DE19619719A1 - Gesintertes Keramikmaterial und Scheibenventilanordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gesintertes Keramikmaterial, das einen geringen Reibungswiderstand besitzt und zur Verwendung als Gleitelement unter mit Wasser geschmierten Bedingungen geeignet ist, auf ein gesintertes Keramikmaterial, das eine exzellente Korrosionsbeständigkeit in einer korrodierenden Umgebung in kochendem Wasser zeigt, und auf eine Scheibenventilanordnung, die aus solchen Keramikmaterialien bestehen.

Gleit- oder Rollelemente eines Maschinenteils, die aus einem gesinterten Keramik­ material bestehen, werden üblicherweise in der Anwesenheit von Filmen aus Öl oder Fett verwendet, um den Reibungswiderstand ihrer Oberfläche zu verringern.

Bislang wurde bei Anwendungen, wo die Verwendung solcher öliger Schmiermittel nicht möglich war, eine poröse Siliziumnitrid-Siliziumkarbidkeramik verwendet, die mit festen Schmiermittel, wie Graphit, Molybdändisulfid, Bornitrid, Fluorkunstharz und Paraf­ finwachs imprägniert war (geprüfte japanische Patentveröffentlichung 5-50475).

Einige der herkömmlichen, abnutzungsfesten Artikel, wie etwa Schneidwerkzeuge, sind Verbundelemente aus einer zweiphasigen Matrix aus einer Siliziumnitridphase und einer hochdichten Zusatzphase mit darin verteilten, harten, hochschmelzenden Teilchen. Ein solches hochschmelzendes Material wird ausgewählt aus Metallen wie etwa aus Titan, Molybdän, Wolfram und Tantal und aus ihren Karbiden und Nitriden (Ungeprüfte japa­ nische Patentveröffentlichung 57-51175).

Jedoch ist es für Gleitelemente, die in Wasser verwendet werden oder mit Wasser benetzt werden, wie etwa für Gleitlager für Wasserpumpen, oft unmöglich, solche öligen Schmiermittel zu verwenden. In solchen Fällen müssen Gleitelemente ohne Schmierung verwendet werden, so daß der Reibungswiderstand an den Gleitoberflächen erhöht ist, was zu einer Erhöhung der Betätigungskräfte führt, die benötigt werden, um die Gleitelemente zu bewegen, und die Lebensdauer solcher Gleitelemente verkürzt.

Keramische Gleitelemente, die, wie oben erwähnt, mit festen Schmiermitteln im­ prägniert sind, sind auf Grund ihrer porösen Natur nicht wasserdicht. Ihre Festigkeit ist ebenfalls gering. Da diese festen Schmiermittel auch noch ziemlich teuer sind, sind die Herstellungskosten hoch. Feste Schmiermittel behindern auch das Sintern der Keramik, was es erschwert, die Dichte der gesinterten Keramik zu erhöhen.

Verbundelemente, in denen harte, hochschmelzende Teilchen verteilt sind, weisen ebenfalls einige Probleme auf. Ein Problem ist, daß die Herstellungskosten hoch sind, da teuere, hochschmelzende Metalle und ihre Verbindungen verwendet werden. Außerdem ist es schwierig, die Sinterbedingungen, wie etwa die Sintertemperatur und die Sorte des Ver­ dichtungsmittels zum Erhöhen der Dichte der gesinterten Keramik, zu bestimmen. Die solcherart hergestellte, gesinterte Keramik weist daher einen hohen Reibungswiderstand auf.

Keramische Gleitelemente, die in Wasser verwendet werden, umfassen mechanische Dichtungen, Rohrauskleidungen und in heißes Wasser getauchte Schutzrohre, die in sau­ ren, basischen und korrosiven Umgebungen oder in kochendem Wasser verwendet werden. Eine hohe Korrosionsfestigkeit ist für diese Keramikelemente erforderlich. Daher bestehen herkömmliche Gleitelemente dieser Art aus nicht-oxydischen Keramiken, wie etwa aus Siliziumkarbid. Es ist ein komplizierter Vorgang, Siliziumkarbid zu sintern, da es in einer inerten Atmosphäre bei hohen Temperaturen gesintert werden muß. Solche gesinterten Keramiken sind daher in einer Massenproduktion schwierig herzustellen. Man mag daher versucht sein, die nicht-oxydischen Keramiken durch billigere, leichter zu sinternde oxydi­ sche Keramiken zu ersetzen. Doch werden oxydische Keramiken, wie etwa Aluminium­ oxyd, leicht durch Säuren und Basen korrodiert. Wenn die Reinheit einer solchen oxydi­ schen Keramik für eine leichte Sinterung verringert wird, wird sie deutlich korrodieren (wie in "New Ceramics", Seiten 20-21, veröffentlicht 1994 von Chÿin Shokan, diskutiert).

Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gesintertes Keramikmate­ rial für ein Gleitelement zu Verfügung zu stellen, das in Wasser verwendet wird oder von Wasser benetzt ist, welches einen niedrigen Reibungswiderstand und eine hohe Abnut­ zungsfestigkeit besitzt und welches eine lange Lebensdauer besitzt, wenn es unter solchen Bedingungen verwendet wird.

Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gesintertes Keramikma­ terial zur Verfügung zu stellen, das in der Form einer oxydischen Keramik, wie etwa Alu­ miniumoxyd ist, und das in einer korrodierenden Umgebung oder in kochendem Wasser verwendet werden kann.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine herkömmliche Scheibenventilanordnung des Typs, der heißes und kaltes Wasser mischen kann.

Sie umfaßt eine Bodenplatte 2, die am Boden eines Ventilgehäuses 1 angeordnet ist und zwei Einlaßlöcher 3 und 4 besitzt (nur eines ist gezeigt), in die ringförmige Dichtungen 3a und 4a (nur eine ist gezeigt) eingesetzt sind. Ein Ventilsitz 5 ist über der Bodenplatte 2 angeordnet. Er besitzt zwei Ventillöcher 6 und 7 (nur eines ist gezeigt), die mit den Ein­ laßlöchern 3 beziehungsweise 4 in Verbindung stehen. Ein Ventilkörper 8 ist gleitend auf dem Ventilsitz 5 angeordnet. Der Ventilkörper 8 trägt drehbar über einen gleitenden Dich­ tungsring 9 und einen O-Ring 10 einen Hebelhalter 11. Mit dem Hebelhalter 11 ist das untere Ende einer Hebelstange 13 verbunden, die von einem Stift 12 getragen wird. Durch Drehen der Hebelstange 13 nach oben und unten oder nach rechts oder links durch Bewe­ gen eines Hebels 14 gleitet der Ventilkörper 8 auf dem Ventilsitz 5, so daß der Grad der Öffnung der Ventillöcher 6 und 7 geändert wird.

Der Ventilkörper 8 besitzt zwei Wasserdurchgänge 5a und 5b, die durch Ausschnei­ den des Ventilkörpers 8 entlang seiner unteren Kante geformt werden. Heißes Wasser und kaltes Wasser, das durch Zuleitungsrohre in die Ventillöcher 6 und 7 geführt wird, fließt in die jeweiligen Durchgänge 5a und 5b und dann durch Öffnen der Ventillöcher in die Was­ sermischkammer 15. Warmes Wasser, das eine Mischung aus heißem und kaltem Wasser ist, das von den Ventillöchern zugeführt wird, wird dann zu dem nicht gezeigten Ausgang eines Wasserhahns geführt.

Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung 63-36765 legt ein Scheibenventil dieser Art offen. Um die Gleiteigenschaften des Ventilkörpers 8 zu verbessern, besteht entweder der Ventilkörper 8 oder der Ventilsitz 5 aus einem Kunstharz mit selbst-schmie­ renden Eigenschaften, wie etwa aus einem Fluorokunstharz oder einem Polyäthylen mit ultrahohem Molekulargewicht, oder aus einem Kunstharz, das einen Füller enthält, wie etwa Molybdändisulfid oder Kohlenstoff, der in der Lage ist, die Schmierung des Kunst­ harzes zu verbessern, während das andere der beiden Elemente aus einem keramischen Material besteht.

Ein Problem eines Ventilkörper aus einem derartigen selbst-schmierenden Kunst­ harz ist seine geringe Kriechfestigkeit. Selbst wenn eine faserförmige Verstärkung dem Material des Ventilkörpers zugefügt wird, ist seine Wasserdichtigkeit so gering, daß er ein Wasserlecken nur dann verhindern kann, wenn der Wasserdruck gering ist.

Im Gegensatz dazu ist ein Ventilkörper oder ein Ventilsitz aus einem keramischen Material ausreichend hart und widersteht ausreichend dem Wasserdruck. Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung 4-351379 legt eine Scheibenventilanordnung offen, deren Ventilkörper oder Ventilsitz aus einem Aluminiumoxyd-Keramikmaterial besteht und eine Gleitoberfläche besitzt, die mit einem konvexen Aufsatz geformt ist.

Ein Ventilkörper oder Ventilsitz aus einem Aluminiumoxyd-Keramikmaterial besitzt einen hohen Reibungskoeffizienten an seiner Gleitoberfläche, der eine glatte Betätigung des Hebels verhindert. Daher ist ein konvexer Aufsatz auf seiner Gleitoberfläche geformt, um den Gleitwiderstand zu verringern.

Um die Bedienbarkeit des Hebels durch Formen eines Aufsatzes auf der Gleitober­ fläche des Ventilkörpers oder des Ventilsitzes zu verbessern, muß ein solcher Aufsatz wenigsten 5 µm hoch sein. Ein solch hoher Aufsatz macht es jedoch schwierig, den Ventil­ körper eng gegen den Ventilsitz zu pressen, um ein Wasserlecken zu verhindern.

Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung 63-38722 schlägt die Verwendung eines Ventilkörpers aus einem porösen Material mit einer Vickershärte von 200 kg/mm² oder mehr vor, das mit einem Schmiermittel imprägniert ist, um die Gleiteigenschaften der Gleitoberfläche zu verbessern.

Aber dieser Gleitkörper weist insofern ein Problem auf, als das Schmiermittel dazu neigt, während der Verwendung abgenutzt zu werden oder auszufließen, so daß ein glatte Betätigung des Hebels im Laufe der Zeit immer schwieriger wird. Außerdem nimmt seine Fähigkeit, Wasser zu halten, nach einer langen Verwendung, ab.

Keramische Ventile, die feste Schmiermittel verwenden, sind ebenfalls bekannt. Zum Beispiel legt die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung 6-48836 einen Ventil­ körper aus einem selbst-schmierenden Siliziumkarbid-Kohlenstoff-Keramikmaterial offen.

Dieser Ventilkörper besitzt eine hohe Abnutzungsfestigkeit und das Schmiermittel fließt nicht leicht aus. Wenn aber eine große Kohlenstoffinenge zugefügt wird, um die Gleiteigenschaften auf einen Wert zu verbessern, der für ein Scheibenventil erforderlich ist, erleidet der Ventilkörper einen Verlust an Festigkeit und wird brüchig. Ein solcher Ventil­ körper besitzt eine geringere Haltbarkeit.

Insbesondere wenn ein Ventilsitz mit einer größeren Gleitkontaktfläche als der Ventilkörper aus einem derartigen brüchigen Material besteht, neigt seine Gleitoberfläche dazu, ungleichmäßig abgenutzt zu werden und deutlich aufzurauhen, während sie von dem Ventilkörper ungleichmäßig abgenutzt wird. Die solcherart aufgerauhte Oberfläche erhöht den Reibungskoeffizient oder verursacht Wasserlecken.

Daher ist es, wenn solche herkömmlichen Ventilkörper und Ventilsitze aus selbst- schmierendem Keramikmaterial bestehen, schwierig, ihre mechanische Festigkeit und Gleit­ eigenschaften für lange Zeit auf einem Wert zu halten, der für Scheibenventile erforderlich ist.

Es ist daher eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Scheibenventil­ anordnung zur Verfügung zu stellen, die einen Ventilkörper und einen Ventilsitz umfaßt, die beide aus einem keramischen Material bestehen und in einem Gleitkontakt miteinander gehalten werden, so daß sie sicher das Lecken von Wasser oder jeder anderen Flüssigkeit für einen langen Zeitraum verhindern können, während sie einen solchen Reibungskoeffi­ zienten zwischen einander besitzen, der eine glatte Bewegung des Ventilkörpers ermög­ licht.

Diese und weitere Aufgaben werden entsprechend der vorliegenden Erfindung durch das in den beigefügten Patentansprüchen definierte Keramikmaterial und die ent­ sprechende Scheibenventilanordnung gelöst.

Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein gesintertes Keramikmaterial zur Verfügung gestellt, das hohe Gleiteigenschaften bei Schmierung mit Wasser zeigt, wobei das gesinterte Keramikmaterial durch Sintern eines Materials aus oxydischem Keramikmaterial und wenigstens einem Anti-Reibungsmittel geformt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht.

Das Anti-Reibungsmittel verringert den Reibungskoeffizienten und den Gleitwider­ stand an der Gleitoberfläche bei Wasserschmierung. Somit ist der gesinterte Keramikkörper ausgezeichnet zur Verwendung als Gleitelement in Wasser geeignet und erhöht die Lebens­ dauer des Gleitelements.

In einer anderen Anordnung liegt ein korrosionsfestes, gesintertes Keramikmaterial in der Form einer einphasigen, festen α-Al₂O₃-Lösung vor, wobei das gesinterte Keramik­ material durch Sintern in Atmosphäre einer Mischung aus Aluminiumoxydpulver und von Eisen oder seinen Oxyden erhalten wird.

Das Eisen und seine Oxyde erhöhen die Sinterbarkeit und die Dichte und dienen als Anti-Reibungsmittel. Somit kann der gesinterte Aluminiumkörper als Gleitelement in einer korrodierenden Umgebung verwendet werden.

Das Anti-Reinigungsmittel ist preiswert und erfordert keinen besonderen Sinte­ rungsvorgang. Somit ist es zur Herstellung eines Gleitelement geeignet.

Zum Lösen der dritten Aufgabe umfaßt ein Scheibenventil nach der vorliegenden Erfindung einen Ventilsitz und einen Ventilkörper. Wenigstens einer von diesen besteht aus einem selbst-schmierenden Keramikmaterial mit einer oxydischen Keramik als Hauptkom­ ponente und wenigstens einem Anti-Reibungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht. Ein solcher Ventilkörper oder Ventilsitz ist hart und sehr wasserfest. Eisen, Nickel, Kobalt und ihre Oxyde, Nitride und Karbide, die aus Anti-Reibungsmittel zugeführt werden, dienen dazu, den Reibungskoeffizienten stabil auf einem niedrigen Wert zu halten.

Die Scheibenventilanordnung nach der vorliegenden Erfindung besitzt einen Ventil­ sitz, der mit Ventillöchern geformt ist, und einen Ventilkörper in gleitendem Kontakt mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der Ventillöcher, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Ventilsitz oder der Ventilkörper aus einem selbst-schmierenden Keramikma­ terial mit einer oxydischen Keramik als Hauptkomponente und wenigstens einem Anti- Reibungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht, und der andere von dem Ventilsitz und dem Ventilkörper aus einem Aluminiumoxyd-Keramikmaterial besteht.

Außerdem kann die Fläche der gleitenden Oberfläche des Ventilsitzes oder des Ventilkörpers aus selbst-schmierender Keramik kleiner als die der gleitenden Oberfläche des Ventilsitzes oder Ventilkörpers aus Aluminiumoxydkeramik sein.

Auf dem Ventilsitz und dem Ventilkörper, deren Gleitoberflächen in gleitendem Kontakt miteinander gehalten werden, kann jede Gleitoberfläche mit einem konvexen Auf­ satz geformt sein, der glatt über die äußere Kante jeder Gleitoberfläche bis zu einer Höhe von 0,1-1 µm in seiner Mitte ragt, wobei die Summe der Höhen der Aufsätze auf den gleitenden Oberflächen nicht größer als 1,6 µm ist.

Wenn der Ventilsitz oder der Ventilkörper aus einem Aluminiumoxyd-Keramikma­ terial besteht, das Aluminiumoxyd (Al₂O₃) als Hauptkomponente und Eisenoxyd (Fe₂O₃) als Anti-Reibungsmittel aufweist, wird das Eisen in dem Eisenoxyd während des Sinterns dicht in der Form einer festen Lösung in den Aluminiumoxydteilchen (Al₂O₃) verteilt.

Wenn dieser Ventilkörper oder dieser Ventilsitz mit Wasser in Verbindung gebracht wird, während die er in gleitendem Kontakt mit dem entsprechendem paarigen Element gehalten wird, korrodiert vermutlich die feste Lösung aus Aluminiumoxyd und Eisen auf Grund tribochemischer Wirkung, die auf der Gleitoberfläche Hydroxyde erzeugt, die wei­ cher als das Aluminiumoxydsubstrat sind. Man nimmt an, daß diese Hydroxyde den Rei­ bungskoeffizienten verringern. Man nimmt ebenfalls an, daß, da das Keramikmaterial, das den Ventilkörper oder den Ventilsitz bildet, eine höhere Affinität für Wasser besitzt, in dem Ventilkörper oder dem Ventilsitz vorhandenes Wasser als eine Art Schmiermittel dient, das den Reibungskoeffizienten weiter verringert.

Wasser dient auf die obige Weise nicht nur dann als Schmiermittel, wenn der Ven­ tilkörper oder der Ventilsitz aus einer Mischung aus Aluminiumoxyd und Eisenoxyd be­ steht, sondern auch, wenn ein gewöhnliches Keramikmaterial verwendet wird, in dem sehr kleine Metallteilchen aus Eisen, Nickel, Kobalt oder ihre Oxyde, Nitride oder Karbide verteilt sind.

Der Ventilkörper oder der Ventilsitz aus dem oben erwähnten, keramischen Materi­ al besitzt einen Aufsatz auf der Gleitoberfläche, der glatt über den äußeren Rand bis zu einer vorgegebenen Höhe in der Mitte ragt. Solch ein Aufsatz dient zum Verringern der Kontaktfläche zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz und verbessert somit die Schmierung des Keramikmaterials weiter. Der Gleitwiderstand nimmt somit deutlich ab, während ein Wasserlecken verhindert wird. Darüber hinaus werden beide Eigenschaften, also ein niedriger Gleitwiderstand und eine hohe Wasserdichtigkeit, für eine lange Zeit beibehalten.

Durch Bilden des Ventilsitzes oder des Ventilkörpers aus einem selbst-schmieren­ den Keramikmaterial mit der oben erwähnten Zusammensetzung und des anderen Teils aus einer Aluminiumoxydkeramik kann der Ventilkörper enger in gleitenden Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht werden, während eine glatte Bedienbarkeit des Hebels beibehalten wird.

In der Anordnung, in der der Ventilsitz oder der Ventilkörper, der aus einem selbst- schmierenden Keramikmaterial mit der oben erwähnten Zusammensetzung besteht, eine kleinere Gleitkontaktfläche als sein paariges Element, also der Ventilsitz oder der Ventil­ körper als einem Aluminiumoxyd-Keramikmaterial, besitzt, wird die Gleitoberfläche gleich­ förmig abgenutzt und somit glatt gehalten, da das Element mit der kleineren Gleitkontakt­ fläche aus einem weicheren Material besteht.

In der Anordnung, in der der auf der Gleitoberfläche des Ventilkörpers geformte Aufsatz eine kontinuierliche Oberfläche ohne Ausschnitte oder Öffnungen in seiner Mitte besitzt, berühren sich der Ventilkörper und der Ventilsitz niemals entlang einer Linie son­ dern nur punktweise oder an einer kleinen Fläche. Dies ermöglicht, daß der Ventilkörper glatt in alle Richtungen auf dem Ventilsitz gleitet. Daher verbessert sich die Bedienbarkeit des Hebels.

Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der nach­ folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Gehalt an einem Anti-Rei­ bungsmittel in dem gesinterten Keramikmaterial und dem Reibungskoeffizienten unter trockenen Schmierbedingungen zeigt.

Fig. 2 ist eine ähnliche Kurve, die den gleichen Sachverhalt mit Wasser als Schmier­ mittel zeigt.

Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt eines Reibungs-Abnutzungstesters.

Fig. 4 ist eine Röntgenstrahlbeugungsdiagramm eines gesinterten Al₂O₃-Fe₂O₃- Materials.

Fig. 5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den α- Al₂O₃-Kristall-(104)-Flächen eines gesinterten Al₂O₃-Fe₂O₃-Materials und dem Fe₂O₃- Gehalt zeigt.

Fig. 6 ist ein vertikaler Querschnitt einer Scheibenventilanordnung entsprechend einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 7A ist eine untere Draufsicht des Ventilkörpers der Fig. 6.

Fig. 7B ist eine obere Draufsicht des Ventilkörpers der Fig. 6.

Fig. 8 ist eine Ansicht, die den Aufsatz zeigt, der auf den Gleitoberflächen des Ven­ tilkörpers und des Ventilsitzes des Ausführungsbeispiels geformt ist.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Wassermischhahns, der in Funktionstest verwendet wurde.

Das gesinterte Keramikmaterial nach dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Mischung aus einem oxydischen Keramikmaterial als Haupt­ komponente und einem Anti-Reibungsmittel. Das verwendete oxydische Keramikmaterial kann Aluminiumoxyd oder Zirkonoxyd sein. Das derart hergestellte, gesinterte Keramikma­ terial bleibt in Wasser für eine lange Zeit sehr wasserfest und besitzt auch eine hohe Abnut­ zungsfestigkeit.

Das Anti-Reibungsmittel kann Eisen, Nickel, Kobalt oder ihre Oxyde, Nitride oder Karbide sein. Es ist in dem gesinterten Keramikmaterial verteilt oder in der Form einer festen Lösung zwischen den oxydischen Keramikteilchen vorhanden. Auch wenn seine exakte Struktur nicht bekannt ist, verringert es den Abnutzungswiderstand an der Ober­ fläche des gesinterten Keramikmaterials, wenn es in Verbindung mit Wasser verwendet wird. Dessen Gleitlebensdauer und weitere Gleiteigenschaften werden somit verbessert.

Im Falle eines gesinterten Aluminiumoxyd-Keramikmaterials, bei dem das oxydi­ sche Keramikmaterial Aluminiumoxyd ist und das Anti-Reibungsmittel Eisen oder Eisen­ oxyd ist, wird das Eisenoxyd (wahrscheinlich Fe₂O₃) während des Sinterns in der Form einer festen Lösung an die Aluminiumoxydteilchen (Al₂O₃) gebunden. Dies erhöht die Dichte des gesinterten Keramikmaterials. Wenn sie mit Wasser in Berührung gebracht wird, erzeugt die feste Aluminiumoxydlösung (α-Al₂O₃) ein Hydroxyd, das die Bindung mit einem Wasserfilm erhöht, wodurch der Reibungskoeffizient verringert wird, wenn die gesinterte Keramik gleitet.

Es ist außerdem möglich, den Reibungskoeffizienten im Kontakt mit Wasser zu verringern, wenn minimale Teilchen aus Eisen, Nickel oder Kobalt in dem gesinterten Kera­ mikmaterial verteilt sind.

Der Anteil eines solchen Anti-Reibungsmittels liegt vorzugsweise bei 1-30% (im folgenden bedeutet % Gewichtsprozent) in dem gesinterten Keramikmaterial. Wenn er niedriger als 1% ist, nimmt der Reibungskoeffizient nicht in ausreichendem Maße ab. Wenn er höher als 30% ist, nimmt die Festigkeit der gesinterten Keramik ab.

Um ein solches gesintertes Keramikmaterial aus einer Mischung aus einer oxydi­ schen Keramik und einem Anti-Reibungsmittel wie oben erwähnt herzustellen, wird die Pulvermischung zu einer gewünschten Form preßgeformt und bei einer hohen Temperatur gesintert. Nach dem Abkühlen des gesinterten Keramikmaterials, wird seine Gleitoberfläche durch Abschleifen bearbeitet, um ein Gleitelement zu erzeugen. Um die Dichte des ges­ interten Keramikmaterials zu erhöhen, kann ein Sinterzusatz in geringer Menge zugefügt werden. Für ein Aluminiumoxyd-Keramikmaterial umfassen bevorzugte Sinterzusätze Siliziumoxyd (SiO₂), Natriumoxyd, Kalziumoxyd (CaO) und Magnesiumoxyd (MgO). Für ein Zirkonoxyd-Keramikmaterial kann Yttriumoxyd (Y₂O₃) oder Magnesiumoxyd (MgO) als Sinterzusatz verwendet werden.

Das gesinterte Keramikmaterial nach dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine feste, einphasige α-Al₂O₃-Lösung, die durch Formen einer Mischung aus Aluminiumoxydpulver als oxydisches Keramikmaterial und Eisen oder seines Oxyds in eine gewünschte Form und anschließendes Sintern in Atmosphäre erhalten wird.

Das Eisen oder seine Oxyde wird geschmolzen oder wandelt sich in eine feste Lö­ sung in einem oxydierten Zustand in der Aluminiumoxydmatrix um, wenn es in einer oxy­ dierenden Atmosphäre erhitzt wird. Das gesinterte Keramikmaterial ist nach dem Abkühlen im wesentlichen vollständig einphasiges α-Al₂O₃, so daß es eine hohe Korrosionsfestigkeit in kaltem oder heißem Wasser, in sauren oder basischen Lösungen zeigt.

Eisenoxyd (Fe₂O₃) wird für Eisen oder seine Oxyde bevorzugt. Sein Anteil wird so bestimmt, daß die gesinterte Keramik eine einzige Phase von α-Al₂O₃ aufweist, und beträgt vorzugsweise 0,5-18% für Fe₂O₃ in dem gesinterten Keramikmaterial. Wenn der Anteil geringer als 0,5% ist, kann die feste α-Al₂O₃-Lösung kaum die Korrosionsfestigkeit ver­ bessern. Wenn er größer als 18% ist, wandelt sich das Eisenoxyd nicht vollständig in eine feste Lösung um, so daß das verbleibende Eisenoxyd eluiert, was die Korrosionsfestigkeit verringert.

Es ist möglich, zu bestimmen, ob gesintertes Material im wesentlichen vollständig aus einer festen, einphasigen α-Al₂O₃-Lösung besteht oder nicht, indem man ein derartiges, gesintertes Material einem Röntgenstrahlbeugungstest unterwirft. Wenn in dem Beugungs­ diagramm kein Peak für metallisches Eisen oder für Eisenoxyd vorhanden ist, besitzt dieses gesinterte Material die oben erwähnte, einphasige Struktur. Dieses Verfähren ist daher praktikabel.

Eisen oder seine Oxide dienen als Sinterzusatz für Aluminiumoxyd. Das bedeutet, daß, während Aluminiumoxyd allein bei 1600°C oder mehr gesintert werden kann, es bei einer niedrigeren Temperatur von etwa 1500°C zu einer ausreichend hohen Dichte gesintert werden kann, wenn ein Eisenoxyd zugesetzt wird. Da außerdem sowohl seine flüssige Phase als auch seine feste Phase gesintert werden, nimmt die Festigkeit des gesinterten Materials zu. Da darüber hinaus das Material in Atmosphäre gesintert wird, sind die Sinter­ schritte einfach und können mit geringen Kosten ausgeführt werden.

Eisen oder seine Oxyde, das mit Aluminiumoxyd verwendet wird, dient als Anti- Reibungsmittel. Daher kann das gesinterte Aluminiumoxydmaterial als Gleitelement ver­ wendet werden, das in Wasser verwendet wird oder sonstwie mit Wasser in Kontakt ge­ bracht wird. Das bedeutet, daß das gesinterte Aluminiumoxyd-Keramikmaterial nach dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung als Gleitelement mit einer hohen Korro­ sionsbeständigkeit in sauren, basischen oder anderen korrosiven Lösungen verwendet wer­ den kann.

Das selbst-schmierende keramische Material, das für eine Scheibenventilanordnung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein Material, das eine Matrix aus oxydischer Keramik umfaßt, wie etwa Aluminiumoxyd, in der sehr kleine Metallteilchen aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihre Oxyde, Nitride oder Karbide verteilt sind. Das heißt, daß das gesinterte Keramikmaterial nach dem ersten oder zweiten Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung verwendet wird.

In dieser Erfindung verwendete oxydische Keramiken umfassen Aluminiumoxyd (Al₂O₃), Mullit (der 3 Al₂O₃, 2SiO₂-2Al₂O₃, SiO₂, FeIII, Ti umfassen kann) und Zirkon (ZrO₂). Das bedeutet, daß die gleichen oxydischen Keramiken wie bei den ersten und zwei­ ten Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ihre Reinheit, Form und ihre Teilchendurchmesser sind nicht beschränkt.

Damit das oxydische Keramikmaterial beim Sintern eine höhere Dichte erhält, sollte seine Teilchendurchmesserverteilung so groß wie möglich sein. Auf der anderen Seite sollte für eine höhere Temperaturschockfestigkeit seine mittlere Teilchendurchmesserverteilung so klein wie möglich sein. Daher sollte der mittlere Teilchendurchmesser vorzugsweise 3 µm oder weniger sein.

Das verwendete Anti-Reibungsmittel liegt, wie oben erklärt, in der Form sehr klei­ ner Teilchen aus Eisen, Nickel, Kobalt oder ihrer Oxyde, Nitride oder Karbide vor. Ihre Form und ihr Durchmesser sind nicht beschränkt.

Das Anti-Reibungsmittel sollte mit einem Anteil von 1-30 Gewichtsprozent des keramischen Oxyds, das die Hauptkomponente ist, beigefügt werden. Wenn er geringer als 1 Gewichtsprozent ist, ist es nicht möglich, den Reibungskoeffizienten des gesinterten Ma­ terials ausreichend zu verringern. Wenn er über 30 Gewichtsprozent liegt, nimmt die Fe­ stigkeit des gesinterten Materials ab.

Um ein keramisches Element (gesintertes Element) aus einer Pulvermischung der oben erwähnten, oxydischen Keramik und des oben erwähnten Anti-Reibungsmittels zu formen, wird die Pulvermischung durch Preßformen in die Form eines Ventilkörpers oder Ventilsitzes geformt. Das gepreßte Pulver wird dann bei hoher Temperatur gesintert und nach dem Abkühlen wird darauf eine Gleitoberfläche durch Schleifen geformt.

Wie oben erwähnt, kann ein Sinterzusatz mit einem Anteil von 0,5-5 Gewichts­ prozent pro 100 Gewichtsprozent der selbst-schmierenden Keramik dem Pulver beige­ mengt werden, um die Dichte des gesinterten Elements zu erhöhen.

Sowohl der Ventilsitz als auch der Ventilkörper sollten eine Gleitoberfläche besit­ zen, die mit einem Aufsatz versehen ist, der sich glatt um 0,1-1 µm über den Rand der Gleitoberfläche erhebt, so daß die Summe der Aufsätze auf dem Ventilsitz und dem Ventil­ körper nicht höher als 1,6 µm ist. Dies wird deswegen gemacht, weil ein Aufsatz von einer geringeren Höhe als 0,1 µm zum Teil unter dem Einfluß der Oberflächenrauhigkeit (unge­ fähr Ra 0,01-0,05 µm) die Reibung nicht in ausreichendem Maße verringern kann. Wenn einer der Aufsätze höher als 1 µm ist, wird die Kontaktfläche zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz zu gering, um ein Wasserlecken in ausreichendem Maße zu verhindern.

Wenn die Summe der Höhen der beiden Aufsätze 1,6 µm übersteigt, nimmt die Möglichkeit von Wasserlecken zu, auch wenn die Höhe der jeweiligen Aufsätze in dem oben festgelegten Bereich liegt. Auch neigt die Kraft, die zum Bedienen des Ventils not­ wendig ist (die im wesentlichen gleich der Kraft ist, die zum Bedienen des Hebels notwen­ dig ist), dazu, in solchen Maße abzunehmen, daß der Ventilkörper durch eine sehr geringe äußere Kraft oder sogar durch das Gewichts des Hebels selbst bewegt wird. Dies bewirkt eine Zunahme oder Abnahme der Durchflußrate oder ein Öffnen oder Schließen des Hahns gegen den Willen des Benutzers.

Ein Ausführungsbeispiel der Scheibenventilanordnung nach der vorliegenden Erfin­ dung wird hiernach unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Die in den Fig. 6 und 7 gezeigte Scheibenventilanordnung umfaßt eine Boden­ platte 2, die am Boden eines Ventilgehäuses 1 angeordnet ist und zwei Einlaßlöcher 3 und 4 besitzt (nur eines ist gezeigt), in die ringförmige Dichtungen 3a und 4a (nur eine ist ge­ zeigt) eingesetzt sind. Ein Ventilsitz 5 ist über der Bodenplatte 2 angeordnet. Er besitzt zwei Ventillöcher 6 und 7 (nur eines ist gezeigt), die mit den Einlaßlöchern 3 beziehungs­ weise 4 in Verbindung stehen. Ein Ventilkörper 8 ist gleitend auf dem Ventilsitz 5 angeord­ net. Der Ventilkörper 8 trägt drehbar über einen gleitenden Dichtungsring 9 und einen O-Ring 10 einen Hebelhalter 11.

Mit dem Hebelhalter 11 ist das untere Ende einer Hebelstange 13 verbunden, die von einem Stift 12 getragen wird. Durch Drehen der Hebelstange 13 nach oben und unten oder nach rechts oder links durch Bewegen eines Hebels 14 gleitet der Ventilkörper 8 auf dem Ventilsitz 5, so daß der Grad der Öffnung der Ventillöcher 6 und 7 geändert wird.

Der Ventilkörper 8 besitzt zwei Wasserdurchgänge 5a und 5b, die durch Ausschnei­ den des Ventilkörpers 8 entlang seiner unteren Kante geformt werden. Heißes Wasser und kaltes Wasser, das durch Zuleitungsrohre in die Ventillöcher 6 und 7 geführt wird, fließt in die jeweiligen Durchgänge 5a und 5b und dann durch Öffnen der Ventillöcher in die Was­ sermischkammer 15. Warmes Wasser, das eine Mischung aus heißem und kaltem Wasser ist, das von den Ventillöchern zugeführt wird, wird dann zu dem nicht gezeigten Ausgang eines Wasserhahns geführt.

Beispiel 1

Gesinterte Aluminiumoxyd-Keramikelemente sind als Beispiele gezeigt. Als Anti- Reibungselement wurde mit 0-30 Gewichtsprozent metallisches Eisenpulver, Eisenoxyd­ pulver (Fe₂O₃) oder ein metallisches Nickelpulver (jedes der drei Materialien besaß einen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger) Aluminiumoxydpulver beigemengt. Jede Materialmischung wurde in die Form eines Zylinders (43 mm Außendurchmesser, 8 mm Innendurchmesser und 7 mm Höhe) preßgeformt. Die solcherart hergestellten zylindrischen Elemente wurden in einem Ofen bei 1500-1600°C zwei Stunden lang gesintert.

Die Endoberflächen der solcherart gesinterten zylindrischen Elemente wurden spie­ gelglatt poliert, so daß die Oberflächenrauhigkeit Ra 0,05-0,1 µm betrug. Die solcherart behandelten zylindrischen Elemente wurden einem Reibungsabnutzungstest unterworfen.

Von diesen zylindrischen Elementen wurden einige von denen, die Eisenpulver enthielten, in Atmosphäre gesintert, während andere in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wurden.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wurde der Reibungsabnutzungstest durch Befestigen jedes zylindrischen Elements 24 an einem Halteelement 23 eines Reibungstesters, so daß seine Endfläche (die Gleitoberfläche) 40 ein obere Oberfläche 30 einer Drehscheibe 22 berührte, die an einem Drehschaft 21 befestigt war, und durch Drehen des Drehschafts 21 mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min ohne Schmierung mit einer konstanten Last (0,39 Mpa in Einheiten eines Kontaktoberflächendrucks) zwischen dem Halteelement 23 und dem Dreh­ schaft 21 durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten in einem nicht geschmierten (trocke­ nen) Zustand zu messen.

Die Drehscheibe 22 bestand aus gesintertem Aluminiumoxyd mit einer ebenso wie die Gleitoberfläche 40 jedes Elements 24 spiegelglatt polierten oberen Oberfläche (Gleit­ oberfläche) 30.

Wie in Fig. 3 zu sehen, wurde ein Wasserbehälter 25 wasserdicht um den Dreh­ schaft 21 herum montiert, so daß Wasser 26 in dem Behälter 25 in Kontakt mit der Gleit­ oberfläche 30 der Drehscheibe 22, die an dem Drehschaft montiert ist und von einem Lager 27 getragen wird, und der Gleitoberfläche 40 des zylindrischen Elements 24 kommt. In diesem Zustand wurde der Drehschaft 21 gedreht, um den Reibungskoeffizienten in einem wasser-geschmierten Zustand zu messen.

Die Ergebnisse der Reibungstests sind in den Fig. 1 und 2 in der Form der Be­ ziehung zwischen dem Anteil des Anti-Reibungsmittels in dem gesinterten Keramikelement und dem Reibungskoeffizienten gezeigt. Der Reibungskoeffizient im trockenen Zustand ändert sich wenig mit dem Anteil des Anti-Reibungsmittels. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, zeigten die Elemente mit 0% des Anti-Reibungsmittels im wesentlichen den glei­ chen Reibungskoeffizienten in einem wasser-geschmierten Zustand und in einem trockenen Zustand, obwohl sie unter den gleichen Bedingungen wie die Elemente mit Eisenpulver­ anteil gesintert wurden. Dies zeigt, daß die Wasserschmierung allein nicht den Reibungs­ koeffizienten erniedrigen kann.

Wie in Fig. 2 gezeigt, nahm der Reibungskoeffizient dramatisch ab, wenn ein Ele­ ment, das 5% oder mehr bis zu 30% des Anti-Reibungsmittels enthielt, mit Wasser ge­ schmiert wurde. Es gab keinen großen Unterschied in dem Reibungskoeffizienten zwischen Elementen mit metallischem Eisen, denen mit metallischem Nickel und denen mit Eisen­ oxyd. Der Unterschied zwischen einer oxydierenden und reduzierenden Atmosphäre in dem Sinterofen hatte ebenfalls keinen merklichen Einfluß auf den Reibungskoeffizienten.

Beispiel 2

Korrosionsfeste, gesinterte Aluminiumoxydelemente werden in diesem Beispiel gezeigt.

Aluminiumoxydpulver und Eisenoxydpulver (Fe₂O₃) wurden in den in Tabelle 1 gezeigten Verhältnissen gemischt. Die so erstellten Materialmischungen wurden in einer Tiegelmühle pulverisiert, so daß der mittlere Teilchendurchmesser 2,0 µm oder weniger betrug. Die pulverisierten Materialmischungen wurden dann durch Beifügung eines organi­ schen Binders in Pellets geformt. Testelemente mit 20 mm im Durchmesser und 10 mm Länge wurden aus diesen Pellets geformt. Unmittelbar nach ihrem Entfetten durch Brennen bei 600°C in Luft wurden sie bei 1500°C für zwei Stunden an der Atmosphäre gebrannt. Dieses Brennverfahren war ein herkömmliches Verfahren.

Jedes Testelement wurde auf seine Korrosionsbeständigkeit in einer 5N-Salzsäure­ lösung und in einer 5N-Natronlaugenlösung und in Wasser getestet. Es wurde keine merk­ liche Änderung in einem der Testelemente über einen langen Zeitraum festgestellt, wenn diese in den obigen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur eingetaucht waren. So waren sie in diesen Flüssigkeiten drei Tage lang eingetaucht, wobei ihre Temperatur in einem Autoklav bei 120°C lag. Der Gewichtsverlust jedes Elements auf Grund von Korrosion wurde ge­ messen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die gesinterten Aluminiumoxydelemente mit 1- 10% Fe₂O₃ eine höhere Korrosionsfestigkeit als die reinen, gesinterten Aluminiumoxyd­ elemente besaßen und daß die Beimengung von 20% Fe₂O₃ die Korrosionsfestigkeit ins­ besondere gegenüber Salzsäure verringert.

Testelemente (die Testelemente 2-5) wurden einem Röntgenstrahlbeugungstest unterworfen. Das Beugungsdiagramm ist in Fig. 4 gezeigt. Beugungen von Fe₂O₃-Kristal­ len wurden in dem gesinterten Al₂O₃-Fe₂O₃ mit 20% Fe₂O₃ beobachtet. Diese Tatsache zeigt, daß diese Elemente praktisch aus einer einzigen Phase aus α-Al₂O₃ bestanden. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen Oberflächen (104) der α-Al₂O₃-Phase, wie sie durch Messung der Röntgenstrahlbeugung erhalten wurde, und dem Anteil an Fe₂O₃. Mit einer Zunahme des Fe₂O₃-Anteils auf 20% nimmt der Oberflächenabstand (104) zu. Aber in dem Bereich, in der Fe₂O₃-Anteil größer als 20% ist, ist der Oberflächenabstand konstant. Diese Tatsache zeigt, daß, wenn der Anteil an Fe₂O₃ 18% oder weniger beträgt, zugefügtes Fe₂O₃ vollständig in der α-Al₂O₃-Phase in der Form einer festen Lösung schmilzt, daß aber, wenn der Anteil 20% oder mehr ist, ein Teil des Fe₂O₃ in der Form einer Fe₂O₃-Phase ungeschmolzen bleibt. Diese Änderungen in der Kristallstruktur ent­ sprechen dem Korrosionsverhalten der gesinterten Aluminiumoxydelemente gegenüber Salzsäure.

Beispiele 3, 4 und 13 und Vergleichsbeispiele 1, 5 und 6

Ein Material, das durch Mischen aus 4 Gewichtsteilen Siliziumoxyd, 1 Gewichtsteil Magnesiumoxyd und 1 Gewichtsteil Kalziumoxyd als Sinterzusatze in 90 Gewichtsteile Aluminiumoxydpulver und 10 Gewichtsteile Eisenpulver (insgesamt 100 Teile) erhalten wurde, wurde im trockenen Zustand in Pellets geformt. Das solcherart in Pellets geformte Element wurde als Ventilkörper in die Form einer Scheibe (mit der in den Fig. 6 und 7A gezeigten Form) oder als Ventilsitz in die Form einer Scheibe (mit der in den Fig. 6 und 7B gezeigten Form) preßgeformt. Das solcherart geformte, scheibenförmige Element wurde in einem Atmosphärenofen bei 1600°C für 2 Stunden gebrannt, um einen scheiben­ förmigen Ventilkörper mit einem Durchmesser von 29,1 mm und 9,6 mm Dicke oder einen scheibenförmigen Ventilsitz mit einem Durchmesser von 35,4 mm und 4,0 mm Dicke zu erhalten.

Beispiele 5-8, 14 und 15 und Vergleichsbeispiele 2, 7 und 8

Ein Material, das durch Mischen aus 4 Gewichtsteilen Siliziumoxyd, 1 Gewichtsteil Magnesiumoxyd und 1 Gewichtsteil Kalziumoxyd als Sinterzusätze in 95 Gewichtsteile Aluminiumoxydpulver und 5 Gewichtsteile Eisenoxydpulver (insgesamt 100 Teile) erhalten wurde, wurde im trockenen Zustand in Pellets geformt. Das solcherart in Pellets geformte Element wurde in die Form eines scheibenförmigen Elements als Ventilkörper oder als Ventilsitz mit derselben Größe wie das obige scheibenförmige Element preßgeformt. Das solcherart geformte, scheibenförmige Element wurde in einem Atmosphärenofen bei 1600°C für 2 Stunden gebrannt, um einen scheibenförmigen Ventilkörper oder einen schei­ benförmigen Ventilsitz mit denselben Dimensionen wie den obigen Ventilkörper oder Ven­ tilsitz zu erhalten.

Beispiele 12 und 18 und Vergleichsbeispiel 4

Ein Material, das durch Mischen aus 4 Gewichtsteilen Siliziumoxyd, 1 Gewichtsteil Magnesiumoxyd und 1 Gewichtsteil Kalziumoxyd als Sinterzusätze in 80 Gewichtsteile Aluminiumoxydpulver und 20 Gewichtsteile Nickelpulver (insgesamt 100 Teile) erhalten wurde, wurde im trockenen Zustand in Pellets geformt. Das solcherart in Pellets geformte Element wurde in die Form eines scheibenförmigen Elements als Ventilkörper oder als Ventilsitz mit derselben Größe wie das obige scheibenförmige Element preßgeformt. Das solcherart geformte, scheibenförmige Element wurde in einem Atmosphärenofen bei 1600°C für 2 Stunden gebrannt, um einen scheibenförmigen Ventilkörper oder einen schei­ benförmigen Ventilsitz mit denselben Dimensionen wie den obigen Ventilkörper oder Ven­ tilsitz zu erhalten.

Vergleichsbeispiel 10

Ein Material, das durch Mischen aus 2 Gewichtsteilen B₄C als Sinterzusatz in 100 Gewichtsteile Siliziumkarbid erhalten wurde, wurde im trockenen Zustand in Pellets ge­ formt. Das solcherart in Pellets geformte Element wurde in die Form eines scheibenförmi­ gen Elements als Ventilkörper oder als Ventilsitz mit derselben Größe wie das obige schei­ benförmige Element preßgeformt. Das solcherart geformte, scheibenförmige Element wur­ de in einer Stickstoffatmosphäre bei 2100°C für eine Stunde gebrannt, um einen scheiben­ förmigen Ventilkörper aus porösem Siliziumkarbid mit denselben Dimensionen wie den obigen Ventilkörper zu erhalten. Dann wurden Aufsätze mit den in Tabelle 2 gezeigten Höhen auf den Gleitoberflächen des Ventilkörpers und des Ventilsitzes durch Läppen der Gleitoberflächen mit einer Oberflächenplatten-Läppmaschine erzeugt. Der Ventilkörper und der Ventilsitz wurden dann mit Silikonöl imprägniert.

Als Ventilkörper und Ventilsitze zur Verwendung in Verbindung mit den in den oben beschriebenen Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellten Ventilkörpern und Ventilsitzen oder als Ventilkörper oder Ventilsitze zur Verwendung in den Vergleichsbei­ spielen 5 und 6 wurden Ventilkörper und Ventilsitze aus Aluminiumoxyd hergestellt. Ins­ besondere wurde ein Material, das durch Mischen aus 4 Gewichtsteilen Siliziumoxyd und 1 Gewichtsteil Magnesiumoxyd als Sinterzusätze in 100 Gewichtsteile Aluminiumoxydpul­ ver erhalten wurde, im trockenen Zustand in Pellets geformt. Das solcherart in Pellets geformte Element wurde in die Form eines scheibenförmigen Elements als Ventilkörper oder als Ventilsitz mit derselben Größe wie das obige scheibenförmige Element preßge­ formt. Das solcherart geformte, scheibenförmige Element wurde in einem Atmosphären­ ofen bei 1600°C für 2 Stunden gebrannt, um einen scheibenförmigen Ventilkörper oder einen scheibenförmigen Ventilsitz mit denselben Dimensionen wie den obigen Ventilkörper oder Ventilsitz zu erhalten.

Dann wurden die Gleitoberflächen der solcherart erhaltenen Ventilkörper und Ven­ tilsitze mit einer Läppmaschine poliert, um Aufsätze zu erhalten, die glatt von dem äußeren Rand aufragen und Höhen d1 und d2 besitzen (in Fig. 8 gezeigt). Ihre Oberflächenrauhig­ keit wurde mit einem Oberflächenrauhigkeitstester (hergestellt von RANK TAYLOR HOBSON: TALYSURF-6) gemessen. Das Ergebnis der Messung ist in Tabelle 2 gezeigt. Ihre Oberflächenrauhigkeit lag im Bereich von 0,01 bis 0,05 µm.

Die solcherart erhaltenen Ventilkörper und Ventilsitze wurden, wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, kombiniert, und jedes Paar wurde in der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Scheibenventilanordnung montiert (Einhebel-Wassermischbatterie KM 300N hergestellt von KVK Co.).

Die Ventilkörper und Ventilsitze, die in der Scheibenventilanordnung montiert waren, wurden Funktions/Haltbartests unterworfen, um ihre Wasserdichtigkeit und die Bedienbarkeit des Hebels zu bestimmen. Die Testergebnisse sind in den Tabellen 4 und 5 gezeigt.

Funktions-/Haltbarkeitstests

Vor dem Haltbarkeitstest wurden die Anfangs-Wasserdichtigkeit und die Anfangs- Hebelbedienbarkeit (Hebeldrehmoment) bestimmt.

Die Wasserdichtigkeit wurde durch Messen des Abfalls des Wasserdrucks (kgf/cm²) auf Grund von Wasserlecken nach dem Anlegen eines Wasserdrucks von 17,5 kgf/cm² für 30 Sekunden mit einer Pumpe, während der Hebel in der unteren, mittleren Position (in der die Wasserzufuhr abgeschnitten ist) gehalten wurde, bestimmt. Wenn der Druckabfall ge­ ringer als 0,3 kgf/cm² betrug, wurde die Wasserhaltequalität des Ventils als annehmbar beurteilt.

In dem Hebeldrehmomenttest wurde das Drehmoment, das zum Bewegen des He­ bels nach oben und nach unten (zum Einstellen des Wasserflusses von null auf maximal) und nach rechts und nach links (zum Einstellen der Wassertemperatur) benötigt wird, unter Verwendung eine Drehmomenttesters (DFG-2K, hergestellt von Simpo Kogyo) gemessen. Wenn das Drehmoment in dem Bereich von 400 bis 800 gf lag, wurde die Ventilanordnung als annehmbar beurteilt. Wenn das Drehmoment geringer als 400 gf ist, kann sich der Hebel auf Grund der Schwerkraft spontan nach unten bewegen. Wenn das Drehmoment größer als 800 gf ist, ist es schwierig, den Hebel glatt zu bewegen.

Der Hebel jeder Ventilanordnung, die in dem Anfangstest verwendet wurde, wurde mit einem Haltbarkeitstester (hergestellt von NTN Engineering Plastics Corporation) ver­ bunden und, wie in Fig. 9 gezeigt von der oberen, rechten Position Ru (Wasserzufuhr unterbrochen) zur unteren, rechten Position Rd (Kaltwasserzufuhr), dann zur unteren, linken Position Ld (kochendes Wasser 90°C), zur oberen, linken Position Lu (Wasser­ zufuhr unterbrochen), zur unteren, linken Position Ld, zu unteren, mittleren Position Cd (heißes Wasser 45°C), zur oberen, mittleren Position Cu (Wasserzufuhr unterbrochen), zur unteren, mittleren Position Cd (heißes Wasser 45°C), zur unteren, rechten Position Rd (kaltes Wasser) und zur oberen, rechten Position Ru (Wasserzufuhr unterbrochen) bewegt. Dieser Zyklus (der etwa 25 Sekunden dauerte) wurde viele Male wiederholt. Nach dem 200.000. Zyklus wurde die Wasserdichtigkeit und die Bedienbarkeit der Ventilanordnung erneut bestimmt.

Wie aus den Tabellen 4 und 5 ersichtlich ist, erreichen die Beispiele 3-18, die alle Erfordernisse erfüllen, gute Ergebnisse in der Wasserdichtigkeit und in der Bedienbarkeit des Hebels in den Anfangs-Funktionstests. Die Ergebnisse des Haltbarkeitstests waren ebenfalls gut. Das heißt, daß nach einem Haltbarkeitstest mit 200.000 Zyklen der Abfall des Wasserdrucks nur 0,3 kgf/cm² oder weniger war und daß die Hebelbedienbarkeit hoch war, daß also das Hebeldrehmoment im Bereich von 400-800 gf lag.

Im Gegensatz dazu war in den Vergleichsbeispielen 2, 3, 4 und 8, in denen die Aufsätze, die auf die Gleitoberflächen des Ventilkörpers und des Ventilsitzes geformt wa­ ren, beide höher als der vorgeschriebene Bereich waren, die Wasserdichtigkeit schlecht, auch wenn die Hebelbedienbarkeit gut war.

In den Vergleichsbeispielen 1, 2, 4, 7 und 9, in denen die Gesamthöhe der Aufsätze auf dem Ventilkörper und dem Ventilsitz 1,6 µm überstieg, war die Wasserdichtigkeit schlecht, auch wenn die Hebelbedienbarkeit gut war.

In den Vergleichsbeispielen 5 und 6, in denen sowohl der Ventilsitz als auch der Ventilkörper nicht aus einer selbst-schmierenden Keramik sondern aus Aluminiumoxyd bestanden, war die Haltbarkeit schlecht, obwohl die Gleitoberflächen die vorgeschriebenen Formen und Höhen besaßen. In der Tat mußten die Haltbarkeitstests für diese Vergleichs­ beispiele wegen Klemmens nach einem Testzyklus von 5.000 abgebrochen werden.

Das Vergleichsbeispiel 10, das aus mit Silikonöl imprägniertem Siliziumkarbid bestand, zeigte eine schlechte Wasserdichtigkeit, eine schlechte Hebelbedienbarkeit und eine schlechte Haltbarkeit.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Claims (11)

1. Gesintertes Keramikmaterial, das hohe Gleiteigenschaften bei Schmierung mit Wasser zeigt, wobei das gesinterte Keramikmaterial durch Sintern eines Materials aus oxydischem Keramikmaterial und wenigstens einem Anti-Reibungsmittel geformt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht.

2. Gesintertes Keramikmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Anti-Reibungsmittels 1-30 Gewichtsprozent beträgt.

3. Korrosionsfestes, gesintertes Keramikmaterial, das durch Sintern in Atmosphäre einer Mischung als Aluminiumoxydpulver und Eisen oder seines Oxyds hergestellt wird.

4. Korrosionsfestes, gesintertes Keramikmaterial in der Form einer einphasigen, festen α-Al₂O₃-Lösung, wobei das gesinterte Keramikmaterial durch Sintern in Atmo­ sphäre einer Mischung aus Aluminiumoxydpulver und von Eisen oder seinen Oxyden erhal­ ten wird.

5. Gesintertes Keramikmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Eisens oder seines Oxyds 0,5 - 18 Gewichtsprozent ausgedrückt durch den Fe₂O₃-Anteil in dem gesinterten Keramikmaterial beträgt und daß es gute Gleiteigenschaf­ ten und eine hohe Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen bei einer Schmierung mit Wasser zeigt.

6. Scheibenventilanordnung mit einem Ventilsitz (5), der mit Ventillöchern (6, 7) geformt ist, und einem Ventilkörper (8), der in gleitendem Kontakt mit dem Ventilsitz (5) ist, um die Ventillöcher (6, 7) zu öffnen und zu schließen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Ventilsitz (5) oder der Ventilkörper (8) aus einem selbst-schmieren­ den Keramikmaterial mit einer oxydischen Keramik als Hauptkomponente und wenigstens einem Anti-Reibungsmittel besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht.

7. Scheibenventilanordnung mit einem Ventilsitz (5), der mit Ventillöchern (6, 7) geformt ist, und einem Ventilkörper (8), der in gleitendem Kontakt mit dem Ventilsitz (5) ist, um die Ventillöcher (6, 7) zu öffnen und zu schließen, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Ventilsitz (5) oder der Ventilkörper (8) aus einem selbst-schmieren­ den Keramikmaterial mit einer oxydischen Keramik als Hauptkomponente und wenigstens einem Anti-Reibungsmittel besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen, Nickel, Kobalt und ihren Oxyden, Nitriden und Karbiden besteht und daß der andere von dem Ventilsitz oder Ventilkörper aus einem Aluminiumoxyd-Keramikmaterial besteht.

8. Scheibenventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (5) oder der Ventilkörper (8) eine kleinere Gleitkontaktfläche als der andere des Ventilsitzes oder des Ventilkörpers besitzt.

9. Scheibenventilanordnung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydische Keramik eine Aluminiumoxydkeramik ist.

10. Scheibenventilanordnung nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilsitz (5) und der Ventilkörper (8) Gleitoberflächen besitzen, die in glei­ tendem Kontakt miteinander gehalten werden, wobei jede Gleitoberfläche mit einem konve­ xen Aufsatz geformt ist, der glatt über die äußere Kante jeder Gleitoberfläche bis zu einer Höhe von 0,1-1 µm in seiner Mitte ragt, wobei die Summe der Höhen der Aufsätze auf den gleitenden Oberflächen nicht größer als 1,6 µm ist.

11. Scheibenventilanordnung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeich­ net, daß der auf der Gleitoberfläche des Ventilsitzes geformte Aufsatz eine kontinuierliche Oberfläche ohne Ausschnitte oder Öffnungen in ihrem zentralen Bereich besitzt.