CN103890466A - 机械密封组件的具有延长运行时间的特性的密封环及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机械密封件的密封环，其包括：基体（2）；第一层（3），其被涂覆到基体（2）的第一侧面（2a）；以及第二层（4），其被涂覆到基体（2）的第二侧面（2b）；其中，所述层中的至少一个层（3）被构造成密封环的滑动面。此外，本发明涉及该密封环的制造方法。

Description

机械密封组件的具有延长运行时间的特性的密封环及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种机械密封组件的密封环。特别地，本发明涉及一种具有碳化硅、氮化硅、金属或钨碳化物、或者碳纤维合成物材料的基体的密封环，其中，特定的滑动层形成在至少一个侧面上，所述滑动层使得所述侧面作为滑动面。为了使得密封环能够运行，借助于基体的后侧的定向的涂层设定用滑动材料涂布密封环的运行面而引起的基体的变形。归因于密封环的滑动层的特定厚度和构造以及相对滑动层限定在密封环的相反侧的涂层，可以使得密封件的运行时间变长很多。此外，本发明涉及该密封环的制造方法。
背景技术
现有技术公开了许多不同构造的机械密封件，密封环在工作期间会经受极其高的负荷，这经常导致滑动面下至基体的磨损。因此，密封环的基于碳的滑动面的使用是重要的。由于这种碳表面涂层，机械密封件可以在高温条件下使用，而且还可以在大幅度温度变化且同时在大机械负荷的条件下使用该机械密封件。
涂层表现出高耐磨损性并且具有优异的干燥运行特性，然而该耐性随着涂层的机械损坏而降低，使得必须更换密封环。为了使密封环的抗损坏性尽可能地高，这些密封环必须被构造成尽可能地平坦并且两个相反的环面必须形成为非常好的平面平行状。
此外，如果可以，不管材料如何，只要具有恒定的良好粘附性和磨损特性，具有大厚度的滑动层的构造对损坏行为具有积极的效果，这是因为，可以使用更多耐磨材料，由此显著地延长了密封件的运行时间。
为了提高耐磨损性，从DE19922665已知，利用细晶金刚石涂布三维主体，该主体可以被构造成密封环并且具有由SiC制成的基体。
此外，在DE202006006425的现有技术中已经提出，密封环的基体在基体和金刚石层之间设置有附加的基层。
此外，DE202007016868公开了一种密封环，其中，将金刚石颗粒作为附加材料引入由两种组分材料组成的基体中。结果，由包含金刚石的材料组成的涂层以改进的方式被锚定在基体处。
固然，具有内在的高强度的金刚石涂层具有如下优点：该金刚石涂层使得对应涂布的滑动体具有更好的抗热性且对于机械地引起的应力和应力波动具有更好的抗性。然而，通常，存在如下缺点：由于这种金刚石涂层需要极其高的质量检测率（quality test rate），难以以机械密封件所需的最好质量来制造这种金刚石涂层，由于涂层材料的质量控制及其使用需要精确的计算，这种金刚石涂层作为涂层材料极其昂贵。
除了特定的成本的缺点之外，金刚石涂层的典型的大约700℃的高涂布温度也存在问题。在涂布处理过程中，作为对待相应地涂布的基体的热膨胀系数的反应，这样的温度在基体上引起变形和形成凹凸，使得对滑动对的配合在密封方面具有负面效果。
因此，到目前为止，优选地涂布SiC环，这是因为SiC的大约4*10-6/K的热膨胀系数和金刚石涂层的大约1*10-6/K的热膨胀系数在室温条件下相对地相似并且当温度上升时进一步接近。
提供具有滑动特性改进的环的另一可能性是涂布有所谓的DLC层或也称为“类碳金刚石”层的面。
例如，在现有技术中已知DE3820581，在密封环上的DLC层的厚度达到10μm。
US2010/0061676说明了待在超纯水中使用的机械密封件，其指出了DLC层厚度为至少1μm，但是不超过5μm。
大体上，一般而言，说明了滑动体的具有碳氢化合物层的涂层，具体地，说明了具有DLC层的涂层，而这样的涂层构成了现有技术。
尽管该涂层代表现有技术，但是在滑动体上的相对厚的碳氢化合物层存在大问题。根据实践已知，大的层厚度总是导致问题，这是因为相对厚的DLC层产生了增大的应力。与层系统的情况类似，这些增大的应力通常可以仅在基体中产生、仅在涂层中产生，优选地在基体和涂层之间产生或同时在所有所述区域中以不同的形式产生。
此外，所有出版物的共同点是使得密封环的仅一个侧面用作滑动面。由于在所有涂布处理中待被涂布的环依靠在面上，因此，通常仅涂布环的一侧。因为在利用碳氢化合物层的涂布处理中加热基体引起了环的变形，所以形成了相对小的层厚度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种密封环及遵照涂布操作的方法，其不会变形并且在滑动面展示了高平面平行性。
分别利用具有方案1的特征的密封环和具有方案16的特征的方法实现该目的；各子方案展示了对本发明的优选开发。
根据本发明的具有方案1的特征的用于机械密封件的密封环具有如下优点：能够避免在涂布操作之后密封环的变形，具体地，滑动面展示了高平坦性，使得机械密封件的密封间隙可以非常小。根据本发明，这通过将涂层分别涂覆到基体的在密封环的轴向上的两个侧面来实现。所涂覆的层中的至少一个层用作密封环的滑动面。通过在两侧对基体进行涂布能够避免密封环的、特别是基体的不对称的变形。具体地，在涂布仅一侧的情况下，在密封环的相反侧涂布能够补偿在现有技术中发现的在密封环的设置有涂层的一侧的变形。因此，根据本发明的密封环进一步示出轴向上的均包括涂层的两个侧面的高平面平行性。在两侧的涂层使得密封环将不会存在变形，由此在极高负荷条件下也能使用较长的运行时间。如果可以，在恒定的良好的粘合性和磨损特性的条件下，滑动层的优选地具有大厚度的构造对损伤行为具有积极的效果，因为可以使用更多耐磨材料，由此显著地增加了密封件的运行时间。此处，选择在密封环上的第一层和第二层，以使得在基体上由第一层引起的几何形状变化被基体的已由第二层引起的几何形状变化所补偿。优选地，当两个层由同样的材料组成并且进一步优选地具有相同的厚度的情况下实现了特别良好的补偿。可选地，还可以是，两个层由优选地热膨胀系数不同的不同材料组成。还可以在基体上设置具有不同厚度的不同材料，这是因为还可以通过不同热膨胀系数实现变形的补偿。
优选地，密封环在密封环的径向上的至少一个面上不具有任何涂层。由此，没有影响由在密封环上径向配置的层引起的几何补偿。
同样地，优选地可以是，密封环的形成为滑动面的一侧具有上述平均厚度，即，使得该侧比另一侧的另一层厚，这是因为在具有第二层的相反侧的涂层可以抵消环的变形。可以使用与滑动面的材料同样的材料，但是也可以使用具有相适应的热膨胀系数的不同材料。结果，在相反侧的层也不需要自动地设置有非常大的厚度，而是可以对应于涂层材料的热膨胀系数而制得较薄。此外优选地，相对于滑动层，相反层越薄，要补偿变形的相反层材料的热膨胀系数必须越大。优选地，当第二层比第一层薄时，第二层的热膨胀系数大于第一层的热膨胀系数。此外优选地，第一层的热膨胀系数在第二层的热膨胀系数的0.1倍至100倍的范围内。此外优选地，在多层结构中，以使得随着层距基体的距离增大单独的层的热膨胀系数变小或变大的方式选择单独的层的热膨胀系数。此外优选地是，例如，单独的层的密度具有梯度的构造，这是因为例如在单个层中的硬度由此逐渐受到影响。
为了密封环的尽可能有成本效益的可生产性，基体优选地仅设置单层的涂层，即，在基体的各侧面处，仅单一层被直接涂覆的到基体。特别优选地，被直接涂覆到基体的DLC层作为单层被涂覆6μm的最小厚度。然而，可选地，可以将多层（多层结构）涂覆到基体的侧面或者以单层被涂覆在密封环的一侧面而多层涂层被涂覆在基体的相反侧的方式涂覆组合涂层。特别优选地，在多层结构中涂覆两个或三个单层。此外优选地，还可以将非常薄的粘合剂层和/或承载层设置在层和基体之间或者在是多层结构的情况下设置在相邻的层之间。
特别优选地，密封环在两个侧面上设置有被构造成滑动面的层。除了由于改进了滑动涂层使得运行时间变长之外，由于在两侧都具有滑动层，使得该环能够在一个滑动面出现损坏时容易地被翻转而利用另一滑动面工作。因而，环的到目前为止未滑动接触的一侧变成滑动侧并且不再将已经运行过的侧在环进一步的运行期间用作滑动面。因而，除了长的运行持续时间之外，在成本方面，可以双面使用这是因为密封环的两个运行侧面同时形成为滑动面。因此，可以将在两侧涂布有滑动面的密封环用作倒转或翻转密封环。
此外，本发明涉及包括根据本发明的至少一个密封环的机械密封组件，其优选地是气体润滑的。
根据本发明的密封环优选地由功能体/基层组成，该功能体/基层由基体和涂层组成，优选地由碳层组成，该碳层特别地是含氢无定型碳层，所谓的C:H层。
该基体特别地由碳化硅、氮化硅、金属或钨碳化物、或者碳纤维合成物材料组成，其中，通常还可以使用适作于密封环的所有其它可涂布的材料。所选的材料必须在可涂布性方面适合，即，必须具有一定的基本粘合性并且表面必须是可清洁的而不会与待清洁的滑动构件的表面起反应。具体地，必须选择导电材料用于待被涂布的基体，这是因为由此可以实现高涂布质量。同样的，可以是非导电材料，涂布处理必须适用该非导电材料。
此外优选地，本发明涉及一种用于生产密封环的方法，其中，第一层在第一侧面处被涂覆到基体并且第二层在第二侧面处被涂布到基体。两个层中的至少一个层被设置成密封环的滑动层，优选地两个层均被设置成密封环的滑动层。此处以选定的方式涂覆第二层，使得基体的由第一层的涂覆所导致的几何形状变化至少部分地被补偿，特别地被完全地被补偿。因此，可以以高平面平行性制造密封环。此外优选地，该两个层被同时涂覆到基体。优选地，此处两个层的厚度是同样的。进一步优选地，被涂覆的层是DLC涂层。
优选地，密封环的径向上的侧面未涂布。
此外优选地，以使得能够设定密封环的限定的变形的方式选择涂层，该限定的变形特别地是限定的凸度（defined crowning）。
与涂层分开地执行基体的制造，在涂布过程对基体进行调整。执行平坦度、粘合性和表面状况的调整。
附图说明
现在将参照附图详细地说明本发明的优选实施方式，其中：
图1是根据本发明的第一实施方式的密封环的示意性截面图；以及
图2是具有根据本发明的第二实施方式的密封环的机械密封组件的示意性截面图。
具体实施方式
在图1中示出的第一实施方式示出了具有基体2、第一层3和第二层4的密封环1。第一层3被配置于基体2的轴向X-X上的第一侧面（first face side）2a。第二层4被配置于第一侧面2a的相反侧的第二侧面2b。两个层3、4具有同样的厚度D。此外，如图1显而易见地，基体2的内周面2c和外周面2d没有任何涂层。
在本实施方式中，第一层3形成为滑动层，由此，第一层3具有滑动面3a。由于在两侧将涂层涂覆到基体2的两个侧面，能够避免在涂布过程中基体产生不期望的变形。尤其是归因于在两侧涂覆涂层的发明性构思，避免了可能导致在滑动面3a上产生凹凸的轴向X-X上的变形。优选地，两个层3、4由同样的材料制成，使得第二层4也提供了滑动面。于是，例如可以在使用了一定时期（期间第一滑动面3a被磨损）之后，仅通过翻转密封环1，然后就可以使用在第二层4上的滑动面。
图2示出了具有根据本发明的第二实施方式的转动密封环8和固定密封环9的机械密封件10。两个密封环8、9也具有双面涂层并且以已知的方式在密封环8、9之间限定了密封间隙16。本实施方式的机械密封件10被构造成气体密封件。
如从图2看到的，转动密封环8包括基体11，该基体11具有包括朝向密封间隙16取向的多层结构20的侧面。多层结构20包括第一层21和第二层22，第一层21是外层并由此被构造成密封环的滑动面。单独的第三层23被配置在转动密封环8的相反侧面上。单独的层23和多层结构20的第一层21优选地由同样的材料制成。转动密封环8借助于联接套筒15等被固定到轴13。
固定密封环9被配置在壳体14上并且包括基体12、配置在基体12的两个相反侧面上的第一多层结构30和第二多层结构40。第一多层结构30包括作为滑动面的第一层31和配置在第一层31和基体12之间的第二层32。第二多层结构40还包括第一层41和配置在第一层41和基体12之间的第二层42。可选地，与在转动密封环8上类似地，还可以在两个侧面中的一个侧面上设置多层结构，而可以在另一侧面上仅设置一个单层。
此处被构造成滑动面的层优选地为具有厚度为至少6μm的DLC层。还可以涂覆粘结层，以将层更好地粘接到基体，或者在多层结构的情况下更好地在多层之间进行粘接。
附图标记列表
1  密封环
2  基体
2a  第一侧面
2b  第二侧面
2c  内周面
2d  外周面
3  第一层
3a  滑动面
4  第二层
8  转动密封环
9  固定密封环
10  机械密封件
11、12  基体
13  轴
14  壳体
15  联接套筒
16  密封间隙
20  多层结构
21  第一层（滑动面）
22  第二层
23  第三层
30  多层结构
31  第一层（滑动面）
32  第二层
40  多层结构
41  第一层（滑动面）
42  第二层
D  厚度
X-X  中轴线

Claims (15)

1.一种用于机械密封件的密封环，其包括：
-基体（2）；
-第一层（3），所述第一层被涂覆到所述基体（2）的第一侧面（2a）；以及
-第二层（4），所述第二层被涂覆到所述基体（2）的第二侧面（2b）；
-其中，所述第一层和所述第二层中的至少一个层（3）被构造成所述密封环的滑动面，
-其中，所述基体（2）的由所述第一层引起的几何形状变化至少部分地通过所述基体（2）的由所述第二层（4）引起的几何形状变化所补偿。
2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述密封环的在所述密封环的径向上的至少一个面不具有层。
3.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第一层（3）和所述第二层（4）由同样的材料组成，或者所述第一层（3）和所述第二层（4）由不同的材料组成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述基体包括碳化硅、氮化硅、金属或钨碳化物、或者碳纤维合成物材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第一层（3）和所述第二层（4）是单层的，或者
所述第一层和所述第二层是多层的，或者
所述第一层和所述第二层中的一个层是单层的而所述第一层（3）和所述第二层（4）中的另一个层是多层的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，粘合剂层设置在层和所述基体（2）之间和/或在多层的情况下设置在相邻的层之间，所述粘合剂层特别地是含氢无定型碳层、四面体的含氢无定型碳层、改良的含氢无定型碳氢化合物层或包含金属的含氢无定型碳氢化合物层。
7.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第一层和所述第二层均形成为滑动面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第一层（3）的厚度与所述第二层（4）的厚度对应。
9.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第二层（4）的热膨胀系数与所述第一层（3）的热膨胀系数不同。
10.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，所述第一层（3）和/或所述第二层（4）是DLC层、金刚石层、金属层或聚合物层，所述金刚石层特别地是具有大于98%的sp3组分的结晶金刚石层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的密封环，其特征在于，形成为滑动面的所述层（3）的厚度在0.1μm至50μm之间，特别地在1μm至40μm之间，更特别地在2μm至30μm之间，还特别地在3μm至40μm之间，进一步特别地为6μm。
12.一种机械密封组件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的密封环。
13.一种密封环（1）的制造方法，其包括如下步骤：
-提供基体（2）；
-将第一层（3）涂覆到所述基体（2）的第一侧面（2a）；以及
-将第二层（4）涂覆到所述基体（2）的第二侧面（2b），
-其中，所述第一层和所述第二层中的至少一个层被设置成所述密封环的滑动层，特别地所述第一层和所述第二层都被设置成滑动层，
-其中，所述第二层（4）以选定的方式涂覆到所述基体（2），使得所述基体（2）的由所述第一层（3）的涂覆引起的几何形状变化至少部分地被补偿，特别地被完全地补偿。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述密封环的径向上的至少一个面未被涂布。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述第一层（3）和所述第二层（4）被同时涂覆到所述基体和/或所述第一层和所述第二层以具有相同厚度的方式被涂覆到所述基体（2）。
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