Werkstoffe für Gleitringdichtungen: Vergleich von Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Wolframkarbid und Keramik

Kohlenstoffgraphit, Siliciumcarbid, WolframcarbidKeramik und andere Keramik gehören zu den bekanntesten Materialien.Werkstoffe für mechanische DichtflächenSie so zu vergleichen, als wären es vier austauschbare Härtegrade, führt jedoch zu einer falschen Materialauswahl.

Sie üben unterschiedliche Tätigkeiten aus.

Kohlenstoffgraphit wird vor allem wegen seiner geringen Reibung und seiner selbstschmierenden Eigenschaften geschätzt. Siliciumcarbid vereint hohe Härte mit starken chemischen und thermischen Eigenschaften.Wolframkarbid-DichtungsringeSie bieten hohe Verschleißfestigkeit und gleichzeitig eine mechanische Festigkeit, die insbesondere bei anspruchsvollen Einsatzbedingungen von Vorteil ist. Konventionelle Aluminiumoxidkeramik bietet eine harte, chemisch stabile und wirtschaftliche Passfläche für viele Standardpumpenanwendungen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da die Zuverlässigkeit von Dichtungen selten allein vom härteren Material abhängt.

Werkstoffe für Gleitringdichtungen: Kurzer Vergleich

Material	Hauptstärke	Hauptbeschränkung	Typische Auswahlrichtung
Kohlenstoffgraphit	Geringe Reibung, selbstschmierendes Verhalten, Anpassungsfähigkeit	Geringere Beständigkeit gegen starken Abrieb durch harte Partikel	Saubere oder nur leicht verunreinigte Flüssigkeiten; Passfläche gegen Wolframcarbid oder Siliziumkarbid; marginale Schmierung
Siliciumcarbid	Verschleiß-, Korrosions- und Wärmeverhalten	Mechanische Stöße und Kantenbelastung erfordern eine sorgfältige Konstruktion.	Chemikalien, Wasser, korrosive Flüssigkeiten, abrasive Medien mit kontrollierter Mechanik
Wolframcarbid	Verschleißfestigkeit plus vergleichsweise hohe mechanische Zähigkeit	Die chemische Zusammensetzung des Bindemittels muss mit der Prozessflüssigkeit übereinstimmen.	Schlamm, verschmutzte Flüssigkeiten, Vibrationen, mechanische Beanspruchung, hohe mechanische Belastung
Aluminiumoxidkeramik	Hart, chemisch stabil, wirtschaftlich	Geringere Wärmeleitfähigkeit als SiC und begrenzte Toleranz gegenüber starker mechanischer Beanspruchung	Wasserpumpen und Standard-/leichte bis mittelschwere Dichtungsanwendungen

Erstes Prinzip: Wähle ein Flächenpaar, nicht ein Material

Eine Gleitringdichtung funktioniert durch zwei extrem ebene Flächen – eine rotierende und eine stationäre – wobei ein mikroskopischer Flüssigkeitsfilm Reibung, Wärmeerzeugung und Leckage zwischen ihnen kontrolliert.

Die beiden Oberflächen interagieren daher tribologisch.

Hersteller von Industriedichtungen bieten Kombinationen wie die folgenden an:

● Kohlenstoffgraphit / Siliciumcarbid

● Kohlenstoffgraphit / Wolframcarbid

● Siliciumcarbid / Siliciumcarbid

● Wolframcarbid / Siliciumcarbid

● Wolframcarbid / Wolframcarbid

● Kohlenstoff-Graphit-/Aluminiumoxid-Keramik

EagleBurgmann führt beispielsweise Kohlenstoffgraphit, Siliciumcarbid, Wolframcarbid und Aluminiumoxid als Werkstoffoptionen für industrielle Pumpendichtungen auf.

Diese Liste realer Materialien verrät uns etwas Wichtiges: Es gibt keine einheitliche Materialhierarchie von „billig“ bis „hochwertig“. Jedes Material löst einen anderen Teil des Dichtungsproblems.

Kohlenstoff-Graphit: Die verzeihende Oberfläche

Kohlenstoffgraphit zählt nach wie vor zu den wichtigsten Werkstoffen für Gleitringdichtungen, da sein Wert nicht primär in seiner Härte, sondern in seinem Reibungsverhalten liegt.

Industrielle Kohlenstoffsorten können selbstschmierende Eigenschaften aufweisen und gegen deutlich härtere Gegenlaufflächen eingesetzt werden. Mersen beschreibt Kohlenstoff-Graphit-Dichtungsmaterialien als selbstschmierend, chemikalienbeständig in vielen Medien, wärmeleitend und für den Einsatz unter schwierigen Schmierbedingungen geeignet. Morgan Advanced Materials stellt ebenfalls imprägnierte Kohlenstoff-Graphit-Sorten speziell für Gleitringdichtungen und Anwendungen im Nass- oder Trockenlauf her.

Wo Kohlenstoff-Graphit gute Leistungen erbringt

● Reines Wasser und Prozessflüssigkeiten

● Kohlenwasserstoffe

● Anwendungen, bei denen die Schmierung gelegentlich unzureichend sein kann.

● Hart-Weich-Kombinationen aus Carbon/WC oder Carbon/SiC

● Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Verschleißfläche akzeptabel ist

Kohlenstoff ist auch mit verschiedenen Imprägnierungen, wie z. B. Harz- oder Metallsystemen, erhältlich. Diese Behandlungen beeinflussen Permeabilität, Festigkeit, chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit und Reibungsverhalten.

Aus diesem Grund ist „Carbon-Oberfläche“ keine vollständige Materialspezifikation.

Wo Kohlenstoff angreifbar wird

Harte Mineralpartikel können Kohlenstoff viel leichter schneiden und Rillen erzeugen als Wolframcarbid (WC) oder Siliziumkarbid (SiC). In stark verschmutzten Suspensionen kann der Kohlenstoff zum verschleißbegrenzenden Element der Gleitpaarung werden.

Siliziumkarbid: Hohe Verschleißfestigkeit, chemische Beständigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid ist eines der wichtigsten hochwertigen Hartmetallmaterialien, das in modernen Gleitringdichtungen verwendet wird.

CoorsTek berichtet, dass sein direktgesintertes SiC repräsentative Eigenschaften aufweist, darunter eine Biegefestigkeit von ca. 450 MPa und eine Zugfestigkeit von 3,5 MPa·m.^1/2Bruchzähigkeit, Wärmeleitfähigkeit um 170 W/m·K bei 20 °C und ein Wärmeausdehnungskoeffizient um 4,5 × 10⁻⁶.^-6/°C.

Diese Zahlen sollten nicht auf jeden SiC-Dichtungsring angewendet werden – reaktionsgebundene, direktgesinterte, flüssigphasengesinterte, graphithaltige und andere SiC-Sorten unterscheiden sich.

Die Daten zeigen jedoch, warum Siliziumkarbid attraktiv ist, wenn eine Dichtfläche folgende Eigenschaften aufweisen muss:

● Hohe Verschleißfestigkeit

● Hohe Chemikalienbeständigkeit

● Hohe Wärmeübertragungsfähigkeit

● Geringe Wärmeausdehnung

Langsun Carbide stellt herSiliziumkarbid-Dichtungsringeals Teil unserer umfassenderenSiliziumkarbid-VerschleißteileReichweite.

Bei sauberen oder mäßig abrasiven chemischen Flüssigkeiten, bei denen die Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund steht, ist SiC oft eines der ersten Materialien, die ich evaluiere.

Es findet auch breite Anwendung in Dichtungen für Wasser- und Prozesspumpen, und speziell entwickelte SiC-Varianten können Graphit oder eine kontrollierte Porosität enthalten, um das Schmierverhalten zu modifizieren.

Wolframcarbid: Wenn mechanische Belastbarkeit genauso wichtig ist wie Härte

Hartmetall ist grundlegend anders als eine monolithische Keramik. Harte WC-Körner werden durch ein metallisches Bindemittel – meist Kobalt oder Nickel – zusammengehalten.

Bei gängigen Hartmetallsorten liegt die Härte im Bereich von etwa 900–2200 HV30, die Bruchzähigkeit bei etwa 7–25 MPa·m.^1/2und eine Dichte von etwa 13–15,5 g/cm³.

Es handelt sich hierbei um allgemeine Materialfamilienbereiche, nicht um eine Spezifikation für Dichtungsringe.

Die technische Bedeutung liegt darin, dass Wolframcarbid durch Änderung des Bindemittelgehalts, der Bindemittelchemie und der WC-Korngröße auf eine höhere Verschleißfestigkeit oder eine höhere Bruchtoleranz eingestellt werden kann.

Wo Wolframcarbid seinen Platz verdient

Ich gebeWolframkarbid-DichtungsringeBesonderes Augenmerk gilt, wenn die Dichtflächen sowohl Verschleiß als auch mechanischer Instabilität standhalten müssen:

● Schleifschlamm

● Sand oder Mineralfeinanteil

● Verschmutztes Abwasser

● Vibration

● Druckzyklus

● Möglicher Partikeleinschlag

● Installations- oder Betriebsbedingungen, bei denen Kantenabsplitterungen ein glaubwürdiges Risiko darstellen

Hier liegt meiner Meinung nach das Missverständnis bezüglich WC. Sein Vorteil besteht nicht darin, dass es immer härter als SiC ist – das ist es nicht. Sein Vorteil ist die vorteilhafte Kombination aus Verschleißfestigkeit durch harte Partikel und mechanischer Zähigkeit, die in einem zementierten Verbundwerkstoff verfügbar ist.

WC-Co oder WC-Ni?

Das metallische Bindemittel ist auch eine der wichtigsten Auswahlfragen bei Wolframcarbid.

WC-Co findet breite Anwendung dort, wo Abrieb und mechanische Belastung dominieren. WC-Ni und andere korrosionsbeständige Bindemittelsysteme eignen sich möglicherweise besser, wenn die Korrosion von Kobalt ein Problem darstellt.

Die richtige Wahl erfordert die tatsächliche Prozesschemie – nicht einfach die Bezeichnung „Chemikalienpumpe“.

Aluminiumoxidkeramik: Ein praktischer Werkstoff, den man nicht unterschätzen sollte

Konventionelle Keramikdichtungen werden üblicherweise aus Aluminiumoxid hergestellt. Sie werden in einer Diskussion, die von hochwertigen Hartmaterialien dominiert wird, leicht übersehen, aber Aluminiumoxid ist nach wie vor für viele Standardanwendungen in Pumpen geeignet.

Die von CoorsTek veröffentlichten Daten für Aluminiumoxid-Sorten mit einem Gehalt von ca. 94–99,9 % zeigen typische Knoop-Härtewerte von etwa 11,5–14,5 GPa und Bruchzähigkeiten von 4–5 MPa·m.^1/2, Wärmeleitfähigkeit um 22–33 W/m·K und thermische Ausdehnung um 8,2 × 10^-6/°C.

Im Vergleich zum oben genannten Beispiel des direkt gesinterten SiC leitet Aluminiumoxid die Wärme wesentlich weniger effektiv und dehnt sich bei steigender Temperatur stärker aus.

Das bedeutet aber nicht, dass es in jeder Dichtung ein minderwertiges Material ist.

Dadurch wird es zu einem anderen Material.

Wo Aluminiumoxid sinnvoll ist

● Saubere Wasserpumpen

● Dichtungen für Haushalts- und Leichtindustriepumpen

● Mäßige Geschwindigkeiten und Lasten

● Anwendungen, bei denen die Kosten eine Rolle spielen und starker Abrieb fehlt

● Kombinationen aus Carbon- und Keramik-Dichtflächen mit bewährtem Dichtungsdesign

Ich würde von Standard-Aluminiumoxid abrücken, wenn die Anwendung mehrere extreme Bedingungen gleichzeitig mit sich bringt: hohe abrasive Belastung, aggressive Temperaturwechsel, wiederholte Stöße oder starke chemische Einwirkung.

Welches Material für die Gleitringdichtung sollten Sie wählen?

Dominantes Betriebsrisiko	Materialrichtung zur Bewertung	Warum
Sauberes Wasser, mittlere Beanspruchung	Kohlenstoff/Aluminiumoxid oder Kohlenstoff/SiC	Kostengünstige Kombination mit gutem Laufverhalten
Randschmierung	Kohlenstoff auf geeigneter Hartoberfläche	Kohlenstoff sorgt für ein nachgiebigeres Reibungsverhalten
Schleifschlamm	WC, SiC oder validiertes Hart/Hart-Paar	Harte Oberflächen widerstehen dem Abrieb durch Partikel.
Abrieb plus Vibration oder mechanischer Stoß	Wolframcarbid verdient besondere Beachtung.	Verschleißfestigkeit kombiniert mit nützlicher Bruchzähigkeit
Hochkorrosives Reinigungsmittel	SiC verdient oft eine frühzeitige Berücksichtigung.	Starke chemische Beständigkeit und thermische Eigenschaften
Abrasive + korrosive Medien	SiC- oder korrosionsbeständige WC-Sorte, je nach Anwendung	Sowohl Verschleiß als auch chemische Probleme müssen gleichzeitig gelöst werden.
Standardmäßige, kostengünstige Wasserpumpenleistung	Kohlenstoff/Aluminiumoxid kann weiterhin geeignet sein.	Hochwertige Hartmaterialien können die Kosten erhöhen, ohne einen tatsächlichen Ausfallmechanismus zu lösen.

Langsun Carbide stellt beides herWolframkarbid-Dichtungsringeund Silizium Hartmetall-Verschleißteileeinschließlich Dichtungskomponenten aus Siliziumkarbid.

Wolframkarbid-Dichtungsringe gehören weiterhin zu unseren Kernproduktlinien, insbesondere für abrasive und mechanisch anspruchsvolle Anwendungen. Die Fertigung mehrerer Hartmetall-Familien macht die Frage der Materialauswahl jedoch nicht weniger relevant, sondern sogar sinnvoller.

Es gibt Anwendungsbereiche, in denen ich SiC dem Einsatz von Wolframcarbid in der falschen chemischen Zusammensetzung vorziehen würde. Bei sauberen Pumpen mit mittlerer Beanspruchung ist eine Kohlenstoff/Aluminiumoxid-Kombination nach wie vor sinnvoll. Auch bei Schlammanwendungen kann eine Kohlenstoff-Oberfläche zu schnell verschleißen, weshalb eine Hartmetall/Hartmetall-Kombination überprüft werden sollte.

Die relevante ingenieurtechnische Frage lautet daher nicht:

„Welches Oberflächenmaterial ist das fortschrittlichste?“

Es ist:

„Welchen Ausfallmechanismus muss dieses Stirnflächenpaar verhindern?“

Häufig gestellte Fragen

Welches Material für die Gleitringdichtung ist am besten geeignet?

Es gibt kein universell bestes Material. Kohlenstoffgraphit ist wertvoll für geringe Reibung und marginale Schmierung; SiC für Verschleiß-, Korrosions- und Wärmebeständigkeit; Wolframcarbid für Verschleißfestigkeit in Kombination mit mechanischer Zähigkeit; und Aluminiumoxidkeramik für viele wirtschaftliche Standardanwendungen.

Ist Wolframcarbid für Gleitringdichtungen besser geeignet als Siliciumcarbid?

Nicht uneingeschränkt. Wolframcarbid erweist sich oft dann als attraktiv, wenn Abrieb mit Stößen, Vibrationen oder mechanischer Beanspruchung einhergeht. Siliciumcarbid ist besonders dann von Vorteil, wenn chemische Beständigkeit und thermische Leistungsfähigkeit im Vordergrund stehen.

Ist Keramik dasselbe wie Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid ist technisch gesehen eine Keramik. In vielen Katalogen für Gleitringdichtungen bezieht sich „Keramik“ jedoch speziell auf herkömmliches Aluminiumoxid, während SiC separat als hochwertige technische Keramik aufgeführt wird.

Author | Allen

Allen ist Internationaler Marketingdirektor bei NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Mit mehr als fünf Jahren Erfahrung im Bereich industrieller Verschleißteile und Wolframkarbidanwendungen arbeitet er mit Pumpenherstellern, Gleitringdichtungsunternehmen, OEMs, Ingenieurteams und Einkäufern an der Materialauswahl, Bauteilzeichnungen, Fertigungsmachbarkeit, Fehleranalyse und Qualitätsanforderungen.

Seine Arbeit konzentriert sich darauf, Verschleißteile aus Wolframcarbid und Siliciumcarbid an die tatsächlichen Betriebsbedingungen anzupassen, anstatt die Werkstoffe allein anhand ihrer Härtewerte auszuwählen.

Technische Referenzen

1. EagleBurgmann — Technische Daten der Gleitringdichtungen BT-C5E, BT-FN und Cartex.

2. Mersen — Kohlenstoff-Graphit-Lösungen für mechanische Anwendungen.

3. Morgan Advanced Materials — Dichtungen und Lager Kohlenstoffwerkstoffe.

4. CoorsTek — Technische Keramik aus Siliziumkarbid.

5. Morgan Advanced Materials – Siliziumkarbid-Gleitringdichtungsmaterialien.

6. CERATIZIT — Hartmetall.

7. Hyperion Materials & Technologies — Hartmetall vs. Stahl / Eigenschaften von Hartmetall.

8. CoorsTek — Technische Keramik aus Aluminiumoxid.

9. John Crane — API 682-konforme Gleitringdichtungen.