CN106893901A - 铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法 - Google Patents

铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法。该铝合金材料为α‑Al固溶体，铝合金材料按重量百分比包括：硅8％‑15％；铜0.5％‑3％；铝至100％；硅以球状硅共晶体的形式均匀分布在α‑Al固溶体中。本发明提供的铝合金材料能够获得较高的强度，满足十字滑环的强度需求，且硅以球状硅共晶体的形式均匀分布于α‑Al固溶体中，对基体产生的应力集中作用更小，力学性能更好。在十字滑环往复滑动摩擦过程中，类球形的共晶硅边角圆润，对动涡旋盘和上支架的犁削作用小；类球形的硅共晶体颗粒相与α‑Al固溶体的应力集中小，裂纹源萌生的阻力大，裂纹扩展速率慢，从而具有优异的耐磨损性能。

Description

铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金领域，更具体地涉及一种铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法。
背景技术
在涡旋压缩机中，当动涡旋盘相对静涡旋盘运动时，为防止动涡旋盘的自转，需要在动涡旋盘与上支架之间设置十字滑环。现有的十字滑环一般采用ADC12压铸铝合金，这种材料的摩擦系数较大，材质偏软，其中的硅以多边形块状初晶硅以及针状或棒状的共晶硅的形式分布在铝基体中，摩擦阻力大且应力集中现象严重，耐磨性能差。由于涡旋压缩机普遍用在商用制冷系统中，对冷量的需求较大，排量也相应增加，且涡旋压缩机有变频、高速化的发展趋势，涡旋盘的压缩功率大幅增加，造成十字滑环的凸键部位很容易磨损甚至发生断裂失效，另外，磨损后的杂质随油路循环进入泵体，导致泵体零件的磨损量增加、功耗上升，进而导致涡旋盘粘着或破损，使得整机性能下降或报废；同时，这些杂质还可能划伤电机的铜线，进入定转子缝隙中，导致电机烧毁。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种摩擦阻力小、耐磨性能好、强度高的铝合金材料、涡旋压缩机的十字滑环及其制备方法。
为达上述目的，一方面，本申请提供一种铝合金材料。
一种铝合金材料，所述铝合金材料为α-Al固溶体，所述铝合金材料按重量百分比包括：
硅 8％-15％；
铜 0.5％-3％；
铝 至100％；
所述硅以球状硅共晶体的形式均匀分布在所述α-Al固溶体中。
优选地，所述球状硅共晶体的粒径小于等于15微米。
优选地，所述铝合金材料按重量百分比还包括：
优选地，所述硅的重量百分比为10％-12％；和/或，
所述铜的重量百分比为1％至2％。
另一方面，本申请提供一种涡旋压缩机的十字滑环。
一种涡旋压缩机的十字滑环，所述十字滑环的材料包括如上所述的铝合金材料。
优选地，所述十字滑环的至少外表面为所述铝合金材料。
再一方面，本申请提供一种涡旋压缩机的十字滑环的制备方法。
一种如上所述十字滑环的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S100、将所述铝合金件的铝合金材料按配方进行熔炼，得到坯料；
步骤S200、将步骤S100得到的坯料进行锻造成型。
优选地，所述制备方法还包括：
步骤S300、将步骤S200得到的坯料进行固溶处理和人工时效处理，得到所述十字滑环。
优选地，步骤S200包括：
步骤S201、将步骤S100得到的坯料升温至400℃至500℃；
步骤S202、将锻造所需的模具预热，将升温后的坯料放入所述模具的模腔内；
步骤S203、对模腔内的坯料进行挤压锻造。
优选地，步骤S203中，所述挤压锻造的挤压速度大于等于10mm/s，小于等于25mm/s。
优选地，步骤S300中，所述固溶处理的温度为470℃至520℃；和/或，
所述固溶处理的时间为1至3小时；和/或，
所述人工时效的温度为160℃至200℃；和/或，
所述人工时效的时间为5至7小时。
本发明提供的铝合金材料按重量百分比包括8％-15％的硅、0.5％-3％的铜以及铝，采用上述原料及配比得到的铝合金材料能够获得较高的强度，满足十字滑环的强度需求，且硅以球状硅共晶体的形式均匀分布于α-Al固溶体中，与传统铸造高硅铝合金中带尖角的多边形块状初晶硅和针状或棒状的共晶硅相比，球形或类似球形的硅共晶体对基体产生的应力集中作用更小，力学性能更好。在十字滑环往复滑动摩擦过程中，类球形的硅共晶体的摩擦学特性更好，首先，类球形的共晶硅边角圆润，对动涡旋盘和上支架的犁削作用小，即使在缺油或少有的状态下，摩擦阻力也相对减小；其次，类球形的硅共晶体颗粒相与α-Al固溶体的应力集中小，裂纹源萌生的阻力大，裂纹扩展速率慢，从而具有优异的耐磨损性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明具体实施方式提供的涡旋压缩机的剖视图；
图2示出本发明具体实施方式提供的十字滑环的立体图；
图3示出本发明具体实施方式提供的十字滑环的左视图。
图中，1、静涡旋盘；2、动涡旋盘；3、上支架；4、曲轴；5、十字滑环；51、环状本体；52、支架凸键；53、动盘凸键；7、电机转子铁芯；8、电机定子铁芯；10、吸气管；11、开口型密封圈；12、上支架轴承；14、排气管；16、导油片；17、吸油管；18、中心油孔；19、动盘尾部轴承；20、冷冻机油。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
涡旋压缩机的结构如图1所示，涡旋压缩机的压缩机构包括静涡旋盘1、动涡旋盘2以及防止动涡旋盘2自转的十字滑环5，动涡旋盘2经上支架3支撑，十字滑环5设置在动涡旋盘2与上支架3之间。十字滑环5的结构如图2和图3所示，其包括环状本体51，环状本体51上与上支架3相对的端面上设置有支架凸键52，环状本体51上与动涡旋盘2相对的端面上设置有动盘凸键53，相应地，上支架3上设置有与支架凸键52相配合的支架键槽(图中未示出)，动涡旋盘2上设置有与动盘凸键53相配合的动盘键槽(图中未示出)。泵体的气体载荷以及离心力作用分别作用在十字滑环5的支架凸键52的侧面以及动盘凸键53的侧面上，支架凸键52和动盘凸键53分别与支架键槽和动盘键槽的侧面产生往复滑动摩擦，且环状本体51的两个端面分别与上支架3和动涡旋盘2的接触面发生摩擦并伴随材料的磨损。优选地，支架凸键52和动盘凸键53均相对设置有两个，且四个凸键沿周向均匀分布。
涡旋压缩机的工作过程为，涡旋压缩机的驱动部分包括电机转子铁芯7、电机定子铁芯8和曲轴4。由驱动部分带动动涡旋盘2运转，其与静涡旋盘1互相啮合从而形成月牙形压缩腔。随着曲轴4的旋转，制冷剂经过吸气管10进入压缩机压缩机构的吸气腔，动涡旋盘2继续作回转平动并始终保持良好的啮合状态，吸气腔不断向中心推移，容积不断缩小，腔体内压力不断被进行压缩；当达到预定压缩比时，制冷剂由静涡旋盘1的顶部中心排气口排出，进入压缩机上部空间，经静涡旋盘1与上支架3排气通道进入电机上部空间及流通槽，对电机进行冷却，然后流到压缩机下部空间，最后经排气管14排出压缩机。同时，由安装在曲轴4下部的导油片16与吸油管17的作用，处于高压环境下油池的冷冻机油20经过曲轴4的中心油孔18供给至曲轴4的曲柄部及上支架3的空腔内，润滑动盘尾部轴承19及上支架轴承12，并且由于高压油的作用使得开口型密封圈11作用，以隔离高、低压环境，从而形成背压腔，保证泵体形成密封腔。
针对现有十字滑环存在的易磨损、强度低的问题，本申请提供了一种轻质、摩擦阻力小、耐磨性能好、强度高的铝合金材料，十字滑环采用该铝合金材料能够获得很好的力学性能及耐磨性能，惯性和滑动阻力小。下面结合具体的实施例说明十字滑环的具体材料及其制备方法。
在一个具体的实施例中，十字滑环采用的铝合金材料为α-Al固溶体，其制备方法包括：
步骤S100、将铝合金原料进行熔炼，得到坯料；铝合金原料按重量百分比包括：
其中，铜具有一定的固溶强化效果，此外，时效析出的CuAl2有明显的时效强化效果，另外，铜能够增强铝合金的机械强度及抗腐蚀性，在铝硅合金中，α-Al与CuAl2构成共晶体，提高合金的强度和硬度，铝合金的弹性模量会随着铜的加入量的提高而成比例增加，铜的加入还可提高铝合金的高温力学性能(抗蠕变性能)，铜的固溶还可以提高合金的抗疲劳强度，因此，通过铜的加入能够有效提高十字滑环的耐磨性，以满足其工作需求。另外，镁的加入能够提高抗拉强度、硬度及耐腐蚀性，但是，随着镁的增加，会增大材料的热裂性，降低压铸性能，铝硅合金中加入镁能够形成Mg2Si相，时效后Mg2Si溶入α-Al中呈弥散析出来强化合金，但也增加了合金硬化和脆性，降低伸长率，增大热裂倾向，进而降低十字滑环的整体性能，因此，将加入镁的量设定在小于0.8％进一步优选为0.2％-0.3％之间能够保证十字滑环的最优性能。
通过熔炼对原材料进行调质，为后续的锻造成型打好基础。
优选地，熔炼过程包括：
步骤S101、熔炼前的准备工作，包括清洗电阻炉、预热炉体、炉料和准备物料；
步骤S102、向炉体中装料；
步骤S103、熔化；
步骤S104、除渣、搅拌；
步骤S105、变质处理；
步骤S106、浇铸成型，得到坯料。
步骤S200、将步骤S100得到的坯料进行锻造成型。
优选地，锻造成型包括：
步骤S201、将步骤S100得到的坯料升温至400℃至500℃，优选为450℃；
步骤S202、将锻造所需的模具预热，预热温度优选为约150℃，将升温后的坯料放入模具的模腔内，优选地，在模具内壁上涂抹石墨粉后再将坯料放入其中；
步骤S203、对模腔内的坯料进行挤压锻造，优选地，挤压锻造的挤压速度大于等于10mm/s，小于等于25mm/s，既保证了锻造后的产品质量，又能够保证生产效率。
进一步优选地，还包括：
步骤S300、将步骤S200得到的坯料进行固溶处理和人工时效处理，得到十字滑环，优选地，固溶处理的温度为470℃至520℃，处理时间为1至3小时，进一步优选为3小时。人工时效的温度为160℃至200℃，进一步优选为180℃，时间为5至7小时，进一步优选为6小时。通过固溶处理和人工时效处理改善十字滑环的强度，同时优化了组织性能，使得硅共晶体以球状颗粒均匀分布，且球状颗粒的粒径不大于15微米，大部分尺寸在4至8微米，从而获得更优的力学性能、耐磨性能及强度。
由于温度和反应时间是各材料之间进行相互反应的重要参数且相互之间有着密切的相互关系，不是独立的单一变量，需要对各个阶段的温度以及反应时间进行协调控制才能够获得合适的操作条件，本申请通过对各个步骤中温度及反应时间进行限定，从而获得所需的十字滑环。
本实施例提供的十字滑环的耐磨性相较于现有的十字滑环有显著的提高，强度能够超过340MPa，比现有十字滑环的强度提高了30％以上，满足高速涡旋压缩机恶劣工况下的要求，可靠性高，具有优良的抗粘着磨损性，即使当涡旋压缩机在高度运转下，该十字滑环仍能够保证足够的强度和可靠性，另外，采用锻造工艺使得十字滑环的组织致密，十字滑环的凸键上与键槽相接触的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，经测试，本实施例提供的十字滑环可使得涡旋压缩机在20至150HZ范围内可靠运行。
将本申请的十字滑环与现有ADC12压铸铝合金材料的十字滑环进行1000H压缩机耐久性试验对比，磨损量采用轮廓粗糙度Rz评估，对比结果如下表所示：
由上表可知，本申请的十字滑环具有显著的抗磨损性能。
由于铝合金材料中各原料之间有着密切的相互关系，采用上述原料及配比得到的铝合金材料能够获得较高的强度，满足十字滑环的强度需求，其中，硅以球状硅共晶体的形式均匀分布在α-Al固溶体中，与传统铸造高硅铝合金中带尖角的多边形块状初晶硅和针状或棒状的共晶硅相比，球形或类似球形的硅共晶体对基体产生的应力集中作用更小，力学性能更好。在十字滑环往复滑动摩擦过程中，类球形的硅共晶体的摩擦学特性更好，首先，类球形的共晶硅边角圆润，对动涡旋盘和上支架的犁削作用小，即使在缺油或少有的状态下，摩擦阻力也相对减小；其次，类球形的硅共晶体颗粒相与α-Al固溶体的应力集中小，裂纹源萌生的阻力大，裂纹扩展速率慢，从而具有优异的耐磨损性能。
在替代的实施例中，制成十字滑环的铝合金原料按重量百分比包括：
本实施例提供的十字滑环的强度能够超过340MPa，十字滑环的凸键上与键槽相接触的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，经测试，本实施例提供的十字滑环可使得涡旋压缩机在20至150HZ范围内可靠运行。
在替代的实施例中，制成十字滑环的铝合金原料按重量百分比包括：
硅 8％；
铜 0.5％；
铝 至100％。
本实施例提供的十字滑环的强度能够超过340MPa，十字滑环的凸键上与键槽相接触的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，经测试，本实施例提供的十字滑环可使得涡旋压缩机在20至150HZ范围内可靠运行。
在替代的实施例中，制成十字滑环的铝合金原料按重量百分比包括：
硅 15％；
铜 3％；
铝 至100％。
本实施例提供的十字滑环的强度能够超过340MPa，十字滑环的凸键上与键槽相接触的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，经测试，本实施例提供的十字滑环可使得涡旋压缩机在20至150HZ范围内可靠运行。
当然，可以理解的是，本申请提供的铝合金材料不局限于应用于十字滑环，也可应用于其他同样具有高耐磨性、高强度要求的铝合金件，另外，十字滑环不局限于整体采用上述的铝合金材料，也可以是只在十字滑环的外表面设置上述的铝合金材料，当然，整体采用上述的铝合金材料为最优。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料为α-Al固溶体，所述铝合金材料按重量百分比包括：
硅 8％-15％；
铜 0.5％-3％；
铝 至100％；
所述硅以球状硅共晶体的形式均匀分布在所述α-Al固溶体中。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述球状硅共晶体的粒径小于等于15微米。
3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料按重量百分比还包括：
镁 小于等于0.8％；和/或，
铁 小于等于0.9％；和/或，
镍 小于等于0.5％；和/或，
锰 小于等于0.5％。
4.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述硅的重量百分比为10％-12％；和/或，
所述铜的重量百分比为1％至2％。
5.一种涡旋压缩机的十字滑环，其特征在于，所述十字滑环的材料包括如权利要求1至4任一项所述的铝合金材料。
6.根据权利要求5所述的十字滑环，其特征在于，所述十字滑环的至少外表面为所述铝合金材料。
7.一种如权利要求5或6任一项所述十字滑环的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤S100、将所述铝合金件的铝合金材料按配方进行熔炼，得到坯料；
步骤S200、将步骤S100得到的坯料进行锻造成型。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
步骤S300、将步骤S200得到的坯料进行固溶处理和人工时效处理，得到所述十字滑环。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S200包括：
步骤S201、将步骤S100得到的坯料升温至400℃至500℃；
步骤S202、将锻造所需的模具预热，将升温后的坯料放入所述模具的模腔内；
步骤S203、对模腔内的坯料进行挤压锻造。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S203中，所述挤压锻造的挤压速度大于等于10mm/s，小于等于25mm/s。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S300中，所述固溶处理的温度为470℃至520℃；和/或，
所述固溶处理的时间为1至3小时；和/或，
所述人工时效的温度为160℃至200℃；和/或，
所述人工时效的时间为5至7小时。
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