金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法技术

本发明专利技术涉及一种金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法：以酸碱预处理的硬质合金或未处理的碳化硅/氮化硅陶瓷机械密封环为基体，采用以石英砂作为介质的高压气流对密封环工作表面进行冲蚀粗化，经密封环批量预处理装置，通过被冲蚀密封环的自动进给和高压喷头的自动旋转完成密封环的流水线式预处理，快速批量化制备出适合金刚石薄膜生长的均匀粗化的表面形貌。本发明专利技术涉及的密封环批量化预处理方法与手工研磨粗化预处理方法相比，可显著提升加工效率，且能保证同一密封环不同位置和同一批次密封环的均匀粗化和预处理工艺的长期稳定性，对稳定金刚石涂层机械密封环的制备工艺和提升产品的质量均具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法，尤其涉及一种通过密封环批量化预处理装置进行的金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法，属于薄膜

技术介绍
随着科学技术的不断进步，机械密封已在各种流体机械和设备中得到了广泛的应用。据调查，在炼油化工设备中90％以上的机泵使用了机械密封。可见，机械密封在机泵用轴封中占据举足轻重的地位。机械密封装置中动、静密封环依靠弹簧张力紧密贴合，两个密封环的接触面为密封装置的关键部位，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下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增加设备运营成本。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弱粘附性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。经过对现有技术的文献检索发现，美国专利(US2009/0060408)“Diamondcoatedbearingorsealstructureandfluidmachinecomprisingthesame”公开了金刚石涂层密封环的沉积制备方法，但较少涉及密封沉积金刚石薄膜前的预处理方法。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。专利对金刚石薄膜和润滑涂层的厚度比例做了详细介绍；但是，该专利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。在碳化硅/氮化硅陶瓷基体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。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成分，显著降低薄膜与基体之间的附着强度。因此硬质合金的预处理需要完成对基体表面的粗化和表层去钴两方面的处理。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，但经过酸碱两步法预处理后的硬质合金基体表面会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。在硬质合金、碳化硅/氮化硅陶瓷基体的预处理流程中，人为研磨粗化基体工作表面是一项费时耗力的工作，传统方法均采用蘸有金刚石研磨液的细晶粒砂纸手工打磨密封环工作表面。但这种方法效率低，且工艺稳定性难以保证，亟需采用更稳定高效的方法来提升密封环预处理的效率和工艺稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对硬质合金或陶瓷机械密封环的预处理流程中手工研磨粗化密封环工作表面效率低、均匀度和工艺稳定性差的技术缺陷，开发一种快速的金刚石涂层机械密封环批量化预处理方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法，其特征为，以酸碱预处理的硬质合金机械密封环或未处理的碳化硅/氮化硅陶瓷机械密封环为基体，通过密封环批量预处理装置，采用石英砂高压气流对上述密封环工作表面进行冲蚀粗化，完成密封环的预处理；所述的密封环批量预处理装置包括：一个底部带有移动齿条的操作平台位于支架下方，传输齿轮与一传输电机相连并与移动齿条啮合；支架顶部装有一台带动大旋转齿轮的旋转电机，大旋转齿轮与8个小旋转齿轮啮合，在每个小旋转齿轮上设有不同轴向位置的定位孔，带有喷头的高压气流导管固定在定位孔中，高压气流导管与操作平台垂直；操作平台上设有8个周向排列的圆柱形密封环凹槽，当密封环凹槽随移动齿条移动至喷砂粗化区时，密封环凹槽的圆心与小旋转齿轮中心同轴；密封环的预处理步骤为：将酸碱预处理的硬质合金机械密封环或未处理的碳化硅/氮化硅陶瓷机械密封环及与密封环外径配合紧密的铜垫圈一起放置在密封环凹槽中，在传输电机带动下进入喷砂粗化区；开启旋转电机，带动大、小旋转齿轮，喷头绕密封环中心周向旋转一周，使含有石英砂的高压气流通过喷头完成对密封环工作表面的喷砂粗化处理；处理过的密封环经过纯净水和丙酮的超声清洗去除基体表面杂质；其中，大旋转齿轮的自转速度为0.32～0.4r/s，对应的小齿轮自转速度为0.8～1r/s，含石英砂压缩空气压力0.05～0.1MPa。所述的酸碱预处理为：首先，将密封环的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；其中，所述硬质合金为钨钴类硬质合金(YG6)，所述的Murakami溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁氰化钾(K3(Fe(CN)6))和水(H2O)，其质量配比为KOH：K3(Fe(CN)6)：H2O＝1：1：10，所述Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为H2SO4：H2O2＝1：10。优选的，机械密封环的工作圆环中心线直径范围为35～80mm，工作圆环的径向宽度范围为3～7mm，石英砂直径为100～120目。优选的，喷嘴口径1mm，喷嘴与加工表面的距离为3cm，在密封环表面，喷嘴的有效喷砂圆直径为7mm。在硬质合金、碳化硅/氮化硅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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法，其特征为，以密封环为基体，通过密封环批量预处理装置，采用石英砂高压气流对上述密封环工作表面进行冲蚀粗化，完成密封环的预处理；所述的密封环包括经酸碱预处理的硬质合金机械密封环或未处理的碳化硅/氮化硅陶瓷机械密封环，所述的密封环批量预处理装置包括：一个底部带有移动齿条的操作平台位于支架下方，传输齿轮与一传输电机相连并与移动齿条啮合；支架顶部装有一台带动大旋转齿轮的旋转电机，大旋转齿轮与8个小旋转齿轮啮合，在每个小旋转齿轮上设有不同轴向位置的定位孔，带有喷头的高压气流导管固定在定位孔中，高压气流导管与操作平台垂直；操作平台上设有8个周向排列的圆柱形密封环凹槽，当密封环凹槽随移动齿条移动至喷砂粗化区时，密封环凹槽的圆心与小旋转齿轮中心同轴；密封环的预处理步骤为：将所述密封环及与其外径配合紧密的铜垫圈一起放置在所述的密封环凹槽中，启动密封环批量预处理装置，在传输电机带动下密封环进入喷砂粗化区；开启旋转电机，带动大、小旋转齿轮，喷头绕密封环中心周向旋转一周，使含有石英砂的高压气流通过喷头完成对密封环工作表面的喷砂粗化处理；处理过的密封环经过纯净水和丙酮的超声清洗去除基体表面杂质；其中，大旋转齿轮的自转速度为0.32～0.4r/s，对应的小齿轮自转速度为0.8～1r/s，含石英砂压缩空气压力0.05～0.1MPa。...

【技术特征摘要】
1.一种金刚石涂层机械密封环的批量化预处理方法，其特征为，以密封环为基体，通
过密封环批量预处理装置，采用石英砂高压气流对上述密封环工作表面进行冲蚀粗化，完成
密封环的预处理；
所述的密封环包括经酸碱预处理的硬质合金机械密封环或未处理的碳化硅/氮化硅陶瓷
机械密封环，
所述的密封环批量预处理装置包括：一个底部带有移动齿条的操作平台位于支架下方，
传输齿轮与一传输电机相连并与移动齿条啮合；支架顶部装有一台带动大旋转齿轮的旋转电
机，大旋转齿轮与8个小旋转齿轮啮合，在每个小旋转齿轮上设有不同轴向位置的定位孔，
带有喷头的高压气流导管固定在定位孔中，高压气流导管与操作平台垂直；操作平台上设有
8个周向排列的圆柱形密封环凹槽，当密封环凹槽随移动齿条移动至喷砂粗化区时，密封环
凹槽的圆心与小旋转齿轮中心同轴；
密封环的预处理步骤为：将所述密封环及与其外径配合紧密的铜垫圈一起放置在所述的
密封环凹槽中，启动密封环批量预处理装置，在传输电机带动下密封环进入喷砂粗化区；开
启旋转电机，带动大、小旋转齿轮，喷头绕密封环中心周向旋转一周，使含有石英砂的高压
气流通过喷头完成对密封环工作表面的喷砂粗化处理；处理过的密封环经过纯净水和丙酮的
超声清洗去除基体表面杂质；

【专利技术属性】
技术研发人员：雷学林，孙方宏，何云，
申请(专利权)人：华东理工大学，上海交闵精密耐磨器件有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31