(57)【要約】  レーザークラッディングメカニカルフェイスシールメカニカルフェイスシールの製造方法で、内径、外径および平面状表面（４４０）を有する鋳造製または鍛造製基材部（４００）の取得ステップを含む方法。本方法は、平面状表面（４４０）をレーザー（１０００）へ露出する、露出ステップ（３３０）を含み得る。本方法は、基材部（４００）と冶金学的結合を形成するために、コーティング材料（１１５０）を平面状表面（４４０）上のレーザー（１０００）の場所または近くに塗布する塗布ステップをさらに含む。【選択図】図６
2017534460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厳密に寸法制御されたメカニカルフェイスシールの製造方法で、該方法が：
鋳造製および鍛造製基材部（４００）を形成する工程で、該基材部（４４０）は、内径（４２０）、外径（４１０）、および内径（４２０）と外径（４１０）の間に伸延する平面状表面（４４０）を有する工程；
コーティング材料（１１５０）を平面状表面（４４０）の最上層（４４１）塗布する工程で、該コーティング材料（１１５０）は、少なくともＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、およびＣｏ基合金の１つを含む工程；および、
少なくとも平面状表面（４４０）をレーザー（１０００）に露出する工程で、該露出工程は、平面状表面（４４０）の最上層（４４１）をトレースし、基材部（４００）の最上層およびコーティング材料（１１５０）を溶解し、冶金学的結合を形成することを含む工程、とを有する方法。
【請求項２】
前記塗布工程が、コーティング材料（１１５０）の粉末流またはワイヤを平面状表面（４４０）の最上層（４４１）へ提供を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記塗布工程が、露出の前の、平面状表面（４４０）の最上面の位置にて、中間層（５００）を形成する粉末流またはワイヤの供給速度制御を含み、該中間層（５００）は、コーティング材料（１１５０）と基材部（４００）の材料が共に溶融した混合物を有し、
クラッド層（６００）が中間層（５００）上に形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
中間層（５００）およびクラッド層（６００）が亀裂のない基材部（４００）上にコーティング層（４５０）を形成する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記塗布工程が、レーザー（１０００）に露出する一方、コーティング材料（１１５０）の粉体流またはワイヤを平面状表面（４４０）の最上層（４４１）へ供給工程を含み、コーティング材料（１１５０）および基材部（４００）の材料は共に溶融し、中間層（５００）を形成し、かつ、
前記供給工程は、追加のコーティング材料（１１５０）を塗布し、クラッド層（６００）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
中間層（５００）およびクラッド層（６００）が、亀裂のない基材部（４００）上にコーティング表面（４５０）を形成する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
メカニカルフェイスシールを形成するための、基材部（４００）表面の仕上げ工程をさらに含み、該仕上げ工程は、０．７ｍｍ〜１．０ｍｍの間のクラッド層（６００）厚を得るために、クラッド層（６００）から材料（７１０）を取り除く工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
基材部４００は、ＳＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材にて作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
Ｆｅ基合金は、０．７８％〜１．０５％の炭素、０．１５％〜０．４０％のマンガン、０．２０％〜０．４５％のケイ素、２．０％〜４．５％のクロム、４．５％〜５．５％のモリブデン、５．５％〜６．７５％のタングステン、１．７５〜２．２０％のバナジウム、最大０．３％までのニッケル、  最大０．２５％までの銅、最大０．０３％までのリン、最大０．０３％までの硫黄、および、残余の鉄から構成され、
該ニッケル基合金が、１６〜１７％のクロム、３．３％のホウ素、３．８％のケイ素、０．８％〜１．０％の炭素、および、残余のニッケルから構成され、かつ、
該Ｃｏ基合金は、２６．５％〜３３％のクロム０．８％〜２．７％の炭素、３．５％〜２０％のタングステン、０．８％〜１．２％のケイ素、最大３％までの鉄、最大１．５％までのモリブデン、  最大１％までのマンガン、および、残余のコバルトから構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
厳密に寸法制御されたメカニカルフェイスシールの製造方法で、該方法が：
ＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材による、鋳造製または鍛造製の基材部（４００）の形成工程で、基材部（４００）が、内径（４２０）、外径（４１０）、および内径（４２０）と外径（４１０）の間に伸延する平面状表面（４４０）を有する成形工程、
基材部（４００）を予熱するために、平面状表面（４４０）の少なくとも一部（４４２）をレーザー（１０００）に露出しする、露出工程、ならびに；
Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、または、Ｃｏ基合金を含むコーティング材料（１１５０）を、予熱された平面状表面（４４０）へ塗布する工程、および基材部（４００）の最上面およびコーティング材料（１１５０）を合わせて溶融し、冶金的結合を形成するために予熱された平面状表面（４４０）の少なくとも一部（４４２）をレーザー（１０００）へさらに露出する工程を含む、塗布工程、を含む方法で、
前記塗布および更なる露出工程は、コーティング材料（１１５０）および基材部（４００）の材料を合わせて溶融することにより中間層（５００）を形成し、かつ、中間層（５００）上にコーティング材料（１１５０）のクラッド層（６００）を形成し、
該Ｆｅ基合金は、０．７８％〜１．０５％の炭素、０．１５％〜０．４０％のマンガン、０．２０％〜０．４５％のケイ素、２．０％〜４．５％のクロム、４．５％〜５．５％のモリブデン、５．５％〜６．７５％のタングステン、１．７５〜２．２０％のバナジウム、最大０．３％までのニッケル、  最大０．２５％までの銅、最大０．０３％までのリン、最大０．０３％までの硫黄、および、残余の鉄から構成され、
該Ｎｉ基合金は、１６〜１７％のクロム、３．３％のホウ素、３．８％のケイ素、０．８％〜１．０％の炭素、および、残余のニッケルから構成され、かつ、
該Ｃｏ基合金は、２６．５％〜３３％のクロム、０．８％〜２．７％の炭素、３．５％〜２０％のタングステン、０．８％〜１．２％のケイ素、最大３％までの鉄、最大１．５％までのモリブデン、最大１％までのマンガン、および、残余のコバルトから構成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般にレーザークラッド工程により形成される機械的部品の分野、具体的にはレーザークラッド工程により形成されるメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転可能なシャフトを有する装置および機械において、多くの場合、シールは潤滑剤を保持するために使用され、また同時に、回転可能なシャフトのベアリング表面からの異物を排除する。特に、メタルまたはメカニカルフェイスシールは、アクスル、ギアボックス、トラック車両、コンベヤシステムなど、シャフトシールがすぐに摩耗する可能性がある、過酷で、研磨性、および腐食性のある環境に部品が露出する、高耐荷重の回転用途にて使用される。メカニカルフェイスシールは、通常、２つの分離するハウジングまたはリテイナーにお互い向かい合わせに取り付けられる、２つの同一のメタルシールリングを含む。２つのメタルリングのうち１つは、通常、対応するリテイナー内で静止状態を維持する一方で、２つのメタルリングの他方は、通常、その対面で回転する。
【０００３】
とりわけ、摩擦接触、応力、および、極端な温度など、これらの部品が稼動する操作条件および幅広い環境条件によって、メカニカルフェイスシールの金属接触面は、摩耗が加速しやすい可能性がある。結果として、メカニカルフェイスシールは、さらに堅牢および特殊な材料から製造される可能性がある。しかし、そのような材料は高価であり、かつ加工が困難である。
【０００４】
「メカニカルシールへの耐摩耗コーティング塗布法」（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ａｐｐｌｙｉｎｇ  Ｗｅａｒ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ｔｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｆａｃｅ  Ｓｅａｌ）と題する、米国特許公開広報第２０１１／０２８５０９１号（‘０９１発行）は、所望の耐腐食性および耐摩耗性を保持しつつ、コスト削減をする課題に取り組むことを目的とする。しかし、従来技術における、コーティングプロセスは、接着性の重大な欠点を有している。従って、フェイスシールなどの機械的部品の形成プロセスには改善の必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一態様では、本開示は、厳密に寸法制御されたメカニカルフェイスシールの製造方法について記載する。本方法は、鋳造製または鍛造製の基材部品の形成も含むことができる。基材部は、内径、外径、ならびに、内径および外径の間に伸延する平面状表面を有し得る。本方法は、平面状表面の最上層にコーティング材料を塗布する工程を含み得る。本方法は、レーザーへの少なくとも平面状表面の露出工程を含み、また、露出工程は、平面状表面の最上層をトレースし、基材部の最上層およびコーティング材料を合わせて溶融し、冶金学的結合を形成することを含み得る。
【０００６】
別の態様では、本開示は、鋳造製または鍛造製基材部を含む、厳密に寸法制御されたメカニカルフェイスシールの製造方法について記載する。基材部は、内径、外径、ならびに、内径および外径の間に伸延する平面状表面を有し得る。本方法は、少なくとも平面状表面の一部をレーザーへ露出し、基材部を予熱する工程を含み得る。本方法は、予熱された平面状表面にコーティング材料を塗布する工程を含み得る。本方法は、基材部およびコーティング材料を合わせて溶融し、冶金的結合を形成するために予熱された平面状表面の少なくとも一部をレーザーに露出させる工程をさらに含み得る。
【０００７】
さらに別の態様では、本開示は、ＳＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材による、鋳造製または鍛造製の基材部の形成工程を含む、厳密に寸法制御されたメカニカルフェイスシールの製造方法について記載する。基材部は、内径、外径、ならびに、内径および外径の間に伸延する平面状表面を有し得る。本方法は、少なくとも平面状表面の一部をレーザーへ露出し、基材部を予熱する工程を含み得る。本方法は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、または、Ｃｏ基合金を含むコーティング材料を、予熱された平面状表面へ塗布する工程、および基材部の最上面およびコーティング材料を合わせて溶融し、冶金的結合を形成するために予熱された平面状表面の少なくとも一部をレーザーへさらに露出する工程を含み得る。塗布および更なる露出は、コーティング材料および基材部の材料を合わせて溶融することにより中間層を形成することができ、かつ、中間層上にコーティング材料のクラッド層を形成することができる。Ｆｅ基合金は、０．７８％〜１．０５％の炭素、０．１５％〜０．４０％のマンガン、０．２０％〜０．４５％のケイ素、２．０％〜４．５％のクロム、４．５％〜５．５％のモリブデン、５．５％〜６．７５％のタングステン、１．７５〜２．２０％のバナジウム、最大０．３％までのニッケル、最大０．２５％までの銅、最大０．０３％までのリン、最大０．０３％までの硫黄、および、残余の鉄から構成されてよい。Ｎｉ基合金は、１６〜１７％のクロム、３．３％のホウ素、３．８％のケイ素、０．８％〜１．０％の炭素、および、残余のニッケルから構成されてよい。Ｃｏ基合金は、２６．５％〜３３％のクロム０．８％〜２．７％の炭素、３．５％〜２０％のタングステン、０．８％〜１．２％のケイ素、最大３％までの鉄、最大１．５％までのモリブデン、最大１％までのマンガン、および、残余のコバルトから構成されてよい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示は、類似の参照番号が類似の要素を特定する添付図面と併せ読む以下の詳細によって、より完全に理解されるであろう。
【図１】図１は、開示するメカニカルフェイスシールが使用され得る代表的機械の斜視図であり、この機械は標準サイズのＳＵＶ（ｓｐｏｒｔｓ  ｕｔｉｌｉｔｙ  ｖｅｈｉｃｌｅ）車の隣に示される。
【図２】図２は、図１の代表的機械に使用されるギアボックスの切取斜視図である。
【図３】図３は、図２のギアボックスの第一シールアセンブリの断面図である。
【図４】図４は、図２のギアボックスの第二シールアセンブリの断面図である。
【図５】図５は、基材部にレーザークラッドをし、本開示の態様に従うレーザークラッドされたメカニカルフェイスシールを形成するステップのフローチャートである。
【図６】図６は、本開示の態様に従って形成される代表的な基材部の部分的な断面図である。
【図７】図７は、本開示の態様に従う、基材部の平面状表面をレーザーへ露出し、かつ平面状表面にコーティング材料を塗布した後の図６の代表的基材部の部分的な断面図である。
【図８】図８は、図７にある基材部の部分的な断面図で、仕上げ工程中に除去され得るコーティング表面部分を示す図である。
【図９】図９は、図７にある基材部の部分的な断面図で、仕上げ工程中に除去され得る内径側および外径側を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図を参照すると、図１は、メカニカルフェイスシールが流体シールとして使用され得る従来技術における、代表的な機械１０を示す。機械１０は、採掘トラックの形状であってよく、また、標準サイズのＳＵＶ車１２の隣に示され、２つの機械のサイズおよび程度を表している。機械１０は通常数百トンの積載量を運搬するのに用いられ、かつ、極端な環境条件にて稼動する。環境的および積載量への要求は、他の分野の機械に求められる一般的な要求を超えるため、構成部品は、極端な条件および要求に耐えるよう設計および製造されなければならない。
【００１０】
機械１０は、内燃機関（図示せず）または他の好適な発電装置によって駆動することができる。エンジンまたは好適な発電装置は、機械１０の車輪ハブ１１および連動するタイヤ１３を回転可能に駆動する原動力を提供するよう作動し得る。図２で示すように、従来技術における車輪ギアユニット１４は、適切な出力トルクおよびスピード量を提供するために、機械１０のエンジンと車輪ハブ１１間に挿入されてよい。車輪ギアユニット１４は、車輪ハブ１１に取りつき使用することができるフランジ１７を含む。
【００１１】
図１で示される機械１０およびシールの参照は、簡潔化を目的とすると留意されたい。本開示は、任意の種類の機械、および、このような機械で使用される任意の種類の機械的部品で使用することができ、このような機械は極端な環境条件にて稼動し得る。
【００１２】
図２を参照すると、車輪ギアユニット１４は、第一メカニカルフェイスシールアセンブリ１００および第二メカニカルフェイスシールアセンブリ２００を含み得る。第一メカニカルフェイスシールアセンブリ１００および第二メカニカルフェイスシールアセンブリ２００は、車輪ギアユニット１４の構成部品への流体シールを提供する。メカニカルフェイスシールアセンブリ１００、２００での漏れまたは故障は、車輪ギアユニット１４の内部構成部品への悪影響を与え、かつ摩耗の加速、装置の故障、および、装置を洗浄、修理または補修するダウンタイムの必要性を引き起こす可能性がある。
【００１３】
図３に移ると、第一メカニカルフェイスシールアセンブリ１００は固定リテイナー１０２、回転リテイナー１０４、回転シールリング１１０、および固定シールリング１１２を含み得る。Ｏリング１０８は、固定リテイナー１０２と固定シールリング１１２の間、および、回転リテイナー１０４と回転シールリング１１０の間に設けることができる。固定リテイナー１０２および回転リテイナー１０４は、対応する各Ｏリング１０８を押し付ける傾斜面をそれぞれ含む。その押しつけ力に対応して、回転シールリング１１０が固定シールリング１１２に対して摩擦トルクを加えるように、Ｏリング１０８は、回転シールリング１１０および固定シールリング１１２をお互い抗うように押しつけることができ、これにより境界面１０６にて流体封止が形成される。デュオ‐コーン（商標）メカニカルフェイスシールが図３および４に示され、また、以下でさらに詳細が述べられる、本開示のレーザークラッド工程は、高耐荷重デュアルフェイス（ｈｅａｖｙ  ｄｕｔｙ  ｄｕａｌ  ｆａｃｅ）（ＨＤＤＦ）シールを含むがこれに限定されない任意の好適なメカニカルフェイスシールにて実施され得る。
【００１４】
図４に移ると、第二メカニカルフェイスシールアセンブリ２００は、固定リテイナー２０２、回転リテイナー２０４、固定シールリング２１０、および回転シールリング２１２を含み得る。Ｏリング２０８は、固定リテイナー２０２と固定シールリング２１０の間、および、回転リテイナー２０４と回転シールリング２１２の間に設けることができる。固定リテイナー２０２および回転リテイナー２０４は、対応するＯリング２０８を押し付ける傾斜面をそれぞれ含み得る。その押しつけ力に対応して、回転シールリング２１２が固定シールリング２１０に対して摩擦トルクを加えるように、Ｏリング２０８は、固定シールリング２１０および回転シールリング２１２をお互い抗うように押しつけてよく、これにより境界面２０６にて流体封止が形成される。
【００１５】
回転シールリング１１０および固定シールリング１１２は共に第一メカニカルフェイスシール１２０を形成し、また、固定シールリング２１０および回転シールリング２１２はともに第二メカニカルフェイスシール２２０を形成する。上述のように、回転トルクは、第一メカニカルフェイスシール１２０の境界面２０６および第二メカニカルフェイスシール２２０の境界面２０６にかかる。シールリング１１０、１１２、２１０、２１２は、鋳鉄からそれぞれ製造され得る。しかし、境界面１０６、２０６にて受ける一定の回転トルクおよび摩擦接触、ならびに機械１０などの用途に使用される極端な稼動条件によって、シールリング１１０、１１２、２１０、２１２は、機械１０の長期のダウンタイムをもたらす定期的な補修および交換を必要とする。
【００１６】
耐摩耗性向上が可能となる、さらに特殊な材料によるシールリングを製造する試みをする一方で、これらの材料は実質さらに高価であり、また、メカニカルフェイスシールの所定形状に形成するのはより困難で、かつ、非常に時間がかかる。加えて、ツインワイヤアーク（ＴＷＡ）スプレー、ダイアモンドライクコーティング（ＤＬＣ）、または高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）を使用する従来技術にてメカニカルフェイスシールをコーティングする試みは行われてきた。しかし、これらの方法は、耐久性の欠如、基部からの層状剥離を引き起こし、これらは、受け入れがたい亀裂または同様の破損をもたらす。
【００１７】
図５および６を参照すると、本開示はより安価な基材を使用することができ、性能を向上させ、かつ、製造の複雑さを低減することができるレーザークラッド工程を使用するメカニカルフェイスシール形成方法を提供する。本方法は、基材部４００を取得する取得ステップ３１０を含み得る。取得ステップ３１０では、基材部４００は、ＳＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材を使用する鍛造製または鋳造製であり得る。他の材料も同様に考えられる。基材部４００は、メカニカルフェイスシールの完成品のおおよその形状を有するよう、鍛造または鋳造され得る。加えて、または別の方法として、基材部４００は、粉末冶金または他の好適な工程により形成され得る。選択態様では、取得ステップ３１０は、基材部４００を得るために、修繕、修理、または既に使用され、または損傷を受けた基材部を回収する工程を含むことができる。
【００１８】
基材部４００が得られた後、基材部４００は予熱ステップ３２０を実施してよい。予熱ステップ３２０は、基材部４００をオーブンにて加熱する工程、基材部４００に抵抗加熱を行うこと、基材部４００の誘電加熱を促進する好適なコイルを適用させること、または、同様の加熱プロセスを行うことを含み得る。選択態様では、好適なコイルはＵ字形コイルまたは平形コイルである。選択態様では、レーザー１０００に、基材部４００の最上層４４１が露出され、基材部４００の少なくとも部分的な平面状表面４４０を加熱し得る。
【００１９】
露出ステップ３３０は実施されることができ、それにより、初回または予熱ステップ３２０がレーザー１０００により行われる場合は、引き続く回数、レーザー１０００に基材部４００の表面を露出させる。露出ステップ３３０の間、レーザー１０００は、基材部４００の最上層４４１に沿ってトレースし、少なくとも基材部４００の材料の最上層４４１を部分的に溶融する。
【００２０】
供給ステップ３４０は、露出ステップ３３０開始直前、最中、または直後に行われ得る。供給ステップ３４０の間、平面状表面４４０上でトレースされるレーザー１０００の場所または近くで、コーティング材料１１５０は、基材部４００の最上層４４１に塗布され、これにより、基材部４００の最上層４４１はレーザー１０００によりコーティング材料１１５０と共に溶融し中間層５００を形成する。中間層５００は、図７で示すように、コーティング材料１１５０および基材部４００の材料の両方を含み得る。供給ステップ３４０は、図７で示すように、レーザー１０００により溶融するコーティング材料１１５０の塗布をさらに含むことができ、これは中間層５００上に配設するクラッド層６００を形成する。一態様では、露出ステップ３３０および供給ステップ３４０は、酸化物または孔などのいかなる亀裂または損傷なしで、またはほぼなしで、クラッド層６００を形成するよう実施され得る。
【００２１】
仕上げステップ３５０は、基材部４００上で行われ得る。仕上げステップ３５０は、中間層５００および供給ステップ３４０の間に形成されるクラッド層６００上でも行われ得る。仕上げステップ３５０は、研磨、磨き上げ、圧延、機械加工、または他の好適な工程のうち１つ以上を含み得る表面仕上げ工程を含むことができ、基材部４００の１つ以上の表面を仕上げる。仕上げステップ３５０の表面仕上げ工程は、メタルフェイスシールの完成品と一致する最終寸法を得るために、表面質感、厚み、内径、外径および基材部４００の類似特性のうち、１つ以上を改善するよう行われ得る。仕上げステップ３５０は、表面仕上げ工程の前または後に、基材部４００の材料特性を高めるために行われ得る熱処理工程を含み得る。熱処理工程は、製品への応力を緩和するために熱により制御された環境にて、基材部４００が押圧される、加熱平坦化を含め得る。一態様では、露出ステップ３３０および供給ステップ３４０は、いかなる亀裂なしで、またはほぼなしで、かつ、仕上げステップ３５０中にクラッド６００に亀裂が形成しないように、クラッド層６００を形成するよう実施され得る。
【００２２】
図６を参照すると、基材部４００は、共有の中央軸４３０に沿って伸延する少なくとも外径表面４１０および内径表面４２０を含み得る。基材部４００は、外径表面４１０と内径表面４２０間に伸延する平面状表面４４０を含み得る。加工および仕上げをすると、基材部４００の平面状表面４４０は、メカニカルフェイスシールの境界面と接触するためのメカニカルシールリングの表面を形成し得る。上述のように、取得ステップ３１０に関しては、基材部４００は、ＳＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材を使用する鍛造製または鋳造製であり得る。選択態様では、取得ステップ３１０は、修繕、修理、または既に使用され、または損傷を受けた基材部を回収し、基材部４００を得る。
【００２３】
取得ステップ３１０の間、基材部４００はリング形状部品へ形成され得る。選択態様では、基材部４００は、１．３％〜１．６％のクロム、０．９３％〜１．１％の炭素、０．２５％〜０．４５％のマンガン、０．１５％〜０．３５％のケイ素、最大０．０２５％までの硫黄、最大０．０２５％までのリン、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ５２１００合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、０．１８％〜０．２３％の炭素、０．３％〜０．６％のマンガン、最大０．０４％までのリン、最大０．０５％まで硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ１０２０合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、０．３７％〜０．４４％の炭素、０．６％〜０．９％のマンガン、最大０．０４％までのリン、最大０．０５％のまで硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ１０４０合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、３．０％〜３．９％の炭素、１．７％〜２．９％のケイ素、０．１％〜０．６％のマンガン、０．０２〜０．０６％のマグネシウム、０．００５％〜０．０４％のリン、最大０．０４％までの硫黄、最大０．４％まで銅、および、残余の鉄の化学成分を有し得るダクタイル鉄にてできていてもよい。選択態様では、鋳造鉄製基材は、２．５％〜４．０％の炭素、１％〜３％のケイ素、および残余の鉄の化学成分を有し得るネズミ鋳鉄材にてできていてもよい。
【００２４】
レーザークラッド工程の間、上述の予熱ステップ３２０で記載があるように、基材部４００は予熱され得る。基材部４００は、オーブンでの加熱、抵抗加熱、平形コイルまたは他の好適な誘導コイルを介して誘導加熱され、あるいは基材部４００の最上層４４１をレーザー１０００へ露出することにより加熱されてもよい。選択態様では、レーザー１０００は、平面状表面４４０の少なくとも最上層４４１を加熱するために平面状表面４４０に渡りトレースし得る。
【００２５】
基材部４００が得られた後、予熱ステップ３２０の実施があるなしにかかわらず実施し得る、露出ステップ３３０が行われ得る。露出ステップ３３０の間、レーザー１０００は、基材部４００の平面状表面４４０に沿ってトレースし、平面状表面４４０の最上層４４１の少なくとも一部分を溶融する。選択態様では、露出ステップ３３０は、レーザー１０００の出力レベルの調整または制御を含み得る。
【００２６】
露出ステップ３３０と同時にまたは直後に、レーザー１０００が最上層４４１の少なくとも一部４４２に渡ってトレースする時、供給ステップ３４０は、平面状表面４４０の一部４４２へ、平面状表面４４０上のレーザー１０００の場所または近くに、コーティング材料１１５０を塗布するよう実施され得る。塗布されるコーティング材料１１５０は、レーザー１０００によりトレースされる平面状表面４４０の一部４４２の場所に、または近くにコーティング材料１１５０を送り出すよう配置される供給部１１００により供給され得る。選択態様では、供給部１１００は、レーザー１０００を発生するレーザー発生器１０５０に取り付けられてもよい。選択態様では、供給部１１００は、図６に示すように、レーザー発生器１０５０と一体型でもよい。選択態様では、供給ステップ３４０は、供給部１１００を介して行うコーティング材料１１５０の供給速度制御を含み得る。
【００２７】
コーティング材料１１５０は、ワイヤまたは粉末の形状でよく、かつ、コーティング材料１１５０は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、およびＣｏ基合金でできていてもよい。選択態様では、コーティング材料１１５０はＤｕｒｍａｔ（登録商標）６０Ａ、Ｍ２工具鋼、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）１、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６、または他の好適な材料を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０がワイヤ形状にて塗布される場合、平面状表面４４０に塗布される前にワイヤを加熱し得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は、１６〜１７％のクロム、３．３％のホウ素、３．８％のケイ素、０．８％〜１．０％の炭素、および、残余のニッケルの化学成分を有するＮｉ基合金を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は０．７８％〜１．０５％の炭素、０．１５％〜０．４０％のマンガン、０．２０％〜０．４５％のケイ素、２．０％〜４．５％のクロム、４．５％〜５．５％のモリブデン、５．５％〜６．７５％のタングステン、１．７５〜２．２０％のバナジウム、最大０．３％までのニッケル、最大０．２５％までの銅、最大０．０３％までのリン、最大０．０３％までの硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有するＦｅ基合金を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は、２６．５％〜３３％のクロム０．８％〜２．７％の炭素、３．５％〜２０％のタングステン、０．８％〜１．２％のケイ素、最大３％までの鉄、最大１．５％までのモリブデン、最大１％までのマンガン、および、残余のコバルトの化学成分を有するＣｏ基合金を含み得る。
【００２８】
供給口１１００は、平面状表面４４０の一部４４２に、コーティング材料１１５０のワイヤスプールを提供するよう、またはコーティング材料１１５０の粉末流を噴射するよう作られてよい。供給ステップ３４０の間に、コーティング材料１１５０が平面状表面４４０の一部４４２に塗布される時、レーザー１０００からの熱、および、平面状表面４４０の溶融する最上層４４１により、コーティング材料１１５０を溶融し、かつ、平面状表面４４０の最上層４４１と混ざることができ、これにより、図７で示すように中間層５００を形成する。中間層５００は、コーティング材料１１５０および基材部４００の材料の両方の混合物を含み得る。
【００２９】
供給ステップ３４０は、図７で示すように、レーザー１０００、および、中間層５００からの熱により溶融するコーティング材料１１５０の供給をし、中間層５００上に配設するクラッド層６００を形成し得る。選択態様では、クラッド層６００は、主にコーティング材料１１５０を含んでよく、または全くコーティング材料１１５０だけを含んでもよい。選択態様では、中間層およびクラッド層６００を合わせた厚みは、基材部４００上に少なくとも０．１μｍ厚のコーティング表面４５０を形成し得る。
【００３０】
図８および９に移ると、中間層５００およびクラッド層６００が基材部４００に一度形成されると、メタルフェイスシール完成品に一致する最終寸法を得るために、仕上げステップ３５０が実施され得る。図８に示すように、仕上げステップ３５０は、クラッド層６００の最上面６０５から材料７１０を除去し、メタルフェイスシール完成品の最終寸法を得るために、研磨、磨き上げ、圧延、機械加工、または他の好適な工程のうち１つ以上の実施を含む得る表面仕上げ工程を含み得る。選択態様では、仕上げステップ３５０は、表面仕上げ工程の前または後に、基材部４００の材料特性を高めるために行うことができる熱処理工程を含み得る。熱処理工程は、製品への応力を緩和するために熱制御された環境にて、基材部４００が押圧される、加熱平坦化を含み得る。選択態様では、クラッド層６００が０．７ｍｍ〜１．０ｍｍの間のクラッド層厚にて仕上げされる。クラッド層６００は、ロックウェル硬さＨＲＣ６０〜６５間の硬さを有し得る。選択態様では、クラッド層６００はロックウェル硬さ６２〜６４の間であってよい。選択態様では、クラッド層６００の最上面６０５は、亀裂を含まない。
【００３１】
図９に示すように、選択態様では、基材部４００の外径面４１０、中間層５００、およびクラッド層６００から材料７２０を除去し、メカニカルフェイスシール完成品に一致する最終寸法を得るために、仕上げステップ３５０は研磨、磨き上げ、圧延、機械加工、または他の好適な機械加工工程を含み得る。選択態様では、基材部４００の内径面４２０、中間層５００、およびクラッド層６００から材料７３０を除去し、メカニカルフェイスシール完成品に一致する最終寸法を得るために、仕上げステップ３５０は研磨、磨き上げ、圧延、機械加工、または他の好適な工程を含み得る。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本開示は、ベアリング表面、特に、メカニカルフェイスシールに適応する。本開示の種々の態様は、過酷な環境に対して優れた強度と耐性を達成するレーザークラッドすることができる費用対効果のある基材部を提供する。図６〜９に示すように、基材部４００は、アクスル、ギアボックス、トラック車両、コンベヤシステムなどの高耐荷重回転用途にて使用することが可能なメカニカルフェイスシールを形成するために、レーザークラッドおよび仕上げをすることができる。図３および４にて示すように、メカニカルフェイスシールは、回転用途に取り付けられるとき、２つの分離するハウジングまたはリテイナーに、お互い向かい合わせに取り付けられる、２組の同一のメタルシールリング１１０、１１２、２１０、２１２を含み得る。２つのメタルリングのうちの１つである、１１２、２１０は、対応するリテイナー１０２、２０２内で静止状態を維持し、一方、他の２つのメタルシールリング１１０、２１２は、その対向面である回転リテイナー１０４、２０４と共に回転する。
【００３３】
本開示の一態様では、基材部４００は、取得ステップ３１０にて提供され得る。図６に示すように、ＳＡＥ５２１００合金鋼、ＳＡＥ１０２０合金鋼、ＳＡＥ１０４０合金鋼、ダクタイル鉄、またはネズミ鋳鉄材を使用する鍛造製または鋳造製であり得る。選択態様では、基材部４００は、ＳＡＥ５２１００合金鋼、１．３％〜１．６％のクロム、０．９３％〜１．１％の炭素、０．２５％〜０．４５％のマンガン、０．１５％〜０．３５％のケイ素、最大０．０２５％までの硫黄、最大０．０２５％までのリン、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ５２１００合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、０．１８％〜０．２３％の炭素、０．３％〜０．６％のマンガン最大０．０４％までのリン、最大０．０５％のまでの硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ１０２０合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、０．３７％〜０．４４％の炭素、０．６％〜０．９％のマンガン、最大０．０４％までのリン、最大０．０５％までの硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有し得るＳＡＥ１０４０合金鋼にてできていてもよい。選択態様では、基材部４００は、３．０％〜３．９％の炭素、１．７％〜２．９％のケイ素、０．１％〜０．６％のマンガン、０．０２％〜０．０６％のマグネシウム、０．００５％〜０．０４％のリン、最大０．０４％の硫黄、最大０．４％の銅、および、残余の鉄の化学成分を有し得るダクタイル鉄にてできていてもよい。選択態様では、鋳造鉄製基材は、ネズミ鋳鉄材、２．５％〜４．０％の炭素、１％〜３％のケイ素、および残余の鉄の化学成分を有し得るネズミ鋳鉄材にてできていてもよい。
【００３４】
本開示の一態様では、基材部４００の最上層４４１に塗布されるコーティング材料１１５０は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、またはＣｏ基合金にてできていてもよい。選択態様では、コーティング材料１１５０はＤｕｒｍａｔ（登録商標）６０Ａ、Ｍ２工具鋼、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）１、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６、または他の好適な材料を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は、１６〜１７％のクロム、３．３％のホウ素、３．８％のケイ素、０．８％〜１．０％の炭素、および、残余のニッケルの化学成分を有するＮｉ基合金を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は０．７８％〜１．０５％の炭素、０．１５％〜０．４０％のマンガン、０．２０％〜０．４５％のケイ素、２．０％〜４．５％のクロム、４．５％〜５．５％のモリブデン、５．５％〜６．７５％のタングステン、１．７５〜２．２０％のバナジウム、最大０．３％までのニッケル、最大０．２５％までの銅、最大０．０３％までのリン、最大０．０３％までの硫黄、および、残余の鉄の化学成分を有するＦｅ基合金を含み得る。選択態様では、コーティング材料１１５０は、２６．５％〜３３％のクロム、０．８％〜２．７％の炭素、３．５％〜２０％のタングステン、０．８％〜１．２％のケイ素、最大３％までの鉄、最大１．５％までのモリブデン、最大１％までのマンガン、および、残余のコバルトの化学成分を有するＣｏ基合金を含み得る。
【００３５】
本開示の一態様では、基材部４００は、予熱ステップ３２０にて予熱され得る。露出ステップ３３０の間に、基材部４００がレーザー１０００に露出されてもよく、中間層５００およびクラッド層６００を形成するために、コーティング材料が基材部４００の最上層４４１に塗布されてよい。仕上げステップ３５０は、表面仕上げ工程の間、クラッド層６００の最上面６０５、基材部４００の外径面４１０、基材部４００の内径面４２０の仕上げをするよう実施されてよい。仕上げステップ３５０は、製品への応力を緩和するために熱制御された環境にて、基材部４００が押圧される、熱処理工程を含め得る。選択態様では、クラッド層６００の最上面６０５は、亀裂を含まない。仕上げを行うと、基材部４００は、アクスル、ギアボックス、トラック車両、コンベアシステムなどの回転用途で使用できる完全なメカニカルフェイスシールを形成する。クラッド層６００に加えて安価な基材部４００は、メカニカルフェイスシールの費用対効果を向上させつつ、過酷環境の稼動条件に耐えるのに必要な強度および耐久性をなお提供する。
【００３６】
上述の明細書は、開示のシステムおよび技術の例を提供すると理解されよう。しかし、本開示の他の導入は上述の例と異なり得ることが考えられる。明細書の全ての開示またはそれらの例は、言及される時点の特定例を参照するものとし、さらに一般的な開示の範囲に対していかなる制限も意味するものではない。特定の特徴に対する異なる言葉および非難は、これらの特徴の選択を欠いたことを示すことを目的とし、しかし特に指示がない限り、開示全体の範囲から除外しない。
【００３７】
本明細書での値の範囲の列挙は、本明細書で特に指示の無い限り、単に範囲内の各別々の値を個別参照する簡略的な方法としての役割を果たす目的であり、各別々の値は、個別に本明細書で引用されるように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、本明細書にて特に断らない限り、または、文脈において明白に矛盾することがない限り任意の好適な順序で実施し得る。
【図１】
2017534460.tif 000003
【図２】
2017534460.tif 000004
【図３】
2017534460.tif 000005
【図４】
2017534460.tif 000006
【図５】
2017534460.tif 000007
【図６】
2017534460.tif 000008
【図７】
2017534460.tif 000009
【図８】
2017534460.tif 000010
【図９】
2017534460.tif 000011
【国際調査報告】
2017534460.tif 000012
2017534460.tif 000013