專利名稱：機(jī)械密封件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械密封件及其制造方法，尤其而言涉及一種具有復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械 密封件及其制造方法。
背景技術(shù)：
機(jī)械密封件被廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機(jī)、齒輪箱和攪拌機(jī)械等中的旋轉(zhuǎn)部件(如軸和相對(duì) 靜止的腔體結(jié)構(gòu)件)之間的密封，用于防止腔體內(nèi)的介質(zhì)泄漏到外界。舉例而言，密封環(huán)是 實(shí)現(xiàn)上述密封功能的關(guān)鍵部件之一。根據(jù)機(jī)械密封件的一種典型構(gòu)造，兩個(gè)密封環(huán)在軸向壓 力下相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其高度平整光潔的端面在滑動(dòng)中保持非常小的間隙，從而使滑動(dòng)面之間的介 質(zhì)泄漏量降低到非常小的程度而達(dá)到密封的目的。大部分情況下，機(jī)械密封的失效是由于密 封環(huán)的表面形態(tài)受到破環(huán)使得運(yùn)行時(shí)的間隙變大形成明顯泄漏通道引起的。由于密封環(huán)在使 用中要承受大的正壓力和高的切向速度，密封環(huán)材料的摩擦和磨損特性在對(duì)于密封件的使用 壽命有決定性影響。
提高密封環(huán)材料的摩擦和磨損特性通常有以下幾種途徑
1) 使用高硬度高耐磨的硬質(zhì)材料，例如氧化鋁，碳化硅陶瓷和碳化鎢硬質(zhì)合金等。這些 材料在良好潤(rùn)滑條件下一般具有良好的耐磨性能。在密封應(yīng)用中，所密封的液體或氣體往往 就是唯一的潤(rùn)滑介質(zhì)，但它們不一定是良好的潤(rùn)滑劑。在這種情況下，密封環(huán)摩擦面之間不 能形成良好的穩(wěn)定的潤(rùn)滑液膜。在機(jī)器啟動(dòng)階段，介質(zhì)可能需要一段時(shí)間才能到達(dá)密封面， 摩擦面短時(shí)間內(nèi)會(huì)處于干磨狀態(tài)。另外在不穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，潤(rùn)滑液膜也可能會(huì)因?yàn)檫^熱 蒸發(fā)而暫時(shí)消失。在以上這些潤(rùn)滑不佳的工作狀況下，氧化鋁，碳化硅陶瓷和碳化鎢硬質(zhì)合 金等硬質(zhì)材料的磨損很快，嚴(yán)重降低密封件的使用壽命。此外，這些硬質(zhì)材料的斷裂韌性較 低。在收到熱震和機(jī)械力沖擊下容易開裂和崩角，造成失效。
2) 開發(fā)具有自潤(rùn)滑特性的體材料。具體做法是往碳化硅和其他陶瓷材料的原料中添加石 墨、氮化硼等具有自潤(rùn)滑性的惰性顆粒，這些顆粒通過燒結(jié)制備的體材料中呈現(xiàn)為分散的游 離相，有助于降低整體摩擦系數(shù)。但這些相的存在會(huì)降低體材料的力學(xué)性能特別是斷裂韌性。
3) 在碳化硅陶瓷和碳化鎢硬質(zhì)合金的表面鍍膜。有文獻(xiàn)報(bào)道類金剛石膜顯著降低了碳化 硅密封環(huán)的表面摩擦系數(shù)，提高了其耐磨性。
4) 采用熱噴涂技術(shù)，例如等離子噴涂技術(shù)來增強(qiáng)基體的耐磨性和抗腐蝕能力。在機(jī)械密
4封領(lǐng)域，氧化鉻和硬質(zhì)合金涂覆的密封環(huán)己有廣泛應(yīng)用。但這些涂覆層本身不具有自潤(rùn)滑性， 因此在無外界潤(rùn)滑和潤(rùn)滑不佳時(shí)的磨損相當(dāng)嚴(yán)重，造成快速失效。

發(fā)明內(nèi)容
由此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種具有層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封件。該機(jī)械密封 件尤其適用于改善經(jīng)常處于邊界潤(rùn)滑和非穩(wěn)定潤(rùn)滑的工況，并且改善了處于上述工況下的密 封件的使用壽命。在上述的邊界潤(rùn)滑和非穩(wěn)定潤(rùn)滑的工況下，由于缺乏穩(wěn)定潤(rùn)滑液膜，密封 面經(jīng)常處于直接對(duì)磨狀態(tài)，從而造成快速磨損并隨之產(chǎn)生大量熱量。由于缺乏潤(rùn)滑液的冷卻 作用和密封件材料本身相對(duì)較低的熱導(dǎo)率，摩擦產(chǎn)生的熱量無法快速消散，產(chǎn)生的熱應(yīng)力可 能造成傳統(tǒng)上整體由陶瓷或硬質(zhì)合金制成的密封件的開裂而使密封壽命大為縮短。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種機(jī)械密封件。該機(jī)械密封件包括金屬基體；具有多 個(gè)微孔的涂層，形成于該金屬基體表面上，該涂層的材料選自陶瓷或硬質(zhì)合金；和耐磨層， 形成于該涂層上且具有自潤(rùn)滑性。
優(yōu)選地，該金屬基體的材料選自鑄鐵，碳鋼，不銹鋼，耐蝕合金。優(yōu)選地，該微孔的尺 寸可以介于20-200 pm之間。該涂層的孔隙率可以為4W —12%。該涂層的厚度可以為0.1 mm 一3mm。該涂層的材料可以選自SiC、 Si3N4、 A1203、 CrOx、 SiA10N、 WC、 TiC、自熔合金 及其組合。
優(yōu)選地，該耐磨層的材料可以選自合金碳膜、類金剛石膜、TiN、 TiCN、 TiAlN、 TiAlCN 及其組合的單層膜或多層膜。該耐磨鍍膜層的厚度可以為l一10nm。
由于該金屬基體容易加工成復(fù)雜形狀且具有良好的強(qiáng)度和斷裂韌性，與傳統(tǒng)上整體由陶 瓷或硬質(zhì)合金制成的密封件相比，提高了密封件的抗沖擊性和斷裂韌性。另外，具有多個(gè)微 孔的涂層提供了高硬度的耐磨涂層，而且在該微孔中可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑液，有助于在摩擦面之間 維持穩(wěn)定潤(rùn)滑液膜，從而大大降低了密封件工作時(shí)的潤(rùn)滑失效。該涂層的多個(gè)微孔可以彼此 隔離，從而防止儲(chǔ)存在微孔中的潤(rùn)滑液泄漏。具有自潤(rùn)滑性的耐磨層降低了摩擦面的庫擦系 數(shù)，在無潤(rùn)滑(干摩擦)和潤(rùn)滑不佳狀態(tài)下，可以顯著延緩磨面失效的發(fā)生。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件的結(jié)構(gòu)平面示意圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；'
圖3為作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件的示例1的機(jī)械密封環(huán)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖;以及
圖4為作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件的示例2的機(jī)械密封環(huán)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將參考附圖通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。為了示出的方便，附圖并未按照比 例繪制。
首先參考圖1和2描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件及其形成方法。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例的機(jī)械密封件包括金屬基體1 、和依次形成于金屬基體1上的具有多個(gè)微孔3的涂層2 和具有自潤(rùn)滑性的耐磨層4。
金屬基體l的材料可以是任何適合工況T耐腐蝕要求的金屬材料，例如鑄鐵、碳鋼、不 銹鋼、耐蝕合金等。如果所應(yīng)用工況的溫度變化范圍較大，金屬基體1材料的選用應(yīng)注意和 形成于其上的涂層2的熱膨脹系數(shù)的匹配。金屬基體l的形狀設(shè)計(jì)可根據(jù)具體應(yīng)用，厚度沒 有限制。金屬基體1和涂層2的界面可以按照需要用機(jī)械加工或噴砂處理提高粗糙度以增加 結(jié)合強(qiáng)度。
涂層2通常為陶瓷或硬質(zhì)合金膜，其材料可以選自氧化鋁、氧化鉻、碳化硅、碳化鎢、 自熔合金等硬質(zhì)涂層。該涂層2的厚度范圍為0.1-3mm,更優(yōu)選在0.4-1 mm之間。該涂層2 例如可以采用熱噴涂方法形成。根據(jù)涂層材料的不同，熱噴涂方法可以選自乙炔氧火焰噴涂， 高速火焰噴涂、等離子噴涂等。為了提高涂層2與金屬基體1的結(jié)合強(qiáng)度,可以對(duì)涂層2進(jìn)行 重熔處理。涂層2的表面可以研磨至密封面所需的平面度，通常為l-3條氦光干涉光帶。該 涂層2的表面硬度可以達(dá)到或接近同類體材料的硬度，從而為在其上形成的自潤(rùn)滑耐磨層3 提供必須的剛性基體并且在自潤(rùn)滑耐磨層失效時(shí)充當(dāng)摩擦面。
涂層2中的多個(gè)微孔3可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑介質(zhì)(例如被密封的液體)，有助于在摩擦面之間 維持穩(wěn)定潤(rùn)滑液膜，從而大大降低了密封件工作時(shí)的潤(rùn)滑失效。微孔3的尺寸(例如直徑) 可以為20-200微米。微孔太小則無法儲(chǔ)存足夠的液體，微孔太大則會(huì)增加與其配對(duì)的摩擦副 材料的磨損。為防止形成泄漏通道，這些微孔可以相互隔離而不聯(lián)通。傳統(tǒng)的涂層設(shè)計(jì)通常 以高致密度為目標(biāo)，其配方和工藝都著重于降低涂層的空隙率。對(duì)于無法避免的一些孔隙和 空洞，往往在噴涂完成后增加一道封孔工藝，用金屬或高分子予以封閉。然而，在本發(fā)明的 實(shí)施例中，則通過制造尺寸和分布受到控制的微孔結(jié)構(gòu)來提高密封件的使用壽命。
涂層2中的多個(gè)微孔3可以通過各種方法形成，例如在熱噴涂工藝中通過控制涂層原料 的顆粒尺寸分布，顆粒飛行速度和溫度等參數(shù)，使噴涂的顆粒在堆積和致密化過程形成具有合適尺寸的氣孔。通過這種方法引入的微孔分散于整個(gè)涂層厚度中，其分布密度可以用尺寸 分布函數(shù)和宏觀孔隙率來衡量。例如，微孔的尺寸可以為20-200微米，優(yōu)選為50-100微米。 宏觀孔隙率優(yōu)選為4-12%?？紫堵实陀?%則在摩擦面上分布的微孔數(shù)目太少而對(duì)潤(rùn)滑特性影 響不大。孔隙率大于12%則微孔會(huì)形成聯(lián)通的空隙并且嚴(yán)重降低涂層的斷裂強(qiáng)度。
另外，微孔3也可以是通過往涂層的原料中添加尺寸在20-200微米之間的具有揮發(fā)性的 金屬或有機(jī)物粒子來引入。這些粒子在高溫下分解揮發(fā)，留下合適尺寸的空澗。這種方法的 優(yōu)點(diǎn)是微孔的尺寸形狀密度可以預(yù)先設(shè)置，因此所制備的涂層2的一致性好。
微孔3還可以在涂層形成之后，通過機(jī)械打孔、化學(xué)蝕刻或激光燒蝕等方法在涂層2的 表面上制造。這樣引入的微孔僅僅在涂層表面，不會(huì)對(duì)涂層的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。
具有自潤(rùn)滑性的耐磨層4的材料可以例如選自合金碳膜、類金剛石膜、TiN、TiCN、TiAlN、 TiAlCN等單層膜或多層膜等。耐磨層4的厚度可以為1-10微米，優(yōu)選為2-5微米。相對(duì)于 涂層2，耐磨層4的厚度很小。對(duì)于涂層2的表面上存在的10微米以上直徑的微孔3，耐磨 層4無法將其覆蓋，如圖1所示。耐磨層4可以例如由化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積(例如 等離子體輔助氣相沉積)方法在經(jīng)研磨清潔后的涂層2的表面上形成。為提高該耐磨層4的 結(jié)合力，根據(jù)材料不同可以引入過渡層(未顯示)。耐磨層4具有高硬度和自潤(rùn)滑性，可有效 降低摩擦系數(shù)。在無潤(rùn)滑(干摩擦)和潤(rùn)滑不佳狀態(tài)下，耐磨層4的存在可以顯著延緩磨面 失效的發(fā)生。
以下描述作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)械密封件的具體示例的機(jī)械密封環(huán)。 示例1
如圖3所示，根據(jù)示例1的密封環(huán)的外形尺寸為48 mm,總厚度為11 mm。金屬基體1 為304不銹鋼，其厚度為10 mm。在該金屬基體1的表面噴砂處理后，進(jìn)行等離子熱噴涂以 形成碳化硅涂層2，其厚度為lmm。涂層的孔隙率5.3%，表面氣孔尺寸在200微米以下。涂 層2的表面經(jīng)研磨處理后用物理氣相沉積方法形成合金碳膜4，其膜厚3微米。該合金碳層4 表面的光潔度小于2.3微米，不需拋光可以直接用于密封面。該合金碳膜4封閉了碳化硅涂 層2表面原有的小部分10微米以下的微孔。
此密封環(huán)可以用做壓縮機(jī)的機(jī)械密封靜環(huán)。與其配對(duì)的動(dòng)密封環(huán)材質(zhì)為碳石墨。密封 介質(zhì)為氟里昂，工作溫度為-20到80'C。該工況下，由于負(fù)壓作用和氟里昂容易蒸發(fā)的特點(diǎn)， 密封摩擦面周期性處于邊界潤(rùn)滑和潤(rùn)滑不足狀態(tài)。與傳統(tǒng)的高鎳鑄鐵密封靜環(huán)相比，根據(jù)本
發(fā)明的實(shí)施例的該密封環(huán)的工作壽命提高3倍左右。示例2
如圖4所示，根據(jù)示例2的機(jī)械密封環(huán)的外形尺寸63.5 mm,總厚度23 mm。金屬基體1 為超級(jí)奧氏體不銹鋼904L，其厚度22mm。在該金屬基體1的表面噴砂處理后，進(jìn)行高速火 焰噴涂以形成含50%碳化鎢的自融合金涂層2，其厚度為l mm。涂層2的孔隙率為4%,表 面氣孔尺寸在200微米以下。涂層2的表面經(jīng)研磨處理后用磁控濺射物理氣相沉積方法形成 TiAlN膜，其膜厚為4微米。鍍膜后涂層2的表面大部分微孔直徑在40-120微米之間。
此密封環(huán)可以用做化學(xué)泥漿泵的機(jī)械密封靜環(huán)。與其配對(duì)的動(dòng)密封環(huán)材質(zhì)為整體鈷基碳 化鵒硬質(zhì)合金。密封介質(zhì)為含顆粒腐蝕性漿料。在泵的啟動(dòng)階段，介質(zhì)要大約30-60秒后才 能到達(dá)密封環(huán)處。在這段時(shí)間，密封基本處于無潤(rùn)滑狀態(tài)。采用傳統(tǒng)材料的密封環(huán)，開機(jī)數(shù) 分鐘密封環(huán)即失效。采用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封環(huán)后，泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)200小時(shí)該密封環(huán)仍 無明顯泄漏。
雖然參考其實(shí)施例具體顯示和描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在
不脫離由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出形式和細(xì)節(jié)上的不同變 化，而這些變化將落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1、一種機(jī)械密封件，包括金屬基體；具有多個(gè)微孔的涂層，形成于該金屬基體表面上，該涂層的材料選自陶瓷或硬質(zhì)合金；和耐磨層，形成于該涂層上且具有自潤(rùn)滑性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械密封件，其中在該微孔中儲(chǔ)存有潤(rùn)滑液。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該涂層的多個(gè)微孔彼此隔離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該微孔的尺寸介于20-200 ,之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該涂層的孔隙率為4% — 12%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該涂層的厚度為0.1mm—3mm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該涂層的材料選自SiC、 Si3N4、 A1203、 CrOx、 SiA10N、 WC、 TiC、自熔合金及其組合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該耐磨層的材料選自合金碳膜、類金剛 石膜、TiN、 TiCN、 TiAlN、 TiAlCN及其組合的單層膜或多層膜。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該耐磨膜層的厚度為l一10^tm。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械密封件，其中該金屬基體的材料選自鑄鐵、碳鋼、 不銹鋼和耐蝕合金。
11、 一種機(jī)械密封件的制造方法，包括 制備金屬基體；在該金屬基體上形成具有多個(gè)微孔的涂層，該涂層的材料選自陶瓷或硬質(zhì)合金；和 在該涂層上形成具有自潤(rùn)滑性的耐磨層。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中形成具有多個(gè)微孔的涂層包括使用涂層原料的熱噴涂方法。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該熱噴涂方法選自乙炔氧火焰噴涂、高速火焰噴 涂、等離子噴涂。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該微孔通過在該熱噴涂方法中控制選自該涂層原 料的顆粒尺寸分布，顆粒飛行速度和噴涂溫度的參數(shù)，使該涂層原料的顆粒在堆積和致密化 過程中形成具有合適尺寸的氣孔而形成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該微孔通過在該涂層原料中添加高溫下可揮發(fā)的 顆粒并在該熱噴涂方法中使該顆粒揮發(fā)而形成。
16、 根據(jù)權(quán)利要求li所述的方法，其中該微孔在涂層形成之后通過機(jī)械打孔、化學(xué)蝕刻 或激光燒蝕方法在涂層的表面形成。
17、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中形成該耐磨層的方法選自化學(xué)氣相沉積或物理氣 相沉積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械密封件及其制造方法。該機(jī)械密封件包括金屬基體，具有多個(gè)微孔的涂層，形成于該金屬基體表面上，該涂層的材料選自陶瓷或硬質(zhì)合金；和耐磨層，形成于該涂層上且具有自潤(rùn)滑性。根據(jù)本發(fā)明，大大降低了密封件工作時(shí)的潤(rùn)滑失效。
文檔編號(hào)F16J15/16GK101603595SQ20081003872
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日
發(fā)明者王樹昕 申請(qǐng)人:寧波安密密封件有限公司