CN101265909A - 一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片 - Google Patents

Abstract

一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片，为一面呈圆弧面的立方体，在密封旋转压缩机滑片槽内作往复运动，密封旋转压缩机滑片由陶瓷制成，主要由氧化铝为基材组成的烧结体，该烧结体包括占重量85％～99.5％的氧化铝(AL₂O₃)，其余是占重量0.5～10％添加剂，添加剂包括稳定剂与增强剂的任一种，稳定剂包括以MgO、SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物、以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni为主的金属元素任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物、SiCw晶须的任一种，所述烧结体的粒度不大于20微米。这种陶瓷滑片具有更好耐磨性，并且适用于各种不同的制冷工质密封旋转式压缩机，成本较低。

Description

一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片

技术领域

本发明涉及一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片，特别涉及一种具有更好耐磨性，适用于含氯和不含氯制冷工质密封旋转式压缩机，成本较低的氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷材料滑片。

背景技术

适用于空调等家用电器的密封旋转压缩机，由电机(6)带动旋转曲轴(7)的偏心部(8)外周面上装有自由转动的滚动活塞(3)绕气缸(4)偏心旋转，依靠弹簧(10)的顶推压力，使滑片(11)端部紧紧压在滚动活塞(3)外表面上始终保持与滚动活塞(3)外表面接触，将气缸(4)分为吸气腔和压缩腔。曲轴(7)回转带动滚动活塞(3)旋转运动，同时带动滑片(11)在滑片槽(12)内作往复运动，气缸(4)重复作吸气、压缩、排气及余隙膨胀等工作。

现有密封旋转压缩机气缸中的滑片是由含钨、钼、钒等稀有金属的工具钢材料制成，其密度是氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷滑片的2.3倍。随着人们对空调器的效能要求不断提高，通常采用变换器来连续驱动空调压缩机，在高速转动条件下，为保证滑片的跟随性势必要加大弹簧的顶推压力，从而使得滑片与活塞摩擦副法向载荷增加，加剧了滑片及滚动活塞以及气缸的磨损，这不仅使压缩机的效率降低，还将导致压缩机故障的产生，大大缩短压缩机的使用寿命。

尤其对于今后，空调压缩机中使用制冷剂R22将会破坏臭氧层，以不含氯的致冷剂HPC代替R22将是今后空调压缩机发展的必然趋势。然而由于新冷媒的应用，使用不含氯的致冷剂HPC将会使压缩机致冷剂的润滑特性变差，由此将导致滑片与活塞接触部位磨损加剧，工具钢滑片的耐磨性将也难以满足压缩机的可靠性要求。

因此为了解决上述问题，东芝株式会社提出一件关于陶瓷滑片的专利，专利号为93117039的名为“旋转式压缩机用叶片”的中国专利提供了“一种供密封旋转式压缩机使用的滑片，该滑片包括由占重量50～98.5％的氧化锆(ZrO₂)，占重量1～49.5％的氧化铝(Al₂O₃)，占重量0.5～10％的稳定剂组成的烧结体。该陶瓷滑片具有更高的耐磨性，同时由于滑片质量减轻，减少其与配合件如旋转式压缩机的缸体与滚子之间的摩擦，提高了压缩机的可靠性。

然而以氧化锆(ZrO₂)做基材的烧结体所制成的滑片，其主要存在问题在于：一方面，氧化锆(ZrO₂)复合陶瓷材料制成的陶瓷滑片生产成本相对较高，密度又约为氧化铝(Al₂O₃)的1.8倍；另一方面，氧化锆(ZrO₂)复合陶瓷材料在150～250℃保若干小时至数天，会发生由四方相到单斜相的相变(t→m)，产生体积膨胀从而引发微观或宏观裂纹的低温老化，最终导致材料强度严重下降。就目前有一些抗老化措施，但存在一定的局限性，由于低温老化的抑制是通过增加t相的稳定实现的，t相稳定性的提高往往带来相变增韧效应的失效，使材料力学性下降，因此目前尚未有理想的解决办法，而大大限制了它的应用。

发明内容

为了解决使用工具钢材料制成的空调压缩机滑片，在使用新的制冷工质(如，R134a)的情况下，使用的过程中被烧蚀或腐蚀磨损加大。磨损严重及生产成本高的问题，本发明提供一种陶瓷滑片具有更好耐磨性、质量更轻，可以减小其本身及与之相配密封旋转式压缩机气缸(滑槽)或滚动活塞之间的磨损，同时其具有良好耐腐蚀性能，可以适用于各种致冷工质(HPC)。

本发明采用技术方案为：一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片，为一面呈圆弧面的立方体，在密封旋转式压缩机滑片槽内作往复运动，该密封旋转式压缩机滑片由陶瓷制成，主要由氧化铝(Al₂O₃)为基材组成的烧结体，该烧结体包括占重量85％～99.5％的氧化铝(Al₂O₃)，其余是占重量0.5～10％添加剂，添加剂包括稳定剂与增强剂的任一种，稳定剂包括以MgO、SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物、以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni为主的金属元素任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物、SiCw晶须的任一种，所述烧结体的粒度不大于20微米。

图1是密封旋转压缩机剖面图。如图1所示，一密封旋转压缩机，包括圆筒形外壳(1)、外壳内曲轴(7)在电动机(6)的驱动下，曲轴(7)的偏心部(8)的中心偏离曲轴(7)的旋转中心，其滚动活塞(3)是固定在曲轴偏心部(8)的外壁上随着曲轴(7)旋转，并与气缸(4)内的圆柱面相切，形成一月牙形的空间，在气缸(4)内滑槽(12)内的滑片(11)，在其尾部弹簧(10)顶推压力的作用下紧贴在滚动活塞(3)圆柱面上在滑片槽内作往复运动，将上述月牙形空间分为吸气腔(14)和压缩腔(15)，当滚动活塞作偏心旋转时，吸气腔(14)和压缩腔(15)的空间大小不断变化，将从吸气腔(14)通过吸气孔(13)吸入的气体压缩后从排气管(17)排出。在该密封旋转式压缩机动中，由于滑片(11)的前端始终紧贴于旋转的滚动活塞(3)的圆柱表面上，其接触部分极容易磨损，因此要求滑片材质具有较低的磨损系数和良好的耐腐蚀性能材料。图2是图1所示密封旋转式压缩机气缸和滑片横向剖视图。

下面论述一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片(11)的制作。图3是密封旋转压缩机用陶瓷滑片立体图。

其密封旋转式压缩机用陶瓷滑片由陶瓷制成，主要由氧化铝(Al₂O₃)为基材组成的烧结体，该烧结体包括占重量85％～99.5％的氧化铝，其余是占重量0.5～10％添加剂，添加剂包括稳定剂与增强剂的任一种，稳定剂包括以MgO、SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物、以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni为主的金属元素任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物、SiCw晶须的任一种，所述烧结体的粒度不大于20微米。

本发明所提供的陶瓷滑片之所以采用占滑片重量85％～99.5％的氧化铝(Al₂O₃)，其余是0.5～15％稳定剂或其它添加剂组成，主要在于以下原因：

图4是氧化铝(Al₂O₃)含量对氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷抗弯强度与磨损量影响的示意图。其中A曲线表示氧化铝(Al₂O₃)含量对材料的弯曲强度的影响，B曲线表示氧化铝(Al₂O₃)含量对耐磨性能的影响。由图可见，随着氧化铝(Al₂O₃)含量增加，其抗弯强度有所提高，尤其值得注意的是，当氧化铝(Al₂O₃)的含量在85％左右时，随着氧化铝(Al₂O₃)含量的下降，其抗弯强度急剧下降。比如：氧化铝(Al₂O₃)含量92％(wt％)时，抗弯强度б_f＝320MPa，氧化铝(Al₂O₃)含量为80％时，抗弯强度б_f＝220MPa，其抗弯强度下降近30％，磨损量提高近50％。可见，在氧化铝(Al₂O₃)的含量为85％以下时，其抗弯强度急剧下降，其磨损量反而增大，因此为了增强提高氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷滑片的抗弯强度，减少其磨损量，应当使其氧化铝含量超出85％。

在生产加工的过程中，为了改善氧化铝(Al₂O₃)强度和韧性，通常在氧化铝(Al₂O₃)陶瓷中添加一定的添加剂，具体包括稳定剂与增强剂。其他化合物或金属元素，形成复合氧化铝陶瓷。常用的添加剂包括稳定剂与增强剂。稳定剂包括以MgO、S_iO₂、T_iO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物，以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni等为主的金属元素的任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物，SiCw晶须等作为增强相的添加剂的任一种。工艺上通常采用添加稳定剂，以降低滑片的烧成温度，抑制氧化铝陶瓷的晶粒生长的方法达到控制晶粒尺寸，提高滑片耐磨性能的目的。同时也可以在陶瓷中添加碳化合物颗粒增强剂或添加晶须或金属元素为增强剂的其他增强方式增强复合陶瓷材料的密度、抗弯强度。这些添加剂的含量将对氧化铝(Al₂O₃)陶瓷滑片的物理力学性能有着重要影响。

图5是热压氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷的主要物理及力学性能比较图，从图5的数据比较可以看出：直接将氧化铝(Al203)采用冷压烧结，其抗弯强度仅有280～420MPa，密度为3.4～3.99，平均晶粒尺寸为3.0μm；而将氧化铝(Al203)陶瓷中添加碳化合物颗粒增强剂或添加晶须或金属元素后的复合陶瓷采用热压的烧结方式，其抗弯强度要达到800MPa以上，密度与硬度也有一定提高。可见，采用颗粒增强或其他增强方式并采用热压特殊烧结方式与仅将Al203采用冷压烧结的方式相比，氧化铝复合陶瓷材料的密度、抗弯强度都有显著提高；其硬度有一定程度的提高。因此，采用热压或静压等特殊的烧结方式，同时在采用占滑片重量85％～99.5％的氧化铝(Al203)，其余是0.5～15％添加剂组成的氧化铝(Al203)复合陶瓷，能够有效增强陶瓷滑片的抗弯强度，减少其磨损量。

陶瓷材料的磨损性能除受材料本身因素如：晶粒尺寸、孔隙率、晶间相及力学性能等影响，还要受外界因素如：载荷、速度、温度、气氛及磨料性质等影响。就材料本身因素而言，诸多因素中其晶粒尺寸对耐磨性的影响最大，其次是晶间玻璃相。图6是氧化铝(Al203)复合陶瓷组分、晶粒大小、硬度与磨损性能比较图。从图6可以知，在氧化铝(Al203)含量相同的情况下，其晶粒尺寸比较细的氧化铝(Al203)复合陶瓷比晶粒尺寸粗的氧化铝(Al203)复合陶瓷的磨损系数要小得多，即其耐磨性要强。因此要取良好的耐磨性能，氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷的晶粒尺寸最好要控制在5μm以内，最多不能超过20μm。

由于摩擦副材料的互溶性对摩擦副材料的双方的磨损都有很大影响，若它们的互溶性好，则粘着磨损的倾向就大。相同的金属或相同晶格类型、晶格常数、电子密度和电化学性能相近的金属互溶性大，摩擦副双方粘着磨损更严重。因此，氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷滑片与金属滚动活塞相配以及氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷与金属滑槽等摩擦副材料搭配将会减少双方的磨损量，这也是氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷与钢材相配摩擦具有良好耐磨性能重要原因之一。

通过以上分析和数据可见，对于旋转式压缩机而言，对于氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷滑片将其晶粒尺寸控制在5μm以内，最多不能超过20μm，可以增强其耐磨性，因此在陶瓷滑片烧结过程中，在氧化铝(Al₂O₃)中加入适当含量的添加剂，同时采用热压或静压等特殊的烧结方式，通过有效降低其晶体颗粒大小，可以增强其耐磨性。

陶瓷是一种对裂纹较为敏感的材料，所以，对提高产品使用的可靠性，在磨削加工的过程中，保证滑片表面少裂纹或无裂纹显得十分重要。粗磨加工通常会产生20～50μm的变质层，在精磨加工时，可采用研磨或延性域磨削的工艺方法，磨除粗磨产生的变质层，确保滑片的加工质量，并提高滑片的工作可靠性。

综上所述，按照本发明可以获得具有较高耐磨性能、高强度、耐腐蚀的氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷。

在不超出本发明范围的情况下，熟悉本技术领域的普通人员完全可以在本发明的基础上进行种种变化和改变，这类变化和改变仍然落入本权利要求的保护范围内。

附图说明

图1是密封旋转压缩机剖面图。

图2是图一所示密封旋转压缩机气缸和滑片横向剖视图。

图3是密封旋转压缩机用陶瓷滑片立体图。

图4是氧化铝(Al₂O₃)含量对氧化铝(Al₂O₃)陶瓷抗弯强度与磨损量影响的示意图。

图5是热压氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷的主要物理及力学性能比较图。

图6是氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷组分、晶粒大小、硬度与磨损性能比较图。

图例符号说明

1.外壳；2.气缸下盖；3.滚动活塞；4.气缸；5.气缸上盖；6.电动机；7.曲轴；8.偏心部；9.气缸弹簧孔；10.弹簧；11.滑片；12.滑槽；13.吸气孔；14.吸气腔；15.压缩腔；16.吸气管；17.排出管。

具体实施方式

现结合一实施例和附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一中的一种密封旋转压缩机剖示图，包括圆筒形外壳(1)、外壳内曲轴(7)在电动机(6)的驱动下，曲轴(7)的偏心部(8)的中心偏离曲轴(7)的旋转中心，其滚动活塞(3)是固定在曲轴偏心部(8)的外壁上随着曲轴(7)旋转，并与气缸(4)内的圆柱面相切，形成一月牙形的空间，在气缸(4)内滑槽(12)内的滑片(11)，在滑片尾部的弹簧(10)顶推压力的作用下紧贴在滚动活塞(3)圆柱面上在滑片槽内作往复运动，将上述月牙形空间分为吸气腔(14)和压缩腔(15)，当滚动活塞作偏心旋转时，吸气腔(14)和压缩腔(15)的空间大小不断变化，将从吸气腔(14)通过吸气孔(13)吸入的气体压缩后从排气管(DP)排出。在该密封旋转式压缩机动中，由于滑片(11)的前端始终紧贴于旋转的滚动活塞(3)的圆柱表面上，其接触部分极容易磨损，因此要求滑片材质具有较低的磨损系数和良好的耐腐蚀性能材料。

其密封旋转压缩机用陶瓷滑片由陶瓷制成，主要由氧化铝(Al₂O₃)为基材组成的烧结体，该烧结体包括占重量85％～99.5％的氧化铝，其余是占重量0.5～10％添加剂，添加剂包括稳定剂与增强剂的任一种，稳定剂包括以MgO、SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物、以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni为主的金属元素任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物、SiCw晶须的任一种，所述烧结体的粒度不大于20微米。

为了获得这种性能的陶瓷滑片，根据具体的工艺要求，合理地选择模压、热压铸、注射和等静压中的一种成型方法，制取滑片毛坯。滑片毛坯经脱脂处理后，采用低温烧结工艺进行烧结，其烧结温度为：1350℃～1650℃，烧结时间为：1～5小时。对于有特殊力学性能要求的滑片，可采用热等静压或热压的烧结工艺。以获得晶粒更细，空隙率更低，具有良好力学性能的Al₂O₃陶瓷。根据氧化铝陶瓷的材料磨损特性，晶粒尺寸最好小于5μm，不能大于20μm。

复合氧化铝(Al₂O₃)陶瓷中的主晶相为α-Al₂O₃，为刚玉型结构，属三方晶系单位晶胞是一个尖的菱面体，α-Al₂O₃结构最紧密，是最为稳定的晶型，活性低，在所有温度下是稳定的具有优良的机电性能。这种具有刚玉型结构的滑片，其烧结体硬度优于Hv(1400～2200)，并具有高的熔点以及耐腐蚀性能。

陶瓷是一种对裂纹较为敏感的材料，所以，对提高产品使用的可靠性，在磨削加工的过程中，保证滑片表面少裂纹或无裂纹显得十分重要。粗磨加工通常会产生20～50μm的变质层，在精磨加工时，可采用研磨或延性域磨削的工艺方法，磨除粗磨产生的变质层，确保滑片的加工质量，以提高滑片的工作可靠性。

氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷不仅具有硬度高、重量轻、耐腐蚀性能好和有着良好的耐磨特性，与钢铁及其合金作为摩擦副有着良好的适配性，不仅可以提高滑片的耐磨性能，也大大提高了滚动活塞和气缸滑槽的耐磨性。因此，适用于密封旋转式压缩机氧化铝(Al₂O₃)复合陶瓷，不仅具有优良的耐磨性能，耐腐蚀性能，满足适应更高工作频率的跟随性，同时还可以降低压缩机的制造成本。

Claims (3)

1. 一种密封旋转压缩机用陶瓷滑片，为一面呈圆弧面的立方体，在密封旋转压缩机滑片槽内作往复运动，其特征在于：上述密封旋转压缩机滑片由陶瓷制成，主要由氧化铝为基材组成的烧结体，该烧结体包括占重量85％～99.5％的氧化铝(AL₂O₃)，其余是占重量0.5～10％添加剂。

2. 根据权利要求1所述的密封旋转压缩机用陶瓷滑片，其特性在于：添加剂包括稳定剂与增强剂的任一种，稳定剂包括以MgO、SiO₂、TiO₂、Cr₂O₃、Y₂O₃金属氧化物为主的氧化物、以金属Cr、Co、Mo、W、Ti和Ni为主的金属元素任一种；增强剂包括以WC、TiC、TaC、SiC和Cr₃C₂为主的碳化物、SiCw晶须的任一种。

3. 根据权利要求1所述的密封旋转压缩机用陶瓷滑片，其特征在于：所述烧结体的粒度不大于20微米。

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