JPH06193575A - 圧縮機 - Google Patents

圧縮機

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JPH06193575A
JPH06193575A JP34697292A JP34697292A JPH06193575A JP H06193575 A JPH06193575 A JP H06193575A JP 34697292 A JP34697292 A JP 34697292A JP 34697292 A JP34697292 A JP 34697292A JP H06193575 A JPH06193575 A JP H06193575A
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JP
Japan
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compressor
vane
roller
sliding
ceramic particles
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JP34697292A
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English (en)
Inventor
Tsutomu Morioka
勉 森岡
Kunpei Kobayashi
薫平 小林
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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    • F04C18/00Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/30Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C23/00Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
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Abstract

(57)【要約】 【目的】摺動部を構成する他の金属材に近い熱膨張係数
を有するとともに、耐摩耗性および摺動性を大幅に改善
した焼結摺動部材を装備することにより、耐久性および
信頼性に優れた圧縮機を提供する。 【構成】シリンダ内面に摺接し偏心回転運動をするロー
ラと、このローラと接触してシリンダのベーン溝内を往
復運動するベーンとを備える圧縮機において、上記ベー
ンおよびローラの少なくとも一方を、マルテンサイト系
ステンレス合金から成るマトリックス金属焼結体中にS
3 4 ,ZrO2 ,SiCおよびAl2 3 から選択
される少なくとも1種のセラミックス粒子を2〜20重
量%分散させた焼結摺動部材により形成したことを特徴
とする。またセラミックス粒子の平均粒径は0.5〜1
00μmに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧縮機に係り、特に優れ
た耐摩耗性、摺動性および構造強度を有する摺動部材を
備え、同時に高温環境または腐食性ガス環境下で使用さ
れた場合においても優れた耐久性および信頼性を有する
圧縮機に関する。
【0002】
【従来の技術】冷凍機、冷蔵庫、空調機やショーケース
においては冷媒を圧縮する圧縮機が主要機器として装備
されている。上記用途例において一般的に使用されてい
る圧縮機として、図1および図2に示すような密閉ツイ
ン型のロータリ圧縮機がある。この圧縮機1は、ケ―シ
ング2の内部にモータ3aと圧縮要素3bとを内装し、
圧縮要素3bはモータ3から延びる回転軸4を主軸受5
と副軸受6に挿通させ、この主軸受5と副軸受6との間
に、仕切板7を介して2基のシリンダ8a,8bを配設
し、各シリンダ8a,8b内において、前記回転軸4に
形成された偏心部9a,9bにそれぞれ円筒状のローラ
10a,10bを嵌合させる一方、第2図に示すように
偏心回転するローラ10a,10bに対して常時押し付
けて接触するように、ベーン11a,11bが配設され
て構成される。ベーン11a,11bは偏心部9a,9
bおよびローラ10a,10bの回転に応じてシリンダ
8a,8bに形成したベーン溝12a,12b内を往復
動し、各シリンダ8a,8b内部を吸込室13a,13
bと圧縮室14a,14bとに仕切る役割を果してい
る。こうして圧縮機1は、モータ3の駆動によって前記
ローラ10a,10bをシリンダ8a,8b内において
偏心回転させることにより、シリンダ8a,8b内に吸
入したガスを圧縮して吐出するものである。
【0003】上記のような圧縮機1においては、主副軸
受5,6と回転軸4、シリンダ8とベーン11、仕切板
7とローラ10など相互に摺接する摺動部における摩耗
が特に顕著になるため、高い耐摩耗性を有する摺動材で
形成する必要がある。
【0004】従来、この種の耐摩耗摺動材料としては、
金属のみで構成したもの、セラミックスのみで構成した
ものなどがある。
【0005】金属のみで構成した例としては、高速度鋼
(ハイス鋼)や共晶黒鉛鋳鉄の溶製材やFe−Mo−N
i−Cr−C合金などがある。またセラミックスなどの
無機化合物のみで構成した例としては、Si3 4 ,A
lN,Al2 3 ,SiC,SiO2 ZrO2 などのセ
ラミックス原料粉を所定形状に圧縮成形後、焼成した焼
結体がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな金属のみで形成した耐摩耗材は加工性は良好である
一方、耐摩耗性および潤滑性が乏しく摺動する相手材を
激しく摩耗させる性質(相手攻撃性、スカッフィング
性)が大きい問題点がある。例えばハイス材では、含有
されるVC,WC,Mo6 C,Cr6 C等の硬い金属炭
化物が形成されており、このための硬度は充分に確保さ
れるが、これら炭化物による相手攻撃性が著しくなる場
合が多く、摺動部品材料としては不適当な場合がある。
【0007】一方、近年、冷凍機用、冷蔵庫用、空調機
用などの冷媒として一般的に使用されていた113型フ
ロンが環境破壊の一因となることが判明し、フロンに代
替する新しい冷媒の開発が進められている。
【0008】ところが現在までに開発段階にあるR13
4Aのような新規な冷媒はいずれも運転温度が、従来の
フロンと比較して大幅に上昇するため、例えば、SUS
440C溶製材のような従来の耐摩耗材料でベーンなど
の摺動部を形成した圧縮機では種々の問題点が発生する
ことが確認されている。
【0009】すなわち冷媒の変更に伴い使用環境温度の
上昇が必至となり、そのため、冷媒と接触する圧縮機の
ベーン等の摺動部材の寸法が熱膨張により変化し、摺動
部材相互の微小なクリアランスが拡大して冷媒の圧縮効
率が低下し、最終的に冷却能力の低下を招来する問題点
がある。
【0010】また使用温度の上昇に伴い、摺動材を構成
する合金組織の変態等により、その硬度および耐摩耗性
が低下して焼付き事故を生じ易く、圧縮機としての能力
が低下してしまう問題点が確認されている。
【0011】その対策例として、例えばSi3 4 など
のセラミックス体でベーンなどの摺動部を構成すること
も試行されている。セラミックスのみで形成した耐摩耗
材は、高硬度で、しかも摩擦係数が小さく、かつ摺動性
が優れ、相手攻撃性が小さい材料が多い。しかしながら
高硬度で耐衝撃力が少ないため、所定形状の部品に仕上
げるための研削研摩等の加工時間および工数が膨大とな
り製造コストが上昇する問題点がある。またセラミック
スの熱膨脹率は金属と比較して極めて小さいため、他の
金属部品と組み合せて摺動部を構成した場合には、金属
との熱膨脹差に起因する問題が発生し易い。例えばSi
3 4 製のベーンと、金属製のシリンダおよびローラと
を組み合せて、冷凍機用ロータリ式圧縮機を形成した場
合には、ローラ等の摺動部材の寸法が熱膨脹によって変
化し、摺動部材相互間の微小なクリアランスが所定値に
保持できず、拡大して冷媒の圧縮効率が低下し、最終的
に冷却能力の低下を招来する等の問題点がある。
【0012】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、摺動部を構成する他の金属材に近い
熱膨張係数を有するとともに、耐摩耗性および摺動性を
大幅に改善した焼結摺動部材を装備することにより、耐
久性および信頼性に優れた圧縮機を提供することを目的
とする。
【0013】
【課題を解決するための手段と作用】本発明者らは上記
目的を達成するため、種々の金属粉末とセラミックス材
料との複合化を試み、複合化した摺動材料を使用して圧
縮機の各摺動部を形成し、その耐摩耗特性を比較評価す
る実験を繰り返した。
【0014】その結果、マルテンサイト系ステンレス合
金中に所定割合のセラミックス粒子を均一に分散させた
焼結体でロータリ式圧縮機のベーン材やローラ材を形成
したときに、特に耐久性および信頼性が優れた圧縮機が
得られ、その知見に基づいて本発明が完成した。
【0015】すなわち本発明に係る圧縮機は、シリンダ
内面に摺接し偏心回転運動をするローラと、このローラ
と接触してシリンダのベーン溝内を往復運動するベーン
とを備える圧縮機において、上記ベーンおよびローラの
少なくとも一方を、マルテンサイト系ステンレス合金か
ら成るマトリックス金属焼結体中にSi3 4 ,ZrO
2 ,SiCおよびAl2 3 から選択される少なくとも
1種のセラミックス粒子を2〜20重量%分散させた焼
結摺動部材により形成したことを特徴とする。
【0016】また、セラミックス粒子の平均粒径は、
0.5〜100μmに設定するとよい。
【0017】さらにマトリックス金属は、重量%でCr
を10〜25%、Moを0.1〜5%、Cを0.1〜2
%、残部実質的にFeから成る。またセラミックス粒子
表面に金属コーティング層を形成するとよい。
【0018】本発明に係る圧縮機のベーン等を構成する
焼結摺動部材のマトリックス金属としては、硬度が高く
耐摩耗性に優れるとともに高温強度および耐腐食性が優
れたマルテンサイト系ステンレス合金が使用される。よ
り具体的には、マトリックス金属としては、重量%でN
iを0.1〜15%、Crを10〜25%、Moを0.
1〜5%、Cを0.1〜2%、残部実質的にFeから成
るマルテンサイト系ステンレス合金が使用される。
【0019】Crは鉄に固溶して基地強度(硬度)を高
めるとともに、炭素と結合して硬い炭化物を形成して耐
摩耗性を付与すると同時に、高温耐食性および耐酸化性
を向上させる元素であり、10〜25%添加される。添
加量が10%未満の場合には、添加の効果が少ない一
方、添加量が25%を超える場合には成形性が阻害され
てしまう。
【0020】Moは硬い炭化物を形成して摺動材の耐摩
耗性、摺動性および高温強度を改善するために0.1〜
5wt%添加される。Mo添加量が0.1%未満の場合
には、添加の効果が少なくなる一方、添加量が5wt%
を超えると、Crと同様に成形性を阻害する。
【0021】Cは焼結合金基地を構成するFeと反応し
て高硬度のマルテンサイト組織を生成するとともに、M
oおよびCrと化合して高硬度の炭化物を形成して耐摩
耗性を付与する元素であり、0.1〜2%添加される。
C含有量が0.1wt%未満の場合にはCrおよびMo
炭化物量が少なく充分な耐摩耗性が得られない。一方、
含有量が2wt%を超える場合、溶融点が下がり焼入時
に共晶組織を生じ脆化するとともに炭化物が粗大化し切
削加工および構造強度が低下してしまう。
【0022】上記金属マトリックス間に分散させるセラ
ミックス粉末としては、Si3 4,Al2 3 ,Zr
2 およびSiCから選択される1種単独で使用された
り、または2種以上混合して使用される。上記セラミッ
クス材は、いずれも硬度が高く耐摩耗性および摺動特性
に優れている。特にSi3 4 はすべり抵抗が小で相手
攻撃性が少なく、圧縮機のベーンなどの摺動部品材料に
使用した場合には優れた摺動特性を発揮する。
【0023】またセラミックス粒子の平均粒径は、原料
セラミックス粒子の取扱性、マトリックス金属とセラミ
ックス粒子との接合強度および摺動特性の均一性に大き
な影響を及ぼし、本発明では0.5〜100μmの範囲
に設定される。平均粒径が0.5μm未満の場合には、
マトリックス金属中への均一分散が困難となるととも
に、製造工程において飛散し易く取扱い性が悪化する一
方、平均粒径が100μmを超える場合にはマトリック
ス金属とセラミックス粒子との接合面積が小さくなり、
摺動部材自身の構造強度が低くなるとともに、金属マト
リックスに対するセラミックス粒子の分散状態が悪くな
り、摺動部材全体として均一な摺動特性を発揮できなく
なる。したがって平均粒径は、上記範囲に設定される
が、より好ましくは1〜10μmに設定するとよい。
【0024】また摺動部材全体に対するセラミックス粒
子の配合率は、摺動部材の耐摩耗性、潤滑性、強度特
性、摺動特性、熱膨脹率等に大きく影響する。本発明で
は配合率は2〜20wt%に設定される。配合率が2w
t%未満の場合にはセラミックス材が備える硬度(耐摩
耗性)、摺動特性などが摺動部材全体に充分に付与され
ない一方、配合率が20wt%を超える場合には、成形
製が悪化するとともに、摺動部材全体の熱膨脹率が金属
の熱膨脹率から大きく隔たるため、この摺動部材で形成
したベーンと他の金属製のローラやシリンダとを組み合
せて使用することが困難になる。したがってセラミック
ス粒子の配合率は2〜20wt%に設定されるが、より
好ましくは5〜10wt%である。
【0025】本発明の圧縮機のベーン等を構成する焼結
摺動部材は、下記の手順によって製造される。すなわ
ち、まず鉄粉に前記元素粉末、セラミックス粒子および
潤滑材を所定量添加して混合粉末とし、得られた混合粉
末を成形圧600〜700MPaで圧縮して所定形状の
成形体とした後に、得られた成形体を水素等の還元ガス
雰囲気、ないし非酸化性ガス雰囲気において、温度50
0〜700℃で1〜2時間脱脂処理する。さらに脱脂し
た成形体を、減圧雰囲気ないし還元性ガス雰囲気におい
て温度1100〜1200℃で1.5〜3時間加熱して
焼結体とし、この焼結体を温度1000〜1050℃で
40〜90分間保持した後に、ガス冷却を施して焼入れ
処理を行なう。
【0026】なお、上記製造方法において混合粉末を調
製する際に、各元素単体の粉末の形で金属粉末を配合し
てもよいが、予め組成が既知のマルテンサイト系ステン
レス合金粉末とセラミックス粒子とを所定量ずつ配合し
てもよい。
【0027】さらに金属マトリックスとセラミックス粒
子との接合強度を高めるために、原料段階のセラミック
ス粒子表面に、予めFe,Ni,Cu,Snなどの金属
から成るコーティング層を形成しておくとよい。コーテ
ィング層を形成していないセラミックス粒子はマトリッ
クス金属とは結合しないため、摺動時にセラミックス粒
子がマトリックス金属より脱落するおそれがある。
【0028】しかしながら、セラミックス粒子表面に金
属コーティング層を形成することによりマトリックス金
属とセラミックス粒子の接合強度および摺動部材自身の
構造強度を高めることができる。
【0029】また金属マトリックスを形成するための原
料金属粉末の粒径は成形体の形状精度、強度を高く保持
するために、300μm以下に設定することが望まし
い。すなわち原料金属粉末の粒径が300μmを超える
場合には、この粉末を圧縮成形して得た成形体のグリー
ン強度が小さくなり、取扱性が低下すると共に成形型の
細かい部位までに粉末が充分に充填されにくくなるた
め、形状精度が低下し易い。また汎用のアトマイズ法で
は、300μmを超える粗大な複合金属粉末を効率的に
製造しにくい。したがって、原料金属粉末の粒径は30
0μm以下に設定されるが、成形体密度をより上昇させ
るためには200μm以下が望ましい。
【0030】ここでセラミックス表面にNiを被覆する
方法としては、例えばNi蒸気を含有したガス中に原料
セラミックス粉末を浮遊させてセラミックス表面にNi
のコーティング層を形成するカーボニル法などが採用さ
れる。このNiコーティングに際して、セラミックスを
被覆するニッケル量はセラミックス重量に対して10重
量%以上80%以下に設定するとよい。ニッケル量が1
0wt%未満の場合にはセラミックス粒子全表面にNi
コーティング層が形成されにくく、マトリックス金属と
の接合強度が低下してしまう。またニッケル量が80w
t%を超える場合には、前記の通り焼結合金に残留オー
ステナイト組織が生じ基地の硬度が低下し耐摩耗性が低
下してしまう。好ましくは30〜70wt%程度が好適
である。
【0031】
【実施例】次に本発明に係る圧縮機の一実施例について
従来の摺動部材を使用した圧縮機と比較してより具体的
に説明する。
【0032】実施例1〜5 実施例1〜5に係る圧縮機に使用する焼結摺動部材とし
てのベーン材を下記手順でそれぞれ調製した。すなわ
ち、粒径145μm以下のFe粉末に、粒径20μm以
下のMo粉末と、粒径20μm以下のCr粉末と、粒径
20μm以下の黒鉛粉末と、表面にNiのコーティング
層を形成した平均粒径10μmのSi3 4 、ZrO2
粉末、Al2 3 粉末およびSiC粉末とを所定量ずつ
秤量し配合した混合体に対し潤滑剤としてのステアリン
酸亜鉛を1.0重量%添加して均一に混合して、最終的
に表1の左欄に示す組成となるように各粉末を添加混合
して5種類の粉末混合体を調製した。
【0033】次に得られた各粉末混合体を成形圧600
MPaで加圧して成形密度が6.7g/cm3 の成形体を
得た。そして各成形体を水素ガス雰囲気において温度6
00℃で2時間加熱することにより脱脂仮焼結した。
【0034】次に脱脂した各成形体をArガスを含有す
る減圧雰囲気下で1180℃の温度条件下で120分間
焼結して後、1050℃で50分間保持した後、ガス冷
却により焼入処理を行ない、密度が7.0〜7.5g/
cm3 の5種類の焼結摺動部材を製造した。さらに得られ
た焼結摺動部材を0.1MPaの過熱水蒸気中で温度6
00℃で3Hr加熱することにより封孔処理を実施し
た。
【0035】そして各焼結摺動部材を機械加工してロー
タリコンプレッサ用の板状ベーン試料を製造した。
【0036】さらにこのベーン試料を温度600℃の下
でRxガス23%−NH3 ガス60%−N2 ガス17%
から成る雰囲気中で1時間保持し表面を窒化処理した。
【0037】ここで上記封孔処理により焼結体の基地組
織の空孔に鉄酸化物が分散生成される。この鉄酸化物量
は焼結体の全容積に対して5〜20 vol%に設定すると
よい。この鉄酸化物は焼結体の耐摩耗性を向上させると
ともに、焼結体の基地組織の空孔を封じる役割(封孔作
用)を果して気密性を与える。この封孔処理を行なうこ
とにより、圧縮機内の冷媒ガスが焼結体中を通り抜ける
ことが防止できるため、圧縮機の体積効率を大幅に改善
することができる。鉄酸化物はまた潤滑油の保油性に優
れている。鉄酸化物の生成量が5 vol%未満であると上
記効果が少なく、一方生成量が20 vol%を超えると、
焼結体の強度が低下してしまう。
【0038】比較例1〜2 一方、比較例1の圧縮機用ベーン材として、従来汎用の
マルテンサイト系ステンレス合金SUS440Cの溶製
材を機械加工して実施例1と同一寸法を有するベーン材
試料を製造し、さらにこのベーン材試料を温度600℃
の下でRXガス(CO−CO2 ガス)23 vol%−アン
モニアガス60%−窒素ガス17%から成る雰囲気中で
1時間保持し、表面を窒化処理して硬化層を形成して比
較例1の圧縮機用ベーン材試料を調製した。
【0039】また比較例2として、セラミック粒子(S
3 4 )の配合量を過少な1wt%に設定した点以外
は、実施例2と同一処理条件にて原料混合、加圧成形、
脱脂焼結して、最終的に表1左欄に示す組成および実施
例1〜5と同一寸法を有するベーン材試料を製造した。
【0040】こうして得られた実施例1〜5および比較
例1〜2の圧縮機用焼結摺動部材としてのベーン材の構
造強度を比較評価するために各ベーン材の密度を測定し
て表1に示す結果を得た。
【0041】また各ベーン材の耐摩耗特性、摺動特性お
よびロータリ圧縮機全体としての耐久性を評価するため
に、Mo−Ni−Cr鋳鉄製のローラおよび実施例1〜
5および比較例1〜2において調製した各ベーン材を図
1,2に示すロータリ式圧縮機に実装し、インバータ制
御により所定間隔で高速運転および低速運転を繰り返す
という最も潤滑条件が悪化する条件を設定し、連続的に
2000時間運転する耐久試験を実施した。そして運転
時間が2000時間に達した時点における各圧縮機のベ
ーン材およびローラの摩耗量をそれぞれ測定し、下記表
1に示す結果を得た。
【0042】
【表1】
【0043】表1に示す結果から明らかなように、マル
テンサイト系ステンレス合金から成るマトリックス金属
焼結体中に所定量のセラミックス粒子を均一に分散せし
めた摺動部材で形成したベーン材を装備した実施例1〜
5の圧縮機においては、高温度条件下においても良好な
摺動特性を発揮し、ベーン材およびローラの摩耗量も極
めて少なく優れた耐摩耗性を有することが確認された。
またセラミックス粒子の配合量を所定範囲に限定してい
るため、従来の金属材の熱膨脹係数から大きく離れるこ
とがなく、高温使用時の寸法変化を抑制することも可能
で、高い圧縮効率を確保することができた。
【0044】一方、セラミックス粒子の配合によりマト
リックス金属の高温耐食性に加えて、ベーン材およびロ
ーラの摩耗量も少なく、圧縮機全体として良好な摺動特
性および耐久性を発揮することが確認された。特に相手
材に対するかじり攻撃も少なく、耐スカッフィング特性
も大幅に改善された。
【0045】一方、比較例1〜2の従来材の軸受におい
てはセラミックス粒子による耐摩耗性および摺動性の改
善効果が得られないため、耐摩耗性も低下するとが確認
された。
【0046】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る圧縮機の焼
結摺動部材によれば、マルテンサイト系ステンレス合金
から成る金属マトリックス中に所定量のセラミックス粒
子を均一に分散させているため、金属材固有の熱膨脹係
数を大きく変化させることなく、セラミックス粒子によ
って耐摩耗性および摺動性を大幅に改善することができ
る。したがって、高温で腐食環境で使用する場合におい
ても耐摩耗性および摺動性に優れ、耐久性および信頼性
が高い圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】密閉型ロータリ圧縮機の構造を示す縦断面図。
【図2】図1に示す圧縮機のロータ部を示す平断面図。
【符号の説明】
1 圧縮機 2 ケーシング 3a モータ 3b 圧縮要素 4 回転軸 5 主軸受 6 副軸受 7 仕切板 8,8a,8b シリンダ 9,9a,9b 偏心部 10,10a,10b ローラ 11,11a,11b ベーン 12,12a,12b ベーン溝 13,13a,13b 吸込室 14,14a,14b 圧縮室

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリンダ内面に摺接し偏心回転運動をす
    るローラと、このローラと接触してシリンダのベーン溝
    内を往復運動するベーンとを備える圧縮機において、上
    記ベーンおよびローラの少なくとも一方を、マルテンサ
    イト系ステンレス合金から成るマトリックス金属焼結体
    中にSi3 4 ,ZrO2 ,SiCおよびAl2 3
    ら選択される少なくとも1種のセラミックス粒子を2〜
    20重量%分散させた焼結摺動部材により形成したこと
    を特徴とする圧縮機。
  2. 【請求項2】 セラミックス粒子の平均粒径が0.5〜
    100μmであることを特徴とする請求項1記載の圧縮
    機。
  3. 【請求項3】 マトリックス金属が重量%でCrを10
    〜25%、Moを0.1〜5%、Cを0.1〜2%、残
    部実質的にFeから成ることを特徴とする請求項1記載
    の圧縮機。
  4. 【請求項4】 セラミックス粒子表面に金属コーティン
    グ層を形成したことを特徴とする請求項1記載の圧縮
    機。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103410730A (zh) * 2013-05-23 2013-11-27 潮州三环(集团)股份有限公司 一种滚动转子式压缩机
CN104314812A (zh) * 2014-10-11 2015-01-28 淄博宏润工贸有限公司 陶瓷全无油空气压缩机

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