无磁平衡块及其制备方法、压缩机和制冷设备
文献发布时间：2023-06-19 19:30:30
技术领域
本发明涉及压缩机领域，特别涉及一种无磁平衡块及其制备方法、压缩机和制冷设备。
背景技术
平衡块是压缩机的通用部件，可以平衡由于带偏心轴的曲轴在运转时产生的不平衡，起到改善应力分布、降低噪音和减震的作用。为了避免对电机磁场产生干扰，平衡块需要具备无磁特性。除此以外，平衡块的另外一个关键指标是密度：一方面，密度直接决定着平衡块的硬度、强度等力学性能，保证零件在铆接及运转过程中的结构安全性能；另一方面，从功能性角度分析，压缩机转子对于平衡块的本质需求是配重，在同等重量下，平衡块密度越高，体积越小，在运转过程中流体阻力更低，有助于改善压缩机的吐油量和能效。
为了同时满足无磁性和高密度的使用要求，平衡块部件先后经历了三条技术路线。最初，行业采用黄铜材料及铸造工艺制备平衡块，其具备无磁性能和极高的密度(可达8.9g/cm
对于高锰钢材料(含锰量在10wt％以上)而言，如果不加入其他高密度金属粉末，那么经粉末冶金工艺制成的平衡块密度一般仅能达到6.5～6.8g/cm
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种无磁平衡块，具有高密度、低成本和无磁性等优势，在同等重量下其体积更小，能减少压缩机运行过程中的流体阻力，提高压缩机的性能。
本发明还提出上述无磁平衡块的制备方法。
本发明还提出包括上述无磁平衡块的压缩机。
本发明还提出包括上述压缩机的制冷设备。
本发明第一方面实施例涉及一种无磁平衡块，其包括Fe和以下按质量百分比计的组分：
Mn：13％～18％，
P：0.6％～1％。
根据本发明第一方面实施例的无磁平衡块，至少具有如下有益效果：
本发明的无磁平衡块中，Mn可与Fe形成奥氏体微观组织，通过控制Mn含量以形成稳定的奥氏体晶体结构，从而赋予平衡块无磁特性，如果Mn含量过高或过低，都容易生成其他晶体结构，难以满足无磁要求。P可以增加烧结收缩率，提高烧结致密度，在P含量为0.6％～1％的范围内，随着P用量的增加，烧结致密度越高。
本发明的无磁平衡块采用特定配比的Fe、Mn、P为主要原料，具备高密度、高硬度、无磁性等优异特性，其密度可以大于7.6g/cm
根据本发明第一方面的一些实施例，所述P的质量百分比为：0.8％～1％。
例如，所述P的质量百分比可以是0.8％、0.9％、1％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述P的质量百分比为：0.9％～1％。
通过适当提高P含量，能进一步提高烧结收缩率，进而获得更高的密度和硬度。鉴于上述效果，在性能相当时，可以通过适当提高P含量使烧结工艺条件更为温和，例如，可以降低烧结温度、降低烧结压力和/或缩短烧结时间。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Fe的质量百分比为：80％～86％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Fe的质量百分比为：80％～85.5％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Fe的质量百分比为：80％～83.5％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Mn的质量百分比为：15％～18％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Mn的质量百分比可以是15％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Mn的质量百分比可以是18％。
通过控制Mn、Fe含量在一定范围，可以获得更高的密度和硬度。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的制备原料包括Fe粉、Mn粉和P粉。
上述原料形式易于获得，也便于称量计量。除此以外，在实际应用中，还可以采用铁锰合金粉、P粉为原料，并满足平衡块中Fe、Mn、P的含量在本发明限定的范围内。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Fe粉的平均粒径为30～80μm。例如，所述Fe粉的平均粒径可以是30μm、50μm、80μm。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Mn粉的平均粒径为20～60μm。例如，所述Mn粉的平均粒径可以是20μm、40μm、60μm。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述P粉的平均粒径为10～30μm。例如，所述P粉的平均粒径可以是10μm、20μm、30μm。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Fe粉的平均粒径为30～80μm，所述Mn粉的平均粒径为20～60μm，所述P粉的平均粒径为10～30μm。
粉体粒径对平衡块密度有影响，在其他条件相同时，粉体粒径越细小，平衡块密度越高，但更细的粉末生产成本也更高。上述的粉体粒径范围为适宜的粒径范围，能更好地兼顾平衡块的性能与成本。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块中还包括Cu。
添加Cu可以进一步提高烧结致密度，利于降低成型压力、降低烧结温度或缩短烧结时间。在一定的Cu含量范围内，随着Cu用量的增加，改进效果更优，但Cu用量增加，会增加成本压力，且当Cu含量超过一定限度时，继续提高Cu含量，改进效果可能不明显。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Cu的质量百分比小于或等于2％。
例如，所述Cu的质量百分比可以是0.5％、1％、2％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的制备原料包括Cu粉。适宜的Cu粉的用量范围，可以根据上述实施例例举的Cu含量范围确定。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述Cu粉的平均粒径为10～30μm。例如，所述Cu粉的平均粒径可以是10μm、20μm、30μm。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块中还包括C。
C为润滑相，可以采用具有润滑作用的石墨粉为碳源，以缓解压制过程压头对模具的冲击，减少模具损伤，提高模具的使用寿命。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述C的质量百分比小于或等于0.5％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述C的质量百分比为：0.2％～0.5％。
例如，所述C的质量百分比可以是0.2％、0.3％、0.4％、0.5％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的制备原料包括石墨粉。
石墨粉起润滑作用，能提高模具的使用寿命。适宜的石墨粉的用量范围，可以根据上述实施例例举的C含量范围确定。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述石墨粉的平均粒径为10～30μm。例如，所述石墨粉的平均粒径可以是10μm、20μm、30μm。
在上述粒径范围内，能更好地兼顾润滑性能与成本。若石墨粉粒径过大，会影响其分布均匀性，不能很好地发挥出对基体的润滑作用；若石墨粉粒径过小，则成本增加明显，不能保证经济性。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块中还包括杂质元素。
所述杂质元素常见为Si、S等非金属杂质。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述杂质元素的质量百分比≤1％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块中还包括C和杂质元素。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述C和杂质元素的总质量百分比≤1.5％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述C和杂质元素的总质量百分比≤1.1％。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的密度≥7.6g/cm
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的密度＞7.6g/cm
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的密度为7.6～7.7g/cm
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的洛氏硬度HRB≥90。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的洛氏硬度HRB＞90。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的洛氏硬度HRB为90～105。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的磁感应强度≤0.15mT。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的磁感应强度≤0.05mT。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的磁感应强度≤0.01mT。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的密度≥7.6g/cm
根据本发明第一方面的一些实施例，所述无磁平衡块的密度＞7.6g/cm
本发明第二方面实施例涉及一种制备所述无磁平衡块的方法，包括以下步骤：
按元素配比取粉末状的制备原料，依次进行压制成型和烧结，得到所述无磁平衡块。
根据本发明第二方面实施例的无磁平衡块的制备方法，至少具有如下有益效果：
压制成型和烧结是粉末冶金工艺的主要工序，粉体经压制成型后制成压胚，然后将所述压胚进行烧结处理，得到所述无磁平衡块。其中，压制成型使粉体实现初步的紧密堆积状态，促进烧结过程中粉体颗粒的相互渗透和扩散，加速材料的致密化进程。通过控制Fe、Mn含量，能够在烧结过程中形成稳定的奥氏体晶体结构，并利用P促进铁锰基体收缩，提高烧结致密度，最终赋予平衡块高密度、高硬度、无磁性等优异特性。
由于本发明的制备方法能保证烧结收缩率，在性能相当时，可以适当降低烧结温度，和/或降低烧结压力和/或缩短烧结时间，也可以起到降低生产成本的作用。
本发明采用粉末冶金工艺制得了密度大于7.6g/cm
根据本发明第二方面的一些实施例，所述压制成型的压力为900～1400MPa。
压制成型的压力越高，烧结致密度越高，越利于提高无磁平衡块的密度和硬度。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述烧结的温度为1180～1250℃。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述烧结的时间为120～180min。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述烧结的温度为1180～1250℃，时间为120～180min。
随着烧结温度提高，烧结时间延长，粉体收缩倾向增加，有利于提高烧结收缩率，进而获得更高的烧结致密度，以提高无磁平衡块的密度和硬度。但烧结温度过高，或时间过长，会增加生产成本。
本发明第三方面实施例涉及一种压缩机，包含第一方面实施例的无磁平衡块或第二方面的方法制得的无磁平衡块。
根据本发明第三方面实施例的压缩机，由于其使用了上述产品实施例的无磁平衡块或上述方法实施例制得的无磁平衡块，因此至少具有上述产品实施例或上述方法实施例所带来的所有有益效果。例如，由于无磁平衡块兼具更低的成本，更高的密度、硬度和优异的无磁性，使得使用该无磁平衡块的压缩机也具有成本和性能上的优势。其中，在配重相同时，平衡块沿转子轴向的高度更低，使转子运转过程中的流体阻力降低，降低了压缩机吐油量，提升了能效，有助于压缩机进一步向小型化、高效化的方向进阶发展。
根据本发明第三方面的一些实施例，所述压缩机为旋转式压缩机。
旋转式压缩机在家用空调器中应用广泛，能直接带动旋转活塞作旋转运动来完成对制冷剂蒸气的压缩，具有压缩效率高、运行平稳、噪音低、耗电量小等优点。
本发明第四方面实施例涉及一种制冷设备，包含第三方面实施例的压缩机。
根据本发明四方面实施例的制冷设备，由于其使用了上述实施例的压缩机，因此至少具有上述压缩机的技术方案所带来的所有有益效果。例如，由于所述压缩机所使用的无磁平衡块兼具更低的成本，更高的密度、硬度和优异的无磁性，使得使用该压缩机的制冷设备也具有成本和性能上的优势，有助于制冷设备进一步向小型化、高效化的方向进阶发展。
根据本发明第四方面的一些实施例，所述制冷设备包括空调器、冰箱或冰柜。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 85.4％，
Mn 13％，
P 0.6％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在900MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1250℃，时间为150min，得到无磁平衡块。
实施例2
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 83.2％，
Mn 15％，
P 0.8％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在1100MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1220℃，时间为120min，得到无磁平衡块。
实施例3
本实施例制备了一种无磁平衡块，其制备原料同实施例2。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在900MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1250℃，时间为150min，得到无磁平衡块。
实施例4
本实施例制备了一种无磁平衡块，其制备原料同实施例2。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在1400MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1180℃，时间为180min，得到无磁平衡块。
实施例5
本实施例制备了一种无磁平衡块，其制备原料同实施例2。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在900MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1180℃，时间为120min，得到无磁平衡块。
实施例6
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 83.1％，
Mn 15％，
P 0.9％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
实施例7
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 83％，
Mn 15％，
P 1％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
实施例8
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 83.1％，
Mn 15％，
P 0.8％，
C 0.5％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
实施例9
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 80％，
Mn 18％，
P 1％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在1400MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1180℃，时间为180min，得到无磁平衡块。
实施例10
本实施例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、Cu粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，Cu粉平均粒径20μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 81.2％，
Mn 15％，
Cu 2％，
P 0.8％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
对比例1
本对比例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、Cu粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，Cu粉平均粒径20μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 81.5％，
Mn 15％，
Cu 2％，
P 0.5％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在800MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1200℃，时间为90min，得到无磁平衡块。
对比例2
本对比例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、Cu粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，Cu粉平均粒径20μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 80.5％，
Mn 14％，
Cu 4％，
P 0.5％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤如下：
(1)将制备原料粉末混合，装入模具内，使用机械压机在1000MPa下压制成型，制成平衡块压胚；
(2)对于步骤(1)制得的平衡块压胚进行烧结，烧结的温度为1180℃，时间为60min，得到无磁平衡块。
对比例3
本对比例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 83.5％，
Mn 15％，
P 0.5％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
对比例4
本对比例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 78.2％，
Mn 20％，
P 0.8％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
对比例5
本对比例制备了一种无磁平衡块，制备原料包括Fe粉、Mn粉、P粉、石墨粉；其中，Fe粉平均粒径50μm，Mn粉平均粒径40μm，P粉平均粒径20μm，石墨粉平均粒径20μm，均为市购。
按质量百分比计，无磁平衡块的元素组成如下：
Fe 88.2％，
Mn 10％，
P 0.8％，
C 0.3％，
杂质元素余量，杂质元素主要为Si和S。
无磁平衡块的制备步骤同实施例2。
各个实施例和对比例的无磁平衡块的元素组成及其制备工艺参数对比如表1所示，余量为杂质元素，未在表1中列出。
表1各个实施例和对比例的无磁平衡块的组成及其制备工艺参数对比
测试例
测试了各个实施例和对比例的无磁平衡块的密度、洛氏硬度和磁感应强度。其中，洛氏硬度依据GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》测试；其余测试方法为本领域通用测试方法。
测试结果如表2所示。
表2各个实施例和对比例的无磁平衡块的性能对比
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由表2可以看出，本发明的无磁平衡块具有更高的密度和硬度，密度大于7.6g/cm
由实施例10与实施例2的性能比较可以看出，本发明通过提高P含量，在不添加Cu的情况下，实现了与添加2wt％的Cu相当的技术效果，由此，能够显著降低无磁平衡块的成本。P含量的影响也可以从实施例2与对比例3的性能比较得到体现，对比例3的P含量为0.5wt％(低于0.6wt％)，其所制得的无磁平衡块的密度和硬度明显更低。
由实施例2、对比例4和对比例5的数据可以看出，Mn含量过高或过低都会影响无磁性能。
(2)压缩机整机性能测试
以实施例1和对比例1为例，测试了在旋转式压缩机上的装机运行性能。
旋转式压缩机在家用空调器中应用广泛，在生产过程中通过铆钉铆接的方式将一对平衡块通过铆接设备铆接于压缩机转子上(转子上面一个主平衡块，转子下面一个副平衡块，二者共用保证转子运转过程中曲轴的动平衡)，然后将转子与定子配合，装配在压缩机整机上。
测试压缩机在不同转速和频率下的制冷量(W)、入力(W)、噪音(dB(A))和吐油量(％)，可以计算出压缩机的能效COP(％)，COP＝制冷量/入力。测试条件：60Hz/3600rpm、90Hz/5400rpm，在同一测试条件下，平行测试5台产品，取平均值。压缩机的能效COP越高越好，噪音越低越好。吐出油量能反映压缩机运转的平稳性，吐油量越低，说明压缩机运行越平稳。
结果表明，实施例1的无磁平衡块装机后，压缩机入力降低，使得能效COP较对比例1提升0.38％(60Hz/3600rpm)以及0.32％(90Hz/5400rpm)，且压缩机吐油量降幅达到10.00％(60Hz/3600rpm)以及10.53％(90Hz/5400rpm)，同时，压缩机运行噪音不受影响。由于本发明无磁平衡块的密度更高，在同等配重下，其体积降低，能减少压缩机运转过程中的流体阻力，从而改善压缩机的吐油量和能效性能。
可以理解，由于本发明的无磁平衡块兼具更低的成本，更高的密度、硬度和优异的无磁性，使得使用该无磁平衡块的压缩机也兼具成本和性能上的优势，进而，使用该压缩机的制冷设备也具有成本和性能上的优势，有助于压缩机或制冷设备向小型化、高效化方向发展。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。