金剛石涂層機(jī)械密封環(huán)的批量化預(yù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種金剛石涂層機(jī)械密封環(huán)的批量化預(yù)處理方法，尤其設(shè)及一種通過(guò) 密封環(huán)批量化預(yù)處理裝置進(jìn)行的金剛石涂層機(jī)械密封環(huán)的批量化預(yù)處理方法，屬于薄膜技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械密封已在各種流體機(jī)械和設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng) 用。據(jù)調(diào)查，在煉油化工設(shè)備中90% W上的機(jī)累使用了機(jī)械密封。可見(jiàn)，機(jī)械密封在機(jī)累用 軸封中占據(jù)舉足輕重的地位。
[0003] 機(jī)械密封裝置中動(dòng)、靜密封環(huán)依靠彈黃張力緊密貼合，兩個(gè)密封環(huán)的接觸面為密 封裝置的關(guān)鍵部位，直接決定整個(gè)機(jī)累的使用性能。動(dòng)、靜密封環(huán)接觸面在長(zhǎng)時(shí)間的高速、 高壓強(qiáng)和惡劣介質(zhì)環(huán)境中對(duì)磨時(shí)，極易遭受快速的磨損失效。采用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金或碳化娃/ 氮化娃陶瓷材料制造的機(jī)械密封環(huán)在許多惡劣工況下的耐磨損性能都難W達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定 的使用要求，使用壽命較短，嚴(yán)重影響機(jī)累設(shè)備的正常運(yùn)行和增加設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。因此，綜 合考慮制造成本和使用壽命性?xún)r(jià)比，應(yīng)在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上采用硬度、耐磨性更高的超硬涂 層材料?；瘜W(xué)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(qiáng)、表面化學(xué)惰性高，W及與許多工程材料間弱粘附性等優(yōu) 異的機(jī)械及摩擦學(xué)性能。W1975年前蘇聯(lián)的Derjaguin和Fedoseev提出在硬質(zhì)基體上采用 CVD法沉積金剛石的設(shè)想、1982年日本的Mats皿OtO、Se化ka等學(xué)者采用HFCVD法成功沉積金 剛石薄膜為開(kāi)端，近=十年來(lái)世界各地的研究者掀起了金剛石薄膜沉積原理及其應(yīng)用研究 的熱潮。由于熱絲化學(xué)氣相沉積化Ot Filament CVD，HFCVD)法制備金剛石薄膜具有設(shè)備簡(jiǎn) 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(diǎn)，現(xiàn)已在工業(yè)領(lǐng)域 得到了最普遍的應(yīng)用。
[0004] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專(zhuān)利化S2009/0060408rDiamond coated bearing or seal structure and fluid machine comprising the same"公開(kāi)了金巧。石 涂層密封環(huán)的沉積制備方法，但較少設(shè)及密封沉積金剛石薄膜前的預(yù)處理方法。申請(qǐng)?zhí)枮?CN102097574A的專(zhuān)利"具有提高的跑合特性的密封環(huán)"記載了在機(jī)械密封環(huán)表面涂覆獨(dú)特 的金剛石涂層和潤(rùn)滑涂層組成的復(fù)合涂層來(lái)提升機(jī)械密封環(huán)的跑合特性。專(zhuān)利對(duì)金剛石薄 膜和潤(rùn)滑涂層的厚度比例做了詳細(xì)介紹;但是，該專(zhuān)利對(duì)于金剛石薄膜涂層前的預(yù)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(shè)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(zhǎng)的勢(shì)能低點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)金剛石顆粒與基體顆粒間的機(jī)械咬合作 用。
[0006] 對(duì)于硬質(zhì)合金而言，由于硬質(zhì)合金材料中作為粘結(jié)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(guò)程中會(huì)導(dǎo)致薄膜與基體的交界面處形成大量石墨及無(wú)定 型碳成分，顯著降低薄膜與基體之間的附著強(qiáng)度。因此硬質(zhì)合金的預(yù)處理需要完成對(duì)基體 表面的粗化和表層去鉆兩方面的處理?，F(xiàn)今國(guó)際上通用的方式是采用酸堿兩步法對(duì)硬質(zhì)合 金進(jìn)行預(yù)處理，但經(jīng)過(guò)酸堿兩步法預(yù)處理后的硬質(zhì)合金基體表面會(huì)留存一層損傷過(guò)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(zhì)合金、碳化娃/氮化娃陶瓷基體的預(yù)處理流程中，人為研磨粗化基體工作表 面是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)耗力的工作，傳統(tǒng)方法均采用薩有金剛石研磨液的細(xì)晶粒砂紙手工打磨密封 環(huán)工作表面。但運(yùn)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(lái)提 升密封環(huán)預(yù)處理的效率和工藝穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對(duì)硬質(zhì)合金或陶瓷機(jī)械密封環(huán)的預(yù)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(shù)缺陷，開(kāi)發(fā)一種快速的金剛石涂層 機(jī)械密封環(huán)批量化預(yù)處理方法。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 一種金剛石涂層機(jī)械密封環(huán)的批量化預(yù)處理方法，其特征為，W酸堿預(yù)處理的硬 質(zhì)合金機(jī)械密封環(huán)或未處理的碳化娃/氮化娃陶瓷機(jī)械密封環(huán)為基體，通過(guò)密封環(huán)批量預(yù) 處理裝置，采用石英砂高壓氣流對(duì)上述密封環(huán)工作表面進(jìn)行沖蝕粗化，完成密封環(huán)的預(yù)處 理；
[0011] 所述的密封環(huán)批量預(yù)處理裝置包括:一個(gè)底部帶有移動(dòng)齒條的操作平臺(tái)位于支架 下方，傳輸齒輪與一傳輸電機(jī)相連并與移動(dòng)齒條曬合;支架頂部裝有一臺(tái)帶動(dòng)大旋轉(zhuǎn)齒輪 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，大旋轉(zhuǎn)齒輪與8個(gè)小旋轉(zhuǎn)齒輪曬合，在每個(gè)小旋轉(zhuǎn)齒輪上設(shè)有不同軸向位置的 定位孔，帶有噴頭的高壓氣流導(dǎo)管固定在定位孔中，高壓氣流導(dǎo)管與操作平臺(tái)垂直;操作平 臺(tái)上設(shè)有8個(gè)周向排列的圓柱形密封環(huán)凹槽，當(dāng)密封環(huán)凹槽隨移動(dòng)齒條移動(dòng)至噴砂粗化區(qū) 時(shí)，密封環(huán)凹槽的圓屯、與小旋轉(zhuǎn)齒輪中屯、同軸；
[0012] 密封環(huán)的預(yù)處理步驟為：將酸堿預(yù)處理的硬質(zhì)合金機(jī)械密封環(huán)或未處理的碳化 娃/氮化娃陶瓷機(jī)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(jī)帶動(dòng)下進(jìn)入噴砂粗化區(qū)；開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)，帶動(dòng)大、小旋轉(zhuǎn)齒輪，噴頭繞密封環(huán)中 屯、周向旋轉(zhuǎn)一周，使含有石英砂的高壓氣流通過(guò)噴頭完成對(duì)密封環(huán)工作表面的噴砂粗化處 理;處理過(guò)的密封環(huán)經(jīng)過(guò)純凈水和丙酬的超聲清洗去除基體表面雜質(zhì)；
[0013] 其中，大旋轉(zhuǎn)齒輪的自轉(zhuǎn)速度為0.32~0.4r/s，對(duì)應(yīng)的小齒輪自轉(zhuǎn)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(yù)處理為：首先，將密封環(huán)的硬質(zhì)合金襯底浸泡在Murakami溶液中進(jìn) 行30分鐘超聲清洗，使硬質(zhì)合金表層的碳化鶴(WC)顆粒碎裂，并導(dǎo)致基體表面粗化;隨后， 將硬質(zhì)合金基體浸泡在化ro混合酸溶液中進(jìn)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(zhì)合金為鶴鉆類(lèi)硬質(zhì)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(zhì)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(jī)械密封環(huán)的工作圓環(huán)中屯、線(xiàn)直徑范圍為35~80mm，工作圓環(huán)的徑向?qū)?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(zhì)合金、碳化娃/氮化娃機(jī)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(zhǎng)的勢(shì)能低點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)金剛石顆粒與基體顆 粒間的機(jī)械咬合作用。
[0021] 對(duì)于硬質(zhì)合金而言，由于硬質(zhì)合金材料中作為粘結(jié)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(guò)程中會(huì)導(dǎo)致薄膜與基體的交界面處形成大量石墨及無(wú)定 型碳成分，顯著降低薄膜與基體之間的附著強(qiáng)度。在研磨粗化硬質(zhì)合金基體前，需對(duì)硬質(zhì)合 金基體進(jìn)行酸堿兩步法預(yù)處理，W去除硬質(zhì)合金基體表面的鉆元素和粗化表面。
[0022] 酸堿預(yù)處理后的硬質(zhì)合金基體表面留存一層損傷過(guò)的碳化物顆粒疏松層，因此仍 需進(jìn)行噴砂粗化W去除表層疏松層。碳化娃/氮化娃基體無(wú)需前處理，可直接進(jìn)行噴砂粗化 預(yù)處理。機(jī)械密封環(huán)噴砂粗化處理在機(jī)械密封環(huán)批量化預(yù)處理裝置上進(jìn)行，該裝置的工作 原理為含有石英砂的高壓氣流通過(guò)噴頭對(duì)密封環(huán)工作表面進(jìn)行噴砂粗化，并通過(guò)高壓噴頭 的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和放置密封環(huán)的操作平臺(tái)自動(dòng)平移完成8只密封環(huán)的同時(shí)處理和自動(dòng)送料過(guò) 程，預(yù)處理效率較手工研磨處理效率大大提高。
[0023] 相對(duì)應(yīng)的，手工研磨粗化機(jī)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：