TWI585237B - 用於機械元件之鍍層結構及其製造方法 - Google Patents

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Description

用於機械元件之鍍層結構及其製造方法
本發明係有關於一種鍍層材料及其製造方法，尤指一種用於機械元件之鍍層結構及其製造方法。
流體機械(Turbomachinery)又稱為渦輪機械，是以流體作為工作介質的一大類機械產品的通稱，包括了泵、風機和空氣壓縮機等。空氣壓縮機(Air Compressor)簡稱為空壓機，是指用來壓縮空氣藉以提高氣體壓力的機械，其中空壓機依照壓縮過程中有無潤滑油可分為有油式空壓機和無油式空壓機，無油式又可分為噴水式及乾式。現今，舉凡食品、醫療、生技等產業的客戶對於空氣品質的要求非常高，如果使用有油式空壓機，會使得空氣中含有油份，即使後續的處理設備能夠除去這些油份，但仍會導致產品有被汙染的風險，因此這些空氣中的油份是不被允許的。與有油式空壓機相比，無油式空壓機的氣缸是屬於乾式，壓縮過程中不需要使用到潤滑油，故壓縮出來的氣體幾乎不會含有油，能夠確保提供高品質的空氣。但無油式空壓機在壓縮過程中，其熱量主要是透過機殼外的水套或油套來散熱，除此之外並無其他介質可散出，因此運轉時的高溫對於乾式空壓機是個嚴苛的考驗。同時，在停機時，溫度的降低會在汽缸內產生冷凝水，容易使金屬 產生鏽蝕而降低壽命，因此通常在汽缸及壓縮元件如轉子活塞等，會在金屬外批覆一層保護層，以增加機器的壽命。
在無油式空壓機中，這層用來保護空壓機裡面的金屬材料的保護層稱為鍍層。無油式空壓機的鍍層材料，主要為工程塑料，其中以聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)最為常見，其熔點為327℃，但於260℃以上就會變質。然而，無油式空壓機在運轉過程中，溫度通常都很高，大約在150至250℃之間，在此溫度下，聚四氟乙烯(PTFE)容易因高溫降低與金屬材料之間的鍵結力(Bonding Force)，以及運轉時產生干涉的負載能力(Load Capacity)，聚四氟乙烯(PTFE)鍍層也因此自金屬材料上剝落。當聚四氟乙烯(PTFE)鍍層剝落後，金屬材料缺少鍍層的保護，也就容易因運轉所產生的高溫而造成金屬材料的磨損，或因溫度下降後所產生的冷凝水而造成金屬材料的生鏽。甚至當應用的場合有腐蝕性氣體的話，也會造成金屬材料的腐蝕。因此，如何改善無油空壓機的鍍層使其與金屬材料之間具有良好的抗磨耗能力與負載能力，為該領域所欲解決的問題之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種用於機械元件之鍍層結構及其製造方法，藉由在流體機械(例如：空壓機)的金屬基材以及鍍層之間形成連續式石墨烯結構層，增加了連續式石墨烯結構層與金屬基材和鍍層之間的抗磨耗能力，並增加鍍層的負載能力，使得鍍層不易剝落，進而延長了鍍層的使用壽命。
為瞭解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案為，提供一種用於機械元件之鍍層結構的製造方法，其包括：形成一連續式石墨烯結構層於一金屬基材上；以及形成一鍍層於連 續式石墨烯結構層上，用以共同保護金屬基材；其中，連續式石墨烯結構層設置於金屬基材與鍍層之間，用以作為金屬基材與鍍層兩者之間的緩衝結構。
較佳地，形成連續式石墨烯結構層於金屬基材上的步驟包括：沉積一含有碳材料與金屬材料的混合層於金屬基材上；將該金屬基材與該混合層共同進行退火處理；以及混合層中的碳材料析出以形成該連續式石墨烯結構層。
本發明所採用的另一技術方案為，提供一種用於機械元件之鍍層結構，其包括：一連續式石墨烯結構層，連續式石墨烯結構層設置在一金屬基材上，；以及一鍍層，鍍層設置在連續式石墨烯結構層上，用以共同保護金屬基材；其中，連續式石墨烯結構層設置於金屬基材與鍍層之間，用以作為金屬基材與鍍層兩者之間的緩衝結構。
本發明的有益效果可以在於，本發明實施例所提供的一種用於機械元件之鍍層結構及其製造方法，能夠藉由在機械元件的金屬基材以及鍍層之間形成連續式石墨烯結構層，由於連續式石墨烯結構層在金屬基材和鍍層之間作為一緩衝結構，不僅增加了連續式石墨烯結構層與金屬基材和鍍層之間的抗磨耗能力，也藉此增加了鍍層的負載能力，使得鍍層不易剝落，進而延長了鍍層的使用壽命。因此，本發明的鍍層結構能夠加強保護機械元件的金屬基材不受到機械性的磨損或是因水氣所造成的鏽蝕，也更進一步地延長了機械元件的使用壽命。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1‧‧‧鍍層結構
10‧‧‧鍍層
11‧‧‧連續式石墨烯結構層
2‧‧‧金屬基材
圖1為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構的製造方法流程圖；圖2為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構的製造方法中，形成連續式石墨烯結構層於金屬基材上的方法流程圖；圖3為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構示意圖；圖4為聚四氟乙烯鍍層之臨界負載測試結果圖；圖5為聚四氟乙烯和二硫化鉬所構成的鍍層之臨界負載測試結果圖；以及圖6為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構的臨界負載測試結果圖。
以下是通過特定的具體實例來說明本發明所揭露有關“用於機械元件之鍍層結構及其製造方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其它不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所揭示的內容並非用以限制本發明的技術範疇。
請參閱圖1至圖3。圖1為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構1的製造方法流程圖、圖2為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構1的製造方法中，形成連續式石墨烯結構層11於金屬基材2上的方法流程圖、以及圖3為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構1示意圖。
如圖1所示，本發明一實施例提供一種用於機械元件之鍍層 結構1的製造方法，其包括：形成一連續式石墨烯結構層11於一金屬基材2上，其中金屬基材2為不銹鋼或鐵；以及形成一鍍層10於連續式石墨烯結構層11上，用以共同保護金屬基材2；其中，連續式石墨烯結構層11設置於金屬基材2與鍍層10之間，用以作為金屬基材2與鍍層10兩者之間的緩衝結構。
如圖2所示，形成連續式石墨烯結構層11於金屬基材2上的步驟包括：利用濺鍍或蒸鍍等沉積方法，沉積一含有碳材料與金屬材料的混合層於金屬基材2上，其中，混合層中的金屬材料為金屬鎳或鎳合金；將金屬基材2與混合層共同進行退火處理；以及混合層中的碳材料析出以形成連續式石墨烯結構層11。藉由本發明的上述步驟，可以在不銹鋼或是鐵等金屬基材2上形成大面積且連續的連續式石墨烯結構層11。由於本發明的連續式石墨烯結構層11是直接從金屬基材2上析出，也就是從金屬基材2上長出來，因此所長出的石墨烯會是一整片的連續體。藉此，本發明的連續式石墨烯結構層11具有較強韌的結構，能夠提供良好的緩衝效果以增加其與金屬基材2和鍍層10之間的抗磨耗能力，進一步增加了鍍層10的負載能力而延長了鍍層10的使用壽命。
本發明實施例除了上述連續式石墨烯結構層11的形成方法之外，在其他實施例中，還可將本發明的連續式石墨烯結構層11的形成步驟來配合磊晶成長法(Epitaxial growth)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition,CVD)以及氧化石墨烯化學還原法(reduction from grapheme oxides)等方法來形成本發明的連續式石墨烯結構層11。
本發明所指的機械元件包括了送風機、空氣壓縮機、液態壓縮機、真空幫浦、或液體幫浦等流體機械的元件。本發明實施例的金屬基材2即為上述機械元件的材料，也就是不銹鋼或鐵。在 本發明實施例中，鍍層10由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)所構成，也可以是由聚四氟乙烯(PTFE)加上二硫化鉬(Molybdenum Disulfide；MoS2)、工程塑料、高分子材料等混合所構成。另外，在本發明實施例中，鍍層10的材料選自於聚四氟乙烯、聚四氟乙烯加二硫化鉬、二硫化鉬、聚醯胺-醯亞胺樹脂、氮化硼、無電解鎳、四氟乙烯-全氟烷基(PFA)、類鑽碳膜(Diamond-like carbon film；DLC)、磷酸鹽皮膜、或其組合，本發明不予以限制鍍層10的材料。較佳地，本發明鍍層10的材料之組合為，聚四氟乙烯加二硫化鉬、聚醯胺-醯亞胺樹脂加二硫化鉬、氮化硼加無電解鎳加二硫化鉬、四氟乙烯-全氟烷基、磷酸鹽皮膜加四氟乙烯加無電解鎳。
如圖3所示，本發明實施例提供一種用於機械元件之鍍層結構1，其包括：一連續式石墨烯結構層11，連續式石墨烯結構層11設置在一金屬基材2上，其中連續式石墨烯結構層11為一連續且大面積的結構；以及一鍍層10，鍍層10設置在石墨烯層11上，用以共同保護金屬基材2；其中，連續式石墨烯結構層11設置於金屬基材2與鍍層10之間，用以作為金屬基材2與鍍層10兩者之間的緩衝結構。
由於石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構。石墨烯的碳原子以sp2的雜化軌道來組成六角型的蜂巢晶格之平面薄膜，其厚度僅有一個碳原子的厚度。石墨烯是目前已知的，世界上最薄且最堅硬的奈米二維材料，導熱係數高達5300W/m.K，甚至高於碳奈米管和金剛石的導熱係數，且隨著溫度的升高，石墨烯的導熱係數會減少，在極高溫度時，接近絕熱的狀態，但是石墨烯在超高溫的條件下不會軟化，反而強度會增加。例如，在超過2000℃時，其抗拉強度會比常溫時還高出一倍。此外，石墨烯的熱膨脹係數小，只有1.2*10-6/℃，故即使在溫度驟 變時，體積變化也不大。上述石墨烯的特性，使得石墨烯具有優異的負載能力(Load Capacity)，藉此，當石墨烯設置在兩個材料之間時，能夠作為兩個材料之間的緩衝結構，除了可以平均分散被施加的壓力之外，也具有散熱的作用。
將連續式石墨烯結構層11形成在金屬基材2上的方法很多，可以是噴塗法、旋轉塗佈法、或是先形成一層石墨烯層11後再設置在鍍層10和金屬基材2之間。但是，利用噴塗法或是旋轉塗佈法的方式所形成的石墨烯層11，因為必須先將石墨烯材料溶解在溶劑中，以液態的形式進行塗佈或噴塗，容易有石墨烯材料在溶劑中分散性不佳的問題，而使得石墨烯層中的石墨烯片狀結構分佈不均勻，同時石墨烯的碳-碳鍵結會斷裂呈現不連續結構，無法完全包覆住基材增加承受的負載能力，或是石墨烯材料中的石墨烯片狀結構沒有每一片都與金屬基材2的接觸面水平服貼，而與金屬基材2呈現各種角度的接觸使得接觸面積減少，進而降低了石墨烯層11與金屬基材2之間的鍵結力(Bonding Force)，而如果接觸角度越大，則原本石墨烯受層受的正向力會變為剪力，導致承受負載能力下降。若是利用先形成一層連續式石墨烯結構層11後再設置在鍍層10和金屬基材2之間的方法，則必須在連續式石墨烯結構層11與金屬基材2之間多塗佈或設置黏著材料或黏著層，用以黏住石墨烯層11和金屬基材2，但此方式不僅使得製造過程變得繁複，也增加了生產成本，同時，若不是連續且大面積的石墨烯結構鍍層結構，鍍層結構1也較容易因整體結構的不穩定性而造成脫落，使得機械元件的金屬材料具有暴露在空氣中的風險。
藉由本發明所提供的用於機械元件之鍍層結構1的製造方法，利用將含有碳材料與金屬鎳或鎳合金的金屬材料沉積金屬基 材2上，再將金屬基材2與沉積在金屬基材2上的混合層共同進行退火處理後，使得連續式石墨烯結構層11直接地從金屬基材2上被向上析出，也就是長在金屬基材2上，且連續式石墨烯結構層1為大面積的連續結構，其與金屬基材2和鍍層10之間具有最大的接觸面積，因而具有強韌的結構。如此一來，本發明實施例的鍍層結構1具有優異的負載能力，得以對抗較大的壓力，而鍍層結構1依然牢固地位於流體機械的金屬基材2上，用以保護流體機械被磨損或鏽蝕。
請參閱圖4至6。圖4為聚四氟乙烯鍍層之臨界負載測試結果圖、圖5為聚四氟乙烯和二硫化鉬所構成的鍍層之臨界負載測試結果圖、以及圖6為本發明一實施例的用於機械元件之鍍層結構1的臨界負載測試結果圖。
臨界負載是指鍍層能夠承受的最高負載，其測試方式是以圓頭銷對試片進行旋轉磨耗試驗，透過銷對測試材料施加一個穩定負載，所施加的負載會隨一定時間增加，例如每5分鐘增加10牛頓(N)的力量，當鍍層無法負荷時會造成鍍層剝落的現象，因銷與基材的接觸會導致磨擦係數劇烈上升，此時所施加的負載造成鍍層剝落的時候，該負載就稱為臨界負載。以本發明實施例來說，臨界負載和鍍層結構1與金屬基材2之間的抗磨耗能力及鍍層強度有關，抗磨耗能力及鍍層10強度越強，鍍層結構1能夠負載的力量就越大，鍍層10也就不易剝落。
如圖4所示，在一拋光的金屬表面上，僅塗有一聚四氟乙烯(PTFE)鍍層，當施予20N的力量時，測試數分鐘後發現摩擦係數劇烈上升，表示聚四氟乙烯(PTFE)鍍層就開始剝落，因此臨界負載即為20N。圖5為，在一拋光的金屬表面上，塗有聚四氟乙烯(PTFE)加上二硫化鉬(MoS2)的鍍層，當施予40N的力量時，測試 數分鐘後發現摩擦係數劇烈上升，表示聚四氟乙烯(PTFE)加二硫化鉬(MoS2)的鍍層開始剝落，臨界負載為40N。加上二硫化鉬(MoS2)後，增加了鍍層的臨界負載量。接著，如圖6所示，本發明的鍍層結構1形成在拋光的金屬表面上，當施予90N的力量時，鍍層結構1才開始剝落，因此臨界負載為90N。與習知只有聚四氟乙烯(PTFE)或是聚四氟乙烯(PTFE)加上二硫化鉬(MoS2)的鍍層相比，本發明的鍍層結構1所具有的臨界負載提升了兩倍之多。也就是說，本發明的鍍層結構1與金屬基材2之間的抗磨耗能力多了兩倍以上，負載力也增加了兩倍以上，鍍層結構1也較不易被破壞或剝落，而能夠繼續地發揮其保護流體機械的功用，也藉此得以延長鍍層結構1、鍍層10、與流體機械的使用壽命。
綜上所述，本發明的有益效果可以在於，本發明實施例所提供的一種用於流體機械之鍍層結構及其製造方法，能夠藉由在機械元件的金屬基材以及鍍層之間形成具有大面積的連續式石墨烯結構層，使得連續式石墨烯結構層與鍍層和金屬基材之間，因具有最大的接觸面積而使整個鍍層結構1較為強韌，進而增加連續式石墨烯結構層與鍍層和金屬基材之間的抗磨耗能力。另外，由於連續式石墨烯結構層在金屬基材和鍍層之間作為一緩衝結構，也藉此增加了鍍層的負載能力，使得鍍層不易剝落，進而延長了鍍層的使用壽命。因此，本發明的鍍層結構能夠加強保護機械元件的金屬基材不受到機械性的磨損或是因水氣所造成的鏽蝕，也更進一步地延長了機械元件的使用壽命。
以上所述僅為本發明的較佳可行實施例，非因此侷限本發明的專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的保護範圍內。
指定代表圖為流程圖，故無符號簡單說明

Claims (4)

  1. 一種用於機械元件之鍍層結構的製造方法，其包括：形成一連續式石墨烯結構層於一金屬基材上；以及形成一鍍層於該連續式石墨烯結構層上，用以共同保護該金屬基材；其中，該連續式石墨烯結構層設置於該金屬基材與該鍍層之間，用以作為該金屬基材與該鍍層兩者之間的緩衝結構；其中，形成該連續式石墨烯結構層於該金屬基材上的步驟包括：沉積一含有碳材料與金屬材料的混合層於該金屬基材上；將該金屬基材與該混合層共同進行退火處理；以及混合層中的碳材料析出以形成該連續式石墨烯結構層；其中，該混合層中的金屬材料為金屬鎳或鎳合金；其中，該鍍層的材料選自於聚四氟乙烯、聚四氟乙烯加二硫化鉬、二硫化鉬、聚醯胺-醯亞胺樹脂、氮化硼、無電解鎳、四氟乙烯-全氟烷基、類鑽碳膜、磷酸鹽皮膜、或其組合。
  2. 如請求項1所述之用於機械元件之鍍層結構的製造方法，其中該沉積的方法為濺鍍或蒸鍍。
  3. 如請求項1所述之用於機械元件之鍍層結構的製造方法，其中該金屬基材為不銹鋼或鐵。
  4. 如請求項1所述之用於機械元件之鍍層結構的製造方法，其中該鍍層由聚四氟乙烯以及二硫化鉬所構成。
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