机械面密封件上的薄膜涂层制造技术

公开了一种密封件。该密封件具有第一表面和设置在大体上平行于第一表面的平面中的第二表面。第一表面和第二表面中的至少一者至少部分地涂覆有包括粘合层、过渡层和非晶态类金刚石(a‑DLC)层的膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及机械面密封件，更具体地，涉及涂覆有薄膜的机械面密封件。
技术介绍
许多应用本质上使机器部件处于极端条件下，加速部件磨损和故障。例如一个这样的应用是钻地。在钻地时，使用至少一个滚动锥形切割机来钻出钻孔。滚动锥形切割机可旋转地安装到轴上，随着土体结构被粉碎，该轴在钻孔中逐渐地下降。锥体相对于轴的旋转是使用密封组件实现的。钻地钻头可以包括设置在轴的基部处的凹槽中的至少一个刚性密封环。该刚性密封环具有与定位在锥体上的轴承套筒的表面配合的表面。轴承套筒和刚性密封环形成密封组件，并且它们相对于彼此旋转。由于配合表面是金属的，它们必须被润滑以允许锥体围绕轴无缝旋转。此外，尽管锥体的高旋转速度，润滑剂必须保持在界面处。在钻地时，锥体受到由施加在轴上的力、由于在破碎土体结构时发生的瞬时冲击、以及由于钻头沿着钻孔的侧壁滑动而导致的高负载压力。这些高压力负载可能导致密封组件失效。此外，锥体为确保令人满意的钻地性能进行旋转所需的高速度也可能导致组件失效。最后，暴露于来自破碎的土体结构的腐蚀性和磨蚀性颗粒可能腐蚀密封组件的部件，特别是如果这些颗粒存在于配合表面之间的界面处。用于制造用于钻地钻头的改进的密封组件的示例性方法在2007年6月26日授予Scott等人的美国专利No.7,234,541(“'541专利”)中公开。机械面密封件的表面用类金刚石碳(DLC)膜涂覆，所述类金刚石碳(DLC)膜布置在涂覆于密封表面上的中间层上。据报道，涂覆有DLC膜的密封件相对于未涂覆的密封件具有增加的耐磨性。'541专利中公开的涂覆密封件可以提供对于一些钻地应用特别重要的某些益处。然而，它们可能具有某些缺点。例如，DLC涂层在使用期间可能分层，因为即使当使用中间层时，DLC涂层对下面的密封表面的粘附性依然差。本文公开的实施例可有助于至少解决这些问题。
技术实现思路
在一个方面，本公开涉及一种密封件。密封件可以包括第一表面和设置在大致平行于第一表面的平面中的第二表面。另外，第一表面和第二表面中的至少一者可以至少部分地涂覆有膜。该膜可以包括粘合层、过渡层和非晶态类金刚石(a-DLC)层。在另一方面，本公开涉及一种用于通过修改密封环的表面来制造密封界面的方法。该方法可以包括精加工表面以赋予其预定几何形状和/或预定计量。此外，该方法可以包括在精加工之后清洁表面并且使用物理气相沉积(PVD)溅射在其上沉积第一层。第一层可以包括金属。此外，该方法可包括使用PVD溅射在第一层上沉积第二层。第二层可以包括金属和碳。另外，该方法可以包括使用等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)在第二层上沉积第三层。第三层可以是非晶态类金刚石碳(a-DLC)层。附图说明图1是根据示例性实施例的机械面密封件的示意图。图2是图1的机械面密封件的侧视图。图3是根据示例性实施例的涂覆有膜的机械面密封件的示意图。图4是根据示例性实施例的涂覆有膜的表面精加工的机械面密封件的示意图。图5是根据示例性实施例的包括两个机械面密封件的密封组件的横截面图。图6A和图6B是根据示例性实施例的钻地钻头的示意图。图7是示出根据示例性实施例的涂覆机械面密封件的方法的流程图。具体实施方式图1示出了根据示例性实施例的机械面密封件10。图2中示出了密封件10的侧视图。密封件10可以包括设置在通常平行于第二表面18的平面中的第一表面12。密封件10还可以包括内表面16和外表面14。表面14可以包括具有预定深度和预定侧壁轮廓的凹槽。例如，凹槽可以包括底部平坦部分和弯曲侧壁。密封件10可以制成硬化或回火钢或适于制造机械面密封件的其它材料。例如，这种材料可以是铁、镍、钴及其合金，例如马氏体不锈钢或不锈钢。此外，密封件10可以由陶瓷材料制成，这种材料可以提供防腐蚀。此外，尽管图1将表面12示出为基本平坦的表面，但是在其它实施例中，表面12可以包括基本上平行于表面18的第一区域和相对于第一区域以一定角度渐缩的第二区域。表面12也可以用专用表面精加工工艺来精加工。在一个示例性实施例中，表面12可以被加工。在另一示例性实施例中，专用精加工工艺可以是各向同性精加工。各向同性精加工去除了可能存在于表面12上的粗糙体。各向同性精加工还被设计为在表面12内留下谷。这些谷可以在密封件10用于密封组件(如下文所述)中的应用中提供改进的润滑剂保持。此外，各向同性精加工可使表面12比机加工或裸露表面12更耐腐蚀。可以控制各向同性精加工过程以将预定计量赋予表面12。预定计量可以是“磨合的”计量。当与另一表面接触并且移动时，磨合的表面经历较少的热量和较少的磨损。表面12的计量可以被表征为例如在各向同性精加工工艺之后的表面12的粗糙度的量度。例如，可以使用表面12的片段(即，在线轮廓上)的高度变化来计算粗糙度的度量。或者，可以使用表面12的所选区域中(即，区域轮廓上)的高度变化来计算粗糙度的度量。可以使用例如触针轮廓仪获得线轮廓。另一方面，例如可以使用干涉式轮廓仪获得区域轮廓。仅作为示例，沿着表面12的片段测量的高度的算术平均值可以用于计算轮廓粗糙度参数(Ra)。类似地，可以使用在区域轮廓中测量的高度的算术平均值来计算面积粗糙度参数(Sa)。可以控制各向同性精加工工艺以产生预定的Ra和Sa参数。然而，通常，表面12的计量可以是在各向同性精加工工艺之后的表面12的任何可测量的特性或性质。密封件10可以包括设置在表面12和表面18中的至少一者上的共形膜20(如图3和图4所示)。膜20可以设置在密封件10的所有表面上。在表面12包括锥形部分的实施例中，膜20可以设置在锥形部分上以及平坦部分上。膜20可以包括粘合层、过渡层和作为非晶态类金刚石碳层的顶层。膜20可以设置在机加工和/或精加工的表面12和/或表面18上，并且其可以部分地覆盖或完全覆盖这些表面。图3示出了示例性实施例的横截面视图，其中密封件10具有设置在表面12上的膜20。膜20包括可以包括金属的共形粘合层22。仅举例来说，粘合层22可以包括铬(Cr)或钛(Ti)。术语“共形”在本文中用于指示薄膜的性质以保持其基板的形貌。也就是说，粘合层22将具有与表面12相同的表面粗糙体，因为粘合层22与表面12共形。否则，粘合层22具有的计量基本上等于表面12的计量。共形过渡层24设置在粘合层22上。过渡层24可以包含金属掺杂碳膜。图3示出了过渡层24包括掺杂有钨(W)和铬(Cr)的富碳层的示例性实施例。仅作为示例，过渡层24的金属含量可以在约5至20原子百分比(at％)的范围内。金属含量大于20原子百分比可以增加膜20的硬度，但也可以导致更大的摩擦系数。相反，金属含量小于5％可提供不足的粘附性和膜硬度。过渡层24的碳含量可以包括非氢化的碳和/或氢化的碳原子。在不同的实施例中，过渡层24可以包括金属掺杂类金刚石碳(m-DLC)层。类金刚石碳膜是具有类似于金刚石的性质的亚稳态非晶态碳或碳氢化合物的类型。DLC膜具有的优点是具有不超过其所沉积的衬底的最低转变温度的沉积温度，该转变温度是密封环10至少部分地失去一种或多种结构性质(例如其硬度或残余应力)的温度。膜20可以进一步包括设置在过渡层24上的共形的非晶态类金刚石碳(a-DLC)层26。与钢相比，该非晶态类金刚石碳(a-DL本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种密封环，其包括：第一表面；设置在大致平行于所述第一表面的平面中的第二表面；其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一者至少部分地涂覆有包括粘合层、过渡层和非晶态类金刚石(a‑DLC)层的膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.29 US 14/2908891.一种密封环，其包括：第一表面；设置在大致平行于所述第一表面的平面中的第二表面；其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一者至少部分地涂覆有包括粘合层、过渡层和非晶态类金刚石(a-DLC)层的膜。2.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述第一表面或所述第二表面具有各向同性精加工工艺的表面计量特性。3.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述膜是共形的。4.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述粘合层包括铬。5.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述过渡层包括钨和碳。6.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述过渡层包括金属和碳。7.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述过渡层包括金属和类金刚石碳膜。8.根据权利要求1所述的密封环，其中，所述过渡层具有在约5至20原子百分比(at％)的范围内的金属含量。9.根据权利要求2所述的密封环，其中，所述a-DLC层设置在所述过渡层上，所述过渡层位于所述粘合层上，以及所述粘合层位于所述第一表面和所述第二表面中的至少一者上。10.一种在密封件的表面上沉积膜的方法，其包括：精加工所述表面，以赋予所述表面预定的几何形状和/或预定的计量；在精加工后清洁所述表面；在使用物理气相沉积(PVD)溅射进行清洁之后在所述表面上沉积第一层，所述第一层包括金属；使用PVD溅射在所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·J·哈斯，S·C·泰勒，D·E·马修恩，D·P·维尔坦恩，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国;US