耐特種氣體腐蝕渦旋干泵的研制

金花子，吳 杰，南 泉，熊天英

(中國科學院金屬研究所，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體行業(yè)中的應用不斷擴大，對潔凈的真空系統獲得要求也越來越苛刻，使得渦旋真空泵在應用中的表現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，形成了系列產品。國內真空行業(yè)相關企業(yè)也對渦旋干泵進行了基礎和應用研究以及小規(guī)模試制生產等不同階段的探索，但由于技術基礎、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構的設計上同渦旋真空泵相比有明顯的差異［6］。泵的定子和轉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，抽氣系統直接接觸介質氣體使定子和轉子對氣體溫度和壓力產生了比較復雜的變化。雖然現有技術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 渦旋干泵的結構

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)、轉子和定子A/B、軸封、密封墊、冷卻風扇、曲柄軸、曲柄銷、防自轉機構和氣鎮(zhèn)機構等構成。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，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子、定子A/B、曲柄軸和曲柄銷。根據實際工作狀態(tài)以及泵體對防護涂層的功能要求，對轉子和定子A/B采用化學鍍鎳磷技術［7-8］和氟涂料封閉技術制備的防護涂層;曲柄軸、曲柄銷采用PVD鍍膜技術［9］制備Cr/CrN多層防護涂層。

圖1 渦旋干泵總體結構圖Fig.1 Structure dry scroll vacuum pump

2 轉子和定子的防護技術

對轉子和定子A/B采用化學鍍鎳磷技術［7-8］和氟涂料封閉技術制備的防護涂層。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→化學鍍鎳磷→水洗→無水乙醇洗→烘干→氟涂料封閉→塑化。

化學鍍工藝參數:

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，經化學還原進行鎳磷沉積，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: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為:溫度180～200℃，時間20～30 min。

經上述處理，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

對曲柄軸、曲柄銷等采用PVD鍍膜技術［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;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多層復合防護鍍層，Cr/CrN復合防護鍍層為10層。經上述處理，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、控制單元、真空室和尾氣處理系統等。

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。

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

5 結論

本研究采用化學鍍、氟涂料和PVD技術對渦旋干泵實施防護涂層，對轉子和定子A/B采用化學鍍鎳磷和氟涂料封閉技術制備的防護涂層;對曲柄軸和曲柄銷采用PVD鍍膜技術制備Cr/CrN多層復合防護鍍層。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、生物制藥和科學儀器的真空獲得系統中，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中的使用壽命。

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