专利名称：机械密封用自适应类石墨碳基薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应类石墨碳基薄膜材料及其制备方法，具体说是在机械陶瓷 密封件表面获得类石墨碳基自润滑薄膜，属表面处理领域。
背景技术：
为了降低或减少各种机械密封摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪 声、可靠性差和寿命短等问题，在机械密封关键零部件的制造中，摩擦副表面薄膜技术逐渐 成为改善机械密封系统使役性能的重要途径。变工况环境(频繁起停、低速/高速、边界润 滑/近-干摩擦等)是现代机械密封系统运行的主要特点，也是制约其寿命和可靠性的关 键问题之一。随着现代机械密封系统向高效节能、工况多元化、超长服役寿命要求等发展， 其表面薄膜加工技术正在面临以下两个方面的发展趋势①要求表面薄膜具有超高硬度、 超高韧性以及超低摩擦与优异抗磨性能；②要求表面薄膜具有一定的变工况环境自适应特 性和边界润滑条件下优异的自润滑特性。其中表面碳基薄膜(如金刚石薄膜、类金刚石薄 膜、类石墨薄膜等)在流体中显示出优异的减摩抗磨和耐蚀性能而受到普遍重视。在机械 密封件表面碳基薄膜加工方面，目前仅有专利CN101133184A采用化学气相沉积技术在机 械密封件或轴承表面镀覆金刚石膜，然而存在成本高、膜层表面粗糙、超高硬度金刚石膜抛 光难度大等缺点。类石墨碳薄膜是最新发展起来的一种新型固体润滑材料，具有光滑平整、高硬度、 低摩擦和长寿命等优点，是陶瓷密封件表面改性的理想材料。陶瓷密封件和滑动轴承的优 势在于其高耐磨性和在潮湿或化学腐蚀环境中的低摩擦系数。但在干燥运转和润滑不足条 件下，这些元件的工作性能却无法满足要求。如果能够在陶瓷密封件表面镀覆高硬度类石 墨薄膜，将会显著提高其在变工况环境(频繁起停、低速/高速、边界润滑/近-干摩擦等) 下的可靠寿命，使得其在混合摩擦条件和干燥运转下获得稳定的低摩擦并表面出一定的多 环境自适应特性。目前国内还未见将自适应类石墨碳薄膜用于密封陶瓷件自润滑改性的相 关专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬度、高耐磨和在干摩擦或水润滑状态下具有减摩自 润滑性能的机械密封件表面自适应薄膜及其表面加工方法，以此来改善陶瓷机械密封件在 变工况如初期磨合、频繁启停、低速/高速、以及短期过载等导致的可靠性差等问题。为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种机械密封用自适应类石墨碳基薄膜材料，依次由基体材料、厚度为0. 1 0. 2 微米的底层粘接层和厚度为1. 5 2. 5微米的类石墨碳表层构成；所述的基体材料选自硬 质合金、碳化硅和氮化硅陶瓷中的一种，所述的底层粘接层为Ti或Si ；所述的类石墨碳表 层中的类石墨的C-C结构中的sp2键含量为60 80%，属于典型的无氢类石墨碳结构。机械密封用自适应类石墨碳基薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法步骤为(1)等离子溅射清洗基材，将基体材料置于磁控溅射气相沉积系统中，进行氩等离子体溅射 清洗，氩气气体流量为50 70sccm，偏压为800 1000V，处理时间为30 40min ； (2)磁 控溅射沉积Ti或Si粘接层，金属Ti靶或Si靶为阴极，工作气体为氩气，控制电源功率为 300 500W，偏压为-300V，处理时间为30 50min ； (3)磁控溅射沉积类石墨碳膜，沉积 过程中，真空室的本底真空为5X 10-4 ，放电气压为0. 5Pa，高纯石墨靶为阴极，靶电流为 1 1. 2A，底材施加偏压300 500V，沉积时间120 150min，最后在基体材料表面获得高 硬度自适应类石墨碳基薄膜材料。采用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪和高分辨投射电子显微镜(HRTEM)对本发明 所制备的类石墨碳薄膜进行测试，类石墨碳表层中的类石墨的C-C结构中的sp2键含量为 60 80%，属于典型的无氢类石墨碳结构。HRTEM分析表明其结构为在非晶碳基质中弥 散分布有许多颗粒尺寸在3-8nm的纳米石墨团簇和金刚石颗粒，这是导致薄膜高硬度的主 要原因(25GPa)。对实施例中所制备的高硬度类石墨碳基薄膜分别在大气(HR = 30士5% )和水 中进行球盘式往复摩擦磨损测试(如表1)结果显示该薄膜材料在干摩擦条件下，摩擦系 数可稳定在0. 06左右，水润滑条件下其摩擦系数可达0. 04。与未镀膜的陶瓷基体氮化硅、 碳化硅以及硬质合金相比，本发明获得的高硬度类石墨碳基薄膜的耐磨性提高1-2个数量 级，其在干摩擦和水润滑下的摩擦系数和磨损率均差别不大，表明其在变工况环境下具有 优异的低摩擦和稳定固体润滑特性，凸显出一定的多环境摩擦磨损自适应特性。本发明高 硬度类石墨碳基薄膜材料具有优异的变工况自润滑行为(干摩擦/水环境)和高耐磨特 性，可用于陶瓷机械密封件如密封环、轴套以及水润滑陶瓷轴承等运动部件自润滑与延寿 处理。表 权利要求
1.一种机械密封用自适应类石墨碳基薄膜材料，依次由基体材料、厚度为0. 1 0. 2微 米的底层粘接层和厚度为1. 5 2. 5微米的类石墨碳表层构成；所述的基体材料选自硬质 合金、碳化硅和氮化硅陶瓷中的一种，所述的底层粘接层为Ti或Si ；所述的类石墨碳表层 中的类石墨的C-C结构中的sp2键含量为60 80%，属于典型的无氢类石墨碳结构。
2.如权利要求1所述的涂层的制备方法，其特征在于该方法步骤为(1)等离子溅射清 洗基材，将基体材料置于磁控溅射气相沉积系统中，进行氩等离子体溅射清洗，氩气气体流 量为50 70sccm，偏压为800 1000V，处理时间为30 40min ； (2)磁控溅射沉积Ti或 Si粘接层，金属Ti靶或Si靶为阴极，工作气体为氩气，控制电源功率为300 500W，偏压 为-300V，处理时间为30 50min ； (3)磁控溅射沉积类石墨碳膜，沉积过程中，真空室的本 底真空为5X 10-4 ，放电气压为0. 5Pa，高纯石墨靶为阴极，靶电流为1 1. 2A，底材施加 偏压300 500V，沉积时间120 150min，最后在基体材料表面获得高硬度自适应类石墨 碳基薄膜材料。
全文摘要
本发明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。材料依次由基体材料、厚度为0.1～0.2微米的底层粘接层和厚度为1.5～2.5微米的类石墨碳表层构成。本发明材料硬度高达25GPa，其磨损寿命比未镀膜基体提高2个多数量级，干摩擦和水润滑条件下摩擦系数均稳定在0.04～0.06，在变工况下具有稳定的低摩擦和多环境摩擦磨损自适应特性。可用于陶瓷机械密封件如密封环、轴套以及水润滑陶瓷轴承等运动部件自润滑与延寿处理。
文档编号C04B41/85GK102093081SQ200910117690
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者王永欣, 王立平, 薛群基 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所