CN110735070B - 铝合金材质、耐磨件及制备方法和涡旋压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铝合金材质、耐磨件及制备方法和涡旋压缩机。该铝合金材质由α‑Al基体、初晶硅、共晶硅和强化相组成，所述初晶硅和所述共晶硅都弥散分布在所述α‑Al基体中；所述强化相包括抑制剂，所述抑制剂用于抑制所述初晶硅的长大。采用初晶硅和共晶硅均弥散分布在α‑Al基体中，组织分布均匀，相比4032材质强度提升了28.9％左右，硬度提升了32.9％左右。

Description

铝合金材质、耐磨件及制备方法和涡旋压缩机
技术领域
本发明属于涡旋压缩机技术领域，具体涉及一种铝合金材质、耐磨件及制备方法和涡旋压缩机。
背景技术
新能源车用空调要求体积小、重量轻，并且要能在比较恶劣的工况下工作，涡旋压缩机因其性能上，具有效率高，体积小、重量轻，噪声小，整机振动小、低温性能好，高效节能等优点，在新能源汽车空调的应用上具有明显的优势，得到了越来越多的应用。
涡旋压缩机包括一对相互啮合的动、静涡旋盘，可以形成数对封闭的月牙形容积腔。当偏心轴推动动涡盘中心绕静涡盘中心作圆周轨道运动时，这些封闭的容积腔相应地扩大或缩小，由此实现气体的吸入、压缩和排气的目的。
现有涡旋盘的材质基本都是ADC12压铸铝合金或4032变形铝合金。ADC12材质的涡旋盘采用压铸工艺成型，显微组织分布不均匀，由于ADC12吸气倾向较大成型的零件不致密,且硬度和强度很低，无法采用热处理的方式提高强度和硬度。该种材质的涡旋盘极易变形，严重影响涡旋盘的啮合精度，导致压缩机功耗上升。因此该种材质使用范围及其有限。4032铝合金为现有涡旋盘较常用的材质。该种铝合金采用挤压或者锻造的工艺成型。其一该种材质的显微组织分布不均匀，在以4032为基材表面生成的硬质阳极氧化膜层表面裂纹较深且数量较多，膜厚严重不均匀，严重影响氧化膜的耐磨寿命。其二是该种铝合金强度中等并且耐磨性一般，不进行表面处理的涡旋盘磨损量高达50μm，导致涡旋盘间隙增加，存在严重的泄露问题，最终导致压缩机性能下降，因此仅适用于中等排量和低压冷媒的涡旋压缩机中。
新能源汽车在北方应用的数量逐年增加，但传统的R134a冷媒低温制热性能不足，需采用具有沸点更低的冷媒，如R407C或R410A或CO2等，该类冷媒压力较R134a大的多，目前涡旋盘的材质(ADC12、4032)显然以无法满足，因此亟需开发一款适用于高压冷媒的涡旋盘材质。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种铝合金材质、耐磨件及制备方法和涡旋压缩机，能够提升铝合金材质的强度和硬度。
为了解决上述问题，本发明提供一种铝合金材质，该铝合金材质由α-Al基体、初晶硅、共晶硅和强化相组成，所述初晶硅和所述共晶硅都弥散分布在所述α-Al基体中；所述强化相包括抑制剂，所述抑制剂用于抑制所述初晶硅的长大。
优选地，所述初晶硅和所述共晶硅均为颗粒状。
优选地，所述颗粒的粒径为大于0μm而不大于10μm。
优选地，所述抑制剂包括Al5FeSi。
优选地，所述铝合金材质由质量分数如下的元素组成：5-25％的硅、0.8-4.5％的铜、0.5-1.5％的镁、2-7％的铁、0-0.5％的镍、2-4％的锰，余量为铝。
优选地，所述铝合金材质中各元素的质量分数为：8-20％的硅，3-5％的铜，1％的镁、5％的铁、3％的锰，余量为铝。
根据本发明的另一方面，提供了一种耐磨件，所述耐磨件的摩擦层或本体采用如上所述铝合金材质制作而成。
优选地，所述耐磨件为涡旋盘、十字滑环、活塞、滑片或滚子。
根据本发明的再一方面，提供了一种如上所述耐磨件的制备方法，所述制备方法包括：采用喷射成型工序获得沉积坯；
所述喷射成型工序中，熔体温度为720-850℃，导液管直径2-5mm，上雾化压力为0.5-3MPa，下雾化压力为0.7-3.5MPa，沉积距离为200-800mm；沉积盘倾角为25-60°、沉积盘直径为100-300mm且其旋转角度为45-80°，下移速度为0.2-1mm/s，水平速度为0.1-0.5mm/s，偏心距为20-100mm。
优选地，所述制备方法还包括：所述沉积坯经热挤压工序进行致密化处理；所述热挤压工序中，挤压温度为300-500℃、挤压速度为1-3mm/s；在100-500MPa下保压5-40min。
优选地，所述热挤压工序中，始锻温度为200-500℃，模具预热温度200-400℃，挤压比为8-16。
根据本发明的另一方面，提供了一种涡旋压缩机，包括如上所述的铝合金材质或如上所述的耐磨件。
本发明提供的一种铝合金材质，该铝合金材质由α-Al基体、初晶硅、共晶硅和强化相组成，所述初晶硅和所述共晶硅都弥散分布在所述α-Al基体中；所述强化相包括抑制剂，所述抑制剂用于抑制所述初晶硅的长大。采用初晶硅和共晶硅均弥散分布在α-Al基体中，组织分布均匀，相比4032材质强度提升了28.9％左右，硬度提升了32.9％左右。
附图说明
图1为本发明实施例的涡旋压缩机的剖视图；
图2为本发明实施例的动涡旋盘的外观图；
图3为本发明实施例的涡旋盘材质的纤维组织图；
图4为本发明实施例的涡旋盘表面的氧化层；
图5为传统4032材质表面的氧化层；
图6为本发明实施例的十字滑环外观图；
图7为本发明实施例的活塞外观图；
图8为本发明实施例的滑片外观图；
图9为本发明实施例的滚子外观图。
附图标记表示为：
1、壳体上盖；2、静涡旋盘；3、压缩腔；4、动涡旋盘；5、壳体下盖；6、上支架；7、曲轴。
具体实施方式
结合参见图1至图9所示，根据本发明的实施例，一种铝合金材质，该铝合金材质由α-Al基体、初晶硅、共晶硅和强化相组成，所述初晶硅和所述共晶硅都弥散分布在所述α-Al基体中；所述强化相包括抑制剂，所述抑制剂用于抑制所述初晶硅的长大。
本发明铝合金材质为等轴晶组织，初晶硅在初晶硅相上没有出现明显的尖角有效消除了应力集中，裂纹源萌生的阻力大，裂纹扩展速率慢，从而表现出优异的耐磨损性能，力学性能更好。在时效过程中由基体析出大量细小高硬度的共晶硅，对材料起到很好的沉淀强化作用。
其中，初晶硅和共晶硅均为颗粒状，尤其是颗粒的粒径为大于0μm而不大于10μm。
上述抑制剂包括Al5FeSi，Fe元素加入后可形成稳定的富铁相，附着于初晶硅周围堵塞并分割Si原子的扩散通道，降低了铝合金基体和初晶硅的高温粗化能力。
与进行了表面处理的摩擦配副时，在α-Al基体上弥散分布的圆钝状的初晶硅边角圆整，对另外一个表面处理后的摩擦件的犁削作用小，其摩擦机制是在软的铝基体上分布着大量细小高硬度的第二相质点的理想摩擦材料，在摩擦磨损过程中软基体被磨损后产生凹坑起到储油的作用，而突出的硬质点起到支撑和耐磨作用；即使在缺油或少有的状态下，摩擦阻力也相对减小。
上述铝合金材质具体的由质量分数如下的元素组成：5-25％的硅、0.8-4.5％的铜、0.5-1.5％的镁、2-7％的铁、0-0.5％的镍、2-4％的锰，余量为铝。优选地，所述铝合金材质中各元素的质量分数为：8-20％的硅，3-5％的铜，1％的镁、5％的铁、3％的锰，余量为铝。
经大量实验发现，当w(Si)>25％时，继续增加Si含量，合金强度会有所下降；当w(Si)＜25％时，继续增加Si含量，合金强度会有所上升；而当w(Si)＜30％时，继续增加Si含量，合金耐磨性会随着硅含量增加而增大；当w(Si)>30％时，继续增加Si含量，合金耐磨性会随着硅含量增加而减小；结合采用该铝合金材质制成的零部件的强度和耐磨性，Si含量宜选在25％以下，优选5-25％。
根据本发明的实施例，一种耐磨件，使用了上述铝合金材质，使用方式包括在其它基材上涂覆该铝合金材质层，提高耐磨性能，或直接采用该铝合金材质制成整个耐磨件。耐磨件应用场所很多，在涡旋压缩机中，如涡旋盘、十字滑环、活塞、滑片或滚子等。
在对该铝合金材质制作耐磨件时，选择Al-50Si、Al-20Fe、Al-40Cu、Al-10Mn作为合金成分中Si、Fe、Cu、Mn元素的原材料添加，低熔点的Mg以单质的形式加入。制作工艺采用喷射成型工序获得沉积坯；在喷射成型工序中，熔体温度为720-850℃，导液管直径2-5mm，上雾化压力为0.5-3MPa，下雾化压力为0.7-3.5MPa，沉积距离为200-800mm；沉积盘倾角为25-60°、沉积盘直径为100-300mm且其旋转角度为45-80°，下移速度为0.2-1mm/s，水平速度为0.1-0.5mm/s，偏心距为20-100mm。
虽然喷射沉积坯的致密度很高，理论上其致密度可以达到98％以上。但是熔体在雾化到达沉积基板的过程中小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较大尺寸的仍然为液态，而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒。这些大小不同的颗粒在撞击基板、铺展、堆积成为沉积坯时，颗粒之间大部分空隙可以被熔合，可是沉积坯中势必还有一定的空隙存在。
为消除喷射沉积坯中存在的孔洞，提高其致密度，对沉积坯进行挤压处理工艺进行减小消除孔隙。制备方法还包括：上述沉积坯经热挤压工序进行致密化处理；热挤压工序中，挤压温度为300-500℃、挤压速度为1-3mm/s；在100-500MPa下保压5-40min。优选地，热挤压工序中，始锻温度为200-500℃，模具预热温度200-400℃，挤压比为8-16。
对于经致密化处理后的喷射成形高硅铝合金，为了实现固溶时效的强化效果，在固溶处理过程中应保证最大程度的使合金中的各种第二相粒子尽量溶入基体，同时还要防止由于固溶温度过高而造成合金组织粗化的现象。特别是合金中的颗粒状初晶硅相，在400℃以上长时间的保温就会引起初晶硅的明显长大，另外要严格控制合金发生再结晶,避免材料过烧的现象。在时效时应保证固溶淬火得到的过饱和固溶体中的合金元素能够充分析出。
高硅铝合金坯料经过400-550℃固溶处理1-3小时，200℃人工时效7小时。
实施例1
一种铝合金材料，其所含有的元素成分及相应的质量百分比：Si：15％，Fe：5％，Mg：1％，Cu：3.5％，Mn：2.5％，其余为铝。
本材质按上述制作工艺制成的耐磨件，与4032材质制成的相同耐磨件，强度相比提升了28.9％，硬度提升了32.9％。在由室温至150℃条件下，本铝合金材质的线膨胀系数较4032低20％，可显著减少耐磨件的热变形，提升耐磨件的啮合精度。
如图4所示，用该基材生成的硬质阳极氧化膜层的均匀性大幅提高。极限壁厚差由图3中的15μm降至5μm。材显微组织均匀分布使得电流密度分布均匀，膜厚均匀性大幅提升。如耐磨件为涡旋盘，在与另外一个涡旋盘啮合时，啮合精度更高，可以进一步提升压缩机性能。在相同工况下，采用本发明材质的涡旋盘磨损厚度仅为采用4032铝合金的涡旋盘的30％，压缩机可靠性更高；本发明的涡旋盘强度不小于450MPa，硬度不低于90HRB，可靠性高，具有优良的耐磨性。
对采用上述铝合金材质制成的耐磨件进行实验，如涡旋盘，实验项目主要有线膨胀系数、拉伸强度、硬度的检测及摩擦试验。线膨胀系数、拉伸强度、硬度的检测如下表1所示。
表1性能对比
Figure BDA0002245970640000071
摩擦实验采用Falex环块摩擦实验机，试验参数如下：转速1500r/min、载荷300N、冷冻机油RB68D、试验时间为1h。试块采用普通4032铝合金与本发明的铝合金材质。试环材质为HT250。用试块与规定转速的试环相接触，并承受一定试验力，经规定转速后，用磨痕宽度计算试块的体积磨损。两种试块的磨痕宽度如下表所示。4032的磨痕宽度为4.328mm，体积磨损量为2.4679mm3。本发明的磨痕宽度为仅为602mm，体积磨损量为0.1240.是4032的5％。根据以上数据表明在相同的工况下，涡旋盘的耐磨性提高。压缩机整机可靠性更高。
Figure BDA0002245970640000072
按照以下公式计算试块的体积磨损量：
Figure BDA0002245970640000073
其中Vk为体积磨损；D为试环直径；b为磨痕平均宽度；t为试块宽度。
对于铝合金材质的元素成分及含量，还进行了如下两种选择：
实施例2
一种铝合金材料，其所含有的元素成分及相应的质量百分比：Si：5％，Fe：7％，Mg：0.5％，Mn：4％，Cu:4.5％，其余为铝。
本材质按上述制作工艺制成的耐磨件，与4032材质制成的相同耐磨件，强度相比提升了29.1％，硬度提升了33.2％。在由室温至150℃条件下，本铝合金材质的线膨胀系数较4032低20％，可显著减少耐磨件的热变形，提升耐磨件的啮合精度。
实施例3
一种铝合金材料，其所含有的元素成分及相应的质量百分比：Si：25％，Fe：2％，Mg：1.5％，Cu：0.8％，Mn：2％，Ni：0.5％，其余为铝。
本材质按上述制作工艺制成的耐磨件，与4032材质制成的相同耐磨件，强度相比提升了28.7％，硬度提升了33.1％。在由室温至150℃条件下，本铝合金材质的线膨胀系数较4032低20％，可显著减少耐磨件的热变形，提升耐磨件的啮合精度。
根据本发明的实施例，一种涡旋压缩机，包括如上所述的铝合金材质或如上所述的耐磨件，耐磨件包含静涡旋盘2、动涡旋盘4、十字滑环、活塞、滚子、滑片等。
涡旋压缩机包括壳体上盖1、静涡旋盘2、压缩腔3、动涡旋盘4、壳体下盖5、上支架6和曲轴7；涡旋压缩机工作过程中，由电机驱动曲轴7带动涡旋盘，并使动涡旋盘4按照一定轨迹平动，与静涡旋盘2按照设计好的间隙配合，并形成相对公转运动形成不断周期变化的压缩腔，冷剂气体在这类压缩腔内完成吸气、压缩以及排气的过程，进而实现压缩气体的目的。在高转速下，动涡旋盘4在气体力的作用下与支架耐磨片、静盘齿顶密封条形成摩擦副，并伴有材料的磨损。
上述各种耐磨件的表面上可进行氧化处理，还可在氧化膜上再涂覆固体润滑剂被膜。其中氧化膜可以为阳极氧化膜、硬质阳极氧化膜或微弧氧化氧化膜；固体润滑剂被膜包括软金属(Cu基、Ag基)、金属化合物(MoS2、WS2、ZnS)、无机物(石墨、BN)、有机物(PTFE)或它们的组合。
本发明的涡旋压缩机的工作冷媒为高压冷媒，如R410A，R32，R407C、R1234yf，无机物制冷剂R744(C02)等。
以上涡旋压缩机中耐磨件的强度不小于450MPa，满足高压冷媒涡旋压缩机恶劣工况下的要求，且可靠性高，具有优良的抗粘着磨损性能。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种铝合金材质，其特征在于，该铝合金材质由α-Al基体、初晶硅、共晶硅和强化相组成，所述初晶硅和所述共晶硅都弥散分布在所述α-Al基体中；所述强化相包括抑制剂，所述抑制剂用于抑制所述初晶硅的长大；
所述铝合金材质由质量分数如下的元素组成：5-25％的硅、0.8-4.5％的铜、0.5-1.5％的镁、2-7％的铁、0-0.5％的镍、2-4％的锰，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的铝合金材质，其特征在于，所述初晶硅和所述共晶硅均为颗粒状。
3.根据权利要求2所述的铝合金材质，其特征在于，所述颗粒的粒径为大于0μm而不大于10μm。
4.根据权利要求1、2或3所述的铝合金材质，其特征在于，所述抑制剂包括Al5FeSi。
5.根据权利要求1所述的铝合金材质，其特征在于，所述铝合金材质中各元素的质量分数为：8-20％的硅，3-5％的铜，1％的镁、5％的铁、3％的锰，余量为铝。
6.一种耐磨件，其特征在于，所述耐磨件的摩擦层或本体采用如权利要求1-5任一所述铝合金材质制作而成。
7.根据权利要求6所述的耐磨件，其特征在于，所述耐磨件为涡旋盘、十字滑环、活塞、滑片或滚子。
8.一种如权利要求6或7所述耐磨件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用喷射成型工序获得沉积坯；
所述喷射成型工序中，熔体温度为720-850℃，导液管直径2-5mm，上雾化压力为0.5-3MPa，下雾化压力为0.7-3.5MPa，沉积距离为200-800mm；沉积盘倾角为25-60°、沉积盘直径为100-300mm且其旋转角度为45-80°，下移速度为0.2-1mm/s，水平速度为0.1-0.5mm/s，偏心距为20-100mm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：所述沉积坯经热挤压工序进行致密化处理；所述热挤压工序中，挤压温度为300-500℃、挤压速度为1-3mm/s；在100-500MPa下保压5-40min。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热挤压工序中，始锻温度为200-500℃，模具预热温度200-400℃，挤压比为8-16。
11.一种涡旋压缩机，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的铝合金材质或如权利要求6-7任一所述的耐磨件。
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