CN103671928A - 一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法。所述的机械密封用碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽，且凹槽的深度可均匀渐变。所述的碳化硅摩擦副端面上均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽是通过激光加工的方法制成。

Description

一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法。具体地，采用所述方法制造的碳化硅摩擦副可用于各种机械密封装置中。

背景技术

接触式机械密封是指靠弹性元件的弹力和密封流体的压力使密封端面紧密贴合的机械密封。接触式摩擦的机械密封是依靠摩擦副，即动环与静环端面间的紧密接触将被密封的介质密封。当工作条件或环境条件变化时，端面的过高温升使端面间的流体汽化，造成严重泄漏，或者端面液体全部汽化而造成端面间的完全干摩擦，使端面磨损加剧而大大缩短密封的使用寿命。因此，传统的接触式机械密封在提高密封能力、减小摩擦和磨损等方面存在一定的局限性。机械密封的密封效果和使用寿命是用户最为关注的问题，保证密封效果不产生介质泄露几乎是所用用户的终极追求目标。特别是对于所密封的介质属于易燃、易爆、强腐蚀性、或贵重物质的用户来说，如果运行中产生泄露将会给用户造成重大的经济损失和严重的安全事故。因此，提高机械密封的可靠性、延长机械密封的使用寿命便成为机械密封制造业领域和机械密封应用领域严重关注和孜孜以求的课题。

实现可靠密封、延长机械密封使用寿命的有效措施之一是保证摩擦副密封端面间形成并始终保持一层极薄的稳定的流体膜，而且还必须具有一定的承载能力，即：变摩擦副端面间的接触式密封为非接触式密封。非接触式机械密封是指靠流体静压或动压作用在密封端面间充满一层完整的流体膜，迫使动环和静环的摩擦端面彼此分离而不存在硬性固相接触和相对摩擦运动的机械密封。非接触式机械密封按密封端面间的流体膜是静压流体膜还是动压流体膜分为流体静压式机械密封和流体动压式机械密封两种。本发明提出了一种以碳化硅为摩擦副、采用激光加工方式的非接触式流体动压式机械密封的制造方法。碳化硅的硬度接近金刚石并具有突出的耐磨性。碳化硅是在机械密封中应用最广泛的材料之一，碳化硅除在高温下溶融强碱和强氧化气体外，在全浓度硫酸和沸点接近的苛性碱中也能稳定地使用，特别是在很大的温度范围内保持耐腐蚀性和耐磨性。本发明提出的采用激光加工方式的非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法，将接触式机械密封变为非接触式机械密封，有效地提高了机械密封装置的密封可靠性，大大地延长了机械密封的使用寿命。

发明内容

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法。根据本发明的一方面，所述的非接触式机械密封的摩擦副采用碳化硅摩擦副。根据本发明的一方面，在碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽，且凹槽的深度可均匀渐变。根据本发明的一方面，所述的碳化硅摩擦副端面上均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽是通过激光加工的方法制成。根据本发明的一方面，在碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点的形状可以是半圆形、半圆锥形、浅凹形，其深度在几微米或几十微米间不等；所述的几何形状的凹槽可以是任何形状的，且凹槽的深度在几微米或几十微米间不等并且可在径向均匀渐深或渐浅变化。

在碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽的方法有多种。通常采用的大致有：光刻法(化学腐蚀法)、电火花加工(电蚀刻)法、电镀法、喷砂法等。其中，光刻法(化学腐蚀法)是先在被刻槽的工件上涂以感光胶膜，然后将事先准备好的底片放于其上，经曝光，显影，涂保护层，再在蚀刻液中浸蚀，便可得到所需的动压槽。这一方法在青铜上刻槽尚可，但是硬质合金上刻槽时，由于胶膜在较高温度下耐不住浸蚀液的的长时间腐蚀，所以刻出的槽形质量不高。电火花加工(电蚀刻)法是利用两个电极放电的方法，将动压槽内待去除的材料蚀刻掉。该方法的关键是制作放电头，放电头端面结构和密封环端面动压槽结构相同，但图案是突出的。密封环和放电头分别作两个电极通电，当两个端面接触时，产生放电，密封环端面动压槽部位的材料即被蚀刻掉。不过这一方法要求电介质性能要好，放电头端面与密封环端面要平行等，以取得均匀放电的效果，否则各槽的槽深将难以保证。这一方法的缺点是加工放电头困难；电蚀刻的效率太低，加工成本高；效果也欠佳；同时电加工产生的表面应力造成的微裂纹会使材料的强度降低。电镀法是将密封环端面动压槽以外的部位镀上一层硬质材料，从而制成动压槽的图案。这一方法的使用条件首先槽要浅，其次被镀端面必须是能够电镀的材料，而且镀层要致密和被镀面结合强度要足够高。同时电镀过程中被镀件悬挂要正确，否则不同部位的镀层厚度误差将加大，造成槽深的不均匀，这样也破坏了密封环两个端面的极高的平行度。喷砂法首先要制造喷沙掩膜，掩膜上开孔的图案同于动压槽结构。当掩膜置于密封件端面上时，端面上动压槽以外的部位被盖住，露出的部位的材料被高能喷沙去除，形成一定深度的动压槽。喷沙方法的问题是制造精度较低，加工的动压槽的边缘不齐，尖角等精细部位的失真严重，截面槽形不好，喷砂面粗糙等，这些都会影响槽线的流体动压效果及密封特性。     本发明采用的是激光加工法。激光加工是利用激光的高能量，进行工业热加工的一种方法。激光的功率密度可以高达10⁷W/cm²以上，任何材料都能在极短的时间内被汽化、熔化而被去除。用激光加工密封环动压槽的工艺实际上是利用激光束照射工件表面，汽化、熔化所需要的图形标记，本发明中则为凹点或凹槽。激光加工技术适用面广，对不同材料、不同形状的加工表面均适合，具有工件无机械变形、无污染，速度快、重复性好、自动化程度高等特点。在激光加工方法中，扫描方式适应任意图形和任意批量的加工，本发明所采用的就是这种方式。而且在采用扫描方式的系统中，计算机对图形的处理采用的是矢量方式的激光加工系统。矢量方式最大的特点是用矢量来表示图形，采用计算机高级图形系统对图形进行处理，具有作图效率高、图形精度高、可无失真和无变形地任意放大和缩小图形的功能，故能保证激光加工密封环端面动压槽的速度和质量。     由此可见，根据本发明的上述技术方案中，用激光加工方式在碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽，进而制成的非接触式机械密封有效地增强了碳化硅摩擦副密封可靠性和使用寿命。

附图说明

本发明附图是在碳化硅摩擦副中的静环摩擦表面用激光加工的方式开设了均匀分布的螺旋凹槽的示意图。本发明的上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例：制造外径50mm、内径20mm、厚度为150 mm机械密封用碳化硅摩擦副静环摩擦表面上用激光加工方法开设均匀分布螺旋凹槽的工艺流程。 先备好上述尺寸和规格的碳化硅摩擦副静环。选用激光加工系统，激光加工系统由激光器部分、振镜扫描头、控制系统和计算机等多部分组成。激光器部分由固体激光器和激光电源组成，连续泵浦。工作物质为Nd:YAG，波长为1.06μm。扫描头由能在X、Y二维方向进行有序振动的振镜和平场聚焦镜组成。刻线线宽小于100μm，分辨率是1.7μm，完全满足加工的要求。YAG激光器功率为100W；Q调制频率范围为1～50kHz；调制后输出功率为1～47W；焦斑直径为50～150μm；位置精度为0.1%(光束)；重复定位精度为士25μm(工作台)；速度为0～3000mm/s；尺寸范围为114×114mm。

其具体过程是：控制系统的计算机将编辑好的图形转换成电信号，按一定的频率分别传送到振镜和激光器，在一系列信号的控制下，振镜在X、Y二维进行有序振动，使激光点扫描出相应的图形，与此同时激光器在电信号的控制下，发出一定频率和能量的激光脉冲，将激光焦斑扫描出的图形刻蚀在工件上。并通过键盘或菜单输入命令，选择、修改图形，如大小变换、移动、旋转镜像、成组等，同时可以对屏幕上不同的图形选择不同的工艺参数以达到不同层次的雕刻。完成后进一步整形处理加工；再常温静置8小时后即为成品。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。凡本行业的普通技术人员，均可按说明书附图所示和以上所述，顺畅地实施本发明。但是，凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的范围。 

Claims (2)

1.一种非接触式机械密封用碳化硅摩擦副及其制造方法，其特征在于：所述的机械密封用碳化硅摩擦副摩擦端面上开设均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽，且凹槽的深度可均匀渐变。

2.根据权利要求1所述的碳化硅摩擦副端面上均匀分布的一些凹点或几何形状的凹槽是通过激光加工的方法制成。

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