一种阀门密封件表面的复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种阀门密封件表面的复合涂层，该涂层以阀门密封件为基体，是由基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层、Cr2N层、由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层，以及CrN层组成的。与现有的单一结构的CrN涂层相比，本发明专利技术采用多层梯度的复合涂层提高了涂层的承载抗磨能力与耐腐蚀性能。另外，本发明专利技术采用多弧离子镀技术制备该复合涂层，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积得到各层，制备方法简单易行，可实现批量生产，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种阀门密封件表面的复合涂层，该涂层以阀门密封件为基体，是由基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层、Cr2N层、由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层，以及CrN层组成的。与现有的单一结构的CrN涂层相比，本专利技术采用多层梯度的复合涂层提高了涂层的承载抗磨能力与耐腐蚀性能。另外，本专利技术采用多弧离子镀技术制备该复合涂层，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积得到各层，制备方法简单易行，可实现批量生产，具有良好的应用前景。【专利说明】
本专利技术属于机械零部件表面强化处理
，具体涉及。
技术介绍
阀门广泛应用在石油、化工和电站建设等项目。阀门密封件是阀门的一个重要部件。在实际应用中，要求阀门密封件使用寿命长，最少能保证在一个检修期内(一般I?2年)阀门不损坏，以保证整个系统安全正常的运行。例如，用于核电站的阀门密封件要求更高，必须保证安全运行30年以上；有些石油化工管道特殊部位对阀门密封件的要求也很高，必须保证安全开关10万次以上。另外，阀门在使用过程中，其密封件长期处于介质中，受到介质的腐蚀和冲刷，同时还存在着密封比压作用下的密封副之间的摩擦和磨损，因此工况条件相当苛刻。为提高密封件抗腐蚀、抗热和抗擦伤等性能，一般将堆焊、热喷涂等表面处理技术应用在阀门密封件中。但由于堆焊和热喷涂获得的保护层孔隙率较高，腐蚀介质容易通过针孔和裂纹等贯穿涂层而导致涂层的整体剥落，引起密封失效。目前，利用PVD技术制备的CrN涂层是耐磨部件主要采用的防护涂层。然而，传统的具有柱状晶结构的CrN涂层在腐蚀介质中容易腐蚀脱落，并且涂层脆性较大，在接触应力作用下，涂层缺陷(微凸、微坑、应力集中处等)处易于萌生裂纹，导致涂层早期非正常剥落和加速疲劳磨损失效。因此，传统单一的CrN涂层已难以适应当前和未来高机械负荷和腐蚀环境中阀门密封件的苛刻工况服役环境和性能要求，如重载下的低摩擦、长寿命和耐蚀性等。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是针对上述现有的阀门密封件表面涂层的不足，提供一种阀门密封件表面的复合涂层，该复合涂层具有较高的耐磨损性能与耐腐蚀性能。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案:一种阀门密封件表面的复合涂层，该涂层以阀门密封件为基体，如图1所示，该涂层由基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层、Cr2N层、由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层，以及CrN层组成。作为优选，所述的复合梯度涂层的厚度为30 μ m?50 μ m。作为优选，所述的Cr层的厚度为Ium?2um ;所述的Cr/Cr2N层的厚度为8um?12um ;所述的Cr2N层的厚度为8um?12um ;所述的Cr2N/CrN层的厚度为8um?12um ;所述的Cr2N层的厚度为8um?12um。为了提高基体的硬度，作为优选，所述的基体表面首先进行离子渗氮处理。本专利技术还提供了一种制备上述阀门密封件表面的复合涂层的方法，该方法采用多弧离子镀技术，具体包括如下步骤:步骤1、对基体表面进行清洗、除油、表面活化处理；作为优选，利用超声波对基体表面进行超声清洗；作为优选，所述的表面活化处理为:将基体置于镀膜设备真空腔体利用氩等离子体对施加负偏压的基体表面轰击活化。进一步优选，所述的真空腔体抽真空至(3?6)父10_如1，将基体预热至4001:?4501:，通入工作氩气100?350sccm，启动偏压电源，以-900?-1200V偏压轰击基体10分钟，使基体表面活化；步骤2、将步骤I处理后的基体置于镀膜设备真空腔体中，选用Cr靶，Cr靶电流为50?100A，工件上施加-20?-50V负偏压，控制加热温度为400°C?450°C，通入氩气和氮气，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积Cr层、由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层、Cr2N层、由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层，以及CrN层组成，具体如下:(I) IS气流量保持为IOOsccm?200sccm,氮气流量为Osccm,沉积I小时?2小时，得到Cr层；(2)気气流量保持为IOOsccm?200sccm,氮气流量为20sccm?30sccm,沉积时间为8小时?12小时，得到由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层；(3)気气流量保持为IOOsccm?200sccm,氮气流量为45sccm?50sccm,沉积时间为8小时?12小时，得到Cr2N层；(4) IS气流量保持为IOOsccm?200sccm,氮气流量为75sccm?125sccm,沉积时间为8小时?12小时，得到由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层；(5)気气流量保持为O?IOOsccm,氮气流量为200sccm?400sccm,沉积时间为8小时?12小时，得到CrN层；作为优选，所述的真空装置中设置两组Cr靶，每组为上中下垂直安置的三个Cr靶；作为优选,所述的氮气选用高纯度99.95%氮气；步骤3、待涂层沉积完毕后，在真空环境下冷却至220°C以下，然后在氮气保护气氛下冷却至100°C以下，最后放气至大气压，开腔出炉，即在基体表面获得复合涂层。为了提高基体自身的硬度，为后续的复合涂层提供高硬度的基体，作为优选，在所述的步骤I后进行基体表面离子渗氮处理，使基体表面获得高硬度的渗氮层，然后进行步骤2。进一步优选，该渗氮处理具体为:将步骤I处理后的基体置于镀膜设备真空腔体，通入氮气流量为1000?1200sccm，工作气压控制在8?10Pa，基体施加-800?-1000V负偏压，温度控制在450?500°C，渗氮处理时间为2?4小时。综上所述，本专利技术将阀门密封件基体表面的涂层设计为多层成分梯度变化的复合涂层结构，与现有的PVD技术制备的单一 CrN涂层相比，具有如下有益效果:(I)采用多层梯度的涂层结构，将涂层成分由Cr经Cr2N逐渐向CrN过渡，不仅减小了涂层晶粒尺寸和晶格中的残余应力，提闻了薄I旲的沉积厚度，从而大幅提闻了涂层的承载抗磨能力；而且形成了多相纳米晶-非晶复合结构，打断了单一的晶向生长，能够有效防止腐蚀介质贯穿涂层引起涂层失效和剥落，提高了涂层的耐腐蚀性能。(2)另外，本专利技术采用多弧离子镀技术制备该复合涂层，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积得到Cr层、Cr/Cr2N层、Cr2N层、Cr2N/CrN层，以及CrN层，与现有的PVD技术制备的单一 CrN涂层相比，该制备方法简单易行，可实现批量生产，能够得到耐磨损、耐腐蚀和抗接触疲劳特性的超厚梯度复合涂层。作为优选，与离子渗氮技术相结合后，能够进一步强化基体硬度，得到高硬度、耐磨损、耐腐蚀和抗接触疲劳特性的超厚梯度复合涂层。因此，本专利技术的复合涂层能够满足恶劣工况条件下对阀门密封件的高性能要求，在高精度水气输送系统装备、石油化工管道以及核电站设备等中具有良好的应用前景。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术阀门密封件表面的复合涂层的组成结构示意图；图2至图8是本专利技术实施例1采用不同氮气流量生成的涂层1-7的截面形貌；图9是本专利技术实施例1中制得的涂层1-7的XRD谱图；图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阀门密封件表面的复合涂层，该涂层以阀门密封件为基体，其特征是：所述的复合涂层由基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、由Cr与Cr2N混合形成的Cr/Cr2N层、Cr2N层、由Cr2N与CrN混合形成的Cr2N/CrN层，以及CrN层组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，单磊，李金龙，陈建敏，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：