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    重庆时时彩005期: 一种三螺杆泵机筒及三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410035446.8

    申请日:

    2014.01.24

    公开号:

    CN103775333A

    公开日:

    2014.05.07

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F04C 15/00申请日:20140124|||公开
    IPC分类号: F04C15/00; C25D11/04; C25D11/18 主分类号: F04C15/00
    申请人: 哈尔滨工业大学
    发明人: 狄士春; 杨俊杰
    地址: 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
    优先权:
    专利代理机构: 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人: 张利明
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410035446.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.02.08|||2014.06.11|||2014.05.07

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种三螺杆泵机筒及三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,属于材料表面改性技术领域。本发明是为了解决现有三螺杆泵橡胶衬套对温度敏感度高、容易老化且具有各向异性的问题。本发明所述的一种三螺杆泵机筒,该泵机筒的内壁镀有一层陶瓷膜,该陶瓷膜的硬度在800HV以上,膜层厚度大于50μm,该陶瓷膜具有高精度、高耐磨度、对温度变化不敏感且不易与酸碱介质发生化学反应的特性。本发明所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,首先利用脉冲电源对填充有碱性工作液的泵机筒通电,使泵机筒内壁在电化学反应下生成Al2O3薄膜,然后再利用激光器对生成的薄膜表面进行扫描,使薄膜表面平整。本发明适用于泵机筒表面进行陶瓷化加工。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种三螺杆泵机筒,其特征在于,该泵机筒的内壁镀有一层陶瓷膜,该层陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50μm至70μm之间,硬度在800HV。

    2.  一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
    步骤一:对泵机筒(1)的内表面进行陶瓷膜层制备,具体过程为:
    利用端盖(7)将待处理泵机筒(1)的一端密封,并向泵机筒(1)的腔内充入碱性工作液;
    将三个体积不同的碳棒(2)均浸入泵机筒(1)腔内的碱性工作液中,且保持三个体积不同的碳棒(2)不与泵机筒(1)的内壁接触;
    利用直流脉冲电源(3)在三个体积不同的碳棒(2)与泵机筒(1)的外壁之间施加直流脉冲;
    同时利用碱性工作液循环泵(4)通过循环入口管(5)和循环出口管(6)对泵机筒(1)内的碱性工作液进行循环冷却,保证碱性工作液的温度不高于40℃;
    当泵机筒(1)的内表面产生的膜层厚度达到所设定电压所能击穿的最大厚度时,执行步骤二;
    步骤二:对上述陶瓷膜层制备后的泵机筒(1)进行相变硬化处理,具体过程为:将步骤一陶瓷膜层制备后的泵机筒(1)的端盖(7)拆卸下来,并固定在激光器工作台上;
    调节激光器的激光头,使激光器发射出来的激光入射到泵机筒(1)的内壁上;
    使激光由泵机筒(1)的一端向另一端,呈螺旋式的路径对泵机筒(1)的内壁进行扫描,当泵机筒(1)的内壁全部扫描完成时,获得处理后的泵机筒(1);
    所述激光沿周向扫描的方向为逆时针方向,周向扫描速度在1mm/s至40mm/s之间;
    所述激光沿轴向扫描的速度在0.2mm/s至10mm/s之间。

    3.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,在步骤一之前,首先对泵机筒(1)进行清洗,具体方法包括以下步骤:
    步骤一一:将泵机筒(1)浸入清水中,利用清水清洗泵机筒(1)的内壁1min至3min,然后将泵机筒(1)烘干;
    步骤一二:将步骤一一清洗后的泵机筒(1)浸入丙酮或无水乙醇中,静置3min至5min,然后将泵机筒(1)烘干,获得清洗后的泵机筒(1)。

    4.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,步骤一所述碱性工作液的溶质包括:KOH和NaSiO3,其中KOH的浓度为2g/L至4g/L,NaSiO3的浓度为10g/L至15g/L。

    5.  根据权利要求4所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,所述碱性工作液的溶质还包括BN粉末,BN粉末的浓度为4g/L至6g/L。

    6.  根据权利要求5所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,所述BN粉末的颗粒大小为9μm至11μm。

    7.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,步骤一所述利用直流脉冲电源(3)在三个体积不同的碳棒(2)与泵机筒(1)的外壁之间施加的直流脉冲的一个周期过程为:
    在时刻t0,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    在时刻t1,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    依此类推,
    在时刻ti,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源(3)输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    其中,Tz在0.01s至0.08s之间,且Tz=Tf,Vz在500V至700V之间,Vf在-150V至-30V之间,脉冲频率在20Hz至150Hz之间,一个周期为40min至90min。

    8.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,所述泵机筒(1)的材料为高硅铸铝合金。

    9.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,步骤二中所述激光器为CO2激光器或半导体激光器。

    10.  根据权利要求2所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,其特征在于,所述激光器的功率在10W至500W之间,激光器的辐射能量在1J至15J之间,激光形成的光斑尺寸在1mm2至5mm2之间。

    说明书

    说明书一种三螺杆泵机筒及三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法
    技术领域
    本发明属于材料表面改性技术领域。
    背景技术
    三螺杆泵作为最常用的泵种之一,广泛应用于石油、机械、冶金等诸多领域。三螺杆泵在工作过程中,通过主螺杆与从动螺杆上螺纹槽相互啮合以及它们与衬套内表面的配合,在泵的进口与出口之间形成多级密封室,并由这些连续的密封室将液体从泵的进口输送到出口,从而形成一个连续、平稳、轴向移动的压力液体。三螺杆泵的中间主动螺杆,通过原动机驱动回转,转速约为1450~2900r/min。螺杆衬套是三螺杆泵的重要组成部件,其承受着传输介质所产生的流体压力、螺杆对其的机械作用力以及工作过程中由摩擦所产生的热作用力。此外,由于螺杆泵所传输的介质的种类不同,有时介质的润滑性较差或者含有微量杂质。这些因素都会导致衬套发生一定程度的变形,当衬套变形达到一定程度时,其与螺杆间的磨损将会加剧,严重时甚至会出现“卡死”现象,这些都影响泵的工作效率和使用寿命。
    目前,市面上的三螺杆泵衬套多选用的是耐油橡胶材料(如丁腈橡胶、丁苯橡胶等)。虽然橡胶作为是一种高弹性的高分子材料具有金属材料和其它高分子材料所不具备的优良性能(如耐磨性和耐油性等),但其对温度的高敏感性以及自身易老化和材料在力学方面上的各向异性等特性,严重地限制了橡胶材料的应用,同时也成为导致三螺杆泵失效的主要因素。
    发明内容
    本发明是为了解决现有三螺杆泵橡胶衬套对温度敏感度高、容易老化且具有各向异性的问题,现提供一种三螺杆泵机筒及三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法。
    一种三螺杆泵机筒,该泵机筒的内壁镀有一层陶瓷膜,该层陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50μm至70μm之间,硬度在800HV。
    一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,该方法包括以下步骤:
    步骤一:对泵机筒的内表面进行陶瓷膜层制备,具体过程为:
    利用端盖将待处理泵机筒的一端密封,并向泵机筒的腔内充入碱性工作液;
    将三个体积不同的碳棒均浸入泵机筒腔内的碱性工作液中,且保持三个体积不同的碳棒不与泵机筒的内壁接触;
    利用直流脉冲电源在三个体积不同的碳棒与泵机筒的外壁之间施加直流脉冲;
    同时利用碱性工作液循环泵通过循环入口管和循环出口管对泵机筒内的碱性工作液进行循环冷却,保证碱性工作液的温度不高于40℃;
    当泵机筒的内表面产生的膜层厚度达到所设定电压所能击穿的最大厚度时,执行步骤二;
    步骤二:对上述陶瓷膜层制备后的泵机筒进行相变硬化处理,具体过程为:将步骤一陶瓷膜层制备后的泵机筒的端盖拆卸下来,并固定在激光器工作台上;
    调节激光器的激光头,使激光器发射出来的激光入射到泵机筒的内壁上;
    使激光由泵机筒的一端向另一端,呈螺旋式的路径对泵机筒的内壁进行扫描,当泵机筒的内壁全部扫描完成时,获得处理后的泵机筒;
    所述激光沿周向扫描的方向为逆时针方向,周向扫描速度在1mm/s至40mm/s之间;
    所述激光沿轴向扫描的速度在0.2mm/s至10mm/s之间。
    上述步骤一之前,首先对泵机筒进行清洗,具体方法包括以下步骤:
    步骤一一:将泵机筒浸入清水中,利用清水清洗泵机筒的内壁1min至3min,然后将泵机筒烘干;
    步骤一二:将步骤一一清洗后的泵机筒浸入丙酮或无水乙醇中,静置3min至5min,然后将泵机筒烘干,获得清洗后的泵机筒。
    上述步骤一所述碱性工作液的溶质包括:KOH和NaSiO3,其中KOH的浓度为2g/L至4g/L,NaSiO3的浓度为10g/L至15g/L。
    上述碱性工作液的溶质还包括BN粉末,BN粉末的浓度为4g/L至6g/L。
    上述BN粉末的颗粒大小为9μm至11μm。
    步骤一所述利用直流脉冲电源在三个体积不同的碳棒与泵机筒的外壁之间施加的直流脉冲的一个周期过程为:
    在时刻t0,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    在时刻t1,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    依此类推,
    在时刻ti,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    其中,Tz在0.01s至0.08s之间,且Tz=Tf,Vz在500V至700V之间,Vf在-150V至-30V之间,脉冲频率在20Hz至150Hz之间,一个周期为40min至90min。
    本发明所述的一种三螺杆泵机筒,该泵机筒的内壁镀有一层陶瓷膜,该陶瓷膜的硬度在800HV以上,膜层厚度大于50μm,该陶瓷膜具有高精度、高耐磨度、对温度变化不敏感且不易与酸碱介质发生化学反应的特性,能够替代原有橡胶衬套,同时该陶瓷膜与泵体孔壁的附着性能良好,二者并无明显分离界限。本发明所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,首先利用脉冲电源对填充有碱性工作液的泵机筒通电,使泵机筒内壁在电化学反应下生成Al2O3薄膜,然后再利用激光器对生成的薄膜表面进行扫描,使薄膜表面平整,且硬度在800HV以上,提高了8至10倍以上,膜层厚度大于50μm。
    利用本发明所述的方法制备的陶瓷膜层还能够对存在微裂纹、微孔洞的旧泵体进行修复,在一定程度上延长设备的服役时间。复合工艺的加工效率高,且废品率低。
    本发明所述的一种三螺杆泵机筒及三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,适用于泵机筒表面进行陶瓷化加工。
    附图说明
    图1是本发明所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法的流程图;
    图2是具体实施方式一所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,步骤一所采用的处理装置的结构示意图;
    图3是具体实施方式一所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,步骤二中激光沿泵机筒周向扫描的路径示意图;
    图4是具体实施方式一所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,步骤二中激光沿泵机筒轴向扫描的路径示意图;
    图5是直流脉冲电源的脉冲波形图。
    具体实施方式
    具体实施方式一:本实施方式所述的一种三螺杆泵机筒,该泵机筒的内壁镀有一层陶瓷膜,该层陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50μm至70μm之间,硬度在800HV。
    具体实施方式二:参照图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式,本实施方式所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法,该方法包括以下步骤:
    步骤一:对泵机筒1的内表面进行陶瓷膜层制备,具体过程为:
    利用端盖7将待处理泵机筒1的一端密封,并向泵机筒1的腔内充入碱性工作液;
    将三个体积不同的碳棒2均浸入泵机筒1腔内的碱性工作液中,且保持三个体积不同 的碳棒2不与泵机筒1的内壁接触;
    利用直流脉冲电源3在三个体积不同的碳棒2与泵机筒1的外壁之间施加直流脉冲;
    同时利用碱性工作液循环泵4通过循环入口管5和循环出口管6对泵机筒1内的碱性工作液进行循环冷却,保证碱性工作液的温度不高于40℃;
    当泵机筒1的内表面产生的膜层厚度达到所设定电压所能击穿的最大厚度时,执行步骤二;
    步骤二:对上述陶瓷膜层制备后的泵机筒1进行相变硬化处理,具体过程为:将步骤一陶瓷膜层制备后的泵机筒1的端盖7拆卸下来,并固定在激光器工作台上;
    调节激光器的激光头,使激光器发射出来的激光入射到泵机筒1的内壁上;
    使激光由泵机筒1的一端向另一端,呈螺旋式的路径对泵机筒1的内壁进行扫描,当泵机筒1的内壁全部扫描完成时,获得处理后的泵机筒1;
    所述激光沿周向扫描的方向为逆时针方向,周向扫描速度在1mm/s至40mm/s之间;
    所述激光沿轴向扫描的速度在0.2mm/s至10mm/s之间。
    本实施方式中,所述三个体积不同的碳棒2均采用抗氧化涂层石墨电极,电极直径的选择需根据泵体机筒直径的尺寸所确定,由于电极直径越大,反应速率越快,表面陶瓷越粗糙,反应过程就越难以得到控制,因此一般情况下,选用石墨电极的直径较与其相对应的机筒直径小约25~40%。
    本实施方式中,借助铝合金材料的阀金属特性,并在碱性溶液环境下对泵机筒1施加直流非对称脉冲电压,使泵机筒1表面在化学、电化学反应的共同作用下原位生成一层主要成分为Al2O3的薄膜。当膜层厚度达到一定阀值时,在膜层上一些薄弱位置处最先发生电压击穿,并产生等离子体放电现象,在此过程中,膜层厚度连续均匀增加,当膜层厚度达到所设定电压所能击穿的最大厚度时,停止施加电压。在整个等离子放电过程中,Al2O3晶相由低硬度晶相向高硬度晶相逐步转变,且氧化膜层的表面呈现多孔结构,孔径尺寸在数微米左右。
    然后借助激光直接作用在泵机筒1内壁生成的薄膜材料表面,激光对材料表面所产生热作用和力作用,使薄膜层表面的成分发生相变,进而达到对表面的平整和硬化处理。通过激光相变硬化处理的表面,不仅材料硬度有明显提升,而且零件的疲劳寿命也有明显的改善。
    具体实施方式三:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,在步骤一之前,首先对泵机筒1进行清洗, 具体方法包括以下步骤:
    步骤一一:将泵机筒1浸入清水中,利用清水清洗泵机筒1的内壁1min至3min,然后将泵机筒1烘干;
    步骤一二:将步骤一一清洗后的泵机筒1浸入丙酮或无水乙醇中,静置3min至5min,然后将泵机筒1烘干,获得清洗后的泵机筒1。
    具体实施方式四:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,步骤一所述碱性工作液的溶质包括:KOH和NaSiO3,其中KOH的浓度为2g/L至4g/L,NaSiO3的浓度为10g/L至15g/L。
    具体实施方式五:本实施方式是对具体实施方式四所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,所述碱性工作液的溶质还包括BN粉末,BN粉末的浓度为4g/L至6g/L。
    本实施方式中BN粉末的浓度优选5g/L。
    具体实施方式六:本实施方式是对具体实施方式五所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,所述BN粉末的颗粒大小为9μm至11μm。
    本实施方式中所述BN粉末的颗粒优选10μm。
    具体实施方式七:参照图5具体说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,步骤一所述利用直流脉冲电源3在三个体积不同的碳棒2与泵机筒1的外壁之间施加的直流脉冲的一个周期过程为:
    在时刻t0,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    在时刻t1,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    依此类推,
    在时刻ti,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tz、幅值为Vz的正向脉冲,在该正向脉冲的结束时刻,直流脉冲电源3输出一个宽度为Tf、幅值为Vf的负向脉冲;
    其中,Tz在0.01s至0.08s之间,且Tz=Tf,Vz在500V至700V之间,Vf在-150V至-30V之间,脉冲频率在20Hz至150Hz之间,一个周期为40min至90min。
    具体实施方式八:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,所述泵机筒1的材料为高硅铸铝合金。
    具体实施方式九:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,步骤二中所述激光器为CO2激光器或半导体激光器。
    具体实施方式十:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,所述激光器的功率在10W至500W之间。
    具体实施方式十一:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,激光器的辐射能量在1J至15J之间。
    具体实施方式十二:本实施方式是对具体实施方式二所述的一种三螺杆泵机筒内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明,本实施方式中,激光形成的光斑尺寸在1mm2至5mm2之间。
    采用下述试验来验证本发明的效果:
    试验一:
    用清水对泵机筒的腔体进行清洗,清洗完成后将腔体内的清洗溶液到处并进行干燥处理使残留在腔体内的水分充分蒸发。待到腔体完全干燥后,向其充入丙酮或无水乙醇,并清洗腔体3min;在清洁玻璃容器内配置碱性工作液,其中KOH浓度为2g/L,Na2SiO3浓度为10g/L,去离子水体积为1L,碱性工作液的温度在18℃~22℃之间。
    泵机筒接脉冲电源正极,碳棒接电源负极,电源频率为150Hz,占空比为40%,正向电压值420V,负向电压值为-60V,制备时间为60min。试验结束后,断开电源,使用去离子水对长膜后腔体进行冲洗,随后将泵体置于干燥内进行干燥处理。经30min干燥处理后,即得到金属氧化物膜层。
    设定CO2激光器激光头沿孔轴线垂直方向上的扫描速度为13mm/s,沿孔轴线方向上的速度为1mm/s,相邻光路的重叠率为20%,功率为130W,辐射能量为3J,光斑尺寸为2mm2。
    经检测,所制备出的Al2O3膜层厚度0.2μm,膜层的硬度为900HV,且膜层表面均匀,无微裂纹或微孔洞存在。表现出优异的耐磨性能和疲劳性能。
    试验二:
    用清水对泵机筒的腔体进行清洗,清洗完成后将腔体内的清洗溶液到处并进行干燥处理使残留在腔体内的水分充分蒸发。待到腔体完全干燥后,向其充入丙酮或无水乙醇,并清洗腔体3min;在清洁玻璃容器内配置碱性工作液,其中KOH浓度为2g/L,Na2SiO3浓度为10g/L,去离子水体积为1L,碱性工作液的温度在18℃~22℃之间。
    泵机筒接脉冲电源正极,碳棒接电源负极,电源频率为150Hz,占空比为40%,正向电压值420V,负向电压值为-60V,制备时间为60min。试验结束后,断开电源,使用去离子水对长膜后腔体进行冲洗,随后将泵体置于干燥内进行干燥处理。经30min干燥处理后,即得到本发明具体实施方式步骤一中所述的具有金属氧化物膜层。
    设定CO2激光器激光头沿孔轴线垂直方向上的扫描速度为20mm/s,沿孔轴线方向上的速度为1mm/s,相邻光路的重叠率为10%,功率为100W,辐射能量为2J,光斑尺寸为5mm2。

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