专利名称：刮板材料及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及压缩机，如旋转压缩机和叶轮泵中所用的刮板(Vane)材料及其制法。
如
图1所示，使用刮板的已知压缩机包括刮板1，刮板1常常由弹簧4压在转子2上。由于转子2偏心旋转，刮板1往复运动造成转子2和汽缸3形成的空间的容积改变，因而使气体受到压缩。作为冷却介质的气体，至今均使用氟里昂气。
如图1所示，该刮板的端部和侧面分别与转子和汽缸进行滑动接触。因而，该刮板必须耐受与转子或汽缸的刮擦，但又不能擦伤转子或汽缸。
作为刮板材料，现今通常使用按JIS SKH51熔融浇铸制成的高速钢。这种材料有时受到如氧化-氮化这类表面处理。而且，为了改进刮板的质量或组成，刮板的耐磨损性或自润滑性，已经提出了一些方法，如公开于JP-A-56-47550、JA-A-59-20446、JP-A-61-48556、JP-A-64-35091和JP-A-2-102392(符号“JP-A”的含义在此表示已出版的未审查日本专利申请)中的。
作为在压缩机中受压缩的冷却介质，至今一直使用一种含氯氟烃(以下称为“CFC”)氟利昂气体。然而，CFC到达同温层，被紫外线分解放出破坏臭氧层的氯。因此，已提出计划到2000年时禁用CFC，开发替代的冷却介质正取得进展。作为最可取的冷却介质替代物，已提出了不含氯的氟利昂气，例如含氟烃(以下称为“HFC”)。这类氟利昂气引起的环境污染很小。然而，与应用传统的CFC氟利昂气的叶轮泵或旋转压缩机相比，应用HFC氟利昂气的叶轮泵或旋转压缩机已发现具有下列问题ⅰ.冷却介质的润滑能力下降。
ⅱ.这些机器需要在高压缩比下操作，因而加在刮板上的负载增加。
ⅲ.这类冷却介质的吸湿性高。
ⅳ.所用润滑剂的润滑能力下降。
ⅴ.所用润滑剂的吸湿性增加。
ⅵ.在CFC氟利昂气体的场合，其含氯分子用作为极端压力介质。然而，HFC氟利昂气不含氯，因此会引起刮板和转子磨损或造成所谓擦伤，即产生划痕。
这些缺陷引起传统的刮板与转子的滑动刮擦大为加速。其极端情况是刮板咬伤或划伤转子。因此已经发现，上述缺陷缩短了压缩机的实际寿命。
发明人在JP-A-5-9660中已提出了一种作为应用HFC氟利昂气的压缩机用的刮板材料，该材料包括具有如下组成的基材1.0-3.5%(重)碳、不超过1.5%(重)硅、不超过1.0%(重)锰、3-6%(重)铬、不超过30%钨和/或不超过20%(重)的钼，其中(W+2Mo)为24-40%(重)，不超过5%(重)钒和/或铌、不超过20%(重)钴，其余为铁和不可避免的杂质，还有一种或数种氮化物和氮化碳颗粒，以刮板重量的2-20%(重)的总量分散其中。
而且，JP-A-5-9661提出了一种刮板材料，该材料包括具有如下组成(以重量计)的基材1.0-3.5%碳、不超过1.5%硅、不超过1%锰、3-6%铬、不超过20%钨和/或不超过10%钼，其中W+2Mo不超过23%，不超过12%钒和/或铌、不超过20%钴，其余为铁和不可避免的杂质，还有一种或数种氮化物和氮化碳颗粒，以刮板重量的2-20%的总量分散其中。
上面JP-A-5-9660和JP-A-5-9661所引述的刮板的优点在于，氮化物或氮化碳颗粒显示出对铁的低亲和性，因而摩擦系数小，使刮板与转子和汽缸之间的刮擦减少。
然而，如上所述，上面日本专利申请中所引述的刮板，在HFC氟利昂气氛中会引起诸如损坏转子和其它部件等麻烦。因此需要更耐磨损(即耐划伤)的刮板。在这方面上述刮板材料留下了一些需要解决的问题。
本发明人已针对上列刮板材料的耐刮擦问题进行了研究。结果发现，氮化物或氮化碳对减小摩擦系数虽然有效，但耐磨损性仍然不够。
本发明的目的之一是提供一种具有优良耐磨损性的刮板材料及其制备方法。
本发明人研究了向含氮化物颗粒或氮化碳颗粒的刮板材料中添加碳化物颗粒。结果发现，碳化物对强化耐磨损性发挥极为优良的作用。因此，完成了本发明。
本发明提供一种具有由烧结下列组分而获得结构的刮板材料，该材料包括基本组成(以重量计)如下的基材1.0-4.5%的碳、不超过1.5%的硅、不超过1.0%的锰、3-6%的铬、不超过30%的钨和/或不超过20%的钼，其中(W+2Mo)不超过45%，2-10%的钒和/或铌、不超过20%的钴，其余为铁和不可避免的杂质，同时添加以碳化物颗粒和氮化物和/或氮化碳颗粒，分别按各组分的总重量计，以0%以上-不超过25%和2-25%的含量烧结于其中。
通过实施例，参考附图，可使说明书更清楚图1是说明旋转压缩机实例的截面图，其中序号1、2、3和4分别表示刮板、转子、汽缸和弹簧。
本发明的刮板材料可由本发明的制备方法获得，该方法包括将具有上述组成的基材粉末，与按刮板材料总重量计，分别为超过0%-不超过25%和2-25%的碳化物粉末和氮化物/氮化碳粉末混合，然后再烧结所得混合物。
作为上述添加的碳化物，可以使用4A和5A族元素的碳化物。能提供改进耐刮擦性的碳化物添加物是MC型碳化物，例如Zr、Ti、Hf、V、Nb、和Ta的碳化物，而不是可与基材作用而生成M6C型的碳化物，例如W和Mo的碳化物。特别是碳化钒类和碳化铌类更优于其它元素的碳化物，因为它们能均匀而精细地分散于基材中。
在本发明中，作为用于减小摩擦系数的基本分散颗粒的添加物颗粒特别稳定，它们选自元素Zr、Ti、Hf、V、Nb和Ta的氮化物颗粒和氮化碳颗粒。因此，这些颗粒几乎不能固熔化于基材中，而均匀地分散其中。
如上所述，本发明的最大特点之一是添加的碳化物是烧结的，因而分散于基材中而改进了耐磨损性。
更详细地说，估价耐磨损性的加速试验表明，向氮化物或氮化碳颗粒中混合添加碳化物颗粒，能大大提高最大允许负载，与不加碳化物只加氮化物或氮化碳相比，在这种负载下，该刮板材料与转子或汽缸不发生磨损。这就是说，向氮化物或氮化碳颗粒中混合添加碳化物颗粒能防止产生划痕。
在刮板中，添加的碳化物颗粒是通过烧结分散于基材中。要使大量碳化物存在于刮板材料中，可通过增加基材中待碳化元素的含量达到。然而，这种方法不合要求，因为这些待碳化的元素，例如钒和铌，能容易被氧化，致使基料粉末氧化，使其烧结性能下降。
而且，在基材中钒铌等含量的过多增加会提高熔融金属的粘度，使其不可能被散布于基料粉末中。因此，最好是碳化物以碳化物粉末加入基料粉末中，再与之混合。
若待加碳化物的量超过刮板材料(即刮板材料的组分)总重量的25%，则会导致韧性变差。因此，其量应控制在刮板材料总重量的0%以上至不超过25%之间。为了进一步改进刮板材料的耐磨损性和烧结性能，待加碳化物的量为刮板材料总重量的1-20%较好，更好为2-15%。
在本发明中，氮化物和/或氮化碳是必要的，因为它们能降低摩擦系数。
在操作压缩机时，刮板在转子或汽缸上滑动。因此，即使刮板自己具有高的耐磨损性，若紧密连结部件，如汽缸或转子经过不正常的刮擦，则不能维持足够的气密性，因而降低了压缩机的性能。转子和汽缸通常均由铸铁制成。因此，若对铁亲和性低的氮化物或氮化碳颗粒分散在具有上述钢组成的基材中，则摩擦系数会大为降低，从而消除与转子或汽缸的擦伤。
这一作用不仅防止刮板本身受磨损，而且还大大降低了刮板与转子和汽缸的刮擦。
若加入氮化物和氮化碳的量降至低于刮板材料总重的2%，则这一作用并不足够。与此相反，若其量超过刮板材料总重的25%，则会降低基材的烧结性能，使不可能大量生产出具有稳定质量的刮板来。因此，有必要将加入的氮化物和/或氮化碳的量保持在2-25%(重)的范围内。
照此，氮化物和/或氮化碳可以优选自上述Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta的氮化物和氮化碳。由于其它氮化物或氮化碳类对铁的亲和力也低，它们也是有用的。
下面叙述限制在本发明刮板材料的基料中加入合金组分的理由。
碳与所加的钨、钼、钒等在同时形成硬的氮化物，因而起了强化刮板材料的耐磨损作用，也因而消除了其与配合部件的磨损。碳部分地固溶于基料中提高了刮板材料的硬度，因而改进了刮板材料的耐磨损性。因此，存在一个最佳的碳含量，该碳含量取决于待碳化的元素，如钨、钼和钒的量。在本发明中，若碳含量下降至1%(重)以下，它就不能给刮板材料提供足够的硬度，形成碳化物量太少。相反，若碳含量超过4.5%(重)，则会降低刮板材料的韧性。因此，碳含量应在1.0-4.5%(重)范围内。
硅是一种脱氧化元素，它具有加强刮板材料的硬度的作用。硅也是固溶于基料中，起强化刮板材料硬度的作用。若硅含量超过1.5%(重)，它会降低刮板材料的韧性。因此，硅含量应不高于1.5%(重)。
锰也是一种脱氧化元素，也具有改进刮板材料硬度的作用。因此，锰的含量应不高于1.0%(重)。
铬形成碳化物，起增强刮板材料的耐磨损作用。铬也固溶于基料中，赋予基料以硬化度，并改进其耐腐蚀性。在本发明中，因为作为氟利昂气(CFC)的替代物使用的HFC的吸湿性高，以及所用润滑剂分解形成一种羧酸，例如甲酸和乙酸，该刮板能在微腐蚀气氛中操作。因此，可以假定刮板的异常磨损不仅可归结于刮擦型磨损，而且也归结于涉及腐蚀的机理。在此情况下，除铬以外，钼和钴也固溶于基料中，起强化刮板的耐腐蚀作用，因而降低了刮板的磨损，如下所述。若铬含量低于3%(重)，上述作用下降。相反，若铬含量超过6%(重)，则难于由热处理提供所需硬度。因此，铬含量应在3-6%(重)，优选3-5%(重)的范围内。
钨和钼与碳结合形成M6C型碳化物，强化刮板的耐磨损性和耐擦伤性。钨和钼也是部分固溶于基料中，而后通过回火沉积，起强化刮板材料硬度的作用。钼也具有抑制由羧酸引起的腐蚀的作用。即使W和Mo的量较小时也具有这种作用，但是优选(W+2Mo)的量为24%(重)或更高。若使用钨和/或钼的量分别为不超过30%(重)和不超过20%(重)时，若(W+2Mo)超过45%(重)，刮板材料的韧性明显下降。因而，(W+2Mo)应不高于45%(重)。钨含量优选不超过25%(重)，不超过20%(重)更好。钼含量优选不超过15%(重)，不超过12%(重)更好。
钴固溶于基体中，起强化刮板材料硬度的作用。钴也具有抑制由羧酸引起的腐蚀的重大作用，这是本发明的一个重要方面。如上所详述，若氟利昂气(CFC)的替代物，例如HFC用作为冷却介质，它引起涉及刮板异常磨损的腐蚀磨损。这种磨损可由基料中的固溶钴来减轻。然而，若钴含量超过20%(重)，刮板材料的韧性下降。因此，钴含量应不高于20%(重)。为了给刮板材料提供在硬度、耐腐蚀和耐磨损以及所需韧性方面的改进，钴含量优选范围为5-18%(重)，更优选8-15%(重)。
在本发明中，加入基料中的钒和/或铌与碳结合形成MC型碳化物。若该碳化物精细而均匀分散于刮板的表面，则它与烧结其中的碳化物类颗粒一起，能大为改进耐磨损性和耐擦伤性。若钒和/或铌含量降至2%(重)以下，就不能充分发挥出作用。在另一方面，若基料中钒和/或铌的含量超过10%(重)，则会提高基体粉末中的氧含量，降低基料的烧结性能。因此，在基料中的钒和或铌的含量应不高于10%(重)。为了同时改进耐磨损性、耐擦伤性和烧结性能，钒和/或铌的含量优选范围为3-9%(重)。
这样获得的刮板材料未经处理就可作为刮板使用。在装到压缩机中之前，还可以受到下列表面处理，如氮化、电离氮化、硼化、氧化氮化和硬膜涂覆，如用CVD或PVD形成的TiC和TIN膜涂覆。这种表面处理可降低刮板与转子的摩擦系数，因而消除它与配合部件的擦伤，并且保护刮板材料免于腐蚀。
本发明在下述实例中进一步被描述，但本发明并不限于此。
实例1制备了具有表1的钢组成的三类水雾化粉末A至C。将粉末各与碳化物粉末、氮化物和/或氮化碳粉末混合，混合比列于表2。将这些混合物分别模压，然后烧结制备刮板材料。表2中的比较例是按上述相同方式制得的刮板材料，只是材料中不加碳化物粉末。
刮板材料样品1-14在冷气体气氛中评价了耐擦伤性。为了评价耐擦伤性，将刮板材料以接触面积为0.58cm2压向JIS-FC 250，同时JIS-FC250是以2m/sec的圆周速度进行旋转。在测量中，刮板材料上的负荷以0.3Kgf/sec的速度增加。显示摩擦系数突然增大的点被规定为擦伤点，即划痕点。为了评价，测定了不发生擦伤时的最大允许负荷和最大摩擦力。使用的冷却介质是HFC型R134a。使用的润滑剂为酯型润滑剂。结果示于表3。
表3结果明确表明，向氮化物和/或氮化碳中复合添加本发明的碳化物颗粒获得的刮板材料，与不加本发明的添加碳化物的刮板材料相比，显示出无擦伤时较高的最大允许负荷和较高的摩擦力。这证明本发明改进了在CFC氟利昂冷却介质的替代物的气氛中所需的高负荷下的耐磨损性。
实例2对实例1的刮板材料评价了对于CFC氟利昂的替代物的耐腐蚀性。
假定用于HFC氟利昂气的酯型润滑剂分解形成甲酸和乙酸。因此，将样品浸入60℃的5%甲酸水溶液和5%乙酸水溶液的混合物中30小时。然后，测定产生的腐蚀损失以评估样品的耐腐蚀性。结果示于表4。在表4中所示样品号与表2的相应。
表4结果明显表明，本发明的实例与使用本发明实例相同基料的对比例相比，两者在腐蚀损失方面差别很小或无差别，这显示由于添加碳化物并未使耐腐蚀性下降。从样品1-10也可看出，具有高(W+2Mo)值的基料粉末A或B样品与样品11-14的具有低(W+2Mo)值的基料粉末相比腐蚀损失下降，因此其具有优良的耐腐蚀性。
实例3表2所列样品1-14用于制备刮板。将这些刮板各自安装在应用R134a为冷却介质的实际旋转压缩机中，以评估其寿命。转子材料用FCC25。寿命实验的结果示于表5。表5所列样品号与表2相应。
表5结果明显表明，包含烧结碳化物颗粒的本发明刮板材料能用作为实际压缩机的刮板。
实例4制备了具有表6所示钢组成的水雾化粉末D。按表7所示混合比，将该水雾化粉末D与碳化物粉末和/或氮化物粉末混合。对每种混合物进行模压，然后烧结制备出刮板材料。使用了VC作为添加的碳化物颗粒。使用了TiN作为添加的氮化物和/或氮化碳颗粒。然后对如此得到的刮板材料，测定了在不发生擦伤时的最大允许负荷和最大摩擦力，以及在擦伤(烧硬)点时单位接触面积的负荷和圆周速度的乘积(PV)。结果列于表7。
实例4的结果表明，包含此中规定量，即刮板总重量的大于0%至不大于25%的碳化物颗粒和此中规定量，即刮板总重量的2-25%的氮化物颗粒的样品，显示出在不发生擦伤时具有高的最大允许负荷和高的最大允许摩擦力，以及高的PV值。这证明，复合添加碳化物和氮化物与只添加氮化物相比，可提供高的耐擦伤性能。
根据本发明，刮板的耐擦伤性能可由在压缩机内应用CFC氟利昂气的替换物，例如HFC氟利昂气作为冷却介质而大大改进。而且，本发明的刮板材料对于应用HFC氟利昂气的压缩机中润滑剂分解产生的羧酸，例如甲酸和乙酸，显示充分的耐腐蚀性。因此，本发明的刮板材料极适合于与新冷却介质，例如HFC氟利昂一起使用，使得实际使用满足最新环境管理要求的压缩机成为可能。
尽管本发明已参考其具体实施方案进行详述，但对于本领域的技术人员应明白，在不离开本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变化和修改。
表1Ch 化学组成 (wt.%)符号 C Si Mn Cr W Mo V Nb Co Fe W+2MoA 3.0 0.3 0.3 4.0 12.8 10.5 6.7 - 10.5 余量 33.8B 1.9 0.3 0.3 4.0 9.3 7.5 2.5 1.2 8.8 余量 24.3C 2.8 0.3 0.3 4.0 7.1 4.8 - 8.9 10.2 余量 16.7表2样品号 雾化粉末的量 分散的添加颗粒的量 注(wt.%) (wt.%)1 粉末A:89% TiN:8%;VC:3% 本发明2 粉末A:89% TiN:11%; 比较例3 粉末A:83% TiN:12%;VC:5% 本发明4 粉末A:83% TiN:17%; 比较例5 粉末A:76% TiN:12%;VC:12% 本发明6 粉末A:76% TiN:24%; 比较例7 粉末B:86% TiCN:9%;NbC:5% 本发明8 粉末B:86% TiCN:14% 比较例9 粉末B:83% TaN:7%;VN:4%; 本发明TaC:3%;ZrC:3%10 粉末B:83% TaN:10%;VN:7% 比较例11 粉末C:82% NbN:5%;HfN:6%; 本发明TiC:3%;HfC:4%12 粉末C:89% NbN:9%;HfN:9% 比较例13 粉末C:79% TiN:5%;ZrN:6% 本发明VC:4%;NbC:6%14 粉末C:79% TiN:11%;ZrN:10% 比较例表3不发生擦伤的 不发生擦伤的样品 最大允许负荷 最大允许磨擦力 注(kgf) (kgf)1 410 10.8 本发明2 310 7.9 比较例3 450 11.7 本发明4 330 8.3 比较例5 460 12.1 本发明6 360 9.1 比较例7 400 10.5 本发明8 290 7.6 比较例9 440 11.4 本发明10 320 8.0 比较例11 450 11.9 本发明12 350 8.9 比较例13 430 11.2 本发明14 320 8.3 比较例表4腐蚀损失样品 (mg/cm2·h)×10-3注1 5.8 本发明2 5.7 比较例3 6.0 本发明4 5.9 比较例5 6.3 本发明6 6.4 比较例7 7.4 本发明8 7.6 比较例9 7.2 本发明10 7.3 比较例11 7.9 本发明12 8.1 比较例13 8.0 本发明14 7.8 比较例表5刮板端部 转子外径 刮板侧面样品号 刮擦损失 刮擦损失 刮擦损失 注(μm) (μm) (μm)1 1.0 0.9 0.2 本发明2 1.4 5.0 1.1 比较例3 0.9 0.8 0.1 本发明4 1.3 3.4 2.1 比较例5 0.9 0.9 0.1 本发明6 1.4 6.2 1.8 比较例7 0.8 1.1 0.1 本发明8 1.5 2.6 1.7 比较例9 0.9 0.6 0.1 本发明10 1.3 2.8 1.2 比较例11 0.9 0.9 0.1 本发明12 1.4 1.6 1.0 比较例13 0.8 0.8 0.1 本发明14 1.5 7.2 1.3 比较例表6化学组成(wt.%)标号 C Si Mn Cr W Mo V Nb Co Fe W+2MoD 2.8 0.3 0.3 4.0 15.2 11.2 5.6 - 10.3 余量 37.6
表7不发生擦 不发生擦VC TiN 伤时最大 伤时最大样品号 添加量 添加量 允许负荷 摩擦力 PV值 注(wt.%) (wt.%) (kgf) (kgf) (kgf/cm2m/S)15 0 15 330 8.3 690 比较例16 1 15 380 9.8 810 本发明17 5 15 430 10.4 930 本发明18 10 15 440 11.2 950 本发明19 20 15 410 10.2 870 本发明20 25 15 420 11.0 900 本发明21 30 15 340 9.1 730 比较例22 8 0 300 7.4 580 比较例23 8 1 330 8.2 700 比较例24 8 2 420 11.0 900 本发明25 8 10 450 11.5 970 本发明26 8 20 430 11.2 920 本发明27 8 25 390 9.9 840 本发明28 8 30 320 7.9 670 比较例
权利要求
1.一种具有由烧结下列组分而获得结构的刮板材料，该材料包括基本组成(以重量计)如下的基料1.0-4.5%的碳，不超过1.5%的硅，不超过1.0%的锰，3-6%的铬，不超过30%的钨和/或不超过20%的钼，其中(W+2Mo)不超过45%，2-10%的钒和/或铌，不超过20%的钴，其余为铁和不可避免的杂质；同时添加各组分总重量的0%以上至不超过25%的碳化物颗粒，以及添加各组分总重量的2-25%的氮化物和/或氮化碳颗粒。
2.权利要求1的刮板材料，其中各组分中所含添加碳化物颗粒的量，为各组分总重量的1-20%。
3.权利要求1的刮板材料，其中各组分中所含添加氮化物或氮化碳颗粒的量，为各组分总重量的3-20%。
4.权利要求1的刮板材料，其中的碳化物是钒或铌的一种化合物。
5.权利要求1的刮板材料，其中的氮化物或氮化碳是选自钛、锆、铪、钒、铌和钽的至少一种化合物。
6.一种制备刮板材料的方法，包括将基本组成(以重量计)如下的基料粉末混合1.0-4.5%的碳，不超过1.5%的硅，不超过1.0%的锰，3-6%的铬，不超过30%的钨和/或不超过20%的钼，其中(W+2Mo)不超过45%，2-10%的钒和/或铌，不超过20%的钴，其余为铁和不可避免的杂质;然后将占刮板材料总重量的0%以上至不超过25%的碳化物粉末与占刮板材料总重量的2-25%的氮化物和/或氮化碳粉末混合，再与已混合的基料粉末混合，然后烧结混合物。
全文摘要
本发明提供在压缩机中应用另一种氟利昂气为冷却介质时具有优良耐擦伤性的刮板材料及其制法。刮板材料的组成为1.0—4.5％的碳，不超过1.5％的硅，不超过1.0％的锰，3—6％的铬，不超过30％的钨和/或不超过20％的钼，其中(W+2Mo)不超过45％，2—10％的钒和/或铌，不超过20％的钴，其余为铁和不可避免的杂质；以及烧结其中的＞0％至不超过25％的碳化物，和2—25％的氮化物和/或氮化碳。刮板材料由烧结上述组成的粉末而得。
文档编号B22F5/00GK1099430SQ94106428
公开日1995年3月1日 申请日期1994年6月10日 优先权日1993年6月11日
发明者久保裕, 中村秀树, 内田宪正, 山崎启二 申请人:日立金属株式会社