專(zhuān)利名稱(chēng)：密封裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使機(jī)器零件的第一側(cè)相對(duì)于第二側(cè)密封的密封裝 置，其中該密封裝置具有與相對(duì)元件接觸的密封元件。此外，本發(fā)明 涉及制造這種密封裝置的方法。本發(fā)明適合用于許多不同的密封裝置， 特別是適用于軸承技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)明背景許多應(yīng)用需要密封裝置，所述密封裝置使機(jī)器零件的第 一側(cè)相對(duì) 于其第二側(cè)密封。例如在內(nèi)燃機(jī)的軸中必須使油側(cè)(第一側(cè))相對(duì)于 空氣側(cè)(第二側(cè))密封。此外，在許多情形中必須對(duì)軸承布置進(jìn)行密 封，這種密封是通過(guò)上述類(lèi)型的密封裝置進(jìn)行的。這樣的密封裝置和 它們的密封元件處于高栽荷下，因?yàn)橥ǔＫ鼈儽焕鐝椈傻钠迷O(shè)備 壓在其相對(duì)的元件上，以確保密封布置的緊密性。因此，人們?cè)噲D提 高密封元件的耐久性。當(dāng)潤(rùn)滑條件不良時(shí)特別如此。對(duì)于金屬零件，已知用于施用涂層的不同方法。大多數(shù)這些方法不適用于通常由橡膠材料、彈性體材料且特別是聚四氟乙烯(PTFE) 組成的密封元件。例如，US6，340，245B1描述了一種滾柱軸承，其具有內(nèi)環(huán)、外環(huán) 和滾動(dòng)元件，這些滾動(dòng)元件與所述環(huán)的滾道滾動(dòng)接觸。滾動(dòng)元件以及 所述環(huán)的滾道涂覆有混有金屬的類(lèi)金剛石碳層。特別地，各個(gè)元件涂 覆有混有金屬的類(lèi)金剛石碳涂層，該涂層包含交替的主要為類(lèi)金剛石 碳還包含一些金屬碳化物的層，和主要為金屬碳化物還包含一些類(lèi)金 剛石碳的層。發(fā)明概述盡管通過(guò)上述的零件涂層改善了對(duì)高應(yīng)力的抵抗性，然而不利的 是已知涂層的彈性相當(dāng)?shù)?。這可能在密封裝置的使用期間導(dǎo)致裂紋， 從而危害涂層的附著。作為結(jié)果，如果發(fā)生涂層的破壞則密封裝置的 有效壽命降低。當(dāng)然，如果涉及軸承的密封元件，則這是特別不利的。因此，本發(fā)明的目的是提出一種改良的密封裝置，其具有更好的 性能，特別是關(guān)于密封元件的耐久性。根據(jù)本發(fā)明這個(gè)目的的解決方案的特征在于，用包含類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或者由其組成的層涂覆密封元件的至少一部分和/ 或相對(duì)元件的至少一部分，其中在密封元件的表面與包含類(lèi)富勒烯碳 氮化物或由其組成的層之間，和/或在相對(duì)元件的表面與包含類(lèi)富勒烯 碳氮化物或由其組成的層之間設(shè)置鉻或鋁或鉬或鈦或鎢或類(lèi)金剛石涂 層或混有金屬的類(lèi)金剛石涂層的中間層。由此，用包含類(lèi)富勒烯碳氮 化物功能部分或者由其組成的層涂覆密封元件和/或相對(duì)元件的至少 一部分表面。優(yōu)選地，密封元件與相對(duì)元件之間的接觸面積涂覆有所述層。密封元件可以由橡膠材料、彈性體材料或聚四氟乙烯(PTFE )組 成。其可以通過(guò)彈簧被壓在相對(duì)元件上。使用設(shè)置在密封元件的表面與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成 的層之間，和/或設(shè)置在相對(duì)元件的表面與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由 其組成的層之間的鉻或鋁或鉬或鈦或鎢的中間層顯著改善了所述層與 密封元件和/或相對(duì)元件的結(jié)合。此外，可能且有益的是，在密封元件和/或相對(duì)元件的表面與由類(lèi) 富勒烯碳氮化物組成的層之間設(shè)置類(lèi)金剛石涂層(DLC)或混有金屬 的類(lèi)金剛石涂層(Me-DLC)的中間層。這樣的類(lèi)金剛石涂層或混有 金屬的類(lèi)金剛石涂層的施用相當(dāng)簡(jiǎn)單(例如參見(jiàn)上述的US 6，340，245 Bl)并且可以增加類(lèi)富勒烯碳(FL-CNx)的涂層。當(dāng)上表面的功能 性為所需時(shí)可以獲得另外的益處，例如為設(shè)計(jì)的表面能以適應(yīng)給定的 潤(rùn)滑劑/油。由類(lèi)富勒烯碳氮化物組成的層的厚度優(yōu)選為0.1-10nm，特別是O.l-lnm。中間層的厚度優(yōu)選為lnm-5nm，優(yōu)選為25nm-5fim。 具有如Cr和Ti的成分以及擴(kuò)散結(jié)合成分的等離子體處理或電弧刻蝕 的表面(無(wú)實(shí)際的沉積，而為注入)同樣適用。優(yōu)選通過(guò)磁控濺射將由類(lèi)富勒烯碳氮化物組成的層沉積在密封元 件和/或相對(duì)元件上。還可以通過(guò)物理氣相沉積(PVD)、通過(guò)化學(xué)氣 相沉積(CVD)或通過(guò)其組合將由類(lèi)富勒烯碳氮化物組成的層沉積在 密封元件和/或相對(duì)元件上，任何這些工藝或結(jié)合工藝可以包括一些等 離子體用以在沉積期間或之后對(duì)涂層進(jìn)行有限的離子輔助。即，以具 有任何類(lèi)型的類(lèi)金剛石碳的漸變或多層涂層方式實(shí)施的類(lèi)富勒烯碳氮 化物涂層也是有利的，并且與單獨(dú)的DLC相比將提供改進(jìn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，用于密封元件和/或相對(duì)元件的沉積 處理溫度保持低于180°C，優(yōu)選等于或低于150'C。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的類(lèi)富勒烯碳氮化物，作如下評(píng)論Lars Hultman， J6rg Neidhardt， Niklas Hellgren， Hans Sj6str6m， 和 Jan-Eric Sundgren在Materials Research Society Bulletin, 28 (March), 2003， 194的"FuUerene-like Carbon Nitride; A Resilient Coating Material"中描述了碳氮化物薄膜材料。在這篇參考文獻(xiàn)中， 給出了類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx )的性質(zhì)。本專(zhuān)利申請(qǐng)涉及用于不 同應(yīng)用中的密封元件的處理類(lèi)富勒烯碳氮化物涂層的初次申請(qǐng)和發(fā)明 方案，包括每個(gè)所需層的附著技術(shù)和最佳層厚度。此外，給出了適用 于不同密封材料的處理溫度。優(yōu)選地，與不形成堅(jiān)固材料的純碳富勒烯分子不同，本發(fā)明使用 富勒烯-碳氮化物涂層用于密封裝置，這體現(xiàn)了富勒烯作為因本申請(qǐng)所 述優(yōu)點(diǎn)而制造的致密、固態(tài)、良好附著涂層的初次功能性利用 (functionalization )。通過(guò)在本文所述的涂層沉積過(guò)程期間用氮攙雜 碳或與碳合金化獲得了所述功能性利用。碳結(jié)構(gòu)家族通過(guò)純碳的新改性而得到了補(bǔ)充。在1990年發(fā)現(xiàn)了富 勒烯并且實(shí)現(xiàn)了大量生產(chǎn)富勒烯的可能(參見(jiàn)W. Kr針schmer， L. D. Lamb， D. R. Huffman, Nature 347 (1990) 354 )。富勒烯是通過(guò)n的三倍個(gè)配位碳原子以12個(gè)五邊形和n個(gè)六邊形構(gòu)成的多面體 (polyeder) ， n的最小值是20。富勒烯滿(mǎn)足歐拉定律，其中由五邊 形和六邊形構(gòu)成的多面體必須恰好包含12個(gè)五邊形以構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)。 根據(jù)該定律，具有20個(gè)碳原子的十二面體(dodekaeder )是最小的可 能富勒烯。實(shí)際中最小的富勒烯是C6。，因?yàn)閷?duì)于該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性重 要的是，五邊形不相靠。Isolated Pentagon Rule (IPR)對(duì)此進(jìn)行了 描述。如果兩個(gè)五邊形接合，則鍵的張力增加從而該結(jié)構(gòu)不再為能量 穩(wěn)定。富勒烯中的碳原子每個(gè)都具有三個(gè)近鄰并且所有的鍵都或多或少 地飽和。因此，在化學(xué)反應(yīng)中，富勒烯并不像芳香化合物那樣發(fā)生反 應(yīng)("超級(jí)苯，，)，它們顯示出脂肪族行為，具有弱的富勒烯分子結(jié)合。 富勒烯的良好溶劑是CS2、臨二氯苯、曱苯和二甲苯。富勒烯不溶于 水并且在空氣中穩(wěn)定。富勒烯薄層的顏色是黃色到黃綠色。為了實(shí)現(xiàn) 用氮的摻雜，通過(guò)濕化學(xué)方法在實(shí)際中形成的唯一含氮富勒烯是C^Nn即所謂的氮雜富勒烯。其容易二聚形成(C59N山分子從而變得惰性。本發(fā)明在此優(yōu)選使用氣相沉積法，該方法可用于生長(zhǎng)由含氮(氮 雜)富勒烯片段組成的碳氮化物的固態(tài)涂層。以交聯(lián)形式，它們可提 供軸承應(yīng)用所需的強(qiáng)度。本方法是實(shí)用并且技術(shù)上可行的方法，通過(guò) 以合成生長(zhǎng)沉積該材料來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)惰性的富勒烯的功能化。為密封裝置制得的類(lèi)富勒烯(FL)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于彎曲和交聯(lián)的石墨 基面(也稱(chēng)為石墨烯)的存在。富勒烯的這種特殊功能性利用是通過(guò) 精確嵌入氮原子取代石墨烯平面內(nèi)的碳獲得的，使得碳配位得以保留， 而每個(gè)氮原子提供的額外電子可促進(jìn)五邊形環(huán)的形成，這在幾何上是 需要的以便獲得平面彎曲(其富勒烯相似性)，而且還提供交聯(lián)位置。 這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致柔順(compliant)且同時(shí)堅(jiān)韌(tough)的材料(高的 彈性恢復(fù)率，>80%)，這里提出將該材料用作初始的密封裝置的涂 層材料。本發(fā)明的中心部分是用于涂層的類(lèi)富勒烯碳氮化物材料結(jié)構(gòu)是與 純碳富勒烯和富勒烯化物(fulleride)(具有或沒(méi)有金屬摻雜的富勒烯分子的結(jié)晶形式)顯著不同的材料。與FL-CNx化合物相比，后一 種材料相對(duì)柔軟并且具有小得多的彈性且沒(méi)有回彈性。類(lèi)富勒烯碳氮化物還在性質(zhì)上不同于類(lèi)金剛石碳，因?yàn)楹笳?主 要)具有四重配位的碳原子而前者全部為三重配位。 一種有用的性質(zhì) 是，類(lèi)富勒烯碳氮化物涂層具有與非氫化DLC相似的低摩擦性能。在根據(jù)本發(fā)明的類(lèi)富勒烯CNx的另一定義中，其在性質(zhì)上是非晶 態(tài)的并且不同于任何晶態(tài)形式的碳氮化物，例如已知的p-C3N4、 a-C3N4或其它化合物或相。重要的是，根據(jù)本發(fā)明的類(lèi)富勒烯CNx不 是晶態(tài)的因此其(根據(jù)定義)不構(gòu)成任何超晶格基含碳和含氮的材料。優(yōu)選地，通過(guò)磁控濺射進(jìn)行類(lèi)富勒烯CNx的生產(chǎn)，但是實(shí)際上可 以使用所有的物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝及 其組合，包括一些等離子體用于有限的離子產(chǎn)生，來(lái)產(chǎn)生涂層。生長(zhǎng) 該物質(zhì)的重要參數(shù)是基材溫度(低于180'C至500°C )，溫度敏感精確 度對(duì)于軸承部件也是重要的，其中高的溫度將產(chǎn)生不均勻的尺寸改變 并損失精度從而由于軟化可能減小基材的栽荷承受能力。作為一種優(yōu) 選技術(shù)，石墨靶在含氮?dú)夥罩械姆瞧胶夥磻?yīng)磁控濺射對(duì)于類(lèi)富勒烯 CNx結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)是重要的，因?yàn)镃xNy分子(特別是CN和/或C2N2或 其復(fù)合體的分子)，其在工藝中形成或者可以添加到工藝中，因?yàn)樗?們充當(dāng)用于期望結(jié)構(gòu)的前體或生長(zhǎng)模版以實(shí)現(xiàn)最好的涂層性能。這種 理解使得能夠有意地通過(guò)氣體源添加這樣的分子以合理地促進(jìn)類(lèi)富勒 烯結(jié)構(gòu)。沉積工藝可最好地描述為等離子氣相沉積和化學(xué)氣相沉積的組 合。在所討論的類(lèi)富勒烯結(jié)構(gòu)中，變形能主要以彈性方式存儲(chǔ)并且在 載荷去除后釋放，賦予其堅(jiān)韌和回彈的特性。另外，相對(duì)低的模量導(dǎo) 致接觸應(yīng)力在較大的體積上擴(kuò)展因此在基材/膜界面處導(dǎo)致低的應(yīng)力 梯度。這阻礙了在載荷下的基材/膜剝離，從而導(dǎo)致高的栽荷承受能力， 同時(shí)涂層粗糙性表現(xiàn)為彈性，且不傾向于在摩擦接觸中脆性破裂。根據(jù)本發(fā)明的密封裝置顯示出不同的優(yōu)點(diǎn)由于低的沉積溫度，可以向任何密封元件施用該涂層而不會(huì)損害接觸的疲勞性質(zhì)，并且沒(méi)有材料的顯微結(jié)構(gòu)改變，所述顯微結(jié)構(gòu)改變 將導(dǎo)致所述元件的不利的尺寸改變。適當(dāng)選擇中間層和中間層的結(jié)構(gòu)，涂層與基材(密封元件或相對(duì)元件)的附著水平可足以承受GPa范圍(3-4GPa)的摩擦接觸疲勞 應(yīng)力。涂層內(nèi)的內(nèi)聚力同樣高并且可通過(guò)類(lèi)富勒烯納米至微米層的交聯(lián) 和彎曲以及巻繞的顯微結(jié)構(gòu)而得到提高。該涂層的超級(jí)彈性特性允許其以完全彈性方式吸收由操作損傷和 顆粒凹陷引起的局部大的變形?？杀苊?由于塑性削弱引起的)微裂 紋的萌生。也可避免與微裂紋尖端相關(guān)的高應(yīng)力集中。以這種方式， 可避免和至少顯著減少裂紋萌生及擴(kuò)展(特征為滾動(dòng)接觸疲勞和表面 初始疲勞)。在少量(marginal)和無(wú)潤(rùn)滑的情況下，與橡膠-鋼接觸的摩擦系 數(shù)相比，類(lèi)富勒烯涂層提供低的摩擦系數(shù)，并且至少與非氫化DLC-鋼的一樣好。以這種方式，避免或至少顯著減少了附著磨損破壞和劃 擦的萌生/擴(kuò)展。此外，該涂層具有非常好的潤(rùn)濕行為，這促進(jìn)潤(rùn)滑劑流體輸運(yùn)到 和保留在(滾動(dòng)和滑動(dòng))接觸中。因此，在潤(rùn)滑劑缺乏或少量潤(rùn)滑條 件的情況下，該涂層將改善接觸的潤(rùn)滑條件。當(dāng)以附加的處理步驟應(yīng) 用到如上文所述的任何當(dāng)前的涂覆DLC的軸承技術(shù)時(shí)，該涂層可用 于此目的。通過(guò)所述沉積工藝的同時(shí)進(jìn)行的涂層表面刻蝕，表面凸起處的結(jié) 合強(qiáng)度較小的生長(zhǎng)物質(zhì)被優(yōu)先除去。因此，也可以施用該涂層用以獲 得基材表面的微觀幾何/微觀形貌的矯平。這導(dǎo)致非常平滑的接觸(適 合于薄膜潤(rùn)滑)并減少軸承的磨合作用(run-in effect)。該涂層還將確保密封裝置在潤(rùn)滑劑中在具有高污染水平下工作時(shí) 具有長(zhǎng)的使用壽命。在這樣的情形中，該涂層將減小由硬低摩擦系數(shù)、 高斷裂籾性和超級(jí)彈性的結(jié)合作用引起的研磨性磨損破壞。對(duì)于非研 磨性顆粒例如"軟，，金屬污染物同樣如此，其中對(duì)于突起邊緣形成凹痕，其中隨后的越過(guò)滾動(dòng)將在這些突起邊緣處產(chǎn)生增加的應(yīng)力水平并且可 能導(dǎo)致早期的表面起始失效。這種涂層還以超級(jí)彈性方式生效，該涂 層的存在將緩解導(dǎo)致延時(shí)失效的效應(yīng)或者防止污染條件下的失效。即，密封裝置的力學(xué)性能得到改良，特別地密封元件具有更長(zhǎng)的性。密封裝置的污染沒(méi)有大的影響。類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)化合物作為回彈性涂層具有如通過(guò) 納米壓痕測(cè)量法測(cè)定的^ 70%的彈性恢復(fù)率值。所述FL-CNx涂層主 要由彎曲和交聯(lián)石墨烯平面形式的碳組成，其中N原子代替C引起形 成奇數(shù)成員的環(huán)，優(yōu)選五邊形，以便導(dǎo)致富勒烯相似性。相應(yīng)的結(jié)構(gòu) 可以由電子顯微方法確定。N在結(jié)構(gòu)上結(jié)合在FL-CNx涂層中并且如 此其產(chǎn)生類(lèi)富勒烯結(jié)構(gòu)單元的交聯(lián)。相應(yīng)的鍵可以通過(guò)光譜方法確定。 本發(fā)明所涉及的FL-CNx涂層中的氮含量范圍優(yōu)選為1-35原子％。 N以外的元素特別是P、 S和B,其本身或與N結(jié)合產(chǎn)生的摻雜或合 金化提供了對(duì)于上述目標(biāo)的解決方案同樣有利的FL-CNx涂層。在一些已知的應(yīng)用中，建議使用六邊形碳氮化硼。六邊形碳氮化 硼在以下兩方面不同于本發(fā)明的類(lèi)富勒烯碳氮化物第一方面是一個(gè)中存在B(硼)而另一個(gè)中不存在硼。第二重要方面是六邊形相具有不同于FL-CNx的有序晶格鍵。亊 實(shí)上，F(xiàn)L-CNx具有結(jié)合在五邊形中的碳，而六邊形碳氮化硼中并非 如此?；瘜W(xué)組成和鍵結(jié)構(gòu)兩者決定了材料。因此，它們是不同的。在下文和權(quán)利要求中對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案進(jìn)行了限定。
附圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的密封裝置的實(shí)施方案。圖l顯示了密封裝置的截面視圖；圖2以放大視圖顯示了圖1中的細(xì)節(jié)"Z";和圖3顯示了兩種類(lèi)富勒烯CNx涂層與一些已知的技術(shù)上重要材料相比的特征性能。 發(fā)明詳述圖1顯示了密封裝置1的實(shí)例。其具有由支撐元件11支撐的密封元件4。密封元件4由彈性體材料組成。其通過(guò)彈簧7被壓在相對(duì)元 件5上。相對(duì)元件5是安裝在軸12上的套管。支撐元件ll固定在容 納部件13中。因此，油側(cè)2 (第一側(cè))相對(duì)于空氣側(cè)3 (第二側(cè))密封。從圖l可以看出，可以設(shè)置另一個(gè)密封元件14，隨后關(guān)于密封元 件4的說(shuō)明同樣適用于該密封元件14。從根據(jù)圖2的放大圖解中可以看出，密封元件4的表面9和相對(duì) 元件5的表面10各自涂覆有兩個(gè)層8和6。層8是由鉻、鋁、鉬、鈥 或鵠組成的金屬層。這個(gè)層8的厚度T優(yōu)選為25nm-5nm。在密封元件4的層8的表面15上以及在相對(duì)元件5的層8的表面 16上設(shè)置另一個(gè)層6。這個(gè)層6由上述的類(lèi)富勒烯碳氮化物組成。層 6的厚度t小于層8的厚度T，并且優(yōu)選為0.1 - 10jim。甚至小于O.ljim 的層厚度也可以是足夠的。氮納入具有六邊形原子型式的碳中，這有助于形成與碳原子的強(qiáng) 鍵，使六邊形的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成混合的五邊形-六邊形網(wǎng)絡(luò)。這導(dǎo)致網(wǎng) 絡(luò)的彎曲，形成非晶態(tài)的互鎖多層和類(lèi)富勒烯殼層結(jié)構(gòu)。在類(lèi)富勒烯 層之間形成附加的緊固但卻柔性的鍵(充當(dāng)強(qiáng)的鉸接)，這有助于強(qiáng) 化該顯微結(jié)構(gòu)提供具有優(yōu)異且新型摩擦學(xué)性質(zhì)的涂層。重要的是，通 過(guò)沉積類(lèi)富勒烯碳氮化物的致密和固態(tài)涂層將氮原子包含到結(jié)構(gòu)中， 使在其它情況下相對(duì)惰性的碳富勒烯分子得到功能性利用。如上文所述，該涂層具有低的摩擦系數(shù)、高的導(dǎo)熱性、高硬度和 超級(jí)彈性、高溫和化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有良好的基材附著性和強(qiáng)度， 特別是當(dāng)與中間層一起施用時(shí)。碳氮化物膜(CNX)基本上顯示出與類(lèi)金剛石碳涂層類(lèi)似的有益 摩擦學(xué)行為，如US 6，340，245 Bl所述。如同類(lèi)金剛石碳，可以在150°C-約350°C，典型< 240。C的相對(duì)低的溫度下沉積根據(jù)本發(fā)明的涂層。 這種相對(duì)低的沉積溫度將避免密封元件4和/或相對(duì)元件5的破壞。提出的CNx膜表現(xiàn)出極大的彈性，這防止涂層的塑性(不可恢復(fù) 的)變形和微裂紋。這種性能與低的彈性模量結(jié)合，能夠耗散大面積/ 體積上的接觸載荷，有利于潤(rùn)滑劑膜的形成。由于這些涂層極大的彈 性，因此可以將其描述為硬(5-30+ GPa，典型為8+/-2 GPa )和"橡 膠狀"和"斷裂強(qiáng)韌"的。圖3中給出了兩種類(lèi)富勒烯CN,涂層的特征 性能，與一些已知的技術(shù)上重要的材料進(jìn)行比較。關(guān)于圖3進(jìn)行以下說(shuō)明在該圖中，給出了納米壓痕測(cè)量結(jié)果，顯示了力學(xué)性能以及相對(duì) 于鋼的干滑動(dòng)摩擦系數(shù)。當(dāng)通過(guò)壓痕使經(jīng)歷彈性和塑性變形的材料產(chǎn) 生應(yīng)變(strain)時(shí)，通過(guò)施加的應(yīng)變相對(duì)于屈服應(yīng)變的程度來(lái)確定加 載-卸載循環(huán)期間的行為。E是楊氏模量(GPa)而H是(Meyer)硬 度(GPa ) , H/E比值是彈性—塑性行為的描述性參數(shù)。從圖3可以看出，本發(fā)明優(yōu)選具有H/E比值高于0.1，優(yōu)選高于 0.12，特別是0.12-0.2的CNx涂層，其表現(xiàn)出"超級(jí)彈性，，性能?；旧希撏繉釉试S大的彈性(可恢復(fù))變形而沒(méi)有通常與接觸 疲勞破壞過(guò)程關(guān)聯(lián)的裂紋萌生。CNX膜的超級(jí)彈性使得這種材料理想 用于密封表面的保護(hù)涂層。提供有這種類(lèi)型的保護(hù)涂層的密封元件將 顯著減少表面起始失效的可能性，并且在所有條件下將具有延長(zhǎng)的使 用壽命。特別地，在降低的潤(rùn)滑(薄膜、混合或干態(tài)條件)和潤(rùn)滑劑 中存在污染碎屑的情況下，可望具有顯著的性能改善。當(dāng)在密封元件的某些位置形成局部應(yīng)力集中時(shí)，局部的膜厚度減 小(由于接觸微滑移)導(dǎo)致表面牽引力增加。這引起局部溫度的進(jìn)一 步提高和潤(rùn)滑劑膜的額外減少(或破壞(coUpase))。使用根據(jù)本發(fā) 明的CNx膜將顯著改善受到凹入(或其它)損傷影響或在減小的膜厚 度情況下密封表面的生存能力。這通過(guò)這種膜的超級(jí)彈性和低摩擦系 數(shù)的結(jié)合作用而得以實(shí)現(xiàn)。超級(jí)彈性將允許涂層適應(yīng)于凹入損傷而不 開(kāi)裂或折疊(faking)，并且低的摩擦系數(shù)將降低局部牽引力和附著剪應(yīng)力，所述附著剪應(yīng)力是微點(diǎn)蝕的主要原因。在污染物顆粒進(jìn)入密封元件和相對(duì)元件之間的區(qū)域期間，CNX的 低摩擦系數(shù)將有益于密封裝置的壽命。事實(shí)上，CNx的低摩擦系數(shù)與 高彈性結(jié)合將減小外來(lái)顆粒壓入期間的應(yīng)力積累，導(dǎo)致較淺和較小的 損傷壓痕。當(dāng)施用類(lèi)富勒烯涂層時(shí)，基本上使用等離子體輔助的分批真空(單 腔或多腔)工藝，并且提供沉積到基材(環(huán)和中間層)上的碳和氮的 離子、原子和分子的蒸氣。如果使用低的能量輸入基材則獲得低的沉 積溫度。在涂覆容器外部對(duì)有待用這些層覆蓋的密封元件進(jìn)行預(yù)清洗。 等離子清洗工藝可在涂覆容器內(nèi)部相繼進(jìn)行。然后，在容器中施用類(lèi) 富勒烯碳氮化物的層6以及中間層8。根據(jù)表征技術(shù)和處理，在類(lèi)富勒烯碳氮化物基體中這些涂層還可 以被描述為非晶態(tài)(例如通過(guò)XRD分析)或局部晶態(tài)(例如通過(guò)高 分辨電子顯微鏡)的。在每種情形中，在例如滑動(dòng)接觸中實(shí)現(xiàn)了良好 的摩擦學(xué)行為。沉積溫度使得涂層不適用于溫度敏感材料例如標(biāo)準(zhǔn)密封材料。這些材料理想地要求基材不達(dá)到高于160。C的溫度。高于該 溫度的溫度將導(dǎo)致破壞。非晶態(tài)CNX涂層在附著性和內(nèi)聚力方面也受到限制，并因此當(dāng)接 觸應(yīng)力高(GPa范圍)以及當(dāng)這些應(yīng)力與滑移和滑動(dòng)結(jié)合時(shí)，易于發(fā) 生早期涂層失效。已建立了低能量加工窗口 ，這允許將CNx應(yīng)用到密封材料使得可 以在150。C的溫度下施用CNX。這些條件使得涂層也具有顯著提高它 們的載荷承受能力的類(lèi)富勒烯結(jié)構(gòu)，從而可以實(shí)現(xiàn)用于具有GPa范圍 接觸應(yīng)力的密封裝置的應(yīng)用。富勒烯結(jié)構(gòu)單元也可以交聯(lián)，這顯著提高它們對(duì)近表面剪應(yīng)力的抵抗性，所述近表面剪應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致面內(nèi)(涂層的內(nèi)聚力失效)。 這種特征偶爾是對(duì)已知的類(lèi)金剛石涂層(DLC)和金屬混合DLC (Me-DLC)的限制。對(duì)于類(lèi)富勒烯CNx的沉積條件，應(yīng)注意的是，已確定了用于低溫沉積具有交聯(lián)的類(lèi)富勒烯CNX的離子流和射束能量條件。如上文所述，(磁控濺射)沉積工藝的其它特征是，可以增加金 屬中間層以改善與基材的界面處或附近的固有附著性并且這些層可以 漸變?yōu)轭?lèi)富勒烯CNx涂層，這不需要前體中間層用以將CNx結(jié)構(gòu)籽晶 引入(seed)涂層的上部。附圖標(biāo)記1 密封裝置2 第一側(cè)(油側(cè))3 第二側(cè)(空氣側(cè))4 密封元件5 相對(duì)元件6 包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層7 彈簧8 中間層9 密封元件的表面10 相對(duì)元件的表面11 支撐元件12 軸13 容納部件14 密封元件15 表面16 表面t 包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層的厚度 T 中間層的厚度
權(quán)利要求
1.密封裝置(1)，其用于使機(jī)器零件的第一側(cè)(2)相對(duì)于第二側(cè)(3)密封，其中密封裝置(1)具有與相對(duì)元件(5)接觸的密封元件(4)，其特征在于密封元件(4)的至少一部分和/或相對(duì)元件(5)的至少一部分涂覆有包含類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或者由其組成的層(6)，其中在密封元件(4)的表面(9)與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)之間，和/或在相對(duì)元件(5)的表面(10)與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)之間設(shè)置鉻(Cr)或鋁(Al)或鉬(Mo)或鈦(Ti)或鎢(W)或類(lèi)金剛石涂層(DLC)或混有金屬的類(lèi)金剛石涂層(Me-DLC)的中間層(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的密封裝置，其特征在于密封元件U)與相 對(duì)元件(5)之間的接觸區(qū)域涂覆有層(6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的密封裝置，其特征在于密封元件U) 有橡膠材料或彈性體材料或聚四氟乙烯(PTFE)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 3之一的密封裝置，其特征在于密封元件(4 ) 通過(guò)彈簧(7)被壓在相對(duì)元件(5)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4之一的密封裝置，其特征在于包含類(lèi)富勒 烯碳氮化物或由其組成的層(4)的厚度(t)為0.1-10nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的密封裝置，其特征在于層(4)的厚度(t) 為0.1 - lfim。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6之一的密封裝置，其特征在于中間層(5) 的厚度(T)為lnm —5nm.
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的密封裝置，其特征在于中間層(5)的厚度 (T )為25證—5,，
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-8之一的密封裝置，其特征在于通過(guò)磁控濺 射將包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6 )沉積在密封元件(4 ) 和/或相對(duì)元件(5)上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l-8之一的密封裝置，其特征在于通過(guò)物理氣 相沉積(PVD )將包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6 )沉積在 密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5)上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的密封裝置，其特征在于通過(guò)化學(xué)氣 相沉積(CVD)將包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)沉積 在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5)上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10和11的密封元件，其特征在于通過(guò)物理氣 相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)的組合將包含類(lèi)富勒烯碳氮 化物或由其組成的層(6)沉積在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5) 上。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-12之一的密封裝置，其特征在于在沉積包 含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)期間密封元件(4)和/或相 對(duì)元件(5)的溫度保持低于180'C，優(yōu)選低于150'C。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-13之一的密封裝置，其特征在于在類(lèi)富勒 烯碳氮化物中摻雜和/或合金化氮(N)以外的元素。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的密封元件，其特征在于類(lèi)富勒烯碳氮化物 中的摻雜和/或合金化的元素是躊(P)、硫(S)和/或硼(B)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l-15之一的密封元件，其特征在于類(lèi)富勒烯 碳氮化物(FL-CNx )具有比值H/E>0.1 ，其中H是Meyer硬度(GPa ) 且E是楊氏模量(GPa)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的密封元件，其特征在于比值H/EXU2。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的密封元件，其特征在于比值H/E為0.12 -0.2。
19. 制造根據(jù)權(quán)利要求1-18之一的密封裝置(1)的方法，其特 征在于通過(guò)磁控賊射在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5)上沉積包含類(lèi) 富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或由其組成的層(6)和/或中間層(8)。
20. 制造根據(jù)權(quán)利要求1 - 18之一的密封裝置(1)的方法，其特 征在于通過(guò)物理氣相沉積(PVD)在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5) 上沉積包含類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或由其組成的層(6)和/ 或中間層(8)。
21. 制造根據(jù)權(quán)利要求1-18之一的密封裝置(1)的方法，其特 征在于通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5) 上沉積包含類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或由其組成的層(6)和/ 或中間層(8)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20和21的方法，其特征在于 通過(guò)物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)的組合在密封元件(4)和/或相對(duì)元件(5)上沉積包含類(lèi)富勒烯碳?xì)饣锘蛴善?組成的層(6)和/或中間層(8)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19-22之一的方法，其特征在于在沉積由類(lèi)富 勒烯碳氮化物組成的層(6)和/或中間層(8)期間，密封元件(4) 和/或相對(duì)元件(5)的溫度保持低于180'C，優(yōu)選低于150'C。
全文摘要
本發(fā)明涉及密封裝置(1)，其用于使機(jī)器零件的第一側(cè)(2)相對(duì)于第二側(cè)(3)密封，其中密封裝置(1)具有與相對(duì)元件(5)接觸的密封元件(4)。為了改善密封裝置在其使用期間的性能，所提出的密封裝置的特征在于，密封元件(4)的至少一部分和/或相對(duì)元件(5)的至少一部分涂覆有包含類(lèi)富勒烯碳氮化物(FL-CNx)或者由其組成的層(6)，其中在密封元件(4)的表面(9)與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)之間，和/或在相對(duì)元件(5)的表面(10)與包含類(lèi)富勒烯碳氮化物或由其組成的層(6)之間設(shè)置鉻(Cr)或鋁(Al)或鉬(Mo)或鈦(Ti)或鎢(W)或類(lèi)金剛石涂層(DLC)或混有金屬的類(lèi)金剛石涂層(Me-DLC)的中間層(8)。
文檔編號(hào)F16C33/76GK101248284SQ200680028434
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2006年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月1日
發(fā)明者L·赫特曼, S·霍頓 申請(qǐng)人:Skf股份公司