CN1095943C

CN1095943C - 旋转压缩机

Info

Publication number: CN1095943C
Application number: CN95101500A
Authority: CN
Inventors: 中村秀树; 山崎启二; 山根不二夫; 吉田敏树; 饭冢董; 石山明彦
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1995-01-28
Publication date: 2002-12-11
Anticipated expiration: 2015-01-28
Also published as: CN1120126A; JP3315248B2; KR950033102A; KR100317427B1; JPH07253092A

Abstract

由缸体、滚子和叶片构成的旋转压缩机，滚子由硬度为50HRC或更高的铸铁制成，其中石墨含量为5%面积或更多，而且含磷化铁的低共熔结构量为2%面积或更多，叶片由一种基本上由0.95-2.8% C、2.0%或更低的Si、1.5%或更低的Mn、2.5-8.0% Cr、0-20% W、0-12% Mo、W+2Mo＝12-28%、3.0-10% V、12%或更低的Co、(按重量计)余量基本上是Fe所组成的钢制成，叶片的硬度为65HRC或更高。没有溶解到叶片基体中的碳化物量为12%面积或更多，而其中包括10%面积或更多的MC碳化物，未溶解的碳化物的平均颗粒粒度为3微米或更小。

Description

旋转压缩机

本发明涉及由缸体、偏心旋转滚和叶片组成的旋转压缩机，用于空调机电冰箱等等的冷却循环中，特别是涉及适用于和代替含氯氟烃(下文称作CFC)的含氢氟烃(下文称作HFC)作为致冷剂结合使用的旋转压缩机。

如图1所示，旋转压缩机由缸体3、和缸体3内表面接触偏心旋转的滚以及在缸体3的凹槽中滑动并且具有通过偏压装置，例如弹簧4等的作用而压在滚2上的顶端的叶片组成。该偏压装置通常是气体或油压或弹性部件，例如弹簧(在图1中为弹簧4)。利用这种结构，叶片1的顶端表面总是压在在缸体3中偏心旋转的滚2的外表面上。

当旋转压缩机的压力增加时，滚子的旋转速度会增加，结果使叶片和滚子之间的磨损更加高。由于滚子的外表面总是和叶片和缸体滑动接触，因此就要求该滚子具有这样一个特点，即滚子本身不磨损并且该滚子也不会使和该滚子滑动接触的叶片和缸体发生磨损。

目前在压缩机中使用的致冷剂为氯氟烃(CFC)，它可以简单地称为氟里昂(flons)，人们已经熟知扩散到同温层中的CFC被紫外线分解，从而产生将破坏地球上臭氧层的氯而引起国际环境问题。因此到2000年人们计划将完全禁止CFC，促使致冷剂替代物的开发。

最有希望的致冷剂替代物是不含氯的含氢氟烃(称为HFC的氟里昂)，这种HFC的例子包括1，1，1，2-四氟乙烷(CH₂FCF₃)，即人们所知道的R-134a等等。仅管这种氟里昂不会破坏环境，但它们在下列方面比常用的CFC氟里昂更不利：

(1)HFC致冷剂具有较差的润滑性；

(2)HFC致冷剂需要较高的压缩比，因此增加了滚子和叶片的负荷；

(3)HFC致冷剂具有较高的吸湿性；

(4)HFC致冷剂使润滑剂变次；

(5)HFC致冷剂使润滑剂具有较高的吸湿性。

由于HFC致冷剂具有上述特点，在滑动部件，例如缸体、滚子和叶片中就会产生下列问题：

(1)每一个滑动部件都受到较大的磨损(特别是滚子和叶片)；

(2)滚子和叶片有可能会强烈地粘结在一起。

据估计上述问题是由于下列原因而产生的：在常用CFC氟里昂中含有的氯在滑动部件上形成稳定的保护层(氯化物)，从而使活动部件具有更好的耐磨性和抗胶住性。另一方面，作为氟里昂替代物的没有环境问题的HFC氟里昂不含有氯，因而不能象CFC氟里昂产生增加耐磨性和抗胶住性那样的作用。因此在将HFC致冷剂投入实际使用时仍有新问题。

为了解决上述新问题，使用具有高硬度并且含有较多硬碳化物的叶片材料是有效的。这种叶片材料可以从日本专利延迟公开5-9660、5-171376和5-279809中得知。利用这些材料，叶片可以具有改进的耐磨性和抗胶住性。但是这些叶片材料在下列方面是不利的：即由于它们含有大量贵重元素，叶片不可避免地价格昂贵，而且尽管叶片本身磨损较小，但叶片会使滚子磨损升高，从而使抗胶住性降低。

通常滚子是由连续铸铁或低共熔石墨铸铁、或低合金铸铁，如Cu-Cr铸铁、Cu-Mo铸铁、Mo-Ni-Cr铸铁等等制成。由于从成本考虑滚子比叶片具有更高的限制性，上述铸铁是最合适的。在这种情况下，通过将铸铁基体硬化并增强或者使其中的石墨颗粒更细可以有效地制得良好的滚子。这种铸铁公开在日本专利公开60-1943中。但是这种铸铁在下列方面是不利的，崐即如果铸铁的硬化和增强不合适，滚子将很可能使叶片磨损从而使抗胶住性降低。

如上所述，仅仅通过单独改进叶片或滚子是不能使耐磨性及抗胶住性得到改进的，重要的是使叶片和滚子之间有一个很好的组合。

关于旋转压缩机中的滚子和叶片的组合，日本专利延迟公开55-107094和日本专利公开55-31179、55-48584和1-18985中提出了几种方案。在日本专利公开55-31179和55-48584中，由高C、高Cu、含有Mo的烧结铁基合金制成的叶片和由合金铸铁制成的滚子相组合。日本专利公开1-18985公开了由高C、高Cr、氮化合金钢制成的叶片和硬化到40-45HRC的滚子相组合，该滚子由具有回过火的马氏体基体的合金制成，在该基体中分散的细片状石墨颗粒和碳化物颗粒。日本专利延迟公开55-107094公开了镀Cr叶片和各具特定组成的滚子和滚子套相组合。

当叶片在旋转压缩机运转过程中与滚子滑动接触时，滚子在叶片的滑动表面上胶住并部分粘结，这是由于滚子的合金在其滑动表面上和直接在该滑动表面的下方发生严重的塑流。据估计各个部件胶住和磨损是由于两种材料由于磨擦而产生粘结造成的，这可使得刚好在滚子的粘结表面下的表面层发生被迫剥落。这种现象即使在接触压力低于胶住压力时也会同样产生。通常在现有的旋转压缩机中，滚子的磨损是叶片的好几倍。

在这种旋转压缩机中，即使叶片的高度由于磨损而发生一定程度的改变，在旋转转压缩器运转过程中也不会产生问题。但是应该使滚子尽可能地避免磨损，这是因为滚子的磨损会增加滚子和缸体之间的泄漏。尤其是，应该避免会引起滚子表面层发生被迫剥落的磨损。

为此，重要的是应该将几乎不能引起粘结的滚子和叶片组合在一起，应该增强该滚子从而避免刚好在粘结表面下表面层发生被迫剥落，以及叶片应该由尽可能小地侵袭其它滑动部件并同时保持其耐磨性的合金制成。

因此，本发明的目的在于提供一种由滚子和叶片组成的旋转压缩机，这种滚子和叶片由最佳组合的材料组成，这种材料使滚子和叶片不发生粘结和磨损，因此在用HFC氟里昂作为致冷剂时它们可以高度耐久地长时间连续使用。

针对上述目的，经过大量的研究，结果本发明人发现通过将由含有石墨和低共熔结构(其基体中含有磷化铁)的高硬度铸铁制成的滚子和由含有细的未溶解的碳化物的高硬度铁基合金制成的叶片相组合，滚子和叶片之间的磨擦系数可以大大降低，同时防止彼此间发生胶住。在此基础上完成了本发明。

在本发明的第一个实施方案中，它提供了由缸体、滚子和叶片作为主要部件构成的旋转压缩机，该滚子由在硬化和回火之后硬度为50HRC或更高的铸铁制成，其中石墨的含量为5％面积或更多，而且包括磷化铁的低共熔结构的微观面积量为2％面积或更多，并且该叶片由在硬化和回火之后硬度为65HRC或更高的铁基合金制成，其中没有作为固溶体溶解到基体中的碳化物的量为12％面积或更多，并且其中包括10％面积或更多的MC碳化物，未溶解的碳化物的平均颗粒粒度为3微米或更小。

在本发明的第二实施方案中，它提供了一种由缸体、滚子和叶片作为主要部件组成的旋转压缩机，该滚子由和第一方案中相同的材料制成，而叶片由一种铁基合金制成，这种铁基合金基本上由0.95-2.8％重量的C、2.0％重量或更低的Si、1.5％重量或更低的Mn、2.5-8.0％重量的Cr、0-20％重量的W、0-12％重量的Mo、W+2Mo＝12-28％重量、3.0-10％重量的V、12％重量或更低的Co、余量基本上是Fe和难以避免的杂质组成，该叶片被硬化和回火成硬度为65HRC或更高。

可以对叶片进行表面处理，例如氮化、氧氮化、硫化/氮化、均匀热处理等等，以改善其滑动性。

图1是表示根据本发明第一方案的旋转压缩机结构的横截面图；

图2是表示用于测量叶片和滚子之间的胶住压力和磨擦系数的装置；

图3是表示本发明的滚子的微观结构的显微照相图(×200)；

图4(a)是表示所有碳化物颗粒在本发明的叶片的微观结构中分布的显微照相图(×200)；

图4(b)是表示MC碳化物颗粒在叶片的微观结构中分布的显微照相图(×200)；

图4(c)是表示M₆C碳化物颗粒在叶片微观结构中的分布的显微照相图(×200)。

在本发明的旋转压缩机中的滚子和叶片的组合中，滚子的磨损可能由下列原因而受到抑制：

(1)以预定的面积百分数或更高的面积百分数分布在至少一个部件(在本发明中是滚子)中的石墨可以将润滑条件保持在高于所必需的水平之上。此外，比金属更不易引起粘结的硬碳化物(特别是高硬度、化学稳定的MC碳化物)和含磷化铁的低共熔结构以预定的面积百分比或更高的面积百分比分布在每一个部件中。另外，由于碳化物和低共熔结构与金属基体之间不同的磨损性，这种碳化物和低共熔结构会从每一个部件的表面上稍微凸出。因此可以有效地防止滚子和叶片之间发生粘结。

(2)由于滚子被硬化和回火成具有预定的面积百分比或更高的面积百分比的含磷化铁的高硬度低共熔结构，该滚子强度高，几乎不会使表面层发生被迫剥落。

(3)由于叶片的合金含有比预定值(3微米或更小)更细的碳化物，叶片对滚子的侵袭受到抑制。

下面将更详细的描述本发明的旋转压缩机，旋转压缩机本身的总结构与常用的相同，其一个例子如图1所示。因此，描述将集中在滚子和叶片上。

[1]滚子

(a)性能

已经发现通过将用由回火过的马丁体基体和至少三种分散相(主要由具有片状、球状或其它形状的石墨、碳化物(Fe₃C)和磷化铁(Fe₃P)组成)组成的铸铁制成的滚子与由下面所述的合金制成的叶片组合起来，可以很明显地改善耐磨性和胶住压力。本发明的滚子优选地由在热处理后硬度为50HRC或更高、石墨占5％面积或更多以及含磷化铁的低共熔结构占2％面积或更多的铸铁制成。

对该滚子进行热处理，包括硬化和回火。硬化可以在850-950℃下进行0.1-1小时。另外也可以进行高频表面硬化处理。回火可以进行一次或多次，每次在150-240℃下进行约1小时或1小时以上。

当经过热处理的滚子的硬度增加时，刚好在粘结表面下的滚子的剥落可以更有效地被防止，从而改善滚子的耐磨性。当石墨相以相当大的量沉析时，基体应该具有回过火的马丁体结构而且硬度为50HRC或更高，从而达到高耐磨性和耐胶住性。硬度的上限自然受到石墨相数量的限制。滚子的硬度优选地为53HRC或更高，更优选地为53-60HRC。

为了控制滚子与缸体及叶片的润滑条件以及为了防止滚子发生胶住，石墨相是不可缺少的，这是因为石墨相可以产生自润滑和油润滑。就滑动性来说，片状石墨要优于球状石墨，石墨越细，获得的效果就越好，尽管这不是决定性的因素。由于石墨量的增加会改善滑动性，因此石墨应该在5％面积或更多。但是太多的石墨会降低硬度及机械性能，并且有可能会在运转过程中引起滚子损坏等等。

因此，石墨量优选地为14.0％面积或更少，尽管它将随着和叶片合金的组合而变化。更优选的石墨量为6-10％面积。在这里，术语“％面积”是指通过测量所述的物相在显微照相图中所示的微观结构中的面积而确定的百分比。

通常称为斯氏体的结构是以三元低共熔相Fe₃P-Fe₃C-Fe而沉析。这种斯氏体相相当硬，它使滚子不易于受到粘结和胶住，这是因为由于加入了P而比Fe₃C更稳定。因此斯氏体相可以有效地改进滚子的耐磨性和滑动性。由于这种斯氏体相具有独特的微观结构，因此在本文中把它们叫做“含磷化铁的低共熔结构”。这种斯氏体相和在本发明的滚子中的石墨相一起是不可缺少的。如果低共熔结构的量低于2％面积则不可能产生足够的作用，含磷化铁的低共熔结构的量应该为2％面积或更多。但是如果低共熔结构的数量超过20％面积，则滚子会变脆并且可铸性较差。因此低共熔结构的数量优选地为20％面积或更低。更优选地低共熔结构的量为2.5-5％面积。

(b)组成

用于滚子的铸铁的一个优选实例可以具有下列组成，该组成(重量)基本上由2-4％C、1-5％Si、2％或更少的Mn、2％或更少的Ni、1％或更少的Cr、1％或更少的Mo、1％或更少的，优选地为0.5-1％，更优选地为0.6-1％的P、0.5％或更少的S，余量基本上是Fe和难以避免的杂质组成。

关于其它微量元素，如B、Bi、Sb等等，它们可以任选地加入到铸铁中，它们可以以不会贪偏离本发明的目的的数量包含在本发明的滚子合金中。

[2]叶片

(a)性能

本发明的叶片在热处理后的硬度为65HRC或更高，所有碳化物颗粒为12％面积或更高，其中MC碳化物的量为10％面积或更高，所有碳化物颗粒的平均粒度为3微米或更小。

对该叶片也可以进行热处理，包括硬化和回火。硬化可以在1200-1240℃下进行0.5-1小时，回火可以进行两次或两次以上，每次在520-650℃下进行约1小时。

由于叶片的顶端在运转时与滚子的外表面滑动接触，因此叶片应该比滚子更加耐磨。

通过增加叶片材料的硬度和增加叶片材料中的硬碳化物的数量可以改进叶片的耐磨性。但是，如果碳化物的数量增加得不适当，叶片有可能会侵袭相当软的滚子，从而很容易地胶住该滚子。为了消除这种现象，使叶片材料中的硬碳化物更细小就成为特别重要。由于使碳化物更细小而造成的叶片本身的耐磨性能降低可以通过增加叶片基体的硬度和碳化物的量而有效补偿。碳化物颗粒优选地应该具有尽可能小的最大颗粒粒度和平均粒度。在平均颗粒粒度方面，它应该是3微米或更小，优选地为2微米或更小。在最大颗粒粒度方面，它优选地为5微米或更小。

当叶片材料的硬度低于65HRC时由于碳化物的平均颗粒粒度的限制而造成的叶片本身的耐磨性的降低就不能获得补偿，这应意味着叶片的耐磨性不够。因此叶片材料的硬度应该为65HRC或更高，优选地为66HRC或更高，更优选地为66-75HRC。

关于碳化物的量，没有溶解在固相溶液中的碳化物(下文称作为“未溶解的碳化物”)占12％面积或更多，优选的占20％面积或更多，更优选的占20-50％面积。

在未溶解的碳化物中，高硬度、稳定的MC碳化物占10％面积或更高，优选的在12％面积或更高，更优选的在12-30％面积。如果这些碳化物颗粒小于上述范围，就不能完全防止滚子发生胶住，从而导致耐磨性和耐胶住性变次。

尽管本发明的叶片材料含有大量碳化物，特别是有可能成长为大的碳化物颗粒的VC碳化物，这种碳化物颗粒应该很细。因此要求通过粉末冶金法制备该叶片。

为了改善叶片的抗胶住性，优选地要进行表面处理，例如氮化、氧氮化、硫化/氮化等等。为了改善表面硬度和润滑性，优选地应进行均匀热处理，从而在叶片的表面等等上形成以亚铁正铁氧化物(Fe₃O₄)为基础的多孔铁氧化物。

(b)组成

(1)碳(C)

C与W、Mo、V等形成硬的碳化物颗粒，通过减少彼此间的接触机会而增加叶片的耐磨性并降低叶片和其它部件的粘结性。C也具有一种作用，它可以通过部分溶解于固相溶液中而使叶片的基体硬化，从而增加叶片的耐磨性。

根据形成碳化物的元素，例如W、Mo、V等的数量可以确定C最佳数量。当C低于0.95％重量时，基体不能充分地硬化而且所产生的碳化物的数量小。另一方面，当C的数量超过2.8％重量时，叶片材料的韧性和热可加工性将降低。因此C的数量为0.95-2.8％重量。C的数量优选地为1.0-2.5％重量，更优选地为1.5-2.5％重量。

(2)硅(Si)

Si起脱氧剂的作用，以改进铁合金的质量，并且通过溶解到固相溶液中而使崐叶片的基体硬化。但是当Si超过2.0％重量时，叶片的韧性变次。因此硅的数量为2.0％重量或更低，优选地为1.5％重量或更低。

(3)锰(Mn)

Mn也是起脱氧剂的作用，用于改进铁合金的质量。但是当Mn超过1.5％重量时，叶片的硬度即使在硬化处理之后仍然较差。因此锰的含量为1.5％或更低，优选地为1.0％重量或更低。应该注意除了需要通过加入Si来获得高硬度之外，基本上起脱氧剂作用的Si和Mn并不是必不可少的成分。

(4)铬(Cr)

Cr形成碳化物，从而增加叶片的耐磨性并且起到抑制粘结的作用。Cr也溶解到叶片的基体中，从而使叶片具有可硬化性并且增加该基体的耐腐性。由于作为氟里昂替代物的HFC具有较高的吸湿性并且将润滑油分解而产生酸，例如羧酸，因此该叶片可以在稍有腐蚀的环境下运转。因此，叶片不仅可能会因磨损而损坏而且也会因腐蚀损坏。但是Cr以及W、Mo和Co溶解到叶片的基体中可以增加叶片的耐腐蚀性从而降低叶片的磨损。当Cr的含量低于2.5％重量时，上述作用就不能完全达到。另一方面，当Cr的含量超过8.0％的重量时，就不能通过热处理而完全获得高硬度。因此Cr的含量应该为2.5-8.0％重量。Cr的含量优选地为3.0-6.0％重量，更优选地为3.5-5.5％重量。

(4)钨(W)和钼(Mo)

W和Mo与C结合形成碳化物M₂C和M₆C，从而抑制叶片粘结到其它部件上，结果增加了耐磨性和抗胶住性。W和Mo溶解到基体中，随后由于回火而沉析，由此使基体硬化。Mo还具有抑制因羧酸引起的叶片腐蚀的作用。Mo的作用是W的两倍。W为20％重量或更低，优选地为15％重量或更低，而Mo为12％重量或更低，优选地为10％重量或更低，可以加入W和Mo中的一种或两者都加入。如果W+2Mo低于12％重量，上述效果就不能完全达到。如果W+2Mo超过28％重量，则叶片的韧性较次。因此W+2Mo为12-28％重量，优选地为14-26％重量。

(5)钒(V)

V的一个重量作用是与碳结合而形成化学稳定的高硬度MC碳化物。这种均匀分布在叶片表面上的细碳化物可以比任何一种其它的碳化物更有效地改善叶片的耐磨性和抗胶住性。3.0％重量或更多的V可以使叶片更适合氟里昂替代物例如HFC，尽管V的最佳量可以随着旋转压缩机的结构及其所需要的寿命而改变。特别是当V的含量为6.0％重量或更高时，上述作用更明显。但是它超过10％重量时，该合金的雾化及高温加工将变得困难，因此V的含量为3.0-10％重量，优选地为4.0-8.0％重量。

(6)钴(Co)

Co的一个重要作用在于溶解到基体中，从而增加基体的硬度。此外Co可以有效地抑制由于羧酸而引起的叶片的腐蚀。如上所述当采用氟里昂替代物HFC作为致冷剂时，将发生腐蚀性磨损，从而使叶片的磨损超乎寻常。但是溶解到叶片基体中的Co会降低磨损。这种作用可以通过添加4％重量或更高，特别是7％重量或更高的Co而得到提高。当Co超过12％重量时，叶片的韧性会降低。因此，Co的含量为12％重量或更低，优选地为5.0-10％重量。

通过下列非限制性实施例将更详细地描述本发明。

实施例1

将具有表1中所示组成的每一种铸铁浇铸成滚子，将试样1-10在900℃下硬化处理0.5小时然后将其回火处理两次，每次在200℃下进行一小时。试样11-12同样浇铸。除非另有说明，否则对后面的实施例采用相同的热处理条件。对所得到的滚子测量硬度、石墨的面积百分比、含磷化铁(表1中的“斯氏体”)和碳化物的低共熔结构。结果示于表1中。

在表1中，No.1代表具有其中分散有石墨颗粒的铁基体的铸铁，No.2代表广泛用作滚子合金的低合金铸铁。No.3-5是用连续浇铸法制得的低共熔石墨铸铁，其中No.5是用作滚子合金的铸铁。

No.6和7代表具有其中分散有球状石墨的贝氏体基体的铸铁。No.8和9代表具有其中含磷化铁并分散有片状或球状石墨的低共熔结构的回过火的崐马丁体基体的铸铁，这些材料和本发明的滚子材料相对应。

No.10和11代表用于滚子的耐磨铸铁，No.10的铸铁含有石墨和碳化物，而No.11的铸铁是合金白口铁，其中分散有大量低共熔碳化物，M₇C₃。No.12代表具有含有大量Ni的奥氏体基体的铸铁，其中有分散的球状石墨和碳化物。

表1

No. 用于滚子的铸铁

1 次低共熔D石墨铸铁

2 片状石墨铸铁

3 低共熔石墨铸铁

4 低共熔石墨铸铁

5 片状石墨铸铁

6 贝氏体铸铁

7 高硬度贝氏体铸铁

8 分散有片状石墨的斯氏体铸铁

9 分散有球状石墨的斯氏体铸铁

10 结晶的铸铁

11 合金白口铁

12 耐热耐射镍合金球状石墨铸铁

注：(1)用连续浇注法制造。

表1(续

组成成份(％重量)No C Si Mn P S Ni Cr Mo Fe1 3.45 2.93 0.91 0.066 0.062 1.63 0.21 0.02 余量2 3.10 2.16 0.73 0.186 0.010 0.25 0.56 0.22 余量3 3.53 2.57 0.56 0.099 0.013 0.02 0.10 0.09 余量4 3.65 2.85 0.47 0.098 0.011 0.07 0.04 0.01 余量5 3.48 2.73 0.65 0.101 0.012 0.01 0.10 0.09 余量6 3.37 2.60 0.30 0.020 0.005 0.02 0.02 0.27 余量7 3.28 4.30 0.38 0.017 0.010 0.02 0.01 0.38 余量8 2.90 2.00 0.49 0.643 0.110 0.01 0.01 0.01 余量9 3.38 4.56 0.46 0.585 0.015 0.01 0.01 0.01 余量10 3.40 0.58 0.62 0.020 0.005 4.09 1.86 0.33 余量11 2.70 0.44 0.72 0.022 0.013 1.30 16.78 1.39 余量12 2.83 2.72 0.67 0.020 0.013 20.26 1.90 0.01 余量

表1(续)

No. 硬度⁽¹⁾ 石墨⁽²⁾ 斯氏体⁽²⁾ 碳化物

1 HV185 10.9 0 0

2 53.2 6.3 1.5 0

3 52.5 10.2 1.4

4 57.0 11.1 ＜1.0 0

5 57.0 11.1 1.0 0

6 36.4 13.9 ＜1.0 0

7 42.4 10.4 ＜1.0 0

8 56.2 8.1 2.9 0

9 55.0 5.1 3.3 0

10 52.5 1.2 0 10.1

11 45.0 0 0 11.0

12 HV160 7.1 0

注：(1)单位：HRC。

(2)单位：％面积。

由表1中可以看出，硬度超过50HRC的材料具有回过火的马丁体基体。

图3表示No.8的铸铁的微观结构(×200)。在图3中，黑点表示石墨，白点或白灰点或区域表示含磷化铁的低共熔结构，称为“斯氏体”。No.8的基体是回过火的马丁体。应该看到由于图3仅表示其中石墨和含磷化铁的低共熔结构特别集中的显微结构的有限部分，石墨等的面积百分数和表1中所列出的不一致。

实施例2

将组成示于表2中的钢制成叶片，钢A-H中的每一种在1220℃下硬化0.5小时并回火三次，每次在560℃下进行1小时。SUJ2在830℃下硬化0.5小时并且回火两次，每次在560℃下进行1小时。SUS440C在1050℃下硬化0.5小时并且回火两次，每次在560℃下进行1小时。SKD11在1050℃下硬化0.5小时并回火两次，每次在560℃下进行1小时。SKH51在1200℃硬化0.5小时并回火两次，每次在560℃下进行1小时。

对所得到的叶片测量硬度、每种叶片的制备方法、硬化和回火处理之后未溶解的碳化物的种类和面积％，以及未溶解的碳化物的平均颗粒度(仅对通过图象处理装置测得的最终产物中碳化物颗粒度为1.0微米或更高的)。在这里，SUJ2、SUS440C和SKDH51是广泛用作电冰箱、空调机等等中的叶片的材料的钢。结果示于表2中。

表

用于叶片的钢

组成成份(％重量类型⁽¹⁾ C Si Mn Cr W Mo V Co FeA 2.14 0.32 0.32 4.21 11.49 2.53 6.96 7.92 余量B 1.57 0.27 0.26 4.11 14.10 - 5.01 4.90 余量C 2.01 0.29 0.27 4.03 9.71 8.03 5.10 9.50 余量D 1.30 0.28 0.23 4.10 6.10 5.23 3.20 8.02 余量E 1.98 0.30 0.41 5.10 - 10.21 4.86 5.23 余量F 1.86 0.31 0.36 4.85 - 13.24 5.05 5.50 余量G 1.90 0.31 0.25 10.00 4.03 6.21 5.23 3.00 余量H 1.35 0.60 0.24 5.22 3.13 6.02 3.81 - 余量SUJ1 1.00 0.20 0.30 1.00 - - - - 余量SUS440C 0.92 0.37 0.41 16.97 - 0.51 0.06 - 余量SKD11 1.39 0.25 0.37 12.30 - 0.86 0.24 - 余量SKH51(M) 0.89 0.23 0.28 3.87 6.06 4.95 1.92 - 余量SKH51(P) 0.88 0.31 0.27 4.01 6.22 4.87 1.97 - 余量注：(1)A-H的钢属于本发明的范围，而SUJ2等系列钢在本发明的范围之外。

表2(续)类型 Hd⁽¹⁾ 方法碳化物⁽²⁾ 平均粒度⁽³⁾A 66.5 PM⁽⁴⁾ MC18.0％和M₆C5.4％ 1.3B 66.3 PM MC15.3％和M₆C3.2％ 1.2C 69.8 PM MC16.6％和M₆C16.5％ 1.3D 67.8 PM MC12.0％和M₆C11.0％ 1.3E 67.1 PM MC17.1％和M₆C14.5％ 1.4F 68.2 PM MC18.9％和M₆C15.1％ 1.5G 66.1 PM MC14.3％和M₆C17.2％ 1.4H 65.0 PM MC10.3％和M₆C2.1％ 1.3SUJ2 52.8 熔融⁽⁵⁾ M₃C6.1％ 1.0SUS440 57.2 熔融 M₂₃C₆14.0％ 8.0SKD11 59.0 熔融 M₇C₃14.0％ 9.0SKH51(M) 65.3 熔融 MC1.5％和M₆C7.2％ 5.0SKH51(P) 65.3 PM MC1.8％和M₆C7.1％ 1.3注：(1)硬度(单位：HRC)。

(2)单位：面积％。

(3)单位：微米。

(4)粉末冶金法。

(5)熔化方法。

每一种叶片通过下列方法中的一种来制备：(i)熔化法，包括将钢熔化成锭并且将锭锻造成叶片，(ii)粉末冶金法，包括通过热等静压(HIP)将经过气体雾化的钢粉烧结。由于后一种方法使用通过快速淬火法制得的钢粉作为起始材料，因此细的未溶解的碳化物颗粒可以极其均匀地分布在钢基体中。

图4(a)表示所有碳化物颗粒的分布(参见白点或区域)，图4(b)表示MC碳化物颗粒的分布，图4(c)表示M₆C碳化物颗粒的分布。图4(a)-(c)每一个均是放大200倍的显微照相图。图4(a)-(c)表示任何一种碳化物颗粒均是细小的并且均匀分布在叶片的基体中。

每一种示于表2中的叶片钢11和由示于表1中的滚子合金制成的环形试样12在图2中所示的接触位置滑动接触，同时在多元醇酯润滑油中以2.73米/秒的滑动速度和0.981MPa(10kgf/cm²)的起始接触压力下旋转，该接触压力每一分钟转动增加0.981MPa(10kgf/cm²)，从而测量胶住开始时的表面压力(胶住压力)和滚子的磨损。

利用表2中用“A”表示的钢作为叶片合金并且用表1中表示的每一种铸铁作为滚子的合金，测量胶住开始时的表面压力(胶住压力)和滚子的磨损。测量条件为钢“A”和由示于表1中的滚子合金制成的环形试样在图2中所示的接触位置滑动接触，同时在多元醇酯润滑油中以2.73米/秒的滑动速度和0.981MPa(10kgf/cm²)的起始接触压力下旋转，该接触压力每一分钟转动增加0.981MPa(10kgf/cm²)，其结果示于表3中。

表3

叶片滚子胶住压力⁽¹⁾ 滚子的磨损⁽²⁾

A No.1 9.81(100) 0.184

A No.2 16.2(165) 0.016

A No.3 11.8(120) 0.031

A No.4 18.6(190) 0.044

A No.5 15.7(160) 0.015

A No.6 12.8(130) 0.022

A No.7 22.6(230) 0.018

A No.8 28.0(285) 0.012

A No.9 23.5(240) 0.013

A No.10 18.6(190) 0.028

A No.11 17.7(180) 0.009

A No.12 10.8(110) 0.163

注：(1)单位：MPa(kgf/cm²)

(2)单位：(mg/m·hr)×10^-

由表3可以很明显地看出，当改变滚子合金时胶住压力和滚子的磨损变化比在改变叶片合金时的要大。具有较低硬度的滚子合金(No.1和12)具有较低的胶住压力和较大的磨损。这说明选择滚子合金和叶片合金的最佳组合是特别重要的。

很显然，在滚子合金中，那些具有2％面积或更高的含磷化铁的低共熔结构的滚子合金(No.8和9)具有较高的胶住压力。

具有贝氏体基体的高硬度合金No.7具有较高的胶住压力，但是不利的是它很容易随着时间而发生尺寸变化，这种情况作为滚子合金来说是应该避免的，这是因为这种合金含有大量的残余的奥氏体。此外，在对这种旋转压缩机很重要的滚子的磨损方面，合金No.8、9和11是较小的。但是合金No.11具有较低的胶住压力。因此很明显均在本发明范围内的滚子合金和叶片合金的组合是适宜的。

实施例3

通过将由目前所用的铸铁制成的滚子(No.5)或由本发明的铸铁制成的滚子(No.8)与由各种合金制成的叶片相组合，用和例2相同的方法测量胶住压力。其结果示于表4中。

表4

胶住压力

叶片滚子(No.5) 滚子(No.8)

装型 MPa kgf/cm² MPa kgf/cm²

A 15.7 160 28.0 285

A 16.7 170 36.3 370

C 21.6 220 37.3 380

D 15.7 160 25.5 260

G 10.8 110 19.6 200

H 13.7 140 27.5 280

SUJ2 8.8 90 8.9 100

SUS440C 12.7 130 25.5 260

SKD11 10.8 110 12.7 130

SKH51(M) 8.8 90 11.8 120

SKH51(P) 11.8 120 13.7 140

当将由铸铁制成的滚子(No.5)与由本发明范围外的钢(包括目前所使用的钢)制成的叶片组合在一起时，胶住压力最大值为12.7MPa(130kgf/cm²)。另一方面当将由铸铁制成的滚子(No.8)与由钢(A-D、G和H)制成的叶片组合在一起时，可以达到19.6MPa(200kgf/cm²))或更高的胶住压力。当将用于叶片的用熔化法制得钢与用粉末冶金法制得的钢进行对比时，用粉末冶金法制得的钢其磨擦系数较小，这种钢崐含有较细的碳化物颗粒。

实施例4

将各种由表5中所示的合金制得的滚子和叶片组合在一起，按照和例2中相同的方式测定磨擦系数和胶住压力。结果示于表5中。

表

叶片滚子磨擦系数⁽¹⁾ 胶住压力⁽²⁾

A No.5 0.005 15.7(160)

A No.8 0.003 28.0(285)

A No.9 0.003 23.5(240)

Carbon⁽³⁾ No.5 0.012 40.2(410)

Carbon⁽³⁾ No.8 0.003 ＞49.0(500)

Carbon⁽³⁾ No.9 0.005 ＞49.0(500)

SKH51⁽⁴⁾ No.5 0.010 8.8(90)

SKH51⁽⁴⁾ No.8 0.007 11.8(120)

注：(1)在9.8MPa下测定。

(2)单位：MPa(kgf/cm²)

(3)用大约42％的铝浸渍的碳材料。

(4)由熔化法制得。

用大约42％的铝浸渍的碳材料是目前用于叶片的非金属滑动材料。与铁基合金相比，该碳叶片具有明显较高的胶住压力，但是碳叶片具有极低的机械强度，会在加工，运输和运转中引起破坏和断裂问题。特别是在叶片受到较大压力差的空调机中时，碳叶片在机械强度的绝对值方面是不可靠的。

将由本发明的具有含磷化铁的低共熔结构的铸铁(No.8)制得的滚子与由本发明范围之外的铸铁(No.5)制成的滚子相比，前者的胶住压力高于后者，与SKH51(M)相组合时为1.34倍(11.8MPa/8.8MPa)，而与本发明的钢“A”相组合时为1.78倍(28.0MPa/15.7MPa)。这就是说铸铁No.8和钢“A”是用于旋转压缩机的滚子和叶片的合金的一种良好组合。

实施例5

将由铸铁No.8制成的滚子与未受过表面处理或各种表面处理的钢“A”制得的叶片相组合，用和例2相同的方式测定胶住压力，其结果示于表6中。

表

叶片滚子表面处理胶住压力⁽¹⁾

A No.8 没有 28.0(285)

A No.8 硫化/氮化＞49.0(500)

A No.8 氧氮化＞49.0(500)

A No.8 轻度氮化 31.4(320)

A No.8 均匀热处理 39.2(400)

注：(1)单位：MPa(kgf/cm²)。

表6表示尽管在上述均有一定程度效果的表面处理中，形成多孔表面层的硫化氮化处理和氧氮化处理是特别有效的，它们可以获得与碳材料一样高的胶住压力。

实施例6

用常用的铸铁No.2和5和铸铁No.8(本发明)制备滚子，并且由SKH51(M)、本发明的钢“A”和碳材料制备叶片。通过将每一种滚子崐和叶片装配到实际的旋转压缩机中，进行2000小时的耐久性实验。所用的合金和热处理条件与例1中的相同。滚子在98N(10kgf)的负荷下以1.5米/秒的速度相对叶片而滑动。所用的润滑油是多元醇酯油，所用的致冷剂是R134a。通过磨损评价每一个滚子和叶片的耐久性。结果示于表7中。

表7

滚子和叶片的磨损

/滚子

叶片 No.2 No.5 No.8

未处理的SKH51 400/55 410/45 300/

未处理的“A” 270/34 260/38 140/13

氧氮化的“A” 240/22 200/24 80/5

硫化/氮化的“A” 250/19 170/30 75/4

Carbon⁽²⁾ 230/30 110/50 70/30

注：(1)滚子的磨损/叶片的磨损(单位：微米)。

(2)用大约42％的铝浸渍过的碳材料。

通常要求压缩机的保证寿命为约10年，相当于在这短试验中，滚子磨损为约100微米或更少，叶片磨损为约20微米或更少。

将由铸铁(No.8)制成的滚子和由钢“A”制成的叶片相组合时，滚子的磨损在未涂覆时为140微米，该结果不一定是不令人满意的。但是应该注意该磨损量几乎接近于上面所说的要求，即100微米或更低。对于表面进行处理的叶片，滚子和叶片的磨损量大大低于上述要求。

由图7可以很明显地看出，当与由SKH51(M)制成的叶片组合的滚子合金由常用的铸铁No.2和5改变成本发明的铸铁No.8时，滚子的磨损由400-410微米降到300微米，大约为75-73％。另一方面，当采用由钢“A”(没有经过表面处理)制成的叶片时，滚子的磨损由270-260微米降低140微米，大约为52-56％。另外，在采用由经过表面处理的钢“A”制成的叶片时，滚子的磨损从250-170微米降到80-75微米，大约为30-44％。因此，很显然No.8的铸铁和钢“A”是用于旋转压缩机的滚子和叶片的合金的一个良好组合。

在叶片的磨损方面，当与由SKH51(M)制成的叶片组合的滚子合金由常用的铸铁(No.2和5)改变成No.8的铸铁时，叶片的磨损由55-45微米降低25微米，大约为56-45％。当与由钢“A”(未经过表面处理)制成的叶片相组合时，相同的试验表明叶片的磨损由38-34微米降低到了13微米，大约为34-38％，这证明铸铁No.8和钢“A”是用于旋转压缩机的滚子和叶片的合金的一个良好组合。另外当与由经过表面处理的钢“A”制成的叶片相组合时，叶片的磨损由30-19微米降到的5-4微米，大约为21-13％。

如上面所详细描述的，本发明的旋转压缩机的特征在于由具有其中分散了片状或球状石墨和含磷化铁的低共熔结构的回过火的马丁体基体的铸铁制成的滚子和由含有均匀分散在基体中的细碳化物的高硬度钢制成的叶片，滚子和叶片的这种组合可以防止每一个部件发生胶住和磨损，从而可以进行长时间的运转，即使采用会使滑动条件恶化的氟里昂替代物，例如HFC作为致冷剂。

Claims

1.一种旋转压缩机，它由缸体、滚子和叶片作为主要部件构成，该滚子由在硬化和回火之后硬度为50-60HRC的铸铁制成，其中石墨的含量为5-14％面积，而且含有磷化铁的低共熔结构的微观面积量为2-20％面积，并且该叶片由在硬化和回火之后硬度为65-75HRC的铁基合金制成，其中作为固溶体未溶解到基体中的碳化物的量为12-50％面积，而其中包括10％面积或更多的MC碳化物在内，未溶解的碳化物的平均颗粒粒度为3微米或更小。

2.权利要求1所述的旋转压缩机，其特征在于所述的叶片由一种铁基合金制成，这种铁基合金基本上由0.95-2.8％重量的C、2.0％重量或更低的Si、1.5％重量或更低的Mn、2.5-8.0％重量的Cr、0-20％重量的W、0-12％重量的Mo、W+2Mo＝12-28％重量、3.0-10％重量的V、12％重量或更低的Co、余量基本上是Fe和难以避免的杂质组成，该叶片被硬化和回火成硬度为65-75HRC。

3.权利要求1或2所述的旋转压缩机，其特征在于所述的叶片是经过表面处理的。

4.权利要求1或2所述的旋转压缩机，其特征在于所述的叶片通过粉末冶金法制成。

5.权利要求3所述的旋转压缩机，其特征在于所述的叶片通过粉末冶金法制成。

6.权利要求1或2所述的旋转压缩机，其特征在于所述的滚子由具有其中分散了石墨和含磷化铁的低共熔结构的回过火的马丁体基体的铸铁制成。

7.权利要求3所述的旋转压缩机，其特征在于所述的滚子由具有其中分散了石墨和含磷化铁的低共熔结构的回过火的马丁体基体的铸铁制成。

8.权利要求4所述的旋转压缩机，其特征在于所述的滚子由具有其中分散了石墨和含磷化铁的低共熔结构的回过火的马丁体基体的铸铁制成。

9.权利要求5所述的旋转压缩机，其特征在于所述的滚子由具有其中分散了石墨和含磷化铁的低共熔结构的回过火的马丁体基体的铸铁制成。