專利名稱：旋轉(zhuǎn)壓縮機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由缸體、偏心旋轉(zhuǎn)輥和葉輪組成的旋轉(zhuǎn)壓縮機，用于空調(diào)機電冰箱等等的冷卻循環(huán)中，特別是涉及適用于和代替含氯氟烴(下文稱作CFC)的含氫氟烴(下文稱作HFC)作為致冷劑結(jié)合使用的旋轉(zhuǎn)壓縮機。
如

圖1所示，旋轉(zhuǎn)壓縮機由缸體3、和缸體3內(nèi)表面接觸偏心旋轉(zhuǎn)的輥以及在缸體3的凹槽中滑動并且具有通過偏壓裝置，例如彈簧4等的作用而壓在輥2上的頂端的葉輪組成。該偏壓裝置通常是氣體或油壓或彈性部件，例如彈簧(在圖1中為彈簧4)。利用這種結(jié)構(gòu)，葉輪1的頂端表面總是壓在在缸體3中偏心旋轉(zhuǎn)的輥2的外表面上。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓縮機的壓力增加時，輥子的旋轉(zhuǎn)速度會增加，結(jié)果使葉輪和輥子之間的磨損更加高。由于輥子的外表面總是和葉輪和缸體滑動接觸，因此就要求該輥子具有這樣一個特點，即輥子本身不磨損并且該輥子也不會使和該輥子滑動接觸的葉輪和缸體發(fā)生磨損。
目前在壓縮機中使用的致冷劑為氯氟烴(CFC)，它可以簡單地稱為氟里昂(flons)，人們已經(jīng)熟知擴散到同溫層中的CFC被紫外線分解，從而產(chǎn)生將破壞地球上臭氧層的氯而引起國際環(huán)境問題。因此到2000年人們計劃將完全禁止CFC，促使致冷劑替代物的開發(fā)。
最有希望的致冷劑替代物是不含氯的含氫氟烴(稱為HFC的氟里昂)，這種HFC的例子包括1，1，1，2-四氟乙烷(CH2FCF3)，即人們所知道的R-134a等等。僅管這種氟里昂不會破壞環(huán)境，但它們在下列方面比常用的CFC氟里昂更不利(1)HFC致冷劑具有較差的潤滑性；(2)HFC致冷劑需要較高的壓縮比，因此增加了輥子和葉輪的負(fù)荷；(3)HFC致冷劑具有較高的吸濕性；(4)HFC致冷劑使?jié)櫥瑒┳兇危?5)HFC致冷劑使?jié)櫥瑒┚哂休^高的吸濕性。
由于HFC致冷劑具有上述特點，在滑動部件，例如缸體、輥子和葉輪中就會產(chǎn)生下列問題(1)每一個滑動部件都受到較大的磨損(特別是輥子和葉輪)；(2)輥子和葉輪有可能會強烈地粘結(jié)在一起。
據(jù)估計上述問題是由于下列原因而產(chǎn)生的在常用CFC氟里昂中含有的氯在滑動部件上形成穩(wěn)定的保護層(氯化物)，從而使活動部件具有更好的耐磨性和抗膠住性。另一方面，作為氟里昂替代物的沒有環(huán)境問題的HFC氟里昂不含有氯，因而不能象CFC氟里昂產(chǎn)生增加耐磨性和抗膠住性那樣的作用。因此在將HFC致冷劑投入實際使用時仍有新問題。
為了解決上述新問題，使用具有高硬度并且含有較多硬碳化物的葉輪材料是有效的。這種葉輪材料可以從日本專利延遲公開5-9660、5-171376和5-279809中得知。利用這些材料，葉輪可以具有改進的耐磨性和抗膠住性。但是這些葉輪材料在下列方面是不利的即由于它們含有大量貴重元素，葉輪不可避免地價格昂貴，而且盡管葉輪本身磨損較小，但葉輪會使輥子磨損升高，從而使抗膠住性降低。
通常輥子是由連續(xù)鑄鐵或低共熔石墨鑄鐵、或低合金鑄鐵，如Cu-Cr鑄鐵、Cu-Mo鑄鐵、Mo-Ni-Cr鑄鐵等等制成。由于從成本考慮輥子比葉輪具有更高的限制性，上述鑄鐵是最合適的。在這種情況下，通過將鑄鐵基體硬化并增強或者使其中的石墨顆粒更細(xì)可以有效地制得良好的輥子。這種鑄鐵公開在日本專利公開60-1943中。但是這種鑄鐵在下列方面是不利的，即如果鑄鐵的硬化和增強不合適，輥子將很可能使葉輪磨損從而使抗膠住性降低。
如上所述，僅僅通過單獨改進葉輪或輥子是不能使耐磨性及抗膠住性得到改進的，重要的是使葉輪和輥子之間有一個很好的組合。
關(guān)于旋轉(zhuǎn)壓縮機中的輥子和葉輪的組合，日本專利延遲公開55-107094和日本專利公開55-31179、55-48584和1-18985中提出了幾種方案。在日本專利公開55-31179和55-48584中，由高C、高Cu、含有Mo的燒結(jié)鐵基合金制成的葉輪和由合金鑄鐵制成的輥子相組合。日本專利公開1-18985公開了由高C、高Cr、氮化合金鋼制成的葉輪和硬化到40-45HRC的輥子相組合，該輥子由具有回過火的馬氏體基體的合金制成，在該基體中分散的細(xì)片狀石墨顆粒和碳化物顆粒。日本專利延遲公開55-107094公開了鍍Cr葉輪和各具特定組成的輥子和輥子套的結(jié)合。
當(dāng)葉輪在旋轉(zhuǎn)壓縮機運轉(zhuǎn)過程中與輥子滑動接觸時，輥子在葉輪的滑動表面上膠住并部分粘結(jié)，這是由于輥子的合金在其滑動表面上和直接在該滑動表面的下方發(fā)生嚴(yán)重的塑流。據(jù)估計各個部件膠住和磨損是由于兩種材料由于磨擦而產(chǎn)生粘結(jié)造成的，這可使得剛好在輥子的粘結(jié)表面下的表面層發(fā)生被迫剝落。這種現(xiàn)象即使在接觸壓力低于膠住壓力時也會同樣產(chǎn)生。通常在現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)壓縮機中，輥子的磨損是葉輪的好幾倍。
在這種旋轉(zhuǎn)壓縮機中，即使葉輪的高度由于磨損而發(fā)生一定程度的改變，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)壓縮器運轉(zhuǎn)過程中也不會產(chǎn)生問題。但是應(yīng)該使輥子盡可能地避免磨損，這是因為輥子的磨損會增加輥子和缸體之間的泄漏。尤其是，應(yīng)該避免會引起輥子表面層發(fā)生被迫剝落的磨損。
為此，重要的是應(yīng)該將幾乎不能引起粘結(jié)的輥子和葉輪組合在一起，應(yīng)該增強該輥子從而避免剛好在粘結(jié)表面下表面層發(fā)生被迫剝落，以及葉輪應(yīng)該由盡可能小地侵襲其它滑動部件并同時保持其耐磨性的合金制成。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種由輥子和葉輪組成的旋轉(zhuǎn)壓縮機，這種輥子和葉輪由最佳組合的材料組成，這種材料使輥子和葉輪不發(fā)生粘結(jié)和磨損，因此在用HFC氟里昂作為致冷劑時它們可以高度耐久地長時間連續(xù)使用。
針對上述目的，經(jīng)過大量的研究，結(jié)果本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將由含有石墨和低共熔結(jié)構(gòu)(其基體中含有磷化鐵)的高硬度鑄鐵制成的輥子和由含有細(xì)的未溶解的碳化物的高硬度鐵基合金制成的葉輪相組合，輥子和葉輪之間的磨擦系數(shù)可以大大降低，同時防止彼此間發(fā)生膠住。在此基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。
在本發(fā)明的第一個實施方案中，它提供了由缸體、輥子和葉輪作為主要部件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)壓縮機，該輥子由在硬化和回火之后硬度為50HRC或更高的鑄鐵制成，其中石墨的含量為5％面積或更多，而且包括磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的微觀面積量為2％面積或更多，并且該葉輪由在硬化和回火之后硬度為65HRC或更高的鐵基合金制成，其中沒有作為固溶體溶解到基體中的碳化物的量為12％面積或更多，并且其中包括10％面積或更多的MC碳化物，未溶解的碳化物的平均顆粒粒度為3微米或更小。
在本發(fā)明的第二實施方案中，它提供了一種由缸體、輥子和葉輪作為主要部件組成的旋轉(zhuǎn)壓縮機，該輥子由和第一方案中相同的材料制成，而葉輪由一種鐵基合金制成，這種鐵基合金基本上由0.95-2.8％重量的C、2.0％重量或更低的Si、1.5％重量或更低的Mn、2.5-8.0％重量的Cr、0-20％重量的W、0-12％重量的Mo、W+2Mo＝12-28％重量、3.0-10％重量的V、12％重量或更低的Co、余量基本上是Fe和難以避免的雜質(zhì)組成，該葉輪被硬化和回火成硬度為65HRC或更高。
可以對葉輪進行表面處理，例如氮化、氧氮化、硫化/氮化、均勻熱處理等等，以改善其滑動性。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一方案的旋轉(zhuǎn)壓縮機結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2是表示用于測量葉輪和輥子之間的膠住壓力和磨擦系數(shù)的裝置；圖3是表示本發(fā)明的輥子的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照相圖(×200)；圖4(a)是表示所有碳化物顆粒在本發(fā)明的葉輪的微觀結(jié)構(gòu)中分布的顯微照相圖(×200)；圖4(b)是表示MC碳化物顆粒在葉輪的微觀結(jié)構(gòu)中分布的顯微照相圖(×200)；圖4(c)是表示M6C碳化物顆粒在葉輪微觀結(jié)構(gòu)中的分布的顯微照相圖(×200)。
在本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)壓縮機中的輥子和葉輪的組合中，輥子的磨損可能由下列原因而受到抑制(1)以預(yù)定的面積百分?jǐn)?shù)或更高的面積百分?jǐn)?shù)分布在至少一個部件(在本發(fā)明中是輥子)中的石墨可以將潤滑條件保持在高于所必需的水平之上。此外，比金屬更不易引起粘結(jié)的硬碳化物(特別是高硬度、化學(xué)穩(wěn)定的MC碳化物)和含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)以預(yù)定的面積百分比或更高的面積百分比分布在每一個部件中。另外，由于碳化物和低共熔結(jié)構(gòu)與金屬基體之間不同的磨損性，這種碳化物和低共熔結(jié)構(gòu)會從每一個部件的表面上稍微凸出。因此可以有效地防止輥子和葉輪之間發(fā)生粘結(jié)。
(2)由于輥子被硬化和回火成具有預(yù)定的面積百分比或更高的面積百分比的 含磷化鐵的 高硬度低共熔結(jié)構(gòu)，該輥子強度高，幾乎不會使表面層發(fā)生被迫剝落。
(3)由于葉輪的合金含有比預(yù)定值(3微米或更小)更細(xì)的碳化物，葉輪對輥子的侵襲受到抑制。
下面將更詳細(xì)的描述本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)壓縮機，旋轉(zhuǎn)壓縮機本身的總結(jié)構(gòu)與常用的相同，其一個例子如圖1所示。因此，描述將集中在輥子和葉輪上。輥子
(a)性能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過將用由回火過的馬丁體基體和至少三種分散相(主要由具有片狀、球狀或其它形狀的石墨、碳化物(Fe3C)和磷化鐵(Fe3P)組成)組成的鑄鐵制成的輥子與由下面所述的合金制成的葉輪組合起來，可以很明顯地改善耐磨性和膠住壓力。本發(fā)明的輥子優(yōu)選地由在熱處理后硬度為50HRC或更高、石墨占5％面積或更多以及含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)占2％面積或更多的鑄鐵制成。
對該輥子進行熱處理，包括硬化和回火。硬化可以在850-950℃下進行0.1-1小時。另外也可以進行高頻表面硬化處理?；鼗鹂梢赃M行一次或多次，每次在150-240℃下進行約1小時或1小時以上。
當(dāng)經(jīng)過熱處理的輥子的硬度增加時，剛好在粘結(jié)表面下的輥子的剝落可以更有效地被防止，從而改善輥子的耐磨性。當(dāng)石墨相以相當(dāng)大的量沉析時，基體應(yīng)該具有回過火的馬丁體結(jié)構(gòu)而且硬度為50HRC或更高，從而達到高耐磨性和耐膠住性。硬度的上限自然受到石墨相數(shù)量的限制。輥子的硬度優(yōu)選地為53HRC或更高，更優(yōu)選地為53-60HRC。
為了控制輥子與缸體及葉輪的潤滑條件以及為了防止輥子發(fā)生膠住，石墨相是不可缺少的，這是因為石墨相可以產(chǎn)生自潤滑和油潤滑。就滑動性來說，片狀石墨要優(yōu)于球狀石墨，石墨越細(xì)，獲得的效果就越好，盡管這不是決定性的因素。由于石墨量的增加會改善滑動性，因此石墨應(yīng)該在5％面積或更多。但是太多的石墨會降低硬度及機械性能，并且有可能會在運轉(zhuǎn)過程中引起輥子損壞等等。
因此，石墨量優(yōu)選地為14.0％面積或更少，盡管它將隨著和葉輪合金的組合而變化。更優(yōu)選的石墨量為6-10％面積。在這里，術(shù)語“％面積”是指通過測量所述的物相在顯微照相圖中所示的微觀結(jié)構(gòu)中的面積而確定的百分比。
通常稱為斯氏體的結(jié)構(gòu)是以三元低共熔相Fe3P-Fe3C-Fe而沉析。這種斯氏體相相當(dāng)硬，它使輥子不易于受到粘結(jié)和膠住，這是因為由于加入了P而比Fe3C更穩(wěn)定。因此斯氏體相可以有效地改進輥子的耐磨性和滑動性。由于這種斯氏體相具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)，因此在本文中把它們叫做“含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)”。這種斯氏體相和在本發(fā)明的輥子中的石墨相一起是不可缺少的。如果低共熔結(jié)構(gòu)的量低于2％面積則不可能產(chǎn)生足夠的作用，含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的量應(yīng)該為2％面積或更多。但是如果低共熔結(jié)構(gòu)的數(shù)量超過20％面積，則輥子會變脆并且可鑄性較差。因此低共熔結(jié)構(gòu)的數(shù)量優(yōu)選地為20％面積或更低。更優(yōu)選地低共熔結(jié)構(gòu)的量為2.5-5％面積。
(b)組成用于輥子的鑄鐵的一個優(yōu)選實例可以具有下列組成，該組成(重量)基本上由2-4％C、1-5％Si、2％或更少的Mn、2％或更少的Ni、1％或更少的Cr、1％或更少的Mo、1％或更少的，優(yōu)選地為0.5-1％，更優(yōu)選地為0.6-1％的P、0.5％或更少的S，余量基本上是Fe和難以避免的雜質(zhì)組成。
關(guān)于其它微量元素，如B、Bi、Sb等等，它們可以任選地加入到鑄鐵中，它們可以以不會偏離本發(fā)明的目的的數(shù)量包含在本發(fā)明的輥子合金中。葉輪(a)性能本發(fā)明的葉輪在熱處理后的硬度為65HRC或更高，所有碳化物顆粒為12％面積或更高，其中MC碳化物的量為10％面積或更高，所有碳化物顆粒的平均粒度為3微米或更小。
對該葉輪也可以進行熱處理，包括硬化和回火。硬化可以在1200-1240℃下進行0.5-1小時，回火可以進行兩次或兩次以上，每次在520-650℃下進行約1小時。
由于葉輪的頂端在運轉(zhuǎn)時與輥子的外表面滑動接觸，因此葉輪應(yīng)該比輥子更加耐磨。
通過增加葉輪材料的硬度和增加葉輪材料中的硬碳化物的數(shù)量可以改進葉輪的耐磨性。但是，如果碳化物的數(shù)量增加得不適當(dāng)，葉輪有可能會侵襲相當(dāng)軟的輥子，從而很容易地膠住該輥子。為了消除這種現(xiàn)象，使葉輪材料中的硬碳化物更細(xì)小就成為特別重要。由于使碳化物更細(xì)小而造成的葉輪本身的耐磨性能降低可以通過增加葉輪基體的硬度和碳化物的量而有效補償。碳化物顆粒優(yōu)選地應(yīng)該具有盡可能小的最大顆粒粒度和平均粒度。在平均顆粒粒度方面，它應(yīng)該是3微米或更小，優(yōu)選地為2微米或更小。在最大顆粒粒度方面，它優(yōu)選地為5微米或更小。
當(dāng)葉輪材料的硬度低于65HRC時由于碳化物的平均顆粒粒度的限制而造成的葉輪本身的耐磨性的降低就不能獲得補償，這應(yīng)意味著葉輪的耐磨性不夠。因此葉輪材料的硬度應(yīng)該為65HRC或更高，優(yōu)選地為66HRC或更高，更優(yōu)選地為66-75HRC。
關(guān)于碳化物的量，沒有溶解在固相溶液中的碳化物(下文稱作為“未溶解的碳化物”)占12％面積或更多，優(yōu)選的占20％面積或更多，更優(yōu)選的占20-50％面積。
在未溶解的碳化物中，高硬度、穩(wěn)定的MC碳化物占10％面積或更高，優(yōu)選的在12％面積或更高，更優(yōu)選的在12-30％面積。如果這些碳化物顆粒小于上述范圍，就不能完全防止輥子發(fā)生膠住，從而導(dǎo)致耐磨性和耐膠住性變次。
盡管本發(fā)明的葉輪材料含有大量碳化物，特別是有可能成長為大的碳化物顆粒的VC碳化物，這種碳化物顆粒應(yīng)該很細(xì)。因此要求通過粉末冶金法制備該葉輪。
為了改善葉輪的抗膠住性，優(yōu)選地要進行表面處理，例如氮化、氧氮化、硫化/氮化等等。為了改善表面硬度和潤滑性，優(yōu)選地應(yīng)進行均勻熱處理，從而在葉輪的表面等等上形成以亞鐵正鐵氧化物(Fe3O4)為基礎(chǔ)的多孔鐵氧化物。
(b)組成(1)碳(C)C與W、Mo、V等形成硬的碳化物顆粒，通過減少彼此間的接觸機會而增加葉輪的耐磨性并降低葉輪和其它部件的粘結(jié)性。C也具有一種作用，它可以通過部分溶解于固相溶液中而使葉輪的基體硬化，從而增加葉輪的耐磨性。
根據(jù)形成碳化物的元素，例如W、Mo、V等的數(shù)量可以確定C最佳數(shù)量。當(dāng)C低于0.95％重量時，基體不能充分地硬化而且所產(chǎn)生的碳化物的數(shù)量小。另一方面，當(dāng)C的數(shù)量超過2.8％重量時，葉輪材料的韌性和熱可加工性將降低。因此C的數(shù)量為0.95-2.8％重量。C的數(shù)量優(yōu)選地為1.0-2.5％重量，更優(yōu)選地為1.5-2.5％重量。
(2)硅(Si)Si起脫氧劑的作用，以改進鐵合金的質(zhì)量，并且通過溶解到固相溶液中而使葉輪的基體硬化。但是當(dāng)Si超過2.0％重量時，葉輪的韌性變次。因此硅的數(shù)量為2.0％重量或更低，優(yōu)選地為1.5％重量或更低。
(3)錳(Mn)Mn也是起脫氧劑的作用，用于改進鐵合金的質(zhì)量。但是當(dāng)Mn超過1.5％重量時，葉輪的硬度即使在硬化處理之后仍然較差。因此錳的含量為1.5％或更低，優(yōu)選地為1.0％重量或更低。應(yīng)該注意除了需要通過加入Si來獲得高硬度之外，基本上起脫氧劑作用的Si和Mn并不是必不可少的成分。
(4)鉻(Cr)Cr形成碳化物，從而增加葉輪的耐磨性并且起到抑制粘結(jié)的作用。Cr也溶解到葉輪的基體中，從而使葉輪具有可硬化性并且增加該基體的耐腐性。由于作為氟里昂替代物的HFC具有較高的吸濕性并且將潤滑油分解而產(chǎn)生酸，例如羧酸，因此該葉輪可以在稍有腐蝕的環(huán)境下運轉(zhuǎn)。因此，葉輪不僅可能會因磨損而損壞而且也會因腐蝕損壞。但是Cr以及W、Mo和Co溶解到葉輪的基體中可以增加葉輪的耐腐蝕性從而降低葉輪的磨損。當(dāng)Cr的含量低于2.5％重量時，上述作用就不能完全達到。另一方面，當(dāng)Cr的含量超過8.0％的重量時，就不能通過熱處理而完全獲得高硬度。因此Cr的含量應(yīng)該為2.5-8.0％重量。Cr的含量優(yōu)選地為3.0-6.0％重量，更優(yōu)選地為3.5-5.5％重量。
(4)鎢(W)和鉬(Mo)W和Mo與C結(jié)合形成碳化物M2C和M6C，從而抑制葉輪粘結(jié)到其它部件上，結(jié)果增加了耐磨性和抗膠住性。W和Mo溶解到基體中，隨后由于回火而沉析，由此使基體硬化。Mo還具有抑制因羧酸引起的葉輪腐蝕的作用。Mo的作用是W的兩倍。W為20％重量或更低，優(yōu)選地為15％重量或更低，而Mo為12％重量或更低，優(yōu)選地為10％重量或更低，可以加入W和Mo中的一種或兩者都加入。如果W+2Mo低于12％重量，上述效果就不能完全達到。如果W+2Mo超過28％重量，則葉輪的韌性較次。因此W+2Mo為12-28％重量，優(yōu)選地為14-26％重量。
(5)釩(V)V的一個重量作用是與碳結(jié)合而形成化學(xué)穩(wěn)定的高硬度MC碳化物。這種均勻分布在葉輪表面上的細(xì)碳化物可以比任何一種其它的碳化物更有效地改善葉輪的耐磨性和抗膠住性。3.0％重量或更多的V可以使葉輪更適合氟里昂替代物例如HFC，盡管V的最佳量可以隨著旋轉(zhuǎn)壓縮機的結(jié)構(gòu)及其所需要的壽命而改變。特別是當(dāng)V的含量為6.0％重量或更高時，上述作用更明顯。但是它超過10％重量時，該合金的霧化及高溫加工將變得困難，因此V的含量為3.0-10％重量，優(yōu)選地為4.0-8.0％重量。
(6)鈷(Co)Co的一個重要作用在于溶解到基體中，從而增加基體的硬度。此外Co可以有效地抑制由于羧酸而引起的葉輪的腐蝕。如上所述當(dāng)采用氟里昂替代物HFC作為致冷劑時，將發(fā)生腐蝕性磨損，從而使葉輪的磨損超乎尋常。但是溶解到葉輪基體中的Co會降低磨損。這種作用可以通過添加4％重量或更高，特別是7％重量或更高的Co而得到提高。當(dāng)Co超過12％重量時，葉輪的韌性會降低。因此，Co的含量為12％重量或更低，優(yōu)選地為5.0-10％重量。
通過下列非限制性實施例將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
實施例1將具有表1中所示組成的每一種鑄鐵澆鑄成輥子，將試樣1-10在900℃下硬化處理0.5小時然后將其回火處理兩次，每次在200℃下進行一小時。試樣11-12同樣澆鑄。除非另有說明，否則對后面的實施例采用相同的熱處理條件。對所得到的輥子測量硬度、石墨的面積百分比、含磷化鐵(表1中的“斯氏體”)和碳化物的低共熔結(jié)構(gòu)。結(jié)果示于表1中。
在表1中，No.1代表具有其中分散有石墨顆粒的鐵基體的鑄鐵，No.2代表廣泛用作輥子合金的低合金鑄鐵。No.3-5是用連續(xù)澆鑄法制得的低共熔石墨鑄鐵，其中No.5是用作輥子合金的鑄鐵。
No.6和7代表具有其中分散有球狀石墨的貝氏體基體的鑄鐵。No.8和9代表具有其中含磷化鐵并分散有片狀或球狀石墨的低共熔結(jié)構(gòu)的回過火的馬丁體基體的鑄鐵，這些材料和本發(fā)明的輥子材料相對應(yīng)。
No.10和11代表用于輥子的耐磨鑄鐵，No.10的鑄鐵含有石墨和碳化物，而No.11的鑄鐵是合金白口鐵，其中分散有大量低共熔碳化物M7C3。No.12代表具有含有大量Ni的奧氏體基體的鑄鐵，其中有分散的球狀石墨和碳化物。
表1No. 用于輥子的鑄鐵1 次低共熔D石墨鑄鐵2 片狀石墨鑄鐵3 低共熔石墨鑄鐵(1)4 低共熔石墨鑄鐵(1)5 片狀石墨鑄鐵(1)6 貝氏體鑄鐵7 高硬度貝氏體鑄鐵8 分散有片狀石墨的斯氏體鑄鐵9 分散有球狀石墨的斯氏體鑄鐵10結(jié)晶的鑄鐵11合金白口鐵12耐熱耐射鎳合金球狀石墨鑄鐵注(1)用連續(xù)澆注法制造。
表1(續(xù))組成成份(％重量)No. C SiMn PS NiCr Mo Fe13.45 2.93 0.91 0.066 0.0621.63 0.21 0.02余量23.10 2.16 0.73 0.186 0.0100.25 0.56 0.22余量33.53 2.57 0.56 0.099 0.0130.02 0.10 0.09余量43.65 2.85 0.47 0.098 0.0110.07 0.04 0.01余量53.48 2.73 0.65 0.101 0.0120.01 0.10 0.09余量63.37 2.60 0.30 0.020 0.0050.02 0.02 0.27余量73.28 4.30 0.38 0.017 0.0100.02 0.01 0.38余量82.90 2.00 0.49 0.643 0.1100.01 0.01 0.01余量93.38 4.56 0.46 0.585 0.0150.01 0.01 0.01余量10 3.40 0.58 0.62 0.020 0.0054.09 1.86 0.33余量11 2.70 0.44 0.72 0.022 0.0131.30 16.78 1.39余量12 2.83 2.72 0.67 0.020 0.01320.26 1.90 0.01余量表1(續(xù))No.硬度(1)石墨(2)斯氏體(2)碳化物(2)1HV185 10.9 00253.26.3 1.5 0352.510.2 1.4 0457.011.1 ＜1.00557.011.1 1.0 0636.413.9 ＜1.00742.410.4 ＜1.00856.28.1 2.9 0955.05.1 3.3 010 52.51.2 010.111 45.00 011.012 HV160 7.1 01.0注(1)單位HRC。
(2)單位％面積。
由表1中可以看出，硬度超過50HRC的材料具有回過火的馬丁體基體。
圖3表示No.8的鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)(×200)。在圖3中，黑點表示石墨，白點或白灰點或區(qū)域表示含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)，稱為“斯氏體”。No.8的基體是回過火的馬丁體。應(yīng)該看到由于圖3僅表示其中石墨和含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)特別集中的顯微結(jié)構(gòu)的有限部分，石墨等的面積百分?jǐn)?shù)和表1中所列出的不一致。
實施例2將組成示于表2中的鋼制成葉輪，鋼A-H中的每一種在1220℃下硬化0.5小時并回火三次，每次在560℃下進行1小時。SUJ2在830℃下硬化0.5小時并且回火兩次，每次在560℃下進行1小時。SUS440C在1050℃下硬化0.5小時并且回火兩次，每次在560℃下進行1小時。SKD11在1050℃下硬化0.5小時并回火兩次，每次在560℃下進行1小時。SKH51在1200℃硬化0.5小時并回火兩次，每次在560℃下進行1小時。
對所得到的葉輪測量硬度、每種葉輪的制備方法、硬化和回火處理之后未溶解的碳化物的種類和面積％，以及未溶解的碳化物的平均顆粒度(僅對通過圖象處理裝置測得的最終產(chǎn)物中碳化物顆粒度為1.0微米或更高的)。在這里，SUJ2、SUS440C和SKDH51是廣泛用作電冰箱、空調(diào)機等等中的葉輪的材料的鋼。結(jié)果示于表2中。
表2用于葉輪的鋼組成成份(％重量)類型(1)C Si Mn Cr W Mo VCoFeA 2.14 0.32 0.32 4.21 11.49 2.536.96 7.92 余量B 1.57 0.27 0.26 4.11 14.10 - 5.01 4.90 余量C 2.01 0.29 0.27 4.03 9.71 8.03 5.10 9.50 余量D 1.30 0.28 0.23 4.10 6.10 5.23 3.20 8.02 余量E 1.98 0.30 0.41 5.10 -10.214.86 5.23 余量F 1.86 0.31 0.36 4.85 -13.245.05 5.50 余量G 1.90 0.31 0.25 10.004.03 6.21 5.23 3.00 余量H 1.35 0.60 0.24 5.22 3.13 6.02 3.81 - 余量SUJ1 1.00 0.20 0.30 1.00 ---- 余量SUS440C0.92 0.37 0.41 16.97-0.51 0.06 - 余量SKD11 1.39 0.25 0.37 1230 -0.86 0.24 - 余量SKH51(M) 0.89 0.23 0.28 3.87 6.06 4.95 1.92 - 余量SKH51(P) 0.88 0.31 0.27 4.01 6.22 4.87 1.97 - 余量注(1)A-H的鋼屬于本發(fā)明的范圍，而SUJ2等系列鋼在本發(fā)明的范圍之外。
表2(續(xù))類型 Hd(1)方法 碳化物(2)平均粒度(3)A 66.5 PM(4)MC18.0％和M6C5.4％ 1.3B 66.3 PM MC15.3％和M6C3.2％ 1.2C 69.8 PM MC16.6％和M6C16.5％ 1.3D 67.8 PM MC12.0％和M6C11.0％ 1.3E 67.1 PM MC17.1％和M6C14.5％ 1.4F 68.2 PM MC18.9％和M6C15.1％ 1.5G 66.1 PM MC14.3％和M6C17.2％ 1.4H 65.0 PM MC10.3％和M6C2.1％ 1.3SUJ2 52.8 熔融(5)M3C6.1％ 1.0SUS440 57.2 熔融M23C614.0％ 8.0SKD11 59.0 熔融M7C314.0％ 9.0SKH51(M) 65.3 熔融MC1.5％和M6C7.2％5.0SKH51(P) 65.3 PM MC1.8％和M6C7.1％1.3注(1)硬度(單位HRC)。
(2)單位面積％。
(3)單位微米。
(4)粉末冶金法。
(5)熔化方法。
每一種葉輪通過下列方法中的一種來制備(i)熔化法，包括將鋼熔化成錠并且將錠鍛造成葉輪，(ii)粉末冶金法，包括通過熱等靜壓(HIP)將經(jīng)過氣體霧化的鋼粉燒結(jié)。由于后一種方法使用通過快速淬火法制得的鋼粉作為起始材料，因此細(xì)的未溶解的碳化物顆?？梢詷O其均勻地分布在鋼基體中。
圖4(a)表示所有碳化物顆粒的分布(參見白點或區(qū)域)，圖4(b)表示MC碳化物顆粒的分布，圖4(c)表示M6C碳化物顆粒的分布。圖4(a)-(c)每一個均是放大200倍的顯微照相圖。圖4(a)-(c)表示任何一種碳化物顆粒均是細(xì)小的并且均勻分布在葉輪的基體中。
每一種示于表2中的葉輪鋼11和由示于表1中的輥子合金制成的環(huán)形試樣12在圖2中所示的接觸位置滑動接觸，同時在多元醇酯潤滑油中以2.73米/秒的滑動速度和0.981MPa(10kgf/cm2)的起始接觸壓力下旋轉(zhuǎn)，該接觸壓力每一分鐘轉(zhuǎn)動增加0.981MPa(10kgf/cm2)，從而測量膠住開始時的表面壓力(膠住壓力)和輥子的磨損。
利用表2中用“A”表示的鋼作為葉輪合金并且用表1中表示的每一種鑄鐵作為輥子的合金，測量膠住開始時的表面壓力(膠住壓力)和輥子的磨損。測量條件為鋼“A”和由示于表1中的輥子合金制成的環(huán)形試樣在圖2中所示的接觸位置滑動接觸，同時在多元醇酯潤滑油中以2.73米/秒的滑動速度和0.981MPa(10kgf/cm2)的起始接觸壓力下旋轉(zhuǎn)，該接觸壓力每一分鐘轉(zhuǎn)動增加0.981MPa(10kgf/cm2)，其結(jié)果示于表3中。
表3葉輪 輥子 膠住壓力(1)輥子的磨損(2)ANo.1 9.81(100) 0.184ANo.2 16.2(165) 0.016ANo.3 11.8(120) 0.031ANo.4 18.6(190) 0.044ANo.5 15.7(160) 0.015ANo.6 12.8(130) 0.022ANo.7 22.6(230) 0.018ANo.8 28.0(285) 0.012ANo.9 23.5(240) 0.013ANo.10 18.6(190) 0.028ANo.11 17.7(180) 0.009ANo.12 10.8(110) 0.163注(1)單位MPa(kgf/cm2)(2)單位(mg/m·hr)×10-3
由表3可以很明顯地看出，當(dāng)改變輥子合金時膠住壓力和輥子的磨損變化比在改變?nèi)~輪合金時的要大。具有較低硬度的輥子合金(No.1和12)具有較低的膠住壓力和較大的磨損。這說明選擇輥子合金和葉輪合金的最佳組合是特別重要的。
很顯然，在輥子合金中，那些具有2％面積或更高的含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的輥子合金(No.8和9)具有較高的膠住壓力。
具有貝氏體基體的高硬度合金No.7具有較高的膠住壓力，但是不利的是它很容易隨著時間而發(fā)生尺寸變化，這種情況作為輥子合金來說是應(yīng)該避免的，這是因為這種合金含有大量的殘余的奧氏體。此外，在對這種旋轉(zhuǎn)壓縮機很重要的輥子的磨損方面，合金No.8、9和11是較小的。但是合金No.11具有較低的膠住壓力。因此很明顯均在本發(fā)明范圍內(nèi)的輥子合金和葉輪合金的組合是適宜的。
實施例3通過將由目前所用的鑄鐵制成的輥子(No.5)或由本發(fā)明的鑄鐵制成的輥子(No.8)與由各種合金制成的葉輪相組合，用和例2相同的方法測量膠住壓力。其結(jié)果示于表4中。
表4膠住壓力葉輪 輥子(No.5) 輥子(No.8)類型 MPa kgf/cm2MPa kgf/cm2A15.7160 28.0 285A16.7170 36.3 370C21.6220 37.3 380D15.7160 25.5 260G10.8110 19.6 200H13.7140 27.5 280SUJ2 8.8 90 8.9 100SUS440C 12.7130 25.5 260SKD11 10.8110 12.7 130SKH51(M) 8.8 90 11.8 120SKH51(P) 11.8120 13.7 140當(dāng)將由鑄鐵制成的輥子(No.5)與由本發(fā)明范圍外的鋼(包括目前所使用的鋼)制成的葉輪組合在一起時，膠住壓力最大值為12.7MPa(130kgf/cm2)。另一方面當(dāng)將由鑄鐵制成的輥子(No.8)與由鋼(A-D、G和H)制成的葉輪組合在一起時，可以達到19.6MPa(200kgf/cm2))或更高的膠住壓力。當(dāng)將用于葉輪的用熔化法制得鋼與用粉末冶金法制得的鋼進行對比時，用粉末冶金法制得的鋼其磨擦系數(shù)較小，這種鋼含有較細(xì)的碳化物顆粒。
實施例4將各種由表5中所示的合金制得的輥子和葉輪組合在一起，按照和例2中相同的方式測定磨擦系數(shù)和膠住壓力。結(jié)果示于表5中。
表5葉輪 輥子磨擦系數(shù)(1)膠住壓力(2)A No.5 0.005 15.7(160)A No.8 0.003 28.0(285)A No.9 0.003 23.5(240)Carbon(3)No.5 0.012 40.2(410)Carbon(3)No.8 0.003 ＞49.0(500)Carbon(3)No.9 0.005 ＞49.0(500)SKH51(4)No.5 0.010 8.8(90)SKH51(4)No.8 0.007 11.8(120)注(1)在9.8MPa下測定。
(2)單位MPa(kgf/cm2)
(3)用大約42％的鋁浸漬的碳材料。
(4)由熔化法制得。
用大約42％的鋁浸漬的碳材料是目前用于葉輪的非金屬滑動材料。與鐵基合金相比，該碳葉輪具有明顯較高的膠住壓力，但是碳葉輪具有極低的機械強度，會在加工，運輸和運轉(zhuǎn)中引起破壞和斷裂問題。特別是在葉輪受到較大壓力差的空調(diào)機中時，碳葉輪在機械強度的絕對值方面是不可靠的。
將由本發(fā)明的具有含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的鑄鐵(No.8)制得的輥子與由本發(fā)明范圍之外的鑄鐵(No.5)制成的輥子相比，前者的膠住壓力高于后者，與SKH51(M)相組合時為1.34倍(11.8MPa/8.8MPa)，而與本發(fā)明的鋼“A”相組合時為1.78倍(28.0MPa/15.7MPa)。這就是說鑄鐵No.8和鋼“A”是用于旋轉(zhuǎn)壓縮機的輥子和葉輪的合金的一種良好組合。
實施例5將由鑄鐵No.8制成的輥子與未受過表面處理或各種表面處理的鋼“A”制得的葉輪相組合，用和例2相同的方式測定膠住壓力，其結(jié)果示于表6中。
表6葉輪輥子表面處理 膠住壓力(1)A No.8沒有 28.0(285)A No.8硫化/氮化 ＞49.0(500)A No.8氧氮化 ＞49.0(500)A No.8輕度氮化 31.4(320)A No.8均勻熱處理 39.2(400)
注(1)單位MPa(kgf/cm2)。
表6表示盡管在上述均有一定程度效果的表面處理中，形成多孔表面層的硫化氮化處理和氧氮化處理是特別有效的，它們可以獲得與碳材料一樣高的膠住壓力。
實施例6用常用的鑄鐵No.2和5和鑄鐵No.8(本發(fā)明)制備輥子，并且由SKH51(M)、本發(fā)明的鋼“A”和碳材料制備葉輪。通過將每一種輥子和葉輪裝配到實際的旋轉(zhuǎn)壓縮機中，進行2000小時的耐久性實驗。所用的合金和熱處理條件與例1中的相同。輥子在98N(10kgf)的負(fù)荷下以1.5米/秒的速度相對葉輪而滑動。所用的潤滑油是多元醇酯油，所用的致冷劑是R134a。通過磨損評價每一個輥子和葉輪的耐久性。結(jié)果示于表7中。
表7輥子和葉輪的磨損(1)輥子葉輪 No.2 No.5 No.8未處理的SKH51 400/55 410/45300/25未處理的“A”270/34 260/38140/13氧氮化的“A”240/22 200/2480/5硫化/氮化的“A” 250/19 170/3075/4Carbon(2)230/30 110/5070/30
注(1)輥子的磨損/葉輪的磨損(單位微米)。
(2)用大約42％的鋁浸漬過的碳材料。
通常要求壓縮機的保證壽命為約10年，相當(dāng)于在這短試驗中，輥子磨損為約100微米或更少，葉輪磨損為約20微米或更少。
將由鑄鐵(No.8)制成的輥子和由鋼“A”制成的葉輪相組合時，輥子的磨損在未涂覆時為140微米，該結(jié)果不一定是不令人滿意的。但是應(yīng)該注意該磨損量幾乎接近于上面所說的要求，即100微米或更低。對于表面進行處理的葉輪，輥子和葉輪的磨損量大大低于上述要求。
由表7可以很明顯地看出，當(dāng)與由SKH51(M)制成的葉輪組合的輥子合金由常用的鑄鐵No.2和5改變成本發(fā)明的鑄鐵No.8時，輥子的磨損由400-410微米降到300微米，大約為75-73％。另一方面，當(dāng)采用由鋼“A”(沒有經(jīng)過表面處理)制成的葉輪時，輥子的磨損由270-260微米降低140微米，大約為52-56％。另外，在采用由經(jīng)過表面處理的鋼“A”制成的葉輪時，輥子的磨損從250-170微米降到80-75微米，大約為30-44％。因此，很顯然No.8的鑄鐵和鋼“A”是用于旋轉(zhuǎn)壓縮機的輥子和葉輪的合金的一個良好組合。
在葉輪的磨損方面，當(dāng)與由SKH51(M)制成的葉輪組合的輥子合金由常用的鑄鐵(No.2和5)改變成No.8的鑄鐵時，葉輪的磨損由55-45微米降低25微米，大約為56-45％。當(dāng)與由鋼“A”(未經(jīng)過表面處理)制成的葉輪相組合時，相同的試驗表明葉輪的磨損由38-34微米降低到了13微米，大約為34-38％，這證明鑄鐵No.8和鋼“A”是用于旋轉(zhuǎn)壓縮機的輥子和葉輪的合金的一個良好組合。另外當(dāng)與由經(jīng)過表面處理的鋼“A”制成的葉輪相組合時，葉輪的磨損由30-19微米降到的5-4微米，大約為21-13％。
如上面所詳細(xì)描述的，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)壓縮機的特征在于由具有其中分散了片狀或球狀石墨和含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的回過火的馬丁體基體的鑄鐵制成的輥子和由含有均勻分散在基體中的細(xì)碳化物的高硬度鋼制成的葉輪，輥子和葉輪的這種組合可以防止每一個部件發(fā)生膠住和磨損，從而可以進行長時間的運轉(zhuǎn)，即使采用會使滑動條件惡化的氟里昂替代物，例如HFC作為致冷劑。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)壓縮機，它由缸體、輥子和葉輪作為主要部件構(gòu)成，該輥子由在硬化和回火之后硬度為50HRC或更高的鑄鐵制成，其中石墨的含量為5％面積或更多，而且含有磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的微觀面積量為2％面積或更多，并且該葉輪由在硬化和回火之后硬度為65HRC或更高的鐵基合金制成，其中作為固溶體未溶解到基體中的碳化物的量為12％面積或更多，而其中包括10％面積或更多的MC碳化物在內(nèi)，未溶解的碳化物的平均顆粒粒度為3微米或更小。
2.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)壓縮機，其中所述的葉輪由一種鐵基合金制成，這種鐵基合金基本上由0.95-2.8％重量的C、2.0％重量或更低的Si、1.5％重量或更低的Mn、2.5-8.0％重量的Cr、0-20％重量的W、0-12％重量的Mo、W+2Mo＝12-28％重量、3.0-10％重量的V、12％重量或更低的Co、余量基本上是Fe和難以避免的雜質(zhì)組成，該葉輪被硬化和回火成硬度為65HRC或更高。
3.權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)壓縮機，其中所述的葉輪是經(jīng)過表面處理的。
4.權(quán)利要求1-3中任意一項所述的旋轉(zhuǎn)壓縮機，其中所述的葉輪通過粉末冶金法制成。
5.權(quán)利要求1-4中任意一項所述的旋轉(zhuǎn)壓縮機，其中所述的輥子由具有其中分散了石墨和含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)的回過火的馬丁體基體的鑄鐵制成。
全文摘要
由缸體、輥子和葉輪構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)壓縮機，輥子由硬度為50HRC或更高的鑄鐵制成，其中石墨含量為5％面積或更多，而且含磷化鐵的低共熔結(jié)構(gòu)量為2％面積或更多，葉輪由一種基本上由0.95-2.8％C、2.0％或更低的Si、1.5％或更低的Mn、2.5-8.0％Cr、0-20％W、0-12％Mo、W+2Mo＝12-28％、3.0-10％V、12％或更低的Co、(按重量計)余量基本上是Fe所組成的鋼制成，葉輪的硬度為65HRC或更高。沒有溶解到葉輪基體中的碳化物量為12％面積或更多，而其中包括10％面積或更多的MC碳化物，未溶解的碳化物的平均顆粒粒度為3微米或更小。
文檔編號F04C2/16GK1120126SQ95101500
公開日1996年4月10日 申請日期1995年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月28日
發(fā)明者中村秀樹, 山崎啟二, 山根不二夫, 吉田敏樹, 飯冢董, 石山明彥 申請人:日立金屬株式會社, 株式會社日立制作所