機械密封組件的具有延長運行時間的特性的密封環及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于機械密封件的密封環，其包括：基體（2）；第一層（3），其被涂覆到基體（2）的第一側面（2a）；以及第二層（4），其被涂覆到基體（2）的第二側面（2b）；其中，所述層中的至少一個層（3）被構造成密封環的滑動面。此外，本發明涉及該密封環的制造方法。
【專利說明】機械密封組件的具有延長運行時間的特性的密封環及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機械密封組件的密封環。特別地，本發明涉及一種具有碳化硅、氮化硅、金屬或鎢碳化物、或者碳纖維合成物材料的基體的密封環，其中，特定的滑動層形成在至少一個側面上，所述滑動層使得所述側面作為滑動面。為了使得密封環能夠運行，借助于基體的后側的定向的涂層設定用滑動材料涂布密封環的運行面而引起的基體的變形。歸因于密封環的滑動層的特定厚度和構造以及相對滑動層限定在密封環的相反側的涂層，可以使得密封件的運行時間變長很多。此外，本發明涉及該密封環的制造方法。
【背景技術】
[0002]現有技術公開了許多不同構造的機械密封件，密封環在工作期間會經受極其高的負荷，這經常導致滑動面下至基體的磨損。因此，密封環的基于碳的滑動面的使用是重要的。由于這種碳表面涂層，機械密封件可以在高溫條件下使用，而且還可以在大幅度溫度變化且同時在大機械負荷的條件下使用該機械密封件。
[0003]涂層表現出高耐磨損性并且具有優異的干燥運行特性，然而該耐性隨著涂層的機械損壞而降低，使得必須更換密封環。為了使密封環的抗損壞性盡可能地高，這些密封環必須被構造成盡可能地平坦并且兩個相反的環面必須形成為非常好的平面平行狀。
[0004]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損特性，具有大厚度的滑動層的構造對損壞行為具有積極的效果，這是因為，可以使用更多耐磨材料，由此顯著地延長了密封件的運行時間。
[0005]為了提高耐磨損性，從DE19922665已知，利用細晶金剛石涂布三維主體，該主體可以被構造成密封環并且具有由SiC制成的基體。
[0006]此外，在DE202006006425的現有技術中已經提出，密封環的基體在基體和金剛石層之間設置有附加的基層。
[0007]此外，DE202007016868公開了一種密封環，其中，將金剛石顆粒作為附加材料引入由兩種組分材料組成的基體中。結果，由包含金剛石的材料組成的涂層以改進的方式被錨定在基體處。
[0008]固然，具有內在的高強度的金剛石涂層具有如下優點:該金剛石涂層使得對應涂布的滑動體具有更好的抗熱性且對于機械地引起的應力和應力波動具有更好的抗性。然而，通常，存在如下缺點:由于這種金剛石涂層需要極其高的質量檢測率(quality testrate)，難以以機械密封件所需的最好質量來制造這種金剛石涂層，由于涂層材料的質量控制及其使用需要精確的計算，這種金剛石涂層作為涂層材料極其昂貴。
[0009]除了特定的成本的缺點之外，金剛石涂層的典型的大約700°C的高涂布溫度也存在問題。在涂布處理過程中，作為對待相應地涂布的基體的熱膨脹系數的反應，這樣的溫度在基體上引起變形和形成凹凸，使得對滑動對的配合在密封方面具有負面效果。
[0010]因此，到目前為止，優選地涂布SiC環，這是因為SiC的大約4*10_6/K的熱膨脹系數和金剛石涂層的大約1*10_6/K的熱膨脹系數在室溫條件下相對地相似并且當溫度上升時進一步接近。
[0011]提供具有滑動特性改進的環的另一可能性是涂布有所謂的DLC層或也稱為“類碳金剛石”層的面。
[0012]例如，在現有技術中已知DE3820581，在密封環上的DLC層的厚度達到10 μ m。
[0013]US2010/0061676說明了待在超純水中使用的機械密封件，其指出了 DLC層厚度為至少I μ m,但是不超過5 μ m。
[0014]大體上，一般而言，說明了滑動體的具有碳氫化合物層的涂層，具體地，說明了具有DLC層的涂層，而這樣的涂層構成了現有技術。
[0015]盡管該涂層代表現有技術，但是在滑動體上的相對厚的碳氫化合物層存在大問題。根據實踐已知，大的層厚度總是導致問題，這是因為相對厚的DLC層產生了增大的應力。與層系統的情況類似，這些增大的應力通常可以僅在基體中產生、僅在涂層中產生，優選地在基體和涂層之間產生或同時在所有所述區域中以不同的形式產生。
[0016]此外，所有出版物的共同點是使得密封環的僅一個側面用作滑動面。由于在所有涂布處理中待被涂布的環依靠在面上，因此，通常僅涂布環的一側。因為在利用碳氫化合物層的涂布處理中加熱基體引起了環的變形，所以形成了相對小的層厚度。
【發明內容】
[0017]因此，本發明的目的在于提供一種密封環及遵照涂布操作的方法，其不會變形并且在滑動面展示了高平面平行性。
[0018]分別利用具有方案I的特征的密封環和具有方案16的特征的方法實現該目的；各子方案展示了對本發明的優選開發。
[0019]根據本發明的具有方案I的特征的用于機械密封件的密封環具有如下優點:能夠避免在涂布操作之后密封環的變形，具體地，滑動面展示了高平坦性，使得機械密封件的密封間隙可以非常小。根據本發明，這通過將涂層分別涂覆到基體的在密封環的軸向上的兩個側面來實現。所涂覆的層中的至少一個層用作密封環的滑動面。通過在兩側對基體進行涂布能夠避免密封環的、特別是基體的不對稱的變形。具體地，在涂布僅一側的情況下，在密封環的相反側涂布能夠補償在現有技術中發現的在密封環的設置有涂層的一側的變形。因此，根據本發明的密封環進一步示出軸向上的均包括涂層的兩個側面的高平面平行性。在兩側的涂層使得密封環將不會存在變形，由此在極高負荷條件下也能使用較長的運行時間。如果可以，在恒定的良好的粘合性和磨損特性的條件下，滑動層的優選地具有大厚度的構造對損傷行為具有積極的效果，因為可以使用更多耐磨材料，由此顯著地增加了密封件的運行時間。此處，選擇在密封環上的第一層和第二層，以使得在基體上由第一層引起的幾何形狀變化被基體的已由第二層引起的幾何形狀變化所補償。優選地，當兩個層由同樣的材料組成并且進一步優選地具有相同的厚度的情況下實現了特別良好的補償。可選地，還可以是，兩個層由優選地熱膨脹系數不同的不同材料組成。還可以在基體上設置具有不同厚度的不同材料，這是因為還可以通過不同熱膨脹系數實現變形的補償。
[0020]優選地，密封環在密封環的徑向上的至少一個面上不具有任何涂層。由此，沒有影響由在密封環上徑向配置的層引起的幾何補償。[0021]同樣地，優選地可以是，密封環的形成為滑動面的一側具有上述平均厚度，S卩，使得該側比另一側的另一層厚，這是因為在具有第二層的相反側的涂層可以抵消環的變形。可以使用與滑動面的材料同樣的材料，但是也可以使用具有相適應的熱膨脹系數的不同材料。結果，在相反側的層也不需要自動地設置有非常大的厚度，而是可以對應于涂層材料的熱膨脹系數而制得較薄。此外優選地，相對于滑動層，相反層越薄，要補償變形的相反層材料的熱膨脹系數必須越大。優選地，當第二層比第一層薄時，第二層的熱膨脹系數大于第一層的熱膨脹系數。此外優選地，第一層的熱膨脹系數在第二層的熱膨脹系數的0.1倍至100倍的范圍內。此外優選地，在多層結構中，以使得隨著層距基體的距離增大單獨的層的熱膨脹系數變小或變大的方式選擇單獨的層的熱膨脹系數。此外優選地是，例如，單獨的層的密度具有梯度的構造，這是因為例如在單個層中的硬度由此逐漸受到影響。
[0022]為了密封環的盡可能有成本效益的可生產性，基體優選地僅設置單層的涂層，即，在基體的各側面處，僅單一層被直接涂覆的到基體。特別優選地，被直接涂覆到基體的DLC層作為單層被涂覆6 μ m的最小厚度。然而，可選地，可以將多層(多層結構)涂覆到基體的側面或者以單層被涂覆在密封環的一側面而多層涂層被涂覆在基體的相反側的方式涂覆組合涂層。特別優選地，在多層結構中涂覆兩個或三個單層。此外優選地，還可以將非常薄的粘合劑層和/或承載層設置在層和基體之間或者在是多層結構的情況下設置在相鄰的層之間。
[0023]特別優選地，密封環在兩個側面上設置有被構造成滑動面的層。除了由于改進了滑動涂層使得運行時間變長之外，由于在兩側都具有滑動層，使得該環能夠在一個滑動面出現損壞時容易地被翻轉而利用另一滑動面工作。因而，環的到目前為止未滑動接觸的一側變成滑動側并且不再將已經運行過的側在環進一步的運行期間用作滑動面。因而，除了長的運行持續時間之外，在成本方面，可以雙面使用這是因為密封環的兩個運行側面同時形成為滑動面。因此，可以將在兩側涂布有滑動面的密封環用作倒轉或翻轉密封環。
[0024]此外，本發明涉及包括根據本發明的至少一個密封環的機械密封組件，其優選地是氣體潤滑的。
[0025]根據本發明的密封環優選地由功能體/基層組成，該功能體/基層由基體和涂層組成，優選地由碳層組成，該碳層特別地是含氫無定型碳層，所謂的C:H層。
[0026]該基體特別地由碳化硅、氮化硅、金屬或鎢碳化物、或者碳纖維合成物材料組成，其中，通常還可以使用適作于密封環的所有其它可涂布的材料。所選的材料必須在可涂布性方面適合，即，必須具有一定的基本粘合性并且表面必須是可清潔的而不會與待清潔的滑動構件的表面起反應。具體地，必須選擇導電材料用于待被涂布的基體，這是因為由此可以實現高涂布質量。同樣的，可以是非導電材料，涂布處理必須適用該非導電材料。
[0027]此外優選地，本發明涉及一種用于生產密封環的方法，其中，第一層在第一側面處被涂覆到基體并且第二層在第二側面處被涂布到基體。兩個層中的至少一個層被設置成密封環的滑動層，優選地兩個層均被設置成密封環的滑動層。此處以選定的方式涂覆第二層，使得基體的由第一層的涂覆所導致的幾何形狀變化至少部分地被補償，特別地被完全地被補償。因此，可以以高平面平行性制造密封環。此外優選地，該兩個層被同時涂覆到基體。優選地，此處兩個層的厚度是同樣的。進一步優選地，被涂覆的層是DLC涂層。
[0028]優選地，密封環的徑向上的側面未涂布。[0029]此外優選地，以使得能夠設定密封環的限定的變形的方式選擇涂層，該限定的變形特別地是限定的凸度(defined crowning)。
[0030]與涂層分開地執行基體的制造，在涂布過程對基體進行調整。執行平坦度、粘合性和表面狀況的調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]現在將參照附圖詳細地說明本發明的優選實施方式，其中:
[0032]圖1是根據本發明的第一實施方式的密封環的示意性截面圖；以及
[0033]圖2是具有根據本發明的第二實施方式的密封環的機械密封組件的示意性截面圖。
【具體實施方式】
[0034]在圖1中示出的第一實施方式示出了具有基體2、第一層3和第二層4的密封環I。第一層3被配置于基體2的軸向X-X上的第一側面(first face side)2a。第二層4被配置于第一側面2a的相反側的第二側面2b。兩個層3、4具有同樣的厚度D。此外，如圖1顯而易見地，基體2的內周面2c和外周面2d沒有任何涂層。
[0035]在本實施方式中，第一層3形成為滑動層，由此，第一層3具有滑動面3a。由于在兩側將涂層涂覆到基體2的兩個側面，能夠避免在涂布過程中基體產生不期望的變形。尤其是歸因于在兩側涂覆涂層的發明性構思，避免了可能導致在滑動面3a上產生凹凸的軸向X-X上的變形。優選地，兩個層3、4由同樣的材料制成，使得第二層4也提供了滑動面。于是，例如可以在使用了一定時期(期間第一滑動面3a被磨損)之后，僅通過翻轉密封環1，然后就可以使用在第二層4上的滑動面。
[0036]圖2示出了具有根據本發明的第二實施方式的轉動密封環8和固定密封環9的機械密封件10。兩個密封環8、9也具有雙面涂層并且以已知的方式在密封環8、9之間限定了密封間隙16。本實施方式的機械密封件10被構造成氣體密封件。
[0037]如從圖2看到的，轉動密封環8包括基體11，該基體11具有包括朝向密封間隙16取向的多層結構20的側面。多層結構20包括第一層21和第二層22，第一層21是外層并由此被構造成密封環的滑動面。單獨的第三層23被配置在轉動密封環8的相反側面上。單獨的層23和多層結構20的第一層21優選地由同樣的材料制成。轉動密封環8借助于聯接套筒15等被固定到軸13。
[0038]固定密封環9被配置在殼體14上并且包括基體12、配置在基體12的兩個相反側面上的第一多層結構30和第二多層結構40。第一多層結構30包括作為滑動面的第一層31和配置在第一層31和基體12之間的第二層32。第二多層結構40還包括第一層41和配置在第一層41和基體12之間的第二層42。可選地，與在轉動密封環8上類似地，還可以在兩個側面中的一個側面上設置多層結構，而可以在另一側面上僅設置一個單層。
[0039]此處被構造成滑動面的層優選地為具有厚度為至少6μπι的DLC層。還可以涂覆粘結層，以將層更好地粘接到基體，或者在多層結構的情況下更好地在多層之間進行粘接。
[0040]附圖標記列表
[0041]I密封環[0042]2 基體
[0043]2a第一側面
[0044]2b第二側面
[0045]2c內周面
[0046]2d外周面
[0047]3 第一層
[0048]3a滑動面
[0049]4 第二層
[0050]8轉動密封環
[0051]9固定密封環
[0052]10機械密封件
[0053]11、12 基體
[0054]13 軸
[0055]14 殼體
[0056]15聯接套筒
[0057]16密封間隙
[0058]20多層結構
[0059]21第一層(滑動面)
[0060]22 第二層
[0061]23第三層
[0062]30多層結構
[0063]31第一層(滑動面)
[0064]32 第二層
[0065]40多層結構
[0066]41第一層(滑動面)
[0067]42 第二層
[0068]D 厚度
[0069]X-X 中軸線
【權利要求】
1.一種用于機械密封件的密封環，其包括: -基體(2)； -第一層(3)，所述第一層被涂覆到所述基體(2)的第一側面(2a);以及 -第二層(4)，所述第二層被涂覆到所述基體(2)的第二側面(2b)； -其中，所述第一層和所述第二層中的至少一個層(3)被構造成所述密封環的滑動面， -其中，所述基體(2)的由所述第一層引起的幾何形狀變化至少部分地通過所述基體(2)的由所述第二層(4)引起的幾何形狀變化所補償。
2.根據權利要求1所述的密封環，其特征在于，所述密封環的在所述密封環的徑向上的至少一個面不具有層。
3.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第一層(3)和所述第二層(4)由同樣的材料組成，或者所述第一層(3)和所述第二層(4)由不同的材料組成。
4.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述基體包括碳化硅、氮化硅、金屬或鎢碳化物、或者碳纖維合成物材料。
5.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第一層(3)和所述第二層(4)是單層的，或者 所述第一層和所述第二層是多層的，或者 所述第一層和所述第二層中的一個層是單層的而所述第一層(3)和所述第二層(4)中的另一個層是多層的。
6.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，粘合劑層設置在層和所述基體(2)之間和/或在多層的情況下設置在相鄰的層之間，所述粘合劑層特別地是含氫無定型碳層、四面體的含氫無定型碳層、改良的含氫無定型碳氫化合物層或包含金屬的含氫無定型碳氫化合物層。
7.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第一層和所述第二層均形成為滑動面。
8.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第一層(3)的厚度與所述第二層(4)的厚度對應。
9.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第二層(4)的熱膨脹系數與所述第一層(3)的熱膨脹系數不同。
10.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，所述第一層(3)和/或所述第二層(4)是DLC層、金剛石層、金屬層或聚合物層，所述金剛石層特別地是具有大于98%的sp3組分的結晶金剛石層。
11.根據前述權利要求中任一項所述的密封環，其特征在于，形成為滑動面的所述層(3)的厚度在0.1 μ m至50 μ m之間，特別地在I μ m至40 μ m之間，更特別地在2 μ m至30 μ m之間，還特別地在3 μ m至40 μ m之間,進一步特別地為6 μ m。
12.—種機械密封組件，其包括根據前述權利要求中任一項所述的密封環。
13.一種密封環(I)的制造方法，其包括如下步驟: -提供基體(2); -將第一層(3 )涂覆到所述基體(2 )的第一側面(2a);以及 -將第二層(4 )涂覆到所述基體(2 )的第二側面(2b )，-其中，所述第一層和所述第二層中的至少一個層被設置成所述密封環的滑動層，特別地所述第一層和所述第二層都被設置成滑動層， -其中，所述第二層(4)以選定的方式涂覆到所述基體(2)，使得所述基體(2)的由所述第一層(3)的涂覆引起的幾何形狀變化至少部分地被補償，特別地被完全地補償。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述密封環的徑向上的至少一個面未被涂布。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述第一層(3)和所述第二層(4)被同時涂覆到所述基體和/或所述第一層和所述第二層以具有相同厚度的方式被涂覆到所述基體(2)。`
【文檔編號】F16J15/34GK103890466SQ201280050579
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月2日 優先權日:2011年10月14日
【發明者】約爾格·泰勒科, R·席克坦茨, J·奧茨切克, P·德勒舍爾, F·韋德克, K·朗, T·凱勒, B·舒爾滕, P·哈澤爾巴赫爾, R·約翰尼斯, S·邁耶, S·施納肯貝格 申請人:伊格爾博格曼德國有限公司