金剛石涂層機械密封環(huán)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石涂層機械密封環(huán)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機械端面密封是一種應(yīng)用廣泛的旋轉(zhuǎn)軸動密封，簡稱機械密封，又稱端面密封。近 十年來，機械密封技術(shù)有了很大的發(fā)展，在石油、化工、輕工、冶金、機械、航空和原子能等工 業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。據(jù)我國當代石化行業(yè)統(tǒng)計，80%~90%的離心栗采用機械密封。工 業(yè)發(fā)達國家里，在旋轉(zhuǎn)機械的密封裝置中，機械密封的用量占全部密封使用量的90%以上。 特別是近年來機械密封發(fā)展很快，已成為流體密封技術(shù)中極其重要的動密封形式。
[0003] 機械密封裝置中靜、動密封環(huán)依靠彈簧張力緊密貼合，兩個零件的接觸面為密封 的關(guān)鍵部位，直接決定整個機栗的使用性能。動、靜密封環(huán)接觸面在長時間的高速、高壓強 和惡劣介質(zhì)環(huán)境中對磨時，極易遭受快速的磨損失效。采用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金或碳化硅/氮化硅 陶瓷材料制造的機械密封環(huán)在許多惡劣工況環(huán)境中的耐磨損性能都難以達到長期穩(wěn)定的 使用要求，使用壽命較短，嚴重影響機栗設(shè)備的正常運行和提升設(shè)備運營成本。因此，綜合 考慮制造成本和使用壽命性價比，應(yīng)在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上采用硬度、耐磨性更高的超硬涂層 材料。
[0004] 化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)金剛石薄膜具有硬度高（9000 ~10000HV)、摩擦系數(shù)低、耐磨性強、表面化學(xué)惰性高，以及與許多工程材料間的弱粘附強 度等優(yōu)異的機械及摩擦學(xué)性能。以1975年前蘇聯(lián)的Der jaguin和Fedoseev提出在硬質(zhì)基體 上采用CVD法沉積金剛石的設(shè)想、1982年日本的Matsumoto、Setaka等學(xué)者采用HFCVD法成功 沉積金剛石薄膜為開端，近三十年來世界各地的研究者掀起了金剛石薄膜沉積原理及其應(yīng) 用研究的熱潮。由于熱絲化學(xué)氣相沉積(Hot Filament CVD，HFCVD)法制備金剛石薄膜具有 設(shè)備簡單易控、沉積效率高、沉積面積大、加工成本低、基體形狀不受限制等優(yōu)點，現(xiàn)已在工 業(yè)領(lǐng)域得到了最普遍的應(yīng)用。將耐磨性能優(yōu)異的金剛石薄膜涂覆在硬質(zhì)合金或陶瓷機械密 封環(huán)表面或許能成為有效解決此類密封環(huán)在惡劣工況條件下工作壽命較短缺陷的有效方 法。
[0005] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮镃N102097574A的專利"具有提高的跑合 特性的密封環(huán)"記載了在機械密封環(huán)表面涂覆獨特的金剛石涂層和潤滑涂層組成的復(fù)合涂 層來提升機械密封環(huán)的跑合特性。并且對金剛石薄膜和潤滑涂層的厚度比例做了詳細介 紹；但是，對于金剛石薄膜涂層前的預(yù)處理、涂層工藝、涂層具體厚度及后續(xù)薄膜拋光后處 理均未涉及。而上述這些工藝條件和要求，對于工作面磨損以及密封環(huán)工作壽命等是關(guān)鍵 性因素，會對其產(chǎn)生直接的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種金剛石涂層機械密封環(huán)的制備方法，針 對硬質(zhì)合金或氮化硅/碳化硅陶瓷機械密封環(huán)在惡劣工況時工作壽命短的缺點，采用熱絲 化學(xué)氣相沉積法在機械密封環(huán)的工作表面沉積一層金剛石薄膜，以達到減小工作表面磨損 率，提升密封環(huán)工作壽命和減少機栗或整套化工設(shè)備停機次數(shù)的目的。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種金剛石涂層機械密封環(huán)的制備方法，采用經(jīng)過預(yù)處理的硬質(zhì)合金或碳化硅/ 氮化硅陶瓷機械密封環(huán)作為涂層基體，通過平行熱絲排布方式在機械密封環(huán)的工作表面沉 積金剛石薄膜。
[0009] 在機械密封環(huán)工作表面沉積金剛石薄膜前，需要人為粗化研磨基體表面，以形成 易于金剛石形核生長的勢能低點，同時增強金剛石顆粒與基體顆粒間的機械咬合作用。
[0010] 所述硬質(zhì)合金優(yōu)選鎢鈷類硬質(zhì)合金(YG6)。對于硬質(zhì)合金而言，由于硬質(zhì)合金材料 中作為粘結(jié)劑存在的鈷元素具有催石墨化的作用，它在金剛石薄膜的沉積過程中會導(dǎo)致薄 膜與基體的交界面處形成大量石墨及無定型碳結(jié)構(gòu)，顯著降低薄膜與基體之間的附著強 度。現(xiàn)今國際上通用的方式是采用酸堿兩步法對硬質(zhì)合金進行預(yù)處理，以去除硬質(zhì)合金基 體表面的鈷元素和粗化表面。
[0011]優(yōu)選的，所述預(yù)處理具體為:首先，將硬質(zhì)合金襯底浸泡在Murakami溶液中進行30 分鐘超聲清洗，使硬質(zhì)合金表層的碳化鎢(WC)顆粒碎裂，并導(dǎo)致基體表面粗化。隨后，將硬 質(zhì)合金基體浸泡在Caro混合酸溶液中進行1~4分鐘的刻蝕以去除其表層的鈷元素。經(jīng)過酸 堿兩步法預(yù)處理后的硬質(zhì)合金基體表面留存一層損傷過的碳化物顆粒疏松層，因此仍需采 用人為粗化研磨的方式去除疏松層。再次，用5~ΙΟμπι的金剛石研磨液機械研磨拋光去除表 面疏松層。最后采用丙酮對密封環(huán)進行超聲清洗，去除基體表面雜質(zhì)。
[0012]優(yōu)選的，所述Murakami溶液的成分為氫氧化鉀(Κ0Η)、鐵氰化鉀(K3 (Fe (CN) 6))和水 (H20)，其質(zhì)量配比為K0H:K3(Fe(CN)6) :H20= 1:1:10。
[0013] 優(yōu)選的，所述Caro混合酸溶液的成分為濃硫酸(H2S〇4)和雙氧水(H202)，其體積配 比為 H2S〇4:H2〇2=l:10。
[0014] 所述陶瓷機械密封環(huán)材料優(yōu)選為碳化硅或氮化硅，將陶瓷機械密封環(huán)的工作表面 浸入金剛石研磨液中機械超聲處理以粗化陶瓷基體表面。隨后，再采用金剛石微粉對研磨 拋光后的表面進行研磨布晶。最后，用去離子水和丙酮超聲清洗機械密封環(huán)以去除表面雜 質(zhì)。
[0015] 優(yōu)選的，金剛石研磨液中金剛石微粉的尺寸為7~12μπι，配比為10g金剛石微粉： 100ml乙醇。
[0016]優(yōu)選的，熱絲CVD法在預(yù)處理后的機械密封環(huán)表面先后沉積微米和納米金剛石薄 膜的熱絲排布方式為:采用高溫彈簧將多根熱絲水平等距拉直，密封環(huán)環(huán)狀排布，置于熱絲 下方。
[0017] 優(yōu)選的，熱絲直徑為〇 · 5mm，熱絲間距為8~12mm，熱絲根數(shù)為10~14根，密封環(huán)個 數(shù)為10~20只。
[0018]優(yōu)選的，沉積微米金剛石薄膜階段的熱絲功率為12~14kw，反應(yīng)氣體壓力25~ 30Torr，碳源濃度為1~3 %，基體溫度為800~900 °C，偏壓電流為5.0A，沉積時間8~10小 時;沉積納米金剛石薄膜階段的熱絲功率為10~12kw，反應(yīng)氣體壓力18~22T 〇rr，碳源濃度 2~4%，基體溫度為800~900°C，偏壓電流為3.0A，沉積時間2~3小時。
[0019]本發(fā)明的平行熱絲排布方式通過的仿真和實驗驗證，采用該排布參數(shù)可在密封環(huán) 表面獲得大面積均勻的適合金剛石薄膜生長的溫度場分布，保證金剛石涂層生長速率和質(zhì) 量的均勻性。上述偏壓電流是通過在熱絲與基體表面之間施加直流偏壓形成的，以便在熱 絲和基體表面之間產(chǎn)生直流等離子體，加速金剛石薄膜的沉積。上述反應(yīng)氣體為碳源和氫 氣的混合氣體。上述碳源濃度為碳源與氫氣的體積比。
[0020] 在機械密封環(huán)的使用過程中，為防止泄露，機械密封環(huán)的工作表面需具有優(yōu)異的 表面平整度和光潔度。直接沉積的金剛石涂層機械密封環(huán)的兩項指標均不達標，需在數(shù)控 高精度平面磨床上對金剛石薄膜進行表面拋光。
[0021] 優(yōu)選的，磨頭為金剛石砂輪，直徑為20cm，砂輪轉(zhuǎn)速為200r/min，砂輪進給率為 0.6m/min，拋光時間為5~8小時。
[0022] 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0023] 本發(fā)明采用兩步法沉積金剛石薄膜，首先在基體表面沉積一層晶粒粗壯、耐磨損 性能優(yōu)異但不易拋光的微米金剛石薄膜，再通過改變工藝參數(shù)在微米金剛石顆粒間沉積細 化的納米金剛石顆粒，以填充粗壯微米金剛石顆粒間的凹陷部位，其優(yōu)點是在耐磨損性能 優(yōu)異但顆粒粗大、難拋光的微米金剛石顆粒間可填充入細化的納米金剛石顆粒，以達到降 低金剛石薄膜表面粗糙度的目的，便于后續(xù)研磨拋光。本發(fā)明通過兩步沉積法得到的金剛 石涂層機械密封環(huán)，可大幅降低接觸端面的磨損率，其工作壽命較未涂層機械密封環(huán)大幅 提升。同時，納米金剛石顆粒中含有石墨和不定型碳等非金剛石成分，是天然的摩擦固體潤 滑劑，可有效縮短后續(xù)機械拋光平整表面的時間。
【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0025]圖1是機械密封結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是機械密封環(huán)金剛石薄膜沉積表面示意圖；
[0027]圖3是兩步法金剛石薄膜生長機理。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0029] 機械密封裝置，如圖1所示，其中靜密封環(huán)1、動密封環(huán)2依靠彈簧3張力緊密貼合， 兩個零件的接觸面4為密封的關(guān)鍵部位，直接決定整個機栗的使用性能。
[0030] 本發(fā)明采用熱絲化學(xué)氣相沉積法在機械密封環(huán)的工作表面沉積一層金剛石薄膜 5，如圖2所示，以達到減小工作表面磨損率，提升密封環(huán)工作壽命和減少機栗或整套化工設(shè) 備停機次數(shù)的目的。
[0031] 如圖3所示，采用經(jīng)過預(yù)處理的硬質(zhì)合金或碳化硅/氮化硅陶瓷機械密封環(huán)作為涂 層基體6,采用兩步法沉積金剛石薄膜，其優(yōu)點是在耐磨損性能優(yōu)異但顆粒粗大、難拋光的 微米金剛石顆粒7間可填充入細化的納米金剛石顆粒8中，以達到降低金剛石薄膜表面粗糙 度的目的。
[0032] 實施例1
[0033] 本實施例中的機械密封環(huán)直接應(yīng)用于標準100小時密封環(huán)性能測試，密封環(huán)基體 材料為碳化娃，外形尺寸為05()nmX 18mm,.工作面為環(huán)