一種三螺桿泵機筒及三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法
【專利摘要】一種三螺桿泵機筒及三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，屬于材料表面改性【技術領域】。本發明是為了解決現有三螺桿泵橡膠襯套對溫度敏感度高、容易老化且具有各向異性的問題。本發明所述的一種三螺桿泵機筒，該泵機筒的內壁鍍有一層陶瓷膜，該陶瓷膜的硬度在800HV以上，膜層厚度大于50μm，該陶瓷膜具有高精度、高耐磨度、對溫度變化不敏感且不易與酸堿介質發生化學反應的特性。本發明所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，首先利用脈沖電源對填充有堿性工作液的泵機筒通電，使泵機筒內壁在電化學反應下生成Al2O3薄膜，然后再利用激光器對生成的薄膜表面進行掃描，使薄膜表面平整。本發明適用于泵機筒表面進行陶瓷化加工。
【專利說明】一種三螺桿泵機筒及三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料表面改性【技術領域】。
【背景技術】
[0002]三螺桿泵作為最常用的泵種之一，廣泛應用于石油、機械、冶金等諸多領域。三螺桿泵在工作過程中，通過主螺桿與從動螺桿上螺紋槽相互嚙合以及它們與襯套內表面的配合，在泵的進口與出口之間形成多級密封室，并由這些連續的密封室將液體從泵的進口輸送到出口，從而形成一個連續、平穩、軸向移動的壓力液體。三螺桿泵的中間主動螺桿，通過原動機驅動回轉，轉速約為1450?2900r/min。螺桿襯套是三螺桿泵的重要組成部件，其承受著傳輸介質所產生的流體壓力、螺桿對其的機械作用力以及工作過程中由摩擦所產生的熱作用力。此外，由于螺桿泵所傳輸的介質的種類不同，有時介質的潤滑性較差或者含有微量雜質。這些因素都會導致襯套發生一定程度的變形，當襯套變形達到一定程度時，其與螺桿間的磨損將會加劇，嚴重時甚至會出現“卡死”現象，這些都影響泵的工作效率和使用壽命O
[0003]目前，市面上的三螺桿泵襯套多選用的是耐油橡膠材料(如丁腈橡膠、丁苯橡膠等)。雖然橡膠作為是一種高彈性的高分子材料具有金屬材料和其它高分子材料所不具備的優良性能(如耐磨性和耐油性等)，但其對溫度的高敏感性以及自身易老化和材料在力學方面上的各向異性等特性，嚴重地限制了橡膠材料的應用，同時也成為導致三螺桿泵失效的主要因素。
【發明內容】
[0004]本發明是為了解決現有三螺桿泵橡膠襯套對溫度敏感度高、容易老化且具有各向異性的問題，現提供一種三螺桿泵機筒及三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法。
[0005]一種三螺桿泵機筒，該泵機筒的內壁鍍有一層陶瓷膜，該層陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50 μ m至70 μ m之間，硬度在800HV。
[0006]一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟一:對泵機筒的內表面進行陶瓷膜層制備，具體過程為:
[0008]利用端蓋將待處理泵機筒的一端密封，并向泵機筒的腔內充入堿性工作液；
[0009]將三個體積不同的碳棒均浸入泵機筒腔內的堿性工作液中，且保持三個體積不同的碳棒不與泵機筒的內壁接觸；
[0010]利用直流脈沖電源在三個體積不同的碳棒與泵機筒的外壁之間施加直流脈沖；
[0011]同時利用堿性工作液循環泵通過循環入口管和循環出口管對泵機筒內的堿性工作液進行循環冷卻，保證堿性工作液的溫度不高于40°c ；
[0012]當泵機筒的內表面產生的膜層厚度達到所設定電壓所能擊穿的最大厚度時，執行
步驟二；[0013]步驟二:對上述陶瓷膜層制備后的泵機筒進行相變硬化處理，具體過程為:將步驟一陶瓷膜層制備后的泵機筒的端蓋拆卸下來，并固定在激光器工作臺上；
[0014]調節激光器的激光頭，使激光器發射出來的激光入射到泵機筒的內壁上；
[0015]使激光由泵機筒的一端向另一端，呈螺旋式的路徑對泵機筒的內壁進行掃描，當泵機筒的內壁全部掃描完成時，獲得處理后的泵機筒；
[0016]所述激光沿周向掃描的方向為逆時針方向，周向掃描速度在lmm/s至40mm/s之間；
[0017]所述激光沿軸向掃描的速度在0.2mm/s至10mm/s之間。
[0018]上述步驟一之前，首先對泵機筒進行清洗，具體方法包括以下步驟:
[0019]步驟一一:將泵機筒浸入清水中，利用清水清洗泵機筒的內壁Imin至3min，然后將泵機筒烘干；
[0020]步驟一二:將步驟--清洗后的泵機筒浸入丙酮或無水乙醇中，靜置3min至
5min，然后將泵機筒烘干，獲得清洗后的泵機筒。
[0021]上述步驟一所述堿性工作液的溶質包括:Κ0Η和NaSiO3，其中KOH的濃度為2g/L至4g/L, NaSiO3 的濃度為 10g/L 至 15g/L。
[0022]上述堿性工作液的溶質還包括BN粉末，BN粉末的濃度為4g/L至6g/L。
[0023]上述BN粉末的顆粒大小為9 μ m至11 μ m。
[0024]步驟一所述利用直流脈沖電源在三個體積不同的碳棒與泵機筒的外壁之間施加的直流脈沖的一個周期過程為:
[0025]在時刻t0，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；
[0026]在時刻tl，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；
[0027]依此類推，
[0028]在時刻ti，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；
[0029]其中，Tz在 0.01s 至 0.08s 之間，且 Tz=Tf, Vz 在 500V 至 700V 之間，Vf 在-150V至-30V之間，脈沖頻率在20Hz至150Hz之間，一個周期為40min至90min。
[0030]本發明所述的一種三螺桿泵機筒，該泵機筒的內壁鍍有一層陶瓷膜，該陶瓷膜的硬度在800HV以上，膜層厚度大于50 μ m，該陶瓷膜具有高精度、高耐磨度、對溫度變化不敏感且不易與酸堿介質發生化學反應的特性，能夠替代原有橡膠襯套，同時該陶瓷膜與泵體孔壁的附著性能良好，二者并無明顯分離界限。本發明所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，首先利用脈沖電源對填充有堿性工作液的泵機筒通電，使泵機筒內壁在電化學反應下生成Al2O3薄膜，然后再利用激光器對生成的薄膜表面進行掃描，使薄膜表面平整，且硬度在800HV以上，提高了 8至10倍以上，膜層厚度大于50 μ m。
[0031]利用本發明所述的方法制備的陶瓷膜層`還能夠對存在微裂紋、微孔洞的舊泵體進行修復，在一定程度上延長設備的服役時間。復合工藝的加工效率高，且廢品率低。
[0032]本發明所述的一種三螺桿泵機筒及三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，適用于泵機筒表面進行陶瓷化加工。【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法的流程圖；
[0034]圖2是【具體實施方式】一所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，步驟一所采用的處理裝置的結構示意圖；
[0035]圖3是【具體實施方式】一所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，步驟二中激光沿泵機筒周向掃描的路徑示意圖；
[0036]圖4是【具體實施方式】一所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，步驟二中激光沿泵機筒軸向掃描的路徑示意圖；
[0037]圖5是直流脈沖電源的脈沖波形圖。
【具體實施方式】
[0038]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種三螺桿泵機筒，該泵機筒的內壁鍍有一層陶瓷膜，該層陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50 μ m至70 μ m之間，硬度在800HV。
[0039]【具體實施方式】二:參照圖1、圖2、圖3和圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，該方法包括以下步驟:
[0040]步驟一:對泵機筒I的內表面進行陶瓷膜層制備，具體過程為:
[0041]利用端蓋7將待處理泵機筒I的一端密封，并向泵機筒I的腔內充入堿性工作液；
[0042]將三個體積不同的碳棒2均浸入泵機筒I腔內的堿性工作液中，且保持三個體積不同的碳棒2不與泵機筒I的內壁接觸；
[0043]利用直流脈沖電源3在三個體積不同的碳棒2與泵機筒I的外壁之間施加直流脈沖；
[0044]同時利用堿性工作液循環泵4通過循環入口管5和循環出口管6對泵機筒I內的堿性工作液進行循環冷卻，保證堿性工作液的溫度不高于40°C ；
[0045]當泵機筒I的內表面產生的膜層厚度達到所設定電壓所能擊穿的最大厚度時，執行步驟二 ；
[0046]步驟二:對上述陶瓷膜層制備后的泵機筒I進行相變硬化處理，具體過程為:將步驟一陶瓷膜層制備后的泵機筒I的端蓋7拆卸下來，并固定在激光器工作臺上；
[0047]調節激光器的激光頭，使激光器發射出來的激光入射到泵機筒I的內壁上；
[0048]使激光由泵機筒I的一端向另一端，呈螺旋式的路徑對泵機筒I的內壁進行掃描，當泵機筒I的內壁全部掃描完成時，獲得處理后的泵機筒I;
[0049]所述激光沿周向掃描的方向為逆時針方向，周向掃描速度在lmm/s至40mm/s之間；
[0050]所述激光沿軸向掃描的速度在0.2mm/s至IOmm/s之間。
[0051]本實施方式中，所述三個體積不同的碳棒2均采用抗氧化涂層石墨電極，電極直徑的選擇需根據泵體機筒直徑的尺寸所確定，由于電極直徑越大，反應速率越快，表面陶瓷越粗糙，反應過程就越難以得到控制，因此一般情況下，選用石墨電極的直徑較與其相對應的機筒直徑小約25?40%。
[0052]本實施方式中，借助鋁合金材料的閥金屬特性，并在堿性溶液環境下對泵機筒I施加直流非對稱脈沖電壓，使泵機筒I表面在化學、電化學反應的共同作用下原位生成一層主要成分為Al2O3的薄膜。當膜層厚度達到一定閥值時，在膜層上一些薄弱位置處最先發生電壓擊穿，并產生等離子體放電現象，在此過程中，膜層厚度連續均勻增加，當膜層厚度達到所設定電壓所能擊穿的最大厚度時，停止施加電壓。在整個等離子放電過程中，Al2O3晶相由低硬度晶相向高硬度晶相逐步轉變，且氧化膜層的表面呈現多孔結構，孔徑尺寸在數微米左右。
[0053]然后借助激光直接作用在泵機筒I內壁生成的薄膜材料表面，激光對材料表面所產生熱作用和力作用，使薄膜層表面的成分發生相變，進而達到對表面的平整和硬化處理。通過激光相變硬化處理的表面，不僅材料硬度有明顯提升，而且零件的疲勞壽命也有明顯的改善。
[0054]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，在步驟一之前，首先對泵機筒I進行清洗，具體方法包括以下步驟:
[0055]步驟--:將泵機筒I浸入清水中，利用清水清洗泵機筒I的內壁Imin至3min,
然后將泵機筒I烘干；
[0056]步驟一二:將步驟--清洗后的泵機筒I浸入丙酮或無水乙醇中，靜置3min至
5min，然后將泵機筒I烘干，獲得清洗后的泵機筒I。
[0057]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的 方法作進一步說明，本實施方式中，步驟一所述堿性工作液的溶質包括:KOH和NaSiO3，其中KOH的濃度為2g/L至4g/L，NaSiO3的濃度為10g/L至15g/L。
[0058]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】四所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，所述堿性工作液的溶質還包括BN粉末，BN粉末的濃度為4g/L至6g/L。
[0059]本實施方式中BN粉末的濃度優選5g/L。
[0060]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】五所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，所述BN粉末的顆粒大小為9 μ m至11 μ m0
[0061]本實施方式中所述BN粉末的顆粒優選10 μ m。
[0062]【具體實施方式】七:參照圖5具體說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，步驟一所述利用直流脈沖電源3在三個體積不同的碳棒2與泵機筒I的外壁之間施加的直流脈沖的一個周期過程為:
[0063]在時刻t0，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；
[0064]在時刻tl，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；
[0065]依此類推，
[0066]在時刻ti，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源3輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；[0067]其中，Tz在 0.01s 至 0.08s 之間，且 Tz=Tf, Vz 在 500V 至 700V 之間，Vf 在-150V至-30V之間，脈沖頻率在20Hz至150Hz之間，一個周期為40min至90min。
[0068]【具體實施方式】八:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，所述泵機筒I的材料為高硅鑄鋁合金。
[0069]【具體實施方式】九:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，步驟二中所述激光器為CO2激光器或半導體激光器。
[0070]【具體實施方式】十:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，所述激光器的功率在IOW至500W之間。
[0071]【具體實施方式】^:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，激光器的輻射能量在U至15J之間。
[0072]【具體實施方式】十二:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法作進一步說明，本實施方式中，激光形成的光斑尺寸在Imm2至5mm2之間。
[0073]采用下述試驗來驗證本發明的效果: [0074]試驗一:
[0075]用清水對泵機筒的腔體進行清洗，清洗完成后將腔體內的清洗溶液到處并進行干燥處理使殘留在腔體內的水分充分蒸發。待到腔體完全干燥后，向其充入丙酮或無水乙醇，并清洗腔體3min ;在清潔玻璃容器內配置堿性工作液，其中KOH濃度為2g/L，Na2SiO3濃度為10g/L，去離子水體積為1L，堿性工作液的溫度在18°C~22°C之間。
[0076]泵機筒接脈沖電源正極，碳棒接電源負極，電源頻率為150Hz，占空比為40%，正向電壓值420V,負向電壓值為-60V,制備時間為60min。試驗結束后，斷開電源,使用去離子水對長膜后腔體進行沖洗，隨后將泵體置于干燥內進行干燥處理。經30min干燥處理后，即得到金屬氧化物膜層。
[0077]設定C02激光器激光頭沿孔軸線垂直方向上的掃描速度為13mm/s，沿孔軸線方向上的速度為lmm/s，相鄰光路的重疊率為20%，功率為130W，輻射能量為3J，光斑尺寸為2mm2 ο
[0078]經檢測，所制備出的Al2O3膜層厚度0.2 μ m，膜層的硬度為900HV，且膜層表面均勻，無微裂紋或微孔洞存在。表現出優異的耐磨性能和疲勞性能。
[0079]試驗二:
[0080]用清水對泵機筒的腔體進行清洗,清洗完成后將腔體內的清洗溶液到處并進行干燥處理使殘留在腔體內的水分充分蒸發。待到腔體完全干燥后，向其充入丙酮或無水乙醇，并清洗腔體3min ;在清潔玻璃容器內配置堿性工作液，其中KOH濃度為2g/L，Na2SiO3濃度為10g/L，去離子水體積為1L，堿性工作液的溫度在18°C~22°C之間。
[0081]泵機筒接脈沖電源正極，碳棒接電源負極，電源頻率為150Hz，占空比為40%，正向電壓值420V,負向電壓值為-60V,制備時間為60min。試驗結束后，斷開電源,使用去離子水對長膜后腔體進行沖洗，隨后將泵體置于干燥內進行干燥處理。經30min干燥處理后，即得到本發明【具體實施方式】步驟一中所述的具有金屬氧化物膜層。
[0082]設定C02激光器激光頭沿孔軸線垂直方向上的掃描速度為20mm/s，沿孔軸線方向上的速度為lmm/s，相鄰光路的重疊率為10%，功率為100W，輻射能量為2J，光斑尺寸為5mm2。
【權利要求】
1.一種三螺桿泵機筒，其特征在于，該泵機筒的內壁鍍有一層陶瓷膜，該層陶瓷膜包括90%至95%的Al2O3,厚度在50 μ m至70 μ m之間，硬度在800HV。
2.一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一:對泵機筒(I)的內表面進行陶瓷膜層制備，具體過程為: 利用端蓋(7)將待處理泵機筒(I)的一端密封，并向泵機筒(I)的腔內充入堿性工作液； 將三個體積不同的碳棒(2)均浸入泵機筒(I)腔內的堿性工作液中，且保持三個體積不同的碳棒(2)不與泵機筒(I)的內壁接觸； 利用直流脈沖電源(3)在三個體積不同的碳棒(2)與泵機筒(I)的外壁之間施加直流脈沖； 同時利用堿性工作液循環泵(4)通過循環入口管(5)和循環出口管(6)對泵機筒(I)內的堿性工作液進行循環冷卻，保證堿性工作液的溫度不高于40°C ； 當泵機筒(I)的內表面產生的膜層厚度達到所設定電壓所能擊穿的最大厚度時，執行步驟二 ； 步驟二:對上述陶瓷膜層制備后的泵機筒(I)進行相變硬化處理，具體過程為:將步驟一陶瓷膜層制備后的泵機筒(I)的端蓋(7)拆卸下來，并固定在激光器工作臺上； 調節激光器的激光頭，使激光器發射出來的激光入射到泵機筒(I)的內壁上； 使激光由泵機筒(I)的一端向另一端，呈螺旋式的路徑對泵機筒(I)的內壁進行掃描，當泵機筒(I)的內壁全部掃描完成時，獲得處理后的泵機筒(I); 所述激光沿周向掃描的方向為逆時針方向，周向掃描速度在lmm/s至40mm/s之間； 所述激光沿軸向掃描的速度在0.2mm/s至10mm/s之間。
3.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，在步驟一之前，首先對泵機筒(I)進行清洗，具體方法包括以下步驟: 步驟--:將泵機筒(I)浸入清水中，利用清水清洗泵機筒(I)的內壁Imin至3min,然后將泵機筒(I)烘干； 步驟一二:將步驟--清洗后的泵機筒(I)浸入丙酮或無水乙醇中，靜置3min至5min,然后將泵機筒(I)烘干，獲得清洗后的泵機筒(I)。
4.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，步驟一所述堿性工作液的溶質包括=KOH和NaSiO3，其中KOH的濃度為2g/L至4g/L，NaSiO3的濃度為10g/L至15g/L。
5.根據權利要求4所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，所述堿性工作液的溶質還包括BN粉末，BN粉末的濃度為4g/L至6g/L。
6.根據權利要求5所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，所述BN粉末的顆粒大小為9μηι至Ι?μπι。
7.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，步驟一所述利用直流脈沖電源(3)在三個體積不同的碳棒(2)與泵機筒(I)的外壁之間施加的直流脈沖的一個周期過程為: 在時刻t0，直流脈沖電源(3)輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源(3)輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖；在時刻tl，直流脈沖電源(3)輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源(3)輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖； 依此類推， 在時刻ti，直流脈沖電源(3 )輸出一個寬度為Tz、幅值為Vz的正向脈沖，在該正向脈沖的結束時刻，直流脈沖電源(3)輸出一個寬度為Tf、幅值為Vf的負向脈沖； 其中，Tz 在 0.01s 至 0.08s 之間，且 Tz=Tf, Vz 在 500V 至 700V 之間，Vf 在-150V 至-30V之間，脈沖頻率在20Hz至150Hz之間，一個周期為40min至90min。
8.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，所述泵機筒(I)的材料為高硅鑄鋁合金。
9.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，步驟二中所述激光器為CO2激光器或半導體激光器。
10.根據權利要求2所述的一種三螺桿泵機筒內表面陶瓷化處理的方法，其特征在于，所述激光器的功率在low至500W之間，激光器的輻射能量在IJ至15J之間，激光形成的光斑尺寸在Imm2至5mm2之間。
【文檔編號】F04C15/00GK103775333SQ201410035446
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】狄士春, 楊俊杰 申請人:哈爾濱工業大學