CN116043305A - 一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法 - Google Patents

一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于涡旋压缩机涡旋盘表面改性领域，公开了一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法，对涡旋盘工件进行清洗处理，得到处理后的涡旋盘工件；配置氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠的混合溶液，即得到PH调节剂；配置磷酸钠、氟化钾混合溶液，即得到氧化溶液；配置粘结剂：配置四硼酸钠溶液，即得到粘结剂；配置EDTA溶液，即得到稳定剂；将涡旋盘工件作为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，加电压处理即得到高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层，以提高涡旋盘的使用寿命。

Description

一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涡旋压缩机涡旋盘表面改性领域，涉及一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法，具体涉及319S铝合金表面陶瓷膜层及其制备方法。
背景技术
涡旋压缩机以其结构紧凑、高效节能、微振低噪，以及工作可靠性高等特点，在小型制冷及空调领域获得越来越广泛的应用。由于涡旋压缩机是依靠高精度涡旋齿型线的啮合和两涡旋盘之间的相对公转平动完成气体的压缩，因此涡旋压缩机涡旋盘之间摩擦较大，而且难以实施压缩气体的外部冷却，工作过程中的热量不易导出。但目前涡旋盘的制造工艺生产成本较高，摩擦损失、热量损失、阻力损失等依旧较大，所以对涡旋盘的表面性能要求很高。目前涡旋盘可以利用319S铝合金铸造，319S铝合金属于亚共晶Al-Si-Cu-Mg系合金，力学性能优于319合金，具有良好的铸造性能(流动性好、线收缩小、无热裂倾向)，可铸造薄壁和形状复杂的铸件，目前在半固态成型领域得到较为广泛的工业应用。虽然319S铝合金通过热处理可实现中等强度、良好的塑性和冲击韧性的综合性能，但其铸件的表面硬度、耐磨性等较差，导致涡旋盘使用寿命不高。而工件一般可通过提高其表面性能，减小表面粗糙度来增加使用寿命。为了提高涡旋盘的使用寿命和拓展319S铝合金的应用，有必要通过表面改性技术来提高其表面硬度和耐磨性。
微弧氧化技术经常被用来改善铝合金表面的性能。铝合金表面微弧氧化陶瓷膜层的主要成分是A1203，具有与基体结合力好、硬度高、耐腐蚀、耐摩擦、绝缘电阻高、耐热冲击、热稳定性好等优良性能，这有效的扩大了铝合金的应用范围，使其在航空航天、装备制造、纺织机械和电子通信等领域具有广泛的应用前景。然而在目前的微弧氧化技术手段中，由于微弧氧化膜层表面微孔多，表层为疏松层，使得生成的微弧氧化膜层的表面硬度较低，耐磨性一般，粗糙度较高，可以利用的致密膜层厚度较薄。
319S铝合金组成：硅：5.5wt％～6.5wt％；铜：2.5wt％～3.5wt％；锰：0.03wt％；镁：0.25wt％～0.45wt％；铁：0.15wt％；镍：0.03wt％；锶：0.01wt％～0.05wt％；锌：0.05wt％；钛：0.2wt％；铝：余量。319S铝合金硅元素含量较高，微弧氧化后生成较多的二氧化硅，以颗粒形式存在，而二氧化硅不易融于膜层形成新的陶瓷，仅仅是镶嵌附着在膜层中，导致所生成的微弧氧化膜层的硬度、厚度和粗糙度都达不到理想范围，进而限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有涡旋压缩机俩涡轮盘之间由于摩擦和压缩气体产生高热量进而对表面产生热冲击而导致涡轮盘使用寿命较短的问题，提出一种在涡轮盘表面利用微弧氧化制备一种高表面硬度、高耐磨性的表面膜层及其制备方法。
本发明的发明构思是：通过极间放电能够在319S铝合金表面原位生长陶瓷膜层，工作时319S铝合金工件接微弧氧化电源的阳极，阴极接不锈钢电解槽，二者之间充满工作液，工作液装在不锈钢电解槽里面。加工开始时，随着极间电压的升高，工作液中的反应物在电场的作用下向阳极运动，并在放电通道附近聚集，当阴阳两极间的电压超过一定值时，就会在金属表面产生微弧等离子体放电，在所配置的工作液和正负电压配合下，通过交流沉积可将二氧化硅颗粒沉积进入微弧氧化膜层的空腔和放电通道内，进而形成尖晶石Al(X)Si(y)O(z)结构，使得尖晶石结构变多，将更多的硅元素融入到微弧氧化所形成的致密层中，进而使得微弧氧化陶瓷膜表面硬度提高、耐磨性提高，进而在工件表面原位生成一层A1203-Al(X)Si(y)O(z)复合陶瓷膜层，使得微弧氧化膜层与基体更牢靠的结合在一起，不易脱落。
本发明采用的技术方案为：一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、表面处理：对涡旋盘工件进行水清洗处理，得到处理后的涡旋盘工件。
步骤二、配置pH调节剂：配置氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠的混合溶液，即得到pH调节剂。
步骤三、配置氧化溶液：配置磷酸钠、氟化钾混合溶液，即得到氧化溶液。
步骤四、配置粘结剂：配置四硼酸钠溶液，即得到粘结剂。
步骤五、配置稳定剂：配置EDTA溶液，即得到稳定剂。
步骤六、制备微弧氧化膜层：将步骤一中的涡旋盘工件作为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，并在正向电压为80V～600V、反向电压为30V～140V，电流密度为2A/dm2～15A/dm2，频率为500Hz～2000Hz，占空比为10％～30％及在工作液温度20℃～80℃的条件下，处理2min～45min，涡旋盘表面即得到高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，步骤一中所用的水为去离子水。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，步骤二中所述的pH调节剂溶液中的氢氧化钾的含量为5g/L～50g/L，氢氧化钠的含量为10g/L～60g/L，钨酸钠的含量为5g/L～30g/L。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，步骤三中所述的氧化溶液中的磷酸钠的含量为1g/L～20g/L，氟化钾的含量为1g/L～15g/L。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的粘结剂中的四硼酸钠的含量为3g/L～35g/L。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，步骤五中所述的稳定剂中的EDTA的含量为2g/L～25g/L。
上述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，步骤六中所述的电源为双极性脉冲电源，并采取先单向，后双向的工作模式。
本发明还要保护由上述方法制备的陶瓷膜层以及具备该陶瓷膜层的涡旋压缩机涡旋盘。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明制备的微弧氧化陶瓷膜层的表面硬度在载荷为0.981N的情况下HV达到500-1500，显著高于基体的硬度(基体硬度在相同载荷下HV为150以下)，表面粗糙度Ra小于0.1(基体表面粗糙度为Ra小于0.4)。
2、本发明采用的微弧氧化处理工艺简单，工件前处理仅需去离子水冲洗，后序只需微弧氧化放电、清洗和干燥3道工序。微弧放电处理时间一般在2min～45min。由于微弧氧化处理时间短，并且放电只发生在工件表面，工件基体的温度在微弧氧化处理前后变化不大。值得指出的是微弧氧化技术使用碱性工作液，并且可以根据膜层功能的需要添加悬浊颗粒，这使得利用微弧氧化技术能够在铝镁钛等金属及其合金表面原位生成一层具有更好表面质量的陶瓷膜层。
3、本发明在涡旋盘表面制备的微弧氧化膜层厚度为20μm～50μm，且微弧氧化膜层表面质量好，无烧蚀斑点与起粉的疏松层。
本发明可用于319S铝合金表面陶瓷膜层及其制备方法。
以下将结合附图对本发明的构思，具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分的了解本发明的目的，特征及效果。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是涡旋压缩机涡旋盘样件未加工照片；
图2是涡旋压缩机涡旋盘微弧氧化照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按以下步骤进行的：
以319S铝合金为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将319S铝合金阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为580V、反向电压为63V，电流密度为2.2A/dm2，频率为1500Hz，占空比为15％及温度低于80℃的条件下，处理40min，即得到一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层。
所述的工作液由去离子水、氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠、磷酸钠、氟化钾、四硼酸钠、EDTA混合而成；所述的工作液中氢氧化钾的浓度为5g/L，氢氧化钠的浓度为10g/L，钨酸钠的浓度为5g/L；所述的工作液中磷酸钠的浓度为2g/L，所述的工作液中氟化钾的浓度为1mL/L；所述的工作液中四硼酸钠的浓度为5g/L；所述的工作液中EDTA的浓度为2g/L。
所述的319S铝合金尺寸为15mm×15mm×5mm。
本实施例初始水温20℃。
本实施例制备的319S铝合金低粗糙度表面微弧氧化陶瓷膜层厚度为28μm～31μm，其表面硬度HV为657，其表面粗糙度Ra为0.091。
实施例2
一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按以下步骤进行的：
以319S铝合金为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将319S铝合金阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为550V、反向电压为126V，电流密度为2.5A/dm2，频率为2000Hz，占空比为20％及温度低于80℃的条件下，处理40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
所述的工作液由去离子水、氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠、磷酸钠、氟化钾、四硼酸钠、EDTA混合而成；所述的工作液中氢氧化钾的浓度为10g/L，氢氧化钠的浓度为15g/L，钨酸钠的浓度为10g/L；所述的工作液中磷酸钠的浓度为10g/L，所述的工作液中氟化钾的浓度为3mL/L；所述的工作液中四硼酸钠的浓度为10g/L；所述的工作液中EDTA的浓度为3g/L。
所述的319S铝合金尺寸为20mm×20mm×5mm。
本实施例初始水温20℃。
本实施例制备的319S铝合金低粗糙度表面微弧氧化陶瓷膜层厚度为33μm～35μm，其表面硬度HV为973.7，其表面粗糙度Ra为0.088。
实施例3
一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法是按以下步骤进行的：
以319S铝合金为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将319S铝合金阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电源，并在正向电压为533V、反向电压为115V，电流密度为2.75A/dm2，频率为1500Hz，占空比为15％及温度低于80℃的条件下，处理40min，即得到铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层。
所述的工作液由去离子水、氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠、磷酸钠、氟化钾、四硼酸钠、EDTA混合而成；所述的工作液中氢氧化钾的浓度为15g/L，氢氧化钠的浓度为20g/L，钨酸钠的浓度为15g/L；所述的工作液中磷酸钠的浓度为15g/L，所述的工作液中氟化钾的浓度为5mL/L；所述的工作液中四硼酸钠的浓度为15g/L；所述的工作液中EDTA的浓度为5g/L。
所述的319S铝合金尺寸为15mm×20mm×5mm。
本实施例初始水温20℃。
本实施例制备的319S铝合金低粗糙度表面微弧氧化陶瓷膜层厚度为41μm～43μm，其表面硬度HV为1426.8，其表面粗糙度Ra为0.083。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (9)

1.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、表面处理：对涡旋盘工件进行水清洗处理，得到处理后的涡旋盘工件；
步骤二、配置pH调节剂：配置氢氧化钾、氢氧化钠、钨酸钠的混合溶液，即得到pH调节剂；
步骤三、配置氧化溶液：配置磷酸钠、氟化钾混合溶液，即得到氧化溶液；
步骤四、配置粘结剂：配置四硼酸钠溶液，即得到粘结剂；
步骤五、配置稳定剂：配置EDTA溶液，即得到稳定剂；
步骤六、制备微弧氧化膜层：将步骤一中的涡旋盘工件作为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将铝合金工件阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极两侧施加双极性脉冲电，并在正向电压为80V～600V、反向电压为30V～140V，电流密度为2A/dm2～15A/dm2，频率为500Hz～2000Hz，占空比为10％～30％及在工作液温度20℃～80℃的条件下，处理2min～45min，涡旋盘表面即得到高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层。
2.如权利要求1所述的一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤一中所用的水为去离子水。
3.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的pH调节剂溶液中的氢氧化钾的含量为5g/L～50g/L，氢氧化钠的含量为10g/L～60g/L，钨酸钠的含量为5g/L～30g/L。
4.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的氧化溶液中的磷酸钠的含量为1g/L～20g/L，氟化钾的含量为1g/L～15g/L。
5.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的粘结剂中的四硼酸钠的含量为3g/L～35g/L。
6.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述的稳定剂中的EDTA的含量为2g/L～25g/L。
7.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，步骤六中所述的电源为双极性脉冲电源，并采取先单向，后双向的工作模式。
8.一种涡旋压缩机涡旋盘高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层，其特征在于，如权利要求1-7任意一项权利要求所述的制备方法制备而成。
9.一种涡旋压缩机涡旋盘，其特征在于，具备权利要求8所述的高表面硬度、高耐磨性的微弧氧化陶瓷膜层。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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