本發(fā)明涉及鋁合金領(lǐng)域，更具體地涉及一種鋁合金材料、渦旋壓縮機(jī)的十字滑環(huán)及其制備方法。

背景技術(shù)：

在渦旋壓縮機(jī)中，當(dāng)動渦旋盤相對靜渦旋盤運(yùn)動時(shí)，為防止動渦旋盤的自轉(zhuǎn)，需要在動渦旋盤與上支架之間設(shè)置十字滑環(huán)?，F(xiàn)有的十字滑環(huán)一般采用ADC12壓鑄鋁合金，這種材料的摩擦系數(shù)較大，材質(zhì)偏軟，其中的硅以多邊形塊狀初晶硅以及針狀或棒狀的共晶硅的形式分布在鋁基體中，摩擦阻力大且應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，耐磨性能差。由于渦旋壓縮機(jī)普遍用在商用制冷系統(tǒng)中，對冷量的需求較大，排量也相應(yīng)增加，且渦旋壓縮機(jī)有變頻、高速化的發(fā)展趨勢，渦旋盤的壓縮功率大幅增加，造成十字滑環(huán)的凸鍵部位很容易磨損甚至發(fā)生斷裂失效，另外，磨損后的雜質(zhì)隨油路循環(huán)進(jìn)入泵體，導(dǎo)致泵體零件的磨損量增加、功耗上升，進(jìn)而導(dǎo)致渦旋盤粘著或破損，使得整機(jī)性能下降或報(bào)廢；同時(shí)，這些雜質(zhì)還可能劃傷電機(jī)的銅線，進(jìn)入定轉(zhuǎn)子縫隙中，導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種摩擦阻力小、耐磨性能好、強(qiáng)度高的鋁合金材料、渦旋壓縮機(jī)的十字滑環(huán)及其制備方法。

為達(dá)上述目的，一方面，本申請?zhí)峁┮环N鋁合金材料。

一種鋁合金材料，所述鋁合金材料為α-Al固溶體，所述鋁合金材料按重量百分比包括：

硅 8％-15％；

銅 0.5％-3％；

鋁 至100％；

所述硅以球狀硅共晶體的形式均勻分布在所述α-Al固溶體中。

優(yōu)選地，所述球狀硅共晶體的粒徑小于等于15微米。

優(yōu)選地，所述鋁合金材料按重量百分比還包括：

優(yōu)選地，所述硅的重量百分比為10％-12％；和/或，

所述銅的重量百分比為1％至2％。

另一方面，本申請?zhí)峁┮环N渦旋壓縮機(jī)的十字滑環(huán)。

一種渦旋壓縮機(jī)的十字滑環(huán)，所述十字滑環(huán)的材料包括如上所述的鋁合金材料。

優(yōu)選地，所述十字滑環(huán)的至少外表面為所述鋁合金材料。

再一方面，本申請?zhí)峁┮环N渦旋壓縮機(jī)的十字滑環(huán)的制備方法。

一種如上所述十字滑環(huán)的制備方法，所述制備方法包括：

步驟S100、將所述鋁合金件的鋁合金材料按配方進(jìn)行熔煉，得到坯料；

步驟S200、將步驟S100得到的坯料進(jìn)行鍛造成型。

優(yōu)選地，所述制備方法還包括：

步驟S300、將步驟S200得到的坯料進(jìn)行固溶處理和人工時(shí)效處理，得到所述十字滑環(huán)。

優(yōu)選地，步驟S200包括：

步驟S201、將步驟S100得到的坯料升溫至400℃至500℃；

步驟S202、將鍛造所需的模具預(yù)熱，將升溫后的坯料放入所述模具的模腔內(nèi)；

步驟S203、對模腔內(nèi)的坯料進(jìn)行擠壓鍛造。

優(yōu)選地，步驟S203中，所述擠壓鍛造的擠壓速度大于等于10mm/s，小于等于25mm/s。

優(yōu)選地，步驟S300中，所述固溶處理的溫度為470℃至520℃；和/或，

所述固溶處理的時(shí)間為1至3小時(shí)；和/或，

所述人工時(shí)效的溫度為160℃至200℃；和/或，

所述人工時(shí)效的時(shí)間為5至7小時(shí)。

本發(fā)明提供的鋁合金材料按重量百分比包括8％-15％的硅、0.5％-3％的銅以及鋁，采用上述原料及配比得到的鋁合金材料能夠獲得較高的強(qiáng)度，滿足十字滑環(huán)的強(qiáng)度需求，且硅以球狀硅共晶體的形式均勻分布于α-Al固溶體中，與傳統(tǒng)鑄造高硅鋁合金中帶尖角的多邊形塊狀初晶硅和針狀或棒狀的共晶硅相比，球形或類似球形的硅共晶體對基體產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用更小，力學(xué)性能更好。在十字滑環(huán)往復(fù)滑動摩擦過程中，類球形的硅共晶體的摩擦學(xué)特性更好，首先，類球形的共晶硅邊角圓潤，對動渦旋盤和上支架的犁削作用小，即使在缺油或少有的狀態(tài)下，摩擦阻力也相對減小；其次，類球形的硅共晶體顆粒相與α-Al固溶體的應(yīng)力集中小，裂紋源萌生的阻力大，裂紋擴(kuò)展速率慢，從而具有優(yōu)異的耐磨損性能。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中：

圖1示出本發(fā)明具體實(shí)施方式提供的渦旋壓縮機(jī)的剖視圖；

圖2示出本發(fā)明具體實(shí)施方式提供的十字滑環(huán)的立體圖；

圖3示出本發(fā)明具體實(shí)施方式提供的十字滑環(huán)的左視圖。

圖中，1、靜渦旋盤；2、動渦旋盤；3、上支架；4、曲軸；5、十字滑環(huán)；51、環(huán)狀本體；52、支架凸鍵；53、動盤凸鍵；7、電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯；8、電機(jī)定子鐵芯；10、吸氣管；11、開口型密封圈；12、上支架軸承；14、排氣管；16、導(dǎo)油片；17、吸油管；18、中心油孔；19、動盤尾部軸承；20、冷凍機(jī)油。

具體實(shí)施方式

以下基于實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件并沒有詳細(xì)敘述。

此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，渦旋壓縮機(jī)的壓縮機(jī)構(gòu)包括靜渦旋盤1、動渦旋盤2以及防止動渦旋盤2自轉(zhuǎn)的十字滑環(huán)5，動渦旋盤2經(jīng)上支架3支撐，十字滑環(huán)5設(shè)置在動渦旋盤2與上支架3之間。十字滑環(huán)5的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，其包括環(huán)狀本體51，環(huán)狀本體51上與上支架3相對的端面上設(shè)置有支架凸鍵52，環(huán)狀本體51上與動渦旋盤2相對的端面上設(shè)置有動盤凸鍵53，相應(yīng)地，上支架3上設(shè)置有與支架凸鍵52相配合的支架鍵槽(圖中未示出)，動渦旋盤2上設(shè)置有與動盤凸鍵53相配合的動盤鍵槽(圖中未示出)。泵體的氣體載荷以及離心力作用分別作用在十字滑環(huán)5的支架凸鍵52的側(cè)面以及動盤凸鍵53的側(cè)面上，支架凸鍵52和動盤凸鍵53分別與支架鍵槽和動盤鍵槽的側(cè)面產(chǎn)生往復(fù)滑動摩擦，且環(huán)狀本體51的兩個(gè)端面分別與上支架3和動渦旋盤2的接觸面發(fā)生摩擦并伴隨材料的磨損。優(yōu)選地，支架凸鍵52和動盤凸鍵53均相對設(shè)置有兩個(gè)，且四個(gè)凸鍵沿周向均勻分布。

渦旋壓縮機(jī)的工作過程為，渦旋壓縮機(jī)的驅(qū)動部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯7、電機(jī)定子鐵芯8和曲軸4。由驅(qū)動部分帶動動渦旋盤2運(yùn)轉(zhuǎn)，其與靜渦旋盤1互相嚙合從而形成月牙形壓縮腔。隨著曲軸4的旋轉(zhuǎn)，制冷劑經(jīng)過吸氣管10進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)的吸氣腔，動渦旋盤2繼續(xù)作回轉(zhuǎn)平動并始終保持良好的嚙合狀態(tài)，吸氣腔不斷向中心推移，容積不斷縮小，腔體內(nèi)壓力不斷被進(jìn)行壓縮；當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓縮比時(shí)，制冷劑由靜渦旋盤1的頂部中心排氣口排出，進(jìn)入壓縮機(jī)上部空間，經(jīng)靜渦旋盤1與上支架3排氣通道進(jìn)入電機(jī)上部空間及流通槽，對電機(jī)進(jìn)行冷卻，然后流到壓縮機(jī)下部空間，最后經(jīng)排氣管14排出壓縮機(jī)。同時(shí)，由安裝在曲軸4下部的導(dǎo)油片16與吸油管17的作用，處于高壓環(huán)境下油池的冷凍機(jī)油20經(jīng)過曲軸4的中心油孔18供給至曲軸4的曲柄部及上支架3的空腔內(nèi)，潤滑動盤尾部軸承19及上支架軸承12，并且由于高壓油的作用使得開口型密封圈11作用，以隔離高、低壓環(huán)境，從而形成背壓腔，保證泵體形成密封腔。

針對現(xiàn)有十字滑環(huán)存在的易磨損、強(qiáng)度低的問題，本申請?zhí)峁┝艘环N輕質(zhì)、摩擦阻力小、耐磨性能好、強(qiáng)度高的鋁合金材料，十字滑環(huán)采用該鋁合金材料能夠獲得很好的力學(xué)性能及耐磨性能，慣性和滑動阻力小。下面結(jié)合具體的實(shí)施例說明十字滑環(huán)的具體材料及其制備方法。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，十字滑環(huán)采用的鋁合金材料為α-Al固溶體，其制備方法包括：

步驟S100、將鋁合金原料進(jìn)行熔煉，得到坯料；鋁合金原料按重量百分比包括：

其中，銅具有一定的固溶強(qiáng)化效果，此外，時(shí)效析出的CuAl₂有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果，另外，銅能夠增強(qiáng)鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度及抗腐蝕性，在鋁硅合金中，α-Al與CuAl₂構(gòu)成共晶體，提高合金的強(qiáng)度和硬度，鋁合金的彈性模量會隨著銅的加入量的提高而成比例增加，銅的加入還可提高鋁合金的高溫力學(xué)性能(抗蠕變性能)，銅的固溶還可以提高合金的抗疲勞強(qiáng)度，因此，通過銅的加入能夠有效提高十字滑環(huán)的耐磨性，以滿足其工作需求。另外，鎂的加入能夠提高抗拉強(qiáng)度、硬度及耐腐蝕性，但是，隨著鎂的增加，會增大材料的熱裂性，降低壓鑄性能，鋁硅合金中加入鎂能夠形成Mg₂Si相，時(shí)效后Mg₂Si溶入α-Al中呈彌散析出來強(qiáng)化合金，但也增加了合金硬化和脆性，降低伸長率，增大熱裂傾向，進(jìn)而降低十字滑環(huán)的整體性能，因此，將加入鎂的量設(shè)定在小于0.8％進(jìn)一步優(yōu)選為0.2％-0.3％之間能夠保證十字滑環(huán)的最優(yōu)性能。

通過熔煉對原材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)，為后續(xù)的鍛造成型打好基礎(chǔ)。

優(yōu)選地，熔煉過程包括：

步驟S101、熔煉前的準(zhǔn)備工作，包括清洗電阻爐、預(yù)熱爐體、爐料和準(zhǔn)備物料；

步驟S102、向爐體中裝料；

步驟S103、熔化；

步驟S104、除渣、攪拌；

步驟S105、變質(zhì)處理；

步驟S106、澆鑄成型，得到坯料。

步驟S200、將步驟S100得到的坯料進(jìn)行鍛造成型。

優(yōu)選地，鍛造成型包括：

步驟S201、將步驟S100得到的坯料升溫至400℃至500℃，優(yōu)選為450℃；

步驟S202、將鍛造所需的模具預(yù)熱，預(yù)熱溫度優(yōu)選為約150℃，將升溫后的坯料放入模具的模腔內(nèi)，優(yōu)選地，在模具內(nèi)壁上涂抹石墨粉后再將坯料放入其中；

步驟S203、對模腔內(nèi)的坯料進(jìn)行擠壓鍛造，優(yōu)選地，擠壓鍛造的擠壓速度大于等于10mm/s，小于等于25mm/s，既保證了鍛造后的產(chǎn)品質(zhì)量，又能夠保證生產(chǎn)效率。

進(jìn)一步優(yōu)選地，還包括：

步驟S300、將步驟S200得到的坯料進(jìn)行固溶處理和人工時(shí)效處理，得到十字滑環(huán)，優(yōu)選地，固溶處理的溫度為470℃至520℃，處理時(shí)間為1至3小時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選為3小時(shí)。人工時(shí)效的溫度為160℃至200℃，進(jìn)一步優(yōu)選為180℃，時(shí)間為5至7小時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選為6小時(shí)。通過固溶處理和人工時(shí)效處理改善十字滑環(huán)的強(qiáng)度，同時(shí)優(yōu)化了組織性能，使得硅共晶體以球狀顆粒均勻分布，且球狀顆粒的粒徑不大于15微米，大部分尺寸在4至8微米，從而獲得更優(yōu)的力學(xué)性能、耐磨性能及強(qiáng)度。

由于溫度和反應(yīng)時(shí)間是各材料之間進(jìn)行相互反應(yīng)的重要參數(shù)且相互之間有著密切的相互關(guān)系，不是獨(dú)立的單一變量，需要對各個(gè)階段的溫度以及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制才能夠獲得合適的操作條件，本申請通過對各個(gè)步驟中溫度及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行限定，從而獲得所需的十字滑環(huán)。

本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)的耐磨性相較于現(xiàn)有的十字滑環(huán)有顯著的提高，強(qiáng)度能夠超過340MPa，比現(xiàn)有十字滑環(huán)的強(qiáng)度提高了30％以上，滿足高速渦旋壓縮機(jī)惡劣工況下的要求，可靠性高，具有優(yōu)良的抗粘著磨損性，即使當(dāng)渦旋壓縮機(jī)在高度運(yùn)轉(zhuǎn)下，該十字滑環(huán)仍能夠保證足夠的強(qiáng)度和可靠性，另外，采用鍛造工藝使得十字滑環(huán)的組織致密，十字滑環(huán)的凸鍵上與鍵槽相接觸的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，經(jīng)測試，本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)可使得渦旋壓縮機(jī)在20至150HZ范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。

將本申請的十字滑環(huán)與現(xiàn)有ADC12壓鑄鋁合金材料的十字滑環(huán)進(jìn)行1000H壓縮機(jī)耐久性試驗(yàn)對比，磨損量采用輪廓粗糙度Rz評估，對比結(jié)果如下表所示：

由上表可知，本申請的十字滑環(huán)具有顯著的抗磨損性能。

由于鋁合金材料中各原料之間有著密切的相互關(guān)系，采用上述原料及配比得到的鋁合金材料能夠獲得較高的強(qiáng)度，滿足十字滑環(huán)的強(qiáng)度需求，其中，硅以球狀硅共晶體的形式均勻分布在α-Al固溶體中，與傳統(tǒng)鑄造高硅鋁合金中帶尖角的多邊形塊狀初晶硅和針狀或棒狀的共晶硅相比，球形或類似球形的硅共晶體對基體產(chǎn)生的應(yīng)力集中作用更小，力學(xué)性能更好。在十字滑環(huán)往復(fù)滑動摩擦過程中，類球形的硅共晶體的摩擦學(xué)特性更好，首先，類球形的共晶硅邊角圓潤，對動渦旋盤和上支架的犁削作用小，即使在缺油或少有的狀態(tài)下，摩擦阻力也相對減??；其次，類球形的硅共晶體顆粒相與α-Al固溶體的應(yīng)力集中小，裂紋源萌生的阻力大，裂紋擴(kuò)展速率慢，從而具有優(yōu)異的耐磨損性能。

在替代的實(shí)施例中，制成十字滑環(huán)的鋁合金原料按重量百分比包括：

本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)的強(qiáng)度能夠超過340MPa，十字滑環(huán)的凸鍵上與鍵槽相接觸的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，經(jīng)測試，本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)可使得渦旋壓縮機(jī)在20至150HZ范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。

在替代的實(shí)施例中，制成十字滑環(huán)的鋁合金原料按重量百分比包括：

硅 8％；

銅 0.5％；

鋁 至100％。

本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)的強(qiáng)度能夠超過340MPa，十字滑環(huán)的凸鍵上與鍵槽相接觸的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，經(jīng)測試，本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)可使得渦旋壓縮機(jī)在20至150HZ范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。

在替代的實(shí)施例中，制成十字滑環(huán)的鋁合金原料按重量百分比包括：

硅 15％；

銅 3％；

鋁 至100％。

本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)的強(qiáng)度能夠超過340MPa，十字滑環(huán)的凸鍵上與鍵槽相接觸的面的表面粗糙度Rz不高于0.8微米，經(jīng)測試，本實(shí)施例提供的十字滑環(huán)可使得渦旋壓縮機(jī)在20至150HZ范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。

當(dāng)然，可以理解的是，本申請?zhí)峁┑匿X合金材料不局限于應(yīng)用于十字滑環(huán)，也可應(yīng)用于其他同樣具有高耐磨性、高強(qiáng)度要求的鋁合金件，另外，十字滑環(huán)不局限于整體采用上述的鋁合金材料，也可以是只在十字滑環(huán)的外表面設(shè)置上述的鋁合金材料，當(dāng)然，整體采用上述的鋁合金材料為最優(yōu)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的是，在不沖突的前提下，上述各優(yōu)選方案可以自由地組合、疊加。

應(yīng)當(dāng)理解，上述的實(shí)施方式僅是示例性的，而非限制性的，在不偏離本發(fā)明的基本原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以針對上述細(xì)節(jié)做出的各種明顯的或等同的修改或替換，都將包含于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。