CN103408293B - 陶瓷滑片及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了陶瓷滑片及其制备方法和应用，其中，陶瓷滑片包含：70～99.6重量%的Al₂O₃；0～0.4重量%的MgO；0～0.4重量%的SiO₂；0～0.2重量%的CaO；以及0～30重量%的纳米陶瓷。该陶瓷滑片具有较强的硬度、强度和韧性，尤其具有较优的耐磨性能。

Description

陶瓷滑片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及压缩机领域，具体而言，本发明涉及陶瓷滑片及其制备方法和应用。

背景技术

随环保要求，需要新的制冷剂满足，目前使用较多的是人工合成制冷剂CFC、HCFC和HFC，CFC及HCFC制冷剂因对臭氧层造成破坏，逐渐在淘汰，HFC制冷剂ODP值虽然为0，但GWP值仍较高，属于需要减排的温室气体，在欧洲主张走自然工质制冷剂替代，如应用越来越多的CO₂及R290，碳氢化合物是自然界本身存在的物质，与自然界有很好的亲和性，不会破坏生态圈的平衡，零ODP极低且GWP值也不会对环境产生危害。CO₂因其优越的环保特性（ODP=0，GWP=1）以及自身良好的热物理性能越来越来受到人们的青睐。

CO₂因具有较高的临界压力及较低的临界温度，在跨临界循环中压缩机高压侧可达12MPa，低压侧3MPa左右，高压与低压侧压差较大，所以对压缩机的结构及使用材料强度和刚度有严格的要求。

在压缩机构造中，滑片顶端及活塞外周表面接触是边界润滑，极易产生磨损，目前解决磨损问题主要是采取对滑片进行PVD镀DLC及CrN镀层。但DLC及CrN镀层在负荷环境下易产生剥落导致压缩机可靠性下降。

因此，压缩机的滑片的性能还有待进一步提高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有陶瓷滑片及其制备方法和具有陶瓷滑片的压缩机和制冷设备。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种陶瓷滑片，该陶瓷滑片包含：70～99.6重量%的Al₂O₃；0～0.4重量%的MgO；0～0.4重量%的SiO₂；0～0.2重量%的CaO；以及0～30重量%的纳米陶瓷。该陶瓷滑片具有较强的硬度、强度和韧性，尤其具有较优的耐磨性能。

另外，根据本发明上述实施例的陶瓷滑片还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述纳米陶瓷为纳米Al₂O₃、纳米Si₃N₄、纳米SiC的至少一种。由此可以进一步提高陶瓷滑片的致密度，以便进一步提高陶瓷滑片的硬度。

根据本发明的实施例，所述Al₂O₃的粒径不大于5微米。由此可以进一步提高陶瓷滑片的抗弯强度。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备陶瓷滑片的方法，该方法包括：提供烧结原料混合物；以及将所述烧结原料混合物进行烧结，以便获得所述陶瓷滑片，其中，所述烧结原料混合物包含：70～99.6重量%的Al₂O₃；0～0.4重量%的MgO；0～0.4重量%的SiO₂；0～0.2重量%的CaO；以及0～30重量%的纳米陶瓷。利用该方法可以有效制备得到综合性能良好的陶瓷滑片。

另外，根据本发明上述实施例的制备陶瓷滑片的方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述纳米陶瓷为纳米Al₂O₃、纳米Si₃N₄、纳米SiC的至少一种。由此制备得到的陶瓷滑片具有良好的致密度，进而具有较强的硬度。

根据本发明的实施例，所述Al₂O₃的粒径不大于5微米。由此可以进一步提高制备得到的陶瓷滑片的抗弯强度。

根据本发明的实施例，通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。由此可以进一步提高陶瓷的硬度以及耐磨性。

在本发明的第三方面，本发明提出了一种压缩机，该压缩机包括上述的陶瓷滑片。由此可以进一步提高压缩机的可靠性。

在本发明的第四方面，本发明提出了一种制冷设备，该制冷设备包括上述的压缩机。由此可以进一步提高制备设备的综合性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的陶瓷滑片的立体图。

图2是根据本发明一个实施例的陶瓷滑片的主视图。

图3根据本发明实施例的陶瓷滑片与金属滑片实机性能对比结果。

图4根据本发明实施例的陶瓷滑片与金属滑片实绩磨耗对比结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种陶瓷滑片，该陶瓷滑片包含：70～99.6重量%的Al₂O₃；0～0.4重量%的MgO；0～0.4重量%的SiO₂；0～0.2重量%的CaO；以及0～30重量%的纳米陶瓷。

由此该陶瓷滑片中添加了MgO、SiO₂和CaO等碱土金属氧化物可进一步提高陶瓷滑片的致密度，同时提高抗弯强度。根据本发明的具体实施例，其中含有的适量比例的纳米陶瓷，该部分纳米陶瓷的晶粒较小有助于晶粒与晶粒间的滑移，同时纳米陶瓷弥散在陶瓷基体中可以有效增加陶瓷滑片的抗断裂韧性。根据本发明的具体实施例，该陶瓷滑片采用陶瓷材质，其无需热处理、渗氮处理、PVD处理等即可达到高硬度、高强度、高韧性、高尺寸精度的要求。该陶瓷滑片直接通过烧结成型得到所需滑片形状，只需进行精加工，减少其他设备添置和环境污染，且原料成本较低。根据本发明的具体实施例，该陶瓷滑片可以适用于高负荷运转中压缩机，可以有效避免现有滑片顶端剥落的可靠性问题。

根据本发明的一个实施例，上述陶瓷滑片中包含的纳米陶瓷为纳米Al₂O₃、纳米Si₃N₄、纳米SiC的至少一种。由于纳米陶瓷的粒径较小有助于其他晶粒与晶粒间的滑移，同时纳米陶瓷可以弥散在陶瓷基体中，由此陶瓷滑片中添加的适量的纳米陶瓷可以有效增加陶瓷滑片的致密度，提高陶瓷滑片的抗弯强度以及抗断裂性。由此可以进一步提高陶瓷滑片的综合性能。

根据本发明的一个实施例，Al₂O₃的粒径不大于5微米。由此可以进一步提高陶瓷滑片的硬度、韧性和强度。

根据本发明的具体实施例，该陶瓷滑片无需表面处理，具有与DLC或CrN涂覆膜相当的硬度及耐磨性，同时，该陶瓷滑片表面具有微小油池，由此可以起到自润滑的作用，提高自身表面的抗耐磨性，避免由于滑动材料的摩擦引起温度升高，对润滑油造成分解。因此应用本发明的陶瓷滑片可有效提高压缩机的可靠性，甚至满足采用CO₂作为制冷剂的压缩机对滑片的使用要求。由此可知本发明的陶瓷滑片可以有效解决现有滑片剥落和磨耗大的问题，保证压缩机的运转可靠性，提高压缩机的使用寿命以及综合性能。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备陶瓷滑片的方法，该方法可以包括：提供烧结原料混合物；以及将烧结原料混合物进行烧结，以便获得陶瓷滑片，其中，烧结原料混合物包含：70～99.6重量%的Al₂O₃；0～0.4重量%的MgO；0～0.4重量%的SiO₂；0～0.2重量%的CaO；以及0～30重量%的纳米陶瓷。利用该方法可以有效制备得到综合性能良好的陶瓷滑片。

根据本发明的具体实施例，由于上述烧结原料中添加了MgO、SiO₂和CaO等碱土金属氧化物可进一步提高制备得到的陶瓷滑片的致密度，同时提高抗弯强度。根据本发明的具体实施例，其中含有的适量比例的纳米陶瓷，该部分纳米陶瓷的晶粒较小有助于晶粒与晶粒间的滑移，同时纳米陶瓷弥散在陶瓷基体中可以有效增加陶瓷滑片的抗断裂韧性。根据本发明的具体实施例，上述纳米材料的类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，纳米陶瓷可以为纳米Al₂O₃、纳米Si₃N₄、纳米SiC的至少一种。由此可以进一步发挥上述的润滑和填补的作用，以便进一步提高陶瓷滑片的抗弯强度和抗断裂韧性。

根据本发明的具体实施例，上述制备陶瓷滑片的方法中不包括对制备的陶瓷滑片进行热处理、渗氮处理以及PVD处理，其制备得到的陶瓷滑片产品即可达到高硬度、高强度、高韧性以及高尺寸精度的要求。另外，本发明的上述方法直接通过烧结成型得到所需陶瓷滑片形状，只需进行精加工，由此可避免其他设备添置和环境污染，并且该方法采用的原料大部分为Al₂O₃，其成本低于氧化锆等原料，尤其较金属合金滑片成本低。

根据本发明的具体实施例，该陶瓷滑片可以适用于高负荷运转中压缩机，可以有效避免现有滑片顶端剥落可靠性问题。

根据本发明的具体实施例，上述方法中不包括对陶瓷滑片表面进行处理的步骤，但是制备得到的陶瓷滑片即可具有与DLC或CrN涂覆膜相当的硬度及耐磨性。采用本发明的上述方法制备得到陶瓷滑片的表面由于晶粒空隙形成微小孔洞，该孔洞可以存留部分润滑油。由此可以起到自润滑的作用，提高自身表面的抗耐磨性，进而可以有效避免由于滑动材料的摩擦引起温度升高，对润滑油造成分解。因此利用本发明的制备陶瓷滑片的方法可以制备得到性能优异的陶瓷滑片。该陶瓷滑片可有效提高压缩机的可靠性，甚至满足采用CO₂作为制冷剂的压缩机对滑片的使用要求。

根据本发明的一个实施例，上述方法中采用的原料Al₂O₃的粒径不大于5微米。由此可以进一步提高制备得到陶瓷滑片的强度和韧性。

根据本发明的一个实施例，可以通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。根据本发明的具体实施例，优选采用热压烧结法和热等静压法进行烧结，由此可以进一步提高陶瓷滑片烧结后的致密性，并且上述方法可以降低烧结温度和缩短烧结时间，同时该方法可以在烧结过程中抑制晶粒长大，显著改善陶瓷滑片耐磨性能。同时在陶瓷原料混合物中还含有硅氧化物和钙氧化物，硅氧化物和钙氧化物不仅具有增强陶瓷硬度以及耐磨性的，还具有降低烧结温度以及抑制晶粒长大的作用。由此可以进一步提高陶瓷的硬度以及耐磨性。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种压缩机，该压缩机包括上述实施例的滑片。由于该陶瓷滑片所具有的高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点，由此可以进一步提高压缩机的工作效率。由于该陶瓷滑片表面具有微小孔洞，压缩机中的冷冻机油分子可以进入孔洞形成细小油池，由此可以提高陶瓷表面的润滑性，以便进一步提高陶瓷的耐磨性以及抗疲劳性，因此该陶瓷滑片不仅能够支持压缩机的运转，还可以进一步提高压缩机的工作效率。由于该陶瓷滑片的质量较轻，因此将本发明的陶瓷滑片替换铸铁陶瓷滑片用于压缩机，不仅可以降低成本，可以降低压缩机的重量，使用更加方便。并且根据本发明实施例的压缩机由于采用了上述实施例的陶瓷滑片，由于该陶瓷滑片耐磨特性好，振动和噪音方面也较金属材质的陶瓷滑片低。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种制冷设备，该制冷设备包括上述实施例的压缩机。由于该压缩机中的滑片为本发明实施例的陶瓷滑片，陶瓷滑片较通常压缩机使用的铸铁滑片重量轻，并且该陶瓷滑片可以使压缩机中的冷冻机油分子进入陶瓷滑片表层晶粒间的空隙，由此可以进一步提高陶瓷表面的润滑性、耐磨性以及抗疲劳性，降低工作负荷，延长使用寿命，以便进一步提高压缩机的工作效率以及使用寿命。由此采用该压缩机可以减轻制冷设备的重量，同时还可以进一步提高制冷设备的制冷效率以及使用寿命，以便进一步提高制冷设备的综合品质。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

旋转压缩机，制冷剂为CO₂，润滑油为聚烷基醇油（PAG），滑片成分按Al₂O₃89.5重量%（Al₂O₃颗粒径不大于5微米）、MgO0.2重量%、CaO0.3重量%、纳米Al₂O₃10重量%配比制成。

实施例2

旋转压缩机，制冷剂为CO₂，润滑油为聚烷基醇油（PAG），滑片成分按Al₂O₃79.5重量%（Al₂O₃颗粒径不大于5微米）、MgO0.2重量%、CaO0.3重量%、纳米Al₂O₃20重量%配比制成。

实施例3

旋转压缩机，制冷剂为CO₂，润滑油为聚烯烃酯油（POE），滑片成分按Al₂O₃79.5重量%（Al₂O₃颗粒径不大于5微米）、MgO0.2重量%、CaO0.3重量%、纳米Al₂O₃20重量%配比制成。

对比例1

旋转压缩机，制冷剂为CO₂，润滑油为聚烷基醇油（PAG），滑片为高速钢滑片。

对比例2

旋转压缩机，制冷剂为CO₂，润滑油为聚烷基醇油（PAG），滑片成分按Al₂O₃99.2重量%（Al₂O₃颗粒径不大于5微米）、MgO0.2重量%、SiO₂0.3重量%、CaO0.3重量%配比制成。

评价：

1、分别对实施例1-3和对比例1-2制备得到的陶瓷滑片进行单品性能及实机性能评价。

2、评价指标和测试方法：

密度的测试：见国标GB/T4472-1984

硬度HRC的测试：见国标GB/T230.3-2002

抗弯强度的测试：见国标GB/T6569-86

断裂韧性的测试：见标准ASTME399-70T

摩擦系数测试：立式万能摩擦试验机，负荷400N，转速600rpm，试验时间300min，冷冻油环境；

测定结果见表1-2，图3-4。

表1

表2耐磨性能测定结果

图3显示了上述实施例1-3的陶瓷滑片和对比例1的高速钢滑片以及对比例2的陶瓷滑片以的实机性能对比结果。采用陶瓷滑片的压缩机冷量较金属滑片有提高，且添加纳米陶瓷仕样提高更明显；陶瓷仕样压缩机入力较金属仕样略有降低，推测是重量减轻，降低功耗；表现整个压缩机能效较金属仕样提高；噪音振动与金属仕样相当。

图4显示了上述实施例1-3的陶瓷滑片和对比例2的高速钢滑片以及对比例1的陶瓷滑片的实绩磨耗对比结果。长时间可靠性试验后，实施例1-3的陶瓷仕样及对摩件外观良好，磨耗量较对比例1-2的仕样显著降低，可靠性提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种陶瓷滑片，其特征在于，由以下原料制备而成：

79.5重量％的Al₂O₃；

0.2重量％的MgO；

0.3重量％的CaO；以及

20重量％的纳米Al₂O₃，

其中，所述Al₂O₃的粒径不大于5微米。

2.一种制备陶瓷滑片的方法，其特征在于，包括：

提供烧结原料混合物；以及

将所述烧结原料混合物进行烧结，以便获得所述陶瓷滑片，

其中，所述烧结原料混合物由以下组分组成：

79.5重量％的Al₂O₃；

0.2重量％的MgO；

0.3重量％的CaO；以及

20重量％的纳米Al₂O₃，

其中，所述Al₂O₃的粒径不大于5微米。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。

4.一种压缩机，其特征在于，包括权利要求1所述的陶瓷滑片。

5.一种制冷设备，其特征在于，包括权利要求4所述的压缩机。