金刚石涂层机械密封环的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于薄膜技术领域，具体涉及一种金刚石涂层机械密封环的制备方法。
【背景技术】
[0002] 机械端面密封是一种应用广泛的旋转轴动密封，简称机械密封，又称端面密封。近 十年来，机械密封技术有了很大的发展，在石油、化工、轻工、冶金、机械、航空和原子能等工 业中获得了广泛的应用。据我国当代石化行业统计，80%~90%的离心栗采用机械密封。工 业发达国家里，在旋转机械的密封装置中，机械密封的用量占全部密封使用量的90%以上。 特别是近年来机械密封发展很快，已成为流体密封技术中极其重要的动密封形式。
[0003] 机械密封装置中静、动密封环依靠弹簧张力紧密贴合，两个零件的接触面为密封 的关键部位，直接决定整个机栗的使用性能。动、静密封环接触面在长时间的高速、高压强 和恶劣介质环境中对磨时，极易遭受快速的磨损失效。采用传统硬质合金或碳化硅/氮化硅 陶瓷材料制造的机械密封环在许多恶劣工况环境中的耐磨损性能都难以达到长期稳定的 使用要求，使用寿命较短，严重影响机栗设备的正常运行和提升设备运营成本。因此，综合 考虑制造成本和使用寿命性价比，应在传统材料基础上采用硬度、耐磨性更高的超硬涂层 材料。
[0004] 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有硬度高（9000 ~10000HV)、摩擦系数低、耐磨性强、表面化学惰性高，以及与许多工程材料间的弱粘附强 度等优异的机械及摩擦学性能。以1975年前苏联的Der jaguin和Fedoseev提出在硬质基体 上采用CVD法沉积金刚石的设想、1982年日本的Matsumoto、Setaka等学者采用HFCVD法成功 沉积金刚石薄膜为开端，近三十年来世界各地的研究者掀起了金刚石薄膜沉积原理及其应 用研究的热潮。由于热丝化学气相沉积(Hot Filament CVD，HFCVD)法制备金刚石薄膜具有 设备简单易控、沉积效率高、沉积面积大、加工成本低、基体形状不受限制等优点，现已在工 业领域得到了最普遍的应用。将耐磨性能优异的金刚石薄膜涂覆在硬质合金或陶瓷机械密 封环表面或许能成为有效解决此类密封环在恶劣工况条件下工作寿命较短缺陷的有效方 法。
[0005] 经对现有技术的文献检索发现，申请号为CN102097574A的专利"具有提高的跑合 特性的密封环"记载了在机械密封环表面涂覆独特的金刚石涂层和润滑涂层组成的复合涂 层来提升机械密封环的跑合特性。并且对金刚石薄膜和润滑涂层的厚度比例做了详细介 绍；但是，对于金刚石薄膜涂层前的预处理、涂层工艺、涂层具体厚度及后续薄膜抛光后处 理均未涉及。而上述这些工艺条件和要求，对于工作面磨损以及密封环工作寿命等是关键 性因素，会对其产生直接的影响。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种金刚石涂层机械密封环的制备方法，针 对硬质合金或氮化硅/碳化硅陶瓷机械密封环在恶劣工况时工作寿命短的缺点，采用热丝 化学气相沉积法在机械密封环的工作表面沉积一层金刚石薄膜，以达到减小工作表面磨损 率，提升密封环工作寿命和减少机栗或整套化工设备停机次数的目的。
[0007] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] 一种金刚石涂层机械密封环的制备方法，采用经过预处理的硬质合金或碳化硅/ 氮化硅陶瓷机械密封环作为涂层基体，通过平行热丝排布方式在机械密封环的工作表面沉 积金刚石薄膜。
[0009] 在机械密封环工作表面沉积金刚石薄膜前，需要人为粗化研磨基体表面，以形成 易于金刚石形核生长的势能低点，同时增强金刚石颗粒与基体颗粒间的机械咬合作用。
[0010] 所述硬质合金优选钨钴类硬质合金(YG6)。对于硬质合金而言，由于硬质合金材料 中作为粘结剂存在的钴元素具有催石墨化的作用，它在金刚石薄膜的沉积过程中会导致薄 膜与基体的交界面处形成大量石墨及无定型碳结构，显著降低薄膜与基体之间的附着强 度。现今国际上通用的方式是采用酸碱两步法对硬质合金进行预处理，以去除硬质合金基 体表面的钴元素和粗化表面。
[0011]优选的，所述预处理具体为:首先，将硬质合金衬底浸泡在Murakami溶液中进行30 分钟超声清洗，使硬质合金表层的碳化钨(WC)颗粒碎裂，并导致基体表面粗化。随后，将硬 质合金基体浸泡在Caro混合酸溶液中进行1~4分钟的刻蚀以去除其表层的钴元素。经过酸 碱两步法预处理后的硬质合金基体表面留存一层损伤过的碳化物颗粒疏松层，因此仍需采 用人为粗化研磨的方式去除疏松层。再次，用5~ΙΟμπι的金刚石研磨液机械研磨抛光去除表 面疏松层。最后采用丙酮对密封环进行超声清洗，去除基体表面杂质。
[0012]优选的，所述Murakami溶液的成分为氢氧化钾(Κ0Η)、铁氰化钾(K3 (Fe (CN) 6))和水 (H20)，其质量配比为K0H:K3(Fe(CN)6) :H20= 1:1:10。
[0013] 优选的，所述Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2S〇4)和双氧水(H202)，其体积配 比为 H2S〇4:H2〇2=l:10。
[0014] 所述陶瓷机械密封环材料优选为碳化硅或氮化硅，将陶瓷机械密封环的工作表面 浸入金刚石研磨液中机械超声处理以粗化陶瓷基体表面。随后，再采用金刚石微粉对研磨 抛光后的表面进行研磨布晶。最后，用去离子水和丙酮超声清洗机械密封环以去除表面杂 质。
[0015] 优选的，金刚石研磨液中金刚石微粉的尺寸为7~12μπι，配比为10g金刚石微粉： 100ml乙醇。
[0016]优选的，热丝CVD法在预处理后的机械密封环表面先后沉积微米和纳米金刚石薄 膜的热丝排布方式为:采用高温弹簧将多根热丝水平等距拉直，密封环环状排布，置于热丝 下方。
[0017] 优选的，热丝直径为〇 · 5mm，热丝间距为8~12mm，热丝根数为10~14根，密封环个 数为10~20只。
[0018]优选的，沉积微米金刚石薄膜阶段的热丝功率为12~14kw，反应气体压力25~ 30Torr，碳源浓度为1~3 %，基体温度为800~900 °C，偏压电流为5.0A，沉积时间8~10小 时;沉积纳米金刚石薄膜阶段的热丝功率为10~12kw，反应气体压力18~22T 〇rr，碳源浓度 2~4%，基体温度为800~900°C，偏压电流为3.0A，沉积时间2~3小时。
[0019]本发明的平行热丝排布方式通过的仿真和实验验证，采用该排布参数可在密封环 表面获得大面积均匀的适合金刚石薄膜生长的温度场分布，保证金刚石涂层生长速率和质 量的均匀性。上述偏压电流是通过在热丝与基体表面之间施加直流偏压形成的，以便在热 丝和基体表面之间产生直流等离子体，加速金刚石薄膜的沉积。上述反应气体为碳源和氢 气的混合气体。上述碳源浓度为碳源与氢气的体积比。
[0020] 在机械密封环的使用过程中，为防止泄露，机械密封环的工作表面需具有优异的 表面平整度和光洁度。直接沉积的金刚石涂层机械密封环的两项指标均不达标，需在数控 高精度平面磨床上对金刚石薄膜进行表面抛光。
[0021] 优选的，磨头为金刚石砂轮，直径为20cm，砂轮转速为200r/min，砂轮进给率为 0.6m/min，抛光时间为5~8小时。
[0022] 与现有方法相比，本发明具有如下优点：
[0023] 本发明采用两步法沉积金刚石薄膜，首先在基体表面沉积一层晶粒粗壮、耐磨损 性能优异但不易抛光的微米金刚石薄膜，再通过改变工艺参数在微米金刚石颗粒间沉积细 化的纳米金刚石颗粒，以填充粗壮微米金刚石颗粒间的凹陷部位，其优点是在耐磨损性能 优异但颗粒粗大、难抛光的微米金刚石颗粒间可填充入细化的纳米金刚石颗粒，以达到降 低金刚石薄膜表面粗糙度的目的，便于后续研磨抛光。本发明通过两步沉积法得到的金刚 石涂层机械密封环，可大幅降低接触端面的磨损率，其工作寿命较未涂层机械密封环大幅 提升。同时，纳米金刚石颗粒中含有石墨和不定型碳等非金刚石成分，是天然的摩擦固体润 滑剂，可有效缩短后续机械抛光平整表面的时间。
【附图说明】
[0024]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0025]图1是机械密封结构示意图；
[0026]图2是机械密封环金刚石薄膜沉积表面示意图；
[0027]图3是两步法金刚石薄膜生长机理。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0029] 机械密封装置，如图1所示，其中静密封环1、动密封环2依靠弹簧3张力紧密贴合， 两个零件的接触面4为密封的关键部位，直接决定整个机栗的使用性能。
[0030] 本发明采用热丝化学气相沉积法在机械密封环的工作表面沉积一层金刚石薄膜 5，如图2所示，以达到减小工作表面磨损率，提升密封环工作寿命和减少机栗或整套化工设 备停机次数的目的。
[0031] 如图3所示，采用经过预处理的硬质合金或碳化硅/氮化硅陶瓷机械密封环作为涂 层基体6,采用两步法沉积金刚石薄膜，其优点是在耐磨损性能优异但颗粒粗大、难抛光的 微米金刚石颗粒7间可填充入细化的纳米金刚石颗粒8中，以达到降低金刚石薄膜表面粗糙 度的目的。
[0032] 实施例1
[0033] 本实施例中的机械密封环直接应用于标准100小时密封环性能测试，密封环基体 材料为碳化娃，外形尺寸为05()nmX 18mm,.工作面为环