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Dokumentenidentifikation DE102009027768A1 27.01.2011
Titel Dichtungsartikel
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Vissing, Klaus-Dieter, 27321 Thedinghausen, DE;
Neese, Gabriele, 28215 Bremen, DE;
Bultmann, Uwe, 28215 Bremen, DE
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28217 Bremen
DE-Anmeldedatum 16.07.2009
DE-Aktenzeichen 102009027768
Offenlegungstag 27.01.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.01.2011
IPC-Hauptklasse F16J 15/16  (2006.01)  A,  F,  I,  20090716,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Dichtungsartikel für dynamische Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer, und eine darauf angeordnete gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere Beschichtung, wobei das Substrat im Dichtungsbereich des Dichtungsartikels wenigstens teilweise durch Erhöhungen strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung nachbildet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Dichtungsartikel für dynamische Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer und eine darauf angeordnete gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere Beschichtung, wobei das Substrat im Dichtungsbereich des Dichtungsartikels wenigstens teilweise durch Hintereinander angeordnete Erhöhungen strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung nachbildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dichtungsartikels.

Für dynamisch belastete Dichtungsartikel wie z. B. Wellendichtringe, deren Aufgabe es ist, bei der Abdichtung bewegter Maschinenteile zwei Räume, die eine gemeinsame bewegte Grenzfläche aufweisen, den Austausch von Flüssigkeiten und/oder Gasen zu verhindern bzw. zu minimieren, war es bisher nicht sinnvoll möglich eine Oberflächenstrukturierung im Dichtspalt auszuführen, da durch den Gebrauchsverschleiß dort die Struktur schnell abgeschliffen werden würde. Oberflächenstrukturierungen sind bisher nur als hydrodynamische Dichthilfen z. B. als Dralllippen bekannt.

Es ist bekannt, dass der Verschleißfortschritt einer dynamischen Dichtung nicht linear verläuft.

Die 1 zeigt einen typischen qualitativen Verlauf des Dichtungsverschleißes einer dynamisch belasteten Dichtung (aus: „Bestimmung und Vorhersage des Verschleißes für Auslegung von Dichtungen”; Dissertation von Christoph Debler, Universität Hannover, 2005 ).

Dabei bedeuten die Bezugszeichen:

  • 30 – Einlaufphase
  • 31 – stationäre Phase
  • 32 – progressive Phase.

Die Figur zeigt einen typischen Verschleißverlauf mit hohem Anfangsverschleiß in der Einlaufphase, gefolgt von geringem Verschleiß im weiteren Verlauf (stationäre Phase) und weiter gefolgt von sehr starkem Verschleiß (progressiver Verschleiß), der schnell zum Funktionsverlust der Dichtung führt. Ein derartiger Verschleißverlauf ist typisch für dynamische Dichtungen.

Genauere Untersuchungen der verschlissenen Oberfläche zeigen eine feine Oberflächenstruktur auf. Die 2 bildet primäre und sekundäre Abrasionsspuren auf Gummi mit Modellelement für den Verschleiß und die 3 ein Verschleißbild einer NBR-Oberfläche (gefüllt) ab (beide aus: „Tribology of Elastomers”; S.-W. Zhang, Editor: B. J. Briscoe, Elsevier B. V. Amsterdam, 2004 ). Die jeweilige Struktur im Detail hängt von den verwendeten Materialien ab. Derartige Strukturen erinnern auch an natürliche Strukturen, wie bei der Haifischhaut oder dem Sahara-Sandskink. 4 stellt die Haut des Hammerhais dar, (aus: Zentrum für Mikroskopie der Universität Basel; Biozentrum, Pharmazenturm; Bild des Monats Juni 2007, http://pages.unibas.ch/SEM/BildMonat/b07/juni07.html ) und die 5 stellt REM-Aufnahmen eines Sandskinks-Schuppen mit Mikrograten und Nanozacken dar. Der Abstand der Nanograte beträgt 6 &mgr;m, der Durchmesser der Nanozackenspitzen 40 nm (aus: „Der Sandskink der Sahara-Vorbild für Reibungs- und Verschleißminderung”; Ingo Rechenberg und Abdullah Regabi El Khyari, Fachgebiet Bionik & Evolutionstechnik; Technische Universität Berlin, REM-Aufnahmen: M. Zwanzig, Fraunhofer IZM ). Die Haifischhaut stellt eine strömungsgünstige Oberfläche für Wasser dar, da sie für eine Verringerung von Querströmungen sorgt. Technische verwandte Oberflächen weisen eine Rillenstruktur auf (Ribletstruktur). Die Sandskink-Oberfläche erlaubt eine verschleißarme Bewegung im Sand.

Aus dem Vorbild der Natur kann man die Schlussfolgerung ziehen, dass Oberflächenstrukturen Reibung und Verschleiß reduzieren können, so dass sich hierdurch ein energetisch stabileres System einstellt (stationäre Phase in 1). Während die Natur in der Lage ist dem verbleibenden Restverschleiß z. B. durch das Nachwachsen von Schuppen zu begegnen, ist in technischen Systemen häufig mit dem raschen Totalausfall zu rechnen. Die 6 zeigt Modellelemente die den Fortschritt des Verschleißes am Elastomerdichtringen nachvollziehen, wie sie im progressiven Verschleißbereich zu erwarten sind. Dabei stellt die 6a ein Modellelement für den primären, die 6b für den sekundären und die 6c für den tertiären Verschleiß dar (Quelle wie 2). Entsprechendes ist bei an der Natur orientierten technischen Lösungen zu berücksichtigen.

Betrachtet man dynamische Dichtungen nach dem Stand der Technik bei typischen Einsatzbedingungen und aus typischen Materialien, so führen die Verschleißkoeffizienten zu einem Materialabtrag bei derartigen Wellendichtringen von einigen hundert Mikrometern nach wenigen hundert Kilometern Gleitweg.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es einen Dichtungsartikel für dynamische Belastungen mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Insbesondere war es das Ziel, den Gleitreibungskoeffizienten im Einsatz zu verbessern, ohne einen zu hohen Verschleißkoeffizienten in Kauf nehmen zu müssen. Diese Eigenschaften sollten bevorzugt auch im Mangelschmierungsbereich, wie z. B. bei Wellen- und Gleitringdichtungen auftreten. Zu den verbesserten Eigenschaften in diesem Zusammenhang gehören bevorzugt darüber hinaus das Erreichen eines erhöhten Maximum des Pressungsgradienten (Die 7 stellt ein typisches Pressungsprofil und einen typischen Pressungsgradienten in Abhängigkeit von der Spalthöhe für eine Dichtlippenpressung dar, Quelle wie 1) und eine Erweiterung des Mischreibungsgebietes, wie es z. B. durch die Stribeckkurve ( Stribeck, R.; „Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager”; Berlin, Springer, 1903 ) darstellbar ist. Als Stribeck-Kurve bezeichnet man die überlagerte Kurve aus abnehmender Reibung im Mischreibungsgebiet und zunehmender Reibung im Gebiet des voll ausgebildeten hydrodynamischen Tragens ab dem Ausklinkpunkt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Dichtungsartikel für dynamische Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer, und eine darauf angeordnete gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat im Dichtungsbereich des Dichtungsartikels wenigstens teilweise durch Erhöhungen strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung nachbildet.

Unter „Abrasionsstabilerer Beschichtung” ist dabei zu verstehen, dass die Abrasion des Dichtungsartikels mit Beschichtung gegenüber einem Artikel ohne Beschichtung herabgesetzt ist. Dies kann der Fachmann leicht durch Abrasionsversuche feststellen.

Der „Dichtungsbereich” ist dabei die Fläche oder die Flächen (bzw. der unmittelbar darunter liegende Bereich) des Dichtungsartikels, die Teil eines Reibpaares während des dynamischen Dichtungsvorganges ist oder sind.

Erhöhungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind keine Strukturierungen, die so gestaltet sind, dass eine Gleitmittelförderung mittels Mikropumpwirkung unterstützt wird, es sei denn, dass sie in den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen vorliegen.

Die Erhöhungen sind erfindungsgemäß bevorzugt bezogen auf die Richtung der dynamischen Belastung wenigstens teilweise hintereinander angeordnet. Dabei sind eine Reihe von Mustern denkbar, wobei der Fachmann bevorzugt darauf achten wird, dass keine direkte (gradlinig durchgehende) Verbindung von abzudichtenden Bereichen zur Umgebung oder zueinander gegeben ist.

Dem Fachmann ist unmittelbar verständlich, dass sich erfindungsgemäß die Beschichtung wenigstens teilweise auf dem Polymer und/oder Elastomer befindet.

Die 8 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Dichtungsartikels im Zusammenspiel mit einer Fläche gegen die abgedichtet werden soll. Dabei stellen dar:

  • 1 – Raum mit Medium höherer Viskosität (bevorzugt Oel oder ein anderes Schmiermittel)
  • 3 – Raum mit Medium geringerer Viskosität (z. B. Luft)
  • 4 – Fläche gegen die abgedichtet werden soll
  • 5 – Dichtspalt
  • 7 – Bauteil mit der Fläche gegen die abgedichtet werden soll (z. B. eine Welle)
  • 9 – Volumen der Erhöhung
  • 11 – Raum zwischen den Erhöhungen
  • 13 – Breite der Erhöhung
  • 15 – Breite des Vertiefungsmaximums

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, wobei der Abstand der Erhöhungsmaxima der Strukturierung zueinander 10 bis 500 &mgr;m, bevorzugt 30 bis 300 &mgr;m, besonders bevorzugt 50 bis 250 &mgr;m beträgt. Sofern es sich bei den Erhöhungsmaxima um ein Plateau handelt, sind jeweils die Abstände der äußeren sich gegenüberliegenden Plateaugrenzen zueinander gemeint, d. h. von Plateauende der einen Erhöhung zum Plateaubeginn der nächsten Erhöhung.

Ebenfalls bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, bei dem die Höhe der Erhöhungen 0,1–100 &mgr;m, vorzugsweise 0,5–50 &mgr;m und weiter bevorzugt 1–30 &mgr;m beträgt.

Weiterhin bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei die Erhöhungen die Form eines gleichschenkligen oder ungleichschenkligen Dreiecks oder eines Trapezes oder eines Trapezes mit abgerundeten Ecken besitzen. Dabei dürfen sowohl die Dreiecke als auch die Trapeze um Bereich ihrer Ecken deutlich abgerundet sein.

9 stellt die Detailseitenansicht einer Erhöhung einer Strukturierung eines erfindungsgemäßen Dichtungsartikels dar. Dabei besitzen die Bezugszeichen 1 und 3 die gleichen Bedeutungen wie in der 8.

Sofern trapezförmige Erhöhungen eingesetzt werden, sind die Erhöhungsmaxima (und ggf. auch die Minima, also die Vertiefungsmaxima) der Erhöhungen plateauförmig. Bevorzugt besitzen die plateauförmigen Erhöhungen eine Breite von 1–500 &mgr;m, bevorzugt 30–300 &mgr;m und weiter bevorzugt von 50–250 &mgr;m und/oder ebenfalls bevorzugt die Vertiefungsmaxima eine Breite 0,5–300 &mgr;m, bevorzugt 20–200 &mgr;m und weiter bevorzugt von 30–150 &mgr;m. Dabei ist oft bevorzugt, dass das Volumen der Erhöhungen kleiner ist als das Volumen zwischen den Erhöhungen, so dass in diesem Fall die Angaben zu den Erhöhungen und Vertiefungen nicht unabhängig voneinander sind.

Erfindungsgemäß ist darüber hinaus bevorzugt ein Dichtungsartikel, wobei der Dichtungsartikel dazu bestimmt ist, Räume mit Medien unterschiedlicher Viskosität (1, 3) voneinander zu trennen und die Strukturierung im Dichtungsbereich wenigstens teilweise so ausgestaltet ist, dass der Pressungsgradient auf der dem Raum mit Medium geringerer Viskosität zugewandten Seite geringer ist als auf der diesem Raum abgewandten Seite.

Die Räume unterschiedlicher Viskosität sind dabei häufig einerseits ein Oel bzw. ein anderes Schmiermittel enthaltender Raum (auch als „Hochdruckseite” bezeichnet, dieser Raum wird im Rahmen dieser Anmeldung stets als der Raum mit Medium erhöhter Viskosität betrachtet) und andererseits ein weiterer Raum, der z. B. Luft enthalten kann (auch als „Atmosphärenseite” bezeichnet, im Rahmen dieser Anmeldung als Raum mit Medium mit niederer Viskosität bezeichnet).

Die „Pressung” ist die Kraft pro Fläche bzw. Flächenelement, die auf die Dichtfläche einwirkt.

Um einen Pressungsgradienten auf der dem Raum mit geringerer Viskosität zugewandten Seite zu erreichen, der geringer ist als der auf der diesem Raum abgewandten Seite im Dichtungsbereich, wird der Fachmann eine entsprechende räumliche Gestaltung der Strukturierung wählen. Bevorzugt wird er mit Hilfe der nachfolgenden Angaben vorgehen:

Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Strukturierung auf der dem Raum mit Medium geringerer Viskosität zugewandten Seite ein geringeres Höhengefälle besitzt als auf der diesem Raum abgewandten Seite, wobei das Höhengefälle bezogen ist auf die Fläche gegen die abgedichtet werden soll. Eine entsprechende Ausgestaltung ist für zwei Ausgestaltungsformen aus den 9a und 9b zu entnehmen. Dabei wählt der Fachmann den Winkel &agr; für den zum Raum mit Medium höherer Viskosität (nachfolgend auch „Oelseite”) ausgerichteten Bereich der Erhöhung gleich oder bevorzugt kleiner als den Winkel &bgr; für den Bereich, der zum Raum mit Medium geringerer Viskosität zugewandten Seite (nachfolgend auch „Luftseite”), aus (vergleiche 9a und 9b).

Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, wobei das Volumen des Raumes zwischen den Erhöhungen größer oder gleich dem Volumen der Erhöhungen ist. Diese entsprechenden Räume sind mit dem Bezugszeichen 9 und 11 in der 8 bezeichnet.

Die 10 stellt qualitativ die Dichtlippenpressung für ein strukturiertes Dichtungsprofil eines erfindungsgemäßen Dichtungsartikels dar. Dabei haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung:

  • 1 Raum mit Medium höherer Viskosität
  • 3 Raum mit Medium geringerer Viskosität
  • 16 Dichtungsprofil
  • 17 Pressungsprofil
  • 19 Pressungsgradient

Die 11 zeigt einen bevorzugten Höhenlinienverlauf der Erhöhungen der Strukturierung. Die Bezugszeichen stehen für folgendes:

  • 21 Dichtflächenbereich
  • 23 Verlauf des Erhöhungsmaximums (einer Erhöhung)
  • 25 Drehrichtung (z. B. einer Welle)
  • 27 Wellenlängsrichtung

Überraschenderweise stellt man bei dem erfindungsgemäßen Dichtungsartikel (insbesondere in den bevorzugten Ausführungsformen) eine erhebliche Reibungsreduktion fest. Dies ist deshalb überraschend, weil bekannt ist, dass die Reibungskraft unabhängig von der Presskraft an den Untergrund ist, welche durch die Gewichtskraft verursacht wird. Die erfindungsgemäße Reibungsreduktion wird daher nicht primär auf eine Reduzierung der Reibfläche zurückgeführt, sondern insbesondere für die Dichtung in Zusammenarbeit mit Schmiermitteln durch die Bereitstellung eines Reservoirs (in dem sich eben auch Schmiermittel befinden kann) in den Vertiefungen der Struktur und auf eine Optimierung des Pressungsgradientenverlaufes, wie er aus der 10 entnehmbar ist.

Die erfindungsgemäß auf dem elastomeren Substrat vorgesehenen Schichten sind teilweise aus der WO 03/002269 bekannt. Es findet sich aber keinerlei Hinweis auf den Einsatz der Schichten im Zusammenhang mit Elastomeren, insbesondere nicht auf die überraschend hohe Abriebswiderstandsfähigkeit im Zusammenhang mit elastomeren Dichtkörpern, insbesondere solchen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Dichtungsartikel, wobei die Beschichtung eine plasmapolymere Schicht umfasst oder aus ihr besteht.

Eine ”plasmapolymere Schicht” bzw. Beschichtung ist im Rahmen dieses Textes eine Schicht, welche mittels Plasmapolymerisation herstellbar ist. Plasmapolymerisation ist ein Verfahren, bei dem sich gasförmige Precursoren (oft auch Monomere genannt), angeregt durch ein Plasma, auf einem frei wählbaren Substrat als hochvernetzte Schicht niederschlagen. Voraussetzung für eine Plasmapolymerisation ist das Vorhandensein von kettenbildenden Atomen wie Kohlenstoff oder Silizium im Arbeitsgas. Durch die Anregung werden die Moleküle der gasförmigen Substanz (Precursoren), durch den Beschuss mit Elektronen und/oder energiereichen Ionen fragmentiert. Dabei entstehen hochangeregte radikalische oder ionische Molekülfragmente, die miteinander im Gasraum reagieren und auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden werden. Auf diese abgeschiedene Schicht wirkt die elektrische Entladung des Plasmas und dessen intensiver Ionen- und Elektronenbeschuss fortwährend ein, so dass in der abgeschiedenen Schicht weitere Reaktionen ausgelöst und eine hochgradige Verknüpfung der abgeschiedenen Moleküle erzielt werden kann.

Im Rahmen des vorliegenden Textes umfasst der Begriff ”plasmapolymere Schicht” auch Schichten, die mittels plasmaunterstützter CVD (PE-CVD) hergestellt werden können. Hierbei wird zur Reaktionsführung das Substrat zusätzlich erwärmt. So lassen sich beispielsweise aus Silan und Sauerstoff SiO2-Beschichtungen herstellen. Ferner sei ausdrücklich erwähnt, dass auch Atmosphärendruckplasmaverfahren zur Herstellung erfindungsgemäß einzusetzender plasmapolymerer Schichten verwendet werden können, wenngleich Niederdruck-Plasmapolymerisationsverfahren derzeit bevorzugt sind.

Im Rahmen des vorliegenden Textes werden Substanzen, die zur Schichtbildung über eine Plasmapolymerisation als Gas bzw. Dampf einem Plasma zugeführt werden, als ”Monomere” (gasförmige Precursoren) bezeichnet. Als ”flüssige Precursoren” werden Flüssigkeiten bezeichnet, welche beispielsweise durch die Einwirkung eines Plasmas vernetzt werden können (beispielsweise durch hochangeregte Teilchen, Elektronen oder UV-Strahlung), ohne vorher zu verdampfen.

Als Precursoren eignen sich neben siliziumorganischen Verbindungen insbesondere auch reine Kohlenwasserstoffverbindungen zur Herstellung von DLC (Diamond like Carbon)-Schichten bzw. a-CH-Schichten (armorphe Kohlenwasserstoff-Schichten).

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Dichtungsartikel, wobei die Beschichtung eine amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht (a-CH–Schicht) umfasst oder aus ihr besteht oder eine DLC-Beschichtung umfasst oder aus ihr besteht.

Eine a-CH-Schicht zeichnet sich durch einen Anteil von ca. 20–40% an sp3-Hybridisierung des Kohlenstoffs aus. Allerdings lassen sich nahezu beliebige Verhältnisse zwischen sp3 und sp2-Hybriden einstellen und damit die Härte über weite Bereiche steuern. Steigt in einer solchen armorphen, wasserstoffhaltigen Schicht der sp3-Hybridenanteil an und nimmt der Wasserstoffanteil gleichzeitig ab spricht man auch von ta-CH-Beschichtungen. (siehe 29.7 in ISBN 978-3-527-40673-9, Low Temperature Plasmas (Vol. 2); edited by R. Hippler, H. Kersten, M. Schmidt, K. H. Schoenbach ). Eine genaue Einteilung der DLC (Diamond like Carbon)-Schichttypen ist in der VDI-Richtlinie 2840 bzw. http://www.ist.fraunhofer.de/c-Produkte/tab/komplett.html zu finden. (t)a-CH-Schichten sind Sonderformen von DLC-Schichten.

Eine a-CH-Schicht lässt sich insbesondere durch die Verwendung von PECVD-Prozessen mit Hilfe von kohlenwasserstoffhaltigen Precursoren wie C2H2, C2H4, C2H6 erzeugen. Weitere Informationen zu DLC-Schichten finden sich im Diamond Films Handbook (2002) .

Die Vorteile einer amorphen Kohlenwasserstoff-Schicht mit ihren typischen Härten im Bereich 0,05–2000 HV liegen insbesondere darin, dass sich der Reibwert der Schichtoberfläche beeinflussen lässt: Durch den armorphen Aufbau sind solche Schichten vollständig kovalent gebunden. Hierdurch besitzen sie eine sehr geringe Adhäsionsneigung in Kontakt zu metallischen Kontaktpartnern und sind unter tribologischen Beanspruchungen besonders unter Misch- und Trockenreibungsbedingungen von Vorteil. Für den Einsatz auf Elastomeren sind insbesondere a-CH-Beschichtungen im für diese Beschichtungen unteren Härte- und Schichtdickenbereich (Härte ≤1000 HV und Schichtdickenbereich bis 1 &mgr;m, vorzugsweise bis 0,5 &mgr;m) interessant, da sowohl das Elastomer, als auch eine siliziumorganische plasmapolymere Beschichtung deutlich geringere Härten aufweisen werden. Modifikationen von a-CH-Beschichtungen mit Si oder Si und 0 sind oft ebenfalls vorteilhaft, da sie die Oberflächenenergie erniedrigen können.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei die Beschichtung des Substrates (gegebenenfalls einschließlich der a-CH-Beschichtung) eine Dicke von 1 bis 10000 nm, bevorzugt 10 bis 2000 nm, weiter bevorzugt 20 bis 1000 nm und besonders bevorzugt 50 bis 500 nm besitzt. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jeweils ein Schichtaufbau als Gradientenschicht oder ein Mehrschichtaufbau, bei dem die Härte vom Substrat zur Beschichtungsoberfläche (der vom Substrat abgewandten Seite) gesteigert wird. Für bestimmte Anwendungen kann es dabei bevorzugt sein, dass bei einem Mehrschichtaufbau auch Stützschichten eingebaut werden.

Stützschichten sind solche, die in einem Schichtaufbau für einen stabilen mechanischen Unterbau sorgen und die eigentliche ggf. weichere Funktionsschicht (die der Reibung direkt ausgesetzte Schicht) tragen, so dass hier mechanische Last abgefangen und verteilt werden kann. Sie verbessern die mechanische Stabilität von Dünnschichtsystemen. Innerhalb der siliziumorganischen Beschichtungen wird der Fachmann den Anteil von Si-O- und/oder Si-CH2-Si-Verbindungen für Stützschichten erhöhen.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Artikel, wobei die Oberflächenenergie der Beschichtung auf der vom Substrat abgewandten Seite 25–40 mN/m und/oder der Gleitreibungskoeffizient der Beschichtung im trockenen Zustand ≤0,35, vorzugsweise ≤0,25 und weiter bevorzugt ≤0,2 beträgt.

Bevorzugt beträgt die Härte der Beschichtung (gemessen mittels Nanoidentation) 0,5–15 GPa. Die Messung mittels Nanoidentation erfolgt bevorzugt mit dem in der WO 2009/056635 im Beispiel 2 offenbarten Verfahren.

In den angegebenen Parameterfeldern (Oberflächenenergie und Härte) ist der erfindungsgemäße Artikel besonders geeignet, für Verwendung in Systemen, wo der zu dichtende primäre Dichtspalt ein dynamischer Dichtspalt ist.

Bevorzugt weist die Beschichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 0,1 bis 1,0 W/mK, bevorzugt 0,1 bis 0,2 W/mK auf.

Bevorzugte Beispiele für das Substrat sind

NR (Naturgummi), CR (Chloropren-Elastomer), IIR (Isobuten-Isopren-Elastomer), [H]NBR [Hydriertes](Acrylnitril-Butadien-Elastomer), AU (Polyester-Urethan), EU (Polyether-Urethan), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Elastomer), MQ (Methylen-Silikon-Elastomer), VMQ (Vinyl-Methyl-Silikon-Elastomer), PMQ (Phenyl-Methyl-Silikon-Elastomer), FMQ (Fluor-Methyl-Silikon-Elastomer), FKM (Fluor-Elastomer), FEPM (Tetrafluorethylen-Propylen-Elastomer), FFKM (Perfluor-Elastomer).

Dem Fachmann ist bewusst, dass die Flexibilität des Dichtungsmaterials mit zunehmenden Vernetzungsgrad der Beschichtung und zunehmender Beschichtungsdicke abnehmen wird. Hierdurch wird er die Dichtigkeit beeinflussen.

Weiterhin kann der Fachmann die Oberflächenenergie und Härte der Beschichtung so wählen, dass eine einwandfreie Benetzung der Oberfläche mit den abzudichtenden Oelen bzw. Fetten gegeben ist, so dass eine gute elastohydrodynamische Schmierung gewährleistet ist.

Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Artikel ein Radialwelldichtring, eine Kolbendichtung, eine Stangendichtung oder eine Gleitringdichtung.

Erfindungsgemäß bildet die Beschichtung die Oberflächentopographie des Substrates ab. Dies ist besonders gut möglich aufgrund der besonderen Eigenschaften plasmapolymerer Schichten.

Die erfindungsgemäßen Artikel, insbesondere die bevorzugten Ausführungsformen, besitzen eine Oberflächenenergie, die eine flächige Benetzung mit den typischen Gleitmitteln wie z. B. Chemieoelen, wie sie im Automobilbereich eingesetzt werden, zu gewährleisten. Hierdurch ist ein Reibungssystem gegeben, welches sich von einer trockenen Festkörper-Festkörper-Reibung deutlich unterscheidet. Des Weiteren weisen die erfindungsgemäßen Artikel, insbesondere in bevorzugten Ausführungsformen, eine höhere Härte als das (elastomere) Substrat auf. Die Wärmeleitfähigkeit bevorzugter erfindungsgemäßer Schichten liegt im Bereich von 0,1 bis 1,0 W/m K und somit im Bereich vieler Elastomere. Ihre thermische Beständigkeit kann jedoch in den bevorzugten Ausführungsformen deutlich höher als die der Elastomere ausgestaltet sein. Aufgrund der dreidimensionalen Vernetzung von plasmapolymeren Schichten ist die Wärmeausdehnung innerhalb der Schicht geringer als die von Elastomeren. Sie besitzen darüberhinaus (abhängig von der Ausstattungsform) eine hohe chemische Beständigkeit und quellen nicht auf.

Bei der geometrischen Auslegung der Dichtfläche ist bevorzugt darauf zu achten, dass entlang der Höhenlinien der Strukturen keine direkte Verbindung vom abzudichtenden Bereich (Oel) zur Luftseite entsteht. Dann sind Anordnungen in Wellenlängsrichtung untersagt, da hierdurch die statische Abdichtung nicht mehr gewährleistet werden kann. Höhenlinien quer zur Wellenlängsrichtung sind dagegen erlaubt, reduzieren jedoch den Reibwert nicht so stark.

Bevorzugt ist eine Struktur, wie sie in 11 dargestellt ist. Dabei ist es unerheblich, ob genau der 45° Winkel eingehalten wird oder ob die Richtungswechsel der Höhenlinie abrupt oder langsam erfolgen. Bei der dargestellten Variante sind die geometrischen Verhältnisse für eine Rechts- und Linksdrehung der Welle gleich.

Die Anzahl der Höhenlinien nebeneinander hängen von der notwendigen Pressungskraft ab, da hier einzelne Höhenlinien der Struktur nicht überbeansprucht werden sollen.

Bestandteil der Erfindung ist auch die Verwendung einer Beschichtung wie sie als Beschichtung für die erfindungsgemäß strukturierten Artikel beschrieben ist, zur Verbesserung der dynamischen Belastbarkeit eines elastomeren/polymeren Substrates.

Bestandteil der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtungsartikels, umfassend die Schritte:

  • a) Bereitstellen eines Substrates bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer,
  • b) Strukturieren des Substrates, so dass eine Strukturierung entsteht, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert.
  • c) Beschichten des Substrates wenigstens im Bereich der in Schritt b) erzeugten Strukturierung mit einer Beschichtung, wie in einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 13 definiert.

Nachfolgend wird anhand eines Beispieles die Wirkungsweise der Erfindung deutlich gemacht. Das Beispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen:

Beispiel 1:

Die Reibungskoeffizienten wurde durch Kraftmessungen mit Hilfe von Zugversuchen von gewogenen Stahlgewichten (Werkstoffbezeichnung: X5CrNi18-9 mit polierter Oberfläche) auf einer ebenen Gummiplatte ermittelt. Die Kraftmessung erfolgte in der horizontalen parallel zur Prüfplatte. Dabei wurde zunächst der Haftreibungskoeffizient ermittelt und anschließend die Kraft ermittelt, die notwendig war den Prüfkörper in Bewegung zu halten, um den Gleitreibungskoeffizienten zu bestimmen.

Als Versuchsmaterial wurde eine strukturierte und eine glatte NBR-Platte der Größe 80 × 200 mm mit einer Shore A-Härte zwischen 60 und 80 des Lieferanten Benien verwendet, welches mit Hilfe einer wässrigen Vorreinigung (Tickopur R30 im Ultraschallbecken) an der Oberfläche sorgfältig gereinigt wurde. Eine Plasmaaktivierung des Substrates erfolgte mit einer H2/N2-Mischung von 900/200 sccm für 300 sec und 2000 W. Alle Versuche wurden trocken ausgeführt.

12 stellt die Seitenansicht der strukturierten Dichtfläche aus Beispiel 1 dar. Es handelt sich um Wellenstrukturen in einer Höhe von ca. 110 &mgr;m und einen Abstand der Höhenmaxima von ca. 670 &mgr;m. Dabei stellt die Strecke A-B die Höhe und die Strecke C-D den Maximalabstand dar.

Als Beschichtungen wurde eine plasmapolymere Beschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten ausgewählt (siehe Tabelle 1). Die Beschichtung war haft- und wischfest auf den beiden NBR-Oberflächen. Die Beschichtungen wurden durchgeführt in einer 1 m3-Plasmaanlage mit seitlich angebrachten Stabelektroden (Beschreibung siehe ISBN 978-3-86727-548-4 „Aufskalierung plasmapolymerer Beschichtungsverfahren”, Seite 21–26 von Dr. Klaus Vissing ). Die Substrate waren frei floated in der Kammermitte eingebracht.

Die Beschichtung zeichnet sich durch eine niedrigere Oberflächenenergie von ca. 29 mN/m aus. Sie lassen sich mit handelsüblichen Motorenoel ( Megol Motorenöl HD – C3 SAE 15W-40”, Fa. Meguin ) benetzen.

In Tabelle 2 sind die Haft- und Gleitreibungskoeffizienten jeweils für das glatte und das strukturierte Gummimaterial mit und ohne Oel für den beschichteten und unbeschichteten Fall angegeben. Zusätzlich wird im Falle des strukturierten Materials zwischen zwei Richtungen unterschieden: a.) Zugrichtung parallel in Richtung der Rillenstruktur und b.) Zugrichtung quer zur Richtung der Rillenstruktur. Gasart Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4 Schritt 5 Schritt 6 Schritt 7 Gas 1 O2 200 20 100 100 100 Gas 2 H2 900 200 200 200 0 0 0 Gas 3 HMDSO 27 27 27 27 27 Leistung [W] 2000 1000 1000 1600 2500 0 1100 Zeit [s] 300 60 60 240 1100 60 1100 Druck [mbar] 0.045 0,025 0,025 0,023 0,023 0,023 0,023
Tabelle 1: Plasmabeschichtungsparameter für Beispiel 1

Die Ergebnisse zeigen:

  • • Durch die Plasmabeschichtung wird der Gleitreibungskoeffizient im trockenen Zustand sowohl für die strukturierte, als auch für die glatte Probe auf einen Wert von ca. 0,19 herab gesetzt.
  • • Im unbeschichteten Fall (glatte Probe) wird durch die Zugabe einer geringen Menge von Oel bei Raumtemperatur die Gleitreibung im Vergleich zum trockenen deutlich herab gesetzt.
  • • Im unbeschichteten Fall (strukturierte Probe) wird durch die Zugabe einer geringen Menge von Oel bei Raumtemperatur die Gleitreibung im Vergleich zum trockenen Zustand kaum verändert. Sie ist insgesamt geringer, als für die glatte Probe mit Oel.
  • • Tendenziell sind die Gleitreibungskoeffizienten für die Zugrichtung quer zur Rillenstruktur niedriger, als in Richtung der Struktur.
  • • Im plasmabeschichteten Zustand ergibt sich für die glatte Probe mit Oel ein Gleitreibungskoeffizient, der ähnlich dem des unbeschichteten Zustandes ist.
  • • Im plasmabeschichteten Zustand ergibt sich für die strukturierten Proben mit Oel ein Gleitreibungskoeffizient, der ähnlich dem des beschichteten Zustandes ohne Oel ist.

Es zeigt sich, dass durch die Beschichtung auf der erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche der Gleitreibungskoeffizient auch bei Zugabe von Oel nahezu Werte aufweist, wie sie im trockenen Zustand erreicht werden. Diese Ergebnisse stellen eine deutliche Verbesserung zur unstrukturierten Oberfläche dar. Durch mikroskopische Beobachtung konnte erkannt werden, dass sich das Oel in der Rillenstruktur sammelt und so als Schmierstoffreservoir zur Verfügung steht. Schicht Oberflächenstruktur/mit bzw. ohne Oel/in bzw. quer zur Struktur Schichtdicke [nm] Gleitreibungskoeffizient unbeschichtet glatt/ohne Oel 1,4 unbeschichtet glatt/mit Oel 0,73 unbeschichtet strukturiert/ohne Oel/in Richtung der Struktur 0,53 unbeschichtet strukturiert/ohne Oel/quer zur Strukturrichtung 0,45 unbeschichtet strukturiert/mit Oel/in Richtung der Struktur 0,57 unbeschichtet strukturiert/mit Oel/quer zur Strukturrichtung 0,33 plasmabeschichtet glatt/ohne Oel 250 0,19 plasmabeschichtet glatt/mit Oel 250 0,62 plasmabeschichtet strukturiert/ohne Oel/in Richtung der Struktur 250 0,19 plasmabeschichtet strukturiert/ohne Oel/quer zur Strukturrichtung 250 0,19 plasmabeschichtet strukturiert/mit Oel/in Richtung der Struktur 250 0,23 plasmabeschichtet strukturiert/mit Oel/quer zur Strukturrichtung 250 0,16
Tabelle 2: Reibungskoeffizienten im Vergleich (Messungen bei 20°C)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • - WO 03/002269 [0031]
  • - WO 2009/056635 [0044]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • - „Bestimmung und Vorhersage des Verschleißes für Auslegung von Dichtungen”; Dissertation von Christoph Debler, Universität Hannover, 2005 [0004]
  • - „Tribology of Elastomers”; S.-W. Zhang, Editor: B. J. Briscoe, Elsevier B. V. Amsterdam, 2004 [0007]
  • - Zentrum für Mikroskopie der Universität Basel; Biozentrum, Pharmazenturm; Bild des Monats Juni 2007, http://pages.unibas.ch/SEM/BildMonat/b07/juni07.html [0007]
  • - „Der Sandskink der Sahara-Vorbild für Reibungs- und Verschleißminderung”; Ingo Rechenberg und Abdullah Regabi El Khyari, Fachgebiet Bionik & Evolutionstechnik; Technische Universität Berlin, REM-Aufnahmen: M. Zwanzig, Fraunhofer IZM [0007]
  • - Stribeck, R.; „Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager”; Berlin, Springer, 1903 [0010]
  • - ISBN 978-3-527-40673-9, Low Temperature Plasmas (Vol. 2); edited by R. Hippler, H. Kersten, M. Schmidt, K. H. Schoenbach [0038]
  • - VDI-Richtlinie 2840 bzw. http://www.ist.fraunhofer.de/c-Produkte/tab/komplett.html [0038]
  • - Diamond Films Handbook (2002) [0039]
  • - ISBN 978-3-86727-548-4 „Aufskalierung plasmapolymerer Beschichtungsverfahren”, Seite 21–26 von Dr. Klaus Vissing [0062]
  • - Megol Motorenöl HD – C3 SAE 15W-40”, Fa. Meguin [0063]


Anspruch[de]
Dichtungsartikel für dynamische Belastungen, umfassend ein Substrat, bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer, und eine darauf angeordnete gegenüber dem Elastomer und/oder Polymer abrasionsstabilere Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat im Dichtungsbereich des Dichtungsartikels wenigstens teilweise durch Erhöhungen (9) strukturiert ist und die Beschichtung die Konturen der Strukturierung nachbildet. Dichtungsartikel nach Anspruch 1, wobei der Abstand der Erhöhungsmaxima der Strukturierung zueinander 10 bis 500 &mgr;m, bevorzugt 30 bis 300 &mgr;m, besonders bevorzugt 50 bis 250 &mgr;m beträgt. Dichtungsartikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erhöhungen die Form eines gleichschenkligen oder ungleichschenkligen Dreiecks oder eines Trapezes oder eines Trapezes mit abgerundeten Ecken besitzen. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Dichtungsartikel dazu bestimmt ist, Räume mit Medien unterschiedlicher Viskosität (1, 3) voneinander zu trennen und die Strukturierung im Dichtungsbereich wenigstens teilweise so ausgestaltet ist, dass Pressungsgradient auf der dem Raum mit Medium geringerer Viskosität (3) zugewandten Seite geringer ist als auf der diesem Raum abgewandten Seite. Dichtungsartikel nach Anspruch 4, wobei die Strukturierung auf der dem Raum mit Medium geringerer Viskosität (3) zugewandten Seite ein geringeres Höhengefälle besitzt als auf der diesem Raum abgewandten Seite, wobei das Höhengefälle bezogen ist auf die Fläche (4) gegen die abgedichtet werden soll. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Volumen des Raumes (11) zwischen den Erhöhungen ≥ dem Volumen der Erhöhungen (9) ist. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine plasmapolymere Schicht umfasst oder aus ihr besteht. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht umfasst oder aus ihr besteht oder eine DLC-Beschichtung umfasst oder aus ihr besteht. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Gradientenschicht oder ein Mehrschichtsystem ist. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenenergie der Beschichtung auf der vom Substrat abgewandten Seite 25 bis 40 mN/m beträgt und/oder der Gleitreibungskoeffzient der Beschichtung im trockenen Zustand ≤0,35, vorzugsweise ≤0,25 und weiter bevorzugt ≤0,2 beträgt. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung gemessen mittels Nanoidentation eine Härte von 0,5–15 GPa besitzt. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Dicke von 1–10000 nm besitzt. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1 bis 1,0 W/mK besitzt. Dichtungsartikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Artikel ein Wellendichtring, insbesondere ein Radialwellendichtring, eine Kolbendichtung, eine Stangendichtung oder eine Gleitringdichtung ist. Verfahren zum Erzeugen eines Dichtungsartikels nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrates bestehend wenigstens teilweise aus einem Elastomer und/oder einem Polymer,

b) Strukturieren des Substrates, so dass eine Strukturierung entsteht, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert.

c) Beschichten des Substrates wenigstens im Bereich der in Schritt b) erzeugten Strukturierung mit einer Beschichtung, wie in einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 13 definiert.






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