机械面密封件上的薄膜涂层的制作方法

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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-DLC)属于具有低摩擦、高耐磨性、高耐擦性和高耐磨损性的材料家族。此外，如本文所使用的a-DLC是指不具有晶体结构的所有类型的游离的反应性碳。

a-DLC层26不具有金属含量。在其它实施例中，膜20可包括设置在过渡层24上的非晶态氢化碳(a-C:H)，而不是如图3所示的实施例中的a-DLC层26。在其他实施例中，a-DLC层26也可以掺杂有过渡金属碳化物或其他元素，例如硅。在这些情况下，a-DLC层26的碳含量可以在约60-80原子百分比(at％)的范围内。

在其他实施例中，膜20可以包括铬(Cr)的粘合层22、钨DLC(W-DLC)的过渡层24和a-DLC层26。在其他实施例中，膜20可以包括铬(Cr)的粘合层22、包括钨掺杂碳(WC)和钨-DLC(W-DLC)的过渡层24以及设置在过渡层24顶部的非晶态氢化碳(aC:H)。在其他实施例中，膜20可以包括金属层、金属掺杂碳层和非晶态类金刚石(a-DLC)层。金属掺杂碳层可以是铬掺杂的或钨掺杂的。

膜20可以包括沉积到第一厚度的粘合层22、沉积到第二厚度的过渡层和沉积到第三厚度的顶层。第一厚度可以在约100nm至200nm的范围内，第二厚度可以在约200nm至600nm的范围内，第三厚度可以在约2,000nm至3,000nm的范围内。在其它实施例中，第三厚度可以在约2,000nm至10,000nm的范围内。第一厚度、第二厚度和第三厚度可以不相等。

在其他实施例中，第三厚度可以大于第一厚度的三倍，以及大于第二厚度的两倍。薄膜可以比较厚的膜更共形。因此，膜20的计量可以相对于表面12的计量简单地通过增加膜20的厚度而改变，从而消除表面12的任何表面精加工的影响。此外，增加膜20的厚度可以产生增加的残余应力，其可降低膜20对表面12的粘附性。

图4示出了类似于图3中所示的实施例的另一示例性实施例。图4的示例性实施例与图3的不同之处在于表面12是各向同性精加工的。也就是说，由于各向同性精加工工艺，表面12具有散布在其上的峰和谷(在图4中用数字28表示)。因此，由于粘合层22、过渡层24和层26全部是共形的，因此膜20也是共形的。换句话说，膜20保持各向同性精加工表面12的计量。在一个实施例中，各向同性精加工表面12的表面粗糙度参数Ra可以低于约500nm、200nm或100nm。低Ra值可以提供膜20对表面12的增加的粘附性。

图5示出了根据示例性实施例的利用两个机械面密封件10的密封组件40的横截面图。组件40中的每个密封件10的每个表面12可以涂覆有膜状膜20。在另一个实施例中，组件的仅一个密封件10可以具有涂覆在其上的膜20。

密封组件40包括用于加载每个密封件10的复曲面34和38。复曲面34和38可以由聚合材料制成。例如，复曲面34和38可以是腈基弹性体或硅氧烷基弹性体。尽管复曲面34和38显示为具有椭圆形或圆形的横截面，但是其它横截面也是可能的。复曲面34和38有助于保持每个密封件10的表面12之间的密封界面。每个表面12可在组装密封件10之前被润滑，如图5所示。

此外，密封组件40可以包括固定件42、44、46和48，其可以用于进一步保持密封的界面。在一些应用中，一个密封件10是静止不动的，而另一个密封件10相对于静止不动的密封件10旋转。图5描述了使用两个密封件10的实施例，其他实施例可以包括一个密封件10，其表面12与不是机械面密封件的另一金属表面配合。在该实施例中，密封界面也存在于密封件10的表面12和另一金属表面之间。下面讨论这样的示例实施例。

图6A示出了根据实施例的钻地钻头50的一部分。图6B是包括在钻地钻头50中的密封组件的示例性实施例的近视图。

钻地钻头50包括由轴支撑的钻头腿52和可旋转地安装到轴(和钻头腿52)的锥体54。锥体54包括设置在其周边上的多个齿56，用于在锥体54旋转时切割和破碎土体结构。锥体54使用多个精密研磨的球锁定构件58保持在轴上。在锥体54和钻头腿52之间存在小间隙68。

钻头腿52包括固定件60、复曲面62和类似于前面讨论的机械面密封件10的机械面密封件64。锥体54包括与密封件64形成密封界面的轴承套筒66。在操作期间，锥体54相对于钻头腿52旋转。因此，轴承套筒66旋转，同时密封件64保持静止不动。密封件64和轴承套筒66的配合表面可以涂覆有膜状膜20。在一个实施例中，仅一个配合表面可以涂覆有膜20。

工业实用性

所公开的密封件可适用于包括机械面密封件和/或机械面密封组件的任何工作机械。例如，所公开的密封件可以用于滚压机、切割机、挖掘机、钻地机、底盘轨道组件和在采矿应用中使用的任何工作机。

所公开的密封件可以具有优于现有技术密封件的各种优点。例如，所公开的密封件可以具有延长的寿命，特别是在密封件和密封组件经受高静态和瞬变压力梯度、高旋转速度以及腐蚀性和磨蚀性环境的应用中。

具体地，所公开的密封件可以具有较高的渗漏、刻痕和泄漏每分钟转数(RPM)等级。渗漏rpm等级是在密封组件的密封界面处可见润滑剂的转速。泄漏rpm等级是润滑剂从界面泄漏的旋转速度，并且刻痕rpm等级是两个配合表面在其间没有润滑剂的情况下相接触的旋转速度。换句话说，所公开的膜可以具有优良的粘合性能，并且在现有技术的未涂覆或DLC涂覆的密封件(例如'541专利中公开的涂覆的密封件)中会引起分层的条件下不会分层。

图7是描绘在所公开的密封件上沉积膜20的示例性方法30的流程图。为了简单起见，在用膜20涂覆密封件10的表面12的上下文中描述了方法30。然而，本领域技术人员将容易认识到，方法30可以应用于密封件10的任何表面。此外，尽管方法30公开了在整个表面12上沉积膜20，方法30的其它实施例可以包括导致膜20仅仅涂覆在表面12的一部分上的附加工序。这种附加过程可以包括例如阴影遮蔽、光刻和湿法蚀刻、剥离、激光烧蚀和离子束铣削。

方法30可以包括表面精加工工序200，其可以是各向同性精加工、机械抛光、磨合抛光、抛光、研磨、化学机械平面化、机加工、微机械加工或其任何组合中的至少一种。表面精加工工序200可以包括渗碳表面12。在另一个实施例中，表面精加工工序200可以是例如各向同性精加工工序，其被调节以产生预定的表面粗糙度参数Ra。例如，预定的表面粗糙度可以是约小于500nm、200nm或100nm的Ra值。如前所述，低Ra值可以提供膜20对表面12的增加的粘附性。

示例性各向同性精加工工艺可以是例如将表面12浸入包括草酸基溶液的化学浴中。溶液氧化可能存在于表面12上的粗糙体。化学浴还可以包括惰性和非磨蚀性微粒，该微粒可以进一步有助于去除氧化的表面粗糙体，这仅仅是由于浴的局部流动产生的机械相互作用。在化学处理之后，表面12可以被抛光以减小氧化的粗糙体的高度。化学浴可以搅拌或摇动以提高反应速率。例如，可以全部独立地控制工艺参数，例如浴的pH，由于摇动或搅拌赋予浴的振动能量的幅度或暴露时间，以对表面12产生预定的表面粗糙度。一个本领域普通技术人员将容易认识到，因为可以凭经验确定最佳参数空间，所以可以控制其他工艺参数以实现期望的粗糙度。此外，可以调整精加工工序200以产生除表面粗糙度之外的预定计量。也就是说，在各向同性精加工工艺之后，可以调整精加工工序200以产生表面12的可测量特性或性质的预定值。

另外，方法30可以包括清洁工序210。清洁工序210可以用于清除表面12的污染物。因此，清洁工序210可以是从表面12去除微粒的任何工序。仅作为示例，清洁工序210可以是包括诸如异丙醇(IPA)的溶剂的化学浴。或者，清洁工序210可以是等离子体处理。例如，氧气或氩气等离子体可用于清洁表面12。此外，尽管图7描绘了在表面精加工工序200之后进行的清洁工序210，但是本领域普通技术人员将容易理解，清洁工序210可以在方法30期间进行的任何其他工序之后进行。此外，清洁工序210可以原位(即在沉积室内)或者非原位(即在将密封件10装载在沉积室中之前)进行。

另外，方法30可以包括第一沉积工序220。第一沉积工序220可以包括在表面12上沉积粘合层，例如在图3和图4所示的示例性实施例中描述的粘合层22。具体地，第一沉积工序220可以包括使用物理气相沉积(PVD)溅射的金属沉积。

在PVD溅射沉积中，使用DC或RF驱动通过电位梯度来加速惰性离子(例如Ar⁺)，使得它们轰击靶，通过转移动量产生靶材料的喷射簇。喷射簇吸附到放置在靶附近的待涂覆的表面上，并且它们产生靶材料的薄膜。

PVD溅射沉积发生在真空沉积室中，并且可以加热待涂覆的表面。可以优化PVD溅射沉积参数，其中例如沉积时间、基底温度、室压力、气体流速等等，以产生具有期望厚度的膜。第一沉积工序220可用于用由铬(Cr)或钛(Ti)制成的粘合层22涂覆表面12。

另外，方法30可以包括用于在已经涂覆有粘合层的表面12上沉积过渡层(如过渡层24)的第二沉积工序230。第二沉积工序230可包括PVD溅射沉积工艺。在另一实施例中，第二沉积工序230可以包括反应性PVD溅射沉积是一种PVD溅射工艺，其中在溅射沉积期间将反应性前体化合物引入沉积室中。

第二沉积工序230可包括产生包括钨-DLC(W-DLC)的过渡层的反应性PVD溅射工艺。在另一实施例中，第二沉积工序230可以包括产生包括钨掺杂碳(WC)和钨-DLC(W-DLC)的过渡层的反应性PVD溅射工艺。在又一个实施例中，第二沉积工序230可以包括仅产生钨-DLC(W-DLC)层的反应性PVD溅射工艺。一般来说，第二沉积工序230可包含产生关于过渡层24所论述的任何膜(或任何组合)的PVD溅射工艺。此外，反应性PVD溅射工艺可使用挥发性烃作为反应性化合物，例如乙炔。

另外，方法30可以包括产生类似顶层的层26的第三沉积工序240。第三沉积工序240可以是等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)工艺，也称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。

在PACVD中，在沉积室中产生等离子体，并且将挥发性前体化合物引入室中。热能和来自等离子体的能量驱动挥发性前体化合物的反应速率以在所要涂覆的表面上产生所需的材料。在PACVD中，衬底和/或室可以被加热以提供所需的热能。在一个实施例中，第三沉积工序240可以被配置为产生a-DLC层。在另一实施例中，第三沉积工序240可以是配置成产生a-C:H层的PACVD工艺。

可以调节第一、第二和第三沉积工序220、230和240的工艺参数以产生先前关于粘合层22、过渡层24和层26所讨论的各自的厚度。此外，用于DLC膜的前体化合物可以是烃，例如乙炔或甲烷。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以对所公开的密封件进行各种修改和变化。通过考虑所公开的密封件的说明书和实践，其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例被认为仅是示例性的，真实的范围由所附权利要求书及其等同物指示。