金剛石涂層機械密封環(huán)的批量化預處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種金剛石涂層機械密封環(huán)的批量化預處理方法，尤其設及一種通過 密封環(huán)批量化預處理裝置進行的金剛石涂層機械密封環(huán)的批量化預處理方法，屬于薄膜技 術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷進步，機械密封已在各種流體機械和設備中得到了廣泛的應 用。據(jù)調查，在煉油化工設備中90% W上的機累使用了機械密封?？梢姡瑱C械密封在機累用 軸封中占據(jù)舉足輕重的地位。
[0003] 機械密封裝置中動、靜密封環(huán)依靠彈黃張力緊密貼合，兩個密封環(huán)的接觸面為密 封裝置的關鍵部位，直接決定整個機累的使用性能。動、靜密封環(huán)接觸面在長時間的高速、 高壓強和惡劣介質環(huán)境中對磨時，極易遭受快速的磨損失效。采用傳統(tǒng)硬質合金或碳化娃/ 氮化娃陶瓷材料制造的機械密封環(huán)在許多惡劣工況下的耐磨損性能都難W達到長期穩(wěn)定 的使用要求，使用壽命較短，嚴重影響機累設備的正常運行和增加設備運營成本。因此，綜 合考慮制造成本和使用壽命性價比，應在傳統(tǒng)材料基礎上采用硬度、耐磨性更高的超硬涂 層材料?；瘜W氣相沉積(化emical Vapor Deposition，CVD)金剛石薄膜具有硬度高(9000~ 10000HV)、摩擦系數(shù)低、耐磨性強、表面化學惰性高，W及與許多工程材料間弱粘附性等優(yōu) 異的機械及摩擦學性能。W1975年前蘇聯(lián)的Derjaguin和Fedoseev提出在硬質基體上采用 CVD法沉積金剛石的設想、1982年日本的Mats皿OtO、Se化ka等學者采用HFCVD法成功沉積金 剛石薄膜為開端，近=十年來世界各地的研究者掀起了金剛石薄膜沉積原理及其應用研究 的熱潮。由于熱絲化學氣相沉積化Ot Filament CVD，HFCVD)法制備金剛石薄膜具有設備簡 單易控、沉積效率高、沉積面積大、加工成本低、基體形狀不受限制等優(yōu)點，現(xiàn)已在工業(yè)領域 得到了最普遍的應用。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利化S2009/0060408rDiamond coated bearing or seal structure and fluid machine comprising the same"公開了金巧。石 涂層密封環(huán)的沉積制備方法，但較少設及密封沉積金剛石薄膜前的預處理方法。申請?zhí)枮?CN102097574A的專利"具有提高的跑合特性的密封環(huán)"記載了在機械密封環(huán)表面涂覆獨特 的金剛石涂層和潤滑涂層組成的復合涂層來提升機械密封環(huán)的跑合特性。專利對金剛石薄 膜和潤滑涂層的厚度比例做了詳細介紹;但是，該專利對于金剛石薄膜涂層前的預處理、涂 層工藝、涂層具體厚度及后續(xù)薄膜拋光后處理均未設及。
[0005] 在碳化娃/氮化娃陶瓷基體表面沉積金剛石薄膜前，需要人為粗化研磨基體表面， W形成易于金剛石形核生長的勢能低點，同時增強金剛石顆粒與基體顆粒間的機械咬合作 用。
[0006] 對于硬質合金而言，由于硬質合金材料中作為粘結劑存在的鉆元素具有催石墨化 的作用，它在金剛石薄膜的沉積過程中會導致薄膜與基體的交界面處形成大量石墨及無定 型碳成分，顯著降低薄膜與基體之間的附著強度。因此硬質合金的預處理需要完成對基體 表面的粗化和表層去鉆兩方面的處理?，F(xiàn)今國際上通用的方式是采用酸堿兩步法對硬質合 金進行預處理，但經(jīng)過酸堿兩步法預處理后的硬質合金基體表面會留存一層損傷過的碳化 物顆粒疏松層，因此仍需采用人為粗化研磨的方式去除疏松層。
[0007] 在硬質合金、碳化娃/氮化娃陶瓷基體的預處理流程中，人為研磨粗化基體工作表 面是一項費時耗力的工作，傳統(tǒng)方法均采用薩有金剛石研磨液的細晶粒砂紙手工打磨密封 環(huán)工作表面。但運種方法效率低，且工藝穩(wěn)定性難W保證，亟需采用更穩(wěn)定高效的方法來提 升密封環(huán)預處理的效率和工藝穩(wěn)定性。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對硬質合金或陶瓷機械密封環(huán)的預處理流程中手工研磨粗化 密封環(huán)工作表面效率低、均勻度和工藝穩(wěn)定性差的技術缺陷，開發(fā)一種快速的金剛石涂層 機械密封環(huán)批量化預處理方法。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過W下技術方案實現(xiàn)的：
[0010] 一種金剛石涂層機械密封環(huán)的批量化預處理方法，其特征為，W酸堿預處理的硬 質合金機械密封環(huán)或未處理的碳化娃/氮化娃陶瓷機械密封環(huán)為基體，通過密封環(huán)批量預 處理裝置，采用石英砂高壓氣流對上述密封環(huán)工作表面進行沖蝕粗化，完成密封環(huán)的預處 理；
[0011] 所述的密封環(huán)批量預處理裝置包括:一個底部帶有移動齒條的操作平臺位于支架 下方，傳輸齒輪與一傳輸電機相連并與移動齒條曬合;支架頂部裝有一臺帶動大旋轉齒輪 的旋轉電機，大旋轉齒輪與8個小旋轉齒輪曬合，在每個小旋轉齒輪上設有不同軸向位置的 定位孔，帶有噴頭的高壓氣流導管固定在定位孔中，高壓氣流導管與操作平臺垂直;操作平 臺上設有8個周向排列的圓柱形密封環(huán)凹槽，當密封環(huán)凹槽隨移動齒條移動至噴砂粗化區(qū) 時，密封環(huán)凹槽的圓屯、與小旋轉齒輪中屯、同軸；
[0012] 密封環(huán)的預處理步驟為：將酸堿預處理的硬質合金機械密封環(huán)或未處理的碳化 娃/氮化娃陶瓷機械密封環(huán)及與密封環(huán)外徑配合緊密的銅墊圈一起放置在密封環(huán)凹槽中， 在傳輸電機帶動下進入噴砂粗化區(qū)；開啟旋轉電機，帶動大、小旋轉齒輪，噴頭繞密封環(huán)中 屯、周向旋轉一周，使含有石英砂的高壓氣流通過噴頭完成對密封環(huán)工作表面的噴砂粗化處 理;處理過的密封環(huán)經(jīng)過純凈水和丙酬的超聲清洗去除基體表面雜質；
[0013] 其中，大旋轉齒輪的自轉速度為0.32~0.4r/s，對應的小齒輪自轉速度為0.8~ Ir/s，含石英砂壓縮空氣壓力0.05~0.1 MPa。
[0014] 所述的酸堿預處理為：首先，將密封環(huán)的硬質合金襯底浸泡在Murakami溶液中進 行30分鐘超聲清洗，使硬質合金表層的碳化鶴(WC)顆粒碎裂，并導致基體表面粗化;隨后， 將硬質合金基體浸泡在化ro混合酸溶液中進行1~4分鐘的刻蝕W去除其表層的鉆元素；
[0015] 其中，所述硬質合金為鶴鉆類硬質合金(YG6)，
[0016] 所述的Murakami溶液的成分為氨氧化鐘化OH)、鐵氯化鐘化3(Fe(CN)6))和水 化2〇)，其質量配比為K0H:K3(化（CN)6):出0= 1:1:10，
[0017] 所述Caro混合酸溶液的成分為濃硫酸（H2S04)和雙氧水化2〇2)，其體積配比為 出S〇4:出〇2=1:10。
[0018] 優(yōu)選的，機械密封環(huán)的工作圓環(huán)中屯、線直徑范圍為35~80mm，工作圓環(huán)的徑向寬 度范圍為3~7mm，石英砂直徑為100~120目。
[0019] 優(yōu)選的，噴嘴口徑1mm，噴嘴與加工表面的距離為3cm，在密封環(huán)表面，噴嘴的有效 噴砂圓直徑為7mm。
[0020] 在硬質合金、碳化娃/氮化娃機械密封環(huán)工作表面沉積金剛石薄膜前，需要人為粗 化研磨基體表面，W形成易于金剛石形核生長的勢能低點，同時增強金剛石顆粒與基體顆 粒間的機械咬合作用。
[0021] 對于硬質合金而言，由于硬質合金材料中作為粘結劑存在的鉆元素具有催石墨化 的作用，它在金剛石薄膜的沉積過程中會導致薄膜與基體的交界面處形成大量石墨及無定 型碳成分，顯著降低薄膜與基體之間的附著強度。在研磨粗化硬質合金基體前，需對硬質合 金基體進行酸堿兩步法預處理，W去除硬質合金基體表面的鉆元素和粗化表面。
[0022] 酸堿預處理后的硬質合金基體表面留存一層損傷過的碳化物顆粒疏松層，因此仍 需進行噴砂粗化W去除表層疏松層。碳化娃/氮化娃基體無需前處理，可直接進行噴砂粗化 預處理。機械密封環(huán)噴砂粗化處理在機械密封環(huán)批量化預處理裝置上進行，該裝置的工作 原理為含有石英砂的高壓氣流通過噴頭對密封環(huán)工作表面進行噴砂粗化，并通過高壓噴頭 的自動旋轉和放置密封環(huán)的操作平臺自動平移完成8只密封環(huán)的同時處理和自動送料過 程，預處理效率較手工研磨處理效率大大提高。
[0023] 相對應的，手工研磨粗化機械密封環(huán)的方法為:采用薩有金剛石研磨液的軟砂紙 手工研磨密封環(huán)工作表面。金剛石研磨液采用1~5um的金剛石微粉，配比為Ig金剛石微粉：