CN103255399B

CN103255399B - 涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法

Info

Publication number: CN103255399B
Application number: CN201310200103.8A
Authority: CN
Inventors: 金花子; 吴杰; 南泉; 熊天英
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103255399A

Abstract

本发明涉及洁净的真空系统获得表面防护领域，具体为一种涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法。采用化学镀、氟涂料和真空离子镀（PVD）对涡旋干泵实施防护涂层，对转子和定子采用化学镀镍磷和氟涂料封闭技术制备防护涂层，对曲柄轴和曲柄销采用PVD技术制备Cr/CrN多层复合防护镀层。本发明方法应用于涡旋干泵可以提高真空泵的耐腐蚀性和耐磨性能，在高腐蚀性气体等离子刻蚀、生物制药和科学仪器的真空获得系统中，防护涂层可以长时间抵抗高腐蚀性气体的腐蚀，提高涡旋干泵的使用寿命。

Description

涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及洁净的真空系统获得表面防护领域，具体为一种涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法。

背景技术

涡旋真空泵的研究始于20世纪80年代末期，随着涡旋真空泵在半导体行业中的应用不断扩大，对洁净的真空系统获得要求也越来越苛刻，使得涡旋真空泵在应用中的表现也越来越不能令人感到满意。因此，人们开始致力于涡旋干式真空泵（简称：涡旋干泵）的研究。到目前为止，涡旋干泵的研究和生产主要集中在美国、日本和欧洲，以日本Anestta、美国Varian、德国Busch等为代表，形成了系列产品。国内真空行业相关企业也对涡旋干泵进行了基础和应用研究以及小规模试制生产等不同阶段的探索，但由于技术基础、研发手段的限制，工作进展缓慢。

在现有技术中，涡旋干泵在机械和结构的设计上同涡旋真空泵相比有明显的差异。泵的定子和转子采用的是铸造铝合金材料，防护方法采用阳极氧化法。涡旋干泵由于没有油的冷却和密封，抽气系统直接接触介质气体使定子和转子对气体温度和压力产生了比较复杂的变化。虽然现有技术中的涡旋干泵可以获得洁净的真空环境，但这类涡旋干泵在使用中普遍存在耐蚀性和耐磨性差的问题，尤其是在高腐蚀性气体等离子刻蚀、生物制药、化工化学和科学仪器的真空获得系统等工艺中，阳极氧化膜难以抵抗高腐蚀性气体的长时间腐蚀和磨损性能，这将严重影响涡旋干泵的使用寿命和应用领域。为了克服这类涡旋干泵耐腐蚀性和耐磨性差等问题，对其泵体施加防护涂层十分必要。涡旋干泵零件形状复杂、使用的零部件材料品种多、尺寸控制严格。在使用强腐蚀性气体介质的工艺过程中，防护涂层设计和涂层实施难度非常大。因此，需要对不同结构和零部件采用不同的防护涂层以期达到对泵体的耐腐蚀和耐磨性综合要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡旋干式真空泵（涡旋干泵）防护涂层的制备方法，该方法应用于涡旋干泵可以提高真空泵的耐腐蚀性能和耐磨性能。在高腐蚀性气体等离子刻蚀、生物制药和科学仪器的真空获得系统中，防护涂层可以长时间抵抗高腐蚀性气体的腐蚀，提高涡旋干泵的使用寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，采用化学镀、氟涂料和真空离子镀对涡旋干泵实施防护涂层，对转子和定子采用化学镀镍磷和氟涂料封闭技术制备防护涂层，对曲柄轴和曲柄销采用真空离子镀膜技术制备Cr/CrN复合防护镀层。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，采用化学镀在铝合金转子和定子表面施镀镍磷镀层，其工艺过程为：除油→水洗→一次酸蚀→水洗→一次浸锌→水洗→二次酸蚀→水洗→二次浸锌→水洗→化学镀镍磷→水洗→无水乙醇洗→烘干→氟涂料封闭→塑化，其中：

（1）除油

去除转子和定子材料表层的油污，铝合金除油液配方如下：

Na₂CO₃15～20g/L，Na₃PO₄·12H₂O20～30g/L，Na₂SiO₃10～15g/L，OP乳化剂1～3g/L；

除油液温度为50～60℃，同时采用超声波，超声波频率为28或40KHz、处理时间为10～30分钟；

（2）一次酸蚀

采用体积浓度为45～55%的HNO₃水溶液作为酸蚀液，在室温下酸蚀时间50～70秒，酸蚀后转子和定子呈银白色，表面洁净；

（3）一次浸锌

浸锌液配方如下：NaOH40～60g/L，ZnO3～6g/L，KNaC₄H₄O₆·4H₂O40～60g/L，FeCl₃1～3g/L，NaNO₃0.5～2g/L，其余为水；

一次浸锌温度为20～25℃，时间为50～70秒，浸锌后转子和定子表面呈浅灰色；

（4）二次酸蚀

采用体积浓度为45～55%的HNO₃水溶液作为酸蚀液，在室温下酸蚀时间40～50秒，酸蚀后转子和定子呈灰白色，表面洁净；

（5）二次浸锌

浸锌液配方如下：NaOH40～60g/L，ZnO3～6g/L，KNaC₄H₄O₆·4H₂O40～60g/L，FeCl₃1～3g/L，NaNO₃1～2g/L，其余为水；

第二次浸锌温度为20～25℃，时间为40～50秒，浸锌后转子和定子表面呈灰色；

（6）化学镀

镀液以次亚磷酸钠作为还原剂，硫酸镍作为主盐，附加络合剂、加速剂、稳定剂，镀液的配方如下：

硫酸镍 25～30g/L；

次亚磷酸钠 30～40g/L；

络合剂配方：

乙酸钠 20～25g/L；

丙酸 5～20g/L；

DL-苹果酸 5～30g/L；

甘氨酸 2～10g/L；

乙二胺四乙酸EDTA 5～10g/L；

柠檬酸钠 5～20g/L；

加速剂配方：

丁二酸 10～30g/L；

稳定剂配方：

乙酸铅Pb²⁺ 0～6ppm；

硫脲H₂NCSNH₂ 4～6ppm；

溶剂为水；

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：82～84℃、时间：120分钟、镀速13～15μm/小时；镀液在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行镍磷沉积，沉积的镀层均匀完整，外观呈银白色且镀层结合良好；

（7）封闭处理

采用氟树脂进行封闭处理，工艺参数：

喷涂距离100～200mm，喷涂厚度5～8微米。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，优选地，乙酸铅Pb²⁺范围为2～4ppm。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，化学镀获得镀层厚度为15～30微米。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，化学镀装置包括：镀槽、镀液、定子B、转子、定子A、转轴，具体结构如下：

镀槽内水平设置转轴于镀液中，转轴上设置于定子B、转子、定子A；将定子B、转子、定子A放于镀槽内的转轴上，使工件在镀液中缓慢旋转，转轴的转速为5～15转/分。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，采用真空离子镀法制备曲轴和曲柄销不锈钢材料零部件Cr/CrN复合防护镀层，具体实施如下：

用超声波在丙酮和无水乙醇溶液中分别清洗5～15min后，用去离子水清洗，烘干，随后放入真空离子镀设备中；

镀膜前基体被加热到100～200℃，背底真空（1～3）×10^-3Pa，通入高纯氩气，氩气分压为（0.5～2.0）×10^-1Pa；在800～1200V直流负偏压下对样品进行轰击，以去除表面吸附的气体和杂质；随后直流负偏压保持在180～220V，工作气压0.4～0.5Pa，阴极弧电流为70～80A，控制氮气间歇送气，通断间隔5min/10min，氮气分压为（0.5～2.5）×10^-1Pa；沉积时间为100～150min，形成Cr/CrN复合防护镀层。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，Cr/CrN复合防护镀层为两层以上。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，真空离子镀法获得镀层厚度为4～5微米。

所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，真空离子镀施镀装置包括：真空室、曲轴或曲柄销、真空泵连接管、Cr靶、进气管、转架，具体结构如下：

转架上安装曲轴或曲柄销于真空室中，真空室通过真空泵连接管连接真空泵，真空室上设有通入N₂、Ar的进气管，转架外侧设置Cr靶于真空室中，Cr靶与弧电源连接，转架与偏压电源连接。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1．本发明采用化学镀、氟涂料和PVD技术对涡旋干泵实施防护涂层，对转子和定子A/B采用化学镀镍磷和氟涂料封闭技术制备的防护涂层。另外，曲柄轴、曲柄销采用PVD镀膜技术制备Cr/CrN多层复合防护镀层。上述镀层厚度均匀，能满足尺寸精度要求，具有优良的耐磨耐蚀性能。

2．本发明能够在铝合金转子和定子表面直接施镀镍磷镀层，并在镀层表面采用氟涂料封闭技术制备的防护涂层，能够有效的防止铝合金定子和转子的腐蚀问题；而且在长时间工作环境下能保持结构的稳定性。

3．本发明采用PVD镀膜技术制备曲柄轴、曲柄销、不锈钢过滤网等表面的Cr/CrN防护涂层，该膜能显著提高材料的耐蚀性能和机械稳定性。

4.本发明制备的表面防护涂层能有效地提高涡旋干泵的耐腐蚀性能和泵体运行的稳定性，延长涡旋干泵的使用寿命。

5.本发明方法对比不同零件采用不同的表面处理方法、施镀灵活、成本低、效率高，可以制备多种涡旋干泵防护涂层，其专用装置结构简单、实用性强，操作方便。

附图说明

图1为化学镀镍装置示意图。

图2为PVD法镀膜装置示意图。

图中，1.镀槽；2.镀液；3.定子B；4.转子；5.定子A；6.转轴；7.真空室；8.工件；9.真空泵连接管；10.Cr靶；11.进气管；12转架。

具体实施方式

本实施例采用化学镀在铝合金转子和定子A/B表面施镀镍磷镀层，采用化学镀在铝合金转子和定子表面施镀镍磷镀层，其工艺过程为：除油→水洗→一次酸蚀→水洗→一次浸锌→水洗→二次酸蚀→水洗→二次浸锌→水洗→化学镀镍磷→水洗→无水乙醇洗→烘干→氟涂料封闭→塑化，其中：

（1）除油

去除转子和定子A/B材料表层的油污，铝合金除油液配方如下：

Na₂CO₃15～20g/L，Na₃PO₄·12H₂O20～30g/L，Na₂SiO₃10～15g/L，OP乳化剂1～3g/L（OP乳化剂，市售产品，来源：沈阳化学试剂商店），溶剂为水；

除油液温度为50～60℃，同时采用超声波，超声波频率为28kHz、处理时间为20分钟；

为了提高除油效果，同时采用超声波，超声波可以强化除油过程，缩短除油时间，提高工艺质量；

（2）一次酸蚀

采用体积浓度为50%的HNO₃水溶液作为酸蚀液，在室温下酸蚀时间60秒，酸蚀后转子和定子A/B呈银白色表面洁净；

（3）一次浸锌

浸锌液配方如下：NaOH50g/L，ZnO5g/L，KNaC₄H₄O₆·4H₂O50g/L，FeCl₃2g/L，NaNO₃1g/L，溶剂为水；

一次浸锌温度为20～25℃，时间为60秒，浸锌后转子和定子A/B表面呈浅灰色；

（4）二次酸蚀

采用体积浓度为50%的HNO₃水溶液作为酸蚀液，在室温下酸蚀时间45秒，酸蚀后转子和定子A/B呈灰白色表面洁净；

（5）二次浸锌

二次浸锌温度为20～25℃，时间为45秒，浸锌后转子和定子A/B表面呈灰色；

（6）化学镀

如图1所示，本发明化学镀装置主要包括：镀槽1、镀液2、定子B3、转子4、定子A5、转轴6等，具体结构如下：

镀槽1内水平设置转轴6于镀液2中，转轴6上设置于定子B3、转子4、定子A5。将定子B3、转子4、定子A5放于镀槽1内的转轴6上，使工件在镀液2中缓慢旋转，转轴6的转速为5～15转/分。

硫酸镍 28g/L；

次亚磷酸钠 35g/L；

络合剂配方：

乙酸钠 22g/L；

丙酸 5g/L；

DL-苹果酸 5g/L；

甘氨酸 3g/L；

乙二胺四乙酸（EDTA）6g/L；

柠檬酸钠 10g/L；

加速剂配方：

丁二酸 15g/L；

稳定剂配方：

乙酸铅(Pb²⁺) 2ppm；

硫脲H₂NCSNH₂ 5ppm；

溶剂为水。

化学镀工艺参数：

pH：4.4～4.6、温度：82～84℃、时间：120分钟、镀速13～15μm/小时；镀液在金属表面的催化作用下，经化学还原进行镍磷沉积，沉积的镀层均匀致密，外观呈银白色且镀层结合良好；

（5）封闭处理

采用氟树脂进行封闭处理，工艺参数：

喷涂距离200mm，喷涂厚度5～8微米。

（6）塑化

塑化的过程和工艺参数为：温度180-200℃，时间20-30min。

经上述处理，获得镀层厚度为30～38微米。上述镀层厚度均匀，能满足尺寸精度要求，具有优良的耐磨耐蚀性能。本实施例中，镀层耐磨耐蚀性能的技术指标为：硬度HV达500以上，盐雾试验大于240小时。

本发明采用真空离子电镀（PVD）法制备曲轴和曲柄销（不锈钢材料）等零部件Cr/CrN多层复合防护镀层，具体实施如下：

如图2所示，本发明PVD法镀膜装置主要包括：真空室7、工件8（曲轴或曲柄销）、真空泵连接管9、Cr靶10、进气管11、转架12等，具体结构如下：

转架12上安装工件8（曲轴或曲柄销）于真空室7中，真空室7通过真空泵连接管9连接真空泵，真空室7上设有通入N₂、Ar的进气管11，转架12外侧设置Cr靶10于真空室7中，Cr靶10与弧电源连接，转架12与偏压电源连接。

用超声波在丙酮和无水乙醇溶液中分别清洗10min后，用去离子水清洗，烘干，随后放入真空PVD法镀膜装置中。

镀膜前基体被加热到150℃，背底真空2×10^-3Pa，通入高纯氩气（纯度99.999%以上），氩气分压为1.0×10^-1Pa；在1000V直流负偏压下对样品进行轰击，以去除表面吸附的气体和杂质；随后直流负偏压在200V，工作气压0.45Pa，阴极弧电流为75A，控制氮气通断间歇送气，通断间隔5min/10min（每通5min氮气、停止10min），氮气分压为1.5×10^-1Pa；沉积时间为120min，形成Cr/CrN多层复合防护镀层，Cr/CrN复合防护镀层为两层以上（本实施例为8层）。经上述处理，获得镀层厚度为4-5微米。上述镀层厚度均匀，能满足尺寸精度要求，具有优良的耐磨耐蚀性能。本实施例中，镀层耐磨耐蚀性能的技术指标为：硬度HV达500以上，盐雾试验大于240小时。

实施例结果表明，本发明采用化学镀、氟涂料和PVD技术对涡旋干泵实施防护涂层，对转子和定子A/B采用化学镀镍磷和氟涂料封闭技术制备的防护涂层。另外，曲柄轴、曲柄销采用PVD镀膜技术制备Cr/CrN多层复合防护镀层。上述镀层均匀，能满足尺寸精度要求，具有优良的耐磨耐蚀性能。在高腐蚀性气体等离子刻蚀、生物制药和化工化学等工艺中，防护涂层可以长时间抵抗高腐蚀性气体的腐蚀，提高涡旋干泵的使用寿命3～5倍。

Claims

1.一种涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，采用化学镀、氟涂料和真空离子镀对涡旋干泵实施防护涂层，对转子和定子采用化学镀镍磷和氟涂料封闭技术制备防护涂层，对曲柄轴和曲柄销采用真空离子镀膜技术制备Cr/CrN复合防护镀层；

采用化学镀在铝合金转子和定子表面施镀镍磷镀层以及采用氟涂料封闭镍磷镀层，其工艺过程为：除油→水洗→一次酸蚀→水洗→一次浸锌→水洗→二次酸蚀→水洗→二次浸锌→水洗→化学镀镍磷→水洗→无水乙醇洗→烘干→氟涂料封闭→塑化，其中：

（1）除油

去除转子和定子材料表层的油污，铝合金除油液配方如下：

Na₂CO₃ 15～20g/L，Na₃PO₄·12H₂O 20～30g/L，Na₂SiO₃ 10～15g/L，OP乳化剂1～3g/L；

除油液温度为 50～60℃，同时采用超声波，超声波频率为28或40kHz、处理时间为10～30分钟；

（2）一次酸蚀

（3）一次浸锌

浸锌液配方如下：NaOH 40～60g/L，ZnO 3～6g/L，KNaC₄H₄O₆·4H₂O 40～60g/L，FeCl₃ 1～3g/L，NaNO₃ 0.5～2g/L，其余为水；

（4）二次酸蚀

（5）二次浸锌

浸锌液配方如下：NaOH 40～60g/L，ZnO 3～6g/L，KNaC₄H₄O₆·4H₂O 40～60g/L，FeCl₃ 1～3g/L，NaNO₃ 1～2g/L，其余为水；

（6）化学镀

硫酸镍 25～30g/L；

次亚磷酸钠 30～40g/L；

络合剂配方：

乙酸钠 20～25g/L；

丙酸 5～20g/L；

DL-苹果酸 5～30g/L；

甘氨酸 2～10g/L；

乙二胺四乙酸EDTA 5～10g/L；

柠檬酸钠 5～20g/L；

加速剂配方：

丁二酸 10～30g/L；

稳定剂配方：

乙酸铅Pb²⁺ 0～6ppm；

硫脲H₂NCSNH₂ 4～6ppm；

溶剂为水；

化学镀工艺参数：

（7）封闭处理

采用氟涂料进行封闭处理，工艺参数：

喷涂距离100～200mm，喷涂厚度5～8微米。

2.按照权利要求1所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，优选地，乙酸铅Pb²⁺范围为2～4ppm。

3.按照权利要求1所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，化学镀获得镀层厚度为15～30微米。

4.按照权利要求1所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，化学镀装置包括：镀槽、镀液、定子B、转子、定子A、转轴，具体结构如下：

5.按照权利要求1所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，采用真空离子镀法制备曲柄轴和曲柄销不锈钢材料零部件Cr/CrN复合防护镀层，具体实施如下：

用超声波在丙酮和无水乙醇溶液中分别清洗5～15 min后，用去离子水清洗，烘干，随后放入真空离子镀设备中；

镀膜前基体被加热到100～200℃，背底真空（1～3）×10^-3 Pa，通入高纯氩气，氩气分压为（0.5～2.0）×10^- 1 Pa；在800～1200 V 直流负偏压下对样品进行轰击，以去除表面吸附的气体和杂质；随后直流负偏压保持在180～220 V，工作气压0.4～0.5 Pa，阴极弧电流为70～80 A，控制氮气间歇送气，通断间隔5 min/10 min，氮气分压为（0.5～2.5）×10^- 1 Pa；沉积时间为100～150 min，形成Cr/CrN复合防护镀层。

6.按照权利要求5所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，Cr/CrN复合防护镀层为两层以上。

7.按照权利要求5所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，真空离子镀法获得镀层厚度为4～5微米。

8.按照权利要求5所述的涡旋干式真空泵防护涂层的制备方法，其特征在于，真空离子镀施镀装置包括：真空室、曲柄轴或曲柄销、真空泵连接管、Cr靶、进气管、转架，具体结构如下：

转架上安装曲柄轴或曲柄销于真空室中，真空室通过真空泵连接管连接真空泵，真空室上设有通入N₂、Ar的进气管，转架外侧设置Cr靶于真空室中，Cr靶与弧电源连接，转架与偏压电源连接。