JP4886149B2 - スクロール式圧縮機用のスクロール部材とその製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通常、圧縮機に関し、特に圧縮機の構成部品を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現行のスクロール部材の製造方法は、溶融金属法（鋳造）から派生している。典型的には、液体ネズミ鋳鉄を混ぜて合金にし、接種し、そして凝固の完了後にスクロール部材を成形するキャビティ中へ注入する。現行の鋳造法では、１インチ当たり約±０.０２０インチの直線寸法精度で生鋳造スクロール部材を製造する。さらに、鋳造によって生じる固有の冶金学的表面変態または欠陥のため、余分の切削ストック（約０.０６０インチ）をこの許容差に加算しなければならず、仕上げ除去されるべき総てのストックおよび変化は０.０６０±０.０２０インチになる。スキン作用は、金属境界面で凝固および冷却砂（またはセラミック）に起こる複雑な熱力学的、運動学的、冶金学的および化学的相互作用のために発生する。
【０００３】
溶融金属が流入する鋳造工程で用いられる鋳型は、鋳物砂、バインダおよび／またはセラミックコーティング剤からなり、構造的剛性が十分ではない。液状鉄が鋳型壁面と接触すると、鋳型壁面膨張を生じさせる圧力が鋳型に及ぶ。ネズミ鋳鉄は、高い炭素またはグラファイト含量のために特に凝固膨張しがちである。この現象が寸法変化の主因であり、前述したように許容差が増大してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スクロール部材は、正確に作動させるために漏出、摩滅または折損してはならないので、非常に正確な最終寸法を保たなければならない。これを達成するために、非常に広範且つ複雑で高価な機械加工を生鋳造品について行い、現行の鋳造製造の取組みによって該生鋳造品を有用なスクロール部材に変える。それ故に、現行の鋳造法が前記の能力であるから、過剰な切削ストックが、仕上げ除去するのに必要な材料の剪断量のために高い大量生産性に対する主たる障害をもたらしている。仕上げ加工するのに最も困難なスクロール部材の範囲はインボリュートスクロール型自体である。この部分の切削が最も工具疲労を引き起こし、且つ機械加工に最も時間を取る。したがって、「インボリュートスクロール型」の寸法精度が最も重要である。
【０００５】
本明細書に記載した粉末金属の製造法の２つの基本的タイプにより、作動するスクロール部材に必要な過酷な応力および圧力条件に応じながら、スキン作用層がなく且つより良好な寸法許容差を有するスクロール部材を製造することができる。これらの２タイプは、金属射出成形法および慣用の圧力と焼結粉末冶金法である。双方の製法は、ほぼ正味または正味の形状のスクロール部材の製造に実際的で有用な粉末冶金法の利用に関連した具体例を持っている。スクロール部材は、全体で成形されるかまたは部品ごとに成形されてから全体のスクロール構成部品となるように接合されている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一般に、本発明は、スクロール式圧縮機用のスクロール部材の成形について粉末金属を利用することに向けられている。全部のスクロール部材が粉末金属技術を用いて成形できるものと思われる。さらに、スクロール式圧縮機の部材の各部分が粉末冶金技術を用いて製造できるものと思われる。ついで、極めて高度の寸法許容差を要するスクロール部材のインボリュート構成部品のような部分は、鋳造、鍛造のような技術によって成形されたスクロール構成部品の別の部分に固着されるか、または他の粉末金属部品に一様に固着される。
【０００７】
本発明の適応性のさらに別の領域は、以下で開示する詳細な説明から明らかになるであろう。この詳細な説明および特別の実施例は、本発明の好適な具体例を示す一方、説明だけを目的とするものであって、本発明の範囲を限定するつもりでないことを理解されるべきである。
【０００８】
本発明のインボリュートスクロール型について、要旨を列挙すると下記の通りである。
１．バインダによって相互に結合した複数の金属粒子からなるスクロール部材のインボリュートスクロール型。
２．金属粒子が５μｍより大きい平均粒径を有する前記１記載のインボリュートスクロール型。
３．複数の金属粒子が不定形形態を有する前記１記載のインボリュートスクロール型。
４．複数の金属粒子が球形形態を有する粒子からなる前記３記載のインボリュートスクロール型。
５．金属粒子が鉄からなる前記１記載のインボリュートスクロール型。
６．金属粒子が約０.６〜０.９％の炭素からなる前記５記載のインボリュートスクロール型。
７．金属粒子が約０〜５％のニッケルからなる前記５記載のインボリュートスクロール型。
８．金属粒子が約０〜５％のモリブデンからなる前記５記載のインボリュートスクロール型。
９．金属粒子が約０〜２％のクロムからなる前記５記載のインボリュートスクロール型。
１０．バインダがワックス−ポリマー、アセチル、寒天−水または水溶性架橋物から選択される前記１記載のインボリュートスクロール型。
【０００９】
本発明は、詳細な説明および添付図面からいっそう良く理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照するけれども、図面は本発明の好適な具体例を説明するためだけであって本発明を限定するために図示するものではない。図１と図２は、本発明によって製造したスクロール部材の斜視図を示している。
【００１１】
インボリュートスクロール型１０は、ベース１４およびハブ１６で構成されるベースプレート１２と接合されている。図示したインボリュートスクロール型１０は粉末金属製であり、ベースプレート１２はネズミ鋳鉄製（最低グレード３０）である。好ましくは、ベースプレート１２は、経済的理由のために、垂直分画法（ＤＩＳＡなど）のような慣用の鋳物砂鋳造技術によって製作されるべきである。
【００１２】
ベースプレート１２のマトリックスは、好ましくは最低９０％のパーライトおよび最大長さ約０.６４ｍｍのフレーク状グラファイトを有する。均等に分布し且つ適切な大きさになるグラファイトを確実にするために、接種を用いることができる。希土類元素は、接種剤として機能させるために粉末金属混合物に添加してもよいと思われる。インボリュートスクロール型１０の正味形状および寸法精度のレベルが、他の構成部品について非常に重要であるけれども、ベースプレート１２が有意義な後処理の機械加工を受けてもよい。空隙率を除いて、インボリュートスクロール型１０のマトリックスは、好ましくは最低９０％のパーライトを有する。インボリュートスクロール型１０におけるグラファイトの存在は重要ではないが、存在するならば耐磨耗性をいっそう高めるであろう。
【００１３】
粉末金属のインボリュートスクロール型１０をネズミ鋳鉄のベースプレート１２に接合することは、慣用の抵抗溶接、キャパシタンス放電溶接（抵抗溶接の変種）、ロウ付けのいずれを用いて達成しても、または焼結接合を使用してもよい。キャパシタンス放電溶接は慣用の抵抗溶接に類似しているが、非常に高い比率の熱入力が発生する。短時間で高電流を流すコンデンサの放電により、この高い加熱率を生じる。この溶接法の重要な利点は、この応用に要する高炭素材料を有害作用（クラッキングなど）なしで溶接できることである。また、この方法は、液体溶接金属のウィッキングまたは粉末金属の空隙への混入プロセス流体による反対の作用のようなどのような有害作用もなしに、粉末金属の構成部品が溶接されることを可能とする。また、キャパシタンス放電溶接は、接合されるべき金属と異なっていてもよく、ベースプレート１２の価格を上げることなしに、インボリュートスクロール型１０の摩耗、疲労および摩擦性能に合わせることができる。
【００１４】
図３（１）と図３（２）は、本発明の第２具体例の分解斜視図を示している。粉末金属技術で一部品として成形されたインボリュートスクロール型１０およびベース１４を有するスクロール部材８を図示している。前述した標準の鋳物砂鋳造技術または粉末金属を含む別の成形法を用いて別個に成形されたハブ１６は、前述した溶接技術を用いて、ハブ凹み２９の中で粉末金属インボリュートベースの半組立て品１８に接合される。好ましくは、粉末金属ハブは、硬ロウ付け材料を用いて粉末金属ベースプレートに接合できる。生構成部品が組み立てられ、ついで焼結工程の間に互いにロウ付けされる。選択的に、凝固ハブを焼結工程の間に硬化する材料を用いて締結することができる。
【００１５】
図４（１）と図４（２）は、本発明の第３具体例を示している。粉末金属から成形したインボリュートスクロール型１０およびパレット２０つまり半組立て品２２を図示している。インボリュートパレットの半組立て品２２は、前述の接合技術を用いてベースプレート１２に結合される。インボリュートパレットの半組立て品２２の成形は、パレット２０の境界表面２４と同様にインボリュートスクロール型１０の非常に精密な成形を可能とすることに注目すべきである。最も有利であるのは、これが従来の低廉な技術を用いてベース部材１２を安価に鋳造できることである。
【００１６】
図５（１）と図５（２）では、インボリュートスクロール型１０を受け入れるために、ベース１２に設けたベースプレート溝２５を使用することを開示している。ベースプレート溝２５は、ベースプレート１２に対するインボリュートスクロール型１０の寸法アライメントおよび位置合わせを容易にする。また、ベースプレート溝２５は、ベースプレート１２との境界面でインボリュートスクロール型１０の疲労強度を高める。溶接処理は溶接境界での硬化域を最小にするために行われ、該溶接境界は溶接温度からの高い比率の冷却のためにできることがある。溶接場所の近くのこの硬化層は、硬化域における局部的な低延性のためにクラックの原因となることがある。キャパシタンス放電の高い比率の熱入力および除熱がこの帯域幅を最小化することを促進する。比較的高い炭素含量を有する材料は、本明細書で開示した材料のようにこの現象を特に受けやすい。ベースプレート溝２５は曲げモーメントを支援し、且つ前記の硬化域における局部ひずみを最小化するのを促進し、さらに接合部での疲労破壊の機会を少なくする。ベースプレート溝２５は、短絡（溝壁におけるラップ部側面でのショート）を引き起こす不利な立場になる。インボリュートスクロール型１０またはベースプレート１２やベースプレート溝２５における高インピーダンス抵抗コーティング２０により、短絡作用が最小になるだろう。
【００１７】
溶接の間に、インボリュートスクロール型１０の全長が連続的に溶接されることを要する。これはその長さに亘って均等な圧力および電流を必要とする。特定の締結および寸法精度が、これを保証するのに必要である。溶接時の歪みは締結によって最小化されなければならない。また、キャパシタンス放電溶接は、急速熱入力のためにより少ない歪みとなる。
【００１８】
図７（２）において最も良く判るように、面取り部２６は、ベースプレート１２上の端縁接触を最小にするためにラップ部の中で溶接されると好ましく、同様に短絡を最小化して接合時に自己心合わせするのに役立つ。抵抗溶接は、溶接境界に位置させた減少面積の突起３７を必要とする。溶接の間に、突起３７は電流を集中させるのに役立ち、融解を促進する。突起３７は溶接時に部分的に消滅する。突起３７は、個々に離れてラップ部の回りで相互から所定の間隔で配置されてもまたは連続であってもよい。図７（３）および図７（４）では抵抗溶接を行う。抵抗溶接は減少面積を必要とする。溶接の間に、突起３７が電流を集中させ且つ溶接時に消滅する。
【００１９】
ベースプレート１２のベースプレート溝２５は、インボリュートスクロール型１０をベースプレート１２上で位置合わせおよび心合わせするのに用いてもよい。ベースプレート溝２５は、インボリュートスクロール型１０をベースプレート１２と接合する前に、ネズミ鋳鉄の鋳造材に機械加工している。図６に示すように、インボリュートスクロール型１０を、ベースプレート溝２５を用いることなしで直接ベースプレート１２と心合わせすることも可能である。これは、経費が加算されるベースプレート溝２５の切削を必要としないものである。
【００２０】
図７（５）と図７（６）に示すように、インボリュートスクロール型１０をベースプレート１２に接合することを促進するために、ロウ付け材料２８を使用することが可能である。さらに、ロウ付け材料２８は、ハブ凹み２９内でハブ１６をベースプレート１２の後方側面に接合するのに用いることができる。この取り組みは、前記の溶接によるように、硬化域が接合境界で生じることになるという利点を持っている。グラファイトを含むロウ付け材料２８（本明細書に記載したネズミ鋳鉄またはグラファイト粉末金属）についての１つの試みにより、グラファイトが金属表面を被覆する傾向があり且つロウ付け材料２８の濡れを遅らせることになる。この問題についての１つの解決策は、濡れを生じさせる適切な環境でロウ付け材料を熱することである。他の解決策は、濡れが十分に発生するようにグラファイトを十分に洗浄するフラックス剤（ブラックタイプのフラックスＡＷＳ ＦＢ３−Ｃ（商品名）またはＡＭＳ３４１１（商品名）など）を含むロウ付け材料２８を使用することである。別の解決策は、ロウ付けの前の別の工程においてグラファイトのスクロール部分を前洗浄することである。別の解決策は、鋳鉄タイプの材料を良く濡らす傾向があるＢＮｉ−７（ニッケルベアリング合金）のようなロウ付け材料を用いることである。また、Ｂａｇ−３、Ｂａｇ−４、Ｂａｇ−２４（いずれも商品名）またはＲＢＣｕＺｎタイプの充填剤のような他の全ての合金が、鋳鉄タイプの材料について良好に使用されている。
【００２１】
このような洗浄剤のひとつが溶融塩である。溶融塩処理はタンクから絶縁した浴の中に部材を浸漬することを伴い、直流を掛け且つ洗浄すべき表面を酸化または還元するように極性を設定する。グラファイトおよび酸化物のいずれも、必要ならば極性によって除去することができる。経済的理由のために、好適な状況では、ロウ付けの前に、アルカリ水ベースの洗浄剤中でのように、慣例通りにネズミ鋳鉄のスクロール部材を洗浄することができる。表面を洗浄する他の方法は、例えばニッケルまたは鋼鉄ショットによる研磨ブラストによって行う。
【００２２】
ロウ付け粉末金属についての他の試みにより、ロウ付け材料２８が多孔性の粉末金属部分の中に過剰に溶け込む傾向があることになる。過剰であるならば、これは接合表面からロウ付け材料２８が除去されることになるので弱いロウ付け接合になってしまう。これに対する解決策は、溶け込み作用を最小にするロウ付け材料２８を用いることである。所要のロウ付け金属が粉末金属表面と反応しなければならない。この反応は、現行のロウ付け温度よりも高い温度で溶融する冶金学的化合物を製造することにより、溶け込み量を最小にする。このようなロウ付け合金の１つが、銅３０〜５０重量％、マンガン１０〜２０重量％、鉄３〜２５重量％、シリコン０.５〜４重量％、ホウ素０.５〜２重量％、残りがニッケル（３０〜５０重量％）の組成を有するＳＫＣ−７２（商品名）である。ベース金属溶液の良好な素地強度および許容レベルは、ある種の元素特に鉄の追加によって充足させる。
【００２３】
ロウ付け金属２８は、錬鉄形態、ペーストないし金属粉末、または鋳物プリホームであればよく、好ましくはロウ付けの前にベースプレート１２のベースプレート溝２５の中またはハブ凹み２９の中に載置した凝固金属粉末プリホームのスラグである。ペーストを用いる時の注意により、ロウ付けの間にガスが発生しないことが確実になるように練習しなければならない。ロウ付け方法では、局部的に抵抗加熱または炉内ロウ付けされてもよい。抵抗ロウ付けは、局部的に加熱されるために最小の熱関連歪みしか起こらないという利点を有する。炉内ロウ付けは、濡れを進める保護的環境でロウ付けできるという利点を有する。また、ロウ付けは、経済的に有益である焼結と同時に行われてもよい。
【００２４】
図７（５）は、適当な面取り部２６とともにロウ付け部材２８の構成を示す。平坦なストリップ片を示しているけれども、針金、プリホーム部品またはペーストのような他の形状のロウ付け部材（フラックスを有するかまたは有しない）を使用してもよい。接合すき間は、用いるロウ付け合金のタイプについての標準ＡＷＳプラクティスに従えばよい。例えば、前述したＳＫＣ−７２合金について、最適の接合間隙は０.００２インチから０.００５インチであろう。好適な「粉末金属スラグ」は約４.５〜６.５ｇ／ｃｃ、より好ましくは約５.５ｇ／ｃｃの密度を有する。粉末金属のプリホームスラグの密度は良好なロウ付けを達成するために重要である。
【００２５】
図７（６）には、インボリュートスクロール型１０をベースプレート溝２５の中にインサートした後に、ベースプレート１２の頂部にロウ付け材料２８を置いた態様を示す。次には、毛細管作用によってロウ付け材料２８を間隙３０の中へ引き入れ、そしてインボリュートスクロール型１０の底部３２の回りに引き寄せる。随意に、インボリュートスクロール型１０とベースプレート１２とは一緒に成形できるが、ベアリングハブ１６を別個に製造してベースプレート１２に接合する。
【００２６】
図３（２）はベアリングハブ１６をベースプレート１２に結合する態様を表し、該ベースプレートは図３（１）に示すような粉末冶金技術を介して１部品として製造する。ベアリングハブ１６は、別個の金属部品として製造され、既述したロウ付け法を介してスクロール／ベースプレートアセンブリに接合する。この取り組み方において、ベアリングハブ１６は慣用の鋼鉄、粉末金属または鋳鉄製であればよい。
【００２７】
本明細書で開示した方法は、スクロール式圧縮機用のスクロール部材のインボリュート部を製造する方法として記載している。開示した金属射出成形法では、粉末粒子がポリマーバインダで被覆された非常に微細な鉄粉末を使用する。次に粉末とポリマーの組合せ物（供給原料）は加熱され、射出成形機を用いることによって、スクロール部材を製造するために金型ダイスの中へ射出される。バインダは、射出成形を促進するキャリアとして機能する。金属射出成形の基本的な手順はプラスチック射出成形と同様である。成形圧力と温度が特有の粉末／バインダシステムのために最適化され、該システムをインボリュートスクロール型の適切な充填を可能とするために用いる。射出システムの条件は、チキソトロピー性（射出工程で熱を引き起こす剪断応力が増大すると粘度が低下する）である。次には、成形したスクロール部材のような結果物は脱バインダ（バインダ除去）され、そして完全な高密度化まで焼結される。これらの２工程は組み合わせてもまたは別々の操作で行ってもよい。特定の工程経路および用いる材料を、寸法変化（許容差）を最小にするために選択し、且つ幾何学上の形状歪みを最小にするために選択する。直線の寸法許容差を約０.３％であると予想すると、「スキン作用」のための仕上げ代が必要がない。ダイスの抜け勾配が約０.５度である。
【００２８】
コスト削減のために、可能な最大平均粒径を有する鉄粉末（約５μｍより大きい）を用いることが好ましい。約２〜２０μｍの粒径が合理的な焼結時間および適切な成形性を可能とする。丸い粒子は、より緻密に詰め、より迅速に焼結させ、より小さいバインダを必要するが、脱バインダおよび焼結の間における形状歪みをうまく阻止できない。不定形の粉末粒子は、球形よりも良く部品形状を保持する。球形の粒子は、より高いタップ密度（粉末サンプルの揺動後に最小体積に達した最大密度）を有する。１００％の不定形でより大きい粒子は経済的利点を有するけれども、加工処理することが困難であるため、球形と不定形の形態のいずれも有する粒子寸法のブレンドおよび分布を用いることが必要である。１００％の球形粒子、１００％の不定形粒子または両者の適当な割合のいずれかを用いることができる。
【００２９】
正確な供給原料粘度を、インボリュートスクロール型を形成するために用いなければならない。より多い金属装填はより高い粘度の供給原料をもたらす。粘度が高くなりすぎるならば、材料を射出成形することができなくなる。しかしながら、非常に低い粘度であると、射出成形の間に供給原料が金属とバインダとに分離しやすい。
【００３０】
スクロール部材の製造工程で使用できるものと思われるいくつかの結合システムがあり、これらのシステムは、ワックス−ポリマー、アセチルベース、水溶性、寒天−水ベース、水溶性の架橋バインダシステムである。アセチルベースのバインダシステムは、少量のポリオレフィンとともに主成分としてポリオキシメチレンまたはポリアセチルを含んでいる。このアセチルバインダシステムは結晶性である。結晶性のために、成形粘度が非常に高く、これは成形温度の直接制御を必要とする。このバインダは、低温で硝酸によるポリアセチル成分の触媒化学脱重合によって脱結合される。成形温度は約１８０℃であり、金型の温度は約１００〜１４０℃であり、これは比較的高い。
【００３１】
さらに、ワックス−ポリマーの結合システムも使用しうるものと思われる。このバインダシステムは良好な成形性を有するが、ワックスは脱結合の間に軟化するので歪みが重要である。締結または最適の脱結合サイクルが必要とされ、且つ歪みを克服できる。多成分のバインダ組成物は、物性が温度で次第に変化するので使用できるものと思われる。これはより広い加工処理の領域を可能とする。ワックス−ポリマーシステムは、大気中または真空炉中および溶媒方法によって脱結合させることができる。代表的な材料成形温度は１７５℃であり、金型の温度は典型的には４０℃である。
【００３２】
さらに、水溶性バインダも使用しうるものと思われる。水溶性バインダは、いくらかのポリプロピレンを有するポリエチレン、部分的に加水分解した冷水溶性ポリビニルアルコール、水および可塑剤からなる。バインダの一部は、約８０〜１００℃で水によって除去することができる。成形温度は約１８５℃である。このシステムは環境的に安全であり、危険でなく且つ生物分解性である。低い脱結合温度のため、脱結合の間に歪もうとする傾向が小さい。
【００３３】
さらに、寒天−水ベースのバインダを使用しうるものと思われる。寒天−水ベースのバインダは、水の蒸発が脱結合を起こす現象であるので別個の脱結合処理工程が必要ないという利点を有する。脱結合は、処理工程の焼結工程に組み込むことができる。成形温度は約８５℃であり、金型温度はより低い。ひとつ注意することは、成形の間において、金属装填および粘度のいずれにも影響を及ぼす水不足が起こりやすいことである。したがって、注意深い制御が、処理工程の間に蒸発を避けるために必要である。他の欠点は、成形される部品が軟化し特別の処理対策を必要とすることである。成形後に直ちに特殊な乾燥を行うことは、処理において助けになるために組み入れてもよい。
【００３４】
さらに、水溶性の架橋バインダを使用できるものと思われる。水溶性の架橋バインダは、部分的に脱結合させるために水中への初期浸漬を含み、ついで架橋工程を適用する。これは、時には反応と混じり合った原料供給として言及されている。主成分はメトキシポリエチレングリコールおよびポリオキシメチレンである。このバインダの脱結合システムは、少ない歪みおよび小さい寸法許容差をもたらす。また、異なる粉末タイプをブレンドすると、高い金属装填を達成できる。
【００３５】
随意に、脱結合および／または焼結の間に締結することは部分的な落ち込みを防ぐ手だてとなる。未焼結状態（under-sintering）（しかし、密度と強度の評価基準が合致する点までさらに密になる）は、寸法制御を持続することを促進することが判明している。締結は、歪みを最小にするためにグラファイトまたはセラミックスクロール型の型枠を用いることによって成し遂げることができる。
【００３６】
スクロール部材の幾何学デザインは、金属射出成形に最適でなければならない。壁厚は部品について可能な限り均等で薄くし、且つコアリングはこれを達成するのに適したものを用いるべきである。一定で極薄の壁厚が歪みを最小化し、脱結合と焼結を早め、そして材料コストを軽減する。
【００３７】
開示した金属射出成形法では、非常に緻密な部品（しばしば比重７.４以上）を製造することが判明している。これが金属射出成形法のユニークな点であり、現行の鋳鉄デザインよりも薄くて軽いスクロール部材を可能とする非常に高い強度の材料を製造する。それ故に、金属射出成形法は、従来技術のネズミ鋳鉄のスクロール部材よりも強度上の利点をもたらす。
【００３８】
スクロール部材（固定および旋回）の最終焼結密度は、最小約６.５ｇ／ｃｍ^３（好ましくは最小６.８ｇ／ｃｍ^３）である。この密度は可能な限り均等に分布させる。最小密度は、スクロール部材の疲労強度条件に対応させるために持続されなければならない。また、連続した金属多孔性による漏出は圧縮機効率の損失のために重要である。他の処理をすることなくいっそう高い密度に組み込むことは、圧縮気密化を生じさせるのに十分である。また、必要ならば、浸漬、蒸気処理または浸透で、ポリマー、金属酸化物または金属物を連続孔を塞ぐために孔の中に入れてもよい。
【００３９】
最終部品の材料構成は、約０.６〜０.９％（遊離グラファイトが存在するときは３.０〜３.３％）の炭素、０〜１０％の銅、０〜５％のニッケル、０〜５％のモリブデン、０〜２％のクロム、残りが鉄である。他の微量成分は、焼き入れ性またはパーライト微粒度のようなミクロ構造の点をいくらか変更または改良するために添加してもよい。最終材料のミクロ構造は鋳鉄と類似する。しかしながら、グラファイト含有構造は、圧縮機用途の摩擦学的条件に依存して必要とされ、粉末金属について好適なミクロ構造は遊離グラファイトを含まないことである。遊離グラファイトの存在は粉末の圧縮率を低下させ、寸法精度および許容差に逆に影響を及ぼす。１個のスクロール部材（例えば、固定物はグラファイトを含み、旋回物は含まない）が想像できる。焼結サイクルは、最終部品が最小９０容積％（空間を無視）のパーライトであるマトリックス構造を含むように行われると好ましい。遊離グラファイトが存在するならば、球形、不定形またはフレーク状のいずれかである。遊離グラファイトの容積％は、焼結前では好ましくは５〜２０％であり、より好ましくは約１０〜１２％のグラファイトである。グラファイト粒径（直径）は有効直径で約４０〜１５０ミクロンである。
【００４０】
この粒子は、特有の摩擦学的性質を必要とするスクロール部材の特定の部位に集中させることができる（参考のために組み入れた米国特許第６０７９９６２号参照）。または、より好ましくはスクロール部材について均一に分散させてもよい。粒径、形状および分散は、許容できる疲労抵抗および摩擦学的性質（低い接着性および研磨摩耗）を維持するのに応じさせる。本明細書における粉末金属は、圧縮機における摩損なしにその自体とぶつかりうるであろう。組合せスクロール部材の少なくとも１個中でのグラファイトの存在により、この摩耗偶力が首尾良く存在するのを可能とする。この寸法変更はグラファイトの添加からもたらされ、組み入れたならば、金属射出成形または粉末金属加工のデザインについて説明されなければならない。
【００４１】
遊離グラファイトを最終の粉末金属構造中で維持させるために、グラファイト粒子の２または３以上の異なる粒度分布（微細または粗大）を任意に混ぜ合わせる。より微細なグラファイト粒子は焼結の間に拡散し、パーライトを形成する。より粗大なグラファイト粒子は全部または部分的に遊離グラファイトのままである。加熱工程において、機械加工性を著しく低下させる遊離炭化物を形成しないように注意しなければならない。随意に、遊離グラファイトは、グラファイトを被覆することによって形成されてもよく、すなわち銅やニッケルのような金属を有する遊離の状態のままであることを必要とする。金属コーティングは、焼結の間に炭素拡散を阻止するかまたは少なくとも最小にする。
【００４２】
一般に、粉末金属またはＭＩＭ（金属射出成形）のスクロール部材は、鍛造または鋳造部材よりも機械加工がいっそう困難である。粉末金属の低い機械加工性は多孔性が原因であり、該多孔性によって切削工具のミクロ疲労および切削工具からの不十分な熱分散を発生する。機械加工性を高めるためには、構成部品がグラファイトを含むものであり、且つより高い密度を有する。また、硫化マンガンを形成するために、マンガンおよび硫黄を理論組成量に任意に加えることが機械加工性を促進する。約０.５％の硫化マンガンが、良好な機械加工性を達成するために用いられている。硫化マンガンの添加に加えて蒸気酸化処理が、工程間での相互作用のために改良表面仕上げをもたらすことが判明している。良好な工具寿命（機械加工性）を維持するための好適な取り組みは、ポリマーによって粉末金属のスクロール部材をシールつまり含浸することである。空隙は充填されることになる。ポリマーは、空隙を充填するために、機械加工し且つミクロ疲労現象を最小にするので、工具を潤滑にすることによって機械加工性を改善する。受容できるべきポリマー態様は、不飽和ポリエステル類を有するメタクリル酸ブレンドである。加熱または嫌気性型のいずれかの硬化物がうまく効く。嫌気性合金の硬化シーラーは、粉末金属中の内部空隙が酸素を欠くので申し分なく適している。
【００４３】
インボリュートスクロール型１０が機械加工することが最も困難で高価なスクロール部材の部分であるので、ベースプレート１２を高精密な製造法によって製作する必要はない。それ故に、ベースプレート１２は垂直分画法のような慣用の鋳物砂鋳造技術で造れることができる一方、スクロール部材のインボリュート部は粉末金属技術で製造することができる。このような鋳造法のひとつつまりＤＩＳＡ（垂直分画された生砂）は、他の鋳鉄鋳造法に比べて相対的な経済的利点のために使用されている。
【００４４】
インボリュートスクロール型１０の成形および焼結の間において寸法精度を維持し且つ歪みを回避することならびにその仕上げ（ダイスおよびパンチ）が重要である。下記の粉末金属可能技術の一つまたは組み合わせが、インボリュート工具の歪みを制御するのに必要であると思われる。
【００４５】
「加温圧密化」において、加熱時に例外的な流動特性を有する特定結合の粉末材料が用いられる。この粉末およびダイスは、成形前および成形の間に約３００°Ｆまで加熱される。加温圧密化により、最終焼結部品とともに、生部品内でいっそう高く且つより均一な密度状態を有するいっそう強い生粉末の金属部品を造る。いっそう高い密度均一性が焼結歪みの機会を少なくする。さらに、加温圧密化した生圧密体は従来の成形部品よりも強く、それ故に取扱いの間に容易に破損することはない。インボリュートスクロール型１０を加温圧密化すると、成形部品をいっそう容易にダイスから取り除くこともでき、それによって排出不良を減らす。加温圧密化の他の独自の利点は、時には生機械加工と称する生（圧縮）部品の機械加工を可能とする。２つの利点として、部品が未だ全強度まで焼結されていないのでいっそう容易な機械加工と、いっそう容易な取扱いおよびチャッキング用のいっそう強い生部品とが存在する。
【００４６】
インボリュートスクロール型１０のための粉末金属製作における他の補助加工処理は「ダイス壁面潤滑」である。この技術において、ダイスの壁面が特有の潤滑剤で被覆され、該潤滑剤は固体噴霧または液体形態のいずれかであり且つ高温で安定している。この潤滑剤は、粉末対ダイスの壁面摩擦を減少させ、粉末の密度および流れ特性を改善できる。さらに、ダイス壁面潤滑は、粉末内部の潤滑（内部潤滑）と全部または一部の差替え物として使用することができる。内部潤滑には約０.７５％の潤滑剤を用い、一方、ダイス壁面潤滑は約０.０５％の内部潤滑になる。少量の内部潤滑により、いっそう高い密度、いっそう良好な密度分布、炉内のいっそう小さいスーチング、いっそう大きい素地強度、圧密化後のいっそう小さい生状態のスプリングバック、いっそう良好な表面仕上げおよびいっそう小さい必要排出力をもたらす。ダイス壁面潤滑は液体または固体であればよい。
【００４７】
ダイス壁面は、潤滑剤を液化させるために約３００°Ｆまでの温度に加熱することを要する。液化した潤滑剤は金属摩擦が生じない。これの変形として、ダイス壁面潤滑は、低融点（可能な限り１００°Ｆ程度の低さ）を有する別種のものでよい。これらの性質の下に、ダイス壁面潤滑剤を圧密化工程の間に容易に液体に変換できる。高温および低温の潤滑剤を混合すると、適用した温度が一定の臨界値よりも高くなるほど長く加熱しても、構成物の最高融点の値以下に混合物の有効融点を下げてしまう。潤滑剤の粉末は、ダイスキャビティの中にスプレーする前に良く混合しなければならない。流動化法は、これを遂行するための良い方法である。また、異なる溶融温度の潤滑剤を混合すると、流動化作用を促進する。混合することとともに、流動化の間に、混合された潤滑剤の物理的分離が生じないように注意しなければならない。潤滑剤のこのような組み合わせの一つは、エチレン・ビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、ステアリン酸およびラウリン酸からなる。
【００４８】
インボリュートスクロール型１０を粉末金属製造法から製造することを容易化する他の技術は、焼結の後に寸法合わせするかまたは鋳造することである。この処理方法では、焼結部分に比べて寸法精度を高め且つ寸法許容差を減らす１セットのダイス中で焼結部分を再プレスすることを必要とする。これは部品を正味の形状にいっそう近づけ且つそれを幾分強くする。
【００４９】
ダイスおよびパンチについて高い応力の面倒な問題を避けるコンセプトは「液体金属補助焼結法」を用いることである。プレス加工した生型は、前述したものと同じ構成物から製造され、通常の製造法よりも低い圧力、いっそう低い密度およびいっそう高いレベルの多孔性を有するだけである。いっそう低い加圧成形圧力は、ダイスについてダイス寿命および排出問題を増大させるいっそう低い応力をもたらす。次には、焼結の間に、約１０重量％の銅合金が部品全体に亘って融解される。融解した銅合金は焼結の割合を高める。最終焼結の部品において、銅合金は部品の強度を支援する。銅合金がないと、プレス加工不足の部品が十分に強くならない。別の利点として、得た部品内で分散した銅は、圧縮機操作の間に摩擦学的性質を促進することがある。しかしながら、液体金属補助焼結法は、焼結の後にスクロール部材の歪み量を増大させる。
【００５０】
焼結またはロウ付け間に締結することは寸法歪みを最小にするために必要である。締結は、スクロールラップ部の形状を維持するための助けとなるグラファイトまたはセラミックスクロール型を用いることによって達成することができる。スクロールラップ部を支持するために該ラップ部間に置くことができる領域物のような他の締結形状体を用いることができる。また、部品の形状および寸法は焼結の間に変わるので、部品と保持トレイとの間の摩擦力が重要である。理由の如何によって摩擦を増減させることが必要であるかもしれない。摩擦を減少させることは、歪みを減らすための最も普通の方法であり、部品とトレイとの間にアルミナ粉末を適用することで達成することができる。
【００５１】
また、粉末の粘度と均等性および部品構成物により、寸法誤差を最小にすることができる。粉末供給時には偏析が発生することがある。粉末偏析を回避する粉末供給および移動機構が重要である。偏析を避ける一つの方法は、プレアロイ粉末または拡散結合粉末を使用することである。これらの場合には、個々の粉末粒子は、偏析が消滅するほど同じ構成物を有する。偏析を避ける他の単純な方法は、可能な限り早く充填することである。バインダの選択および得た粉末流れが、部品に沿った密度変化を減らすことによって寸法安定性（焼結歪み）に影響を及ぼす。粉末流れは、厚い部分から薄い部分まで均等な密度を得るのに十分な速さであるべきであるが、粒子径の偏析を助長するほど速くすべきではない。この点で、高温のバインダは流れ問題を阻止するようにうまく作用する。
【００５２】
また、粉末金属のスクロール部材の製造における全ての重要な段階で適切に工程制御することにより、寸法精度および仕上げ困難さに影響を及ぼすことになる。このような重要な工程をモニターする二つの例は、装填内での生部品の性質（密度および寸法）および焼結温度の炉内均等性である。
【００５３】
ダイス自体は、摩擦を最小にするために潤滑剤で永久的に被覆することができる。ダイヤモンドまたはクロムのような被膜剤を用いることができる。ダイス被膜剤は、粉末において必要とされる潤滑剤を少なくでき、該潤滑剤はブリスタを減らし且つダイス壁面潤滑で述べたように生強さおよび圧縮率を増大させる。
【００５４】
材料選択は歪みを最小にするために重要である。最適の比率で合金元素を選択することが寸法安定性にとって重要である。例えば、炭素と銅については、より高い銅含量（約３〜４％）を特に炭素濃度が低い（０.６％以下）ときに避けるように調和させなければならない。さらに、粉末合金製造方法の選択が重要である。分散または結合合金方法は、混合法に比べて生じる構成物の均等性および粘度のために好まれている。ＭＰＩＦ ＦＤ−０４０８（商品）またはＦＤ−０２０８（商品）と類似の合金が、寸法についての見方からスクロール部材に良く適している。
【００５５】
粉末による完全なダイス充填は非常に重要である。粉末をダイスに完全に充填させるために、振動、流動化または真空化のような技術が、粉末をスクロール型のキャビティの中へ輸送するのを促進するために用いられてもよい。前述したように、粉末の偏析が振動時に起こらないようにしなければならない。また、粉末の底部供給または底部と頂部供給が、この仕上げを達成するために必要であるかもしれない。
【００５６】
本発明の他の具体例において、全てのスクロール部材が単純な幾何学の固体形状として成形されるであろう。次に、成形または「生」状態において、インボリュートスクロール型１０、ハブ１６およびベースプレート１２の細部を機械加工する。そして、一般的にはスクロール部材を焼結させる。次に、スクロール部材として使用するかまたはある最終の機械加工が焼結歪みを補正するために必要である。コンピュータ補助の機械加工法によって、この具体例で必要とする多くの機械加工が実施可能である。
【００５７】
生凝固のインボリュートスクロール型１０は、それを機械加工するのに要する機械加工応力および関連の型締め応力を保持するのに十分な生強さを得る処理法および材料から製造されるであろう。この場合には、粉末をバインダで被覆し、該バインダは約３００°Ｆまでのいっそう高い圧密化温度に耐えることができる。生部品の引張り強さは、この具体例について最小３０００ｐｓｉであるべきである。
【００５８】
図８から図１０は、本発明のスクロール部材の顕微鏡写真を表している。図８および図９は、それぞれ拡大率５００倍でベースプレートおよびインボリュートスクロール型の先端を表している。グラファイト構造を有しないパーライト構造が存在することを示している。図１０は、非エッチング状態において１００倍で粉末金属のインボリュートスクロール型を表している。焼結材料が多孔性であることが判る。ポリマーシーラーが多孔内に残存している。
【００５９】
本発明の記載は本質的に単に代表例にすぎないから、本発明の要旨から逸脱していない変形例は本発明の範囲に含まれることを意図している。このような変形例は、本発明の精神および範囲から逸脱していないとみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るスクロール部材の斜視図である。
【図２】 本発明に係る他のスクロール部材の斜視図である。
【図３】 図３（１）と図３（２）は本発明の第２具体例に係るスクロール部材の分解斜視図である。
【図４】 図４（１）と図４（２）は本発明の第３具体例に係るスクロール部材の分解斜視図である。
【図５】 図５（１）と図５（２）は本発明の第４具体例に係るスクロール部品の分解斜視図である。
【図６】 本発明の第５具体例の分解斜視図である。
【図７】 図７（１）ならびに図７（２）から図７（６）はそれぞれベース境界面についてスクロールインボリュートの断面図である。
【図８】 本発明のスクロール部材の冶金学的構造の顕微鏡写真である。
【図９】 本発明のスクロール部材の他の冶金学的構造の顕微鏡写真である。
【図１０】 本発明のスクロール部材の別の冶金学的構造の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０ インボリュートスクロール型
１２ ベースプレート
１４ ベース
１６ ハブ
２５ ベースプレート溝
２６ 面取り部
２８ ロウ付け材料
３０ 間隙
３７ 突起

Claims (32)

1. スクロール部材は、０.７〜３.５％の炭素、０〜１０％の銅、０〜５％のニッケル、０〜５％のモリブデン、０〜２％のクロム、残りが鉄であるプレアロイの金属粉末を焼結することによって形成した焼結インボリュートスクロール型からなり、前記金属粉末は２〜２０μｍの平均粒径を有し、且つ前記焼結インボリュートスクロール型は少なくとも９０容積％のパーライト構造および約６.８ｇ／ｃｍ³より大きい密度からなるスクロール式圧縮機用のスクロール部材。
2. 前記炭素の一部として、焼結の前に、１０〜１２容積％の遊離グラファイトを有する請求項１記載のスクロール部材。
3. 前記焼結インボリュートスクロール型を受け入れできる溝を設けたベースプレートをさらに含み、前記ベースプレートは、前記溝からなるジョイントで前記インボリュート型に接合される請求項１記載のスクロール部材。
4. 前記金属粉末における複数の粒子が異なる形態を有し、複数の粒子の第１部分は球形または不定形から選択される第１の形態を有し、且つ複数の粒子の第２部分は球形または不定形から選択される第２の形態を有する請求項１記載のスクロール部材。
5. 前記金属粉末がグラファイト粒子をさらに含む請求項１記載のスクロール部材。
6. 前記グラファイト粒子が金属被覆グラファイト粒子であり、この金属被覆が銅からなる請求項５記載のスクロール部材。
7. 前記金属粉末が硫化マンガンをさらに含む請求項１記載のスクロール部材。
8. 前記ジョイントで前記インボリュートスクロール型に接合された焼結インボリュートスクロール型の端縁には、面取り端部を有する請求項３記載のスクロール部材。
9. ポリマーが、焼結後に存在する前記焼結インボリュートスクロール型に形成された孔の中に入っている請求項１記載のスクロール部材。
10. 鉄粒子がポリマーバインダで被覆された微細な鉄粉末をインボリュートスクロール型の金型キャビティの中で加熱しおよび射出して生インボリュートスクロール型を形成し、前記鉄粉末は、０.７〜３.５％の炭素、０〜１０％の銅、０〜５％のニッケル、０〜５％のモリブデン、０〜２％のクロムからなり、残りが鉄であり、前記鉄粉末はプレアロイであり且つ２〜２０μｍの平均粒径を有し、
    前記生インボリュートスクロール型を前記金型キャビティから取り出し、および
    前記生インボリュートスクロール型を焼結して、少なくとも９０容積％のパーライト構造および約６.８ｇ／ｃｍ³より大きい密度を有するインボリュートスクロール型を形成する工程からなるスクロール部材の製造方法。
11. さらに前記鉄粉末をバインダと合わせて、鉄粒子がポリマーバインダで被覆された微細な鉄粉末を形成する工程を有する請求項１０記載の方法。
12. 前記生インボリュートスクロール型が５〜２０容積％の遊離グラファイトからなる請求項１０記載の方法。
13. 前記生インボリュートスクロール型が約１２容積％の遊離グラファイトからなる請求項１２記載の方法。
14. 前記鉄粉末は、球形または不定形から選択される複数の形態を持つ請求項１０記載の方法。
15. 金属被覆のグラファイト粒子を前記鉄粉末と混合させる工程をさらに含む請求項１０記載の方法。
16. 前記金属被覆のグラファイト粒子は、銅で被覆したグラファイト粒子を含む請求項１５記載の方法。
17. 硫化マンガンを前記金属粉末と混合する工程をさらに含む請求項１０記載の方法。
18. 前記生インボリュートスクロール型を金型から取り出した後に、該生インボリュートスクロール型を機械加工する工程をさらに含む請求項１０記載の方法。
19. （１）金属粉末のインボリュートスクロール型を形成する工程であって、
    （ｉ）鉄粒子がポリマーバインダで被覆された微細な加熱鉄粉末をインボリュートスクロール型の金型キャビティに充填し、そして生インボリュートスクロール型を形成するために圧力を加え、前記鉄粉末は、０.７〜３.５％の炭素、０〜１０％の銅、０〜５％のニッケル、０〜５％のモリブデン、０〜２％のクロムからなり、残りが鉄であり、前記鉄粉末はプレアロイであり且つ２〜２０μｍの平均粒径を有し、
    （ii）前記生インボリュートスクロール型を前記金型キャビティから取り出し、および
    （iii）少なくとも９０容積％のパーライト構造を有し且つ約６.８ｇ／ｃｍ^３より大きい密度を有するインボリュートスクロール型を形成するために、前記生インボリュートスクロール型を焼結することにより、
    金属粉末のインボリュートスクロール型を形成する工程と、
    （２）前記インボリュートスクロール型をベースプレートと接合する工程と
    からなるスクロール部材の製造方法。
20. 前記接合は、前記ベースプレートへのインボリュートスクロール型のキャパシタンス放電溶接を含む請求項１９記載の方法。
21. 前記接合は、前記インボリュートスクロール型に近接させてロウ付け材料を配置することと、前記ロウ付け材料を融解するのに十分な熱を供給することを含む請求項１９記載の方法。
22. 前記ロウ付け材料は、３０〜５０％の銅、１０〜２０％のマンガン、３〜２５％の鉄、０.５〜４％のシリコン、０.５〜２％のホウ素および残りがニッケルからなる請求項２１記載の方法。
23. 前記ロウ付け材料を融解するのに十分な熱を供給することはロウ付け材料の加熱によって局部的に抵抗溶接されることである請求項２１記載の方法。
24. 前記形成の前に、複数の粒径を有する金属グラファイト粒子を前記金属粉末と混合する工程をさらに含む請求項２１記載の方法。
25. 金属粉末からなるハブを形成し、および前記ハブを前記ベースプレートと接合することをさらに含む請求項１９記載の方法。
26. 前記生インボリュートスクロール型が１０〜１２容積％の遊離グラファイトを有する請求項１９記載の方法。
27. インボリュートスクロール型には、溶接時における突起の融解物である液体金属を受容できる少なくとも１個のノッチをさらに形成する請求項１９記載の方法。
28. 前記ベースプレートおよび前記インボリュートスクロール型の少なくとも一方または両方が、前記接合時に液化させ且つ前記接合工程の後に固化させ、前記ベースプレートと前記インボリュートとの間のジョイントを形成する少なくとも１個の犠牲突起をさらに有する請求項１９記載の方法。
29. 前記ベースプレートには、インボリュートスクロール型を受容できる溝を形成する請求項１９記載の方法。
30. 前記接合工程の前に、溝の少なくとも一部内にロウ付け材料を配置する工程をさらに有する請求項２９記載の方法。
31. ベースプレートは、前記溝に近接させて配置した第２ロウ付け材料を含む請求項３０記載の方法。
32. 前記接合時の電流を制御するために、前記接合工程の前に、溝の少なくとも一部内に高インピーダンス材料をさらに配置することからなる請求項２９記載の方法。

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