CN104520588A - 旋转式压缩机用叶片 - Google Patents

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Abstract

为了提供可以适用于旋转式压缩机的、轻量且即使不进行封孔处理空穴也不会连通的铁基烧结合金叶片，在以铁为主体的烧结体中，使密度为5.5g/cm3以下的低比重的化合物粒子分散，从而维持烧结体强度并实现轻量化，另外，通过提高铁基体的烧结性，可得到空穴不会连通的烧结体。

Description

旋转式压缩机用叶片
技术领域
本发明涉及适用于旋转式压缩机的铁基烧结合金叶片(以下也称为“烧结铁叶片”)。
背景技术
叶片型的旋转式压缩机，作为一例，如图1所示，具有使内周截面为非圆形的气缸2的内侧进行旋转运动的转子1，叶片3被插入在转子1的外周部所形成的凹槽中，在未图示的弹簧或液压、进一步因旋转运动的惯性力的作用而从后面被推向气缸2，由此叶片3的前端部与气缸2的内周面抵接，由叶片3、转子1、气缸2及未图示的侧板在气缸2内形成多个工作空间6。在转子1上紧固有轴7，由未图示的动力源使轴7旋转，从而转子1在气缸内旋转。若转子1旋转，则工作空间6的容积发生变化，因此会从吸入口4吸入制冷气体，并压缩工作空间6内的制冷气体，从喷出口5喷出压缩的制冷气体而作为压缩机发挥作用。作为叶片型旋转式压缩机，除了图1所示的以外，还有气缸2的内周截面为圆形，使气缸2的中心与转子1的中心偏心的形式的压缩机；叶片3不在转子1的外周部，而是配置在气缸2侧的压缩机。
因为有高载荷作用于这样的机构之中所使用的叶片3的抵接面，所以要求耐磨耗性高的材料。迄今为止，使用的有高铬铸铁、马氏体系不锈钢(SUS440C)、高速工具钢(SKH51)等的熔炼材料、高速工具钢(SKH51)烧结材料、高强度铝合金、铝含浸碳等。高强度铝合金和铝含浸碳等，与铁系材料相比因为轻量，所以具有降低压缩机的重量，降低转子旋转时的叶片的惯性力，还有肃静性等的优点，但却有材料费高昂这样的问题。
若将铁系材料的叶片(以下称为“铁叶片”)与高强度铝合金的叶片(以下称为“铝叶片”)加以对比，则铁叶片其比重(密度)是铝叶片的约3倍，所以转子旋转时的叶片的惯性力比铝叶片大得多。因此，就存在叶片与气缸的各自的滑动部、与叶片的转子或侧板的接触部的磨耗增大的问题，以及转子在旋转起动时叶片与气缸的碰撞声变大这样的问题。
作为这些问题的应对，在日本特开2006-322414中公开有一种铁叶片，其是在叶片上形成减重部而使之轻量化，以实现磨耗的降低，再将橡胶和树脂等嵌插入减重部以降低噪音。
另外，在日本特开平8-49048中公开有一种烧结铁叶片，其是用C：0.6～1.3％、Cr：3.4～4.8％、Mo：3.6～5.5％、V：1.4～3.0％、W：5.2～7.0％的工具钢粉末，使之具有一定比例的空穴，由此使烧结密度为6.0～7.4g/cm3，相对于没有空穴而言，可使硬度大幅降低，从而减少滑动对方的转子与气缸的磨耗。此外，在日本特开平11-13668中还公开，对于日本特开平8-49048的铁叶片实施借助蒸汽处理等的封孔处理，再进行软氮化处理。
但是，日本特开2006-322414和日本特开平8-49048的烧结铁叶片，通过减重部的形成使之拥有空穴而低密度化，虽然相对于相同组成的熔炼铁叶片来说可使之轻量化(例如，约15％)，但实际情况是，仍不能充分解决磨耗和声音的问题。由减重部进一步形成和进一步低密度化带来的轻量化，也可能因空隙部和空穴的增加造成材料强度的降低和磨耗量的增大、使用中的压曲、折损，或也可能因空穴的连通而发生制冷气体的泄漏量的增加。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其课题在于，提供一种轻量、且即使不进行封孔处理，空穴也不会连通的、适用于旋转式压缩机的铁基烧结合金叶片。
本发明者们对于烧结铁叶片进行锐意研究的结果，想到了在以铁为主体的烧结体中使低密度的化合物粒子分散，由此能够维持烧结体强度并实现轻量化，另外通过提高铁基体的烧结性，能够得到空穴不会连通的烧结体。
即，本发明的铁基烧结合金叶片，是用于旋转式压缩机的叶片，其特征在于，由分散有密度5.5g/cm3以下的化合物粒子的铁作为主成分的烧结体构成，所述烧结体的密度处于5.4～6.5g/cm3的范围。优选所述化合物粒子耐磨耗性和/或润滑性优异，更优选由从Al、Ti、Si、B的氮化物或氧化物，Mo、Mn的硫化物，和碱土金属或者稀土类的氟化物或氧化物中选择的至少一种或两种以上构成。另外，进一步优选所述化合物粒子其平均粒径为1～200μm，分散量为15～45体积％。
所述烧结体的基体，优选由如下构成：以质量％计含有C：0.2～2.0％；从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V和Co中选择的一种或两种以上：0.5～10％；和余量为Fe及不可避免的杂质。
另外，本发明的铁基烧结合金叶片的制造方法，其特征在于，是由如下所述的烧结体构成的用于旋转式压缩机的铁基烧结合金叶片的制造方法，所述烧结体通过将铁系粉末、合金化粉末、石墨粉末及化合物粒子粉末的混合粉末冲压成形，并烧结而进行制造，且以分散有化合物粒子的铁为主成分，密度为5.4～6.5g/cm3，其中，所述烧结体的化合物粒子的密度为5.5g/cm3以下。添加到所述烧结体的基体中的C以外的合金元素，优选是从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V和Co中选择的一种或两种以上，并且，以质量％计限制在10％以下。
发明的效果
本发明的铁基烧结合金叶片，相比现有的熔炼铁叶片更轻量，能够抑制转子旋转时的惯性力，大幅降低叶片与气缸的滑动部、还有与叶片的转子以及侧板的接触部的磨耗，此外还减轻转子起动时的碰撞声。另一方面，通过提高基体的烧结性，即，C以外的合金元素是从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的一种或两种以上，并且，以质量％计限制在10％以下，即使化合物粒子复合，也能够得到致密的烧结体，因此空穴不会连通，能够得到气密性高的烧结铁叶片。因此，也能够避免拥有一定比例的空穴的现有的烧结铁叶片上产生的制冷气体的泄漏的问题。当然，也不需要进行蒸汽处理等的封孔处理。除了轻量化以外，如果使用具备耐磨耗性和/或润滑性的化合物粒子，则可以进一步提高耐磨耗性，也不需要对叶片进行浸碳、浸硫和镀敷等的表面处理。
附图说明
图1是表示应用了本发明的铁基烧结合金叶片的旋转式压缩机的一例的截面的概略图。
图2是表示本发明的实施例1的烧结体的显微镜组织的照片。
图3是表示用于本发明的铁基烧结合金叶片的耐磨耗性评价的磨耗试验机的概略图。
具体实施方式
本发明的铁基烧结合金叶片，由以铁为主体的合金的基体，和分散在基体中的化合物粒子构成，密度处于5.4～6.5g/cm3的范围。另外，分散的化合物粒子的密度为5.5g/cm3以下。若烧结体的密度低于5.4g/cm3，则本发明的烧结体在强度上不充分，磨耗量增大。另一方面，若烧结体的密度高于6.5g/cm3，则轻量化不充分。化合物粒子例如，优选是从Al、Ti、Si、B的氮化物或氧化物，Mo、Mn的硫化物，碱土金属的氟化物或氧化物，稀土类的氟化物或氧化物等中选择的化合物粒子。从密度这一点出发，优选h-BN(密度2.2g/cm3)、CaF2(密度3.18g/cm3)、Si3N4(密度3.22g/cm3)、AlN(密度3.26g/cm3)、c-BN(密度3.48g/cm3)，从化学的稳定性这一点出发，优选为Al2O3(密度3.98g/cm3)、h-BN、c-BN、AlN、CaF2等。另外从润滑性这一点出发，优选h-BN、CaF2、MnS(密度3.99g/cm3)等。但是，具有平板状的形状的h-BN，h-BN彼此接触的概率高，在h-BN邻域形成的空穴连通的可能性高，因此要注意分散量等。本发明的烧结体通过将铁系粉末、合金化粉末及化合物粒子粉末的混合粉末冲压成形，并进行烧结而制造。在成形体基体中的化合物粒子的体积不会因压缩而减少这一点上，即，维持低密度这一点上，优选化合物粒子为非压缩性的粒子。从上述全部的事项考虑，特别是优选CaF2。当然，也优选一并使用承担着耐磨耗性的Al2O3等的耐磨耗化合物粒子、和承担着润滑性的MnS等的润滑性化合物粒子。还有，化合物粒子能够使用平均粒径为1～200μm的，最佳的分散量依存于化合物粒子的种类、尺寸和形状。一般来说，若使铁系粉末和化合物粒子复合，则因为化合物粒子有阻碍烧结的作用，所以，若达到化合物粒子之间接触的复合量，则致密化也会变得困难。例如，如果是平均粒径为5～100μm并为等轴形状的化合物粒子，则优选使分散量为15～45％，更优选为20～40％。
在本发明中，为了复合比较大量的化合物粒子而使烧结体致密化，优选基体为易烧结性。但是，为了基体的耐磨耗性，也需要不阻碍烧结性这种程度的合金化元素。烧结体的基体，优选由如下构成：以质量％计含有从C：0.2～2％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的一种或两种以上：0.5～10％，和余量Fe及不可避免的杂质。如果从所述Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的合金元素为0.5～5％则更为优选。C在基体中固溶而具有基体强化的效果，并且与其他的合金化元素形成碳化物而使耐磨耗性提高。0.2～2％的C添加量，形成马氏体和/或珠光体的基体组织，具备适度的韧性，并且提高耐磨耗性。从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的一种或两种以上的合金元素，基本上使基体的硬度和强度提高，或形成微细而硬的碳化物，使耐磨耗性提高。
本发明的铁基烧结合金叶片，通过将铁系粉末、合金化粉末、石墨粉末及化合物粒子粉末的混合粉末冲压成形，进行烧结而制造。化合物粒子的密度在5.5g/cm3以下，另外添加到基体中的合金化元素的量限制在0.5～10质量％。作为铁系粉末，也可以使用铁粉或预先合金化成规定的组成的合金粉末(预合金化合金粉末)，合金化粉末优选为铁合金。另外，铁粉优选在45～150μm具有峰值的水雾化铁粉。也可以在原料粉末的混合粉末中，相对于原料粉末的合计量，作为脱模剂而调合0.5～2质量％的硬脂酸盐等。烧结优选通过将冲压成形的成形体，在真空或者非氧化性或还原性气氛中，在1050～1200℃的温度范围焙烧而进行。作为还原性气氛，具体来说，优选使用NH3、N2与H2的混合气体等的气氛。
【实施例】
实施例1～4以及比较例1和2基体的组成为C：1质量％，Cu：3质量％，余量是Fe，作为化合物粒子，以使CaF2为20、30、40、10体积％(实施例1～4)的方式，在平均粒径75μm的水雾化铁粉中，以规定的调合量混匀石墨粉末、电解Cu粉末、平均粒径45μm的CaF2粉末，将此混合粉末作为原料粉末。将该原料粉末填充到金属模具中，以5ton/cm2冲压成形。但是，在比较例1和2(不含化合物粒子)中，使冲压成形的压力为3.5ton/cm2，以使之拥有一定比例的空穴。将所得到的成形体在1120℃的真空气氛中烧结，制作的圆板状烧结体的气体泄漏试验片，和5mm×5mm×30mm的棒状烧结体的磨耗试验片原材。关于比较例1，在氧化气氛中加热至560℃，使之与蒸汽反应，进行在表面生成四氧化三铁(Fe3O4)的蒸汽处理。
对于实施例1～4以及比较例1和2的烧结体，根据阿基米德法测量密度，另外，利用光学显微镜观察实施例1的进行过镜面研磨的面。各烧结体的密度如表1所示，拥有空穴的比较例1和2均为6.8g/cm3(在蒸汽处理中未见密度的变化)，相对于此，在实施例1～4中，进一步轻量化至5.5～6.4g/cm3。另外，光学显微镜照片显示在图2中，但在亮白色的基体8、暗灰色的CaF2粒子9、和CaF2粒子的周边由微细的空穴(细孔)10构成。CaF2粒子9由于基体8的介入而三维地分离、独立，因此可知，空穴10不会连通(即使是局部性的连通，也不会从试验片的一侧的面连通至相反的面)。
[1]气体泄漏试验
关于气体泄漏试验，通过如下方式进行：以隔断钢管内的通气路径的方式配置所制作的气体泄漏试验片，从一端流入试验气体，测量通过试验片的气体的流量。结果显示在表1中，但以作为1的相对比率表示比较例1的气体泄漏量。可知实施例1～4与进行了蒸汽处理的比较例1为大体相同的水平，但如果与没有进行蒸汽处理的比较例2比较，则减少至1/6以下。
[2]耐磨耗试验
关于耐磨耗试验，其进行是使用图3所示的磨耗试验机，将由作为叶片材的耐磨耗试验片原材对前端研磨成R形状的磨耗试验片11，以规定的载荷(图3中使用空气气缸13)按压在相当于气缸材(铝合金，A390)所构成的旋转的鼓型滑动对方材12上。计算试验前后的磨耗试验片的深度方向的形状变化作为磨耗量。还有，从润滑油供给管14以规定的速度供给润滑油。试验条件为，试验温度：100℃，试验时间：5小时，滑动速度：1.0m/sec，载荷：100N，润滑油供给量：300cc/min。结果显示在表1中，但以作为10的相对比率表示比较例1的磨耗量。关于磨耗量，也可知实施例1～4减少至比较例2的1/3以下。
[表1]
实施例5
作为化合物粒子，使用平均粒径10μm的Al2O3粒子代替CaF2粒子，除此以外均与实施例1同样地制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验，其结果是，密度为6.2g/cm3，气体泄漏比率为0.96，磨耗量比是2.1。
实施例6
作为化合物粒子，使用平均粒径70μm的CaF2粒子，代替平均粒径45μm的CaF2粒子，作为基体的合金元素，使用1.0质量％的Mo代替3.0质量％的Cu，除此以外，均与实施例1同样制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验，结果为：密度是6.1g/cm3，气体泄漏比率是0.78，磨耗量比是2.3。
比较例3
以基体的Cr为10.5质量％的方式使用铬铁粉末，来代替使Cu为3.0质量％的电解Cu粉末，除此以外，均与比较例1同样地制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材，此外与比较例1同样地进行蒸汽处理。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验，结果为：密度为6.4g/cm3，气体泄漏比率为4.50，磨耗量比为13.0。
比较例4
使用以C为2.2质量％代替C为1.0质量％的方式调整了添加量而得到的石墨粉末，除此以外均与比较例1同样地制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材，此外与比较例1同样进行蒸汽处理。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验，结果为：密度为6.7g/cm3，气体泄漏比率为2.40，磨耗比率为9.5。
实施例7～10
按照基体为表2所示这样的组成的方式使用这样多种的铁合金粉末，除此以外，均与实施例1同样，制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验的结果显示在表3，实施例7～10中，气体泄漏量与比较例1在大体相同的水平，但如果与没有进行蒸汽处理的比较例2比较，则减少至1/6以下，关于磨耗量，也是少于比较例1、2的结果。
[表2]
[表3]
实施例11～16
作为化合物粒子，使用表4所示的化合物粒子代替CaF2，除此以外，均与实施例1同样，制作气体泄漏试验片和磨耗试验片原材。进行密度测量、气体泄漏试验、磨耗试验的结果也同显示在表4中，实施例11～16中，气体泄漏量与比较例1大体为相同水平，但如果与未进行蒸汽处理的比较例2比较，减少至1/6以下，关于磨耗量，也是少于比较例1、2的结果。
[表4]
实施例11的Al2O3/MnS以体积％计为10/10，其他的化合物粒子的量为20体积％。

Claims (6)

1.一种铁基烧结合金叶片，是用于旋转式压缩机的叶片，其特征在于，其由分散有密度为5.5g/cm3以下的化合物粒子的铁作为主成分的烧结体构成，所述烧结体的密度处于5.4～6.5g/cm3的范围。
2.根据权利要求1所述的铁基烧结合金叶片，其特征在于，所述化合物粒子由从Al、Ti、Si、B的氮化物或氧化物，Mo、Mn的硫化物，以及碱土金属或稀土类的氟化物或氧化物中选择的至少一种或两种以上构成。
3.根据权利要求1或2所述的铁基烧结合金叶片，其特征在于，所述化合物粒子的平均粒径为1～200μm，分散量为15～45体积％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的铁基烧结合金叶片，其特征在于，所述烧结体的基体以质量％计含有C：0.2～2.0％；从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的一种或两种以上：0.5～10％；以及余量为Fe和不可避免的杂质。
5.一种铁基烧结合金叶片的制造方法，其特征在于，其是由如下的烧结体构成的用于旋转式压缩机的叶片的制造方法，
所述烧结体通过将铁系粉末、合金化粉末、石墨粉末和化合物粒子粉末的混合粉末进行冲压成形，并进行烧结而制造，且以分散有化合物粒子的铁为主成分，密度为5.4～6.5g/cm3，
其中，所述化合物粒子的密度为5.5g/cm3以下。
6.根据权利要求5所述的铁基烧结合金叶片的制造方法，其特征在于，添加到所述烧结体的基体中的C以外的合金元素是从Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及Co中选择的一种或两种以上，并且以质量％计限制在10％以下。
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