JPS63272986A - 圧縮機用複合スクリューロータの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧縮機用複合スクリューロータに係り、特に
油を含まない圧縮気体を供給してなるオイルフリースク
リユー圧縮機用スクリューロータに関する。

〔従来の技術〕

従来のオイルフリースクリユー圧縮機用スクリューロー
タでは、第２図（Ａ）の平面図、（Ｂ）の縦断面図に示
すように、オス１とメス２の一対のネジ形状のロータが
用いられ、これらを高速回転させることにより空気等の
気体を圧縮排気するようになっている。このロータは横
断面図を示す第３図で表わされるように歯形部３と軸部
４と接合境界５よりなる。

この圧縮機では、空気等のガスに油分を含まず圧縮排気
させるため、圧縮室内に潤滑又は冷却のための油の供給
が行なわれない、このためオス・メス一対のロータは一
定のギャップを保ってかみ合い、非接触状態で回転し、
空気等のガスを圧縮する構造になっている。スクリュー
ロータは空気等のガスが圧縮された時に発生する熱によ
り加熱され、定常運転時には１００℃〜２５０℃程度ま
で加熱される。その結果、スクリューロータは熱膨張し
てロータ間ギャップが減少し、最終的にオス・メスのロ
ータが接触し、焼付きロック事故を招く、そこで、定常
運転の圧縮時におけるロータ間ギャップを適正に保つた
めには、室温で組立てる際にロータ間のギャップを熱膨
張分だけ広く設定する必要がある。しかし、実際の定常
運転時のロータ内部温度分布は一様でなく、また正確に
は把握されていない。

従来のスクリューロータ材料は炭素鋼やクロムモリブデ
ン鋼等が使用されているが、これらの材料の熱膨張率は
２０℃〜２５０℃で約１２Ｘ１０−ｒ″／℃と高いため
室温の組立て時にロータ間のギャップを大きく取る必要
があり、かつ温度分布が明確でないためにさらに多くの
ロータ間ギャップを考慮している。しかし、勢いこのよ
うに大きなギャップを設定すると運転時の圧縮効率が大
きく低下する欠点があった。他方、ギャップを小さくす
ると、焼付ロック事故のおそれがある。

以上のような問題に対して、ロータ歯形部が低熱膨張高
Ｎｉダクタイル鋳鉄、軸部が鋼よりなる複合スクリュー
ロータとして圧縮効率を向上させた従来例が存在する（
特開昭６１−１６９６８９号公報）。

この従来例では、歯形部材質として例えばＦｅ−３９％
Ｎｉ−２，４％Ｃ−２％５ｉ−１％Ｍｎダクタイル鋳鉄
を用い、その円筒鋳塊の内部空所に軸部を形成する８４
５Ｃ鋼よりなる消耗電極を挿入し、エレクトロスラグ再
溶解によって充填して複合スクリューロータを製造して
いる。

エレクトロスラグ再溶解法によって複合スクリューロー
タを製造する装置を第４図に示し、さらに詳説する。

水冷定盤６上に軸部用水冷鋳型７及び歯形部を形成する
シェル８を配置し、空間に消耗電極９を挿入する。定盤
６は回転できるようになっており。

周囲には集電ブラシ１０が複数個取付けられている。集
電ブラシ１０にはケーブル１１の一端が接続され、ケー
ブル１１の他端は電源１２へ接続される。

このような装置でエレクトロスラグ再溶解をスタートさ
せる。消耗電極９は一端をスラグ浴１３中に浸漬し、他
端をケーブル１４を介して電源１２へ接続する。消順電
極９はジュール熱によって溶解して溶融金属となり、凝
固して軸部５を形成する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来のスクリーロータでは、第５図に示す
ように、歯形部のダクタイル鋳鉄の熱影響部に高温割れ
が発生しやすいという問題があった。第５図（Ａ）は、
歯形部３と軸部４との接合境界５付近の組織を示す顕微
鏡写真、第５図（Ｂ）は、境界付近に高温割れ６が生じ
た状態の組織を拡大した顕微鏡写真である。

このような高温割れが生ずると１強度がなくなりロータ
としての有用性がなくなる。

また、オイルフリースクリユー圧縮機のロータは、ロー
タを支えている軸受部から圧縮室内への油の浸入を防ぐ
ために、この間にカーボンリング等を挿入し、無給油で
回転面接触させて油を止めているが、軸部が鋼の場合に
は使用環境により腐食が起きる問題があった。この部分
が腐食すると。

ロータの動作不良や油の圧縮室内への浸入等の障害を招
くことになる。

本発明はかかる問題点を解決するために、高温割れ及び
腐食がない圧縮機用複合スクリューロータを提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

問題点を解決するための手段について述べる前に、本発
明を完成するに至った経違について説明する。

本発明者らは、上記目的を達成すべくＦｅＦｅ−Ｎｉ−
Ｃ−８ｉ−系からなる高Ｎｉ鋳鉄の溶接性について種々
検討した。その結果、熱影響部に発生する高温割れは結
晶粒界の液化に起因した割れであり、割れ感受性はＳｉ
の増加と共に大きくなることがわかった。すなわち、オ
ーステナイト粒界に富化したＳｉが低融点のＮ１５ｉ−
ＮｉＳｉ、、Ｎ１５ｉ−Ｎｉ、Ｃｉ２等の析出相が、エ
レクトロスラグ再溶解中に加熱された領域、すなわち熱
影響部で溶解し、そこに熱応力が作用して割れが生じる
ことがわかった。

一方、高Ｎｉ鋳鉄はロータ歯形部がホブにより切削加工
されるために切削性に優れていることが要求され、基地
中に黒鉛が晶出したものとなっている。しかし、熱影響
部においては、黒鉛が溶融し強度低下を招くので、黒鉛
量はホブ加工性に問題をきたさない程度まで少なくする
ことが割れ抑制に有効であることがわかった。

本発明は、このような知見になされたものである。すな
わち１本発明は、圧縮機に用いられ、歯形部と軸部とよ
りなる圧縮機用複合スクリューロータにおいて、前記歯
形部は、重量比でＣ；０．５〜１．２％、Ｓｉ；０．３
％以下、Ｍｎ；０．５〜２．０％、Ｎｉ　；　３６〜４
２％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、かつ、当該
組成範囲において、下記Ｋが下記式を満足するように決
定されてなる２０〜２５０℃の平均熱膨張係数が６　ｘ
　１０−’／’Ｃ以下の低熱膨張高Ｎｉ鋳鉄であり。

Ｋ＝６．４４７＋０．９１４Ｃ％＋１．２５４Ｓｉ％＋
Ｑ、８２８Ｍｎ％−０，１０８Ｎｉ％（旦し、Ｋ≦６）
前記軸部は、重量比でＣ：　０．２５％以下、Ｃｒ；１
０〜３０％、Ｎｉ６〜１５％残部Ｆｅ及び不可避的不純
物からなる耐食性に優れたステンレス系合金鋼であるこ
とを特徴とする圧縮機用複合スクリューロータである。

〔作用〕

上記本発明において、歯形部における組成の限定理由に
ついて説明する。

Ｃは基地中に黒鉛を晶出させ、切削性を付与させるため
に添加されるが、０．５％以下では黒鉛量が少なく、ホ
ブ加工性を劣化させ、１．２％以上では黒鉛量が多くな
り高温割れを助長すると共に熱膨張係数を増加させるた
め好ましくない。

Ｓｉは脱酸剤及び黒鉛球状化剤として添加されるが、０
．３％以上含有すると高温割れを生じる。

Ｍｎは脱酸剤として作用するが、０．５％以下では溶湯
の脱酸が不十分なために鋳造欠陥（ふかれ）を招きやす
く、２％以上では熱膨張係数を増加させると共に切削性
を悪化させるために好ましくない。Ｎｉ量は、２０℃〜
２５０℃における平均熱膨張係数を６　Ｘ　１０’″′
／℃以下にするためには３６〜４２％にすることが必要
である。

さらに、この組成は、上記組成範囲において下記Ｋが次
式（１）を満足するように決定されることが必要である
。

Ｋ＝＝６．４４７＋０．９１４Ｃ％＋１．２５４８ｉ％
十０．８２８Ｍｎ％−０、１０８Ｎ　ｉ％　　　・・・
・・・（１）旦し、に≦６ Ｋが上記範囲内にないと、２０〜２５０℃における平均
熱膨張係数がＧＸ　１．０−’／’Ｃより大きくなるお
それがある。２０〜２５０℃における平均熱膨張係数が
６　Ｘ　１０−’／’Ｃより大きくなると歯形部におけ
る焼付ロックをおこすおそれがある。

なお、上記（１）式は、各元素の組成と平均熱膨張係数
との関係について調べた結果得られた実験式次に、軸部
における組成の限定理由について説明する。

Ｃが０．２５％を越えると、エレクトロスラグ再溶解の
際に軸部の硬さが増加し、加工性が悪くなる。Ｃｒが１
０％より低いと加工性が悪くなり、３０％を越えると耐
食性が低下する。Ｎｉが６％より低いと耐食性が低下し
、１５％を越えると加工性が悪なり、強度も低下する。

軸部は、このような組成からなるステンレス系合金鋼か
らなり、軸部の腐食を防止できる。

一方、軸部を鋼から形成した場合は、歯形部材と軸部材
の溶融混合部分は、歯形部材からのＮｉの移行によりマ
ルテンサイト組織となるためにロータ軸心に設けられる
冷却孔の加工が困難であったが、本発明の場合には炭素
量が少ないため、オーステナイト組織となる。したがっ
て、加工性も良好となる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について説明する。

Ｆｅ−０，７％ＸＣ−０，２５％５ｉ−１，８％Ｍ　ｎ
　−３９％Ｎｉよりなり２０〜２５０℃間の平均熱膨張
係数が４．５６　Ｘ　Ｉ　Ｏ−５／℃である内径２６φ
、外径６８φ、高さ１２０ｎのシェルの空所に、５ＵＳ
３０３よりなる直径１１φの消耗電極を挿入して、前記
第４図に示す装置を用いエレクトロスラグ再溶解を行っ
た。ＣａＦ２−Ｃａ。

−Ａ　１□０．−８　ｉ　Ｏ，−Ｍ　ｎ　Ｏよりなるス
ラグを用いた。電圧は３０Ｖ、電流は３００Ａとし再溶
解のスタートはコールドスタート法で行った。

このようにして製造された鋳塊を縦断して接合状態を調
査した。その結果、第１図に示すように熱影響部におい
て割れは発生しておらず、接合が良好であることがわか
った。

第１図において、（Ａ）図は接合部付近の顕微鏡写真で
あり、（Ｂ）図は、（Ａ）図を拡大した顕微鏡写真であ
る。

次に組成を変えてエレクトロスラグ再溶解を行い、平均
熱膨張率、高温割れの有無を調べた。第１表に、各試料
の組成を示す、第２表に、各試料の平均熱膨張の値、高
温割れの有無を示す。

第　　　１　　　表 第２表かられかるように、試料Ｎα４〜６．ｉｏ。

Ｎα１３，１４ではＳｉが０．３％を越えることにより
高温割れをおこしていることがわかる。一方、これ以外
の試料では、高温割れを行さす、しかも。

前記（１）式を具備、すなわちに≦６となっているため
に、２０〜２５０℃の平均熱膨張係数が６×１０−’／
℃以下となっている。したがってスクリューロータの歯
形部材料として有効なことがわかる。

次に、前記Ｆｅ−０，７％Ｇ−０．２５％５ｉ−１，８
％Ｍ　ｎ　−３９％Ｍｉから得られた鋳塊をホブ加工し
てロータを製作した。ロータの仕様は、オスロータ歯数
５枚、外径６３＋ｎｍ、メスロータ歯数６枚、外径５３
＋ｎｍ、ロータ長さ９７．５圃であるにフロータと同仕
様の従来の８４５Ｇ一体スクリユーロータ及び歯形部が
Ｆｅ−２，４％Ｃ−２％５ｉ−１％Ｍ　ｎ　−３９％Ｎ
ｉダクタイル鋳鉄、軸部が８４５Ｇよりなる複合の性能
比較試験を行った。オスロータとメスロータ間のギャッ
プは、実施例にかかるロータでは５０μ、従来の一体ロ
ータでは１００μである。

比較の結果、吐出圧カフ　ｋｇ　ｆ　／ａＪ、吸込流量
１０００　ｒｎ’　／　ｈにおける圧縮効率は一体スク
リユーロータは６５％であるのに対し、本実施例にかか
るスクリューロータでは６８％と向上した。一方。

塩水噴霧試験法（５％塩水９６時間噴霧）で行った軸部
耐食試験の結果、従来の一体及び複合スクリューロータ
は著しい発錆、腐食を示したのに対し、本発明の複合ス
クリューロータはほとんど発錆、腐食は認められず、歯
形部においても従来の複合スクリューロータに比べて、
軽微であった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、スクリューロータ
歯形部を高温割れを生ぜず、かつ２０℃〜２５０℃の平
均熱膨張係数が６　Ｘ　１０−’／’Ｃ以下の低熱膨張
高Ｎ１ｖＪ鉄で構成し、軸部を耐食性に優れたステンレ
ス系合金で構成した複合スクリューロータとすることに
より、歯形部の熱影響部に発生する割れが防止され、圧
縮効率及び軸部の耐食性が向上し、製品の信頼性向上を
図ることができる。歯形部の高温割れ及び軸部の腐食が
生じない結果、圧縮気体に油が混入することを防止でき
、清浄な圧縮気体を常時供給できるという効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明にかかる複合スクリューロータ素材の
縦断面の組織写真、第２図（Ａ）は、スクリュー圧縮機
のスクリュ一部の構造を示す平面図、第２図（Ｂ）はそ
の縦断面図、第３図は複合スクリューロータの横断面図
、第４図は、エレクトロスラグ再溶解法を行うための装
置構成図、第５図は、従来のスクリューロータ素材の縦
断面の組織写真である。 １・・・オスのスクリューロータ、 ２・・・メスのスクリューロータ、 ３・・・歯形部、４・・・軸部、５・・・接合境界、６
・・・水冷定盤、７・・・軸部用水冷鋳型、８・・・シ
ェル、９・・・消耗電極、１２・・・電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮機に用いられ、歯形部と軸部とよりなる圧縮
   機用複合スクリューロータにおいて、前記歯形部は、重
   量比でＣ；０．５〜１．２％、Ｓｉ；０．３％以下、Ｍ
   ｎ；０．５〜２．０％、Ｎｉ；３６〜４２％、残部Ｆｅ
   及び不可避不純物からなり、かつ、当該組成範囲におい
   て、下記Ｋが下記式を満足するように決定されてなる２
   ０〜２５０℃の平均熱膨張係数が６×１０＾−＾５／℃
   以下の低熱膨張高Ｎｉ鋳鉄であり、 Ｋ＝６．４４７＋０．９１４Ｃ％＋１．２５４Ｓｉ％＋
   ０．８２８Ｍｎ％−０．１０８Ｎｉ％（旦し、Ｋ≦６）
   前記軸部は、重量比でＣ；０．２５％以下、Ｃｒ；１０
   〜３０％、Ｎｉ６〜１５％残部Ｆｅ及び不可避的不純物
   からなる耐食性に優れたステンレス系合金鋼であること
   を特徴とする圧縮機用複合スクリューロータ。