an sich bekannt. Sie sind meist in einer ringförmigen Ausnehmung bzw. Nut aufgenommen, welche z.B. um einen Außenumfang eines Kolbens angeordnet ist. Der Kolben seinerseits ist in einem Zylinder hin- und hergehend bewegbar. Der Kolben komprimiert Fluide, wie z.B. entzündliche Gase in dem Zylinder, bei Entzündung der Fluide wird der Kolben von der Zündstelle weggedrückt. Der Kolbenring wird hierbei sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, z.B. kann er bei einem direkt einspritzenden Benzinmotor über 300°C warm werden.

Hochtemperaturfestigkeit wird jedoch auch bei anderen, auch ringförmigen, Dichtungssystemen verlangt. So treten z.B. auch bei Dichtringen für Abgasrückführungsventile hohe Temperaturen auf, bei denen z.B. bekannte Elastomerdichtungen nicht befriedigend anwendbar sind.

Die DE 100 12 619 A1 zeigt einen Stahlkolbenring sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Stahlkolbenring besteht aus einem weich geglühten Werkstoff, wobei dieser Werkstoff folgende Anteilsbereiche von Elementen angibt: 0,25 – 0,65% Kohlenstoff, bis zu 2% Silizium, bis zu 2% Mangan, bis zu 0,030 Phosphor, bis zu 0,030% Schwefel, 1,0 – 8,0 Chrom, bis zu 1,5% Molybdän, bis zu 1,5% Aluminium, bis zu 0,35% Vanadium, bis zu 0,03% Titan, bis zu 0,35% Niob, der Rest der Legierung ist jeweils Eisen. Hierbei umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings aus diesem Material folgende Schritte:

  • a) Bereitstellen eines gewickelten und weich geglühten Drahtes als Ausgangsstoff,
  • b) Formen des Stahlkolbenrings unter Abtrennung vom gewickelten Draht,
  • c) Glühen des Stahlkolbenrings auf einem Dorn und gleichzeitiges Nitrieren des Stahlkolbenrings in einem Stickstoff abgebenden Medium,
  • d) Fertigbearbeiten des Stahlkolbenrings.

Die DE 199 53 311 A1 beschreibt einen Kolbenring für die Verwendung für einen Zylinder als Gegenstück-Element aus einer Aluminiumlegierung, der an diesem entlang gleitet und der aus einem auszenitischem rostfreien Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 15 · 10–6/°C hergestellt ist. Vorzugsweise enthält der den Kolbenring aufbauende auszenitische rostfreie Stahl Nickel in einer Menge von mehr als 3,5% und von weniger als 17Gew.% und Chrom in einer Menge von mehr als 15Gew.% und von weniger als 20Gew.%.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hochtemperaturfestes Dichtelement bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung bzw. dessen Verwendung bereitzustellen, wobei das Dichtelement auf einfache und kostengünstige Weise mit hoher Präzision hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie ein Dichtungselement nach Anspruch 9 gelöst, eine entsprechende Verwendung ist in Anspruch 12 beansprucht.

Dadurch, dass bei dem Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturfesten Dichtelementes von einer Drahtwendel mit Draht aus einer hochwarmfesten Nickel-Eisen-Legierung mit einem Elastizitätsmodul bei 300°C von mehr als 90000 Newton pro m2, wobei die Legierung über 40 Gew.% Nickel enthält, Abschnitte abgetrennt werden und in Form eines Bogens, eines Rings oder dergleichen umgeformt werden, ist eine sehr kostengünstige Herstellung eines Dichtelementes möglich.

Es ist zu betonen, dass unter "Drahtwendel" vorliegend jede beliebige Form einer Drahtaufwicklung zu verstehen ist. Dieser Begriff ist keinesfalls auf spiralförmig gewundene kreiszylindrische Formen begrenzt, es sind auch viereckige oder ovale Wicklungsformen bei der Drahtwendel möglich. Besonders vorteilhaft ist es (im Sinne eines reduzierten Umformaufwandes und somit zu einer noch schnelleren und kostengünstigeren Herstellung), dass der abgetrennte Abschnitt in seiner ebenen Projektion die Form des späteren Dichtelementes aufweist (dass z.B. bei einer spiralförmigen kreiszylindrischen Wicklung auf der Drahtwendel lediglich ein "Flachformen" notwendig ist, um einen Dichtring zu erhalten). Es ist aber selbstverständlich auch möglich, den abgetrennten Abschnitt zunächst noch einmal (zusätzlich zu dem Flachformen) umzuformen, bevor die endgültige Form des Dichtelementes erhalten wird.

Es hat sich herausgestellt, daß als wesentliches Merkmal der Hochtemperaturbeständigkeit der Elastizitätsmodul des hochwarmfesten Edelstahls ausdruckskräftig ist. Für die hier gewünschten Anwendungen ist ein Elastizitätsmodul von über 90000 Newton pro mm2 bei einer Temperatur von 300°C Voraussetzung für einwandfreies Funktionieren der Dichtung unter hohen Temperaturen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Verwendungen der vorliegenden Erfindung werden in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, daß als hochwarmfester Edelstahl ein Edelstahl aus einer Nickelbasislegierung zur Anwendung kommt. Erfindungsgemäß wird als Nickelbasislegierung in der vorliegenden Erfindung verstanden, wenn Nickel den gewichtsmäßig größten Anteil an der Legierung, vorzugsweise über 40 Gew.-%, an der Gesamtlegierung darstellt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, daß als Nickelbasislegierung Nimonic 90 (2.4632), Inconel X 600, Inconel X 750 (2.4669), Edelstahl (1.4980), Duratherm 600 oder dergleichen verwendet wird. Hierbei handelt es sich um kommerziell erhältliche Nickelbasislegierungen, welche eine erfindungsgemäße Hochtemperaturfestigkeit bei guten Formbarkeitseigenschaften aufweisen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß das Abtrennen der Abschnitte von der Drahtwendel durch Funkenerosion (Elektroerosion) oder Lasern geschieht. Hierdurch ist ein gratfreies Abtrennen möglich, so daß an der Abtrennstelle keine Nachbearbeitung mehr notwendig ist. Lasern eignet sich insbesondere für das Trennen kleinflächiger Drahtquerschnitte, so daß das Abtrennen schnell und auf eine saubere Weise möglich ist. Denkbar sind jedoch auch mechanische Auftrennverfahren, z.B. die Wasserstrahltrennung oder übliche spanende Trennverfahren, wie Sägen etc.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise auf Drähte mit einem Durchmesser zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise 1,2 mm bis 3 mm anwendbar. Hierbei sind runde Drahtquerschnitte besonders leicht erhältlich. Es sind jedoch auch beliebige andere Querschnitte, z.B. Rechteckquerschnitte, bei dem Ausgangsdraht möglich. Die Querschnittsfläche dieser anderen Querschnittsformen entspricht hierbei in ihrem vorzugsweisen Bereich der Querschnittsfläche von Runddrähten zwischen 1 und 10 mm Durchmesser.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß bei der Abtrennung bereits ein Stoß des späteren Dichtelementes berücksichtigt wird. So kann z.B. durch gezieltes Abtrennen (z.B. durch Funkenerosion oder Lasern) die Abtrennung so erfolgen, daß z.B. bei einem später entstehenden Dichtring ein gerader Stoß, ein schräger Stoß oder ein Überlappstoß entsteht. Die hier besonders bevorzugten Abtrennverfahren (auch Funkenerosion oder Lasern) ermöglichen hierbei Stöße mit einer Güte innerhalb der später einbaufertigen Toleranzbereiche.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens sieht vor, daß der abgetrennte Abschnitt nach dem Abtrennen von der Drahtwendel flach geformt wird. Bei Drahtwendeln, auf denen der Draht mit einer Steigung aufgebracht ist, ist hierbei ein Flachformen (z.B. zum Erhalten eines ebenen, einfach geschlitzten Ringes) erforderlich. Hierzu findet nach dem Abtrennen eine Wärmebehandlung des abgetrennten Abschnittes statt zum Flachformen dieses abgetrennten Abschnittes. Diese Wärmebehandlung besteht darin, daß das Material über eine Zeit zwischen 1 und 8 Stunden auf einer Temperatur zwischen 600 und 1200°C gehalten wird, bei NIMONIC 90 750°C über 4 Stunden mit einer späteren Luftabkühlung. Eine Wärmebehandlung ist auch zur Erzeugung gewünschter Federeigenschaften notwendig. Diese besteht in einem ein- oder mehrstufigen Verfahren mit Temperaturen pro Stufe zwischen 500°C und 1200°C, welche zwischen 2 und 24 Stunden lang pro Stufe gehalten werden; nach jeder Stufe ist jeweils eine Abkühlphase, z.B. durch Schockkühlung in Öl oder durch Luftabkühlung möglich. Es ist aber auch möglich, daß die Wärmebehandlung zur Behandlung von Federeigenschaften gleichzeitig mit dem Warmsetzen (zum Flachformen des Abschnittes) erfolgt oder in einem späteren Arbeitsschritt).

Nach dem Abtrennen des Abschnittes, vorzugsweise auch nach der Wärmebehandlung wird das Dichtelement weiteren Herstellungsschritten unterzogen, z.B. einer bereichsweisen Abflachung (bei einem Rundquerschnitt des Ausgangsdrahtes). Möglich sind auch weitere Oberflächenbehandlungsverfahren, z.B. ein Läppen von Berührungsflächen zu einem Zylinder, um so eine Reibungsminimierung zu erreichen (Anstrebung einer idealrunden Form, vorzugsweise Lichtspaltdichtheit > = 90%).

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Dichtungsrings sieht vor, daß dieser am Ende des Herstellverfahrens ein Elastizitätsmodul zwischen bei Raumtemperatur (= 20°C) zwischen 150000 N/mm2 und 250000 N/mm2 aufweist.

Ein zentraler Vorteil des erfindungsgemäßen Dichtungselementes ist die Temperaturbeständigkeit, welche eine Dauerbelastung im Einsatzbereich bis 800°C ermöglicht.

Als Verwendung für erfindungsgemäße Dichtungselemente kommt z.B. die Verwendung als Kolbenring für Explosionsmotore in Betracht. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich als Dichtring für Drehklappen. Hierbei wird der Außenumfang der vorzugsweise kreisrunden Drehklappe mit einer umlaufenden Nut bzw. einem umlaufenden Steg versehen, in welcher ein Dichtring fixiert wird. Je nach Stellung der Drehklappe wird ein Rohr, z.B. ein Abgasrohr, geöffnet oder geschlossen. Hier zeigt sich insbesondere als Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß bei kleinen Durchmessern (der Durchmesser des Dichtringes kann bis hinunter zu 40 mm Außenumfang, vorzugsweise bis hinunter zu 25 mm Außenumfang betragen) dieser kostengünstig hergestellt werden kann, und hierbei eine Temperaturstandfestigkeit bis hoch zu 800°C aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Drahtwendel,

2a bis 2c mehrere Ansichten bzw. Schnitte eines erfindungsgemäßen Dichtrings, und

3 mehrere Stoßarten bei einem erfindungsgemäßen Dichtungselement.

1 zeigt als Ausgangsbauteil zur Herstellung hochtemperaturfester Dichtungselemente eine Drahtwendel 2. Diese weist einen Außendurchmesser D auf, welcher im Bereich zwischen 25 mm und 200 mm liegt. Die Drahtwendel hat die Form einer spiralförmig gewundenen kreiszylindrischen Wicklung. Die Wicklung besteht aus einem hochwarmfesten Edelstahl mit einem Elastizitätsmodul bei 300°C von über 90000 N/mm2. Dies ist beispielsweise eine Nickelbasislegierung, z.B. aus einem Material, welches handelsmäßig unter der Marke "Nimonic 90" (2.4632) erhältlich ist. Selbstverständlich sind auch sämtliche der oben angegebenen anderen Legierungen verwendbar. Der Draht hat einen kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser von d = 1,5 mm. Abgestimmt auf die Querschnittsform des späteren Dichtungselementes sind jedoch auch andere Querschnitte wählbar.

Bezüglich möglicher anderer Formen der Drahtwendel anderer Durchmesser bzw. Querschnittsflächen des Drahtes wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Von der Drahtwendel werden dann Abschnitte abgetrennt. Diese werden im weiteren Verfahren zur Form eines Bogens bzw. eines flachen Rings weiter umgeformt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß zur Begrenzung des Umformaufwandes der Durchmesser eines späteren Dichtungsringes auf den Durchmesser der hier in 1 gezeigten Drahtwendel 2 abgestimmt wird.

Das Abtrennen der Abschnitte von der Drahtwendel (welche beliebige Formen, sogar die Form eines geraden Drahtes aufweisen kann), kann mit Abtrennverfahren wie Funkenerosion, bei kleineren Drahtdurchmessern durch Lasern geschehen. Hierdurch wird im Bereich des Spaltes 3 (siehe 2) ein gratfreier Stoß erreicht.

Im Folgenden wird näher auf den in 2a bis 2c gezeigten Dichtungsring eingegangen. Diese Form soll jedoch keinesfalls einschränkend für die Erfindung sein, es sind beliebige andere Dichtungselemente (andere Querschnitte des Drahtes sowie andere geometrische Formen in der Draufsicht als der in 2b gezeigte Kreis, z.B. Ovale etc.) möglich.

2a zeigt in der Draufsicht ein Dichtungselement in der Form eines Dichtungsringes 1. Dieser weist einen geraden Stoß 3 auf (siehe auch 3, a)). Der in 2a gezeigte Ring wurde dadurch erhalten, daß nach dem Abtrennen eines Abschnittes von der Drahtwendel aus 1 der Abschnitt einer Wärmebehandlung unterzogen wurde zum Flachformen dieses Abschnitts. Anschließend wurde er einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen zum Erzeugen von gewünschten Federeigenschaften des Dichtungsringes 1 (siehe zu den Details obige Beschreibungseinleitung).

2b zeigt, daß aus dem ehemals kreisringförmigen Draht durch einen Schleifvorgang eine Abflachung der Ober- sowie der Unterseite erzielt wurde. Links- und rechtsseitig wurde das in 2c nochmals als Details X vergrößert gezeigte Querschnittsbild mit bogenförmigen Abschnitten beibehalten.

Je nach Dichtigkeitsanforderung an die Stoßstelle sind verschiedene Ausführungsformen der Stoßstelle möglich. Hierzu zeigt 3 verschiedene Möglichkeiten. Die Möglichkeit nach a) ist in 2a realisiert. Nach b) kann auch ein gerader Stoß mit Nute für einen Haltestift, nach c) ein schräger Stoß und nach d) ein Überlappstoß vorgesehen werden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß diese Stoßformen bereits gratfrei während des Abtrennvorganges von der Drahtwendel realisierbar sind.

Der vorliegende Ring weist in seiner Endform (d.h. nach den Wärmebehandlungsvorgängen und weiteren Bearbeitungsschritten) einen Elastizitätsmodul zwischen 150000 N/mm2 und 250000 N/mm2 auf bei 20°C. Dieser Dichtungsring ist insbesondere als gasdichte Abdichtung für z.B. Drehklappen in Abgasrückführungsventilen möglich, welche Temperaturbelastungen auf Dauer von bis zu 800°C ausgesetzt werden können. Insbesondere ist hierbei bemerkenswert, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lichtspaltdichte Ringe auch kleinen Durchmessers mit hoher Präzision kostengünstig hergestellt werden können.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturfesten Dichtelements, wobei von einer Drahtwendel (2) mit Draht aus einer hochwarmfesten Nickel-Eisen-Legierung, dessen Elastizitätsmodul bei 300°C mehr als 90000 N/mm2 beträgt, Abschnitte abgetrennt und in die Form eines Bogens, eines Rings (1) oder dergleichen umgeformt werden, wobei die Legierung über 40 Gew.-% Nickel enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickel-Eisen-Legierung Nimonic 90 (2.4632), Inconel X 600, Inconel X 750 (2.4669), Edelstahl (1.4980), Duratherm 600 oder dergleichen ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen durch Funkenerosion oder Lasern geschieht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsdraht auf der Drahtwendel einen Durchmesser (d) zwischen 1 und 10 mm aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung so erfolgt, dass das entstehende Dichtelement einen geraden Stoß (2b), einen schrägen Stoß oder einen Überlappstoß aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtrennen des Abschnitts in einem gesonderten Verfahrensschritt ein ebener Dichtungsring (1) geformt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtrennen des Abschnitts und dem Formen eines ebenen Rings dieser Ring bereichsweise abgeflacht und/oder geschliffen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtrennen eine Wärmebehandlung des abgetrennten Abschnittes stattfindet zum Flachformen des Abschnitts und/oder zur Erzeugung gewünschter Federeigenschaften.
  9. Dichtungselement, hergestellt nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8.
  10. Dichtungselement, bestehend aus einer hochwarmfesten Nickel-Eisen-Legierung, deren Elastizitätsmodul bei 300°C mehr als 90000 N/mm2 beträgt.
  11. Dichtungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Elastizitätsmodul zwischen bei Raumtemperatur zwischen 150000 N/mm2 und 250000 N/mm2 aufweist.
  12. Verwendung eines Dichtungselements nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Kolbenring, oder als Dichtring für Drehklappen eingesetzt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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