DESCRIPTION
La présente invention conceme des éléments d'étanchéité où l'étanchéité est assurée par un finissage précis des éléments d'étanchéité. Ces éléments d'étanchéité sont mobiles et en contact mutuel direct, sans joint souple interposé.
Les plaquettes en matériau dur utilisées pour régler le débit de fluide dans les robinets sont habituellement faites en oxyde ou en silicates d'aluminium frittés et elles sont soumises à une opération de finissage jusqu'à réfléchir la lumière, leur rugosité étant à ce moment de 0,2 à 0,4 micromètres. Ce traitement de surface précis permet d'employer ces plaquettes pour régler efficacement le débit de l'eau. En outre, du fait de leur dureté qui est de l'ordre de 23 000 N/mm, elles ont une grande durabilité et elles peuvent résister à des matériaux étrangers, même lorsqu'ils sont durs comme par exemple les grains de sable qui viennent en contact avec elles sans les endommager.
Cependant, du fait de leur usinage très précis et de l'absence de lubrification, ces plaquettes ont tendance à coller ensemble, provoquant ainsi une augmentation importante de leur friction en glissement - qui est supérieure à celle normalement prévisible d'après le coefficient de friction de ce matériau, déjà élevé (environ 0,12). Pour assurer un fonctionnement sans à-coups des robinets ayant de telles plaquettes en matériau dur, celles-ci sont enduites d'une fine couche de graisse de silicone qui réduit la friction en glissement. Cependant, avec le temps et le frottement mutuel des plaquettes, cette graisse est graduellement expulsée et la friction augmente jusqu'à atteindre des valeurs inacceptables. Dans des cas extrêmes, le robinet peut se bloquer.
Des tentatives ont été faites pour réaliser ces plaquettes en matériau dur en utilisant du carbure de tungstène, mais les coûts de production et de traitement ce sont avérés prohibitifs. On a également proposé de fabriquer les paires de plaquettes pour les robinets en un matériau constitué de carbure de silicium (SiC), le même matériau servant à réaliser les deux petites plaques. Le carbure de silicium est connu sous différentes formes cristallines, il a une dureté située entre 28 000 et 35 000 N/mm et un coefficient de friction proche de 0,05, qui est donc meilleur que celui des matériaux normalement utilisés pour cette application. D'autre part, ce matériau diminue la tendance à l'adhésion entre des surfaces à finissage poussé, si bien qu'au début, on a une réduction dans certaines limites de la friction entre les plaques de réglage du débit qui coopèrent dans le robinet.
Cependant, il a été trouvé qu'en usage prolongé, la friction entre les plaquettes faites en carbure de silicium avec de telles caractéristiques augmentait considérablementjusqu'à atteindre des valeurs inacceptables.
On a également proposé de réaliser une paire de plaquettes pour le réglage du fluide dans un robinet en un matériau dur ayant diverses caractéristiques, mais où au moins une des plaquettes est faite en carbure de silicium (SiC). Les deux plaquettes peuvent différer quant à leur degré de dureté et/ou le fini de leur surface. Avec ce procédé, on peut obtenir une réduction considérable dans la friction entre les plaquettes de matériau dur. Enfin, on a proposé de réaliser une paire d'éléments d'étanchéité où les deux éléments sont faits en un matériau au moins modérément dur d'un type susceptible de subir un finissage précis, où au moins un des éléments est couvert d'une fine couche de matériau d'une dureté plus élevée déposée en phase gazeuse par un procédé physique ou chimique et où les surfaces des deux éléments qui coopèrent sont de nature différente et ont un fini différent.
Cependant il a également été trouvé que, lorsque les éléments d'étanchéité étaient exposés pendant un certain temps à la chaleur, leur coefficient de friction augmentait d'une manière importantejusqu'à atteindre des valeurs de friction lors de la séparation initiale qui étaient inacceptables.
Des exigences similaires à celles mentionnées pour les plaquettes de réglage du débit des robinets peuvent également se rencontrer avec d'autres éléments d'étanchéité faits en matériau dur et glissant par contact mutuel direct.
La présente invention surmonte les désavantages des éléments d'étanchéité antérieurs connus du type utilisé dans les robinets, grâce à la mise au point d'un moyen qui empêche une augmentation du coefficient de friction entre les éléments d'étanchéité, même après leur exposition prolongée à la chaleur.
Les éléments d'étanchéité coopérants de la présente invention comprennent un élément d'étanchéité fait en carbure de silicium,
I'autre élément d'étanchéité étant fait en un matériau de base modérément dur portant en revêtement une couche d'un matériau plus dur appliquée de préférence par déposition en phase gazeuse par un procédé physique ou chimique. Le premier élément d'étanchéité en carbure de silicium peut être fabriqué par un procédé de frittage, un procédé d'infiltration et/ou un procédé par réaction chimique. Un procédé particulièrement avantageux pour la fabrication du premier élément est le procédé Lagan, où l'élément en carbure de silicium est obtenu en soumettant une forme semi-finie en matériau carboné à une siliconisation à une température élevée.
On peut fabriquer des plaquettes de dimensions précises bon marché, car la forme carbonée semi-finie peut facilement être travaillée et la siliconisation ne déforme ni ne modifie l'élément.
Plusieurs matériaux à haute dureté peuvent être utilisés pour réaliser le second élément d'étanchéité, en particulier le carbure
de silicium, les carbures métalliques et les nitrures, ainsi que le
carbone à réseau cristallin cubique. Divers procédés physiques et
chimiques de déposition en phase gazeuse connus permettant de
réaliser un dépôt peuvent s'adapter au carbure de silicium et aux
autres matériaux. Le second élément d'étanchéité est donc réalisé
d'une manière économique avec des dimensions précises à partir
d'un matériau modérément dur portant un revêtement en un
matériau de dureté plus élevée appliqué par déposition en phase
gazeuse par procédé physique ou chimique.
Bien qu'un finissage précis et fin des éléments d'étanchéité
soit nécessaire pour assurer l'étanchéité des robinets, il a été trouvé que le second élément d'étanchéité n'a pas besoin d'être aussi résistant à l'érosion et à l'usure. Dans le second élément d'étanchéité qui porte un revêtement appliqué par déposition en un matériau plus dur, le matériau qui en forme le corps ne constitue qu'un support, alors que l'aptitude à assurer l'étanchéité est assurée par le matériau de revêtement plus dur. Dans ces conditions, le second élément d'étanchéité peut être fait en un matériau qui, tout en pouvant supporter le finissage requis et conserver sa forme pendant l'utilisation, serait inacceptable tout seul en tant qu'élément d'étanchéité. Parmi les exemples de tels matériaux, on peut citer la stéatite, les matériaux céramiques de qualité moyenne, les métaux et certains matériaux synthétiques.
La seconde plaque, qui reçoit le dépôt de matériau à haute dureté, peut être polie ou subir une opération de finissage avant l'application de la couche de revêtement. ll convient donc de choisir un matériau de base qui soit suffisamment dur pour supporter l'opération de finissage, mais pas au point de rendre cette opération difficile, coûteuse, ou nécessitant un équipement et des technologies spéciaux.
Couvrir les éléments d'étanchéité avec carbure de silicium a l'avantage de donner une stabilité chimique de ce composé, ainsi que l'aptitude de résister à la corrosion et à l'usure provoquées par l'eau. Le carbure de silicium présente également des caractéristiques exceptionnelles de résistance à l'oxydation. Des caractéristiques similaires peuvent être apportées par d'autres matériaux, tels que le carbure de titane et le carbone à réseau cristallin cubique. Ce dernier matériau, qui ne convient pas à la fabrication du corps de l'élément d'étanchéité, est avantageux à cause de son coefficient de friction bas (env. 0,02).
L'invention permet un mouvement aisé et sans à-coups d'un appareil utilisant de tels éléments d'étanchéité sans qu'il faille de lubrifiants. Ce fonctionnement sans à-coups est assuré pendant une très longue période de temps et il n'est pas affecté par des températures élevées. En outre, le coût de la fabrication des élé- ments d'étanchéité décrits ici est équivalent à celui des autres procédés connus. Cette invention est particulièrement utile dans les robinets du type ayant une paire de plaquettes d'étanchéité coopérant ensemble, du type ayant trois disques coopérant ensemble, ou du type ayant un seule plaque coopérant avec des éléments d'étanchéité cylindriques.
Cependant, I'utilisation de la présente invention ne se limite pas aux robinets, mais elle peut également être mise en oeuvre sur des valves industrielles, par exemple les valves à plaquettes utilisées dans les pompes à injection de carburant des moteurs diesel.
La description qui précède a été donnée uniquement pour expliquer d'une manière claire l'invention, et aucune limitation non nécessaire ne saurait en être déduite, car certaines modifications sont évidentes à l'homme de l'art.
DESCRIPTION
The present invention relates to sealing elements where the sealing is ensured by precise finishing of the sealing elements. These sealing elements are mobile and in direct mutual contact, without interposed flexible seal.
The hard material pads used to regulate the flow of fluid in the taps are usually made of sintered aluminum oxide or silicate and they are subjected to a finishing operation until they reflect the light, their roughness being at this time of 0.2 to 0.4 micrometers. This precise surface treatment allows these plates to be used to effectively regulate the water flow. In addition, because of their hardness which is of the order of 23,000 N / mm, they have great durability and they can withstand foreign materials, even when they are hard, for example the grains of sand which come in contact with them without damaging them.
However, due to their very precise machining and the absence of lubrication, these pads tend to stick together, thus causing a significant increase in their sliding friction - which is greater than that normally expected from the friction coefficient of this material, already high (about 0.12). To ensure smooth operation of valves with such hard material pads, they are coated with a thin layer of silicone grease which reduces sliding friction. However, with time and the mutual friction of the platelets, this fat is gradually expelled and the friction increases until it reaches unacceptable values. In extreme cases, the valve can become blocked.
Attempts have been made to produce these hard material wafers using tungsten carbide, but the production and processing costs have proven prohibitive. It has also been proposed to manufacture the pairs of plates for the taps from a material consisting of silicon carbide (SiC), the same material used to make the two small plates. Silicon carbide is known in different crystalline forms, it has a hardness between 28,000 and 35,000 N / mm and a coefficient of friction close to 0.05, which is therefore better than that of the materials normally used for this application. On the other hand, this material decreases the tendency of adhesion between surfaces with high finishing, so that at the beginning, there is a reduction within certain limits of the friction between the flow control plates which cooperate in the valve. .
However, it has been found that in prolonged use, the friction between wafers made of silicon carbide with such characteristics increases considerably, until reaching unacceptable values.
It has also been proposed to produce a pair of plates for adjusting the fluid in a tap made of a hard material having various characteristics, but where at least one of the plates is made of silicon carbide (SiC). The two pads may differ in their degree of hardness and / or the finish of their surface. With this process, a considerable reduction in friction between the hard material pads can be achieved. Finally, it has been proposed to produce a pair of sealing elements where the two elements are made of an at least moderately hard material of a type capable of undergoing a precise finishing, where at least one of the elements is covered with a thin layer of material of higher hardness deposited in the gas phase by a physical or chemical process and where the surfaces of the two cooperating elements are different in nature and have a different finish.
However, it has also been found that when the sealing elements are exposed to heat for a period of time, their coefficient of friction increases significantly until reaching friction values upon initial separation which are unacceptable.
Similar requirements to those mentioned for valve flow adjustment pads can also be encountered with other sealing elements made of hard material and sliding by direct mutual contact.
The present invention overcomes the disadvantages of known prior sealing elements of the type used in valves, by the development of a means which prevents an increase in the coefficient of friction between the sealing elements, even after their prolonged exposure. in the heat.
The cooperating sealing elements of the present invention comprise a sealing element made of silicon carbide,
The other sealing element being made of a moderately hard base material carrying a coating of a harder material preferably applied by deposition in the gas phase by a physical or chemical process. The first silicon carbide sealing element can be manufactured by a sintering process, an infiltration process and / or a chemical reaction process. A particularly advantageous process for manufacturing the first element is the Lagan process, where the silicon carbide element is obtained by subjecting a semi-finished form of carbon material to siliconization at a high temperature.
We can manufacture wafers of precise dimensions inexpensively, because the semi-finished carbon form can easily be worked and siliconization does not deform or modify the element.
Several high hardness materials can be used to make the second sealing element, in particular carbide
silicon, metal carbides and nitrides, as well as
carbon with a cubic crystal lattice. Various physical processes and
known gas deposition chemicals for
deposit can adapt to silicon carbide and
other materials. The second sealing element is therefore produced
economically with precise dimensions from
of moderately hard material bearing a coating in one
higher hardness material applied by phase deposition
gaseous by physical or chemical process.
Although precise finishing and fine sealing elements
is necessary to seal the valves, it has been found that the second sealing element does not need to be as resistant to erosion and wear. In the second sealing element which carries a coating applied by deposition in a harder material, the material which forms its body constitutes only a support, while the ability to ensure sealing is ensured by the material of harder coating. Under these conditions, the second sealing element can be made of a material which, while being able to withstand the required finishing and to keep its shape during use, would be unacceptable on its own as a sealing element. Examples of such materials include soapstone, medium quality ceramic materials, metals and certain synthetic materials.
The second plate, which receives the deposit of high hardness material, can be polished or undergo a finishing operation before the application of the coating layer. It is therefore advisable to choose a base material which is sufficiently hard to withstand the finishing operation, but not to the point of making this operation difficult, expensive, or requiring special equipment and technologies.
Covering the sealing elements with silicon carbide has the advantage of giving chemical stability to this compound, as well as the ability to resist corrosion and wear caused by water. Silicon carbide also has exceptional characteristics of resistance to oxidation. Similar characteristics can be provided by other materials, such as titanium carbide and cubic crystal lattice carbon. The latter material, which is not suitable for manufacturing the body of the sealing element, is advantageous because of its low coefficient of friction (approx. 0.02).
The invention allows an easy and smooth movement of an apparatus using such sealing elements without the need for lubricants. This smooth operation is ensured for a very long period of time and is not affected by high temperatures. Furthermore, the cost of manufacturing the sealing elements described herein is equivalent to that of other known methods. This invention is particularly useful in valves of the type having a pair of sealing plates cooperating together, of the type having three discs cooperating together, or of the type having a single plate cooperating with cylindrical sealing elements.
However, the use of the present invention is not limited to taps, but it can also be implemented on industrial valves, for example the pad valves used in fuel injection pumps of diesel engines.
The foregoing description has been given solely to explain the invention clearly, and no unnecessary limitation can be inferred therefrom, since certain modifications are obvious to those skilled in the art.