EP0285996A1 - Keramikkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Publication number
EP0285996A1
EP0285996A1 EP88105160A EP88105160A EP0285996A1 EP 0285996 A1 EP0285996 A1 EP 0285996A1 EP 88105160 A EP88105160 A EP 88105160A EP 88105160 A EP88105160 A EP 88105160A EP 0285996 A1 EP0285996 A1 EP 0285996A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sliding
sealing surface
component according
ceramic
sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88105160A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Rajner
Klaus Russner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ceramtec GmbH
Original Assignee
Ceramtec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ceramtec GmbH filed Critical Ceramtec GmbH
Publication of EP0285996A1 publication Critical patent/EP0285996A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B31/00—Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing ceramic components that have at least one flat or curved sliding and sealing surface.
  • Ceramic objects with a flat or curved sliding and sealing surface are usually produced by shaping a green ceramic body, sintering, grinding and then lapping or polishing the ground surface.
  • a polishing agent e.g. B. diamond grain
  • polishing the molded parts for a long time with a paste or emulsion of a polishing agent e.g. B. diamond grain
  • polished and in special polishing machines on rotating surfaces e.g. grooved flat steel discs, pressed. Rough spots are leveled in this way.
  • Lapping and polishing machines require high investment costs; their operation is wage-intensive and therefore involves high unit labor costs.
  • Valve disks for mixing valves are known from EP-OS 043456, which have a zirconium oxide content and an average roughness of less than 0.3 ⁇ m. A lapping or polishing treatment is required to manufacture these discs.
  • the object was therefore to specify a process for the production of ceramic moldings with flat or curved sliding and sealing surfaces, with the aid of which surfaces of the same sliding and sealing behavior can be produced in a simple and inexpensive manner.
  • the present method solves this task. It is a process for the production of ceramic bodies which have at least one flat or curved sliding and sealing surface, by shaping a green ceramic body, sintering, grinding and subsequent smoothing of the sliding and sealing surface formed and subsequent washing. This method is characterized in that the smoothing is achieved by abrasive polishing in the presence of an aqueous phase.
  • polishing small parts, which are usually in large numbers, are moved together with an aqueous phase in a container for a long time. This process is used to deburr or polish metal parts in electroplating.
  • the method according to the invention can be used in particular for smoothing the surfaces of bodies made of silicon carbide, steatite and aluminum oxide.
  • the average surface roughness Ra depending on the grinding wheel used, is 0.8 to over 1 ⁇ m. It is possible, but in most cases it is not necessary to wash the ground ceramic bodies before polishing and thus to remove sanding dust. Washing or degreasing is particularly useful if the ceramic body is contaminated with grinding oil.
  • the process according to the invention lacks finely divided abrasive substances, such as sand. With flat sliding surfaces, grinding is carried out by face grinding, with curved ones by cylindrical grinding.
  • the polishing scrub takes place in a scrubber.
  • a scrubber For example, scrubbing drums can be used in which the ceramic bodies roll over like in a washing machine. This is advantageous if, in addition to smoothing the sliding and sealing surface, rounding the edges is also desirable. Scrubbing vibrators can also be used, in which the bodies perform short, oscillating movements of high frequency. Larger parts in particular can be treated in these vibrators without risk of damage.
  • the scrubbing apparatus is usually filled with 10 to 90% by volume, preferably 30 to 60% by volume, with the ceramic bodies which are to be polished by polishing. A part of the volume of the apparatus, for example 0 to 30%, in particular 0 to 10% by volume, can remain empty. The rest is filled with an aqueous phase.
  • the amount of water should at least be so large that all ceramic parts are covered by water even during the scrubbing.
  • the correct degree of filling can be determined by simple tests and is usually in the range from 15 to 45% by volume.
  • the scrubbing time is several hours, e.g. 5 - 40 h and depends somewhat on the adjustable intensity of the movement. Scouring screens are also suitable, even if the time required is longer than with vibrators.
  • the smoothing process measured in terms of average roughness, proceeds quickly at first and then slower, so that there is hardly any danger consists in obtaining a polished body with undesirably low roughness.
  • the smoothing effect is not optimal and there is a possibility of breakage due to the overturning of individual parts. If the filling is too large, the relative movement between the parts is insignificant, which leads to long machining times.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of sealing and regulating disks (for sanitary use), slide rings, plungers, shafts, shaft protection sleeves, bearing rings and balls for ball valves.
  • the treatment liquid is a surfactant, e.g. B. soft soap, in amounts of 0.05-20 g / l, preferably 0.1 to 10 g / l. In this way, the formation of scratches is suppressed and the speed of the smoothing process is increased.
  • a surfactant e.g. B. soft soap
  • Scouring bodies with a density of 2 to are preferred 4 g / ml, preferably scouring body of the same composition as the ceramic body to be smoothed.
  • the scouring body can consist of Al2O3, SiC or boron carbide. If you work in the presence of scouring bodies, the scrubbing units should be filled to 10-90% by volume, in particular 40-75% by volume, with ceramic bodies to be smoothed plus scouring bodies.
  • the weight ratio of scouring body / ceramic body to be smoothed can be 0: 1 to 5: 1, in particular 1: 1 to 3: 1. Another excess of scouring pads is not harmful, but only uneconomical.
  • the use of scouring pads also makes sense if the sliding and sealing surface is easily accessible, but curved. This applies e.g. B. for cylindrical outer surfaces of plungers and shaft sleeves. The use of scouring pads is not necessary for components with a flat sliding and sealing surface.
  • surfaces can be obtained in the case of ceramic objects whose average roughness depth Ra is between 0.1 and 1.0 ⁇ m, preferably 0.3-0.8 ⁇ m. If the components have a flat sliding and sealing surface, flatnesses of at least 0.3, preferably at least 0.6 ⁇ m and at most 1.2 ⁇ m, preferably at most 0.8 ⁇ m can be produced. This applies in particular to objects made of aluminum oxide.
  • a content of Al2O3 is not critical. Can be used for.
  • the mean roughness depth Ra is referred to as the arithmetic mean roughness value according to DIN 4762.
  • the term flatness is replaced by the term surface accuracy, which indicates the maximum difference between the measured dimensions and the dimensions given by the mathematically defined shape of the body.
  • the surfaces produced by the method according to the invention show a surface with rounded tips when recorded in a scanning electron microscope. This surface is significantly poorer on sharp burrs than a surface of the same average roughness that was produced by polishing (e.g. with diamond polishing paste). This may be due to the much lower working pressure when polishing.
  • Valve disks that were produced by the method according to the invention require up to 50% less displacement force than polished or lapped valve disks of the same composition. They are sealed against liquid media in the range of 0 - 20 bar. At least up to a pressure of 6 bar, there are no differences in the sealing behavior against water compared to polished valve disks.
  • Ceramic bodies can be produced with reduced labor costs according to the specified process. Another advantage is that large numbers of units per unit time can be smoothed in simple apparatus. It is surprising that the brittle ceramic parts are hardly damaged or destroyed during the polishing process. In DE-PS 1949318, column 9, it is proposed to lap aluminum oxide valve disks in order to give them an extremely smooth surface.
  • the polished surfaces are less shiny than polished, but more polished than. They look matte and do not reflect.
  • the invention further relates to a machine component made of ceramic, which has at least one sliding and sealing surface, whose average roughness (Ra) is over 0.1, in particular over 0.3, and at most 1 ⁇ , in particular at most 0.8 ⁇ m.
  • the flatness or surface accuracy of this sliding and sealing surface lies in at least one measuring direction in the range from at least 0.3, in particular at least 0.6 ⁇ m to at most 1.2 ⁇ m, preferably at most 0.8 ⁇ m.
  • B components made of steatite or silicon carbide.
  • Preferred are components based on aluminum oxide, in particular with a content of at least 80 wt .-%, preferably at least 90 wt .-% Al2O3. Materials containing zirconium oxide and / or Hafnium oxide according to EP-PS 043456 can be used, but are not preferred.
  • the shape of the components according to the invention is not critical. The only essential thing is the presence of a sliding and sealing surface. As intended, this machine component will later be in flat contact with another component. Both components should be able to be moved against each other and the gap formed by them should be sealed against fluids such as e.g. B. water under pressure.
  • the component according to the invention can, for. B. adopt spherical shape.
  • the shape of a disk, a cylinder or a hollow cylinder is preferred.
  • Components with the shape of a cylindrical tube can serve as a piston jacket. It is important that the outer surface of the cylindrical tube is designed as a sliding and sealing surface.
  • the end faces of the tubes are preferably also designed as a sliding and sealing surface.
  • Another embodiment of the component according to the invention has the shape of a hollow cylinder closed on one side.
  • Such a component can, for. B. can be used as a plunger in high-pressure piston pumps. It is therefore necessary that the outer surface is designed as a sliding and sealing surface. It is preferred if the end face of the hollow cylinder is also designed as a sliding and sealing surface.
  • the length / diameter ratio is preferably at least 1, in particular at least 2.
  • a large variety of ceramic disks is used for valve disks, such as those installed in mixing valves or mixer taps in the sanitary area for regulating liquid flows. At least one side of the disc has a sliding and sealing surface. Stand in the finished controls at least two such valve disks in movable contact with one another, the sliding and sealing surfaces in each case slidingly and sealingly touching one another. Disk-shaped ceramic components with a sliding and sealing surface are preferred, the thickness of the disk in most cases being 1-10 mm, in particular 2-5 mm. It is preferred if the ratio of F 0.5 / D for these disks is 3-12, in particular 5-9, where F is the area of the disk defined by the outer dimensions of the disk and D is the thickness of the disk. Discs with the specified ratio can be processed very well in scouring vibrators. This applies in particular to discs with diameters of 3 - 50 mm.
  • a valve disc for sanitary mixer taps is often round or approximately round. It can have recesses on the edge. At least one channel for a liquid is provided in at least one disk of a control element. Usually, however, there are several channels for liquids to be mixed and the mixed liquid. These channels connect both sides of the valve disc. Valve disks with 3 openings are shown in DE-PS 1291957. It is preferred if the sum of the cross sections of the individual channels on each side reaches 5-45% of the disk area. With a larger proportion of the channel area, the mechanical stability of the valve disks decreases. As counterpart to valve disks with channels, valve disks with depressions arranged in the interior of the area also occur. It is preferred if both sides of the valve disk are designed as polished-sliding and sealing surfaces.
  • valve cartridges that contain two sealing disks that are in frictional engagement with one another and a sealing O-ring on the back of the movable disk, the risk of injury to the O-ring can be considerably reduced with disks that are smoothed on both sides.
  • Ceramic components in the form of a cylindrical washer are suitable as sliding rings in mechanical seals. These rotationally symmetrical parts show a rectangular outline when projected perpendicular to the axial direction. At least one, but preferably both, annular sides of the disk are designed as sliding and sealing surfaces.
  • the ratio of the outer diameter / thickness of the disk is in most cases 2.6-15, in particular 3-11, preferably 3.5-9.
  • Angle rings can also be produced by the method according to the invention, which can also be used as sliding bodies in mechanical seals.
  • These projection-symmetrical ceramic rings show a T-shaped outline when projected perpendicular to the axial direction.
  • the ring surface with the larger surface is designed as a sliding surface.
  • the ratio outside diameter / thickness is about 2-10. Preferred ranges for this ratio are 2.2 to 7, 2.8 to 5.6 and 3 to 5.
  • the invention is illustrated by the example.
  • Alumina powder with 96 wt .-% Al2O3 is ground in the presence of water and millstones for 48 hours. With the addition of 2% of a water-soluble binder, such as polyvinyl alcohol or methyl cellulose, a slip is produced and sprayed. The granules obtained are filled into a die and formed into a green body in an automatic dry press with a pressure of 15 kp / mm2. Sintering takes place at 1700-1750 ° C. The disks obtained are ground to a constant height and plane-parallel.
  • a water-soluble binder such as polyvinyl alcohol or methyl cellulose

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Sliding Valves (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein abdichtendes und in reibendem Eingriff stehendes Maschinenbauteil aus Keramik mit mindestens einer Gleit- und Dichtfläche, die eine mittlere Rauhigkeit (Ra) von über 0,1 und maximal 0,8 µm aufweist und die nicht spiegelt. Ein solches Bauteil läßt sich dadurch herstellen, daß man einen grünen Keramikkörper formt, sintert, durch Planschleifen oder Rundschleifen bearbeitet, gegebenenfalls wäscht und dann in Gegenwart einer wäßrigen Phase so lange polierscheuert, bis die gewünschte mittlere Rauhigkeit des Maschinenbauteils erreicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauteilen, die mindestens eine ebene oder gekrümmte Gleit- und Dichtfläche aufweisen.
  • Keramische Gegenstände mit einer ebenen oder gekrümmten Gleit- und Dichtfläche werden üblicherweise durch Formen eines grünen Keramikkörpers, Sintern, Zuschleifen und nachfolgendes Läppen oder Polieren der geschliffenen Fläche erzeugt. Auf diese Weise werden z. B. Gleitringe für Dichtungen oder Dicht- und Regelscheiben für sanitäre Armaturen hergestellt. Beim Polieren werden die Formteile längere Zeit mit einer Paste oder Emulsion eines Poliermittels, z. B. Diamantkorn, behandelt und dabei in speziellen Polierautomaten an rotierende Flächen, z.B. gerillte ebene Stahlscheiben, gepreßt. Rauhe Stellen werden so eingeebnet. Maschinen zum Läppen und Polieren erfordern hohe Investitionskosten; ihr Betrieb ist lohnintesiv und daher mit hohen Stücklohnkosten verbunden.
  • Für Gleitringe aus Aluminiumoxid wird für ausreichende Dichtigkeit eine maximale zulässige Unebenheit von 0,6 µm gefordert. Die mittlere Rauhtiefe (Ra) sollte 0,15 µm nicht überschreiten (VDI-Berichte Nr. 194, 1973, S. 124). Solche Rauhtiefen lassen sich nur durch Polieren oder Läppen erreichen.
  • Aus der EP-OS 043456 sind Ventilscheiben für Mischventile, insbesondere sanitäre Mischbatterien, bekannt, die einen Gehalt an Zirkonoxid und eine Mittenrauhigkeit kleiner als 0,3 µm aufweisen. Für die Herstellung dieser Scheiben ist eine Läpp- oder Polierbehandlung erforderlich.
  • Bei der visuellen Kontrolle üblicher Keramikkörper mit Gleit- und Dichtfläche verlangt der Fachmann, daß diese Fläche spiegelt.
  • Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Formkörpern mit ebenen oder gekrümmten Gleit- und Dichtflächen anzugeben, mit dessen Hilfe auf einfache und kostengünstige Weise Oberflächen von gleichem Gleit- und Dichtverhalten erzeugt werden können.
  • Das vorliegende Verfahren löst diese Aufgabe. Es handelt sich um ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Körpern, die mindestens eine ebene oder gekrümmte Gleit- und Dichtfläche aufweisen, durch Formen eines grünen Keramikkörpers, Sintern, Zuschleifen und nachfolgendes Glätten der gebildeten Gleit- und Dichtfläche und anschließendes Waschen. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Glätten durch Polierscheuern in Gegenwart einer wäßrigen Phase erreicht wird.
  • Beim Polierscheuern werden kleine Teile, die meist in großer Stückzahl vorliegen, zusammen mit einer wäßrigen Phase, in einem Behälter längere Zeit bewegt. Dieses Verfahren wird benutzt, um in der Galvanotechnik Metallteile zu entgraten oder zu polieren.
  • In dem Fachbuch A. Linek, "Trommeln", Deutscher Fachzeitschriften- und Fachbuchverlag GmbH, Stuttgart, 1953, wird dieses Verfahren näher beschrieben. Es wird angegeben, daß die Metallteile in Gegenwart von zugesetzten Schleifkörpern, z B. Sand oder "Trowal" (künstlich hergestelltes Aluminiumoxid) bewegt werden. Die Behandlung von keramischen Oberflächen wird in dieser Literaturstelle nicht erwähnt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere anwenden zur Glättung der Oberflächen von Körpern aus Siliziumcarbid, Steatit und Aluminiumoxid. Nach dem Schleifen liegt die mittlere Rauhtiefe Ra, je nach verwendeter Schleifscheibe, bei 0,8 bis über 1 µm. Es ist möglich, aber in den meisten Fällen nicht erforderlich, die zugeschliffenen keramischen Körper vor dem Polierschleifen noch zu waschen und damit von Schleifstaub zu befreien. Ein Waschen oder Entfetten ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die keramischen Körper durch Schleiföl verunreinigt sind. Beim erfindungsgemäßen Verfahren fehlen feinteilige abrasiv wirkende Stoffe, wie Sand. Bei ebenen Gleitflächen erfolgt das Zuschleifen durch Planschleifen, bei gekrümmten durch Rundschleifen.
  • Das Polierscheuern findet in einem Scheuerapparat statt. Einsetzbar sind z.B. Scheuertrommeln, in denen die Keramikkörper ähnlich wie in einer Waschmaschine sich überschlagene Bewegungen ausführen. Dies ist günstig, wenn neben der Glättung der Gleit- und Dichtfläche auch eine Abrundung der Kanten erwünscht ist. Einsetzbar sind ferner Scheuer-Vibratoren, in denen die Körper kurze oszillierende Bewegungen hoher Frequenz ausführen. In diesen Vibratoren lassen sich insbesondere größere Teile ohne Gefahr von Beschädigung behandeln. Üblicherweise ist die Scheuerapparatur zu 10 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise 30 bis 60 Vol.-% mit den keramischen Körpern angefüllt, die poliergescheuert werden sollen. Ein Teil des Volumens der Apparatur, beispielsweise 0 bis 30 %, insbesondere 0 bis 10 Vol.-%, kann leer bleiben. Der Rest ist mit wäßriger Phase angefüllt. Die Menge an Wasser soll zumindest so groß sein, daß alle keramischen Teile auch während des Scheuerns von Wasser bedeckt sind. Der richtige Befüllungsgrad läßt sich durch einfache Versuche ermitteln und liegt meist im Bereich von 15 - 45 Vol.-%. Die Scheuerzeit beträgt mehrere Stunden, z.B. 5 - 40 h und hängt etwas von der einstellbaren Intensität der Bewegung ab. Geeignet sind auch Scheuersiebe, wenn auch die erforderliche Zeit länger ist als bei den Vibratoren. Der Glättungsprozeß gemessen an der mittleren Rauhigkeit verläuft anfangs schnell und später langsamer, so daß kaum eine Gefahr besteht, einen poliergescheuerten Körper mit unerwünscht niedriger Rauhigkeit zu erhalten.
  • Wenn die Füllung des Scheueraggregates mit keramischen Körpern gering ist, so liegen zu wenig Reibpartner vor: der Glättungseffekt ist dann nicht optimal und wegen des zu heftigen Überschlagens einzelner Teile besteht die Möglichkeit von Bruch. Bei zu großer Füllung ist die Relativbewegung zwischen den Teilen unbedeutend, was zu langen Bearbeitungszeiten führt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Dicht- und Regelscheiben (für sanitäre Anwendung), Gleitringe, Plunger, Wellen, Wellenschutzhülsen, Lagerringe und Kugeln für Kugelventile.
  • Es hat sich gezeigt, daß eine besonders glatte Oberfläche erhalten wird, wenn der Behandlungsflüssigkeit ein Tensid, z. B. Schmierseife, in Mengen von 0,05-20 g/l, vorzugsweise 0,1 bis zu 10 g/l zugesetzt wird. Auf diese Weise wird die Bildung von Kratzern unterdrückt und die Geschwindigkeit des Glättungsprozesses erhöht.
  • Es gibt keramische Formkörper, bei denen die Gleitfläche oder Dichtfläche im Inneren angeordnet ist oder zumindest so ungünstig liegt, daß die Körper keine gegenseitige polierscheuernde Wirkung entfalten können. Dies gilt z. B. für bestimmte Wellenschutzhülsen, Lagerringe und für kombinierte Gleit- und Lagerringe. Hier liegen die Gleit- und Dichtflächen im Inneren. In diesem Fall ist es nötig, in Gegenwart von kleinen Scheuerkörpern, die frei sind von scharfen Kanten und die zu scheuernden Flächen erreichen können, zu arbeiten. Verwendbar sind z. B. Kugeln oder Stäbchen aus keramischem Material, z. B. Kugeln, deren Durchmesser, und Stäbchen, deren Länge 3-10 mm beträgt. Bevorzugt sind Scheuerkörper mit einer Dichte von 2 bis 4 g/ml, vorzugsweise Scheuerkörper der gleichen Zusammensetzung wie der zu glättende keramische Körper. Die Scheuerkörper können aus Al₂O₃, SiC oder Borcarbid bestehen. Falls man in Gegenwart von Scheuerkörpern arbeitet, so sollen die Scheueraggregate zu 10-90 Vol-%, insbesondere 40-75 Vol.-% mit zu glättenden Keramikkörpern plus Scheuerkörpern gefüllt sein. Das Gewichtsverhältnis Scheuerkörper/zu glättende Keramikkörper kann 0:1 bis 5:1, insbesondere 1:1 bis 3:1 betragen. Ein weiterer Überschuß an Scheuerkörpern ist nicht schädlich, sondern nur unwirtschaftlich. Die Verwendung von Scheuerkörpern ist auch sinnvoll, wenn die Gleit- und Dichtfläche zwar leicht zugänglich, aber gekrümmt ist. Dies gilt z. B. für zylindrische Außenflächen von Plungern und Wellenschutzhülsen. Für Bauteile mit ebener Gleit- und Dichtfläche ist die Verwendung von Scheuerkörpern nicht erforderlich.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bei keramischen Gegenständen Oberflächen erhalten, deren mittlere Rauhtiefe Ra zwischen 0,1 und 1,0 µm, vorzugsweise 0,3-0,8 µm, beträgt. Sofern die Bauteile eine ebene Gleit- und Dichtfläche aufweisen, lassen sich Ebenheiten von mindestens 0,3, vorzugsweise mindestens 0,6 µm und maximal 1,2 µm, vorzugsweise maximal 0,8 µm erzeugen. Dies gilt insbesondere für Gegenstände aus Aluminiumoxid. Dabei ist ein Gehalt an Al₂O₃ nicht kritisch. Einsetzbar sind z. B. geschliffene Aluminiumoxid-Bauteile, deren Gehalt an Al₂O₃ über 80%, noch besser über 90%, insbesondere über 92%, vorzugsweise über 94% liegt. Verwendbar sind auch Bauteile mit einem Gehalt von über 96%, über 98%, über 99 % und über 99,5 Gew.-% Al₂O₃. Je höher der Al₂O₃-Gehalt umso besser sind die Festigkeitswerte des Bauteils. Die mittlere Rauhtiefe Ra wird gemäß DIN 4762 als arithmetischer Mittenrauhwert bezeichnet.
  • Bei gekrümmten Flächen, (z.B. Zylindern, Kugeln, Kegeln) wird der Begriff der Ebenheit ersetzt durch den Begriff der Oberflächengenauigkeit, der angibt, wie groß maximal der Unterschied zwischen den gemessenen Abmessungen und den durch die mathematisch definierte Form des Körpers gegebene Abmessungen liegen.
  • Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Oberflächen zeigen bei Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop eine Oberfläche mit abgerundeten Kuppen. Diese Oberfläche ist deutlich ärmer an spitzen Graten als eine Oberfläche gleicher mittlerer Rauhigkeit, die durch Polieren (z.B. mit Diamantpolierpaste) erzeugt wurde. Dies liegt möglicherweise an dem wesentlich niedrigeren Arbeitsdruck beim Polierscheuern.
  • Ventilscheiben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, benötigen eine bis zu 50 % geringere Verschiebekraft als polierte oder geläppte Ventilscheiben gleicher Zusammensetzung. Sie sind im Bereich von 0 - 20 bar dicht gegenüber flüssigen Medien. Zumindest bis zu einem Druck von 6 bar sind im Dichtverhalten gegenüber Wasser keine Unterschiede im Vergleich zu polierten Ventilscheiben festzustellen.
  • Nach dem angegebenen Verfahren lassen sich keramische Körper mit verringerten Lohnkosten herstellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich in einfachen Apparaturen hohe Stückzahlen pro Zeiteinheit glätten lassen. Es ist überraschend, daß die spröden keramischen Teile beim Polierscheuern kaum beschädigt oder zerstört werden. Noch in der DE-PS 1949318, Spalte 9 wird vorgeschlagen, Ventilscheiben aus Aluminiumoxid zu läppen, um ihnen eine extrem glatte Oberfläche zu geben.
  • Die poliergescheuerten Flächen glänzen weniger als polierte, aber mehr als geschliffene. Sie sehen mattglänzend aus und spiegeln nicht.
  • Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar mittlere Rauhigkeiten (Ra) von 0,1 bis 0,3 µm (und selbstverständlich höher) erhalten werden können, wenn das Grundmaterial aus mindestens 96 %, insbesondere mindestens 98 % Al₂O₃ besteht und die mittlere Kristallitgröße (gemäß ASTME 112-74) des Aluminiumoxids eine Größe von 8 Mikron nicht überschreitet. Ähnliche Werte lassen sich für Siliciumcarbid-Körper erhalten. Besonders günstig sind Reingehalte von über 99 %, vorzugsweise von über 99,5 %, insbesondere mindestens 99,7 Gew.-% Al₂O₃. Es ist günstig, wenn der verwendete keramische Werkstoff porenfrei ist. Es ist ferner bevorzugt, wenn die mittlere Kristallitgröße im Bereich von 2 bis 6, inbesondere 3 bis 5 µm liegt. Überraschenderweise erfordern Aluminiumoxidteile mit einer poliergescheuerten Gleit- und Dichtfläche deutlich geringere Verschiebekräfte als gleiche Teile gleicher mittlerer Rauhigkeit, deren Gleit- und Dichtfläche durch Polieren erzeugt wurde.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Maschinenbauteil aus Keramik, das mindestens eine Gleit- und Dichtfläche aufweist, deren mittlere Rauhigkeit (Ra) über 0,1, insbesondere über 0,3, und maximal 1 µ, insbesondere maximal 0,8 µm, beträgt. Die Ebenheit, bzw. Oberflächengenauigkeit dieser Gleit- und Dichtfläche liegt in mindestens einer Meßrichtung im Bereich von mindestens 0,3, insbesondere mindestens 0,6 µm bis maximal 1,2 µm, vorzugsweise maximal 0,8 µm. Herstellbar sind z. B. Bauteile aus Steatit oder Siliciumcarbid. Bevorzugt sind Bauteile auf Basis Aluminiumoxid, insbesondere mit einem Gehalt von mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% Al₂O₃. Werkstoffe mit einem Gehalt an Zirkonoxid und/oder Hafniumoxid gemäß EP-PS 043456 können eingesetzt werden, aber sind nicht bevorzugt.
  • Die Form der erfindungsgemäßen Bauteile ist nicht kritisch. Wesentlich ist nur das Vorhandensein einer Gleit- und Dichtfläche. Bestimmungsgemäß steht dieses Maschinenbauteil später mit einem anderen Bauteil in flächigem Kontakt. Beide Bauteile sollen gegeneinander bewegt werden können und der durch sie gebildete Spalt dicht sein gegenüber Fluida, wie z. B. Wasser unter Druck.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil kann z. B. Kugelform annehmen. Bevorzugt ist die Form einer Scheibe, eines Zylinders oder eines Hohlzylinders. Bauteile mit der Form eines zylinderförmigen Rohres können als Kolbenmantel dienen. Dabei ist es wichtig, daß die Mantelfläche des zylinderförmigen Rohres als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist. Die Stirnseiten der Rohre sind vorzugsweise ebenfalls als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils hat die Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders. Ein solches Bauteil kann z. B. als Plunger in Hochdruck-­Kolbenpumpen eingesetzt werden. Daher ist es erforderlich, daß die Mantelfläche als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, wenn auch die Stirnseite des Hohlzylinders als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist. Bei diesen zylinderförmigen Teilen ist vorzugsweise das Verhältnis Länge/Durchmesser mindestens 1, insbesondere mindestens 2.
  • Für Ventilscheiben, wie sie in Mischventilen, oder Mischbatterien das Sanitärbereiches zur Regulierung von Flüssigkeitsströmen eingebaut werden, ist eine große Vielfalt von keramischen Scheiben im Gebrauch. Dabei weist mindestens eine Seite der Scheibe eine Gleit- und Dichtfläche auf. In den fertigen Steuerelementen stehen mindestens zwei solcher Ventilscheiben in beweglichem Kontakt miteinander, wobei jeweils die Gleit- und Dichtflächen einander gleitend und dichtend berühren. Bevorzugt sind scheibenförmige Keramikbauteile mit einer Gleit- und Dichtfläche, wobei die Dicke der Scheibe in den meisten Fällen 1-10 mm, insbesondere 2-5 mm beträgt. Es ist bevorzugt, wenn bei diesen Scheiben das Verhältnis von F0,5/D bei 3-12, insbesondere 5-9 liegt, wobei F die durch die Außenabmessungen der Scheibe definierte Fläche der Scheibe und D die Dicke der Scheibe ist. Scheiben mit dem angegebenen Verhältnis lassen sich sehr gut in Scheuer-­Vibratoren bearbeiten. Dies gilt insbesondere für Scheiben mit Durchmessern von 3 - 50 mm.
  • Eine Ventilscheibe für sanitäre Mischbatterien ist häufig rund oder angenähert rund. Sie kann am Rande Ausnehmungen aufweisen. In mindestens einer Scheibe eines Steuerelements ist mindestens ein Kanal für eine Flüssigkeit vorgesehen. Meist sind aber mehrere Kanäle für zu mischende Flüssigkeiten und die gemischte Flüssigkeit vorhanden. Diese Kanäle verbinden beide Seiten der Ventilscheibe. Ventilscheiben mit 3 Öffnungen sind in der DE-PS 1291957 abgebildet. Es ist bevorzugt, wenn die Summe der Querschnitte der einzelnen Kanäle auf jeder Seite 5-45% der Scheibenfläche erreicht. Bei größerem Anteil der Kanalfläche nimmt die mechanische Stabilität der Ventilscheiben ab Als Gegenpartner zu Ventilscheiben mit Kanälen kommen auch Ventilscheiben mit im Innern der Fläche angeordneten Mulden vor.
    Es ist bevorzugt, wenn beide Seiten der Ventilscheibe als poliergescheuerte Gleit- und Dichtfläche ausgebildet sind.
  • Bei Ventilkartuschen, die zwei miteinander in reibendem Eingriff stehende Dichtscheiben und einen abdichtenden O-Ring auf der Rückseite der beweglichen Scheibe enthalten, läßt sich mit beidseitig geglätteten Scheiben die Gefahr der Verletzung des O-Rings erheblich vermindern.
  • Als Gleitringe in Gleitringdichtungen eignen sich keramische Bauteile in Form einer zylindrischen Ringscheibe. Diese rotationssymmetrischen Teile zeigen bei einer Projektion senkrecht zur Achsrichtung einen rechteckigen Umriß. Mindestens eine, vorzugsweise aber beide ringförmigen Seiten der Scheibe sind als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet. Das Verhältnis Außendurchmesser/­Dicke der Scheibe beträgt in den meisten Fällen 2,6-15, insbesondere 3-11, vorzugsweise 3,5-9. Herstellbar sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Winkelringe, die ebenfalls als Gleitkörper in Gleitringdichtungen verwendet werden können. Diese rotationssymemtrischen Keramikringe zeigen bei Projektion senkrecht zur Achsrichtung einen T-förmigen Umriß. Insbesondere die Ringfläche mit der größeren Fläche ist als Gleitfläche ausgebildet. Das Verhältnis Außendurchmesser/Dicke beträgt etwa 2-10. Bevorzugte Bereiche für dieses Verhältnis sind 2,2 bis 7, 2,8 bis 5,6 und 3 bis 5.
  • Die Erfindung wird durch das Beispiel näher erläutert.
    • Beispiel
  • Aluminiumoxid-Pulver mit 96 Gew.-% Al₂O₃ wird in Gegenwart von Wasser und Mahlsteinen 48 h gemahlen. Unter Zusatz von 2% eines wasserlöslichen Bindemittels, wie Polyvinylalkohol oder Methylzellulose, wird ein Schlicker hergestellt und versprüht. Das erhaltene Granulat wird in eine Matrize eingefüllt und in einem Trockenpreßautomaten mit einem Druck von 15 kp/mm² zu einem Grünkörper geformt. Das Sintern erfolgt bei 1700-1750°C. Die erhaltenen Scheiben werden auf konstante Höhe und planparallel geschliffen.
  • Die erhaltenen Scheiben sind wegen der Form der Matrize kreisförmig (Durchmesser 17 mm). Sie weisen am äußeren Umfang 2 kleine Nasen auf und im Inneren einen etwa halbmondförmigen Kanal. Die Fläche des Kanals beträgt ca. 25% der gesamten Scheibenfläche. Die Scheiben sind 2,3 mm dick. Etwa 40.000 Stück solcher kleiner Wasserdichtscheiben werden in ein Scheueraggregat (William Boulton Ltd. Typ FM3) eingefüllt. Der Füllgrad beträgt etwa 15 Vol.-%. Das Aggregat wird anschließend bis zum Rand mit 70 1 Wasser aufgefüllt. Pro Liter Wasser wird 1 g Schmierseife zugesetzt. Die Drehzahl des Motors wird auf 1440 min⁻¹, die Unwucht auf 15° eingestellt. Nach 40 Stunden Polierscheuern wird die wäßrige Phase abgetrennt und der Inhalt gewaschen und getrocknet. Die Oberfläche der poliergescheuerten Wasserdichtscheiben weist eine Rauhigkeit von 0,5 - 0,7 µm auf. Die Ebenheit der Gleit- und Dichtfläche der Dichtscheiben beträgt 1 - 2 Helium-­Lichtbänder (= 0,3 bis 0,6 µm).

Claims (21)

1. Verfahren zur Herstellung eines abdichtenden und in reibendem Eingriff stehenden Maschinenbauteils aus Keramik, das mindestens eine ebene oder gekrümmte Gleit- und Dichtfläche aufweist, durch Formen eines grünen Keramikkörpers, Sintern, Zuschleifen und nachfolgendes Glätten der gebildeten Gleit- und Dichtfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Körper in Gegenwart einer wäßrigen Phase solange polierscheuert, bis eine mittlere Rauhigkeit von über 0,1 und maximal 0,8 µm erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polierscheuern ohne vorhergehendes Waschen der zugeschliffenen Keramikkörper erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Polierscheuern der keramischen Körper Scheuerkörper zugesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser organische Additive mit Oberflächenaktivität enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Keramikkörper aus Aluminiumoxid poliergescheuert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheuerapparat zu 10 bis 90 Vol-% mit zu glättenden Keramikkörpern gefüllt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleit- und Dichtflächen von Gleitringen oder Regelscheiben geglättet werden.
8. Abdichtendes und in reibendem Eingriff stehendes Maschinenbaute1 aus Keramik mit mindestens einer ebenen Gleit- und Dichtfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleit- und Dichtfläche eine mittlere Rauhigkeit (Ra) von über 0,1 und maximal 0,8 µm aufweist und nicht spiegelt.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenheit der Gleit- und Dichtfläche im Bereich von 0,3 bis 1,2 µm liegt.
10. Abdichtendes und in reibendem Eingriff stehendes Maschinenbauteil aus Keramik mit mindestens einer Gleit- und Dichtfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil eine Zylindermantelfläche aufweist, die als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist, eine Rauhigkeit (Ra) von über 0,1 und maximal 0,8 µm aufweist und nicht spiegelt.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines zylinderförmigen Rohres hat, dessen Mantelfläche als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist.
12. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders aufweist, dessen Mantelfläche als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist.
13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stirnfläche des Hohlzylinders eine mittlere Rauhigkeit (Ra) von über 0,1 und maximal 0,8 µm aufweist.
14. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es scheibenförmig ist und mindestens eine Seite der Scheibe eine Gleit- und Dichtfläche aufweist.
15. Bauteil gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Dicke von 1 bis 10 mm aufweist.
16. Bauteil gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von F0,5/D bei 3 bis 12, insbesondere 5 bis 9 liegt, wobei F die durch die Außenabmessungen der Scheibe definierte Fläche der Scheibe und D die Dicke der Scheibe ist.
17. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seiten der Scheibe durch mindestens einen Kanal verbunden sind.
18. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite die Summe der Querschnitte der einzelnen Kanäle 5 bis 45% der Scheibenfläche beträgt.
19. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines kurzen Zylinderförmigen Rohres hat, wobei mindestens eine ringförmige Stirnseite als Gleit- und Dichtfläche ausgebildet ist und das Verhältnis Außendurchmesser/Dicke des Rohres mindestens 2,6 beträgt.
20. Bauteil gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge/Durchmesser des Zylinders mindestens 1, beträgt.
21. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Aluminiumoxid-Gehalt von über 80 Gew.-%, aufweist.
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