本公開總體上涉及機械面密封件，更具體地，涉及涂覆有薄膜的機械面密封件。

背景技術：

許多應用本質上使機器部件處于極端條件下，加速部件磨損和故障。例如一個這樣的應用是鉆地。在鉆地時，使用至少一個滾動錐形切割機來鉆出鉆孔。滾動錐形切割機可旋轉地安裝到軸上，隨著土體結構被粉碎，該軸在鉆孔中逐漸地下降。

錐體相對于軸的旋轉是使用密封組件實現(xiàn)的。鉆地鉆頭可以包括設置在軸的基部處的凹槽中的至少一個剛性密封環(huán)。該剛性密封環(huán)具有與定位在錐體上的軸承套筒的表面配合的表面。軸承套筒和剛性密封環(huán)形成密封組件，并且它們相對于彼此旋轉。由于配合表面是金屬的，它們必須被潤滑以允許錐體圍繞軸無縫旋轉。此外，盡管錐體的高旋轉速度，潤滑劑必須保持在界面處。

在鉆地時，錐體受到由施加在軸上的力、由于在破碎土體結構時發(fā)生的瞬時沖擊、以及由于鉆頭沿著鉆孔的側壁滑動而導致的高負載壓力。這些高壓力負載可能導致密封組件失效。此外，錐體為確保令人滿意的鉆地性能進行旋轉所需的高速度也可能導致組件失效。最后，暴露于來自破碎的土體結構的腐蝕性和磨蝕性顆粒可能腐蝕密封組件的部件，特別是如果這些顆粒存在于配合表面之間的界面處。

用于制造用于鉆地鉆頭的改進的密封組件的示例性方法在2007年6月26日授予Scott等人的美國專利No.7,234,541(“'541專利”)中公開。機械面密封件的表面用類金剛石碳(DLC)膜涂覆，所述類金剛石碳(DLC)膜布置在涂覆于密封表面上的中間層上。據(jù)報道，涂覆有DLC膜的密封件相對于未涂覆的密封件具有增加的耐磨性。

'541專利中公開的涂覆密封件可以提供對于一些鉆地應用特別重要的某些益處。然而，它們可能具有某些缺點。例如，DLC涂層在使用期間可能分層，因為即使當使用中間層時，DLC涂層對下面的密封表面的粘附性依然差。本文公開的實施例可有助于至少解決這些問題。

技術實現(xiàn)要素：

在一個方面，本公開涉及一種密封件。密封件可以包括第一表面和設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。該膜可以包括粘合層、過渡層和非晶態(tài)類金剛石(a-DLC)層。

在另一方面，本公開涉及一種用于通過修改密封環(huán)的表面來制造密封界面的方法。該方法可以包括精加工表面以賦予其預定幾何形狀和/或預定計量。此外，該方法可以包括在精加工之后清潔表面并且使用物理氣相沉積(PVD)濺射在其上沉積第一層。第一層可以包括金屬。此外，該方法可包括使用PVD濺射在第一層上沉積第二層。第二層可以包括金屬和碳。另外，該方法可以包括使用等離子體輔助的化學氣相沉積(PACVD)在第二層上沉積第三層。第三層可以是非晶態(tài)類金剛石碳(a-DLC)層。

附圖說明

圖1是根據(jù)示例性實施例的機械面密封件的示意圖。

圖2是圖1的機械面密封件的側視圖。

圖3是根據(jù)示例性實施例的涂覆有膜的機械面密封件的示意圖。

圖4是根據(jù)示例性實施例的涂覆有膜的表面精加工的機械面密封件的示意圖。

圖5是根據(jù)示例性實施例的包括兩個機械面密封件的密封組件的橫截面圖。

圖6A和圖6B是根據(jù)示例性實施例的鉆地鉆頭的示意圖。

圖7是示出根據(jù)示例性實施例的涂覆機械面密封件的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)示例性實施例的機械面密封件10。圖2中示出了密封件10的側視圖。

密封件10可以包括設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還可以包括內表面16和外表面14。表面14可以包括具有預定深度和預定側壁輪廓的凹槽。例如，凹槽可以包括底部平坦部分和彎曲側壁。

密封件10可以制成硬化或回火鋼或適于制造機械面密封件的其它材料。例如，這種材料可以是鐵、鎳、鈷及其合金，例如馬氏體不銹鋼或不銹鋼。此外，密封件10可以由陶瓷材料制成，這種材料可以提供防腐蝕。此外，盡管圖1將表面12示出為基本平坦的表面，但是在其它實施例中，表面12可以包括基本上平行于表面18的第一區(qū)域和相對于第一區(qū)域以一定角度漸縮的第二區(qū)域。

表面12也可以用專用表面精加工工藝來精加工。在一個示例性實施例中，表面12可以被加工。在另一示例性實施例中，專用精加工工藝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上的粗糙體。各向同性精加工還被設計為在表面12內留下谷。這些谷可以在密封件10用于密封組件(如下文所述)中的應用中提供改進的潤滑劑保持。此外，各向同性精加工可使表面12比機加工或裸露表面12更耐腐蝕。

可以控制各向同性精加工過程以將預定計量賦予表面12。預定計量可以是“磨合的”計量。當與另一表面接觸并且移動時，磨合的表面經(jīng)歷較少的熱量和較少的磨損。

表面12的計量可以被表征為例如在各向同性精加工工藝之后的表面12的粗糙度的量度。例如，可以使用表面12的片段(即，在線輪廓上)的高度變化來計算粗糙度的度量?；蛘撸梢允褂帽砻?2的所選區(qū)域中(即，區(qū)域輪廓上)的高度變化來計算粗糙度的度量?？梢允褂美缬|針輪廓儀獲得線輪廓。另一方面，例如可以使用干涉式輪廓儀獲得區(qū)域輪廓。

僅作為示例，沿著表面12的片段測量的高度的算術平均值可以用于計算輪廓粗糙度參數(shù)(Ra)。類似地，可以使用在區(qū)域輪廓中測量的高度的算術平均值來計算面積粗糙度參數(shù)(Sa)。可以控制各向同性精加工工藝以產(chǎn)生預定的Ra和Sa參數(shù)。然而，通常，表面12的計量可以是在各向同性精加工工藝之后的表面12的任何可測量的特性或性質。

密封件10可以包括設置在表面12和表面18中的至少一者上的共形膜20(如圖3和圖4所示)。膜20可以設置在密封件10的所有表面上。在表面12包括錐形部分的實施例中，膜20可以設置在錐形部分上以及平坦部分上。膜20可以包括粘合層、過渡層和作為非晶態(tài)類金剛石碳層的頂層。膜20可以設置在機加工和/或精加工的表面12和/或表面18上，并且其可以部分地覆蓋或完全覆蓋這些表面。

圖3示出了示例性實施例的橫截面視圖，其中密封件10具有設置在表面12上的膜20。膜20包括可以包括金屬的共形粘合層22。僅舉例來說，粘合層22可以包括鉻(Cr)或鈦(Ti)。

術語“共形”在本文中用于指示薄膜的性質以保持其基板的形貌。也就是說，粘合層22將具有與表面12相同的表面粗糙體，因為粘合層22與表面12共形。否則，粘合層22具有的計量基本上等于表面12的計量。

共形過渡層24設置在粘合層22上。過渡層24可以包含金屬摻雜碳膜。圖3示出了過渡層24包括摻雜有鎢(W)和鉻(Cr)的富碳層的示例性實施例。僅作為示例，過渡層24的金屬含量可以在約5至20原子百分比(at％)的范圍內。金屬含量大于20原子百分比可以增加膜20的硬度，但也可以導致更大的摩擦系數(shù)。相反，金屬含量小于5％可提供不足的粘附性和膜硬度。過渡層24的碳含量可以包括非氫化的碳和/或氫化的碳原子。

在不同的實施例中，過渡層24可以包括金屬摻雜類金剛石碳(m-DLC)層。類金剛石碳膜是具有類似于金剛石的性質的亞穩(wěn)態(tài)非晶態(tài)碳或碳氫化合物的類型。DLC膜具有的優(yōu)點是具有不超過其所沉積的襯底的最低轉變溫度的沉積溫度，該轉變溫度是密封環(huán)10至少部分地失去一種或多種結構性質(例如其硬度或殘余應力)的溫度。

膜20可以進一步包括設置在過渡層24上的共形的非晶態(tài)類金剛石碳(a-DLC)層26。與鋼相比，該非晶態(tài)類金剛石碳(a-DLC)屬于具有低摩擦、高耐磨性、高耐擦性和高耐磨損性的材料家族。此外，如本文所使用的a-DLC是指不具有晶體結構的所有類型的游離的反應性碳。

a-DLC層26不具有金屬含量。在其它實施例中，膜20可包括設置在過渡層24上的非晶態(tài)氫化碳(a-C:H)，而不是如圖3所示的實施例中的a-DLC層26。在其他實施例中，a-DLC層26也可以摻雜有過渡金屬碳化物或其他元素，例如硅。在這些情況下，a-DLC層26的碳含量可以在約60-80原子百分比(at％)的范圍內。

在其他實施例中，膜20可以包括鉻(Cr)的粘合層22、鎢DLC(W-DLC)的過渡層24和a-DLC層26。在其他實施例中，膜20可以包括鉻(Cr)的粘合層22、包括鎢摻雜碳(WC)和鎢-DLC(W-DLC)的過渡層24以及設置在過渡層24頂部的非晶態(tài)氫化碳(aC:H)。在其他實施例中，膜20可以包括金屬層、金屬摻雜碳層和非晶態(tài)類金剛石(a-DLC)層。金屬摻雜碳層可以是鉻摻雜的或鎢摻雜的。

膜20可以包括沉積到第一厚度的粘合層22、沉積到第二厚度的過渡層和沉積到第三厚度的頂層。第一厚度可以在約100nm至200nm的范圍內，第二厚度可以在約200nm至600nm的范圍內，第三厚度可以在約2,000nm至3,000nm的范圍內。在其它實施例中，第三厚度可以在約2,000nm至10,000nm的范圍內。第一厚度、第二厚度和第三厚度可以不相等。

在其他實施例中，第三厚度可以大于第一厚度的三倍，以及大于第二厚度的兩倍。薄膜可以比較厚的膜更共形。因此，膜20的計量可以相對于表面12的計量簡單地通過增加膜20的厚度而改變，從而消除表面12的任何表面精加工的影響。此外，增加膜20的厚度可以產(chǎn)生增加的殘余應力，其可降低膜20對表面12的粘附性。

圖4示出了類似于圖3中所示的實施例的另一示例性實施例。圖4的示例性實施例與圖3的不同之處在于表面12是各向同性精加工的。也就是說，由于各向同性精加工工藝，表面12具有散布在其上的峰和谷(在圖4中用數(shù)字28表示)。因此，由于粘合層22、過渡層24和層26全部是共形的，因此膜20也是共形的。換句話說，膜20保持各向同性精加工表面12的計量。在一個實施例中，各向同性精加工表面12的表面粗糙度參數(shù)Ra可以低于約500nm、200nm或100nm。低Ra值可以提供膜20對表面12的增加的粘附性。

圖5示出了根據(jù)示例性實施例的利用兩個機械面密封件10的密封組件40的橫截面圖。組件40中的每個密封件10的每個表面12可以涂覆有膜狀膜20。在另一個實施例中，組件的僅一個密封件10可以具有涂覆在其上的膜20。

密封組件40包括用于加載每個密封件10的復曲面34和38。復曲面34和38可以由聚合材料制成。例如，復曲面34和38可以是腈基彈性體或硅氧烷基彈性體。盡管復曲面34和38顯示為具有橢圓形或圓形的橫截面，但是其它橫截面也是可能的。復曲面34和38有助于保持每個密封件10的表面12之間的密封界面。每個表面12可在組裝密封件10之前被潤滑，如圖5所示。

此外，密封組件40可以包括固定件42、44、46和48，其可以用于進一步保持密封的界面。在一些應用中，一個密封件10是靜止不動的，而另一個密封件10相對于靜止不動的密封件10旋轉。圖5描述了使用兩個密封件10的實施例，其他實施例可以包括一個密封件10，其表面12與不是機械面密封件的另一金屬表面配合。在該實施例中，密封界面也存在于密封件10的表面12和另一金屬表面之間。下面討論這樣的示例實施例。

圖6A示出了根據(jù)實施例的鉆地鉆頭50的一部分。圖6B是包括在鉆地鉆頭50中的密封組件的示例性實施例的近視圖。

鉆地鉆頭50包括由軸支撐的鉆頭腿52和可旋轉地安裝到軸(和鉆頭腿52)的錐體54。錐體54包括設置在其周邊上的多個齒56，用于在錐體54旋轉時切割和破碎土體結構。錐體54使用多個精密研磨的球鎖定構件58保持在軸上。在錐體54和鉆頭腿52之間存在小間隙68。

鉆頭腿52包括固定件60、復曲面62和類似于前面討論的機械面密封件10的機械面密封件64。錐體54包括與密封件64形成密封界面的軸承套筒66。在操作期間，錐體54相對于鉆頭腿52旋轉。因此，軸承套筒66旋轉，同時密封件64保持靜止不動。密封件64和軸承套筒66的配合表面可以涂覆有膜狀膜20。在一個實施例中，僅一個配合表面可以涂覆有膜20。

工業(yè)實用性

所公開的密封件可適用于包括機械面密封件和/或機械面密封組件的任何工作機械。例如，所公開的密封件可以用于滾壓機、切割機、挖掘機、鉆地機、底盤軌道組件和在采礦應用中使用的任何工作機。

所公開的密封件可以具有優(yōu)于現(xiàn)有技術密封件的各種優(yōu)點。例如，所公開的密封件可以具有延長的壽命，特別是在密封件和密封組件經(jīng)受高靜態(tài)和瞬變壓力梯度、高旋轉速度以及腐蝕性和磨蝕性環(huán)境的應用中。

具體地，所公開的密封件可以具有較高的滲漏、刻痕和泄漏每分鐘轉數(shù)(RPM)等級。滲漏rpm等級是在密封組件的密封界面處可見潤滑劑的轉速。泄漏rpm等級是潤滑劑從界面泄漏的旋轉速度，并且刻痕rpm等級是兩個配合表面在其間沒有潤滑劑的情況下相接觸的旋轉速度。換句話說，所公開的膜可以具有優(yōu)良的粘合性能，并且在現(xiàn)有技術的未涂覆或DLC涂覆的密封件(例如'541專利中公開的涂覆的密封件)中會引起分層的條件下不會分層。

圖7是描繪在所公開的密封件上沉積膜20的示例性方法30的流程圖。為了簡單起見，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，本領域技術人員將容易認識到，方法30可以應用于密封件10的任何表面。此外，盡管方法30公開了在整個表面12上沉積膜20，方法30的其它實施例可以包括導致膜20僅僅涂覆在表面12的一部分上的附加工序。這種附加過程可以包括例如陰影遮蔽、光刻和濕法蝕刻、剝離、激光燒蝕和離子束銑削。

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、機械拋光、磨合拋光、拋光、研磨、化學機械平面化、機加工、微機械加工或其任何組合中的至少一種。表面精加工工序200可以包括滲碳表面12。在另一個實施例中，表面精加工工序200可以是例如各向同性精加工工序，其被調節(jié)以產(chǎn)生預定的表面粗糙度參數(shù)Ra。例如，預定的表面粗糙度可以是約小于500nm、200nm或100nm的Ra值。如前所述，低Ra值可以提供膜20對表面12的增加的粘附性。

示例性各向同性精加工工藝可以是例如將表面12浸入包括草酸基溶液的化學浴中。溶液氧化可能存在于表面12上的粗糙體?；瘜W浴還可以包括惰性和非磨蝕性微粒，該微?？梢赃M一步有助于去除氧化的表面粗糙體，這僅僅是由于浴的局部流動產(chǎn)生的機械相互作用。在化學處理之后，表面12可以被拋光以減小氧化的粗糙體的高度?；瘜W浴可以攪拌或搖動以提高反應速率。例如，可以全部獨立地控制工藝參數(shù)，例如浴的pH，由于搖動或攪拌賦予浴的振動能量的幅度或暴露時間，以對表面12產(chǎn)生預定的表面粗糙度。一個本領域普通技術人員將容易認識到，因為可以憑經(jīng)驗確定最佳參數(shù)空間，所以可以控制其他工藝參數(shù)以實現(xiàn)期望的粗糙度。此外，可以調整精加工工序200以產(chǎn)生除表面粗糙度之外的預定計量。也就是說，在各向同性精加工工藝之后，可以調整精加工工序200以產(chǎn)生表面12的可測量特性或性質的預定值。

另外，方法30可以包括清潔工序210。清潔工序210可以用于清除表面12的污染物。因此，清潔工序210可以是從表面12去除微粒的任何工序。僅作為示例，清潔工序210可以是包括諸如異丙醇(IPA)的溶劑的化學浴?；蛘撸鍧嵐ば?10可以是等離子體處理。例如，氧氣或氬氣等離子體可用于清潔表面12。此外，盡管圖7描繪了在表面精加工工序200之后進行的清潔工序210，但是本領域普通技術人員將容易理解，清潔工序210可以在方法30期間進行的任何其他工序之后進行。此外，清潔工序210可以原位(即在沉積室內)或者非原位(即在將密封件10裝載在沉積室中之前)進行。

另外，方法30可以包括第一沉積工序220。第一沉積工序220可以包括在表面12上沉積粘合層，例如在圖3和圖4所示的示例性實施例中描述的粘合層22。具體地，第一沉積工序220可以包括使用物理氣相沉積(PVD)濺射的金屬沉積。

在PVD濺射沉積中，使用DC或RF驅動通過電位梯度來加速惰性離子(例如Ar⁺)，使得它們轟擊靶，通過轉移動量產(chǎn)生靶材料的噴射簇。噴射簇吸附到放置在靶附近的待涂覆的表面上，并且它們產(chǎn)生靶材料的薄膜。

PVD濺射沉積發(fā)生在真空沉積室中，并且可以加熱待涂覆的表面?？梢詢?yōu)化PVD濺射沉積參數(shù)，其中例如沉積時間、基底溫度、室壓力、氣體流速等等，以產(chǎn)生具有期望厚度的膜。第一沉積工序220可用于用由鉻(Cr)或鈦(Ti)制成的粘合層22涂覆表面12。

另外，方法30可以包括用于在已經(jīng)涂覆有粘合層的表面12上沉積過渡層(如過渡層24)的第二沉積工序230。第二沉積工序230可包括PVD濺射沉積工藝。在另一實施例中，第二沉積工序230可以包括反應性PVD濺射沉積是一種PVD濺射工藝，其中在濺射沉積期間將反應性前體化合物引入沉積室中。

第二沉積工序230可包括產(chǎn)生包括鎢-DLC(W-DLC)的過渡層的反應性PVD濺射工藝。在另一實施例中，第二沉積工序230可以包括產(chǎn)生包括鎢摻雜碳(WC)和鎢-DLC(W-DLC)的過渡層的反應性PVD濺射工藝。在又一個實施例中，第二沉積工序230可以包括僅產(chǎn)生鎢-DLC(W-DLC)層的反應性PVD濺射工藝。一般來說，第二沉積工序230可包含產(chǎn)生關于過渡層24所論述的任何膜(或任何組合)的PVD濺射工藝。此外，反應性PVD濺射工藝可使用揮發(fā)性烴作為反應性化合物，例如乙炔。

另外，方法30可以包括產(chǎn)生類似頂層的層26的第三沉積工序240。第三沉積工序240可以是等離子體輔助化學氣相沉積(PACVD)工藝，也稱為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。

在PACVD中，在沉積室中產(chǎn)生等離子體，并且將揮發(fā)性前體化合物引入室中。熱能和來自等離子體的能量驅動揮發(fā)性前體化合物的反應速率以在所要涂覆的表面上產(chǎn)生所需的材料。在PACVD中，襯底和/或室可以被加熱以提供所需的熱能。在一個實施例中，第三沉積工序240可以被配置為產(chǎn)生a-DLC層。在另一實施例中，第三沉積工序240可以是配置成產(chǎn)生a-C:H層的PACVD工藝。

可以調節(jié)第一、第二和第三沉積工序220、230和240的工藝參數(shù)以產(chǎn)生先前關于粘合層22、過渡層24和層26所討論的各自的厚度。此外，用于DLC膜的前體化合物可以是烴，例如乙炔或甲烷。

對于本領域技術人員顯而易見的是，可以對所公開的密封件進行各種修改和變化。通過考慮所公開的密封件的說明書和實踐，其他實施例對于本領域技術人員將是顯而易見的。說明書和示例被認為僅是示例性的，真實的范圍由所附權利要求書及其等同物指示。