金花子，吳 杰，南 泉，熊天英

(中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽文化路72號 110016)

渦旋真空泵的研究始于20世紀80年代末期［1-3］，隨著渦旋真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用不斷擴大，對潔凈的真空系統(tǒng)獲得要求也越來越苛刻，使得渦旋真空泵在應(yīng)用中的表現(xiàn)也越來越不能令人感到滿意。因此，人們開始致力于渦旋干式真空泵(簡稱:渦旋干泵)的研究。到目前為止，渦旋干泵的研究和生產(chǎn)主要集中在美國、日本和歐洲，以日本Anestta、美國 Varian、德國 Busch等為代表，形成了系列產(chǎn)品。國內(nèi)真空行業(yè)相關(guān)企業(yè)也對渦旋干泵進行了基礎(chǔ)和應(yīng)用研究以及小規(guī)模試制生產(chǎn)等不同階段的探索，但由于技術(shù)基礎(chǔ)、研發(fā)手段的限制，工作進展緩慢［4-5］。

渦旋干泵在機械和結(jié)構(gòu)的設(shè)計上同渦旋真空泵相比有明顯的差異［6］。泵的定子和轉(zhuǎn)子采用的是鋁合金材料，防護方法采用陽極氧化法。渦旋干泵由于沒有油的冷卻和密封，抽氣系統(tǒng)直接接觸介質(zhì)氣體使定子和轉(zhuǎn)子對氣體溫度和壓力產(chǎn)生了比較復(fù)雜的變化。雖然現(xiàn)有技術(shù)中的渦旋干泵可以獲得潔凈的真空環(huán)境，但這類渦旋干泵在使用中普遍存在耐蝕性差的問題，尤其是在特種氣體、等離子刻蝕、生物制藥和化工化學(xué)等工藝中，陽極氧化膜難以抵抗高腐蝕性氣體的長時間腐蝕，嚴重影響了渦旋干泵的使用壽命。為了克服這類渦旋干泵耐腐蝕性差的問題，對其泵體施加防護涂層十分必要。

1 渦旋干泵的結(jié)構(gòu)

渦旋干泵主要組成如圖1所示。渦旋干泵主要由電機(含過熱保護、計時器)、轉(zhuǎn)子和定子A/B、軸封、密封墊、冷卻風(fēng)扇、曲柄軸、曲柄銷、防自轉(zhuǎn)機構(gòu)和氣鎮(zhèn)機構(gòu)等構(gòu)成。渦旋干泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)在電機的帶動下被連續(xù)重復(fù)，對被抽氣體形成包容和強制輸送［6］，在這個過程中接觸特種氣體的零部件有轉(zhuǎn)子、定子A/B、曲柄軸和曲柄銷。根據(jù)實際工作狀態(tài)以及泵體對防護涂層的功能要求，對轉(zhuǎn)子和定子A/B采用化學(xué)鍍鎳磷技術(shù)［7-8］和氟涂料封閉技術(shù)制備的防護涂層;曲柄軸、曲柄銷采用PVD鍍膜技術(shù)［9］制備Cr/CrN多層防護涂層。

圖1 渦旋干泵總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure dry scroll vacuum pump

2 轉(zhuǎn)子和定子的防護技術(shù)

對轉(zhuǎn)子和定子A/B采用化學(xué)鍍鎳磷技術(shù)［7-8］和氟涂料封閉技術(shù)制備的防護涂層。其工藝過程如下:除油→水洗→一次酸蝕→水洗→一次浸鋅→水洗→二次酸蝕→水洗→二次浸鋅→水洗→化學(xué)鍍鎳磷→水洗→無水乙醇洗→烘干→氟涂料封閉→塑化。

化學(xué)鍍工藝參數(shù):

pH:4.4 ～4.6、溫度:82 ～84 ℃、時間:120 min、鍍速13～15 μm/h;鍍液在金屬表面的催化作用下，經(jīng)化學(xué)還原進行鎳磷沉積，沉積的鍍層均勻致密，外觀呈銀白色且鍍層結(jié)合良好，最后對鍍層進行封閉處理。

采用氟樹脂進行封閉處理，工藝參數(shù):噴涂距離200 mm，噴涂厚度5～8 μm。噴涂后塑化，塑化的過程和工藝參數(shù)為:溫度180～200℃，時間20～30 min。

經(jīng)上述處理，獲得鍍層厚度為30～38 μm。上述鍍層厚度均勻，能滿足尺寸精度要求，具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。

3 曲柄軸和曲柄銷等40Cr和不銹鋼零件的防護技術(shù)

對曲柄軸、曲柄銷等采用PVD鍍膜技術(shù)［9］制備Cr/CrN多層防護涂層。鍍膜前基體被加熱到150℃，背底真空 2×10－3Pa，通入高純氬氣(純度99.999%以上)，氬氣分壓為 1.0 ×10－1Pa;在 1000 V直流負偏壓下對樣品進行轟擊，以去除表面吸附的氣體和雜質(zhì);隨后直流負偏壓在200 V，工作氣壓0.45 Pa，陰極弧電流為75 A，控制氮氣通斷間歇送氣，通斷間隔5 min/10 min(每通5 min氮氣、停止10 min)，氮氣分壓為1.5×10－1Pa;沉積時間為120 min，形成Cr/CrN多層復(fù)合防護鍍層，Cr/CrN復(fù)合防護鍍層為10層。經(jīng)上述處理，獲得鍍層厚度為4～5 μm。上述鍍層厚度均勻，能滿足尺寸精度要求，具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。

4 耐腐蝕性能試驗

渦旋干泵腐蝕實驗裝置如圖2所示，包括供氣系統(tǒng)、控制單元、真空室和尾氣處理系統(tǒng)等。

圖2 渦旋干泵腐蝕實驗裝置Fig.2 Dry scroll vacuum pump corrosion test device

實驗條件:腐蝕介質(zhì)為1:1氮氣和氯化氫氣體，入真空泵氣體溫度150℃，真空度5 Pa，連續(xù)抽真空。

實驗結(jié)果:在腐蝕性介質(zhì)中連續(xù)工作30 d，渦旋干泵運行正常，防護涂層均未腐蝕。

5 結(jié)論

本研究采用化學(xué)鍍、氟涂料和PVD技術(shù)對渦旋干泵實施防護涂層，對轉(zhuǎn)子和定子A/B采用化學(xué)鍍鎳磷和氟涂料封閉技術(shù)制備的防護涂層;對曲柄軸和曲柄銷采用PVD鍍膜技術(shù)制備Cr/CrN多層復(fù)合防護鍍層。上述鍍層均勻，能滿足尺寸精度要求，具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。在特種氣體、等離子刻蝕、生物制藥和科學(xué)儀器的真空獲得系統(tǒng)中，防護涂層可以長時間抵抗高腐蝕性氣體的腐蝕，提高渦旋干泵在腐蝕性介質(zhì)中的使用壽命。

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