燒結陶瓷材料和盤形閥組合件的製作方法
2023-10-05 08:01:09
專利名稱：燒結陶瓷材料和盤形閥組合件的製作方法
技術領域：
本發明涉及摩擦阻力低且適合用作水潤滑條件下的滑動構件的燒結陶瓷材料、在腐蝕環境或沸水中表現出極好的耐腐蝕性的燒結陶瓷材料以及由這種陶瓷材料製成的盤形閥組合件。
由燒結陶瓷材料製成的機器部件的滑動或滾動構件常常使用在有油膜或潤滑油的情況下以減少滑動表面的摩擦阻力。
迄今為止，使用油性潤滑劑是有害的，在應用中，採用的是由用象石墨、二硫化鉬、氮化硼、氟樹脂和石蠟這樣的固體潤滑劑浸漬過的氮化矽一碳化矽多孔陶瓷(已審查的日本專利公開5-50475)。
一些傳統的耐磨製品如切削工具是由氮化矽相和高密度輔助相構成、堅硬耐火粒子分散在其中的兩相基質製成的複合構件。這種耐火材料選自象鈦、鉬、鎢和鉭這樣的金屬以及它們的碳化物和氮化物(未審查的日本專利57-51175)。
但是對於使用在水中或用水潤溼的滑動構件，例如水泵的滑動軸承來說，通常不可能使用油性潤滑劑。在這種情況下，滑動構件必須使用在無潤滑劑的條件下，以致於滑動表面的摩擦阻力往往會增加，這樣就會增加移動滑動構件所需要的推動力以及縮短這種滑動構件的壽命。
用上述提到的固體潤滑劑浸漬過的陶瓷滑動構件因它們的多孔性質而缺乏不透水性。因此強度較低。另外，這些固體潤滑劑是十分昂貴，所以製造成本勢必是高的。固體潤滑劑也妨礙陶瓷的燒結，很難增加燒結陶瓷的密度。
高強耐火粒子分散於其中的複合構件也有幾個問題。一個問題是製造成本高，因為使用昂貴的難熔金屬和它們的化合物。確定燒結條件如燒結溫度和增加燒結陶瓷密度的緻密劑也是困難的。這樣形成的燒結陶瓷具有高的摩擦阻力。
在水中使用的陶瓷滑動構件包括使用在酸、鹼和腐蝕環境或沸水中的機械密封件、管形內襯和浸泡在熱水中的防護管。對這些陶瓷構件來說需要高的耐腐蝕性。因此傳統的這種類型的滑動構件是由非氧化物陶瓷，如碳化矽製成。燒結碳化矽是一個複雜的過程，因為它必須在惰性氣體中高溫燒結。這種燒結陶瓷是很難批量生產。因此人們試圖用不太昂貴的、易燒結的氧化物陶瓷代替非氧化物陶瓷。但是氧化物陶瓷如氧化鋁容易被酸鹼腐蝕。如果這種氧化物陶瓷的純度被降低到容易燒結，它們將明顯腐蝕(「新陶瓷」，第20-21頁，1994年由Chiiin Shokan出版)。
本發明的第一個目的是提供使用在水中或用水潤溼的滑動構件的一種燒結陶瓷材料，該材料摩擦阻力低和耐磨性高並且當使用在這種條件下時壽命長。
本發明的第二個目的是提供一種燒結陶瓷材料，該材料是具有改善的耐腐蝕性的氧化物陶瓷如氧化鋁的形式並且能使用在腐蝕環境或沸水中。
圖6和圖7表示一種可以把熱水和冷水混合在一起的傳統盤形閥組合件。
它包括在底端固定在閥盒1裡且有兩個進孔3和4(只表示出一個)的底板2，進孔中充填了環形填充物3a和4a(只表示出一個)。閥座5被疊放在底板2之上。它有閥孔6和7(只表示出一個)分別與進孔3和4連接。閥體8滑動地放在閥座5之上。閥體8又通過滑動封口圈9和O形環10旋轉地支撐槓桿架11。與槓桿架11結合的是支撐在銷12之上的槓桿軸13的底端。上下或左右轉動槓桿軸13來控制槓桿14，閥體8在閥座5上滑動，從而改變閥孔6和7的打開程度。
閥體8有兩個水通道5a和5b，它們是通過沿著它的底邊切削閥體8而形成的。經過供水管引入閥孔6和7的熱水和冷水通過打開閥孔流入各自的通道5a和5b然後進入水混室15。從閥孔供應的冷熱水混合物，溫水由此被輸送到未表示出的龍頭管出口。
未審查的日本專利公布63-36765公開了這種類型的盤形閥。為了改善閥體8的滑動性能，閥體8和閥座5中之一是由具有自潤滑性的樹脂如氟樹脂或超高分子聚乙烯製成，或由包含能改善樹脂的潤滑性的填料如二硫化鉬和碳的樹脂製成，而另一個由陶瓷材料製成。
由這種自潤滑性樹脂製成的閥體的一個問題是它的低耐蠕變性。即使把纖維增強劑加到閥體的材料中，它的防水能力仍是如此低以致於只有在較低的水壓下才能防止水洩漏。
相反，由陶瓷材料製成的閥體或閥座足夠硬和高耐水壓。未審查的日本專利公布4-351379公開了一種盤形閥組合件，它的閥體和閥座是由氧化鋁陶瓷材料製成而且有用凸面形成的滑動表面。
由氧化鋁陶瓷材料製成的閥體或閥座在它的滑動表面上摩擦係數高，這將妨礙槓桿的順利操作。因此，為了減少滑動阻力，在它的滑動表面上形成一個凸面。
為了通過在閥體或閥座在它的滑動表面上形成一個凸面而改善槓桿的可操作性，這個凸面必須是至少5μm高。然而，這樣高的凸面難以將閥體緊密地壓向閥座和防止水洩漏。
未審查的日本專利公布63-38722提出使用由一種多孔材料製成閥體，該多孔材料具有200kg/mm2或更高的維克斯硬度而且用潤滑劑浸漬來提高滑動表面的滑動性能。
但是這種閥體有一個問題是在使用時潤滑劑往往會耗盡或流出，以致於槓桿的光滑運動隨著時間會變得越來越難。長期使用後它的防水能力往往會降低。
人們也知道使用固體潤滑劑的陶瓷閥門。例如，未審查的日本專利公布6-48836公開了一種由自潤滑的碳化矽—碳陶瓷材料製成的閥體。
這種閥體耐磨性較高而且潤滑劑很少會流出。但是如果通過加入大量的碳來提高它的滑動特性到盤形閥所需要的等級，閥體在強度上會降低而且變得較脆。這種閥體耐久性差。
特別是如果比閥體具有較大滑動接觸面積的閥座是由這種易碎的材料製成，那麼它的滑動表面往往會不均勻地磨損並且由於閥體不均勻地磨損而大大地變粗糙。這樣粗糙的表面將會增加摩擦係數或引起漏水。
因此，即使這種傳統的閥體和閥座是由自潤滑陶瓷材料製成，長時間保持它們的機械強度和滑動特性在盤形閥所要求的等級下是困難的。
所以本發明的第三個目的是提供由閥體和閥座組成的盤形閥組合件，該閥體和閥座是由陶瓷材料製成且互相保持緊密的滑動接觸以致於它們絕對能長時間地防止水或任何其他液體的洩漏，同時保持它們之間的摩擦係數可以使閥體光滑移動。
按照第一個發明，提供了在水的潤滑作用下具有較高的滑動特性的一種燒結陶瓷材料、該燒結陶瓷材料是通過燒結由氧化物陶瓷材料以及選自由鐵、鎳、鈷以及它們的氧化物、氮化物和碳化物中的至少一種減摩劑組成的材料而形成的。
減摩劑在水潤滑作用下減小摩擦係數和滑動表面的滑動阻力。因此，該燒結陶瓷體是極適合於在水中使用的滑動構件，並且它能延長滑動構件的壽命。
在另一個方案中，提供了以單相Al2O3固體溶液存在的耐腐蝕燒結陶瓷材料，該燒結陶瓷材料是在大氣中燒結氧化鋁粉和鐵或其氧化物的混合物而形成的。
鐵或其氧化物增加了燒結性和密度而且起減摩劑的作用。因此該氧化鋁燒結體可以用作腐蝕溶液中的滑動構件。
減摩劑是廉價的並且不需要任何特殊的燒結方法。因此，它適合於形成滑動構件。
為了解決第三個問題，按照本發明的盤形閥有閥座和閥體。它們中至少有一個是從由氧化物陶瓷作為主要組份和至少一種選自鐵、鎳、鈷以及它們的氧化物、氮化物和碳化物中的減摩劑組成的自潤滑陶瓷材料製成。這種閥體和閥座堅硬並具有高耐磨性。作為減摩劑而加入的鐵、鎳、鈷以及它們的氧化物、氮化物和碳化物用於保持較低的摩擦係數。
按照本發明的盤形閥組合件有一個形成閥孔的閥座和為了打開和關掉閥孔而與閥座保持滑動接觸的閥體，其特徵在於閥體和閥座的其中之一是由包含氧化物陶瓷作為主要組份的自潤滑陶瓷材料製成，該氧化物陶瓷包含至少一種選自鐵、鎳、鈷以及它們的氧化物、氮化物和碳化物中.的減摩劑，閥體和閥座的另一個是由氧化鋁陶瓷材料製成。
另外，由自潤滑陶瓷材料製成的閥體或閥座的滑動面的面積可以比由氧化鋁陶瓷材料製成的閥體或閥座的滑動面的面積小。
在滑動表面互相保持滑動接觸的閥體和閥座上，每一個滑動表面可以形成從每個滑動表面的外邊緣到中心升高0.1-1μm高度的凸面，形成滑動表面的凸面的高度之和不超過1.6μm。
如果閥體或閥座是由氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為主要組份、氧化鐵(Fe2O3)作為減摩劑的氧化鋁陶瓷材料製成的，在燒結的過程中，氧化鐵中的鐵以固體溶液的形式緻密地分布在氧化鋁粒子中。
當這種閥體或閥座與水接觸時，在與聯結構件保持滑動接觸的同時，由氧化鋁和鐵組成的固體溶液由於摩擦化學作用可能會被腐蝕，在滑動表面上產生比氧化鋁基質軟的氫氧化物。可以認為這些氫氧化物會減小摩擦係數。還可以認為因為形成閥體和閥座的陶瓷材料具有較高的與水的親和力，所以存在於閥體和閥座之間的水起一種潤滑劑的作用，因此，進一步減小了摩擦係數。
不僅在閥體或閥座是由氧化鋁和氧化鐵的結合製成的情況下，而且在採用有鐵、鎳、鈷以及它們的氧化物、氮化物或碳化物的微小金屬粒子分布在其中的普通陶瓷材料的情況下，水才會以上述方式起著一種潤滑劑的作用。
由上述陶瓷材料製成的閥體或閥座在滑動表面上有一個凸面，該凸面從外邊緣到中心以預定高度光滑升高。這中凸面起減小閥體和閥座之間的接觸面積的作用，因而進一步提高了由於陶瓷材料而產生的潤滑性。滑動阻力顯著減小，以致於閥體能極其光滑地移動，同時防止漏水。而且這兩種特性，即較低的滑動阻力和較高的防水能力可以長時間保持。
由自潤滑陶瓷材料形成的閥體和閥座的其中之一具有上述組合物而另一個是由氧化鋁陶瓷製成，閥體能更緊密地與閥座滑動接觸，而保持槓桿的光滑可操作性。
由具有上述組合物的自潤滑陶瓷材料形成的閥座和閥體的其中之一比它的聯結構件，即由氧化鋁陶瓷材料製成的閥座或閥體，有較大的滑動接觸面積，在該方案中，由於有較小滑動接觸面積的構件是由軟的材料製成的，它的滑動表面均勻地磨損，因此保持光滑。由此使摩擦係數保持較低。水不可能洩漏。
在閥體的滑動表面上形成的凸面有一個連續的表面在中心無中斷或開口，在該方案中，閥體和閥座總是沿著一條線而不是以點或小面積互相接觸。這可以使閥體在閥座上向各個方向光滑滑動。槓桿的可操作性因此提高。
由下列參考附圖所作的描述，本發明的特點和目的將變得顯而易見
圖1是表示在燒結陶瓷材料中的減摩劑的含量和在幹潤滑劑條件下的摩擦係數之間關係的曲線圖；圖2是當用水作潤滑劑時的類似曲線圖；圖3是摩擦損耗試驗機的縱截面圖；圖4是Al2O3-Fe2O3燒結材料的X射線衍射曲線圖；圖5是表示Al2O3-Fe2O3燒結材料中α-Al2O3晶體(401)表面間距和Fe2O3的含量之間的關係曲線圖；圖6是一種方案的盤形閥組合件的縱截面圖；圖7A是圖6的閥體的底平面圖；圖7B是圖6的閥座的頂平面圖；圖8是表示在該方案的閥體和閥座的滑動表面上形成的凸面圖；和圖9是使用在功能試驗中的水混型龍頭的透視圖。
按照第一項發明的燒結氧化物陶瓷材料通過燒結氧化物陶瓷(作為主要組份)和減摩劑的混合物而形成。使用的氧化物陶瓷可以是氧化鋁或氧化鋯。這樣形成的燒結陶瓷材料在水中保持長時間較高的防水性和高的耐磨性。
減摩劑可以是鐵、鎳、鈷或它們的氧化物、氮化物或碳化物。它分散在燒結陶瓷材料中或在氧化物陶瓷粒子中以固體溶液的形式存在。雖然不知道它的確切結構，但是當與水接觸使用時它降低了在燒結陶瓷材料表面上的耐磨性。因此它的滑動壽命和其他滑動性能得到了提高。
對於氧化物陶瓷是氧化鋁和減摩劑是鐵或氧化鐵的燒結氧化鋁陶瓷材料，在燒結過程中，氧化鐵(可能是Fe2O3)以固體溶液的形式與氧化鋁(Al2O3)粒子結合。這增加了燒結陶瓷材料的密度。當氧化鋁固體溶液(α-Al2O3)與水接觸時產生氫氧化物，它增加了與水膜的親和力，因此當該燒結陶瓷滑動時減小了摩擦係數。
即使微量的鐵、鎳或鈷粒子分散在燒結陶瓷材料中，當與水接觸時也可以減小摩擦係數。
在燒結陶瓷材料中，這種減摩劑的含量優選為1-30％(以重量計，在後面描述中的「％」表示以重量計)。如果低於1％，摩擦係數將不能充分地減小。如果高於30％，燒結陶瓷的強度將降低。
為了從上述的氧化物陶瓷和減摩劑的混合物形成這種燒結陶瓷材料，粉狀混合物被模壓成所需要的形狀並且在高溫下燒結。在燒結陶瓷材料被冷卻之後，磨削拋光它的滑動表面而形成滑動構件。為了增加燒結陶瓷材料的密度，可以加入少量的燒結助劑。對於氧化鋁陶瓷材料，優選的燒結助劑包括氧化矽(SiO2)、氧化鈉、氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)。對於氧化鋯陶瓷材料，氧化釔(Y2O3)或氧化鎂(MgO)可以用作燒結助劑。
按照第二項發明的陶瓷材料是通過把氧化鋁(Al2O3)粉(作為氧化物陶瓷材料)和鐵或它的氧化物的混合物成型為所需要的形狀，然後在大氣中燒結而形成的單相α-Al2O3固體溶液。
當鐵或它的氧化物在氧化氣氛中加熱時它以氧化狀態熔化或相變成在氧化鋁基體中的固體溶液。冷卻後的燒結陶瓷材料基本上完全是單相α-Al2O3，因此它在冷水或熱水、或在酸或鹼溶液中呈現出較高的耐腐蝕性。
鐵或它的氧化物優選的是氧化鐵。它的含量確定為使燒結陶瓷含有單相α-Al2O3並且在燒結陶瓷材料中以Fe2O3的含量計優選地為0.5-18％。如果少於0.5％，α-Al2O3固體溶液幾乎不能改善耐腐蝕性。如果高於18％，氧化鐵不能完全變成固體溶液，以致於剩下的氧化鐵將洗脫出來，降低耐腐蝕性。
把這種燒結材料僅僅經過X射線衍射試驗就可以確定燒結材料是否是由基本上完全的單相α-Al2O3固體溶液製成。如果金屬鐵或氧化鐵的衍射峰不出現在曲線圖上，這種燒結材料就具有上述單相結構。因此這種方法是有用的。
對氧化鋁來說，鐵或它的氧化物起燒結助劑的作用。即當氧化鋁單獨能在1600℃或更高下燒結，把氧化鐵加入其中能在較低的溫度大約1500℃下燒結到足夠高的密度。因為液相和固相都燒結，所以燒結材料的強度增加。而且，因為材料在大氣中燒結，燒結步驟簡單並以低成本進行。
與氧化鋁一起使用的鐵或它的氧化物用作為減摩劑。這樣，燒結氧化鋁材料可以用作在水中或換句話說與水接觸的滑動構件。即按照第二項發明的燒結氧化鋁陶瓷材料可以用作在酸、鹼和其他腐蝕溶液中有較高耐腐蝕性的滑動構件。
按照本發明的用於盤形閥的自潤滑陶瓷材料是一種包含氧化物陶瓷基體如氧化鋁的陶瓷材料，其中分散了微量的鐵、鎳或鈷或它們的氧化物、氮化物或碳化物金屬粒子。即使用按照第一項或第二項發明的燒結陶瓷材料。
用於本發明的氧化物陶瓷包括氧化鋁(Al2O3)、莫來石(可包含3Al2O3、2SiO2-2Al2O3、SiO2、FeIII、Ti)和氧化鋯(ZrO2)。即它們與使用在第一項或第二項發明中的氧化物陶瓷相同。它們的純度、形狀和粒徑是沒有限制的。
為了使氧化物陶瓷材料在燒結時達到較高密度，它的粒徑分布應儘可能地高。另一方面，對於高耐熱衝擊性，它的平均粒徑分布儘可能小。因此，材料的平均粒徑優選地應為3μm或更小。
所使用的減摩劑如上所述是以微小的鐵、鎳或鈷或它們的氧化物、氮化物或碳化物金屬粒子存在。它們的形狀和直徑沒有限制。
減摩劑應以主要組分(氧化物陶瓷)重量計1-30％的比率加入。如果以重量計少於1％，就不可能充分減小燒結時的材料的摩擦係數。如果以重量計超過30％，燒結材料的強度將降低。
為了從上述氧化物陶瓷和上述減摩劑的混合物形成陶瓷構件(燒結構件)，粉狀混合物通過模壓縮法形成閥體和閥座的形狀。壓好的粉末在高溫下燒結。冷卻之後，通過磨削在其上形成滑動表面。
如上所述，可以以每100份重量自潤滑陶瓷0.5-5％重量加入燒結添加劑來提高燒結構件的密度。
每個閥座和閥體應從滑動表面的邊緣光滑升高0.1-1μm凸面而具有一個滑動表面，從而在閥座和閥體上形成的凸面高度總和不應該超過1.6μm。這是因為高度低於0.1μm在表面粗糙(大約0.01-0.05μm)的影響下不能充分減小摩擦。如果兩個凸面中的任何一個高於1μm，閥座和閥體的接觸面太小而不能有效地防止漏水。
如果兩個凸面的高度總和超過1.6μm，即使個別凸面的高度在上述預定的範圍，漏水的可能性也將會增加。操作閥門所需要的力(大體上等於操作槓桿所需要的力)往往會減小到這樣一個範圍以致於用很小的外力或甚至靠槓桿自身的重量就能移動閥體。這將違背操作者的意願而使流速增加或減小或打開或關閉水龍頭。
下面對按照本發明盤形閥組合件的方案參考附圖描述如下。
在圖6和圖7中所示的盤形閥組合件包括底端安裝在閥盒上而且有兩個進孔3和4(只有一個表示出)的底板2，在進孔中填有環形填充物3a和4a(只有一個表示出)。閥座5疊放在底板2之上。它有兩個閥孔6和7(只有一個表示出)分別與進孔3和4相連。閥體8滑動地放在閥座5之上。閥體8通過滑動密封環9和O型環10來旋轉支撐槓桿架11。
支撐在栓12上的槓桿軸13的底端與槓桿架11配合。通過控制槓桿14而上下或左右旋轉槓桿架13，閥體8在閥座上滑動，以便調節閥孔6和7的打開程度。
閥體8有兩個水通道5a和5b，它們是通過沿著它的底邊切割閥體形成。經過供水管引入閥孔6和7的熱水和冷水通過打開閥孔流入各自的通道5a和5b然後進入水混室15。溫水，即從閥孔供應的冷熱水混合物，由此被輸送到未表示出的龍頭出口。
實施例1用實施例表示氧化鋁陶瓷燒結構件。作為減摩劑，0-30％重量的金屬鐵粉、氧化鐵粉(Fe2O3)或金屬鎳粉(這三者之中任何一個有5μm或更小的粒徑)被加入到氧化鋁粉中。每一種材料的混合物被模壓成圓筒形狀(外徑43mm，內徑8mm和高7mm)。將由此形成的圓筒型構件在燒結爐裡在1500-1600℃下燒結兩小時。
將這種燒結圓筒型構件的端面拋光以使表面粗糙度Ra為0.05-0.1μm。對由此形成的圓筒型樣品24進行摩擦耐磨試驗。
這些圓筒型樣品中，含鐵粉的一些樣品在大氣中燒結而其他在還原氣氛中燒結。含氧化鐵的那些全部在大氣中燒結。含金屬鎳的那些全部在還原氣氛中燒結。
如圖3所示，把每一種圓筒型樣品24安裝在摩擦試驗機的支撐構件23上進行摩擦損耗試驗，使它的端面(滑動面)40接觸安裝在旋轉軸21上的旋轉盤22的頂面30，並且在無潤滑下以4米/分的速度連續旋轉旋轉軸21、同時在支撐構件23和旋轉軸21之間施加恆定荷載(接觸面壓為0.39MPa)、來測量無潤滑(幹的)條件下的摩擦係數。
轉盤22是由燒結氧化鋁製成，它的頂面(滑動面)30經過拋光處理，就象每個樣品24的滑動面40那樣。
參照圖3，水容器25密封地安裝在旋轉軸1的周圍，以便容器25中的水26與由軸承27支撐的旋轉盤22的滑動表面30和圓筒型樣品24滑動表面40接觸。在這種情況下，旋轉旋轉軸1以測量水潤滑條件下的摩擦係數。
摩擦試驗的結果在圖1和2中以在燒結陶瓷構件中的減摩劑的含量與摩擦係數的關係的形式表示。在乾燥狀態下摩擦係數隨著減摩劑的含量變化較小。如圖1和2中所示，儘管在與含鐵粉的樣品相同的條件下燒結，但含0％減摩劑的樣品在水潤滑和幹的條件下基本上具有相同的摩擦係數。這表明單純的水潤滑不能減小摩擦係數。
如圖2所示，當含5％或更多和高達30％的減摩劑的樣品用水潤滑時，摩擦係數顯著地減小。在含金屬鐵的樣品、含金屬鎳的樣品和含金屬氧化鐵的樣品之間摩擦係數沒有顯著的不同。在燒結爐中，在氧化氣氛和還原氣氛之間的摩擦係數也沒有顯著的影響。
實施例2在這個實施例中表示了耐腐蝕的氧化鋁燒結構件。
氧化鋁粉和氧化鐵粉(Fe2O3)按照表1所示的比例混合。這樣形成的原料混合物在球磨機中研磨使平均粒徑為2.0μm或更小。然後向研磨過的原料混合物中加入有機粘結劑做成丸狀。由這些小丸形成直徑為20mm和長度為10mm的試驗樣品。在空氣中600℃下焙燒脫脂後，立即在大氣中在1500℃下焙燒兩小時。這種焙燒方法是傳統的方法。
每種試驗樣品在5N鹽酸和5N氫氧化鈉溶液和水中試驗它的耐腐蝕性。當在常溫下把它們浸入上述液體中長時間也沒有看到試驗片明顯的變化。然後，把它們浸入這些液體中三天同時在蒸壓器中保持120℃。測量由於腐蝕而造成的每種樣品的重量損失。
結果表示在表1中。
從表1中，很顯然含1-10％的Fe2O3的氧化鋁燒結構件在耐腐蝕性方面比純氧化鋁燒結構件高，而且加入20％Fe2O3尤其降低了對鹽酸的耐腐蝕性。
對試驗樣品(試驗樣品2-5)進行X射線衍射試驗。衍射曲線圖在圖4中所示。在含20％Fe2O3的A12O3-Fe2O3燒結構件中觀察到由Fe2O3晶體產生的衍射。但是在含有10％或更少Fe2O3的樣品中沒有觀察到這種衍射。這個事實表明這些樣品實質上是由單相α-Al2O3製成。圖5表示由X射線衍射測量的α-Al2O3相的面(104)間距和Fe2O3的含量之間的關係。當Fe2O3的含量增加到20％時，晶面距離(104)增加。但是在Fe2O3的含量高於20％區域時，晶面距離不變。這個事實表明Fe2O3的含量為18％或更少，加入的Fe2O3完全以固體溶液的形式熔融在α-Al2O3相中，但是如果含量超過20％或更高，部分Fe2O3可能不熔融以Fe2O3相的形式存在。晶體結構的這些變化與氧化鋁燒結構件抗鹽酸的腐蝕性相一致。
實施例3、4和13，對比例1、5和6將4份重量的氧化矽、1份重量的氧化鎂和1份重量的氧化鈣作為燒結助劑混合到90份重量氧化鋁粉和10份重量鐵份(總量100份)中形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形作為閥體(圖6和7A所示的形狀)或盤形作為閥座(圖6和7B所示的形狀)。將由此形成的盤形構件在常壓爐裡在1600℃下焙燒兩小時形成直徑29.1mm和厚9.6mm的盤形閥體或直徑35.4mm和厚4.0mm的盤形閥座。
實施例5-8，14和15，對比例2、7和8
將4份重量氧化矽、1份重量氧化鎂和1份重量氧化鈣作為燒結助劑混合到90份重量氧化鋁粉和10份重量氧化鐵份(總量100份)中形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形構件作為與上述盤形構件相同尺寸的閥體和閥座。將模壓好的盤形構件在常壓爐裡在1600℃下焙燒兩小時形成與上述閥體或閥座相同尺寸的閥體或閥座。
實施例9-11，16和17，對比例3和9將4份重量氧化矽、1份重量氧化鎂和1份重量氧化鈣作為燒結助劑混合到95份重量氧化鋁粉和5份重量氧化鐵份(總量100份)形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形構件作為與上述盤形構件相同尺寸的閥體和閥座。將模壓好的盤形構件在常壓爐裡在1600℃下焙燒兩小時形成與上述閥體或閥座相同尺寸的閥體或閥座。
實施例12和18，對比例4將4份重量氧化矽、1份重量氧化鎂和1份重量氧化鈣作為燒結助劑混合到80份重量氧化鋁粉和20份重量鎳粉(總量100份)中形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形構件作為與上述盤形構件相同尺寸的閥體和閥座。將模壓的盤形構件在氮氣氣氛中在1600℃下焙燒兩小時形成與上述閥體或閥座相同尺寸的閥體或閥座。
對比例10將2份重量B4C作為燒結助劑混合到100份重量碳化矽中形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形構件作為與上述盤形構件相同尺寸的閥體和閥座。將模壓好的盤形構件在氮氣氣氛中在2100℃下焙燒一小時形成與上述閥體或閥座相同尺寸的閥體或閥座。然後，用面板磨光機磨光滑動表面在閥體和閥座的滑動表面上形成具有表2所述高度的凸面。然後把閥體和閥座浸入矽油中。
作為與在上述的實施例和對比例中製備的閥體和閥座聯合使用的閥體和閥座，或作為對比例5和6中使用的閥體和閥座，製備由氧化鋁製成的閥體和閥座。更進一步地說，將4重量份的氧化矽和1份重量氧化鎂作為燒結助劑混合到100份重量氧化鋁中形成一種材料，在乾燥狀態下做成丸狀。這些丸狀構件模壓成盤形構件作為與上述盤形構件相同尺寸的閥體和閥座。模壓的盤形構件在常溫爐中在1600℃下焙燒兩小時形成與上述閥體或閥座相同尺寸的閥體或閥座。
然後，用磨光機磨光所得到的閥體和閥座的滑動表面，形成從邊緣起光滑升高並且具有d1和d2(圖8所示)高度的凸面。用粗糙度試驗機測量它們的表面粗糙度。測量的結果在表2中所示。它們的表面粗糙度(Ra)為0.01-0.05μm。
將由此得到的閥體和閥座按照表2和3所示組合在一起，每對安裝在如圖6和7所示的盤形閥組合件中，(單槓桿，水混型水龍頭KM300N，由KVK公司製造)。
安裝在盤形閥組合件中的閥體和閥座經過功能/疲勞試驗來測定防水能力和槓桿的可操作性。試驗結果在表4和5表示。
功能/疲勞試驗在疲勞試驗之前，測定初始防水能力和槓桿的可操作性(槓桿扭矩)。
在用水泵施加17.5kgf/cm2的壓力達30秒，同時保持槓桿在低中心位置(這時切斷供水)之後，測量由於漏水而造成的水壓下降值，由此計算防水能力。如果壓降值低於0.3kgf/cm2，則可以認為該閥門具有合格的防水能力。
在槓桿扭矩試驗中，使用扭矩試驗機(DFG-2K由Simpo Kogyo公司製造)測量上下(調節水從零到最大)和左右(調節水溫)移動槓桿所需要的扭矩。如果扭矩是在400到800gf範圍內，則可以認為該閥門組合件是合格的。如果扭矩少於400gf，槓桿在使用中由於重力會自動下移。當扭矩大於800gf，光滑移動槓桿是困難的。
將在初始試驗中使用的每種閥門組合件的槓桿同疲勞試驗機(由NTN Engineering Plastics Corporation製造)配合併且如圖9所示移動，從右上位置Ru(供水停止)到右下位置Rd(冷水供應)，然後到左下Ld(沸水，90℃)，到左上Lu(水停止)，到左下Ld，到中下Cd(熱水，45℃)，到中上Cu(水停止)，到中下Cd(熱水，45℃)，到右下Rd(冷水)，然後到右上位置Ru(供水停止)。將這種循環(大約用25秒鐘)重複許多次。到200000循環時，測定它們的防水能力和槓桿的可操作性。
由表4和5結果可以明顯看出，在初始功能試驗中滿足各種條件的實施例3-18在防水能力和槓桿的可操作性方面得到好的結果。疲勞試驗的結果也是好的。也就是說，200000循環疲勞試驗後，水壓只降了0.3kgf/cm2或更少，並且槓桿的可操作性是好的，即槓桿扭矩是在400-800gf的範圍之內。
相反，對於對比例2、3、4和8，在閥體和閥座的滑動表面上形成的凸面兩者都高於規定的範圍，儘管槓桿可操作性較好，但是防水能力較差。
對於對比例1、2、4、7和9，在閥體和閥座上的凸面的總高度超過1.6μm，儘管其槓桿可操作性較好，但是防水能力較差。
對於對比例5和6，閥體和閥座均不是由自潤滑陶瓷製成，而是由氧化鋁製成的，儘管滑動面有規定的形狀和高度，但是耐久性較差。事實上，當試驗循環重複5000次時，這些對比例的疲勞試驗由於粘連不得不中斷。
對比例10，由碳化矽陶瓷製成並用矽油浸漬，在防水性、槓桿可操作性和耐久性方面都是差的。
表1
1)這些浸漬試驗持續3天，腐蝕性液體保持在120℃。
表2 表3 表4 ★單位kgf/cm2★★單位gf表5 ★單位kgf/cm2★★單位gf—試驗停止
權利要求
1.一種在用水潤滑時具有較高滑動特性的燒結陶瓷材料，所說的燒結陶瓷材料是通過燒結一種材料而形成的，該材料包含氧化物陶瓷材料和至少一種選自鐵、鎳、鈷和它們的氧化物、氮化物和碳化物減摩劑。
2.權利要求1所說的燒結陶瓷材料，其中所說的減摩劑的含量以重量計為1-30％。
3.一種耐腐蝕燒結陶瓷材料，它是通過在大氣中燒結氧化鋁粉和鐵或它的氧化物的混合物而形成的。
4.一種單相α-Al2O3固體溶液形式的耐腐蝕燒結陶瓷材料，所說的燒結陶瓷材料是通過在大氣中燒結氧化鋁粉和鐵或它的氧化物的混合物而形成的。
5.權利要求3所述的燒結陶瓷材料，其中所說的鐵或它的氧化物的含量在燒結陶瓷材料中以Fe2O3的含量計為0.5-18％重量，而且該材料在用水潤滑時具有較高的滑動特性和較高的耐酸和耐鹼性。
6.一種具有形成閥孔的閥座和與所說的閥座保持滑動接觸以打開和關閉所說的閥孔的閥體的盤形閥組合件，其特徵在於所說的閥座和閥體中至少一個是由包括作為主要組份的氧化物陶瓷和選自鐵、鎳、鈷和它們的氧化物、氮化物和碳化物的至少一種減摩劑的自潤滑陶瓷材料製成的。
7.一種具有形成閥孔的閥座和與所說的閥座保持滑動接觸以打開和關閉所說的閥孔的閥體的盤形閥組合件，其特徵在於所說的閥座和閥體中一個是由包括作為主要組份的氧化物陶瓷和選自鐵、鎳、鈷和它們的氧化物、氮化物和碳化物的至少一種減摩劑的自潤滑陶瓷材料製成的，而所說的閥體和閥座的另一個由氧化鋁陶瓷材料製成。
8.權利要求7所說的盤形閥組合件，其中所說的閥體和閥座的其中之一比所說的閥體和閥座的另一個有較小的滑動接觸面積。
9.權利要求6-8的任何一個中所說的盤形閥組合件，其中所說的氧化物陶瓷是氧化鋁陶瓷。
10.權利要求6-9的任何一個中所說的盤形閥組合件，其中所說的閥體和閥座有保持相互滑動接觸的滑動面，所說的每個滑動表面形成一種凸面，該凸面從所說的每個滑動表面的外邊緣到中心升高0.1-1μm的高度，在所說的滑動表面上形成的所說凸面的高度的總和不超過1.6μm或更小。
11.權利要求6-10的任何一個中所說的盤形閥組合件，其中在所說的閥座的滑動表面上形成所說的凸面有一個在它的中心部分無中斷或開口的連續面。
全文摘要
提出了一種用於在水中使用或與水接觸的滑動構件的陶瓷材料。它摩擦阻力低和耐磨性高以及當使用在這種條件下時壽命長。也提出了一種盤形閥組合件，有滑動性能高的滑動面的閥體和閥座。通過在具有閥孔的閥座上滑動閥體，可以打開和關閉閥孔。閥座和閥體中有一個是由包括作為主要組分的氧化物陶瓷和選自鐵、鎳、鈷和它們的氧化物、氮化物和碳化物的至少一種減摩劑的自潤滑陶瓷材料製成的。閥體和閥座的另一個是由氧化鋁陶瓷材料製成並具有比閥體和閥座中的一個更小的滑動接觸面積。
文檔編號C04B35/56GK1141899SQ9610841
公開日1997年2月5日 申請日期1996年5月15日 優先權日1995年5月16日
發明者K·村松, T·金子, K·清原, K·伊藤, Y·西原, H·井上, M·石原 申請人:Ntn株式會社