密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及密封件表面处理技术领域，具体来说是一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法，包括由碳化硅制成的基底层，基底层上依次沉积有纯Zr结合层、类石墨基纳米多层膜，类石墨基纳米多层膜由类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成。本发明专利技术材料硬度可达26～28GPa，磨损率在3.11～3.25

Coating of graphite based nano multilayer film containing zirconium on the surface of sealing ring and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及密封件表面处理
，具体来说是一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]密封件外漏会造成工作介质的浪费，还会污染机器和环境，甚至引起机械操作失灵及设备人身事故；内漏则会引起液压系统容积效率急剧下降，达不到所需要的工作压力，甚至不能进行工作。另外，侵入系统中的微小灰尘颗粒，会引起或加剧液压元件摩擦副的磨损，进一步导致泄漏。在实际运行过程中，传统密封端面摩擦磨损严重、寿命较短，制约了密封制造业的发展，因此急需解决密封运动件机构的摩擦润滑问题。
[0003]目前，密封润滑技术的发展，一方面对极端苛刻环境和工况条件(如超高真空、高/低温、强辐射、强氧化介质和强腐蚀)下服役的高性能润滑材料提出了迫切的需求；另一方面由于机械摩擦副的种类繁多，结构复杂精密，运行工况差别很大，而且难以在线维护，使得其润滑材料的可靠性成为决定密封有效的关键之一。这些特殊性要求所采用的密封润滑材料与技术具有环境适应性和超长寿命等。
[0004]在机械密封件表面碳基薄膜加工方面，目前类石墨碳薄膜是最新发展起来的一种新型固体润滑材料，如公告号为CN102093081A的中国专利技术专利专利技术公开了一种机械密封用自适应类石墨碳基薄膜材料及其制备方法，薄膜材料由基体材料、底层粘接层和类石墨碳表层构成，该薄膜材料的底层粘接层为Ti或Si、表层为类石墨。虽然该薄膜材料具有稳定的低摩擦系数，但仍然存在机械强度和耐摩损性能难以满足当前密封摩擦端面运动件的摩擦润滑需求的问题。
[0005]因此，发展具有低摩擦系数、高机械强度、耐摩损的新型固体润滑薄膜材料与技术，将对改善密封摩擦端面运动件，尤其是以碳化硅为原料的密封环的润滑状态、解决制约密封润滑技术可靠性和寿命的瓶颈问题、发展长寿命密封件具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于如何提高固体润滑薄膜材料的机械强度和耐摩损性能，并确保其摩擦系数，进而延长密封摩擦端面运动件的使用寿命。
[0007]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0008]本专利技术一方面提供一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层，包括由碳化硅制成的基底层，所述基底层上依次沉积有纯Zr结合层、类石墨基纳米多层膜，所述类石墨基纳米多层膜由类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成。
[0009]有益效果：本专利技术中类石墨基纳米多层膜由类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成，其中类石墨/ZrC复合膜为过渡层，一方面，交叉结构使薄膜的界面清晰，薄膜生长比较致密，此时位错运动会受到层间界面的阻碍；另一方面，掺杂Zr原子进入非晶碳基质中增加了GLC膜的内应力，该内应力在粒子不断轰击下产生，是一种典型的压应力，该压应力
的提高增加了薄膜的内聚力，进而大大增加了薄膜的硬度。
[0010]掺杂Zr能够促进GLC膜石墨化，使得GLC膜中sp2结构增多，sp2结构中π键与对偶表面分子层的黏着力与sp3结构中的σ键相比要小很多，所以sp2结构的增多意味着石墨化程度提高，可以降低摩擦接触面间的摩擦阻力，但是掺杂Zr同时也会引起薄膜表面颗粒变大而使其粗糙度增大，摩擦对偶始终在比较粗糙的表面上运动，会增大摩擦阻力，而采用本申请类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成的类石墨基纳米多层膜，可有效降低磨损率的同时，还能确保小幅度降低薄膜的摩擦系数。
[0011]本专利技术的基底层与类石墨基纳米多层膜之间通过纯Zr结合层连接，含锆类石墨基纳米多层膜降低了涂层的内应力，有效地提高了层间的结合力，进一步改善了涂层的机械性能，以此在碳化硅基底表面得到耐磨性强、机械强度高、摩擦系数小的含锆类石墨基纳米多层膜的涂层，将对改善密封摩擦端面运动件的润滑状态、解决制约密封润滑技术可靠性和寿命的瓶颈问题、发展长寿命密封件具有十分重要的意义。
[0012]优选的，所述石墨/ZrC复合膜中ZrC的体积分数5～10％。
[0013]优选的，所述类石墨膜的C
‑
C结构中的sp2键含量为65～75％，属于无氢类石墨碳结构。
[0014]优选的，所述类石墨基纳米多层膜的厚度为2～4μm。
[0015]优选的，所述纯Zr结合层的厚度为100～120nm。
[0016]本专利技术另一方面提供一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层的制备方法，采用非平衡磁控溅射反复交叉沉积，包括以下步骤：
[0017]1)在四个垂直于水平面并相互呈90度方向安置两个纯石墨靶、一个金属Zr靶和一个由Zr与石墨拼合成的复合靶，其中将两个石墨靶间隔放置；在磁控溅射反应室内的转架台上，放置碳化硅基底，将转架台转速调整为4rpm，并将基底与靶材间的距离调整为9～11cm；
[0018]2)对磁控溅射反应室进行抽真空处理，并通入纯氩气，随后用Zr靶电流清洗靶材和碳化硅基底；
[0019]3)通入氩气，将氩气流量控制在30sccm，同时将基底温度控制在20℃，用2A的Zr靶电流、负偏压90～110V在基底上沉积得到纯Zr结合层；
[0020]4)然后通入氮气，将氮气流量控制在5.2sccm，关闭Zr靶电流，将复合靶的电流从0A逐渐上升到3A，石墨靶的电流从0A逐渐上升到2A，负偏压100～120V，溅射沉积得到类石墨/ZrC复合膜；然后用2A的石墨靶电流，负偏压65～80V，溅射沉积得到类石墨膜；
[0021]5)将复合靶电流保持在3A，石墨靶电流保持在2A，负偏压100～120V，再次溅射沉积得到类石墨/ZrC复合膜；用2A的石墨靶电流，负偏压65～80V，再次溅射沉积得到类石墨膜；
[0022]6)多次循环重复步骤5)的操作，得到类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成类石墨基纳米多层膜。
[0023]优选的，所述步骤2)中磁控溅射反应室的抽真空压强为4.0
×
10
‑3Pa，通入氩气的流量为35sccm。
[0024]优选的，所述步骤2)中Zr靶电流清洗的条件为0.3A的Zr靶电流、负偏压200V，清洗时间为20min。
[0025]优选的，所述步骤3)中纯Zr结合层的沉积时间为5～10min。
[0026]优选的，所述步骤4)、步骤5)中类石墨/ZrC复合膜、类石墨膜的溅射时间均为5～12min。
[0027]优选的，所述步骤3)、步骤4)、步骤5)中沉积纯Zr结合层和溅射类石墨基纳米多层膜时的基底温度均为100℃。
[0028]优选的，所述步骤6)的溅射总时间为200～480min。
[0029]有益效果：本专利技术采用非平衡磁控溅射法，先在碳化硅基底上沉积纯Zr结合层，再通过反复交叉的方式在纯Zr结合层上溅射沉积类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜，以此得到含锆类石墨基纳米多层膜，还可以通过控制沉积和溅射时间，以及负偏压大小来控制各层的厚度，具有操作简单、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层，其特征在于：包括由碳化硅制成的基底层，所述基底层上依次沉积有纯Zr结合层、类石墨基纳米多层膜，所述类石墨基纳米多层膜由类石墨/ZrC复合膜和类石墨膜相互交叉形成。2.根据权利要求1所述的一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层，其特征在于：所述类石墨/ZrC复合膜中ZrC的体积分数5～10％。3.根据权利要求1所述的一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层，其特征在于：所述类石墨膜的C
‑
C结构中的sp2键含量为65～75％，属于无氢类石墨碳结构。4.根据权利要求1所述的一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法，其特征在于：所述类石墨基纳米多层膜的厚度为2～4μm。5.根据权利要求1所述的一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层及其制备方法，其特征在于：所述纯Zr结合层的厚度为100～120nm。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的一种密封环表面含锆类石墨基纳米多层膜的涂层的制备方法，其特征在于：采用非平衡磁控溅射反复交叉沉积，包括以下步骤：1)在四个垂直于水平面并相互呈90度方向安置两个纯石墨靶、一个金属Zr靶和一个由Zr与石墨拼合成的复合靶，其中将两个石墨靶间隔放置；在磁控溅射反应室内的转架台上，放置碳化硅基底，将转架台转速调整为4rpm，并将基底与靶材间的距离调整为9～11cm；2)对磁控溅射反应室进行抽真空处理，并通入纯氩气，随后用Zr靶电流清洗靶材和碳化硅基底；3)通入氩气，将氩气流量控制在30sccm，同时将基底温度控制在20℃，用2A的Zr靶电流、负偏压90～110V在基底上沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东光，邹金鑫，周思维，罗来马，梁燕，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：