CN101603595B

CN101603595B - 机械密封件及其制造方法

Info

Publication number: CN101603595B
Application number: CN 200810038726
Authority: CN
Inventors: 王树昕
Original assignee: NINGBO ANMI SEALING PARTS CO Ltd
Current assignee: NINGBO ANMU SEALING TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: CN101603595A

Abstract

本发明公开了一种机械密封件及其制造方法。该机械密封件包括：金属基体，具有多个微孔的涂层，形成于该金属基体表面上，该涂层的材料选自陶瓷或硬质合金；和耐磨层，形成于该涂层上且具有自润滑性。根据本发明，大大降低了密封件工作时的润滑失效。

Description

机械密封件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种机械密封件及其制造方法，尤其而言涉及一种具有复合层状结构的机械密封件及其制造方法。

背景技术

机械密封件被广泛应用于泵、压缩机、齿轮箱和搅拌机械等中的旋转部件(如轴和相对静止的腔体结构件)之间的密封，用于防止腔体内的介质泄漏到外界。举例而言，密封环是实现上述密封功能的关键部件之一。根据机械密封件的一种典型构造，两个密封环在轴向压力下相对转动，其高度平整光洁的端面在滑动中保持非常小的间隙，从而使滑动面之间的介质泄漏量降低到非常小的程度而达到密封的目的。大部分情况下，机械密封的失效是由于密封环的表面形态受到破环使得运行时的间隙变大形成明显泄漏通道引起的。由于密封环在使用中要承受大的正压力和高的切向速度，密封环材料的摩擦和磨损特性在对于密封件的使用寿命有决定性影响。

提高密封环材料的摩擦和磨损特性通常有以下几种途径：

1)使用高硬度高耐磨的硬质材料，例如氧化铝，碳化硅陶瓷和碳化钨硬质合金等。这些材料在良好润滑条件下一般具有良好的耐磨性能。在密封应用中，所密封的液体或气体往往就是唯一的润滑介质，但它们不一定是良好的润滑剂。在这种情况下，密封环摩擦面之间不能形成良好的稳定的润滑液膜。在机器启动阶段，介质可能需要一段时间才能到达密封面，摩擦面短时间内会处于干磨状态。另外在不稳定的工作状态下，润滑液膜也可能会因为过热蒸发而暂时消失。在以上这些润滑不佳的工作状况下，氧化铝，碳化硅陶瓷和碳化钨硬质合金等硬质材料的磨损很快，严重降低密封件的使用寿命。此外，这些硬质材料的断裂韧性较低。在收到热震和机械力冲击下容易开裂和崩角，造成失效。

2)开发具有自润滑特性的体材料。具体做法是往碳化硅和其他陶瓷材料的原料中添加石墨、氮化硼等具有自润滑性的惰性颗粒，这些颗粒通过烧结制备的体材料中呈现为分散的游离相，有助于降低整体摩擦系数。但这些相的存在会降低体材料的力学性能特别是断裂韧性。

3)在碳化硅陶瓷和碳化钨硬质合金的表面镀膜。有文献报道类金刚石膜显著降低了碳化硅密封环的表面摩擦系数，提高了其耐磨性。

4)采用热喷涂技术，例如等离子喷涂技术来增强基体的耐磨性和抗腐蚀能力。在机械密封领域，氧化铬和硬质合金涂覆的密封环已有广泛应用。但这些涂覆层本身不具有自润滑性，因此在无外界润滑和润滑不佳时的磨损相当严重，造成快速失效。

发明内容

由此，根据本发明的一方面，提供了一种具有层状复合结构的机械密封件。该机械密封件尤其适用于改善经常处于边界润滑和非稳定润滑的工况，并且改善了处于上述工况下的密封件的使用寿命。在上述的边界润滑和非稳定润滑的工况下，由于缺乏稳定润滑液膜，密封面经常处于直接对磨状态，从而造成快速磨损并随之产生大量热量。由于缺乏润滑液的冷却作用和密封件材料本身相对较低的热导率，摩擦产生的热量无法快速消散，产生的热应力可能造成传统上整体由陶瓷或硬质合金制成的密封件的开裂而使密封寿命大为缩短。

根据本发明的一方面，提供了一种机械密封件。该机械密封件包括：金属基体；具有多个微孔的涂层，形成于该金属基体表面上，该涂层的材料选自陶瓷或硬质合金；和耐磨层，形成于该涂层上且具有自润滑性。

优选地，该金属基体的材料选自铸铁，碳钢，不锈钢，耐蚀合金。优选地，该微孔的尺寸可以介于20-200μm之间。该涂层的孔隙率可以为4％-12％。该涂层的厚度可以为0.1mm-3mm。该涂层的材料可以选自SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、CrO_x、SiAlON、WC、TiC、自熔合金及其组合。

优选地，该耐磨层的材料可以选自合金碳膜、类金刚石膜、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN及其组合的单层膜或多层膜。该耐磨镀膜层的厚度可以为1-10μm。

由于该金属基体容易加工成复杂形状且具有良好的强度和断裂韧性，与传统上整体由陶瓷或硬质合金制成的密封件相比，提高了密封件的抗冲击性和断裂韧性。另外，具有多个微孔的涂层提供了高硬度的耐磨涂层，而且在该微孔中可以储存润滑液，有助于在摩擦面之间维持稳定润滑液膜，从而大大降低了密封件工作时的润滑失效。该涂层的多个微孔可以彼此隔离，从而防止储存在微孔中的润滑液泄漏。具有自润滑性的耐磨层降低了摩擦面的摩擦系数，在无润滑(干摩擦)和润滑不佳状态下，可以显著延缓磨面失效的发生。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的机械密封件的结构平面示意图；

图2为根据本发明的实施例的机械密封件的结构剖面示意图；

图3为作为根据本发明的实施例的机械密封件的示例1的机械密封环的结构剖面示意图；以及

图4为作为根据本发明的实施例的机械密封件的示例2的机械密封环的结构剖面示意图。

具体实施方式

现将参考附图通过实施例详细描述本发明的实施例。为了示出的方便，附图并未按照比例绘制。

首先参考图1和2描述根据本发明的实施例的机械密封件及其形成方法。根据本发明的实施例的机械密封件包括金属基体1、和依次形成于金属基体1上的具有多个微孔3的涂层2和具有自润滑性的耐磨层4。

金属基体1的材料可以是任何适合工况下耐腐蚀要求的金属材料，例如铸铁、碳钢、不锈钢、耐蚀合金等。如果所应用工况的温度变化范围较大，金属基体1材料的选用应注意和形成于其上的涂层2的热膨胀系数的匹配。金属基体1的形状设计可根据具体应用，厚度没有限制。金属基体1和涂层2的界面可以按照需要用机械加工或喷砂处理提高粗糙度以增加结合强度。

涂层2通常为陶瓷或硬质合金膜，其材料可以选自氧化铝、氧化铬、碳化硅、碳化钨、自熔合金等硬质涂层。该涂层2的厚度范围为0.1-3mm，更优选在0.4-1mm之间。该涂层2例如可以采用热喷涂方法形成。根据涂层材料的不同，热喷涂方法可以选自乙炔氧火焰喷涂，高速火焰喷涂、等离子喷涂等。为了提高涂层2与金属基体1的结合强度，可以对涂层2进行重熔处理。涂层2的表面可以研磨至密封面所需的平面度，通常为1-3条氦光干涉光带。该涂层2的表面硬度可以达到或接近同类体材料的硬度，从而为在其上形成的自润滑耐磨层3提供必须的刚性基体并且在自润滑耐磨层失效时充当摩擦面。

涂层2中的多个微孔3可以储存润滑介质(例如被密封的液体)，有助于在摩擦面之间维持稳定润滑液膜，从而大大降低了密封件工作时的润滑失效。微孔3的尺寸(例如直径)可以为20-200微米。微孔太小则无法储存足够的液体，微孔太大则会增加与其配对的摩擦副材料的磨损。为防止形成泄漏通道，这些微孔可以相互隔离而不联通。传统的涂层设计通常以高致密度为目标，其配方和工艺都着重于降低涂层的空隙率。对于无法避免的-些孔隙和空洞，往往在喷涂完成后增加一道封孔工艺，用金属或高分子予以封闭。然而，在本发明的实施例中，则通过制造尺寸和分布受到控制的微孔结构来提高密封件的使用寿命。

涂层2中的多个微孔3可以通过各种方法形成，例如在热喷涂工艺中通过控制涂层原料的颗粒尺寸分布，颗粒飞行速度和温度等参数，使喷涂的颗粒在堆积和致密化过程形成具有合适尺寸的气孔。通过这种方法引入的微孔分散于整个涂层厚度中，其分布密度可以用尺寸分布函数和宏观孔隙率来衡量。例如，微孔的尺寸可以为20-200微米，优选为50-100微米。宏观孔隙率优选为4-12％。孔隙率低于4％则在摩擦面上分布的微孔数目太少而对润滑特性影响不大。孔隙率大于12％则微孔会形成联通的空隙并且严重降低涂层的断裂强度。

另外，微孔3也可以是通过往涂层的原料中添加尺寸在20-200微米之间的具有挥发性的金属或有机物粒子来引入。这些粒子在高温下分解挥发，留下合适尺寸的空洞。这种方法的优点是微孔的尺寸形状密度可以预先设置，因此所制备的涂层2的一致性好。

微孔3还可以在涂层形成之后，通过机械打孔、化学蚀刻或激光烧蚀等方法在涂层2的表面上制造。这样引入的微孔仅仅在涂层表面，不会对涂层的力学性能产生影响。

具有自润滑性的耐磨层4的材料可以例如选自合金碳膜、类金刚石膜、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN等单层膜或多层膜等。耐磨层4的厚度可以为1-10微米，优选为2-5微米。相对于涂层2，耐磨层4的厚度很小。对于涂层2的表面上存在的10微米以上直径的微孔3，耐磨层4无法将其覆盖，如图1所示。耐磨层4可以例如由化学气相沉积或物理气相沉积(例如等离子体辅助气相沉积)方法在经研磨清洁后的涂层2的表面上形成。为提高该耐磨层4的结合力，根据材料不同可以引入过渡层(未显示)。耐磨层4具有高硬度和自润滑性，可有效降低摩擦系数。在无润滑(干摩擦)和润滑不佳状态下，耐磨层4的存在可以显著延缓磨面失效的发生。

以下描述作为根据本发明的实施例的机械密封件的具体示例的机械密封环。

示例1

如图3所示，根据示例1的密封环的外形尺寸为48mm，总厚度为11mm。金属基体1为304不锈钢，其厚度为10mm。在该金属基体1的表面喷砂处理后，进行等离子热喷涂以形成碳化硅涂层2，其厚度为1mm。涂层的孔隙率5.3％，表面气孔尺寸在200微米以下。涂层2的表面经研磨处理后用物理气相沉积方法形成合金碳膜4，其膜厚3微米。该合金碳层4表面的光洁度小于2.3微米，不需抛光可以直接用于密封面。该合金碳膜4封闭了碳化硅涂层2表面原有的小部分10微米以下的微孔。

此密封环可以用做压缩机的机械密封静环。与其配对的动密封环材质为碳石墨。密封介质为氟里昂，工作温度为-20到80℃。该工况下，由于负压作用和氟里昂容易蒸发的特点，密封摩擦面周期性处于边界润滑和润滑不足状态。与传统的高镍铸铁密封静环相比，根据本发明的实施例的该密封环的工作寿命提高3倍左右。

示例2

如图4所示，根据示例2的机械密封环的外形尺寸63.5mm，总厚度23mm。金属基体1为超级奥氏体不锈钢904L，其厚度22mm。在该金属基体1的表面喷砂处理后，进行高速火焰喷涂以形成含50％碳化钨的自融合金涂层2，其厚度为1mm。涂层2的孔隙率为4％，表面气孔尺寸在200微米以下。涂层2的表面经研磨处理后用磁控溅射物理气相沉积方法形成TiAlN膜，其膜厚为4微米。镀膜后涂层2的表面大部分微孔直径在40-120微米之间。

此密封环可以用做化学泥浆泵的机械密封静环。与其配对的动密封环材质为整体钴基碳化钨硬质合金。密封介质为含颗粒腐蚀性浆料。在泵的启动阶段，介质要大约30-60秒后才能到达密封环处。在这段时间，密封基本处于无润滑状态。采用传统材料的密封环，开机数分钟密封环即失效。采用根据本发明的实施例的密封环后，泵正常运转200小时该密封环仍无明显泄漏。

虽然参考其实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的不同变化，而这些变化将落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种机械密封静环，包括：

金属基体；

具有多个微孔的涂层，形成于该金属基体表面上，该涂层的材料选自陶瓷或硬质合金，在该涂层的摩擦面上分布有该微孔；和

耐磨层，形成于该涂层上且具有自润滑性，该耐磨层的材料选自合金碳膜、类金刚石膜、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN及其组合的单层膜或多层膜，

其中该涂层的厚度为0.1mm-3mm，该涂层的多个微孔彼此隔离。

2.根据权利要求1所述的机械密封静环，其中在该微孔中储存有润滑液。

3.根据权利要求1或2所述的机械密封静环，其中该微孔的尺寸介于20-200μm之间。

4.根据权利要求1或2所述的机械密封静环，其中该涂层的孔隙率为4％-12％。

5.根据权利要求1或2所述的机械密封静环，其中该涂层的材料选自SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、CrO_x、SiAlON、WC、TiC、自熔合金及其组合。

6.根据权利要求1或2所述的机械密封静环，其中该耐磨层的厚度为1-10μm。

7.根据权利要求1或2所述的机械密封静环，其中该金属基体的材料选自铸铁、碳钢、不锈钢和耐蚀合金。

8.一种机械密封静环的制造方法，包括：

制备金属基体；

在该金属基体上形成具有多个微孔的涂层，该涂层的材料选自陶瓷或硬质合金，在该涂层的摩擦面上分布有该微孔；和

在该涂层上形成具有自润滑性的耐磨层，该耐磨层的材料选自合金碳膜、类金刚石膜、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN及其组合的单层膜或多层膜，

其中该涂层的厚度为0.1mm-3mm，该涂层的多个微孔彼此隔离。

9.根据权利要求9所述的方法，其中形成具有多个微孔的涂层包括使用涂层原料的热喷涂方法。

10.根据权利要求10所述的方法，其中该热喷涂方法选自乙炔氧火焰喷涂、高速火焰喷涂、等离子喷涂。

11.根据权利要求10所述的方法，其中该微孔通过在该热喷涂方法中控制选自该涂层原料的颗粒尺寸分布，颗粒飞行速度和喷涂温度的参数，使该涂层原料的颗粒在堆积和致密化过程中形成具有合适尺寸的气孔而形成。

12.根据权利要求10所述的方法，其中该微孔通过在该涂层原料中添加高温下可挥发的颗粒并在该热喷涂方法中使该颗粒挥发而形成。

13.根据权利要求9所述的方法，其中该微孔在涂层形成之后通过机械打孔、化学蚀刻或激光烧蚀方法在涂层的表面形成。

14.根据权利要求9所述的方法，其中形成该耐磨层的方法选自化学气相沉积或物理气相沉积。