CN108350558A - 用于机械密封件的热涂层 - Google Patents

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Abstract

一种制造机械面密封件的方法，该方法包括获取具有内径(1120)、外径(1110)和平坦表面(1140)的铸造或锻造基底部分(1100)的步骤。该方法可包括在基底部分(1100)的平坦表面(1140)上形成孔、峰和谷的粗糙表面处理步骤(1020)。该方法可进一步包括将喷涂层材料(1250)供应到基底部分(1100)上以在基底部分(1100)上形成保护性热喷涂层(1300)的喷涂步骤(1030)。

Description

用于机械密封件的热涂层
技术领域
本发明总体涉及通过材料沉积工艺形成的机械部件领域，并且更具体地涉及使用激光熔覆工艺或热喷涂工艺形成的机械密封件。
背景技术
在具有可旋转轴的设备和机器中，通常使用密封件来保持润滑剂，同时排除来自可旋转轴的轴承表面的异物。特别是金属或机械面密封件用于重载旋转应用中，例如轴、变速箱、履带车辆、传送系统等，其中部件曝光于转轴密封件可能快速磨损的恶劣、磨损和腐蚀环境中。机械面密封件通常包括两个相同的金属密封环，它们彼此面对面地安装在两个分离的壳体或保持器中。两个金属环中的一个通常在其相应的保持器内保持静止，而两个金属环中的另一个通常与其相对面一起旋转。
由于操作要求和这些部件所处的环境条件范围广泛，机械面密封件的金属接触表面可能由于摩擦接触，应力和极端温度等而受到加速磨损。因此，机械面密封件可由更持久和特殊的材料制成。但是，这样的材料昂贵且难以形成。
标题为“对机械面密封件涂覆耐磨涂层的方法(Method for Applying WearResistant Coating to Mechanical Face Seal)”以及公开号为2011/0285091('091发明)的美国专利申请旨在解决降低成本同时保持期望的耐腐蚀性和耐磨损性的问题。然而，相关技术中的涂覆工艺已经遭受了显着的粘合失败。相应地，需要一种用于形成机械部件例如面密封件的改进工艺。
发明内容
在一个方面，本发明描述了一种制造机械面密封件的方法。该方法可包括形成铸造或锻造基底部分，其具有内径、外径和在内径和外径之间延伸的平坦表面。该方法可包括粗糙化所述基底部分的平坦表面。该方法可包括将涂层材料施加到平坦表面上以在基底部分上形成热涂层，该涂层材料包括铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材料和陶瓷材料中的至少一种。
在另一方面，本发明描述了一种制造机械面密封件的方法，包括形成铸造或锻造基底部分。该基底部分可具有内径、外径以及在内径和外径之间延伸的平坦表面。该方法可以包括粗化基底部分的平坦表面以在基底部分的平坦表面上形成孔、峰和谷。该方法可包括将已经经由加热元件加热成熔融颗粒的涂层材料经由喷头喷涂到平坦表面上以在基底部分上形成热喷涂层，涂层材料包括铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材料及陶瓷材料中的至少一种。
在又一方面，本发明描述了一种制造机械面密封件的方法，包括形成铸造或铸造基底部分，该基底部分具有内径、外径以及在内径和外径之间延伸的平坦表面。该方法可包括粗糙化基底部分的平坦表面。该方法可包括将涂层材料经由喷涂器喷涂到平坦表面上以在基底部分上形成热喷涂层，涂层材料包括铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材料及陶瓷材料中的至少一种。铁基合金可由0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁组成。镍基合金可由16-17％的铬、3.3％的硼、3.8％的硅、0.8％-1.0％的碳和余量的镍组成。钴基合金可由26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴组成。碳化物基材料可包括钨和铬中的至少一种。陶瓷材料可包括氧化铝、氧化钴和氧化钛中的至少一种。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更全面地理解本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是其中可以使用所公开的机械面密封件的示例性机器的透视图，该机器被描绘为紧邻全尺寸运动型多功能车。
图2是图1的示例性机器中使用的变速箱的剖面透视图。
图3是图2的变速箱的第一密封组件的横截面图。
图4是图2的变速箱的第二密封组件的横截面图。
图5是示例性的弹簧加载金属面密封件的横截面图。
图6是根据本发明的一个方面的激光熔覆基底部分以形成激光熔覆机械面密封件的步骤的流程图。
图7是根据本发明的一个方面形成的示例性基底部分的局部横截面图。
图8是根据本发明的一个方面的将激光曝光于基底部分的平坦表面并将涂层材料供应至平坦表面之后的图7的示例性基底部分的局部横截面图。
图9是图8中基底部分的局部横截面图，描绘了在加工过程中可以除去的一部分涂层表面。
图10是图8中基底部分的局部横截面图，描绘了在加工过程中可以去除的内径侧和外径侧。
图11是根据本发明的一个方面的热喷涂基底部分以形成热喷涂的机械面密封件的步骤的流程图。
图12是根据本发明的一个方面形成的示例性基底部分的局部横截面图。
图13是根据本发明的一个方面的在向基底部分的平坦表面供应热喷涂层之后的图12的示例性基底部分的局部横截面图。
图14是图13中基底部分的局部横截面图，描绘了可在涂装过程中被除去的一部分热喷涂层表面。
具体实施方式
现在参考附图，图1示出了相关技术中的示例性机器10，其中可使用机械面密封件来提供动态密封。机器10可以采用采矿卡车的形式，并且描绘成紧邻全尺寸运动型多功能车12，以示出和比较两台机器的尺寸和尺度。机器10通常用于运输数百吨的装载量并在极端的环境条件下运行。环境和装载量要求超出了对其他领域机械的典型要求，因此部件必须经过设计和制造，以承受极端条件和要求。
机器10可以由内燃机(未示出)或其他合适的动力装置驱动。可以启动发动机或合适的动力装置以提供动力来可旋转地驱动机器10的轮毂11和相关轮胎13。如图2所示，相关技术中的齿轮单元14可插入在机器10的发动机和轮毂11之间以提供适当量的输出扭矩和速度。齿轮单元14用于安装轮毂11的凸缘17。
应该注意的是，图1所示的机器10和提到的密封件是为了简洁起见。本发明的材料沉积工艺可以用于任何类型的机器和可在极端环境条件下操作的机器中的任何类型的机械部件。在一个非限制性方面，使用本发明的材料沉积工艺制造的密封件可以用于底架类型应用，其可以包括滚轮轴承、传送辊和空转轮。
参考图2，齿轮单元14可包括第一机械面密封组件100和第二机械面密封组件200。第一机械面密封组件100和第二机械面密封组件200为齿轮单元14的部件提供流体密封。机械面密封组件100,200处的泄漏或故障可能对齿轮单元14的内部部件有害并且可能导致加速的磨损和撕裂、设备故障以及清洁、修理或维护设备所需的停机时间。
转到图3，第一机械面密封组件100可包括固定保持器102、旋转保持器104、旋转密封环110和静态密封环112。可以在固定保持器102与静态密封环112之间以及旋转保持器104与旋转密封环110之间设置O形环108。固定保持器102和旋转保持器104可各自包括成角度的表面以压缩它们各自的O形环108。响应于压缩力，O形环108可以将旋转密封环110和静态密封环112相互挤压，使得旋转密封环110在静态密封环112上施加摩擦扭矩，从而在接口106上形成流体密封。尽管在图3和图4中示出了Duo-ConeTM机械面密封件，并且在图5中示出了弹簧加载金属面密封装置，但是本发明的激光熔覆工艺或热喷涂层工艺，正如将在下面进一步详细说明，可以在任何合适的机械面密封件上进行，包括但不限于重载型双面(HDDF)密封件。
转到图4，第二机械面密封组件200可包括固定保持器202、旋转保持器204、静态密封环210和旋转密封环212。可以在固定保持器202与静态密封环210之间以及旋转保持器204与旋转密封环212之间设置O形环208。固定保持器202和旋转保持器204可各自包括成角度的表面以压缩它们各自的O形环208。响应于压缩力，O形环208可以将静态密封环210和旋转密封环212压靠在彼此上，使得旋转密封环212在静态密封环210上施加摩擦扭矩，由此在接口206上形成流体密封。
旋转密封环110和静态密封环112一起形成第一机械面密封件120。静态密封环210和旋转密封环212一起形成第二机械面密封件220。如上面所讨论的，可以经由旋转密封环110的旋转在第一机械面密封件120的接口106处以及经由旋转密封环212的旋转在第二机械面密封件220的接口206处施加旋转扭矩，同时驱动齿轮单元14。密封环110、112、210、212可以各自由铸铁制成。然而，由于在接口106、206处感受到的恒定旋转扭矩和摩擦接触，并且由于极端操作条件，当在诸如机器10的应用中使用时，密封环110、112、210、212需要定期维护并且更换，导致机器10的停机时间延长。
转向图5，示出了弹簧加载金属面密封装置250。弹簧加载金属面密封装置250可以用在机器10中以将润滑剂和/或冷却剂保持在机器10的部件内并且防止任何异物碎屑侵入机器10的部件中。弹簧加载金属面密封装置250可用于在可旋转结构和静止结构之间或在相对可旋转结构之间提供密封，从而施加恒定且精确的轴向密封力。
弹簧加载金属面密封装置250可以安装在第一可旋转结构260和第二可旋转结构265之间。弹簧加载金属面密封装置250可以包括第一密封保持器252和第二密封保持器254，它们分别连接到第一可旋转结构260和第二可旋转结构265。弹簧加载金属面密封装置250可以包括至少第一密封环270、第二密封环280和弹簧构件290。在选择的方面中，弹簧构件290可以包括一个或多个贝氏弹簧。
第一密封环270可以包括第一轴向面对的密封表面272和第一轴向面对的凹陷表面274。在选择的方面中，第一轴向面对的密封表面272和第一轴向面对的凹陷表面274可以限定台阶部分。附加地或替代地，倾斜的斜坡部分可以在第一轴向面对的密封表面272和第一轴向面对的凹陷表面274之间延伸。在选择的方面中，第一轴向面对的凹陷表面274可以包括倾斜部分，该倾斜部分从轴向面对的密封表面272横向延伸。
第二密封环280可以包括第二轴向面对的密封表面282和第二轴向面对的凹陷表面284。在选择的方面中，第二轴向面对的密封表面282和第二轴向面对的凹陷表面284可以限定台阶部分。附加地或替代地，倾斜的斜坡部分可以在第二轴向面对的密封表面282和第二轴向面对的凹陷表面284之间延伸。在选择的方面中，第二轴向面对的凹陷表面284可以包括倾斜部分，该倾斜部分从轴向面对的密封表面282横向延伸。
第一密封环270和第二密封环280可以布置成使得第一轴向面对表面272和第二轴向面对表面282面对面地相对。弹簧构件290可提供轴向力以实现第一轴向面对表面272与第一轴向面对表面282之间的基本恒定接合。虽然弹簧构件290即使在第一轴向面对表面272和第二轴向面对表面282磨损时也能够实现基本恒定接合，但是由于机器10所处的极端操作条件，弹簧加载金属面密封装置250仍然需要定期维护和更换。
虽然人们已经努力用更耐磨的更特殊的材料制造密封环，但是这些材料实际上更加昂贵，并且形成机械面密封件所需的几何形状更加困难且更加耗时。此外，相关技术已尝试使用双线电弧(TWA)喷涂，类金刚石涂层(DLC)或高速氧燃料(HVOF)涂覆机械面密封件。然而，现有技术中的现有方法导致涂层缺乏耐久性、与基材分层、和/或导致不可接受的表面开裂或类似的故障。因此，需要更持久和成本有效的涂布工艺。
参考图6和图7，本发明提供了一种使用激光熔覆工艺形成机械面密封件的方法，与传统技术和/或由钛或锆等昂贵的特殊耐磨基材制成的密封环相比，该方法可以使用较便宜的基材，提高性能并降低制造复杂度。激光熔覆300的方法可以包括获取步骤310以获取或形成基底部分400。在获取步骤310中，可以使用SAE52100合金钢、SAE1020合金钢、SAE1040合金钢、球墨铸铁或灰口铸铁锻造或铸造基底部分400。其他材料也是可以考虑的。基底部分400可以锻造或铸造成具有大致几何形状的成品机械面密封件。另外或作为替代，基底部分400可以通过粉末冶金或其他合适的工艺形成。在选择的方面中，获取步骤310可以包括对先前使用或损坏的基底部分进行整修、修理或挽救，以获取基底部分400。
在获取基底部分400之后，基底部分400可以经历预热步骤320。预热步骤320可包括在烘箱中加热基底部分400，向基底部分400施加电阻加热，施加合适的线圈以促进基底部分400的感应加热和/或类似加热过程。在选择的方面中，合适的线圈可以是U形线圈或扁平线圈。在选择的方面中，可以向基底部分400的顶层441曝光激光800以至少加热基底部分400的平坦表面440。
如果激光800执行预加热步骤320，可以执行曝光步骤330，由此基底部分400的表面首次或者此后曝光于激光800。在曝光步骤330中，激光800可以沿着基底部分400的顶层441追踪并且至少部分地熔化基底部分400的材料的顶层441。
供应步骤340可以在曝光步骤330开始之前，之中或之后立即执行。在供应步骤340中，涂层材料950在追踪于平坦表面440的激光800的位置处或附近被供应到基底部分400的顶层441，由此基底部分400的顶层441通过激光800与涂层材料950一起熔化以形成中间层500。如图8所示，中间层500可以包括涂层材料950和基底部分400的材料。如图8所示，供应步骤340还可以包括供应要由激光800熔化的涂层材料950以形成设置在中间层500上方的包覆层600。在一个方面，可以执行曝光步骤330和/或供应步骤340以形成包覆层600，而没有或基本没有任何裂缝或任何缺陷，例如氧化物或孔。
加工步骤350可以在基底部分400上执行以实现特定机械面密封件所需的最终尺寸。加工步骤350也可以在供应步骤340中形成的中间层500和/或包覆层600上执行。加工步骤350可以包括表面加工工艺，其可以包括研磨、抛光、铣削、机加工或其他合适的工艺中的一个或多个以加工基底部分400的一个或多个表面。可以执行加工步骤350的表面加工工艺以改善基底部分400的表面纹理、厚度、内径、外径和/或类似特征中的一个或多个，以获取与成品金属面密封件对应的最终尺寸。加工步骤350可以包括热处理工艺，其可以在表面加工工艺之前或之后进行，以增强基底部分400的材料性能。热处理过程可以包括热热平整，其中基底部分400在热控制的环境中被压缩以减轻产品应力。在一个方面中，可以执行曝光步骤330和/或供应步骤340以在没有或基本没有任何裂缝的情况下形成包覆层600，并且使得在加工步骤350中在包覆层600中不形成裂缝。
参考图7，基底部分400可至少包括外径表面410和内径表面420，他们沿共同中心轴线430延伸。基底部分400可以包括在外径表面410和内径表面420之间延伸的平坦表面440。在处理和加工后，基底部分400的平坦表面440可形成机械密封环的表面，以接触在两机械面密封件中间的接口。如上面关于获取步骤310所讨论的，基底部分400可以使用SAE52100合金钢、SAE1020合金钢、SAE1040合金钢、球墨铸铁或灰口铸铁锻造或铸造。在选择的方面中，获取步骤310可以包括对先前使用或损坏的基底部分进行整修、修理或挽救，以获取基底部分400。
在获取步骤310中，基底部分400可以形成为环形元件在选择的方面中，基底部分400可由SAE52100合金钢制成、其可具有以下化学成分：1.3％至1.6％的铬、0.93％至1.1％的碳、0.25％至0.45％的锰、0.15％至0.35％的硅、至多0.025％的硫、至多0.025％的磷和余量的铁。在选择的方面中，基底部分400可由SAE1020合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.18％至0.23％的碳、0.3％至0.6％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中，基底部分400可由SAE1040合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.37％至0.44％的碳、0.6％至0.9％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中、基底部分400可以由球墨铸铁制成，其可具有以下化学成分：3.0％至3.9％的碳、1.7％至2.9％的硅、0.1％至0.6％的锰、0.02％至0.06％的镁、0.005％至0.04％的磷、至多0.04％的硫、至多0.4％的铜以及余量的铁。在选择的方面中，铸铁基材可以由灰口铸铁制成，其可具有以下化学成分：2.5％至4.0％的碳、1％至3％的硅以及余量的铁。
在激光熔覆工艺期间，基底部分400可以被预热，如在上述预热步骤320中所讨论的。基底部分400可以在烘箱中加热，电阻加热，经由扁平线圈或其他合适的感应线圈感应加热，或者通过将基底部分400的顶层441曝光于激光800来加热基底部分400。在选择的方面中，激光800可以在平坦表面440上进行追踪以至少加热平坦表面440的顶层441。
在已经获取基底部分400之后，可以执行曝光步骤330，其可以在执行或不执行预热步骤320的情况下发生。在曝光步骤330中，激光800可以沿着基底部分400的平坦表面440追踪，从而导致平坦表面440的顶层441至少部分地熔化。在选择的方面中，曝光步骤330可以包括调整或控制激光800的功率水平。
与曝光步骤330同时或紧跟在曝光步骤330之后，随着激光800在顶层441的至少一部分442上方追踪，可执行供应步骤340以在平坦表面440上追踪的激光的位置或附近将涂层材料950供应到平坦表面440的部分442。供应的涂层材料950可以通过供应器900供应，供应器900定位成在由激光800追踪的平坦表面440的部分442处或附近传递涂层材料950。在选择的方面中，供应器900可以附接到产生激光800的激光发生器850上。在选择的方面中，供应器900可以与激光发生器850集成在一起，如图7所示。在选择的方面中，供应步骤340可以包括通过供应器900控制涂层材料950的供给速率。
涂层材料950可以是线材或粉末的形式，并且涂层材料950可以由铁基合金、镍基合金和/或钴基合金制成。在选择的方面中，涂层材料950可以包括60A、M2工具钢、1、6或其他合适的材料。在涂层材料950以线材的形式供应的选择的方面中，线材可在被供应到平坦表面440之前加热。在选择的方面中，涂层材料950可以由具有以下化学成分的镍基合金组成：16-17％铬、3.3％硼、3.8％硅、0.8％-1.0％碳和余量的镍。在选择的方面中，涂层材料950可由包括以下化学成分的铁基合金组成：0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁。在选择的方面中，涂层材料950可由包括以下化学成分的钴基合金组成：26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴。
供应器900可以构造成供给涂层材料950的线材的线轴或者将涂层材料950的粉末流喷涂到平坦表面440的部分442上。当涂层材料950被供应到平坦表面440的部分442时，在供应步骤340中，来自激光800和/或平坦表面440的熔化顶层441的热量可使涂层材料950熔化并与平坦表面440的顶层441混合，由此形成中间层500，如图8所示。中间层500可以包括涂层材料950和基底部分400的材料的混合物。
如图8所示，供应步骤340可以进一步供应待由激光800熔化的涂层材料950和/或来自中间层500的热量以形成设置在中间层500上方的包覆层600。在选择的方面中，包覆层600可主要包括涂层材料950或可仅包括涂层材料950。在选择的方面中，中间层500和包覆层600的厚度一起可以在基底部分400上形成至少0.1μm厚的涂覆表面450。
转到图9和图10，一旦已经在基底部分400上形成了中间层500和包覆层600，则可以执行加工步骤350以获取最终尺寸，该最终尺寸对应于成品金属面密封件。如图9所示，加工步骤350可以包括表面加工工艺，其可以包括研磨、抛光、铣削、机械加工或其他合适的工艺中的一种或多种以将材料710从包覆层600的顶表面605去除，来获取成品金属面密封件的最终尺寸。在选择的方面中，加工步骤350可以包括热处理工艺，其可以在表面加工工艺之前或之后进行，以增强基底部分400的材料性能。热处理过程可以包括热热平整，其中基底部分400在热控制的环境中被压缩以减轻产品应力。在选择的方面中，包覆层600被加工成具有0.7mm和1.0mm之间的包覆层厚度。包覆层600可具有介于HRC60和65之间的洛氏硬度。在选择的方面中，包覆层600的洛氏硬度可以在62和64之间。在选择的方面中，包覆层600的顶表面605没有裂缝。
如图10所示，在选择的方面中，加工步骤350可以包括研磨、抛光、铣削、机械加工和/或其他合适的机械加工工艺，以从基底部分400的外径表面410、中间层500和/或包覆层600去除材料720，以获取对应于成品机械面密封件的最终尺寸。在选择的方面中，加工步骤350可以包括研磨、抛光、铣削、机械加工和/或其他合适的工艺，以从基底部分400的内径表面420、中间层500和/或包覆层600去除材料730，以获取成品机械面密封件的最终尺寸。
参考图11和图12，本发明提供了一种使用热喷涂层工艺形成机械面密封件的方法。与传统技术和/或由钛或锆等昂贵的特殊耐磨基材制成的密封环相比，热喷涂层工艺可以使用更便宜的基材、更少的涂层材料、提高性能并降低制造复杂度和成本。与使用传统技术生产的成品机械面密封件，该方法可以进一步改善成品机械面密封件的润滑性能。热喷涂层1000的方法可以包括获取步骤1010。类似于以上关于激光熔覆方法300所述的获取步骤310，获取步骤1010可以包括获取或形成基底部分1100，其可以使用SAE52100合金钢、SAE1020合金钢、SAE1040合金钢、球墨铸铁或灰口铸铁锻造或铸造。考虑到本发明内容，其他材料也被考虑并且将被本领域技术人员理解。基底部分1100可以锻造或铸造成具有大致几何形状的成品机械面密封件。另外或作为替代，基底部分1100可以通过粉末冶金或其他合适的工艺形成。在选择的方面中，获取步骤1010可以包括整修、修理或挽救先前使用或损坏的基底部分以便获取基底部分1100。在选择的方面中，基底部分1100可以包括与平坦表面1140相邻的凹陷或倾斜表面，用于形成最终密封环，该密封环用于弹簧加载金属面密封装置(例如图5中所示的)。
在获取基底部分1100之后，基底部分1100可以经历粗糙表面处理步骤1020。粗糙表面处理步骤1020可以包括粗糙化至少一个表面以形成热喷涂层可以施加到其上的粘附表面。在选择的方面中，可以将粗糙表面处理步骤1020应用于基底部分1100的平坦表面1140以在平坦表面1140上形成孔、峰和谷，其可以被认为是粘附表面。粗糙表面处理步骤1020可以包括基底部分1100的粗加工和喷砂处理中的一个或多个以形成粘附表面。用于粗糙化基底部分1100的表面以便形成孔、峰和谷的其他过程和方法当然也被考虑。在基础部分1100包括邻近于平坦表面1140的凹陷或倾斜表面的选择的方面中，凹陷或倾斜表面也可经历粗糙表面处理步骤1020。
喷涂步骤1030可以在获取步骤1010之后或在粗糙表面处理步骤1020之后执行。在喷涂步骤1030中，喷涂层材料1250可被供应至基底部分1100的顶层1141，其可以是平坦表面1140的顶表面或部分。喷涂层材料1250可以是粉末或线材给料的形式。喷涂层材料1250可以由铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材和/或陶瓷材料制造。碳化物基材料可以包括钨和/或铬。陶瓷材料可以包括铝氧化物、钴氧化物和/或钛氧化物。在选择的方面中，喷涂层材料1250可以包括M2、M4和T15合金中的一种或多种。在选择的方面中，喷涂层材料1250可以包括凹陷共晶合金，其可以包括硅、硼、碳和/或磷。在选择的方面中，涂层材料1250可以由具有以下化学成分的镍基合金组成：16-17％铬、3.3％硼、3.8％硅、0.8％-1.0％碳和余量的镍。在选择的方面中，涂层材料1250可由包括以下化学成分的铁基合金组成：0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁。在选择的方面中，涂层材料1250可由包括以下化学成分的钴基合金组成：26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴。
喷涂层材料1250可被加热到预定温度并喷涂到顶层1141上。在选择的方面中，预定温度可以在喷涂层材料1250的熔点或熔点以上。当喷涂层材料1250被供应到基底部分1100的顶层1141时，喷涂层材料1250可以至少部分地沉积在孔内和/或顶层1141的谷内。当喷涂层材料1250被供应到基底部分1100的顶层1141时，喷涂层材料1250可以固化到基底部分1100的顶层1141和其上方以形成热喷涂层1300，如图13所示。在一个方面，可以执行喷涂步骤1030以形成热喷涂涂层1300而没有或基本没有任何裂缝。在选择的方面中，热喷涂层1300可以形成微孔结构，并且微孔结构可以在使用成品机械面密封件期间促进润滑的保持以进一步改善磨损寿命。在其中基底部分1100包括邻近平坦表面1140的凹陷或倾斜表面的选择的方面中，喷涂层材料1250可以在喷涂步骤1030中喷涂到凹陷或倾斜表面上。在选择的方面中，当加工和组装后，可防止喷涂层材料1250施加到凹槽或倾斜表面上以保持两个相对的密封环之间的指定间隙距离。
加工步骤1040可以在基底部分1100上执行以实现特定机械面密封件所需的最终尺寸。加工步骤1040可以在基底部分1100的任何表面上执行。在一个方面，加工步骤1040可以包括在平坦表面1140上方的热喷涂层1300上执行的表面加工工艺。加工步骤1040可以包括包括研磨、抛光、铣削、机加工或其他合适的工艺中的一个或多个以加工基底部分1100的一个或多个表面。在其中基底部分1100包括邻近平坦表面1140的凹陷或倾斜表面的选择的方面中，也可以在凹陷或倾斜表面上执行加工步骤1040。
参考图13，基底部分1100可至少包括外径表面1110和内径表面1120，他们沿共同中心轴线1130延伸。基底部分1100可以包括在外径表面1110和内径表面1120之间延伸的平坦表面1140。在处理和加工后，基底部分1100的平坦表面1140可形成机械密封环的表面，以接触在两机械面密封件中间的接口。如上面关于获取步骤1010所讨论的，基底部分1100可以使用SAE52100合金钢、SAE1020合金钢、SAE1040合金钢、球墨铸铁或灰口铸铁锻造或铸造。其他材料也是可以考虑的。基底部分1100可以锻造或铸造成具有大致几何形状的成品机械面密封件。在选择的方面中，获取步骤1010可以包括整修、修理或挽救先前使用或损坏的基底部分以便获取基底部分1100。
在获取步骤1010中，基底部分1100可以形成为环形元件。在选择的方面中，基底部分1100可由SAE52100合金钢制成，其可具有以下化学成分：1.3％至1.6％的铬、0.93％至1.1％的碳、0.25％至0.45％的锰、0.15％至0.35％的硅、至多0.025％的硫、至多0.025％的磷和余量的铁。在选择的方面中，基底部分1100可由SAE1020合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.18％至0.23％的碳、0.3％至0.6％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中，基底部分1100可由SAE1040合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.37％至0.44％的碳、0.6％至0.9％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中、基底部分1100可以由球墨铸铁制成，其可具有以下化学成分：3.0％至3.9％的碳、1.7％至2.9％的硅、0.1％至0.6％的锰、0.02％至0.06％的镁、0.005％至0.04％的磷、至多0.04％的硫、至多0.4％的铜以及余量的铁。在选择的方面中，铸铁基材可以由灰口铸铁制成，其可具有以下化学成分：2.5％至4.0％的碳、1％至3％的硅以及余量的铁。
在一个方面，可以执行粗糙表面处理步骤1020以提供具有孔、峰和谷的粘附表面以促进将喷涂层材料1250粘结到基底部分1100上。在选择的方面中，粗糙表面处理步骤1020可以包括基底部分1100的平坦表面1140的粗加工和喷砂处理中的一种或多种，其可以被认为是粘附表面。或者，可以获得或形成具有固有粗糙表面的基底部分1100，使得粗糙表面处理步骤1020不被需要或被最小化。
可以执行喷涂步骤1030以将喷涂层材料1250施加到基底部分1100上，并且喷涂步骤1030可以包括HVOF喷涂、TWA喷涂、高速空气燃料(HVAF)喷涂、等离子弧喷涂和胶带/冷喷涂中的一种或多种。在一个方面，喷涂层材料1250可以在被喷涂并沉积到基底部分1100的表面之前加热以形成熔融颗粒，如关于上述喷涂步骤1030所讨论的。熔融颗粒可以增强喷涂层材料1250抓住在粗糙表面处理步骤1020中形成的粘附表面的能力。
喷涂步骤1030可以包括经由喷涂器1200供应并喷涂喷涂层材料1250。在选择的方面中，喷雾器1200可以包括喷雾头1210，用于将喷涂层材料1250瞄准并引向基底部分1100的表面，例如基底部分1100的平坦表面1140。在选择的方面中，喷涂器1200可以包括加热元件1220，该加热元件1220可以在被喷涂到基底部分1100上之前加热喷涂层材料1250。因为基底部分1100本身不需要加热，所以使用热喷涂层1000的方法可以进一步有利于减少基底部分1100的变形并因此减少成品机械密封件的变形，特别是与其他需要单独的热处理步骤的工艺相比。
喷涂器1200可以附接到机器人臂或致动器1230上，并且机器人臂或致动器1230可以操作成相对于基底部分1100在径向方向上移动喷涂器1200。例如，在喷涂步骤1030中，喷涂器1200可被固定在基底部分1100上方的预定高度处，并且机器人臂或致动器1230可被驱动，以在基底部分1100的外径表面1110和内径表面1120的位置之间的径向方向上并在基底部分1100的上方来回移动喷涂器1200。另外，当喷涂器1200在基底部分1100上方被来回驱动时，基底部分1100也可围绕共同的中心轴线1130旋转，从而使得喷涂器1200能够将喷涂层材料1250的均匀涂覆到基底部分1100上。在选择的方面中，基底部分1100可以以几百转每分钟(RPM)的速率旋转，以使喷涂层材料1250能够均匀地施加到基底部分1100的平坦表面1140上。例如，当喷涂层材料1250从喷涂器1200施加到基底部分1100上时，基底部分1100可以100RPM至300RPM之间的速率旋转。
尽管喷涂步骤1030的一个方面是将喷涂层材料1250施加到预定的粘接表面，例如平坦表面1140上，少量的喷涂层材料1250可以粘附到基底部分1100的外径表面1110和内径表面1120中的一个或多个上。在外径表面1110和/或内径表面1120上的少量喷涂或“过喷”可以提供可有利于防止基底部分1100腐蚀的轻质保护涂层。在其中不需要或不要求额外的腐蚀防护的选择的方面中，可以在喷涂步骤1030之前将外径表面1110和/或内径表面1120遮盖掉，以防止任何过喷附着到外径表面1110和/或内径表面1120上。在选择的方面中，过喷可以仅施加到基底部分1100的外径表面1110上以用于腐蚀防护。
转到图14，一旦已经在基底部分1100上形成了热喷涂层1300，则可以执行加工步骤1040以获取最终尺寸，该最终尺寸对应于成品金属面密封件。如图14所示，加工步骤1040可以包括表面加工工艺，其可以包括研磨、抛光、铣削、机械加工或其他合适的工艺中的一种或多种以将材料1410从热喷涂层1300的顶表面1305去除，来获取成品金属面密封件的最终尺寸。加工步骤1040可以从在喷涂步骤1030中形成的热喷涂层1300中去除深度在100微米和200微米之间的材料。
在选择的方面中，热喷涂层1300可以加工成具有0.1mm和2.0mm之间的热喷涂层厚度。在选择的方面中，当从上面讨论的喷涂层材料1250的列表中选择相对更耐磨的材料时，热喷涂层厚度可以为大约0.7mm，并且当选择相对不耐磨的材料时，热喷涂层厚度可以为大约1.2mm。在选择的方面中，热喷涂层1300的顶表面1305没有裂缝，并且可以包括具有比在激光熔覆工艺期间形成的深度更大的深度的微孔。在选择的方面中，微孔可以定义深度在0.25微米和1.0微米之间的谷。这些大的谷可以有利地在操作期间保持润滑剂的空隙并且增强机械密封的滑动表面的冷却。
工业实用性
本发明适用于轴承表面，特别是机械面密封件。本发明的各个方面提供了一种成本有效的基底部分，其可以被激光熔覆和/或热喷涂以获得优异的强度和对恶劣环境的抵抗力。如图7-10所示，基底部分400可以被激光熔覆精加工以形成机械面密封件，或者如图12-14所示，基底部分1100可以设置有热喷涂层1000以形成机械面密封件。这些机械面密封件可用于重载旋转应用，例如轴、变速箱、履带车辆、传送系统等。如图3和4所示，机械面密封件在安装在旋转应用中时，可以包括两个相同的金属密封环110、112、210、212，它们彼此面对面地安装在两个分离的壳体或保持器中。两个金属密封环112、210中的一个在其相应的保持器102、202中保持静止，而两个金属密封环110、212中的另一个跟随其对立面旋转保持器104、204旋转。
参考激光熔覆的方法300，可以在获取步骤310中提供或形成基底部分400。如图7所示，可以使用SAE52100钢、SAE1020合金钢、SAE1040合金钢、球墨铸铁或灰铸铁锻造或铸造基底部分400。在选择的方面中，基底部分400可由SAE52100合金钢制成，其可具有以下化学成分：1.3％至1.6％的铬、0.93％至1.1％的碳、0.25％至0.45％的锰、0.15％至0.35％的硅、高达0.025％的硫、高达0.025％的磷和余量的铁。在选择的方面中，基底部分400可由SAE1020合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.18％至0.23％的碳、0.3％至0.6％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中，基底部分400可由SAE1040合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.37％至0.44％的碳、0.6％至0.9％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中、基底部分400可以由球墨铸铁制成，其可具有以下化学成分：3.0％至3.9％的碳、1.7％至2.9％的硅、0.1％至0.6％的锰、0.02％至0.06％的镁、0.005％至0.04％的磷、至多0.04％的硫、至多0.4％的铜以及余量的铁。在选择的方面中，铸铁基材可以由灰口铸铁制成，其可具有以下化学成分：2.5％至4.0％的碳、1％至3％的硅以及余量的铁。
在供应步骤340中，供应给基底部分400的顶层441的涂层材料950可以由铁基合金、镍基合金或钴基合金制成。在选择的方面中，涂层材料950可以包括60A、M2工具钢、1、6或其他合适的材料。在选择的方面中，涂层材料950可以由具有以下化学成分的镍基合金组成：16-17％铬、3.3％硼、3.8％硅、0.8％-1.0％碳和余量的镍。在选择的方面中，涂层材料950可由包括以下化学成分的铁基合金组成：0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁。在选择的方面中，涂层材料950可由包括以下化学成分的钴基合金组成：26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴。
基底部分400可以在预热步骤320中被预热。基底部分400可以在曝光步骤330中暴光于激光800，并且涂层材料950可以被供应至基底部分400的顶层441以形成中间层500和/或包覆层600，如图8所示。可以执行加工步骤350，以在表面加工工艺中加工包覆层600的顶表面605、基底部分400的外径表面410和/或基底部分400的内径表面420，如图9和10所示。加工步骤350可以包括热处理工艺，其中基底部分400在热控制的环境中被压缩以减轻产品应力。在选择的方面中，包覆层600的顶表面605没有裂缝。一旦加工，基底部分400形成一个完整的机械面密封件，可用于旋转应用，如轴、变速箱、履带车辆、传送系统等。除了包覆层600之外，低成本的基底部分400能够以更加成本有效的方式制造机械面密封件，同时仍提供必要的强度和耐久性以承受恶劣的环境操作条件。
参考热喷涂层1000的方法，可以在获取步骤1010中提供或形成基底部分1100。如图12所示，基底部分1100可由SAE52100合金钢铸造或锻造，其可具有以下化学成分：1.3％至1.6％的铬、0.93％至1.1％的碳、0.25％至0.45％的锰、0.15％至0.35％硅、至多0.025％的硫、至多0.025％的磷和余量的铁。在选择的方面中，基底部分1100可由SAE1020合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.18％至0.23％的碳、0.3％至0.6％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中，基底部分1100可由SAE1040合金钢制成，其可具有以下化学成分：0.37％至0.44％的碳、0.6％至0.9％的锰、至多0.04％的磷、至多0.05％的硫和余量的铁。在选择的方面中、基底部分1100可以由球墨铸铁制成，其可具有以下化学成分：3.0％至3.9％的碳、1.7％至2.9％的硅、0.1％至0.6％的锰、0.02％至0.06％的镁、0.005％至0.04％的磷、至多0.04％的硫、至多0.4％的铜以及余量的铁。在选择的方面中，铸铁基材可以由灰口铸铁制成，其可具有以下化学成分：2.5％至4.0％的碳、1％至3％的硅以及余量的铁。
待涂覆到基底部分1100上的喷涂层材料1250可以是粉末或线材给料的形式。喷涂层材料1250可以由铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材和/或陶瓷材料制造。碳化物基材料可以包括钨和/或铬。陶瓷材料可以包括铝氧化物、钴氧化物和/或钛氧化物。在选择的方面中，喷涂层材料1250可以包括M2、M4和T15合金中的一种或多种。在选择的方面中，喷涂层材料1250可以包括凹陷共晶合金，其可以包括硅、硼、碳和/或磷。在选择的方面中，涂层材料1250可以由具有以下化学成分的镍基合金组成：16-17％铬、3.3％硼、3.8％硅、0.8％-1.0％碳和余量的镍。在选择的方面中，涂层材料1250可由包括以下化学成分的铁基合金组成：0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁。在选择的方面中，涂层材料1250可由包括以下化学成分的钴基合金组成：26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴。
在粗糙表面处理步骤1020中，可以处理基底部分1100的平坦表面1140以在平坦表面1140上形成孔、峰和谷。粗糙表面处理步骤1020可以包括基底部分1100的粗加工和喷砂处理中的一个或多个，其可以包括平坦表面1140的粗加工和/或喷砂处理。在选择的方面中，基底部分1100可以包括与平坦表面1140相邻的凹陷或倾斜表面，其可以用于形成用于弹簧加载金属面密封装置中的密封环。邻近平坦表面1140的凹陷或倾斜表面也可经历粗糙表面处理步骤1020。
在喷涂步骤1030中，喷涂层材料1250可以通过喷涂器1200喷涂到基底部分1100上，如图12所示。喷涂器1200可以包括喷头1210，用于将喷涂层材料1250瞄准并引导到基底部分1100的表面上，例如平坦表面1140。在其中基底部分1100包括邻近平坦表面1140的凹陷或倾斜表面的选择的方面中，也可以在喷涂步骤1030中将喷涂层材料1250喷涂到凹陷或倾斜表面上。在选择的方面中，当加工和组装时，可以防止喷涂层材料1250施加到凹陷或倾斜表面上以保持两个相对的密封环之间的规定间隙距离。
在选择的方面中，喷涂器1200可以附接到机器人臂或致动器1230，并且喷涂器1200可以相对于基底部分1100在径向方向上被驱动，以便达到并提供穿过基底部分1100的整个表面，例如平坦表面1140的喷涂层材料1250的覆盖。另外地或替代地，基底部分1100可围绕共同中心轴线1130旋转，以便能够将喷涂层材料1250均匀地施加到基底部分1100的平坦表面1140上。在选择的方面中，当喷涂层材料1250从喷涂器1200喷涂到基底部分1100上时，基底部分1100可以100RPM至300RPM之间的速率旋转，并且喷涂器1200可被驱动以在基底部分1100的外径表面1110和内径表面1120位置之间的径向上且在基底部分1100的上方来回移动。
喷涂器1200可以包括加热元件1220，其可以用于加热喷涂层材料1250以在其喷涂和沉积到基底部分1100的表面之前形成熔融颗粒。这些熔融颗粒可以增强喷涂层材料1250抓住在粗糙表面处理步骤1020中形成的粘附表面的能力。如图13所示，可将厚度在0.1mm和2.0mm之间的喷涂层材料1250沉积或涂覆到基底部分1100上以在平坦表面1140上方形成热喷涂层1300。热喷涂层1300可以限定具有0.25微米和1.0微米之间的深度的微孔，其可以有利地在操作期间保持润滑剂的空隙并且在使用期间增强机械密封件的滑动表面的冷却。
在加工步骤1040中，可以在平坦表面1140上方的热喷涂层1300上执行表面加工工艺，如图14所示。加工步骤1040可以包括研磨、抛光、铣削、机加工或其他合适的工艺中的一个或多个以加工基底部分1100的一个或多个表面。在选择的方面中，可以从热喷涂层1300中去除深度在100微米和200微米之间的材料。在其中基底部分1100包括邻近平坦表面1140的凹陷或倾斜表面的选择的方面中，也可以在凹陷或倾斜表面上执行加工步骤1040。
一旦被加工，基底部分1100形成完整的机械面密封件，其可以用于诸如轴、变速箱、履带车辆、传送系统等的旋转应用中。除了热喷涂层1300之外，低成本的基底部分1100能够以更具时间和成本效益的方式生产机械面密封件，同时仍能提供必要的强度和耐久性以承受恶劣的环境操作条件。具体而言，与相关技术中的其他方法相比，热喷涂层1000的方法可需要较少的待喷涂到基底部分1100的涂层材料，从而降低了将喷涂层材料1250喷涂到基底部分1100上需要的整体材料成本和时间。此外，由于可以将更少的材料喷涂到基底部分1100上，所以也可以减少在加工步骤1040中获得最终尺寸所需的时间。
应该理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，考虑到本发明的其他实施方式可以与前述实例的细节不同。对本发明或其示例的所有引用旨在引用在此处讨论的特定示例，而不是旨在更广泛地暗示对本发明的范围的任何限制。所有关于某些特征的区别和贬低语言都旨在表明对这些特征缺乏偏好，但并不是完全从本发明的范围中排除这些特征，除非另有说明。
本文列举的数值范围仅仅意在作为单独指代落入该范围内的每个单独值的速记方法，除非在此另外指出，并且每个单独的数值被并入说明书中，就好像其在本文中单独列举一样。在此描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另有指示或者与上下文明显矛盾。

Claims (10)

1.一种制造机械面密封件的方法，所述方法包括：
形成铸造或锻造基底部分(1100)，其具有内径(1120)、外径(1110)和在所述内径(1120)和所述外径(1110)之间延伸的平坦表面(1140)；
粗糙化所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)；以及
将涂层材料(1250)涂覆到所述平坦表面(1140)上以在所述基底部分(1100)上形成热涂层(1300)，所述涂层材料(1250)包括铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材料和陶瓷材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在加工在所述基底部分(1100)上形成的所述热涂层(1300)，
其中所述加工包括从所述热涂层(1300)去除材料，以产生在0.1mm和2.0mm之间的热涂层厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工包括从所述热涂层(1300)去除100微米和200微米之间的材料深度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述粗糙化在所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上形成孔、峰和谷。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粗糙化在所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上形成孔、峰和谷，并且
其中所述涂覆包括加热所述涂层材料(1250)以形成熔融颗粒来涂覆到所述平坦表面(1140)上，并涂覆到所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上的所述谷中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂覆包括加热所述涂层材料(1410)以形成熔融颗粒来涂覆到所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂覆包括通过喷涂器(1200)将所述涂层材料(1250)喷涂到所述平坦表面(1140)上，并且将所述喷涂器(1200)在所述基底部分(1100)的上方沿径向方向在所述基底部分(1100)的所述外径(1110)和所述内径(1120)的位置之间来回移动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂覆包括在将所述涂层材料(1250)涂覆到所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上的同时以100RPM和300RPM之间的速率旋转所述基底部分(1100)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述铁基合金由0.78％至1.05％的碳、0.15％至0.40％的锰、0.20％至0.45％的硅、2.0％至4.5％的铬、4.5％至5.5％的钼、5.5％至6.75％的钨、1.75％至2.20％的钒、至多0.3％的镍、至多0.25％的铜、至多0.03％的磷、至多0.03％的硫以及余量的铁组成，
其中所述镍基合金由16-17％的铬，3.3％的硼，3.8％的硅，0.8％-1.0％的碳和余量的镍组成，并且
其中所述钴基合金由26.5％至33％的铬、0.8％至2.7％的碳、3.5％至20％的钨、0.8％至1.2％的硅、至多3％的铁、至多1.5％的钼、至多1％的锰和余量的钴组成。
10.一种制造机械面密封件的方法，所述方法包括：
形成铸造或锻造基底部分(1100)，其具有内径(1120)、外径(1110)和在所述内径(1120)和所述外径(1110)之间延伸的平坦表面(1140)；
粗糙化所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)以在所述基底部分(1100)的所述平坦表面(1140)上形成孔、峰和谷；以及
将已经经由加热元件(1220)加热成熔融颗粒的涂层材料(1250)经由喷头(1210)喷涂到所述平坦表面(1140)上以在所述基底部分(1100)上形成热喷涂层(1300)，所述涂层材料(1250)包括铁基合金、镍基合金、钴基合金、碳化物基材料及陶瓷材料中的至少一种。
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