CN114351203A

CN114351203A - 压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法、涡旋盘

Info

Publication number: CN114351203A
Application number: CN202111505095.9A
Authority: CN
Inventors: 杨波; 李洪涛; 徐彤; 刘灿灿; 路永荣; 鲍星毅
Original assignee: Jiangyin Micro Arc Metal Technology Co ltd
Current assignee: Jiangyin Micro Arc Metal Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明提供一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，通过向微弧氧化电解液中引入纳米石墨粒子，并在微弧氧化槽体内部设置循环喷淋系统，在氧化过程中，将槽内电解液不断循环喷洒在待处理涡轮盘的旋涡齿面，使涡旋盘表面原位生长出陶瓷涂层。本发明还提供一种涡旋盘。本发明的制备方法可提升陶瓷膜层的生长速率，且减小膜层厚度极差，降低膜层的表面粗糙度与摩擦系数。

Description

压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法、涡旋盘

技术领域

本发明涉及新材料制造技术领域，具体而言涉及一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法、涡旋盘。

背景技术

随着国家对节能环保要求的日益提高，涡旋压缩机以其能效高、噪声低、结构紧凑、运行平稳等优点，在制冷及热泵领域得到快速发展，成为压缩机行业的热点。涡旋压缩机是由动、静涡旋盘间的相对高频往复公转运动形成封闭容积的连续变化，来实现压缩空气的目的。然而，关键压缩部件动涡旋盘和静涡旋盘大多采用轻质、高强度的铸造铝合金，在高速相对转动和无油润滑的恶劣工况下，必须通过表面处理来提升铝合金表面的耐磨性能。

目前，化学镀镍、硬质阳极氧化和微弧氧化是提高铝合金零部件表面耐磨性能的主要方法，但化学镀镍和硬质阳极氧化两种工艺一方面受环保压力的影响日益增大，另一方面所制膜层性能有限、无法满足涡旋盘特殊/苛刻服役工况环境下的长时间连续工作。因此，具有绿色、环保、高效、短流程等工艺特征的微弧氧化技术便成为涡旋盘工艺研发的焦点。

微弧氧化可在铝合金上轻易制备出显微硬度超过1000HV的氧化铝陶瓷层，但应用于涡旋盘耐磨涂层制备尚存在以下问题：(1)较难在高硅铸造铝合金上获得高生长速率的微弧氧化陶瓷涂层；由于富硅相的漏电效应导致铝硅压铸合金在微弧氧化过程涂层生长缓慢(2)涡旋盘中复杂的涡旋齿形结构限制了陶瓷涂层生长的均匀性；(3)涂层表面微米级多孔结构致使表面粗糙度较高。

公开号为CN109161846A的中国专利公开了一种铝制工件表面的复合涂层及其应用，其采用了两步法在铝制涡旋盘上制备了复合涂层，但是该方法得到的复合涂层存在层间性能不均问题，二硫化钨涂覆顶层虽有自润滑性能但硬度低，而陶瓷底层虽硬度高但无自润滑性能；其次，该方法在涂层制备时，其涂层生长速率和涂层均匀性均有待提高。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，该制备方法可提升陶瓷膜层的生长速率，且减小膜层厚度极差，降低膜层的表面粗糙度。

根据本发明目的的第一方面，提供一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

将经过清洗的待处理涡旋盘置于含有电解液的微弧氧化槽中，涡旋盘与微弧氧化电源输出正极相连，不锈钢板作为阴极与微弧氧化电源输出负极相连，设置电参数，开启电源、鼓气系统，以及循环喷淋系统，对待处理涡旋盘进行微弧氧化处理；

其中，所述电解液中含有纳米石墨粒子；通过所述循环喷淋系统，将电解液循环喷洒在待处理涡旋盘上；

微弧氧化处理结束后，将氧化处理后的涡旋盘水洗、烘干，即可。

优选的，所述电解液的配方为：磷酸盐20～50g/L、成膜助剂0～5g/L、pH调节剂0～2g/L、纳米石墨粒子2～10g/L、添加剂a 4～8g/L、添加剂b 0～10g/L；其余为去离子水。

优选的，所述纳米石墨粒子的平均粒径为60～200nm。

优选的，所述磷酸盐为六偏磷酸钠。

优选的，所述成膜助剂为硅酸钠、铝酸钠中的一种或两种混合，pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。

优选的，所述添加剂a为十二烷基苯磺酸钠，添加剂b为钨酸钠。

优选的，所述微弧氧化处理的参数如下：频率200～1000Hz，脉冲宽度80～500μs，电流密度2～8A/dm²，氧化时间30～60min，电解液温度为20～40℃。

优选的，所述循环喷淋系统的循环频率大于等于4次/小时。

优选的，所述循环喷淋系统采用多点射流方式，且各点等距离垂直喷洒于待处理涡轮盘的旋涡齿面。

根据本发明目的的第二方面，提供一种涡旋盘，该涡旋盘表面涂层采用前述压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法制备所得。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过向微弧氧化电解液中引入纳米石墨粒子，利用纳米石墨颗粒在阳极液固界面伴随原位化合、陶瓷烧结等过程中向工件表面电泳、熔渗等作用参与涂层生长，一定程度填充和/或封堵涂层微孔结构、降低粗糙度、形成纳米石墨粒子沿表面、界面不同分布状态的陶瓷涂层，并赋予涂层滑动磨损服役时的自润滑功效，在磨损台架试验中满足磨损率低于10μm/1000h的要求；同时，通过槽体内部循环喷淋系统，高效循环传质，加强了阳极界面纳米石墨等颗粒供给、微气泡溢出，进而提升陶瓷涂层生长速率，并且通过特有的循环喷系统的出口直射涡旋齿面，有助于快速更新近涡旋盘涡旋齿面附近的电解液，来缩小因浓度差和温度差引起的膜层厚度不均问题；而通过度电解液进行鼓气，分散了溶液中的纳米石墨粒子，减少了石墨的团聚、沉降，使石墨离子均匀分布在电解液中，从而均匀分布在陶瓷涂层中。

2、本发明的制备工艺流程简单、重复性好、可靠性高，可在压缩机用铝质涡旋盘表面实现自动化、低成本、大批量耐磨陶瓷涂层的生产，且无废水产生、绿色环保，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法的工艺流程图。

图2是本发明的压缩机用铝质涡旋盘的实物图。

图3是本发明的微弧氧化槽的结构示意图。

图4是实施例2所得样品的XRD图。

图5a是实施例2所得样品的表面SEM图。

图5b是实施例2所得样品的截面SEM图。

附图标记说明：1、槽体；11、出水口；2、阴极不锈钢板；3、阳极导电板；4、循环喷射系统；41、循环喷射系统的进水端；42、喷淋管；421、射流嘴；5、鼓气系统；51、鼓气系统的接入端；52、管道；6、待处理涡旋盘；7、治具。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。

本发明提供一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，通过向微弧氧化工艺中引入纳米石墨粒子和槽体内部设置循环喷淋系统，解决了压缩机用铝质涡旋盘微弧氧化制备耐磨陶瓷涂层生长速率低、均匀度差和粗糙度高的生产技术问题。

在具体的实施例中，如图1所示，提供一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

微弧氧化处理结束后，将氧化处理后的涡旋盘水洗、烘干，即可，得到的具有涂层的涡旋盘如图2所示。

在优选的实施例中，所述电解液的配方为：磷酸盐20～50g/L、成膜助剂0～5g/L、pH调节剂0～2g/L、纳米石墨粒子2～10g/L、添加剂a 4～8g/L、添加剂b 0～10g/L；其余为去离子水。

在更为优选的实施例中，所述纳米石墨粒子的平均粒径为60～200nm。

在更为优选的实施例中，所述磷酸盐为六偏磷酸钠。

在另一个优选的实施例中，磷酸盐为三聚磷酸钠或多聚磷酸钠。

在更为优选的实施例中，所述成膜助剂为硅酸钠、铝酸钠中的一种或两种混合，pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。

在更为优选的实施例中，所述添加剂a为十二烷基苯磺酸钠，用于纳米石墨粉的分散；添加剂b为钨酸钠，用于增强涂层硬度。

在另一个优选的实施例中，所述微弧氧化处理的参数如下：频率200～1000Hz，脉冲宽度80～500μs，电流密度2～8A/dm²，氧化时间30～60min，电解液温度为20～40℃。

在另一个优选的实施例中，所述循环喷淋系统的循环频率为大于等于4次/小时。

在另一个优选的实施例中，所述循环喷淋系统采用多点射流方式，且各点等距离垂直喷洒于待处理涡轮盘的旋涡齿面。

在其他优选的实施例中，在进行微弧氧化前，先对涡旋盘进行清洗，将待处理涡旋盘通过工装夹具装卡，上挂于脱脂槽中对其表面进行清洗，随后清水漂洗，即可。

结合图3实施例性地表示了压缩机用铝质涡旋盘表面耐磨陶瓷涂层的制备过程中的微弧氧化槽，其中包括槽体1，阴极不锈钢板2、阳极导电板3、循环喷射系统4和鼓气系统5。

所述阴极不透钢板2垂直设于槽体1内，阳极导电板3可拆卸的设于槽体1的上端面，待处理涡旋盘6通过治具7装夹在阳极导电板3上，待处理涡旋盘6随治具7伸入槽体1的内腔中，并与阴极不透钢板2平行。

槽体的底部设有出水口11，所述出水口11与循环泵的一端连接，循环泵的另一端与循环喷射系统的进水端41连接，循环喷射系统的出水端设有一组喷淋管42，喷淋管42上设有多个射流嘴421，且射流嘴421与待处理涡旋盘6的位置对应设置。

鼓气系统的接入端51与空压机连接，鼓气系统的出气端设于槽体1的空腔内。

在优选的实施例中，射流嘴421与待处理涡旋盘6的距离为15～20cm，且射流嘴位置所在的纵截面与待处理涡旋盘所在位置的纵截面相互平行，从而使射流出来的电解液可以等距离垂直喷洒于带处理涡轮盘的旋涡齿面。

应当理解为，喷淋管42的数量，以及射流嘴421的数量可根据实际设置，只要保证涡轮盘的旋涡齿面可以完全喷洒到电解液即可。

在另一个优选的实施例中，采用功率为1～3kw的循环泵。

应当理解为，循环泵的功率，以及射流嘴421与待处理涡旋盘6的距离，均可根据实际情况选择，只要保证射流出来的电解液可以喷晒到涡轮盘的旋涡齿面上即可。

在另一个优选的实施例中，鼓气系统的出气端为一组管道52，管道上设有出气孔。

在另外优选的实施例中，还提供一种涡旋盘，该涡旋盘表面涂层采用前述压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法制备所得。

下面将结合具体的示例和试验，对前述涡旋盘表面耐磨陶瓷涂层的制备及其效果进行示例性试验和对比。当然本发明的实施例并不以此为限。

下述实施例中所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施方式中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

【实施例1】

步骤1：将待处理涡旋盘通过工装夹具装卡，置于脱脂槽中对其表面进行清洗，随后清水漂洗。

步骤2：将步骤1清洗后的涡旋盘输运至微弧氧化槽中与微弧氧化电源正极端相连，开启微弧氧化电源系统对批量工件进行处理，电源参数设置为：频率300Hz，脉冲宽度300μs，电流密度6A/dm²，氧化时间30min；处理过程中电解液需保持高效鼓气、循环，温度控制在20℃，且循环频率为4次/小时。

电解液配方为：六偏磷酸钠50g/L、硅酸钠2g/L、铝酸钠3g/L、纳米石墨粒子2g/L(平均粒径60nm)、十二烷基苯磺酸钠4g/L、钨酸钠2g/L，电解液由去离子水配置，电解液总体积4000L。

步骤3：将步骤2微弧氧化处理后的工件转移至水洗槽中进行水洗。

步骤4：将步骤3水洗后的工件转移到烘箱或隧道炉中进行烘干，烘干时间10min。

【实施例2】

步骤2：将步骤1清洗后的涡旋盘输运至微弧氧化槽中与微弧氧化电源正极端相连，开启微弧氧化电源系统对批量工件进行处理，电源参数设置为：频率900Hz，脉冲宽度100μs，电流密度4A/dm²，氧化时间60min；处理过程中电解液需保持高效鼓气、循环，温度控制在30℃，且循环频率为5次/小时。

电解液配方为：六偏磷酸钠30g/L、铝酸钠4g/L、氢氧化钾1g/L、纳米石墨粒子8g/L(平均粒径200nm)、十二烷基苯磺酸钠8g/L、钨酸钠6g/L，电解液由去离子水配置，电解液总体积4000L。

步骤4：将步骤3水洗后的工件转移到烘箱或隧道炉中进行烘干，烘干时间30min。

【实施例3】

步骤2：将步骤1清洗后的涡旋盘输运至微弧氧化槽中与微弧氧化电源正极端相连，开启微弧氧化电源系统对批量工件进行处理，电源参数设置为：频率600Hz，脉冲宽度200μs，电流密度4A/dm²，氧化时间40min；处理过程中电解液需保持高效鼓气、循环，温度控制在25℃，且循环频率为6次/小时。

电解液配方为：六偏磷酸钠40g/L、硅酸钠3g/L、氢氧化钠1g/L、纳米石墨粒子5g/L(平均粒径100nm)、十二烷基苯磺酸钠6g/L、钨酸钠4g/L，电解液由去离子水配置，电解液总体积4000L。

【对比例1】

电解液配方为：六偏磷酸钠40g/L、硅酸钠3g/L、氢氧化钠1g/L、十二烷基苯磺酸钠6g/L、钨酸钠4g/L，电解液由去离子水配置，电解液总体积4000L。

【对比例2】

步骤2：将步骤1清洗后的涡旋盘输运至微弧氧化槽中与微弧氧化电源正极端相连，开启微弧氧化电源系统对批量工件进行处理，电源参数设置为：频率600Hz，脉冲宽度200μs，电流密度4A/dm²，氧化时间40min；处理过程中电解液需保持开启鼓气，关闭循环。

【对比例3】

【测试】

XRD和SEM

对实施例2得到的样品进行XRD和SEM测试

从XRD图(图4)中可以看出，微弧氧化涂层主要由氧化铝和石墨组成，表明了电解液中添加的纳米石墨粒子已并入微弧氧化涂层；同时，结合对比实施例3与对比例1的平均生长速率可以看出(表1)，石墨的添加有助于提高涂层生长速率，降低涂层摩擦系数。

从涂层表面的SEM图(图5a)中可以看出，压缩机铝制涡旋盘表面的微弧氧化陶瓷涂层均匀细腻，结合产品实物照片(图2)可以进一步证明，其涂层均匀，粗糙度低。

从涂层表面的SEM的截面图(图5a)中可以看出，该样品的微弧氧化陶瓷涂层(B)厚度约在20μm，且厚度均匀，表面均匀(A为基材)。

性能测试

对实施例1～3和对比例1～3得到的样品进行性能测试，结果如表1所示。

表1.各例子中所制备涂层的测试数据

从表1可以看出，采用本发明的制备方法在铝质涡旋盘上制得的微弧氧化涂层厚度在8～24μm，膜厚极差＜2μm，涂层显微硬度900～1300HV，表面粗糙度0.7～1μm，摩擦系数0.15～0.35μm，各实施例中所制备的涂层在机台磨损测试中均满足磨损率低于10μm/1000h的使用要求。

对比例1～3均与实施例3为同一体系，不同点在于：对比例1中的电解液没有纳米石墨粒子；对比例2中的电解液没有纳米石墨粒子，且没有循环喷淋系统；对比例3中没有循环喷淋系统。

对比例1实施例3相比，对比例1中的电解液中缺少纳米石墨离子，表1结果表明，添加纳米石墨粉可以增加成膜反应物质有效提高涂层的生长速率，并通过石墨的自润滑效果降低涂层的摩擦系数。

对比例2、对比例3与实施例3相比，对比例2和对比例3均没有循环喷淋系统，表1结果表明，循环喷淋系统不但有助于提升涂层的生长速率，而且可以缩小铝质涡旋盘涡旋齿面特殊结构对成膜限制，使得涂层生长更加均匀(膜厚极差更小)。

另一方面，通过对比例1～3与实施例3的对比，也可以证明，本发明的方法中，纳米石墨离子与循环喷淋系统协同作用，提高了涂层的生长速率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述电解液的配方为：磷酸盐20～50g/L、成膜助剂0～5g/L、pH调节剂0～2g/L、纳米石墨粒子2～10g/L、添加剂a 4～8g/L、添加剂b 0～10g/L；其余为去离子水。

3.根据权利要求2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米石墨粒子的平均粒径为60～200nm。

4.根据权利要求2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述磷酸盐为六偏磷酸钠。

5.根据权利要求2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述成膜助剂为硅酸钠、铝酸钠中的一种或两种混合，pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。

6.根据权利要求2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述添加剂a为十二烷基苯磺酸钠，添加剂b为钨酸钠。

7.根据权利要求1或2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化处理的参数如下：频率200～1000Hz，脉冲宽度80～500μs，电流密度2～8A/dm²，氧化时间30～60min，电解液温度为20～40℃。

8.根据权利要求1或2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述循环喷淋系统的循环频率大于等于4次/小时。

9.根据权利要求1或2所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述循环喷淋系统采用多点射流方式，且各点等距离垂直喷洒于待处理涡轮盘的旋涡齿面。

10.一种涡旋盘，其特征在于，该涡旋盘表面涂层采用权利要求1-9中任意一项所述的压缩机用铝质涡旋盘表面陶瓷涂层的制备方法制备所得。