DK168715B1 - Fremgangsmåde til fremstilling af tætningsorganer med lav friktionskoefficient - Google Patents

Description

i DK 168715 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af tætningsorganer af et hårdt materiale, og af den type hvor tætningseffekten skyldes nøjagtig bearbejdning af tætningsorganerne, som kan bevæges ind i direkte kontakt med hinanden uden 5 en mellemliggende pakning af et eftergiveligt materiale. Mere specifikt angår opfindelsen en fremgangsmåde til fremstilling af et par skiveformede organer til en ventil, og hvor hver af parrets skiveformede organer har en bearbejdet overflade, der er beregnet til tætnende af samvirke med en arbejdsflade på 10 parrets anden skiveorgan med henblik på at regulere en vandstrøm, og hvor arbejdsfladen af hvert af de skiveorganerne er fremstillet af et materiale valgt fra gruppen omfattende aluminiumoxider, aluminiumsilikater, keramisk materiale, steatit, metaller, syntetisk materiale og såkaldt tuflite og mindst en 15 af de to skiveorganers arbejdsflade er belagt med et materiale, som har en hårdhed større end hårdheden af det skiveformede organs kernemateriale og som danner et belægningslag, der er tynd i forhold til tykkelsen af det pågældende skiveorgan og de to samvirkende arbejdsf lader er forskellige hvad angår 20 deres natur eller deres finish.

Skiver af hårde materialer, og som benyttes som strømregulerende og strømafbrydende indretninger i haner fremstilles normalt af oxider eller sintrede aluminiumsilicater, der er slebet til en ruhed på i hovedsagen 0,2 til 0,4 /im. På 25 grund af denne nøjagtige forarbejdning, kan disse skiver virke til at regulere og afbryde en fluidumstrøm. Yderligere har skiverne på grund af deres hårdhed, som ligger i størrelsesordenen 23.000 N/mm2 lang levetid, og er i stand til at skubbe hårde fremmedlegemer, såsom sandkorn, der kommer i kontakt med 30 dem bort, uden at tage skade. Imidlertid har disse skiver på grund af den nøjagtige forarbejdning af arbejdsf laderne mellem dem en tendens til at adhærere til hinanden, hvilket, når der ikke benyttes smøremidler, forøger friktionen mellem skiverne. Almindeligvis ligger friktionskoefficienten for disse kendte 35 materialer i størrelsesordenen 0,12. For at opnå at en hane med sådanne hårde skiver fungerer korrekt, forsynes skivernes DK 168715 B1 2 samvirkende flader med et tyndt lag siliconesmøremiddel, som reducerer den glidende friktion til et acceptabelt niveau. Imidlertid vil siliconesmøremidlet med tiden og ved gentagende brug af hanen, hvor de to skiver glider mod hinanden, gradvist 5 forsvinde, således at friktionen mellem skiverne vokser til et uacceptabelt niveau. Eventuelt vil hanen ikke længere fungere.

Der har været gjort forsøg med at fremstille skiver til haner af wolframcarbid. Imidlertid har fremstillingsomkostningerne for denne type skiver vist sig at være meget høje. Endvidere 10 er det fra EP-A-0063762 kendt at fremstille et par skiver til haner af siliciumcarbid (SiC). Siliciumcarbid har i dets forskellige kendte krystalstrukturer en hårdhed på mellem 20.000 N/mm2 og 35.000 N/mm2, hvilket er meget højere end hårdheden af de materialer, som for tiden benyttes til nævnte formål, og 15 har en friktionskoefficient på i hovedsagen 0,05. Yderligere har dette materiale en mindre tendens til at adhærere end tilfældet er ved andre meget glat forarbejdede flader, hvorved friktionen mellem de samvirkende skiver af hanen reduceres.

Til trods for disse funktionsforbedringer har friktionen mel-20 lem to siliciumcarbidskiver en tendens til at vokse op over det acceptable niveau ved længere tids brug.

Endvidere kendes fra italiensk patentansøgning nr. 67746-A/82 et skivepar til haner, hvor de samvirkende skiver har forskellige friktionsegenskaber og mindst en af skiverne er fremstil-25 let af siliciumcarbid (SiC). Herved er der overraskende opnået en vedvarende reduktion af friktionen mellem tætningsskiverne uden brug af smøremiddel. Tilsvarende keramiske skiver som har forskellige egenskaber for opnåelse af en friktionsreduktion kendes fra FR-A-2524105. Imidlertid kræver produktionen og 30 slibningen af skiver fremstillet af siliciumcarbid specielt udstyr og teknologi, som ikke altid ligger inden for producenternes rækkevidde. Det er derfor ønskværdigt at finde en mere generel anvendelig og mere økonomisk overkommelig løsning på ovennævnte problem.

DK 168715 B1 3

Fra GB-A-670249 kendes et par ventilorganer, hvoraf det ene er fremstillet af en stållegering, der er blevet udsat for en cyanid eller nitrogenhærdeproces. Imidlertid sætter en sådan proces store begrænsninger på typen af både det materiale, der 5 danner ventilorganets legeme, som nødvendigvis må være en særlig stållegering, og det materiale, der danner ventilorganets hårde overflade, som ikke kan være anden end nitrerstål. Selv om en hovedbearbejdning kan foretages inden hærde-processen, er det dog nødvendigt med en polering eller fin-10 slibning efter hærdningen med henblik på at fjerne den bløde ydre hud som dannes, og denne operation modificerer finishen tilvejebragt ved hovedbearbejdningen, hvorved den endelige finish er dyr eller ikke særlig nøjagtig. Sådanne ventilorganer er velegnede til nogle anvendelser, men kan ikke anven-15 des generelt, f.eks. er de ikke velegnede til brug som hårde skiver i haner.

Således genfindes tilsvarende krav som de oven for beskrevne for hårde skiver til haner generelt ved alle hårde tætningsorganer, som samvirker i direkte indbyrdes kontakt.

20 På baggrund af ovenstående er det formålet med opfindelsen at tilvejebringe tætningsorganer af et hårdt materiale, som er enkle at fremstille og bearbejde og i stand til at tilvejebringe en tilstrækkelig lav friktionskoefficient selv uden smøring, så indretningen hvori de anvendes kan fungere korrekt 25 over en lang tidsperiode uden der skal foretages indgreb i denne.

Til opnåelse af dette formål er fremgangsmåden ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at den omfatter trinnet påføring af en materialebelægning på mindst en af arbejdsfladerne ved 30 afsætning fra et gasformigt medium ved en fysisk eller kemisk afsætningsproces valgt fra gruppen omfattende processerne benævnt CVD og PVD, overflademodifikation ved ionimplantering, ionimplantering under laserbehandling, overflademodifikation ved ionbestråling, plasma-CVD-processen og den magnetfeltassi- DK 168715 B1 4 sterede belægningsproces, idet belægningsmaterialet vælges fra gruppen omfattende siliciumcarbid, metalcarbid og -nitrider, især af overgangsmetallerne, metalnitrit, især titannitrit og chromnitrit og carbon med kubisk krystalgitter.

5 Der findes forskellige processer til fysisk og kemisk afsætning fra et gasformet medie, og som kan benyttes til at danne den oven for nævnte belægning af et meget hårdt materiale. Blandt disse processer kan specielt nævnes CVD- og PVD-proces-serne udviklet af Battelle Instituttet, overflademodifikation 10 ved ionimplantering, eventuelt under laserbehandling, overflademodifikation ved ionbestråling, plasma-CVD-processen og Leybold-Heraeus' magnetfelt assisterede afsætningsproces. Disse processer har vist sig særlig fordelagtig. Som følge heraf er ifølge foreliggende opfindelse mindst et af tætnings-15 organerne fremstillet af et i det mindste moderat hårdt materiale, som er belagt med et materiale med højere hårdhed ved hjælp af en af de ovennævnte processer.

Ved udøvelse af opfindelsen er det nødvendig at fremstille begge tætningsorganer af et i det mindste moderat hårdt mate-20 riale for, at de kan udsættes for en nøjagtig bearbejdning, idet kun en høj finish, såsom den der opnås ved præcisionsslibning eller lapning, gør det muligt for tætningsorganerne at udøve en korrekt tætningsfunktion enten i en hane eller i et andet apparat. Tætningsorganer fremstillet ved fremgangsmå-25 den ifølge opfindelsen kræver imidlertid ikke, at deres legemer har den slidstyrke og den hårdhed som normalt kræves af konventionelle tætningsorganer. Årsagen hertil er, at materialet der danner tætningsorganets legeme i et tætningsorgan, der er belagt ved hjælp af afsætningen af et materiale med høj 30 hårdhed, alene tjener som understøtning, medens samvirkningen med det andet tætningsorgan er overladt til materialet med stor hårdhed afsat på mindst et af tætningsorganerne. Derfor kan tætningsorganerne fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, eller et af disse, være fremstillet af et mate-35 riale, som selv om det er tilstrækkelig hårdt og modstandsdyg- DK 168715 B1 5 tigt til at opnå en passende finish og opretholde dets form i lang tid, ikke i sig selv har tilstrækkelig kvaliteter til at danne et tætningsorgan. Sådanne materialer omfatter f.eks. steatit, keramiske materialer af beskeden kvalitet, metaller 5 og visse syntetiske materialer, der har stor hårdhed, stivhed og stabilitet. Også et materiale fremkommet ved at bage en blanding af plastpulver og et pulver af hårdt materiale (såkaldt tuflite) kan benyttes.

Omvendt lider et tætningsorgan, der samvirker med et organ, 10 der er belagt med et meget hårdt materiale og har høj finish, ingen skade på grund af dets begrænsede hårdhed og en betydelig forskel i hårdhed mellem de to samvirkende overflader viser sig at være en fordel til reduktion af friktionskoefficienten i fravær af smøring. På grund heraf kan et af tæt-15 ningsorganerne være uden belægning af et meget hårdt materiale.

Alternativt kan begge tætningsorganer belægges med et materiale med stor hårdhed, men i dette tilfælde må de to samvirkende overflader have tilstrækkeligt forskellige egenskaber, hvilket 20 kan opnås enten ved at belægge de to tætningsorganer med to forskellige belægningsmaterialer eller ved at påføre belægningsmaterialerne på overflader, som har forskellig finish eller at kombinere disse to muligheder.

En væsentlig fordel ved at benytte lag af hårde materialer, 25 som er påført ved fysisk- eller kemisk afsætning fra et gasformet medie, er at de ovenfor nævnte lag ikke ændrer finishen af tætningsorganernes overflader væsentligt. Den skive som skal belægges med et meget hårdt materiale kan derfor forarbejdes til en høj finish, f.eks. ved lapning, inden gennem-30 førelsen af belægningen og muliggør således bearbejdning af et materiale, der er tilstrækkelig hårdt til at kunne underkastes den afsluttende bearbejdningsproces, men omvendt ikke er så hårdt, at det gør denne forarbejdning vanskelig og dyr eller kræver specielt udstyr og teknologi. Dette forhold reducerer DK 168715 B1 6 fremstillingsomkostningerne, idet bearbejdningen kan foretages på konventionel maskineri af enhver producent, der ikke har specielt udstyr som det, der kræves f.eks. for at lappe et tætningsorgan fremstillet af siliciumcarbid.

5 Benyttelsen af et par af samvirkende tætningsorganer, hvoraf det ene, på grund af at det er belagt, har væsentlig større hårdhed end det andet og har høj overfladefinish, gør det muligt til det andet tætningsorgan at benytte et materiale, der har lavere hårdhed, ikke er belagt og har en grovere over-10 fladefinish med et stort antal huller, der reducerer bærefladen mellem de samvirkende tætningsorganer væsentligt. På grund heraf bliver friktionen mellem de to tætningsorganer reduceret yderligere. Yderligere reduceres fremstillingsomkostningerne ikke blot på grund af, at fremstillingen af et ikke-belagt 15 tætningsorgan er billigere, men også på grund af, at den krævede finish reduceres.

En fordel ved tætningsorganer, der er belagt med siliciumcarbid er dette materiales kemiske stabilitet. Faktisk udsættes dette materiale ikke for korrosion eller ændring i nogen form 20 for vand, og har en exceptionel modstandsdygtighed overfor oxidation. Tilsvarende egenskaber findes også hos andre materialer med stor hårdhed, som kan pålægges fra et gasformet medie, og især hos carbon med kubisk krystalstruktur. Dette materiale, som ikke kan benyttes til at danne tætningsorganets 25 legeme, er meget fordelagtigt på grund af dets lave friktionskoefficient, som nærmer sig 0,02.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan selvfølgelig anvendes uafhængig af formen og størrelsen af de tætningsorganer, der benyttes i indretningen. Disse tætningsorganer kan være flade 30 eller kan udgøre legemer, hvis arbejdsflader er konvekse eller konkave.

Ved anvendelsen af opfindelsen opretholdes de glidende bevægelser for de indretninger, som benytter disse organer, over

Claims (4)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et par skiveformede or ganer til en ventil, hvor hver af parrets skiveformede organer har en bearbejdet arbejdsflade, der er indrettet til tætnende at samvirke med en arbejdsflade på parrets anden skiveformede organ med henblik på at regulere en vandstrøm, og hvor ar-30 bejdsfladen af hvert af de skiveformede organer er fremstillet af et materiale valgt fra gruppen omfattende aluminiumoxider, aluminiumsilikater, keramisk materiale, steatit, metaller, syntetiske materialer og såkaldt tuflite og mindst et af de to skiveformede organers arbejdsflade er belagt med et materiale, DK 168715 B1 som har en hårdhed større end hårdheden af det skiveformede organs kernemateriale, og som danner et belægningslag, der er tyndt i forhold til tykkelsen af det pågældende skiveformede organ og de to samvirkende arbejdsflader er forskellige i 5 natur eller finish, kendetegnet ved, at processen omfatter trinnet påføring af materialebelægningen på i det mindste en af arbejdsfladerne ved pålægning ved hjælp af en fysisk eller kemisk pålægning fra et gasformigt medie valgt fra gruppen omfattende processerne benævnt CVD og PVD, over- 10 flademodifikation ved ionimplantering, ionimplantering under laserbehandling, overflademodifikation ved ionbestråling, plasma-CVD-processen, og den magnetfeltassisterede pålægningsproces, idet belægningsmaterialet er valgt fra gruppen omfattende siliciumcarbid, metalcarbider og -nitrider, især af 15 overgangsmetallerne, metalnitriter, især titannitrit og chrom-nitrit og carbon med kubisk krystalgitter.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kun et af de skiveformede organer er belagt med et materiale med en hårdhed større end hårdheden af kernematerialet, medens 20 det andet skiveformede organ ikke er belagt og dets ar-bejdsflade er bearbejdet til en finish, der er grovere end arbejdsfladen på det første skiveformede organ.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de to skiveformede organers samvirkende arbejdsflader er be- 25 lagt med to forskellige materialer valgt blandt den nævnte gruppe af materialer.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de to skiveformede organers samvirkende arbejdsflader er bearbejdet til forskellige overfladekvalitet inden pålægningen af 30 belægningsmaterialerne.