FI82975C - Glidelementkombination. - Google Patents

Description

82975

Liukueleroenttiyhdistelmä - Glidelementkombination Tämä keksintö koskee pääpatenttivaatimuksen lajimääritel-män mukaista liukuelementtiyhdistelmää.

Teknisen tason perusteella tunnetaan useita liukuelement-tiyhdistelmiä, erityisesti aksiaalisia liukurengastiivis-teitä tai armatuureja varten tarkoitettuja tiivistelaatto-ja.

Patenttijulkaisussa GB-A-14 34 365 on esitetty liuku-rengastiivisteitä, jossa toinen kosketuksessa olevista elementeistä on varustettu boorikarbidipäällystyksellä. Vertailun vuoksi viitataan kuumapuristetusta piinitridistä valmistettuun liukuelementtiin, joka on kosketuksessa vas-taelementtiin, joka on hiiltä. Tätä liukuelementtiyhdistelmää ei ilmeisesti pidetty kovin sopivana.

Patenttijulkaisussa EP-A-0 118 056 on esitetty alumiinioksidin ja piinitridin käyttämistä tiivistävien rakenneosien valmistamiseksi liukulaakerissa, jolloin vastaelementtien aineena mainitaan grafiitti.

Piinitridiä olevia liukuelementtejä on myös esitetty japanilaisissa patenttihakemuksissa 50 223, 34 020 ja 16 0625 ja ne ovat kosketuksessa vastaelementtien kanssa, jotka ovat kromioksidilla päällystettyä ainetta, vastaelementtien kanssa, jotka perustuvat kupariin/nikkeliin tai ei lähemmin esitettyjen vastaelementtien kanssa, jotka ovat metallia.

Hollantilaisessa kirjassa "Progress in Nitrogen Ceramics", 1983, sivut 683-693, on myös esitetty liukuelementtiyhdistelmä, jossa kumpikin elementti on sialonia (piialuminium-oksidinitridiä).

Myös sekoitushanoja varten tarkoitettujen tiivistelaatto-jen valmistamiseksi on esitetty useita eri aineita.

2 82975

Sekoitushanojen tiivistelaatat valmistettiin aikaisemmin useimmiten aluminiumoksidista, osittain seostettuna esimerkiksi sirkoniumoksidilla. Vanhemmat patenttijulkaisut, joihin kuuluvat esimerkiksi DE-B 12 82 377; FR-A 14 54 755; DE-B 12 91 957; DE-A 28 34 146, koskevat liukuelementtejä vast, vastaelementtejä, jotka ovat alumi-niumoksidiin perustuvia aineita. Näillä ehdotuksilla on vielä tiettyjä epäkohtia ja tunnetuilla liukuelementtiyh-distelmillä on varsinkin liian suuri tartuntakitka.

Hakijan eräässä aikaisemmin ehdotuksessa esitetään patenttijulkaisun EP-B 43 456 mukaan sen sijaan erityistä keraa-misisten ainekomponenttien seosta erityisen pienen profii-1ikanto-osuuden saavuttamiseksi.

Tämä ehdotus poistaa tosin ensinnäkin sen ennakkoluulon, että riittävä tiivistysvaikutus on saavutettavissa vain suurella profiilikanto-osuudella, mutta tällä ehdotuksella on kuitenkin tiettyjä valmistusteknisiä epäkohtia sen vuoksi että keraamisen lähtöjauheen erittäin suuren hienojakoisuuden vuoksi valmistuskustannukset monessa tapauksessa suuren energiankulutuksen takia ylittävät taloudellisesti siedettävän tason. Aikaisemmissa ja vielä julkaisemattomissa tämän hakijan patenttihakemuksissa on jo esitetty etsaamalla tai päällystämällä toteutettu pintakäsittely liukuelementtien saamiseksi, joilla on pieni kitka-kerroin. Nämä pintakäsittelymenetelmät johtavat tosin erittäin hyviin tuloksiin mitä tulee liukuelementtien pienempään tartuntakitkaan, ja niillä on lisäksi erinomainen tiivistävä vaikutus, mutta nämä esitetyt menetelmät ovat kuitenkin kalliita niin, että näiden menetelmien mukaan valmistettuja liukuelementtejä ei kaikkialla voida käyttää taloudellisesti.

Italialaisessa patenttihakemuksessa 67 746-A/82 on myös ehdotettu 1iukuelementtiyhdistelmää, joka koostuu kovaa i 3 82975 ainetta olevista elementeistä, joilla aineilla on erilaiset ominaisuudet, jolloin ainakin yksi elementeistä on piikarbidia. Tämän ehdotuksen eräs epäkohta on se, että siinä ehdotetun yhdistelmän vuoksi, jossa kovempia kitka-elementtejä yhdistetään vähemmän koviin liukuelementteihin vast, liukuelementteihin, joilla on epätasaisempi pinta, jolloin kosketuspinta yhdessä toimivien liukuelementtien välillä pienenee ja kitkan toivotaan pienenevän, kustannukset kasvavat piikarbidin käyttämisestä ja liukuelementtien eri kovuuksien johdosta tulee kovempi elementti tietyllä tavalla toimimaan toisen vähemmän kovan liukuelemen-tin pintaa käsittelevänä työkaluna, mikä johtaa ei-toivot-tuun pinnanmuutokseen vähemmän kovassa liukuelementissä.

Kitkaelementtiyhdistelmässä, esimerkiksi sekoitushanan tiivistelaattayhdistelmässä, jossa toinen tiivistelaatta on piikarbidia ja toisella on ensimmäisen tiivistelaatan suhteen monimutkainen muoto, monimutkaisen muodon omaava tiivistelaatta ei ole piikarbidia, vaan se on eoim^rkϊk·^j valmistettava aluminumoksidista. Tämä johtuu piikarbidira-kenneosien valmistukseen liittyvästä tunnetusta problematiikasta, mutta sillä on kuitenkin se epäkohta, että nimenomaan monimutkaisen rakennemuotonsa vuoksi erityisen lämpöiskuherkkää tiivistelaattaa ei voida valmistaa sinänsä ei erityisen lämpöiskuherkästä piikarbidista.

Piikarbidin pysyvät epäkohdat selittyvät tämän suhteellisen hauraan aineen riittämättömällä sitkeydellä niin, että usein jo valmistuksen yhteydessä piikarbidista valmistetut rakenneosat rikkoutuvat erityisesti silloin, kun ne ovat monimutkaisia muodoltaan ja iskeytyvät toisiinsa valmistuksen aikana esimerkiksi hiekkapuhalluksen aikana ja kun niitä kuljetetaan massatuotettuna irtotavarana.

Lisäksi käytetään patenttijulkaisun DE-U 80 12 995 mukaan kulutusta kestävässä armatuurissa virtaavia aineita varten 4 82975 piikarbidia tai piinitridiä erilaisten rakenneosien valmistamiseksi. Tämä patenttijulkaisu ei sisällä mitään ehdotusta piikarbidia tai piinitridiä olevien rakenneosien kanssa kosketuksessa olevien rakenneosien osalta.

Tekniikan tunnettu taso huomioonottaen on tämän keksinnön tehtävänä saada aikaan liukuelementtiyhdistelmä, joiden elementit ilman monimutkaisia pintakäsittelymenetelmiä voidaan valmistaa sinänsä tunnetuista keraamisista aineista. Liukuelementtiyhdistelmällä tulee olla hyvä tiivistävä vaikutus ja sen kitkakertoimen, varsinkin sen tartuntakit-kakertoimen tulee tällöin olla pienempi tunnettuihin päällystämättömiin, esimerkiksi aluminiumoksidista, valmistettuihin keramiikkaelementteihin verrattuna.

Tämä tehtävä ratkaistaan esitetyn tyyppisen liukuelement-tiyhdistelmän osalta patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien avulla.

Piinitridiä on tosin pitkään käytetty liukuelementtien valmistamiseksi mutta sitä ei kuitenkaan aikaisemmin ole yhdistetty aluminiumoksidia oleviin vastaelementteihin. Keksinnön mukaan ehdotetun liukuelementtiyhdistelmän sopivuutta voidaan pitää yllättävänä siinä mielessä, että sekä piinitridiä oleva liukuelementti että aluminiumoksidia oleva vastaelementti omaa suuren profiilikanto-osuuden, jolloin aikaisemmin todetun perusteella kitkakertoimien myös pitäisi kasvaa.

Vielä ei varmuudella voida selittää miksi liuku- ja tar-tuntakitkakertoimet ovat niin alhaisia. Voidaan kuitenkin olettaa, että piinitridiä olevassa liukuelementissä olevan suuren kovalenttisten sidosten osuuden vuoksi on käytössä vain vähän vapaita elektroneja pienen varauksen orbitaa-leissa liukuelementin pinnalla ja tästä syystä on olemassa hyvin pieni taipumus muodostaa fysikaalisia tai kemiallisia sidoksia vastaelementin suhteen.

5 82975

Myös todetun suuren kulutuskestävyyden osalta on tätä keksintöä pidettävä hyvin yllättävänä. Koska tekniikasta tunnetuiksi tulleita piinitridiaineiden yhdistelmiä, joissa esimerkiksi elementteinä käytetään aksiaalista liuku-rengastiivistettä ja vastaelementtiä, joka voi olla useata eri ainetta, kuten esimerkiksi metallia tai hiiltä, joita puolestaan on ehdotettu yhdistettäviksi aluminiumoksidia oleviin elementteihin, useilla eri käyttöaloilla ei ole voitu käyttää täydellä menestyksellä, on piinitridiä ja aluminiumoksidia olevien elementtien yhdistelmää pidettävä yllätyksellisenä.

Patenttivaatimuksissa ja selityksessä käytetty ilmaisu: piinitridiin perustuva aine, jossa piinitridikiteiden ja/tai piinitridiseoskiteiden osuus on vähintään 60 paino-%, käsittää kaikki kidefaasin omaavat piinitridiai-neet tällä numerollisella alueella. Seoskiteillä ymmärretään sellaisia, joissa Si-atomit on korvattu Al-atomeilla ja N-atomit O-atomeilla. Sellaiset liukuelementit ovat keksinnön mukaan erityisen sopivia, jotka koostuvat aineista, joiden piinitridifaasiosuus on vähintään 80 paino-%. Lisäksi ovat sellaiset liukuelementit sopivia, joiden piialuminiumoksidinitridiosuus on vähintään 80 paino-%. Erään toisen sopivan rakennemuodon mukaan on pii-nitridifaasi a- tai β-faasissa ja piinitridiseoskidefaasi 8'-seoskidefaasissa. β- ja β'-faasit ovat erityisen suositeltavat. Aineen loppuosa voi koostua lasifaasista, joka on esimerkiksi Siesta ja ytriumyhdisteitä, joilla on toinen kiderakenne kuin Si3N4:lla.

Selityksessä ja patenttivaatimuksissa käytetty käsite alu-miniumoksidiin perustuva aine käsittää myös aineita, jotka aluminiumoksidin lisäksi sisältävät vielä muita oksideja, kuten esimerkiksi magneslumoksidia ja vastaavia sintraus-apuaineina ja myös sellaisia aluminiumoksideja, jotka vielä sisältävät tietyn prosentuaalisen osuuden sirkoniumoksi- 6 82975 dia lujuuden parantamiseksi ja jotka tunnetaan käsitteellä dispersiokerami ikka.

Tavanomaiset epäpuhtaudet, jotka esimerkiksi hiomisesta väistämättä joutuvat aineeseen, ovat tämän keksinnön puitteissa sallitut pieninä määrinä, jolloin tällaisten epäpuhtauksien, kuten esimerkiksi raudan, volfrämin, aluminiu-min, sirkoniumin, seriumin, hiilen ja hapen määrä ei kuitenkaan saa ylittää 3 paino-%.

Erään erityisen sopivan rakennemuodon mukaan on liukuele-menttiyhdistelmässä liukuelementin koostumus: 4-15 paino-% ytriumoksidia, joka kokonaan tai osittain voidaan korvata 1-5 paino-%:11a magnesiumoksidia, 0-10 paino-% piidioksidia, 0-10 paino-% aluminiumoksidia ja 0 - 4 paino-% rautaoksidia ja loput piinitridiä, jolloin kaikkien paino-osien summa on 100 paino-%.

Erään sopivan rakennemuodon mukaan liukuelementit ovat muotokappaleita, jotka on valmistettu sintraamalla pai-neettomasti tai reaktiosintraamalla muotoiltua jauheseos-ta. Tämän vuoksi on myös monimutkaisen muodon omaavien liukuelementtien valmistus mahdollinen, mikä mahdollistaa pienen ainepaksuuden, mikä sekoitushanan tiivistelaattojen osalta mahdollistaa pienempien armatuurien valmistamisen. Erityisen suuren tiiviyden ja pienen huokoisuuden ja siis myös suuremman lujuuden saavuttamiseksi voidaan sintraus-prosessiin liittää kuuma isostaattinen jälkitiivistysvaihe.

Keksinnön mukaisen liukuelementtiyhdistelmän käyttäminen on mahdollinen hyvin monella tekniikan alalla ja sitä käytetään sopivimmin tiivistelaattana sekoitushanassa tai liukurenkaana liukurengastiivisteessä. Jos rakenteelliset toimenpiteet tällöin vaativat, että joko liukuelementti tai vastaelementti on muodoltaan monimutkainen, on sopivinta, että se elementti, jolla on monimutkainen muoto, 7 82975 valmistetaan keksinnön mukaan käytetystä aineesta, joka perustuu piinitridiin. Tällöin saadaan aikaan se etu, että piinitridistä valmistettu elementti tämän aineen hyvän lämpöiskukestävyyden ansiosta antaa liukuelementtiyhdis-telmälle hyvän käyttöarvon.

Keksinnön mukaisten liukuelementtien valmistamiseksi käytetään sinänsä tunnettuja keramiisen alan menetelmiä ja laitteita.

Sintraustoimenpiteen jälkeen suojakaasussa seuraa tasaisten pintojen muodostamiseksi tavanomainen mekaaninen hionta-, hiertämis- tai kiillotusvaihe.

Kun piinitridiä oleva liukuelementti keksinnön mukaan sijoitetaan sekoitushanaan saadaan lisäetu siksi, että se-koitushanojen rakenteessa voidaan välttää tavanomaisia muovisisäkappaleita, joita käytetään venttiilitiiviste-laattaan vaikuttavien voimien vaimentamiseksi. Myös tämä on siinä mielessä yllättävää, että kun verrataan piinitri-din lujuusarvoja esimerkiksi aluminiumoksidikeramiikan vastaaviin, ei olisi ollut odotettavissa, että tunnetut muovisisäkappaleet olisi voitu jättää pois.

Esimerkki: jauheseos, jonka koostumus oli 6 paino-% ytriumoksidia 3 paino-% piidioksidia 2,5 paino-% aluminiumoksidia Loput piinitridiä puristetaan tavanomaisen venttiilin tiivistelaatan muotoiseksi ja sintrataan paineettomasti sen jälkeen kun jauhe-seos on perusteellisesti jauhettu submikronikokoiseksi ja homogenisoitu. Puristuspaine oli 1500 bar, sintrausproses- 8 82975 si suoritettiin typessä lämpötilan ollessa 1750°C ja yhdessä tunnissa. Täten aikaansaatu tiivistelaatta hiottiin ja kiillotettiin 2 valospektrinauhan tasaisuuteen ja niin, että kantopintaosuus oli 80 %.

Keskimääräinen raekoko valmiissa tiivistelaatassa oli 2 ym.

Kitkavoimien määrittämiseksi valmistettiin koekappaleeksi nastanmuotoinen liukuelementti esimerkin mukaisesta aineesta, sen pinta hiottiin ja kiillotettiin ja koekappaletta testattiin kitkakoestustelineessä vertaamalla sitä aluminiumoksidia olevaan koekappaleeseen, joka oli tiivis-telaatan muotoinen. Vertauksen vuoksi verrattiin toisiinsa rakenteeltaan samanlaisia koekappaleita, jotka olivat aluminiumoksidia ja joilla oli hiottu ja kiillotettu pinta. Saadut liukukitkakertoimien vast, tartuntakitkakertoimien tulokset ilmenevät seuraavasta taulukosta:

Taulukko:

Koekappale Voitelu Liukukitka- Tartuntakitka-

kerroin μ kerroin yQ

Kitka- partneri S13N4 Kuiva 0,095 0,125 esim. muk./ AI2O3 öljyvoideltu 0,05 0,1

Al2°3/ j Kuiva 0,22 0,34 AI2O3 I öljyvoideltu 0,13 0,19

Taulukosta ilmenee keksinnön mukaisen koekappaleen ja alu-miniumoksiditiivistelevyn yhdistelmän huomattava ylivoimaisuus puhtaaseen aluminiumoksidiyhdistelmään verrattuna,

Claims (9)

9. z ?'/ 5 varsinkin erityisen tärkeän tartuntakitkakertoimen osalta ilman voitelua. Tämä arvo määrittää irroitusvoiman pysäy-tyksen jälkeen.

1. Liukuelementtiyhdistelmä, jossa on ainakin yksi piinit-ridin pohjalta valmistettu liukuelementti, joka on kitka-ja tiivistävässä yhteydessä ainakin yhteen vastaelement-tiin, tunnettu siitä, että liukuelementti on ainetta, joka perustuu piinitridiin, jossa piinitridifaasin ja/tai piinitridiseoskidefaasin osuus on ainakin 60 paino-% ja vastaelementti muodostuu yhdestä kappaleesta, joka on aluminiumoksidiin perustuvaa ainetta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen liukuelementtiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuelementin osuus pii-nitridifaasista ja/tai piinitridiseoskidefaasista on vähintään 80 paino-%.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen liukuelementtiyhdistelmä, tunnettu siitä, että piinitridifaasi on a- tai β-faasissa ja piinitridiseoskidefaasi β'-faasissa.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen liukuelementtiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuelementti on valmistettu seoksesta, jonka koostumus on: 4,0 - 15 paino-% ytriumoksidia, joka kokonaan tai osittain voidaan korvata 1-5 paino-%:11a MgO:ta, 0-10 paino-% piidioksidia 0-10 " aluminiumoksidia 0-4 " rautaoksidia loput piinitridiä, jolloin kaikki paino-osat yhdessä muodostavat 100 paino-%. 10 82975

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen liukuele-menttiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuele-mentti on muotokappale, joka on valmistettu sintraamalla paineettomasti muotoiltu ja esitiivistetty jauheseos.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen liukuele-menttiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuele-mentti on muotokappale, joka on valmistettu reaktiosint-raamalla muotoiltu jauheseos.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen liukuele-menttiyhdistelmä, tunnettu siitä, että sintrattu tai reaktiosintrattu liukuelementti seuraavaksi jälkitii-vistetän kuumaisostaattisesti.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen liukuele-menttiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuelementti ja vastaelementti ovat venttiililaattoja.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen liukuele-menttiyhdistelmä, tunnettu siitä, että liukuelementti ja vastaelementti ovat aksiaalisen liukurengastii-visteen elementtejä. il 82975 Patentkrav;