CN108386567B - 水栓阀门 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供在介由水而可滑动的水栓阀门中具有优异的滑动性的陶瓷制阀门。具体而言，在于提供如下水栓阀门：其包括具有第1滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第1阀体及具有第2滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第2阀体，所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此介由水而连接，其特征在于，在所述第2滑动面的至少一部分上设置第1无定形碳层，所述第1无定形碳层的硬度在构成所述第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度以下，所述第1无定形碳层通过拉曼分光法测定的D峰与G峰之比(ID/IG)大于0.5、小于1.9。
Description
技术领域
本发明涉及水栓阀门。
背景技术
为了实现高刚性、耐腐蚀性且低成本，作为水栓阀门正在研究使用廉价的氧化铝。为了提高该水栓阀门的滑动性，已知有将一侧的阀体用无定形碳层覆盖的水栓阀门(例如日本特开平9-126239号公报)。通常在滑动部件上应用无定形碳时，用能够充分发挥无定形碳所具有的“硬质”特性且尽可能硬的无定形碳层来覆盖。即在将一侧阀体用无定形碳层覆盖的水栓阀门中，通常会因滑动而引起没有覆膜的一侧的阀体磨损(例如日本特开平9-292039号公报的[0021]、日本特开2004-183699号公报的[0027])。然而存在如下课题：作为没有覆膜的烧结体的阀体自身磨损时，大量产生来***结体的高硬度磨损粉从而经时滑动特性变差。
专利文献1：日本特开平9-126239号公报
专利文献2：日本特开平9-292039号公报
专利文献3：日本特开2004-183699号公报
发明内容
本发明所要解决的技术课题在于提供在介由水而可滑动的水栓阀门中具有优异的滑动性的陶瓷制阀门。
无定形碳层的结构为金刚石样结构与石墨样结构混在的无定形结构，各自的比率多种多样。本发明者着眼于如下特征：作为无定形碳层采用比氧化铝阀体柔软的膜的结构时，即使在无定形碳层磨损的情况下也能够使磨损粉较为柔软。即选择与配合材硬度为同等以下的硬度的无定形碳层并使其滑动，会有意识地使无定形碳层磨损。进而，为了选择易于与水反应的无定形碳层而进行研究。具体而言，在无定形碳层中，使通过拉曼分光法测定的ID/IG比在规定范围内，可使无定形碳层易于与水反应。其结果发现介由微量的水而使这些阀体滑动时可选择性磨损无定形碳层，从而可使第1阀体与第2阀体之间所形成的润滑层的量相对增多。而且，据此得到了可有效抑制第1、2阀体的磨损进一步加剧的见解。本发明者基于上述见解而完成了本发明。
即，本发明在于提供一种水栓阀门，其包括具有第1滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第1阀体及具有第2滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第2阀体，所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此介由水而连接，其特征在于，在所述第2滑动面的至少一部分上设置第1无定形碳层，所述第1无定形碳层的硬度在构成所述第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度以下，且为30GPa以下，所述第1无定形碳层通过拉曼分光法测定的D峰与G峰之比即ID/IG大于0.5、小于1.9，通过拉曼分光法测定的N/(N+S)为0.31以下，使所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此隔着水滑动时，所述第1无定形碳层与水反应在所述第1滑动面形成润滑层。
根据本发明可提供在介由水而可滑动的水栓阀门中具有优异的滑动性的陶瓷制阀门。
附图说明
图1为表示构成本发明水栓阀门的一个实施方式的阀体为分离状态的分解立体图。
图2为表示第2阀体的结构的放大剖视图。
图3为表示实施例及对比例(其中不包括第1无定形碳层的硬度大于构成第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度的情况)中的比(ID/IG)与无定形碳层的磨损量的关系的图表。
图4为球盘摩擦磨损试验后的第1阀体(球)的显微镜照片。
图5为实施例3(a)及对比例3(b)中的球盘摩擦磨损试验后的第1阀体(球)的显微镜照片。
具体实施方式
本发明的水栓阀门包括具有第1滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第1阀体及具有第2滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第2阀体，所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此介由水而连接。而且，在所述第2滑动面的至少一部分上设置第1无定形碳层。所述第1无定形碳层的硬度在构成所述第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度以下。无定形碳层的硬度例如可通过纳米压痕法测定。所述第1无定形碳层的硬度优选30GPa以下，更优选25GPa以下。另外，优选所述第1无定形碳层的硬度大于8GPa。通过使所述第1无定形碳层的硬度成为这样的硬度可易于形成润滑层，其结果可抑制所述第1无定形碳层磨损的加剧。
另外，所述第1无定形碳层通过拉曼分光法测定的D峰与G峰之比(ID/IG)大于0.5、小于1.9。所述第1无定形碳层的比(ID/IG)优选大于1.0、小于1.5，更优选1.1以上、1.4以下。通过使所述第1无定形碳层的比(ID/IG)在这样的范围可易于形成润滑层，其结果可抑制所述第1无定形碳层磨损的加剧。进而，所述第1无定形碳层优选通过拉曼分光法测定的N/(N+S)小于0.33，更优选0.31以下。进一步优选N/(N+S)为0.23以上。通过使所述第1无定形碳层的N/(N+S)在这样的范围可易于形成润滑层，其结果可抑制所述第1无定形碳层磨损的加剧。
另外，所述第1无定形碳层的表面粗糙度(算数平均粗糙度Ra)优选小于0.3μm，更优选小于0.2μm，进一步更优选为0.1μm以下。通过使所述第1无定形碳层的表面粗糙度在这样的范围内，可减少所述第1无定形碳层的磨损量。
另外，所述第1无定形碳层还可进一步包含Si、Cl、N、F、O等的第3元素。通过使所述第1无定形碳层包含所述第3元素可降低摩擦系数，并可进一步降低杠杆操作力从而顺畅地滑动。
第1无定形碳层的厚度为0.5μm以上，更优选1μm以上。通过在该范围内，即使第1无定形碳层有些许磨耗时也可良好地形成润滑层。
另外，为了提高所述第2阀体与所述第1无定形碳层之间的密着性，在所述第1无定形碳层与所述第2阀体之间还可具备第2中间层。另外，此时在所述第1无定形碳层与所述第2中间层之间还可具备第2复合层或第2倾斜层。在此，所述第2复合层为包含无定形碳与所述第2中间层所包含的中间层材料的层。在该第2复合层中还可交互层压无定形碳与中间层材料。或者还可将无定形碳与中间层材料混合。所述第2倾斜层为所述第2中间层所包含的中间层材料的组成从第2中间层侧朝向第1无定形碳层减少及/或无定形碳的组成朝向第1无定形碳层增加且包含无定形碳与中间层材料的层。第2复合层及/或第2倾斜层例如可通过使用能量色散X射线光谱仪进行元素分布成像来确认。只要所述第2中间层所包含的中间层材料能够提高所述第2阀体与所述第1无定形碳层的密着性，则没有特别限定。作为所述中间层材料，例如可列举Cr、W、Ti、Si、Al等。
还可在所述第1滑动面的至少一部分上设置第2无定形碳层。此时，所述第1无定形碳层的硬度与所述第2无定形碳层的硬度可以相同也可不同。
另外，所述第2无定形碳层还可进一步包含Si、Cl、N、F、O等的第3元素。由于所述第2无定形碳层包含所述第3元素，故而可降低摩擦系数，进一步降低杠杆操作力从而可顺畅地滑动。
另外，为了提高所述第1阀体与所述第2无定形碳层之间的密着性，在所述第2无定形碳层与所述第1阀体之间还可具备第1中间层。另外此时在所述第2无定形碳层与所述第1中间层之间还可具备第1复合层或第1倾斜层。在此，所述第1复合层为包含无定形碳与所述第1中间层所包含的中间层材料的层，所述第1倾斜层为所述第1中间层所包含的中间层材料的组成从第1中间层侧朝向第2无定形碳层减少且包含无定形碳与中间层材料的层。只要所述第1中间层所包含的中间层材料可提高所述第1阀体与所述第2无定形碳层的密着性，则没有特别限定。作为所述中间层材料，例如可列举Cr、W、Ti、Si、Al等。
构成第1阀体及第2阀体的氧化铝质烧结体以氧化铝(Al2O3)为主成分。作为氧化铝质烧结体，可使用具有充分的强度且孔隙相对较少的市售烧结体。作为以氧化铝(Al2O3)作为主成分的氧化铝质烧结体，例如可使用氧化铝(Al2O3)的纯度为50％以上、优选90％以上、更优选96％以上的氧化铝质烧结体。
以下举例说明本发明的水栓阀门，但本发明并不限定于此。图1为表示构成本发明的水栓阀门的一个实施方式的阀体为分离状态的分解立体图。
水栓阀门100包括第1阀体与第2阀体。在此，关于第2阀体为可动阀体20、第1阀体为固定阀体30的例子进行说明，但第1阀体也可为可动阀体20，第2阀体也可为固定阀体30。可动阀体20具有第2滑动面21。固定阀体30具有第1滑动面31。在水栓阀门100中，第1滑动面31与第2滑动面21的至少一部分彼此介由水而连接。
如图2所示，可动阀体20(第2阀体)例如呈具备将上下面贯通的流体通路22的圆盘状，在由氧化铝质烧结体形成的同时，在其表面介由第2中间层23而覆盖无定形碳层24(第1无定形碳层)从而形成滑动面21(第2滑动面)。
另外，固定阀体30例如具备将上下面贯通的流体通路32及2个流体吐出口33a、33b(例如热水吐出口与水吐出口)，并形成为大于可动阀体20的圆盘状。
而且，将这些可动阀体20与固定阀体30在润滑剂没有介在的状态下使相互的滑动面21、31彼此密着，通过移动杠杆(未图示)使可动阀体20滑动，从而使阀体20、30彼此所具备的流体通路22、32进行开闭来对供给流体的流量进行调整，同时对流体吐出口33a、33b的开度进行调整。
此时，由于在可动阀体20的滑动面21上覆盖自身润滑性优异的无定形碳层，故而即使在润滑剂没有介在的状态下也不会使固定阀体30发生大的磨损，从而可降低杠杆操作力并顺畅地滑动。
无定形碳层中的D峰与G峰之比及N/(N+S)可通过以下方法求出。
首先进行激光拉曼分光分析。在激光拉曼分光分析中，使用激光拉曼显微镜(RAMAN Touch VIS-NIR(Nanophoton制))，测定倍率为20倍，测定径～1μm。作为光源，使用激光波长532nm、激光功率0.5mW的光源，曝光时间为1秒，累计次数10次。衍射光栅作为600gr/mm从而得到拉曼光谱。
解析使用Origin Pro 2016(LightStone制)等的解析软件进行。从所得到的拉曼光谱的波形除去本底。关于波数1350cm-1附近与波数1530cm-1附近的2个峰(分别为D带、G带)，通过使用高斯函数的曲线拟合法来进行波形分离。分别将D带及G带的面积作为ID、IG，将2条带的面积比作为比(ID/IG)。将拉曼光谱的G带的峰位置中的拉曼散射光成分强度作为S，将荧光成分强度作为N，求出其强度比率N/(N+S)。
无定形碳层的硬度可通过以下的方法求出。
使用超微小压痕硬度试验机(ENT-2100，Erionix制，三角锥金刚石压子)以试验负荷5mN、步骤间隔(step interval)20msec、保持时间1000msec进行测定。进行10次测定，将排除了最大值与最小值的8个测定值的平均值作为膜硬度。
无定形碳层的表面粗糙度可通过以下方法求出。
使用表面粗糙度仪(SURFCOM 1500，东京精密制)基于JIS B 0601：2001进行测定，作为算数平均粗糙度(Ra)。
实施例
通过以下实施例进一步详细说明本发明。且本发明并不限定于这些实施例。
1.样品制作
1-1.基材
第2阀体的基材使用氧化铝纯度为96％的氧化铝质烧结体。将烧结体的滑动面(第2滑动面)进行研磨从而成为规定的表面粗糙度。
1-2.覆盖层(无定形碳层)的成膜
(实施例1～7以及对比例1、4～7及9)
使用非平衡磁控溅射装置。用加热器将基材在规定的温度下烘焙，用Ar等离子体将基材表面蚀刻后，按照中间层、无定形碳层的顺序成膜。中间层原料使用铬及钨。无定形碳层原料使用固体碳及烃(甲烷及/或乙炔)气体。通过调整成膜压力、烃气体混合比、施加于基材的偏压等来得到实施例1～7以及对比例1、4～7及9的样品(第2阀体)。在任一样品中无定形碳层的膜厚均在0.5-2μm的范围内。另外，在对比例1的第2阀体中使用与实施例5相同的样品。
(实施例8及对比例2)
使用等离子体化学气相沉积(CVD)成膜装置。另外，作为等离子体源，使用高频等离子体及直流等离子体。用Ar等离子体将基材表面蚀刻后，按照中间层、无定形碳层的顺序成膜。中间层原料使用碳化硅。无定形碳层原料使用烃(甲烷及/或乙炔)气体。通过调整成膜压力、烃气体混合比、施加于基材的偏压等来得到实施例8以及对比例2的样品。无定形碳层的膜厚为1μm。
(实施例9)
使用等离子体化学气相沉积(CVD)成膜装置。另外，作为等离子体源，使用热灯丝式等离子体。用Ar等离子体将基材表面蚀刻后，按照中间层、无定形碳层的顺序成膜。中间层原料使用碳化硅。无定形碳层原料使用烃(甲烷及/或乙炔)气体。通过调整成膜压力、烃气体混合比、施加于基材的偏压等来得到实施例9的样品。无定形碳层的膜厚为1μm。
(实施例10)
使用等离子体化学气相沉积(CVD)成膜装置。另外，等离子体的生成使用线性离子源。用Ar等离子体将基材表面蚀刻后，按照中间层、无定形碳层的顺序成膜。中间层通过非平衡磁控溅射法成膜且原料使用铬。无定形碳层原料使用烃(甲烷及/或乙炔)气体。通过调整成膜压力、烃气体混合比、施加于基材的偏压等来得到实施例10的样品。无定形碳层的膜厚为1μm。
(对比例3及8)
使用电弧离子镀成膜装置。用加热器将基材在规定的温度下烘焙，用Ar等离子体将基材表面蚀刻后，按照中间层、无定形碳层的顺序成膜。中间层原料使用钛。无定形碳层原料使用固体碳。通过调整成膜压力、施加于基材的偏压等来得到对比例3及8的样品。无定形碳层的膜厚为1μm。
2.分析·评价方法
关于上述制作的各样品，实施以下的分析·评价。
2-1.无定形碳层的拉曼分光分析(比(ID/IG)及N/(N+S))
〔测定〕
按照下述条件进行激光拉曼分光分析并得到拉曼光谱。
装置：激光拉曼显微镜RAMAN Touch VIS-NIR(Nanophoton制)
条件：测定倍率：20倍
测定径：～1μm
光源：激光波长532nm、激光功率0.5mW
曝光时间：1秒
累计次数：10次
衍射光栅：600gr/mm
〔解析〕
解析软件使用Origin Pro 2016(LightStone制)。
(比(ID/IG))
从所得到的拉曼光谱的波形除去本底。关于波数1350cm-1附近与波数1530cm-1附近的2个峰(分别为D带、G带)，通过使用高斯函数的曲线拟合法来进行波形分离。分别将D带及G带的面积作为ID、IG，将2条带的面积比作为比(ID/IG)。
(N/(N+S))
将拉曼光谱的G带的峰位置处的拉曼散射光成分强度作为S，将荧光成分强度作为N，求出其强度比率N/(N+S)。
2-2.无定形碳层的硬度：纳米压痕试验
使用超微小压痕硬度试验机(ENT-2100，Erionix制，三角锥金刚石压子)测定硬度。测定条件通过试验负荷5mN、步骤间隔20msec、保持时间1000msec进行。作为膜硬度的值进行10次测定，使用排除了最大值与最小值的8个测定值的平均值。
2-3.无定形碳层的表面粗糙度(Ra)：表面粗糙度测定
使用表面粗糙度仪(SURFCOM 1500，东京精密制)来测定算数平均粗糙度(Ra)。测定条件基于JIS B 0601：2001来设定。
在对比例3的样品中表面粗糙度为0.2μm，表面粗糙。在其他样品中表面粗糙度均为0.1μm以下而较为平滑。
2-4.比磨损量：球盘摩擦磨损试验
(磨损试验)
按照下述条件进行球盘摩擦磨损试验。将上述所得到的实施例1～6及对比例1～3的样品作为第2阀体。球(第1阀体)材质使用氧化铝质烧结体或不锈钢(SUS)。
装置：摩擦磨损试验机FPR-2100(Rhesca制)
条件：负荷：400g
速度：10mm/s
滑动幅度：5mm
往返次数：往返5000次
滑动环境：室温水中
(比磨损量的算出)
用激光显微镜(OLS-4100、Olympus制)测定摩擦磨损试验后无定形碳层(第1无定形碳层)的磨损痕的截面积。使用所得到的磨损痕的截面积按照下式算出比磨损量。
2-5.润滑层的观察
将上述比磨损量算出后的球(第1阀体)用乙醇清洗后进行干燥。其后，用数码显微镜(DVM6、Leica Microsystems制)观察摩擦磨损试验的球(第1阀体)的磨损痕。具体而言，曝光时间为33ms，颜色增益为R400、G256、B350，彩度25，CXI照明的亮度为60，不使用Lambda板的状态进行观察，观察到来自无定形碳层的润滑层时为○，没有观察到润滑层时为×。在图5(a)(b)中分别表示实施例3、对比例3的润滑层的观察结果。
2-6.复合层的确认
将成膜后的各样品切割并研磨所得到的截面从而得到观察用试样。用扫描电子显微镜(S-4100、日立制)观察中间层及无定形碳层的截面。在各个层所观察的视野中，使用能量色散X射线光谱仪(EMAX-7000，堀场制作所制)对碳及中间层元素进行元素分布成像。其结果，在全部样品中确认到无定形碳层与中间层元素的复合层。
3.结果
上述分析·评价的结果如表1所示。另外，比(ID/IG)与无定形碳层的比磨损量的关系如图3的图表所示(其中，排除了第1无定形碳层的硬度大于构成第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度的情况)。从这些结果可知，第1阀体为氧化铝质烧结体时，由于比(ID/IG)在规定的范围内(大于0.5、小于1.9)，从而可充分地形成润滑层，比磨损量变小(实施例1～6)。比(ID/IG)在规定的范围外时，无法形成润滑层从而比磨损量增大(对比例2、4～6及9)。另外，第1阀体为SUS时，无定形碳层未磨损而产生SUS的磨削粉(对比例1)。
表1
Claims (19)
1.一种水栓阀门，其包括具有第1滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第1阀体及具有第2滑动面且由氧化铝质烧结体构成的第2阀体，所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此介由水而连接，其特征在于，
在所述第2滑动面的至少一部分上设置第1无定形碳层，所述第1无定形碳层的硬度在构成所述第1阀体的氧化铝质烧结体的硬度以下，且为30GPa以下，
所述第1无定形碳层通过拉曼分光法测定的D峰与G峰之比即ID/IG大于0.5、小于1.9，
通过拉曼分光法测定的N/(N+S)为0.31以下，
使所述第1滑动面与所述第2滑动面的至少一部分彼此隔着水滑动时，所述第1无定形碳层与水反应在所述第1滑动面形成润滑层。
2.根据权利要求1所述的水栓阀门，其特征在于，所述比即ID/IG大于1.0、小于1.5。
3.根据权利要求2所述的水栓阀门，其特征在于，所述比即ID/IG为1.1以上、1.4以下。
4.根据权利要求1所述的水栓阀门，其特征在于，所述N/(N+S)为0.23以上。
5.根据权利要求3所述的水栓阀门，其特征在于，所述N/(N+S)为0.23以上。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层的硬度为25GPa以下。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层的表面粗糙度小于0.3μm。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层进一步包含选自Si、Cl、F、N、O中的1种以上的组分。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，在所述第1滑动面的至少一部分上设置第2无定形碳层。
10.根据权利要求9所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层的硬度与所述第2无定形碳层的硬度相同。
11.根据权利要求9所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层的硬度与所述第2无定形碳层的硬度不同。
12.根据权利要求9所述的水栓阀门，其特征在于，所述第2无定形碳层进一步包含选自Si、Cl、F、N、O中的1种以上的组分。
13.根据权利要求9所述的水栓阀门，其特征在于，在所述第2无定形碳层与所述第1阀体之间具备第1中间层。
14.根据权利要求13所述的水栓阀门，其特征在于，在所述第1无定形碳层与所述第2阀体之间具备第2中间层。
15.根据权利要求14所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1中间层、所述第2中间层中的一个或两个包含选自Cr、W、Ti、Si及Al中1种以上的中间层材料。
16.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，在所述第1无定形碳层与所述第2阀体之间具备第2中间层。
17.根据权利要求1～3中任一项所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1无定形碳层的硬度大于8GPa。
18.一种所述水栓阀门，为在所述第2无定形碳层与所述第1中间层之间具备第1复合层或第1倾斜层的权利要求14所述的水栓阀门，其特征在于，所述第1复合层为包含无定形碳与所述第1中间层所包含的中间层材料的层，所述第1倾斜层为所述第1中间层所包含的中间层材料的组成从所述第1中间层侧朝向所述第2无定形碳层减少且包含无定形碳与中间层材料的层。
19.一种所述水栓阀门，为在所述第1无定形碳层与所述第2中间层之间具备第2复合层或第2倾斜层的权利要求16所述的水栓阀门，其特征在于，所述第2复合层为包含无定形碳与所述第2中间层所包含的中间层材料的层，所述第2倾斜层为所述第2中间层所包含的中间层材料的组成从所述第2中间层侧朝向所述第1无定形碳层减少且包含无定形碳与中间层材料的层。
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