Primer componente de una válvula de disco (10), teniendo dicho primer componente (20,

22) una superficie de sellado en contacto deslizante con un segundo componente (20, 22) de dicha válvula (10) que también tiene una superficie de sellado, teniendo dicha superficie de sellado de dicho primer componente una superficie de sellado conformada lo suficientemente lisa para evitar de manera sustancial la transmisión de un fluido entre cada una de dichas superficies de sellado, comprendiendo dicho primer componente:

un material base (18);

una capa de refuerzo (23) dispuesta en el material base (18) y que comprende un material más duro que dicho material base, teniendo dicha capa de refuerzo (23) un espesor suficiente para mejorar la resistencia al rayado del material base (18) y teniendo un espesor menor de aproximadamente 10 micrones; y

caracterizado porque

una capa de diamante amorfo (30) está dispuesta en dicha capa de refuerzo (23), formando dicha capa de diamante amorfo (30) dicha superficie de sellado, y teniendo dicha capa de diamante amorfo (30) un espesor de al menos un valor suficiente para mejorar la resistencia al desgaste de dicho primer componente (20, 22).

Componente de válvula con múltiples capas de superficie Campo de la invención Esta invención se refiere en general a recubrimientos de superficie multicapa para su uso con artículos de fabricación y productos que requieren baja fricción, bajo desgaste, y superficies exteriores protectoras. Más particularmente, la invención se refiere a artículos que tienen componentes deslizantes unos respecto a otros, tales como componentes de válvula para válvulas de mezclado de agua, que tienen capas protectoras de superficie que comprenden una capa de refuerzo y un recubrimiento de diamante amorfo exterior.

Antecedentes de la invención

En determinadas aplicaciones, tales como por ejemplo, placas de válvula para válvulas de control de fluido, es necesario que las superficies deslizantes unas respecto a otras sean resistentes al desgaste, resistentes a la abrasión, resistentes al rayado, y que tengan un bajo coeficiente de fricción. Los elementos de un tipo de válvula de control para el mezclado de corrientes de agua caliente y fría comprenden normalmente un disco estacionario y un disco deslizante móvil, aunque los elementos de placa pueden ser de cualquier forma o geometría que tenga una superficie de sellado, incluyendo por ejemplo superficies planas, esféricas y cilíndricas. En el presente documento el término "disco" se refiere por tanto a placas de válvula de cualquier forma y geometría que tengan superficies coincidentes que se acoplen y deslicen una contra otra para formar un sello estanco a los fluidos. El disco estacionario tiene normalmente una entrada de agua caliente, una entrada de agua fría, y una salida de descarga de agua mezclada; mientras que el disco móvil contiene características similares y una cámara de mezcla. Se entiende que no es necesario que la cámara de mezcla esté en el disco aunque puede formar parte de una estructura adyacente. El disco móvil se superpone al disco estacionario y puede deslizarse y/o hacerse rotar en el disco estacionario de modo que en la cámara de mezcla se obtenga el agua mezclada a una temperatura y medida del caudal deseada regulando la medida del caudal y las proporciones de agua caliente y agua fría admitidas desde la entrada de agua caliente y la entrada de agua fría y se descargue a través de la salida de descarga de agua mezclada. Las superficies de sellado coincidentes de los discos deben fabricarse con suficiente precisión para permitir que las dos superficies de sellado coincidan entre sí y formen un sello estanco a los fluidos (es decir, deben estar lo suficientemente conformadas entre sí y ser lo suficientemente lisas para evitar que el fluido pase entre las superficies de sellado) . El grado de planeidad (para una forma de placa plana) , o conformidad conjunta (para superficies no planas) y lisura requeridos dependen en cierta medida de la construcción de la válvula y de los fluidos implicados, y generalmente se conocen bien en la industria. Otros tipos de válvulas de disco, aunque todavía usan superficies de sellado coincidentes en contacto deslizante entre sí, pueden controlar sólo una corriente de fluido o pueden proporcionar un mezclado por medio de una configuración de acceso o estructura diferente. El disco estacionario puede ser, por ejemplo, una parte solidaria del cuerpo de válvula.

La experiencia previa con este tipo de válvula de control ha demostrado que hay un problema de desgaste de las superficies coincidentes de los discos debido al hecho de que los discos estacionarios y móviles están en contacto y se deslizan uno contra otro (véase por ejemplo las patentes estadounidenses n.os 4.935.313 y 4.966.789) . Para minimizar el problema de desgaste, estos discos de válvula se realizan habitualmente a partir de una cerámica sinterizada tal como alúmina (óxido de aluminio) . Aunque los discos de alúmina tienen una buena resistencia al desgaste, tienen características de fricción no deseadas por el hecho de que aumenta la fuerza de funcionamiento, y tienden a volverse "pegajosos" después de que la grasa lubricante originariamente aplicada a los discos se gaste y desaparezca. La resistencia al rayado y a la abrasión de las placas de alúmina con respecto a partículas grandes y pequeñas (respectivamente) en la corriente de agua es buena; sin embargo, aún son propensas a daños por corrientes de agua contaminada que contienen partículas abrasivas tales como arena; y en este sentido sería beneficioso una mejora. Además, la naturaleza porosa de los discos de cerámica sinterizada hace que sean propensos a "obstruirse" durante largos periodos de no uso, debido a los minerales disueltos en el suministro de agua que precipitan y cristalizan entre poros coincidentes en las superficies coincidentes. Un objeto de la presente invención es proporcionar discos que tengan un desgaste reducido, resistencia mejorada al rayado y a la abrasión y características de fricción reducidas. Otro objeto es proporcionar discos de válvula no porosos o de porosidad reducida para reducir el número de ubicaciones donde puedan formarse cristales precipitados entre las superficies coincidentes.

Las cerámicas sinterizadas, en particular, (debido a su dureza) son relativamente difíciles y caras de esmerilar y pulir hasta un grado de conformidad conjunta y lisura adecuado para el sellado. Sería ventajoso usar un material para los discos, tal como metal, que fuera más económico, más fácil de esmerilar y pulir y que no fuera poroso. Sin embargo, la resistencia al desgaste y el comportamiento de fricción de los discos de metal puro generalmente no es aceptable para aplicaciones de sellado con deslizamiento. Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar discos realizados de metal como material base y que tengan una resistencia mejorada al desgaste, al rayado y a la abrasión y características de fricción mejoradas en comparación con los discos de cerámica no recubiertos.

En la técnica anterior (por ejemplo los documentos US 4.707.384 y US 4.734.339) se da a conocer que pueden usarse recubrimientos de diamante policristalino depositados mediante deposición química de vapor (CVD) a temperaturas de sustrato de aproximadamente 800- 1000º C en combinación con capas de adhesión de diversos materiales para proporcionar componentes resistentes al rayado y al desgaste. Sin embargo se conoce que las películas de diamante policristalino tienen superficies rugosas debido a las caras del cristal de los granos de diamante individuales, como es obvio en las fotografías de las figuras 2 y 3 en la patente '384. Se conoce en la técnica pulir tales superficies para minimizar el coeficiente de fricción en aplicaciones con deslizamiento, o incluso depositar el diamante policristalino sobre un sustrato liso y a continuación retirar la película del sustrato y usar el lado liso de la película (que previamente estaba contra el sustrato) en vez de la superficie original como superficie de apoyo. La presente invención supera los problemas de la técnica anterior proporcionando varias características ventajosas, que incluyen sin limitación proporcionar una superficie lisa y muy dura para aplicaciones con deslizamiento, mientras se evita un procesamiento posterior difícil y caro de una capa de superficie de diamante policristalino. La metodología también emplea ventajosamente materiales de sustrato (tales como metales, vidrios y materiales compuestos y orgánicos adecuados) que no pueden procesarse a las elevadas temperaturas necesarias para la deposición CVD de diamante policristalino.

En la técnica anterior (por ejemplo, el documento US 6.165.616) también se da a conocer que pueden emplearse capas de contacto de ingeniería para aliviar la tensión inducida térmicamente en una capa de diamante policristalino. Estas tensiones inducidas térmicamente surgen durante el enfriamiento del sustrato después de la deposición de recubrimientos a temperaturas relativamente altas, y se deben a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el sustrato y el recubrimiento de diamante. En el documento '616 se especifican cálculos de ingeniería bastante complicados para predeterminar el espesor y la composición de la capa de contacto deseada. Los espesores de la capa de contacto dado a conocer en el documento '616 para minimizar la tensión inducida térmicamente en la capa de diamante son del orden de 20 a 25 micrones según las figuras 1 a 3. Tales capas de contacto espesas son caras de depositar, debido al tiempo necesario para depositarlas y el elevado coste del equipo requerido. La presente invención también incluye ventajosamente, sin limitación, minimizar el coste de recubrimiento pero aún consiguiendo los resultados deseados empleando capas de contacto mucho más finas que las indicadas... [Seguir leyendo]

1. Primer componente de una válvula de disco (10) , teniendo dicho primer componente (20, 22) una superficie de sellado en contacto deslizante con un segundo componente (20, 22) de dicha válvula (10) que también tiene una superficie de sellado, teniendo dicha superficie de sellado de dicho primer componente una superficie de sellado conformada lo suficientemente lisa para evitar de manera sustancial la transmisión de un fluido entre cada una de dichas superficies de sellado, comprendiendo dicho primer componente:

un material base (18) ;

una capa de refuerzo (23) dispuesta en el material base (18) y que comprende un material más duro que dicho material base, teniendo dicha capa de refuerzo (23) un espesor suficiente para mejorar la resistencia al rayado del material base (18) y teniendo un espesor menor de aproximadamente 10 micrones; y caracterizado porque

una capa de diamante amorfo (30) está dispuesta en dicha capa de refuerzo (23) , formando dicha capa de diamante amorfo (30) dicha superficie de sellado, y teniendo dicha capa de diamante amorfo (30) un espesor de al menos un valor suficiente para mejorar la resistencia al desgaste de dicho primer componente (20, 22) .

2. Componente según la reivindicación 1, en el que dicho material base (18) se selecciona del grupo que consiste en un vidrio, un material vitrocerámico, un material vidrioso y un material polimérico.

3. Componente según la reivindicación 1, en el que dicho material base (18) comprende al menos uno de aluminiuro de hierro, acero inoxidable, titanio, zirconio y aluminio.

4. Componente según la reivindicación 1, en el que dicha capa de refuerzo (23) comprende al menos uno de DLC (carbono tipo diamante) , una estructura de superred, nitruro de cromo, una capa con nitruración por plasma, una capa de cementación, una capa oxidada, una capa con implantación de iones y una capa anodizada.

5. Componente según la reivindicación 1, en el que dicha capa de diamante amorfo (30) incluye inclusiones grafíticas.

6. Componente según la reivindicación 5, en el que dichas inclusiones grafíticas tienen una densidad de superficie de al menos aproximadamente 500/mm2.

7. Componente según la reivindicación 1, en el que dicho material base (18) se selecciona del grupo que consiste en acero inoxidable, aluminio, bronce, titanio, zirconio, un cermet y una cerámica.

8. Componente según la reivindicación 1, en el que dicha capa de refuerzo (23) comprende un material seleccionado del grupo que consiste en una capa de óxido, una capa de carburo, una capa de nitruro de carbono, una capa de nitruro, una capa oxidada y una capa anodizada.

9. Componente según la reivindicación 1, en el que el espesor de dicha capa de refuerzo (23) es de aproximadamente 500 nm a aproximadamente 6 micrones.

10. Componente según la reivindicación 1, en el que el espesor de dicha capa de diamante amorfo (30) es de aproximadamente 100 a aproximadamente 500 nm.

11. Componente según la reivindicación 9, en el que dicho material base (18) comprende acero inoxidable, dicha capa de refuerzo (23) comprende nitruro de cromo, y el espesor de dicha capa de diamante amorfo

(30) es de aproximadamente 100 a aproximadamente 500 nm.

12. Componente según la reivindicación 1, en el que la capa de diamante amorfo (20) incluye además una rugosidad de superficie promedio que de manera sustancial no es mayor que la de dicha capa de refuerzo (23) .

13. Componente según la reivindicación 1, en el que la capa de refuerzo (23) tiene un espesor de al menos un valor suficiente para mejorar la resistencia al rayado de dichos componentes primero y segundo.

14. Método de formación de un componente deslizante (20, 22) de una válvula de disco (10) , que tiene un material base, estando caracterizado el método por las etapas de:

depositar una capa de refuerzo (23) en el material base (18) ; y depositar mediante deposición física de vapor una capa lisa de diamante amorfo (23) en la capa de refuerzo (30) .

15. Método según la reivindicación 14, en el que la temperatura durante la deposición de la capa de refuerzo (23) y la capa amoría (30) es menor que aproximadamente 200º C - 300º C, evitando de ese modo cualquier necesidad de calcular propiedades mecánicas y térmicas predeterminadas del material base (18) , la capa de refuerzo (23) y la capa de diamante amorfo (30) .

16. Método según la reivindicación 14, en el que la etapa de deposición incluye formar una fase de grafito dentro de la capa de diamante amorfo (30) .

17. Método según la reivindicación 14, en el que la etapa de depositar una capa lisa de diamante amorfo (30) comprende formar una estructura de superred constituida por una pluralidad de capas de diamante amorfo.

18. Método según la reivindicación 17, en el que la etapa de depositar una pluralidad de capas de diamante

amorfo (30) comprende formar una multicapa de superred con al menos una capa de diamante amorfo y otra capa de fase diferente de diamante.

19. Método según la reivindicación 14, en el que la capa de diamante amorfo (30) se deposita a una temperatura lo suficientemente baja para evitar la delaminación desde la capa de refuerzo.

20. Método según la reivindicación 14, en el que la capa de refuerzo (23) se forma mediante deposición de una 15 pluralidad de capas de superred de nitruro de carbono y nitruro metálico.