КОНТАКТНОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ ОСЕВОГО ТОРЦЕВОГО УПЛОТНИТЕЛЬНОГО УЗЛА Российский патент 2012 года по МПК F16J15/00 C23C16/27 

Изобретение относится к уплотнительному кольцу для узла с уплотнительным кольцом, тип которого определен в ограничительной части п.1 формулы изобретения.

В документе DE 202006006525 U раскрыто уплотнительное кольцо для узла с уплотнительным кольцом, в котором базовая часть кольца выполнена из карбида кремния (SiC), при этом торцевая сторона базовой части покрыта слоем, выполненным из алмазного материала. В указанном документе также раскрыто, что алмазные покрытия могут быть нанесены непосредственно на соответствующую торцевую сторону на месте так называемым способом химического осаждения из паровой фазы (CVD) с раскаленного катода. Во время этого процесса базовое тело подвергается высоким тепловым напряжениям. Трехмерные тела, которые могут быть уплотнительными кольцами, изготовленными из керамических материалов, таких как SiC, и имеют тонкое покрытие из кристаллического алмаза, раскрыты в документе DE 19922665 А. В этом документе также приводится подробная информация о способе химического осаждения из паровой фазы и соответствующих параметрах процесса.

Общим для известных уплотнительных колец вышеуказанного типа является то, что алмазные покрытия фактически обладают естественной высокой устойчивостью против обусловленных нагревом напряжений и поэтому во время работы могут быть подвергнуты высоким температурам и резким и быстрым изменениям температуры, а также одновременно высоким механическим напряжениям без возникновения в алмазном покрытии внутренних разрывов или трещин. Однако на практике оказалось, что карбиды, и в частности SiC, из которых изготовлено базовое тело, гораздо более чувствительны к таким рабочим условиям. Поэтому в базовом теле под алмазном покрытием могут возникать трещины и разрывы, что не только в большей или меньшей степени разрушает внутренние связи в базовом теле, но и может создавать локальный разрыв между базовым телом и алмазным покрытием. Несмотря на то что в таком случае алмазные покрытия все еще остаются по существу неповрежденными, возникновение трещин или разрывов в базовом теле приводит к необходимости немедленной замены уплотнительных колец. В то же время эти компоненты обычно являются очень дорогими.

Исходя из проблем, связанных с известными покрытыми алмазным материалом базовыми телами, изготовленными из карбидов, целью изобретения является создание уплотнительного кольца обычного типа, которое характеризуется повышенной эксплуатационной надежностью при высоких температурах, особенно в случае быстрых изменений температуры и/или воздействия механических напряжений.

Эта задача решена с использованием отличительных признаков п.1 формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению, базовое тело, в противоположность известным узлам с уплотнительным кольцом, состоит из двухкомпонентного материала. Этот материал включает карбиды, например SiC или WC, возможно совместно с частицами Si или Ni, внедренными между отдельными зернами карбида, и части, состоящие из частиц, или гранулы из подходящего алмазного материала, распределенные в поперечном сечении базового тела. Предпочтительно, чтобы этот алмазный материал соответствовал материалу, образующему покрытие. Однако он может и отличаться от него при условии, что между алмазными материалами имеется физико-химическая структурная совместимость. Было обнаружено, что алмазные частицы или зерна предпочтительно должны составлять в базовом теле долю от 10 до 90 объемных %.

Предлагаемое в настоящем изобретении базовое тело обладает очень хорошими свойствами благодаря его значительно большей прочности к трещинам и разрывам при внутреннем напряжении, обусловленном тепловым или механическим напряжением. В частности, обнаружено, что связь между алмазным покрытием и базовым телом является намного более устойчивой, поскольку алмазное покрытие оказывается надежно зафиксировано на алмазных зернах базового тела. Кроме того, благодаря тому, что удельная теплопроводность алмазного материала значительно выше, чем удельная теплопроводность SiC или WC, увеличивается рассеяние тепла в окружающую среду, в результате чего зоны повышенного нагрева либо не возникают, либо способны исчезать за короткое время. Дополнительное преимущество базового тела, изготовленного из двухкомпонентного материала, заключается в повышенном сопротивлении к фрикционному износу тех поверхностных областей базового тела, которые не защищены от истирания алмазным покрытием.

Алмазные частицы в базовом теле предпочтительно должны иметь размер зерна в диапазоне от 0,01 до 1,0 мм, при этом более предпочтительный размер зерна составляет от 0,02 до 0,2 мм. В общем случае контуры алмазных частиц имеют неправильную пространственную форму. Поэтому термин "размер зерна" относится к размеру в том месте зерна неправильной формы, в котором диаметр зерна максимален. Распределение алмазных частиц в базовом теле может быть равномерным или, если желательно, неравномерным, например концентрация алмазных частиц в поперечном сечении может возрастать вблизи алмазного покрытия.

Как сказано выше, соотношение алмазного материала в двухкомпонентном материале предпочтительно должно лежать в диапазоне от 10 до 90 объемных %. Более предпочтительно этот диапазон составляет от 40 до 70 объемных %, а наиболее предпочтительно от 50 до 60 объемных %. Как уже говорилось выше, доля кремния в базовом теле может быть обусловлена, главным образом, присутствием SiC (карбида кремния), но может также включать SiC в комбинации с кремнием. В случае использования в качестве карбидного материала WC (карбида вольфрама), он может присутствовать в чистом виде, но может также и включать дополнительные фракции, например 6 объемных % добавленного никеля.

Предпочтительный способ изготовления двухкомпонентного базового тела согласно настоящему изобретению включает смешивание карбидного и алмазного материалов, которые представлены в виде частиц неправильной формы, с последующим формированием прочного соединения путем спекания. Соответствующие способы спекания известны и не требуют здесь подробного описания.

После формирования двухкомпонентного базового тела на него на месте может быть нанесено алмазное покрытие, что может быть сделано в соответствии с подходящим способом осаждения алмазов. Свободная поверхность алмазного покрытия обеспечивает создание скользящей или уплотнительной поверхности, обладающей высоким сопротивлением фрикционному износу и такими дополнительными качествами, как высокая тепловая, механическая и химическая прочность. Предпочтительно, используют так называемое химическое осаждение из паровой фазы (CVD) с раскаленного катода или способ плазменного химического осаждения из паровой фазы. Эти способы, включая все относящиеся к ним необходимые рабочие параметры и условия, известны специалистам и поэтому здесь подробно не описаны. Основные принципы способа химического осаждения из паровой фазы с раскаленного катода раскрыты, например, в работе Busmann, H-G., Hertef, I.V., Vapor Grown Polycrystalline Diamond Films, Carbon 36(4), 1998. Кроме того, подробное описание способа химического осаждения из паровой фазы с раскаленного катода содержится в DE 19922665, упомянутом выше. Что касается способа плазменного химического осаждения из паровой фазы, можно сослаться, например, на работу Jones, G.A., On the behavior of mechanical seal face materials in dry line contact, Wear 256 (3-4), 2004.

Уплотнительные кольца, выполненные согласно настоящему изобретению, предпочтительно используются в механических уплотнительных узлах, которые в процессе работы подвергаются воздействию высоких температур и давления. Предпочтительно, чтобы оба уплотнительных кольца во взаимодействующей паре были выполнены согласно изобретению, но таким может быть только одно из колец, в то время как другое может быть выполнено из другого подходящего материала. Общая структура механического уплотнительного узла известна специалистам и не требует здесь подробного пояснения.

Изобретение относится к контактному кольцу для осевого торцевого уплотнительного узла, включающему базовое тело, которое выполнено по меньшей мере из одного материала, содержащего карбидный материал, и покрытие, которое содержит алмазный материал, нанесено на базовое тело и образует поверхность скольжения. Базовое тело сформировано из двухкомпонентного материала, при этом по меньшей мере в один материал, содержащий карбидный материал, внедрены области из частиц такого алмазного материала, который совместим с алмазным материалом покрытия. Изобретение повышает надежность устройства. 5 з.п. ф-лы.

1. Уплотнительное кольцо для механического уплотнительного узла, содержащее базовое тело, выполненное из материала, включающего по меньшей мере один карбидный материал, и покрытие, нанесенное на базовое тело и обеспечивающее поверхность скольжения, причем указанное покрытие состоит из алмазного материала, отличающееся тем, что базовое тело выполнено из двухкомпонентного материала путем внедрения в материал, включающий по меньшей мере один карбидный материал, областей из частиц алмазного материала, совместимого с алмазным материалом покрытия.

2. Уплотнительное кольцо по п.1, отличающееся тем, что алмазные материалы покрытия и базового тела либо одинаковы, либо различны.

3. Уплотнительное кольцо по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанные области из частиц алмазного материала имеют размер зерна в диапазоне от 0,01 до 1,0 мм, предпочтительно от 0,02 до 0,2 мм.

4. Уплотнительное кольцо по п.1 или 2, отличающееся тем, что доля алмазного материала в двухкомпонентном материале составляет от 10 до 90 об.%, предпочтительно от 40 до 70 об.%, а наиболее предпочтительно от 50 до 60 об.%.

5. Уплотнительное кольцо по п.1 или 2, отличающееся тем, что базовое тело выполнено путем спекания частиц карбидного материала и алмазного материала.

6. Уплотнительное кольцо по п.1 или 2, отличающееся тем, что карбидный материал представляет собой SiC или WC.