專利名稱：：涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)及包含它們的流體機械的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及要求耐磨性及小摩擦系數(shù)的軸承或密封結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及適合用于如泵、渦輪或壓縮機等旋轉(zhuǎn)式機械、或如液壓缸等直線運動機械的軸承或密封結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還涉及包括該軸承或密封結(jié)構(gòu)的流體處理機械(例如泵、渦輪或壓縮^L等)。技術(shù)背景在用于如泵、渦輪機或壓縮機等的旋轉(zhuǎn)式機械或如流體壓力缸等直線運動機械的軸承或密封結(jié)構(gòu)中，可動件和固定軸承或密封件通常用如金屬、硬質(zhì)合金、聚合材料、陶瓷或上述材料的組合的材料制造；可動件用作(或連接到)轉(zhuǎn)動軸并與可動側(cè)相應(yīng)，固定軸承或密封件與可動件成對并與固定側(cè)相應(yīng)。近年來，為了保護(hù)環(huán)境，已在這些旋轉(zhuǎn)式機械或直線運動機械中采用了無油密封件和/或軸承。要求減小尺寸和增加旋轉(zhuǎn)式機械的速度及容量使得軸承和密封件的操作條件更為嚴(yán)格，因而軸承及密封件可經(jīng)受更高的速度及更重的負(fù)荷。另外，安裝在液氫泵或氫氣壓縮機中的軸承或密封件用在很低粘度的生產(chǎn)流體中，因此需要用具有耐磨性及低摩擦的可滑動材料制成。對于用于處理如空氣、氫氣或液態(tài)氫等的生產(chǎn)流體的旋轉(zhuǎn)式機械用的軸承或密封件的現(xiàn)有材料(例如硬質(zhì)合金和SiC)已指出有下面的問題固體間的滑動接觸造成熱沖擊破壞或熱疲勞開裂。為改善現(xiàn)有材料的摩擦特性，已試圖進(jìn)行如碳化處理或氮化處理之類的硬化處理或形成氮化物基或氧化物基的陶瓷涂層。但是就改性層的硬度、耐磨性、摩擦特性而言，這些表面處理并不能使滑動材料令人滿意。另一方面，已提出一種技術(shù)，該技術(shù)通過近年在要求有耐磨性的元件(如切削刀具)的表面上形成金剛石外皮來改進(jìn)耐磨性，例如示出在日本專利待審公開No.2002-142434。如果要求有耐磨性的元件是切削刀具，則通過把構(gòu)成金剛石外皮的金剛石晶體的尺寸減小到一定值或較小值，就消除了拋光金剛石外皮表面的需要。但是，如果金剛石外皮形成在軸承或密封件的表面上而使外皮表面用作可滑動表面，則該表面優(yōu)選進(jìn)行拋光以減小滑動阻力。但是，金剛石是最硬的材料，拋光金剛石外皮表面在經(jīng)濟上是不可行的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了解決上述問題而做出的。本發(fā)明的主要目的是提供具有減小的摩擦系數(shù)和改進(jìn)的耐磨性的軸承或密封結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一個目的是提供一種包括可動件和固定件的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中，相對的表面中的至少一個涂覆多晶金剛石以減小摩擦系數(shù)和改進(jìn)耐磨性。本發(fā)明的再一個目的是提供一種包括可動件和固定件的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中，相對的表面中的至少一個涂覆多晶金剛石，該結(jié)構(gòu)表面再涂以另一種材料以減小摩擦系數(shù)和改進(jìn)耐磨性。本發(fā)明的又一個目的是提供一種包括上述軸承或密封結(jié)構(gòu)的、如泵、渦輪或壓縮機之類的流體處理機械。本發(fā)明提供了一種具有可動件和固定件的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中所述可動件和固定件中的至少一個由熱膨脹系數(shù)至多為8xl(T卞C或更小的材料制成，并且，多晶金剛石涂在由所述材料制成的元件與另一元件相對的表面上。在本發(fā)明中，與涂覆有多晶金剛石元件不同的元件可以是SiC燒結(jié)件或涂覆SiC的元件，或可由碳化鎢、碳化鉻或碳化鈦等的硬質(zhì)合金制成，或可由入1203或Zr02等氧化物基燒結(jié)材料制成，或可以涂覆TiN等的氮化物基材料。在本發(fā)明中，在涂覆多晶金剛石的元件中，維氏硬度Hv為2000<Hv<8000的硬碳層涂覆在多晶金剛石上。在技術(shù)方案7中限定的本發(fā)明提供了一種供水裝置，其中裝有按照技術(shù)方案1-6中任一項的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。在技術(shù)方案8中限定的本發(fā)明提供了一種用于在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作的立軸泵裝置，其中安裝著按照技術(shù)方案1-6中任一項的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。在技術(shù)方案9中限定的本發(fā)明提供了一種壓縮機，其中安裝著按照技術(shù)方案1-6中任一項的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。在技術(shù)方案10中限定的本發(fā)明提供了具有可動件和固定件并用在凈水或超凈水中的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中多晶金剛石涂覆在形成所述可動件和固定件的材料的相對表面中的至少一個上。在技術(shù)方案10請求保護(hù)的本發(fā)明中，與涂覆多晶金剛石的元件不同的元件可以是SiC燒結(jié)件或涂覆SiC的元件；或由碳化鎢、碳化鉻或碳化鈦之類的硬質(zhì)合金制成；或由入1203或ZrOz之類的氧化物基燒結(jié)材料制成；或可以涂覆如TiN之類的氮化物基材料。在技術(shù)方案10請求保護(hù)的本發(fā)明中，在涂覆多晶金剛石的元件中，維氏硬度Hv為2000<Hv<8000的硬碳層涂覆在多晶金剛石上。本發(fā)明提供了下面的效果。1.可減小軸承或密封結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)并改進(jìn)耐磨性。2.延長了使用該軸承和/或密封結(jié)構(gòu)的流體機械的壽命。3.現(xiàn)有的材料組合在機器于空氣中致動或停止時會引起可滑動表面的損壞。但是，本發(fā)明提供了可在空氣中穩(wěn)定操作的軸承或密封件。4.提供了可用于具有極低粘度的氫氣或液態(tài)氫等的生產(chǎn)流體的軸承或密封件。圖l是示出按照本發(fā)明的軸承結(jié)構(gòu)的一個實施例的剖面圖；圖2是圖1中部分A的放大的剖面圖；圖3是示出按照本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)的一個實施例的剖面圖；圖4是圖3中部分B的放大的剖面圖；圖5是熱絲CVD裝置的概念圖；圖6是示出金剛石涂敷表面的掃描電子顯微鏡圖像的圖，其中圖6(a)示出按照表3-l中所示的具體實施例2的金剛石涂敷表面，圖6(b)示出按照表3-l中所示的具體實施例5的金剛石涂敷表面；圖7是示出在金剛石涂敷前后得到的觸針表面粗糙度(needlesurfaceroughness)測量的圖表，其中圖7(a)示出進(jìn)行金剛石涂敷(SiC)前的表面粗糙度，圖7(b)示出進(jìn)行金剛石涂敷后的表面粗糙度；圖8是示出按照表3-l的具體實施例1的金剛石涂層的喇曼光譜圖；圖9是示出X射線分析特性曲線的圖表，其中圖9(a)示出表3-1中具體實施例2的X射線分析特性曲線，而圖9(b)示出表3-l中具體實施例4的X射線分析特性曲線；圖IO是微波CVD裝置的概念圖；圖11是示出按照表3-l中具體實施例11的金剛石涂敷表面的掃描電子顯微鏡圖像的圖；圖12是示出按照表3-l中具體實施例11的金剛石涂敷表面的喇曼光譜圖；圖13是磨損試驗部分的概念圖；圖14是應(yīng)用了本發(fā)明的用于離心壓縮機的非接觸端表面密封裝置的剖面圖；圖15是示出包括止推軸承的筒裝的馬達(dá)泵的圖，其中，該止推軸承應(yīng)用了本發(fā)明；圖16是示出可應(yīng)用按照本發(fā)明的軸承結(jié)構(gòu)的、在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵的剖面圖；圖17是示出平行安排的用于在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵的多個立軸式泵的剖面圖；圖18是可應(yīng)用按照本發(fā)明的軸承和/或密封結(jié)構(gòu)的供水裝置的示意圖；圖19示出在凈水中涂覆金剛石的元件的摩擦和磨損特性。具體實施例方式下面參照本發(fā)明的實施例。圖1示出作為滑動軸承(或軸頸軸承)型的軸承結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的一個實施例。軸承結(jié)構(gòu)1包括用作可動件的轉(zhuǎn)動軸2或繞轉(zhuǎn)動軸2外周邊安裝的軸套3、和用作可轉(zhuǎn)動地支承轉(zhuǎn)動件的固定件的軸承件4。在說明書中，如果轉(zhuǎn)動軸2形成為整體件，則"可動件"相當(dāng)轉(zhuǎn)動軸，或者如圖所示若軸套繞著轉(zhuǎn)動軸2的外周邊安裝，則"可動件"相當(dāng)于軸套。作為可動件的軸套3本身和作為固定件的軸承件4中的至少一個(在本實施例中兩者都是)由低熱膨脹材料制成。按照本實施例，多晶金剛石的外皮7形成在軸套3面向軸承件4的表面(軸頸表面)5上和軸承件4面向軸套的表面6上，如圖2所示。上面和下面說明的金剛石外皮7通過用已知的化學(xué)沉積法沉積多晶金剛石而形成。低熱膨脹材料具有小于等于10x1(TV。C且大于等于0.5xl(rVC的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)選地為小于等于8xl(T""C，更優(yōu)選地為小于等于8xlO勺。C且大于等于lxl(T6/。C。如此形成的金剛石外皮7的表面構(gòu)成轉(zhuǎn)動件和固定件可相互滑動接觸的可滑動表面。在上述實施例中，雖然金剛石外皮形成在軸套件和軸承件兩者的相對表面上，但也可僅形成兩表面中的一個上。微波等離子體CVD法、高頻等離子體、DC放電等離子體法、電弧放電等離子體噴射法和燃燒火焰法。用于該氣相合成方法的材料是包含混有一定百分比的如甲烷、乙醇、乙炔等烴類的氫氣的混合氣體。根據(jù)生產(chǎn)工藝，氫氣可與一氧化碳、二氧化碳等混合，或可將少量的其它氣體加入到氫氣中。對于這些混合氣體來說，下面是常見的材料氣體主要包括氫氣，并轉(zhuǎn)化成等離子體或由熱激發(fā)而活化。該活化的氫氣很好地腐蝕非金剛石碳，但基本不腐蝕金剛石。上面的氣相合成方法通過合適地使用該選擇的腐蝕作用來抑制基體材料上非金剛石成分的增長而僅沉積金剛石，從而形成金剛石薄膜。上述方法是已知的，省略了對方法細(xì)節(jié)的說明。如果外皮要形成在柱形軸承件4(這可以是類似形狀的密封件)的內(nèi)周表面上，則可適用熱絲CVD法，這是因為其具有較高的目標(biāo)形狀自由度。多個絲以相等的間隔加到柱體里面，并且金剛石形成在內(nèi)表面。為了在軸套3的外周邊形成外皮(如果軸與軸套3成整體，則外皮形成在軸的外周邊上)，可以使用熱絲CVD法把多個絲以等間隔加到基體的外面，并把金剛石沉積在目標(biāo)基體材料的表面上。當(dāng)通過熱絲CVD法把金剛石涂在用作可動件的軸套3的相對表面5上及用作固定件的軸承件4(或密封件)的相對表面6上、以使得這兩表面構(gòu)成可滑動表面時，最終的結(jié)構(gòu)具有如下說明的小摩擦系數(shù)和高耐磨性。這使得可能提供摩擦特性好的密封件或軸承件。在包括用作可動件的軸套3和用作固定件的軸承件4(或密封件)的組合的軸承結(jié)構(gòu)(或密封結(jié)構(gòu))中，在軸套和軸承件(密封件)的可滑動表面上發(fā)生固體間的滑動接觸。因此，表面上的凹部和凸部增加了接觸阻力。因此，希望減小可滑動表面的表面粗糙度。一般，在涂覆金剛石之前，優(yōu)選地磨光或拋光基體材料的表面，使得其表面粗糙度Ra為0.3nm或更小。另一方面，由化學(xué)沉積法形成的多晶金剛石涂覆表面的表面粗糙度取決于晶粒尺寸、膜厚、晶體取向等。通過集中的研究，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，為了減小摩擦系數(shù)以改進(jìn)耐磨性，可滑動表面的平均表面粗糙度優(yōu)選地設(shè)成0.3nm或更小，更優(yōu)選地為O.lnm或更小。用于使得金剛石涂覆表面的平均表面粗糙度在0.3pm或更小的手段如下1.金剛石晶體優(yōu)選地具有最多為5pm的平均晶粒尺寸，更優(yōu)選地為O.l拜。2.金剛石優(yōu)選地具有至多為10|um、更優(yōu)選地為5|um的膜厚。3.對于金剛石晶粒，1(100)個面是高度地定向的。使用熱絲CVD法，在成膜過程中，基體的溫度在800-1000。C之間。因此，基體材料的實例包括如硅、氮化硅、氧化鋁和碳化硅之類的無機材料以及如鉬和鉑等的高熔點金屬。另外，由于在成膜時基體是熱的，因此，當(dāng)在基體材料和金剛石薄膜之間的熱膨脹系數(shù)有大的差別時，傾向出現(xiàn)明顯的變形。當(dāng)將具有與金剛石的熱膨脹系數(shù)類似的熱膨脹系數(shù)的材料用作基體材料時，變形量及泄漏小，從而獲得優(yōu)異的密封效果及高耐磨性。由于金剛石的熱膨脹系數(shù)為i.ixio-6/x:，故基體材料希望有8xio-Vc或更小的熱膨脹系數(shù)。材料不局限于如SiC和Si3N4之類的陶瓷，也可以是金屬，只要其熱膨脹系數(shù)為8xl(T6/'C或更小即可。要求盡可能減小金剛石涂覆表面的表面粗糙度。為得到光滑的表面，在生成金剛石涂敷的表面后，必須對其進(jìn)行拋光。拋光由超硬材料形成的金剛石涂覆表面是要求高成本且不實際的。按照本發(fā)明，硬碳膜形成在金剛石涂層上，因此便于基于用金剛石磨粒拋光進(jìn)行的后處理?；蛘?，通過兩個涂層表面相互相對研磨可移去細(xì)小的凹部及凸部。移去細(xì)小的凹部及凸部明顯地減小了研磨表面的摩擦阻力，使得可得到理想的光滑表面。硬碳膜意味著通過混合由比金剛石軟的非金剛石成分、或類金剛石碳(下面簡稱"DLC")、或類石墨碳構(gòu)成的碳而得到的薄膜。硬碳膜可由熱絲CVD法、等離子體CVD法或多弧離子鍍法制成。熱絲法可通過增加甲烷濃度來使得非金剛石成分的硬碳膜容易地形成。本發(fā)明的另一實施例示出如圖3所示的機械密封型的密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)10包括用作可動件的環(huán)形可動密封件13和用作固定件的環(huán)形固定密封件14。該環(huán)形可動密封件13繞安裝在轉(zhuǎn)動軸11外面的軸套12的外周邊設(shè)置?？蓜蛹凸潭械闹辽僖粋€(在本實施例中為兩者)由上述實施例那樣的低熱膨脹材料制成。該低熱膨脹材料的熱膨脹系數(shù)不大于10xl(rVr且不小于0.5x1(TV"C，優(yōu)選地為不大于8xl0V"C，更優(yōu)選地為不大于8xlO-6/'C且不小于lxlO力"C。硬碳材料(維氏硬度Hv為2000<Hv<6000)的外皮18可有選擇地形成在如上所述形成在可動密封件的相對表面(或密封表面)15上的多晶金剛石外皮17和如上所述形成在固定密封件14的相對表面16上的多晶金剛石外皮17中的一個表面上(在本實施例中，形成在固定密封件的金剛石涂覆表面上)。在本實施例中，硬碳材料的外皮表面和滑動接觸的可滑動表面。硬碳外皮6的厚度優(yōu)選地為0.5-20[im，更優(yōu)選地為0.5-5pm。這是因為如果外皮厚度小于0.5pm則不能達(dá)到理想的高耐磨性，并且如果外皮厚度大于5pm，則成膜方法增加硬碳膜本身的內(nèi)應(yīng)力值，可能使薄膜從基體移去。為了得到光滑的表面，在金剛石涂層形成后，必須拋光該涂層表面。拋光金剛石涂敷表面、超硬的材料，要求高成本且是不實際的。按照本發(fā)明，硬碳材料的外皮18形成在多晶金剛石外皮17的表面上，使得外皮18的表面構(gòu)成可滑動表面。這便于基于用金剛石磨粒拋光的后處理。用于合成類金剛石碳或類石墨碳的方法的實例包括熱絲CVD法、微波等離子體CVD法、高頻等離子體法、DC放電等離子體法、使用電弧的離子鍍法、濺射沉積法和離子沉積法。碳化合物用作化學(xué)沉積法用的材料。材料的實例包括飽和烴，如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等；不飽和烴，如乙烯、丙烯、乙炔和丁二烯等；和芳香烴，如苯和甲苯等。碳目標(biāo)基體用于物理沉積法，如使用電弧的離子鍍法和濺射沉積法。上述方法是已知的，不再詳細(xì)說明。DLC薄膜是含有類似金剛石鍵的鍵(sp3)的無定形碳薄膜。DLC薄膜一般很硬且滑動性優(yōu)異。期望DLC薄膜可用到多種產(chǎn)品，包括重負(fù)栽可滑動件(如軸承和密封等)以及輕負(fù)載滑動件(如用于磁記錄介質(zhì)的保護(hù)膜等)。稱為DLC薄膜的無定形碳膜顯示多種特性，如不同的sp3鍵合率。依據(jù)制造方法和成膜條件來改變得到的DLC薄膜。不利地，現(xiàn)有的DLC單層薄膜不會顯示有與移去薄膜本身等有關(guān)的足夠的性能。通過形成緊緊地粘到基體的多晶金剛石薄膜并隨后形成DLC薄膜，本發(fā)明可提供具有高耐磨性和高滑動性的可滑動材料。硬碳材料外皮當(dāng)然可以形成在圖1所示的軸承結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜的表面上。另外，當(dāng)然硬碳材料外皮可有選擇地形成在以前說明的圖3的密封裝置中。在另一實施例中，雖然沒有在圖中示出，但與上述實施例同樣的低熱膨脹材料用于制造用作可動件的軸套或可動密封件(例如軸套或可動密封件)和用作固定件的軸承件(或固定密封件)，這兩元件示出在上述實施例中，并且多晶金剛石外皮如上所述形成在軸套或可動密封件的相對表面(軸頸或密封表面)上。另一方面，SiC燒結(jié)材料或其它材料(例如低熱膨脹材料)可以用來制造用作可動件的軸套或可動密封件和用作固定件的軸承件(或固定密封件)中的另一個，并且，軸承件的相對表面上可以涂敷SiC燒結(jié)材料。在本實施例中，金剛石外皮和SiC燒結(jié)材料的表面構(gòu)成轉(zhuǎn)動件和固定件相互滑動接觸的可滑動表面。在本發(fā)明的另一實施例中，用作固定件并且其上未形成金剛石外皮的軸承件(或固定密封件；如果金剛石外皮不形成在用作可動件的軸套或可動密封環(huán)上則是軸套或可動密封環(huán))可由硬質(zhì)合金件(如碳化鴒、碳化鉻或碳化鈦)、眾1203燒結(jié)件或TiN材料制成?；蛘撸S承件可由其它材料制成，而相對表面涂有基于碳化鎢、碳化鉻、碳化鈦等的硬質(zhì)合金件、入1203燒結(jié)件或TiN材料。<實例1>圖5示出用熱絲CVD法如何形成金剛石涂覆層的概念圖。形成有多晶金剛石涂覆層的基體材料環(huán)22固定地放在Mo制的試樣保持器21上。絲23放置成與基體材料環(huán)(下面簡稱為基體材料)22相對。構(gòu)成材料的甲烷(CH4)和氫氣(H2)的混合氣體被引導(dǎo)至絲23和基體材料22。絲加熱并分解混合氣體以使金剛石沉積在基體材料上。燒結(jié)SiC用作基體材料22并成形為預(yù)定的環(huán)。要形成料層的表面被磨光使得表面粗糙度Rmax=0.1|am或更小。在進(jìn)行成膜試驗前，試樣的涂層表面用金剛石粉刮擦以增加金剛石生核密度。在表1-1所示的條件下，多晶金剛石涂層形成在基體材料22刮擦過的表面上。一根小0.5mm的Ta線用作絲。絲的溫度用輻射溫度計測量并用電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。成膜試驗進(jìn)行到金剛石目標(biāo)涂層的厚度成為約l-10nm為止。表l-l合成金剛石涂層的條件__反應(yīng)氣流100-200sccm<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>掃描電子顯微鏡(SEM)、喇曼光譜和X射線分析用來評價形成在基體22(材料燒結(jié)SiC)的端表面上的多晶金剛石涂層。表1-2示出基于熱絲CVD法的成膜條件和評價。圖6示出使用SEM觀察的金剛石外皮表面。圖7示出使用觸針表面粗糙度試驗器對金剛石涂覆表面的測量。圖8和圖9分別示出基于喇曼光譜及X射線分析的評價。圖8示出金剛石的靠近1333cm"的特征峰。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>1.表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)平均表面粗糙度Ra評價Ra<l|am〇0.3(im<Ra<l|im◎<實例2>圖10示出如何由微波等離子體CVD法形成金剛石涂層的概念圖。為了增加顯示金剛石晶粒生長的生核密度，SiC表面使用金剛石粉刮擦。使用混合到乙醇的金剛石顆粒用超聲使表面形成傷痕。CH4和H2的混合氣體用作材料氣體。表2-l示出合成金剛石的條件。表2-l合成金剛石涂層的條件<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>在基體材料(基體材料環(huán))22上合成的多晶金剛石涂層用掃描電子顯微鏡(SEM)、喇曼光鐠、X射線分析和觸針表面粗糙度試驗器進(jìn)行評價。表2-2示出成膜條件和金剛石涂層的評價。圖ll示出用SEM觀察的金剛石涂覆表面。喇曼光譜(顯微喇曼法；點直徑1pm)用來對涉及沒有結(jié)晶性的石墨或無定形碳之類的金剛石組分的混合物作定性評價。圖12示出喇曼光譜。圖12示出金剛石的靠近1333cnT1的特征峰。雖然觀察到起因于無定形碳和石墨的小峰靠近1500cnr1,但確認(rèn)到產(chǎn)生了較高質(zhì)量的金剛石。表2-2基于微波CVD法的成膜條件和金剛石涂層的評價<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><實例3>現(xiàn)在說明本發(fā)明的一個具體實施例。如前述那樣，軸承結(jié)構(gòu)(或密封結(jié)構(gòu))包括構(gòu)成轉(zhuǎn)動側(cè)的可動件(在圖l-4所示的實例中為轉(zhuǎn)動軸、軸套或可動密封件)和構(gòu)成固定側(cè)的固定件(在圖1-4所示的實例中為軸承件或固定密封件)。在本發(fā)明的一個具體實施例中，使用表3-1所示的材料組合構(gòu)造了軸承(或密封)結(jié)構(gòu)，用于轉(zhuǎn)動件和固定件。表3-2示出使用表3-l示出的材料組合、在表3-3的試驗條件下進(jìn)行的摩擦試驗的結(jié)果。為了考察組合材料的摩擦和磨損特性，軸承(密封)結(jié)構(gòu)一般不是圖l-4所示的結(jié)構(gòu)而是圖13所示的結(jié)構(gòu)，以便使之適于試驗器。在上述結(jié)構(gòu)中，具有形成在表面上的多晶金剛石薄膜37的基體材料33固定到轉(zhuǎn)動軸32的前端?；w材料33繞轉(zhuǎn)動軸32轉(zhuǎn)動。其上形成有多晶金剛石薄膜37的固定環(huán)34放置成與其上形成有多晶金剛石薄膜37的基體材料33的表面相對。基體材料33形成環(huán)狀，其外徑為10-50mm。固定環(huán)34形成環(huán)狀，其外徑為12-60mm。如上述結(jié)構(gòu)的摩擦和磨損試驗器用來在室溫下、在空氣中進(jìn)行試驗。加在形成有金剛石外皮37的基體材料33的表面上的壓強控制在O.l-l.OMPa。圓周速度控制在從0.2m/s起。運動距離控制在1000-5000m。在這些條件下考察摩擦系數(shù)。按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有比涉及現(xiàn)有技術(shù)的比較實例1小的摩擦系數(shù)。因此，按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有技術(shù)受到更小的強摩擦。表3-1組合材料<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>腳注:DLC:由等離子體CVD法制造的類金剛石碳膜DC:由熱絲CVD法制造的多晶金剛石薄膜DC復(fù)合材料由熱絲CVD法制造的金剛石和非金剛石的混合物DLC/DC涂覆材料形成在多晶金剛石薄膜上的類金剛石碳膜表3-2組合材料的摩擦和磨損特性<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>1.摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>0.1<)i<0.2o|Li<0.1◎2.耐磨性的標(biāo)準(zhǔn)<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>◎表3-3摩擦條件滑動環(huán)境接觸壓強圓周速度_運動距離摩擦系數(shù)l^3ST/2nW(R,3-R23)S:滑動面積；T:力矩；W:加壓負(fù)栽R1:滑動部分的外半徑；R2:滑動部分的內(nèi)半徑<實例4>下面說明一個具體的實例，其中本發(fā)明應(yīng)用到離心壓縮機的干氣密封，該壓縮機在特定的壓強下把如空氣之類的氣體供到所需端。使用多級離心壓縮機作為提供預(yù)定壓強和預(yù)定供應(yīng)流速的吹風(fēng)機，其中疊置兩個或更多的所謂徑向葉輪；徑向葉輪把動能提供給流體，流體隨后被下游擴散器壓縮。圖14是示出在離心壓縮機中干氣密封的結(jié)構(gòu)的實例的圖。在圖中，軸向軸套41設(shè)置在收容于密封殼體中的轉(zhuǎn)動軸42上。軸向軸套41通過鍵41a、41a保持轉(zhuǎn)動環(huán)43、43(配合環(huán))。被固定的環(huán)或固定環(huán)44設(shè)成與各轉(zhuǎn)動環(huán)43相對。SiC燒結(jié)材料用作轉(zhuǎn)動環(huán)43的基體材料。薄的金剛石薄膜由上述熱絲CVD法形成在基體材料的表面(與固定環(huán)相對)上。當(dāng)轉(zhuǎn)動環(huán)與固定環(huán)開始滑動接觸時，金剛石外皮的表面構(gòu)成可滑動表面。雖然圖中未示出，螺旋槽可設(shè)在轉(zhuǎn)動環(huán)43的可滑動表面中以便從高壓側(cè)H延伸到低壓側(cè)L?？諝庵蠴.l墨l纖Pa0.2m/s1000-5000m各固定環(huán)44通過銷44a與密封環(huán)保持架44b連接。密封環(huán)保持架44b由密封殼體保持著，并經(jīng)由設(shè)在密封殼體和密封環(huán)保持架44b之間的彈簧49朝向轉(zhuǎn)動環(huán)被施壓。這也使固定環(huán)44被壓向轉(zhuǎn)動環(huán)43。在如上構(gòu)造的非接觸端表面密封中，轉(zhuǎn)動軸42的轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)動環(huán)43和固定環(huán)44之間相對運動。這造成高壓側(cè)H上的流體被捕集在設(shè)在轉(zhuǎn)動環(huán)43中的螺旋槽中，從而在密封表面上形成流體薄膜。流體薄膜把密封表面帶到非接觸狀態(tài)以在轉(zhuǎn)動環(huán)43和固定環(huán)44的密封表面之間形成小間隙。在通常的操作模式中，也就是，當(dāng)密封環(huán)的外周邊速度為2.4m/s或更高時，在密封端表面施加動壓以把干氣密封帶到非接觸狀態(tài)。另一方面，在壓縮機起動后和在正常操作模式前的期間、以及在正常操作模式起動后和壓縮機停止前的期間，轉(zhuǎn)動密封環(huán)和固定密封環(huán)處在固體間的接觸。因此，可滑動件要求具有增加的耐磨性和減小的摩擦的材料組合。按照本發(fā)明，薄的金剛石薄膜形成在由低熱膨脹材料組成的可動件和固定件的可滑動表面上。這些薄的金剛石薄膜的組合使得可能提供具有減小的變形量和漏泄量、優(yōu)異的密封能力、減小的摩擦系數(shù)和高耐磨性的密封件。因此本發(fā)明適合用于如在生產(chǎn)氣體中操作的壓縮機之類的旋轉(zhuǎn)式機械的干氣密封。<實例5>下面說明一個實例，其中本發(fā)明應(yīng)用到磁力泵中的止推軸承。圖15示出泵結(jié)構(gòu)的圖。在圖中，附圖標(biāo)記50表示構(gòu)成止推軸承的固定件54固定于其上的隔板?？蓜蛹?3設(shè)成與固定件54相對；可動件53固定到葉輪51上并構(gòu)成止推軸承。永久磁鐵56經(jīng)由隔板50與永久磁鐵57相對，永久磁鐵56固定到磁性聯(lián)接器，而永久磁鐵57固定到葉輪51。磁性聯(lián)接器55的轉(zhuǎn)動利用作用在永久磁鐵56和57之間磁吸引或排斥力把轉(zhuǎn)動力傳到葉輪51。因此，葉輪57以其止推方向被止推軸承支承的方式轉(zhuǎn)動。使用熱絲CVD法在構(gòu)成止推軸承的可動件53和固定件54的可滑動表面上形成薄金剛石薄膜。該止推軸承的結(jié)構(gòu)提供了具有優(yōu)異的摩擦特性的止推軸承，也就是具有小的摩擦系數(shù)和低的特定碳磨損。雖然圖中未示出，具有類似特性的徑向軸承可通過在徑向軸承的可動件和固定件的滑動表面上形成薄的金剛石薄膜而構(gòu)成。在上述實施例中，SiC燒結(jié)材料用作基體材料。但是，本發(fā)明并不限于此，使用金屬材料、硬質(zhì)合金或其它陶瓷也可以發(fā)揮同樣的效果，只要這些材料具有小的熱膨脹系數(shù)。在本實例中，本發(fā)明應(yīng)用到作為供水泵的一個實例的磁力泵中的止推軸承和徑向軸承。但是，本發(fā)明不限于此實例，即使本發(fā)明應(yīng)用到供水泵中的機械密封件，通過采用類似上述止推軸承用的材料的組合材料也可以發(fā)揮同樣的效果。在現(xiàn)有技術(shù)中，用于泵的軸承或密封件包括SiC燒結(jié)材料的組合、SiC燒結(jié)材料和硬質(zhì)合金的組合或類似的組合。但是，若空氣被捕獲在可滑動部分中，則會增加摩擦系數(shù)而顯著損壞可滑動表面。本發(fā)明可提供即使在水中或即使空氣被捕獲在可滑動部分中也能顯示改善的耐磨性及減小的摩擦的組合材料。如果現(xiàn)有的組合材料(SiC燒結(jié)材料對SiC燒結(jié)材料)用于用在比電阻10MQcm的泵的軸承或密封件，該泵用于處理已從其中最大地移去如顆粒、細(xì)菌、發(fā)熱物質(zhì)和溶解氧等雜質(zhì)的超凈水，那么可滑動表面會在短時間中明顯地?fù)p壞。雖然損壞的機理還未知，但是即使用于自來水的、顯示高滑動性的SiC燒結(jié)材料也不能用于超凈水。本發(fā)明將金剛石薄膜(最硬的和化學(xué)穩(wěn)定材料)用于軸承或密封結(jié)構(gòu)，使它可在凈水或超凈水中顯示優(yōu)異的摩擦特性，這可以在進(jìn)一步的實施例的說明中清楚。<實例6>下面說明一個實例，其中本發(fā)明應(yīng)用到立軸泵的徑向軸承中用于在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作。在城市中，建筑物林立并且?guī)缀跛械牡缆范间伾下访妗Ｒ虼?，大雨將引起雨水沖進(jìn)排水泵的場地而沒有滲進(jìn)地里。另一方面，在起動排水泵后，要在排水泵場地花費很長的時間完成排水泵的操作。因此，在排水泵場地的抽吸水平已升高到足夠的程度后，即使起動排水泵，排水也不及時地開始。因此，在開始降雨的同時，排水泵場地的排水泵在空氣中起動，由此進(jìn)行在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作以等待水流到場地。因此，在起動后且在水開始流入抽吸槽而開始實際的排水之前，泵執(zhí)行空氣中的干操作。圖16是示出這種現(xiàn)有的在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作泵的示意剖面圖。如圖所示，在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作泵IOO包括噴射缸81、裝有葉輪87的葉輪缸82、抽吸喇叭口84、彎曲的噴射缸85和軸86,噴射缸81、葉輪缸82和抽吸喇叭口84連接到懸伸的缸80的底部側(cè)，彎曲的噴射缸85連接到懸伸的缸80的頂部，軸86i殳在泵殼的里面并從噴射缸85的頂部突出，軸86與驅(qū)動裝置(圖中未示出)連接。導(dǎo)向葉片88固定到噴射缸81中。缸89設(shè)在導(dǎo)向葉片88的中部。軸86的軸承(下軸承)91設(shè)在缸89中。該軸承是水潤滑的徑向軸承。另一方面，軸密封部分95設(shè)成繞著從噴射缸85突出的軸86的一部分，以防止內(nèi)部的泵送水泄漏。軸86的軸承(上軸承)97設(shè)成高于軸密封部分。該軸承是油潤滑的徑向止推軸承。通孔98設(shè)在抽吸喇叭口84的位于靠近葉輪進(jìn)口的位置處。向上折的抽吸管99連接到通孔98。當(dāng)泵的操作使液面降到基于抽吸喇叭口直徑的最小值時，通過抽吸管抽吸空氣。使用在空氣、水、空氣與水相混合狀態(tài)下操作的如在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵等的旋轉(zhuǎn)式機械，在干操作(在先操作)時，沒有水用于水潤滑；水用來潤滑或冷卻軸承(下軸承)91。這會引起摩擦并產(chǎn)生熱而造成損壞。為了解決這一問題，本發(fā)明使用涂覆金剛石的徑向軸承作為在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵中的軸承中的一個，在該泵中，用于轉(zhuǎn)動驅(qū)動設(shè)在泵殼中的葉輪的軸的軸承設(shè)在泵殼的頂部和內(nèi)部。按照本發(fā)明，金剛石薄膜設(shè)在由低熱膨脹材料構(gòu)成的可動件和固定件的滑動表面上。這些薄金剛石薄膜的組合使得可以提供具有減小的變形量和泄漏量、優(yōu)異的密封性、減小的摩擦系數(shù)和高耐磨性的密封件或軸承。本發(fā)明因此適合于用于空氣及水中操作的在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵等的旋轉(zhuǎn)式機械。如果使用如上述實例中所示的一個在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵，則如圖17所示平行地安排多個(例如在實施例中，如圖17所示為三個)這種泵100a、100b和100c，而不是僅僅一個。多個立軸泵中的至少一個中的葉輪具有與其它的立軸泵的葉輪不同的高度位置(所有泵中的葉輪可有不同的位置)。這允許泵順序地抽水以便當(dāng)液面提高時增加葉輪的高度使得具有最高的葉輪的泵最后開始排水。這使得可以抑制由于迅速開始排水會在抽吸槽中產(chǎn)生的喘振現(xiàn)象，并可防止電力供應(yīng)設(shè)備上的負(fù)載的迅速變化。相反地，在隨著排水的進(jìn)行而使液面減低的情況下，可防止迅速地停止排水。圖18示意地示出應(yīng)用本發(fā)明的軸承和/或密封結(jié)構(gòu)的供水裝置的實例。供水裝置基于壓力槽系統(tǒng)，并包括接收槽、泵(儲存泵)、壓力槽和將它們連接起來的管等，這些在圖中均未示出，此外，還有圖中未示出的提升管、高位槽、泵單元、供水管等。按照泵的目的來選擇合適的泵作為供水泵。通過應(yīng)用本發(fā)明的軸承或密封結(jié)構(gòu)可提高效率。<實例7>下面說明本發(fā)明的其它實施例。如在前面說明的實施例那樣，軸承結(jié)構(gòu)(或密封結(jié)構(gòu))包括構(gòu)成轉(zhuǎn)動側(cè)的可動件(在圖l-4所示的實例中為轉(zhuǎn)動軸、軸套或可動密封件)和構(gòu)成固定側(cè)的固定件(在圖1-4所示的實例中為軸承件或固定密封件)。在該實施例中，軸承結(jié)構(gòu)(或密封結(jié)構(gòu))在水中或超凈水中使用?？蓜蛹凸潭母髯缘幕w部分借助例如燒結(jié)工藝由SiC制成。固定件和可動件各自的基體部分的相對表面(可動件面向固定件的表面以及固定件面向可動件的表面)涂覆多晶金剛石。設(shè)定金剛石涂覆表面的平均表面粗糙度的條件和裝置與前面的實施例相同。多晶金剛石薄膜的厚度也可以與前面的實施例相同。形成軸承和密封件的材料可以是氧化物基、碳化物基或氮化物基的陶瓷。為了考察如上所述構(gòu)造的軸承或密封結(jié)構(gòu)的摩擦和磨損特性，使用相應(yīng)第三實施例的、如圖13所示的摩擦和磨損試驗器，在室溫下、在凈水中(比電阻1.5MQ.cm)進(jìn)行試驗。在多晶(CVD)金剛石涂覆的SiC元件的接觸表面的接觸表面壓強是3MPa、圓周速度為0.5m/s和試驗時間為60分的條件下考察了摩擦系數(shù)。試驗結(jié)果在圖19中示出。在本申請中，"凈水"被定義為具有比電阻大于等于1.0MQcm且小于10MQcm的水，"超凈水"被定義為比電阻大于等于10MQ.cm的水。從圖19的說明中明白，雖然在接觸表面壓強為實際使用的軸承結(jié)構(gòu)的三倍多的條件下進(jìn)行試驗，但按照本發(fā)明該實施例的軸承或密封結(jié)構(gòu)具有摩擦系數(shù)4=0.03的可接受的低摩擦特性。我們發(fā)現(xiàn)按照本發(fā)明的軸承或密封結(jié)構(gòu)通過涂敷CVD金剛石涂層而具有低摩擦系數(shù)和改進(jìn)的優(yōu)異耐磨性(按照表3-2腳注所示的判斷標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)最大損壞深度h<l|im(◎)(雙環(huán))，磨損值為0,5mm3/NmxlO-6或更小)?？烧J(rèn)為按照本發(fā)明的軸承或密封結(jié)構(gòu)提高了用于超凈水中的優(yōu)異摩擦和耐磨特性。雖然試驗時間短，例如60分鐘，但在轉(zhuǎn)動環(huán)和固定環(huán)的多晶金剛石薄膜相互穩(wěn)定地接觸的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動環(huán)相對固定環(huán)轉(zhuǎn)動。另一方面，在實際使用的軸承中，由于產(chǎn)生動壓差而在軸承件的多晶金剛石薄膜的表面之間生成流體薄膜，從而導(dǎo)致這兩表面在操作中相互不接觸。它們相互短時間接觸，如在操作的開始和終了時為小于幾分鐘。而且，操作的起動和停止不是頻繁地實現(xiàn)。因此，可以說由60分的短的試驗時間得到的結(jié)果可應(yīng)用到實際使用的軸承或密封結(jié)構(gòu)。按照本發(fā)明的軸承和密封結(jié)構(gòu)可用于如泵、渦輪和壓縮機之類的旋轉(zhuǎn)式機械。權(quán)利要求1.一種具有可動件和固定件的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中所述可動件和固定件中的至少一個由熱膨脹系數(shù)小于等于8×10-6/℃的材料制成，并且，多晶金剛石涂在由所述材料制成的元件與另一元件相對的表面上。2.按照權(quán)利要求1所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，與上述涂覆多晶金剛石的元件不同的元件是SiC燒結(jié)件或SiC涂覆件。3.按照權(quán)利要求1所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，與上述涂覆多晶金剛石的元件不同的元件由碳化鎢、碳化鉻或碳化鈦等的硬質(zhì)合金制成。4.按照權(quán)利要求1所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，與上述涂覆多晶金剛石的元件不同的元件由八1203或ZK)2等的氧化物基燒結(jié)材料制成。5.按照權(quán)利要求1所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，與上述涂覆多晶金剛石的元件不同的元件涂覆有TiN等的氮化物基材料。6.按照權(quán)利要求1-5中任一項所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，對涂覆有多晶金剛石的元件，維氏硬度Hv為2000<Hv<8000的硬碳層涂覆在該多晶金剛石上。7.—種供水裝置，其中裝有按照權(quán)利要求1-6中任一項所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。8.—種在先運轉(zhuǎn)預(yù)備操作立軸泵，其中裝有按照權(quán)利要求l-6中任一項所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。9.一種壓縮機，其中裝有按照權(quán)利要求1-6中任一項所述的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)。10.—種具有可動件和固定件并用于凈水或超凈水中的涂覆金剛石的軸承或密封結(jié)構(gòu)，其中多晶金剛石涂覆在形成所述固定件和可動件的材料的相對表面中的至少一個上。全文摘要本發(fā)明提供一種具有可動件和固定件的軸承或密封結(jié)構(gòu)(1或10)。在軸承或密封結(jié)構(gòu)中，所述可動件(2或13)和固定件(4或14)中的至少一個由熱膨脹系數(shù)小于等于8×10^-6/℃的材料制成。多晶金剛石涂在由所述材料制成的元件與另一元件相對的表面上。文檔編號F04D29/10GK101133184SQ20068000669公開日2008年2月27日申請日期2006年3月1日優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日發(fā)明者小川俊之,杉山憲一,長坂浩志申請人:株式會社荏原制作所