CN113833745B - 摩擦副组件、气浮轴承组件和空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种摩擦副组件、气浮轴承组件和空气压缩机。该摩擦副组件包括第一摩擦件，采用镍基合金制作而成；第二摩擦件，采用铁基合金制作而成；所述第一摩擦件和所述第二摩擦件构成摩擦副；所述铁基合金强度与所述镍基合金强度之比为：0.8～0.9。将摩擦副的两个摩擦件分别采用镍基合金和铁基合金制成，可以解决同金属基体间黏着磨损问题，避免摩擦副之间发生干摩擦的情形，可以进一步提高耐磨性，通过硬度差进行配合，降低转子与箔片之间的摩擦系数。

Description

摩擦副组件、气浮轴承组件和空气压缩机

技术领域

本申请属于压缩机技术领域，具体涉及一种摩擦副组件、气浮轴承组件和空气压缩机。

背景技术

空压机作为动力气源而普遍应用于汽车、医疗器械、食品加工机械、建材及石油化工等行业，目前市面上空压机的结构形式也不尽相同，较为常见的有离心式空压机、螺杆式空压机以及涡旋式空压机等。作为近年来备受关注的气悬浮离心空气压缩机，其以自身出口空气无油、结构简单易于实现小型、轻量化以及相较螺杆压缩机、涡旋压缩机具有更高的压缩比等特点，而被一致认为是车用燃料电池空压机的最优选择。

然而，气悬浮燃料电池空压机作为超高速旋转机械的代表，在工作过程中，其有超高的启动速度以及极高的工作转速，这对气悬浮燃料电池空压机所使用的气悬浮气体箔片轴承提出了较高的要求，尤其是气悬浮气体箔片轴承顶箔表面的涂层将经受巨大考验。

这是由于为了满足高速的工作转速，现有转子与箔片均采用的为高温镍基合金，可以保证在800℃工作下仍然具有较好的强度、耐磨性、抗氧化性等。同时，为了进一步提高基材耐磨可靠性，开发超高速空压机，镍基合金表面喷涂固体润滑剂或者镀层，来降低箔片与转子之间的摩擦系数。但在超高启动速度的工作条件下，转子和气体箔片轴承顶箔表面涂层在启动瞬间将产生巨大的剪切效应，且在空压机转子起飞之前该剪切效应将一直存在，若不能妥善解决气体箔片轴承顶箔表面涂层同转子之间的干摩擦问题，其将直接导致顶箔表面涂层磨损严重甚至被磨破，一方面，这种情况将会影响轴承同转子之间的配合精度使装配尺寸发生改变，而影响空压机效率；另一方面，涂层磨破的区域将会出现顶箔基材同转子直接摩擦的情况，这样金属同金属之间的直接配合旋转极易出现严重的粘着磨损，从而导致运转过程中转子卡死，空压机不能正常运转。

发明内容

因此，本申请提供一种摩擦副组件、气浮轴承组件和空气压缩机，能够解决现有技术中箔片轴承顶箔表面涂层同转子之间的干摩擦问题。

为了解决上述问题，本申请提供一种摩擦副组件，包括：

第一摩擦件，采用镍基合金制作而成；

第二摩擦件，采用铁基合金制作而成；

所述第一摩擦件和所述第二摩擦件构成摩擦副；所述铁基合金强度小于所述镍基合金强度。

可选地，所述铁基合金强度与所述镍基合金强度之比为：0.8～0.9。

可选地，所述铁基合金强度为1100～1300MPa；和/或，所述镍基合金强度为1300～1600MPa。

可选地，所述第一摩擦件的表面依次经酸洗、离子渗氮、氧化和涂覆涂层处理；和/或，所述第二摩擦件的表面经离子渗氮处理。

可选地，所述第一摩擦件表面的渗氮层厚度为20～30μm，氧化层的厚度为1～4μm，涂层厚度为15～20μm；和/或，所述第二摩擦件的渗氮层厚度为15～25μm。

可选地，所述第一摩擦件表面粗糙度为0.1～0.3μm；和/或，所述第二摩擦件的粗糙度小于0.3μm。

可选地，在离子渗氮处理后，所述第一摩擦件的表面硬度与所述第二摩擦件的表面硬度之比为：1.2～1.4。

可选地，所述第一摩擦件的表面硬度为260～300HB；和/或，所述第二摩擦件的表面硬度为220～240HB。

可选地，所述第一摩擦件的延伸率大于等于20％；和/或，所述第二摩擦件的延伸率大于等于16％。

可选地，所述第一摩擦件表面或所述第二摩擦件表面的渗氮层成分包括CrN和Cr₇C₃中的至少一种。

可选地，所述氧化层成分包括Fe₃O₄和Fe₂O₃，其中重量比为：Fe₃O₄：Fe₂O₃＝4:1。

可选地，所述涂层成分包括石墨、MoS₂和PTFE中的至少一种。

根据本申请的另一方面，提供了一种气浮轴承组件，包括如上所述的摩擦副组件。

可选地，所述气浮轴承包括转子和气体箔片轴承，所述转子穿设于所述气体箔片轴承中；所述第一摩擦件包括所述转子，所述第二摩擦件包括所述气体箔片轴承。

根据本申请的再一方面，提供了一种空气压缩机，包括如上所述的摩擦副组件或如上所述的气浮轴承组件。

本申请提供的一种摩擦副组件，包括：第一摩擦件，采用镍基合金制作而成；第二摩擦件，采用铁基合金制作而成；所述第一摩擦件和所述第二摩擦件构成摩擦副；所述铁基合金强度与所述镍基合金强度之比为：0.8～0.9。

将摩擦副的两个摩擦件分别采用镍基合金和铁基合金制成，可以解决同金属基体间黏着磨损问题，避免摩擦副之间发生干摩擦的情形，可以进一步提高耐磨性，通过硬度差进行配合，降低转子与箔片之间的摩擦系数。

附图说明

图1为本申请实施例的气浮轴承组件的结构示意图；

图2为本申请实施例的镍基合金热处理后表面组织的SEM图；

图3为本申请实施例的酸洗后镍基合金表面组织SEM图；

图4为本申请实施例的镍基合金表面处理后的整体结构图。

附图标记表示为：

1、转子；2、气体箔片轴承。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，一种摩擦副组件，包括：

第一摩擦件，采用镍基合金制作而成；

第二摩擦件，采用铁基合金制作而成；

所述第一摩擦件和所述第二摩擦件构成摩擦副；所述铁基合金强度小于所述镍基合金强度。

对于摩擦副而言，同材料晶格类型接近，互溶性大，容易产生黏着磨损现象，另一方面，摩擦副材料硬度相当，无硬度差，或者硬度匹配不合适，都会降低磨合性，最终导致空压机功耗增大。

本申请采用非同种金属作为摩擦配副，可以避免涂层破损后，转子1与箔片直接接触时发生黏着磨损，影响空压机的使用寿命。采用特定强度比范围的铁基合金与镍基合金构成摩擦副，能解决现有箔片与转子基材为同金属摩擦配副导致的摩擦系数大，摩擦功耗大的问题。采用非同种金属作为摩擦配副，可以避免涂层破损后，转子1与气体箔片轴承2直接接触时发生黏着磨损，影响空压机的使用寿命。

其中，镍基合金包括GH4145或GH4169，铁基合金包括GH2132或GH696；镍基合金涂层与铁基合金对磨的摩擦学性能表：

在一些实施例中，铁基合金强度与所述镍基合金强度之比为：0.8～0.9；优选的，铁基合金强度为1100～1300MPa；和/或，所述镍基合金强度为1300～1600MPa。

对于两种相互摩擦的材料，采用上述合适的强度范围，可以保证在超高速转速下工作，仍然具有良好的热稳定性。

在一些实施例中，第一摩擦件的表面依次经酸洗、离子渗氮、氧化和涂覆涂层处理；和/或，所述第二摩擦件的表面经离子渗氮处理。

为了进一步满足高速或者超高转速使用要求，需要对镍基合金和铁基合金进行强化处理，提高材料的热强性、耐磨性。

镍基合金渗氮后能获得较高硬度的渗层，提高表面耐磨性，但是减摩性还有待提高。渗氮后进行氧化处理可以进一步提高镀层的综合性能，镍基合金渗氮后再进行氧化处理，氧化处理后渗氮层外生成一层致密的氧化层，通过控制一定比例，不仅可以通过致密氧化层提高涂层的硬度和耐磨性，还可以形成微孔结构而储油，改善材料的减摩性。

热处理后镍基合金表面形貌如图2所示，表面覆盖了一层较厚的氧化物，主要是Ni、Cr、Fe的氧化物还有少数更难溶的氮化物，与一般钢、铸铁、铝合金等氧化物相比，镍基合金氧化物十分难溶，且与基体结合非常牢固，及时去除镍合金表面的氧化皮对顺利进行后续镀层具有非常大的影响，如果这些物质不彻底去除，就得不到与基体牢固结合的镀层，从而导致在某些工作环境下涂层脱落致使材料涂层失效。

本申请镍基合金氧化皮采用酸洗工艺去除，酸洗液采用HF、HNO₃水溶液，其中HF：HNO₃：H₂O体积比为(1～3)：1：(2～4)，该配比酸洗液能够有效去除表面氧化皮，并且获得良好的基材表面状态。图3所示为镍基合金酸洗后表面形貌扫描电镜图片，从图3中可以看出，镍基合金表面氧化皮基本完全去除，表面腐蚀出基体晶粒。通过大量实验数据可得，当镍基合金酸洗预处理后表面状态为，组织晶粒度＜10μm，表粗糙度Ra0.3μm～Ra0.5μm范围内时，镀层与基体结合力最高。为后续渗氮或者涂层处理提供最优的表面状态，使得基体与涂层结合强度显著增强。

镍基合金尽管在高温工作条件下，具有较高的屈服、持久、疲劳性能，但是存在耐磨性不尽人意的问题。在保证性能优点的情况下，通常可以采用表面改性的方法。表面渗氮处理是一种氮原子向金属工件表层扩散的工艺，具有操作简单，能提高表面强度、硬度和耐磨性的优点。但是，不同于传统钢铁渗氮，高温合金渗氮存在一些问题，一方面，高温合金中镍含量较高，会影响氮原子的间隙固溶度，使得氮原子在高温合金中扩散困难，导致扩散速率慢，另一方面，高温合金中铬含量较高，铬的氧化膜存在也会阻碍氮原子的进入。

本申请镍基合金和铁基合金均采用离子渗氮工艺，与气体渗氮、盐浴渗氮相比，离子渗氮速度更快，提高了氮原子的扩散速率，同时本发明高温合金渗氮前进行酸洗处理，能够彻底去除表面氧化膜，获得良好的表面状态，从而解决了高温合金渗氮困难，渗氮效率低的问题。其中，铁基合金渗氮后表面硬度≥1000HV，铁基合金做完离子渗氮处理后的表面硬度H_铁与镍基合金做完离子渗氮处理后的表面硬度H_铁之间满足关系式：H_镍＝(1.2～1.4)·H_铁，摩擦副之间存在一定硬度差，可以避免硬碰硬造成磨粒磨损，也可以避免软碰软造成的黏着磨损。进一步的，所述铁基合金渗氮后渗氮层厚度在15-25μm范围内，镍基合金渗氮层厚度在20～30μm范围内，粗糙度要求Ra＜0.3μm。

在一些实施例中，第一摩擦件表面的渗氮层厚度为20～30μm，氧化层的厚度为1～4μm，涂层厚度为15～20μm；和/或，所述第二摩擦件的渗氮层厚度为15～25μm。

氧化层厚度在1～4μm范围内，表面粗糙度优选Ra＜0.5～0.7μm，这主要是因为镍基合金渗氮后还需进行喷涂固体润滑涂层，喷涂前若表面粗糙度过小，不能形成有机啮合，涂层与基体结合能力差，若表面粗糙度过大，固体润滑涂层不能把渗氮层盖住。

镍基合金渗氮+氧化处理后再喷涂固体润滑剂，固体润滑膜厚在15-20μm范围内，表面粗糙度范围为Ra0.1μm～Ra0.3μm，与Fe基合金配副从室温到600℃的摩擦系数范围为0.2～0.4，镍基合金耐磨减摩涂层从室温到600℃的磨损率范围为1.5～2.8×10^-4mm³/N·m。

在一些实施例中，第一摩擦件表面或所述第二摩擦件表面的渗氮层成分包括CrN和Cr₇C₃中的至少一种。或，氧化层成分包括Fe₃O₄和Fe₂O₃，其中重量比为：Fe₃O₄：Fe₂O₃＝4:1；其中Fe₃O₄结构致密，Fe₂O₃结构疏松，通过控制一定比例，不仅可以通过致密氧化层提高涂层的硬度和耐磨性，还可以形成微孔结构而储油，改善材料的减摩性。

在一些实施例中，涂层成分包括石墨、MoS₂和PTFE中的至少一种。

固体润滑剂可以是石墨、MoS₂、PTFE或者任一两种或者三种的比例混合物，可以解决石墨、MoS₂、PTFE等使用温度高于300℃时会因氧化严重而失去润滑作用，不能满足箔片空气轴承高温应用的要求的问，扩宽了箔片空气轴承的使用温度。

根据本申请的另一方面，提供了一种气浮轴承组件，包括如上所述的摩擦副组件。

在一些实施例中，气浮轴承包括转子1和气体箔片轴承2，所述转子1穿设于所述气体箔片轴承2中；所述第一摩擦件包括所述转子1，所述第二摩擦件包括所述气体箔片轴承2。

镍基合金的耐热稳定性和热强性，主要受强化处理影响，为了满足高温高速运转的使用条件，镍基合金必须进行强化处理来提高材料的强度、冲击性能等，之后才能运用到空压机中。不同的固溶或时效处理温度，会影响材料组织形貌与晶粒度，进而影响抗拉强度、延伸率等指标，而这些指标均会影响转子1和箔片的摩擦磨损特性以及可靠性。一方面，箔片非常薄，材料强度如果不足，会使得箔片在极高速下工作下受巨大气体冲击力而发生微变形，增大空压机的启动阻力，进而影响空压机的效率；另一方面，一般热处理下，随着材料强度、硬度的提升，必然会导致延伸率、韧性的下降，延伸率的下降会影响转子与箔片的持久断裂可靠性。

镍基合金尽管在高温工作条件下，具有较高的屈服、持久、疲劳性能，但是存在耐磨性不尽人意的问题。为避免或减小箔片和转子的磨损，镍基合金表面喷涂固体润滑剂或者镀层，可以降低箔片与转子之间的摩擦系数，或者提高转子与箔片的耐磨性。现有传统的固体润滑剂，如石墨、MoS₂、PTFE、或者金属化合物等，只能单一提高镍基合金的表面减摩性或者耐磨性，并且由于镍基合金经强化处理后表面极易生成氧化膜，氧化膜结构致密，且与基体结合牢固，非常难溶于酸碱溶剂中，不能彻底去除，这就会导致后续喷涂时，基体不能与镀层良好结合，因此，在使用过程中会出现涂层与基体结合强度不够脱落的现象。

转子基材采用镍基合金，气体箔片轴承的基材为铁基合金，采用非同种金属作为摩擦配副，可以避免涂层破损后，转子与箔片直接接触时发生黏着磨损，影响空压机的使用寿命。

转子1作为运动部件，因此材料要求要高于箔片。转子用的镍基合金，该材料在温度800℃以下，具有优异的热稳定和热强性，能够满足空压机在中、高转速下的稳定运行，而为了进一步满足高速、或者超高转速使用要求，需要对镍基合金进行强化处理，提高材料的热强性、耐磨性，但是一般热处理工艺在提高强度的同时，延伸率会降低，使得综合力学性能下降。

本申请中转子的镍基合金，比如GH4145或GH4169，采用固溶+双时效热处理后，转子镍基合金强度在1300～1600MPa的范围内，延伸率≥20(国标要求15)，该强度可以保证在超高速转速下工作，仍然具有良好的热稳定性，同时，表面硬度也随热处理显著提升，硬度值为260～300HB。

箔片作为静止部件，采用铁基合金，比如GH2132或GH696，在高温下具有良好的综合力学性能，虽然其材料要求没有转子高，但是由于箔片较薄，受巨大气体冲击力的影响会发生变形，因此，为了满足超高速使用要求，铁基合金也要进行热处理，采用固溶+时效热处理后，镍基合金强度P_铁与镍基合金强度P_镍之间满足关系式：P_铁＝(0.8～0.9)·P_镍，该强度下箔片硬度值为220～240HB，延伸率≥16％。

根据本申请的再一方面，提供了一种空气压缩机，包括如上所述的摩擦副组件或如上所述的气浮轴承组件。

本申请提供一种空压机，空压机中箔片与转子分别由高温铁基合金、高温镍基合金配合组成，通过控制时效强化工艺，进一步提高高温合金的强度，能够避免空压机在高速或者超高速工作下，受巨大气体冲击力而发生变形，增大空压机的启动阻力，进而影响空压机的效率。同时，镍基合金与铁基合金作为摩擦配副，当表面涂层被磨损掉后直接接触时，可以降低黏着磨损，避免空压机卡死；进一步的，为了降低箔片轴承与转子之间的磨损，延长使用寿命，转子表面进行渗氮处理、氧化处理再喷涂固体润滑剂(PTFE、MOS₂)，与单一涂层相比，金属渗层与固体润滑剂的复合应用，既可以提高涂层耐磨性又可以提高减摩性；进一步的，镍基合金热处理后表面极易生成较厚氧化皮，其与基体结合牢固，十分难溶，导致影响后续涂层与基体的结合能力，本发明渗氮前进行酸洗处理，处理后的镍基合金表面白亮且光滑，氧化皮完全被去除，解决了现有涂层与基体在高速高压条件下结合强度低，易脱落的问题，这样不仅保证了空压机的可靠性，还提高了空压机的能效。

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。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种摩擦副组件，其特征在于，包括：

第一摩擦件，采用镍基合金制作而成；

第二摩擦件，采用铁基合金制作而成；

所述第一摩擦件和所述第二摩擦件构成摩擦副；所述铁基合金强度小于所述镍基合金强度；

所述铁基合金强度与所述镍基合金强度之比为：0.8～0.9；

所述铁基合金强度为1100～1300MPa；和/或，所述镍基合金强度为1300～1600MPa。

2.根据权利要求1所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件的表面依次经酸洗、离子渗氮、氧化和涂覆涂层处理；和/或，所述第二摩擦件的表面经离子渗氮处理。

3.根据权利要求2所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件表面的渗氮层厚度为20～30μm，氧化层的厚度为1～4μm，涂层厚度为15～20μm；和/或，所述第二摩擦件的渗氮层厚度为15～25μm。

4.根据权利要求3所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件表面粗糙度为0.1～0.3μm；和/或，所述第二摩擦件的粗糙度小于0.3μm。

5.根据权利要求3所述的摩擦副组件，其特征在于，在离子渗氮处理后，所述第一摩擦件的表面硬度与所述第二摩擦件的表面硬度之比为：1.2～1.4。

6.根据权利要求5所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件的表面硬度为260～300HB；和/或，所述第二摩擦件的表面硬度为220～240HB。

7.根据权利要求1或5所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件的延伸率大于等于20%；和/或，所述第二摩擦件的延伸率大于等于16%。

8.根据权利要求2所述的摩擦副组件，其特征在于，所述第一摩擦件表面或所述第二摩擦件表面的渗氮层成分包括CrN和Cr₇C₃中的至少一种。

9.根据权利要求2所述的摩擦副组件，其特征在于，所述氧化层成分包括Fe₃O₄和Fe₂O₃，其中重量比为：Fe₃O₄ ：Fe₂O₃=4 :1。

10.根据权利要求2所述的摩擦副组件，其特征在于，所述涂层成分包括石墨、MoS₂和PTFE中的至少一种。

11.一种气浮轴承组件，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的摩擦副组件。

12.根据权利要求11所述的气浮轴承组件，其特征在于，所述气浮轴承包括转子(1)和气体箔片轴承(2)，所述转子(1)穿设于所述气体箔片轴承(2)中；所述第一摩擦件包括所述转子(1)，所述第二摩擦件包括所述气体箔片轴承(2)。

13.一种空气压缩机，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的摩擦副组件或如权利要求11-12任一项所述的气浮轴承组件。

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