KR0181706B1 - 회전형 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열처리 후의 경도 HRC가 50 이상이고 5면적% 이상과 흑연 및 인화철을 포함하는 2면적% 이상의 결정화된 공융 구조를 함유하는 주철로 제조된 롤러 및, (1) 열처리 후의 경도가 HRC 70 이상이고, 용해되지 않은 카바이드 및 니트라이드 입자를 총 25면적% 이상 포함[여기서, 용해되지 않은 카바이드는 10면적% 이상의 MC형 카바이드를 포함하고, 니트라이드 입자는 TiN 및 NbN 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함하며, 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다]하는 물질로 제조된 날개 또는 (2) TiN 및 NbN 입자중의 하나 이상[여기서, TiN 및 NbN 입자의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다]을 5면적% 이상 포함하고, 필수적으로 2.0 내지 4.0중량%의 C, 2.0중량% 이하의 Si, 1.5중량% 이하의 Mn, 2.5 내지 8.0중량%의 Cr, 20 내지 40중량%의 W+2Mo, 3.0 내지 15중량%의 V, 15중량% 이하의 Co 및 나머지량의 Fe로 이루어지며, 열처리후의 경도 HRC가 65 이상인 물질로 이루어진 날개를 포함하는 압축기에 관한 것이다.

Description

회전형 압축기

제1a도는 날개(vane) 재료와 롤러 재료의 파지 발생 접촉압과 마찰계수 측정용 시험 부재를 개략적으로 나타내는 측면도이다.

제1b도는 제1a도의 시험 부재를 개략적으로 나타내는 전면도이다.

제2도는 회전형 압축기(rotary type compressor)의 구조를 나타내는 횡단면도이다.

제3도는 본 발명에 따르는 롤러 재료의 금속성 미세 구조의 예를 나타내는 현미경 사진이다.

제4도는 본 발명에 따르는 날개 재료의 금속성 미세 구조의 예를 나타내는 현미경 사진이다.

본 발명은 에어 컨디셔너(air conditioner), 냉장고 등에서 냉각 사이클에 적용되는 실린더, 이심 롤러 및 날개를 갖는 회전형 압축기, 특히 클로로플루오로카본(이후에는 CFC라고 함) 대신에 하이드로플루오로카본(이후에는 HFC라고 함)을 냉각제로서 적합하게 사용할 수 있는 압축기에 관한 것이다.

제2도의 횡단면도에 나타낸 바와 같이, 회전형 압축기는 대개 실린더(3), 실린더(3)의 내면과 접촉하여 이심적으로 회전하는 롤러(2), 및 실린더(3)의 가이드 홈(guide groove)을 따라 연장되고 바이어싱 수단(biasing means), 예를 들면, 스프링(4)에 의해 푸싱(pushing)되어 말단이 롤러(2)를 향하여 가압되는 직사각형 형태의 날개(1)를 포함한다. 일반적으로, 바이어싱 수단은 기체 가압 또는 수력 가압수단이거나 스프링 [제2도의 스프링(4)]과 같은 탄성 수단이다. 따라서, 날개(1)의 말단은 롤러(2)의 외측 주변 표면에 대하여 가압되며 롤러(2)는 이러한 방식으로 날개(1)에 의해 일정하게 가압되면서 이심적으로 회전한다.

기체 압축비가 증가함에 따라, 롤러의 회전속도가 증가하고 결과적으로 날개와 롤러의 슬라이딩 접촉면이 현저하게 마모되는 경향이 있다. 롤러는 위에서 기술한 바와 같은 회전 동안 외측 주변 표면에서 날개 및 실린더와 접촉한다. 따라서, 롤러는 자체로 마모되기 힘들 뿐만 아니라 메이팅 부재(mating member)의 실린더와 날개가 마모에 의해 손상되지 않도록 하는 것이 요구된다.

한편, CFC는 압축기의 냉각제로서 사용된다. 공지된 바와 같이, CFC가 성층권으로 상승되는 경우, 이는 자외선의 방사에 의해 분해되기 때문에 염소를 방출하여 오존층을 파괴한다. 이러한 오존층의 파괴는 전세계적으로 환경적인 문제점으로서 간주된다. 서기 2000년까지 CFC의 사용을 전면 금지하는 프로젝트가 세워졌으며, 대체 냉각제를 개발하려는 시도가 진행되고 있다.

대체 냉각제로서, 염소를 함유하지 않는 HFC가 가장 바람직하다. 예를 들면, R-134a로서 공지된 1,1,1,2-테트라 플루오로에탄(CH₂FCF₃)을 제기할 수 있다. 이러한 종류의 플루오로카본을 사용하는 경우에는, 환경에 그다지 심한 악영향을 미치지는 않지만 통상적인 CFC를 사용하는 경우에 비하여 압축기에 대하여 다음과 같은 문제점을 내포한다.

1. 냉각제의 윤활성이 열등하다.

2. 압축비를 증가시켜야 하며, 결과적으로 롤러와 날개에 작용하는 하중이 더 커진다.

3. 냉각제의 흡습성이 커진다.

4. 윤활제의 윤활 특성이 열등하다.

5. 윤활제의 흡습성이 커진다.

위에서 기술한 상황하에서, 실린더, 롤러 및 날개와 같은 슬라이딩 접촉 부재와 관련하여 다음과 같은 문제점이 유발된다.

1. 슬라이딩 접촉 부재의 마모가 증가한다(롤러와 날개의 마모가 특히 증가한다).

2. 롤러와 날개의 파지(seizure) 경향이 커진다.

특히, 통상적인 CFC는 염소를 함유하기 때문에, 슬라이딩 접촉 부재의 표면에 안정적인 보호막(클로라이드)을 형성하여 내마모성과 파지 방지 특성이 우수한 슬라이딩 접촉 표면을 제공한다. 한편, 환경상의 문제점을 극복하기 위한 대체 HFC는 염소를 포함하지 않는다. 따라서, CFC와는 달리, 내마모성과 파지 방지 특성을 향상시키는 이러한 유리한 효과를 기대할 수 없으며, HFC는 실제 사용시 상이한 문제점을 내포한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 날개 재료는 경도를 증가시키고 경질 카바이드의 첨가량을 증가시키는 것이 효과적이다. 이러한 형태의 재료로서는, 예를들면, 일본국 특허원 제5-9660호, 제5-171376호 및 제5-279809호에 기술되어 있다. 이러한 재료를 사용하는 경우에는, 날개의 내마모성과 파지 방지 특성이 어느정도 향상될 수 있다.

통상적으로, 롤러는 연속 주조에 의한 주철, 공융 흑연 주철 또는 Cu-Cr-시스템, Cu-Mo-시스템 또는 Mo-Ni-Cr-시스템 저합금 주철로 제조해왔다. 롤러는 날개보다 비용면에서 더 많은 제한이 가해지기 때문에, 위에서 언급한 주철이 가장 적합하다. 이러한 경우, 매트릭스의 경도와 강도를 증가시키고 흑연을 더 미세하게 만드는 것이 효과적이다. 이러한 형태의 재료는, 예를 들면, JP-B2-60-1943에 기술되어 있다.

날개를 개량하기 위한 위에서 언급한 방법에 따르면, 재료는 다량의 고가의 합금 부재를 포함하게 되어 비용을 증가시킨다. 더구나, 이러한 방법에 따라, 날개 자체의 마모량은 감소하지만, 롤러에 대한 공격 영향은 증가하며 결과적으로 롤러의 마모가 증가하게 되어 파지 방지 특성이 쉽게 저하된다.

또한, 롤러를 개량시키는 위에서 기술한 방법에 따라, 이의 매트릭스의 경도와 강도가 부적절하게 증가하여 날개에 대한 공격 영향을 일으켜 날개의 마모를 증가시킴으로써 날개의 파지 방지 특성을 저하시킨다.

다시 말해서, 파지 방지 특성과 내마모성은 날개와 롤러 중의 하나를 단독으로 개량시켜서는 완전히 개량될 수 없다. 날개와 롤러의 적합한 최적 조합에 의해 이러한 특성을 향상시키는 것이 중요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 재료들의 최적 조합으로 제조된 날개와 롤러를 포함하는 개선된 회전형 압축기를 제공하여 특히 날개와 롤러의 파지를 방지하고, 냉각제로서 HFC가 사용되는 경우의 이들 두 부재의 마모량을 감소시킴으로써 압축기가 장기간 동안의 연속 작동에 적합하게 견딜 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 첫번째 양태에 따라, 본 발명은 실린더, 롤러 및 날개를 주요 구조 요소로서 포함하고, 이때

롤러가, 급냉/템퍼링 열처리 후의 경도가 HRC 50 이상 이고 흑연 5면적% 이상과 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조 2면적% 이상을 함유하는 주철로 제조되며,

날개가 급냉/템퍼링 열처리 후의 경도가 HRC 70 이상이고 용해되지 않은 카바이드 및 니트라이드 입자를 총 25면적% 이상 함유하는 철 합금(여기서, 용해되지 않은 카바이드는 10면적% 이상의 MC형 카바이드를 포함하고, 니트라이드 입자는 TiN 및 NbN 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함하며, 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다)으로 제조되는 회전형 압축기를 제공한다.

본 발명의 두번째 양태에 따라, 롤러가 사실상 첫번째 양태와 동일하고, 날개가, TiN 및 NbN 입자 중의 하나 이상[여기서, TiN 및 NbN 입자 중의 하나의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다]을 5면적% 이상 포함하는 철 합금[여기서, 철 합금은 필수적으로 2.0 내지 4.0중량%의 C, 2.0중량% 이하의 Si, 1.5중량% 이하의 Mn, 2.5 내지 8.0중량%의 Cr, W+2Mo가 20 내지 40중량%의 범위인 조건하에 30중량% 이하의 W 및 20중량% 이하의 Mo 중의 하나 이상 및 나머지 량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 급냉/템퍼링 열처리 후의 경도는 HRC 70 이상이다]으로 제조되는, 첫번째 양태와 사실상 동일한 구조의 회전형 압축기를 제공한다.

본 발명의 첫번째 양태와 두번째 양태에 따르는 회전형 압축기 중의 어느 것에서, 날개는 필요한 경우 슬라이딩 접촉 특성을 향상시키기 위해 질화 처리, 옥시질화 처리, 설포질화 처리 및 단독 처리와 같은 표면 처리를 실시한다.

본 발명은 날개와 롤러의 조합에 관한 것이다. 날개와 롤러의 최적 조합은 상대적 슬라이딩 부재로서 (1) JP-B2-55-31179 및 (2) JP-B2-55-48584에 기술되어 있으며 , 회전 펌프 및 회전형 유체 압축기로서 각각 (3) JP-A-55-107094 및 (4) JP-B2-1-18985에 기술되어 있다. 첫번째 두개의 공보에서, Mo를 함유하는 고탄소 및 고구리 철-시스템 소결체의 날개를 특정 조성을 갖는 합금 주철의 롤러와 조합한다. 공보(4)에서, 질화 처리한 고탄소 및 고크롬 합금량의 날개를, 미세 플레이크(flake)형 흑연과 카바이드와 같은 2종의 재료가 HRC 40 내지 45로 경화시킨 템퍼링 마르텐사이트 매트릭스에 분산된 재료로 이루어진 롤러와 조합한다. 공보(3)에서, 크롬 도금된 날개를 특수 재료로 제조된 롤러와 회전자 하우징(rotor housing)과 조합한다.

본 발명의 발명자는 각종 재료의 날개를 사용하여 본 발명에 따르는 롤러를 마찰 시험한 결과, 롤러 재료로부터 유도된 접착성이 파지를 일으킨 각 시험편의 날개의 슬라이딩 접촉면 위에 제공된다는 사실과, 롤러 재료가 슬라이딩 접촉면 층에서 강한 가소성 유동화를 나타낸다는 사실을 발견하였다. 이러한 결과로부터, 롤러 및 날개 재료가 마찰을 통해 서로 접착되기 때문에 이들 롤러와 날개의 파지와 마모가 발생하여 롤러 재료가 이의 접착 부분 하부로부터 부분적으로 무리하게 제거되는 것으로 판단하였다. 이러한 상황은 파지가 일어나는 접촉 압력 보다 높지 않은 압력하에 마찰이 일어나는 경우와 사실상 동일한 것으로 보인다(현재 사용되는 회전형 압축기에 있어서, 롤러 재료의 마모량의 절대값은 날개의 마모량의 절대값보다 일반적으로 수배 더 크다).

이러한 종류의 회전형 압축기에서, 날개의 높이가 마모에 의해 약간 줄어드는 경우에도 날개의 작동상의 문제는 없다. 그러나, 회전자와 실린더 사이의 누출을 증가시키는 회전자의 마모는 최소한도로 억제되어야 한다. 특히, 회전자가 부분적으로 무리하게 제거되는 정도의 마모는 억제되어야 한다.

이러한 목적으로, (1) 회전자와 날개를 서로 거의 부착되지 않는 재료로 조합시켜 제조하고 (2) 회전자 재료를 강화시켜 회전자가 접착 부분 하부로부터 부분적으로 무리하게 제거되는 것을 방지하며 (3) 날개 재료의 내마모성을 최소 수준으로 유지 시키면서 메이팅 재료에 대한 날개 재료의 공격 영향을 완전히 감소시키는 것이 중요하다.

본 발명에 따르는 재료의 조합은 특히 다음과 같은 상황 하에서 회전자가 마모되는 것을 억제한다.

(1) 소정의 면적비 이상에서 롤러와 날개 중의 하나 이상(본 발명의 경우에는 롤러 하나임)에 분산된 흑연은 소정 수준 이상에서 윤활 조건을 유지한다. 금속 이외의 서로 다른 것과 접촉되는 경우 경질이고 접착되기 힘든 카바이드(특히, 화학적으로 안정한 고경도의 MC 형 카바이드), 카바이드 이외의 Fe와의 친화성이 낮은 Tih. NbN 등의 니트라이드 입자(즉, 메이팅 재료), 및 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조물을 소정의 면적비 이상으로 부재들 중의 하나 이상에 분배한다. 또한, 이러한 재료는 내마모성의 차이로 인한 금속성 매트릭스 표면으로부터 돌출되면서 분배됨으로써 접촉을 용이하게 유발시키는 금속과 금속의 접촉을 감소시킨다. 따라서, 두 부재에 대한 접착 경향이 억제된다.

(2) 롤러 재료는 매트릭스의 급냉/템퍼링 처리 및 고경도의 인화철을 갖는 결정화된 공융 구조를 소정 면적% 이상으로 포함시킴으로써 강화된다. 결과적으로, 롤러 재료가 위에서 기술한 방식으로 부분적으로 무리하게 제거되는 것이 방지된다.

(3) 날개 재료는 소정 크기 이하의 카바이드를 함유하며 메이팅 재료에서 Fe와의 친화성이 낮은 TiN 및 NbN을 포함하여 메이팅 재료에 대한 공격 영향을 감소시킨다.

[롤러]

본 발명에 따르는 롤러 재료의 제한에 관한 근거는 이후에 기술한다.

본 발명은, 다음 재료의 롤러는 이후에 기술하는 특정 날개 재료에 관한 파지의 발생시에 단위 면적당 접촉 압력 및 내마모성이 현저히 향상되고, 롤러 재료는, 주로 플레이크형, 회전타원형 또는 기타 형태의 흑연, 카바이드(Fe₃C) 및 인화철(Fe₃P)을 포함하는 3종 이상의 분산된 상이 동시 존재하는 템퍼링 마르텐사이트의 매트릭스를 갖는다는 것을 밝혀내어 완성되었다.

본 발명에 따르는 롤러는 열처리 후의 경도가 HRC 50 이상이고 흑연을 5면적% 이상 함유하며 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조물을 2면적% 이상 함유하는 주철로 제조된다.

본 발명에서, 위에서 기술한 바와 같이, 열처리 후의 롤러의 경도가 증가함에 따라, 롤러 재료는 접착 부분 하부로 부터 부분적으로 무리하게 제거되는 것이 방지되기 때문에 내마모성과 파지 방지 특성이 향상된다. 본 발명의 롤러에서와 같이 비교적 다량의 흑연 상이 결정화되는 경우, 매트릭스는 템퍼링 마르텐사이트 구조로 제조되어야 하며, 경도는 HRC 50 이상이도록 하여 내마모성과 파지 방지 특성이 크도록 해야 한다. 경도의 상한선은 흑연 상이 결정화되는 양에 의해 불가피하게 측정된다. 바람직한 경도는 HRC 53 이상이다.

본 발명에서, 자체 윤활 특성과 오일 윤활 특성을 제공하는 흑연 상은 실린더와 날개에 관한 윤활 조건을 조절하고 접착 경향을 억제하기 위한 필수적인 상이다. 흑연의 형태에 관해서는, 플레이크형 흑연이 회전타원체 흑연 보다 슬라이딩 접촉 특성면에서 우수하다. 흑연의 크기에 관해서는, 흑연 입자가 가능한 한 미세한 것이 바람직하다(그러나, 이는 중요한 요소가 아니다). 흑연의 양이 많아질수록, 슬라이딩 접촉 특성이 향상된다. 결과적으로, 흑연의 양은 5면적% 이상으로 설정된다. 그러나, 흑연을 과도하게 가하는 경우, 경도가 저하되며, 기계적 특성도 저하되어, 작업 동안 회전자의 파괴와 같은 사건을 유발시킨다. 본 발명에서, 흑연의 양은 바람직하게는 14.0면적% 이하이지만 메이팅 날개 재료에 따라 변할 수 있다. 보다 바람직하게는, 흑연의 양은 6 내지 10.0면적%이다.

일반적으로, 스테아다이트(steadite)로 불리우는 구조는 Fe₃P-Fe₃C-Fe의 3원 공융물로서 결정화된다. 이러한 스테아다이트 상은 비교적 경질이며, 인이 가해지는 경우 Fe₃C 보다 안정해진다. 따라서, 스테아다이트는 본 발명의 롤러 재료가 접착되고 부분적으로 무리하게 제거되는 경향을 억제시킴으로써 내마모성과 슬라이딩 접촉 특성을 현저하게 향상시킨다. 스테아다이트는 특별한 미세 구조를 지니기 때문에, 이후에 기술하는 바와 같이, 스테아다이트는 본 발명에서 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조로서 언급된다. 이러한 구조는 본 발명의 롤러에 있어서 흑연 상 다음으로 필수 불가결한 상이다. 스테아다이트의 양이 2면적% 미만인 경우, 이의 효과는 낮아진다. 따라서, 스테아다이트의 양이 2면적% 이상으로 설정된다. 그러나, 20면적%를 초과하는 경우, 재료는 부서지기 쉬워지며 주조성이 저하된다. 결과적으로, 스테아다이트의 양은 바람직하게는 20면적% 이하이다. 보다 바람직하게는, 2.5 내지 5면적%이다.

주철에 가해지는 B, Bi, Sb 등의 미량 원소들은 이러한 원소들의 첨가가 본 발명의 요지로부터 특별하게 벗어나지 않으면서 수행되는 한 필요에 따라 첨가할 수 있음을 주목해야 한다.

[날개]

지금부터는, 본 발명에 따르는 날개 재료의 제한에 대한 근거에 관하여 기술한다.

본 발명의 첫번째 양태에 따르는 날개 재료는, 열처리 후의 경도가 HRC 70 이상이고 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자를 총 25면적% 이상 함유하고, 여기서 용해되지 않은 카바이드는 10면적% 이상의 MC형 카바이드를 포함하고 니트라이드 입자는 TiN 및 NbN 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함하며, 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다.

날개의 작동 메카니즘에 관해서는, 날개의 말단의 한쪽 제한된 부위가 롤러의 외측 주변 표면과 슬라이딩 접촉된다. 따라서, 날개는 롤러에 비해 내마모성이 커야 한다.

날개의 내마모성에 관한 단순한 개량은 일반적으로 날개의 경도를 증가시키고 카바이드 등의 경질 입자의 함량을 증가시킴으로써 성취할 수 있다. 그러나, 이러한 경우, 이러한 입자의 양을 비적절하게 증가시키면, 경도가 날개 재료 보다 낮은 롤러 재료에 관한 공격 영향이 더 커지기 때문에 롤러 재료의 공격을 쉽게 유발한다.

본 발명 이전에는, 본 발명의 발명자들은 다음의 개선된 날개 재료가 본 발명의 롤러 재료와 상당히 우수한 적합성을 나타냄을 발견하였다: 급냉/템퍼링 처리후의 경도가 HRC 65 이상이고 용해되지 않은 카바이드를 12면적% 이상 함유하고 여기서 용해되지 않은 카바이드가 10면적% 이상의 MC형 카바이드를 포함하며 용해되지 않은 카바이드의 평균 그레인 크기가 3㎛ 이하인 개선된 날개 재료. 그러나, 특정 종류의 압축기에 있어서 이러한 날개 재료는 파지 억제 특성과 내마모성이 불충분하며, 이들 특성이 추가로 개선되어야만 한다는 사실이 밝혀졌다.

따라서, 본 발명의 발명자들은 롤러 재료에 관한 공격성을 줄이고 롤러와 날개의 파지 방지 특성과 내마모성을 추가로 향상시키기 위하여, 위에서 언급한 TiN 및 NbN 입자를 적합한 양으로 가하여 용해되지 않은 카바이드와 카바이드 입자의 분배량을 증가시키고 날개 재료의 경도를 증가시키는 것이 효과적임을 밝혀내었다.

위에서 기술한 바와 같이, TiN 등의 입자는 카바이드 보다 Fe와의 친화성이 낮다. 결과적으로, 이들 입자는 카바이드 보다 메이팅 재료의 Fe와의 접착 경향을 더 효과적으로 억제함으로써 롤러와 날개의 파지 방지 특성과 내마모성을 향상시킨다.

이러한 니트라이드 입자 1종 또는 2종을 가할 수 있다. 니트라이드 입자의 양이 5면적% 미만인 경우, 이의 효과는 불충분하다. 따라서, 니트라이드 입자의 양이 5면적% 이상으로 설정된다. 바람직하게는, 7면적% 이상이다. 그러나, 25면적%를 초과하는 경우, 이의 경제적인 효과는 상실되며 날개의 인성도 저하된다.

위에서 기술한 개선된 날개 재료의 경우, 카바이드는 더 미세하게 만들어 롤러 재료에 대한 공격을 감소시키고, 이로 인한 날개 재료 자체의 내마모성의 감소는 날개 재료의 경도를 증가시킴으로써, 즉 소정량의 카바이드를 가함으로써 보상된다. 사실상 동일한 착안에 근거하여, 본 발명에 따르는 날개에 있어서, 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 최대 그레인 크기와 평균 그레인 크기 모두는 가능한 한 작게 해야 한다. 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자는 평균 그레인 크기가 5㎛ 이하이고 이의 최대 그레인 크기도, 예를 들면, 7㎛이하로 제한하는 것이 바람직하다. 바람직한 평균 그레인 크기는 3㎛ 이하이다.

경도가 HRC 70 미만인 경우, 날개 재료의 카바이드의 평균 그레인 크기를 제한함으로써 발생된 날개 재료 자체의 내마모성의 감소는 보상될 수 없기 때문에, 내마모성은 불충분하게 된다. 따라서, 경도는 HRC 70 이상, 바람직하게는 HRC 71 이상으로 설정한다.

용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 총량은 25면적% 이상(바람직하게는 30면적% 이상)으로 설정한다. 용해되지 않은 카바이드는 특히 고경도이며 안정한 MC형 카바이드를 10면적%(바람직하게는, 12면적% 이상) 포함한다. 니트라이드 입자는 TiN 및 NbN 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함한다. 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 양이 소정량 이하인 경우, 롤러와의 접착 경향은 완전히 억제될 수 없기 때문에 내마모성과 파지 방지 특성이 부적합해진다.

위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 날개 재료는 TiN, NbN 및 다량의 카바이드, 특히 조악한 카바이드로 되는 경향이 있는 다량의 VC-카바이드를 포함하며, 이러한 카바이드는 또한 상기한 방식으로 미세화되어야 한다. 따라서, 날개 재료는 분말 야금술적 방법으로 제조하는 것이 바람직하다.

파지 방지 특성을 향상시키기 위해서, 날개 재료는 질화, 옥시질화, 설포질화 처리 등과 같은 표면처리를 수행하는 것이 바람직하다. 더구나, 표면 경도 및 윤활 특성을 향상시키기 위하여, 날개 재료를 날개의 표면 위에 주로 사산화삼철을 함유하는 다공성 산화철 막을 형성시키기 위한 단독 처리를 수행하는 것이 바람직하다.

소정량의 TiN 및 NbN 입자를 본 발명의 두번째 양태에 따르는 날개 재료에 가하는 것은 위에서 이미 기술하였다. 원소들의 양을 한정하기 위한 근거와 날개 재료의 기타 원소들의 기능을 이후에 기술한다.

탄소는 이와 함께 가해지는 W, Mo, V 등과 혼합되어 경질 카바이드를 형성하여 날개의 내마모성을 증진시킨다. 또한, 카바이드의 형태에서, 탄소는 메이팅 재료와의 금속 대 금속 접촉 기회를 감소시켜 접착성을 효과적으로 감소시킨다. 또한, 탄소는 매트릭스 속으로 부분적으로 용해되고 매트릭스의 경도를 증가시킴으로써 내마모성을 향상시킨다. 따라서, W, Mo, V 등과 같은 카바이드 형성 원소들의 양에 따라, 탄소의 최적량이 결정된다. 본 발명에 따라, 탄소의 양이 2.0% 이하인 경우, 충분한 경도의 매트릭스를 수득할 수 없으며 형성된 카바이드의 양은 적다.

탄소의 양이 4.0%를 초과하면, 인성이 저하되고 고온 작업성이 저하된다. 결과적으로, 탄소의 양은 2.0 내지 4.0%로 설정한다. 바람직하게는, 탄소의 양은 2.5 내지 3.8%의 범위내 이고, 보다 바람직하게는 3.0 내지 3.6%의 범위이다.

Si는 탈산화 원소로서 강철 품질을 향상시키며 매트릭스 속으로 용해되어 매트릭스의 경도를 증가시킨다. 그러나, Si의 양이 2.0%를 초과하는 경우, 인성이 저하된다. 따라서, Si 양을 2.0% 이하로 설정한다. 바람직하게는, Si 양은 1.5% 이하이다.

유사하게, Mn은 탈산화 원소로서 강철 품질을 향상시킨다. 그러나, Mn의 양이 1.5%를 초과하는 경우, 급냉 후의 경도는 저하된다. 따라서, Mn 양은 1.5% 이하로 고정된다. 바람직하게는, Mn 양은 1.0% 이하이다.

그러나, Si와 Mn은 본질적으로 탈산화제이며, 결과적으로 이들은, Si가 경도를 증가시키기 위해 사용되는 경우를 제외하고는 임의의 추가 성분이다.

Cr은 카바이드를 형성하며 내마모성을 향상시키고 접착 경향을 억제하는 효과가 있다. 또한, Cr은 매트릭스 속으로 용해되어 급냉성을 제공하며 매트릭스의 내부식성을 향상시킨다. 대체 불화탄소 HFC가 고흡습성을 지니고, 윤활제가 분해되어 카복실산과 같은 산을 생성하기 때문에, 날개는 약간 부식성인 환경에서 작동한다. 결과적으로, 날개의 비정상적인 마모는 추측컨데 단순한 연마적 형태의 마모 뿐만 아니라 부식을 포함하는 메카니즘에 의해 유발된 마모이다. 이 경우, Cr 이외에, W, Mo 및 Co의 매트릭스 내로의 용해는, 이후에 기술하는 바와 같이, 날개의 내부식성을 향상시키고 마모를 감소시킨다. Cr의 양이 2.5% 미만인 경우, 위에서 기술한 효과는 적어지고 8.0%를 초과하는 경우, 열처리 후에 고경도가 수득될 수 없다. 따라서, Cr의 양은 2.5 내지 8.0%로 설정된다. 바람직하게는, Cr 양은 3.0 내지 6.0%의 범위내, 보다 바람직하게는 3.5 내지 5.5%의 범위내이다. 그러나, 날개가 열처리, 예를 들면, 질화처리와 같은 표면처리되는 경우, Cr의 양은 5.0 내지 8.0%의 범위내인 것이 바람직하다.

W와 Mo는 탄소와 화합되어 M₂C 또는 M₆C형 카바이드를 형성하여 접착 경향을 억제함으로써 내마모성과 파지 억제 특성을 향상시킨다. 또한, 매트릭스 속으로 용해된 후에, W와 Mo는 템퍼링에 의해 침강되어 매트릭스의 경도를 증가시키는 효과를 생성한다. Mo는 또한 카복실산에 의한 부식을 방지하는 작용을 한다. Mo는 텅스텐 보다 두배 큰 효과를 생성한다. 30% 이하(바람직하게는 20% 이하)의 텅스텐과 20% 이하(바람직하게는 15% 이하)의 Mo 중의 하나 이상을 가한다. 그러나, W+2Mo의 측면에서 W와 Mo의 양이 20% 미만인 경우, 위에서 기술한 효과는 적어지고, 40%를 초과하는 경우, 인성이 저하된다. 따라서, W+2MO의 측면에서 W와 Mo의 양은 20 내지 40%로 고정한다. 바람직하게는 24 내지 36%이다.

바나듐은 본 발명에서 중요한 작용을 하는 원소이다. 특히, 바나듐은 탄소와 결합하여, 화학적으로 안정하며 고경도를 갖는 MC형 카바이드를 형성한다. 이러한 카바이드가 날개의 표면에 걸쳐 균일하고 미세하게 분산되는 경우, 내마모성과 파지 방지 특성이 다른 형태의 카바이드 보다 효과적으로 좀 더 개선될 수 있다. 이러한 효과는 압축기의 구조와 필요한 내구성에 따라 변할 수 있지만, 파지 방지 특성과 내마모성은 전체적으로 3.0% 이상의 바나듐이 가해지는 경우 점차적으로 증가한다. 특히, 바나듐의 양이 6.0% 이상인 경우, 이러한 효과는 현저하다. 바나듐의 양이 3.0% 미만인 경우, 위에서 기술한 효과는 불충분하며, 15%를 초과하는 경우, 조악한 VC 카바이드가 결정화되며 분무가 힘들며 기계 가공도 힘들다. 이러한 이유 때문에, 바나듐의 양은 3.0 내지 15%로 설정한다. 바람직하게는, 바나듐의 양은 6.0 내지 12.0%의 범위내이다.

유사하게, Co는 본 발명에서 중요한 기능을 하는 원소이다. Co는 매트릭스 속으로 용해되어 매트릭스의 경도를 증가시키는 효과를 생성한다. Co는 또한 카복실산으로 인한 부식을 방지하는 본 발명의 상당히 큰 효과를 생성한다. 한편, Co의 양이 커짐에 따라, 비용이 증가하기 때문에, Co는 경도 HRC 70 이상을 수득하기 위한 범위내로 가한다. 일반적으로, 15% 이하의 Co가 충분하다.

본 발명의 두번째 양태에 따르는 날개의 경도는 본 발명의 첫번째 양태에 따르는 날개와 사실상 동일한 이유 때문에 HRC 70 이상으로 고정함을 주목해야 한다.

[실험]

[실험 1]

실험을 수행하는 각각의 롤러 재료에 관하여, 표 1은 흑연, 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조물(표 1에서는 스테아다이트로 나타냄) 및 카바이드의 면적비, 화학적 조성 및 열처리 후의 경도를 나타낸다.

표 1에서, 시험편 제10번은 공융 흑연이 아철산염 매트릭스에 분산된 주철이고, 시험편 제21번은 현재 롤러 재료로서 가장 일반적으로 사용되는 저합금 주철이다. 시험편 제22번 내지 제24번은 연속 주조에 의해 생성된 주철이며, 시험편 제24번은 롤러 재료로서 실제 사용되는 주철이다.

시험편 제30번과 제31번은 회전타원형 흑연이 바이나이트 매트릭스에 분산된 주철이다. 시험편 제40번과 제41번은 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조체와 플레이크형 또는 회전타원형 흑연이 템퍼링 마르텐사이트 매트릭스에 분산된 주철이며, 시험편 제40번과 제41번은 본 발명에 따르는 롤러 재료이다.

시험편 제50번과 제51번은 롤러 재료로서 실제 사용되는 내마모성 주철이다. 시험편 제50번은 흑연과 카바이드가 동시에 존재하는 유형의 주철이며, 시험편 제51번은 다량의 M₇C₃형 공융 카바이드가 분산된 백색 합금 주철이다. 시험편 제60번은 회전타원형 흑연과 카바이드가 다량의 Ni를 함유하는 오우스테나이트 매트릭스에 분산된 주철이다.

표 1에서, 경도가 HRC 50 이상인 시험편 모두가 템퍼링 마르텐사이트 매트릭스를 갖는다.

제3도는 시험편 제40번의 미세구조(배율: 200)의 한가지 예를 나타낸다. 도면에서, 검정색 원형점은 흑연을 나타내고 흰색과 밝은 회색 점으로 나타난 부분과 흰색 덩어리 부분은 스테아다이트로 불리우는 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조체를 나타낸다. 매트릭스는 템퍼링 마르텐사이트이다.

부수적으로, 제3도는 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조와 흑연이 특정하게 모아짐으로써 표 1에 나타낸 면적비와 일치하지 않는 부분을 제시한 것이다.

평가 시험이 수행되는 각각의 날개 재료에 있어서, 표 2는 화학적 조성, 급냉 템퍼링 열처리 후의 경도, 재료의 제조방법, 급냉 템퍼링 열처리 후의 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자(표 2에서 존재하는 카바이드 등으로서 나타냄)의 종류 및 면적비(%), 및 날개 재료가 상(image) 가공 장치로 측정할 수 있는 생성물의 상태에 있는 경우 그레인 크기가 1.0μ 이상인 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 평균 그레인 크기를 나타낸다. 표 2에서, JIS SUJ2, JIS SUS 440C 및 JIS SKH51은 현재 냉장고, 에어 컨디셔너 등에서 날개 재료로서 광범위하게 사용되는 재료이다.

대조 시험편은 2가지 방법, 즉 (1) 각각의 재료를 정상적으로 용융시키는 단계, 주괴(ingot)의 성형 단계, 이를 벼리는 단계(forging) 및 롤링 단계를 포함하는 방법(용융 공정)과 (2) 고온 이소태틱 가압법(HIP)에 의해 기체 분무된 분말의 미가공 압축물을 형성시키는 분말방법(PM)으로 제조한다. 후자의 방법에서는, 전자의 방법에 비하여 초고속 냉각 고화시킴으로써 제조한 합금 분말이 출발 재료로서 사용되어, 결과적으로 존재하는 용해되지 않은 카바이드가 매우 균일하고 미세하다.

본 발명에 따르는 시험편은 물 분무법으로 제조한 불규칙한 형태의 분말을 아토리터(Attoritor)를 사용하여 10㎛ 이하의 분말로 미세화하고, 이 분말에 적합한 양의 VC, TiN 및 NbN 분말을 가한 다음 혼합물을 소결시키는 방법(표 2에서 ST로 언급한 방법)으로 제조한다. 이러한 고합금 재료의 가소성 작업은 수행할 수 없기 때문에, 소결시킴으로써 압축 치밀화된 재료는 기계적 작업(선반 기계가공 및 그라인딩)에 의해 목적하는 제품으로 성형된다.

제4도는 표 2에서의 강철 L의 현미경 구조(배율: 4000)를 나타낸다. 이 도면에서, 검은 입자는 TiN 입자이고 흰 다각형 입자는 MC형 카바이드이고 밝은 회색 입자는 MC형 카바이드이며 나머지는 매트릭스이다.

표 1에 나타낸 롤러 재료로 제조한 환형 시험편 2A(외경이 25.6mm이고 내경이 20.0mm이다)를 제1a도 및 제1b도에 나타낸 바와 같은 위치 관계로 표 2에 나타낸 날개 재료로 제조한 사각형 바아(bar) 1A(10×10×40m)와 접촉시킨 다음, 시험편 2A를 폴리올 에스테르 윤활제에 침지시키고 이의 자체 축 둘레에 회전시킨다. 매회, 시험편 2A는 1분 동안 회전하면서 접촉 면적이 0.58cm 인 조건하에서 시험편 2A와 바아 1A 사이에서 슬라이딩 접촉 관계를 유지하며 슬라이딩 속도는 2.73m/sec이고, 단위 면적당 초기 접촉 압력은 0.981MPa (10kgf/cm )이고 압력은 0.981MPa(10kgf/cm )로 증가시키며 파지가 발생하는 경우의 단위 면적당 접촉 압력 및 소정 접촉 압력하의 마찰 계수를 측정한다.

위에서 기술한 시험 중의 하나에서, 표 2의 강철 L을 날개 재료로서 사용하고 표 1의 시험편을 롤러 재료로서 사용한다. 이 시험에서, 단위 면적당 접촉 압력이 9.81MPa(100kgf/cm )인 경우 파지의 발생에 따른 단위면적당 접촉 압력(파지 발생 접촉 압력) 및 롤러의 마모량을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

저경도의 롤러 재료 제10번 및 제60번의 파지 발생 접촉 압력은 낮다.

자료의 도입은 생략되지만, 파지 발생 접촉 압력과 내마모량은 날개 재료를 변화시키는 것보다는 롤러 재료를 변화시킴으로써 더 광범위하게 변한다는 사실과 재료 혼합물의 선택이 매우 중요하다는 사실이 밝혀졌다.

명백히, 롤러 재료 중에서, 인화철을 갖는 결정화된 공융 구조를 2면적% 이상 포함하는 시험편 제40번 및 제41번의 파지 발생 접촉 압력은 매우 높다.

바이나이트 매트릭스를 갖고 경도가 높은 시험편 제31번의 파지 발생 접촉 압력은 높다. 그러나, 이 재료에는 다량의 나머지 오우스테나이트가 존재하며, 결과적으로 시험편 제31번은 롤러 재료로서 피해야 하는 시간에 따른 치수 변화의 문제점을 포함한다. 이러한 형태의 압축기에서 중요한 요소인 시험편 제40번, 제41번 및 제30번, 제31번의 마모량은 작다. 표 3으로부터, 본 발명에 따르는 재료의 혼합물이 적합함을 이해할 수 있다.

표 4는 단위 면적당 접촉 압력이 9.81MPa(100kgf/cm )인 경우의 마찰계수와 표 1의 시험편 제40번이 롤러 재료 및 각종 날개 재료로서 사용되는 경우의 파지 접촉 압력을 측정한 결과를 나타낸다.

날개 재료로서 실제 사용시 재료를 포함하는 대조 시험편 중에서, 용융 재료의 파지 발생 접촉 압력은 9.8 내지 25.5MPa(100 내지 260kgf/cm )이며 분말 야금술(PM) 재료의 파지 발생 접촉 압력은 13.7 내지 37.3MPa(140 내지 380kgf/cm )이다. 용융 재료와 PM 재료를 서로 비교하는 경우, 그레인 크기가 작은 카바이드를 포함하는 용융 재료의 파지 발생 접촉 압력은 더 커진다. 한편, 본 발명에 따르는 날개 재료의 파지 발생 접촉 압력은 훨씬 더 커지며 이는 47.1 내지 117.7MPa(480 내지 1200kgf/cm )이다.

표 5는 날개 재료와 롤러 재료의 전형적인 조합물의 마찰 계수와 파지 발생 접촉 압력의 측정 결과를 나타낸다.

탄소는 약 42중량%의 알루미늄이 함침된 탄소 재료이며 날개에 비금속성 슬라이딩 재료로서 사용된다. 시험편 A 및 JIS SKH 51과 비교하는 경우, 탄소 날개의 파지 발생 접촉 압력은 매우 크다. 그러나, 탄소 날개의 기계적 특성은 매우 열등하기 때문에, 기계가공, 수송 및 작동 동안에 파손되는 문제점이 있다. 탄소 날개는 또한 특히 큰 압력차를 갖는 에어-컨디셔너에 적용되는 경우 절대 강도에 있어서 문제가 있다.

인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조가 본 발명에 따라 분산되는 롤러 제40번의 개량비는, 대조 시험편 제24번에 대하여, 메이팅 날개가 JIS SKH 51로 제조되는 경우에는 1.3배(11.8/8.8) 이지만, 메이팅 날개가 본 발명에 따르는 시험편 L로 제조되는 경우에는 1.8배(117.7/66.7)이다. 롤러 재료 제40번은 날개 재료 L과의 적합성이 높음을 알 수 있다. 더구나, 이러한 결합은 마찰 계수가 낮고 파지 발생 접촉 압력의 절대값이 높아짐을 알 수 있다. 롤러 재료 제41번은 제40번에 비하여 특별히 열등하지 않다.

[실험 2]

표 6은 날개 재료 L을 표면처리하지 않은 경우와 이를 각종의 표면처리한 경우의 제41번의 롤러에 대한 파지 발생 접촉 압력의 개선여부를 측정한 결과를 나타낸다. 모든 표면 처리도 효과적이지만, 표면에 다공성 층을 형성하기 위한 설포질화 처리 및 옥시질화 처리가 특히 효과적임을 알 수 있다.

[실험 3]

통상적인 재료 제21번 및 제24번 및 본 발명의 재료 제41번으로 제조한 롤러와 JIS SKH 51, 본 발명의 재료 L 및 탄소로 제조된 날개를 실제 회전형 압축기에 설치하여 이의 내구성을 비교한다.

실험에 사용된 재료와 열처리 조건은 실험 1과 동일하다. 슬라이딩 속도는 1.5m/sec이고 하중은 98N(10kgf)이고 윤활제는 폴리올 에스테르 오일이며 냉각제는 R134a이다. 시험시간은 2000시간이다. 롤러와 날개의 마모량을 평가한다. 결과를 표 7에 나타내었다.

일반적으로, 약 10년 동안의 내구성이 보장되어야 한다. 이러한 목적으로, 이러한 단기간의 시험에서, 롤러 재료의 마모를 100㎛ 이하로 유지시키고 날개 재료의 마모를 20㎛ 이하로 유지시키는 것이 실험의 목적이다.

날개가 시험편 L로 제조되는 경우, 롤러는 시험편 제41번으로 제조하고 표면처리는 수행하지 않은 경우 롤러의 마모는 81㎛이며 날개의 마모는 8.1㎛이다. 따라서, 위에서 언급한 실험의 목적에 완전히 도달된다. 분명히, 내구성에 관한 원래의 목적을 성취하였다.

표 7로부터, JIS SKH 51로 제조한 날개를 사용하여 메이팅하는 롤러 재료가 통상적인 재료 제21번 및 제24번으로부터 본 발명의 재료 제41번으로 변화되는 경우, 롤러 재료의 마모량은 400-410㎛에서 300㎛로 감소할 수 있는데, 이는 약 75내지 73%로 감소되는 것이다. 본 발명의 재료 L(표면처리하지 않음)을 날개 재료로서 사용하는 경우, 롤러 재료의 마모량은 115 내지 103㎛에서 81㎛로 감소할 수 있고(이는 약 79 내지 70% 감소하는 것이다), 표면처리한 본 발명의 재료 L을 사용하는 경우, 롤러 재료의 마모량은 89-80㎛에서 50㎛로 감소되거나(이는 약 53 내지 56%로 감소하는 것이다), 88-90㎛에서 43㎛로 감소될 수 있다(이는 약 49 내지 48% 감소하는 것이다).

날개의 마모량을 조사한 결과, JIS SKH 51로 제조한 날개를 사용하여 메이팅한 롤러 재료를 재료 번호 제21번 및 제24번에서 재료 제41번으로 바꿀 경우, 날개의 마모량은 56 내지 45%로 감소될 수 있으며, 표면처리한 본 발명의 재료 L을 날개 재료로서 사용하는 경우, 날개의 마모량은 38에서 14%로 크게 감소될 수 있음을 밝혀냈다.

위에서 기술한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르는 회전형 압축기는, 소정량의 플레이크형 또는 회전타원형 흑연과 인화철을 포함하는 소정량의 결정화된 공융 구조가 템퍼링 마르텐사이트 매트릭스에 분산된 주철로 제조한 롤러와, 소정의 크기를 갖는 소정량의 카바이드 및 니트라이드 입자가 분산된 재료로 제조한 날개를 포함한다. 압축기에 사용된 기체가 상당한 윤활 조건을 제공하는 하이드로플루오로카본(HFC)인 경우, 롤러 재료와 날개 재료의 이러한 조합은 파지 내성이 우수하고 상호 마모를 방지하기 때문에 압축기를 장기간 작동시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 실린더(3), 실린더(3)의 내면과 접촉하여 이심적으로 회전하는 롤러(2) 및 실린더(3)의 가이드 홈(guide groove)을 따라 연장되고 바이어싱 수단(biasing means)에 의해 바이어싱되어 말단이 롤러(2)를 향해 가압되는 날개(1)를 주요 구성 요소로서 포함하는 회전형 압축기에 있어서, 롤러(12)가, 급냉/템퍼링 후의 경도가 HRC 50 이상이고 흑연 5면적% 이상과 인화철을 포함하는 공융 구조물 2면적% 이상을 함유하는 주철로 제조되고, 날개(1)가, 급냉/템퍼링 후의 경도가 HRC 70 이상이고 용해되지 않은 카바이드 및 니트라이드 입자를 총 25면적% 이상 함유하는 철 합금(여기서, 용해되지 않은 카바이드는 10면적% 이상의 MC형 카바이드를 포함하고, 니트라이드 입자는 TiN 및 NbN 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함하며, 용해되지 않은 카바이드와 니트라이드 입자의 평균 그레인 크기는 5㎛ 이하이다)으로 제조됨을 특징으로 하는 회전형 압축기.
2. 제1항에 있어서, 날개(1)가 질화 처리, 옥시질화 처리, 설포질화 처리 및 단독 처리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 처리방법으로 표면처리되어 있는 회전형 압축기.
3. 실린더(3), 실린더(3)의 내면과 접촉하여 이심적으로 회전하는 롤러(2), 및 실린더(3) 가이드 홈(guide groove)을 따라 연장되고 바이어싱 수단(biasing means)에 의해 바이어싱되어 말단이 롤러(2)를 향해 가압되는 날개(1)를 주요 구성 요소로서 포함하는 회전형 압축기에 있어서, 롤러(2)가, 급냉/템퍼링 열처리 후의 경도가 HRC 50 이상이고 흑연 5면적% 이상과 인화철을 포함하는 결정화된 공융 구조물 2면적% 이상을 함유하는 주철로 제조되고, 날개(1)가, 평균 그레인 크기가 5㎛ 이하인 TiN 및 NbN 입자 중의 하나 이상을 5면적% 이상 포함하고, 필수적으로 C 2.0 내지 4.0중량%; Si 2.0중량% 이하; Mn 1.5중량% 이하; Cr 2.5 내지 8.0중량%; W 30중량% 이하 및 Mo 20중량% 이하 중의 하나 이상(단, W+2Mo는 20 내지 40중량%의 범위임); V 3.0 내지 15중량%; Co 15중량% 이하 및 잔여량의 Fe과 불가피한 불순물로 이루어지며, 급냉-템퍼링 열처리 후의 경도가 HRC 70 이상인 철 합금으로 제조됨을 특징으로 하는 회전형 압축기.
4. 제8항에 있어서, 날개(1)가 질화 처리, 옥시질화 처리, 설포질화 처리 및 단독 처리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 처리방법으로 표면처리되어 있는 회전형 압축기.