CN221003770U - 一种具有复合薄膜结构的机械密封环 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有复合薄膜结构的机械密封环，包括密封环本体，所述密封环本体上由内至外依次镀覆有硅打底层、Al‑Ti‑Si‑N层和周期复合层，所述周期复合层包括若干层叠的双功能层单元，所述双功能层单元为由内至外层叠的ta‑C层和a‑C:H层，所述双功能层单元的数量不少于100，所述周期复合层的厚度为10～100微米。本实用新型可提升密封环干磨高温炸裂的时间，提升密封环使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种密封环，特别是涉及一种具有复合薄膜结构的机械密封环。
背景技术
机械密封环(又称端面密封)是指由至少一对垂直于旋转轴线端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用下以及辅助密封的配合下，该对端面保持贴合且相对滑动所构成的防止流体泄漏的装置。
在机械环密封工作时，由密封流体压力和弹性元件等引起的闭合力，使动环和静环相互贴合，它们俩始终保持着相对运动，并且两端面间的间隙里维持一层极薄的液膜。一旦在密封装置内没有流体通过的时候，动环和静环持续保持着高速摩擦运动，摩擦导致高的热量产生。
一般密封环材料有碳化硅、硬质合金、石墨等等，碳化硅和硬质合金虽然有一定的硬度，但是摩擦系数很低，摩擦热量积聚到一定程度无法释放出去，从而导致动环和静环耐不住高温而在短时间内炸裂，此时的密封性能就无法保证。石墨虽然润滑，导热性能也不错，但是它的硬度太低，无法提升环片的使用寿命。
实用新型内容
针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种具有复合薄膜结构的机械密封环，提升表面硬度及密封环表面导热能力，降低摩擦系数，解决密封环干磨快速高温炸裂问题，提升使用寿命。
本实用新型技术方案如下：一种具有复合薄膜结构的机械密封环，包括密封环本体，所述密封环本体上由内至外依次镀覆有硅打底层、Al-Ti-Si-N层和周期复合层，所述周期复合层包括若干层叠的双功能层单元，所述双功能层单元为由内至外层叠的ta-C层和a-C:H层，所述双功能层单元的数量不少于100，所述周期复合层的厚度为10～100微米。
进一步地，所述硅打底层的厚度为1000～2000纳米。
进一步地，所述Al-Ti-Si-N层的厚度为5～10微米，所述Al-Ti-Si-N层的硬度为1500～2200HV。
进一步地，所述ta-C层的厚度为5～200纳米，所述ta-C层的硬度为5200～6500HV，摩擦系数为0.1～0.2，优选的厚度为5～20纳米。
进一步地，所述a-C:H层的厚度为5～200纳米，所述a-C:H层的硬度为2000～2500HV，摩擦系数为0.05～0.1，优选的厚度为5～20纳米。
进一步地，所述密封环本体的材质为碳化硅、反应碳化硅、硬质合金或石墨。
本实用新型在硅打底层上设置Al-Ti-Si-N层作为支撑层，在较软的基层材料与较硬的周期复合层之间形成过渡层，构成镀膜的硬度梯度来调和不同材料和不同的硬度带来的结合力不良的情况，另外Al-Ti-Si-N层也有利于阻隔腐蚀性材料向硅打底层的扩散。周期复合层的多周期结构使得单层薄膜材料的内应力较低，双功能层的结构有效地抑制位错的产生。
ta-C层的具有超高的硬度，可以大大地增强密封环使用寿命，而a-C:H层的摩擦系数比ta-C层更低，它在最表层可以起到更好的润滑作用。它们两种材料组合在一起既能达到高耐磨，又能达到高润滑的作用，同是还具有耐高温的性能。与现有技术的碳化物热喷涂相比，本实用新型所提供的技术方案的优点在于：可将密封环干磨出现高温炸裂的时间从几分钟最多提升至5小时。
附图说明
图1是具有复合薄膜结构的机械密封环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
请结合图1所示，实施例涉及的具有复合薄膜结构的机械密封环通过以下步骤制得：
首先对碳化硅密封环本体1进行清洗，利用超声波清洗机以及有机溶液(丙酮、酒精)对密封环本体1进行清洁，清洗完成后在80～90℃下进行干燥。
在碳化硅密封环本体1先镀一层硅打底层2，然后采用非平衡磁控溅射在硅打底层2表面制备Al-Ti-Si-N层3，接着采用电弧蒸发工艺在Al-Ti-Si-N层3表面制备ta-C层401a，再采用等离子体增强的化学气相沉积工艺在ta-C层401a表面制备a-C:H层401b。由层叠的ta-C层和a-C:H层构成一个双功能层单元401，按设计的双功能层单元401数量，重复采用电弧蒸发工艺和等离子体增强的化学气相沉积工艺制备双功能层单元401构成周期复合层4，最终在机械密封环的最外层为a-C:H层401b。
实施例1的具有复合薄膜结构的机械密封环的参数为：
硅打底层厚度为1000纳米，硬度为500HV；选用硅靶(纯度99.999％)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺把硅原子沉积到工件表面，工艺参数如下：通过氩气流量200～300sccm、磁控溅射靶材功率设定为5～5.5kW、加载偏压电压100～150V、炉内温度300～350℃、线圈电流2～3A、镀膜时间300秒。
Al-Ti-Si-N层厚度为5微米，硬度为1500HV；选用固体铝钛靶(Al/Ti：67/33)和钛硅靶(Ti/Si：85/15)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺在硅打底层上面沉积薄膜，工艺参数如下：通过氩气流量150～250sccm、磁控溅射靶材功率设定为8～9kW、偏压电压80～120V、炉内温度450～500℃、线圈电流5～6A、镀膜时间350分钟。
ta-C层厚度为5纳米，硬度为5200HV，摩擦系数0.1；a-C:H层厚度为5纳米，硬度为2000HV，摩擦系数0.05；周期复合层总厚度为10微米。此薄膜材料是通过两种不同的材料交替沉积形成，先沉积ta-C纳米厚度，随后沉积a-C:H，此双层材料需要经过若干重叠审计才能实现最终的10微米厚度。ta-C膜层的制备工艺和参数如下：选用固体石墨靶(纯度99.99％)作为原材料，通过真空电弧蒸发工艺来实现，石墨靶蒸发电流60～70A，靶材线圈电流2～3A，通入氩气流量200～250sccm，偏压电压300～350V。制备a-C:H选用乙炔(C2H2)气体作为原材料，通入流量250～300sccm，通入氩气(50～75sccm)作为辅助，偏压电压1000～1200V，脉冲频率40kHz，占空比70％。
实施例2的具有复合薄膜结构的机械密封环的参数为：
硅打底层厚度为1000纳米，硬度为500HV；选用硅靶(纯度99.999％)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺把硅原子沉积到工件表面，工艺参数如下：通过氩气流量200～300sccm、磁控溅射靶材功率设定为5～5.5kW、偏压电压100～150V、炉内温度300～350℃、线圈电流2～3A、镀膜时间300秒。
Al-Ti-Si-N层厚度为5微米，硬度为1500HV；选用固体铝钛靶(Al/Ti：67/33)和钛硅靶(Ti/Si：85/15)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺在硅打底层上面沉积薄膜，工艺参数如下：通过氩气流量150～250sccm、磁控溅射靶材功率设定为8～9kW、偏压电压80～120V、炉内温度450～500℃、线圈电流5～6A、镀膜时间350分钟。
ta-C层厚度为10纳米，硬度为5200HV，摩擦系数0.1；a-C:H层厚度为10纳米，硬度为2000HV，摩擦系数0.05；周期复合层总厚度为10微米。ta-C膜层的制备工艺和参数如下：选用固体石墨靶(纯度99.99％)作为原材料，通过真空电弧蒸发工艺来实现，石墨靶蒸发电流60～70A，靶材线圈电流2～3A，通入氩气流量200～250sccm，偏压电压300～350V。制备a-C:H选用乙炔(C2H2)气体作为原材料，通入流量250～300sccm，通入氩气(50～75sccm)作为辅助，偏压电压800～1000V，脉冲频率40kHz，占空比70％。
实施例3的具有复合薄膜结构的机械密封环的参数为：
硅打底层厚度为1000纳米，硬度为500HV；选用硅靶(纯度99.999％)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺把硅原子沉积到工件表面，工艺参数如下：通过氩气流量200～300sccm、磁控溅射靶材功率设定为5～5.5kW、偏压电压100～150V、炉内温度300～350℃、线圈电流2～3A、镀膜时间300秒。
Al-Ti-Si-N层厚度为5微米，硬度为1500HV；选用固体铝钛靶(Al/Ti：67/33)和钛硅靶(Ti/Si：85/15)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺在硅打底层上面沉积薄膜，工艺参数如下：通过氩气流量150～250sccm、磁控溅射靶材功率设定为8～9kW、偏压电压80～120V、炉内温度450～500℃、线圈电流5～6A、镀膜时间350分钟。
ta-C层厚度为20纳米，硬度为5200HV，摩擦系数0.1；a-C:H层厚度为20纳米，硬度为2000HV，摩擦系数0.05；周期复合层总厚度为10微米。ta-C膜层的制备工艺和参数如下：选用固体石墨靶(纯度99.99％)作为原材料，通过真空电弧蒸发工艺来实现，石墨靶蒸发电流60～70A，靶材线圈电流2～3A，通入氩气流量200～250sccm，偏压电压300～350V。制备a-C:H选用乙炔(C2H2)气体作为原材料，通入流量250～300sccm，通入氩气(50～75sccm)作为辅助，偏压电压800～1000V，脉冲频率40kHz，占空比70％。
实施例4的具有复合薄膜结构的机械密封环的参数为：
硅打底层厚度为1500纳米，硬度为700HV；选用硅靶(纯度99.999％)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺把硅原子沉积到工件表面，工艺参数如下：通过氩气流量200～300sccm、磁控溅射靶材功率设定为5～5.5kW、偏压电压200～250V、炉内温度300～350℃、线圈电流2～3A、镀膜时间500秒。
Al-Ti-Si-N层厚度为8微米，硬度为2000HV；选用固体铝钛靶(Al/Ti：67/33)和钛硅靶(Ti/Si：85/15)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺在硅打底层上面沉积薄膜，工艺参数如下：通过氩气流量150～250sccm、磁控溅射靶材功率设定为9～10kW、偏压电压120～150V、炉内温度450～500℃、线圈电流5～6A、镀膜时间550分钟。
ta-C层厚度为100纳米，硬度为6000HV，摩擦系数0.2；a-C:H层厚度为10纳米，硬度为2200HV，摩擦系数0.1；周期复合层总厚度为50微米。ta-C膜层的制备工艺和参数如下：选用固体石墨靶(纯度99.99％)作为原材料，通过真空电弧蒸发工艺来实现，石墨靶蒸发电流58-62A，靶材线圈电流2-3A，通入氩气流量150～200sccm，偏压电压250～300V。制备a-C:H选用乙炔(C2H2)气体作为原材料，通入流量150～200sccm，通入氩气(50～75sccm)作为辅助，偏压电压1000～1200V，脉冲频率40kHz，占空比70％。
实施例5的具有复合薄膜结构的机械密封环的参数为：
硅打底层厚度为2000纳米，硬度为900HV；选用硅靶(纯度99.999％)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺把硅原子沉积到工件表面，工艺参数如下：通过氩气流量200～300sccm、磁控溅射靶材功率设定为5～5.5kW、偏压电压300～350V、炉内温度300～350℃、线圈电流2～3A、镀膜时间700秒。
Al-Ti-Si-N层厚度为10微米，硬度为2200HV；选用固体铝钛靶(Al/Ti：67/33)和钛硅靶(Ti/Si：85/15)作为原材料，通过非平衡磁控溅射工艺在硅打底层上面沉积薄膜，工艺参数如下：通过氩气流量150～250sccm、磁控溅射靶材功率设定为9～10kW、偏压电压130～180V、炉内温度450～500℃、线圈电流5～6A、镀膜时间750分钟。
ta-C层厚度为200纳米，硬度为6500HV，摩擦系数0.2；a-C:H层厚度为5纳米，硬度为2500HV，摩擦系数0.1；周期复合层总厚度为100微米。ta-C膜层的制备工艺和参数如下：选用固体石墨靶(纯度99.99％)作为原材料，通过真空电弧蒸发工艺来实现，石墨靶蒸发电流50～55A，靶材线圈电流2～3A，通入氩气流量100～150sccm，偏压电压220～250V。制备a-C:H选用乙炔(C2H2)气体作为原材料，通入流量125～150sccm，通入氩气(50～75sccm)作为辅助，偏压电压1300～1400V，脉冲频率40kHz，占空比70％。
另外应当说明的是，本实用新型的机械密封环的密封环本体材质可以根据具体使用场景的要求选择碳化硅、反应碳化硅、硬质合金或石墨。
对上述各实施例进行高温干磨测试，使用球磨的方式(研磨球的直径20mm、转速2000U/min)，研磨时间固定在12个小时，然后测量球坑的最大直径，球坑的最大直径越大说明膜层越不耐磨。
结果如下：
| 球坑最大测量直径 | |
| 实施例1 | 525微米 |
| 实施例2 | 588微米 |
| 实施例3 | 643微米 |
| 实施例4 | 260微米 |
| 实施例5 | 198微米 |
Claims (8)
1.一种具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，包括密封环本体，所述密封环本体上由内至外依次镀覆有硅打底层、Al-Ti-Si-N层和周期复合层，所述周期复合层包括若干层叠的双功能层单元，所述双功能层单元为由内至外层叠的ta-C层和a-C:H层，所述双功能层单元的数量不少于100，所述周期复合层的厚度为10～100微米。
2.根据权利要求1所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述硅打底层的厚度为1000～2000纳米。
3.根据权利要求1所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述Al-Ti-Si-N层的厚度为5～10微米，所述Al-Ti-Si-N层的硬度为1500～2200 HV。
4.根据权利要求1所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述ta-C层的厚度为5～200纳米，所述ta-C层的硬度为5200～6500HV，摩擦系数为0.1～0.2。
5.根据权利要求4所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述ta-C层的厚度为5～20纳米。
6.根据权利要求1所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述a-C:H层的厚度为5～200纳米，所述a-C:H层的硬度为2000～2500HV，摩擦系数为0.05～0.1。
7.根据权利要求6所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述a-C:H层的厚度为5～20纳米。
8.根据权利要求1所述的具有复合薄膜结构的机械密封环，其特征在于，所述密封环本体的材质为碳化硅、反应碳化硅、硬质合金或石墨。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |