DE1291957B

DE1291957B - Keramischer Ventilsitz und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1291957B
Application number: DE1967A0055228
Authority: DE
Inventors: Blodgett William Edward
Original assignee: American Radiator and Standard Sanitary Corp
Current assignee: American Radiator and Standard Sanitary Corp
Priority date: 1966-03-22
Filing date: 1967-03-22
Publication date: 1969-04-03
Also published as: GB1154796A

Description

Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung des keramischen Ventilsitzes und des Verfahrens zur Herstellung keramischer Ventilsitze nach Patentanmeldung P 12 82 377.7-12.
Gemäß der Hauptpatentanmeldung ist ein Ventilsitz mit einem 75% übersteigenden Gehalt an Aluminiumoxid dadurch gekennzeichnet, daß er aus 85 bis 99 % Aluminiumoxid, 1 bis 4 0/a -Talk und 0 bis 6% Kaolin besteht.
Derartige keramische Ventilsitze sind billiger als solche durch Preßguß aus teuren, schwerschmelzbaren Metallen, wie z. B. Kobalt, Wolfram, Tantal oder Nickel, hergestellte.
Die der Hauptpatentanmeldung zugrunde liegende Aufgabenstellung ist also die Schaffung billiger Ventilsitze und ein Verfahren zu deren Herstellung, bei dem Ventilsitze aus einem keramischen Stoff hergestellt werden, der abrieb-, erosions-, korrosions-und verschleißfest ist.
Ferner ist es ein Ziel der Hauptpatentanmeldung, einen keramischen Ventilsitz zu schaffen, der durch ein außerordentlich dichtes, porenfreies Gefüge gekennzeichnet ist.
Die Erfindung nach der Hauptpatentanmeldung zeichnet sich auch dadurch aus, daß danach hergestellte keramische Ventilsitze gute Biegefestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul haben und daher keiner besonderen Metallbewehrung bedürfen.
Die Hauptpatentanmeldung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes der erfindungsgemäßen Art durch Brennen einer gesintertes Aluminiumoxid enthaltenden und nach dem Gewinnungsprozeß zerkleinerten Mischung, das sich dadurch kennzeichnet, daß die Mischung im nassen Zustand gründlich vermahlen wird, ein Bindemittel und ein Schmiermittel zu der Mischung zugesetzt werden, die entstandene Aufschlämmung durch ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,250 mm gesiebt wird, die Aufschlämmung durch Zerstäuben getrocknet wird, um ein fließfähiges Pulver mit einer Teilchengröße zu erhalten, die ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,25 mm passiert und von einem Sieb mit einer Sieböffnung von 0,125 mm zurückgehalten wird, das Pulver bei einem Druck von zwischen 700 und 1400 kg/cm2 in die erwünschte Form gestanzt wird, die geformten Einheiten 1 bis 2 Stunden bei etwa 1680° C gesintert werden, die geformten Teile in die erwünschte Größe geschliffen und anschließend poliert werden, um die erwünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.
Mit der vorliegenden Zusatzerfindung wurde gefunden, daß sich die für die Abdichtwirkung erforderliche, beste Oberflächenbearbeitung erreichen läßt, wenn erfindungsgemäß der Ventilsitz aus einer Mischung aus 95 bis 100 Gewichtsprozent A1203, 0 bis 3 Gewichtsprozent Talk und 0 bis 3 Gewichtsprozent Kaolin besteht und parallele Flächen besitzt, wobei die einte Fläche nicht fertigpoliert ist und die zweite Fläche eine Fertigpolitur mit einem quadratischen Mittelwert von weniger als 10 und eine Ebenheit von 3 Lichtbanden Heliumlicht besitzt.
Eine solche Ausgestaltung erzielt auch mit Sicherheit ohne Schmiermittel einen wasserdichten Verschluß zwischen den Abdichtflächen eines Ventils. Das Gefüge ist porenfrei und die Lebensdauer des Ventilsitzes sehr hoch.
Bevorzugt wird, daß der Ventilsitz aus 96 Gewichtsprozent A1203, 2 Gewichtsprozent Talk und 2 Gewichtsprozent Kaolin besteht. Bei dieser Ausführungsform ist die Temperaturschockbeständigkeit besonders gut, und auch das Läppen und Polieren gehen hier am besten.
Die Ventilsitze nach der Erfindung eignen sich besonders für Absperrhähne. Sie sind auch besonders erosions- und korrosionsfest.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung beschrieben.
F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt einer Ventilanordnung mit einem erfindungsgemäß hergestellten Ventilsitz; F i g. 2 ist eine Draufsicht auf eine in der Ventilanordnung nach F i g. 1 verwendete starre Ventilsitz-Scheibe; F i g. 3 ist eine Aufrißansicht der in F i g. 2 gezeigten Ventilscheibe; F i g. 4 ist eine Draufsicht auf eine in der Ventilanordnung gemäß F i g. 1 verwendete drehbare Ventilsitzscheibe; F i g. 5 ist eine Aufrißansicht der in F i g. 4 gezeigten Ventilsitzscheibe.

Die in den Zeichnungen gezeigten Ventilsitze oder Scheiben 22 und 24 können aus Mischungen im folgenden Bereich hergestellt werden:

Gehalts- Bevorzugte

Bestandteil bereich Zusammen-

setzung

in Gewichtsprozent

Aluminiumoxid Al2O3 . . . 95 bis 100 96

Talk M90 Si02 . . . . . . . 0 bis 3 2

Kaolin (EPK)

A1203 . 2 8i02 . . . . . . . . . 0 bis 3 2

Ein aus reinem Aluminiumoxid hergestellter keramischer Ventilsitz würde einen optimalen Ventilsitz darstellen, da reines Aluminiumoxid die beste Oberflächenbeschaffenheit ergibt und die höchste bekannte chemische Haltbarkeit und Erosionswiderstandsfähigkeit besitzt. Reines Aluminiumoxid ist jedoch sehr schwer herzustellen und ist gegenüber einem thermischen Schock höchst empfindlich. Die in F i g. 1 dargestellte Halmanordnung besitzt nur einen Eimaß und kann daher nur mit heißem oder kaltem Wasser verwendet werden. Jedoch können keramische Ventilsitze auch in einem einarmigen Wasserhahn verwendet werden, durch den heißes und kaltes Wasser gleichzeitig oder hintereinander durchläuft. Daher müssen die Ventilsitze aus einem Material hergestellt sein, das einem thermischen Schock standhält. Um keramische Ventilsitze herzustellen, die gegenüber einem thermischen Schock widerstandsfähig sind und nach der Herstellung der erforderlichen Oberflächenbehandlung unterworfen werden können, wurde folgendes bevorzugte Ausführungsverfahren unter Verwendung der oben angegebenen Zusammensetzungen durchgeführt.

Eine Mischung wurde aus 96 Gewichtsprozent Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von weniger als 44. Mikron, 2 Gewichtsprozent Talk mit einer Teilchengröße von weniger als 1 Mikron und 2 Gewichtsprozent plastischem Kaolin mit einer Teilchengröße von weniger als 10 Mikron hergestellt. Als Aluminiumoxid wurde stark reaktionsfähiges Aluminiumoxid verwendet. Zu dieser Mischung wurden 43 Gewichtsprozent Wasser und 21/o eines Netzmittels zugegeben. Die Mischung konnte beispielsweise aus folgenden Mengen hergestellt werden:

43,500 kg Aluminiumoxid,

0,907 kg Talk,

0,907 kg Kaolin,

19,500 kg Wasser,

0,091 kg Netzmittel.

Die Mischung oder Aufschlämmung wird dann im nassen Zustand mindestens 8 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen. Dieses Mahlen ist notwendig, um eine gründliche Vermischung zu erhalten, die zur Herstellung der erforderlichen Endoberflächenbeschaffenheit unbedingt notwendig ist. Es wurde festgestellt, daß es nach der Endbearbeitung zu einer Grübchenbildung in der Oberfläche der Ventilsitze kommt, wenn die Aufschlämmung nicht mindestens 8 Stunden lang naß vermahlen wird. Nach der mindestens 8 Stunden dauernden Vermahlung wird ein Bindemittel, wie beispielsweise Polyvinylalkohol, und ein Schmiermittel, wie beispielsweise Wachs, zu der Aufschlämmung zugegeben. Die Menge des Bindemittels sollte etwa 2 Gewichtsprozent betragen. Wird zuviel zugegeben, dann erhält man eine zu harte Granulation, und wird zuwenig zugegeben, dann hält die Mischung nicht zusammen. Das Schmiermittel sollte in einer Menge von 0,25 Gewichtsprozent zugegeben werden. Diese Menge ist kritisch, da zuviel Schmiermittel ein Anhaften und zuwenig Schmiermittel ein Scheuern in der Form verursachen würde.
Die Aufschlämmung wird dann durch ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,25 mm gesiebt und durch Zerstäubung getrocknet, um ein fließfähiges Pulver zu erhalten, das durch ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,25 mm durchgeht und von einem Sieb mit einer Sieböffnung von 0,125 mm zurückgehalten wird. Das fließfähige Pulver wird dann in eine Tablettierpresse eingeführt und die einzelnen Ventilsitzeinheiten unter einem Druck von 700 bis 1400 kg/cm2 geformt. Der Druckbereich ist sehr wichtig, da festgestellt worden ist, daß die Frischdichte (green density) bei einem Druck unter 700 kg/cm2 zu niedrig ist, um die notwendige Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, die einen wasserdichten Abschluß ohne ein Schmiermittel gewährleistet, und daß es bei einem Druck über 1400 kg/cm2 zu einer Entwicklung von Brüchen in den Ventilsitzen und zu einem übermäßigen Verschleiß der Form der Tablettierpresse kommt.
Die einzelnen keramischen Ventilsitze werden dann in der folgenden Weise gesintert: Die keramischen Ventilsitze werden in einen passenden Brennofen eingesetzt und in annähernd 1 Stunde von Raumtemperatur auf 260° C erhitzt. Sie werden mindestens 1 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten, um das Bindemittel und das Schmiermittel herauszubrennen. Dann wird die Temperatur von 260 auf 1680° C erhöht, und zwar mit einer Rate von annähernd 150° C je Stunde. Die Rate kann auch schneller sein, jedoch müssen die Ventilsitze mindestens 1 Stunde lang bei 260° C gehalten werden, um das Bindemittel und das Schmiermittel herauszubrennen. Die Ventilsitze werden dann 1 bis 2 Stunden lang bei 1680° C stehengelassen. Werden die Ventile kürzer als 1 Stunde stehengelassen, dann erhält man eine unvollständige Densifikation, und bei mehr als 2 Stunden erhält man ein zu großes Kornwachstum, wodurch die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit nicht erhalten werden kann. Die keramischen Ventilsitze werden dann schnell von 1680°C auf Raumtemperatur abgekühlt, um das Kornwachstum auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Der Zweck des schnellen Aufheizens und des schnellen Abkühlens liegt in der Reduzierung des Kornwachstums auf ein Mindestmaß, das die Endbearbeitung zu der erwünschten Feinheit behindert.
Die keramischen Ventilsitze werden dann in eine Lappingmaschine eingesetzt und mit einem Silikonkarbid mit einer Korngröße von 0,047 mm geschliffen, um die Größe des Teiles einzustellen und die Flächen parallel zu machen. Die dabei erhaltene Oberflächenbeschaffenheit hatte einen quadratischen Mittelwert von etwa 30 bis 40 rms (= root mean square). Eine Polierplatte wird dann in die Lappingmaschine eingesetzt und eine Fläche des keramischen Ventilsitzes poliert, indem eine 2-Mikron-Diamantpaste unter einem Druck von 1,05 kg/cm2 verwendet wird. Es wurde festgestellt, daß der erforderliche Druck direkt proportional ist zu der Fläche des keramischen Ventilsitzes. Das Polieren wurde fortgesetzt, bis eine Oberflächenbeschaffenheit mit einem quadratischen Mittelwert von weniger als 10 und eine Ebenheit von weniger als 3 Lichtbande Heliumlicht erhalten wird. Diese Oberflächenbeschaffenheit und Ebenheit ist erforderlich, um keramische Ventilsitze herzustellen, die wasserdicht abschließen, ohne daß ein Schmiermittel notwendig ist.
Eine Oberflächenbeschaffenheit mit einem quadratischen Mittelwert von weniger als 10 und mit einer Ebenheit von weniger als 3 Lichtbande Heliumlicht ist notwendig, um ein Tröpfeln und ein Lecken des Ventils zu verhindern. Es wurde festgestellt, daß bei der Verwendung eines Hahnes mit einem keramischen Ventilsitz, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt und endbearbeitet wurde, eine wesentlich verbesserte Passung erhalten wurde, da die Mahl-und Polierbewegung beim Öffnen und Schließen des Ventils ein weiteres vorteilhaftes Aufliegen des keramischen Ventilsitzes verursacht.
Als ein Beispiel der erfolgreichen Vorführung der vorliegenden Erfindung sind Ventilsitze mit den folgenden Abmessungen nach den oben beschriebenen Verfahren aus den Mischungen mit den oben angegebenen bevorzugten Zusammensetzungen hergestellt worden. Die feststehenden Sitze 24 hatten einen Durchmesser von 15,875 mm, eine Dicke von 2,34 mm und Öffnungen mit einer Breite von 2,07 mm. Die drehbaren Sitze 22 hatten einen Durchmesser von 15,75 mm, eine Dicke von 4,19 mm und Öffnungen mit einer Breite von 2,07 mm.
Anordnungen mit den Ventilsitzen gemäß der vorliegenden Erfindung wurden durch An- und Abdrehen mit 82° C heißem Wasser unter einem Druck von 4,9 kg/cm2 geprüft. Ferner wurden sie auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschock geprüft, indem abwechselnd Leitungswasser mit 27° C und heißes Wasser mit 71° C durch die Ventile geschickt wurde. Schließlich wurden sie einer hohen Konzentration von Sand- und Messingspänen ausgesetzt. Die Ventilsitze arbeiteten in vollständig zufriedenstellender Weise, wobei einige von ihnen fast 1400 000 Betätigungen erreichten, bevor sie ausfielen.
Als Einsatzstücke können die erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände auch dazu verwendet werden, eine Metallfläche zu schützen, mit der eine Dichtung hergestellt wird, indem eine Hartgummifläche, wie z. B. eine Unterlegscheiber dagegengedrückt wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Ventilsitz mit einem 75% übersteigenden Gehalt an Aluminiumoxid nach Patentanmeldung P1282377.7-12, dadurch gekennzeichn e t, daß er aus einer Mischung aus 95 bis 100 Gewichtsprozent Al2O3, 0 bis 3 Gewichtsprozent Talk und 0 bis 3 Gewichtsprozent Kaolin besteht und parallele Flächen besitzt, wobei die eine Fläche nicht fertigpoliert ist und die zweite Fläche eine Fertigpolitur mit einem quadratischen Mittelwert von weniger als 10 und eine Ebenheit von 3 Lichtbanden Heliumlicht besitzt.
2. Ventilsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 96 Gewichtsprozent A1203, 2 Gewichtsprozent Talk und 2 Gewichtsprozent Kaolin besteht.
3. Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes nach den Ansprüchen 1 und 2 durch Brennen einer gesintertes Aluminiumoxid enthaltenden und nach dem Gewinnungsprozeß zerkleinerten Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung im nassen Zustand gründlich vermahlen wird, ein Bindemittel und ein Schmiermittel zu der Mischung zugesetzt werden, die entstandene Aufschlämmung durch ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,250 mm gesiebt wird, die Aufschlämmung durch Zerstäuben getrocknet wird, um ein fließfähiges Pulver mit einer Teilchengröße zu erhalten, die ein Sieb mit einer Sieböffnung von 0,25 mm passiert und von einem Sieb mit einer Sieböffnung von 0,125 mm zurückgehalten wird, das Pulver bei einem Druck von zwischen 700 und 1400 kg/cm2 in die erwünschte Form gestanzt wird, die geformten Einheiten 1 bis 2 Stunden bei etwa 1680° C gesintert werden, die geformten Teile in die erwünschte Größe geschliffen und anschließend poliert werden, um die erwünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.