一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，包括旋转轴基体和依次附着于旋转轴基体的碳化钨涂层、碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜，该涂层具有优异的耐磨减摩性能。一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法，包括：采用空气助燃超音速火焰喷涂方法在经过前处理的旋转轴基体表面喷涂碳化钨涂层，对碳化钨涂层进行磨削、抛光和离子束清洗后，采用离子源辅助磁控溅射依次沉积碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。该方法简单可靠，易实现批量生产，对环境污染小。

【技术实现步骤摘要】
一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料表面处理
，且特别涉及一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层及其制备方法。
技术介绍
旋转轴唇形油封(简称油封)具有结构简单、成本低廉、占用空间小，安装简便和密封可靠性高等优点，主要用于发动机、传动系统和各类设备转动位置润滑油(或其他介质)的轴端密封，其结构主要由金属骨架、紧箍弹簧和橡胶材料三部分组成。油封的工作原理是橡胶唇口与轴在过盈配合下产生的力与弹簧的紧箍力合成径向力，阻止被密封介质的流出，从而达到密封的效果，还可起到对外防尘的作用。在旋转轴工作时，油封唇部和轴之间的接触表面上同时并存干摩擦、边界润滑和流体润滑三种情况，并不断交替产生。干摩擦产生磨损，流体润滑产生密封泄漏，在边界润滑下，油封唇部与轴的界面之间形成一层稳定的流体动压油膜，将油封唇与轴分离开来。这层油膜除用作润滑之外，还起密封作用。随着各种机器设备技术性、使用寿命和首翻期的不断提高，对油封的使用条件、使用寿命和密封性能的要求也随之提高。通常通过油封的结构设计、橡胶配方设计及油封的安装使用上为形成薄而稳定的边界润滑油膜密封效果提供条件。另一方面，旋转轴在高转速条件下工作一段时间后会在油封接触处磨出沟痕,密封效果会随之变差。轴表面状态的持续恶化，还会使密封系统中运转零件由预期的设计状态转变为磨粒磨损过程，进而引起泄漏。目前的改善措施主要是从旋转轴的材料、热处理、机械加工工艺等方面予以优化，但常规金属旋转轴的耐磨性能已难以满足长时服役的要求，而旋转轴除油封接触处磨损严重外，其它位置精度仍可满足技术要求，若此时更换旋转轴会造成时间和成本的极大浪费。因此，可通过表面处理技术对旋转轴与油封接触位置进行表面强化处理，以达到延长旋转轴和唇形油封使用寿命、提高密封效果及降低生产成本的目的。根据油封的使用环境及服役特性，只有设法降低油封唇与旋转轴接触部位的摩擦系数，减少唇口磨损速度，才是提高油封寿命的根本方法。换言之，油封旋转轴表面强化层应具备优异的耐磨减摩性能。目前国内外常用电镀、化学镀、激光熔覆、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和热喷涂等表面处理手段在工件表面制备高耐磨性陶瓷或金属复合涂层。电镀硬铬作为一种常用的表面强化方式，镀层内部的网状裂纹可有效降低残余应力，这些裂纹的储油作用对降低磨损亦具有显著影响，也是目前国内外广泛采用的唇形油封旋转轴表面改性方法。据报道，电镀硬铬表面粗糙度在0.4μm以内时密封性能较佳。然而，表面镀铬后会降低零件承受较大交变载荷时的弯曲疲劳寿命，且镀铬层的耐磨性能已无法满足越来越高的使用要求，长时间服役后表面会更为光滑，进而导致油膜太薄，不能形成流体润滑膜，唇部就会磨损，进而影响其密封性能及使用寿命。此外，制备过程对环境有严重污染，处理电镀硬铬的三废排放成本也越来越高。复合电镀是在传统电镀基础上再复合可以改善基质性能的颗粒，使之在电化学的作用下和金属离子共同沉积，最终完成具有耐磨、耐蚀以及自润滑等特定性能镀层的镀覆。然而，电镀过程中会在电解质溶液中通入直流电，有可能发生尖端电流密度过大的情况，从而导致在基质的棱角和尖角处镀层偏厚或出现毛刺，使得整个镀层的表面不均匀，从而造成油封唇口的严重磨损。化学镀是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。该技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备等特点。化学复合镀是在化学镀的镀液中再添加一种或多种不溶性的颗粒，通过搅拌或者其它方法使颗粒均匀悬浮镀液中，利用化学镀的方法使微粒与金属共沉积在基质表面，最终完成功能性不同的镀层的镀覆。但该技术沉积速度偏低和对环境污染比较严重等问题限制了进一步的应用。激光熔覆技术通过在基体表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基体表面薄层一起熔凝的方法，在基体表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。利用激光熔覆可以实现耐磨、自润滑、耐蚀和热障涂层的制备。然而，熔覆过程会经历快速加热及冷却，容易有较大的应力产生而使裂纹出现，会影响到整个涂层的质量。同时，激光熔覆的成本比较高、应用范围窄，主要是修复常规的零部件。气相沉积技术(PVD和CVD)工艺过程简单，对环境友善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，能达到比较好的表面粗糙度，但是其形成的膜材厚度比较低，在旋转轴基体硬度不足和高载荷使用条件下容易导致膜层脱落或塌陷。热喷涂技术是一种将涂层粉末或丝材材料送入某种热源中加热到熔融或半熔融状态，并利用高速气流将其喷射到旋转轴基体材料表面形成覆盖层的工艺。该工艺操作简便、灵活高效，涂层材料种类繁多，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热、绝缘、导电、防辐射等方面的一种或数种性能，已在包括航空航天、冶金、能源、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械和生物工程等领域得到广泛应用。然而，具备优异耐磨性能的超硬涂层通常延展性较低，且没有电镀硬铬的固有润滑性，容易导致与之配合的密封件寿命降低。综上，单一的表面处理工艺已难以满足唇形油封旋转轴对耐磨减摩性能日益严苛的需求，采用多种工艺制备复合涂层以集其相应涂覆层性能之长，是实现唇形油封旋转轴表面强化性能需求的可行方式。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，该涂层具有优异的耐磨减摩性能。本专利技术的另一目的在于提供上述唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法，该方法简单可靠，易实现批量生产，对环境污染小。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，包括旋转轴基体和依次附着于旋转轴基体的碳化钨涂层、碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。本专利技术提出一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法，包括：采用空气助燃超音速火焰喷涂方法在经过前处理的旋转轴基体的表面喷涂碳化钨涂层，对碳化钨涂层进行磨削、抛光和离子束清洗后，在碳化钨涂层上采用离子源辅助磁控溅射依次沉积碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。本专利技术的有益效果包括：(1)采用空气助燃超音速火焰喷涂制备碳化钨涂层，喷涂过程中火焰温度和氧化性相较于常规氧气助燃超音速火焰喷涂更低，注入焰流中的粉末颗粒具有更低温度的同时仍具备较高的速度，所制备的碳化钨涂层具有优异的耐磨性能和韧性，且具备比基体更高的硬度和弹性模量，可作为后续离子源辅助磁控溅射沉积膜层的支撑体，从而避免界面处的应力集中，延缓掺纳米晶碳化钨的非晶碳膜内的裂纹，显著提高掺纳米晶碳化钨的非晶碳膜的机械性能。(2)离子源辅助磁控溅膜层成分从碳化钨梯度过渡到含少量纳米晶碳化钨耐磨颗粒的非晶碳膜，可以大幅度降低膜层内应力，提高膜与碳化钨涂层的结合强度，进一步提高膜层的应用性能。(3)碳化钨膜具有对碳化钨涂层的封孔功能，可防止润滑油中添加剂对涂层及旋转轴基体的腐蚀，且不会明显改变碳化钨涂层粗糙度。特别的，表面的掺纳米晶碳化钨的非晶碳膜可显著降低与唇形油封的摩擦系数，减摩效果明显，可延长唇形油封及旋转轴的服役寿命。(4)唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法简单可靠，易实现批量生产，对环境污染小，在唇形油封旋转轴表面强化上具有巨大的潜能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，其特征在于，包括旋转轴基体和依次附着于所述旋转轴基体的碳化钨涂层、碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。

【技术特征摘要】
1.一种唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，其特征在于，包括旋转轴基体和依次附着于所述旋转轴基体的碳化钨涂层、碳化钨膜和掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。2.根据权利要求1所述的唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，其特征在于，所述旋转轴基体的材料包括钛合金、高强铝合金、碳钢和合金钢中的至少一种，所述碳化钨涂层的材料包括碳化钨钴和碳化钨钴铬中的一种或两种；优选地，所述碳化钨涂层为WC10Co4Cr。3.根据权利要求1所述的唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，其特征在于，所述碳化钨涂层的厚度为100～200μm。4.根据权利要求1所述的唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层，其特征在于，所述碳化钨膜的厚度为0.5～1.0μm，所述掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜的厚度为1.5～4.0μm，所述碳化钨膜和所述掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜的总厚度为2～5μm。5.一种如权利要求1至4任一项所述的唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用空气助燃超音速火焰喷涂方法在经过前处理的所述旋转轴基体的表面喷涂所述碳化钨涂层，对所述碳化钨涂层进行磨削、抛光和离子束清洗后，在所述碳化钨涂层上采用离子源辅助磁控溅射依次沉积所述碳化钨膜和所述掺纳米晶碳化钨梯度非晶碳膜。6.根据权利要求5所述的唇型油封旋转轴耐磨减摩复合涂层的制备方法，其特征在于，喷涂所述碳化钨涂层的方法包括：在经过喷砂处理和预热处理的所述旋转轴基体表面，采用空气助燃超音速火焰喷涂设备进行喷涂，压缩空气压强为0.55～0.62MPa，丙烯压强为0.48～0.55MPa，氢气流量为30～35L/min，氮气流量为30～35L/min，送粉速率60～120g/min，喷距150～200mm，工件旋转速度150～300rpm，喷枪移动速度10～30mm/s，喷涂后的所述碳化钨涂层的厚度为150～300μm。7.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨焜，林松盛，宋进兵，曾威，邓春明，邓畅光，代明江，刘敏，周克崧，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44