[发明专利]金刚石涂层机械密封环的制备方法

说明书

技术领域

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

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 心泵采用机械密封。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。

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，直接决定整个机泵的使用性能。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，严重影响机泵设备的正常运行 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。

化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,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Derjaguin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(HotFilamentCVD,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。

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

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泵或整套化工设备停机次数的目的。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

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。

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。

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。