陶瓷包覆成型方法及通过该方法获得的复合元件的制作方法

专利名称：陶瓷包覆成型方法及通过该方法获得的复合元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可制作出特别适于处理和包装液体、膏状或粉状产品(尤其是食 品工业、制药工业和化学工业的产品)的复合陶瓷元件的方法。本发明还涉及通过此方法制作的元件。
背景技术：
具有高度技术性的陶瓷材料的优势是已知的高硬度，高机械强度，耐磨损性和耐 腐蚀性优良，低摩擦系数、低颗粒盐析率，低热膨胀率。注塑件的质量也取得了巨大的进步， 这使得可以制作出具有无与伦比的精密度和表面态的部件。另一方面，陶瓷是脆性材料，加 工非常困难。因此，常常将陶瓷与支架材料联合。本申请人因而对特别适于处理和包装液体或膏状产品(尤其是食品、化学和制药 工业中的产品)的馈给元件例如泵的制造进行了专门的研究。在根据现有技术的这些元件 中，用于泵元件的与液体、粉体或膏状产品接触的陶瓷通常与不锈钢联合，后者用作夹套对 联接泵与其它回路元件(法兰，耦合元件，把手等)的元件进行支撑。该联合尽管具有技术与工艺上的优势，但也并非没有限制。虽然以更小的公差 (微米级)工作是可能的，但事实上，在低于某一尺寸时，很难实现两个联合材料之间的紧 密接触。目前，在上面提及的工业中，避免能够卡住沉积物和/或生长微生物的空隙的形成 极其重要。卫生度和洁净度的要求对于生产安装有着直接的影响，生产安装还受到不断变 化的限制性法律规定的影响。因此，人们已致力于将陶瓷与其它材料联合以使得不同组件之间具有更紧密的接 触，同时人们还致力于降低制作成本，特别致力于陶瓷与聚合物材料的联合。然而，看来对用于液体、粉体或膏体产品的包装工业中的元件而言，部件要能够被 清洗、消毒和灭菌，而且还要能在相对低的温度下工作以免影响到待包装产品。因此，要求 这些馈给元件能够经受住温度变化，例如在食品工业中，从-KTC至140°C，这导致了对于 这样的材料联合来说，能够视为“极限”的应力。实践中，与期望与之联合的聚合物材料不 同，陶瓷以其非常低的膨胀系数(是要求它们具有高公差的证明)为特征。此外，在高温下， 聚合物材料尤其是热塑性塑料的机械性能特征显著降低。US 2003/0171817公开了联合了陶瓷部分和聚乙烯部分的股骨假肢。这样的一个 植入到人体的复合假肢，一点都不受巨大的温度差异的影响。还已知，FR-2683482描述了管状容器例如化妆用的玻璃或陶瓷小瓶，其上的带扩 散器的瓶塞通过包覆成型在颈部的聚合物材料的套子连接到该颈部上。颈部还设有轴向的 和止转的固定浮雕以使套子更好的固定在颈部上。这些颈部上的轴向的和止转的固定浮雕 优选包括纵向延伸的浮雕(条纹)和位于这些纵向浮雕下方的环形浮雕。JP-2000/309031描述了一种产品，其包括包覆了聚合物盘的由陶瓷制成的主体。 圆柱体与聚合物盘接触的表面包括凹槽，在该凹槽的边缘处形成缺口以增加所述产品的整 体阻力。
US-4309937描述了一种复合总泵，其包括由金属或陶瓷材料制成的圆柱形芯，该 芯上包覆了由塑料材料制成的夹套。圆柱形芯在其与夹套接触的表面设有环形凹槽以固定 夹套和阻止圆柱形芯的任何相对运动。然而，所有描述的产品均不受到极端的温度变化的影响，因此不会受陶瓷或金属 部分与聚合物部分之间的界面处由热膨胀率的高度差异导致的极度剪切力的影响。因而， 现有技术中描述的产品均不能经受住极端的热梯度和/或机械应力。因此，仍需要特别适于处理和包装液体，耐热并能够抵抗被施加的机械应力，可 靠，灵活，易于整体维护并且卫生的复合陶瓷元件。

发明内容
本发明的目的之一是向市场上提供一种由能够抵抗高温度差异的陶瓷制成的复 合液体包装元件，从而能够经受住温度在加工条件(在水的冰点附近)和原位清洗，以及特 别是灭菌的条件(100°c以上)之间的变化而不出问题。本发明的又一目的是在不用密封装置的情况下，使这些复合部件之间没有间隙。本发明的又一目的是使这些零件具有更长的寿命。本发明的又一目的是使这些零件能够用于制造食品、药品或化学品的方法中。本发明的主题是一种用于馈给液体和膏状或粉状产品的复合元件的构件，其具有 基本呈圆柱形、能够经受住热梯度和/或机械应力的外表面。该构件包括，相互之间同心排 列设置的-由陶瓷材料制成、设计为与液体接触的部分，其具有基本呈圆柱形的外表面；-由包覆在陶瓷材料制成的部分上的聚合物材料制成的支架。由陶瓷材料制成的部分具有位于其外侧面上的阻止该部分与支架之间的任何相 对运动并分散由于陶瓷和聚合物材料的膨胀系数之间的差异产生的张力的至少一个浮雕。 该至少一个浮雕包括在陶瓷部分的与由聚合物材料制成的支架接触的表面上延伸的至少 一个右螺旋凹槽和至少一个左螺旋凹槽。该包括至少一个右螺旋凹槽和至少一个左螺旋凹槽的至少一个浮雕，分散了工作 和清洗步骤中由陶瓷和聚合物材料的膨胀系数之间的差异产生的张力。应当注意到，视实 施方式不同，聚合物材料可能与被输送的产品接触，因此，它必须同时满足抗力和卫生标 准。根据第一优选实施方式，由陶瓷材料制成的部分为套形式的母部件，由聚合物材 料制成的支架形成包覆在该由陶瓷制成的套的外侧面的夹套。该构件为例如泵主体或嵌入 件。根据又一优选实施方式，由陶瓷材料制成的部分为圆柱形的公部件。由聚合物材 料制成的支架形成覆盖该圆柱形的部件的外侧面的一个端部的夹套。该构件为例如活塞。根据又一优选实施方式，浮雕进一步包括沿圆柱形部件的外侧面径向延伸的至少 一个凹槽。根据一个优选的实施方式，该至少一个周向槽设置在靠近由陶瓷制成的部分的 与由聚合物材料制成的支架接触的表面的至少一个端部的位置。根据一个优选的实施方式，浮雕高度在0. 25至0. 40mm之间。根据一个优选的实施方式，浮雕在陶瓷部分的与由聚合物材料制成的支架接触的
5大部分表面延伸。根据一个优选实施方式，浮雕通过机械加工制作。陶瓷材料优选为铝酸盐、氧化锆、氮化硅以及它们的化合物，例如Sialon 等。支架的聚合物优选自PPS、PPSU、PSU、PEEK、PET、PES、PVDF以及其它。优选地，陶瓷制成的与聚合物材料制成的支架相接触的部分的至少一端形成倒本发明的又一主题是一种馈给液体、膏状或粉状产品用的复合元件的构件的制造 方法，该构件具有基本呈圆柱形且能够经受住强热梯度和/或机械应力的外表面。该方法 包括如下操作-制备具有合适组分的混合物以获得在烘培后适于机械加工的陶瓷材料。该混合 物，具有糊状粘性，一般包括无机粉末和结合剂；-通过注塑或挤出该混合物制备具有基本呈圆柱形的外表面的保护部件；-在低温下(一般在600°级别)预烘培该保护部件；-粗车该保护部件；-制作至少一个包括在该保护部件的外侧表面延伸的至少一个右螺旋凹槽和至少 一个左螺旋凹槽的浮雕；-对该保护部件进行高温烧结以获得公差满足最终部件的要求和具有合适尺寸的 圆柱形陶瓷元件；-将该陶瓷元件预加热至适于与聚合物材料结合的温度；-将该陶瓷元件放入预加热的包覆成型模具中；-将聚合物材料注入到包覆成型模具中；以及-将包覆成型模具中获得的复合部件冷却和取出。根据一个优选的实施方式，该方法还包括对包覆成型获得的复合部件进行退火。根据一个优选的实施方式，在预烘培之后，通过机械加工在陶瓷元件上开凹槽。然 而，该凹槽的全部或部分还可以在模塑中或烧结元件之后制备。本发明的其它具体特征和优点，将在下面结合附图所作出的对本发明的具体实施 方式的详细描述中加以阐明，其中图Ia至Ie为现有技术中使用的组装陶瓷和金属元件的烧结方法的不同步骤的剖 视示意图；图If至5为母结构情况下，根据本发明可以将陶瓷和聚合物元件持久地联合包覆 成型的方法的不同步骤的剖视示意图；图6至10为公结构情况下类似于

图1至5的图；图11和12为比较在箍紧和包覆成型情况下施加于陶瓷元件上的相互应力的剖视 图；图13和14分别为图11和12的局部的剖视示意图；图15为用于根据本发明的包覆成型方法中的母陶瓷元件的正视图；图16为图15的元件沿XVI-XVI平面的剖视图；图17为显示了凹槽深度与聚合物-陶瓷界面抗撕裂力之间的关系的曲线图。上述图并非是按比例绘制的。通常，类似的元件在图中用类似的标号表示。
具体实施例方式图Ia至Ie给出了先前(现有技术)开发的用于组装陶瓷和金属元件以制作能够 满足包装工业推行的约束条件的复合部件的箍紧方法的各步骤。图Ib显示了由陶瓷2制成的呈套状的元件，定义为“母”元件。陶瓷的性质使得 这样的元件对于形成用于包装液体、膏状或粉状产品的泵室的内套是理想的。然而，实际 上，该套就其本身而言无法使用，因为在不损坏的情况下，将其与回路的其它部件连接是极 其困难的。一个解决方案是将其设置于由不锈钢制成的圆柱体4中，如图Id所示。在该圆 柱体4上，通过不同的已知方法(焊接、钎焊、铸模)能够设置各种另外的附件(为了清楚 的目的没有显示)。对该圆柱体4内部机械加工，从而其内径与套2的直径大体上一致。将 它加热以增加其直径(图Ic)，并将套插入其中(图Id)。待冷却后，圆柱体4的直径的收 缩将由陶瓷制成的套2紧紧地维持在适当位置(图Ie)。显然，对加热条件、金属的成分、温 度等进行计算以获得两组件之间的最好连接。图If至5显示了本发明的包覆成型方法。根据前面描述的方法制造后，由根据本 发明的陶瓷制成的套6(图If)首先被预加热以达到适于所选择的聚合物材料的注入的温 度。该初始步骤很重要，因为包括聚合物的温度和模具元件的温度在内的不同元件之间的 温度差异能够导致在材料内产生张力。套在套穿于金属芯12(图3)上后放入分两部分8， 10且同样被预加热的钢材质的注入模具中。将聚合物材料注入到模具8，10的两部分，芯12以及套6之间的空隙中(图4)。 图5显示了终态下的套6 聚合物材料冷却，收缩，形成了向陶瓷套6施加使两元件紧密连 接的压力的夹套14。为了分散模塑中产生的一些张力，一般在该阶段对复合部件实施退火， 这本身对于聚合物来说是不寻常的操作。现在，存在能够经受住高热应力而不变形的陶瓷 元件，其能够用作例如馈给泵的腔室，耦合元件(嵌入件)，饮料分配器的主体等。图6至10表明，该方法对于圆柱形的公元件同样适用。此处，使用了由陶瓷制成 的实心圆柱体16。该圆柱体16，在经过预加热(图6)之后，被放置到预加热的模具中(图
7)，模具在本例中为由两部分18，20形成，且在圆柱体16的一个端部的周围留有空隙(图
8)。将聚合物材料注入到模具中(图9)。经过冷却和移除模具，圆柱体16的端部装配了 套筒22(图10)，这使得它在经过前述的退火之后，除了别的之外，可以将它用作如图If至 5所显示制造的泵主体的活塞。通过粘附力和围绕在圆柱体16外的套筒22的收缩产生的 压力将活塞的两元件连接。显然，在实践中，根据待制作部件(夹套14，套筒22)的复杂性，这里表示为两部分 的模具可以包括不确定数量的固定或移动部分。图11和12突出强调了本领域一般技术人员在从基于箍紧的连接方法变换到基于 包覆成型的连接方法所面临的关键问题之一在箍紧情况下(图11)，在图IC显示的预加 热步骤中，足以选择一个远高于复合部件的最高操作温度的温度以消除套2与它的夹套6 之间相分离的风险。显然，在该明示条件下，设计套2和夹套4以使得永久经受住界面施加 的压力。此外，夹套的金属通常选择具有尽可能低的膨胀系数以使它尽可能地接近陶瓷的 特性。在包覆成型的情况下(图12)，存在显然更复杂的问题。尽管看到套6和夹套14之间有良好的粘附系数，但是聚合物材料施加在套管上的压力非常小，尤其是，聚合物材料 所具有的剪切阻力与金属的剪切阻力一点都不相似。图13和14显示了图11和12的陶瓷-金属与陶瓷-聚合物的界面的宏观尺度的 视图。在箍紧的情况下(图13)，相接触的表面粗糙且不规则，这显然有助于提高两部件之 间的结合，但也界定了一个残渣和杂质能够进入的间隙。特别是对制药或食品工业来说，这 些间隙构成了真正的微生物培养基地，只有通过增加密封或填充材料才能避免，然而这又 是需避免的方案，因为它们常常不稳定或不可靠。在包覆成型的情况下(图14)，聚合物材 料本身形成重嵌装置，只要两个零件保持连接，即能保证绝对的卫生。解决方案在于对表面材料的明智选择和对特殊的陶瓷-聚合物界面的非显而易 见的制作，图15和16显示了它的一个代表性实施方式。由于将材料简单的并置必然会导致张力和复合部件内的相对运动，一个选择是在 界面上设置浮雕，其一方面，阻止任何相对运动，另一方面足够均勻地分散所产生的张力从 而避免部件之间的分离和出现裂缝。根据本发明，如图15和16所示，在经过预烘培之后，对由陶瓷制成的部件6进行 机械加工以形成沿其外壁的一系列浮雕。这些浮雕同时沿着长度方向和径向延伸从而形成 螺旋凹槽24。根据本发明，这些凹槽24中的一些为右旋的，其它的为左旋的，从而形成沿着 几乎所有将与包覆成型的夹套相接触的壁的交织。显然，这些凹槽的作用是用以保证元件6和14的相互结合，但最为重要的是，如上 面所解释的，是用以分散施加于聚合物材料上、由陶瓷和聚合物材料的膨胀系数之间的差 异以及出现的温度梯度所产生的张力。在本发明文中，申请人意外地发现该至少一个包括至少一个右螺旋凹槽和至少一 个左螺旋凹槽的浮雕尤其能够有效地分散由陶瓷和聚合物材料之间的膨胀系数之间的差 异产生的张力。根据图15显示本发明的优选实施方式，陶瓷制成的部件6还包括设置在接近套的 端部的周向凹槽26。基于不同凹槽几何结构(24和26)、不同凹槽深度、不同凹槽密度(每cm的凹槽 数)和不同聚合物类型的测试零件，以及在不存在任何凹槽网络时，测量了陶瓷-聚合物复 合元件的抗热冲击性能和抗撕裂性能。参见图17，抗撕裂测试的结果使得可以证明在没有凹槽时或在凹槽不超过 0. Imm时(曲线A)，发现了两组件之间的快速分离和/或聚合物中的裂缝，证明了非常局 部的张力的存在。更重要地，图17的结果表明当凹槽的形状为根据本发明的螺旋形(曲 线C)时，亦即包括至少一个右螺旋凹槽和至少一个左螺旋凹槽，两组件之间的抗脱落性高 (相对位移小，以_计，使用几个牛顿的力)，而在环形的凹槽(曲线A和B)的情况下，发 现了两组件之间的相对快速的分离。此外，还发现，凹槽的深度增加到0.25mm(曲线B)或甚至0.4mm(曲线C)，和提高 它们的密度也具有有益的效果两材料保持完美的结合。然而，加深凹槽的深度和提高它 们的密度的好处也并非不受限制超过临界值时(区域D)，增加凹槽的尺寸导致假性现象 (过厚的聚合物薄膜产生对凹槽不均一、不完整的填充)的出现，这使结果变差。对张力的分析还显示了自相矛盾的效果，然而，这的确证实了当前的分析正如可
8以合理预料到的，出现在陶瓷_聚合物界面对组件的相对固定有利的尖角(如US-4309937 所示)远非是有利效果的原因。相反，它具有不利的效果，因为它导致在这些尖角周围的聚 合物的应力集中，这降低了观察到的工作特性。因此在模塑凹槽和界面的所有部分时，要注 意尽可能向两个表面之间的每个过渡提供倒圆角，圆的边缘或倒角28。应了解，本领域的一般技术人员不会自动想到对由陶瓷(一种特别硬、脆且易碎 的材料)制成的零件进行机械加工的方案，因此采取的该方案绝非显而易见的。此外，对于本领域的一般技术人员来说，很显然本发明不限于显示和描述在上文 中的实施例。已结合具有仅是示意性而不应理解为限制性的具体的实施方式描述了本发 明。尤其应当注意，界面的浮雕的成型，在这里在粗车阶段通过机械加工制作，可以在 模塑阶段制作，和/或至少在最终烘培后补充机械加工。然而，在实践中，通过模塑成型由 陶瓷制成的部分意味着相对较高的投入，因为需要使用复杂的包括大量移动部件的模具。 此外，需要考虑研磨预烘培的保护部件的中间操作。这样的投入只有在生产非常大量的相 同部件时才具有成本效益，而这在本领域中并不常见。在研磨之后制备浮雕可以避免在极 其硬的材料上工作，这需要长的加工时间，显然这样是非常昂贵的，但是必须考虑到这样的 事实尽管存在可供使用的金刚石_尖端工具，保护部件在此刻非常脆弱，废部件的数量相 对较高。
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权利要求
用于馈给液体、膏状或粉状产品的复合元件的构件，具有基本呈圆柱形、能够经受住热梯度和/或机械应力的外表面，其包括相互之间同心设置的-由陶瓷材料制成、设计为与液体接触的部分(6，16)，其具有基本呈圆柱形的外表面；-由包覆成型在所述由陶瓷材料制成的部分(6，16)上的聚合物材料制成的支架(14，22)，其特征在于所述由陶瓷材料制成的部分(6，16)具有位于其外侧面上的阻止该部分与所述支架之间的任何相对运动并分散由所述陶瓷和聚合物材料的膨胀系数之间的差异而产生的张力的至少一个浮雕(24)，该至少一个浮雕(24)包括在所述陶瓷部分的与所述由聚合物材料制成的支架接触的表面上延伸的至少一个右螺旋凹槽(24)和至少一个左螺旋凹槽(24)。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于所述由陶瓷材料(6，16)制成的部分为呈 套(6)状的母部件，所述由聚合物材料制成的支架形成包覆成型在该由陶瓷制成的套(6) 的外侧面上的夹套(14)。
3.根据权利要求2所述的构件，其特征在于该构件为泵主体或嵌入件。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于所述由陶瓷材料制成的部分(6，16)为圆 柱形的公部件(16)，所述由聚合物材料制成的支架形成覆盖在该圆柱形的公部件(16)的 所述外侧面的一个端部上的夹套(22)。
5.根据权利要求4所述的构件，其特征在于该构件为活塞。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于它还包括至少一个设置在 接近所述由陶瓷制成的部分的与所述由聚合物材料制成的支架相接触的表面的至少一个 端部上的周向凹槽(26)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于所述至少一个浮雕(24)通 过机械加工除去材料形成。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于所述至少一个浮雕(24)的 高度在0. 25至0. 40mm之间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于所述陶瓷材料选自铝酸 盐、氧化锆、氮化硅以及它们的化合物。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于所述支架的聚合物选自 PPS、PPSU、PSU、PEEK、PET、PES、PVDF0
11.根据前述权利要求中的任一项所述的构件，其特征在于所述由陶瓷制成的与所 述由聚合物材料制成的支架相接触的部分(6，16)的至少一端形成倒角。
12.馈给液体、膏状或粉状产品用的复合元件的构件的制造方法，该构件具有基本呈圆 柱形且能够经受住热梯度和/或机械应力的外表面，其特征在于该方法包括如下操作-制备具有合适组分的混合物以获得在烘培后适于机械加工的陶瓷材料；-通过模塑或挤出该混合物制备具有基本呈圆柱形的外表面的保护部件；-在低温下预烘培该保护部件；-粗车该保护部件；-制作至少一个包括在该保护部件的外侧表面延伸的至少一个右螺旋凹槽和至少一个 左螺旋凹槽的浮雕(24)；-对该保护部件进行高温烧结以获得具有合适尺寸的陶瓷元件(6，16)； -将该陶瓷元件预加热至适于与聚合物材料结合的温度； -将该陶瓷元件放入预加热的包覆成型模具中； _将聚合物材料注入到所述包覆成型模具中；以及 -将所述包覆成型模具中获得的复合部件冷却和取出。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于所述陶瓷元件的外侧面上的浮雕 在所述保护部件在低温预烘培后被粗车时，通过机械加工制作。
14.根据权利要求12或13所述的制造方法，其特征在于它还包括对包覆成型获得的 所述复合部件进行退火的操作。
15.根据权利要求12至14中的一项所述的制造方法，其特征在于在所述模塑阶段预 形成和/或在高温烧结之后机械加工所述浮雕。
全文摘要
用于馈给液体和膏状产品的元件的构件，该构件呈圆柱状或套状并能够经受住大的温度转变，其包括相互之间同心设置的由陶瓷材料制成、设计为与液体接触的部分(6，16)和由包覆成型在所述由陶瓷材料制成的部分(6，16)上的聚合物材料制成的支架(14，22)。所述由陶瓷材料制成的部分(6，16)具有位于其外侧面上的阻止该部分与所述支架之间的任何相对运动并分散由高的温度差所产生的张力的至少一个浮雕(24)，该至少一个浮雕(24)包括在所述陶瓷部分的与所述由聚合物材料制成的支架接触的表面上延伸的至少一个右螺旋凹槽和至少一个左螺旋凹槽。
文档编号B29C45/14GK101883678SQ200880119742
公开日2010年11月10日 申请日期2008年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者弗朗克伊斯·吉犹坦, 阿尔多·鲁法尔迪 申请人:N.C.A.技术公司