CZ285171B6

CZ285171B6 - Ventilové těsnící kroužky z karbidu křemíku infiltrovaného křemíkem

Info

Publication number: CZ285171B6
Application number: CZ93664A
Authority: CZ
Inventors: Klaus Russner
Original assignee: Hoechst Ceramtec Ag
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1999-06-16
Also published as: CZ66493A3; DK0566029T3; EP0566029B1; DE59305194D1; RU2106560C1; ES2099308T3; FI931716A; EP0566029A1; JPH0657354A; US5275377A; FI931716A0; DE4212874A1

Abstract

Řešení se týká těsnících ventilových kroužků ze siliciumkarbidového materiálu infiltrovaného křemíkem, kde siliciumkarbidový materiál sestává ze 70 až 90 % hmot. siliciumkarbidu a 8 až 30 % hmot. křemíku s obsahem volného uhlíku max. 0,2 % a obsahuje objemový podíl uzavřených pórů max. 0,1 %, kde tyto těsnící ventilové kroužky mají funkční plochu, u níž nosné plošky izolovaných ostrůvků jsou obklopeny vůči izolovaným ostrůvkům relativně hlouběji položenými rovinami, přičemž funkční plochy vykazují definované mikrotopografické hodnoty vlastností a způsobu výroby ventilových těsnících kroužků, při kterém je siliciumkarbid semlet, vysušen, smíchán s uhlíkem a pomocnými prostředky pro tváření, tvářen v těsnící ventilové kroužky a následně karbonizován a při teplotách v oblasti od 1100 do 1300 .sup.o .n.C sycen křemíkem v inertní atmosféře, přičemž křemíkem nasycené ventilové těsnící kroužky jsou broušeny a následně leštěny ve dvou stupních vodnou suspenzí diamantovýcŕ

Description

Těsnicí ventilové kroužky ze siliciumkarbidového materiálu, infiltrovaného křemíkem, a způsob jejich výroby

Oblast techniky

Vynález se týká těsnicích ventilových kroužků ze siliciumkarbidového materiálu, infiltrovaného křemíkem, a způsobu výroby těchto těsnicích kroužků s definovanými vlastnostmi.

Dosavadní stav techniky

Ventilové těsnicí kroužky pro ovládací a kontrolní účely, obzvláště pro armatury na vodu v sanitární oblasti, se již delší dobu vyrábějí známým způsobem z keramických materiálů, jako příkladně z oxidu hlinitého, oxidu zirkoničitého a také z karbidu křemíku. V německé přihlášce 31 16 801 jsou popsány ventilové těsnicí kroužky, které jsou zcela ze siliciumkarbidového materiálu, který vykazuje maximálně 0,1 % objemového podílu pórů a sestává z 70 ž 92 % hmotnostních karbidu křemíku a 8 až 30 % hmotnostních kovového křemíku. Výrobní postup pro takové materiály je uveřejněn v německé patentové přihlášce 31 16 786.

V italské patentové přihlášce č. 67 746 A/82 je popsáno použití siliciumkarbidových materiálů různé tvrdosti pro těsnicí ventilové protikusy a je zjištěno, že těsnicí kroužky s vyšší tvrdostí mají mít menší povrchovou drsnost a těsnicí kroužky s nižší tvrdostí mají vykazovat vyšší povrchovou drsnost, aniž by bylo v jednotlivých případech odborníkům dáno kvantifikovatelným způsobem najevo, jaké číselné hodnoty drsnosti jsou žádoucí k dosažení rozdílných charakteristických hodnot povrchových profilů jako R_a, Rt, R_z, přičemž R_a značí střední míru drsnosti, Rt značí maximální hloubku drsnosti a R_z značí průměrnou hloubku drsnosti.

V americkém patentu 48 56 758 je rozdíl ve tvrdosti obou ventilových kroužků blíže specifikován aje zjištěno, že má obnášet minimálně 1000 N/mm², maximálně 700 N/mm².

Je známo, že měření tvrdosti těchto materiálů je velmi obtížné a spolehlivě reprodukovatelné hodnoty měření předpokládají spolehlivé zvládnutí měření mikrotvrdosti, k čemuž je v každém případě nutno vynaložit vysoké laboratorní náklady. Pro výrobní proces je kromě toho velmi obtížné a nákladné vyrábět vedle sebe dva materiály s rozdílnou strukturou, to znamená s rozdílnou tvrdostí obzvláště také proto, že rozdíl tvrdostí musí zůstat v relativně úzkých hranicích mezi 1000 a 7000 N/mm².

V již zmíněné italské patentové přihlášce je uváděna kvalita povrchu těsnicích ventilových kroužků obecně v oblasti 0,2 až 0,4 pm, aniž by k tomu bylo uvedeno, o jakou z charakteristických hodnot profilů R_a, R_t nebo R_z se jedná. V německé patentové přihlášce 31 16 801 je uvedena hodnota R_a v oblasti 0,1 až 0,15 pm.

Hlavním funkčním úkolem těsnicích ventilových kroužků je při dlouhodobém používání zajistit těsnost ovládacích a regulačních ventilů, jako příkladně armatur na vodu. Vedle udržení jejich těsnicího účinku se ale také nesmějí podstatně zvyšovat síly nebo točivé momenty, které je třeba vynaložit k jejich ovládání. Toto nebezpečí vzniká korozními účinky médií, proudících ventilem, úsadami, které z nich vznikají, a nebo jimi unášenými nečistotami, které se svou tvrdostí mohou srovnávat s tvrdostí materiálu ventilových těsnicích kroužků. Ke splnění těchto technických požadavků se podle stavu techniky používají pro těsnicí ventilové kroužky obzvláště korozivzdomé, chemicky odolné a tvrdé materiály, s výhodou tvrdé keramické materiály ve funkční dvojici ze stejného materiálu nebo ve vhodné kombinaci materiálů. Odborníkům je známo, že při dané přítlačné síle těsnicích kotoučků závisí síla, požadovaná k ovládání (točivý moment), rozhodujícím způsobem na kvalitě povrchu a že se zejména ve smyslu výše uvedené dlouhodobé

-1 CZ 285171 B6 konstantní ovládací síly nesmí kvalita povrchů zhoršovat. Stav kvality povrchů těsnicích ventilových kroužků je posuzován charakteristickými veličinami, běžnými v technice, jako je hloubka drsnosti R<, střední hodnota drsnosti R_a, jakož i podíl nosných ploch mikroprofilu tpi a podíl nosných ploch makroprofilu tpa. Podle stavu techniky, jako je výše doloženo, požaduje odborník nízké číselné hodnoty pro R_a 0,1-0,15 pm až 0,2-0,4 pm.

Při podrobných zkoumáních bylo zjištěno, že přes udržení předem kvantitativně daných číselných hodnot R_a, Rt a tpi nemohou být přesně dodrženy stejně velké ovládací síly u série těsnicích protikusů. V praktickém případě z toho vyplývá zřetelný rozptyl ovládacích sil jednotlivých těsnicích protikusů.

Analýza problému ukázala, že přes udržení předem daných kvantitativních hodnot R_a, Rt a tpi se mikroprofíl profilu těsnicích ventilových kroužků od sebe značně odlišuje. To znamená jinými slovy, že pouhým stanovením charakteristických hodnot Ra, Rt a tpi ještě nemůže být zaručeno splnění funkčních požadavků.

Podstata vynálezu

Proto je úkolem předloženého vynálezu stanovit dodatečně k dosud odborníky používaným charakteristickým hodnotám profilu R_a, Rt a tpi optimálně charakteristické znaky těsnicích ventilových ploch, které jsou vlastně funkčně technicky určující. Vedle toho může být, a to i z důvodů hospodárnosti, při výrobě používán pro ventilové těsnicí kroužky pouze jeden materiál.

Stanovený úkol byl vyřešen těsnicími ventilovými kroužky pro ovládací prvky k regulaci proudění kapalin, obzvláště pro sanitární směšovací ventily, ze siliciumkarbidového materiálu, infiltrovaného křemíkem, kde tento siliciumkarbidový materiál sestává ze 70 až 92 % hmotnostních karbidu křemíku a 8 až 30 % hmotnostních křemíku s obsahem volného uhlíku maximálně 0,2 % hmotnostních a obsahuje objemový podíl uzavřených pórů maximálně 0,1 %, přičemž charakteristické znaky těsnicích ventilových kroužků podle vynálezu je třeba vidět v tom, že má funkční plochu, u níž nosné plošky izolovaných ostrůvků jsou obklopeny vůči izolovaným ostrůvkům relativně hlouběji položenými rovinami, přičemž funkční plochy vykazují v celé jejich oblasti následující mikrotopografické hodnoty vlastností:

R_a 0,02 až 0,80 pm, s výhodou od 0,15 do 0,40 pm,

R, 0,50 až 6,00pm,

R_z 0,20 až 1,00pm, planarita 0,0002 až 0,01mm, tpi 40 až 80 % (při hloubce řezu 0,3 pm) tpa 10 až 60 % (při hloubce řezu 0,3 pm), přičemž funkční plochy při optickém zkoumání vykazují podobu ploch, nesoucích izolované ostrůvky, obklopené níže ležící rovinou.

U dosud známých ventilových těsnicích kroužků vykazují funkční plochy jev, kdy nosné plochy jsou příležitostně přerušeny jednotlivými prohloubeninami. U těsnicích ventilových kroužků podle předloženého vynálezu se naproti tomu chovají právě opačně, tzn. že v elektronovém rastrovacím mikroskopu je vidět, že nosné povrchy jsou vytvořeny pouze v podobě izolovaných ostrůvků, zatímco zdaleka největší část povrchu tvoří prohloubeniny. Přes tuto zvláštní strukturu povrchu je ale těsnost ventilové armatury, vybavené ventilovými těsnicími kroužky podle vynálezu, zaručena.

-2CZ 285171 B6

Siliciumkarbidový materiál, infiltrovaný křemíkem, sloužící pro výrobu těsnicích ventilových kroužků podle vynálezu, může být vyráběn podle údajů DE A 31 16 786. S výhodou se používá takový materiál, který má ve své struktuře krystalickou mřížku SiC s velikostí krystalitů v rozsahu mezi 1 až 30 pm, obsahuje volný kovový křemík v množství nejméně 8 % hmotnostních, modul E (modul elasticity) má hodnotu v rozsahu od 300 000 do 400 000 N/mm² a jeho tvrdost v matrici SiC leží mezi 20 000 a 30 000 N/mm², přičemž kovový křemík má tvrdost mezi 10 000 a 15 000 N/mm². Materiál takového druhu je možno získat analogicky podle údajů v DE 32 16 786, pokud se jako výchozí prášek oproti údajům, uvedeným v této přihlášce, použije výchozí prášek, který je jemnozmější a vykazuje vyšší modul E. Kromě toho přichází pro výrobu ventilových těsnicích kroužků podle vynálezu v úvahu také materiál CSiSiC, který proti výše popsanému SiSiC obsahuje ještě dodatečně včleněný volný uhlík.

Výroba těsnicích ventilových kroužků podle vynálezu se provádí obvyklými způsoby, jak je popsáno vDE31 16 786. Po sycení křemíkem se surové těsnicí ventilové kroužky obvyklým způsobem brousí a následně se leští ve dvou stupních vodnou suspenzí diamantových zrn. V prvním stupni se leští suspenzí diamantových zrn, které mají střední průměr zrna od cca 3 do 6 pm. Ve druhém stupni se leští takovými diamantovými zrny, které mají střední velikost zrna od cca 10 do 20 pm. Je překvapivé, že se tímto způsobem leštění, kde se nejprve pracuje s jemnějším zrnem a potom s hrubším zrnem, získají těsnicí ventilové kroužky, které vykazují výše uvedené hodnoty mikrotopografických vlastností. Tyto těsnicí ventilové kroužky vykazují oproti těsnicím ventilovým kroužkům podle DE 31 16 801, které nebyly leštěny tímto způsobem, menší ovládací moment.

Průmyslová využitelnost

Ventilové těsnicí kroužky, vyrobené způsobem podle vynálezu, vykazují standardní kvalitu a mají dlouhodobě dobré těsnicí účinky a jimi vybavené ventily vyžadují trvale jen nízké ovládací síly.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Těsnicí ventilové kroužky ze siliciumkarbidového materiálu, infiltrovaného křemíkem, pro ovládací prvky k regulaci proudění kapalin, obzvláště pro sanitární směšovací ventily, kde siliciumkarbidový materiál sestává ze 70 až 92 % hmotnostních karbidu křemíku a 8 až 30 % hmotnostních křemíku s obsahem volného uhlíku maximálně 0,2 % hmotnostních a obsahuje objemový podíl uzavřených pórů maximálně 0,1%, vyznačující se tím, že těsnicí ventilové kroužky mají funkční plochu, u níž nosné plošky izolovaných ostrůvků jsou obklopeny vůči izolovaným ostrůvkům relativně hlouběji položenými rovinami, přičemž funkční plochy vykazují v celé jejich oblasti následující mikrotopografické hodnoty vlastností:

Ra Rt R_zplanarita tpi tpa 0,02 až 0,80 μπι, s výhodou od 0,15 do 0,40 pm, 0,50 až 6,00 μιη, 0,20 až 1,00 μιη, 0,0002 až 0,01 mm, 40 až 80 % (při hloubce řezu 0,3 pm) 10 až 60 % (při hloubce řezu 0,3 pm),
2. Těsnicí ventilové kroužky podle nároku 1, vyznačující se tím, že jsou z karbidu křemíku, infiltrovaného křemíkem, kteiý má ve své struktuře krystalickou strukturu SiC s velikostí krystalitů v rozmezí 1 až 30 pm.
3. Těsnicí ventilové kroužky podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jsou z karbidu křemíku, infiltrovaného křemíkem, který má obsah volného kovového křemíku alespoň 8 % hmotnostních.
4. Těsnicí ventilové kroužky podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že jsou z karbidu křemíku, infiltrovaného křemíku, infiltrovaného křemíkem, který vykazuje hodnotu E modulu v rozsahu 300 000 až 400 000 N/mm².
5. Těsnicí ventilové kroužky podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že jsou z karbidu křemíku, infiltrovaného křemíkem, jehož tvrdost v matrici SiC leží mezi 20 000 a 30 000 N/mm², přičemž tvrdost kovového křemíku je mezi 10 000 až 15 000 N/mm².
6. Těsnicí ventilové kroužky podle nároku 1, vyznačující se tím, že jsou z CSiSiC.
7. Způsob výroby těsnicích ventilových kroužků podle některého z nároků 1 až 6, při kterém je siliciumkarbid semlet, vysušen, smíchán s uhlíkem a pomocnými prostředky pro tváření, tvářen v těsnicí ventilové kroužky a následně karbonizován a při teplotách v oblasti od 1100 do 1300 °C sycen křemíkem v inertní atmosféře, vyznačující se tím, že křemíkem nasycené ventilové těsnicí kroužky jsou broušeny a následně leštěny ve dvou stupních vodnou suspenzí diamantových zrn, přičemž v prvním stupni se leští suspenzí diamantových zrn, která má střední průměr zrna od 3 do 6 pm, a ve druhém stupni se leští diamantovými zrny, která mají střední velikost zrna od 10 do 20 pm.