CN105568152A - 合金粉末和合金原料组合物以及合金件及其成型方法与叶片和滚子压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金粉末和合金原料组合物以及合金件及其成型方法与叶片和滚子压缩机。其中，以合金粉末100重量％为基准，该合金粉末包括：0.6～1.8重量％的C，3.2～5.0重量％的W，1.6～3.8重量％的Mo，0.5～3.5重量％的Cr，1.5～3.8重量％的V，0.5～2.8重量％的Nb，0.2～0.4重量％的Si，0.15～0.40重量％的Mn，以及余量的Fe和不可避免的杂质。本发明所提供的合金粉末通过提供具有特定原料含量的合金粉末，有利于改善由该合金粉末所制备合金件(例如叶片)的摩擦学性能。

Description

合金粉末和合金原料组合物以及合金件及其成型方法与叶片和滚子压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机制造领域，具体而言，涉及一种合金粉末和合金原料组合物以及叶片及其成型方法与叶片和滚子压缩机。

背景技术

滚子压缩机叶片(滑片)与气缸、滚子之间存在很高的相对运动速度，使得机械摩擦比较严重，易产生较大的磨损和能量损失，降低了压缩机的使用寿命和效率。现有的转动滚子式压缩机滑片材料多采用表面渗氮处理的不锈钢11Cr17和M2高速钢(W₆Mo₅Cr₄V₂)等，它们的成分如表1所示。目前不锈钢和高速钢滑片的生产方法主要流程如图1所示：将原料混合后经熔炼形成钢液、经浇铸工艺制备出铸锭，经熔炼/轧制形成钢材，经热处理后切削形成坯料，经铣削成半精件，经磨抛成精件，再经热处理成半成品，然后经渗氮/镀层为成品。

表1传统叶片材料M2高速钢和不锈钢11Cr17的成分

通过对实际机器的观察发现，目前11Cr17不锈钢和M2高速钢滑片的耐磨性仍不能很好地满足压缩机性能和可靠性要求，在压缩机长期运行后常出现叶片表面过度磨损的情况。经分析，滑片端部出现的摩擦损失最大，约占总损失的87.1％；其次是侧面摩擦损失，约占总损失的12.6％。

一般情况下，材料的硬度越高，材料组织中硬质相数量越多、尺寸越小且分布越均匀，则材料的耐磨性越好。然而，由于传统高速钢材料的相图中固相线与液相线之间的温度区间宽，铸造时易出现合金元素和碳化物偏析，形成网络状碳化物，加之铸锭冷却速度不均匀，易产生宏观的组织和成分的不均匀性，降低了高速钢的力学性能和耐磨学性能，而且使得高速钢的成分设计受到限制。因此，铸造后的高速钢材料需要经过锻压等热加工将碳化物打碎分散，并使化学成分相对均匀化。而不锈钢材料本身的耐磨性较差，组织内部也没有可以抵抗磨损的硬质相。因此，传统的叶片材料在性能、工艺等方面难以符合叶片材料的优化要求。

为了提高高速钢和不锈钢叶片的使用性能，许多厂家和学者们做出了很多努力，如：

专利号为CN200310108636.X的专利中公开了一种高速钢(W₆Mo₅Cr₄V₂)滑片(或叶片)的盐欲软氮化处理工艺，专利号为CN200310108635.5的专利中公开了一种不锈钢(11Cr17)滑片(或叶片)的盐浴软氮化处理工艺，两者都是利用软氮化处理盐浴液对高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂叶片和不锈钢11Gr17叶片进行表面氮化以提高叶片耐磨性及使用寿命，但是该方法属于叶片的后处理，导致滑片制备工艺复杂，且其氮化工艺控制难点较多、废品率很高，因此从成本上限制了该方法的应用。

专利号为CN200910200188.3的专利公开了一种压缩机叶片表面PVD镀层的方法，采用物理气相沉积及磁控溅射方法在叶片表面形成由渗氮处理层、铬或钛或氮化铬或氮化钛底层、非金属保护膜组成的符合涂层，以提高叶片的使用寿命，但该工艺过程复杂，工艺控制难度高，设备和工艺成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种合金粉末和合金原料组合物以及合金件及其成型方法与叶片和滚子压缩机，以改善合金件的摩擦学性能。

为此，在本发明的一方面，提供了一种合金粉末，以合金粉末100重量％为基准，合金粉末包括：0.6～1.8重量％的C，3.2～5.0重量％的W，1.6～3.8重量％的Mo，0.5～3.5重量％的Cr，1.5～3.8重量％的V，0.5～2.8重量％的Nb，0.2～0.4重量％的Si，0.15～0.40重量％的Mn，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

作为优选，以上述合金粉末100重量％为基准，合金粉末还包括：0.01～1.0重量％的Co，和/或0.01～0.8重量％的N。

作为优选，上述合金粉末的平均粒径小于100μm。

根据本发明的第二个方面，还提供了一种合金原料组合物，合金原料组合物包括基体相和添加剂，该基体相为本发明上述合金粉末。

作为优选，以上述合金原料组合物100重量％为基准，合金原料组合物包括：70重量％～85重量％的基体相和15重量％～30重量％的添加剂。

作为优选，上述添加剂包括增强体，且以合金原料组合物100重量％为基准，增强体的含量为10重量％～20重量％，优选地，增强体为碳化钛、碳化硅、氮化铝和氧化铝中的一种或多种。

作为优选，上述添加剂包括润滑剂，且以合金原料组合物100重量％为基准，润滑剂的含量为5重量％～10重量％，优选地，润滑剂为硬脂酸锌、二硫化钼、六方氮化硼和滑石中的一种或多种。

根据本发明的第三个方面，还提供了一种合金件的成型方法，该成型方法包括以下步骤：S2、将本发明上述合金原料组合物中合金粉末与添加剂按比例混合，得到粉体混合物；S3、将粉体混合物压制形成预成型生坯；S4、将预成型生坯依次进行烧结、淬火、回火处理形成合金件基材。

作为优选，上述S2中将合金粉末与添加剂按比例球磨混合，优选球磨混合的条件包括：在球料重量比为(6～10)：1，球磨速度为80～150rpm条件下球磨时间8～15h。

作为优选，上述S3中压制条件包括：在150～300MPa压力下保压10～20s。

作为优选，上述S4中，烧结处理的条件包括：升温速率≤5℃/min，在1180℃～1250℃温度下烧结1.5～3h后随炉冷却；淬火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度1150℃～1200℃，然后冷却至600℃后室温冷却；回火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度500～600℃，然后回火处理1h,回火处理次数3～5次。

作为优选，上述成型方法还包括：S1、将具有合金粉末元素含量比的合金块熔融，形成合金液，并将合金液水雾化形成合金粉末。

作为优选，上述S1中熔融合金块的条件包括：在1550℃～1600℃温度下熔融处理1.5-3h。

作为优选，上述S1中还包括将经雾化得到的合金粉末进行筛分，保留粒径小于100μm的粉末。

根据本发明的第四个方面，还提供了一种合金件，该合金件由本发明上述成型方法制备而成。

根据本发明的第五个方面，还提供了一种叶片，该叶片由本发明上述成型方法制备而成。

根据本发明的第六个方面，还提供了一种滚子压缩机，该滚子压缩机内部安装有叶片，该叶片为本发明上述的叶片。

应用本发明的技术方案，通过提供具有特定原料含量的合金粉末，有利于改善由该合金粉末所制备合金件(例如叶片)的摩擦学性能。

附图说明

图1示出了现有技术中传统叶片材料成型方法的工艺流程图；

图2示出了根据本发明一种实施方式中的合金件成型方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

为了改善叶片的耐磨性，本发明的发明人对叶片的成分、含量以及制备工艺等进行了大量的研究，并提出了一种合金粉末，其特征在于，以合金粉末100重量％为基准，合金粉末包括：0.6～1.8重量％的C，3.2～5.0重量％的W，1.6～3.8重量％的Mo，0.5～3.5重量％的Cr，1.5～3.8重量％的V，0.5～2.8重量％的Nb，0.2～0.4重量％的Si，0.15～0.40重量％的Mn，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

本发明上述合金粉末通过提供具有特定原料含量的合金粉末，有利于改善由该合金粉末所制备合金件(例如叶片)的耐磨学性能。与传统叶片材料熔炼M2高速钢相比，本发明所提供的这种合金粉末中含有较高含量的V、Nb等强碳化物形成元素，使材料中含有更多稳定碳化物，提高了强度、硬度和耐磨性；同时该合金粉末中含较少的W、Mo、Cr等元素，达到更好的经济效应。

优选地，以合金粉末100重量％为基准，合金粉末还包括：0.01～1.0重量％的Co，和/或0.01～0.8重量％的N。通过在合金粉末中加入了一定含量的N元素，利用氮元素具有极高的强化作用的特点，可很大程度地提高所制备的合金件的硬度和耐磨性；而通过在合金粉末中加入了一定含量的Co元素，利用Co元素具有极高的固溶强化的特点，有利于提高所制备的合金件的硬度和强度。

在本发明中对于这种合金粉末的粒径并没有特殊要求，其可以根据后续工艺需要制备出所需粒径，在本发明中优选上述合金粉末的平均粒径小于100μm，利用粒径小于100μm的合金粉末具有成形性好、成形组织均匀的优势，进一步提高所制备的合金件的强度、均匀性。

同时，在本发明中还提供了一种合金原料组合物，该合金原料组合物包括基体相和添加剂，基体相为本发明上述的合金粉末，优选地以合金原料组合物100重量％为基准，合金原料组合物包括：70重量％～85重量％的基体相和15重量％～30重量％的添加剂。

根据本发明上述合金原料组合物中，所采用的添加剂可以是本领域常规在制备合金件过程中所采用的添加剂，例如增强体和润滑剂中的一种或多种，各种添加剂的用量可以参照本领域的常规用量。

优选地，以合金原料组合物100重量％为基准，增强体的含量为10重量％～20重量％。在本发明中可以使用的增强体包括但不限于碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)和氧化铝(Al₂O₃)中的一种或多种。在本发明中对于所采用的这种增强体的粒径并没有特殊要求，例如可以为1μm-30μm，在本发明中，优选该增强体的粒径为5μm-20μm。

优选地，以合金原料组合物100重量％为基准，润滑剂的含量为5重量％～10重量％，在本发明中可以使用的润滑剂包括但不限于硬脂酸锌(成型润滑剂)、二硫化钼(MoS₂)、六方氮化硼、滑石中的一种或多种。在本发明中对于所采用的这种润滑剂的粒径并没有特殊要求，例如可以为1μm-100μm，在本发明中，优选该润滑剂的粒径为5μm-50μm。

本发明所提供的这种合金原料组合物通过将具有特定组分含量的合金粉末与增强体(例如TiC)和固体润滑剂(例如MoS₂)等混合，有利于在所制备的合金件(例如合金件)中形成更多额均匀耐磨性和润滑相，从而进一步提高合金件的耐磨性、降低合金件的摩擦系数，并且使合金件具有较低的密度；材料组织中碳化物颗粒细小且分布弥散均匀、组织偏析小、晶粒细小且晶粒形状为等轴状，其强度、硬度高于熔炼高速钢滑片，无须后续的表面强化处理工序。

在本发明中还提供了一种合金件的成型方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：S2、将本发明上述合金原料组合物中合金粉末与添加剂按比例混合，得到粉体混合物；S3、将粉体混合物压制形成预成型生坯；S4、将预成型生坯依次进行烧结、淬火、回火处理形成合金件基材。

本发明所提供的这种合金件成型方法，工序少，且工艺简单且易于控制，生产效率高；通过控制压制和烧结工艺，可以实现与成品形状和尺寸非常接近的坯体成形，只需加以简单的磨削即可达到要求精度，加工工艺少、材料利用率高。

而且本发明所提供的这种合金件的成型方法通过采用本发明上述合金原料组合物，有利于改善所制备的合金件的耐磨学性能。同时，本发明所采用的这种方法通过将各种原料粉体混合、压制成型后依次进行烧结、淬火、回火处理，使得所制备的这种合金件含有一定数量(体积百分比8％～20％)的孔隙，这些孔隙在合金件使用过程中可以储存润滑油，能在无油情况下或在合金件头部与侧面等油难以进入的摩擦面中实现润滑；制备出的合金件性能可完全满足目前压缩机合金件对材料的要求，并具有较低的摩擦系数和优异的耐磨性。

根据本发明上述合金件的成型方法，根据其各步骤的工艺要求，可以参照本领域常规方法选择适当的工艺条件，其中：

优选地，在S2中将合金粉末与添加剂按比例球磨混合，优选球磨混合的条件包括：在球料重量比为(6～10)：1，球磨速度为80～150rpm条件下球磨时间8～15h。

优选地，在S3中压制条件包括：在150～300MPa压力下保压10～20s。

优选地，在S4中烧结处理的条件包括：升温速率≤5℃/min，在1180℃～1250℃温度下烧结1.5～3h后随炉冷却；淬火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度1150℃～1200℃，然后冷却至600℃后室温冷却；回火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度500～600℃，然后回火处理1h，回火处理次数3～5次。

根据本发明上述合金件的成型方法，该成型方法还包括：S1、将具有合金粉末元素含量比的合金块熔融，形成合金液，并将合金液水雾化形成合金粉末。本发明所提供的这种通过将合金块熔融后水雾化形成合金粉末方法，有利于获得粒径更小的合金粉末，以便于使得该合金粉末在后续与添加剂混合时，混合的更为均匀。

根据本发明上述合金件的成型方法，对于S1中各步骤方法的工艺参数并没有特殊限定，只要能够形成所需合金粉末即可。其中：优选地，在S1中熔融合金块的条件包括：在1550℃～1600℃温度下熔融处理1.5-3h；优选地，S1中还包括将经雾化得到的合金粉末进行筛分，保留粒径小于100μm的粉末。

根据本发明上述合金件的成型方法，该成型方法还包括：S5将合金件基材进行切割、磨削和抛光处理以获得合金件。在本发明中所采用的切割方法，磨削和抛光处理均可以参照本领域所常规使用的工艺方法，其中：切割方法可以为线切割；磨削方法可以为金刚石砂轮磨削；抛光方法可以为刚玉或金刚石抛光剂研磨。

在本发明中还提供了一种合金件(例如叶片)，该合金件(叶片)由本发明上述成型方法制备而成。本发明所提供的这种合金件(例如叶片)可用简单的工序和较低的成本制备出具有极高综合性能的压缩机叶片产品，改善了叶片的摩擦性能，降低叶片的磨损速度和摩擦功耗，从而提高压缩机的性能、能效稳定性和长期可靠性。

在本发明中还提供了一种滚子压缩机，该滚子压缩机内部安装有叶片，该叶片为本发明上述叶片。本发明所提供的这种滚子压缩机通过采用上述叶片，有利于提高压缩机的性能、能效稳定性和长期可靠性。

以下将结合具体实施例和对比例进一步说明本发明所提供的合金粉末和合金原料组合物及叶片及其成型方法的有益效果。

实施例1

叶片的制备方法包括如下：

1)母合金块的化学成分为：1重量％的C、4重量％的W、3.2重量％的Mo、2.8重量％的Cr，3.8重量％的V、0.78重量％的Co、2.5重量％的Nb、0.4重量％的Si、0.2重量％的Mn、0.4重量％的N，以及余量的为Fe和不可避免的杂质；

2)将母合金块在感应炉中熔化，以3℃/min的速度升温，在1580℃的温度下保持2h，得到合金液；采用水雾化工艺处理前述合金液，获得平均粒径＜100μm的合金粉末。

3)将前述制备的合金粉末与TiC颗粒(粒径为≤20μm)、MoS₂粉末(粒径为≤50μm)和硬脂酸锌(粒径为≤50μm))按重量比84.5:10:5:0.5置于滚筒球磨机中以球料比8:1，100rpm的速度，进行10小时的混合球磨，制备得到粉末混合物。

4)在自动液压机上将装模好的粉末混合物压制成预成型生坯，压制工艺为200MPa载荷保压15S。

5)将预成型生坯置于真空烧结炉中在1210℃的温度下进行烧结，保温时间2h，烧结完成后随炉冷却，得到烧结坯。

6)将烧结坯在电极盐浴炉中进行预热，预热温度860℃；采用盐浴炉加热到淬火温度1180℃；将试样冷却到600℃温度，空冷得到淬火件；

7)将得到淬火件放到盐浴炉中进行回火处理，温度为550℃，回火时间为1hr，回火次数3次，得到合金件。

8)将合金件加工和后处理，将回火后的粉末高速钢坯料进行线切割、砂轮磨削和金刚石研磨剂研磨处理，得到叶片。

实施例2

叶片的制备方法：参照实施例1，区别在于，

步骤3)中将前述制备的合金粉末与TiC颗粒、MoS₂粉末和硬脂酸锌按重量比为69.5:20:10:0.5。

实施例3-7

叶片的制备方法：参照实施例1，区别在于，所采用的母合金块中各元素的含量不同，具体区别，如表1所示。

表1.

实施例8

叶片的制备方法：参照实施例1，区别在于，步骤3)中采用Al₂O₃代替TiC颗粒。

实施例9

叶片的制备方法：参照实施例1，区别在于，步骤3)中将采用六方氮化硼代替MoS₂粉末。

对比例1

参见中国专利NO.200310108636.X中实施例制备高速钢W₆Mo₅Cr₄V₂。

配制软氮化处理盐浴液100千克：取NaCNO55千克，KCNO10千克，Li₂CO₃8千克，K₂CO₃27千克，利用软氮化处理盐浴液对高速钢(W6Mo5Cr4V2)滑片(或叶片)处理方法，其特征在于由下列步骤组成：清洗：用航空煤油或酒精洗去表面油污及脏物。装卡：根据不同的规格滑片选用不同大小的钢丝网，立放滑片，严禁平放，预热：根据规格不同及每次处理量不同预热温度400℃，时间15分钟，处理：处理温度为580℃，时间26分钟。处理时通入氨气(流量08升/分钟1000公斤盐浴)，油冷：冷却油须加热至150℃，油冷时间为45秒，水冷：油冷后直接水冷并清洗10分钟(通入压缩空气搅拌)，去油清洗：水冷后浸入含清洗剂的水中去油3分钟(通入压缩空气搅拌)，清水清洗：去油后浸入清水中清洗1分钟，抛光：洗净后的工件经震动抛光机抛光40分钟。

对比例2

参见中国专利NO.200310108635.5中实施例制备不锈钢11Cr17。

配制软氮化盐浴处理液取NaCNO50千克，KCNO10千克，Li₂CO₃8千克，K₂CO₃31.955千克，K₂S45克。软氮化盐浴处理液对不锈钢(11Cr17)滑片(或叶片)处理方法，其特征在于由下列步骤组成：(1)清洗：用航空煤油或酒精洗去表面油污及脏物，(2)装卡：根据不同的规格滑片选用不同大小的钢丝网，立放滑片，严禁平放，(3)预热：根据规格不同及每次处理量不同预热温度400℃，时间15分钟，(4)处理：处理温度为565℃，时间360分钟。处理时通入氨气(流量0.8升/分钟1000公斤盐浴)，(5)水冷：出炉后直接水冷并清洗10分钟(通入压缩空气搅拌)，(6)清水清洗：浸入清水中清洗1分钟，(7)抛光：洗净后的工件经震动抛光机抛光40-80分钟。

测试：

将实施例1至9以及对比例1至2所制备的叶片进行性能测试。

测试项目及方法：

表面硬度的测试方法：参照国标GB/T4340.1金属材料维氏硬度试验第1部分试验方法；

拉伸强度的测试方法：参照国标GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法；

摩擦系数：采用往复式摩擦法；参考GB12444.1金属磨损试验方法

磨损量：重量损耗法计算。

测试结果：如表2所示。

表2

由表2中数据可以看出，本发明相对于传统高速钢叶片，硬度提高0～18％，强度提高5～15％，且摩擦系数有明显改善，摩擦系数降低15～30％，从而对整机机械磨耗有较大影响。

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种合金粉末，其特征在于，以所述合金粉末100重量％为基准，所述合金粉末包括：0.6～1.8重量％的C，3.2～5.0重量％的W，1.6～3.8重量％的Mo，0.5～3.5重量％的Cr，1.5～3.8重量％的V，0.5～2.8重量％的Nb，0.2～0.4重量％的Si，0.15～0.40重量％的Mn，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述合金粉末，其特征在于，以所述合金粉末100重量％为基准，所述合金粉末还包括：0.01～1.0重量％的Co，和/或0.01～0.8重量％的N。

3.根据权利要求1或2所述合金粉末，其特征在于，所述合金粉末的平均粒径小于100μm。

4.一种合金原料组合物，所述合金原料组合物包括基体相和添加剂，其特征在于，所述基体相为权利要求1至3中任意一项所述的合金粉末。

5.根据权利要求4所述合金原料组合物，其特征在于，以所述合金原料组合物100重量％为基准，所述合金原料组合物包括：70重量％～85重量％的基体相和15重量％～30重量％的添加剂。

6.根据权利要求4或5所述合金原料组合物，其特征在于，所述添加剂包括增强体，且以所述合金原料组合物100重量％为基准，所述增强体的含量为10重量％～20重量％，优选地，所述增强体为碳化钛、碳化硅、氮化铝和氧化铝中的一种或多种。

7.根据权利要求4或5所述合金原料组合物，其特征在于，所述添加剂包括润滑剂，且以所述合金原料组合物100重量％为基准，所述润滑剂的含量为5重量％～10重量％，优选地，所述润滑剂为硬脂酸锌、二硫化钼、六方氮化硼和滑石中的一种或多种。

8.一种合金的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括以下步骤：

S2、将权利要求4至7中任意一项所述的合金原料组合物中合金粉末与添加剂按比例混合，得到粉体混合物；

S3、将所述粉体混合物压制形成预成型生坯；

S4、将所述预成型生坯依次进行烧结、淬火、回火处理形成合金件基材。

9.根据权利要求8所述成型方法，其特征在于，所述S2中将所述合金粉末与所述添加剂按比例球磨混合，优选所述球磨混合的条件包括：在球料重量比为(6～10)：1，球磨速度为80～150rpm条件下球磨时间8～15h。

10.根据权利要求8所述成型方法，其特征在于，所述S3中压制条件包括：在150～300MPa压力下保压10～20s。

11.根据权利要求8所述成型方法，其特征在于，所述S4中，

烧结处理的条件包括：升温速率≤5℃/min，在1180℃～1250℃温度下烧结1.5～3h后随炉冷却；

淬火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度1150℃～1200℃，然后冷却至600℃后室温冷却

回火处理的条件包括：盐浴加热至淬火温度500～600℃，然后回火处理1h，回火处理次数3～5次。

12.根据权利要求8至11中任意一项所述成型方法，其特征在于，所述成型方法还包括：S1将具有所述合金粉末元素含量比的合金块熔融，形成合金液，并将所述合金液水雾化形成所述合金粉末。

13.根据权利要求12所述成型方法，其特征在于，所述S1中熔融合金块的条件包括：在1550℃～1600℃温度下熔融处理1.5-3h。

14.根据权利要求12所述成型方法，其特征在于，所述S1中还包括将经雾化得到的合金粉末进行筛分，保留粒径小于100μm的粉末。

15.一种合金件，其特征在于，所述合金件由权利要求8至14中任意一项所述的成型方法制备而成。

16.一种叶片，其特征在于，所述叶片由权利要求8至14中任意一项所述的成型方法制备而成。

17.一种滚子压缩机，所述滚子压缩机内部安装有叶片，其特征在于，所述叶片为权利要求16所述的叶片。