一种硅铝复合材料、压缩机滚子、压缩机、空调设备的制作方法

本发明属于金属复合材料及压缩机，具体涉及一种硅铝复合材料、压缩机滚子、压缩机、空调设备。

背景技术：

1、滚动转子压缩机的工作原理为：如图2所示，在圆柱形的气缸3里，安放着一个圆柱形的滚子2，滚子2的旋转中心与气缸3的中心重合，但滚子1的外表面和滚子的旋转中心线不是对称的，而是偏心的。滚子2依靠套在其内径上的曲轴偏心圆在电机的带动下做旋转转动。在气缸3的滑片槽内安放着一块能上下滑动的滑片，一端安装有泵弹簧，确保滑片的一端始终与滚子外圆相接触，确保滑片在滑片槽内做往复运动。因此滑片、气缸内表面、滚子外表面及气缸两端面的上法兰1、下法兰组成了高压腔和低压腔，曲轴带动滚子2旋转一周则从低压腔吸气从高压腔排气完成一次工作循环，不断重复上述过程，这就是滚动转子压缩机的工作原理。

2、如图2所示，目前现有的压缩机滚子材料一般选用的是合金铸铁，其密度为7.2g/cm3，质量相对较大。在泵体运转时，曲轴带动滚子2做高速运动，同时自身又进行自转运动。滚子2的自转速度不是一个常量，而是沿气缸3内表面以正反方向交替滚动，并且绕其中心线缓慢的向前移动。当活塞的质量较大时，其自转所消耗的无用功会越大，转动惯量随之增大，滚子自转角速度绝对值就会减小，导致滚子2与滑片的相对滑动速度绝对值就增大，摩擦就越剧烈。

3、压缩机的高效化及长寿命是压缩机设计的目标，压缩机cop＝制冷量/功耗。其中，滑片头部、滚子外表面与气缸内表面构成的体积决定了压缩机的气体体积。理论上，当排量固定时，滚子与气缸、滑片构成的容积设计越大，冷量越高。目前，行业内滚子方案分两个方向，一个方向是：滚子走瘦高路线，虽然该结构的挠度小，但是容积效率低；另一个方向是：滚子走扁平路线，虽然该结构的容积效率高，但是转动惯距大。

4、同一气缸可对应一系列排量，不同排量只需改变滚子外径实现。根据压缩机排量理论计算公式可知，同一气缸结构，排量越小需要滚子与气缸之间的空隙越小，所以滚子外径d、壁厚h增大，滚子的重量也随之增加。在压缩机工作过程中，因滚子自重增大其自转所消耗的无用功会越大。显然这对于提高压缩机能效是不利的。为减少滚子自转的无用功，需减薄滚子的壁厚h，往往直接采用增大滚子内径d的方法。增大滚子内径d，在应对小排量时是可行的，但对于大排量时既需要增大滚子与气缸之间的间隙使外径d减小，且又要增大滚子内径d直接使滚子的壁厚h太薄，使滚子在工作时的刚度不够导致变形达不到密封的要求。

5、如图3所示，在压缩机行业中，当排量固定时，滚子2的设计的经验公式为滚子外径/气缸外径＝0.84～0.92、气缸高度/气缸内径＝0.2～1、径向间隙(气缸高度-滚子高度)＝10～15μm。从容积效率设计来看，对于同排量，滚子2设计的越扁平化，气缸内径越大，此时滚子外径与气缸内径构成的有效容积越大，容积效率就越高。但是在实际运用时，滚子外径越大，滚子2的自重越大，运转时转动惯矩越大，这样一来会增大压缩机的振动与噪音；另一方面，由于现有合金铸铁滚子的膨胀系数较大，滚子2与气缸3的高度间隙设计大，泄露大。综上，导致现有压缩机的实际容积效率设计无法达到最优值。

6、此外，铝硅合金复合材料作为目前常用的合金材料，一般情况下，铝硅合金组织由α-al、al-si固溶体以及少量共晶硅组成，基体为软基体α-al，导致铝硅合金材料的硬度不高，耐磨性较差。

7、综上，现有技术至少存在如下技术问题：

8、(1)现有硅铝合金复合材料的硬度和耐磨性均相对较差，不适合用于作为压缩机滚子材料。

9、(2)现有硅铝合金复合材料由于其表面耐磨性和硬度较差，导致其在使用于需要一定硬度和耐磨性的机件上时需要在表面加工涂层，进而使得其工艺较为复杂。

10、(3)现有的压缩机滚子由于自重较大，导致其容积效率不高。

11、(4)现有的压缩机滚子由于热膨胀系数较大，导致其的径向设计间隙较大。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种硅铝复合材料、压缩机滚子、压缩机、空调设备，主要目的在于提供一种硅铝复合材料，能够解决现有硅铝复合材料件存在的耐磨性和硬度较差的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种硅铝复合材料，以质量百分数计，硅铝复合材料包括如下化学成分：si 31～33％，mn 0.1～2％，cu 1～2％，zn 3～3.5％，cr 2～8％，mg0.5～1.2％，ce 0.3～1.2％，fe 0.1～1.5％、余量为al。

3、前述的一种硅铝复合材料，硅铝复合材料中包括基体α-al相和共晶硅颗粒。

4、前述的一种硅铝复合材料，硅铝复合材料的强度＞350mpa，硬度＞100hb。

5、本发明还提供一种硅铝复合材料件，该硅铝复合材料件的表面组织具有凹凸结构；其中，

6、凹凸结构的凹陷处是硅铝复合材料的基体相；凹陷处用于填充润滑物质，以提高减摩性；

7、凹凸结构的凸出部分是硅铝复合材料的共晶硅颗粒。

8、前述的硅铝复合材料件，该硅铝复合材料件是由上述的硅铝复合材料制成。

9、前述的硅铝复合材料件，至少部分凹陷处的深度为4～6μm。

10、前述的硅铝复合材料件，至少部分凸出部分的共晶硅颗粒的粒径为3～5μm。

11、本发明还提供一种压缩机滚子，压缩机滚子的材质是硅铝复合材料；

12、压缩机滚子的表面组织具有凹凸结构；其中，

13、凹凸结构的凹陷处是硅铝复合材料的基体相；所述凹陷处用于填充润滑物质，以提高减摩性；

14、凹凸结构的凸出部分是硅铝复合材料的共晶硅颗粒。

15、压缩机滚子是由上述的硅铝复合材料制成。

16、前述的一种压缩机滚子，至少部分凹陷处的深度为4～6μm。

17、前述的一种压缩机滚子，至少部分凸出部分的共晶硅颗粒的粒径为3～5μm。

18、前述的一种压缩机滚子，压缩机滚子的热膨胀系数为11.5×10-6～12×10-6℃-1。

19、本发明还提供一种压缩机滚子的制备方法，制备方法包括如下步骤：

20、步骤1)：将上述的硅铝复合材料加工成滚子件；

21、步骤2)：对滚子件的外表面进行化学刻蚀处理，得到化学刻蚀处理后的压缩机滚子。

22、前述的一种压缩机滚子的制备方法，步骤2)中：采用naoh溶液为刻蚀液对滚子件的外表面进行化学刻蚀处理。

23、前述的一种压缩机滚子的制备方法，在步骤2)中，naoh溶液的体积浓度为13～16％，化学刻蚀处理的时间为20～40min。

24、前述的一种压缩机滚子的制备方法，在步骤2)中：化学刻蚀处理后的压缩机滚子的表面粗糙度ra＞1.6μm、表面组织具有凹凸结构，其中，至少部分凹陷处的深度为4～6μm，至少部分凸出部分的共晶硅颗粒的粒径为3～5μm。

25、前述的一种压缩机滚子的制备方法，该制备方法还包括：

26、步骤3)：对化学刻蚀处理后的滚子件的外表面进行填充润滑层处理，得到压缩机滚子。

27、本发明还提供一种压缩机，压缩机包括上述任一项的压缩机滚子。

28、前述的一种压缩机，压缩机滚子的高度和气缸的高度满足：气缸的高度与压缩机滚子的高度之差为8～9μm。

29、前述的一种压缩机，压缩机滚子的高度和气缸的高度的差为a，压缩机滚子的厚度为b；其中，a/b＝1.3～1.5。

30、本发明还提供一种空调设备，空调设备包括上述任一项的压缩机。

31、与现有技术相比，本发明提供的一种硅铝复合材料、压缩机滚子、压缩机、空调设备，至少具有如下有益效果。

32、一方面，本发明提供一种硅铝复合材料，以质量百分数计，硅铝复合材料包括如下化学成分：si 31～33％，mn 0.1～2％，cu 1～2％，zn 3～3.5％，cr 2～8％，mg 0.5～1.2％，ce 0.3～1.2％，fe 0.1～1.5％、余量为al。与传统铝合金相比，本发明提出的上述硅铝复合材料，提高了si的含量，所以使得硅铝复合材料能够形成较多高硬度的共晶硅，使得硅铝复合材料的耐磨性有了一定的提高。同时，为了解决基于粗大的共晶硅存在应力集中脆性大的问题，本发明在硅铝复合材料中相应地提高了mn、cr、ce元素的含量，在这些合金元素的协同作用下，可以细化硅铝复合材料的组织，消除内应力。此外，本发明提高了成分中mg、zn元素的含量，进而提高了该硅铝复合材料的强度。综上，本发明的硅铝复合材料轻质、且具有较佳的耐磨性和减磨性，进而可以用于制作压缩机滚子的材料。

33、另一方面，本发明提供一种硅铝复合材料件，采用上述的硅铝复合材料制备而成。具体地，本发明的硅铝复合材料件具有如下结构：硅铝复合材料件的外表面组织具有凹凸结构；其中，凹凸结构的凹陷处是硅铝复合材料的基体相；凹陷处用于填充润滑物质，以提高减摩性；凹凸结构的凸出部分的是硅铝复合材料的共晶硅颗粒。关于本发明的上述结构，通过以硅铝复合材料为基础材料，加工成工件以后在工件表面进行化学刻蚀处理，使得工件表面的硅颗粒凸出基体表面进行承载，从而提高了硅铝复合材料件的耐磨性；而凹陷处可以用于填充润滑物质，可以提高硅铝复合材料件的减摩性。由此可见，本发明提供的硅铝复合材料件具有优异的耐磨性、减磨性。

34、进一步地，本发明硅铝复合材料件使用于需要一定硬度和耐磨性的机件上时，可以不通过在其表面加工涂层，采用刻蚀处理以及选择填充处理后，即可运用到工件，从而简化了工序。

35、本发明提供一种压缩机滚子；其中，该压缩机滚子是采用上述的硅铝复合材料制备而成。具体地，将硅铝复合材料加工成滚子件以后，采用上述硅铝复合材料件的化学刻蚀以及填充的方式对滚子件进行处理，使得本发明压缩机滚子具有上述硅铝复合材料件的有益效果，具体为：压缩机滚子的表面组织具有凹凸结构；其中，凹凸结构的凹陷处是硅铝复合材料的基体相；凹陷处用于填充润滑物质，以提高减摩性；凹凸结构的凸出部分的是硅铝复合材料的共晶硅颗粒。关于本发明的上述结构，使得硅颗粒凸出基体表面进行承载，从而提高了压缩机滚子的耐磨性，而凹陷处填充润滑物质，可以提高压缩机滚子的减摩性。由此可见，本发明提供的压缩机滚子同样也具有优异的耐磨性、减磨性。

36、进一步地，本发明提供的压缩机滚子采用上述的硅铝复合材料，本发明压缩机滚子的密度为2.7-2.8g/cm3，与传统合金铸铁的压缩机滚子相比，自重减轻了2/3。基于此，本发明压缩机滚子的结构设计较佳，其在应用到压缩机上时，满足关系式：(气缸高度-滚子高度)/滚子厚度＝1.3～1.5。相较于现有压缩机滚子的结构设计，采用本发明压缩机滚子的结构设计可以在保证高容积效率设计的同时，降低泵体运转过程中的转动惯矩。

37、进一步地，本发明压缩机滚子采用的硅铝复合材料，其热膨胀系数与气缸接近，受热膨胀导致的变形差异较小。同时，本发明压缩机滚子以硅铝复合材料为基体，通过对其表面进行刻蚀和填充处理后，使得其具有优异的耐磨性和减摩性，本发明的压缩机滚子在应用到压缩机上时，可以进一步缩小压缩机滚子与气缸的间隙设计，在减小摩擦功耗的基础上保持冷量。基于此，本发明压缩机滚子的结构设计较佳，可以满足关系式：气缸高度-滚子高度＝8～9μm，优于行业现有标准的10～15μm。

38、进一步地，采用本发明的硅铝复合材料所制备的压缩机滚子自重较小，能够有效降低泵体运转时产生的无效功，同时也能降低泵体运转时的转动惯矩，进而能够显著提高压缩机的容积效率，提升压缩机的能效；

39、再一方面，本发明还提出一种压缩机；其中，该压缩机采用了上述的压缩机滚子，使得压缩机具有高容积效率和高能效的优异效果。

40、再一方面，本发明还提出一种空调设备，该空调设备包括上述的压缩机；由于上述压缩机具有高容积效率和高能效的优异效果，使得本发明空调设备在一定程度上具有较佳的功效。