CN101020992A - 一种用于压缩机的粉末冶金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压缩机的粉末冶金材料,其特征在于由Si、Cu、Mg、Fe、Mn、Ni、Ti、Al组成,其各组分质量百分含量为:Si17.5~20%;Cu3~5%;Mg1~1.5%;Fe4.5~6.5%;Mn<0.1%;Ni<0.1%;Ti<0.1%;剩余部分为Al。本发明材料在保证较高力学性能的前提下,具有高耐磨性、高温稳定性和尺寸稳定性,适用于制作活塞、叶片等高精度运动型承载零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料,特别涉及一种用于旋叶式汽车空调压缩机的可以增加材料强度、耐磨性以及降低膨胀系数的粉末冶金材料。
背景技术
旋叶式汽车空调压缩机是一种先进技术的汽车空调压缩机,应用非常广泛。这种压缩机的特点是结构简单、性能可靠、环保节能,特适用于中小排量汽车。其工作原理是:当转子1在外力作用下旋转时,转子上的五个叶片2由于受到离心力和油压差的共同作用,使其边缘紧贴在气缸3内壁,与端板4组成封闭的容积。转子的旋转使封闭容积不断发生变化,从而实现气缸上的吸气孔6吸气,气体压缩,排气孔7排气等功能(参见图2a)。目前这种产品的转子和气缸等都是钢铁材料,叶片采用的是一种高硅变形铝合金材料——Y430。但Y430材料在实际应用中却存在不理想的地方:如膨胀系数偏高、强度不足等。为此,在产品设计上采用增加叶片高度来改变受力情况,以及增加长度方向与端板4的间隙(参见图2b)的方法进行弥补。而增加叶片高度,会使叶片停留在转子槽内的部分增加;增加叶片长度方向的间隙,会使气缸的内泄漏增大。这些都将导致压缩机性能的降低。
如果将压缩机的转子和气缸等材料由钢铁改为铝合金,不仅使压缩机重量减轻20%,还使压缩机的性能得到一定的提升:如功耗下降,噪音降低等。另外铝合金零件的成型及加工性能也优于钢铁零件,可降低加工成本。
若将压缩机的转子和气缸等材料由钢铁改为铝合金,会使原来的压缩机叶片材料(Y430)不再适合新的工况,必须开发新的高强度叶片材料进行替代。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于压缩机的粉末冶金材料,它在保证较高力学性能的前提下,具有高耐磨性、高温稳定性和尺寸稳定性,适用于制作活塞、叶片等高精度运动型承载零件。
本发明的技术方案是,本发明材料由Si、Cu、Mg、Fe、Mn、Ni、Ti、Al组成,其各组分质量百分含量为:Si17.5~20%;Cu3~5%;Mg1~1.5%;Fe4.5~6.5%;Mn<0.1%;Ni<0.1%;Ti<0.1%;剩余部分为Al。
上述材料较好的组成为(质量百分含量):Si20%;Cu4%;Mg1.5%;Fe5%;Mn<0.1%;Ni<0.1%;Ti<0.1%;剩余部分为Al。
按照通常的粉末冶金材料的制备方法,对上述成分的材料进行熔炼、喷粉,然后粉末预成型、挤压、固容、时效,即可得到本发明所述材料。所得材料用于加工活塞、叶片等零件,可以满足高精度运动型承载零件的工艺要求。
本发明的优点如下:
由于采用粉末冶金成型工艺制备,可使合金在含有大量Si和Fe的同时,不会产生粗大的硅相和针状β(Al9Fe2Si)相等不利组织。本发明采用常规的粉末冶金材料的冶炼方法,在喷粉过程中,合金的冷却速度达到了104~106℃/秒,抑制了粗大相的形成。取而代之的是具有高体积分数,弥散分布的第二相,极大改善了合金的力学性能和物理性能。
Si的作用主要是提高合金的耐磨性、尺寸稳定性和降低膨胀系数。Fe会形成β(Al9Fe2Si)相和Al8FeMg3Si6相,可以提高合金硬度(特别是高温抗软化性能),同时对合金耐磨性,尺寸稳定性有进一步改善。
Cu和Mg在合金中的作用同在其它普通合金中的作用一样,是合金的强化元素。
将汽车空调压缩机中包括转子和气缸在内的零件改变为铝合金时,采用本发明所述材料制作的叶片,不仅缩短了高度,长度方向的间隙也减小了。工作中叶片停留在转子槽内的部分相应减少,内泄漏的降低,都使得压缩机可靠性增强,性能得以大大提升。
采用本发明所述材料制作的旋叶式汽车空调压缩机叶片,其抗拉强度提升了5%,硬度提升了17%,平均线膨胀系数降低了11.6%。叶片的耐磨性更好,延长了压缩机寿命。
附图说明
图1为本发明材料的微观组织结构照片;
图2a为汽车空调压缩机的工作原理示意图;
图2b为汽车空调压缩机的结构示意图;
图3a为采用Y430材料制作叶片时,转子与叶片在汽车空调压缩机中的位置关系示意图;
图3b为采用本发明材料加工叶片时,转子与叶片在汽车空调压缩机中的位置关系示意图。
图中,1为转子,2为叶片,3为气缸,4为端板,5为转子槽,6为吸气孔,7为排气孔。
具体实施方式
用表1所述配方,按照粉末冶金材料的通常冶炼方法,进行熔炼、喷粉,然后粉末预成型、挤压、固容、时效,即可得到本发明所述材料。(以下为质量百分含量)
表1
合金编号 | Si | Cu | Mg | Fe | Mn | Ni | Ti | Al |
1 | 17.5 | 3 | 1 | 4.5 | <0.1% | <0.1% | <0.1% | 余量 |
2 | 19 | 4 | 1.2 | 6.5 | <0.1% | <0.1% | <0.1% | 余量 |
3 | 20 | 5 | 1.5 | 5 | <0.1% | <0.1% | <0.1% | 余量 |
按照上述配方用下面方法制备得到本发明材料:
在950~1100℃温度下的高频炉内快速熔炼20~40分钟,然后采用高压氮气喷粉,得到颗粒直径为10~20μm的粉末,以104~106℃/秒的冷却速度将粉末冷却至室温。将粉末预成型后,在挤压机上通过模具用350~450吨压力直接压出。随后进行470~505℃下固容和160~200℃下时效的热处理,即得本发明所述高强度耐磨粉末冶金材料——ASCM-P。所得高强度耐磨粉末冶金材料——ASCM-P的微观组织结构参见图1。所得材料制作的叶片可以提高旋叶式汽车空调压缩机性能。
将Y430材料与本发明所述高强度耐磨粉末冶金材料ASCM-P进行比较(见表2)
表2
Y430 | ASCM-P | ||||
成分(%) | 成型工艺 | 性能 | 成分(%) | 成型工艺 | 性能 |
Si13、Cu8、Mg1、Mn<0.3、Fe<0.5、Al余量 | 熔炼(750℃~800℃)、挤压300~400吨)、固容(465~495℃)、时效(160~200℃) | HRB:73~82、抗拉强度>410MPa、延伸率>4.5%、膨胀系数19.8×10-6/K | Si17.5~20、Cu3~5、Mg1~1.5、Fe4.5~6.5、Mn<0.1、Ni<0.1、Ti<0.1、Al余量 | 熔炼(950~1100℃)、喷粉(颗粒直径10~20μm)、粉末预成型、挤压(350~450吨)、固容(470~505℃)、时效(160~200℃) | HRB:88~96、抗拉强度>430MPa、延伸率>3%、膨胀系数17.5×10-6/K |
参见图3。采用本发明材料,申请人实际应用中,将包括转子1和气缸在内的零件变为了铝合金,叶片的高度缩短了1.7cm(这种变更是基于叶片材料强度的提高),使得叶片2停留在转子槽5内的部分相应减少。同时可以将原来叶片长度方向与端板的配合间隙减小21μm(参见图2b),以降低内泄漏,因此使压缩机的性能得以相应提升。
结论:采用本发明所述材料制作的叶片,其强度和耐磨性显著提高,可适应更恶劣工况;由于膨胀系数减小,叶片的结构和间隙可以做到更小,提升了压缩机性能。
本发明所述材料可以用于制备其它旋叶式空气压缩机的叶片,有本发明所述同样的效果。
Claims (2)
1.一种用于压缩机的粉末冶金材料,其特征在于由Si、Cu、Mg、Fe、Mn、Ni、Ti、Al组成,其各组分质量百分含量为:
Si 17.5~20%;
Cu 3~5%;
Mg 1~1.5%;
Fe 4.5~6.5%;
Mn <0.1%;
Ni <0.1%;
Ti <0.1%;
剩余部分为Al。
2.根据权利要求所述的用于压缩机的粉末冶金材料,其特征在于各组分质量百分含量为:
Si 20%;
Cu 4%;
Mg 1.5%;
Fe 5%;
Mn <0.1%;
Ni <0.1%;
Ti <0.1%;
剩余部分为Al。
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