BR0205301B1

BR0205301B1 - Membro espiral e método para formação de um componente espiral

Info

Publication number: BR0205301B1
Application number: BRPI0205301-2A
Authority: BR
Inventors: Marc J Sancarello
Original assignee: Emerson Climate Technologies
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2015-02-24
Also published as: TW200502060A; TWI252787B; US20040146423A1; CN103624486A; JP2003214365A; AU2002325600A1; EP2282060A3; US20070067990A9; US7845918B2; CN1434213A; EP1500818A2; EP1331395A2; US20030138339A1; US6705848B2; KR100886111B1; EP1500818A3; CN103624486B; EP2282060B1; EP1331395B1; EP1331395A3

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MEMBRO ESPIRAL E MÉTODO PARA FORMAÇÃO DE UM COMPONENTE ESPIRAL". A presente invenção refere-se geralmente a compressores e refere-se mais particularmente a um método para fabricar componentes de um compressor.

ANTECEDENTES E SUMÁRIO DA INVENÇÃO O método presente de produção de espirais é derivado de um processamento de metal fundido ("lingotamento"). Tipicamente o ferro cinza líquido lingotado é especialmente ligado, inoculado e derramado em uma cavidade que então forma a espiral após a solidificação estar completa. O processo corrente de lingotamento produz um lingotamento bruto da espiral com precisão linear dimensional de cerca de ± 0,508 mm (± 0,020 de polegada) por polegada. Além disso, devido às anomalias intrínsecas das superfícies metalúrgicas ou defeitos causados pelo lingotamento, material extra de usinagem cerca de 1,52 mm (cerca de 0,060 polegada) deve ser adicionado em adição a esta tolerância resultando em 1,52 mm ± 0,508 rnrn (cerca de 0,060 ± 0,020 polegadas) de material total e a variação a ser usinada. O e-feito pele é produzido devido às complicadas interações termodinâmicas, cinéticas e metalúrgicas/químicas que ocorrem na areia (ou cerâmica) de solidificação e refrigerante para a interface metálica.

Os moldes usados no processo de lingotamento, no quai o metal fundido flui, são compostos de areia, aglutinante, e/ou um revestimento cerâmico e não são estruturalmente completameníe rígidos. Quando o ferro líquido entra em contato com as superfícies das paredes do molde, é exercida pressão sobre o molde, o que causa a expansão das paredes do molde. Lingote de ferro cinza é especialmente tendente à expansão da solidificação devido ao alto teor de carbono ou de grafite. O fenômeno é uma fonte importante de variação dimensionai e aumentos de tolerância, conforme declarado.

As espirais, para atuarem adequadamente, não devem gotejar, desgastar-se ou fraturar, portanto dimensões finais muito precisas devem ser mantidas. Para cumprir isso, ocorre uma usinagem muito abrangente, complicada e onerosas nos lingotes brutos para convertê-los em uma espiral usável com a corrente abordagem de produção de lingote. Portanto, devido à capacidade anteriormente mencionada dos processos atuais de lingota-mento, o material de usinagem apresenta um maior impedimento a uma produtividade de alto volume devido à quantidade exagerada de material necessário para ser usinado. A região da espiral que é mais difícil de usinar é a própria forma involuta da espiral. A usinagem desta porção causa um maior desgaste da ferramenta e leva um tempo maior para usinar. A precisão dimensional na "forma involuta da espiral" é, portanto, a mais importante.

Os dois tipos fundamentais de processos de produção de pó metálico descritos aqui permitem a produção de espirais com menos camada de "efeito pele" e melhores tolerâncias dimensionais enquanto ainda mantêm os rigorosos requisitos de estresse e pressão necessários para uma espiral que funciona. Eles são moldagem por injeção de metal e pressão convencional e metalurgia da sinterização do pó. Ambos os processos terão modalidades associadas com eles que farão uso da metalurgia prática do pó e úteis para produzir as espirais de rede próxima ou em forma de rede. A espiral ou é totalmente conformada ou conformada em partes e então unida para fazer o componente completo da espiral.

Em geral, a invenção é direcionada para o uso de metais em pó na formação de um componente espiral para um compressor espiral. É previsto que o componente espiral completo pode ser conformado utilizando-se técnicas de metal em pó. É também previsto que porções dos membros do compressor espiral podem ser produzidas utilizando-se técnicas da metalurgia do pó. Estas porções, tais como o componente involuto da espiral, que requer um grau extremamente alto de tolerâncias dimensionais, são então ligadas a outras porções do componente espiral que são conformadas por técnicas tais como lingotamento, forja, ou mesmo outras partes metálicas em pó.

Outras áreas de aplicação da presente invenção tornar-se-ão aparentes a partir da descrição detalhada fornecida doravante. Deve ser en- tendido que a descrição detalhada e os exemplos específicos, embora indiquem a modalidade preferida da invenção, são apresentados apenas para propósito de ilustração e não devem limitar o escopo da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A presente invenção tornar-se-á mais completamente entendida a partir da descrição detalhada e dos desenhos que a acompanham, onde: Figuras 1-2 são componentes espirais de acordo com a presente invenção;

Figuras 3a-3b são uma vista perspectiva separada de um componente espiral de acordo com uma segunda modalidade da invenção.

Figuras 4a-4b são uma vista perspectiva separada do componente espiral de acordo com uma terceira modalidade da presente invenção;

Figuras 5a-5b são vistas perspectivas separadas de uma quarta modalidade da presente invenção;

Figura 6 é uma vista separada de uma quinta modalidade da presente invenção;

Figuras 7-7e são seções transversais alternadas da espiral invo-luta para a interface base; e Figuras 8-10 são micrografias da estrutura metalúrgica das espirais da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Será feita agora referência aos desenhos, onde as amostras são apenas para efeito de ilustrar as modalidades preferidas da invenção e não para efeito de limitação. As Figuras 1-2 ilustram vistas perspectivas dos componentes espirais produzidos de acordo com a presente invenção. A forma espiral involuta 10 é unida à chapa base 12 que é formada de uma base 14 e um eixo 16. A forma espiral involuta 10 mostrada é um pó metálico e a chapa base 12 é um lingote de ferro cinzento (no mínimo Grau 30). Preferivelmente a chapa base 12 deveria ser feita com técnicas de lingotamento por areia convencional tais como processos separados verticalmente (DISA, etc.) por razões econômicas. A matriz da chapa base 12 tem preferencialmente 90% no míni- mo de perlita, e o grafite floculado de cerca de 0,64 mm máximo de comprimento. Pode ser usada a inoculação para assegurar uma grafite com tamanho uniformemente e adequadamente distribuído. É previsto que elementos terras raras possam ser adicionados à mistura de pó metálico para funcionar como inóculos. Embora o nível de forma de rede e precisão dimensional da forma espiral involuta 10 seja essencial na parte de entrada, a chapa base 12 pode receber usinagens significativas após o processo. Excluindo-se a porosidade, a matriz da forma espiral involuta 10 tem preferivelmente no mínimo 90% de perlita. A presença de grafite na forma espiral involuta 10 não é essencial, mas poderia também aumentar a resistência ao desgaste se estivesse presente. A união da forma espiral involuta de pó metálico 10 à chapa base de ferro cinzento 12 pode ser realizada utilizando-se a solda convencional por resistência, a solda por descarga de capacitância (uma variação da solda por resistência), soldagem ou união por sinterização. A solda por descarga de capacitância é similar à solda convencional por resistência, apenas ocorrem taxas muito altas de entrada de calor. A descarga de capacitores para permitir uma alta corrente em um curto período de tempo produz esta alta taxa de aquecimento. A principal vantagem deste método de soldagem é que materiais de alto carbono necessários nesta aplicação podem ser soldados sem efeitos danosos (rachaduras, etc.). Este método permite também que os componentes do pó metálico sejam soldados sem quaisquer efeitos danosos tais como efeitos de mecha de solda metálica líquida ou efeitos adversos a partir de fluidos que entram no processo no vazo do pó metálico. As soldas por descarga de capacitância também permitem que metais diferentes sejam unidos, permitindo a amarração das propriedades de desgaste, fadiga e friccionais da forma espiral involuta 10 sem aumentar o custo da chapa base 12.

Figuras 3a-3b descrevem vistas perspectivas separadas de uma segunda modalidade da presente invenção. São mostrados um componente espiral 8 que tem a forma involuta espiral 10 e a base 14 formadas de técnicas de pó metálico como uma só peça. O eixo 16, que é formado separada- mente usando-se as técnicas padrão de lingotamento com areia ou outros processos de conformação que incluem pó metálico, descritos anteriormente, é aglutinado à submontagem da base de pó metálico involuta 18 no encaixe do eixo 29 utilizando-se as técnicas de soldagem descritas previamente. Preferivelmente, um eixo de pó metálico pode ser ligado a uma chapa base de pó metálico usando-se materiais de brasagem (“brazing materiais”). Os componentes verdes são ligados e brasados em conjunto durante o processo de sinterização. Opcionalmente, pode ser fixo um eixo sólido que utilize materiais que endureçam durante o processo de sinterização.

Figuras 4a-4b descrevem uma terceira modalidade da presente invenção. É mostrada uma forma espiral involuta 10 e uma paleta 20 submontagem 22 formadas de pós metálicos. A submontagem da paleta involuta 22 é acoplada a uma chapa base 12 utilizando-se as anteriormente mencionadas técnicas de união. Deve ser notado que a formação da submontagem de paleta involuta 22 permite a formação muito precisa da forma espiral involuta 10 bem como a superfície de interface 24 da paleta 20. Mais vantajosamente, isto permite o lingotamento econômico dos membros da base 12 usando-se as técnicas convencionais de baixo custo.

Figuras 5a-5b descrevem o uso de um encaixe de chapa base 25 formado na base 12 para aceitar a forma espiral involuta 10. Os encaixes de chapa base 25 facilitam o alinhamento dimensional e o registro da forma espiral involuta 10 à chapa base 12. Os encaixes da chapa base 25 aumentam também a resistência à fadiga da forma espiral involuta 10 na interface com a chapa base 12. O processo de soldagem deve ser executado para minimizar a zona endurecida que pode se formar na interface da solda devido às altas taxas de resfriamento a partir da temperatura de soldagem. Esta camada endurecida próxima ao local da solda pode ser uma origem para rachaduras devido à baixa ductilidade local na zona endurecida. A alta taxa de entrada de calor e de remoção de calor da solda por descarga de capaci-tância ajuda a minimizar a largura desta zona. Materiais com teor de carbono relativamente alto, tais como os materiais aqui descritos, são especialmente susceptíveis a este fenômeno. O encaixe da chapa base 25 pode suportar o momento de dobramento e ajudar a minimizar a pressão local na zona endurecida mencionada anteriormente e diminuir a chance de falha por fadiga na junção. Os encaixes da chapa base 25 resultam na desvantagem de causar desvios (encurtamento dos lados da cobertura das paredes do encaixe). Um revestimento com alta impedância resistiva 21 na forma espiral involuta 10 ou no encaixe 25 na chapa base 12 minimizará o efeito de desvios.

Durante a soldagem, todo o comprimento da forma espiral involuta 10 necessita ser soldada continuamente. Isto requer uma pressão uniforme e corrente ao longo de seu comprimento. Para assegurar isto, um posicionamento fixo especial e uma precisão dimensional são necessários. Distorções durante a soldagem devem ser minimizadas pelo posicionamento fixo. A soldagem por descarga de capacitância, devido à rápida entrada de calor, também permite menos distorções.

Como é melhor visto na Figura 7a, é preferido que um chanfro 26 seja moldado na cobertura para minimizar os contatos das bordas na capa base 12 para minimizar correspondentemente os desvios e ajudar o auto-alinhamento durante a junção. Solda à resistência requer uma área de projeção reduzida 37 localizada na interface da solda. Durante a soldagem, a projeção 37 ajuda a concentrar a corrente, o que facilita a fusão. A projeção 37 quebra parcialmente durante a soldagem. A projeção 37 pode ser discreta e posicionada a intervalos predefinidos umas das outras em volta da cobertura ou pode ser contínua. As Figuras 7b e 7c são soldadas à resistência. A soldagem à resistência requer uma área reduzida. Durante a soldagem a projeção 37 concentra a corrente e quebra durante a soldagem.

Os encaixes da chapa base 25 na chapa base 12 podem ser u-sados para registrar e alinhar a forma espiral involuta 10 na chapa base 12. Os encaixes das chapas base 25 são usinados no lingote de ferro cinzento antes da junção da forma espiral involuta 10 à chapa base 12. Conforme mostrado na Figura 6, é também possível alinhar a forma espiral involuta 10 diretamente à chapa base 12 sem o uso dos encaixes de chapa base 25. Isto nega a necessidade de usinagem de encaixes de chapa base 25, que é uma despesa adicional.

Conforme mostrado nas Figuras 7d-7e, é possível utilizar-se materiais de brasagem 28 para facilitar a união da forma espiral involuta 10 à chapa base 12. Adicionalmente, material de brasagem 28 pode ser usado para unir o eixo 16 ao lado de trás da chapa base 12 com o encaixe do eixo 29. Esta possibilidade tem a vantagem de que uma zona endurecida não se forma na interface de união tal como acontece com a soldagem descrita a-cima. Um desafio para os materiais de brasagem 28 que tenham grafite (tais como ferro cinzento ou o pó metálico de grafite aqui descrito) é que a grafite tende a cobrir a superfície do metal e retarda a secagem do material de brasagem 28. Uma das soluções para este problema é aquecer em um forno a brasagem dentro de uma atmosfera adequada que permita a ocorrência da umidade. Uma outra solução é usar-se um material de brasagem 28 com um agente de fusão que limpe o grafite o suficiente para permitir a umidade (tais como os agentes tipo preto AWS FB3-C ou AMS 3411). Uma outra solução é pré-limpar a espiral com grafite em uma etapa separada antes da brasagem. Uma outra solução é usar-se um material de brasagem tal como BNi-7 (uma liga de níquel para mancais) que tende a umedecer para lingotar materiais do tipo ferro. Todas as outras ligas tais como os enchimentos dos tipos Bag-3, Bag-4, Bag-24 ou RBCuZn também foram usados com sucesso nos lingo-tamentos de materiais do tipo ferro.

Um desses limpadores é sal fundido. O processo de sal fundido envolve a imersão das peças em um banho separado do tanque e uma corrente contínua é imposta e a polaridade é ajustada para oxidar ou reduzir as superfícies a serem limpas. Tanto a grafite quanto os óxidos podem ser removidos se necessário dependendo da polaridade. Por razões econômicas, a situação preferida é ser capaz de limpar convencionalmente a espiral do lingote de ferro cinzento tal como um limpador com base de água alcalina antes da brasagem. Uma outra forma de limpar as superfícies é por jatea-mento abrasivo com níquel ou granalha de aço por exemplo.

Um outro desafio à brasagem por pó metálico é que o material de brasagem 28 tende excessivamente a formar manchas na peça porosa de pó metálico. Se em excesso, isto pode provocar uma junta de solda- brasagem forte pobre porque o material de brasagem 28 fica removido das superfícies das juntas. Uma solução para isto é usar um material de brasagem 28 que minimiza o efeito de mecha. A liga de brasagem necessária deve reagir com a superfície do pó metálico. Esta reação minimiza a quantidade de mechas que ocorre produzindo um composto metalúrgico que funde a uma temperatura mais alta que a temperatura de brasagem corrente. Uma dessas ligas de brasagem é SKC-72 que tem a composição em peso de 30-50% de cobre, 10-20% de manganês, 3-25% de ferro, 0,5-4% de silício, 0,5-2% de boro e o saldo (30-50%) níquel. Uma boa resistência em verde e níveis aceitáveis de dissolução do metal base são satisfeitos pela adição de certos elementos, especialmente ferro. O material de brasagem 28 pode ser da forma fundida, uma pasta ou um pó metálico, ou fundido pré-montado, ou preferivelmente um projétil preformado de pó metálico sólido colocado em um encaixe da chapa base 25 na chapa base 12 antes da brasagem ou no encaixe do eixo 29. Deve ser tomado cuidado quando do uso de pastas para assegurar que não se desenvolvam gases durante a brasagem. O método de brasagem pode ser resistência aquecida localmente ou brasagem no forno. A brasagem por resistência tem a vantagem de que uma distorção mínima relativa ao aquecimento ocorrerá porque o aquecimento é localizado. A brasagem por forno tem a vantagem de ser capaz de brasar em uma atmosfera protetora que ajudará no umedecimento. Também a brasagem pode ser executada simultaneamente à sinterização o que poderia ser economicamente benéfico.

Figura 7d mostra uma configuração de brasagem 28 com chan-fraduras opcionais 26. Embora uma tira plana seja mostrada, outras formas de brasagem podem ser usadas como fios, peças pré-conformadas, ou pasta (com ou sem fluxo). O desembaraço das juntas devem estar de acordo com as práticas padrão AWS para o tipo de liga de brasagem usada. Por exemplo, para a liga SKC-72 aqui mencionada, o vão ótimo de junção deve estar entre 0,051 e 0,127 mm (0,002 e 0,005 polegadas). O "projétil de pó metálico" (preferido) deve ter uma densidade de cerca de 4,5-6,5 g/cm3 e, mais preferivelmente, cerca de 5,5 g/cm3. A densidade do projétil preforma- do de pó metálico é importante para se atingir uma boa brasabilidade.

Está mostrado na Figura 7e a colocação do material de brasa-gem 28 no topo da chapa base 12 após a forma espiral involuta 10 ter sido inserida no encaixe da chapa base 25. A ação capilar extrairá então o material de brasagem 28 no vão 30 e em volta do fundo 32 da forma espiral involuta 10. Opcionalmente, a forma espiral involuta 10 e a chapa base 12 podem ser moldadas juntas, mas o eixo de suporte 16 é feito separadamente e é unido à chapa base 12.

Figura 3b mostra o acoplamento do eixo de suporte 16 à chapa base 12, que são feitos como uma peça através das técnicas de metalurgia do pó conforme mostrado na Figura 3a. O eixo de suporte 16 é feito como uma peça separada de pó metálico e unida ao conjunto espiral/chapa base através dos métodos de brasagem já discutidos. Nesta visualização, o eixo de suporte 16 pode ser aço convencional, metal em pó, ou ferro lingotado.

Os métodos aqui revelados são descritos como métodos de conformação da porção involuta de uma espiral ou de um compressor de espiral. O processo de moldagem por injeção de metal descrito usa um pó de ferro muito fino no qual as partículas de pó são revestidas com um "agluti-nante" polímero. A combinação pó/polímero (estoque de alimentação) é então aquecida e pelo uso de uma máquina de moldagem por injeção, é injetada em um molde para formar a espiral. O aglutinante funciona como um transportador para ajudar a facilitar a injeção do molde. A pressão e a temperatura de moldagem são similares às da injeção de moldagem de plástico. A pressão e a temperatura de moldagem são otimizadas para o sistema particular pó/aglutinante usado para permitir o enchimento adequado da forma espiral involuta. As condições dentro do sistema de injeção são tixotrópicas por natureza (a viscosidade diminui à medida que o calor induzido do estresse cortante pelo processo de injeção aumenta). O resultante como espiral moldada é então desaglutinado (remoção do aglutinante) e então sinterizado (para adensamento completo). Estas duas etapas podem ser combinadas ou feitas em operações separadas. O caminho específico do processo e os materiais usados são escolhidos para minimizar a variação dimensional (tole- râncias) e minimizar a distorção da forma geométrica. Como as tolerâncias dimensionais lineares são esperadas como sendo cerca de 0,3%, nenhuma conexão na peça para o "efeito de superfície" é necessário. Os ângulos de saída de matriz são de cerca de 0,5 graus.

Para reduzir custos, é preferido que um pó de ferro com o maior tamanho médio de partícula possível seja usado (cerca de maior que 5 mi-crômetros). Tamanhos de partículas entre 2 e 20 micrômetros permitem tempos de sinterização razoáveis e permitem uma moldabilidade adequada. Partículas redondas se acumulam com mais força, sinterizam mais facilmente e requerem menos aglutinante, mas não retardam a distorção da forma bem como durante a desaglutinação e sinterização. Partículas de pó conformadas irregularmente mantêm a forma parcial melhor que as esféricas. Partículas esféricas têm maior densidade de material (a densidade mais alta alcançada após vibrar uma amostra do pó até o volume mínimo). Embora partículas maiores e 100% com formas irregulares tenham vantagens econômicas, pode ser necessário, devido às dificuldades do processo, usar uma mistura ou uma distribuição de tamanhos de partículas que tenham morfolo-gias tanto esféricas quanto irregularmente conformadas. Tanto podem ser usadas 100% esféricas, 100% conformadas irregularmente ou alguma proporção de cada uma. A viscosidade correta do estoque de alimentação deve ser usada para formar a forma espiral involuta. Uma carga mais alta de metal produz uma viscosidade mais alta do estoque de alimentação. Se a viscosidade for muito alta, o material não pode ser moldado por injeção. Entretanto, uma viscosidade muito baixa pode fazer um estoque de alimentação que tende à separação metal aglutinante durante a moldagem por injeção. Há vários sistemas aglutinantes previstos para uso no processo de formação de espirais: cera-polímero, com base de acetila, solúvel em á-gua, com base em água ágar e solúvel em água/com encadeamento cruzado. Sistemas de aglutinação com base de "acetila" têm como componentes principais polioximetileno ou poliacetila com pequenas quantidades de polio-lefinas. Os sistemas de aglutinação acetila são cristalinos por natureza. De- vido à cristalinidade, a viscosidade da moldagem é muito alta e isto requer um controle rígido na temperatura da moldagem. Este aglutinante é desaglu-tinado por uma despolarização catalítica química do componente poliacetila pelo ácido nítrico a baixas temperaturas. Este processo de aglutinação e desaglutinação é mais rápido particularmente para peças mais grossas. As temperaturas de moldagem são de cerca de 180°C e as temperaturas dos moldes são de cerca de 100-140°C, que é relativamente alta. É também previsto que um sistema de aglutinação "cera-polímero" pode ser usado. Este sistema de aglutinação têm boa moldabili-dade, mas uma vez que a cera amolece durante a desaglutinação, a distorção é uma preocupação. Ciclos de fixação ou de desaglutinação otimizada são necessários e podem superar isto. É previsto que uma composição de um aglutinante multi-componente pode ser usada de forma que as propriedades mudam gradualmente com a temperatura. Isto permite uma abertura de processo mais ampla. Os sistemas cera-polímero podem ser desagluti-nados na atmosfera ou em fornos a vácuo e por métodos solventes. Temperaturas típicas de moldagem de material são 175°C e as temperaturas dos moldes são tipicamente 40°C. É também previsto que um aglutinante "solúvel em água" pode ser usado. Aglutinantes "solúveis em água" são compostos de polietileno com algum polipropileno, álcool polivinil solúvel em água fria parcialmente hidrolizada, água e massas modeladas. Parte do aglutinante pode ser removida por água a 80-100°C. As temperaturas de moldagem são de cerca de 185°C. Este sistema é ambientalmente seguro, não-prejudicial e biodegradável. Devido às baixas temperaturas de desaglutinação, a propensão para distorções durante a desaglutinação é baixa. É também previsto que os aglutinantes com base de "água-ágar" sejam usados. Os aglutinantes com base de água-ágar têm uma vantagem porque como a evaporação da água é o fenômeno que causa a desaglutinação, nenhuma etapa separada de processamento de desaglutinação é necessária. A desaglutinação pode ser incorporada na fase de sinterização do processo. Uma precaução é que durante a moldagem, possa ocorrer perda de água que afere tanto a carga de metal quanto a viscosidade. Portanto, é necessário ser incorporado um cuidadoso controle para evitar a evaporação durante o processamento. Uma outra desvantagem é que as peças conforme moldadas são macias e requerem precauções especiais de manuseio. Pode ser incorporada uma secagem especial após a moldagem para ajudar o manuseio. É também previsto que um aglutinante "solúvel em água/com encadeamento cruzado" seja usado. Os aglutinantes solúveis em água/com encadeamento cruzado envolvem um enxágüe com água para desaglutinar parcialmente, e então uma etapa de encadeamento cruzado é aplicada. Isto é algumas vezes mencionado como uma reação de estoque de alimentação composto. Os componentes principais são metoxipolietileno glicol e polioxi-metileno. Este sistema aglutinante/desaglutinação resulta em baixa distorção e baixas tolerâncias dimensionais. Também uma alta carga de metal pode ser alcançada quando diferentes tipos de pó são misturados.

Opcionalmente, fixação durante a desaglutinação e/ou sinteriza-ção para ajudar a evitar um desmoronamento parcial. Foi descoberto que "sub-sinterização" (mas ainda adensando o ponto onde o critério densida-de/resistência se encontram) ajuda a manter o controle dimensional. Fixação pode ser executada usando-se formas de espiral de grafite ou cerâmica para minimizar a distorção. A geometria do desenho da espiral deve ser otimizada para a moldagem por injeção de metal. A espessura da parede tão uniforme e fina quanto possível através da peça, e a colocação de machos no molde pode ser usada onde adequado para cumprir isto. A espessura uniforme e mínima de parede minimiza a distorção, acelera a desaglutinação e a sinterização, e reduz os custos de material.

Foi descoberto que o processo de moldagem por injeção de metal descrito produz uma peça muito densa (freqüentemente em excesso de 7,4 de gravidade específica). Este é um aspecto único da moldagem por injeção de metal e produz material com resistência extremamente alta que permitiría espirais mais finas e mais leves que o projeto corrente de ferro fundido. A moldagem por injeção de metal portanto permite vantagens de resistência sobre a técnica anterior de espirais de ferro cinzento lingotado. A densidade final sinterizada da peça espiral (fixa e orbital) deve ser de cerca de 6,5 gm/cm3 mínimo (preferivelmente 6,8 gm/cm3 mínimo). A densidade deve ser distribuída tão uniformemente quanto possível. A densidade mínima deve ser mantida para obedecer os requerimentos de resistência à fadiga da espiral. O escoamento através da porosidade do metal inter-conectado é também uma preocupação devido à perda na eficiência do compressor. A incorporação de densidade mais alta sem nenhum outro tratamento pode ser suficiente para produzir uma pressão firme. Também, a impregnação, o tratamento a vapor ou infiltração (polimérica, óxidos metálicos, ou metálica) pode ser incorporada nos poros para selar os poros inter-conectados, se necessário. A composição do material da parte final deve ser de cerca de 0,6-0,9% de carbono (3,0-3,3% quando grafite livre está presente), 0-10% de cobre, 0-5% de níquel, 0-5% de molibdênio, 0-2% de cromo e o restante sendo ferro. Outros constituintes menores podem ser adicionados para modificar ou melhorar algum aspecto da micro estrutura, tal como temperabili-dade ou pureza da perlita. A micro estrutura final do material deve ser similar ao ferro fundido. Entretanto, uma estrutura contendo grafite pode ser necessária dependendo dos requerimentos tribológicos da aplicação do compressor, uma micro estrutura preferida para o pó metálico não deve conter grafite livre. A presença de grafite livre diminui a compressibilidade do pó e afeta adversamente a precisão dimensional e as tolerâncias. É concebível que uma espiral (por exemplo, o fixo contém grafite e o orbital não contém). O ciclo de sinterização preferivelmente seria executado de tal forma que a peça final contém uma estrutura matriz que é 90% mínimo perlita em volume (descontando os vazios). Se a grafite livre estiver presente, deve estar na forma esférica, irregular ou de flocos. O volume percentual de grafite livre está preferivelmente entre 5% e 20%. Preferivelmente cerca de 10-12% de grafite. O tamanho de grão da grafite (diâmetro) deve ser de cerca de 40-150 mícrons de diâmetro efetivo.

As partículas podem ser concentradas em lugares específicos na espiral que requer propriedades tribológicas especiais (veja Patente N° 6.079.962 aqui incorporada para referência). Ou mais preferivelmente deve ser disperso igualmente através da espiral. O tamanho, forma e dispersão da partícula devem ser cumpridos para manter resistência à fadiga e propriedades tribológicas aceitáveis (baixo desgaste adesivo e abrasivo). O pó metálico aqui deve ser capaz de chocar-se sem escoriar-se no compressor. A presença de grafite dentro de pelo menos um dos espirais permite para esta dupla existir sucessivamente. Os efeitos da mudança dimensional da adição de grafite, se incorporada, devem ser considerados no projeto de moldagem por injeção de metal ou modelagem de pó metálico.

Para manter a grafite livre na estrutura final do pó metálico, duas ou mais distribuições de tamanho diferentes (fino e grande) de partículas de grafite são opcionalmente misturadas. As partículas de grafite mais finas difundem durante a sinterização e formam a perlita. As mais grosseiras partículas de grafite permanecem ou parcialmente permanecem como grafite livre. Deve ocorrer cuidado no processamento térmico de forma a não formar carbonetos livres, que degradam severamente o processamento mecânico. Opcionalmente, a grafite livre pode ser formada revestindo-se a grafite que é necessária para permanecer no estado livre com um metal como o cobre ou o níquel. Os revestimentos metálicos evitam ou pelo menos minimizam a difusão de carbono durante a sinterização.

Em geral, o pó metálico ou os componentes da espiral MIM (injeção de metal moldado) são processados com mais dificuldade que os componentes fundidos ou lingotados. A processabilidade reduzida do pó metálico é provocada pela porosidade, a qual produz micro fadiga da ferramenta de corte e pobre dissipação de calor na ferramenta de corte. Para aumentar a processabilidade, a composição é tal que contenha grafite e tenha alta densidade. A incorporação adicional de manganês e enxofre em quantidades estequiométricas para formar sulfeto de manganês também ajuda a processabilidade. Aproximadamente 0,5% de sulfeto de manganês foram usados para atingir uma processabilidade aceitável. Foi descoberto que a adi- ção vapor oxidante à adição de sulfeto de manganês pode produzir um acabamento de superfície melhorado devido à interação entre os processos. A visão preferida para manter uma boa vida útil para a ferramenta (processabi-lidade) é selar (impregnar) a espiral de pó metálico com um polímero. Os vazios tornam-se cheios. O polímero aumenta a processabilidade pela lubrificação da ferramenta à medida que ela processa e também minimiza o fenômeno de micro-fadiga porque os vazios estão cheios. A forma do polímero para ser aceitável é uma mistura de metacrilato com poliésteres não-saturados. Curas por calor ou anaeróbica trabalham bem. Seladores curados de liga anaeróbica são idealmente adaptados porque o vazio interno em pós metálicos tem falta de oxigênio. Não é necessário produzir a chapa base 12 com um processo de produção de alta precisão porque a forma espiral involuta 10 é a seção mais difícil e cara da espiral para processar. Portanto enquanto a chapa base 12 pode ser feita com técnicas convencionais de lingotamento de areia, tais como processos verticalmente separados, a involuta da espiral pode ser produzida com tecnologia do pó metálico. Um desses processos de lingotamento, DISA (areia verde separada verticalmente), pode ser usado por suas vantagens econômicas relativas se comparado com outros processos de lingotamento de ferro fundido.

Manter-se a precisão dimensional e evitar-se a distorção durante a moldagem e sinterização da forma espiral involuta 10 e suas ferramentas (matrizes e furadores) é crítico. É previsto que uma ou uma combinação das seguintes tecnologias que capacitam pós metálicos possa ser necessária para controlar a distorção da ferramenta involuta.

Em "condensação morna" é usado um material em pó especialmente aglutinado que tem excepcionais características de fluxo quando a-quecido. O pó e a matriz são aquecidos até cerca de 148,9°C (300°F) (antes e durante a moldagem). A condensação morna produz uma peça de pó metálico verde mais forte com uma maior e mais uniforme condição de densidade dentro da peça verde bem como na peça final sinterizada. A maior uniformidade de densidade reduz a chance de distorção na sinterização. Além disso, o compacto verde compactado mornamente é mais forte que as peças moldadas tradicionalmente e, portanto, não racharão tão facilmente durante o manuseio. A compactação morna da forma espiral involuta 10 também permitirá que a peça moldada seja removida da matriz mais facilmente, reduzindo portanto as recusas por ejeção. Uma outra vantagem única da compactação morna é que ela permite o processamento da peça verde (conforme prensada), algumas vezes chamadas de processamento verde. Existem duas vantagens que são mais fáceis de processar porque as peças não estão ainda sinterizadas em toda a sua extensão, e as peças verdes mais fortes para manuseio e sujeição mais fáceis.

Uma outra ajuda no processamento de pó metálico para a forma espiral involuta 10 é "lubrificação da parede da matriz". Nesta técnica, a parede da matriz é revestida com um lubrificante especial, que é um pulverizador na forma sólida ou líquida, e que é estável a altas temperaturas. O lubrificante reduz a fricção nas paredes do pó para a matriz, o que pode melhorar as características de densidade e de fluxo do pó. Além disso a lubrificação das paredes da matriz pode ser usada como uma substituição (ou substituição parcial) para a lubrificação dentro do pó (lubrificação interna). A lubrificação interna pode usar cerca de .75% de lubrificação, enquanto que a lubrificação das paredes da matriz resulte em cerca de .05% de lubrificação interna. Uma menor quantidade de lubrificação interna resulta em maiores densidades, melhor distribuição de densidades, menos fuligem nos fornos, maiores resistências em verde, menos retrocesso no estado verde após a condensação, melhores acabamentos de superfície, e menos força de ejeção requerida. A lubrificação das paredes da matriz pode ser através de um líquido ou um sólido. A parede da matriz necessita ser aquecida até uma temperatura de cerca de 148,9°C (300°F) para liquefazer o lubrificante. O lubrificante liquefeito produz menos fricção metálica. Como uma variante para isto, a lubrificação das paredes da matriz pode ser uma variante que tenha um baixo ponto de fusão (possivelmente da ordem de -37,8°C (100°F)). Sob essas propriedades, o lubrificante das paredes da matriz pode ser facilmente trans- formado em um líquido durante o processo de compactação. Misturando-se lubrificantes de alta e baixa temperaturas pode trazer o ponto de fusão efetivo da mistura para baixo até abaixo do valor do constituinte de mais alto ponto de fusão à medida que a temperatura usada seja maior que um certo valor crítico. O pó lubrificante deve ser bem misturado antes de ser pulverizado na cavidade da matriz. A fluidificação é uma forma aceitável de se cumprir isto. A mistura de lubrificantes com diferentes temperaturas de fusão também ajudam o efeito de fluidificação. Com misturas, deve ser tomado cuidado de forma a não causar a separação física dos lubrificantes misturados durante a fluidificação. Uma destas combinações de lubrificantes é composta de etileno bis-estearamida (EBS), ácido esteárico e ácido láurico.

Uma outra técnica para facilitar a produção de pó metálico da forma espiral involuta 10 é separar por tamanho ou "cunhar" após a sinteri-zação. Este processo exige a prensagem da peça sinterizada em um conjunto de matrizes que refinam a precisão dimensional e reduz as tolerâncias dimensionais em relação às da peça sinterizada. Isto traz a peça ainda mais próxima da forma de rede e de certa forma a reforça.

Um conceito que evita as complicações dos altos estresses nas matrizes e perfuradores é o uso de "sinterização assistida de metal líquido". A forma verde prensada é feita da mesma composição conforme descrito acima, apenas com pressão menor que a normal produzindo menos densidade e um maior nível de porosidade. A menor pressão de prensagem aplica menos estresse nas matrizes aumentando a vida da matriz e os problemas de ejeção. Então, durante a sinterização, cerca de 10% em peso de liga de cobre são fundidos através da peça. A liga de cobre fundido aumenta a taxa de sinterização. Na peça final sinterizada, a liga de cobre traz a resistência da peça para cima. Sem a liga de cobre, a peça sob pressão não seria suficientemente forte. Como benefício colateral, o cobre disperso dentro da peça resultante pode ajudar as propriedades tribológicas durante a operação do compressor. A sinterização assistida de metal líquido, entretanto, aumenta a quantidade de distorções na espiral após a sinterização. A fixação durante a sinterização ou brasagem pode ser necessá- ria para minimizar as distorções dimensionais. A fixação pode ser realizada usando-se formas espirais de grafite ou cerâmica que ajudam a manter a forma da cobertura da espiral. Outras configurações de fixação, tais como esferas que poderíam ser colocadas entre as coberturas da espiral para a-poiá-las podem ser usadas. Também, uma vez que a forma e o tamanho da peça muda durante a sinterização, as forças de fricção entre a peça e a bandeja de apoio são importantes. Pode ser necessário aumentar-se ou diminuir-se a fricção dependendo da razão. Diminuir a fricção é a forma mais comum de reduzir a distorção e pode ser executado pela aplicação de pó de alumina entre as peças e a bandeja. A consistência e a uniformidade do pó e a composição da peça podem também minimizar as tolerâncias dimensionais. A segregação durante a alimentação do pó pode ocorrer. A alimentação de pó e os mecanismos de transferência que evitam a segregação do pó são críticos. Uma forma de evitar isto é usar-se pós pré-ligados ou aglutinados por difusão. Nesses casos, cada partícula de pó tem a mesma composição de forma que a segregação se torna suave. Uma outra forma simples de evitar isto é encher o mais rápido possível. A escolha do aglutinante e o fluxo de pó resultante afeta a estabilidade dimensional (distorção da escória) pela redução da variação da densidade ao longo da peça. O fluxo de pó deveria ser suficientemente alto para produzir uma densidade uniforme das espessuras grossas para as espessuras finas, mas não muito alto para encorajar a separação dos tamanhos de partícula. Aqui novamente aglutinantes à alta temperatura trabalham melhor para evitar problemas de fluxo.

Os controles adequados do processo em todas as etapas críticas na produção de componentes de espiral de pó metálico podem também afetar a precisão dimensional e a dificuldade de usinagem. Dois exemplos de tal etapa crítica a serem monitorados são as propriedades das peças verdes (densidade e dimensões) e a uniformidade da temperatura do forno de sinterização dentro de um carregamento.

As próprias matrizes podem ser permanentemente revestidas com lubrificante para minimizar a fricção. Revestimentos tais como diamante ou cromo foram usados. Os revestimentos das matrizes permitem que menos lubrificantes sejam necessários no pó o que reduz as bolhas e aumenta a resistência verde e a compressibilidade conforme expressas acima na seção de lubrificação das paredes. A escolha do material é crítica para minimizar a distorção. É crítico para a estabilidade dimensional escolher os elementos de ligação com a razão ótima: por exemplo, carbono e cobre devem ser proporcionais de forma que um teor mais alto de cobre (cerca de 3-4%) seja evitado especialmente quando a concentração de carbono é baixa (menos que 0,6%). Além disso, a escolha dos métodos de produção da liga de pó é crítica. Métodos de difusão ou de ligas aglutinadas são preferidos devido à uniformidade e à consistência da composição que resulta se comparado às versões misturadas. Ligas similares à MPIF FD-0408 ou FC-0208 podem ser bem satisfeitas para espirais a partir de uma perspectiva dimensional. O enchimento completo da matriz com o pó é essencial. Para permitir que o pó encha completamente a matriz, técnicas tais como vibração, fluidificação, ou vácuo podem ser usadas para ajudar a transportar o pó na cavidade da forma espiral. A segregação do pó deve ser evitada durante a vibração conforme previamente mencionada. Alimentação do pó pelo fundo ou alimentação pelo fundo e pelo topo pode também ser necessária para alcançar este fim.

Em outra modalidade da presente invenção, toda a espiral seria moldada como formas sólidas de geometria simples. Então, no estado conforme moldado ou "verde", os detalhes da forma espiral involuta 10, do eixo 16, e da chapa base 12 seriam usinados. A espiral seria então sinterizada como normalmente. A espiral seria então usada no estado ou alguma usina-gem final seria necessária para compensar a distorção da sinterização. Com processos de usinagem assistidos por computador, as grandes quantidades de usinagem que esta modalidade requer é praticável. A forma espiral involuta sólida verde 10 seria feita por um processo e de um material que permita uma resistência verde suficiente para suportar os estresses de usinagem e os estresses de pressão necessários à sua usinagem. Neste caso, os pós são revestidos com um agiutinante que pode resistir às temperaturas mais altas de compactação de até cerca de 148,9°C (300°F). O limite de resistência à tração da peça verde deveria ser 20,7 MPa (3000 psi) mínimo para esta modalidade.

Figuras 8-10 representam micro fotografias dos componentes da espiral da presente invenção. Figuras 8-9 representam a chapa base e a extremidade da forma espiral involuta respectivamente a uma ampliação de 500 x. Está mostrada a estrutura perlítica sem nenhuma estrutura de grafite presente. A Figura 10 representa a forma espiral involuta do pó metálico a 100x em um estado não-entalhado. É visível a porosidade no material sinte-rizado. O selador polímero reside dentro da porosidade. A descrição da invenção é meramente exemplar por natureza, e assim variações que não fujam da essência da invenção devem ser consideradas dentro do escopo da invenção. Tais variações não devem ser consideradas como uma fuga do espírito e do escopo da invenção.

Claims

1. Membro espiral (8) caracterizado por uma forma espiral de pó de ferro sinterizado e poroso definindo uma porção involuta (60) e uma porção de chapa de base (12); um eixo de suporte (16) compreendendo um material metálico; uma junta de solda-brasagem sinterizada disposta entre a porção de chapa de base (12) da forma espiral porosa e o eixo de suporte (16).

2. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um pó de ferro tendo pelo menos 90% de estrutura perlítica.

3. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tem cerca de 0-12% de grafite.

4. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tem cerca de 10-12% de grafite.

5. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a forma espiral (10) também define pelo menos um entalhe capaz de aceitar metal líquido.

6. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que também inclui pelo menos uma projeção sacrifi-cial que seja capaz de tornar-se líquida durante um processo de acoplamento.

7. Membro espiral, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a junta de solda-brasagem sinterizada é formada pela disposição de urn material de soiaagem disposto entre a porção de chapa de base (12) e o eixo de suporte (16).

8. Método para formação de um componente espirai caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (i) introduzir um pó de ferro com um diâmetro médio maior ou i-guai a 5 micrometros em uma cavidade de molde de forma espiral involuta (10) para formar uma forma espiral involuta verde; (ii) remover a forma espiral involuta verde a partir da cavidade do molde; e (iii) sinterizar a forma espiral involuta verde até que a forma espiral sinterizada tenha pelo menos 90% em volume de estrutura perlítica e de 5-20% em volume de grafite livre.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que também compreende a etapa de combinar o pó de ferro com um aglutinante para formar uma mistura.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o pó de ferro também compreende elementos selecionados do grupo carbono, níquei, moiibdênio, cromo, cobre e suas misturas.

11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o pó de ferro compreende ainda elementos selecionados do grupo de 0,7-3,5% de carbono, 0-10% de cobre, 0-5% de níquel, 0-5% de molibdênio, 0-2% de cromo e suas misturas.

12. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a forma espiral involuta compreende cerca de 12% de grafite livre.

13. Método, de acordo com a reivindicação 8. caracterizado pelo fato de que o pó de ferro tem uma pluralidade de morfologias tendo pelo menos dois diâmetros médios

14. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que também inclui a etapa de misturar partículas de grafite revestidas de meta! com o pó de ferro.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as partículas de grafite revestidas de metal incluem partículas de grafite revestidas com cobre.

16. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pe-io fato de que também inclui a etapa de misturar sulfeto de manganês com o nó Ho forro

17. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que também inclui a etapa de usinar a forma espiral involuta verde após a mesma ser removida do molde.

18. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pe- Io fato de que a forma espiral involuta verde é sinterizada até que a forma espiral involuta tenha uma densidade de mais que cerca de 6,8 gm/cm3.

19. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a forma espiral sinterizada tem, em volume, cerca de 10-12% de grafite.