KR20090043155A - Mechanical seals and methods of making - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씰(seal), 특히 회전식 기계류(rotating machinery)에 사용하기 위한 머캐니컬 씰(mechanical seal) 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 이러한 머캐니컬 씰은 한 쌍의 대향하는 씰 표면(opposing seal face)(10)(여기서, 한 쌍의 대향하는 씰 표면(10)은 기재(12)상에 증착된 다층 코팅(14)을 포함하며, 다층 코팅(14)은 주기적으로 반복되는 별개의 층(distinct layer)을 포함한다), 다수의 복합체 층(여기서, 2개의 인접한 복합체 층은 동일한 비율의 복합체 성분을 전혀 포함하지 않는다), 또는 이들 두 가지 모두를 포함한다. 본 발명의 머캐니컬 씰을 제조하는 방법은 기재(12)상에 다층 코팅(14)을 증착시켜 머캐니컬 씰의 한 쌍의 대향하는 씰 표면(10)중의 적어도 일면을 형성하는 단계를 포함한다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to mechanical seals for use in seals, in particular rotating machinery, and methods of making the same. Such a mechanical seal comprises a pair of opposing seal faces 10, wherein the pair of opposing seal surfaces 10 comprises a multilayer coating 14 deposited on a substrate 12. Wherein the multilayer coating 14 comprises distinct layers that are periodically repeated, multiple composite layers, wherein two adjacent composite layers do not contain the same proportion of composite components at all; Both of these are included. The method of making a mechanical seal of the present invention includes depositing a multilayer coating 14 on a substrate 12 to form at least one side of a pair of opposing seal surfaces 10 of the mechanical seal. do.
Description
본 발명은 씰(seals), 특히 회전식 기계류(rotating machinery)에 사용하기 위한 머캐니컬 씰(mechanical seals)에 관한 것이다.The present invention relates to mechanical seals for use in seals, in particular for rotating machinery.
머캐니컬 씰은 송풍기, 콤프레셔, 진공 펌프, 신장기(expander), 고온 가스 통로 어셈블리 등과 같은 다양한 회전축 장치(rotating shaft device)에 사용된다. 이러한 씰은 예를 들면 작업실과 외부 환경사이 또는 콤프레셔 또는 터빈의 2개의 연속단계 사이에 차단벽(barrier)을 설치함으로써 회전축을 가진 작업실로부터 유체(가스 또는 액체)가 새어 나오는 것을 최소화하거나 억제한다.Mechanical seals are used in various rotating shaft devices such as blowers, compressors, vacuum pumps, expanders, hot gas passage assemblies and the like. Such a seal minimizes or suppresses fluid (gas or liquid) leakage from the workroom with a rotating shaft, for example by installing a barrier between the workroom and the external environment or between two successive stages of a compressor or turbine.
하나의 이러한 타입의 머캐니컬 씰은 한 쌍의 대향한 씰 표면중의 일면상에 나선-형상의 홈 영역이 설치되어 있는 나선형 홈 씰(spiral groove seal)이다. 씰 표면의 일면이 다른 면에 대해 회전할 때, 유체 역학 작용으로 인하여, 유체가 홈을 통하여 씰 표면의 홈이 없는 부분을 향하여 흐른다. 특정 속도에서, 씰의 디자인에 따라, 유체 압력이 이러한 펌핑 작용으로 인하여 씰 표면을 정밀한 양으로 분리시킬 것이다. 씰 표면의 홈이 없는 부분은 유체 방출에 대한 저항을 제공하고 또한 일정한 유체 압력을 유지하는 밀봉 댐(seal dam)으로서 작용한다. 한 쌍의 씰 표면중의 일면에는 스프링을 설치하여 힘을 가함으로써 2개의 씰 표면이 분리되는 것을 방해하고 씰 표면사이의 갭을 최소화시킴으로써 유체 방출에 대한 추가적인 저항을 제공한다.One such type of mechanical seal is a spiral groove seal in which a spiral-shaped groove region is provided on one side of a pair of opposing seal surfaces. When one side of the seal surface rotates with respect to the other side, due to hydrodynamic action, fluid flows through the grooves toward the ungrooved portion of the seal surface. At certain speeds, depending on the design of the seal, fluid pressure will separate the seal surface in precise amounts due to this pumping action. The grooveless portion of the seal surface acts as a seal dam that provides resistance to fluid discharge and also maintains a constant fluid pressure. One side of the pair of seal surfaces provides spring-loaded force to prevent separation of the two seal surfaces and to provide additional resistance to fluid discharge by minimizing the gap between the seal surfaces.
회전속도가 너무 느린 경우(예를 들면, 나선형 홈 씰이 설치된 장치를 가동하고 정지시키는 도중), 씰 표면을 분리시키기에 충분한 압력이 발생하지 않는다. 결과적으로, 간단한 경우에 조차도, 마찰열과 마모로 인하여 씰 표면에서 미소균열(microcrack), 입자 이동 및/또는 입자 붕괴를 일으키기에 충분할 수 있는 씰 표면 사이의 접촉이 나타난다. 이러한 결점의 집중은 정상적인 작업조건(즉, 회전속도)중에 발생되어 밀봉의 결핍을 유발하여 궁극적으로는 씰 하우징 및/또는 씰을 사용하는 장치의 결핍을 유발하는 반복된 접촉 사고로 인하여 증가될 수 있고/있거나 테 및 원심분리 응력으로 인하여 증가한다.If the speed of rotation is too slow (for example, during starting and stopping the device with the helical groove seal), there is not enough pressure generated to separate the seal surface. As a result, even in simple cases, contact between the seal surfaces may be sufficient to cause microcrack, particle migration and / or particle collapse at the seal surface due to frictional heat and wear. The concentration of these defects can be increased due to repeated contact accidents that occur during normal operating conditions (ie rotational speeds) resulting in a lack of seals and ultimately a lack of seal housings and / or devices using the seals. And / or increase due to rim and centrifugal stress.
씰의 수명을 증가시키기 위한 종래의 노력은 경도를 증가시키거나, 균열저항을 증가시키거나, 마찰력을 감소시키거나, 접촉사고의 횟수를 최소화시키는 것에 집중되어 왔다. 많은 씰 표면을 근자에는 산화물 또는 금속 대신에 고성능 탄화물(예를 들면, 다양한 형태의 탄화텅스텐, 탄화실리콘 등)로부터 형성시킨다. 그러나, 많은 이러한 씰은 두께에 있어 제한적이며, 따라서 그들의 작업 수명중에 그들이 노출되는 마모조건을 유지할 수 없다. 따라서, 제조 환경의 개선에도 불구하고, 이러한 기술분야에는 개선된 머캐니컬 씰에 대한 욕구가 남아 있다.Conventional efforts to increase the life of seals have focused on increasing hardness, increasing crack resistance, reducing friction, or minimizing the number of contact accidents. Many seal surfaces are formed from high performance carbides (eg, various forms of tungsten carbide, silicon carbide, etc.) instead of oxides or metals in the roots. However, many such seals are limited in thickness and thus cannot maintain the wear conditions they are exposed to during their working life. Thus, despite improvements in the manufacturing environment, there remains a need in the art for improved mechanical seals.
머캐니컬 씰은 한 쌍의 대향하는 씰 표면을 포함하며, 이때 한 쌍의 씰 표면중의 적어도 일면은 기재상에 배치된 다층 코팅을 포함하며, 이러한 다층 코팅은 주기적으로 반복되는 별개의 층을 포함한다.The mechanical seal includes a pair of opposing seal surfaces, wherein at least one side of the pair of seal surfaces includes a multilayer coating disposed on a substrate, the multilayer coating comprising a separate layer that is periodically repeated. Include.
다른 실시태양에서, 머캐니컬 씰은 한 쌍의 대향하는 씰 표면을 포함하며, 이때 한 쌍의 씰 표면중의 적어도 일면은 기재상에 배치된 다층 코팅을 포함하고, 이러한 다층 코팅은 다수의 복합체 층을 포함하며, 2개의 인접한 복합체 층은 복합체 구성요소를 동일한 비율로 전혀 포함하지 않는다.In another embodiment, the mechanical seal includes a pair of opposing seal surfaces, wherein at least one side of the pair of seal surfaces comprises a multilayer coating disposed on a substrate, the multilayer coating comprising a plurality of composites. Layers, and two adjacent composite layers do not contain composite components in the same proportion at all.
본 발명의 방법은 기재상에 다층 코팅을 배치하여 비접촉식 머캐니컬 씰의 한 쌍의 대향하는 씰 표면중의 적어도 일면을 형성하는 단계를 포함한다.The method includes disposing a multilayer coating on a substrate to form at least one side of a pair of opposing seal surfaces of the non-contact mechanical seal.
본 발명의 다층 코팅을 포함하는 머캐니컬 씰은 미소균열 형성과 관련된 감소된 마찰성 및 감소된 마모성을 갖는 경질의 내마모성 씰 표면을 제공한다. 다층화된 코팅을 포함하는 씰 표면의 빅커스 경도(Hv)는 약 4000 내지 약 5000일 수 있으며, 이러한 머캐니컬 씰 및 이러한 씰을 사용하는 장치의 수명을 상당히 개선시킬 수 있다.Mechanical seals comprising the multilayer coating of the present invention provide a hard wear resistant seal surface with reduced friction and reduced wear associated with microcrack formation. The Vickers hardness (Hv) of the seal surface including the multilayered coating can be about 4000 to about 5000, which can significantly improve the life of such mechanical seals and devices using such seals.
상술된 특징 및 기타 다른 특징들을 하기 도면 및 상세한 설명에서 설명한다.The above described and other features are described in the following figures and detailed description.
본 발명은 머캐니컬 씰 및 그의 제조방법을 개시한다. 예시적인 실시태양에서, 머캐니컬 씰은 비접촉식 머캐니컬 씰이다. 본원에서 사용되는 "비접촉식(noncontacting)"이란 용어는 본 기술분야에서 종래에 알려져 있는 의미를 갖는 (즉, 씰을 사용하는 장치의 동작시에 몇몇 지점에서 대향하는 씰 표면사이에 압력-발생 분리점(pressure-generated separation)이 있는) 씰을 기술하는 것이다. 대향하는 씰 표면사이의 분리점에서 나타나는 회전속도는 또한 씰 표면의 표면 후처리의 함수이다. 규정된 시간을 초과하여 씰 표면이 퇴화되었을 때에는, 이를 분리하기 위해서는 더 높은 회전속도가 필요하게 되어 결과적으로 그들이 접촉하는 동안 씰 표면의 표면상에서의 열 발생 및 마모가 증가하게 된다. 종래의 기술과 비교하여, 본원에서 개시되는 씰 및 그의 제조방법은 일반적으로는 다층 코팅을 포함하는 적어도 하나의 씰 표면을 기본으로 한다. 다층 코팅을 사용하면 유리하게는 감소된 마찰 및 감소된 마모와 연관된 미소균열을 형성하는 경질의 내마모성 씰 표면이 생성된다. 이러한 특징은 궁극적으로 씰 및 장치의 수명을 증가시킨다.The present invention discloses a mechanical seal and a method of manufacturing the same. In an exemplary embodiment, the mechanical seal is a non-contact mechanical seal. As used herein, the term "noncontacting" has a meaning conventionally known in the art (ie, the pressure-generating separation point between the opposing seal surfaces at some point in the operation of the device using the seal). It describes a seal (with pressure-generated separation). The speed of rotation at the point of separation between the opposing seal surfaces is also a function of the surface finish of the seal surface. When the seal surface deteriorates for more than the specified time, a higher rotational speed is required to separate it, resulting in increased heat generation and wear on the surface of the seal surface during their contact. Compared with the prior art, the seals disclosed herein and methods for making them are generally based on at least one seal surface comprising a multilayer coating. The use of multilayer coatings advantageously results in hard wear resistant seal surfaces that form microcracks associated with reduced friction and reduced wear. This feature ultimately increases the life of seals and devices.
또한, "제 1(first)", "제 2(second)" 등과 같은 용어는 임의의 순서, 양 또는 중요도를 나타내기 보다는 차라리 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위하여 사용된 것이며; 용어 "the", "a" 및 "an"등은 양의 극한을 나타내기 보다는 차라리 적어도 하나의 참조 항목의 존재를 나타내는 것이다. 양과 관련하여 사용되는 수식어 "약(about)"이란 용어는 규정된 값을 포함하며, 문장중에서 언급된 의미를 갖는다(예를 들면, 특정 양의 측정과 연관된 오차 범위를 포함한다). 또한, 동일한 양 또는 물성을 나타내는 모든 범위는 나타난 종말점을 포함하며 독립적으로는 결합가능하다.In addition, terms such as "first", "second", and the like are used to distinguish one element from another rather than to indicate any order, quantity, or importance; The terms “the”, “a” and “an”, etc., rather than the positive limit, indicate the presence of at least one reference item. The term “about”, used in reference to quantities, includes defined values and has the meanings mentioned in the sentence (eg, including the margin of error associated with a particular quantity of measurement). In addition, all ranges showing the same amount or physical property include the indicated end points and are independently combinable.
씰은 일반적으로는 적어도 하나의 씰 표면이 기재상에 배치된 다층 코팅을 포함하는 한 쌍의 대향하는 씰 표면을 포함한다. 씰을 운전하는 도중, 씰 표면중의 일면은 다른 일면에 대하여 회전한다. 어느 하나의 씰 표면(또는 2개의 씰 표면 모두)이 다층 코팅을 포함할 수 있지만, 최소한 회전하는 씰 표면이 다층 코팅을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 어느 하나의 씰 표면(또는 2개의 씰 표면 모두)이 임의적으로는 나선-형상 홈을 포함할 수 있지만, 최소한 회전하는 씰 표면이 이러한 나선-형상 홈을 포함하는 것이 바람직하다.The seal generally comprises a pair of opposing seal surfaces comprising a multilayer coating having at least one seal surface disposed on a substrate. While driving the seal, one surface of the seal surface rotates with respect to the other surface. While either seal surface (or both seal surfaces) may comprise a multilayer coating, it is preferred that at least the rotating seal surface comprises a multilayer coating. In addition, although either seal surface (or both seal surfaces) may optionally comprise a spiral-shaped groove, it is preferred that at least the rotating seal surface comprises such a spiral-shaped groove.
이제부터 도면을 참조하여 본 발명을 기술한다. 도 1을 참조하면, 번호(10)으로 명명된 씰 표면의 일부분이 도시되어 있다. 씰 표면(10)은 일반적으로 기재(12) 및 그 위에 배치된 다층 코팅(14)을 포함한다.The present invention will now be described with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, a portion of the seal surface named 10 is shown. The
다층 코팅(14)이 배치되는 기재(12)는 특정의 금속, 금속 합금, 또는 세라믹(예를 들면, 산화물, 질화물, 탄화물 등) 조성일 수 있다. 하나의 예시적인 실시태양에서, 기재(12)는 탄화물 조성이다. 예시적인 탄화물로는 탄화규소(예를 들면, 고체 탄화규소, 규소를 함유한 흑연, 반응 결합된 탄화규소, 자가-소결된(self-sintered) 탄화규소, 또는 전술한 것들 중의 적어도 하나를 포함하는 복합체) 및 탄화텅스텐(예를 들면, 탄화텅스텐 또는 금속-결합된 탄화텅스텐)이 포함된다. 기재의 조성 및 미소구조는 씰 표면의 성능에 악영향을 미칠 수 있다는 점에서 주목해야 한다.
다층 코팅(14)내에서, 각 층의 조성은 경도, 내마모성, 평활성, 내열응력(thermal stress resistance), 파괴 인성(fracture toughness), 유착성, 또는 전술한 물성들 중의 적어도 하나를 포함하는 물성의 조합과 같은 목적하는 물성을 제공하도록 선택될 수 있다.In the
예시적으로, 경도, 내마모성 및/또는 내열응력이 요구되는 경우에는, 다층 코팅(14)의 층을 위한 조성물로서 세라믹 재료가 사용될 수 있다. 적합한 세라믹 조성물은 Al2O3, Cr2O3, ZrO2 등과 같은 금속 산화물; Cr3C2, WC, TiC, ZrC, B4C 등과 같은 금속 탄화물; 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소; 큐빅(cubic) BN, TiN, ZrN, HfN, Si3N4, AlN, TiAlN, TiAlCrN, TiCrN, TiZrN 등과 같은 금속 질화물; 및 전술한 조성물들 중의 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다. 달리 말하여, 다층 코팅(14)의 층을 위한 조성물은, 복합체의 총 용적을 기준하여, 적어도 51 용적 %(vol%)의 상술된 적합한 세라믹 조성물 및 비교적 연질의 저융점 조성물인 결합제 상(binder phase)을 포함하는 세라믹 복합체이다. 세라믹 복합체용으로 적합한 세라믹 결합제 상 조성물로는 SiO2, CeO2, Y2O3, TiO2, 및 전술한 세라믹 결합제 상 조성물중의 적어도 하나를 포함하는 조합을 들 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 다층 코팅(14)의 층을 위한 조성물은 세라믹-금속 복합체(도성합금(cermet))이다. 적합한 도성(陶性)합금으로는 WC/Co, WC/CoCr, WC/Ni, TiC/Ni, TiC/Fe, Ni(Cr)/Cr3C2, 및 전술한 것들 중의 적어도 하나를 포함하는 조합이 있다. 다층 코팅(14)의 층을 위한 또 다른 조성물은 세라믹, 세라믹 복합체, 또는 도성합금(예를 들면, 전술한 것중의 하나를 포함하는 금속 또는 합금 매트릭스)중의 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다.By way of example, where hardness, wear resistance and / or thermal stress are required, a ceramic material may be used as the composition for the layer of the
또 다른 예에서, 평활성이 요구되는 경우에, 다층 코팅(14)의 층을 위한 조성물은 게르마늄, MoS2, 폴리아마이드, 플루오로 중합체(예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오르화된 에틸렌폴리프로필렌 등), 흑연, 전이금속 붕화물, 육방정계 질화붕소, 및 유사한 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 유리하게, 이러한 고체 윤활제는 분말 형태인 경우에는 평활성을 제공하는 이외에도 또한 씰의 접촉면으로부터의 열의 제거를 촉진시킬 것이다.In another example, where smoothness is desired, the composition for the layer of
또 다른 예에서, 유착성이 요구되는 경우에, 다층 코팅(14)의 층을 위한 조성물은 MCrAl 또는 MCrAlY 합금(여기서, M은 철, 니켈, 또는 코발트를 나타낸다); NiAl(Zr) 조성물 등을 포함할 수 있다.In another example, where adhesion is required, the composition for the layer of
다층 코팅(14)을 형성할 수 있는 개개 층의 개수에 대한 구체적인 상한치는 없지만, 적어도 2개층 이상이어야 한다. 다층 코팅(14)에 있어서는, 기재를 포함한 개개 층의 열팽창 및 개개 층사이의 열팽창이 고려되어야 한다. 추가적으로, 층들은 특정의 불균질 변형(non-uniform strain)에 견딜 수 있어야만 한다.There is no specific upper limit to the number of individual layers that can form the
더욱이, 다층 코팅(14)내에서, 각각의 층은 상이한 두께를 가질 수 있고/있거나 각각의 층은 굴균질한 두께를 가질 수 있다. 각 층의 평균 두께는 독립적으로 약 5 나노미터(㎚) 내지 약 25 마이크로미터(㎛)일 수 있다. 이러한 범위내에서, 각 층의 평균 두께는 독립적으로 약 10㎚ 이상, 구체적으로는 약 20㎚ 이상일 수 있다. 또한 이러한 범위내에서, 각 층의 평균 두께는 독립적으로 약 10㎚ 이하, 구체적으로는 약 5㎚ 이하일 수 있다. 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 약 2㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다. 이러한 범위내에서, 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 약 5㎛ 이상, 구체적으로는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 또한 이러한 범위내에서, 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 약 200㎛ 이하, 구체적으로는 약 50㎛ 이하일 수 있다.Moreover, within the
하나의 실시태양에서, 다층 코팅(14)의 적어도 일부는 주기적으로 반복되는 개별층일 수 있다. 예를 들면, 2가지의 상이한 조성물이 교대로 적층되어 3개 이상의 층을 형성할 수 있다. 또한, 3가지의 상이한 조성물이 1-2-3-1-2-3-, 1-2-3-2-1-, 등의 순서로 특정 횟수만큼 치환되어 적층될 수 있지만, 그들로 국한되는 것은 아니다. 이러한 교대로 적층된 층이 충분히 얇은(예를 들면, 약 100㎚ 이하) 경우, 더 두꺼운 개별층보다 상당히 개선된 경도 및 내균열성을 가질 수 있는 헤테 로구조 또는 초격자구조(superlattice)가 형성된다.In one embodiment, at least a portion of the
다른 실시태양에서, 다층 코팅(14)은 각각의 층이 동일한 성분의 구성요소를 갖지만 상이한 양 및 비를 갖도록 복합체의 하나 이상의 개별층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 매트릭스내에 분산된 나노입자를 포함하는 복합체는 물성의 기울기가 존재하도록 다음의 인접한 층내의 나노입자의 양을 증가(또는 감소)시키면서 다층 코팅(14)의 각각의 층에 사용될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 다층 코팅의 층을 참조하여 보면, "인접(adjacent)"이란 용어는 물리적 접촉상태(즉, 서로 인접한 층으로 지칭되는 2개의 층사이에 배치된 간섭층이 전혀 없는)에 있는 2개의 층을 지칭한다.In other embodiments, the
다층 코팅(14)의 각각의 층은, 예를 들면 전자빔 물리 증착(EB-PVD), 무선주파스 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링, 플라즈마 보조 물리 증착(plasma assisted vapor deposition), 음극 아크 증착, 및 음극 아크 플라즈마 증착을 포함한 물리 증착(physical vapor deposition)(PVD); 화학 증착(CVD); 등과 같은 특정의 다양한 기법에 의해 기재(12)상에 독립적으로 증착시키거나 또는 달리는 형성시킬 수 있다. 본 기술분야의 전문가들은 부적당한 실험없이도 본 개시내용을 고려하여 이들 각각의 기법을 사용하여 다층 코팅(14)의 개별층을 형성시킬 수 있다. 사용된 기법에 따라, 각 층의 원자 구조를 독립적으로 특정의 밀봉 용도에서 요구될 수 있는 바대로 결정성 또는 무정형으로 만들 수 있다. 또한, 결정성인 경우, 입자 형태도 또한 특정의 밀봉 용도에서 요구되는 바대로 만들 수 있다.Each layer of the
다시 도 1을 참조하여 보면, 머캐니컬 씰의 예시적인 회전 씰 표면(10)이 Ni-결합된 WC 도성합금 기재(12)상에 형성될 수 있다. WC 입자의 평균 최장 치수는 약 3㎛ 이상이다. 구체적으로, 입자 크기 분포는 두 가지 모드를 가지고 있으며, 이때 입자의 약 60%는 약 3㎛ 이상의 평균 최장 치수를 가지며, 입자의 나머지는 약 2㎛ 미만의 평균 최장 치수를 갖는다. 도성합금중에 존재하는 니켈의 양은 도성합금의 총 중량을 기준하여 약 6 내지 약 15중량%(wt%)이다. 이러한 범위내에서, 약 9wt% 이상의 니켈이 도성합금중에 존재하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식에서, WC내에서 발생되는 특정의 균열(crack)은 증가된 양의 니켈의 존재로 인하여 성장이 억제될 수 있다.Referring again to FIG. 1, an exemplary
다층 코팅(14)은 TiN(18, 22 및 26) 및 ZrN(20 및 24)의 교대층을 증착시킴으로써 형성된다. 참고적으로 5개의 교대층(즉, 18, 20, 22, 24 및 26)만을 만들었지만, 이는 단지 예시 목적이라는 사실을 알아야만 한다. 본 기술분야의 전문가들은 특정 수의 교대층이 사용될 수 있다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 또한, 이러한 실시태양에 있어서의 제 1 교대층(18)(즉, 기재에 가장 근접된 층)을 TiN 층이라 지칭하였지만, 제 1 교대층으로서 ZrN이 사용될 수도 있다.
교대층(18, 20, 22, 24 및 26)은 PVD 기법으로 증착시키며, 제 1 교대층(18)보다는 기재(12)에 더 잘 접착될 수 있는, 기재(12)상에 또는 임의의 접착층(16)상에 직접 증착시킬 수 있다. 기재상의 입자 성장을 더 잘 제어하도록 CVD 기법을 이용하여 임의의 접착층(16)을 증착시킬 수 있다. 임의의 접착층(16)은 제 1 교대층(18)과 동일한 조성을 가지도록 함으로써 그들 사이에 가장 큰 상용성을 제공하는 것이 바람직하다. 교대층(18, 20, 22, 24 및 26)은 일반적으로는 헤테로 구조 를 형성하도록 각각 약 20㎚ 내지 약 100㎚의 두께를 갖는다. 하나의 실시태양에서, 교대층(18, 20, 22, 24 및 26) 모두의 전체 두께는 약 3㎛ 내지 약 8㎛이다. 임의의 접착층(16)은 약 1㎛ 내지 약 25㎛의 두께를 가질 수 있다.Alternating
임의적으로는, 마지막(즉, 기재로부터 최외곽) 교대층(26)상에 저마찰층(low friction layer)(28)이 증착될 수 있다. 임의의 저마찰층(28)은, 예를 들면, 다이아몬드-유사 탄소층일 수 있다. 상술된 기법들중의 특정 기법을 이용하여 임의의 저마찰층(28)을 증착시킬 수 있다.Optionally, a
이와 달리, 또는 임의의 저마찰층(28) 이외에도, 임의의 고체 윤활제층(30)을 마지막 교대층(26)(또는 임의의 저마찰층(28))상에 증착시켜 회전하는 씰 표면(10)이 (도시되지 않은) 대향 씰 표면과 접촉할 때 회전하는 씰 표면(10)에 증가된 평활성을 제공할 수 있다. 임의의 고체 윤활제 층(30)은 광택을 내거나 또는 결합제 상을 사용하여 마지막 교대층(26)(또는 임의의 저마찰층(28))상에 증착시킬 수 있다.Alternatively, or in addition to any
다층 코팅(14)의 최상층이 기재(12)상에 증착되자 마자, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 나선-형상 홈(32)을 최상층의 표면내에 에칭하거나 또는 기계를 사용하여 가공할 수 있다. 또한, 기재(12)를 기계를 사용하여 가공하거나 에칭시킨 다음 다층 코팅(14)을 증착시킬 수도 있는 반면, 증착후에 나선-형상 홈을 유지시킨다. 이미 기계를 사용하여 가공하거나 에칭된 기재(12)상에 다층 코팅(14)을 증착하는 예시적인 기법으로는 EB-PVD, 음극 아크 증착 기법 등이 있다.As soon as the top layer of the
또 다른 실시태양에서는, TiN(18, 22 및 26) 및 ZrN(20 및 24)의 교대층 대 신에, 다수의 층내의 각각의 층이 특정의 바로 인접한 층과 다른 Al2O3 나노입자의 농도(예를 들면, 용적 분율)를 갖도록 나노구조의 NiCrAl 또는 CoCrAl 합금 매트릭스내에 분산된 Al2O3 나노입자를 포함하는 복합체의 다수의 층이 사용된다. 예를 들면, 하나의 층은 세라믹이 풍부할 수 있는 반면, 다음의 인접한 층은 합금이 풍부할 수 있다. 복합체내에서, Al2O3 나노입자는 약 10㎚ 내지 약 200㎚의 평균 최장 치수를 갖는다. 또한 누중된 복합체내에서, 전체 Al2O3 용적 분율은 복합체에 증가된 경도를 제공할 정도로 높다(예를 들면, 약 70 내지 약 80%).In another embodiment, instead of alternating layers of TiN (18, 22, and 26) and ZrN (20 and 24), each layer in the plurality of layers may be composed of Al 2 O 3 nanoparticles that are different from certain immediately adjacent layers. Multiple layers of a composite are used that include Al 2 O 3 nanoparticles dispersed in a nanostructured NiCrAl or CoCrAl alloy matrix to have a concentration (eg, volume fraction). For example, one layer may be rich in ceramic, while the next adjacent layer may be rich in alloy. Within the composite, Al 2 O 3 nanoparticles have an average longest dimension of about 10 nm to about 200 nm. Also in the accumulated complex, the total Al 2 O 3 volume fraction is high enough to give the composite an increased hardness (eg, about 70 to about 80%).
다수의 복합체 층(18, 20, 22, 24 및 26)은 PVD 기법을 이용하여 증착시키며, 이와 유사하게, 기재(12)상에 또는 제 1 복합체 층(18)보다 기재(12)에 더 잘 접착될 수 있는 임의의 접착층(16)상에 직접 증착시킬 수 있다. 다수의 복합체 층(18, 20, 22, 24 및 26)의 전체 두께는 약 50㎛ 내지 약 300㎛이다.Multiple
또 다른 예시적인 실시태양에서, 다층 코팅(14)은 다수의 복합체 층 및 헤테로구조의 조합을 포함하여 더 증가된 경도를 제공한다. 바람직하게는, 헤테로구조가 기재와 대향된 표면상의 다수의 복합체 층상에 증착되도록 다수의 복합체 층을 기재상에 증착시킨 다음 헤테로구조를 포함하는 층을 증착시킨다.In another exemplary embodiment, the
본 기술분야의 전문가들은 본원에서 개시된 머캐니컬 씰 및 그의 제조방법이 미소균열 형성과 관련된 감소된 마찰성 및 감소된 마모성을 갖는 경질의 내마모성 씰 표면을 제공한다는 사실을 알아야 한다. 예를 들면, 다층화된 코팅을 포함하는 씰 표면의 빅커스 경도(Vickers hardness)(Hv)는 약 4000 내지 약 5000일 수 있다. 결과적으로, 머캐니컬 씰 및 이러한 씰을 사용하는 장치의 수명을 상당히 개선시킬 수 있다.Those skilled in the art should appreciate that the mechanical seals disclosed herein and methods for making them provide a hard wear resistant seal surface with reduced friction and reduced wear associated with microcrack formation. For example, the Vickers hardness (Hv) of the seal surface including the multilayered coating may be about 4000 to about 5000. As a result, the mechanical seal and the life of the device using such a seal can be significantly improved.
또한, 머캐니컬 씰 및 그러한 씰을 사용하는 장치가 (일반적으로는 고정면(static face)인 한 쌍의 스프링 면중의 적어도 일면에서의 스프링-하중(spring-loading)을 위한) 스프링, 샤프트, 로터, 고정자, 2차 O-링(O-ring) 씰 등과 같은 머캐니컬 씰 및 그러한 머캐니컬 씰을 사용하는 장치와 함께 사용되는 것으로 알려진 다른 구성요소를 포함할 수 있다는 사실도 알아야만 한다.In addition, mechanical seals and devices using such seals may be provided with springs, shafts (for spring-loading on at least one of a pair of spring faces, which are generally static faces), It should also be noted that mechanical seals such as rotors, stators, secondary O-ring seals, and the like, and other components known to be used with devices using such mechanical seals, may be included.
지금까지 예시적인 실시태양을 참고로 본 발명의 개시내용을 기술하였지만, 본 기술분야의 전문가들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 다양한 변화를 실시할 수 있으며 그의 요소를 등가물로 대체할 수 있음을 알고 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범주를 벗어나지 않고서도 본 발명의 교시내용에 대한 특정 상황 또는 사건에 대하여 많은 변형을 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 실시하기 위하여 고려된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시태양으로 국한되는 것이 아니라, 본 발명이 첨부된 특허청구의 범위의 범주내에 속하는 모든 실시태양을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.While the present disclosure has been described with reference to exemplary embodiments so far, those skilled in the art know that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the scope of the present invention. There will be. In addition, many modifications may be made to a particular situation or event to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Therefore, it is intended that the present invention not be limited to the particular embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, but that the invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims.
하기 도면은 예시적인 실시태양으로서, 유사한 요소는 같은 번호로 나타내었다.The following figures are illustrative embodiments in which like elements are denoted by like numerals.
도 1은 비접촉식 머캐니컬 씰 표면의 일부분의 종단면도이며;1 is a longitudinal cross-sectional view of a portion of a non-contact mechanical seal surface;
도 2는 나선 형상의 홈을 가진 비접촉식 머캐니컬 씰 표면의 개략도이다.2 is a schematic representation of a non-contact mechanical seal surface with a spiral groove.
도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명Brief description of the main parts of the drawing
10 씰 표면(seal face) 12 기재10 Seal face 12 Base
14 다층 코팅 16 접착층14
18, 20, 22, 24, 26 코팅층 28 저마찰층18, 20, 22, 24, 26
30 고체 윤활제 층 32 나선-형상 홈30 solid lubricant layers 32 helix-shaped groove
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070108858A KR20090043155A (en) | 2007-10-29 | 2007-10-29 | Mechanical seals and methods of making |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020070108858A KR20090043155A (en) | 2007-10-29 | 2007-10-29 | Mechanical seals and methods of making |
Publications (1)
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KR20090043155A true KR20090043155A (en) | 2009-05-06 |
Family
ID=40854037
Family Applications (1)
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KR1020070108858A KR20090043155A (en) | 2007-10-29 | 2007-10-29 | Mechanical seals and methods of making |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20090043155A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103206315A (en) * | 2013-04-07 | 2013-07-17 | 安徽江淮汽车股份有限公司 | Gasket, engine with gasket, and car with gasket |
-
2007
- 2007-10-29 KR KR1020070108858A patent/KR20090043155A/en not_active Application Discontinuation
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