CN107541694A - 一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动密封环表面超音速火焰喷涂润滑抗磨涂层方法，包括如下工艺步骤:(1)喷涂前对动密封环表面进行预处理；(2)采用超音速火焰喷涂方法喷涂硬质合金与石墨复合涂层；(3)对喷涂后的动密封环进行热处理；(4)对动密封环表面的润滑抗磨涂层进行机械加工至表面平整光亮。采用本发明所述的超音速火焰喷涂润滑抗磨涂层的工艺方法制备的动密封环，具有较低的摩擦系数和较好的耐磨性，综合性能优异，能大大提高动密封环在高速、高载、腐蚀性等苛刻环境下的使用寿命。这项技术还具有成本低、操作简便、适用性强的优点，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于表面工程领域，尤其涉及动密封环表面的润滑、耐磨强化技术领域，特别是一种利用超音速技术在动密封环表面制备高质量润滑抗磨涂层的方法，。
背景技术
随着新材料技术、石油化工技术、航空航天技术的飞速发展，许多工作在苛刻环境(高速、高载、强腐蚀性环境)下的机械对动密封技术及动密封材料提出了越来越高的要求。高性能(低泄露、高参数、长寿命)的密封材料是密封技术的研究中的重要部分。然而，目前广泛使用的金属动密封环在使用过程中存在硬度低、不耐磨损、不耐腐蚀等缺点，导致动密封材料在苛刻的工作环境中发生严重的磨损和腐蚀等现象。另外，对于需要频繁启停的动密封部件，在启停阶段摩擦副产生较大的摩擦力和摩擦力力矩，导致摩擦副产生较大的磨损和机械动密封过早的失效，大大缩短了动密封部件的服役寿命。因此，要实现动密封部件在苛刻工况下的平稳高效的运行，需要对动密封环的表面进行润滑、耐磨强化处理。
近年来，随着超音速火焰喷涂工艺的研发，其制备的涂层性能产生了质的飞跃。超音速火焰喷涂(HVOF)是将气态或液态燃料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流用于喷涂。超音速喷枪结构独特，在燃烧室末端咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室的压力增加，通过该处的焰流获得数倍于音速的加速，由于能量集中，粉末粒子的动能大，速度快，粒子在空气中的飞行时间极短，被氧化的机会极少。再加上喷枪系统本身的温度不高，所以涂层中几乎没有氧化物，孔隙率也极低(小于2％)。涂层致密，剪切强度和结合强度高。超音速火焰喷涂制备的高硬度硬质合金涂层具有优异的耐磨和耐蚀性。如果能在动密封环表面喷涂硬质合金并复配固体润滑材料，从而获得润滑抗磨涂层，将能够大大延长动密封环在苛刻环境中的使用寿命。经检索，有关在动密封环表面通过超音速火焰喷涂润滑抗磨涂层的方法还未见报道，而如果需要通过超音速火焰喷涂技术在动密封环表面获得符合要求的涂层，需要对其中的喷涂粉末组成以及各项工艺步骤、条件参数进行创造性的研究试验，喷涂粉末的配方作为基础决定因素对最终涂层的获得起着至关重要的作用，而针对特定的喷涂粉末，其相应的喷涂方法及工艺参数的确定对涂层的最终性能也有着决定性的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，解决了现有动密封环存在的摩擦系数较高、耐磨性较差的问题。采用本发明所述方法可在动密封环表面获得润滑性和耐磨性都较好的润滑抗磨涂层，满足动密封环在高速、高载、腐蚀性等苛刻工作条件下使用的要求。
本发明的主要技术特点是采用WC-Co、Cr3C2-NiCr等硬质合金粉末并复配石墨粉末，在动密封环表面经过预处理后，采用超音速火焰喷涂工艺进行硬质合金与石墨混合粉末的喷涂。超音速火焰喷涂采用特殊设计的燃烧室和喷嘴，驱动大流量的燃料并用高压氧气助燃，从而获得了极高的燃烧焰流用于喷涂，通过本发明所述的工艺步骤及参数条件可以很好的达到提高动密封环表面的润滑、耐磨性的目的，其制备技术方案具体如下：
一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)喷涂前对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥的预处理；
(2)按照一定的配比称取硬质合金粉末、石墨粉末，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末，测定所述喷涂粉末的流动性，采用超音速火焰喷涂技术将符合要求的喷涂粉末喷涂在动密封环表面以获得喷涂涂层；
(3)对喷涂后的动密封环进行热处理，以减小涂层的内应力和涂层/基体的界面应力，温度控制在100～150℃，保温时间3～6h，随炉冷却；
(4)对动密封环表面的耐磨涂层进行机械加工，直至涂层表面平整光亮，并控制涂层表面粗糙度等级Ra在0.2～1.0之间。
上述步骤(1)中所述的预处理包括对动密封环表面清洗和粗化处理。其中表面清洗的目的是去除动密封环表面的油污和锈蚀。粗化处理是指对动密封环表面进行喷砂处理，已获得符合要求的表面粗糙度，为后续喷涂提供有利的基础条件。其中，作为一种优选技术方案，喷砂用的磨料选用白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.3MPa，喷砂距离为100mm～120mm，喷砂后试样表面粗糙度为Ra3.0μm～3.5μm，喷涂前用丙酮清洗基材表面。
上述步骤(2)中所述的喷涂粉末中的硬质合金为WC-12Co、WC-17Co、WC-10Co4Cr、Cr3C2-NiCr中的任意一种，其粒径介于10μm与80μm之间，所述石墨粉末的粒径介于30μm与60μm之间。混合喷涂粉中硬质合金粉末的质量分数占85～95％，石墨粉末的质量分数占5～15％，将石墨的质量分数保持在5～15％的范围内的主要原因有两个方面：首先，作为润滑材料的石墨在涂层中的含量如果低于5％，将起不到很好的润滑性能；另外，如果涂层中的石墨含量大于15％，将明显降低涂层的结合强度、硬度，影响涂层的整体服役性能。
上述步骤(2)中所述的喷涂粉末的流动性为20～30s/50g，所述喷涂涂层的厚度为200μm～600μm。
上述步骤(2)中所述的超音速火焰喷涂工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.45MPa，燃气流量36L/min～40L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量440L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.38MPa(流量为30L/min～35L/min)，送粉量20g/min～30g/min；喷涂距离120mm～200mm，喷涂角度75°～90°。
本发明的积极效果：利用本发明所提供的超音速火焰喷涂润滑抗磨涂层的工艺方法制备的动密封环涂层，具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，综合性能优异，能大大提高动密封环在苛刻工作环境下的使用寿命。这项技术还具有成本低、操作简便、适用性强的特点，便于推广应用。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细说明。
实施例1
本发明优选实施例1提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理，其中喷砂用的磨料选用白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.3MPa，喷砂距离为110mm，喷砂后试样表面粗糙度为Ra3.0μm～3.5μm，喷涂前用丙酮清洗基材表面。
(2)按9:1的质量比称取一定量的WC-12Co粉末和石墨粉末，WC-12Co的粒径为20～50μm，石墨粉末的粒径为30～60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，获得流动性为23s/50g的喷涂粉末。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂所述喷涂粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.2mm。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.45MPa，助燃气体氧气的压力0.55MPa，送粉气体氮气的压力为0.38MPa，送粉量25g/min；喷涂距离200mm，喷涂角度85°。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在100℃，保温时间6h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra1.0等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表1给出的是涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率。同时，选取较为成熟的动密封方案—等离子喷涂(Al2O3-13TiO2)/石墨配副，进行摩擦学性能对比。可以看出，该专利所提出的方案具有更加优异的润滑抗磨性能。
表1 WC-12Co/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率
实施例2
本发明优选实施例2提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理。
(2)按9:1的质量比称取一定量的WC-17Co粉末和石墨粉末，WC-17Co的粒径为20～60μm，石墨粉的粒径为30-60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，测得粉末的流动性为25s/50g。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂混合粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.4mm。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.45MPa，助燃气体氧气的压力0.55MPa，送粉气体氮气的压力为0.38MPa，送粉量25g/min；喷涂距离200mm，喷涂角度85o。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在150℃，保温时间3h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra0.2等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表2给出的是涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率。
表2 WC-17Co/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率
| 赫兹接触应力/MPa | 200 | 400 | 600 | 800 |
| 摩擦系数 | 0.38 | 0.36 | 0.35 | 0.32 |
| 磨损率/mm3/Nm | 2.6×10-5 | 2.9×10-5 | 3.5×10-5 | 4.2×10-5 |
实施例3
本发明优选实施例3提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理。
(2)按8.5:1.5的质量比称取一定量的WC-10Co4Cr粉末和石墨粉末，WC-10Co4Cr的粒径为20～40μm，石墨粉的粒径为30-60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，测得粉末的流动性为25s/50g。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂混合粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.6mm。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa，助燃气体氧气的压力0.50MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量20g/min，喷涂距离200mm，喷涂角度90°。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在120℃，保温时间4h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra0.2等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表3给出的是涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率。
表3 WC-10Co4Cr/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率
| 赫兹接触应力/MPa | 200 | 400 | 600 | 800 |
| 摩擦系数 | 0.35 | 0.33 | 0.32 | 0.32 |
| 磨损率/mm3/Nm | 4.6×10-6 | 5.9×10-6 | 6.3×10-6 | 6.7×10-6 |
实施例4
本发明优选实施例4提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理。
(2)按9.5:0.5的质量比称取一定量的Cr3C2-NiCr粉末和石墨粉末，Cr3C2-NiCr的粒径为20～40μm，石墨粉的粒径为30-60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，测得粉末的流动性为28s/50g。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂混合粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.6mm。工艺参数为:燃料气体丙烷的压力为0.35MPa，助燃气体氧气的压力0.50MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量20g/min，喷涂距离200mm，喷涂角度90°。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在120℃，保温时间4h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra1.0等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表4给出的是涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率。
表4 Cr3C2-NiCr/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率
| 赫兹接触应力/MPa | 200 | 400 | 600 | 800 |
| 摩擦系数 | 0.35 | 0.33 | 0.32 | 0.32 |
| 磨损率/mm3/Nm | 5.6×10-6 | 6.7×10-6 | 7.3×10-6 | 7.7×10-6 |
实施例5
本发明优选实施例5提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理。
(2)按9.8:0.2的质量比称取一定量的Cr3C2-NiCr粉末和石墨粉末，Cr3C2-NiCr的粒径为20～40μm，石墨粉的粒径为30-60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，测得粉末的流动性为28s/50g。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂混合粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.6mm。工艺参数为:燃料气体丙烷的压力为0.35MPa，助燃气体氧气的压力0.50MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量20g/min，喷涂距离200mm，喷涂角度90°。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在120℃，保温时间4h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra1.0等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表5给出的是涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率，可以看到，当石墨含量低于5％时，涂层的摩擦系数明显增大，磨损率也明显提高，这表明当石墨含量较低时，涂层的减摩和耐磨性能都显著下降。
表5 Cr3C2-NiCr/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率
| 赫兹接触应力/MPa | 200 | 400 | 600 | 800 |
| 摩擦系数 | 0.48 | 0.44 | 0.42 | 0.42 |
| 磨损率/mm3/Nm | 7.6×10-6 | 8.7×10-6 | 9.3×10-6 | 9.7×10-6 |
实施例6
本发明优选实施例6提供一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥处理。
(2)按0.8:0.2的质量比称取一定量的WC-10Co4Cr粉末和石墨粉末，WC-10Co4Cr的粒径为20～40μm，石墨粉的粒径为30-60um。将两种粉末至于机械混料机中混合均匀得到喷涂粉末，测得粉末的流动性为25s/50g。
(3)采用超音速火焰喷涂技术喷涂混合粉末至动密封环表面，涂层的厚度为0.6mm。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa，助燃气体氧气的压力0.50MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量20g/min，喷涂距离200mm，喷涂角度90°。
(4)对喷涂后的动密封环进行热处理，温度控制在120℃，保温时间4h，随炉冷却。
(5)对动密封环表面的涂层进行机械加工，直至涂层表面粗糙度达到Ra0.2等级。
采用球-盘摩擦磨损试验机表征涂层在不同载荷下与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨损率。表6给出的是涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率，可以看到，当石墨的含量高于15％时，涂层的耐磨性能显著降低。
表6 WC-10Co4Cr/石墨涂层与GCr15轴承钢配副的摩擦系数和磨磨损率
| 赫兹接触应力/MPa | 200 | 400 | 600 | 800 |
| 摩擦系数 | 0.33 | 0.33 | 0.32 | 0.32 |
| 磨损率/mm3/Nm | 4.6×10-5 | 5.9×10-5 | 6.3×10-5 | 6.7×10-5 |
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤[1]：喷涂前对动密封环表面进行除油、喷砂、清洗和自然干燥的预处理；
步骤[2]：按照一定的配比称取硬质合金粉末、石墨粉末，将上述两种粉末置于机械混料机中混合后制得喷涂粉末，测定所述喷涂粉末的流动性，采用超音速火焰喷涂技术将符合要求的喷涂粉末喷涂在动密封环表面以获得喷涂涂层；
步骤[3]：对喷涂后的动密封环进行热处理，以减小涂层的内应力和涂层/基体的界面应力，随炉冷却；
步骤[4]：对动密封环表面的耐磨涂层进行机械加工，直至涂层表面平整光亮，并控制涂层表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[1]中喷砂用的磨料为白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.3MPa，喷砂距离为100mm～120mm，喷砂后试样表面粗糙度为Ra3.0μm～3.5μm，喷涂前用丙酮清洗基材表面。
3.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[2]中所述的喷涂粉末中的硬质合金为WC-12Co、WC-17Co、WC-10Co4Cr、Cr3C2-NiCr中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述硬质合金粉末的粒径为10μm～80μm，所述石墨粉末的粒径为30μm～60μm。
5.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂粉中硬质合金粉末的质量分数占85～ 95％，石墨粉末的质量分数占5～15％。
6.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[2]中所述的喷涂粉末的流动性为20～30s/50g。
7.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[2]中所述喷涂涂层的厚度为200μm～600μm。
8.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[2]中超音速火焰喷涂工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.45MPa，燃气流量36L/min～40L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量440L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.38MPa(流量为30L/min～35L/min)，送粉量20g/min～30g/min；喷涂距离120mm～200mm，喷涂角度75°～90°。
9.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[3]中热处理的温度控制在100～150℃，保温时间3～6h。
10.根据权利要求1所述的一种动密封环表面润滑抗磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤[4]中涂层表面粗糙度Ra为0.2～1.0。
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