JP2004293642A

JP2004293642A - 液体栓用摺動部材およびその製造方法

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Publication number: JP2004293642A
Application number: JP2003085943A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tanaka; 淳田中; Yoshihiro Ushio; 義弘潮
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP4231318B2

Abstract

【課題】セラミックスから成る液体栓用摺動部材の摺動面に密着力の高い炭素を含む被膜をＣＶＤ法等の薄膜形成技術を用いずに安価に形成できるものとすること。
【解決手段】液体栓用摺動部材３は、筒体１０の内周面に側面が全周にわたって取着されているとともに主面間を貫通する第一の貫通孔３２が形成されている板状体とされ、板状体の一方の主面に主面間を貫通する第二の貫通孔２２が形成されている板状の可動弁体２の一主面が回動可能に当接されており、第一の貫通孔３２と第二の貫通孔２２とが重なったときに液体を通過させる液体栓用摺動部材３において、板状体はセラミックスから成るとともに一方の主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜３３が形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水栓、シングルレバー混合栓、サーモスタット混合栓等の湯水混合栓などに用られる液体栓用摺動部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水栓や湯水混合栓などを構成するフォーセットバルブは、２枚の円板状弁体をそれらの一主面同士が互いに当接した状態で相対的に回動させることによって、各円板状弁体に形成した流体通路としての貫通孔の開閉を行なうようになっている。すなわち、図１に示すように、筒体の内周面に側面が取着された円板状の固定弁体（液体栓用摺動部材）３と、固定弁体３より小径でレバー１により回動可能とされた円板状の可動弁体２とを、それらの対向する主面２１，３１が当接した状態とし、レバー１の操作で可動弁体２を回動させることによって、可動弁体２に形成された貫通孔２２の下側開口と固定弁体３に形成された貫通孔３２の上側開口とを重ね合せて、貫通孔２２，３２を水が通過するようにしていた。貫通孔２２の下側開口と貫通孔３２の上側開口との重ね合せ具合（重ね合わされた部分の面積）を調整することにより、水の流量を調整することができる。
【０００３】
このようなフォーセットバルブは、可動弁体２と固定弁体３との当接面におけるシール性が保持されていること、レバー１の操作力が小さいこと、レバー１の操作力が長期間使用しても変化しないことなどが要求されており、これらの要求を満たすために、近年、様々なセラミック製の固定弁体３の表面にＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）等のダイヤモンド状炭素被膜を形成したものが提案されている。
【０００４】
例えば、可動弁体や固定弁体を成すセラミックディスク基体の摺動表面にダイヤモンド状炭素被膜を直接被覆したもの（下記の特許文献１参照）、また、セラミックディスク基体の表面とダイヤモンド状炭素被膜との密着強度を向上させるために、両者の間に介在層として金属、金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれる少なくとも１種から成る薄膜を形成した構成のもの（下記の特許文献２参照）が提案されている。
【０００５】
このようにダイヤモンド状炭素被膜を被覆した可動弁体や固定弁体は、炭素の自己潤滑作用により優れた摺動特性を有するとともに、ダイヤモンド状炭素被膜が化学的に非常に安定した材質であるため、耐磨耗性、耐食性、耐熱性に優れたものである。
【０００６】
〔特許文献１〕
特開平９−９６３６７号公報
〔特許文献２〕
特開平５−７９０６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のダイヤモンド状炭素被膜を被覆した可動弁体や固定弁体は以下のような問題点があった。
【０００８】
すなわち、特許文献１に記載された、セラミックディスク基体の摺動表面に直接ダイヤモンド状炭素被膜を被覆したものにおいては、ＣＶＤ法やイオンプレーティング法等のＰＶＤ法によりダイヤモンド状炭素被膜を成膜する際に、セラミックディスク基体の体積固有抵抗が大きいために、炭化水素系のガスより生じた炭素イオンをセラミックディスク基体に十分引き寄せることができず、必要とされる密着力が得られなかった。また、ＣＶＤ法やＰＶＤ法は、高度で特殊な成膜技術を要するため、コスト高となるという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載された、セラミックディスク基体とダイヤモンド状炭素被膜の間の介在層としてセラミックディスク基体側よりＴｉ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣの傾斜膜を形成したものにおいては、可動弁体と固定弁体とを長期間摺動させるとダイヤモンド状炭素被膜が摩滅して介在層のＴｉが露出するが、Ｔｉは熱伝導性が低いため可動弁体と固定弁体との焼き付きが起こりやすく、長期信頼性に欠けるという問題点があった。
【００１０】
したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、アルミナセラミックス等のセラミックスから成る固定弁体の摺動面に、密着力の高い炭素を含む被膜をＣＶＤ法等の薄膜形成技術を用いずに安価に形成できるとともに、長期にわたって可動弁体および固定弁体が磨耗せずに良好な摺動特性が得られる液体栓用摺動部材およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の液体栓用摺動部材は、筒体の内周面に側面が全周にわたって取着されているとともに主面間を貫通する第一の貫通孔が形成されている板状体とされ、該板状体の一方の前記主面に主面間を貫通する第二の貫通孔が形成されている板状の可動弁体の一主面が回動可能に当接されており、前記第一の貫通孔と前記第二の貫通孔とが重なったときに液体を通過させる液体栓用摺動部材において、前記板状体はセラミックスから成るとともに一方の前記主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の液体栓用摺動部材は、液体栓用摺動部材を成す板状体はセラミックスから成るとともに一方の主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されていることから、被膜に含まれる炭化珪素は炭素および二酸化珪素との結合力が強く、かつ二酸化珪素はセラミックス中に含まれるガラス成分との結合力が強いため、被膜はそれ自体の硬度が大きいとともにセラミックスから成る板状体にきわめて強固に密着することとなる。したがって、長期にわたって可動弁体および液体栓用摺動部材（固定弁体）が磨耗せずに良好な摺動特性が得られる信頼性の高い液体栓用摺動部材となる。
【００１３】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法は、上記本発明の液体栓用摺動部材となる前記板状体の一方の前記主面に、ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成することにより、炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法は、液体栓用摺動部材となる板状体の一方の主面に、ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成することにより、炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されることから、その被膜が板状体の一方の主面に強固に密着することとなる。すなわち、アルコキシシラン（Ｓｉ（ＯＲ）_４）は、非酸化性雰囲気において、分子レベルで一部が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）に、一部が炭化珪素（ＳｉＣ）に、残部カーボンになるが、ＳｉＯ_２は板状体のガラス成分とＳｉＣとに対して密着性が良く、ＳｉＣはＳｉＯ_２と、ポリイミドの熱分解で生じたカーボンとに対して密着性が良い。従って、板状体とカーボンとは、分子レベルでカーボン中に分散したＳｉＯ_２とＳｉＣとを介して、強固に密着することとなる。
【００１５】
また、ＣＶＤ法等の薄膜形成技術を用いずに被膜を形成することができるため、液体栓用摺動部材を安価に製造することができる。
【００１６】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法において、好ましくは、８０乃至９５重量部のポリイミドと５乃至２０重量部のアルコキシシランと有機溶剤とを含む混合溶液を、前記板状体の一方の前記主面に塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で８００乃至１５００℃で焼成することを特徴とする。
【００１７】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法は、好ましくは８０乃至９５重量部のポリイミドと５乃至２０重量部のアルコキシシランと有機溶剤とを含む混合溶液を、板状体の一方の主面に塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で８００乃至１５００℃で焼成することから、硬度の大きい炭素を含む被膜を、セラミックスから成る板状体により強固に密着させて形成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の液体栓用摺動部材について以下の詳細に説明する。図１は本発明の液体栓用摺動部材としての固定弁体を有する水道栓の要部断面図である。図１において、２は可動弁体、３は固定弁体、１０は水道栓を成す筒体、３３は被膜である。
【００１９】
本発明の液体栓用摺動部材としての固定弁体３は、ステンレススチール，鉛，銅（Ｃｕ）−亜鉛（Ｚｎ）合金等から成る筒体１０の内周面に側面が全周にわたって取着されているとともに主面間を貫通する第一の貫通孔３２が形成されている板状体とされ、板状体の一方の主面に主面間を貫通する第二の貫通孔２２が形成されている板状の可動弁体２の一主面が回動可能に当接されており、第一の貫通孔３２と第二の貫通孔２２とが重なったときに液体を通過させるものにおいて、板状体はセラミックスから成るとともに一方の主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜３３が形成されている。
【００２０】
本発明における固定弁体３を成す板状体は、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス）、ジルコニアセラミックス等のセラミックスから成るが、アルミナセラミックスが、耐磨耗性、耐食性に優れているため好適である。セラミックスから成る板状体は、そのままでは摩擦係数が高いために摺動回数が増えるに伴ってトルクが増大し、レバー１の操作が困難となってしまう。そこで、摺動面である一方の主面に本発明による炭素等を含む被膜３３を形成して摩擦係数を小さくし、トルクが増大しないようにしている。
【００２１】
固定弁体３は、筒体１０の内周面に側面が全周にわたって取着されているが、その取着は筒体１０の内周面に形成された溝等に固定弁体３の外周部を嵌め込むといった方法等によって行なわれる。
【００２２】
また固定弁体３の主面間を貫通する第一の貫通孔３２は、その断面積が２０〜５０ｍｍ^２程度のものであり、可動弁体２の主面間を貫通する第二の貫通孔２２についても同程度である。
【００２３】
固定弁体３の厚みは１〜５ｍｍ程度がよく、１ｍｍ未満では、固定弁体３に対する可動弁体２の摺動時の圧接力により割れる危険性があり、５ｍｍを超えると、水道栓自体の形状が大きくなり、コスト高となる。
【００２４】
固定弁体３および可動弁体２は、円板状、楕円板状、四角形状等の多角板状等の種々の形状とし得るが、製造加工のし易さ、外周縁における摩擦の均一化、強度等の点で円板状がよい。
【００２５】
また、固定弁体３および可動弁体２は同軸状に配置されるのがよく、第一の貫通孔３２と第二の貫通孔２２とを重ね合せることによる水通過の開閉が容易にできるとともに、開閉度の調整も容易になる。すなわち、第一の貫通孔３２と第二の貫通孔２２とを重ね合せの度合い（重ね合わされる面積）を、レバー１の回転角度によってなめらかに調整でき、急激な開閉によって急激な水流の増減が生じるのを防ぐことができる。
【００２６】
可動弁体２は固定弁体３に対してレバー１等によって回動可能に設けられているが、図１に示すようにレバー１は筒体１０の蓋体の中央部の貫通孔に回転可能に設けられており、これにより可動弁体２は固定弁体３に対して回動可能とされている。可動弁体２を固定弁体３に対して回動可能とするには、図１の構成に限るものではなく、レバー１を上下動させて歯車等を介して可動弁体２を回動可能としてもよい。
【００２７】
本発明の固定弁体３の製造方法は、固定弁体３となる板状体の一方の主面に、ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成することにより、炭化珪素（ＳｉＣ）と二酸化珪素（ＳｉＯ_２）と炭素（Ｃ）とを含む被膜３３を形成するものである。すなわち、ポリイミドの非酸化性雰囲気中での熱分解を用いたものである。
【００２８】
本発明においてはポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を用いているが、フェノール樹脂，フラン樹脂，エポキシ樹脂などの熱硬化樹脂も、非酸化性雰囲気（水素雰囲気，窒素雰囲気，アルゴン雰囲気等）中で、熱分解により炭素（カーボン）が残りカーボン化するが、分解過程で発生する一酸化炭素，二酸化炭素，水素，メタン，エタンなどのガスや揮発性モノマーが雰囲気中へ拡散されにくく、炭素を含む被膜３３中に多数のボイドが発生し、緻密な膜質とならない。これに対して、ポリイミドは、上記ガスや揮発性モノマーが極めて少なく、緻密な被膜３３が得られる。
【００２９】
ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液は、アルミナセラミックス等のセラミックスの表面に容易に塗布できるため、炭素を含む被膜３３の形成に適している。しかしながら、アルコキシシランを含まないポリイミドのみの溶液をセラミックスの表面に塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成すると、炭素を含む被膜３３は形成できるものの、セラミックスの表面に対する密着性に乏しいため、熱水中に長時間浸す試験を施すと、被膜３３が次第に剥離してくるという問題点がある。
【００３０】
そこで、種々検討した結果、ポリイミドにアルコキシシランを混合することにより上記問題点が克服できることを見い出した。すなわち、一般式Ｓｉ（ＯＲ）_４（Ｒはアルキル基）で表されるアルコキシシランは、非酸化性雰囲気での熱分解でＳｉＣとＳｉＯ_２とＣ（カーボン）の複合物を生成する。ＳｉＣはＣと密着性が良く、ＳｉＯ_２はセラミックス中に含まれるガラス成分（酸化物成分）との密着性が良い。これにより、炭素を含む被膜３３は、それ自体の硬度が高くなるとともにセラミックスの表面に対する密着性が格段に向上する。
【００３１】
すなわち、本発明における被膜３３は、アルコキシシランが非酸化性雰囲気中で熱分解して分子レベルで生じた、ＳｉＯ_２とＳｉＣを介して、セラミックスから成る板状体に強固に密着させて形成することができる。
【００３２】
本発明の被膜３３は、具体的には、好ましくは８０乃至９５重量部のポリイミドと、５乃至２０重量部のアルコキシシランと、イソプロピルアルコール等の溶剤とを含む混合溶液を、固定弁体３となる板状体の一方の主面に、スクリーン印刷，筆塗り法，刷毛法，スプレー法，浸漬法，スピンコート法等により塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で８００乃至１５００℃で焼成することによって、形成される。
【００３３】
アルコキシシランが５重量％に満たないと、被膜３３の密着性が十分でなく、熱水中での耐久試験で剥離が生じ易くなる。アルコキシシランが２０重量％を超えると、被膜３３表面のＳｉＯ_２が多くなって摩擦係数が高くなり、摺動特性が低下する。
【００３４】
また、焼成温度が８００℃未満では、アルコキシシランの熱分解が不十分となり、高い密着性が得られない。１５００℃を超えると、セラミックス中のガラス成分が被膜３３中に入り込み、被膜３３の摩擦係数が高くなる。
【００３５】
一般式Ｓｉ（ＯＲ）_４で表されるアルコキシシランとしては、メチルシリケート｛Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_４｝，エチルシリケート｛Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４｝等を用いることができる。溶剤としては、エチルアルコール，イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶剤と、粘度調整のためのＤＢＰ（フタル酸ジブチル），ＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）などのフタル酸エステル系溶剤を用いることができる。
【００３６】
【実施例】
本発明の液体栓用摺動部材としての固定弁体の実施例を以下に説明する。
【００３７】
図１の断面図に示す水道栓に用いられる固定弁体３は、その可動弁体２側の主面３１に被膜３３が形成されており、固定弁体３と可動弁体２とがそれらの対向する主面２１，３１が接した状態で可動弁体２をレバー１により回動させることによって、固定弁体３および可動弁体２に形成された貫通孔２２，３２の開閉を行ない、水の通過量の調整などの制御をするものである。
【００３８】
そして、固定弁体３および可動弁体２は、硬度が高いアルミナセラミックスから成り、以下のようにして作製した。９３重量％のアルミナ原料粉末と５重量％のＳｉＯ_２粉末と２重量％のＭｇＯ粉末と混合し、さらにポリビニルアルコールから成る樹脂バインダーを加え、２４時間撹拌した後にスプレードライし、平均粒子径５０μｍのアルミナ造粒体を得た。このアルミナ造粒体を金型プレスによって円板形状に成形した後に大気雰囲気中で約１６００℃で焼結した。
【００３９】
その焼結体の表面に研削加工と研磨加工を施すことにより、第一の貫通孔３２を有し、外径３２ｍｍ、厚み３ｍｍ、平坦度（主面の最大高低差）１μｍ以下の固定弁体３となる板状体を得た。同様にして、第二の貫通孔２２を有し、外径３０ｍｍ、厚み３ｍｍ、平坦度（主面の最大高低差）１μｍ以下の可動弁体２を得た。
【００４０】
次に、種々の含有比率（表１参照）のポリイミドとアルコキシシランの混合溶液を、スクリーン印刷で、板状体の主面３１に塗布した。なお、ポリイミドは感光性でも非感光性でもよい。また、アルコキシシランとしてエチルシリケート｛Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４｝を用い、溶剤にはエチルアルコールと粘度調整のためのＤＢＰを用いた。
【００４１】
混合溶液を塗布した板状体を大気中８０℃で熱風乾燥し溶剤を蒸発させた後、Ｎ_２雰囲気で種々の温度（表１参照）で焼成し被膜３３を形成した。得られた固定弁体３のサンプルの摩擦係数をトライボメーターにより測定した。また、沸騰水中に１００時間浸漬し、被膜３３の密着性を評価した。その結果を表１に示す。なお、摩擦係数は０．４以上で摺動特性が劣化するものである。
【００４２】
【表１】

表１より、試料Ｎｏ．１，２は、エチルシリケートの量が少ないため、熱分解によって生成したＳｉＯ_２が不足して、被膜３３の密着性が劣化した。
【００４３】
試料Ｎｏ．６は、焼成温度が低過ぎるため、エチルシリケートの熱分解が不十分であり、被膜３３の密着性が劣化した。
【００４４】
試料Ｎｏ．８は、焼成温度が高過ぎるため、板状体からのガラス成分の被膜３３中への入り込みが多くなり、摩擦係数が高くなった。
【００４５】
試料Ｎｏ．１０，１１は、エチルシリケートの量が多いため、熱分解によって生成したＳｉＯ_２が過剰となり、摩擦係数が高くなった。
【００４６】
本発明の試料Ｎｏ．３，４，５，７，９は、エチルシリケートの量が５〜２０重量％、焼成温度が８００〜１５００℃であり、被膜３３の密着性は良好であり、かつ摩擦係数が０．３以下と低いものとなった。したがって、優れた摺動特性を有する固定弁体３が得られた。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。たとえば、上記実施の形態では、本発明の液体栓用摺動部材を水道栓用として説明したが、液体としては水に限らず、湯、油、アルコール、各種薬液、茶，コーヒー，酒等の液状の嗜好品、牛乳等の液状の栄養品などの種々の液体を用いることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の液体栓用摺動部材は、液体栓用摺動部材を成す板状体はセラミックスから成るとともに一方の主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されていることから、被膜に含まれる炭化珪素は炭素と二酸化珪素との結合力が強く、かつ二酸化珪素はセラミックス中に含まれるガラス成分との結合力が強いため、被膜はそれ自体の硬度が大きいとともにセラミックスから成る板状体にきわめて強固に密着することとなる。したがって、長期にわたって可動弁体および液体栓用摺動部材（固定弁体）が磨耗せずに良好な摺動特性が得られる信頼性の高い液体栓用摺動部材となる。
【００４９】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法は、液体栓用摺動部材となる板状体の一方の主面に、ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成することにより、炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されることから、その被膜が板状体の一方の主面に強固に密着することとなる。すなわち、アルコキシシラン（Ｓｉ（ＯＲ）_４）は、非酸化性雰囲気において、分子レベルで一部が二酸化珪素（ＳｉＯ_２）に、一部が炭化珪素（ＳｉＣ）に、残部カーボンになるが、ＳｉＯ_２は板状体のガラス成分とＳｉＣとに対して密着性が良く、ＳｉＣはＳｉＯ_２と、ポリイミドの熱分解で生じたカーボンとに対して密着性が良い。従って、板状体とカーボンとは、分子レベルでカーボン中に分散したＳｉＯ_２とＳｉＣとを介して、強固に密着することとなる。
【００５０】
また、ＣＶＤ法等の薄膜形成技術を用いずに被膜を形成することができるため、液体栓用摺動部材を安価に製造することができる。
【００５１】
本発明の液体栓用摺動部材の製造方法は、好ましくは８０乃至９５重量部のポリイミドと５乃至２０重量部のアルコキシシランと有機溶剤とを含む混合溶液を、板状体の一方の主面に塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で８００乃至１５００℃で焼成することから、硬度の大きい炭素を含む被膜を、セラミックスから成る板状体により強固に密着させて形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体栓用摺動部材を用いた水道栓の要部断面図。
【符号の説明】
１：操作レバー
２：可動弁体
３：液体栓用摺動部材（固定弁体）
１０：筒体
２１：主面
３１：一方の主面
２２：第二の貫通孔
３２：第一の貫通孔
３３：被膜

Claims

筒体の内周面に側面が全周にわたって取着されているとともに主面間を貫通する第一の貫通孔が形成されている板状体とされ、該板状体の一方の前記主面に主面間を貫通する第二の貫通孔が形成されている板状の可動弁体の一主面が回動可能に当接されており、前記第一の貫通孔と前記第二の貫通孔とが重なったときに液体を通過させる液体栓用摺動部材において、前記板状体はセラミックスから成るとともに一方の前記主面に炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜が形成されていることを特徴とする液体栓用摺動部材。
請求項１記載の液体栓用摺動部材となる前記板状体の一方の前記主面に、ポリイミドおよびアルコキシシランを含む混合溶液を塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で焼成することにより、炭化珪素と二酸化珪素と炭素とを含む被膜を形成することを特徴とする液体栓用摺動部材の製造方法。
８０乃至９５重量部のポリイミドと５乃至２０重量部のアルコキシシランと有機溶剤とを含む混合溶液を、前記板状体の一方の前記主面に塗布し乾燥して非酸化性雰囲気で８００乃至１５００℃で焼成することを特徴とする請求項２記載の液体栓用摺動部材の製造方法。