絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法

2023-10-25 07:15:22 1

絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了屬於表面工程領域的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法，在活塞環基體上設置絕熱塗層，在絕熱塗層外設置耐磨塗層，絕熱塗層為氧化鋯陶瓷塗層，在絕熱塗層中摻雜有氧化鋯納米空心球；耐磨塗層為鎳磷合金塗層，在耐磨塗層中摻雜有氧化鋯納米纖維。製備方法如下：在經預處理的活塞環基體表面製備絕熱塗層；在塗覆了絕熱塗層的活塞環基體表面進行化學鍍製備耐磨塗層，利用浸漬提拉法製備絕熱塗層，將預處理後的活塞環基體完全浸漬到加入了氧化鋯納米空心球的氧化鋯溶膠中；塗覆好溶膠後將活塞環基體提拉出溶膠，進行熱處理，再冷卻至室溫。本發明製備方法工藝簡單操作方便而且安全環保，可明顯提高空調滾動活塞壓縮機活塞環的耐磨性與絕熱性，有效地節約成本，提高資源、能源有效利用率。
【專利說明】絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於表面工程領域，特別涉及一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法。

【背景技術】
[0002]空調活塞式壓縮機氣缸與活塞環配合是活塞式壓縮機上一對舉足輕重的配對副。在活塞式壓縮機工作過程中，活塞環與氣缸壁之間的磨損是最常見的故障，過渡磨損會導致缸內壓力下降而達不到工作壓力、機油油膜變薄、活塞環與氣缸之間形成邊界潤滑或幹摩擦。磨損後的氣缸壁面在中心線方向呈腰鼓形，橫截面為橢圓形，即沿垂直方向的尺寸比水平方向大，從而引起活塞在運行中跳動，產生串油、漏氣，使排氣量降低。氣缸壁面的磨損加劇了活塞環的磨損，甚至造成斷裂，而活塞環的磨損尤其是斷裂又會導致壁面磨損加快，加劇磨損的惡性循環。隨著工作時間的增加，使這對配對副的配合發生變化，良好的氣體密封性逐步惡化。高負荷、高參數、高自動化程度使活塞式壓縮機的工作條件更加嚴酷，磨損問題日益突出已成為影響活塞式壓縮機工作可靠性及使用壽命的一個重要因素。要改善其摩擦性能，提高活塞式壓縮機氣缸的抗磨減摩能力，可採用表面工程技術對材料表面進行改性，賦予材料及其製品表面抵禦環境作用的能力，如提高材料及其製品耐腐蝕、抗高溫氧化、耐磨減摩、潤滑及抗疲勞性能等，從而延長其使用壽命，具有省料、節能、高效、優質、環保、成本低等優點。表面工程技術包括有電鍍、化學鍍、熱噴塗、塗料塗裝、熱浸鍍、氣相沉積坐寸ο
[0003]化學鍍技術依據氧化還原反應原理，通過強還原劑將金屬離子還原在工件表面形成金屬鍍層的技術。化學鍍技術不需要通電，利用化學反應在基體表面塗覆鍍層，因此表面能夠附著比較均勻，不會隨電流強弱變化而產生厚度不一；而且只要鍍液浸潰到的地方都可以輕鬆塗覆，不會擔心複雜零件基體漏鍍問題。隨著化學鍍技術工藝的不斷發展成熟，其功能性越來越強，應用範圍也越來越廣，因其耐磨耐腐蝕等優異性能而在眾多領域獲得了重要的應用。
[0004]隨著科技的進步和社會的發展，人們對材料的要求也越來越高，單一的化學鍍鎳耐磨塗層已無法滿足人們的需求。於是人們開始研究複合鍍層以期獲得更好的耐磨性能。典型常見的方法是在鍍層中加入Sic、金剛石、氧化鋁等顆粒來提高鍍層的硬度，由此提高其耐磨性能。另一種方法是加入無機纖維來對鍍層增強增韌，比如氧化鋁纖維等。而無論是利用顆粒增強還是纖維增強，鮮見有加入氧化鋯對其進行改性，更沒有利用氧化鋯納米纖維來對鍍層進行改性的嘗試。更為重要的是，在傳統的氧化物陶瓷中，氧化鋯的熱膨脹係數與金屬基體最為接近，這就保證了在利用纖維對鍍層進行增強增韌的同時，使鍍層與基體的結合強度進一步提聞。
[0005]在載荷作用下，摩擦副表面間因有相對滑動而產生摩擦，摩擦生熱致使局部產生很高的溫升，形成瞬時過熱，一個瞬時高溫的熱點會導致表面上相應結點材料狀態的改變，造成摩擦表面的焊聯作用。隨後在分離的瞬間，連結點被撕裂。隨著損傷的積累，將引發明顯的粘著磨損。而由於短時間內摩擦產生的大量的熱能傳遞至金屬構件內部後可引起金屬內部微觀結構的晶格畸變，嚴重影響金屬構件的使用壽命。因此在研究磨損機理時，溫度是起重要作用的因素。雖然利用化學鍍工藝在活塞環基體表面製備耐磨N1-P合金鍍層可提高其耐磨性能，但其導熱係數與金屬基體相比並無明顯不同，無法阻擋因摩擦而產生的熱向基體傳遞，即無法保護基體免受熱衝擊所引起的損傷。


【發明內容】

[0006]由於空調滾動活塞壓縮機活塞環在工作過程中有大量的熱產生，為了防止短時間內大量的熱傳遞至活塞環內部而引起晶格畸變，即受到熱震損傷，提出在活塞環表面製備一層陶瓷絕熱塗層來對其內部進行絕熱保護。而在陶瓷中氧化鋯的熱膨脹係數與金屬最為接近，所以選用氧化鋯陶瓷塗層作為絕熱塗層可獲得與基體良好的結合強度。在眾多製備陶瓷塗層的方法中，利用浸潰提拉法將基體浸入配製好的溶膠後提拉制膜最為簡便易行。
[0007]本發明的目的是提供一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法，通過在活塞環基體表面塗覆陶瓷絕熱塗層來儘可能的減少熱衝擊對壓縮機活塞環的損傷，即在活塞環基體表面先塗覆陶瓷絕熱塗層，再於陶瓷絕熱塗層表面鍍覆耐磨N1-P合金鍍層。空心材料具有良好的保溫絕熱性能，所以可以利用在陶瓷絕熱塗層中摻雜納米空心球來進一步提高其絕熱性能。而在陶瓷中氧化鋯的熱膨脹係數與金屬基體最為接近，因此選用氧化鋯陶瓷塗層來作為活塞環基體表面的絕熱塗層，這就保證了在利用氧化鋯納米空心球進一步提高陶瓷絕熱塗層的絕熱性能的同時，使陶瓷絕熱塗層與基體的結合強度進一步提聞。
[0008]本發明提供的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環，其特徵在於:在活塞環基體上設置絕熱塗層，在絕熱塗層外設置耐磨塗層，所述絕熱塗層為氧化鋯陶瓷塗層，在所述絕熱塗層中摻雜有氧化鋯納米空心球；在所述耐磨塗層中摻雜有氧化鋯納米纖維。
[0009]耐磨塗層可選用本領域常用耐磨塗層，例如可採用N1-P合金鍍層，在N1-P合金鍍層中摻雜氧化鋯納米纖維。
[0010]本發明還提供一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，該方法包括如下步驟:
[0011]1.活塞環基體表面的預處理，活塞環基體表面預處理的目的是對基體進行去油和除鏽，使基體表面平滑光整，易於塗覆；
[0012]2.在經預處理的活塞環基體表面製備絕熱塗層；以及
[0013]3.在塗覆了絕熱塗層的活塞環基體表面進行化學鍍，以製備摻雜有氧化鋯納米纖維的耐磨塗層；
[0014]其特徵在於，利用浸潰提拉法製備絕熱塗層，該方法包括如下步驟:
[0015]2.1在浸潰提拉法中所用的氧化鋯溶膠中加入氧化鋯納米空心球；
[0016]2.2將預處理後的活塞環基體完全浸潰到加入了氧化鋯納米空心球的氧化鋯溶膠中；
[0017]2.3塗覆好溶膠後將活塞環基體提拉出溶膠，進行熱處理，再冷卻至室溫。
[0018]在陶瓷絕熱塗層表面製備耐磨塗層不同於在金屬基體表面直接進行化學鍍來製備耐磨塗層，因此在製備耐磨塗層前可對陶瓷絕熱塗層表面進行活化，對塗覆了絕熱塗層的活塞環基體進行活化。進行活化處理後用去離子水將絕熱塗層表面清洗乾淨，防止表面附著不牢固的鈀離子分散在鍍液中，破壞鍍液的穩定性，造成鍍液報廢，使用的活化液為氯化鈀和鹽酸的水溶液，活化液中，氯化鈀濃度為0.1-0.5g/L，鹽酸濃度為40-60mL/L。
[0019]活化方法如下:將氯化鈀溶於去離子水中，加入適量鹽酸，製得氯化鈀濃度為0.1-0.5g/L、鹽酸濃度為40-60mL/L的活化液，將塗覆絕熱塗層後的活塞環基體完全浸潰到活化液中進行活化，10-20min後取出，再用去離子水衝洗。
[0020]製備絕熱塗層時，浸潰提拉、熱處理再冷卻的步驟可重複多次，以製備性能較好的絕熱塗層。本發明給出一種較優的製備絕熱塗層方法:
[0021]將氧化鋯納米空心球加入氧化鋯溶膠中，超聲處理，再將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體固定於提拉機伸縮杆的下端，調節提拉機使活塞環基體完全浸入溶膠中，塗敷好後操縱提拉機以20-50mm/min的速度將活塞環基體向上提拉出溶膠，然後將塗覆好的活塞環基體放入馬弗爐中，400-430°C下熱處理5-7min。冷卻至室溫後，將其從爐中取出，重複上述過程至少三次。
[0022]本發明所用氧化鋯納米空心球可採用如下方法製備
[0023]①碳球溶膠的製備:將葡萄糖溶於蒸餾水中形成濃度為1-1.5mol/L的均勻溶液，隨後將溶液密封在聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在170-180°C下加熱10-12h，將所得產物分別用蒸懼水和無水乙醇過濾洗漆三次，最後將碳球溶膠在80-90°C下乾燥5-6h ；
[0024]②氧化鋯納米空心球的製備:將碳球溶膠與氧氯化鋯溶液混和，氧氯化鋯溶液濃度為0.05-0.06mol/L，碳球溶膠與氧氯化鋯的摩爾比為2_3，將混合物超聲15_20min以獲得穩定的溶膠，在超聲過程中加入PEG-1000，PEG-1000與碳球溶膠的質量比為1-1.5: 10，超聲處理後，將混合物轉移至錐形瓶中，攪拌的同時滴加氨水調節PH至7 ;隨後將所得溶膠超聲處理30-50min，可發現奶油狀Zr (OH) 4溶膠懸浮在上方，而被Zr (OH) 4包覆的碳球沉在錐形瓶底部，經離心後，Zr (OH) 4奶油狀溶膠與被Zr (OH) 4包覆的碳球分離，除去上層溶膠得到C-Zr(OH)4核殼微粒；然後，C-Zr(OH)4核殼微粒分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌三次以除去雜質，在80-90°C下乾燥5-6h，最後在600-630°C下煅燒l_2h以得到ZrO2納米空心球。
[0025]活塞環基體表面的預處理目的為對基體進行去油和除鏽，使基體表面平滑光整，易於塗覆；預處理可包括如下步驟:
[0026]①將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體打磨拋光後放入無水乙醇中超聲清洗，800C -100°C下烘乾 1min。
[0027]②將①中清洗好的活塞環基體通過如下步驟進行預處理:鹼洗(85-90°C，
5-8min)—熱水清洗(70-80°C, 2min)—冷水清洗(室溫，2min)—弱酸活化(稀硫酸活化，2_4s，一般當基體出現均勻細小氣泡即可)一熱水清洗(70-80°C，2min)—冷水清洗(室溫，2min)，其中鹼洗使用的鹼性脫脂溶液的各組分及其含量為:0.25-0.35mol/L Na2CO3,
0.025-0.03mol/LNa3P04.12H20,0.5-lmol/LNaOH，0.0025-0.003mol/L 十二烷基苯磺酸鈉。
[0028]利用浸潰提拉法製備陶瓷絕熱塗層過程中，在製備溶膠過程中加入氧化鋯納米空心球後對其進行超聲處理，使氧化鋯納米空心球在溶膠中分布均勻，進而在塗層中分布均勻；本發明進一步給出適合的溶膠濃度，即氧化鋯溶膠濃度為0.5mol/L-2mol/L0
[0029]本發明進一步給出適合的氧化鋯溶膠中氧化鋯納米空心球的加入量，優選的加入量為0.1-1% (質量百分數)，最優選0.5% (質量百分數)。加入量過少會導致最終塗層中的氧化鋯納米空心球的量太少，使氧化鋯納米空心球的利用率過低，且對塗層絕熱性能的提高不明顯。加入量過多，無法使全部的氧化鋯納米空心球均勻的分布於鍍液中，始終有部分氧化鋯納米空心球以沉澱的形式沉積在容器底部，造成原料的浪費。
[0030]化學鍍時，活塞環基體表面塗覆陶瓷絕熱塗層後的化學鍍步驟中，鍍液中摻雜有氧化鋯納米纖維，將表面塗覆有摻雜氧化鋯納米空心球的氧化鋯陶瓷絕熱塗層的活塞環基體完全浸潰到鍍液中進行化學鍍，並在化學鍍時進行攪拌。
[0031]在鍍液中加入氧化鋯納米纖維後對其進行超聲處理，使氧化鋯納米纖維在鍍液中分布均勻，進而在鍍層中分布均勻。
[0032]本發明進一步給出適合的鍍液中氧化鋯納米纖維的加入量，優選的加入量為
0.5g/L-3.0g/L，最優選0.8g/L。加入量過少會導致最終鍍液中的氧化鋯納米纖維的量太少，使氧化鋯納米纖維的利用率過低，且對鍍層耐磨性能的提高不明顯。加入量過多，無法使全部的氧化鋯納米纖維均勻的分布於鍍液中，始終有部分氧化鋯納米纖維以沉澱的形式沉積在容器底部，造成原料的浪費。
[0033]化學鍍過程中，進行攪拌的目的為排出反應過程中的氫氣；本發明進一步給出適合的攪拌速度，即攪拌轉速為900-1200r/min。
[0034]利用化學鍍製備摻雜有氧化鋯納米纖維耐磨N1-P合金鍍層過程中，例舉一種表面塗覆有摻雜氧化鋯納米空心球的氧化鋯陶瓷絕熱塗層的空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面化學鍍的鍍液為用以鍍覆N1-P合金的鍍液；
[0035]該鍍液中，主鹽硫酸鎳為28_36g/L，還原劑次亞磷酸鈉為24_32g/L，絡合劑乳酸為18-25g/L、絡合劑丙酸為6-10g/L，緩衝劑無水乙酸鈉為15_22g/L，穩定劑硫脲為l_2mg/L，表面活性劑十二烷基硫酸鈉為5-10mg/L。
[0036]上述鍍液製備方法可如下:分別稱量好化學鍍鍍液用的各原料質量，將各原料分別溶解在蒸餾水中，邊溶解邊攪拌，將配製的還原劑溶液在攪拌條件下加入含有主鹽、絡合齊U、緩衝劑、穩定劑及表面活性劑的溶液中，混合後的溶液總體積控制在配製溶液總體積的3/4左右，主鹽硫酸鎳為28-36g/L，還原劑次亞磷酸鈉為24_32g/L，絡合劑乳酸為18_25g/L+丙酸6-10g/L，緩衝劑無水乙酸鈉為15-22g/L，穩定劑硫脲為l_2mg/L，表面活性劑十二烷基硫酸鈉為5-10mg/L，然後用蒸餾水調節溶液到所需體積。再加入氧化鋯納米纖維，使其濃度為0.5g/L-3.0g/L，超聲處理0.5-lh。
[0037]在化學鍍過程中，每隔20_30min滴加氨水以保持pH穩定在4.8-5.4範圍內，鍍液溫度為80-90°C，施鍍時間為l_2h。
[0038]上述方法中，可將施鍍後的表面光滑平整有光澤的鍍件放入電阻爐，在200-400°C溫度條件下保溫1-3小時，再隨爐冷卻，取出鍍件。進行保溫處理可以增加鍍層的硬度，降低鍍層的磨損率，即提高鍍層的耐磨性能。
[0039]本發明所用氧化鋯納米纖維優選採用如下方法製備
[0040]①將10% -16% (質量百分數)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶於無水乙醇，形成澄清透明溶液後，加入與無水乙醇等質量的二甲基亞碸(DMSO)，再加入適量的氧氯化鋯粉體，超聲處理10-20min後，得到了靜電紡絲用的前驅體；
[0041]②將①中的前驅體吸入聚四氟乙烯針管3_5ml，套上金屬針頭，將其固定在靜電紡絲設備上，在環境溫度為15°C _25°C，環境溼度為35% -65%，固化距離為14-19cm，聚四氟乙烯針管和針頭水平橫向傾斜角度為14-16°條件下進行紡絲製備PVP/ZrC102複合纖維，在針頭上加載正極，接收鋁箔作為負極，在15-30kV的電壓下進行靜電紡絲得到原生PVP/ZrClO2 纖維；
[0042]③將原生PVP/ZrC102纖維在管式爐中空氣氣氛下在600°C _800°C進行煅燒處理，保溫l_2h，自然降溫至室溫，得到ZrO2納米纖維。
[0043]本發明的有益效果為:
[0044](I)通過對比活塞環基體與塗覆氧化鋯陶瓷絕熱塗層後的活塞環基體的導熱係數可以發現，導熱係數可由基體的37.16W/(m*K)降低至31.15W/(m.Κ)。為了進一步提高塗層的絕熱性能，利用空心材料保溫絕熱性能好的優點，在氧化鋯陶瓷絕熱塗層中摻雜氧化鋯納米空心球，摻雜後導熱係數進一步降至28.82ff/(m -K)。由此可見在活塞環表面塗覆氧化鋯陶瓷絕熱塗層後可有效降低表面的導熱係數，保護內部免受熱損傷。
[0045]而在空調滾動活塞壓縮機的工作過程中，活塞環與活塞之間的摩擦是不可避免的，而這會引起一系列的問題，最終直接影響活塞環的使用壽命。在活塞環表面塗覆陶瓷絕熱塗層後有效的降低了活塞環表面的導熱係數，但無法明顯提高表面的耐磨性能，隨著工作時間的增長，陶瓷絕熱塗層會被磨損殆盡，無法起到保護活塞環內部的絕熱作用，因此，有必要在陶瓷絕熱塗層表面再利用化學鍍製備耐磨N1-P合金鍍層來提高其耐磨性能。所製備樣品的表面硬度可由基體的238Hv提高至1340HV，摩擦磨損測試在載荷為10N，轉速200r/min,測試時間15min的條件下,測試結果為:磨損率可由基體的1.62Xl(T4g/s降至
1.11X107g/s。
[0046](2)創新性的將氧化鋯納米空心球加入溶膠，利用空心材料保溫絕熱性能好的特點，進一步提高塗層的絕熱性能；創新性的將氧化鋯納米纖維加入鍍液，利用氧化鋯納米纖維對鍍層進行增強增韌，進一步提高鍍層的耐磨性能。
[0047](3)氧化鋯陶瓷/鎳磷合金複合塗層在空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面的成功塗覆，可以有效提高空調滾動活塞壓縮機活塞環表面的耐磨與絕熱性能，為高合金鑄鐵基體工件的性能改善提供了新的思路。
[0048](4)空調滾動活塞壓縮機活塞環表面耐磨性的改善，可有效擴展相同材質工件的應用範圍，延長空調滾動活塞壓縮機活塞環的使用壽命。
[0049](5)該方法提高了資源、能源的有效利用率，而且安全環保無汙染。
[0050]本發明製備方法工藝簡單操作方便而且安全環保，可明顯提高空調滾動活塞壓縮機活塞環的絕熱性與耐磨性，有效地節約成本，提高資源、能源有效利用率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1是實施例2中氧化鋯納米空心球的TEM照片；
[0052]圖2是實施例2中氧化鋯納米纖維的SEM照片；
[0053]圖3是實施例2中不同樣品的導熱係數變化圖；
[0054]圖4為實施例2中不同樣品的磨損率變化圖；
[0055]圖5是實施例2中基體上陶瓷絕熱塗層的SEM照片；
[0056]圖6是實施例2中N1-P合金鍍層表面的SEM照片；
[0057]圖7是實施例2中基體絕熱耐磨複合塗層磨損表面的SM照片；
[0058]圖8是本發明實施例1提供的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環示意圖。
[0059]圖中標號:
[0060]1-活塞環基體；2_氧化鋯納米空心球；3_絕熱塗層；4_耐磨塗層；5_氧化鋯納米纖維。

【具體實施方式】
[0061]採用浸潰提拉和化學鍍方法，以空調滾動活塞壓縮機活塞環基體為試樣，通過表面鹼洗和酸蝕，浸潰提拉法塗覆塗層，模板法合成納米空心球，化學鍍等工藝，發明出一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環及其製備方法。
[0062]下面的實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
[0063]實施例1
[0064]一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環，如圖8所示，在活塞環基體上設置絕熱塗層，在絕熱塗層外設置耐磨塗層，所述絕熱塗層為氧化鋯陶瓷塗層，在所述絕熱塗層中摻雜有氧化鋯納米空心球，所述耐磨塗層為N1-P合金鍍層，在所述耐磨塗層中摻雜有氧化鋯納米纖維。
[0065]上述絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，該方法步驟如下:
[0066](I)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面預處理；
[0067]①將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體打磨拋光後放入無水乙醇中超聲清洗，100°C下烘乾 1min。
[0068]②將①中清洗好的活塞環基體通過如下步驟進行預處理:鹼洗(90°C，5min)—熱水清洗(70°C,2min)—冷水清洗(室溫，2min)—弱酸活化(稀硫酸活化，4s, —般當基體出現均勻細小氣泡即可)一熱水清洗(70°C，2min)—冷水清洗(室溫，2min)，其中，鹼洗使用鹼性脫脂溶液，鹼洗使用的鹼性脫脂溶液的各組分及其含量為:28g/L Na2CO3,8g/LNa3PO4.12H20, 28g/LNa0H, 1.0g/L 十二烷基苯磺酸鈉。
[0069](2)氧化鋯納米空心球的製備
[0070]①碳球溶膠的製備:將0.0Smol葡萄糖溶於80ml蒸餾水中形成均勻溶液，隨後將溶液密封在10ml聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在170°C下加熱10h。將所得產物分別用蒸懼水和無水乙醇過濾洗漆三次。最後將碳球溶膠在60°C下乾燥5h。
[0071]②氧化鋯納米空心球的製備:將0.2g碳球溶膠與200ml 0.05mol/L的氧氯化鋯溶液的混合物超聲1min以獲得穩定的溶膠。在超聲過程中加入0.02gPEG-1000，超聲處理後，將混合物轉移至錐形瓶中，攪拌的同時滴加氨水調節PH至7。隨後將所得溶膠超聲處理
0.5h，可發現奶油狀Zr (OH) 4溶膠懸浮在上方，而被Zr (OH) 4包覆的碳球沉在錐形瓶底部。經離心後，Zr (OH) 4奶油狀溶膠與被Zr (OH) 4包覆的碳球分離，除去上層溶膠得到C-Zr (OH) 4核殼微粒。然後，C-Zr (OH)4核殼微粒分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌三次以除去雜質，在60°C下乾燥5h。最後在600°C下煅燒Ih以得到ZrO2納米空心球。
[0072](3)氧化鋯納米纖維的製備
[0073]①將10% (質量百分數)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶於無水乙醇，形成澄清透明溶液後，加入與無水乙醇等質量的二甲基亞碸(DMSO)，再加入適量的氧氯化鋯粉體，超聲處理1min後，得到了靜電紡絲用的前驅體；
[0074]②將①中的前驅體吸入聚四氟乙烯針管5ml，套上金屬針頭，將其固定在靜電紡絲設備上，在環境溫度為25°C，環境溼度為50%，固化距離為18cm，聚四氟乙烯針管和針頭水平橫向傾斜角度為16°條件下進行紡絲製備？￥?/21"(:102複合纖維，在針頭上加載正極，接收鋁箔作為負極，在20kV的電壓下進行靜電紡絲得到原生PVP/ZrC102纖維；
[0075]③將原生？￥?/21"(:102纖維在管式爐中空氣氣氛下在800°C進行煅燒處理，保溫Ih,自然降溫至室溫，得到ZrO2納米纖維。
[0076](4)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面陶瓷絕熱塗層的塗覆；
[0077]①溶膠的製備:分別稱取8.056g氧氯化鋯和0.766g硝酸釔，一同溶於25ml無水乙醇，在60°C下攪拌Ih。
[0078]②利用浸潰提拉法塗覆陶瓷絕熱塗層:將0.03g氧化鋯納米空心球加入溶膠中，超聲處理0.5h。再將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體固定於提拉機伸縮杆的下端，調節提拉機使活塞環基體完全浸入溶膠中，2min後操縱提拉機以30mm/min的速度將活塞環基體向上提拉出溶膠，然後將塗覆好的活塞環基體放入馬弗爐中，400°C下熱處理7min。冷卻至室溫後，將其從爐中取出，重複上述過程4次。
[0079](5)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體塗覆摻雜有氧化鋯納米空心球的陶瓷絕熱塗層後的化學鍍；
[0080]①分別稱量好各原料質量，具體為:主鹽硫酸鎳14g，還原劑次亞磷酸鈉15g，絡合劑乳酸9g，絡合劑丙酸3g，緩衝劑無水乙酸鈉7.5g，穩定劑硫脲0.5mg，表面活性劑十二烷基硫酸鈉2.5mg。將各原料分別溶解在30ml蒸餾水中，邊溶解邊攪拌，將配製的還原劑溶液在攪拌條件下加入含有主鹽、絡合劑、緩衝劑、穩定劑及表面活性劑的溶液中，混合後的溶液總體積控制在配製溶液總體積(500ml)的3/4左右，然後用蒸餾水調節溶液到所需體積，加入氧化鋯納米纖維，超聲處理0.5h。鍍液中，主鹽硫酸鎳為28g/L，還原劑次亞磷酸鈉為30g/L，絡合劑乳酸為18g/L+丙酸6g/L，緩衝劑無水乙酸鈉為15g/L，穩定劑硫脲為lmg/L，表面活性劑十二烷基硫酸鈉為5mg/L，氧化鋯納米纖維為0.5g/L ；
[0081]②將塗覆摻雜有氧化鋯納米空心球的陶瓷絕熱塗層後的活塞環基體完全浸潰到鍍液中進行化學鍍，並在化學鍍時進行攪拌，攪拌轉速為lOOOr/min，以排出反應過程中產生的氫氣，過程中每隔30min滴加氨水以保持pH穩定在4.8左右，鍍液溫度為90°C，施鍍時間為2h ；
[0082]③將施鍍後的符合要求的鍍件放入電阻爐，在300°C溫度條件下保溫處理2h，隨爐冷卻，取出鍍件。
[0083]經過測試，所製備的樣品表面的陶瓷絕熱塗層的導熱係數由基體的37.16W/(m -K)降低至28.82W/ (m -K)，與此對應的陶瓷絕熱塗層中未添加氧化鋯納米空心球的活塞環的絕熱係數為31.15ff/(m -K)。所製備的樣品的表面硬度由基體的238Hv提高至991HV，摩擦磨損測試在載荷為10N,轉速200r/min,測試時間15min的條件下,測試結果為:磨損率由基體的 1.62 XlO^Vs 降至 2.92Xl(T7g/s。
[0084]實施例2
[0085]一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環，其特徵在於:在活塞環基體上設置絕熱塗層，在絕熱塗層外設置耐磨塗層，所述絕熱塗層為氧化鋯陶瓷塗層，在所述絕熱塗層中摻雜有氧化鋯納米空心球，所述耐磨塗層為N1-P合金鍍層，在所述耐磨塗層中摻雜有氧化鋯納米纖維。
[0086]上述絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，該方法步驟如下:
[0087](I)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面預處理；
[0088]①將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體打磨拋光後放入無水乙醇中超聲清洗，80°C下烘乾1min。
[0089]②將①中清洗好的活塞環基體通過如下步驟進行預處理:鹼洗(90°C，5min)—熱水清洗(80°C,2min)—冷水清洗(室溫，2min)—弱酸活化(稀硫酸活化，4s,—般當基體出現均勻細小氣泡即可)一熱水清洗(80°C,2min)—冷水清洗(室溫，2min),其中,鹼洗使用鹼性脫脂溶液，鹼性脫脂溶液的各組分及其含量為30g/LNa2C03，10g/L Na3PO4.12H20，30g/L NaOH，1.0g/L十二烷基苯磺酸鈉。
[0090](2)氧化鋯納米空心球的製備
[0091]①碳球溶膠的製備:將0.0Smol葡萄糖溶於80ml蒸餾水中形成均勻溶液，隨後將溶液密封在10ml聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在170°C下加熱10h。將所得產物分別蒸餾水和無水乙醇過濾洗滌三次。最後將碳球溶膠在80°C下乾燥5h。
[0092]②氧化鋯納米空心球的製備:將0.3g碳球溶膠與200ml 0.05mol/L的氧氯化鋯溶液的混合物超聲15min以獲得穩定的溶膠。在超聲過程中加入0.03gPEG_1000，超聲處理後，將混合物轉移至錐形瓶中，攪拌的同時滴加氨水調節PH至7。隨後將所得溶膠超聲處理
0.5h，可發現奶油狀Zr (OH) 4溶膠懸浮在上方，而被Zr (OH) 4包覆的碳球沉在錐形瓶底部。經離心後，Zr (OH) 4奶油狀溶膠與被Zr (OH) 4包覆的碳球分離，除去上層溶膠得到C-Zr (OH) 4核殼微粒。然後，C-Zr (OH)4核殼微粒分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌三次以除去雜質，在80°C下乾燥5h。最後在600°C下煅燒Ih以得到ZrO2納米空心球。
[0093](3)氧化鋯納米纖維的製備
[0094]①將10% (質量百分數)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶於無水乙醇，形成澄清透明溶液後，加入與無水乙醇等質量的二甲基亞碸(DMSO)，再加入適量的氧氯化鋯粉體，超聲處理1min後，得到了靜電紡絲用的前驅體；
[0095]②將①中的前驅體吸入聚四氟乙烯針管5ml，套上金屬針頭，將其固定在靜電紡絲設備上，在環境溫度為25°C，環境溼度為50%，固化距離為18cm，聚四氟乙烯針管和針頭水平橫向傾斜角度為16°條件下進行紡絲製備？￥?/21"(:102複合纖維，在針頭上加載正極，接收鋁箔作為負極，在20kV的電壓下進行靜電紡絲得到原生PVP/ZrC102纖維；
[0096]③將原生？￥?/21"(:102纖維在管式爐中空氣氣氛下在800°C進行煅燒處理，保溫Ih,自然降溫至室溫，得到ZrO2納米纖維。
[0097](4)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體表面陶瓷絕熱塗層的塗覆；
[0098]①溶膠的製備:分別稱取8.056g氧氯化鋯和0.766g硝酸釔，一同溶於25ml無水乙醇，在60°C下攪拌2h。
[0099]②利用浸潰提拉法塗覆陶瓷絕熱塗層:將0.15g氧化鋯納米空心球加入溶膠中，超聲處理0.5h。再將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體固定於提拉機伸縮杆的下端，調節提拉機使活塞環基體完全浸入溶膠中，2min後操縱提拉機以20mm/min的速度將活塞環基體向上提拉出溶膠，然後將塗覆好的活塞環基體放入馬弗爐中，430°C下熱處理5min。冷卻至室溫後，將其從爐中取出，重複上述過程4次。
[0100](5)空調滾動活塞壓縮機活塞環基體塗覆了摻雜有氧化鋯納米空心球的絕熱塗層後的表面化學鍍；
[0101]①分別稱量好各原料質量，具體為:主鹽硫酸鎳15g，還原劑次亞磷酸鈉13.5g，絡合劑乳酸1g,絡合劑丙酸5g,緩衝劑無水乙酸鈉1g,穩定劑硫脲0.5mg,表面活性劑十二烷基硫酸鈉2.5mg。將各原料分別溶解在蒸餾水中，邊溶解邊攪拌，將配製的還原劑溶液在攪拌條件下加入含有主鹽、絡合劑、緩衝劑、穩定劑及表面活性劑的溶液中，混合後的溶液總體積控制在配製溶液總體積(約500ml)的3/4左右，然後用蒸餾水調節溶液到所需體積，加入氧化鋯納米纖維，超聲處理0.5h。鍍液中，主鹽硫酸鎳為30g/L，還原劑次亞磷酸鈉為27g/L，絡合劑乳酸為20g/L+丙酸10g/L，緩衝劑無水乙酸鈉為20g/L，穩定劑硫脲為lmg/L，表面活性劑十二烷基硫酸鈉為5mg/L，氧化鋯納米纖維為0.8g/L ；
[0102]②將氯化鈀溶於去離子水中，加入適量鹽酸，製得氯化鈀濃度為0.lg/L、鹽酸濃度為60mL/L的活化液。將塗覆絕熱塗層後的活塞環基體完全浸潰到活化液中進行活化，1min後取出，用去離子水衝洗，以免造成鍍液的報廢；
[0103]③將活化後的表面塗覆有摻雜了氧化鋯納米空心球的陶瓷絕熱塗層的活塞環基體完全浸潰到鍍液中進行化學鍍，並在化學鍍時進行攪拌，攪拌轉速為950r/min，以排出反應過程中產生的氫氣；過程中每隔25min滴加氨水以保持pH穩定在5.1左右，鍍液溫度為88 °C，施鍍時間為2h ；
[0104]④將施鍍後的符合要求的鍍件放入電阻爐，在350°C溫度條件下保溫處理2h，隨爐冷卻，取出鍍件。
[0105]經過測試，所製備的樣品表面的陶瓷絕熱塗層的導熱係數由基體的37.16W/(m.K)降低至27.71ff/(m.K)，與此對應的未添加氧化鋯納米空心球的塗層的導熱係數為30.92ff/(m.K)。所製備的樣的表面硬度由基體的238Hv提高至1340Hv，摩擦磨損測試在載荷為10N,轉速200r/min,測試時間15min的條件下進行,測試結果為:磨損率由基體的
1.62 X 10 4g/s 降至 1.11 X 10 7g/s。
[0106]圖1是實施例2中氧化鋯納米空心球的TEM照片，從圖中可以看出納米空心球的粒徑為10nm左右。圖2是實施例2中氧化鋯納米纖維的SEM照片，從圖中可以看出氧化鋯納米纖維的直徑為10nm左右。圖3是實施例2中不同樣品的導熱係數變化圖，其中I號樣品為CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(導熱係數37.16ff/(m.K)) ;2號樣品為表面塗覆有氧化鋯陶瓷絕熱塗層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(導熱係數30.92ff/(m*K)) ；3號樣品為表面塗覆有摻雜了氧化鋯納米空心球的氧化鋯陶瓷絕熱塗層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(導熱係數27.71ff/(m.K))。圖4為實施例2中不同樣品的磨損率變化圖，其中I號樣品為CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(磨損率1.62X 10 Vs) ；2號樣品為表面塗覆陶瓷絕熱塗層後再鍍覆耐磨N1-P合金鍍層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(磨損率
2.22XlOVs) ；3號樣品為表面塗覆陶瓷絕熱塗層後再鍍覆摻雜氧化鋯納米纖維的耐磨N1-P合金鍍層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(磨損率為1.85X 10Vs) ；4號樣品為表面塗覆摻雜氧化鋯納米空心球的陶瓷絕熱塗層後再鍍覆耐磨N1-P合金鍍層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(磨損率1.33 X 10 Vs) ；5號樣品為表面塗覆摻雜氧化鋯納米空心球的陶瓷絕熱塗層後再鍍覆摻雜了氧化鋯納米纖維的耐磨N1-P合金鍍層的CrMoNi高合金鑄鐵活塞環基體(磨損率1.11 X 10Vs)。圖5是實施例2中陶瓷絕熱塗層表面的SEM照片，從圖中可以看出陶瓷塗層表面均勻、緻密、光滑、無開裂現象。圖6是實施例2中耐磨N1-P合金鍍層表面的SEM照片，從圖中可以看到鍍層表面呈現典型的N1-P合金「菜花頭」組織結構。圖7是實施例2中N1-P合金鍍層磨損表面的SEM照片，從圖中可以看出N1-P合金鍍層磨損表面溝痕比較輕，因為N1-P合金的高硬度可阻止裂紋等引起的磨損表面凹凸不平的大面積破壞，表現出較好的耐磨性。
【權利要求】
1.一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環，其特徵在於:在活塞環基體上設置絕熱塗層，在絕熱塗層外設置耐磨塗層，所述絕熱塗層為氧化鋯陶瓷塗層，在所述絕熱塗層中摻雜有氧化鋯納米空心球，在所述耐磨塗層中摻雜有氧化鋯納米纖維。
2.根據權利要求1所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環，其特徵在於:所述耐磨塗層為N1-P合金鍍層，在N1-P合金鍍層中摻雜氧化鋯納米纖維。
3.一種絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，該方法包括如下步驟: (1).活塞環基體表面的預處理； (2).在經預處理的活塞環基體表面製備絕熱塗層；以及 (3).在塗覆了絕熱塗層的活塞環基體表面進行化學鍍，以製備摻雜有氧化鋯納米纖維的耐磨塗層； 其特徵在於，利用浸潰提拉法製備絕熱塗層，該方法包括如下步驟: (2.1)在浸潰提拉法中所用的氧化鋯溶膠中加入氧化鋯納米空心球； (2.2)將預處理後的活塞環基體完全浸潰到加入了氧化鋯納米空心球的氧化鋯溶膠中； (2.3)塗覆好溶膠後將活塞環基體提拉出溶膠，進行熱處理，再冷卻至室溫。
4.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於:對塗覆了絕熱塗層的活塞環基體進行活化，使用的活化液為氯化鈀和鹽酸的水溶液，將氯化鈀溶於去離子水中，加入適量鹽酸，製得氯化鈀濃度為0.1-0.5g/L、鹽酸濃度為40-60mL/L的活化液，將塗覆絕熱塗層後的活塞環基體完全浸潰到活化液中進行活化，10-20min後取出，再用去離子水衝洗。
5.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於製備絕熱塗層方法如下: 將氧化鋯納米空心球加入氧化鋯溶膠中，超聲處理，再將空調滾動活塞壓縮機活塞環基體固定於提拉機伸縮杆的下端，調節提拉機使活塞環基體完全浸入溶膠中，塗敷好後操縱提拉機以20-50mm/min的速度將活塞環基體向上提拉出溶膠，然後將塗覆好的活塞環基體放入馬弗爐中，400-430°C下熱處理5-7min，冷卻至室溫後，將其從爐中取出，重複上述過程至少三次。
6.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於氧化鋯納米空心球採用如下方法製備: ①碳球溶膠的製備:將葡萄糖溶於蒸餾水中形成濃度為1-1.5mol/L的均勻溶液，隨後將溶液密封在聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在170-180°C下加熱10-12h，將所得產物分別用蒸餾水和無水乙醇過濾洗滌三次，最後將碳球溶膠在80-90°C下乾燥5-6h ； ②氧化鋯納米空心球的製備:將碳球溶膠與氧氯化鋯溶液混和，氧氯化鋯溶液濃度為0.05-0.06mol/L，碳球溶膠與氧氯化鋯的摩爾比為2_3，將混合物超聲15_20min以獲得穩定的溶膠，在超聲過程中加入PEG-1000，PEG-1000與碳球溶膠的質量比為1-1.5: 10，超聲處理後，將混合物轉移至錐形瓶中，攪拌的同時滴加氨水調節PH至7 ;隨後將所得溶膠超聲處理30-50min，可發現奶油狀Zr (OH) 4溶膠懸浮在上方，而被Zr (OH) 4包覆的碳球沉在錐形瓶底部，經離心後，Zr (OH) 4奶油狀溶膠與被Zr (OH) 4包覆的碳球分離，除去上層溶膠得到C-Zr(OH)4核殼微粒；然後，C-Zr(OH)4核殼微粒分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌三次以除去雜質，在80-90°C下乾燥5-6h，最後在600-630°C下煅燒l_2h以得到ZrO2納米空心球。
7.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於:氧化鋯溶膠中氧化鋯納米空心球的加入量為0.1-1% (質量百分數)。
8.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於活塞環基體表面塗覆陶瓷絕熱塗層後的化學鍍步驟中，鍍液中摻雜有氧化鋯納米纖維，將氧化鋯納米纖維加入鍍液中，超聲處理，將表面塗覆有摻雜氧化鋯納米空心球的氧化鋯陶瓷絕熱塗層的活塞環基體完全浸潰到鍍液中進行化學鍍，並在化學鍍時進行攪拌； 化學鍍的鍍液為用以鍍覆N1-P合金的鍍液，在化學鍍過程中，每隔20-30min滴加氨水以保持PH穩定在4.8-5.4範圍內，鍍液溫度為80-90°C，施鍍時間為l_2h，攪拌轉速為900-1200r/min ； 將施鍍後的表面光滑平整有光澤的鍍件放入電阻爐，在200-400°C溫度條件下保溫1-3小時，再隨爐冷卻，取出鍍件。
9.根據權利要求8所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於:化學鍍鍍液中氧化鋯納米纖維的加入量為0.5g/L-3.0g/L。
10.根據權利要求3所述的絕熱耐磨空調滾動活塞壓縮機活塞環的製備方法，其特徵在於氧化鋯納米纖維可採用如下方法製備: ①將10%-16% (質量百分數)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶於無水乙醇，形成澄清透明溶液後，加入與無水乙醇等質量的二甲基亞碸(DMSO)，再加入適量的氧氯化鋯粉體，超聲處理10-20min後，得到了靜電紡絲用的前驅體； ②將①中的前驅體吸入聚四氟乙烯針管3-5ml，套上金屬針頭，將其固定在靜電紡絲設備上，在環境溫度為15°C _25°C，環境溼度為35% -65%，固化距離為14-19cm，聚四氟乙烯針管和針頭水平橫向傾斜角度為14-16°條件下進行紡絲製備？￥?/21"(:102複合纖維，在針頭上加載正極，接收鋁箔作為負極，在15_30kV的電壓下進行靜電紡絲得到原生PVP/ZrC102纖維； ③將原生PVP/ZrC102纖維在管式爐中空氣氣氛下在600°C_800°C進行煅燒處理，保溫l-2h,自然降溫至室溫，得到ZrO2納米纖維。
【文檔編號】F04B39/00GK104148267SQ201410420874
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】梁小平, 毛新鈺, 王瑞雪, 劉凱, 王明霞, 嚴峰 申請人:天津工業大學