CN112324657B - 涡旋盘、涡旋盘的制备方法和涡旋压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋盘，涡旋盘采用钢质材料制成，涡旋盘靠近压缩腔的部分的表面设置钢基‑球状石墨复合层。本发明还涉及一种制备上述涡旋盘的方法，包括如下步骤：S1，在铸造涡旋盘的模具内部，将先驱体放置在需要形成钢基‑球状石墨复合层的部位对应的模具位置上；S2，向铸造涡旋盘的模具中灌注钢质材料的熔融液，冷却后固化成型得到涡旋盘铸坯，将涡旋盘铸坯进一步机械加工后得到涡旋盘。本发明还涉及一种涡旋压缩机，设置有上述涡旋盘。

Description

涡旋盘、涡旋盘的制备方法和涡旋压缩机

技术领域

本发明涉及涡旋压缩机技术领域，具体涉及一种涡旋盘、该涡旋盘的制备和一种使用该涡旋盘的涡旋压缩机。

背景技术

涡旋压缩机是一种能效高、噪音小、运行稳定、结构相对简单的容积式压缩机，涡旋压缩机广泛应用于汽车空调和空压机领域。涡旋压缩机的工作原理为：电机驱动偏心曲轴旋转，在上支架和十字滑环的限位下，使动涡旋盘绕静涡旋盘做圆周平动，动涡旋盘与静涡旋盘啮合形成若干月牙形压缩腔，随着圆周平动进行，压缩腔的容积逐渐减小，气体压力逐渐升高，最终高压气体从静涡旋盘中心的轴向孔排出。压缩过程中，动涡旋盘与静涡旋盘之间存在持续的滑动摩擦，并且涡旋叶片中心部位长期处于高压状态，由此造成涡旋叶片的磨损、变形甚至破坏，这是涡旋压缩机失效的主要原因。

目前涡旋压缩机的涡旋盘（包括动涡旋盘和静涡旋盘）一般采用成本较低、具有润滑效果的铸铁制作，但由于铸铁的强度较低，涡旋盘的涡旋叶片必须具有一定的厚度，以保证其具有足够的结构强度，这严重限制了涡旋压缩机在涡旋盘小型化、轻量化方向上的设计改进。

美国专利公开号为US20180187678A1的发明专利公开了一种等温淬火灰铸铁涡旋盘及其制备方法，主要技术方案为通过控制化学成分和等温淬火处理，增强灰铸铁涡旋盘的力学性能，进而提高涡旋压缩机的容量、效率和耐用性。但该专利方法对灰铸铁性能的增强效果有限，仅可将抗拉强度提高到约56 ksi（约383 MPa），尚未达到球墨铸铁的强度水平，其引入的等温淬火热处理工序反而会使灰铸铁丧失成本优势。

中国专利公开号为CN109594007A的发明专利公开了一种可用于涡旋盘的蠕状石墨铸铁及其制备工艺，主要技术方案为通过设计材料的化学成分配比，实现对铸铁中石墨形态的控制，进而提高材料的强度。但该专利方法制备蠕墨铸铁的强度仅达到国标RuT450的水平，仍低于球墨铸铁。

中国专利公开号为CN105201824B的发明专利公开了一种采用球墨铸铁制作动涡旋盘、灰铸铁制作静涡旋盘的涡旋压缩机，主要技术方案为通过控制球墨铸铁和灰铸铁的硬度范围，减小动涡旋盘与静涡旋盘之间的磨损。但该专利方法使用的球墨铸铁和灰铸铁在材料方面并无创新之处，标准QT600和HT250即可大致满足该专利提出的材料选配要求。

针对现有技术中存在的技术问题，现有的技术方案的主要思路为使用更高强度的铸铁制作涡旋盘，实现途径包括调整铸铁的基体组织或改变铸铁中石墨的形态，但由于石墨的存在本身会降低铸铁的强度，该类方法对涡旋盘的设计改进效果有限。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种涡旋压缩机，涡旋压缩机的涡旋盘（包括动涡旋盘和静涡旋盘）使用该钢基复合材料制成，能使得涡旋盘具备表面自润滑效果的同时，达到涡旋盘减重和涡旋压缩机增效的技术效果。

本发明采用如下方案实现：一种涡旋盘，包括动涡旋盘和静涡旋盘，动涡旋盘包括第一基板和第一涡旋叶片，静涡旋盘包括第二基板和第二涡旋叶片。本发明提供的涡旋盘相比于现有技术中的涡旋盘的改进点在于，本发明提供的涡旋盘采用钢质材料制成，并且在涡旋盘靠近压缩腔的部分的表面设置钢基-球状石墨复合层。钢基-球状石墨复合层具有自润滑的效果。本发明中所记载的钢质材料包括有如下重量百分比的组分：0.9%~1.6%的碳，1.0%~1.5%的硅，0.3%~0.8%的锰，0%~0.05%的磷，0%~0.03%的硫，0%~2.0%的铬，余量为铁。

在一实施例中，钢质材料包括有如下重量百分比的组分：1.2%~1.4%的碳，1.3%~1.5%的硅，0.5%~0.7%的锰，0%~0.03%的磷，0%~0.02%的硫，1.5%~2.0%的铬，余量为铁。

在一实施例中，动涡旋盘采用钢质材料制成，动涡旋盘的第一涡旋叶片表面和第一基板靠近静涡旋盘的端面均设置有钢基-球状石墨复合层。静涡旋盘采用现有技术中所公开的静涡旋盘。

在一实施例中，静涡旋盘采用钢质材料制成，静涡旋盘的第二涡旋叶片表面和第二基板靠近动涡旋盘的端面均设置有钢基-球状石墨复合层。动涡旋盘采用现有技术中所公开的动涡旋盘。

在一实施例中，动涡旋盘和静涡旋盘均采用钢质材料制成，第一涡旋叶片的表面、第一基板靠近静涡旋盘的端面、第二涡旋叶片的表面和第二基板靠近动涡旋盘的端面均设置有钢基-球状石墨复合层。

本发明还提供一种制备上述涡旋盘的方法，包括如下步骤：

S1，在铸造涡旋盘的模具内部，将先驱体放置在需要形成钢基-球状石墨复合层的部位对应的模具位置上；

S2，向铸造涡旋盘的模具中灌注钢质材料的熔融液，冷却后固化成型得到涡旋盘铸坯，将涡旋盘铸坯进一步机械加工后得到涡旋盘。

本发明中所记载的先驱体是含有铝、钛、铅、铋中至少一种元素的石墨孕育剂。本发明中所记载的铸造涡旋盘的模具包括但不限于砂型模具或金属模具。

在一实施例中，铸造涡旋盘的模具使用砂型模具，将先驱体混合进需要形成钢基-球状石墨复合层的部位周围的型砂，再向砂型模具中灌注钢质材料的熔融液。

在一实施例中，铸造涡旋盘的模具使用所述金属模具，将先驱体涂覆在需要形成钢基-球状石墨复合层的部位对应的模具位置的表面，再向金属模具中灌注钢质材料的熔融液。

本发明还提供一种涡旋压缩机，该涡旋压缩机使用上述的涡旋盘，该涡旋盘表面为具有自润滑效果的钢基-球状石墨复合层，心部为具有高强度的钢质材料，在不牺牲润滑效果、不增加材料成本的条件下，可使涡旋盘的涡旋叶片心部的抗拉强度提高30%以上，相同压力、相同齿高条件下可使涡旋叶片的厚度减小20%以上。在保持涡旋压缩机排量不变的前提下，不仅可以减小涡旋盘自身的重量和尺寸，同时由于涡旋盘对压缩机驱动机构和支撑结构的负载减轻，电机、偏心曲轴、上下支架及轴承等零部件均可实现一定程度的尺寸缩小，最终达到涡旋压缩机小型化、轻量化的目的。

相对于现有技术，本发明能达到的有益效果如下：

1、本发明提供的应用于涡旋压缩机的涡旋盘，该涡旋盘表面为具有自润滑效果的钢基-球状石墨复合层，心部为具有高强度的钢质材料，可使涡旋盘的涡旋叶片心部的抗拉强度提高30%以上，相同压力、相同齿高条件下可使涡旋叶片的厚度减小20%以上，从而解决了现有的涡旋压缩机在进行小型化、轻量化改进时存在的涡旋盘强度不足的技术问题；

2、本发明提供的涡旋盘使用钢质材料制成，并且在涡旋盘靠近压缩腔的部分的表面设置钢基-球状石墨复合层，从而解决了现有的涡旋盘采用高强度材料时存在的无法兼顾表面润滑效果的技术问题；

3、本发明提供的制备涡旋盘的方法，该方法简单并且成本低，从而解决了现有的涡旋盘采用复合材料方案时存在的制作工艺复杂、材料成本较高的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种涡旋压缩机的结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的动涡旋盘的结构示意图。

图3为本发明实施例1提供的静涡旋盘的结构示意图。

图4为本发明实施例1提供的动涡旋盘截面和静涡旋盘截面的结构示意图。

图5为图4的局部A放大图。

图6为本发明实施例3提供的动涡旋盘截面的结构示意图。

图中包括有：1、动涡旋盘；1a、动涡旋盘涡旋叶片；1b、动涡旋盘基板；1c、动涡旋盘轴孔；2、静涡旋盘；2a、静涡旋盘涡旋叶片；2b、静涡旋盘基板；3、十字滑环；4、上支架；5、偏心曲轴；6、电机；7、下支架；8、平衡块；9、主轴承；10、副轴承；11、油泵；12、冷冻机油；13、进气管；14、排气管；15、钢基-球状石墨复合层；16、钢质材料。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种涡旋压缩机，包括动涡旋盘1、静涡旋盘2、十字滑环3、上支架4、偏心曲轴5、电机6。该涡旋压缩机工作过程中，电机6驱动偏心曲轴5旋转，在上支架4和十字滑环3的限位下，使动涡旋盘1绕静涡旋盘2做圆周平动，动涡旋盘1与静涡旋盘2啮合形成若干月牙形压缩腔，随着圆周平动进行，压缩腔的容积逐渐减小，气体压力逐渐升高，最终高压气体从静涡旋盘2中心的轴向孔排出。本实施例中所提供的涡旋压缩机与现有的涡旋压缩机的结构一致。

如图2-4中所示，涡旋压缩机的动涡旋盘1包括第一涡旋叶片1a和第一基板1b，涡旋压缩机的静涡旋盘2包括第二涡旋叶片2a和第二基板2b，动涡旋盘1和静涡旋盘2均采用钢质材料制成。第一涡旋叶片1a表面、第一基板1b靠近静涡旋盘2的端面、第二涡旋叶片2a表面和第二基板2b靠近动涡旋盘1的端面均设置有钢基-球状石墨复合层。

本实施例中，钢质材料包括有如下重量百分比的组分：1.3%的碳，1.4%的硅，0.6%的锰，0.015%的磷，0.01%的硫，1.75%的铬，余量为铁。

本实施例中，制备上述涡旋盘（包括动涡旋盘1和静涡旋盘2）的方法，包括如下步骤：

S1，选用砂型模具，使用喷枪将粒状先驱体喷射进涡旋盘(包括动涡旋盘1和静涡旋盘2)的涡旋叶片(包括第一涡旋叶片1a和第二涡旋叶片2a)、以及基板(包括第一基板1b和第二基板2b)朝向压缩腔一侧对应的模具位置的表面；

S2，通过感应加热将钢质材料熔融，向铸造涡旋盘的砂型模具中灌注钢质材料的熔融液，当涡旋盘铸坯冷却到950℃~800℃时，开启模具取出涡旋盘铸坯，利用铸造余热对涡旋盘铸坯进行正火，最后通过机械加工将涡旋盘铸坯制成涡旋盘成品。

在步骤S1中，使用的粒状先驱体为经过球磨的FeSi75Al2.0孕育剂。

在步骤S2中，当动涡旋盘1铸坯冷却到900℃时，开启模具取出动涡旋盘1铸坯进行正火；当静涡旋盘2铸坯冷却到850℃时，开启模具取出静涡旋盘2铸坯进行正火。

在步骤S2中，对涡旋盘铸坯进行机械加工采用现有技术中所公开的应用于铸坯加工的技术方案，故在此不多赘述。第一涡旋叶片1a表面、第一基板1b靠近静涡旋盘2的端面、第二涡旋叶片2a表面和第二基板2b靠近动涡旋盘1的端面在机械加工中单边去除余量≤3mm。

如图5所示，经过机械加工得到的第一涡旋叶片1a的表面和第二涡旋叶片2a的表面具有钢基-球状石墨复合层15，第一涡旋叶片1a的心部和第二涡旋叶片2a的心部为钢质材料16，因此第一涡旋叶片1a的表面和第二涡旋叶片2a的表面具有自润滑效果，第一涡旋叶片1a的心部和第二涡旋叶片2a的心部具有高强度。

如图4所示，第一基板1b靠近静涡旋盘2的端面和第二基板2b靠近动涡旋盘1的端面均具有钢基-球状石墨复合层15，保证了涡旋压缩机工作过程中，整个压缩腔的表面均具有润滑效果。

对本实施例中的钢质材料16进行拉伸试验，测得抗拉强度≥1000MPa，相对于抗拉强度一般为600~700MPa的球墨铸铁QT600，钢质材料16的抗拉强度提高50%~65%，考虑到钢基-球状石墨复合层15的厚度以及机械加工去除余量的设计，涡旋压缩机性能不变的条件下，第一涡旋叶片1a的厚度和第二涡旋叶片2a的厚度均可以减小约35%，达到了涡旋压缩机小型化、轻量化的目的。

实施例2

本实施例中提供一种制备动涡旋盘1的方法，与实施例1中所提供的制备动涡旋盘1的方法相比，区别在于：向铸造涡旋盘的砂型模具中灌注钢质材料的熔融液后，不开启模具，使动涡旋盘1铸坯缓慢冷却至600℃以下再取出。

本实施例提供的制备的方法所制备的动涡旋盘1，其心部钢质材料16的抗拉强度可达800MPa以上，第一涡旋叶片1a的厚度可减小20%以上。

实施例3

如图6所示，动涡旋盘1的动涡旋盘轴孔1c需要具有自润滑效果时，可以在向铸造模具中灌注钢质材料的熔融液前，将先驱体配置在动涡旋盘轴孔1c对应的模具表面。最终制得的动涡旋盘1在动涡旋盘轴孔1c部位的表面同样具有钢基-球状石墨复合层15。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种涡旋盘，其特征在于，所述涡旋盘采用钢质材料制成，所述涡旋盘靠近压缩腔的部分的表面设置钢基-球状石墨复合层，所述钢质材料包括有如下重量百分比的组分：0.9%~1.6%的碳，1.0%~1.5%的硅，0.3%~0.8%的锰，0%~0.05%的磷，0%~0.03%的硫，0%~2.0%的铬，余量为铁；其中，制备所述涡旋盘包括如下步骤：

S1，选用砂型模具，使用喷枪将粒状先驱体喷射进涡旋盘的涡旋叶片、以及基板朝向压缩腔一侧对应的模具位置的表面；所述先驱体是含有铝、钛、铅、铋中至少一种元素的石墨孕育剂；

S2，通过感应加热将钢质材料熔融，向铸造涡旋盘的砂型模具中灌注钢质材料的熔融液，当涡旋盘铸坯冷却到950℃~800℃时，开启模具取出涡旋盘铸坯，利用铸造余热对涡旋盘铸坯进行正火，最后通过机械加工将涡旋盘铸坯制成涡旋盘成品。

2.根据权利要求1所述的涡旋盘，其特征在于，所述钢质材料包括有如下重量百分比的组分：1.2%~1.4%的碳，1.3%~1.5%的硅，0.5%~0.7%的锰，0%~0.03%的磷，0%~0.02%的硫，1.5%~2.0%的铬，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的涡旋盘，其特征在于，所述涡旋盘包括动涡旋盘和静涡旋盘，所述动涡旋盘包括第一基板和第一涡旋叶片，所述静涡旋盘包括第二基板和第二涡旋叶片，所述第一涡旋叶片的表面、所述第一基板靠近所述静涡旋盘的端面、所述第二涡旋叶片的表面和所述第二基板靠近动涡旋盘的端面均设置有所述钢基-球状石墨复合层。

4.根据权利要求3所述的涡旋盘，其特征在于，所述动涡旋盘还包括动涡旋盘轴孔，所述动涡旋盘轴孔的表面设置有所述钢基-球状石墨复合层。

5.根据权利要求1所述的涡旋盘，其特征在于，所述先驱体为经过球磨的FeSi75Al2.0孕育剂。

6.一种涡旋压缩机，其特征在于，设置有权利要求1-5任一项所述的涡旋盘。

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