CN114616396A - 干式真空泵及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种干式真空泵，具有定子(2)和容纳在定子(2)的至少一个压缩室(3)中的两个转子(5)，这些转子(5)构造成沿相反方向同步旋转，以便驱动要在真空泵的进气口和排气口之间泵送的气体。转子(5)和定子(2)的压缩室(3)涂覆有含磷9％‑14％且厚度大于20μm的镍‑磷涂层(11)，该镍‑磷涂层(11)已经经过硬化热处理，该硬化热处理包括在1小时以上的处理持续期间内的加热到250℃以上的处理温度的步骤，以便具有大于700HV的硬度。

Description

干式真空泵及制造方法
技术领域
本发明涉及一种干式真空泵，例如“罗茨”或“爪”型真空泵，或者螺旋或螺杆型或基于另一类似原理的真空泵。本发明还涉及一种用于制造这种真空泵的方法。
背景技术
干式真空泵可用于排出腐蚀性气体或特别具有侵犯性的颗粒，例如卤化气体或磨蚀颗粒，其主要来源于某些制造方法的反应副产物。腐蚀层可能会在真空泵的部件的表面处形成，并且这可能会减小转子与定子之间的功能性间隙并改变真空泵的性能。
Figure BDA0003593874270000011
类型的镍涂层或聚合物涂层通常用于保护铸铁免受腐蚀。
然而，这些解决方案并不真正令人满意。具体而言，这些涂层的固有延展性意味着，在发生最轻微的冲击或接触时，涂层会发生塑性变形，从而在部件之间产生类似于凸起的材料积聚，这可能会带来泵卡死的风险。
这种涂层的另一个缺陷是，虽然它提高了铸铁对于腐蚀性气体的耐受性，但它不一定能保护真空泵免受磨损。
另一种解决方案包括降低真空泵的温度以便降低所泵送气体的温度，从而减轻腐蚀动力学的热活化。然而，降低气体的温度会促进它们的冷凝或固化，尤其是前体、载气或其它反应副产物的冷凝或固化。则沉积物的形成可能会增加，尤其是聚合物、金属或氧化物类型的沉积物的形成，这也可能带来真空泵卡死的风险。
使用镍抗蚀剂类型的富镍铸铁也是已知的。这些铸铁的优点是比传统铸铁更耐腐蚀和抗氧化。然而，这种材料可能不容易替代传统铸铁以生产真空泵部件，因为它难以机加工并且成本非常高。
发明内容
本发明的一个目的是至少部分地克服上述缺陷，这特别是通过提出一种真空泵来实现，该真空泵能抵御腐蚀性气体和磨蚀性粉末，并且不过分昂贵。
为此，本发明的一个主题是一种干式真空泵，其具有定子和容纳在定子的至少一个压缩室中的两个转子，这些转子构造成沿相反方向同步旋转，以驱动在真空泵的进气口和排气口之间泵送的气体，其特征在于，转子和定子的压缩室涂覆有含磷9％至14％之间且厚度大于20μm的镍-磷涂层，该镍-磷涂层已经经过硬化热处理，该硬化热处理包括在1小时以上的处理持续时间内的加热至250℃以上的处理温度的步骤，以便具有大于700HV的硬度。
该硬化热处理这样进行，即，使得镍-磷涂层的化合物沉淀和结晶以便提高其硬度。由于在涂层的微观结构中产生微裂纹，通过热处理使涂层硬化使得涂层更脆。在转子与定子之间或在转子之间发生机械接触的情况下，涂层会剥落并以灰尘的形式分散。它不像现有技术的涂层那样变形为凸起，而是以细小颗粒的形式剥落。这些颗粒可以通过泵送很容易地被逐渐排出，而不会阻止真空泵继续旋转。因此可以避免卡死。
此外，镍-磷涂层使得可以避免在真空泵中形成腐蚀层。因此，用于使涂层硬化的热处理可以提高真空泵对于腐蚀性气体和磨损的耐受性。
它还可以提高真空泵的定子主体的调节温度，以避免反应副产物的冷凝-固化，并因此避免形成可能导致真空泵卡死的可冷凝实体的沉积物。
所述干式真空泵还可以具有下文描述的一个或多个特征，这些特征被单独考虑或组合考虑。
处理持续时间例如在8小时以上。8小时以上的处理持续时间可使涂层的微观结构变得均匀。这种处理持续时间还可以限制涂层中的内部应力，从而使其更坚韧。另外，8小时以上的处理持续时间允许在沉积涂层的阶段期间被捕获在涂层中的氢气可以排出。
处理持续时间例如在15小时以下。15小时以上的处理持续时间存在无法获得所需的硬化品质的风险。
硬度可以在800HV与1000HV之间。
处理温度可以低于350℃。
镍-磷涂层可含磷10％至13％。
镍-磷涂层的厚度例如小于或等于60μm，例如25μm+/-5μm。
真空泵具有例如至少两个泵级，每个泵级均限定压缩室，连续的泵级的压缩室通过设置在定子主体中的至少一个级间通道串联连接，该级间通道也设置有镍-磷涂层。
更具体而言，镍-磷涂层覆盖了例如真空泵的所有可能与待泵送的气体接触的壁。
定子主体和转子主体例如由铸铁或钢制成。
真空泵可以构造成以40Hz以上的频率旋转。
本发明的另一主题是一种用于制造干式真空泵的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-在定子的内壁和转子的壁上沉积含磷9％至14％且厚度大于20μm的镍-磷涂层，以及
-通过在1小时以上的处理持续时间内的加热至250℃以上的处理温度的步骤，对定子和转子的镍-磷涂层进行热处理，以使该涂层的硬度大于700HV，例如在800HV与1000HV之间。
该制造方法可以具有单独或组合考虑的下文描述的一个或多个特征。
处理持续时间例如在8小时以上和/或15小时以下。
硬化热处理可以包括至少一个升温步骤，在此期间温度设定点以1℃/min与3℃/min之间的升温速率从环境温度升高至处理温度。这些升温速率允许在以下两者之间获得可接受的折衷：即，对于工业过程而言相对较短的处理持续时间，以及足够慢以避免在位于镍-磷涂层与定子的壁之间的界面处或在位于镍-磷涂层与转子的壁之间的界面处产生过度猛烈的力的速率。特别地，热膨胀系数略有不同。
例如，利用使定子主体和转子主体浸入的技术，将镍-磷涂层沉积在定子的内壁和转子的壁上。
附图说明
从以下参考附图通过示例而非限制的方式给出的描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[图1]图1示出了干式真空泵的元件的示意图，其中仅示出了第一泵级的定子的四分之三。
[图2]图2示出了图1中的真空泵的一个泵级的示意性截面图。
[图3]图3是示出了硬化热处理的温度设定点曲线的一个示例的图表，其中，Y轴上的温度(以℃为单位)根据X轴上的时间(以小时为单位)而变化。
[图4a]图4a示出了已经过硬化热处理的镍-磷涂层的扫描显微照片。
[图4b]图4b是图4a中的细节的放大照片。
[图5a]图5a示出了现有技术的涂层样品，其中已经形成了沟槽。
[图5b]图5b示出了已经过硬化热处理的镍-磷涂层样品，其中已经形成了与图5a的涂层中形成的沟槽相似的沟槽。
在这些图中，相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
以下实施例为示例。尽管这些描述涉及一个或多个实施例，但这并不必然意味着每次提及的内容都涉及同一实施例，或者这些特征仅适用于单一实施例。各种实施例的各个特征也可以组合或互换以提供其它实施例。
为便于理解，仅示出了泵的运行所必需的那些元件。
本发明适用于具有一个或多个级的任何类型的干式真空泵1，例如“罗茨”型真空泵、双爪或“爪”式真空泵、螺旋或螺杆型真空泵或基于另一类似原理的真空泵，这些真空泵特别是用于某些制造方法，例如集成电路、光伏太阳能电池、平板显示器和发光二极管的制造，这些方法包括需要从方法室中抽出腐蚀性反应气体的步骤，在处理过的气体释放到大气中之前，将真空泵的入口连接到方法室，并且将出口连接到气体处理装置。
图1示出了干式真空泵1的一个示例性实施例，例如构造成在大气压下输送被泵送的气体的粗真空泵1。
真空泵1具有形成至少一个泵级1a-1e的定子2(或泵体)。
真空泵1具有例如至少两个泵级1a-1e，它们串联安装在真空泵1的进气口4和排气口之间，待泵送的气体可以在其中循环(被泵送气体的循环方向在图1中用箭头G表示)。与真空泵1的进气口4连通的泵级1a是压力最低的级，而与排气口连通的泵级1e是压力最高的级。
在该说明性示例中，真空泵1具有五个泵级1a-1e。
每个泵级1a-1e均限定了容纳真空泵1的两个转子5的定子2的压缩室3，每个室3都包括入口6和出口7(图2)。连续的泵级1a-1e的压缩室3在每种情况下均通过至少一个级间通道8一个接一个地串联连接，级间通道8将前一个泵级的出口7连接到后一个泵级的入口6。级间通道8例如设置在定子2的主体9中，例如靠近压缩室3。对于每个泵级，例如具有两个级间通道8，它们并行连接在出口7与入口6之间并且布置在压缩室3的两侧。
转子5具有例如相同轮廓的凸角，例如“罗茨”或“爪”型凸角，或者属于螺杆类型，或者基于另一种类似的正排量真空泵原理。
转子5构造成在泵级1a-1e中沿相反方向同步旋转(图2)。在旋转过程中，经入口6吸入的气体被捕获在该泵级的转子5和定子2的压缩室3所形成的空间中，然后被转子5压缩并朝下一级驱动。
转子5由例如位于一端处的真空泵1的马达驱动旋转。真空泵1特别是构造成以大于40Hz、例如在50Hz与150Hz之间的频率旋转。
真空泵1被称为“干式”真空泵是因为，在运行中，转子5在定子2内部旋转，转子5之间或转子5与定子2没有任何机械接触，这允许压缩室3中没有油。
定子2的主体9和转子5的主体10例如由铸铁或钢制成。它们例如由球墨铸铁制成，诸如也称为SG铸铁的铁素体铸铁。
在用于制造真空泵1的方法期间，将镍-磷涂层11沉积在定子2的主体9的内壁上和转子5的主体10的壁上。
将镍-磷涂层11例如沉积在真空泵1的所有可能与要泵送的气体接触的壁上，特别是沉积在压缩室3的内壁上以及设置在定子2的主体9中的级间通道8的壁上。
例如利用将定子2的主体9和转子5的主体10浸入的技术来沉积镍-磷涂层11。
镍-磷涂层11包含按重量计9％至14％的磷，例如10％至13％的磷。它还具有大于20μm的厚度e。
接下来，通过在1小时以上的处理持续时间D内的加热到高于250℃的处理温度T的步骤102对定子2和转子5的镍-磷涂层11进行热处理，以便具有大于700HV的硬度(在0.1kgf载荷下的维氏硬度)，例如在800HV与1000HV之间的硬度。
该硬化热处理执行为使得镍-磷涂层11的化合物沉淀和结晶，从而提高其硬度。定子2的镍-磷涂层11和转子5的镍-磷涂层11必须进行该硬化热处理，以便受益于两者之间摩擦系数的提高。
厚度e例如小于或等于60μm，例如25μm+/-5μm(图4a)。较大的厚度e增加了镍-磷涂层11的成本和沉积时间。
加热步骤102的处理温度T例如小于350℃。例如为300℃+/-20℃。
加热步骤102的处理持续时间D例如在8小时以上。例如在15小时以下。
8小时以上的处理持续时间D可以使涂层11的微观结构均匀。此处理持续时间D还可以限制涂层11中的内部应力，从而使其更坚韧。另外，8小时以上的处理持续时间D允许在沉积涂层11的阶段期间被捕获在涂层11中的氢气能够排出。
相比之下，15小时以上的处理持续时间D存在不能获得所需的硬化品质的风险。
与按重量计含磷1％至3％的称为“低磷”的或含磷6％至8％的称为“中磷”的比例相比，含磷9％至14％的比例称为“高磷”。
这种高磷比例允许通过所述硬化热处理获得所需的硬度性能：“高磷”镍-磷涂层11的硬度增加并基本稳定在高水平，而对于“低磷”类型的涂层，具有硬度提高更快但随后会随着处理持续时间降低的趋势。
硬化热处理例如在工业炉中进行。
硬化热处理可以包括例如至少一个升温步骤101，在此期间温度设定点以1℃/min与3℃/min之间的升温速率从环境温度升高到处理温度。
这些升温速率允许在以下两者之间获得可接受的折衷：即，对于工业过程而言相对较短的处理持续时间，以及足够慢以避免在以下这些界面处产生过度猛烈的力的速率，即位于镍-磷涂层11与定子2的内壁之间的界面或位于镍-磷涂层11与转子5的主体10之间的界面。特别地，热膨胀系数略有不同。
图3示出了硬化热处理期间的温度设定点曲线的一个示例。
虽然在工业炉中有效获得的加热步骤102的处理温度可以相对稳定，但在温度升高和降低步骤期间以及在过渡阶段期间，特别是在水平稳定化阶段期间，温度可以是相对可变的，特别是考虑到炉的相对较高的惯性。
该温度设定点曲线包括2小时的第一升温步骤101，在此期间温度设定点从环境温度升高到处理温度。
然后，该硬化热处理包括实际加热步骤102，在此期间，处理温度保持在250℃以上，在本例中保持在300℃1小时以上，例如8小时以上，在本例中为12小时。
最后，该硬化热处理包括2小时的降温步骤105，在此期间温度设定点从300℃降低到200℃。
然后，停止加热以使定子2和转子5冷却到环境温度。
由于在涂层11的微观结构中产生微裂纹(图4a，4b)，通过热处理使涂层11硬化使得涂层11更脆。
在转子5与定子2之间或在转子5之间发生机械接触的情况下，涂层11剥落并以灰尘的形式分散。这在图5b中被示出，该图示出了已经过硬化热处理并在其中形成了沟槽的镍-磷涂层样品。沟槽的边缘已经剥落和分散。涂层没有变形为如图5a所示的凸起，该图5a示出了未经硬化热处理的涂层。
因此，在使用期间由于转子5与定子2之间的或转子5之间的接触而可能产生的颗粒可以通过泵送容易地被逐渐排出，而不会阻止真空泵1继续旋转。因此可以避免卡死。
此外，镍-磷涂层11使得可以避免在真空泵1中形成腐蚀层。因此，用于使涂层11硬化的热处理可以提高真空泵1对腐蚀性气体和磨损的耐受性。
它还可以提高真空泵1的定子2的主体9的调节温度，以避免反应副产物的冷凝固化，从而避免可能导致真空泵1卡死的可冷凝实体沉积物的形成。
因此，经过硬化的镍-磷涂层11可以降低真空泵1卡死的风险。

Claims (15)

1.一种干式真空泵(1)，具有定子(2)和容纳在所述定子(2)的至少一个压缩室(3)中的两个转子(5)，所述转子(5)构造成沿相反方向同步旋转，以便驱动要在所述真空泵(1)的进气口(4)和排气口之间泵送的气体，其特征在于，所述转子(5)和所述定子(2)的压缩室(3)涂覆有含磷9％-14％且厚度(e)大于20μm的镍-磷涂层(11)，该镍-磷涂层(11)已经经过硬化热处理，该硬化热处理包括在1小时以上的处理持续时间(D)上的加热到250℃以上的处理温度(T)的步骤(102)，以便具有大于700HV的硬度。
2.根据前一项权利要求所述的真空泵(1)，其特征在于，所述处理持续时间(D)在8小时以上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述处理持续时间(D)在15小时以下。
4.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述硬度在800HV与1000HV之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述处理温度(T)低于350℃。
6.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述镍-磷涂层(11)含磷10％至13％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述镍-磷涂层(11)的厚度(e)小于或等于60μm，例如25μm+/-5μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述真空泵(1)具有至少两个泵级(1a-1e)，每个泵级限定一压缩室(3)，连续的泵级(1a-1e)的压缩室(3)通过设置在所述定子(2)的主体(9)中的至少一个级间通道(8)串联连接，所述级间通道(8)也设置有镍-磷涂层(11)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述镍-磷涂层(11)覆盖所述真空泵(1)的所有可能与要泵送的气体接触的壁。
10.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述定子(2)的主体(9)和所述转子(5)的主体(10)由铸铁或钢制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1)，其特征在于，所述真空泵(1)构造成以40Hz以上的频率旋转。
12.一种用于制造干式真空泵(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-在定子(2)的内壁上和转子(5)的壁上沉积镍-磷涂层(11)，该镍-磷涂层(11)含9％-14％的磷并具有大于20μm的厚度(e)，以及
-通过在1小时以上的处理持续时间(D)上的加热到250℃以上的处理温度(T)的步骤(102)，对所述定子(2)和所述转子(5)的镍-磷涂层(11)进行热处理，以便具有大于700HV的硬度，例如在800HV与1000HV之间的硬度。
13.根据前一项权利要求所述的用于制造真空泵(1)的方法，其特征在于，所述处理持续时间(D)在8小时以上和/或15小时以下。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的用于制造真空泵(1)的方法，其特征在于，所述硬化热处理包括至少一个升温步骤(101)，在该升温步骤期间，温度设定点以1℃/min到3℃/min之间的升温速率从环境温度升高到所述处理温度(T)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的用于制造真空泵(1)的方法，其特征在于，利用将所述定子(2)的主体(9)和所述转子(5)的主体(10)浸入的技术来沉积所述镍-磷涂层(11)。
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