KR101287429B1 - 스크롤 부재를 형성하는 방법 및 스크롤 구성요소 하위조립체 - Google Patents

스크롤 부재를 형성하는 방법 및 스크롤 구성요소 하위조립체 Download PDF

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에머슨 클리메이트 테크놀로지즈 인코퍼레이티드
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Abstract

스크롤 압축기 구성요소를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 분말 야금 기술로부터 스크롤 부재의 적어도 하나의 구성요소를 형성하는 단계 및 상기 구성요소를 소결-납땜 공정을 통하여 별개의 구성요소와 결합시키는 단계를 포함하고 있다. 예를 들면, 우수한 특성을 가지는 납땜 결합부를 형성하기 위해 납땜 재료를 가지고 있는 접합계면을 통하여 나선형 스크롤 인벌류트를 가지고 있는 베이스플레이트가 허브에 결합된다. 탄소 및 소결-납땜 가열 공정에서 납땜을 하는 동안에 탄소가 이동하는 것을 방지하기 위하여 탄소와 반응하거나 탄소를 뭉치게 하는 적어도 하나의 원소를 포함하는 분말 금속 재료로부터 적어도 하나의 구성요소가 형성된다. 선택적으로, 분말 야금 공정 동안에, 저농도의 탄소를 가지는 합금이 선택되고, 이 합금은 탄소 이동을 방지하는 원소와 함께 결정 구조로 될 수 있다.

Description

스크롤 부재를 형성하는 방법 및 스크롤 구성요소 하위조립체{METHOD OF FORMING A SCROLL MEMBER AND SCROLL COMPONENT SUBASSEMBLY}
본 발명은 스크롤 머신에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스크롤 압축기 및 스크롤 압축기의 구성요소를 만드는 방법에 관한 것이다.
본 항목의 내용은 단지 본 발명의 개시내용에 관한 배경 정보를 제공하는 것이며 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
스크롤-타입 머신은 주로 매우 효율적인 작동성 때문에 통상적으로 냉동 분야 및 공조 분야에서 압축기로서 사용된다. 스크롤 압축기는 통상적으로 철을 함유한 재료로 형성되어 있다. 종종 탄소가 재료에 첨가되어 강성 및 마찰공학상의 잇점(tribological benefit)과 같은 특정의 필요한 특성을 제공한다. 예를 들면, 특정의 바람직한 마모 특성을 가진 소결체를 제공하기 위해서 소결하기 전에 흑연이 철 분말에 첨가될 수 있다. 그러나, 분말 야금 기술을 포함하는 철을 함유한 재료를 형성하는 많은 야금학적 처리는 특정의 바람직하지 않은 탄화물을 형성하는 현상을 수반한다. 더욱이, 본 발명의 개시내용에 보다 상세하게 기술되어 있는 바와 같이, 흑연과 같은, 유리 탄소(free carbon)가 존재하면, 소결하는 동안 형성된 납땜 결합부와 같은, 스크롤 구성요소들 사이에 형성된 접합부의 품질에 잠재적으로 영향을 미친다.
따라서, 바람직하지 않은 탄화물의 형성은 최소화하고 접합부 품질 및 수개의 구성요소들 사이에서 용이하게 기계가공하는 능력을 향상시키면서 우수한 스크롤 구성요소 및 압축기를 형성하는 방식으로 스크롤 구성요소를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 대체로 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스크롤 압축기용 복수의 스크롤 구성요소로 형성된 하위조립체(subassembly)의 결합부에 관한 것이다. 한 가지 실시형태에 있어서, 스크롤 부재를 형성하는 방법은, 제1 스크롤 구성요소의 일부분과 제2 스크롤 구성요소의 일부분 사이에 형성된 결합계면 구역에 납땜 재료를 배치시키는 단계를 포함하고 있고, 상기 제1 스크롤 구성요소와 상기 제2 스크롤 구성요소 중의 적어도 하나는 분말 금속 재료로 형성되어 있다. 또한, 상기 제1 스크롤 구성요소와 상기 제2 스크롤 구성요소 중의 적어도 하나는 철 합금을 포함하고, 상기 철 합금은 상기 철 합금에 존재하는 전체 탄소의 약 95 중량 퍼센트 이상을 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 요소와 결합 및/또는 반응된 형태로 가지고 있다. 그 다음에, 상기 제1 스크롤 구성요소과 제2 스크롤 구성요소 사이에 납땜 재료를 사이에 가지고 있는 상기 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소는, 상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분을 상기 제2 스크롤 구성요소의 일부분에 결합하는 납땜 결합부를 가지고 있는 스크롤 부재를 형성하기 위해 납땜 재료와 함께 상기 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소를 소결-납땜하기 위해 가열 공정을 통하여 더 처리된다.
다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 스크롤 부재를 형성하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은, 제1 가열 공정을 통하여 분말 금속 재료를 포함하는 제1 스크롤 구성요소를 가열하는 단계를 포함하고 있다. 그 다음에, 납땜 재료를 상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분과 제2 스크롤 구성요소의 일부분 사이에 배치한다. 상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분을 상기 제2 스크롤 구성요소의 일부분에 결합하는 납땜 결합부를 가지고 있는 스크롤 부재를 형성하기 위해 상기 제1 스크롤 구성요소과 제2 스크롤 구성요소 사이에 상기 납땜 재료를 가지고 있는 상기 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소를 제2 가열 공정을 통하여 소결-납땜하기 위해 가열한다.
다른 변형예에 있어서, 본 발명은, 미가공 허브(green hub)를 형성하기 위해 철, 흑연, 구리 및 윤활유를 포함하며, 전체 탄소 함유량이 약 0.4 중량 퍼센트 이상이고 약 0.6 중량 퍼센트 이하인 분말 금속 재료를 압축함으로써 스크롤 부재를 형성하는 방법을 제공한다. 허브 구조를 형성하기 위해 제1 소결 공정에서 미가공 허브를 적어도 부분적으로 소결하여, 흑연의 약 95% 이상을 하나 이상의 안정적인 결정 상(crystal phase)으로 혼입시킨다. 그 다음에, 하위조립체를 형성하기 위해 분말 금속 인벌류트의 일부분과 상기 허브 구조 사이에 형성된 결합계면 근처 구역에 납땜 재료를 배치시킨다. 마지막으로, 상기 하위조립체를 소결-납땜하여 납땜 결합부를 포함하는 스크롤 부재를 형성하기 위해 상기 하위조립체를 가열 처리한다.
또한, 특정 변형예에 있어서, 본 발명은, 나선형 인벌류트 스크롤 구성요소와, 제1 메이저 표면 및 대향하는 제2 메이저 표면을 가지고 있고, 제1 메이저 표면은 상기 인벌류트 스크롤 베인 구성요소에 결합되어 있고 상기 대향하는 제2 메이저 표면은 결합 부분을 한정하는, 베이스플레이트를 가지고 있는 스크롤 구성요소 하위조립체를 제공한다. 상기 스크롤 구성요소 하위조립체는 또한 납땜 결합부에 의해 베이스플레이트의 결합 부분에 고정되어 있는 허브를 포함하고 있고, 상기 허브는 분말 야금에 의해 형성되어 있으며 철, 탄소 및 구리를 포함하는 합금으로 이루어져 있다. 상기 허브를 상기 베이스플레이트의 상기 결합 부분에 결합하기 전에, 상기 허브에 존재하는 탄소의 약 95 중량 퍼센트 이상이 철 및/또는 구리에 의해 형성된, 펄라이트와 같은, 하나 이상의 결정 구조로 혼입된다.
본 발명의 다른 적용가능한 영역은 아래에 기술되어 있는 상세한 설명으로부터 알 수 있게 된다. 상세한 설명 및 특정 실시예는 단지 예시의 목적을 위한 것이지 청구항의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 명세서에 첨부된 도면은 단지 예시의 목적으로 제공된 것이며 본 발명의 기술영역을 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의해 보다 완전히 이해할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 스크롤 구성요소를 포함하는 스크롤 타입 냉동 압축기의 중심을 통과하는 종단면도이다.
도 2는 조립된 형태의 선회 스크롤 부재 하위조립체의 단면도이다.
도 3A는 본 발명의 개시내용의 특정 실시형태에 따라 형성된 허브를 가진 베이스플레이트 및 인벌류트 베인 구성요소를 포함하는 조립된 형태의 선회 스크롤 부재 하위조립체의 분해 사시도이며, 도 3B는 본 발명의 개시내용의 특정 실시형태에 따라 형성된 베이스플레이트 및 인벌류트 베인 구성요소를 포함하는 조립된 형태의 비선회 스크롤 부재 하위조립체의 분해 사시도이다.
도 4A는 본 발명의 개시내용의 특정 변형예에 따라 형성된 허브 및 그루브를 가지고 있는 베이스플레이트 및 인벌류트 베인 구성요소를 포함하는 선회 스크롤 부재 하위조립체의 분해 사시도이며, 도 4B는 본 발명의 개시내용의 특정 변형예에 따라 형성된 그루브를 가지고 있는 베이스플레이트 및 인벌류트 베인 구성요소를 포함하는 비선회 스크롤 부재 하위조립체의 분해 사시도이다.
도 5는 인벌류트 베인 구성요소 및 베이스플레이트를 포함하는 선회 스크롤 부재 하위조립체를 가지고 있는 본 발명의 개시내용의 기술사상에 따른 또 다른 변형예의 분해 사시도이다.
도 6은 2개의 분말 금속 구성요소의 결합부의 부분 확대도이다.
도 7은 조립된 상태의 베이스플레이트 및 일체형 인벌류트 스크롤을 가진 인벌류트 스크롤 구성요소 및 허브를 가지고 있는 선회 스크롤 부재 하위조립체의 변형예의 단면도이다.
도 8은 선회 스크롤 부재를 형성하기 위해 허브를 결합하기 전의 도 7의 베이스플레이트 및 일체형 인벌류트 스크롤를 가진 인벌류트 스크롤 구성요소의 평면도이다.
도 9는 인벌류트 스크롤 부분의 베이스플레이트의 제2 메이저 표면의 결합 구역을 나타내는 도 8의 라인 9-9를 따라 도시한 부분 단면도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 스크롤 구성요소의 하위조립체의 결합계면 구역의 부분 확대도이다.
도 12A는 납땜 영향을 받은 구역을 나타내는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope:SEM)의 현미경사진으로서, 납땜 결합부 중심라인은 구역 A(백색 구역에 해당함)로 표시되어 있고, 납땜 합금의 확산 구역은 대체로 구역 B(옅은 회색 구역에 해당함)로 표시되어 있으며, 분말 금속 부분의 납땜 영향을 받은 구역은 구역 C(짙은 회색 구역에 해당함)로 표시되어 있다.
도 12B는 12A에 표시된 동일한 접합 구역을 나타내는 것으로서, 탄소의 기본적인 프로필(elemental profile)이 겹쳐져 있어서 국소 구역에서의 탄소의 결핍을 보여주는 에너지분산형분석기(Energy Dispersive Spectroscopy:EDS)에 의한 탄소 점 분포도(carbon dot map)를 나타내고 있다.
도 13A 및 도 13B는 분말 금속 구성요소의 대부분 속으로 전이하는 납땜 영향을 받은 구역의 주변부에서(접합계면 구역에서) 촬영한 광학현미경사진이다. 도 13A는 미리 허브를 소결하지 않고 소결-납땜에 의해 만들어진 공융 탄화물(eutectic carbide)(백색 구역)의 형성을 나타내고 있으며, 공융 탄화물의 근접촬영사진이 삽입되어 있다. 도 13B는 본 발명에 개시된 기술사상에 따른 부분적으로 및/또는 완전히 소결된 허브를 이용하는 소결-납땜 결합부에 상기와 같은 탄화물이 형성되지 않은 것을 나타내고 있다.
아래의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 발명, 적용예, 또는 사용법을 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명은 분말 야금 기술을 이용하여 스크롤 압축기를 형성하는 방법은 제공한다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "분말 야금" 이라는 용어는 소결에 의해 금속 구성요소의 별개의 형상을 형성하기 위해 분말로 된(다시 말해서, 분말) 금속 재료(예를 들면, 복수의 금속 입자)를 이용하는 기술을 포함하는데, 분말 야금에서는 분말 집단이 분말 재료의 주된 구성성분의 용융점 아래의 온도로 가열되어, 야금학적인 결합 및/또는 각각의 입자의 융합을 촉진시킨다. 다양한 실시형태에 있어서, 분말 금속 재료는 평균 입자 사이즈가 약 10 마이크로미터(㎛) 이상, 경우에 따라서는 약 100 마이크로미터(㎛) 이상인 복수의 입자를 포함하는데, 다수의 실시형태에서는, 대체로 약 200 ㎛ 이하의 평균 입자 사이즈를 가지고 있다. 상기와 같은 입자 사이즈는 본질적으로 단지 예시적인 것이지 제한적인 것은 아니다. 여러가지 분말 야금 기술이 미국 특허제6,705,848호에 기술되어 있는데, 미국 특허제6,705,848호의 전체 개시내용이 본 명세서에 참고자료로서 포함된다.
적절한 분말 야금 기술의 몇 가지 구체적인 예는 종래의 압축 분말 야금(P/M)을 포함한다. 분말 야금(P/M) 기술에서는, 분말 금속 재료가 다이 내에서 "미가공 형태(green form)"로 압축되고, 이어서 제어된 분위기로(atmosphere furnace)에서 선택된 금속 구성요소에 따라 결정되는 소결 온도로 가열된다. 예를 들면, 적절한 분말 금속 재료는 분말 야금 구조 부품용 재료 표준에 대한 분말야금산업협회(Metal Powder Industries Federation:MPIF) 표준 35(2007년 판)에 기술되어 있는데, 상기 문헌의 관련 부분은 본 명세서에 참고자료로서 포함된다. 본 명세서에서 인용되거나 참조된 다른 모든 참고자료는 각각의 전체 내용이 참고자료로서 포함된다. 다양한 실시형태에 있어서, 분말 금속 재료는 철을 포함하고 있으므로, 철 합금과 같은 철을 함유한 재료이다. 소결 온도는 선택된 분말 금속 재료 및 최종 제품의 원하는 특성에 따라 결정되지만, 철을 함유한 합금은 일반적으로 높은 소결 온도를 필요로 한다. 철을 함유하거나 철을 기본재료로 한 대표적인 합금에 대한 적절한 소결 온도는 에이에스엠 국제 핸드북(ASM International Handbook) 7권(1998년 판), 제468페이지 내지 제503 페이지의 분말 금속 기술 및 사용(Powder Metal Technologies and Applications) 부분에 기재되어 있다. 예를 들면, 철, 구리 및 탄소의 합금은 약 1,900 ℉(1,037℃) 이상이고 약 2,400 ℉(1316℃) 이하의 소결 온도 범위를 가지는데, 예를 들면, 적절한 범위는 비제한적인 예로서, 대략 2,050℉(1,120℃) 이상이고 대략 2,100℉(1,150℃) 이하인 것을 포함한다. 특정 실시형태에서는, 분말 금속 그린 구성요소들을 소결하는 동일한 가열 공정 동안에 하나 이상의 납땜 결합부가 형성되어, 납땜 결합부를 통하여 상기 분말 금속 그린 구성요소들이 결합되도록 소결-납땜할 수 있다.
분말 야금을 포함하여, 철 합금을 포함하는 스크롤 구성요소를 형성하는 많은 방법은 재료에 흑연과 같은 탄소-함유 성분을 포함시킨다. 그러나, 상기와 같은 탄소-함유 성분을 사용하는 것은 잠재적으로 문제가 된다. 예를 들면, 구성요소들을 결합하기 위해 납땜 재료에 불리한 탄소를 사용하는 것은 잠재적으로 탄소 결핍 구역 또는 탄소 농축 구역을 형성할 수 있다. 유리한 열역학적 조건(예를 들면, 온도 및 탄소 함유량)이 충족된다면, 국소적인 용융이 발생하고 레데부라이트(ledeburite)라고 알려진 철-탄소 공융 조직이 납땜 결합부의 주변부를 넘어서 형성될 수 있다. 이러한 공융 탄화물은 망구조물(network)로서 입자 내에나 입자 경계부에 잠재적으로 발생할 수 있다. 어느 경우에서나, 이 공융 탄화물은, 펄라이트(pearlite)(이것은 2가지 상, 즉, 페라이트(ferrite)라고 불리는α-Fe과 시멘타이트(cementite)라고 불리는 Fe3C의 혼합물임)와 같은 다른 야금학적인 구조에서 발견되는 보다 유연하고 바람직한 이차 탄화물 조직과 구별될 수 있다. 공정 온도 및 다른 합금 원소에 좌우되기도 하지만, 펄라이트와 같은 보다 유연한 탄화물 상(phase)은 비교적 낮은 탄소 농도를 가지는 구역을 형성하는 경향이 있고, 이에 반해서 바람직하지 않은 공융 탄화물 상은 대체로 높은 탄소 농도를 가지는 구역을 형성한다. 공융 탄화물은 대체로 매우 단단한 상(잠재적으로, Rockwell C 경도계로 70에 이르는 경도)이므로 높은 연마성(abrasive)을 가진다. 이러한 공융 탄화물의 연마성의 결과로서, 공융 탄화물은, 기계가공 공구가 공융 탄화물과 접촉하면 임의의 철을 함유한 부품 또는 구성요소의 절삭성(machinability)을 급격하게 감소시킬 수 있다. 상기와 같은 공융 탄화물이 존재하면, 스크롤 압축기를 제작하는 동안 종종 사용되는 것과 같은 다량의 기계가공에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 금속 표면 근처에 바람직하지 않은 공융 철 탄화물이 형성되는 것을 최소화하는 것은 스크롤 압축기 구성요소와 같은 구성요소의 절삭성을 향상시키는데 바람직하다. 상기 방법은 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
또한, 본 발명에 따르면, 유해한 탄소의 축적은 잠재적으로 분말 금속의 다공성 구조 속으로 납땜 합금이 침투하는 문제를 야기할 수 있으며 또한 잠재적으로 형성된 임의의 납땜 결합부의 일체성에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 알게 되었다. 통상적으로, 소결하기 전에 분말 금속으로 형성된 금속 부품에 존재하는 탄소는 순수한 비반응성 흑연(un-reacted graphite)의 형태로 있다. 본 발명을 작용하게 하는 기술원리로서 제한되는 것은 아니지만, 상기 형태의 탄소는 소결-납땜 온도에서 쉽게 반응하고 높은 이동성을 나타내는 것으로 여겨진다. 이러한 흑연도 원치 않는 탄화물(예를 들면, 공융 탄화물) 형성에 대한 탄소의 공급원으로 기여한다.
공융 탄화물은, 제1 스크롤 구성요소와 제2 스크롤 구성요소 사이에 형성된 납땜 결합계면 구역 근처에 형성될 수 있기 때문에, 본 발명은 납땜 결합부를 형성하는데 특히 적합하다. 특정 실시형태에 있어서, 본 발명은 이중 소결 공정을 이용하여 납땜 결합부에 의해 결합된 조립체를 형성한다. 이러한 공정 방법은, 아래에서 보다 상세하게 설명할 허브 구성요소와 같은, 기계가공을 요하는 스크롤 압축기의 부품에 특히 유용하다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 함께 결합된 구성요소들은 기계가공에 있어서 현저한 개선사항을 나타낸다. 소결하는 동안 형성된 납땜 결합부를 포함하는 스크롤 구성요소 부품을 형성하는 본 발명의 방법은, 적어도 하나의 분말 금속 재료를 이용하여 스크롤 구성요소 조립체 또는 하위조립체에 결합될 적어도 하나의 구성요소를 형성하는 것을 포함한다. 예를 들면, 스크롤 구성요소가 본 발명에 따른 제1 소결 공정에 의해 부분적으로 또는 완전히 소결된 다음에, 제2 소결 공정에 의해 대응관계에 있는 구성요소에 소결-납땜으로 결합되면, 납땜-유발 공융 탄화물(납땜으로 인해 발생되는 공융 탄화물)이 덜 발생한다.
본 발명의 원리에 따르면, 제1 소결 공정 동안에, 열처리에 의해서 흑연이 재분배되어, 소결을 위한 제1 가열 공정 후에 철과 함께 탄소가 안정적인 상(예를 들면, 페라이트 및 시멘타이트를 포함하는 펄라이트 상)으로 변환된다. 마찬가지로, 다른 탄화물이 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 및/또는 이와 동등한 원소와 같은 다른 합금 원소와 함께 형성될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 구리와 같은 원소는 주로 금속 합금에서의 탄소 이동성을 제한하는 것으로 여겨진다. 따라서 특정 실시형태에 있어서, 철을 함유한 분말 금속 재료에 존재하는 대부분의 탄소는 결정 구조(펄라이트를 형성하는 것과 같은 결정 구조) 속에 포함되어 있으므로, 결합된 상태에서는, 순수한 흑연보다 활동성이 떨어진다. 따라서, 탄소가, 후속하는 납땜 공정 동안에 바람직하지 않은 납땜-유발 공융 탄화물을 형성하도록 이용될 수 있는 (예를 들면, 자유롭게 이동(breaking free)할 수 있는) 경향이 덜하다.
따라서, 소결 납땜 결합에 의해 결합될 적어도 하나의 구성요소는 철을 함유한 금속이고, 이 철을 함유한 금속은 철 합금 내에 존재하는 전체 탄소의 95 중량 퍼센트 이상을, 철을 함유한 합금 중에서 납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 원소에 결합된 형태 및/또는 상기 원소와 반응한 형태로 가지고 있다. 철을 함유한 합금이 분말 금속 재료로 선택된 특정 실시형태에 있어서, 본 발명은, 예를 들면, 아래에서 보다 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 펄라이트 상과 같은 결정 미세구조로 결합되거나 또는 반응된 형태로 탄소를 포함하는 것에 의해 반응성 탄소의 존재를 최소화하는 탄소 재분배 상태를 만들어 내는 제1 소결 단계를 제공한다. 본 발명의 원리에 따르면, 스크롤 구성요소는 분말 금속 재료 또는 다른 철을 함유한 합금 재료에 의해 형성되고, 바람직하게는 탄소의 이동성이 납땜 결합부가 형성되는 소결 공정 전에 최소화되어, 결합 품질에 영향을 미치는 소결-납땜하는 동안 탄소가 반응성을 가지지 않고 납땜 재료와 함께 유해하게 이동하지 않는다. 따라서, 특정 실시형태에 있어서, 소결-납땜에 의해 결합된 그린 스크롤 구성요소들 중의 적어도 하나는 제1 소결 공정에서 가열되어 흑연의 약 95% 이상이 하나 이상의 안정적인 결정 상(crystal phase)으로 혼입(포함)된다. 안정적인 결정 상이라고 하는 것은, 탄소가 재료 미세 구조(예를 들면, 하나 이상의 상)에서 감소된 이동성을 가지도록 합금에 포함된 하나 이상의 요소(species)와 결합 및/또는 반응하여, 절삭성(machinability)에 유해한 영향을 초래하는 납땜 결합부 근처에서의 가열 공정 동안 상당한 양의 공융 탄화물을 형성할 수 있는 농도로 탄소의 국소적인 축적을 감소시키도록, 납땜 온도에서, 탄소의 이동성이 최소화되는 것을 의미한다.
특정 실시형태에 있어서, 금속 합금의 다공성(porosity)이 최소화되거나 없어진다면, 납땜 재료만 부품의 표면을 따라서 유동하기 때문에, 무시할 수 있을 정도의 양의 탄소가 유해한 방식으로 축적될 기회를 가진다. 따라서, 허브 구성요소와 같은 주철(cast iron)로 압출성형되거나 금속세공된 부품을 선택하는데 있어서, 전체 탄소의 약 95 중량 퍼센트 이상을 가지는 재료를 선택하는 것으로 인한 무시할 수 있을 정도의 양의 탄화물 폼(form)이 철 합금에서 탄소 이동을 최소화하는 요소와 결합 및/또는 반응한 형태로 철을 함유한 철 합금에 존재하도록 비교적 적은 탄소 함유량을 가진 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 금속세공 구성요소가 이용될 수 있지만, 마찬가지로 주조, 단조, 또는 비교적 적은 탄소 함유량을 가지는 스크롤 구성요소 및 과도한 다공성을 가지는 매트릭스(matrix)로 되지 않는 스크롤 구성요소를 형성하는 임의의 다른 제조 공정이 이용될 수 있다. 따라서, 특정 대체 실시형태에서는, 제1 스크롤 구성요소가 단조, 압출, 금속세공(wrought), 주조 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 야금 공정에 의해서 형성된다. 대체로, 이러한 경우에서는, 제2 스크롤 구성요소 가 분말 야금에 의해 형성된다.
허브 구성요소와 관련하여, 특정 변형예에서는, 약 0.4 중량 퍼센트 이상의 탄소 함유량이 내마모성을 유지하는데 바람직하다. 특정 실시형태에 있어서, 다른 금속 성형 공정(분말 금속 소결가공을 제외한)에 의해 형성된 보다 많은 범위의 탄소 함유량을 가진 허브가 허브의 분말 금속 대응부품(counterpart)보다 더 유연할 수 있는데, 그 이유는 감소된 다공성과 이에 따른 탄화물 형성 관련 문제를 경험할 경향이 감소되기 때문이다. 따라서, 특정 실시형태에서는, 분말 야금외의 다른 금속 성형 공정에 의해 형성된 스크롤 압축기용 강 또는 철 합금 구성요소(예를 들면, 주조된 금속 구성요소)는 선택적으로 약 4.3 중량 퍼센트 이하의 탄소 함유량을 가진다. 특정의 대체 변형예에서는, 탄소 함유량이 약 4 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 3.5 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 3 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 2.5 중량 퍼센트 이하, 그리고 선택적으로 약 1 중량 퍼센트 이하이다. 특정의 대체 변형예에서는, 탄소 함유량이 약 0.9 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 0.8 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 0.7 중량 퍼센트 이하, 선택적으로 약 0.6 중량 퍼센트 이하, 그리고 선택적으로 약 0.5 중량 퍼센트 이하이다.
따라서, 본 발명의 특정 실시형태에서는, 납땜으로 유발된 공융 탄화물의 형성을 최소화하는 스크롤 부재를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 분말 금속 재료를 형성하기 위해 금속 구성요소와 적어도 하나의 합금 원소를 혼합하는 것을 포함한다. 다양한 실시형태에 있어서, 분말 금속 재료는, 납땜 재료의 소결-납땜이 발생하는 소결 공정을 하는 동안 분말 금속 재료 내에서 탄소 이동을 제한하는 요소(species)를 포함한다. 이 요소는 원소(element), 상(phase) 및 상기 구성요소의 합금을 포함한다. 다양한 실시형태에 있어서, 탄소와 반응 및/또는 결합하거나 분말 금속 재료 내에서 탄소 이동을 저지하는 요소는, 철(Fe), 구리(Cu), 바나듐(V), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 이와 동등한 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소, 합금, 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명은 철을 함유한 금속에 관한 것이므로, 대체로 구리, 바나듐, 크롬, 몰리브덴, 및 이들의 조합이 철을 함유한 금속 재료에 (대체로 반응성 흑연 형태로 된 탄소와 함께) 첨가될 수 있다.
상기 요소(Fe, Cu, V, Cr, Mo 등)를 첨가하여 탄소를 가진 하나 이상의 안정적인 상을 만드는 본 발명의 개시내용은 혼합(admixing), 예비 합금(pre-alloying), 확산 접합(diffusion bonding) 등과 같은 임의의 분말 생산 방법에 의해서 실행될 수 있다. 철은, 선택적으로 다른 요소와 함께, 납땜 재료가 납땜 결합부 구역으로 유입되는 동안 탄소 이동을 최소화하는 방식으로 반응성 흑연과 반응 및/또는 결합한다. 분말 금속 재료는 복수의 금속 구성요소 및/또는 합금 원소를 포함하거나, 결합제(binder), 이형제(release agent), 다이벽(die-wall) 또는 내부 윤활제 등을 포함하는 다른 종래의 분말 야금 성분을 포함할 수 있다.
특정 실시형태에 있어서, 철 분말이 흑연 및 구리와 혼합되어 허브 및/또는 인벌류트 스크롤 및 베이스플레이트용 원료를 대표하는 철 분말을 형성한다. 선택적으로 압축 윤활제(pressing lubricant)가 상기 분말에 첨가된다. 이러한 변형예에서는, 허브 및 스크롤 재료가 MPIF FC 0205(공칭(nominal) 2 중량 퍼센트의 구리 및 공칭 0.5 중량 퍼센트의 탄소)과 MPIF FC 0208(공칭 2 중량 퍼센트의 구리 및 공칭 0.8 중량 퍼센트의 탄소)의 각각에 대한 사양(specification)을 준수한다.
분말 금속 재료는 미가공 구성요소(green component)를 형성하기 위해 처리된다. 몇 가지 실시형태에 있어서, 상기 처리는 대체로 분말 금속 재료를 분말 금속 재료가 압축될 수 있는 다이 속으로 집어넣는 것을 포함한다. 특정 실시형태에 서는, 제1 스크롤 구성요소는, 분말 금속 재료를 빈공간 부분이 스크롤 구성요소의 전체 부피의 약 25% 이하로 되도록 압축(다시 말해서, 형태의 전체 부피의 약 25%의 빈 공간을 남기도록 압축), 선택적으로 약 20% 이하로 되도록 압축, 그리고 특정 실시형태에서는, 선택적으로 스크롤 구성요소의 빈 공간의 부피의 약 18% 이하로 되도록 압축함으로써 미가공 형태(green form)로 처리된다. 따라서, 다양한 실시형태에 있어서, 분말 금속 재료(대체로 윤활 시스템을 포함)는 원하는 형태의 몰드(mold) 내에 배치된 다음 모든 재료가 손상되지 않은 상태로 압축된다. 이러한 압축에 의해 다이 형상에 상응하는 형태 및 형상을 유지하는 미가공 형태가 형성된다.
본 발명의 원리에 따르면, 금속 구성요소 및 합금 원소를 포함하여 형성되는 미가공 구조(green structure)는 제1 소결 공정을 통하여 처리된다. 소결을 위한 제1 가열 공정은 미가공 구조의 적어도 부분적인 소결을 포함하고, 특정 변형예에서는, 최종 소결 구조를 형성하기 위해 미가공 구조의 완전 소결을 포함한다. "부분적인 소결" 이란 표현은, 분말 금속 재료로 형성된 미가공 스크롤 구성요소(green scroll component)가 제1 소결 공정을 통하여 처리되는 것을 의미하고, 제1 소결 공정에서는 미가공 스크롤 구성요소가 열원(heat source)에 노출되지만, 노출 기간은 금속 입자들 간의 대체로 완전한 야금학적인 접합 및 융합(fusion)을 이루기 위해 요구되는 것보다 짧다. 특정 실시형태에서는, 미가공 구성요소의 부분적인 소결이 소결 및 납땜을 위한 제2 최종 가열 공정보다 낮은 온도에서 수행되거난 짧은 기간 동안 수행될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 제1 가열 공정은, 분말 금속 재료 내의 반응성 탄소를 적절하게 엉기게 하여, 상기 반응성 탄소가 소결-납땜을 위한 후속의 제2 가열 단계의 초기 단계 동안에 비교적 비활동적(immobile)이고 비활성적(inert)이 되도록 수행된다. 다시 말해서, 상기 탄소는, 납땜 재료가 서로 결합될 구성요소들 사이의 결합 구역으로 유입되는 가열 공정의 낮은 온도 범위에서의 초기 납땜이 진행되는 동안 비교적 비활동적이다. 이라한 방식에 있어서, 제2 소결 공정 동안 형성된 납땜 결합부는, 납땜 및 소결이 진행되는 동안 탄소가 이동하지 않기 때문에, 우수한 품질을 나타낸다. 특정의 다른 실시형태에서는, 구조적 구성요소에 강도를 부여하기 위해서 소결을 위한 제1 가열 공정도 수행된다.
아래에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 특정 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 스크롤 구성요소를 소결을 위한 제1 가열 공정을 거치게 하는데, 상기 제1 가열 공정에서는, 탄소의 이동을 제한하는 요소(예를 들면, 철, 구리, 바나듐, 몰리브덴, 크롬과 같은 합금 원소, 또는 상기 원소들의 조합)와 철을 함유한 금속 구성요소가 납땜으로 발생되는 탄화물의 총량을 감소시키도록 유리하게 상호작용한다. 다른 방법으로 설명하면, 제1 가열 공정은 열처리를 통하여 금속 구조 내에서 탄소를 유리하게 재배치한다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 대체 실시형태에서는, 제1 가열 공정 동안 구조적 구성요소를 완전히 소결하는 것이 바람직할 수 있고, 따라서, 특정 방법에 있어서, 미가공 구조가 완전히 소결된 다음 본 발명에 따라 본 명세서에 기술되어 있는 바와 같이 추가적으로 처리되는 것을 고려할 수 있다. 분말 금속 재료를 처리하는 상기와 같은 방법은, 몇 개의 구성요소가 함께 결합되어 스크롤 구성요소 부재로 사용하기 위한 조립체를 형성하는 소결-납땜 공정에 특히 유리할 수도 있다.
선택적으로, 유리 탄소(free carbon)의 유효성(availability)을 추가적으로 감소시키기 위해 제1 구성요소 및 제2 구성요소가 제1 가열 공정에서 완전히 소결된 다음 납땜에 의해 결합될 수 있다. 그러나, 대체 실시형태에 있어서, 허브와 같은 구성요소가, 반응성 탄소의 유효성을 적절하게 감소시켜서 소결-납땜에 의해 형성된 납땜 결합부의 일체성을 향상시키는 대체 공정을 통하여 형성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 결합계면에서 결합될 구성요소들 중의 하나가 분말 야금이 아닌 다른 금속 성형 공정을 통하여 형성되면(예를 들면, 단조 또는 금속세공-및-기계가공된 부품), 금속 재료는 바람직하지 않은 탄화물 형성을 최소화하기 위해 감소된 탄소 함유량을 가지도록 선택된다. 탄소 재배치를 위한 온도는 제1 소결 공정을 위해 선택된 재료에 따라 바뀐다는 사실을 알아야 한다. 분말 금속 구성요소가 제1 소결 공정에 의해 처리되는 특정 실시형태에 있어서, 탄소 재배치를 위한 전형적인 범위는, 분말 야금 산업 협회(Metal Powder Industries Federation:MPIF) FC 0208 분말 금속 조성(약 1.5 중량% 내지 약 3.9 중량%(공칭으로는 2 중량%) 범위의 구리와 0.6 중량% 내지 0.9 중량%(공칭으로는 0.8 중량%) 범위의 탄소를 가지는 철-구리 금속)에 대해서 약 1,560 ℉(849 ℃) 내지 약 1,740 ℉(949 ℃)이라고 생각된다. 본 발명의 특정 실시형태에 따르면, 바람직하게는 제1 소결 공정이 탄소를 유리하게 재배치하기 위해 소결되는 재료에 대한 적절한 탄소 재배치 온도에 도달한다. 소결된 구성요소에 펄라이트 상과 같은, 하나 이상의 결정 상과 같이 바람직한 안정적인 구조를 형성하기 위해 제1 소결 공정 단계 동안 행해지는 가열 후에 제어된 냉각이 선택적으로 행해진다.
따라서, 다양한 실시형태에 있어서, 스크롤 구성요소를 형성하기 위한 분말 금속 재료는 적어도 하나의 분말 금속 구성요소를 포함하고 선택적으로 합금 원소 및 윤활제와 같은 다른 재료를 포함한다. 미가공 상태(green state)에서는, 통상적으로 분말 금속 구성요소들이 분말 야금(P/M) 처리를 위해 압축에 의한 윤활 금속 변형(lubricated metal deformation)을 이용하여 함께 유지된다. 분말 야금(P/M) 형성을 위한 종래의 윤활 시스템은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 스테아르산칼슘(calcium stearate), 에틸렌 비스스테아르아미드(ethylene bisstearamide), 스테아린산리튬(lithium stearate), 스테아르산(stearic acid), 스테아르산아연(zinc stearate) 및 이들의 조합을 포함한다. 선택적으로, 제1 소결 공정 동안 부분 뒤틀림(part distortion)을 방지하는 것을 돕기 위해서 고정처리(fixturing)가 사용될 수 있다. "소결처리중인 것(under-sintering)"(하지만 밀도/강도 기준을 충족하는 지점에 대해 여전히 밀도를 높이는 것)은 치수적인 제어를 유지하는데 도움이 된다는 것을 알게 되었다. 고정처리는 뒤틀림을 최소화하기 위해서 흑연 또는 세라믹 스크롤 형상을 이용함으로써 실행될 수 있다.
배경기술과 유사한 참고 번호가 여러 도면에 걸쳐서 유사하거나 대응하는 부분을 나타내는 도면을 참고하면, 도 1은 본 발명에 따른 대표적인 스크롤 구성요소 조립체를 포함할 수 있는 예시적인 스크롤 압축기(10)를 나타내고 있다. 스크롤 압축기(10)는 대체로 원통형 밀폐 쉘(12)을 포함하고 있으며, 상기 밀폐 쉘(12)은 상단부에 용접된 캡(14)과 하단부에 베이스(16)를 가지고 있으며, 상기 베이스(16)는 선택적으로 일체로 형성된 복수의 장착 다리부(도시되어 있지 않음)를 가지고 있다. 캡(14)은 냉각제 배출 연결관(18)을 구비하고 있으며, 상기 냉각제 배출 연결관(18)은 내부에 통상적인 배출 밸브(도시되어 있지 않음)를 가질 수 있다.
상기 밀폐 쉘에 부착된 다른 주요 요소는, 캡(14)이 쉘(12)에 용접되어 있는 지점과 동일한 지점에서 외주 둘레로 용접되어 있는 횡방향으로 뻗어 있는 칸막이(22), 쉘(12)에 적절하게 고정되어 있는 메인 베어링 하우징(24) 및 하부 베어링 하우징(26)를 포함하고 있고, 상기 하부 베어링 하우징은 복수의 반경방향 바깥쪽으로 뻗어 있는 다리를 가지고 있으며, 상기 다리도 쉘(12)에 적절하게 고정되어 있다. 예를 들면, 4 개 내지 6 개의 변을 가지고 있으며 둥글게 형성된 코너부를 가진 단면 형상이 대체로 다각형인 모터 고정자(28)는 쉘(12)에 억지끼워맞춤되어 있다. 상기 모터 고정자의 둥글게 형성된 코너부들 사이의 평면부는 모터 고정자와 쉘 사이에 통로를 제공하고, 이 통로는 쉘의 상부로부터 하부로의 윤활제의 복귀 유동을 용이하게 한다.
상단부에 편심 크랭크 핀(32)을 가지고 있는 구동 샤프트 또는 크랭크샤프트(30)는 메인 베어링 하우징(24) 내에서 베어링(34)에 회전가능하게 저널되어 있다. 제2 베어링(36)은 하부 베어링 하우징(26)에 배치되어 있다. 크랭크샤프트(30)는 그 하단부에 비교적 큰 직경의 동심 보어(38)를 가지고 있고, 상기 동심 보어(38)는 크랭크샤프트(30)의 상부쪽으로 위쪽으로 뻗어 있는 반경방향 바깥쪽으로 기울어진 작은 직경의 보어(40)와 연통되어 있다. 상기 동심 보어(38) 내에는 교반기(42)가 배치되어 있다. 쉘(12) 내부의 하부 부분에는, 회전자(46)의 하단부보다 약간 아래이지만 권선부(48)의 하단부의 상당 부분을 잠기게 할 정도로 충분히 높은 레벨까지 윤활유로 채워져 있는 오일 섬프(44)가 형성되어 있다. 상기 동심 보어(38)는 윤활 유체를 크랭크샤프트(30)로, 그리고 통로(40) 속으로, 그리고 궁극적으로는 윤활작용을 필요로 하는 압축기의 모든 부분으로 전달하는 펌프로서 작용을 한다.
크랭크샤프트(30)는 고정자(28) 및 권선부(48)를 포함하는 전기 모터에 의해 회전식으로 구동된다. 회전자(46)는 크랭크샤프트(30)에 억지끼워맞춤되어 있으며 상부 카운터웨이트(50) 및 하부 카운터웨이트(52)를 가지고 있다. 메인 베어링 하우징(24)의 상부 표면은 편평한 스러스트 베어링 표면(54)을 구비하고 있고, 상기 편평한 스러스트 베어링 표면(54) 상에 선회 스크롤 부재(56)가 배치되어 있고, 선회 스크롤 부재(56)는 자신의 상부 표면에 통상적인 나선형 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58)를 가지고 있다. 원통형 허브 부재(90)가 선회 스크롤 부재(56)의 하부 표면으로부터 아래쪽으로 돌출되어 있으며 원통형 허브 부재(90)는 그 내부에 베어링 부싱(60)을 가지고 있다. 베어링 부싱(60) 내에는 구동 부싱(62)이 회전가능하게 배치되어 있으며 구동 부싱(62)은 내측 보어(64)를 가지고 있고, 이 내측 보어(64)에는 크랭크 핀(32)이 구동되도록 배치되어 있다.
크랭크 핀(32)은 미국 특허 제4,877,382호에 개시되어 있는 것과 같은, 반경방향으로 유연한 구동 장치를 제공하기 위해서 상기 내측 보어(64)의 일부분에 형성된 평면과 구동되게 결합되는 평면을 가지고 있다. 올덤 커플링(Oldham coupling)(66)이 선회 스크롤 부재(56)와 베어링 하우징(24) 사이에 위치된 상태로 설치되어 있으며 선회 스크롤 부재(56) 및 비-선회 스크롤 부재(68)에 끼워져서 선회 스크롤 부재(56)의 회전 운동을 제한한다. 올덤 커플링(66)은 미국 특허 제5,320,506호에 개시된 유형으로 될 수 있다.
비선회 스크롤 부재(68)는 선회 스크롤 부재(56)의 나선형 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58)와 맞물린 상태로 위치되어 있는 나선형 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(70)를 포함하고 있다. 비선회 스크롤 부재(68)는 중심에 배치된 배출 통로(72)를 가지고 있고, 상기 배출 통로(72)는 캡(14) 및 칸막이(22)에 의해서 형성된 배출 머플러 챔버(76)와 유체연통상태로 있는 위쪽으로 개방된 리세스(74)와 연통되어 있다. 고리형상 리세스(78)가 비선회 스크롤 부재(68)에 형성될 수 있으며, 상기 고리형상 리세스(78) 내에 시일 조립체(80)가 배치된다. 축방향의 가압력을 비선회 스크롤 부재(68)에 작용하여 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58, 70) 각각의 끝부분(tip)을 대향하는 단부 플레이트 표면과 밀봉 결합되게 가압하기 위해, 위쪽으로 개방된 리세스(74), 고리형상 리세스(78) 및 시일 조립체(80)는 협력하여 축방향의 압력을 작용하는 챔버를 형성하여 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58, 70)에 의해서 압축된 압축 유체를 수용한다. 시일 조립체(80)의 상세한 사항이 도 1에 도시되어 있지 않지만, 상기와 같은 시일 조립체(80)의 비제한적인 예는 미국 특허 제5,156,539호에 보다 상세하게 개시되어 있는 유형 또는 미국 특허 RE35,216호에 개시되어 있는 플로팅 시일(floating seal)으로 될 수 있다. 비선회 스크롤 부재(68)는, 상기한 미국 특허 제4,877,382호 또는 미국 특허 제5,102,316호에 개시되어 있는 것과 같은 적절한 방식으로 베어링 하우징(24)에 장착되도록 설계될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 조립된 선회 스크롤 부재의 단면도이다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 선회 스크롤 부재(56)는, 참고 번호 84 및 참고 번호 86으로 각각 표시되어 있는 대체로 평면인 반대쪽으로 향하는 제1 메이저 표면 및 제2 메이저 표면을 가지고 있는 대체로 원형의 베이스플레이트(82)를 포함할 수 있다. 제1 메이저 표면(84)은 나선형 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58)에 결합될 수 있다. 반대쪽으로 향하는 제2 메이저 표면(86)은 고리형상의 돌출된 쇼울더(도 2 및 도 9에 참고 번호 134로 표시되어 있음), 또는 베이스플레이트(82)에 대해 대체로 수직으로 일정 거리로 뻗어있는 돌출된 원통형 패드(도시되어 있지 않음)와 같은 결합기능부(138)를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 돌출된 쇼울더인 돌출 파일럿(134)에 대한 베이스플레이트(82)의 몸체의 두께 비율은 약 5:1 내지 10:1이다. 몇 가지 실시형태에 있어서, 제2 메이저 표면(86)은 상승된 둑(elevated dam)(220)(도 8 및 도 9 참고)을 가지고 있다. 특정 실시형태에 있어서, 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58) 및 베이스플레이트(82)는 단일체인 구성요소로 될 수 있다.
복수의 하위구성요소 조립체가 분말 야금에 의해 형성되거나 하나 이상의 구성요소가 상이한 금속 형성 기술로부터 형성되고 적어도 하나는 분말 야금에 의해 형성되는 경우에 있어서, 최종 소결 단계는, 당해 기술분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 결합 시스템(binder system)을 완전히 제거하고 각각의 분말 야금 구성요소의 구조를 완전히 소결하는 것이 바람직할 수 있다. 더욱이, 특정 하위조립체에서는, 아래에 보다 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 납땜 재료가 몇 개의 구성요소들 사이에 형성된 하나 이상의 결합계면 구역에 배치되는 것이 바람직할 수 있다. "소결-납땜"은 조립체의 2개 이상의 부분이 결합부의 각각의 표면에서 납땜 재료를 녹임으로써 결합되고, 동일한 노(furnace) 내에서 소결 및 납땜이 실행되는 공정(process)이다. 소결-납땜 공정에 의해서 결합된 구성요소들은, 형성되는 분말 금속 하위조립체의 형상의 복잡성을 허용하는 고도의 구조적 일체성(high structural integrity)을 가지는 견고한 결합부를 형성한다.
도 3A에 도시되어 있는 것과 같은, 특정 변형예에 있어서는, 인벌류트 베인 구성요소(58)가 지지 베이스(112)에 부착되어 있다. 인벌류트 베인 구성요소(58)는 지지 베이스(112)와 일체로 형성되거나(예를 들면, 분말 금속 구성요소로서), 예를 들면, 본 발명에서 논의한 임의의 결합 기술에 따라 결합될 수 있다. 베이스플레이트(82)는 베이스플레이트에 부착된(일체로 형성되거나, 예를 들면, 아래에 설명되어 있는 것과 같은 결합부를 통하여 서로 결합되어 있는) 허브(90)를 가지고 있고, 제1 메이저 표면(84)은 지지 베이스(112)와 마주대하는 접촉 표면(114)을 포함하고 있다. 따라서, 지지 베이스(112)는 본 발명에 기술되어 있는 다양한 기술을 통하여 베이스플레이트(82)의 접촉 표면(114)에 결합될 수 있다.
도 3B는 비선회 스크롤 부재(68)에 대한 유사한 결합 구성을 나타내고 있다. 인벌류트 베인 구성요소(70)는 지지 베이스(100)에 부착되어 있다. 인벌류트 베인 구성요소(70)는 지지 베이스(102)와 일체로 형성되거나(예를 들면, 분말 금속 구성요소로서), 예를 들면, 본 발명에서 논의한 임의의 결합 기술에 따라 결합될 수 있다. 베이스플레이트(102)에는 지지 베이스(102)와 마주대하는 접촉 표면(104)이 형성되어 있다. 지지 베이스(102)는 본 발명에 기술되어 있는 다양한 기술을 통하여 베이스플레이트(102)의 접촉 표면(104)에 결합될 수 있다.
도 4A 내지 도 4B에 도시된 것과 같은 또 다른 변형예에서는, 결합될 부품을 정렬시키고 결합하기 위해서 그루브가 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 4A에서, 인벌류트 베인 구성요소(58)는 선회 스크롤 부재(56)의 베이스플레이트(82)의 제1 메이저 표면(84)에 형성된 그루브(98)와 정렬될 수 잇다. 베이스플레이트(82)에 있는 베이스플레이트 그루브(98)는 인벌류트 베인 구성요소(58)를 베이스플레이트(82)의 제1 메이저 표면(84)에 맞추어 정렬시키기 위해서 사용될 수 있다. 베이스플레이트 그루브(98)는, 인벌류트 베인 구성요소(58)를 베이스플레이트(82)에 결합하기 전에, 제1 메이저 표면(84)에 미리 형성되거나(예를 들면, 몰딩을 통하여), 기계가공으로 만들어질 수 있다.
베이스플레이트 그루브(82)는 또한 인벌류트 베인 구성요소(58)와 베이스플레이트(82) 사이의 경계부에서의 선회 스크롤 부재(56)의 피로 강도를 높인다. 이러한 베이스플레이트 그루브(98)는 굽힘 모멘트를 지탱할 수 있고 결합부 근처의 경화 구역(hardened zone)에서 국소적인 변형(strain)을 최소화하는데 도움을 주어서 결합부에서의 피로 파괴의 가능성을 낮출 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 본 명세서에 개시된 원리에 따르면, 베이스플레이트(82)를 인벌류트 베인 구성요소(58)에 결합하는 것을 용이하게 하기 위해서 납땜 재료가 그루브(98) 내에 배치될 수 있다.
특정 실시형태에 있어서, 베이스플레이트 그루브(98)는 잠재적으로 분로형성(shunting)의 불리한 점(그루브(98)의 벽에 놓인 인벌류트 베인 구성요소(58)의 측면에서의 단락(shorting))을 초래할 수 있다. 따라서, 특정 실시형태에서는, 임의의 잠재적인 분로형성 효과를 최소화하기 위해서 선택적으로 큰 임피던스의 저항성 코팅(도시되어 있지 않음)이 인벌류트 베인 구성요소(58) 또는 베이스플레이트 그루브(98)에 형성될 수 있다.
마찬가지로, 도 4B는 비선회 스크롤 부재(68)를 나타내고 있는데, 베이스플레이트(102)에는 도 4A와 관련하여 위에서 설명한 것과 유사한 그루브(110)를 포함하는 접촉 표면(104)이 형성되어 있다. 따라서, 거의 동일한 방식으로, 인벌류트 베인 구성요소(70)는 그루브(110)를 통하여 베이스플레이트(102)와 정렬되어 부착될 수 있다.
도 5의 예시적인 선회 스크롤 부재(56)에서 볼 수 있는 바와 같이, 베이스플레이트 그루브(예를 들면, 베이스플레이트 그루브(98))를 사용하지 않고 본 명세서에 설명된 임의의 기술을 통하여 인벌류트 베인 구성요소(58)를 베이스플레이트(82)의 접촉 표면(120)과 정렬하여 접촉시킬 수도 있다. 이러한 방식은 제작하는 과정에서 비용을 증가시킬 수 있는 베이스플레이트 그루브를 미리 형성하거나 밀링가공할 필요성을 배제시킨다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 이러한 원리는 비선회 스크롤 부재(68)를 인벌류트 베인 구성요소(70)와 결합시키는데 동일하게 적용될 수 있다.
선택적으로, 선회 스크롤 부재(56)의 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58) 및 베이스플레이트(82)는, 납땜 재료를 이용하여 스크롤 인벌류트 베인 구성요소(58)를 베이스플레이트(82)에 결합하는 것과 같은 방식에 의해서, 테이퍼형 결합부(taper joint)를 따라서 서로 결합된 복수의 구성요소를 포함할 수 있다. 제1 스크롤 구성요소를 제2 스크롤 구성요소에 결합시키는데 특히 적합한 테이퍼형 결합부는 0도 내지 약 20도 이하; 선택적으로 5도 이상 15도 이하의 각도 범위로 될 수 있다. 위에서 설명한 각각의 구성요소의 어느 것도 주조 재료, 단조 재료 또는 금속세공 재료로 만들어질 수 있다(아래에 보다 상세하게 설명되어 있음). 또한, 바람직한 변형예에서는, 상기 구성요소들이 본 발명에 기술되어 있는 소결-납땜 기술에 의해 결합되지만, 대체 실시형태에서는, 상기 구성요소들이 당해 기술분야의 전문가에게 알려져 있는 종래의 결합 기술에 의해 결합될 수 있다.
원통형 허브 부재(90)는 대향하는 제1 에지(92) 및 제2 에지(94)를 포함할 수 있다. 원통형 허브 부재(90)는 일반적인 주조 기술 또는 분말 금속 기술을 포함하는 다른 성형 공정에 의해 금속세공 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 원통형 허브 부재(90)는 선택적으로 기계적으로 베이스플레이트(82)에 고정될 수 있다. 예를 들면, 원통형 허브 부재(90)는, 당해 기술분야의 전문가에게 알려져 있는 전형적인 납땜 방법을 이용하여 결합부(96)의 돌출된 쇼울더(88) 또는 돌출된 패드에 납땜될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 결합부(96)는 미국 특허 제5,156,539호에 개시되어 있는 유형으로 될 수 있다. 결합부(96)는 분말 금속 재료와 함께 사용하기에 적합한 방법을 이용하여 납땜될 수도 있다. 특정 실시형태에 있어서, 미가공 구성요소(제1 분말 금속 재료로 형성된 것)들은 미가공 구조가 소결되는 동안 서로 조립되어 납땜될 수 있다. 솔리드(solid) 허브 부재(90)는 소결 공정 동안 경화되는 재료를 이용하여 고정될 수 있다 .
도 6은 선회 스크롤 부재(56)의 원통형 허브 부재(90)와 베이스플레이트(82)의 사이인, 예시적인 소결-납땜 결합부를 형성하는 방법을 나타내고 있다. 베이스플레이트(82)는 인벌류트 스크롤 베인 구성요소(58)에 결합된 제1 메이저 표면(84) 및 돌출 결합 부재 또는 결합기능부(138)를 가지고 있는 반대쪽으로 향하는 제2 메이저 표면(86)을 가지고 있다. 원통형 허브 부재(90)는 적어도 부분적인 소결(다시 말해서, 부분적으로 소결되거나 완전히 소결되는 것)을 위해 제1 소결 공정에 의해 처리되고 제2 메이저 표면(86)의 결합기능부(138)와 정렬된다. 납땜 페이스트(paste) 또는 구형상 또는 다른 유사한 형상의 납땜 펠릿(pellet)과 같은 형태로 된 납땜 재료 또는 납땜 링이, 돌출 파일럿(134)과 허브 부재(90) 중의 어느 하나 또는 양자 모두의 적어도 일부분에 인접해 있는 결합계면 구역에 제공되어 있다. 돌출 파일럿(134)은 원뿔 형상을 포함할 수 있다. 납땜 재료를 제공하는데 있어서, 선택적으로 납땜 펠릿이 돌출 파일럿(134)에 배치된 다음, 납땜 공정 전에 허브 부재(90)의 내경부(inside diameter)로 이동할 수 있다. 소결된 허브 부재(90)(부분적으로 또는 완전히 소결된 허브 부재(90))는 베이스플레이트(82)에 소결-납땜되어 스크롤 부재 하위조립체(56)를 형성한다. 선회 스크롤 부재(56)를 형성하기 위해 추가적인 소결-납땜이 실행된 후, 임의의 바람직한 기계가공이 실행될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에 따르면, 제2 소결 공정에서 허브 부재(90)를 베이스플레이트(82)에 결합하기 전에, 허브 부재(90)가 제1 소결 공정에 의해 처리된다. 특정 실시형태에 있어서, 제1 소결 공정은 약 1,900 ℉(1,037℃)이고 약 2,400 ℉(1316℃) 미만의 온도; 선택적으로 약 2,050 ℉(1,120℃) 내지 약 2,100 ℉(1,150℃)의 가장 고온의 노 구역(furnace zone)에서 약 10분 내지 30 분 동안 수행된다. 당해 기술분야의 전문가라면 잘 알 수 있겠지만, 상기 온도는 선택된 재료에 따라 바뀔 수 있으며 본 발명에서는 철을 함유한 탄소 구리 분말 금속 합금 재료 MPIF FC 0208 및 MPIF FC 0205와 관련된다. 이 단계에서, 철 입자들은 철 입자와 철 입자 사이에 목부분(neck)을 형성하여 결합하기 시작하는 것으로 생각된다. 특정 실시형태에 있어서, 유리 탄소의 약 95%가 구조로부터 소실(burned off)/휘발되거나(volatilized) 금속 구성요소(예를 들면, 철 입자) 상(phase)의 결정 구조로 혼입된다. 이와 관련하여, 금속 구성요소의 분말 금속 내에 펄라이트 상 또는 다른 결정 구조를 형성하기 위해 허브 부재(90)는 미리 부분적으로 또는 완전히 소결된다. 이러한 방식에 있어서, 2개의 구성요소를 소결-납땜하는 동안 탄화물 형성을 위해 사용될 수 있는 탄소의 양은 상당히 감소된다.
특정 실시형태에 있어서, 합금 원소, 특히 합금 원소로서의 탄소는 금속 구성요소를 포함하는 상(phase)의 결정 구조 속으로 실질적으로 혼입된다. "실질적으로 혼입된다" 라는 표현은 부분적으로 소결된 구조로 남아있는 합금 원소(예를 들면, 탄소)의 약 95 중량 퍼센트 이상, 선택적으로 약 96 중량 퍼센트 이상, 선택적으로 약 97 중량 퍼센트 이상, 선택적으로 약 98 중량 퍼센트 이상이 결정 구조에 혼입되는 것을 의미하고, 특정 실시형태에서는, 선택적으로 합금 원소의 약 99 중량 퍼센트보다 많은 양이, 제2 소결 공정 동안 탄소 이동을 제한하는 상기한 요소들 중의 적어도 하나를 포함하는 금속 구성요소의 결정 구조 속으로 혼입되는 것을 의미한다.
도 10 및 도 11은 분말 야금를 통하여 각각 형성된 2개의 금속 구성요소의 납땜 결합에 의한 결합부의 부분 확대도이다. 미가공 부품(green part)을 형성하기 전에, 철을 포함하는 분말 금속과 탄소, 구리 또는 그 조합을 포함하는 합금 원소를 혼합함으로써 제1 재료 혼합물이 형성된다. 분말 형태의 상기 혼합물은 압축되어 미가공 구조를 형성하는데, 예를 들면, 분말 재료가 약 18% 보다 작은 공극부피율(void volume fraction)로 압축된다. 미가공 구조는 상기한 제1 소결 가열 공정을 거친다. 상기 미가공 구조는 스크롤 인벌류트 구성요소, 스크롤 인벌류트 구성요소용 베이스플레이트, 허브, 또는 스크롤 압축기 구성요소의 임의의 다른 부분이 될 수 있다.
상기한 바와 같이, 대체 변형예에서는, 구조가 분말 야금이 아니라 대체형태의 금속 제조 공정에 의해 형성될 수 있지만, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 반응성 탄소 함유량이 비교적 적고 미가공 구조 대신에 처리되도록 선택된다.
한 가지 변형예에 있어서는, 납땜 재료가, 허브와 같은, 미리 소결되거나 부분적으로 소결된(제1 가열 단계 동안 실시된) 구성요소와 미가공 분말 금속 재료를 포함하는 일체형 인벌류트 스크롤 형태를 가진 베이스플레이트와 같은 제2 구성요소 사이에 제공된다. 이와 관련하여, 완전히 소결되거나 또는 부분적으로 소결된 분말 금속 구성요소(예를 들면, 허브)가 제2 분말 금속 구성요소(예를 들면, 스크롤 인벌류트)에 납땝결합되고, 상기 제2 분말 금속 구성요소는 제2 가열 공정 동안 더 소결된다. 특정 실시형태에 있어서, 납땜 온도에서 제2 가열 공정이 진행되는 동안, 납땜 재료는 용융되어 제1 구성요소와 제2 구성요소(예를 들면, 허브와 베이스플레이트) 사이의 모세관 작용에 의해 금속 표면으로 유입되어, 중심라인을 형성하고 또한 분말 금속 구조 속으로 침투하여 액상의 납땜 합금으로 분말 금속 구조를 신속하게 채운다. 분말 야금에 의해 형성된 금속 부품의 다공성으로 인해 침투가 되고, 침투의 양은 공극부피율로 표현된 상대 다공성(relative porosity)과 관련된다.
도 7은 허브 부재(90)를, 본 발명의 원리에 따라 부착된 일체형 인벌류트 구성요소를 가지고 있는 베이스플레이트(202)에 결합시킨 것의 한 가지 변형예를 나타내고 있다. 도 8은 허브 부재(90)가 부착되어 있는 베이스플레이트(202)의 구역의 평면도를 나타내고 있다. 허브 부재(90)는 베이스플레이트(202)와 소결-납땜되어 베이스플레이트(202)와 납땜 결합부(204)를 형성한다. 도 9는 허브 부재(90)가 납땜 결합부(204)에 의해 결합되어 있는 베이스플레이트(202)의 구역의 부분 단면도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 복수의 돌출부(210)가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 상기 돌출부는 허브 부재(90)의 하부 표면(212)이 놓이게 되는 약간 돌출된 부분이다. 상기 돌출부는 허브 부재(90)의 하부 표면(212)과 베이스플레이트(202)의 접촉 표면(214)(메이저 표면) 사이에 작은 틈새를 제공한다. 납땜 결합부(204)의 구역으로부터 이동할 수 있는 임의의 납땜 재료를 위한 오버플로 공간(overflow volume)을 제공하는 베이스플레이트(202)의 외측 둘레 구역에 제1 그루브(216)가 형성되어 있다. 또한, 돌출된 납땜 둑(dam)(220)이, 납땜 재료가 납땜 결합부/결합 구역으로부터 벗어나는 것을 방지하는 제1 그루브(216)로부터 반경방향 바깥쪽으로 형성될 수 있다.
임의의 과잉의 납땜 재료를 위한 수집 구역을 제공하고 또한 형성 과정 동안 허브 부재(90)에 형성된 임의의 버(burr)를 처리하는 별도의 공간, 다시 말해서 버 트랩(burr trap)을 제공하는 제1 그루브(216)로부터 반경방향 안쪽으로 제2 그루브(218)가 형성되어 있다. 돌출부(210)의 외측 구역에서 볼 수 있는 바와 같이, 베이스플레이트(202)의 접촉 표면(214)은 허브 부재(90)의 하부 표면(212)과 베이스플레이트 접촉 표면(214) 사이에 틈새를 제공한다. 돌출부의 높이 및 갯수는 선택된 납땜 재료에 따라 바뀔 수 있는데, 그 이유는, 어떤 납땜 재료는 용융 온도에서 낮은 점도를 가지는 반면에 다른 납땜 재료는 높은 점도를 가지기 때문이다. 용융 온도에서의 점도는 각각의 접촉 표면을 충분히 코팅하는 모세관 작용 및 습윤(wetting)의 정도와 관련된다. 따라서, 접촉 표면(214)과 하부 표면(212) 사이의 틈새는, 당해 기술분야의 전문가가 알고 있는 바와 같이, 선택된 납땜 재료의 특성에 기초하여 미리 결정된다.
예를 들면, 본 발명에 따른 납땜 결합부를 형성하기에 특히 적합한 구리, 니켈, 붕소, 망간, 철, 및 규소의 합금을 포함하는 납땜 재료에 대한 적절한 틈새의 크기는 약 0.002 인치(약 51 마이크로미터 또는 미크론) 내지 약 0.005 인치(약 127 마이크로미터)이다. 특정 실시형태에 있어서, 베이스플레이트(202)의 접촉 표면(214)과 허브(90)의 접촉 표면(212) 사이에 형성된 틈새의 크기는 약 0.003 인치(약 76 미크론) 내지 약 0.004 인치(약 102 미크론)이다.
다양한 실시형태에 있어서, 제2 가열 단계는 내부에 배치된 납땜 재료를 가지고 있는 스크롤 구성요소의 하위조립체를 개시 온도로부터 납땜 온도 범위 전체에 걸쳐서 그리고 더 높은 소결 온도 범위까지 가열시키는 것을 포함한다. 소결-납땜 가열 공정은 소결 공정 동안 소결 정체부(sintering plateau)(노의 고온 구역)에 도달하기 위해 온도를 추가적으로 상승시킨다. 따라서, 납땜 온도에 도달한 직후에 부품이 냉각될 수 있는 일반적인/전용적인 납땜(dedicated brazing)에서와 달리, 온도가 상승하여 소정의 기간 동안 소결 수준에서 유지된 다음에 냉각된다. 예를 들면, 제1 가열 공정 단계 및/또는 제2 가열 공정 단계는 선택적으로 3시간 이상의 기간 동안 가열하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 특정 변형예에 있어서는, 제2 가열 공정 동안, 스크롤 인벌류트 구성요소를 주위 온도(개시점으로서)로부터 가열하여 납땜 온도 범위 전체에 걸쳐서 가열하고 그 다음에 소결 온도까지 가열한다. 특정 실시형태에 있어서, 소결 온도 정체현상(plateau)은 약 30 분의 가열 동안 일어난다. 예를 들면, 분말 금속 재료가 허브에 대해서는 철/탄소/구리 합금 MPIF FC 0205가 선택되고 베이스플레이트 및 인벌류트에 대해서는 철/구리/탄소 합금 MPIF FC 0208가 선택되는 경우에, 개시 온도로부터 약 2,100 ℉(1,150 ℃)까지의 가열이 약 30 분 동안 진행된 다음, 완만한 냉각 단계가 뒤따른다. 명백히, 납땜 온도 범위는 선택된 납땜 재료에 따라 바뀌지만, 결합 구역에서 납땜 재료를 녹이고 분배하는 납땜 온도는 대체로 소결 온도보다 낮다. 예시적이며 비제한적인 납땜 온도은 약 900 ℉(약 482 ℃) 내지 약 1,200 ℉(약 649 ℃)의 온도 범위에서 발생할 수 있지만, 소결 온도는 약 2100 ℉(약 1,150 ℃)로 될 수 있다.
특정 실시형태에 있어서, 소결 공정의 고온 상태하에서 발생하는 소결-납땜 공정 동안, 소결 온도에서의 긴 지속기간으로 인해 확산에 의한 합금 원소의 재배치가 일어날 수 있다. 따라서, 납땜 재료가 구리(Cu)를 포함하는 특정 실시형태에 있어서, 납땜 결합부 중심라인에 있는 주로 분포되어 있는 납땜 재료는 다른 금속간 화합물(intermetallic phase)과 결합된 구리계 고용체(Cu-based solid solution)이다. 상기 중심라인으로부터 벗어나면, 초기의 순수한 고탄소강 금속 매트릭스(matrix)는, 예를 들면 납땜 합금으로 인해 니켈(Ni) 및 망간(Mn)과 합금된 저탄소 함유 강으로 변환된다. 재배치 과정 동안에, 탄소는 이동하여, 상기한 납땜영향을 받은 구역의 주변부를 지나서 축적된다. 이러한 과정은, 납땜 합금이 탄소에 대한 친화성(affinity)을 가지지 않도록(달리 말하면, 특별한 납땜 충전제 금속이 탄소에 대한 낮은 용해성(solubility)을 가지도록) 납땜 합금이 선택되기 때문에 발생하는 것이라고 생각된다.
적절한 납땜 재료는 구리, 니켈, 붕소, 망간, 철, 규소 및 이들의 조합을 포함한다. 예를 들면, 한 가지 특히 적절한 납땜 충전제(braze filler) 분말은 약 40 중량 퍼센트 내지 약 44 중량 퍼센트(wt. %)의 니켈, 약 38 중량 퍼센트 내지 약 42 중량 퍼센트의 구리, 약 1.3 중량 퍼센트 내지 약 1.7 중량 퍼센트의 붕소, 약 14 중량 퍼센트 내지 약 17 중량 퍼센트의 망간 그리고 약 1.6 중량 퍼센트 내지 약 2 중량 퍼센트의 규소를 포함하는 예비 합금 분말(pre-alloyed based powder)을 포함한다. 이 예비 합금 분말은, 철와 같은 종래의 첨가제, 붕산, 붕사(borax)와 같은 용제(flux) 재료 및 예를 들면, 공칭 약 3%의 계면활성제(surfactant) 및/또는 예를 들면, 공칭 약 0.53 %의 윤활유와 같은 첨가제와 결합될 수 있다. 특정의 변형예에서는, 상기와 같은 납땜 재료가 용융된 다음, 바람직하게는 납땜 온도를 넘어서 소결 온도 범위까지 고체상태로 되어, 납땜 결합부가 분말 금속 재료의 소결을 위한 보다 높은 온도 범위 전체에 걸쳐서 납땜 재료에 의해 실질적으로 형성되는 보다 높은 용융 온도를 가지는 다양한 금속간 성분(intermetallic component)을 형성한다.
소결-납땜 동안에 미가공 허브(green hub)와 미가공 베이스플레이트(green baseplate) 사이에 형성된 비교 납땜 결합부(comparative braze joint)에 대한 납땜 영향을 받은 구역(허브의 일부분과 베이스플레이트의 일부분 사이의 결합계면 구역)이 도 12A 및 도 12B에 표시되어 있는데, 상기 도면에서 철 분말 입자와 합금하기 위해 사용된 유리 흑연(free graphite)에 의해 공급된 탄소가 전진하는 확산 구역(advancing diffusion zone)의 전방에서 밀려나와서 상기 전진하는 확산 구역의 선단부에 축적되어 있다. 도 12A에서, 구역 A는 납땜 결합부의 대체적인 중심라인을 나타내는 매우 밝은 회색 구역이고, 구역 B는 납땜 영향을 받은 구역에서의 탄소의 최소량을 나타내고, 어두운 회색 구역인 구역 C는 많은 탄소 함유량(도 12B의 동일 구역에서의 탄소 점 분포도(carbon dot map) 상에 겹쳐진 상응하는 기본적인 탄소 분석(elemental carbon analysis)에서 볼 수 있는 바와 같이)을 나타낸다. 따라서, 유리 탄소는 납땜 결합부 영역의 전진하는 확산 구역의 전방으로 이동되어 구역 C에 축적된다. 탄소 강 분말 금속 합금의 경우에 있어서는, 탄소의 부가적인 공급원은 분말 금속 자체(예를 들면, 강)이다.
용융된 납땜의 응고와 소결-납땜 동안 형성된 금속 구성요소의 냉각이 진행되는 동안, 탄소가 많은 구역의 탄소는 철과 결합하여 입자(grain) 내에나, 주로, 입자계면(grain boundary)에서의 망구조(network)로서 공융 철 탄화물을 형성하는 것으로 생각된다. 따라서, 국소적으로 탄소 함유량이 비교적 많은 곳, 예를 들면, 전진하는 확산 구역의 전방면(도 12A/도 12B에서 구역 C의 최상부)에는, 바람직하지 않은 공융 탄화물이 형성될 가능성이 있다. 한 가지 예로서, 약 6.67 중량 퍼센트보다 많은 농도로 탄소가 국소적으로 존재하는 곳에서 공융 탄소 및 철 탄화물이 형성될 수 있다. 이러한 탄화물의 한 예인, 결합부를 형성하는 부분들 중의 하나 이상의 적어도 부분적인 소결을 위한 제1 가열 공정이 없는 종래 기술의 소결-납땜의 비교예가 도 13A에 표시되어 있다. 위치 및 공정 파리미터에 따라서, 3 mm의 깊이로 영향을 받은 구역이 관찰되었다. 철-탄소 공융 탄화물이 형성되는 공융 온도는 소결-납땜을 하기 위한 제2 가열의 노 환경(furnace environment)에 의해 제공된 소결 온도에 존재하기 때문에, 본 발명의 원리는 탄소의 국소화된 축적을 최소화하여 특히 납땜 결합부 구역의 주변부(도 12A/도 12B에서 구역 C의 최상부)에서 공융 탄화물을 형성할 가능성을 감소시키는 방법을 제공한다.
선택적으로, 스크롤 구성요소용 분말 금속 재료(예를 들면, 허브용 강 합금)는 비교적 적은 또는 감소된 탄소 함유량을 가지도록 선택될 수 있다. 탄화물 형성은 원래 금속(예를 들면, 강 분말) 내의 흑연으로부터 탄소를 끌어내는 것이므로, 분말 금속 내의 흑연의 최초량은 최종적으로 형성될 수 있는 탄화물의 최종량과 관련된다. 상기한 바와 같이, 탄화물을 형성하기 위해 열역학적으로 필요한 탄소의 국소적인 농도는 대략 6.67 중량 퍼센트이다. 처음의 탄소는 흑연(100% 탄소)의 형태로 있기 때문에, 미리 부분적으로 또는 완전히 소결하지 않고서 상기 탄화물을 형성하기 위해 탄소를 축적하고 이용할 가능성은 상당히 높을 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 분말 금속 재료 내의 최초의 탄소의 양은 비교적 적게 되도록 선택된다.
결과적으로, 특정의 변형예에서, 분말 금속 재료 내의 탄소 함유량을 약 0.8 중량 퍼센트의 공칭 양(nominal amount)으로부터 약 0.5 중량 퍼센트의 공칭 양(약 0.4 중량 퍼센트 내지 약 0.6 중량 퍼센트)로 감소시키면, 바람직하지 않은 탄화물 형성의 양을 실질적으로 감소시킨다. 선택적으로, 분말 금속으로 형성된 금속 부품의 얇은 외측 구역에서는 탄소 백분율이 약 0.4 중량 퍼센트 아래로 감소될 수 있다. 특히, 스크롤 인벌류트 및 베이스플레이트에서의 탄소 레벨은 공칭 약 0.8 중량 퍼센트로 유지될 수 있다. 이러한 조건은 바람직하게는 과잉의 탄소가 존재하는 것을 최소화하면서, 펄라이트의 적절한 레벨을 유지하여 (높은 수준의 마모 환경에 놓이는)인벌류트 베인 및 베이스플레이트의 조기 마모(premature wear)를 방지한다.
또한, 본 발명은 소결 및 납땜 처리가 진행되는 동안 탄소 이동성을 억제, 구속 및/또는 감소시키기 위해서 재료를 선택하고 처리하는 방법을 제공한다. 한 가지 변형예에 있어서는, 베인 및/또는 베이스플레이트를 포함하는 인벌류트 스크롤이 탄소 강 재료(분말 야금 산업 협회 "MPIF" FC 0208): 즉, 공칭으로 2 중량 퍼센트의 구리 및 0.8 중량 퍼센트의 탄소를 가지고 있는 철, 구리 및 탄소 합금으로 형성될 수 있다. 한 가지 예로서, 저탄소 분말 금속(MPIF FC 0205)이 분말 금속 허브로 사용하기에 적합하다. 결합될 구성요소들 중의 적어도 하나(예를 들면, 인벌류트 형상 및/또는 허브)는, 제1 소결 공정 단계에서 펄라이트 상과 같은 하나 이상의 결정 구조를 형성하기 위해 부분적으로 소결된다. 선택적으로, 상기 구성요소는 탄소 함유량이 약 0.4 중량 퍼센트 내지 약 0.6 중량 퍼센트이고; 구리 함유량이 약 1.5 중량 퍼센트 내지 약 3.9 중량 퍼센트이고; 전체 다른 원소는 최대 약 2.0 중량 퍼센트이고, 나머지는 철인 철 합금을 이용하여 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 특정 실시형태에 있어서, 허브 및 스크롤 인벌류트/베이스플레이트 분말 금속 재료는 MPIF FC 0205(공칭 2 중량 퍼센트의 구리 및 공칭 0.5 중량 퍼센트의 탄소)와 MPIF FC 0208(공칭 2 중량 퍼센트의 구리 및 공칭 0.8 중량 퍼센트의 탄소) 각각에 대한 사양(specification)을 따를 수 있다.
납땜 재료는, 약 38 중량 퍼센트 내지 약 42 중량 퍼센트의 구리(Cu), 약 14 중량 퍼센트 내지 약 17 중량 퍼센트의 망간(Mn), 그리고 약 40 중량 퍼센트 내지 약 44 중량 퍼센트의 니켈(Ni), 그리고 약 1.6 중량 퍼센트 내지 약 2 중량 퍼센트의 규소(Si), 그리고 약 1.3 중량 퍼센트 내지 약 1.7 중량 퍼센트의 붕소(B)를 함유하는 제1 금속 분말과 제1 금속 분말의 약 3 중량 퍼센트 내지 약 7 중량 퍼센트에 해당하는 양의 철을 함유하는 제2 금속 분말을 혼합함으로써 얻어진다. 윤활유 및 용제(flux)는 각각 가압 및 습윤(wetting) 목적을 위해 납땜 재료에 선택적으로 첨가된다.
도 13B에서, 허브는 제1 가열 소결 공정을 거쳤다. 허브/베이스플레이트 조립체는 허브/베이스플레이트 조립체를 소결-납땜하기 위해 제2 가열 공정을 거친다. 허브를 소결하는 제1 가열 공정은 약 2,100℉(1,150℃)에서 부분적인 소결 온도에 도달하여 흡열성 분위기(endothermic atmosphere)(예를 들면, 가열된 촉매가 존재하는 곳에서의 메탄 또는 천연가스)에서 약 30 분의 유지 시간을 가진 다음, 펄라이트 상과 같은 안정적인 탄소 화합물을 형성하기 위해서 제어하에서 냉각된다. 수소, 질소, 또는 다른 중성 분위기(neutral atmosphere)도 적합하다. 그 후에, 납땜 재료는 허브와 베이스플레이트 사이의 결합부에 배치되고, 허브와 베이스플레이트의 조립체 및 납땜 재료는 납땜 및 소결을 위한 제2 가열 공정을 거친다. 이 예에서, 제2 가열 공정은 약 2,100℉(1,15O℃)의 고온 구역에서 소결-납땜 온도에 도달한다. 상기 조립체는 흡열 가스 분위기에서 약 30 분 동안 유지된다. 도 13A에서는 비교하기 위해서, 허브와 베이스플레이트의 어느 것도 소결을 위해 제1 가열 공정을 거치지 않는다(다시 말해서, 양 구성요소는 미가공 상태이고 소결-납땜 단계 전에 미리 소결되지도 않는다).
표 1은, 베인 및 베이스플레이트를 포함하는 최종의 소결된 분말 금속 스크롤 구성요소 부품 조성을 나타낸다. 표 1은 폴리머 함침처리(polymer impregnation) 전의 조성을 반영하고 있으며 임의의 납땜 재료 및 결합부 근처의 납땜영향을 받은 구역을 배제하고 있다. MPIF 표준 FC 0208(0.8 중량 퍼센트의 탄소)가 구체적으로 명시될 수 있지만, 특정 실시형태에 있어서 합금 재료는 본 명세서에 제시된 모든 요건을 충족시킨다.
중량 퍼센트
탄소 총량 0.7 - 0.9; 선택적으로 0.75 - 0.85
구리 1.5 - 3.9
다른 원소 총량 최대 2.0
철 나머지
특정의 변형예에서는, 최종의 소결된 분말 금속 허브가, 폴리머 함침처리(polymer impregnation) 전이며 임의의 납땜 재료 또는 납땜영향을 받은 구역 근처의 조성을 배제하는 표 2에 제시된 조성을 가지고 있다. MPIF 표준 FC 0205(0.5 중량 퍼센트의 탄소)이 구체적으로 명시될 수 있지만, 특정 실시형태에 있어서 허브 재료는 본 명세서에 제시된 모든 요건을 충족시킬 수 있다.
중량 퍼센트
탄소 총량 0.4 - 0.6; 선택적으로 0.45 - 0.55
구리 1.5 - 3.9
다른 원소 총량 최대 2.0
철 나머지
특정 변형예에 있어서, 적절한 납땜 충전제(braze filler) 분말의 조성은 아래와 같이 표 3에 제시되어 있다.
납땜 분말에 대한 중량 퍼센트
니켈* 40 - 44
구리* 38 - 42
붕소* 1.3 - 1.7
망간* 14 - 17
규소* 1.6 - 2.0
윤활제 공칭 0.53
용제(flux) 함유량 공칭 3%(일반적으로 붕산, 붕사, 그리고 계면활성제를 함유한다)
*윤활제, 용제 및 철을 제외한 예비합금 납땜 분말의 화학적 조성
최종 합금 재료용으로 3 - 7 중량%(바람직하게는 5 중량%)의 철을 상기 물질에 첨가한다(이로 인해 원래의 예비합금 납땜 분말의 중량 퍼센트가 변한다)
도 13B는 본 발명의 개시내용에 따른 소결-납땜 결합계면을 나타내고 있다. 도 13A의 현미경사진과 비교하면, 본 발명의 원리에 따른 분말 금속으로 형성된 부분적으로 또는 완전히 소결된 금속 구성요소의 사용에 의해 탄화물의 형성이 현저하게 제한되어 있다(따라서, 납땜 온도에서 탄소 이동성을 감소시키기 위해 탄소 이동을 최소화하는 철 합금 속의 적어도 하나의 요소와 탄소가 결합 및/또는 반응한 형태로 있다). 이에 비하여, 도 13A는 소결-납땜 결합부를 나타내고 있는데. 상기 소결-납땜 결합부에서는 미가공 금속 허브 및 미가공 베이스플레이트가 분말 금속으로 형성되어 있지만, 어떠한 방식으로도 사전에 소결되지 않았다.
따라서, 도 13A 및 도 13B는 분말 야금을 통한 종래의 처리(도 13A) 대 본 발명에 따른 사전 소결 처리(도 13B)에 의한 허브의 비교 결과를 제공한다. 도 13A로부터 관찰할 수 있는 바와 같이, 종래의 분말 야금 처리는 도처에 형성된 바람직하지 않은 광범위한 탄화물 망구조(network)를 가지고 있다. 이에 대하여, 본 발명에 따라 처리된 철-함유 금속 분말 및 합금 원소를 가지는 분말 금속 재료(탄소 및 구리를 포함하고 있음)는 작은 양의 공융 탄화물이 형성되는 것을 나타내고 있는데, 이는 부분적인 소결 단계 동안 탄소와의 결합 및/또는 반응에 의해 탄소 이동성을 최소화하는 하나 이상의 요소가 존재하고, 이로 인해 부분적인 소결 단계 동안 유리-탄소 흑연이 하나 이상의 상 결정 구조(예를 들면, 철 및 탄소에 의해 형성된 페라이트 및 시멘타이트로 된 펄라이트 상)로 혼입되는 것으로 인한 것이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 소결-납땜 처리는, 스크롤 압축기에 대한 사용 조건을 견뎌낼 수 있을 만큼 충분히 강한 일체형 결합에 의해 수개의 철을 함유한 구성요소를 하위조립체로 결합될 수 있게 하면서, 탄소와 같은 합금 성분의 이동을 감소시킴으로써 향상된 절삭성을 가지는 구성요소를 제공한다.
또한, 본 발명의 방법 및 기술원리는 소결-납땜을 통하여 조립체 또는 다른 복잡한 부품 및 형상을 형성하기 위해 구성요소들을 결합하는데 광범위하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 구성요소들 중의 적어도 하나가 철을 함유한 분말 금속 재료인 경우에, 이 분말 금속 구성요소는 소결 및 납땜 처리가 진행되는 동안 탄소 이동성을 억제, 구속 및/또는 감소시키기 위해서 제1 가열 단계를 통하여 처리된다. 바람직하게는, 상기와 같은 초기의 가열 처리 후에, 분말 금속 구성요소의 철 합금은 철 합금 내에 존재하는 전체 탄소의 적어도 95 중량 퍼센트를 탄소 이동을 최소화하는 철 합금 내의 적어도 하나의 요소와 결합 및/또는 반응한 형태로 가지고 있다. 결합될 구성요소들 중의 하나가 분말 야금에 의해 형성되지 않는 경우(예를 들면, 주조, 금속세공, 단조로 형성되는 경우), (상기한 바와 같이)비교적 적은 탄소 함유량을 가지는 철을 함유한 구성요소를 선택하는 것이 바람직하다. 초기의 가열 처리 후에, 납땜 재료가 결합될 부품들의 적어도 일부분 사이에 형성된 결합계면 구역에 배치될 수 있다. 그리고 나서, 제1 스크롤 구성요소과 제2 스크롤 구성요소를 서로 결합하기 위해 제1 스크롤 구성요소과 제2 스크롤 구성요소 사이에 납땜 재료를 가지는 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소를 소결-납땜하기 위해 조립체를 제2 가열 공정에서 가열하여 원하는 조립체를 형성한다.
사실상 상기 설명은 단지 예시적인 것이고, 따라서, 여러가지 변형예들이 본 발명의 영역 내에 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기술된 방법들은 동시에 여러가지 소결-납땜 결합 기술을 이용하여 다른 철계 분말 금속 구성요소들을 결합하는데 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 개념은 소결-납땜을 하는 동안 다른 합금 원소들의 바람직하지 않은 이동을 제한하는데 널리 사용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 스크롤 부재를 형성하는 방법으로서,
    제1 스크롤 구성요소의 일부분과 제2 스크롤 구성요소의 일부분 사이에 형성된 결합계면 구역에 납땜 재료를 배치시키는 단계; 그리고
    상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분을 상기 제2 스크롤 구성요소의 일부분에 결합하는 납땜 결합부를 가지고 있는 스크롤 부재를 형성하기 위해 상기 제1 스크롤 구성요소와 제2 스크롤 구성요소 사이에 상기 납땜 재료를 가지고 있는 상기 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소를 소결-납땜하기 위해 가열하는 단계; 를 포함하고 있고,
    상기 제1 스크롤 구성요소와 상기 제2 스크롤 구성요소 중의 적어도 하나는 분말 금속 재료로 형성되고, 상기 제1 스크롤 구성요소와 상기 제2 스크롤 구성요소 중의 적어도 하나는 철 합금을 포함하도록 선택되고, 상기 철 합금은 상기 철 합금에 존재하는 전체 탄소의 95 중량 퍼센트 이상을 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 적어도 하나의 요소와 결합된 형태 또는 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 적어도 하나의 요소와 반응된 형태 또는 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 적어도 하나의 요소와 결합 및 반응된 형태로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열하는 단계는 제2 가열 공정이고, 상기 배치시키는 단계 전에 상기 제1 스크롤 구성요소는 상기 분말 금속 재료를 포함하며 제1 가열 공정을 받는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 가열 공정 전에, 상기 분말 금속 재료를 제1 스크롤 구성요소의 전체 부피의 18 부피% 이하의 공극율로 압축시킴으로써 상기 제1 스크롤 구성요소가 미가공 형태(green form)로 처리되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 가열이 이루어지는 동안에 상기 철 합금 내에서 탄소 이동을 최소화하는 상기 적어도 하나의 요소는 철, 구리, 바나듐, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 가열 공정은, 상기 탄소의 95 중량 퍼센트 이상을 포함하는 상기 철 합금 내의 하나 이상의 결정 구조를 형성하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 탄소 이동을 최소화하는 상기 요소들 중의 적어도 하나는 철을 포함하고 상기 결정 구조의 하나 이상은 펄라이트 상을 포함하고, 상기 제1 가열 공정은, 상기 탄소의 99 중량 퍼센트 이상이 상기 제1 스크롤 구성요소에 있어서의 상기 펄라이트 상으로 혼입될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소는 상기 철 합금을 포함하고, 상기 철 합금은 상기 철 합금에 존재하는 전체 탄소의 95 중량 퍼센트 이상을 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 상기 요소의 적어도 하나와 결합된 형태 또는 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 상기 요소의 적어도 하나와 반응된 형태 또는 탄소 이동을 최소화하는 상기 철 합금 내의 상기 요소의 적어도 하나와 결합 및 반응된 형태로 가지고 있고, 상기 제1 스크롤 구성요소는, 단조, 압출, 금속세공, 주조, 또는 이와 동등한 것으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 야금 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 납땜 재료는 구리, 니켈, 붕소, 망간, 규소, 철 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소 및 상기 제2 스크롤 구성요소는 각각 분말 금속 재료로 형성되고, 상기 제1 스크롤 구성요소 및 상기 제2 스크롤 구성요소는 각각 상기 배치시키는 단계 및 상기 소결-납땜하기 위해 가열하는 단계 전에 제1 가열 공정을 통하여 미리 적어도 부분적으로 소결되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소는 허브이고 상기 제2 스크롤 구성요소는 인벌류트 스크롤 베인 구성요소 및 베이스플레이트를 포함하고, 상기 허브의 일부분과 상기 베이스플레이트의 일부분은 상기 결합계면 구역에서 상기 소결-납땜하기 위해 가열하는 단계 이후에 결합되어 상기 납땜 결합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  11. 스크롤 부재를 형성하는 방법으로서,
    제1 가열 공정 동안에 적어도 부분적인 소결을 위해 분말 금속 재료를 포함하는 제1 스크롤 구성요소를 가열하는 단계;
    납땜 재료를 상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분과 제2 스크롤 구성요소의 일부분 사이에 배치시키는 단계; 그리고
    상기 제1 스크롤 구성요소의 일부분을 상기 제2 스크롤 구성요소의 일부분에 결합하는 납땜 결합부를 가지고 있는 스크롤 부재를 형성하기 위해 상기 제1 스크롤 구성요소과 제2 스크롤 구성요소 사이에 상기 납땜 재료를 가지고 있는 상기 제1 스크롤 구성요소 및 제2 스크롤 구성요소를 제2 가열 공정을 통하여 소결-납땜하기 위해 가열하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 가열 공정 전에, 상기 분말 금속 재료를 제1 스크롤 구성요소의 전체 부피의 18 부피% 이하의 공극율로 압축시킴으로써 상기 제1 스크롤 구성요소가 미가공 형태(green form)로 처리되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 분말 금속 재료는 탄소 및 탄소 이동을 최소화하는 요소를 포함하고 있고, 상기 제1 가열 공정 후에, 상기 제1 스크롤 구성요소는 존재하는 전체 탄소의 95 중량 퍼센트 이상을 상기 제2 가열 공정에서 납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 적어도 하나의 요소와 결합된 형태 또는 상기 제2 가열 공정에서 납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 적어도 하나의 요소와 반응된 형태 또는 상기 제2 가열 공정에서 납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 적어도 하나의 요소와 결합 및 반응된 형태로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 가열 공정 후에, 상기 제1 스크롤 구성요소는 존재하는 전체 탄소의 99 중량 퍼센트 이상을 상기 제2 가열 공정에서 소결-납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 상기 요소와 결합된 형태 또는 상기 제2 가열 공정에서 소결-납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 상기 요소와 반응된 형태 또는 상기 제2 가열 공정에서 소결-납땜하는 동안 탄소 이동을 최소화하는 상기 요소와 결합 및 반응된 형태로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 가열 공정 동안에 상기 분말 금속 재료 내에서 탄소 이동을 최소화하는 상기 요소는 철, 구리, 바나듐, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1 가열 공정 동안, 상기 분말 금속 재료의 적어도 일부분은 펄라이트 상을 형성하고, 상기 제1 가열 공정은, 상기 탄소의 99 중량 퍼센트 이상이 상기 제1 스크롤 구성요소에 있어서의 상기 펄라이트 상으로 혼입될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소 및 상기 제2 스크롤 구성요소는 분말 금속 재료로 형성되고, 상기 제1 스크롤 구성요소와 상기 제2 스크롤 구성요소 중의 적어도 하나는 상기 소결-납땜하기 위한 제2 가열 공정 전에 상기 제1 가열 공정을 통하여 적어도 부분적으로 소결되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 납땜 재료는 구리, 니켈, 붕소, 망간, 규소, 철 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  19. 스크롤 부재를 형성하는 방법으로서,
    미가공 허브를 형성하기 위해 철, 흑연, 구리 및 윤활유를 포함하며, 전체 탄소 함유량이 0.4 중량 퍼센트 이상이고 0.6 중량 퍼센트 이하인 분말 금속 재료를 압축하는 단계;
    제1 소결 공정에서 허브 구조를 형성하기 위해 미가공 허브를 적어도 부분적으로 소결하여, 흑연의 95% 이상을 하나 이상의 안정적인 결정 상(crystal phase)으로 혼입시키는 단계;
    하위조립체를 형성하기 위해 분말 금속 인벌류트의 일부분과 상기 허브 구조 사이에 형성된 결합계면 근처 구역에 납땜 재료를 배치시키는 단계; 그리고
    납땜 결합부를 포함하는 스크롤 부재를 형성하기 위해 상기 하위조립체를 소결-납땜하도록 가열 처리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 분말 금속 재료의 전체 탄소 함유량은 0.45 중량 퍼센트 이상이고 0.55 중량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제1 소결 공정 동안에, 흑연의 99 중량 퍼센트 이상이 상기 하나 이상의 안정적인 결정 상으로 혼입되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  22. 스크롤 구성요소 하위조립체로서,
    인벌류트 스크롤 베인 구성요소;
    제1 메이저 표면 및 대향하는 제2 메이저 표면을 가지고 있고, 제1 메이저 표면은 상기 인벌류트 스크롤 베인 구성요소에 결합되어 있고 상기 대향하는 제2 메이저 표면은 결합 부분을 한정하는, 베이스플레이트; 그리고
    납땜 결합부에 의해 베이스플레이트의 결합 부분에 고정되어 있는 허브; 를 포함하고 있고,
    상기 허브는 분말 야금에 의해 형성되어 있으며, 철, 탄소 및 구리를 포함하는 합금을 포함하고,
    상기 허브를 상기 베이스플레이트의 상기 결합 부분에 결합하기 전에, 상기 허브에 존재하는 상기 탄소의 95 중량 퍼센트 이상이 철 또는 구리 또는 철 및 구리 모두에 의해 형성된 하나 이상의 결정 구조로 혼입되는 것을 특징으로 하는 스크롤 구성요소 하위조립체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 인벌류트 스크롤 베인 구성요소, 상기 베이스플레이트 또는 상기 허브의 적어도 하나 이상은 펄라이트 상에 철을 포함하고 있고, 상기 베이스플레이트의 상기 결합 부분은, 상기 납땜 결합부를 형성하기 위해 상기 대향하는 제2 메이저 표면과 상기 허브 사이에 납땜 재료의 분포를 촉진시키도록 상기 대향하는 제2 메이저 표면과 상기 허브 사이에 틈새를 형성하기 위해서 적어도 하나의 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 구성요소 하위조립체.
  24. 제11항에 있어서, 상기 제2 스크롤 구성요소는, 단조, 압출, 금속세공, 주조 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 야금 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  25. 제11항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소는 허브를 형성하고 있고, 상기 제2 스크롤 구성요소는 제1 베이스플레이트 부분 및 인벌류트를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소는 선회 스크롤이고 제2 베이스플레이트 부분 및 지지 베이스를 포함하고 있으며, 상기 제2 베이스플레이트 부분은 상기 허브에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 제1 스크롤 구성요소는 0.4 중량 퍼센트 이상이고 0.6 중량 퍼센트 이하의 탄소를 포함하는 제1 철을 함유한 재료를 포함하고, 상기 제2 스크롤 구성요소는 0.7 중량 퍼센트 이상이고 0.9 중량 퍼센트 이하의 탄소를 포함하는 제2 철을 함유한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 부재를 형성하는 방법.
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