CN1147617A - 旋转式压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种压缩机，包括滚轮和叶片，制造滚轮的铸铁热处理后硬度不低于50HRC，含有不少于5％面积的石墨，不少于2％面积包括磷化铁的共晶组织，叶片制作材料或者(1)是铁合金，热处理后硬度不低于70HRC，含有总量不少于25％面积的未溶解碳化物和氮化物颗粒，平均粒度不大于5μm，或者(2)叶片材料含有不小于5％面积的TiN和NbN颗粒，平均粒度不大于5μm，该材料含有预定量的C、Si、Mn、Cr、W+2Mo、V、Co，热处理后硬度不低于HRC65。
Description
本发明涉及具有圆柱缸体，偏心滚轮和叶片的旋转式压缩机，该机可用于空调、冰箱等中的致冷循环，尤其涉及适宜采用氢氟碳(下文记作HFC)代替氯氟碳(下文记作CFC)作致冷剂的压缩机。
如图2截面图所示，旋转式压缩机通常包括圆柱缸体3；滚轮2，它接触圆柱缸体3的内表面作偏心旋转；和叶片1，该叶片是矩形并沿圆柱缸体3的导槽伸展且被诸如弹簧4的偏动部件推进，所以，叶片1的末端压在滚轮2上。通常偏动部件可为气压或液压部件，或者是诸如弹簧的弹性部件(见图2的弹簧4)。因此，叶片1的末端压在滚轮2的外圆表面上，滚轮2在偏心旋转同时，被叶片1以这种方式恒定地压住。
随着气体压缩比加大，滚轮旋转速度增加，结果，叶片和滚轮的滑触表面趋于受到严重程度的磨损。如上所述，滚轮在旋转时，其外圆表面与叶片和圆柱缸体滑动接触。因而要求滚轮具有自身的耐磨性质，同时还不能使匹配部件的叶片和缸体造成摩擦损伤。
另一方面，CFC通常用作压缩机致冷剂。众所周知，CFC升到同温层时可被紫外线辐射分解，从而放出破坏臭氧层的氯。这种臭氧层的毁坏已被当作全球性环境问题。到2000年全部废除使用CFC的计划业已形成，正在进行替代致冷剂的开发研究。
一种替代的致冷剂是不含氯的HFC，它是最有希望的替代致冷剂。例如，可以提出一种记作R-134a的1，1，1，2-四氟乙烷(CH2FCF3)。与使用常规CFC相比，使用这种碳氟化合物，尽管对环境没有那么多的有害作用，但就压缩机而言仍涉及下列问题。
1、致冷剂的润滑特性差。
2、必须加大压缩比，结果使滚轮和叶片载荷变大。
3、致冷剂的吸湿性加大。
4、润滑剂的润滑性差。
5、润滑剂的吸湿性变大。
上述情况下，有关滑动接触部件如缸体，滚轮和叶片方面造成如下问题。
1、滑动接触部件磨蚀增大(特别是滚轮和叶片磨蚀增大)。
2、滚轮和叶片的卡合倾向加大。
进而言之，由于常规CFC含有氯，在滑动接触部件的表面上形成稳定的保护膜(氯化物)，使得它对滑动接触表面提供了良好的耐磨及抗卡合特性。另一方面，替代碳氟化合物的HFC虽可克服环境问题但不含氯，因而不象CFC那样，不能期待它有改良耐磨及抗卡合性质的优良效果，且HFC在实际应用时涉及另外不同的问题。
为解决这个问题，增加叶片材料的硬度以及增加硬质碳化物添加量是有效的。这类型的材料例如见JP-A-5-9660，JP-A-5-171376，JP-A-5-279809所公开。这些材料在某种程度上改善了叶片的耐磨性和抗卡合性。
滚轮通常以连续铸造铸铁，共晶石墨铸铁，以及Cu-Cr系、Cu-Mo系或Mo-Ni-Cr系低合金铸铁制成。由于滚轮涉及到比叶片更多的成本方面的限制，上述铸铁最为适用。在这种情况下，增加基体材料的硬度和强度并使其中的石墨更微细则是有效的。这类材料由JP-B2-60-1943所公开。
按前述改良叶片的方式，材料含有大量贵重合金元素使得成本加大。再者，按此方式尽管降低了叶片自身的损耗量却加大了对滚轮的侵害作用，结果增大了滚轮的磨损而易于破坏抗卡合特性。
还有，按上述改良滚轮的方法，其基体硬度和强度不适当的增强会造成对叶片的侵害作用，增大叶片的磨损，导致叶片抗卡合特性的破坏。
换言之，单独改良叶片和滚轮其一的方式并不能充分地改善抗卡合和耐磨特性。而重要的是以叶片和滚轮相结合一致最佳化的方式来改善这些特性。
因此，本发明的目的是提供一种改良的旋转式压缩机，它包括的滚轮和叶片由最佳组合的材料制造，以便在使用HFC作致冷剂时特别是防止滚轮和叶片的卡合，并且降低这两部件的磨损量，因而使得压缩机能长期连续运行。
根据本发明的第一个特点，提供一种旋转式压缩机，它包括作主要结构部件的圆柱缸体、滚轮和叶片，其中滚轮由铸铁制造，该铸铁淬火/回火热处理后硬度为50HRC或更大，该铸铁含有不少于5％面积比的石墨体及不少于2％面积比的包括磷化铁的晶化共晶组织；叶片由铁合金制造，该铁合金淬火/回火热处理后硬度为70HRC或更大，且含有总量不低于25％面积的未溶解金属碳化物及氮化物颗粒，未溶解碳化物包括不少于10％面积的MC型碳化物，氮化物颗包括不少于5％面积的TiN和NbN中至少一种，未溶解碳化物和氮化物颗粒的平均粒度不大于5μm。
根据本发明第二个特点，提供一种和第一个特点基本相同结构的旋转式压缩机，包括基本相同于第一个特点中的滚轮；而叶片由铁合金制造，该铁合金包括不少于5％面积的TiN和NbN中至少一种颗粒，无论是TiN和NbN，其颗粒的平均粒度不大于5μm，以重量计该铁合金基本包括：2.0-4.0％的C，不大于2.0％的Si，不大于1.5％的Mn，2.5-8％的Cr，不大于30％的W和不大于20％的Mo中至少一种，且以表达式“W＋2Mo”计时范围为20-40％，3.0-15％的V，不大于15％的Co，其余为铁和不可避免的杂质，该铁合金淬火/回火热处理后的硬度为70HRC或更大。
按照本发明第一和第二种特点的旋转式压缩机中任一种，优选将叶片进行表面处理以便改良滑动接触性能，例如，如需要时可氮化、氮氧化、氮硫化(sulphonitriding)和均质处理。
本发明涉及叶片和滚轮的结合体。叶片和滚轮的最佳结合体公开在(1)JP-B2-55-31179和(2)JP-B2-55-48584中，叫作“相关滑动部件”，公开在(3)JP-A-55-107094和(4)JP-B2-1-18985中分别叫作旋转泵和旋转式流体压缩机。在前两个公开中，含Mo的高碳高铜铁系烧结材料的叶片与含有特殊组分铸铁合金的滚轮相结合。公开(4)中，进行氮化处理的高碳高铬合金钢的叶片与一种材料的滚轮相结合，该材料中有两种物质如微细片状石墨和碳化物分散在回火马氏体基体内，硬度达40-45HRC。在公开(3)中，镀铬叶片与转子套和滚轮相结合，滚轮和转子套都由特殊材料制造。
本发明人将滚轮与本发明相关各种材料的叶片进行摩擦试验，发现造成卡合的每个叶片试样的滑动接触表面上附有滚轮材料产生的粘附物，还发现滚轮材料在滑动接触表面层内呈现出强烈的塑性流化作用。从这些结果可以判断，由于滚轮叶片彼此通过摩擦被粘附，并且滚轮材料从粘附部分之下部分地被强制地去除，因而产生这些滚轮和叶片的卡合和磨损。这种情况看起来基本类同于压力不高于发生卡合时的接触压力下的摩擦情况。(目前使用的旋转式压缩机中，滚轮材料的磨损量绝对值一般大于叶片的几倍)。
这类旋转式压缩机中，即使叶片高度被磨损而稍减，其运行中也不出现问题。但是，能在转子和缸体之间增大泄漏的转子的磨损则必须被限制至最小。特别是转子被强制地部分去除的这种程度的磨损一定要制止。
为此目的，以下3点应是重要的，(1)制造一种转子和叶片结合体，其材料彼此很少粘附，(2)强化转子材料，防止它自粘附部分之下被强制地部分去除，(3)全面降低叶片材料对相配材料的侵害作用同时保持叶片材料的最起码的耐磨性。
按照本发明的材料组合，特别是在以下情况下应抑制转子的磨损：
(1)至少在滚轮和叶片之一中(在本发明中仅有滚轮)，以不低于预定的面积比分散的石墨维持预定程度或更高程度的润滑条件。碳化物(它们是坚硬的并且在互相接触时和金属相比很少粘附(特别是高硬度且化学稳定的MC型碳化物))，TiN、NbN等氮化物颗粒(它们与铁的亲合力比碳化物低(这里的铁指的是相配材料))，以及包括磷化铁的晶化共晶组织以预定的面积比或者更高的比分布在至少一个部件之中。再者，由于耐磨性的差异，这些物质从金属基体表面突出并分布在各处，从而降低了易于造成粘附的金属对金属的接触。因此，就这两个部件而言抑制了粘附的发生。
(2)滚轮材料之所以被强化是因基体经过淬火/回火处理并且它包括不低于预定面积百分比的含有高硬度磷化铁的晶化共晶组织。于是滚轮材料可防止被以上述方式部分地强制去除。
(3)叶片材料含有不大于预定大小的碳化物，还含有与相配材料中的铁亲合力低的TiN和NbN，从而降低了对相配材料的侵害。
图1a是表示用于测量叶片材料及滚轮材料产生卡合的接触压力和它们的摩擦系数的试验部件的侧视图；
图1b是表示图1a的试验部件的正视图；
图2是表示旋转式压缩机结构的剖面图；
图3是表示本发明的滚轮材料的金属显微组织的实例的显微照片；
图4是表示本发明叶片材料的金属显微组织实例的显微照片。滚轮
现详述本发明滚轮材料的限制范围。
本发明的实现可由下述指明，即下面材料的滚轮，显著地改良了耐磨性和发生涉及特殊叶片材料(下面将详述)的卡合时每单位面积的接触压力；滚轮材料含有这样一种回火马氏体基体，其中至少有三种分散相共存，这三种相主要包括片状、球状或其他形状的石墨体，碳化物(Fe3C)和磷化铁(Fe3P)。
按照本发明的滚轮由铸铁制造，该铸铁热处理后的硬度为50HRC或更高，含有不低于5％面积比的石墨体，不少于2％面积比的包括磷化铁的晶化共晶组织。
本发明中，如上所述，由于增大了热处理后的滚轮硬度，滚轮材料防止了自粘附部位以下部分被强制去除，从而改良了耐磨和抗卡合特性。在本发明滚轮中，在相当大量的石墨相被晶化时，基体必须由回火马氏体组织组成，并且其硬度必须不低于50HRC，才能得到高耐磨性和高抗卡合性。硬度的上限必然由石墨结晶相的数量而决定。优选硬度不低于53HRC。
本发明中，提供自身润滑特性和油润滑特性的石墨相，对控制涉及缸体和叶片的润滑条件，及对抑制粘附趋向是必不可少的一种相关于石墨体的形状，在滑动接触特性方面片状比球状更为优异。关于石墨体大小，最好石墨颗粒尽可能细(但并不是决定性条件)。石墨数量较多时，滑动接触特性被改善。因此石墨体的量设定为不低于5％面积。然而，石墨加入过多时硬度被损害，机械性能也遭损害，造成诸如运行时转子破损的事故。本发明中石墨尽管可以根据相配的叶片材料而改变，仍优选不大于14％面积比。最优选的石墨量为6-10.0％。
叫作斯氏体的组织通常是Fe3P-Fe3C-Fe的三元共晶组织。这种斯氏体相十分坚硬，加入磷后变得比Fe3C还稳定。因此斯氏体抑制了本发明滚轮材料粘附并且部分被强制去除的趋向，从而显著改良了耐磨及滑动接触特性。由于斯氏体具有特殊的显微组织(下文将详述)，本发明中将斯氏体称作包括磷化铁的晶化共晶组织。这种组织对本发明的滚轮是仅次于石墨相的不可缺少的相。当斯氏体的量低于2％面积时效果较差。因而设定斯氏体的量不低于2％面积比。然而该量超过20％时材料变脆，并且损坏可铸性。所以斯氏体量优选不大于20％面积比，最佳为2.5-5％面积比。
应当注意，根据铸铁要求可以加入微量元素B、Bi和Sb等，只要进行这些元素的添加实质上并未背离本发明的精神。叶片：
其次，详述本发明叶片材料的限制范围。
按照本发明第一个特点，叶片材料热处理后硬度为70HRC或更高，并含有总量为不低于25％面积比的未溶解碳化物和氮化物颗粒，未溶解碳化物包括不少于10％面积比的MC型碳化物，氮化物颗粒包括不少于5％面积比的TiN和NbN中至少一种， 不溶解碳化物和氮化物颗粒的粒度不大于5μm。
关于叶片的运行机理，叶片顶端的有限部分要滑动接触滚轮的外圆表面。因此，叶片必须具有比滚轮高的耐磨性。
通过增加叶片的硬度和增大硬质碳化物等颗粒的含量一般就可实现对叶片耐磨性的改良。在这种情况下，不适当地加大这些颗粒含量会造成对硬度低于叶片材料的滚轮材料更多的侵害作用，从而易于诱发滚轮材料的(侵害)划痕。
在本申请之前，本发明人发现，下面的改良叶片材料展现了和本发明滚轮材料相当优异的相适性：这种改良的叶片材料在淬火/回火处理后的硬度为65HRC或更高，且含有不低于12％面积比的未溶碳化物，未溶碳化物包括不低于10％面积比的MC型碳化物，该未溶碳化物的平均粒度不大于3μm。但是还发现，在某种类的压缩机中，这种叶片材料的耐磨和抗卡合特性是不够的，这些特性必须被进一步改善。
本发明人因而发现，为了减少对滚轮材料的侵害，并进一步改善滚轮和叶片的抗卡合和耐磨特性，加上合适量的上述TiN和NbN颗粒是有效的，可增大未溶碳化物和碳化物颗粒的分布量，并增加叶片材料的硬度。
如上所述，TiN等的颗粒和碳化物相比，具有更低的与Fe亲合力。结果，这些颗粒和碳化物相比更有效地抑制了与相配材料Fe的粘附趋向，因而实现了滚轮和叶片的抗卡合和耐磨特性的改良。
可以添加一种或两种这类氮化物颗粒。氮化物颗粒的量低于5％面积比时效果不充分。所以氮化物量设定为不低于5％面积比，优选不低于7％面积比。但是在超过25％面积比时失去经济价值，也减低了叶片的韧性。
上述改良叶片材料的情况下，碳化物要制作得更细些，以减少对滚轮材料的侵害，而叶片材料自身耐磨性方面造成的减低可以通过增加叶片硬度来补偿，即，加入预定量的碳化物。基于大体相同的设想，本发明的叶片中，未溶碳化物和氮化物颗粒的最大粒度及平均粒度两者必须尽可能地小。未溶解碳化物和氮化物颗粒必须具有不大于5μm的平均粒度，它们最大粒度优选限制到例如不大于7μm。优选的平均粒度不大于3μm。
硬度低于70HRC时，限制叶片材料碳化物平均粒度造成叶片材料自身耐磨方面的减低得不到补偿，则耐磨性不足。因此要将硬度设定为不低于70HRC，优选不低于71HRC。
未溶碳化物和氮化物颗粒总量设定为不小于25％面积比(优选不小于30％面积比)。未溶碳化物特别包括不低于10％面积比(优选不低于12％面积比)的高硬度且化学稳定的MC型碳化物。氮化物颗粒包括不小于5％面积比的TiN和NbN中至少一种。如未溶碳化物和氮化物颗粒的量低于预定值，则不能充分抑制与滚轮的粘附趋向，使得耐磨和抗卡合特性不充足。
如上所述，本发明叶片材料包括TiN、NbN和大量碳化物，特别是大量的倾向于是粗糙的VC-碳化物，这些碳化物必须以前述方式作得更细一些。因此，叶片材料优选用粉末冶金方法来制造。
为了改良抗卡合性，优选对叶片材料进行表面处理，诸如氮化，氮氧化，氮硫化等。另外，为了改良表面硬度及润滑性，优选对叶片材料进行均质处理，在叶片的表面上形成多孔的氧化铁薄膜，主要包括四氧化三铁。
以上已说明，按本发明第二个特点将预定量的TiN和NbN颗粒添加到叶片材料中。下面详述叶片的其他元素的作用及这些元素的限制范围。
碳与同碳一起加入的W、Mo、V等相结合，以生成硬质的碳化物，从而增进叶片的耐磨性。碳化物形式的碳也减少了相配材料的金属对金属接触机会，因此有效地降低粘附。再者，碳部分地溶解进入基体并增大基体硬度，因之改良其耐磨性。碳的最佳数量按照诸如W、Mo、V等形成碳化物元素的数量决定。根据本发明，碳量小于2％时不能得到足够的基体硬度，生成碳化物的量也少。碳的量超过4％时则减低韧性，可热加工性也被损害。结果，碳量应为2.0-4.0％，优选为2.5-3.8％范围之内，最好为3.0-3.6％范围之内。
Si作为脱氧元素可改善钢的质量，并可溶入基体以便增加基体硬度。但Si量超过2.0％时损害韧性。则Si量设定为不大于2.0％，优选不大于1.5％。
与之类似，Mn亦作为脱氧元素改良钢质量。但Mn量超过1.5时淬火后的硬度被减小。因此Mn量定为不大于1.5％，优选不大于1.0％。
然而，由于Si和Mn本质上说是脱氧剂，它们因而只是可选的添加元素，除非采用Si增加硬度。
Cr形成碳化物并产生增进耐磨性和抑制粘附趋向的效果。Cr溶入基体也提供可淬硬性并改良基体耐腐蚀性。由于替代的碳氟化合物HFC的吸湿性高，也因为润滑剂分解产生诸如碳酸的一种酸，叶片是在轻度腐蚀环境下运行。可以推测叶片的反常磨损不仅属于简单的粘附型磨损，而且也有包括腐蚀机理造成的磨损。在这种情况下，将除Cr之外的W、Mo和Co溶入基体，可增进叶片耐腐性并减少磨损，这一点下文将详述。Cr量少于2.5％时上述效果不大，若超过8.0％时则不能在热处理后得到高硬度。Cr量因此设定为2.5-8.0％。Cr量优选为3.0-6.0％范围之内，最佳为3.5-5.5％范围之内。然而若叶片要进行如氮化等表面处理时，Cr量优选在5.0-8.0％范围内。
W和Mo与碳结合生成M2C或M6C型碳化物可抑制粘附趋向，增进耐磨性和抗卡合性。还有，溶入基体后Mo和W被回火沉淀，产生增大基体硬度的效果。Mo还可以起防止碳酸腐蚀的作用。Mo产生的效果比钨大两倍。至少添加W和Mo中的一种，W不大于30％(优选不大于20％)且Mo不大于20％(优选不大于15％)。以“W＋2Mo”式表示的W和Mo的量如小于20％时前述效果微小，若超过40％时则韧性减低。以“W＋2Mo”式表示的W和Mo的量因此设定为20-40％，优选24-36％。
钒是本发明有重要功效的元素。特别是钒结合碳生成MC型碳化物，它化学稳定并且硬度高。这些碳化物微细而均匀地分散遍布叶片表面，比其它碳化物更加有效地改善耐磨性和抗卡合性。尽管这种效果根据压缩机的结构和所要求的耐久性要改变，加入钒总量不小于3.0％时，其耐磨性和抗卡合性逐渐增大。特别是钒量为6.0％或更多时效果显著。钒量少于3.0％时上述效果不充分，但超过15％时结晶粗VC-碳化物，雾化困难，也难于机加工。由于这些原因，设定钒量为3.0-15％，优选在6.0-12.0％范围内。
钴同样是对本发明有重要功效的元素。Co溶入基体产生增大基体硬度的作用。Co还使本发明能产生防止碳酸腐蚀的显著效果。另一方面，Co量增大时成本增加，所以Co的添加以得到硬度为70HRC或更多的范围为准，通常不大于15％的Co就已足够。
应当注意，根据本发明第二个特点叶片的硬度定为不少于70HRC是基于与第一个特点的叶片基本相同的理由。实验实验1：
关于进行实验的每种滚轮材料，表1给出了化学组成，热处理后硬度，石墨体、包括磷化铁的晶化共晶组织(表1中指斯氏体)和碳化物的面积比。
表1中，10号试样指的是其中共晶石墨体分散在铁素体基体内的铸铁，21号试样是低合金铸铁，最普遍用作现行的滚轮材料。22号到24号样品是连续铸造制备的铸铁，24号样品是实际中用作滚轮材料的铸铁。
30号和31号试样是其中球状石墨分散在贝氏体基体中的铸铁。40和41号试样是其中包括磷化铁的晶化共晶组织且片状或球状石墨分散在回火马氏体基体中的铸铁。40和41号试样是本发明的滚轮材料。
50和51号试样是实践中用作滚轮材料的耐磨铸铁。50号样品是石墨体和碳化物共存型的铸铁，51号样品是其中分布了大量M7C3型共晶碳化物的白口合金铸铁。60号试样是球状石墨和碳化物分散在含大量Ni的奥氏体基体中的铸铁。
表1中任何有大于50HRC硬度的样品中都有回火马氏体基体。
图3表示40号试样的显微组织(放大200倍)。图中黑色圆点代表石墨体，白色和浅灰色斑点部分及白色团块表示包括叫作斯氏体的磷化铁的共晶组织。基体是回火马氏体。
图3是考虑到石墨和包括磷化铁的共晶组织偶尔特殊聚集的部分所摄的照片，因此它与表1所示面积比不一致。
表1
| No. | 品种 | 组成 (％) | ||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Fe | ||
| 10 | 亚共晶D-型石墨铸铁 | 3.45 | 2.93 | 0.91 | 0.066 | 0.062 | 1.63 | 0.21 | 0.02 | 剩余部分 |
| 21 | Mo-Ni-Cr片状石墨铸铁 | 3.10 | 2.16 | 0.73 | 0.186 | 0.010 | 0.25 | 0.56 | 0.22 | ″ |
| 22 | 连续铸造共晶石墨铸铁 | 3.53 | 2.57 | 0.56 | 0.099 | 0.013 | 0.02 | 0.10 | 0.09 | ″ |
| 23 | 连续铸造共晶石墨铸铁 | 3.65 | 2.85 | 0.47 | 0.098 | 0.011 | 0.07 | 0.04 | 0.01 | ″ |
| 24 | 连续铸造片状石墨铸铁 | 3.48 | 2.73 | 0.65 | 0.101 | 0.012 | 0.01 | 0.10 | 0.09 | ″ |
| 30 | 贝氏体铸铁 | 3.37 | 2.60 | 0.30 | 0.020 | 0.005 | 0.02 | 0.02 | 0.27 | ″ |
| 31 | 高硬度贝氏体铸铁 | 3.28 | 4.30 | 0.38 | 0.017 | 0.010 | 0.02 | 0.01 | 0.38 | ″ |
| 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | 2.90 | 2.00 | 0.49 | 0.643 | 0.110 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | ″ |
| 41 | 斯氏体分散球状石墨铸铁 | 3.38 | 4.56 | 0.46 | 0.585 | 0.015 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | ″ |
| 50 | 晶粒铸铁 | 3.40 | 0.58 | 0.62 | 0.020 | 0.005 | 4.09 | 1.86 | 0.33 | ″ |
| 51 | 白口合金铸铁 | 2.70 | 0.44 | 0.72 | 0.022 | 0.013 | 1.30 | 16.78 | 1.39 | ″ |
| 60 | 耐蚀高镍球状石墨铸铁 | 2.83 | 2.72 | 0.67 | 0.020 | 0.013 | 20.26 | 1.90 | 0.01 | ″ |
表1(续)
| 硬度 (HRC) | 石墨面积比(％) | 斯氏体面积比(％) | 碳化物面积比(％) |
| HV 185 | 10.9 | 0 | 0 |
| 53.2 | 6.3 | 1.5 | 0 |
| 52.5 | 10.2 | 1.4 | 0 |
| 57.0 | 11.1 | ＜1.0 | 0 |
| 57.0 | 11.1 | 1.0 | 0 |
| 36.4 | 13.9 | ＜1.0 | 0 |
| 42.4 | 10.4 | ＜1.0 | 0 |
| 56.2 | 8.1 | 2.9 | 0 |
| 55.0 | 5.1 | 3.3 | 0 |
| 52.5 | 1.2 | 0 | 10.0 |
| 45.0 | 0 | 0 | 11.0 |
| HV160 | 7.1 | 0 | 1.0 |
关于进行评估试验的每种叶片材料，表2给出了化学组成、淬火-回火热处理后硬度、材料的制备方法、品种和淬火-回火热处理后未溶碳化物及氮化物颗粒(指表2中所存在碳化物等)种类及面积比(％)、叶片材料以图象处理装置能测量的产品形式状态下粒度不小于1.0μm未溶碳化物及氮化物颗粒的平均粒度。表2中，JISSUJ2、JIS SUS440C和JIS SKH51材料是目前广泛用于冰箱、空调等的叶片材料。
用两种方法制备对比样品，一种方法是正常熔化材料，浇铸成锭，锻造和轧制(熔炼工艺)；另一种是粉末治金方法(PM)，利用热等压方式(HIP)生成气体雾化粉末的生坯。后一方法中，和前一方法相比，以超快速冷却固化制备的合金粉末用作起始材料，结果得到的未溶碳化物特别均匀和微细。
本发明的试样是以水雾化方式制得不规则形式的细粉方法来制备的，利用Attoritor制成不大于10μm的粉末，向其中添加合适量的VC、TiN和NbN粉，且烧结混合物(方法在表2中记作ST)。由于这种高合金材料不能进行塑性加工，可通过机械加工(车削机加工和研磨)将煅烧压结的材料成型为所要求的产品形状。
图4表示表2中L钢的显微组织(放大4000倍)。图中，黑斑点是TiN颗粒，白色多边形斑点是M6C型碳化物，浅灰斑点是MC型碳化物，其余是基体。
将表1所示滚轮材料制得的环形试验片2A(外径25.6mm、内径20.0mm)，和表2所示叶片材料制得的矩形棒1A(10×10×40mm)进行接触，其位置关系如图1a和1b所示，然后将试验片2A侵入多醇酯润滑剂并绕它自、的轴旋转。试验片2A和棒1A之间的滑动接触关系保持在以下条件下，即接触面积0.58cm2，滑动速度2.73米/秒，每单位面积起始接触压力为0.981MPa(10kgf/cm2)，试验片2A每旋转1分钟压力增加0.981MPa(10kgf/cm2)，测量发生卡合时每单位面积的接触压力以及预定接触压力下的摩擦系数。
表2
| 钢品种 | 组成 (％) | 硬度(HRC) | ||||||||||
| C | Si | Mn | Cr | W | Mo | V | Co | Fe | TLN等 | |||
| 比较例钢 | JIS SUJ2 | 1.00 | 0.20 | 0.30 | 1.00 | - | - | - | - 剩余部分 - | 52.8 | ||
| JIS SUS440C | 0.92 | 0.37 | 0.41 | 16.97 | - | 0.51 | 0.06 | - | ″ | - | 57.2 | |
| JIS SKD11 | 1.39 | 0.25 | 0.37 | 12.30 | - | 0.86 | 0.24 | - | ″ | - | 59.0 | |
| JIS SKH51(M) | 0.89 | 0.23 | 0.28 | 3.87 | 6.06 | 4.95 | 1.92 | - | ″ | - | 65.3 | |
| JIS SKH51(P) | 0.88 | 0.31 | 0.27 | 4.01 | 6.22 | 4.87 | 1.97 | - | ″ | - | 65.2 | |
| JIS A | 2.14 | 0.32 | 0.32 | 4.21 | 11.49 | 2.53 | 6.96 | 7.92 | ″ | - | 66.5 | |
| JIS B | 1.57 | 0.27 | 0.26 | 4.11 | 14.10 | - | 5.01 | 4.90 | ″ | - | 66.3 | |
| JIS C | 2.01 | 0.29 | 0.27 | 4.03 | 9.71 | 8.03 | 5.10 | 9.50 | ″ | - | 69.8 | |
| JIS D | 1.30 | 0.28 | 0.23 | 4.10 | 6.10 | 5.23 | 3.20 | 8.02 | ″ | - | 67.8 | |
| JIS E | 1.90 | 0.31 | 0.25 | 10.00 | 4.03 | 6.21 | 5.23 | 3.00 | ″ | - | 66.1 | |
| JIS F | 1.35 | 0.60 | 0.24 | 5.22 | 3.13 | 6.02 | 3.81 | - | ″ | - | 65.0 | |
| 本发明钢 | JIS G | 2.05 | 0.43 | 0.43 | 3.90 | 10.3 | 6.10 | 5.50 | 8.00 | ″ | 9.0 | 70.3 |
| JIS H | 2.95 | 0.33 | 0.25 | 3.80 | 9.00 | 7.20 | 8.00 | 9.80 | ″ | 10.0 | 70.8 | |
| JIS I | 3.85 | 0.27 | 0.33 | 3.83 | 9.60 | 7.40 | 13.50 | 9.70 | ″ | 9.6 | 71.2 | |
| JIS J | 3.90 | 0.36 | 0.41 | 3.90 | 9.30 | 7.60 | 8.00 | 9.40 | ″ | 5.0 | 70.2 | |
| JIS K | 3.02 | 0.25 | 0.25 | 3.80 | 9.50 | 7.20 | 8.10 | 0.80 | ″ | 10.0 | 70.5 | |
| JIS L | 3.60 | 0.44 | 0.23 | 3.50 | 14.60 | 8.20 | 13.50 | 9.80 | ″ | 15.0 | 73.5 | |
| JIS M | 3.80 | 0.28 | 0.28 | 4.10 | 15.10 | 8.50 | 14.10 | 8.50 | ″ | NbN15.0 | 72.8 | |
| JIS N | 3.11 | 0.31 | 0.31 | 7.42 | 15.40 | 10.30 | 8.30 | 8.50 | ″ | TiN9.0 | 70.4 | |
表2(续)
| 制备方法 | 存在的碳化物等 | 碳化物等的平均粒度(μm) | |||||
| 品种 | 面积比(％) | 品种 | 面积比(％) | 品种 | 面积比(％) | ||
| 熔炼 | M3C | 6.1 | - | - | - | - | 1.0 |
| ″ | M23C6 | 14.0 | - | - | - | - | 8.0 |
| ″ | M7C3 | 14.0 | - | - | - | - | 9.0 |
| ″ | MC | 1.5 | M6C | 7.2 | - | - | 5.0 |
| PM | MC | 1.8 | M6C | 7.1 | - | - | 1.3 |
| PM | MC | 18.0 | M6C | 5.4 | - | - | 1.3 |
| PM | MC | 15.3 | M6C | 3.2 | - | - | 1.2 |
| PM | MC | 16.6 | M6C | 16.5 | - | - | 1.3 |
| PM | MC | 12.0 | M6C | 11.0 | - | - | 1.3 |
| PM | MC | 14.3 | M6C | 17.2 | - | - | 1.3 |
| PM | MC | 10.3 | M6C | 2.1 | - | - | 1.3 |
| ST | MC | 10.7 | M6C | 9.4 | TiN | 9.5 | 3.2 |
| ″ | MC | 14.5 | M6C | 8.4 | TiN | 10.2 | 2.8 |
| ″ | MC | 26.5 | M6C | 8.6 | TiN | 9.8 | 3.0 |
| ″ | MC | 13.9 | M6C | 8.0 | TiN | 7.5 | 2.6 |
| ″ | MC | 14.2 | M6C | 8.3 | TiN | 8.9 | 2.8 |
| ″ | MC | 26.2 | M6C | 10.2 | TiN | 15.3 | 3.1 |
| ″ | MC | 27.5 | M6C | 11.3 | NbN | 12.3 | 2.5 |
| ″ | MC | 13.1 | M6C | 13.5 | TiN | 10.5 | 3.3 |
在上述的一个试验中，表2的L钢用作叶片材料，表1的试样用作滚轮材料。该试验中，测量当每单位面积接触压力为9.81MPa(100kgf/cm2)/时发生卡合的每单位面积的接触压力及滚轮磨损量，所得结果列于表3。
低硬度滚轮材料10号和60号发生卡合时接触压力低。
虽然没有提出数据，但是发现对于产生卡合的接触压力和磨损量，改换滚轮材料比改换叶片材料引起的变化更大一些，且材料组合的选择非常重要。
显而易见，具有不低于2％面积比的包括磷化铁共晶组织的40及41号滚轮材料，其发生卡合时接触压力非常高。
高硬度且具有贝氏体基体的31号样品，其产生卡合的接触压力也是高的。但这种材料存在大量残余奥氏体时，31号试样则涉及外形尺寸随时间改变的问题，该问题是滚轮材料必须避免的。40、41和30、31号样品的磨损量小，这些样品是用于这类压缩机的重要材料。从表3可以了解，按照本发明材料的结合是合宜的。
表3
| 叶片材料 | 滚轮材料 | 发生卡合的接触压力MPa(kgf/cm2) | 滚轮磨损量mg×10-3m·hr | |
| L | 10 | 亚共晶D型石墨铸铁 | 24.5 (250) | 0.180 |
| ″ | 21 | Mo-Ni-cr片状石墨铸铁 | 78.5 (800) | 0.012 |
| ″ | 22 | 连续铸造共晶石墨铸铁 | 58.8 (600) | 0.023 |
| ″ | 23 | 连续铸造共晶石墨铸铁 | 63.7 (650) | 0.035 |
| ″ | 24 | 连续铸造片状石墨铸铁 | 66.7 (680) | 0.028 |
| ″ | 30 | 贝氏体铸铁 | 71.6 (730) | 0.011 |
| ″ | 31 | 高硬度贝氏体铸铁 | 83.4 (850) | 0.010 |
| ″ | 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | 117.7 (1200) | 0.009 |
| ″ | 41 | 斯氏体分散球状石墨铸铁 | 107.9 (1100) | 0.007 |
| ″ | 50 | 晶粒铸铁 | 73.5 (750) | 0.021 |
| ″ | 51 | 白口合金铸铁 | 58.8 (600) | 0.015 |
| ″ | 60 | 耐蚀高镍球状石墨铸铁 | 29.4 (300) | 0.098 |
表4表示表1的40号样品用作滚轮材料，并使用各种叶片材料进行测量，在每单位面积接触压力为9.81MPa(100kgf/cm2)时的摩擦系数和卡合发生时的接触压力测量值。
对于包括当前用作叶片材料的对比样品材料，熔炼材料(Melt)发生卡合的接触压力为9.8-25.5MPa(100-260kgf/cm2)，而粉末治金材料(PM)发生卡合的接触压力是13.7-37.3MPa(140-380kgf/cm2)。熔炼材料和PM材料彼此对比时，包括含有小粒度碳化物的熔炼材料，其发生卡合的接触压力较高。另一方面，按照本发明叶片材料的发生卡合的接触压力更高一些，它们是47.1-117.7MPa(480-1200kgf/cm2)。
表4
| 叶片材料 | 滚轮材料 | 磨擦系数 | 发生卡合的接触压力 | ||
| MPa | kgf/cm2 | ||||
| 对比例钢 | JIS SUJ2 | No.40 | - | 9.8 | 100 |
| JIS SUS440C | ″ | - | 25.5 | 260 | |
| JIS SKD11 | ″ | - | 12.7 | 130 | |
| JIS SKH51 (M) | ″ | - | 11.8 | 120 | |
| JIS SKH51 (P) | ″ | - | 13.7 | 140 | |
| JIS A | ″ | - | 28.0 | 285 | |
| JIS B | ″ | - | 36.3 | 370 | |
| JIS C | ″ | - | 37.3 | 380 | |
| JIS D | ″ | - | 25.5 | 260 | |
| JIS E | ″ | - | 19.6 | 200 | |
| JIS F | ″ | - | 27.5 | 280 | |
| 本发明钢 | JIS G | ″ | 0.00 2 | 51.0 | 520 |
| JIS H | ″ | 0.003 | 56.9 | 580 | |
| JIS I | ″ | 0.003 | 80.4 | 820 | |
| JIS J | ″ | 0.004 | 59.8 | 610 | |
| JIS K | ″ | 0.002 | 47.1 | 480 | |
| JIS L | ″ | 0.002 | 117.7 | 1200 | |
| JIS M | ″ | 0.001 | 78.5 | 800 | |
| JIS N | ″ | 0.001 | 73.5 | 750 | |
表5表示叶片和滚轮材料经典式结合的摩擦系数和发生卡合的接触压力的测量结果。
术语“碳”是包含了大约42wt％铝的碳材料，作为非金属滑动材料用于叶片。与样品A和JIS SKH51相对比，碳叶片的发生卡合的接触压力明显高。但是碳叶片的机械性质特别差，会在机加工、运输以及运行时造成破碎。当碳叶片用于压差特别大的空调机时，还涉及绝对强度问题。
和24号对比样品相比较，本发明的包括分散的磷化铁共晶组织的40号滚轮在改良比方面，当相配的叶片用JIS SKH51制造时是1.3倍(11.8/8.8)，相配叶片用本发明的L样品时是1.8倍(117.7/66.7)。可以认为，40号滚轮材料与L叶片材料特别合适。另外还应懂得，这种结合表现出低摩擦系数和高的发生卡合的接触压力绝对值。41号滚轮材料相对40号不是特别差。
表5
| 叶片材料 | 滚轮材料 | 9.8MFa时的磨擦系数 | 发生卡合的接触压力MPa(kgf/cm2) | ||
| No. | 品种 | ||||
| 对比例钢 | A | 24 | 连续铸铁片状石墨铸铁 | - | 15.7 (160) |
| A | 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | 0.003 | 28.0 (285) | |
| A | 41 | 斯氏体分散球状石墨铸铁 | 0.003 | 23.5 (240) | |
| 碳 | 24 | 连续铸造片状石墨铸铁 | 0.012 | 40.2 (410) | |
| 碳 | 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | - | * | |
| 碳 | 41 | 斯氏体分散球状石墨铸铁 | - | * | |
| SKH51(Melt) | 24 | 连续铸造片状石墨铸铁 | 0.010 | 8.8 (90) | |
| ″ | 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | 0.007 | 11.8 (120) | |
| 本发明钢 | L | 24 | 连续铸造片状石墨铸铁 | 0.024 | 66.7 (680) |
| L | 40 | 斯氏体分散片状石墨铸铁 | 0.002 | 117.7 (1200) | |
| L | 41 | 斯氏体分散球状石墨铸铁 | 0.002 | 107.9 (1100) | |
表6表示的测量结果是涉及41号滚轮在叶片材料L不进行表面处理和进行各种表面处理时发生卡合的接触压力的改良情况。应当了解，虽然各种表面处理都有效，但氮硫化和氮氧化处理在表面上形成多孔层最有效。
表6
实验3：
| 叶片 | 滚轮 | 表面处理 | 发生卡合的接触压力MPa(kgf/cm2) |
| L | No.41 | 无 | 107.9(1100) |
| ″ | ″ | 氮硫化处理 | 132.4(1350) |
| ″ | ″ | 氮氧化处理 | 127.5(1300) |
| ″ | ″ | 软氮化处理 | 117.7(1200) |
| ″ | ″ | 均质处理 | 115.7(1180) |
将常规21号与24号材料及本发明41号材料作成的滚轮，和JISSKH51材料、本发明材料L和“碳”材料作成的叶片，作成实际的旋转压缩机，比较它们的耐久性。
用于实验的材料及热处理条件与实验1的相同。滑动速度1.5米/秒，负载是98N(10kgf)，润滑剂是多醇酯油，致冷剂是R134a。实验时间为2000小时。以滚轮和叶片磨损量进行评估。结果列于表7。
通常必须保证压缩机大约10年的耐用期，由于这个原因，在这样短时间的试验里，实验性目标是保持滚轮材料的磨损不大于100μm，而叶片磨损不大于20μm。
若叶片由样品L制造，滚轮由41号样品制造，不进行表面处理，此时的滚轮磨损81μm，叶片磨损8.1μm。因此，完全达到上述实验目标。显然，实现了有关耐久性的起始目的。
从表7可以了解，与JIS SKH51制造的叶片相配的滚轮材料从常规21号和24号材料变到本发明41号材料时，滚轮材料的磨损量从400-410μm减少到300μm，减少到大约75-73％。本发明材料L(未经表面处理)用作叶片材料时，滚轮材料磨损量从115-103μm减到81μm，减少到大约79-70％，进行了表面处理的本发明材料L用作叶片时，滚轮材料磨损量可从89-80μm减到50μm，减少到大约53-56％，或者从88-90μm减到43μm，减少到大约49-48％。
从叶片磨损量的研究结果可以发现，当与JIS SKH51制造的叶片相配的滚轮材料从21号及24号材料变至41号材料时，叶片材料磨损量减少到大约56-45％，当进行了表面处理的本发明材料L用作叶片材料时，叶片的磨损量可大大减少到38-14％。
表7
| 滚轮材料 | 叶片材料 | 评估项 | ||||
| SKH51 | L | 碳 | ||||
| 无表面处理 | 无表面处理 | 氮氧化 | 氮硫化 | - | ||
| No.21 | 400 | 115 | 89 | 90 | 230 | 滚轮磨损(μm) |
| 55 | 19 | 21 | 20 | 30 | 叶片磨损(μm) | |
| No.24 | 410 | 103 | 80 | 88 | 110 | 滚轮磨损(μm) |
| 45 | 22 | 9.9 | 13 | 50 | 叶片磨损(μm) | |
| No.41 | 300 | 81 | 50 | 43 | 70 | 滚轮磨损(μm) |
| 25 | 8.1 | 3.0 | 5 | 30 | 叶片磨损(μm) | |
从上述显然可知，本发明旋转压缩机包括：铸铁制的滚轮，该铸铁中预定量的片状或球状石墨体及包括磷化铁的预定量晶化共晶组织分散在回火马氏体基体中；和叶片，叶片的制造材料中分布有预定粒度大小的预定量碳化物及氮化物颗粒。压缩机中采用的气体是润滑条件很差的氢氟碳(HFC)时，滚轮材料和叶片材料的这种组合展示了优异的抗卡合并防止互相磨损的性能，从而能使压缩机长期运行。
Claims (4)
1、一种旋转式压缩机，主要结构部件包括圆柱缸体，滚轮和叶片，
其中所述滚轮由铸铁材料制造，该铸铁淬火/回火后硬度为50HRC或更高，所述铸铁含有不少于5％面积比的石墨体、不少于2％面积比的包括磷化铁的共晶组织，和
所述叶片由铁合金制造，该合金淬火/回火后的硬度为70HRC或更高，所述铁合金含有总量不少于25％面积比的未溶解碳化物和氮化物颗粒，所述未溶碳化物包括不少于10％面积比的MC型碳化物，至少包括NiN和NbN中之一的所述氮化物颗粒不少于5％面积比，所述未溶碳化物和氮化物颗粒平均粒度不大于5μm。
2、根据权利要求1所述的旋转式压缩机，其中所述叶片进行选自以下的任一种表面处理：氮化、氮氧化、氮硫化和均质处理。
3、一种旋转式压缩机，主要结构部件包括圆柱缸体，滚轮和叶片，
其中所述滚轮由铸铁制造，该铸铁淬火/回火热处理后的硬度为50 HRC或更高，所述铸铁含有不少于5％面积比的石墨体、不少于2％面积比的包括磷化铁晶化共晶组织，和
所述叶片由铁合金制造，该铁合金包括不少于5％面积比的至少TiN和NbN中之一的颗粒，该颗粒的平均粒度不大于5μm，所述铁合金基本包括以下物质：以重量计，2.0-4.0％的C，不大于2.0％的Si，不大于1.5％的Mn，2.5-8.0％的Cr，至少W和Mo中之一种，W不大于30％，Mo不大于20％的Mo，且以“W＋2Mo”式表示的范围是20-40％，3.0-15％的V，不大于15％的Co，其余为Fe和不可免的杂质，所述铁合金淬火/回火热处理后的硬度是70HRC或更高。
4、根据权利要求3所述的旋转式压缩机，其中所述叶片进行选自以下任一种的表面处理：氮化、氮氧化、氮硫化和均质处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |