Клапанная шайба из инфильтрированного кремнием карбида кремния и способ ее изготовления

 

Использование: клапанная шайба из легированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, пригодна, в частности, для смесительных клапанов санитарно-технического оборудования. Сущность изобретения: материал состоит из 70 - 90 мас.% карбида кремния и 8 - 30 мас.% кремния с содержанием свободного углерода макс. 0,2% и объемной долей закрытых пор макс. 0,1%. Шайба имеет функциональную поверхность, оптическое изображение которой имеет форму изолированных островков несущих поверхностей, окруженных лежащим ниже относительно изолированных островков уровнем, причем функциональная поверхность имеет следующие микротопографические свойства: R_a 0,02 - 0,80 мкм, предпочтительно 0,15 - 0,40 мкм, R_t 0,50 - 6,00 мкм, R_Z 0,20 - 1,00 мкм, плоскость 0,00002 - 0,01 мм, tpi 40 - 80% (при глубине резания 0,3 мкм), tpa 10 - 60% (при глубине резания 0,3 мкм). Изобретение касается также способа изготовления клапанной шайбы. 2 с. и 4 з.п. ф-лы.

Клапанные шайбы для управления и регулирования, в частности для водопроводной арматуры санитарно-технического оборудования, уже давно изготавливают известным образом из керамических материалов, например оксида алюминия, оксида циркония, а также карбида кремния.

Известны клапанные шайбы [1], изготовленные полностью из материала с объемной долей пор 0,1%, состоящего из 70-92 мас.% карбида кремния и 8-30 мас. % металлического кремния. Способ получения подобных материалов описан в патентной заявке ФРГ (2). Известный способ изготовления клапанной шайбы из инфильтрированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, состоит в том, что карбид кремния размалывают, смешивают с углеродом и формообразующими вспомогательными средствами, формуют в виде клапанных шайб, после чего коксуют, силицируют в расплаве кремния в атмосфере инертного газа, силицированную клапанную шайбу шлифуют, а затем полируют.

Из этой же публикации известна клапанная шайба из инфильтрованного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, в частности для смесительных клапанов санитарно-технического оборудования, причем материал состоит из 70- 90 мас.% карбида кремния и 8-30 мас.% кремния с содержанием свободного углерода макс. 0,2 мас.% и объемной долей закрытых пор макс. 0,1%.

В патентной заявке Италии N 67746, F 16 K 25/00, A/82 описано применение таких материалов различной твердости для пар клапанных шайб и установлено, что шайба с большей твердостью должна иметь меньшую шероховатость поверхности, а шайба с меньшей твердостью - большую шероховатость. Описание не позволяет узнать специалисту, каких он должен добиваться числовых значений шероховатости, например R_a, R_t, R_z. При этом B_a- среднее арифметическое отклонений профиля; R_r - наибольшая высота неровностей профиля; R_z - усредненная высота неровностей профиля.

В патенте США N 4856758, F 16 L 5/00, 1989 более подробно специфицировано различие в твердости обеих шайб и установлено, что оно должно составлять по меньшей мере 1000 Н/мм² и максимум 7000 Н/мм².

Известно, что измерить твердость матричных материалов очень трудно, и надежно воспроизводимые данные измерений предполагают хорошее владение техников измерений микротвердости, для чего в каждом случае требуются очень высокие затраты на лабораторное оборудование. Для процесса изготовления, кроме того, представляется очень сложным производство параллельно двух разных по структуре, т.е. по твердости материалов, в частности, также потому, что различие в твердости должно оставаться в относительно узких пределах между 1000 и 7000 Н/мм₂.

В уже упомянутой патентной заявке Италии шероховатость поверхности клапанных шайб приводится в диапазоне 0,2-0,4 мкм, но не говорится, о каком параметре профиля R_a, R_t или R_z идет речь. В патентной заявке ФРГ N 3116801 приведено значение R_a 0,1-0,15 мкм.

Главная функциональная задача клапанных шайб заключается в обеспечении на длительный срок геометрически управляющих и регулирующих клапанов, например, водопроводной арматуры. Наряду с достижением герметичности прикладываемые к ним усилия или крутящие моменты, однако, не должны существенно повышаться. Опасность этого возникает за счет корродирующего действия протекающих в клапане жидкостей, образующихся осаждений или содержащихся в жидкостях загрязнений, которые могут по твердости сравниться с твердостью материала шайб. Для удовлетворения этих технических требований согласно уровню техники для клапанных шайб применяются особенно коррозионностойкие, химически устойчивые и твердые материалы, предпочтительно твердые керамические материалы в паре из того же материала или в подходящей комбинации материалов. Специалисту известно, что при данном усилии прижатия шайб величина необходимого исполнительного усилия (крутящий момент) решающим образом зависит от качества поверхности и что, в частности, для достижения вышеназванного постоянства на длительный срок исполнительного усилия качество поверхности не должно ухудшаться. Специалист оценивает качество поверхности клапанных шайб такими широко применяемыми в технике параметрами, как наибольшая высота неровностей профиля R_t, высота неровностей по десяти точкам R_a и относительная опорная длина микропрофиля tpi. Согласно уровню техники специалист требует более низких числовых значений R_a от 0,1 - 0,15 до 0,2-0,4 мкм.

В результате подробных исследований было установлено, что, несмотря на соблюдение количественно заданных числовых значений R_a, R_t и tpi, одинаковые по величине исполнительные усилия у одной серии пар шайб не могут быть точно соблюдены. На практике это приводит к заметному разбросу исполнительных усилий отдельных пар шайб.

Анализ проблемы показал, что, несмотря на соблюдение количественно заданных значений R_a, R_t и tpi, микропрофили поверхности клапанных шайб значительно отличаются друг от друга. Другими словами, только обозначив цифрами параметры R_a, R_t и tpi, еще нельзя обеспечить удовлетворение функциональных требований.

Задачей настоящего изобретения является оптимальное установление собственно функционально - технически определяющих признаков поверхности клапанных шайб, т.е. совокупности их микротопографических параметров, в дополнение к используемым специалистами параметрам профиля R_a, R_t и tpi. Наряду с этим, также по причинам экономичности, при изготовлении клапанных шайб должен применяться только один материал.

Поставленная задача решается за счет того, что клапанная шайба из инфильтрированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, в частности для смесительных клапанов санитарно-технического оборудования, причем материал состоит из 70-90 мас.% карбида кремния и 8-30 мас. % кремния с содержанием свободного углерода макс. 0,2 мас.% и с объемной долей закрытых пор макс. 0,1%, согласно изобретению имеет функциональную поверхность, у которой изолированные островки несущих поверхностей окружены лежащим ниже относительно изолированных островков уровнем, причем функциональная поверхность имеет по всей протяженности следующие микротопографические свойства: - R_a: 0,02 - 0,80 мкм, предпочтительно 0,15-0,40 мкм, - R_t : 0,50-6,00 мкм, - R_z : 0,20 - 1,00, - плоскость : 0,0002 - 0,01 мм, - tpi : 40-80% (при глубине резания 0,3 мкм), - tpa: 10-60% (при глубине резания 0,3 мкм), где tpa - относительная опорная длина макропрофиля, причем функциональная поверхность имеет оптическое изображение в виде изолированных островков несущих поверхностей, окруженных лежащим ниже уровнем.

Согласно предпочтительному варианту исполнения клапанная шайба состоит из инфильтрованного кремнием карбида кремния, имеющего кристаллическую структуру SiC с размером кристаллитов 1-30 мкм.

Клапанная шайба согласно изобретению может состоять из инфильтрированного кремнием карбида кремния, имеющего кристаллическую структуру SiC с содержанием свободного металлического кремния по меньшей мере 8 мас.%.

Клапанная шайба согласно изобретению состоит из инфильтрованного кремнием карбида кремния с модулем упругости 300000-400000 H/мм².

Клапанная шайба согласно изобретению предпочтительно состоит из инфильтрованного кремнием карбида кремния, твердость которого в SiC - матрице составляет 20000-300000 H/мм², а твердость металлического кремния 10000-15000 H/мм².

У известных до сих пор клапанных шайб функциональная поверхность имеет оптическое изображение, на котором несущая поверхность прерывается отдельными углублениями. У клапанных шайб согласно изобретению дело обстоит как раз наоборот, т. е. здесь в растровом электронном микроскопе видно, что несущая поверхность выполнена в виде изолированных островков, в то время как гораздо большая часть поверхности выполнена в виде углубления. Несмотря на эту особую структуру поверхности, шайбы согласно изобретению обеспечивают герметичность клапанной арматуры.

Задача изобретения в плане способа решается тем, что при способе приготовления клапанной шайбы из инфильтрированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, при котором карбид кремния размалывают, смешивают с углеродом и формообразующими вспомогательными средствами, формуют в виде клапанных шайб, после чего коксуют, силицируют в расплаве кремния в атмосфере инертного газа, силицированную клапанную шайбу шлифуют, а затем полируют, согласно изобретению полирование проводят в два этапа водными суспензиями алмазных зерен, причем на первом этапе полируют суспензией со средним размером зерен 3-6 мкм, а на втором этапе - со средним размером зерен 10-20 мкм.

Служащий для изготовления клапанных шайб согласно изобретению легированный кремнием карбид кремния может быть получен в соответствии с патентной заявкой ФРГ N 3116786. Предпочтительно применяют материал, имеющий кристаллическую структуру SiC с размером кристаллита 1-30 мкм и с содержанием свободного металлического Si по меньшей мере 8 мас.%, причем модуль упругости материала составляет 300000-400000 H/мм², твердость в SiC- матрице 20000-30000 H/мм², а твердость металлического Si - 10000-15000 H/мм². Материал такого рода можно получить аналогично способу по патентной заявке ФРГ N 3116786, если по сравнению с названным в ней исходным порошком взять более мелкозернистый порошок с более высоким модулем упругости.

Наряду с этим материалом для изготовления клапанных шайб согласно изобретению рассматривается также материал, содержащий по сравнению с описанным выше CSiSiC еще и свободный углерод.

Изготовление клапанных шайб согласно изобретению осуществляется обычными способами, как это описано в патентной заявке ФРГ N 3116786. После силицирования заготовки шайб обычным образом шлифуют, а затем полируют в два этапа водными суспензиями алмазных зерен. На первом этапе полируют суспензией со средним размером зерен около 3-6 мкм, а на втором - со средним размером зерен около 10-20 мкм. Неожиданно оказалось, что благодаря такому полированию сначала более мелким зерном, а затем более крупным получают клапанные шайбы с описанными выше микротопографическими. свойствами. Эти шайбы имеют меньшие исполнительные моменты по сравнению с шайбами согласно патентной заявке ФРГ N 3116801, не полируемыми таким образом.

Формула изобретения

1. Клапанная шайба из инфильтрированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкостей, в частности, для смесительных клапанов санитарно-технического оборудования, причем материал состоит из 70-90 мас.% карбида кремния и 8-30 мас.% кремния с содержанием свободного углерода макс. 0,2 мас. % и объемной долей закрытых пор макс. 0,1%, отличающаяся тем, что она имеет функциональную поверхность, у которой изолированные островки несущих поверхностей окружены лежащим ниже относительно изолированных островков уровнем, причем функциональная поверхность имеет по всей своей протяженности следующие микротопографические свойства.

R_a: 0,0,2 - 0,80 мкм, предпочтительно 0,15-0,40 мкм, R_t: 0,50 - 6,00 мкм,
R_z: 0,20 - 1,00 мкм,
плоскость: 0,0002 - 0,01 мм,
tpi: 40 - 80% (при глубине резания 0,3 мкм),
tpa: 10 - 60% (при глубине резания 0,3 мкм).

2. Шайба по п.1, отличающаяся тем, что она состоит из инфильтрированного кремнием карбида кремния, имеющего кристаллическую структуру SiC с размером кристаллитов 1-30 мкм.

3. Шайба по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она состоит из инфильтрированного кремнием карбида кремния, имеющего кристаллическую структуру SiC с содержанием свободного металлического кремния по меньшей мере 8 мас.%.

4. Шайба по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она состоит из инфильтрированного кремнием карбида кремния с модулем упругости 300000-400000 Н/мм².

5. Шайба по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она состоит из инфильтрированного кремнием карбида кремния, твердость которого в SiC - матрице составляет 20000-300000 Н/мм², а твердость металлического кремния 10000-15000 Н/мм².

6. Способ изготовления клапанной шайбы из инфильтрированного кремнием карбида кремния для управляющих элементов, регулирующих потоки жидкости, при котором карбид кремния размалывают, смешивают с углеродом и формообразующими вспомогательными средствами, формуют в виде клапанных шайб, после чего коксуют, силицируют в расплаве кремния в атмосфере инертного газа, силицированную клапанную шайбу шлифуют, а затем полируют, отличающийся тем, что полирование проводят в два этапа водными суспензиями алмазных зерен, причем на первом этапе полируют суспензией со средним размером зерен 3-6 мкм, а на втором этапе - со средним размером зерен 10-20 мкм.