具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法技术

本发明专利技术公开了一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，包括步骤：A、采用低钴硬质合金密封环或者碳化硅密封环为基体，研磨基体密封面均匀布晶；B、将基体密封面进行酸处理和氢等离子处理；酸处理为：对基体密封面采用稀酸浸泡；氢等离子处理为：含有浓度为0.1％‑1％的碳源气体的氢气气氛中，微正压、900℃‑1100℃下，加热20min‑80min；C、采用空间热丝阵列对基体进行加热，均匀多点通入反应气体，在空间热丝阵列和基体之间施加直流负偏压进行沉积；其中加热温度为800‑950℃；偏压电流为1A‑5A；气压为1.0‑4.0kPa；沉积时间为2‑7h；D、对沉积后的基体进行抛光，得到均匀致密、厚度5‑10μm的金刚石涂层机械密封环。本发明专利技术的方法可以从材料本质上大幅降低端面温度、提高密封环的工作寿命。

【技术实现步骤摘要】
具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法
本专利技术属于机械
，涉及一种密封环的制备方法，尤其涉及一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法。
技术介绍
在机械密封领域，机械密封的端面温度的变化将对机械密封的性能产生直接影响，造成密封泄漏甚至失效。由于密封环的温度变化比较复杂，在实际操作中主要是通过加强润滑和冷却方式达到降温的目的。现有技术中，针对外台阶密封环、平环式密封环、内台阶密封环和动压槽密封环，采用在密封环上开设有环槽，非密封侧开有轴向通孔，通孔和环槽相连，引入流体介质，从而达到降温的目的。还有一种是在密封环本体的摩擦副端面开有均匀的流槽，从而可以带走因摩擦产生的热量。随着密封装置的广泛应用，并不断向强化、增压增速方向发展，密封系统中的传热及其相关的热负荷问题就越来越重要，上述方法已不能满足降低端面温度要求。金刚石具有极高硬度和化学稳定性、优异的导热性能、低的摩擦系数等优异性能，其耐磨性是硬质合金的100倍～250倍，具有耐强酸强碱的能力，导热系数是铜的2～5倍，在空气中与金属的摩擦系数为0.1。但其缺点是韧性差。若以韧性较好的硬质合金或碳化硅密封环为基体，在其密封面上采用化学气相沉积(CVD)法涂敷一层的纯净的金刚石，则金刚石涂层密封环兼具基体的较高强度和金刚石超耐磨、抗腐蚀、导热性能优异的特点，使其成为了机械密封最具前景的材质之一，将是一种理想的实现冷摩擦机械密封的方式，为机械密封行业带来了新活力。但是现有的金刚石涂层机械密封环，均是从耐磨性方面着手来提高密封环的工作寿命，还没有解决端面温度高，造成密封泄漏甚至失效的问题，直接影响到密封性能及其使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种从材料本质上大幅降低端面温度、提高密封环的工作寿命的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，包括以下步骤：A、表面研磨：采用低钴硬质合金密封环或者碳化硅密封环为基体，研磨基体密封面均匀布晶；B、表面化学处理：将机械研磨后的基体密封面进行酸处理和氢等离子处理；其中，酸处理为：对基体密封面采用稀酸浸泡处理；氢等离子处理为：在含有体积百分比浓度为0.1％-1％的碳源气体的氢气气氛中，微正压、900℃-1100℃下，加热20min-80min；C、金刚石涂层沉积：采用空间热丝阵列对基体进行加热，均匀多点通入反应气体，在空间热丝阵列和基体之间施加直流负偏压进行沉积；其中加热温度为800-950℃；偏压电流为1A-5A；气压为1.0-4.0kPa；沉积时间为2-5h，所述反应气体为氢气和碳源气体的混合物，其中碳源气体的体积百分比浓度为1.5％-3％；D、抛光：对沉积后的基体密封面进行抛光，得到金刚石涂层机械密封环。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤A中，所述低钴硬质合金密封环的钴含量低于8％。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤A中，所述研磨为：采用金刚石微粉，对基体密封面加压研磨，其中加压是基体自重的2-5倍，研磨转速为20r/min-50r/min，时间30min-60min。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤B中，稀酸选择：浓度为15-25％的稀硝酸、浓度为10-20％的稀盐酸或体积比为10:1的浓硫酸与双氧水的混合物。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤B的氢等离子处理中，微正压为0.5kPa-1.0kPa。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤B的氢等离子处理中，碳源气体的浓度为0.3％-0.8％；加热温度为900℃-1000℃，加热时间30min-60min。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤C中，所述空间热丝阵列为将多根热丝拉直后在一个平面内排布形成阵列。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤C中，所述空间热丝阵列为：选用0.3mm-0.4mm热丝、热丝阵列中相邻热丝间距为8mm-10mm，空间热丝阵列与基体密封面距离8mm-10mm。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤C中，所述均匀多点通入反应气体指：距离空间热丝阵列50mm-80mm均匀排布多个出气口，不同出气口的出气流速和流量相同或大致相同。进一步地，所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法中，优选所述步骤C中，所述金刚石涂层沉积包括形核阶段沉积和生长阶段沉积；所述形核阶段沉积的气压为1.0kPa-2.0kPa、碳源气体的体积百分比浓度为3％-5％、基体温度为850℃-950℃、偏压电流为4A、沉积时间为30min-60min；所述生长阶段沉积的气压为2.0kPa-4.0kPa、碳源气体的体积百分比浓度为1.5％-3％、基体温度为800℃-850℃、偏压电流为2A、沉积时间为3h-4h。本专利技术采用表面研磨、表面化学处理等预处理、金刚石涂层沉积和抛光后处理三个步骤制备机械密封环。首先在光洁度和平整度较好的基体上研磨布晶以及形成均匀缺陷的表层，机械研磨后，不影响基体的平整度，光洁度稍有下降。然后进行的氢等离子体处理，对平整度和光洁度基本不影响。为此，在保证良好结合力的前提下，研磨处理的均匀缺陷和布晶保证了金刚石涂层的均匀性，基体的平整度保证了后期的金刚石涂层的平整度。其次，本专利技术的金刚石涂层制造方法保证了制备出纯净的多晶金刚石，从而具有优异的耐磨性和导热性。本专利技术采用的工艺参数可以将金刚石涂层的厚度控制在5μm-10μm，相对于现有技术，金刚石涂层的厚度减小，但金刚石晶粒更均匀，平整度更好。最后的机械抛光处理仅去除表面约2μm厚的杂质、异常长大颗粒。经干涉仪检测均能达到2个光圈的平整度，虽光洁度较原始基体稍有下降，但经本专利技术制造方法的特定工艺参数下，金刚石涂层结合力强、大幅降低端面温度、提高密封环的工作寿命，并且满足机械密封的要求。本专利技术的优点还有是在机械密封环的密封面上制备结合力强、均匀致密、高品质导热金刚石涂层。采用机械研磨和氢等离子体相结合的基体密封面预处理法改善了基体与金刚石涂层结合力；沉积时，通过布置空间热丝阵列和沉积工艺参数的选择，使得基体密封面的金刚石涂层沉积温度均匀，可以获得均匀致密的纯净金刚石。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本专利技术的具体实施方式。一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，包括以下步骤：A、表面研磨：采用低钴硬质合金密封环或者碳化硅密封环为基体，研磨基体密封面；具体地，所述步骤A中，所述低钴硬质合金密封环的钴含量低于8％。采用金刚石微粉，放置在棉布上，对基体密封面加压研磨，其中加压是基体自重的2-5倍，研磨转速为20r/min-50r/min，时间30min-60min。直至表面出现淡黄色为佳，以形成易于金刚石形核生长的均匀缺陷和晶种即可以均匀布晶，增加形核密度。另一个作用是增加金刚石和基体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，其特征在于，包括以下步骤：A、表面研磨：采用低钴硬质合金密封环或者碳化硅密封环为基体，研磨基体密封面均匀布晶；B、表面化学处理：将机械研磨后的基体密封面进行酸处理和氢等离子处理；其中，酸处理为：对基体密封面采用稀酸浸泡处理；氢等离子处理为：在含有体积百分比浓度为0.1％‑1％的碳源气体的氢气气氛中，微正压、900℃‑1100℃下，加热20min‑80min；C、金刚石涂层沉积：采用空间热丝阵列对基体进行加热，均匀多点通入反应气体，在空间热丝阵列和基体之间施加直流负偏压进行沉积；其中加热温度为800‑950℃；偏压电流为1A‑5A；气压为1.0‑4.0kPa；沉积时间为2‑5h，所述反应气体为氢气和碳源气体的混合物，其中碳源气体的体积百分比浓度为1.5％‑3％；D、抛光：对沉积后的基体密封面进行抛光，得到金刚石涂层机械密封环。

【技术特征摘要】
1.一种具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，其特征在于，包括以下步骤：A、表面研磨：采用低钴硬质合金密封环或者碳化硅密封环为基体，研磨基体密封面均匀布晶；B、表面化学处理：将机械研磨后的基体密封面进行酸处理和氢等离子处理；其中，酸处理为：对基体密封面采用稀酸浸泡处理；氢等离子处理为：在含有体积百分比浓度为0.1％-1％的碳源气体的氢气气氛中，微正压、900℃-1100℃下，加热20min-80min；C、金刚石涂层沉积：采用空间热丝阵列对基体进行加热，均匀多点通入反应气体，在空间热丝阵列和基体之间施加直流负偏压进行沉积；其中加热温度为800-950℃；偏压电流为1A-5A；气压为1.0-4.0kPa；沉积时间为2-5h，所述反应气体为氢气和碳源气体的混合物，其中碳源气体的体积百分比浓度为1.5％-3％；D、抛光：对沉积后的基体密封面进行抛光，得到金刚石涂层机械密封环。2.根据权利要求1所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，其特征在于，所述步骤A中，所述低钴硬质合金密封环的钴含量低于8％。3.根据权利要求1所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，其特征在于，所述步骤A中，所述研磨为：采用金刚石微粉，对基体密封面加压研磨，其中加压是基体自重的2-5倍，研磨转速为20r/min-50r/min，时间30min-60min。4.根据权利要求1所述的具有冷摩擦特性的金刚石涂层机械密封环制造方法，其特征在于，所述步骤B中，稀酸选择：浓度为15-25％的稀硝酸、浓度为10-20％的稀盐酸、或体积比为10:1的浓硫酸与双氧水的混合物。5.根据权利要求1所述的具有冷摩擦特性的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晓青，刘东，
申请(专利权)人：四川旗丰新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51