本發(fā)明系有關(guān)于一種鍍層材料及其制造方法，尤指一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

流體機(jī)械(turbomachinery)又稱為渦輪機(jī)械，是以流體作為工作介質(zhì)的一大類機(jī)械產(chǎn)品的通稱，包括了泵、風(fēng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)等?？諝鈮嚎s機(jī)(aircompressor)簡稱為空壓機(jī)，是指用來壓縮空氣藉以提高氣體壓力的機(jī)械，其中空壓機(jī)依照壓縮過程中有無潤滑油可分為有油式空壓機(jī)和無油式空壓機(jī)，無油式又可分為噴水式及干式?，F(xiàn)今，舉凡食品、醫(yī)療、生技等產(chǎn)業(yè)的客戶對于空氣品質(zhì)的要求非常高，如果使用有油式空壓機(jī)，會(huì)使得空氣中含有油份，即使后續(xù)的處理設(shè)備能夠除去這些油份，但仍會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品有被污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此這些空氣中的油份是不被允許的。與有油式空壓機(jī)相比，無油式空壓機(jī)的氣缸是屬于干式，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(huì)含有油，能夠確保提供高品質(zhì)的空氣。但無油式空壓機(jī)在壓縮過程中，其熱量主要是透過機(jī)殼外的水套或油套來散熱，除此之外并無其他介質(zhì)可散出，因此運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高溫對于干式空壓機(jī)是個(gè)嚴(yán)苛的考驗(yàn)。同時(shí)，在停機(jī)時(shí)，溫度的降低會(huì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生冷凝水，容易使金屬產(chǎn)生銹蝕而降低壽命，因此通常在汽缸及壓縮元件如轉(zhuǎn)子活塞等，會(huì)在金屬外批覆一層保護(hù)層，以增加機(jī)器的壽命。

在無油式空壓機(jī)中，這層用來保護(hù)空壓機(jī)里面的金屬材料的保護(hù)層稱為鍍層。無油式空壓機(jī)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(diǎn)為327℃，但于260℃以上就會(huì)變質(zhì)。然而，無油式空壓機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)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(jié)力(bondingforce)，以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生干涉的負(fù)載能力(loadcapacity)，聚四氟乙烯(ptfe)鍍層也因此自金屬材料上剝落。當(dāng)聚四氟乙烯 (ptfe)鍍層剝落后，金屬材料缺少鍍層的保護(hù)，也就容易因運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高溫而造成金屬材料的磨損，或因溫度下降后所產(chǎn)生的冷凝水而造成金屬材料的生銹。甚至當(dāng)應(yīng)用的場合有腐蝕性氣體的話，也會(huì)造成金屬材料的腐蝕。因此，如何改善無油空壓機(jī)的鍍層使其與金屬材料之間具有良好的抗磨耗能力與負(fù)載能力，為該領(lǐng)域所欲解決的問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)及其制造方法，通過在流體機(jī)械(例如：空壓機(jī))的金屬基材以及鍍層之間形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層，增加了連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層與金屬基材和鍍層之間的抗磨耗能力，并增加鍍層的負(fù)載能力，使得鍍層不易剝落，進(jìn)而延長了鍍層的使用壽命。

為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的其中一技術(shù)方案為，提供一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)的制造方法，其包括：形成一連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層于一金屬基材上；以及形成一鍍層于連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層上，用以共同保護(hù)金屬基材；其中，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層設(shè)置于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沖結(jié)構(gòu)。

較佳地，形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層于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于金屬基材上；將該金屬基材與該混合層共同進(jìn)行退火處理；以及混合層中的碳材料析出以形成該連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案為，提供一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)，其包括：一連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層設(shè)置在一金屬基材上，；以及一鍍層，鍍層設(shè)置在連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層上，用以共同保護(hù)金屬基材；其中，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層設(shè)置于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沖結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果可以在于，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)及其制造方法，能夠通過在機(jī)械元件的金屬基材以及鍍層之間形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層，由于連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層在金屬基材和鍍層之間作為一緩沖結(jié)構(gòu)，不僅增加了連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)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(fù)載能力，使得鍍層不易剝落，進(jìn)而延長了 鍍層的使用壽命。因此，本發(fā)明的鍍層結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)保護(hù)機(jī)械元件的金屬基材不受到機(jī)械性的磨損或是因水氣所造成的銹蝕，也更進(jìn)一步地延長了機(jī)械元件的使用壽命。

為使能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)的制造方法中，形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層于金屬基材上的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為聚四氟乙烯鍍層的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖；

圖5為聚四氟乙烯和二硫化鉬所構(gòu)成的鍍層的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖；以及

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖。

其中，附圖標(biāo)記說明如下：

鍍層結(jié)構(gòu)1

鍍層10

連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11

金屬基材2

具體實(shí)施方式

以下是通過特定的具體實(shí)例來說明本發(fā)明所揭露有關(guān)“用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)及其制造方法”的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明可通過其它不同的具體實(shí)施例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不悖離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。另外，本發(fā)明的圖式僅為簡單示意說明，并非依實(shí)際尺寸的描繪，先予敘明。以下的實(shí)施方式將進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，但所揭示的內(nèi)容并非用以限制本發(fā)明的技術(shù)范疇。

請參閱圖1至圖3。圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1的制造方法流程圖、圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1的制造方法中，形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11于金屬基材2上的方法流程圖、以及圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1的制造方法，其包括：形成一連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11于一金屬基材2上，其中金屬基材2為不銹鋼或鐵；以及形成一鍍層10于連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11上，用以共同保護(hù)金屬基材2；其中，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11設(shè)置于金屬基材2與鍍層10之間，用以作為金屬基材2與鍍層10兩者之間的緩沖結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11于金屬基材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于金屬基材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(jìn)行退火處理；以及混合層中的碳材料析出以形成連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11。通過本發(fā)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(xù)的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11。由于本發(fā)明的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)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(huì)是一整片的連續(xù)體。藉此，本發(fā)明的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11具有較強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)，能夠提供良好的緩沖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(jìn)一步增加了鍍層10的負(fù)載能力而延長了鍍層10的使用壽命。

本發(fā)明實(shí)施例除了上述連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11的形成方法之外，在其他實(shí)施例中，還可將本發(fā)明的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11的形成步驟來配合磊晶成長法(epitaxialgrowth)、化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition,cvd)以及氧化石墨烯化學(xué)還原法(reductionfromgraphemeoxides)等方法來形成本發(fā)明的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11。

本發(fā)明所指的機(jī)械元件包括了送風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、液態(tài)壓縮機(jī)、真空泵、或液體泵等流體機(jī)械的元件。本發(fā)明實(shí)施例的金屬基材2即為上述機(jī)械元件的材料，也就是不銹鋼或鐵。在本發(fā)明實(shí)施例中，鍍層10由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene；ptfe)所構(gòu)成，也可以是由聚四氟乙烯(ptfe)加上二硫化鉬(molybdenumdisulfide；mos2)、工程塑料、高分子材料等混合所 構(gòu)成。另外，在本發(fā)明實(shí)施例中，鍍層10的材料選自于聚四氟乙烯、聚四氟乙烯加二硫化鉬、二硫化鉬、聚酰胺-酰亞胺樹脂、氮化硼、無電解鎳、四氟乙烯-全氟烷基(pfa)、類鉆碳膜(diamond-likecarbonfilm；dlc)、磷酸鹽皮膜、或其組合，本發(fā)明不予以限制鍍層10的材料。較佳地，本發(fā)明鍍層10的材料的組合為，聚四氟乙烯加二硫化鉬、聚酰胺-酰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(fā)明實(shí)施例提供一種用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1，其包括：一連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11設(shè)置在一金屬基材2上，其中連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11為一連續(xù)且大面積的結(jié)構(gòu)；以及一鍍層10，鍍層10設(shè)置在石墨烯層11上，用以共同保護(hù)金屬基材2；其中，連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11設(shè)置于金屬基材2與鍍層10之間，用以作為金屬基材2與鍍層10兩者之間的緩沖結(jié)構(gòu)。

由于石墨烯(graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)。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的平面薄膜，其厚度僅有一個(gè)碳原子的厚度。石墨烯是目前已知的，世界上最薄且最堅(jiān)硬的納米二維材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300w/m.k，甚至高于碳納米管和金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)，且隨著溫度的升高，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)減少，在極高溫度時(shí)，接近絕熱的狀態(tài)，但是石墨烯在超高溫的條件下不會(huì)軟化，反而強(qiáng)度會(huì)增加。例如，在超過2000℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度會(huì)比常溫時(shí)還高出一倍。此外，石墨烯的熱膨脹系數(shù)小，只有1.2*10^-6/℃，故即使在溫度驟變時(shí)，體積變化也不大。上述石墨烯的特性，使得石墨烯具有優(yōu)異的負(fù)載能力(loadcapacity)，藉此，當(dāng)石墨烯設(shè)置在兩個(gè)材料之間時(shí)，能夠作為兩個(gè)材料之間的緩沖結(jié)構(gòu)，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(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11形成在金屬基材2上的方法很多，可以是噴涂法、旋轉(zhuǎn)涂布法、或是先形成一層石墨烯層11后再設(shè)置在鍍層10和金屬基材2之間。但是，利用噴涂法或是旋轉(zhuǎn)涂布法的方式所形成的石墨烯層11，因?yàn)楸仨毾葘⑹┎牧先芙庠谌軇┲?，以液態(tài)的形式進(jìn)行涂布或噴涂，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(jié)構(gòu)分布不均勻，同時(shí)石墨烯的碳-碳鍵結(jié)會(huì)斷裂呈現(xiàn)不連續(xù)結(jié)構(gòu)，無法完 全包覆住基材增加承受的負(fù)載能力，或是石墨烯材料中的石墨烯片狀結(jié)構(gòu)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(xiàn)各種角度的接觸使得接觸面積減少，進(jìn)而降低了石墨烯層11與金屬基材2之間的鍵結(jié)力(bondingforce)，而如果接觸角度越大，則原本石墨烯受層受的正向力會(huì)變?yōu)榧袅?，?dǎo)致承受負(fù)載能力下降。若是利用先形成一層連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11后再設(shè)置在鍍層10和金屬基材2之間的方法，則必須在連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層11與金屬基材2之間多涂布或設(shè)置黏著材料或黏著層，用以黏住石墨烯層11和金屬基材2，但此方式不僅使得制造過程變得繁復(fù)，也增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)，若不是連續(xù)且大面積的石墨烯結(jié)構(gòu)鍍層結(jié)構(gòu)，鍍層結(jié)構(gòu)1也較容易因整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性而造成脫落，使得機(jī)械元件的金屬材料具有暴露在空氣中的風(fēng)險(xiǎn)。

通過本發(fā)明所提供的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1的制造方法，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(jìn)行退火處理后，使得連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)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(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層1為大面積的連續(xù)結(jié)構(gòu)，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(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)。如此一來，本發(fā)明實(shí)施例的鍍層結(jié)構(gòu)1具有優(yōu)異的負(fù)載能力，得以對抗較大的壓力，而鍍層結(jié)構(gòu)1依然牢固地位于流體機(jī)械的金屬基材2上，用以保護(hù)流體機(jī)械被磨損或銹蝕。

請參閱圖4至6。圖4為聚四氟乙烯鍍層的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖、圖5為聚四氟乙烯和二硫化鉬所構(gòu)成的鍍層的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖、以及圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的用于機(jī)械元件的鍍層結(jié)構(gòu)1的臨界負(fù)載測試結(jié)果圖。

臨界負(fù)載是指鍍層能夠承受的最高負(fù)載，其測試方式是以圓頭銷對試片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨耗試驗(yàn)，透過銷對測試材料施加一個(gè)穩(wěn)定負(fù)載，所施加的負(fù)載會(huì)隨一定時(shí)間增加，例如每5分鐘增加10牛頓(n)的力量，當(dāng)鍍層無法負(fù)荷時(shí)會(huì)造成鍍層剝落的現(xiàn)象，因銷與基材的接觸會(huì)導(dǎo)致磨擦系數(shù)劇烈上升，此時(shí)所施加的負(fù)載造成鍍層剝落的時(shí)候，該負(fù)載就稱為臨界負(fù)載。以本發(fā)明實(shí)施例來說，臨界負(fù)載和鍍層結(jié)構(gòu)1與金屬基材2之間的抗磨耗能力及鍍層強(qiáng)度有關(guān)，抗磨耗能力及鍍層10強(qiáng)度越強(qiáng)，鍍層結(jié)構(gòu)1能夠負(fù)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，僅涂有一聚四氟乙烯(ptfe)鍍層，當(dāng)施予20n的力量時(shí)，測試數(shù)分鐘后發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)劇烈上升，表示聚四氟乙烯(ptfe)鍍層就開始剝落，因此臨界負(fù)載即為20n。圖5為，在一拋光的金屬表面上，涂有聚四氟乙烯(ptfe)加上二硫化鉬(mos2)的鍍層，當(dāng)施予40n的力量時(shí)，測試數(shù)分鐘后發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)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(fù)載為40n。加上二硫化鉬(mos2)后，增加了鍍層的臨界負(fù)載量。接著，如圖6所示，本發(fā)明的鍍層結(jié)構(gòu)1形成在拋光的金屬表面上，當(dāng)施予90n的力量時(shí)，鍍層結(jié)構(gòu)1才開始剝落，因此臨界負(fù)載為90n。與習(xí)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(fā)明的鍍層結(jié)構(gòu)1所具有的臨界負(fù)載提升了兩倍之多。也就是說，本發(fā)明的鍍層結(jié)構(gòu)1與金屬基材2之間的抗磨耗能力多了兩倍以上，負(fù)載力也增加了兩倍以上，鍍層結(jié)構(gòu)1也較不易被破壞或剝落，而能夠繼續(xù)地發(fā)揮其保護(hù)流體機(jī)械的功用，也藉此得以延長鍍層結(jié)構(gòu)1、鍍層10、與流體機(jī)械的使用壽命。

綜上所述，本發(fā)明的有益效果可以在于，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種用于流體機(jī)械的鍍層結(jié)構(gòu)及其制造方法，能夠通過在機(jī)械元件的金屬基材以及鍍層之間形成具有大面積的連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層，使得連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)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(gè)鍍層結(jié)構(gòu)1較為強(qiáng)韌，進(jìn)而增加連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層與鍍層和金屬基材之間的抗磨耗能力。另外，由于連續(xù)式石墨烯結(jié)構(gòu)層在金屬基材和鍍層之間作為一緩沖結(jié)構(gòu)，也藉此增加了鍍層的負(fù)載能力，使得鍍層不易剝落，進(jìn)而延長了鍍層的使用壽命。因此，本發(fā)明的鍍層結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)保護(hù)機(jī)械元件的金屬基材不受到機(jī)械性的磨損或是因水氣所造成的銹蝕，也更進(jìn)一步地延長了機(jī)械元件的使用壽命。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳可行實(shí)施例，非因此局限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及圖式內(nèi)容所做的等效技術(shù)變化，均包含于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。