CN108825504B - 压缩机用滑片以及滑片式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩机用滑片以及滑片式压缩机，其中该压缩机用滑片是由氧化锆和稳定剂组成的四方多晶氧化锆陶瓷烧结体，稳定剂为氧化钇或氧化铈。该滑片式压缩机具有该压缩机用滑片。本发明的滑片相对于常用的钢材滑片具有更高摩擦性能，能够有效提高压缩机的寿命。

Description

压缩机用滑片以及滑片式压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机设备技术领域，具体涉及一种压缩机用滑片以及使用该滑片的滑片式压缩机。

背景技术

近年来，随着气温逐渐升高，空调和制冷市场日益壮大。而各种空调设备，无论是家用、车用、还是商用空调，都离不开其核心部件：压缩机。压缩机运行的功耗达到整机功耗的70％以上。现今，国家节能环保标准日益提高，降低功耗、提高COP的指标要求压缩机综合性能的提升。而滑片，作为滑片式压缩机内部的关键部件，对压缩机功耗有很大影响。

对于滑片式压缩机，在其运行过程中，滑片的两侧存在着压力差，使得滑片两侧受到不一致的载荷而产生倾斜。弹性模量较大的滑片在相同载荷下产生倾斜较小。随着滑片的往复运动，滑片两侧与头部会发生磨损。特别对于一些制冷剂，如R410a、CO₂等，其在滑片式压缩机中的运行压力高，压缩腔的压差较大，从而造成金属滑片的磨损增加、寿命减小，进而降低压缩机寿命。其次，从功耗的角度而言，由于材料本身以及生产工艺的限制，现有金属滑片的表面粗糙度较高，带来的其表面摩擦系数较大，相同的载荷下，产生的摩擦功也更大。最后，金属的密度也是一个无法绕过的问题，虽然有特殊工艺如粉末冶金可以通过调整致密度的方法降低密度，但致密度对组织性能影响较大，无法随意调整。而密度的降低，可降低运行时所需要克服的惯性力与摩擦功，对整体功耗影响很大。此外，金属滑片还存在绝热性能不佳的缺点，从而降低了空调的热交换效率。

目前，滑片式压缩机内的滑片所采用的材料为SKH51，属于高速钢，SKH51是日本牌号，对应国标牌号为W6Mo5Cr4V2。在压缩机测试时，滑片在滑片槽内承载着高负荷并往复运动，往往在测试完成后的解剖中会发现，滑片两侧以及头部磨损严重，出现明显的摩擦痕迹，无法经砂纸打磨去除，只得重新更换滑片测试。而且高速钢密度较大，因而克服惯性力所做的摩擦功就越大，还会引起振动与噪音方面的问题。而陶瓷滑片可以在以上摩擦磨损方面起到优良的减磨耐磨性能与优异的噪音性能。陶瓷是替代高速钢的较好的方案。

申请号为201410025579.7的中国专利申请涉及一种氧化铝陶瓷，虽然其能够一定程度上改善滑片的耐磨、减摩及绝热特性，但是由于氧化铝材料韧性不佳，因而存在冲击断裂的风险。申请号为93117039.7的中国专利申请涉及一种旋转压缩机用叶片，其包括50-98.5％(重量％)的氧化锆，1-49.5％(重量％)的氧化铝及0.5-10％(重量％)的稳定材料组成的烧结体。该叶片材料属于增韧氧化铝陶瓷(ZTA)的范畴，它在氧化铝的基础上增加一定的氧化锆陶瓷配料，其耐磨性和韧性介于氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷之间。然而，该专利揭示的滑动件在耐磨性等方面还有进一步提升的空间，特别是现今对环保要求提高，在压缩机制冷剂从HFC-R134逐步替换为R410a的过程中，R410a制冷剂的排气温度更高，排气压力更大，因此对滑片的性能提出了更加严峻的挑战。

现有的增韧氧化铝陶瓷在较低温度下烧结，如果没有液相存在，氧化铝的烧结通过原子(或离子)级物质迁移的扩散机理进行；如果存在液相，则由液相移动的粘滞流动机理支配。液相出现时，陶瓷材料迅速发生致密化。将通常的拜尔氧化铝烧结时，需要1900℃左右的高温，但如果加入烧结助剂，则可将烧结温度降至1550℃左右。而氧化锆对于氧化铝陶瓷就是一种理想的烧结助剂，因为氧化铝热膨胀系数大，弹性模量高，烧结冷却后对氧化锆颗粒的束缚作用强，临界直径Dc较大，立方和四方氧化锆颗粒可以更多更有效地保留下来，增韧的效果也比较明显。

氧化锆陶瓷材料虽然具有良好的性能，但现有技术中尚未有以氧化锆作为基体且不含氧化铝的滑片。氧化锆在不同温度和其他条件下，存在着三种同质异形体，即立方晶系、单斜晶系和四方晶系。天然氧化锆和用化学法得到的氧化锆属于单斜晶系。纯的氧化锆晶形的转变温度如下：常温下氧化锆只以单斜晶相出现，加热到1100℃左右转变为四方晶相，加热到更高温度例如大于2300℃时会转化为立方晶相。氧化锆由单斜相向四方相相转变时，在约1200℃体积会收缩，冷却进行相反的相转变时，在约1000℃体积会膨胀。晶型的转变产生体积变化，会造成产品开裂，故单纯的氧化锆陶瓷很难生产，通常需要加入适量的晶型稳定剂例如氧化钙、氧化镁、氧化钇、氧化锆和其他稀土氧化物等，使四方晶相的氧化锆在室温下也能以稳定或者亚稳定形式存在，从而扩宽氧化锆的应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一目的在于提供一种具有更高耐磨性能、可降低同工况下的磨损量并提高可靠性的滑片式压缩机用滑片。

本发明的第二目的是提供一种使用具有更高摩擦性能的滑片件，减少其与配合件的摩擦功耗的滑片式压缩机。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供了一种压缩机用滑片，该滑片是由氧化锆和稳定剂组成的四方多晶氧化锆陶瓷烧结体。即在四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中，四方晶体结构在氧化锆基体的所有晶体结构中占较大比例。

进一步的技术方案是，稳定剂为氧化钇或氧化铈中的一种。氧化钇或氧化铈能够有效地稳定氧化锆的四方晶相，从而提高滑片的硬度和强度等。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为91％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至9％；或者，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为85％至93％，氧化铈的摩尔百分比含量为7％至15％。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为97％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至3％；或者，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为85％至88％，氧化铈的摩尔百分比含量为12％至15％。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体的平均粒径小于3μm。烧结体的平均粒径在上述范围内时，能够保证烧结体具有足够的致密度。

为实现本发明的第二目的，本发明提供了一种滑片式压缩机，该滑片式压缩机包括滑片，该滑片是由氧化锆和稳定剂组成的四方多晶氧化锆陶瓷烧结体。

进一步的技术方案是，稳定剂为氧化钇或氧化铈中的一种。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为91％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至9％；或者，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为85％至93％，氧化铈的摩尔百分比含量为7％至15％。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为97％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至3％；或者，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为85％至88％，氧化铈的摩尔百分比含量为12％至15％。

进一步的技术方案是，四方多晶氧化锆陶瓷烧结体的平均粒径小于3μm。

本发明能够取得以下有益效果：

(1)本发明滑片采用的四方多晶氧化锆增韧陶瓷，其中氧化钇稳定四方多晶氧化锆增韧陶瓷硬度能够达到13GPa左右，远高于为热处理后的SKH51滑片材料；氧化钇稳定的四方多晶氧化锆增韧陶瓷硬度与热处理后的SKH51滑片材料相当。且两种四方多晶氧化锆增韧陶瓷的磨损率相对热处理后的SKH51滑片材料能够降低一个数量级以上，从而大大提高滑片式压缩机的使用寿命。

(2)本发明采用的四方多晶氧化锆增韧陶瓷的摩擦系数相对热处理后的SKH51滑片材料能够降低20％以上，从而能够有效减小滑片式压缩机机械功耗，提升压缩机能效。

(3)本发明采用的四方多晶氧化锆增韧陶瓷滑片的导热系数通常低于3W/(m·K)，不到SKH51滑片材料的十分之一，因而具有极佳的绝热性能，有利于改善空调的热交换效率；

(4)本发明采用的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料的密度约为6g/cm³左右，明显小于SKH51滑片材料，因而有利于减小压缩机的噪音及振动。

附图说明

图1是本发明滑片实施例1至4所制得的滑片结构示意图；

图2是本发明滑片实施例1至4所制得的滑片应用在压缩机泵体上的结构示意图。

具体实施方式

本发明的滑片采用氧化钇或氧化铈稳定四方多晶氧化锆陶瓷(R-TZP，其中R为Y或Ce)，其中氧化锆为基体，不含氧化铝，氧化钇或者氧化铈作为稳定剂，使得氧化锆基体在常温下依旧保持为四方晶相而不是单斜晶相，而四方晶相的性能相对于立方晶相、单斜晶相更优异。本发明的氧化锆陶瓷与现有的增韧氧化铝陶瓷相比较，具有更好的耐磨性能，原因是氧化锆陶瓷烧结温度更高，且密度比氧化铝陶瓷高一倍。

本发明滑片采用的四方多晶氧化锆陶瓷的典型物理性能如下表1所示。

表1四方氧化锆多晶体(R-TZP)的典型物理性能

本发明将四方氧化锆多晶体陶瓷材料应用于滑片式压缩机，该材料相对于目前常用的SKH51钢材料具有更低的密度、更高的耐磨性能以及更高的绝热性能，有利于改善滑片式压缩机的性能。

以下通过滑片实施例1至4对本发明的滑片作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供了一种氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷材料制作的滑片，该滑片可用于滑片式压缩机。该滑片制作方法为：

首先，制备并干燥含有氧化锆及氧化钇的粉末混合物。在本实施例中，滑片用的氧化锆粉末及氧化钇粉末配比(摩尔百分比)为：97％至98％的氧化锆，2％至3％的氧化钇。再将两种粉末经过球磨机混合。

然后，将粉末混合物进行喷雾造粒，再通过一个适当的模制过程将粉末混合物模制成滑片的形状。成形的滑片脱除油脂后在炉中以一定的温度加热一段时间以得到烧结的滑片。

最后，对上述滑片进行精加工以满足使用要求。

实施例2

本实施例也提供了一种氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷材料制作的滑片，该滑片可用于滑片式压缩机。本实施例中氧化锆粉末及氧化钇粉末的配比与实施例1不同。具体地，本实施例的滑片制作方法为：

首先，制备并干燥含有氧化锆及氧化钇的粉末混合物。在本实施例中，滑片用的氧化锆粉末及氧化钇粉末配比(摩尔百分比)为：91％至93％的氧化锆，7％至9％的氧化钇。再将两种粉末经过球磨机混合。

然后，将粉末混合物进行喷雾造粒，再通过一个适当的模制过程将粉末混合物模制成滑片的形状。成形的滑片脱除油脂后在炉中以一定的温度加热一段时间以得到烧结的滑片。

最后，对上述滑片进行精加工以满足使用要求。

采用实施例1及实施例2中一个具体的配比制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料的性能如下表2所示：

表2实施例1和实施例2的陶瓷材料与SKH51钢材的性能比较

通过实施例1及实施例2所制备的四方多晶氧化锆陶瓷材料与热处理后的SKH51钢材的性能进行对比，可以发现，对于应用于压缩机的滑片材料而言，实施例1至2制备的陶瓷材料除了断裂韧性低于钢材，其余指标均优于或接近钢材。首先，实施例1至2制备的陶瓷材料相对于热处理后的钢材密度降低，可以降低滑片的摩擦功耗以及有益于减少振动和噪音。其次，实施例1至2制备的陶瓷材料弹性模量相对于热处理后的钢材稍有提高，可以降低滑片在压缩机运行过程中的变形。最后，实施例1至2制备的陶瓷材料相对于热处理后的钢材导热率大幅度降低，可以提高压缩机的绝热性能，从而提升热交换效率。

此外，实施例1及实施例2制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷的比磨损率相对热处理后的钢材能够降低一个数量级以上，从而大幅度提高滑片式压缩机的使用寿命；另一方面，实施例1及实施例2制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷的摩擦系数相对热处理后的材能够降低20％以上。摩擦性能测试的对磨件均为钢材，具体数值会因工作条件不同而有所差异。

通过实施例1和实施例2的比较，可以发现：氧化钇含量的增加不能无限制的提高Y-TZP的硬度。在实施例1中，氧化钇含量为3％时即可达到抗弯强度、弹性模量和硬度最大值，且热导率也取得了较小值。由于Y³⁺与Zr⁴⁺半径相近，Y³⁺在高温下可进入ZrO₂晶格取代Zr^{4 +}，形成置换式固溶体，这将大大降低氧化锆由四方相向单斜相相变的温度，使四方相在室温得以保留，这可以提高氧化锆制品的硬度及强度。当钇摩尔分数较小，例如为1％时，氧化锆制品中绝大部分是单斜相，四方相只占很少的一部分。当钇摩尔分数为3％时，氧化锆制品中已产生较多的四方相，此时钇稳定氧化锆的颗粒尺寸最小，并且氧化锆具有较高的致密度，获得的结合力较高。当钇摩尔分数大于3％后，例如在实施例2中，当氧化钇含量达到7％至9％时，四方相减少，氧化锆则出现更多的单斜相形式，造成强度和硬度下降。但实施例2通过基体中四方相向单斜相转变时产生的残余应力和显微裂纹等能够起到增韧效果，因此其断裂韧性有所提高，对压缩机局部的可靠性有积极的意义。

实施例3

本实施例提供了一种氧化铈稳定的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料制作的滑片，该滑片可用于滑片式压缩机。该滑片制作方法为：

首先，制备并干燥含有氧化锆及氧化铈的粉末混合物。在本实施例中，滑片用的氧化锆粉末及氧化铈粉末配比(摩尔百分比)为：85％至88％氧化锆，12％至15％氧化铈。将两种粉末经过球磨机混合。

然后，将粉末混合物进行喷雾造粒，再通过一个适当的模制过程将粉末混合物模制成滑片的形状。成形的滑片脱除油脂后在炉中以一定的温度加热一段时间以得到烧结的滑片。

最后，对上述滑片进行精加工以满足使用要求。

实施例4

本实施例也提供了一种氧化铈稳定四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料制作的滑片，该滑片可用于滑片式压缩机。本实施例中氧化锆粉末及氧化铈粉末的配比与实施例3不同。本实施例的滑片的制作方法为：

首先，制备并干燥含有氧化锆及氧化铈的粉末混合物。在本实施例中，滑片用的氧化锆粉末及氧化铈粉末配比(摩尔百分比)为：89％至93％的氧化锆，7％至11％的氧化铈。将两种粉末经过球磨机混合。

然后，将粉末混合物进行喷雾造粒，再通过一个适当的模制过程将粉末混合物模制成滑片的形状。成形的滑片脱除油脂后在炉中以一定的温度加热一段时间以得到烧结的滑片。

最后，对上述滑片进行精加工以满足使用要求。

采用实施例3和实施例4中一个具体配比所制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料的性能如下表3所示：

表3实施例3和实施例4的陶瓷材料与SKH51钢材的性能比较

通过实施例3及实施例4制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料与热处理后的SKH51钢材的性能进行对比，可以发现，对于应用于压缩机的滑片材料而言，实施例3的陶瓷材料除了断裂韧性以外，其余指标均优于或接近钢材。实施例3及实施例4的陶瓷滑片在密度方面的优势将有利于降低压缩机的振动及噪音。此外，实施例3及实施例4的四方多晶氧化锆增韧陶瓷的比磨损率相对热处理后的钢材能够降低一个数量级以上，从而大大提高滑片式压缩机的使用寿命；另一方面，四方多晶氧化锆增韧陶瓷的摩擦系数相对热处理后的能够降低20％以上。

通过实施例3与实施例4制备的四方多晶氧化锆增韧陶瓷材料的对比，实施例4的陶瓷材料强度和断裂韧性均略有下降。但采用实施例4的配比可以降低烧结温度，从而可以降低制造成本。同时铈作为稀土元素，价格较高，降低其含量也能够带来有益的效果。

滑片实施例1至4所制备得到的滑片结构如图1所示，滑片体1进一步应用在滑片式压缩机中，滑片式压缩机的泵体还进一步包括主轴2、中心部3、下法兰4和气缸5。滑片体1用于滑片式压缩机的泵体中时，能够有效降低滑片体1与其他部件的摩擦损耗，提高滑片和压缩机的寿命。

最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.压缩机用滑片，其特征在于：

所述滑片是由氧化锆和稳定剂组成的四方多晶氧化锆陶瓷烧结体；所述稳定剂为氧化钇或氧化铈中的一种；

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为91％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至9％；或者，所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为89％至93％，氧化铈的摩尔百分比含量为7％至11％。

2.根据权利要求1所述的压缩机用滑片，其特征在于：

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为97％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至3％。

3.根据权利要求1或2所述的压缩机用滑片，其特征在于：

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体的平均粒径小于3μm。

4.滑片式压缩机，包括滑片，其特征在于：

所述滑片是由氧化锆和稳定剂组成的四方多晶氧化锆陶瓷烧结体；所述稳定剂为氧化钇或氧化铈中的一种；所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为91％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至9％；或者，

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为89％至93％，氧化铈的摩尔百分比含量为7％至11％。

5.根据权利要求4所述的滑片式压缩机，其特征在于：

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体中氧化锆的摩尔百分比含量为97％至98％，氧化钇的摩尔百分比含量为2％至3％。

6.根据权利要求4或5所述的滑片式压缩机，其特征在于：

所述四方多晶氧化锆陶瓷烧结体的平均粒径小于3μm。

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