WO2013154103A1 - 圧縮機能部材及びその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a compression function member and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 discloses a scroll type fluid machine in which a movable scroll is formed of a magnesium (Mg) alloy.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a method for producing a magnesium alloy forged member to which a rare earth metal such as gadolinium (Gd) or yttrium (Y) is added.
  • a rare earth metal such as gadolinium (Gd) or yttrium (Y) is added.
  • Scrolls made of magnesium alloy can reduce the weight by up to about 30% compared to those made of aluminum (Al) alloy.
  • Al aluminum
  • the magnesium alloy material for forging has lower mechanical strength than the aluminum alloy material for forging. It is difficult to satisfy the mechanical strength.
  • magnesium alloy material for forging materials mainly composed of magnesium, aluminum, and zinc (Zn) such as AZ31 material, AZ80 material, and AZ91 material are well known. Even with a high AZ80 material, the tensile stress of 0.2% proof stress is about 250 MPa, and this cannot sufficiently satisfy the mechanical strength of the scroll.
  • Patent Documents 2 and 3 it may be possible to improve the mechanical strength of the forging magnesium alloy material by adding a rare earth metal.
  • rare earth metals can only increase the tensile stress of 0.2% proof stress to only about 300 MPa even though they are expensive, they are not practical for application to general-purpose products.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a compression functional member that is lightweight, inexpensive, and has high mechanical strength, and a method for manufacturing the same.
  • the method for producing a compression functional member according to the present invention comprises, in mass%, aluminum in the range of 0.2 to 15%, calcium in the range of 0.3 to 10%, based on the total amount.
  • the magnesium alloy material for extrusion has a resin-like dendrite arm interval in the range of 0.5 to 15 ⁇ m and a crystal grain size in the range of 200 ⁇ m or less.
  • the magnesium material for forging has a crystal grain size of 10 ⁇ m or less.
  • the forging in the forging step is performed at a temperature in the range of 250 to 500 ° C. for the forging magnesium material and the forging magnesium material mold.
  • the compression functional member of the present invention is based on the total amount of aluminum in the range of 0.2 to 15%, calcium in the range of 0.3 to 10%, and 0.05 to 1.5% by mass.
  • Forming a magnesium alloy material for casting containing manganese in the range of inevitable impurities, casting the magnesium alloy material for casting to form a magnesium alloy material for extrusion, and converting the magnesium alloy material for extrusion to 250 to 500 Extrusion is performed at a temperature in the range of 0 ° C. and an extrusion ratio in the range of 3 to 30 to form a magnesium material for forging, and the magnesium material for forging is formed by forging.
  • the magnesium alloy material for extrusion has a resin-like dendrite arm interval in the range of 0.5 to 15 ⁇ m and a crystal grain size in the range of 200 ⁇ m or less.
  • the magnesium material for forging has a crystal grain size of 10 ⁇ m or less.
  • the magnesium material for forging and a mold of the magnesium material for forging are forged at a temperature in the range of 250 to 500 ° C.
  • the compression function member and the manufacturing method thereof of the present invention even if it is made of a magnesium alloy without adding an expensive rare earth metal, the tensile stress of 0.2% proof stress is increased to 350 MPa or higher, which is higher than that of an aluminum alloy scroll. It is possible to manufacture a compression functional member that is lightweight, inexpensive, and has high mechanical strength.
  • FIG. 2 is a stress strain diagram comparing the scroll of FIG. 1 with a conventional aluminum alloy scroll.
  • FIG. 1 shows a scroll compressor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the compressor 1 is incorporated in, for example, a refrigeration circuit that constitutes an air conditioner for a vehicle, and is used to compress a refrigerant that circulates in the refrigeration circuit.
  • the compressor 1 includes a rear housing 2 and a front housing 4, and a scroll unit 6 is sandwiched between the rear housing 2 and the front housing 4.
  • the scroll unit 6 includes a fixed scroll (compression function member) 8 fixed to the rear housing 2 and a movable scroll (compression function member) 10 assembled so as to mesh with the fixed scroll 8.
  • the compressor 1 continuously executes a series of processes from suction of refrigerant to compression through discharge in the scroll unit 6.
  • an integrally molded fixed spiral body 14 is erected on the end plate 12 of the fixed scroll 8
  • an integrally molded movable spiral body 18 is erected on the end plate 16 of the movable scroll 10.
  • the inner and outer surfaces of the fixed and movable spiral bodies 14 and 18 are formed from a predetermined involute curved surface except for the central end portion thereof, and a refrigerant discharge hole 20 is formed in the vicinity of the central end portion of the fixed spiral body 14.
  • Tip seals 22 are respectively provided at the end portions of the fixed and movable spiral bodies 14 and 18 in the standing direction, and the end plates of the fixed spiral body 14 and the movable scroll 10 are associated with the revolving turning motion of the movable scroll 10 relative to the fixed scroll 8. 16 and the movable spiral body 18 and the end plate 12 of the fixed scroll 8 are in sliding contact with each other via the chip seal 22.
  • the refrigerant introduced from a suction port (not shown) formed in the front housing 4 is sucked into the scroll unit 6, and the fixed and movable spiral bodies 14 and 18 are mutually connected.
  • a compression chamber 24 of refrigerant gas containing lubricating oil is defined between the fixed and movable spiral bodies 14 and 18, and the series of the above-described series The process runs continuously.
  • both or one of the fixed scroll 6 and the movable scroll 10 according to the present embodiment is collectively referred to as a scroll (compression function member) 30, and a manufacturing process of the scroll 30 will be described with reference to a flowchart of FIG. ⁇ Alloy forming step: S1>
  • an ingot of the magnesium alloy material 32 for casting is first formed as the material of the scroll 30 in the alloy forming process of step S1.
  • the magnesium alloy raw material 32 for casting is based on the total mass, aluminum Al in the range of 0.2 to 15%, calcium Ca in the range of 0.3 to 10%, and 0.05 to 1.5%. In the range of manganese Mn and inevitable impurities.
  • the magnesium alloy material 32 for casting is cast to form the magnesium alloy material 34 for extrusion.
  • the magnesium alloy material 34 for extrusion has a resin-like crystal dendrite arm interval in the range of 0.5 to 15 ⁇ m and a crystal grain size in the range of 200 ⁇ m or less. In this way, by using the magnesium alloy material 34 for extrusion with the dendrite arm spacing of the resinous crystals in the range of 0.5 to 15 ⁇ m as the magnesium alloy material 36 for forging described later, the cracking and processing of the material during forging are suppressed. Forging processability such as lowering of temperature can be greatly improved.
  • the magnesium alloy material for extrusion 34 is extruded at a temperature in the range of 250 to 500 ° C. and the extrusion ratio is in the range of 3 to 30, so that the bar-shaped forging magnesium material 36 is formed.
  • the magnesium alloy material 36 for forging has a crystal grain size in the range of 10 ⁇ m or less.
  • the extrusion ratio is a ratio (A / B) obtained by dividing the cross-sectional area A of the material after extrusion by the cross-sectional area B of the material before extrusion.
  • crystal grain size analysis method using SEM (Scanning Electron Microscope) or backscattered electron diffraction image is used for the crystal grain size at arbitrary three locations of the sample of the magnesium alloy material 36 for forging.
  • EBSP Electron Backscattered Diffraction pattern
  • step S4 the forging magnesium alloy material 36 is forged to form the end plate and the spiral body of the scroll 30, and the manufacture of the scroll 30 is completed.
  • Forging in the forging step is performed at a temperature in the range of 250 to 500 ° C. for the magnesium alloy material 36 for forging and a mold (not shown) of the magnesium alloy material 36 for forging. It has been found that the optimum temperature range at this time is 250 to 350 ° C.
  • FIG. 3 shows tensile test pieces having the same dimensions taken from the same positions of the magnesium alloy scroll 30 manufactured in the above-described process and the conventional aluminum alloy scroll, and tensile tests performed on the respective tensile test pieces.
  • the diagram of the scroll 30 of this embodiment is shown by X
  • the diagram of the scroll made from aluminum alloy is shown by Y.
  • the scroll 30 has a 0.2% yield strength tensile stress of 350 MPa or higher, which is higher than that of the aluminum alloy scroll, and is equivalent to the aluminum alloy scroll even after the scroll 30 enters the plastic region. It turns out that it has the tensile strength more than it.
  • the tensile stress of 0.2% proof stress of the scroll 30 is higher than that of the scroll made of an aluminum alloy without adding an expensive rare earth metal such as gadolinium Gd or yttrium Y.
  • the tensile strength can be increased to 350 MPa or higher, and the tensile strength equal to or higher than that of the aluminum alloy scroll can be obtained even after the strain of the scroll 30 enters the plastic region. Accordingly, it is possible to manufacture a scroll 30 that is lightweight, inexpensive, and has high mechanical strength.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the distortion of the scroll 39 is removed by the heat treatment, and the mechanical strength of the scroll 30 can be further increased.
  • the method for manufacturing the scroll 30 according to the above embodiment can be applied to both or either the fixed scroll 8 and the movable scroll 10.
  • the present invention is preferably applied to the manufacture of a scroll for a compressor incorporated in a refrigeration circuit using an ultra-high pressure CO 2 refrigerant operating in the critical region.
  • the invention can be applied to a scroll type fluid machine such as a scroll expander, and can be applied not only to a scroll type fluid machine but also to other compression function members such as a piston assembly.

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Description

圧縮機能部材及びその製造方法
　本発明は、圧縮機能部材及びその製造方法に関する。
　この種の圧縮機能部材としては、例えばスクロール圧縮機に使用されるスクロールがあり、このスクロールは、端板の基面に可動渦巻体が立設された可動スクロール、及び端板の基面に固定渦巻体が立設された固定スクロールであり、これら可動及び固定渦巻体が噛合うことによりスクロール圧縮機のスクロールユニットを構成している。
　そして、特許文献１には、可動スクロールをマグネシウム（Ｍｇ）合金で形成したスクロール型流体機械が開示されている。
　また、特許文献２及び３には、ガドリニウム（Ｇｄ）やイットリウム（Ｙ）などの希土類金属を添加したマグネシウム合金鍛造部材の製造方法が開示されている。
特開２０１１－２７０６２号公報 特開２０１１－４２８６４号公報 特開２０１０－１４９１３６号公報
　マグネシウム合金製のスクロールは、アルミニウム（Ａｌ）合金製のものに比して最大３０％程度の軽量化を図ることができる。しかし、マグネシウム合金製スクロールをアルミニウム合金製スクロールと同様の鍛造工法により製造しようとすると、鍛造用マグネシウム合金素材は鍛造用アルミニウム合金素材に比して機械的強度が低いため、スクロールの特に渦巻体の機械的強度を満たすのは困難である。
　具体的には、鍛造用マグネシウム合金素材として、ＡＺ３１材、ＡＺ８０材、ＡＺ９１材などのマグネシウム、アルミニウム、亜鉛（Ｚｎ）を主組成とする素材が周知であるが、これらの中でも比較的機械的強度が高いＡＺ８０材であっても、０．２％耐力の引張応力は２５０ＭＰａ程度であり、これではスクロールの機械的強度を十分に満たすことはできない。
　そこで、特許文献２及び３に記載のように、希土類金属を添加することで鍛造用マグネシウム合金素材の機械的強度の向上を図ることも考えられる。しかし、希土類金属は素材が高価な割に０．２％耐力の引張応力も３００ＭＰａ程度までしか高めることができないため、汎用品に適用するには実用性に乏しい。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、軽量且つ廉価で機械的強度が高い圧縮機能部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するべく、本発明の圧縮機能部材の製造方法は、全量に対し、質量％で、０．２～１５％の範囲のアルミニウムと、０．３～１０％の範囲のカルシウムと、０．０５～１．５％の範囲のマンガンと、不可避的不純物とを含む鋳造用マグネシウム合金素材を形成する合金形成工程と、前記鋳造用マグネシウム合金素材を鋳造して押出用マグネシウム合金素材を形成する鋳造工程と、前記押出用マグネシウム合金素材を２５０～５００℃の範囲の温度で、且つ押出比が３～３０の範囲の押し出し加工を施して、鍛造用マグネシウム素材を形成する押出工程と、前記鍛造用マグネシウム素材を鍛造して圧縮機能部材を成形する鍛造工程とを備える。
　好ましくは、前記押出用マグネシウム合金素材は、樹脂状晶のデンドライトアーム間隔が０．５～１５μｍの範囲であり、結晶粒径が２００μｍ以下の範囲である。
　好ましくは、前記鍛造用マグネシウム素材は、結晶粒径が１０μｍ以下の範囲である。
　好ましくは、前記鍛造工程における鍛造は、前記鍛造用マグネシウム素材及び前記鍛造用マグネシウム素材の金型が２５０～５００℃の範囲の温度で行われる。
　また、本発明の圧縮機能部材は、全量に対し、質量％で、０．２～１５％の範囲のアルミニウムと、０．３～１０％の範囲のカルシウムと、０．０５～１．５％の範囲のマンガンと、不可避的不純物とを含む鋳造用マグネシウム合金素材を形成し、前記鋳造用マグネシウム合金素材を鋳造して押出用マグネシウム合金素材を形成し、前記押出用マグネシウム合金素材を２５０～５００℃の範囲の温度で、且つ押出比が３～３０の範囲で押し出し、鍛造用マグネシウム素材を形成し、前記鍛造用マグネシウム素材を鍛造して成形される。
　好ましくは、前記押出用マグネシウム合金素材は、樹脂状晶のデンドライトアーム間隔が０．５～１５μｍの範囲であり、結晶粒径が２００μｍ以下の範囲である。
　好ましくは、前記鍛造用マグネシウム素材は、結晶粒径が１０μｍ以下の範囲である。
　好ましくは、前記鍛造用マグネシウム素材は、前記鍛造用マグネシウム素材及び前記鍛造用マグネシウム素材の金型が２５０～５００℃の範囲の温度で鍛造されている。
　本発明の圧縮機能部材及びその製造方法によれば、高価な希土類金属を添加しないマグネシウム合金製であっても、０．２％耐力の引張応力をアルミニウム合金製スクロールよりも高い３５０ＭＰａ以上まで高めることができ、軽量且つ廉価で機械的強度が高い圧縮機能部材を製造することができる。
本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 図１のスクロールの製造工程を示したフローチャートである。 図１のスクロールを従来のアルミニウム合金製スクロールと比較した応力ひずみ線図である。
　図１は本発明の一実施形態に係るスクロール圧縮機１を示す。この圧縮機１は例えば車両の空調装置を構成する冷凍回路に組み込まれ、冷凍回路を循環する冷媒の圧縮に使用される。
　圧縮機１はリアハウジング２及びフロントハウジング４を備え、リアハウジング２とフロントハウジング４との間にはスクロールユニット６が挟持されている。スクロールユニット６はリアハウジング２に固定された固定スクロール（圧縮機能部材）８と、固定スクロール８に対して噛み合うように組付けられた可動スクロール（圧縮機能部材）１０とからなる。
　固定スクロール８に対する可動スクロール１０の公転旋回運動により、圧縮機１はスクロールユニット６において冷媒の吸入から圧縮を経て吐出までの一連のプロセスを連続して実行する。
　詳しくは、固定スクロール８の端板１２には一体成形された固定渦巻体１４が立設され、可動スクロール１０の端板１６には一体成形された可動渦巻体１８が立設されている。固定及び可動渦巻体１４，１８の内外面はその中央端部を除き所定のインボリュート曲面から形成され、固定渦巻体１４の中央端部近傍には冷媒の吐出孔２０が穿孔されている。
　固定及び可動渦巻体１４，１８の立設方向の端部にはそれぞれチップシール２２が設けられ、固定スクロール８に対する可動スクロール１０の公転旋回運動に伴い、固定渦巻体１４と可動スクロール１０の端板１６、及び、可動渦巻体１８と固定スクロール８の端板１２とは、それぞれ上記チップシール２２を介して互いに摺接される。固定及び可動スクロール８，１０間での上記摺接により、フロントハウジング４に形成された図示しない吸入ポートから導入された冷媒がスクロールユニット６内に吸入され、固定及び可動渦巻体１４，１８が互いに噛み合った状態で固定及び可動スクロール８，１０が協働することにより、固定及び可動渦巻体１４，１８間には潤滑油を含む冷媒ガスの圧縮室２４が区画して形成され、上述した一連のプロセスが連続して実行される。
　以下、本実施形態の固定スクロール６及び可動スクロール１０の双方又は何れか一方をスクロール（圧縮機能部材）３０と総称し、図２のフローチャートを参照して、このスクロール３０の製造工程について説明する。
＜合金形成工程：Ｓ１＞
　スクロール３０の製造が開始されると、ステップＳ１の合金形成工程においてスクロール３０の材料として、先ず鋳造用マグネシウム合金素材３２のインゴットを形成する。鋳造用マグネシウム合金素材３２は、全量に対し、質量％で、０．２～１５％の範囲のアルミニウムＡｌと、０．３～１０％の範囲のカルシウムＣａと、０．０５～１．５％の範囲のマンガンＭｎと、不可避的不純物とを含む。
＜鋳造工程：Ｓ２＞
　次に、ステップＳ２の鋳造工程では、鋳造用マグネシウム合金素材３２を鋳造して押出用マグネシウム合金素材３４を形成する。押出用マグネシウム合金素材３４は、樹脂状晶のデンドライトアーム間隔が０．５～１５μｍの範囲であり、結晶粒径が２００μｍ以下の範囲である。このように樹脂状晶のデンドライトアーム間隔を０．５～１５μｍの範囲にした押出用マグネシウム合金素材３４を後述する鍛造用マグネシウム合金素材３６として使用することにより、鍛造時における素材割れの抑制や加工温度の低温化等といった鍛造加工性を大幅に向上可能である。
＜押出工程：Ｓ３＞
　次に、ステップＳ３の押出工程では、押出用マグネシウム合金素材３４を２５０～５００℃の範囲の温度で、且つ押出比が３～３０の範囲の押し出し加工を施し、棒状の鍛造用マグネシウム素材３６を形成する。鍛造用マグネシウム合金素材３６は、結晶粒径が１０μｍ以下の範囲である。なお、押出比とは押出加工後の素材の断面積Ａを押出加工前の素材の断面積Ｂで除した比率（Ａ／Ｂ）である。また、鍛造用マグネシウム合金素材３６の試料の任意の３箇所における結晶粒径をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）又は後方散乱電子回析像を用いた結晶方位解析法（ＳＥＭ／ＥＢＳＰ法）（ＥＢＳＰ：Electron Backscattered Diffraction pattern：電子線後方散乱回析法）により１０回程度測定した平均は、２．７７μｍ、２．５５μｍ、２．０８μｍであった。
＜鍛造工程：Ｓ４＞
　次に、ステップＳ４の鍛造工程では、鍛造用マグネシウム合金素材３６を鍛造してスクロール３０の端板及び渦巻体を成形し、スクロール３０の製造が終了する。当該鍛造工程における鍛造は、鍛造用マグネシウム合金素材３６及び鍛造用マグネシウム合金素材３６の図示しない金型が２５０～５００℃の範囲の温度で行われる。なお、このときの最適温度範囲は２５０～３５０℃であることが判明している。
　図３は上述した工程で製造したマグネシウム合金製のスクロール３０と、従来のアルミニウム合金製スクロールとの同位置から同寸法の引張試験片をそれぞれ採取し、各引張試験片に対してそれぞれ行った引張試験の結果を示した応力ひずみ線図であり、本実施形態のスクロール３０の線図はＸで示し、アルミニウム合金製スクロールの線図はＹで示す。この図から明らかなように、スクロール３０は、０．２％耐力の引張応力がアルミニウム合金製スクロールよりも高い３５０ＭＰａ以上となり、スクロール３０のひずみが塑性域に入った以降もアルミニウム合金製スクロールと同等かそれ以上の引張強度を有していることがわかる。
　以上のように本実施形態のスクロール３０の製造方法では、ガドリニウムＧｄやイットリウムＹなどの高価な希土類金属を添加しなくとも、スクロール３０の０．２％耐力の引張応力をアルミニウム合金製スクロールよりも高い３５０ＭＰａ以上まで高めることができ、スクロール３０のひずみが塑性域に入った以降もアルミニウム合金製スクロールと同等かそれ以上の引張強度を得ることができる。従って、軽量且つ廉価で機械的強度が高いスクロール３０を製造することができる。
　本発明は、上述の実施形態に制約されるものではなく種々の変形が可能である。
　例えば、上記実施形態では、ステップＳ４の鍛造工程で成形されたスクロール３０に容体化処理及び人工時効処理を施しても良い。この場合には、熱処理によりスクロール３９のひずみが除去されてスクロール３０の機械的強度を更に高めることができる。
　また、上記実施形態のスクロール３０の製造方法は固定スクロール８及び可動スクロール１０の双方又は何れか一方に適用可能である。
　最後に、本発明は、臨界領域で作動する超高圧のＣＯ２冷媒を用いた冷凍回路に組み込まれた圧縮機のスクロール製造に適用するのが好ましく、また、スクロール圧縮機１のスクロール３０のみならず、スクロール膨張機などのスクロール型流体機械全般に適用でき、更にはスクロール型流体機械に限らずピストンアセンブリなどの他の圧縮機能部材にも適用できるのは勿論である。
　　８　　固定スクロール（圧縮機能部材）
　１０　　可動スクロール（圧縮機能部材）
　３０　　スクロール（圧縮機能部材）
　３２　　鋳造用マグネシウム合金素材
　３４　　押出用マグネシウム合金素材
　３６　　鍛造用マグネシウム素材
 

Claims (8)

  1. 　全量に対し、質量％で、０．２～１５％の範囲のアルミニウムと、０．３～１０％の範囲のカルシウムと、０．０５～１．５％の範囲のマンガンと、不可避的不純物とを含む鋳造用マグネシウム合金素材を形成する合金形成工程と、
    　前記鋳造用マグネシウム合金素材を鋳造して押出用マグネシウム合金素材を形成する鋳造工程と、
    　前記押出用マグネシウム合金素材を２５０～５００℃の範囲の温度で、且つ押出比が３～３０の範囲の押し出し加工を施して、鍛造用マグネシウム素材を形成する押出工程と、
    　前記鍛造用マグネシウム素材を鍛造して圧縮機能部材を成形する鍛造工程と
    を備えることを特徴とする圧縮機能部材の製造方法。
  2. 　前記押出用マグネシウム合金素材は、樹脂状晶のデンドライトアーム間隔が０．５～１５μｍの範囲であり、結晶粒径が２００μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機能部材の製造方法。
  3. 　前記鍛造用マグネシウム合金素材は、結晶粒径が１０μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機能部材の製造方法。
  4. 　前記鍛造工程における鍛造は、前記鍛造用マグネシウム素材及び前記鍛造用マグネシウム素材の金型が２５０～５００℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機能部材の製造方法。
  5. 　全量に対し、質量％で、０．２～１５％の範囲のアルミニウムと、０．３～１０％の範囲のカルシウムと、０．０５～１．５％の範囲のマンガンと、不可避的不純物とを含む鋳造用マグネシウム合金素材を形成し、前記鋳造用マグネシウム合金素材を鋳造して押出用マグネシウム合金素材を形成し、前記押出用マグネシウム合金素材を２５０～５００℃の範囲の温度で、且つ押出比が３～３０の範囲で押し出し、鍛造用マグネシウム素材を形成し、前記鍛造用マグネシウム素材を鍛造して成形されることを特徴とする圧縮機能部材。
  6. 　前記押出用マグネシウム合金素材は、樹脂状晶のデンドライトアーム間隔が０．５～１５μｍの範囲であり、結晶粒径が２００μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の圧縮機能部材。
  7. 　前記鍛造用マグネシウム素材は、結晶粒径が１０μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の圧縮機能部材。
  8. 　前記鍛造用マグネシウム素材は、前記鍛造用マグネシウム素材及び前記鍛造用マグネシウム素材の金型が２５０～５００℃の範囲の温度で鍛造されていることを特徴とする請求項７に記載の圧縮機能部材。
     
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