КОЛЬЦО СКОЛЬЖЕНИЯ НИЗКОГО ТРЕНИЯ, ИМЕЮЩЕЕ ЭКОНОМИЧНОЕ АЛМАЗНОЕ ПОКРЫТИЕ
LOW FRICTION SLIDING RING WITH COST-EFFICIENT DIAMOND COATING

Настоящее изобретение относится к уплотнительному кольцу низкого трения, которое содержит недорогое алмазное покрытие в качестве поверхности скольжения. Кроме того, настоящее изобретение относится к механическому уплотнительному узлу, включающему в себя по меньшей мере одно уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению.
Уплотнительные кольца с алмазным покрытием известны из предшествующего уровня техники в различных конфигурациях. Благодаря алмазному покрытию упомянутые уплотнительные кольца обладают высоким сопротивлением фрикционному износу, а также отличными качествами работы без смазки. Помимо отчасти очень высоких производственных затрат, недостатком таких уплотнительных колец с алмазным покрытием также является проблема, которая обусловлена недостаточной связью между алмазным слоем и базовым телом уплотнительного кольца, где могут иметь место отсоединения алмазного слоя с соответствующим повреждением уплотнительного кольца. Для решения упомянутой проблемы в DE 202007 016868.3 U1 предложено уплотнительное кольцо, содержащее базовое тело, состоящее из двухкомпонентного материала, в котором алмазный материал введен в базовое тело. Хотя это дает улучшенную связь между базовым телом и алмазным слоем, такие уплотнительные кольца являются еще более дорогостоящими в их производстве по причине того, что алмазный материал введен в качестве дополнительного материала в базовое тело. Кроме того, DE 202006 006425 U1 раскрывает уплотнительное кольцо, в случае которого базовое тело имеет нанесенный на него с соответствующими усилиями дополнительный несущий слой между базовым телом и алмазным слоем. Кроме того, уплотнительные кольца с алмазным покрытием имеют проблему, состоящую в том, что алмазный слой может полностью отсоединяться с частями базового тела.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание уплотнительного кольца с алмазным покрытием на поверхности скольжения, которое, будучи простым в изготовлении при низких себестоимостях, обеспечивает надежную связь между базовым телом и алмазным покрытием также при экстремальных напряжениях.
Цель достигается посредством уплотнительного кольца, содержащего признаки п.1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения показывают предпочтительные модификации настоящего изобретения.
Уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению для механического уплотнения с признаками по п.1 формулы изобретения имеет преимущество в том, что оно содержит алмазный слой на поверхности скольжения и таким образом имеет продолжительный срок службы и, в частности, превосходные характеристики работы без смазки. Выполнение алмазного слоя здесь является эффективным по стоимости, поскольку алмазный слой имеет исключительную толщину, меньшую или равную 4 мкм, и обеспечивается отличная связь между алмазным слоем и базовым телом. В частности, проблема, которая до сих пор возникает в предшествующем уровне техники и относится к отсоединению алмазного слоя от базового тела, в особенности вместе с частями базового тела, под действием высоких нагрузок, например, высоких механических нагрузок, может избегаться на механических уплотнениях. Это достигается согласно настоящему изобретению тем, что базовое тело не содержит трещин или содержит только трещины, которые имеют максимальное продольное удлинение, которое меньше или равно 5 мкм. Согласно настоящему изобретению, обнаружено, что в отсутствие трещин или при наличии только очень небольших трещин на поверхности и в базовом теле может быть обеспечена адекватная связь повсеместно между базовым телом и алмазным слоем. Если трещины становятся слишком длинными, в области трещин будут возникать дефекты таким образом, что в этих участках, в частности, под действием высоких нагрузок, например, высоких механических нагрузок, алмазный слой может отсоединяться с частями базового тела и уплотнительное кольцо в конечном итоге может разрушаться. Продольное удлинение трещин меньшее/равное 5 мкм определено согласно настоящему изобретению таким образом, что прямая линия, которая пересекает две точки трещины, имеет длину меньшую или равную 5 мкм в каждой возможной точке пересечения с трещиной между точками пересечения. Предельное значение 5 мкм согласно настоящему изобретению для длины трещины здесь является применимым в отношении трещин на поверхности и трещин в самом базовом теле, которые, например, начинаясь от поверхности, проходят внутрь базового тела. Следовательно, согласно настоящему изобретению базовое тело, как на поверхности, где нанесен алмазный слой, так и в самом базовом теле, совсем не содержит трещин или имеет только трещины с максимальным продольным удлинением 5 мкм. Для достижения, например, размера трещины на поверхности базового тела, как было определено выше, предпочтительно проводится финишная обработка поверхности, например, полировка. Таким образом, согласно настоящему изобретению, можно обеспечить уплотнительное кольцо с алмазным покрытием малой толщины, которое может быть выполнено при низкой себестоимости и дает уплотнительное кольцо с исключительным сроком службы и характеристиками работы без смазки. Алмазный слой может быть нанесен здесь на свободное от трещин базовое тело или на базовое тело, имеющее только небольшие трещины предпочтительно посредством способа химического осаждения из паровой фазы. Это обеспечивает очень большой прикладной потенциал с экономической точки зрения, поскольку фактически все типы уплотнительных колец могут быть покрыты алмазным материалом при низкой себестоимости. Уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению имеет очень низкий коэффициент трения и обеспечивает устойчивую связь между алмазным слоем и базовым телом. Предпочтительно, толщина алмазного слоя является менее 4 мкм, предпочтительно, менее 3 мкм, особо предпочтительно, менее 2 мкм, и толщина алмазного слоя составляет наиболее предпочтительно около 1 мкм. Кроме того, длина трещины менее 3 мкм и, особо предпочтительно, менее 1 мкм является предпочтительной, или трещин совсем нет.
Также предпочтительно, что глубина трещин, начинающихся от поверхности перпендикулярно к поверхности, является меньшей или равной 3 мкм.
Также предпочтительно, что толщина алмазного слоя составляет по меньшей мере 0,5 мкм. Посредством этого предусмотрено, что алмазный слой обеспечивает адекватную защиту против агрессивной или коррозионной среды, с которой уплотнительные кольца могут входить в контакт.
Согласно другой предпочтительной конфигурации настоящего изобретения поверхность базового тела не содержит пор или предпочтительно содержит только поры со средним диаметром поры меньшим/равным 0,4 мм, предпочтительно меньшим/равным 0,3 мм, особо предпочтительно меньшим/равным 0,2 мм.
Также предпочтительно, что поры находятся на расстоянии друг от друга, в зависимости от среднего диаметра поры, в 100 раз большем диаметра поры. Это означает, что когда средний диаметр поры составляет 0,4 мм, расстояние от упомянутой поры до смежной поры, начиная от соответствующих краев пор, составляет по меньшей мере 40 мм. Согласно настоящему изобретению под средним диаметром поры подразумевается диаметр, который соответствует максимальной длине прямой линии, проведенной между двумя периферийными точками через пору, поскольку обычно поры не являются круглыми.
Согласно другой предпочтительной конфигурации настоящего изобретения размер кристаллов алмазного слоя находится в промежутке 0,2-5 мкм, в частности, 0,2-4 мкм, предпочтительно, 0,2-3 мкм, предпочтительно, 0,2-2,5 мкм и, особо предпочтительно, 0,2-1 мкм.
a
Также предпочтительно, что шероховатость R поверхности базового тела меньше/равна 0,2 мкм, в частности, меньше/равна 0.15 мкм и, особо предпочтительно, меньше/равна 0,1 мкм.
Предпочтительно, что содержание SP3 связей в алмазном слое является большим или равным 97%.
Согласно другой предпочтительной конфигурации настоящего изобретения базовое тело имеет твердость по Виккерсу больше или равную 1400 HV.
-9
Для достижения срока службы, который является настолько долгим, насколько возможно, плотность дефектов в алмазном покрытии имеет такой тип, согласно которому отношение площади дефектов к площади покрытой поверхности, которая не содержит дефектов, меньше или равна 200×10.
Предпочтительно, что базовое тело выполнено из карбидного материала, в частности, из карбида кремния (SiC) или карбида вольфрама (WC), с минимальным количеством добавок, и/или связующих материалов и/или возможно содержащихся примесей.
Также предпочтительно, что поверхность алмазного слоя соответствует поверхности базового тела с отклонением не более ±0,2 мкм.
Уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению здесь может быть использовано в механических уплотнениях, в случае которого оба уплотнительных кольца выполнены с алмазным покрытием согласно настоящему изобретению. В качестве альтернативы, уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению также может функционировать с уплотнительным кольцом без покрытия, например, из карбида кремния.
Далее будет подробно описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи,где:
Фиг.1 представляет собой схематический вид сверху на поверхность базового тела для уплотнительного кольца согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.2 представляет собой схематичный вид в разрезе через уплотнительное кольцо согласно настоящему изобретению.
Как может быть видно на фиг.2, уплотнительное кольцо 1 содержит базовое тело 2 из карбида кремния и алмазный слой 3, нанесенный не его. Алмазный слой 3 имеет толщину D 1 мкм. Алмазный слой 3 выполнен из кристаллического алмазного материала с очень большим содержанием SP3 связей более 97%.
Фиг.1 представляет собой вид сверху на поверхность базового тела 2 перед нанесением алмазного слоя. Как может быть видно на фиг.1, несколько трещин 4 выполнены в поверхности базового тела 2. Однако трещины 4 выполнены таким образом, чтобы они имели максимальное продольное удлинение, которое составляет менее 5 мкм. На фиг.1 максимальное продольное удлинение L1 и L2, соответственно, которое находится на поверхности, показано для двух трещин. Максимальное продольное удлинение в данном документе определено согласно настоящему изобретению как максимальный прямой отрезок, который соединяет две точки трещины 4 прямолинейным образом.
В сечении согласно фиг.2 изображены две другие трещины 4, которые имеют максимальное продольное удлинение L3 и L4, соответственно, в глубину базового тела 2, при этом каждое составляет менее 5 мкм. В результате, базовое тело 2 согласно настоящему изобретению обеспечено на поверхности и также в самом теле только трещинами 4, которые имеют максимальное продольное удлинение, меньшее или равное 5 мкм. Продольное удлинение определяется прямой линией, которая пересекает две произвольные точки трещины и имеет длину, меньшую или равную 5 мкм в каждой возможной точке пересечения из двух точек трещины. Как показано на фиг.2, трещины 4 с продольным удлинением L3 имеют здесь глубину Т3, которая составляет менее 3 мкм. Фиг.2 изображает другую трещину 4 с продольным удлинением L4 и глубиной T4, которая начинается от первого места поверхности, входит в базовое тело 2 и выходит снова в другом месте поверхности базового тела. Здесь следует отметить, что трещина также может иметь трехмерную область разлома; в этом случае она продолжается на поверхности базового тела 2 и также в виде области в самом базовом теле 2.
Кроме того, на поверхности базового тела 2 образованы множественные поры 5. Поры 5 имеют средний диаметр, меньший или равный 0,4 мм, при этом расстояние между близлежащими точками по меньшей мере в 100 раз больше диаметра поры, а именно, в этом варианте осуществления, составляет 40 мм. Диаметр поры определяется согласно настоящему изобретению как наиболее длинная прямая линия, проведенная через две граничные точки пор, поскольку поры обычно не имеют круглой формы, лишь неровный граничный участок. Поры 5 здесь имеют глубину, соответствующую, главным образом, диаметру пор.
Кроме того, все трещины 4 имеют глубину Т, которая составляет менее 3 мкм. При этом поверхность алмазного слоя соответствует поверхности базового тела с отклонением не более ±0.2 мкм.
Кристаллический алмазный слой согласно настоящему изобретению выполняется на базовом теле 2 следующим образом. Уплотнительное кольцо, подлежащее покрытию, размещают в вакуумной камере, которая затем обеспечивается метаном и водородом. На расстоянии нескольких сантиметров над уплотнительными кольцами для покрытия натягивают проволоки; затем их нагревают до температуры белого каления. Посредством этого газ нагревается таким образом, чтобы углерод осаждался на поверхности базового тела 2 в форме кристаллических алмазов. Благодаря этому образуется химическая связь между алмазным слоем и базовым телом 2. Из-за отсутствия трещин в базовом теле и благодаря условию, согласно которому на или в базовом теле имеют место только трещины, которые имеют максимальное продольное удлинение, меньшее или равное 5 мкм, можно достичь высокую стабильность зоны контакта.
С помощью такого способа базовое тело 2, выполненное из карбида кремния, было покрыто посредством алмазного материала (Пример 1). Базовое тело и алмазный слой, соответственно, имеют следующие свойства:
Пример 1
Характеристика
Значение
Толщина
1 мкм
Размер кристаллов
1,0 мкм
Шероховатость R<sub>a</sub>
0,1 мкм
Содержание SP3 связей
97%
Максимальный размер пор
0,4 мм
Расстояние между порами
>40 мм
Максимальная длина трещины
5 мкм
Максимальная глубина трещины
3 мкм
Твердость по Виккерсу базового тела
2600 HV
Плотность дефектов алмазного покрытия
<200×10<sup>-9</sup>
a
Толщина алмазного слоя здесь измерена с помощью способа обратного рассеяния бета-излучения. Размер кристаллов измерен с помощью оптического микроскопа со 1000-кратным увеличением. Шероховатость R определена посредством интерферометра белого света, и содержание SP3 связей определено посредством спектроскопии рамановского рассеяния. Размеры пор и расстояния между порами определены с помощью оптического микроскопа и длина трещины и глубина трещины, соответственно, с помощью определения распределения количества трещин в ионно-лучевом наклонном разрезе, выполненном через базовое тело 2, при этом разрез имеет минимальную длину резания 1 мм. Жесткость подложки определена посредством теста на твердость по Виккерсу, и плотность дефектов с помощью оптического микроскопа, при этом плотность дефектов определена как отношение площадей непокрытых дефектов поверхности подложки к поверхности с алмазным покрытием.
Таким образом, согласно настоящему изобретению можно обеспечить равномерное и непрерывное алмазное покрытие с толщиной менее 3 мкм на базовой поверхности путем задания различных параметров базового тела 2, что было невозможно до сих пор в предшествующем уровне техники. Основным аспектом настоящего изобретения здесь является то, что базовое тело должно быть выполнено таким образом, чтобы оно было без трещин или содержало только трещины с максимальной длиной, меньшей или равной 5 мкм. Изучая этот параметр, можно затем осуществлять стабильное алмазное покрытие с предельно малой толщиной слоя, менее или равной 4 мм, что приводит к значительному снижению стоимости изготовления, поскольку продолжительность нанесения покрытия может быть уменьшена до нескольких часов. Кроме того, тем самым можно избежать отделения алмазного слоя вместе с частью основного слоя. Таким образом, избегая больших трещин, также можно предусмотреть устойчивую связь в пределах базового слоя. Кроме того, благодаря предельно тонкому алмазному покрытию можно получить уплотнительные кольца с превосходными характеристиками, особенно в отношении продолжительности срока службы и аварийных рабочих характеристик. Поэтому, особенно в производстве масляного или природного газа, сроки службы уплотнительных колец, которые выдерживают только в течение нескольких часов эксплуатации из-за жестких условий работы, могут быть значительно продлены. Кроме того, алмазный слой 3 также обеспечивает отличную защиту от коррозии в отношении уплотнительного кольца. Благодаря идее согласно настоящему изобретению, а именно за счет уменьшения длин трещин на поверхности самого базового тела, можно получить алмазное покрытие с толщиной, менее или равной 4 мкм. Таким образом, впервые становится возможным покрывать алмазным слоем уплотнительные кольца также для обычного применения, например, в серийно выпускаемых насосах, когда себестоимость уплотнительных колец играет важную роль.