KR20130091777A

KR20130091777A - 저비용 다이아몬드 코팅을 갖는 저마찰 밀봉 링

Info

Publication number: KR20130091777A
Application number: KR1020137018307A
Authority: KR
Inventors: 요아킴 오트쉬크; 안드레아스 슈뤼퍼; 디에터 치겐바인; 루돌프 콜링거; 로타르 쉐페르; 마르쿠스 회퍼; 마르쿠스 암가르트
Original assignee: 이글버그만 저머니 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-08-19
Also published as: RU2531486C1; EP2652369B1; US20130313785A1; CN103261760B; DE102010054875B4; DK2652369T3; CN103261760A; DE102010054875A1; ES2543559T3; US9010762B2; EP2652369A1; WO2012079658A1

Abstract

본 발명은 기계 시일을 위한 밀봉 링에 있어서, 기체(base body; 2)에 부착되고 미끄럼면(sliding surface)으로서 구성되는 다이아몬드층(diamond layer; 3)을 갖는 기체를 포함하고, 다이아몬드층(3)은 4 ㎛보다 작거나 같은, 특히 3 ㎛보다 작거나 같은, 특히 2 ㎛보다 작거나 같은, 특히 바람직하게는 약 1 ㎛의 두께(D)를 가지며, 기체(2)는 균열들(fissures)이 없거나 또는 기체(2)의 표면 상에 또는 기체(2) 내에 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이방향 연장부(maximum longitudinal extension; L)를 가지는 균열들만을 포함한다.

Description

저비용 다이아몬드 코팅을 갖는 저마찰 밀봉 링{Low-friction sliding ring having an economical diamond coating}

본 발명은 미끄럼면으로서 저비용 다이아몬드 코팅을 포함하는 저마찰 밀봉 링에 관한 것이다. 게다가, 본 발명은 본 발명에 따른 적어도 하나의 밀봉 링을 구비하는 기계 시일 조립체(mechanical seal assembly)에 관한 것이다.

다이아몬드 코팅을 갖는 밀봉 링들이 상이한 구성들로 종래 기술로부터 알려져 있다. 다이아몬드 코팅으로 인해, 상기 밀봉 링들은 우수한 연습 실행 특성들(dry-running properties) 뿐만 아니라 극도의 내마모 표면(extremely wear-resistant surface)을 가진다. 부분적으로 극히 높은 제조 비용을 제외하고, 이와 같은 다이아몬드-코팅 밀봉 링들의 문제점은 또한 밀봉 링의 기체와 다이아몬드층 사이의 불량한 접합으로 인해, 밀봉 링에 대한 대응하는 손상에 의해 다이아몬드층의 분리들이 있을 있다는 문제가 있다. 상기 문제를 해결하기 위해, DE 20 2007 016 868.3 U1은 2성분 재료로 구성되는 기체를 포함하는 밀봉 링이 제안되었고, 여기서 다이아몬드 재료가 기체 내에 도입된다. 비록 이것은 기체와 다이아몬드층 사이에 개선된 접합을 낳지만, 이와 같은 밀봉 링들은, 다이아몬드가 기체 내에 추가 재료로서 도입된다고 하는 이유 때문에 이들의 제조는 훨씬 더 비용이 많이 든다. 게다가, DE 20 2006 006 425 U1는 밀봉 링을 개시하는 데, 이 경우에 기체가 기체와 다이아몬드층 사이에 추가의 기판층을 대응하는 노력들로 거기에 부착된다. 게다가, 다이아몬드-코팅된 밀봉 링들은 다이아몬드층이 기체의 부분들과 함께 완전히 분리될 수 있다고 하는 문제를 가진다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 저비용들로 용이하게 제조 가능하면서, 또한 극심한 스트레스들 하에서, 기체와 다이아몬드 코팅 사이의 안전한 접합을 제공하는, 미끄럼면 상에 다이아몬드 코팅을 갖는 밀봉링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징을 포함하는 슬라이드 링(slide ring)으로 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 발전양상들을 나타낸다.

청구항 1의 특징들을 갖는 기계 시일(mechanical seal)을 위한 본 발명에 따른 밀봉 링은, 그것이 미끄럼면 상에 다이아몬드층을 포함하고 따라서 긴 내용 연한 및 특히 우수한 연습 실행 특성들을 가진다는 이점을 가진다. 여기서 다이아몬드층의 생성은, 다이아몬드층이 4 ㎛보다 작거나 같은 두께만을 가지기 때문에 매우 비용-효율적이고, 다이아몬드층과 기체 사이에 우수한 접합(excellent bond)이 존재한다. 특히 종래 기술에서 지금까지 발생했고 높은 부하, 예컨대 높은 기계적 부하 하에서, 특히, 기체의 부분들과 함께 기체로부터 다이아몬드층의 분리에 관한 문제가 기계 시일 상에서 회피될 수 있다. 이것은 기체가 어떠한 균열들이 없거나 또는 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이방향 연장부를 가지는 균열들만을 포함하는 본 발명에 따라 달성된다. 균열들이 없거나 또는 표면 상에 및 기체 내에 단지 매우 작은 균열들이 존재할 경우, 기체와 다이아몬드층 사이에 적당한 접합이 모든 장소에 보장될 수 있다는 것이 본 발명에 따라 발견되었다. 균열들이 너무 크면, 균열들의 영역에 결함들이 있을 것이고, 그 결과 이들 부분들에서, 특히 높은 부하들 하에서, 예컨대 높은 기계적 부하들에서, 다이아몬드층은 기체의 부분들과 함께 분리할 수 있고 밀봉 링은 결국 파괴될 수 있다. 5 ㎛보다 작은/같은 균열들의 길이방향 연장부는 균열의 2개의 지점들을 교차하는 직선은 교차 지점들 사이의 균열을 갖는 모든 가능한 교차 지점에서 5 ㎛보다 작거나 같은 길이를 가지는 본 발명에 따라 정의된다. 균열 길이에 대한 본 발명에 따른 5 ㎛의 한계는 여기서, 예컨대 표면으로부터 시작해서, 기체의 내부로 뻗는 기체 자체 내의 균열들에 및 표면 상의 균열들에 적용 가능하다. 그러므로, 본 발명에 따르면, 다이아몬드층이 부착되는 표면 상 및 기체 자체 내 모두의 기체는 어떠한 균열들도 없거나 < 5 ㎛의 최대 길이방향 연장부를 갖는 균열들만을 나타낸다. 위에서 정의된 것과 같이, 기체의 표면 상에, 예컨대, 균열 크기를 얻기 위해, 바람직하게는 표면의 미세 마무리(finishing), 예컨대 연마 작업(polishing operation)이 행해진다. 그러므로, 본 발명에 따라, 저비용으로 제조될 수 있고 작은 두께의 다이아몬드 코팅을 갖는 밀봉 링을 제공하고 밀봉 링에 놀라운 운전 수명들 및 연습 실행 특성들을 제공하는 것이 가능하다. 다이아몬드층은 여기서 균열이 없는 기체 상에 또는 작은 균열들만을 가지는 기체 상에, CVD 방법에 의해 침착될 수 있다. 이것은 경제적으로 매운 큰 적용 가능성을 제공하는 데, 그 이유는 사실상 모든 유형의 밀봉 링들이 저비용들로 다이아몬드로 코팅될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 밀봉 링은 매우 낮은 마찰 계수를 가지며 다이아몬드층과 기체 사이에 안정한 접합을 확립된다. 바람직하게는, 다이아몬드층의 두께는 4 ㎛보다 작고, 바람직하게는 3 ㎛보다 작고, 특히 바람직하게는 2 ㎛보다 작고, 다이아몬드층 두께는 특히 바람직하게는 약 1 ㎛이다. 게다가, 3 ㎛보다 작고, 특히 바람직하게는 1 ㎛보다 작은 균열 길이가 바람직하고, 또는 균열들이 전혀 없다.

더욱 바람직하게는, 표면과 직교하는 표면으로부터 시작하는 균열들의 깊이는 3 ㎛보다 작거나 같다.

더욱 바람직하게는, 다이아몬드층의 두께는 적어도 0.5 ㎛이다. 그렇게 함으로써, 다이아몬드층은 밀봉 링들이 접촉할 수 있는 공격적인(aggressive) 또는 부식성 매체에 대해 적당한 보호를 제공하는 것이 보장된다.

본 발명의 더욱 바람직한 구성에 따라서, 기체의 표면은 기공들이 없거나 바람직하게는 0.4 mm보다 작은/같은, 바람직하게는 0.3 mm보다 작은/같은, 특히 바람직하게는 0.2 mm보다 작은/같은 평균 기공 직경의 기공들만을 포함한다.

더욱 바람직하게는, 기공들은 평균 기공 직경의 100배의 평균 기공 직경에 의존하여 이격되어 있다. 이것은 평균 기공 직경이 0.4 mm인 경우, 기공들의 각각의 에지들로부터 시작해서 인접하는 기공까지의 상기 기공의 거리가 적어도 40 mm이라는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 평균 기공 직경은, 기공들이 보통 원형이 아니므로, 기공을 통한 2개의 주위 지점들 사이의 직선의 최대 길이에 대응하는 직경을 의미한다.

본 발명의 더욱 바람직한 구성에 따르면, 결정성 다이아몬드로서 침착되는 다이아몬드층의 결정 크기는 0.2 내지 5 ㎛, 특히 0.2 내지 4 ㎛, 바람직하게는, 0.2 내지 3 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 2.5 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1 ㎛ 사이에 있다.

더욱 바람직하게는, 기체 표면의 거칠기(R_a)는 0.2 ㎛보다 작고/같고, 특히 0.15 ㎛보다 작고/같고, 특히 바람직하게는 0.1 ㎛보다 작고/같다.

바람직하게는, 다이아몬드층 내의 SP3 비율은 97%보다 크거나 같다.

본 발명의 더 바람직한 구성에 따르면, 기체는 적어도 1400 HV의 비커스 경도를 가진다.

가능한 한 다이아몬드 내의 결함 밀도인 내용 연한을 달성하기 위해, 코팅은 결함이 없는 코팅된 영역에 대한 결함 영역의 비가 200 x 10^-9보다 작거나 같은 유형으로 되어 있다.

기체는 바람직하게는 카바이드 재료, 특히 탄화규소(SiC) 또는 탄화텅스텐(WC)으로 만들어지고, 가능하게는 소량의 첨가제들 및/또는 결합 재료들 및/또는 불순물이 함유된다.

더욱 바람직하게는, 다이아몬드층의 표면은 + 0.2 ㎛를 넘지 않는 편차를 갖는 기체의 표면에 대응한다.

본 발명에 따른 밀봉 링은 여기서 양 밀봉 링들이 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅으로 형성되는 경우에 기계 시일들에 사용될 수 있다. 대안으로, 본 발명에 따른 밀봉 링은 또한 예컨대 탄화규소의 코팅되지 않은 밀봉 링에 부딪힐 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세히 기술될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀봉 링을 위한 기체 표면에 대한 개략 상면도.
도 2는 본 발명에 다른 밀봉링을 통한 개략 단면도.

도 2에서 알 수 있는 것과 같이, 밀봉 링(1)은 SiC의 기체(base body; 2) 및 거기에 부착되는 다이아몬드층(3)을 포함한다. 다이아몬드층(3)은 1 ㎛의 두께를 가지며. 다이아몬드층(3)은 97%보다 높은 매우 큰 SP3 비율(fraction)을 갖는 결정성 다이아몬드(crystalline diamond)로 형성된다.

도 1은 다이아몬드층을 부착하기 전의 기체(2) 표면의 상면도이다. 도 1에서 알 수 있는 것과 같이, 약간의 균열들(4)이 기체(2)의 표면에 형성된다. 그러나, 균열들(4)은 이들이 5 ㎛보다 작은 최대 길이방향 연장부를 가지도록 형성된다. 도 1에 있어서, 최대 길이방향 연장부(L1, L2)는, 각각, 표면에서 발견되는 것과 같이, 2개의 균열들에 대해 도시된다. 최대 길이방향 연장부는 여기서 본 발명에 따라 직선 방식으로 균열(4)의 2개의 지점들을 연결하는 최대 직선 구간으로서 정의된다.

도 2의 단면도에 있어서, 기체(2)의 깊이로, 최대 길이방향 연장부(L3, L4)를 각각 가지는 2개의 다른 균열들(4)이 도시되어 있고, 이들 각각은 5 ㎛보다 작다. 그 결과, 본 발명에 따른 기체(2)에는 표면 위에 또한 기체 자체에 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이방향 연장부를 가지는 균열들(4)이 제공된다. 길이방향 연장부는 균열의 2개의 임의의 지점들을 교차하는 직선에 의해 정의되고 균열의 2개의 지점들의 모든 가능한 교차점에서 5 ㎛보다 작거나 같은 길이를 가진다. 길이방향 연장부(L3)를 갖는 도 2에 나타낸 균열(4)은 여기서 3 ㎛보다 작은 깊이(T3)를 가진다. 도 2는 길이방향 연장부(L4)를 갖는 다른 균열(4)을 나타내고, 표면의 제 1 장소에서 시작하는 깊이(T4)는 기체(2) 내를 통과하고, 다시 기체 표면의 다른 장소를 빠져나간다. 여기서 균열은 또한 3차원 균열 영역을 가질 수 있고; 이 경우에 그것은 기체(2)의 표면 상에서 연장하고 또한 기체(2) 자체 내로 영역의 형상으로 연장한다는 것을 주목해야 한다.

게다가, 다수의 기공들(5)이 기체(2)의 표면 상에 형성된다. 기공들(5)은 0.4 mm보다 작거나 같은 평균 직경을 가지며, 인접하는 기공들의 거리는 기공 직경의 적어도 100배이고, 즉, 이 실시예에서는 40 mm이다. 기공들이 통상적으로 원형 형상을 가지지 않고 불균일한 경계 영역을 가지기 때문에, 기공 직경은 기공들의 2개의 경계 지점들을 지나는 최장 직선으로서 본 발명에 따라 정의된다. 기공들(5)은 여기서 기공들의 가장 큰 직경에 대응하는 깊이를 가진다.

게다가, 모든 균열들(4)은 3 ㎛보다 작은 깊이(T)를 가진다. 다이아몬드층의 표면은 + 0.2 ㎛보다 작은 편차를 갖는 기체의 표면에 대응한다.

본 발명에 따른 결정성 다이아몬드층은 다음과 같은 방식으로 기체(2) 상에 생성된다. 코팅될 밀봉 링은 나중에 메탄 및 수소를 공급 받는 진공 용기 내에 배열된다. 코팅된 와이어들까지의 밀봉 링들 위에서의 수 센티미터의 거리에서, 와이어들은 인장되고; 이들은 이후 백열(white heat)까지 가열된다. 그렇게 하여 가스가 가열되어 탄소가 결정성 다이아몬드 형태로 기체(2)의 표면 상에 침착된다. 그렇게 함으로써, 다이아몬드층과 기체(2) 사이의 화학 결합이 형성된다. 기체 내의 균열들의 존재로 인해 그리고 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이방향 연장부를 가지는, 기체 상 또는 기체 내의 균열들만이 존재하는 조건으로 인해, 높은 인터페이스 안정성(high interface stability)을 달성하는 것이 가능하다.

이와 같은 방법에 의해, SiC의 기체(2)는 다이아몬드(예 1)로 코팅되었다. 기체 및 다이아몬드층은 각각 다음과 같은 특성들을 가진다:

예 1:

특성	값
두께	1 ㎛
결정 크기	1.0 ㎛
거칠기 R_a	0.1 ㎛
SP3 비율	97%
최대 기공 크기	0.4 mm
기공 거리	> 40 mm
최대 균열 길이	5 ㎛
최대 균열 깊이	3 ㎛
기체의 비커스 경도	2600 HV
다이아몬드 코팅의 결함 밀도	< 200 x 10^-9

다이아몬드층의 두께는 여기서 베타 후방산란 방법(beta backscatteringmethod)에 의해 측정된다. 결정 크기는 1000-배 확대율을 갖는 광학 현미경에 의해 측정되었다. 거칠기(R_a)는 백색광 간섭계(white-light interferometer)에 의해 결정되었고, SP3 비율은 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 에 의해 결정되었다. 기공 크기들 및 기공 거리들은 광학 현미경에 의해 결정되었고, 균열 길이 및 균열 깊이는, 각각, 기체(2)를 절단하는 이온 기울기(ion slope)에서 균열 갯수 분포(fissure number distribution)를 결정하여 결정되었고, 절단은 1 mm의 최대 절단 길이를 가진다. 기판의 경도는 비커스 경도 시험에 의해 결정되었고 결함 밀도는 광학 현미경에 의해 결정되었고, 결함 밀도는 다이아몬드-코팅 표면에 기판 표면의 코팅되지 않은(non-coated) 결함들의 면적비로서 정의된다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 종래 기술에서는 지금까지 가능하지 않았던, 기체(2)의 다양한 파라미터들을 설정하여 베이스 표면(base surface) 상에 3 ㎛보다 작은 두께를 갖는 균일하고 영구적인 다이아몬드 코팅을 생성하는 것이 가능하다. 본 발명의 핵심 양상은 여기서, 균열들이 없거나 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이를 갖는 균열들만을 포함하도록 기체가 구성되어야 하는 것이다. 그 파라미터를 관찰하여, 이후 4 mm보다 작거나 같은 극히 얇은 층 두께를 갖는 안정한 다이아몬드 코팅을 수행하는 것이 가능하고, 이것은 제조 비용들의 상당한 감소로 이어지는 데, 그 이유는 코팅 기간이 수 시간으로 감소될 수 있기 때문이다. 게다가, 그렇게 함으로써 다이아몬드층이 베이스층의 부분과 함께 분리되는 것이 회피될 수 있다. 따라서, 큰 균열들을 회피함에 있어서, 하나는 또한 베이스층 내에서 안정한 결합을 위해 제공한다. 게다가, 극히 얇은 다이아몬드 코팅으로 인해, 특히 내용 연한 및 긴급 실행 특성들(emergency running properties)의 면에서, 우수한 특성들을 갖는 밀봉 링들을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 특히 오일 및 천연 가스의 생산에 있어서, 가혹한 운전 조건들 때문에 수 시간 동안만 어느 정도 견디는 밀봉 링들의 운전 수명이 크게 연장될 수 있다. 게다가, 다이아몬드층(3)은 또한 밀봉 링에 대해 부식으로부터 우수한 보호를 제공한다. 본 발명에 따른 아이디어 덕분에, 즉 기체 표면 위 및 기체(2) 자신 내의 균열 길이들을 감소시키기 위해, 4 ㎛보다 작거나 같은 두께를 갖는 다이아몬드 코팅을 얻는 것이 가능하다. 그렇게 함으로써, 통상의 응용들, 예컨대, 밀봉 링들의 비용들이 큰 역할을 하는 직렬-제조 펌프들(series-produced pumps)에서, 밀봉 링들이 다이아몬드층으로 코팅될 수 있는 제 1 시간 동안 가능하다.

1 : 밀봉 링
2 : 기체
3 : 다이아몬드층
4 : 균열
5 : 기공
L1, L2, L3, L4 : 최대 길이방향 연장부
T3, T4 : 깊이

Claims

기계 시일(mechanical seal)을 위한 밀봉 링에 있어서,
다이아몬드층(3)을 갖는 기체(base body; 2)를 포함하며,
상기 다이아몬드층(3)은 상기 기체(2)에 부착되고(applied) 미끄럼면(sliding surface)으로서 구성되며,
상기 다이아몬드층(3)은 4 ㎛보다 작거나 같은, 특히 3 ㎛보다 작거나 같은, 특히 2 ㎛보다 작거나 같은, 특히 바람직하게는 약 1 ㎛의 두께(D)를 가지며,
상기 기체(2)는 균열들(fissures)이 없거나 또는 상기 기체(2)의 표면 상에 또는 상기 기체(2) 내에 5 ㎛보다 작거나 같은 최대 길이방향 연장부(maximum longitudinal extension; L)를 가지는 균열들만을 포함하는, 밀봉 링.
제1항에 있어서,
상기 기체(2) 내의 상기 균열들(4)은 3 ㎛보다 작거나 같은 균열 깊이(T)를 가지는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다이아몬드층(3)은 적어도 0.5 ㎛의 두께를 가지는, 밀봉 링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체(2)의 상기 표면은 기공들(pores)이 없거나 또는 상기 표면은 0.4 mm보다 작거나 같은, 특히 0.3 mm보다 작거나 같은, 특히 바람직하게는 0.2 mm보다 작거나 같은 평균 기공 직경을 가지는 기공들만을 포함하고, 및/또는 상기 기공들(5)은 상기 기공 직경의 적어도 100배의 서로로부터의 거리를 가지는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드층(3)의 상기 다이아몬드들의 결정 크기(crystallite size)는 0.2 내지 5 ㎛, 특히 0.2 내지 4 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 3 ㎛ 사이, 바람직하게는 0.2 내지 2.5 ㎛, 및 특히 0.2 내지 1 ㎛ 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드층(3)은 0.2 ㎛보다 작거나 같은, 특히 0.15 ㎛보다 작거나 같은, 특히 0.1 ㎛보다 작거나 같은 거칠기(R_a)를 가지는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드층(3)은 97%보다 크거나 같은 SP3 비율(fraction)을 가지는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체(2)는 1400 HV와 같거나 같은 비커스 경도(Vickers hardness)를 가지는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드층(3)의 결함 밀도는 200 x 10^-9보다 낮거나 같고, 상기 결함 밀도는 어떠한 결함도 없이 코팅되는 상기 표면적에 대한 결함 영역들의 비인 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체(2)는 카바이드 재료(carbide material), 특히 탄화규소(SiC) 또는 탄화텅스텐(WC)으로 만들어지는 것을 특징으로, 밀봉 링.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이아몬드층의 상기 표면은 + 0.2 ㎛를 넘지 않는 편차를 갖는 상기 기체(2)의 표면에 대응하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 링.