CN103261760B - 具有便宜的金刚石覆层的低摩擦密封环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机械密封的密封环，包括：基体（2），其具有施加到基体（2）并且被构造成滑动面的金刚石层（3），其中金刚石层（3）具有小于或等于4μm的厚度（D），厚度特别地小于或等于3μm，特别地小于或等于2μm，特别地优选为大约1μm，并且基体（2）没有裂缝或者仅包括在所述基体（2）的表面上或者在所述基体（2）中最大纵向延伸量（L）小于或等于5μm的裂缝。

Description

具有便宜的金刚石覆层的低摩擦密封环
技术领域
本发明涉及一种低摩擦密封环，其包括作为滑动面的便宜的金刚石覆层。此外，本发明涉及一种机械密封组件，其包括至少一个根据本发明的密封环。
背景技术
从现有技术可知采用不同构造的具有金刚石覆层的密封环。由于具有金刚石覆层，上述密封环具有极其耐磨的表面以及优良的干运转（dry-running）特性。除了一方面极高的生产成本之外，这种金刚石覆层的密封环的如下缺点也是个问题：由于密封环的金刚石层和基体之间的不良的结合，存在金刚石层脱离而导致密封环相应的损伤的可能。为了解决上述问题，DE202007016868.3U1已经提出了一种包括由两种成分材料组成的基体的密封环，其中金刚石材料被引入基体中。尽管这样在基体和金刚石层之间产生了改进的结合，但是由于金刚石作为附加材料被引入到基体中，所以这种密封环在生产方面甚至更昂贵。此外，DE202006006425U1公开了一种密封环，在该密封环中，付出对应的努力，在基体和金刚石层之间对基体施加额外的衬底层。此外，金刚石覆层的密封环具有如下问题：金刚石层可能完全地从部分基体脱离。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种在滑动面上设置金刚石覆层的密封环，该密封环容易以低成本制造，即使在极限应力下还提供基体和金刚石覆层之间的可靠结合。
利用包括权利要求1的特征的密封环来实现该目的。从属权利要求示出了本发明优选的改进。
根据本发明具有权利要求1的特征的用于机械密封的密封环具有如下优点：该密封环包括在滑动面上的金刚石层，因而具有长使用寿命和特别优良的干运转特性。由于金刚石层仅具有小于或等于4μm的厚度并且在金刚石层和基体之间存在优良的结合，因此此处的金刚石层的生产的成本是非常划算的。尤其是能够在机械密封上避免现有技术中至今出现的、关于在高载荷（例如，高机械载荷）下金刚石层从基体（尤其是与部分基体一起）脱离的问题。根据本发明实现解决上述问题，原因在于，基体中没有任何裂缝（fissure）或者仅包括最大纵向延伸量小于或等于5μm的裂缝。根据本发明，已经发现，在基体表面上或者基体中没有裂缝或者仅存在非常小的裂缝时，能够在基体和金刚石层之间的每个位置处保证充分的结合。如果裂缝变得太大，将在裂缝的区域中存在如下缺陷：使得在这些部位中，尤其是在高载荷（例如，高机械载荷）下，金刚石层可能与部分基体脱离并且密封环最后可能会毁坏。根据本发明，小于/等于5μm的裂缝纵向延伸量被定义成：与裂缝的两点相交的直线段在与裂缝相交的每个可能的点处的交点之间的长度小于或等于5μm。根据本发明，对于5μm的裂缝长度的限制在此处适用于表面上的裂缝和基体本身中的裂缝，基体本身中的裂缝例如从上述表面开始，进入基体的内部。因此，根据本发明，在施加金刚石层的表面上和在基体本身中两者，基体都没有任何裂缝或者仅示出了具有最大纵向延伸量≤5μm的裂缝。例如，为了获得以上已经限定的、基体的表面上的裂缝尺寸，优选地执行表面的精加工，例如，研磨加工。因此，根据本发明可以提供具有小厚度的金刚石覆层的密封环，能够以低成本制造该密封环并且为密封环提供卓越的使用寿命和干运转特性。此处，优选地借助于CVD方法能够将金刚石层沉积在没有裂缝的基体上或者仅具有小裂缝的基体上。因为事实上所有类型的密封环都能够以低成本施加金刚石，所以能够提供一种经济上非常大的应用潜力。根据本发明的密封环具有非常低的摩擦系数并且在金刚石层和基体之间建立了稳定的结合。优选地，金刚石层的厚度小于4μm，优选地小于3μm，特别优选地小于2μm，并且金刚石层厚度特别优选地是大约1μm。此外，优选的裂缝的长度小于3μm并且特别优选地小于1μm，或者根本不存在裂缝。
进一步优选地，裂缝从表面开始且垂直于表面的深度小于或等于3μm。
进一步优选地，金刚石层的厚度至少为0.5μm。因此确保金刚石层提供抵抗密封环可能接触到的侵蚀性介质或者腐蚀介质足够的保护。
根据本发明进一步优选的构造，基体的表面没有孔或者优选地仅包括平均孔径小于/等于0.4mm的孔，更优选地小于/等于0.3mm，特别优选地小于/等于0.2mm。
进一步优选地，依据平均孔径的100倍为基数隔离孔。这意味着当平均孔径是0.4mm时，上述孔到相邻的孔的距离（从孔的各自的边缘开始）是至少40mm。根据本发明，由于孔一般不是圆形的，所以平均孔径意味着对应通过孔的两个外周点之间的直线的最大长度。
根据进一步优选地的本发明的构造，作为晶体金刚石沉积的金刚石层的晶体尺寸在0.2μm-5μm之间，特别地在0.2μm-4μm之间，特别地在0.2μm-3μm之间，特别地在0.2μm-2.5μm之间，进一步优选地在0.2μm-1μm之间。
进一步优选地，基体的表面的粗糙度Ra小于/等于0.2μm，特别地小于/等于0.15μm，并且特别优选地小于/等于0.1μm。
优选地，在金刚石层中的SP3的分数大于或等于97%。
根据本发明进一步优选的构造，基体具有至少1400HV的维氏硬度。
为了使得使用寿命尽可能的长，金刚石覆层的缺陷比重如下：缺陷面积与无缺陷施加的面积的比小于或等于200×10-9。
基体优选地由碳化物材料制成，特别地由碳化硅（SiC）或碳化钨（WC）制成，可能包含少量的添加材料和/或粘结材料和/或杂质。
进一步优选地，金刚石层的表面以不大于±0.2μm的偏差量与基体的表面对应。
根据本发明的密封环可以在此用在机械密封中，在这种情况中，两个密封环均形成有根据本发明的金刚石覆层。作为可选例，根据本发明的密封环还可以配合未覆层的密封环（例如，碳化硅）工作。
附图说明
现在将结合附图详细地说明本发明的优选实施方式，其中：
图1是根据本发明的实施方式的密封环的基体的表面的示意性俯视图；
图2是剖切根据本发明的密封环的示意性截面图。
具体实施方式
如图2所示，密封环1包括SiC的基体2和施加到基体2上的金刚石层3。金刚石层3具有1μm的厚度D。金刚石层3由具有97%以上的大的SP3分数）的晶体金刚石形成。
图1是在施加金刚石层之前的基体2的表面的俯视图。如图1所示，在基体2的表面中形成若干裂缝4。然而，裂缝4形成为使其最大纵向延伸量小于5μm。在图1中，如在表面上所示，有两条裂缝分别标绘了最大纵向延伸量L1和L2。根据本发明，最大纵向延伸量在此处被定义为以平直的方式连接裂缝4的两点的最大平直部。
在图2的截面中，示出了深入到基体2中的两条另外的裂缝4，该两条裂缝4分别具有均小于5μm的最大纵向延伸量L3和L4。因而，根据本发明的基体2在其表面上以及其体内仅具有最大纵向延伸量小于或等于5μm的裂缝4。纵向延伸量被定义为与裂缝的两个任意点相交并且在与裂缝的两点相交的每个可能点处的长度小于或等于5μm的直线段。如图2所示的具有纵向延伸量L3的裂缝4在此处具有小于3μm的深度T3。图2示出了具有纵向延伸量L4和深度T4的另一裂缝4，该裂缝在表面的第一位置处开始，进入基体2，并在基体2的表面的另一位置处再次出来。在此应该注意，裂缝也可以具有三维裂缝区域；在这种情况中，裂缝在基体2的表面上延伸并且还以区域的形式延伸进入到基体2本身中。
此外，多个孔5形成在基体2的表面上，孔5的平均直径小于或等于0.4mm，相邻孔的距离至少是孔径的100倍（即，在本实施方式中是40mm）。由于孔一般不具有圆形形状而具有不均匀的边界区域，所以根据本发明孔径被定义为通过孔的两个边界点的最长直线。此处，孔5最大具有与孔径对应的深度。
此外，所有裂缝4都具有小于3μm的深度T。而且，金刚石层的表面以不大于±0.2μm的偏差量与基体的表面对应。
以如下的方式在基体2上制造根据本发明的晶体金刚石层。待覆层的密封环配置在真空容器中，随后向该真空容器供给甲烷和氢。在待覆层密封环之上的数厘米的距离处，拉紧丝；这些丝随后被加热到白热化。由此加热气体，使得碳在基体2的表面上以晶体金刚石的形式沉积。由此在金刚石层和基体2之间形成化学结合。由于在基体中不存在裂缝或由于在基体上或者在基体中仅存在最大纵向延伸量小于或等于5μm的裂缝的情况，因此可以达到高的界面稳定性。
利用这种方法，SiC的基体2施加有金刚石（实施例1）。基体和金刚石层分别具有如下特性：
实施例1
特性 数值
厚度 1μm
晶体尺寸 1.0μm
粗糙度Ra 0.1μm
SP3组分 97%
最大孔尺寸 0.4mm
孔距 >40mm
最大裂缝长度 5μm
最大裂缝深度 3μm
基体的维氏硬度 2600HV
金刚石覆层的缺陷比重 <200x10-9
此处借助于β反散射方法测量金刚石的厚度。借助于具有1000倍倍率的光学显微镜测量晶体尺寸。借助于白光干涉仪测定粗糙度Ra并且借助于拉曼光谱法测定SP3组分。通过测定在基体2中切出的离子倾斜切口（最小切割长度为1mm的切口）的裂缝数量分布，分别地借助于光学显微镜以及裂缝长度和裂缝深度测定孔尺寸和孔距。借助于维氏硬度测试测定基体的硬度并且通过光学显微镜测定缺陷比重，缺陷比重被定义为基体表面未覆层的缺陷与施加金刚石的表面的面积比。
因此，根据本发明可以通过设定基体2的不同参数在基体表面上制成均匀的且永久的厚度小于3μm的金刚石覆层，这项技术在现有技术中至今还是不可能的。此处本发明的核心方面是基体必须被构造成没有裂缝或者仅包括最大长度小于或等于5μm的裂缝。在观察该参数时，随后可以进行小于或等于4mm的极其薄的层厚度的稳定的金刚石覆层，由于覆层时间能够缩短到几个小时，因此导致了生产成本的显著降低。此外，由此能够避免金刚石层与部分基层分离。因而，为了避免大的裂缝，还在基层中提供稳定的结合。此外，由于极其薄的金刚石覆层，可以得到具有优良特性的密封环（尤其是在使用寿命和紧急运转特性方面）。因而能够特别显著地延长在石油和天然气的生产中密封环的使用寿命，由于严酷的工作条件，在石油和天然气的生产中的部分密封环的使用寿命仅能持续几个小时。此外，金刚石层3还为密封环提供的耐腐蚀性。归功于根据本发明的方法，即减小基体的表面上和基体2本身中的裂缝长度，可以得到厚度小于或等于4μm的金刚石覆层。由此施加有金刚石层的密封环还可以用于普通应用（例如，在密封环的成本非常重要的成系列制造的泵中）第一次变得可能。

Claims (23)

1.一种用于机械密封的密封环，其包括：
基体(2)，其具有金刚石层(3)，所述金刚石层(3)被施加到所述基体(2)并且被构造成滑动面，
其中，所述金刚石层(3)具有小于或等于4μm的厚度(D)，并且
所述基体(2)没有裂缝或者仅包括在所述基体(2)的表面上或者在所述基体(2)中的最大纵向延伸量(L)小于或等于5μm的裂缝。
2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，在所述基体(2)中的所述裂缝(4)具有小于或等于3μm的裂缝深度(T)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)具有至少为0.5μm的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述基体(2)的表面没有孔或者所述表面仅包括平均孔径小于或等于0.4mm的孔，和/或所述孔(5)彼此之间的距离至少是所述孔径的100倍。
5.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的金刚石的晶体尺寸在0.2μm-5μm之间。
6.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)具有小于或等于0.2μm的粗糙度(Ra)。
7.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)具有大于或等于97％分数的SP3。
8.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述基体(2)具有大于或等于1400HV的维氏硬度。
9.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的缺陷比重小于或等于200x 10-9，其中所述缺陷比重是缺陷面积与没有任何缺陷地施加了所述金刚石层(3)的表面的面积的比。
10.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述基体(2)由碳化物材料制成。
11.根据权利要求1或2所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层的表面以不大于±0.2μm的偏差量与所述基体(2)的表面对应。
12.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述厚度小于或等于3μm。
13.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述厚度小于或等于2μm。
14.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述厚度为大约1μm。
15.根据权利要求4所述的密封环，其特征在于，所述平均孔径小于或等于0.3mm。
16.根据权利要求4所述的密封环，其特征在于，所述平均孔径小于或等于0.2mm。
17.根据权利要求5所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的金刚石的晶体尺寸在0.2μm-4μm之间。
18.根据权利要求5所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的金刚石的晶体尺寸在0.2μm-3μm之间。
19.根据权利要求5所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的金刚石的晶体尺寸在0.2μm-2.5μm之间。
20.根据权利要求5所述的密封环，其特征在于，所述金刚石层(3)的金刚石的晶体尺寸在0.2μm-1μm之间。
21.根据权利要求6所述的密封环，其特征在于，所述粗糙度(Ra)小于或等于0.15μm。
22.根据权利要求6所述的密封环，其特征在于，所述粗糙度(Ra)小于或等于0.1μm。
23.根据权利要求10所述的密封环，其特征在于，所述基体(2)由碳化硅(SiC)或碳化钨(WC)制成。
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