JP2001107173A

JP2001107173A - 回転式圧縮機用ローラ

Info

Publication number: JP2001107173A
Application number: JP28003599A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kuwabara; 岳桑原
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-17

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性を有する回転式圧縮機用ロー
ラを提案する。【解決手段】回転式圧縮機用ローラを、Mn：0.50〜1.
00wt％、Cr：0.50〜1.20wt％、Mo：0.15〜0.40wt％を含
み、さらにNi：0.15〜0.40wt％およびCu：0.15〜0.40wt
％のうちから選ばれた１種または２種を合計で0.15〜0.
40wt％を含有し、かつ焼入れ焼戻し処理を施されて、基
地中に炭化物が分散し、黒鉛がASTM規格のＡ型の形状分
布を有し、硬さがＨＲＣ47〜55である鋳鉄で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転式圧縮機に関
し、とくに回転式圧縮機の構成部材の材質変更に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】回転式圧縮機は、ローラがシリンダ内を
偏心回転し、ベーンがシリンダ内に半径方向に形成され
たベーン溝内に挿入され摺動自在に保持され、ベーンの
先端部がローラの外周面に摺接している。近年、冷凍冷
蔵装置や空調機等に使用される圧縮機は、その使用条件
がますます厳しくなっている。オゾン層の破壊などの環
境問題のため、従来使用してきた分子内に塩素を含む冷
媒から分子内に塩素を含まない冷媒への変更が検討され
ている。とくに、塩素を含まない冷媒では、潤滑性能が
悪く圧縮機のローラ、ベーン等の摺動材料についてその
耐摩耗性の向上が要望されていた。

【０００３】従来は、これら摺動部材は、耐摩耗性に優
れた鉄系材料に熱処理を施して使用していた。例えば、
ベーンには、鋳鉄、軸受鋼（SUJ ２）、高速度鋼（SKH
51）等を焼入・焼戻処理を行ったものを用い、ローラに
は、片状黒鉛鋳鉄に炭化物を析出させた特殊鋳鉄、鉄系
焼結合金等を熱処理したものを用いるのが一般的であっ
た。

【０００４】さらに、摺動部材の耐摩耗性を向上させる
ために、例えば、特開昭64-63692号公報には、母材上に
被覆層を形成する方法が提案されている。この被覆層
は、母材の熱的劣化を防止しつつ緻密かつ平滑な被覆層
を形成できるイオンプレーティング法により形成されて
いる。また、最近では、耐摩耗性の向上を要望される圧
縮機のベーン等の摺動材料に焼結合金が使用されるよう
になっている。

【０００５】圧縮機ベーン用焼結合金としては、Cr炭化
物を析出させた相とFe−Ｃ系のマルテンサイト相との混
合組織を有するクロム含有の鉄系焼結合金が使用されて
いる。このクロムを含有する鉄系焼結合金では、圧縮機
ベーン用としては、耐摩耗性が不足する場合があり、使
用される機種も低出力のものに限定されていた。圧縮機
ベーンの耐摩耗性の向上対策として、例えば、特開平7
−293463号公報には、クロムを含有する鉄系焼結合金の
表面に鉄とクロムと窒素からなる化合物層を形成し、さ
らに窒化クロム、窒化チタンあるいは炭化チタンのセラ
ミックコーティングを施す方法が提案されている。しか
しながら、このような化合物層の形成やセラミックコー
ティングを施す場合には、製造工程が複雑になるうえ、
製造コストを増加させるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さらに、近年、圧縮機
の使用条件が厳しくなり、したがって、ベーン、ローラ
の摺動条件もより厳しくなり、また、冷媒がR134a 、Ｒ
22代替冷媒に変わる中で、潤滑条件もより厳しくなって
きている。このような状況下では、上記したベーンにお
けるようなCr炭化物を析出させた相とFe−Ｃ系のマルテ
ンサイト相との混合組織を有する焼結合金材では単独で
も耐摩耗性が不十分であり、また、上記したローラのよ
うな特殊鋳鉄、鉄系焼結合金材では単独でも耐摩耗性が
不十分であるうえ、それらの組合せでは金属接触が発生
しやすく、お互いの摺動面において適正な潤滑条件で運
転することは十分にはできていないのが現状であり、長
時間の運転では摩耗が増大して圧縮性能の低下をきたす
という問題があった。

【０００７】このような状況から、従来のように、ベー
ン材単独、あるいは、ローラ材単独で、耐摩耗性を向上
させるだけでは不十分であり、より耐摩耗性の良い材料
の組合わせが要求されるようになってきた。本発明は、
上記した問題に鑑みなされたものであり、優れた耐摩耗
性を有するベーンに組み合わせて好適な、優れた耐摩耗
性を有するローラを提案することを目的としている。こ
のような耐摩耗性を有するローラと、優れた耐摩耗性を
有するベーンとを組み合わせることにより、耐久性に優
れた回転式圧縮機を構成することが可能となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転式圧縮機
用ローラであって、T.C ：3.00〜3.70wt％、Si：1.50〜
2.50wt％、Mn：0.50〜1.00wt％、Ｐ：0.30wt％以下、
Ｓ：0.10wt％以下、Cr：0.50〜1.20wt％、Mo：0.15〜0.
40wt％を含み、さらにNi：0.15〜0.40wt％およびCu：0.
15〜0.40wt％のうちから選ばれた１種または２種を合計
で0.15〜0.40wt％含有し、残部Feおよび不可避的不純物
からなり、かつ焼入れ・焼戻し後の組織の黒鉛形状がAS
TM規格のＡタイプであり、炭化物を面積率で3 〜10％含
有し、硬さがHRC47 〜55の範囲を有する鋳鉄で構成され
ることを特徴とする回転式圧縮機用ローラである。

【０００９】また、シリンダと、前記シリンダ内に偏心
回転自在に配設されたローラと、前記ローラの外周面に
先端部を摺接させるとともに、前記シリンダに半径方向
に形成された溝に摺動自在に挿入されたベーンとを備え
た回転式圧縮機において、前記ローラを、T.C ：3.00〜
3.70wt％、Si：1.50〜2.50wt％、Mn：0.50〜1.00wt％、
Ｐ：0.30wt％以下、Ｓ：0.10wt％以下、Cr：0.50〜1.20
wt％、Mo：0.15〜0.40wt％を含み、さらにNi：0.15〜0.
40wt％およびCu：0.15〜0.40wt％のうちから選ばれた１
種または２種を合計で0.15〜0.40wt％含有し、残部Feお
よび不可避的不純物からなり、かつ焼入れ・焼戻し後の
組織の黒鉛形状がASTM規格のＡタイプであり、炭化物を
面積率で3 〜10％含有し、硬さがHRC47 〜55の範囲を有
する鋳鉄製の本発明のローラで構成し、前記ベーンを10
μm 以下の微細炭化物が析出し、500 Hv以上の硬さを有
し、面積比が40〜90％の比率を有するFeを主成分とする
第１相と、前記第１相より軟質であり面積比が10〜60％
の比率を有する第２相との混合組織からなる鉄基基地組
織を主とする鉄系焼結合金材で構成することにより、相
対的に耐摩耗性を改善した回転式圧縮機とすることがで
きる。

【００１０】また、前記鉄系焼結合金材は、前記第１相
が、Ｃ：2.0 wt％以下を含み、Cr：17wt％以下、Mo：12
wt％以下、Ｗ：20wt％以下、Ｖ：６wt％以下、Ti：３wt
％以下、Nb：３wt％以下、Ｂ：３wt％以下、Co：13wt％
以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部
Feおよび不可避的不純物からなるものとするのが好まし
く、また、前記第２相が、Ｃ：0.5 wt％以下を含有する
純鉄、あるいはＣ：1.5 wt％以下、Mn：0.5 wt％以下、
Si：1.0 wt％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純物
からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5 wt％以下、Mn：0.5
wt％以下、Si：1.0 wt％以下を含有しCr：４wt％以下、
Mo：３wt％以下、Ni：５wt％以下、Ｖ：1.0 wt％以下、
Cu：5.0 wt％以下の中から選ばれた１種または２種以上
を含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる低合金鋼
のうちのいずれかからなるのが好ましく、また、前記鉄
系焼結合金材には、前記鉄基基地組織に加えて、溶浸ま
たは予め添加したCu相またはCu合金相を面積比で１〜20
％含有させるのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の構成について図３、図４
に基づいて説明する。図３は本発明の回転圧縮機用ロー
ラが適用される回転圧縮機の縦断面図であり、図４はそ
の横断面図である。回転式圧縮機は、密閉容器１内に電
動機部２と圧縮機構部３が配設されている。シャフト８
により電動機部２と圧縮機構部３とが直結され、シャフ
ト８は主軸受４と副軸受５により支持されている。

【００１２】圧縮機構部３では、シリンダ６内にローラ
７が配設され、そのローラ７にはシャフト８と偏心部11
が装入され、シャフトの回転によりローラ７がシリンダ
６内を偏心回転する。また、ベーン12は、シリンダ６の
ベーン溝13に摺動自在に挿入され、バネ14に押圧されて
その先端部がローラ７の外周面に摺接するとともに、ロ
ーラ７の偏心回転にともないベーン溝13内を摺動する。

【００１３】したがって、ベーンとローラ、およびベー
ンとベーン溝とが相対的摺動関係にある。この摺動点で
の摺動は、吸入ガス中に混入してくるオイルにより潤滑
されるが、その量は少なく、摺動点における潤滑状態は
金属接触に近い境界潤滑状態となり、冷媒に潤滑性が望
めない場合には厳しい摺動条件となる。本発明の回転式
圧縮機用ローラが適用された回転式圧縮機は、このよう
な厳しい摺動条件においても、十分耐摩耗性を発揮する
材料の組合せとなっている。

【００１４】本発明の回転式圧縮機用ローラは、T.C ：
3.00〜3.70wt％、Si：1.50〜2.50wt％、Mn：0.50〜1.00
wt％、Ｐ：0.30wt％以下、Ｓ：0.10wt％以下、Cr：0.50
〜1.20wt％、Mo：0.15〜0.40wt％を含み、さらにNi：0.
15〜0.40wt％およびCu：0.15〜0.40wt％のうちから選ば
れた１種または２種を合計で0.15〜0.40wt％を含有し、
残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ
焼入れ・焼戻し後の組織の黒鉛形状がASTM規格のＡタイ
プであり、炭化物を面積率で3 〜10％含有し、硬さがHR
C47 〜55の範囲を有する鋳鉄で構成されることを特徴と
する回転式圧縮機用ローラである。

【００１５】本発明のローラ材として用いる鋳鉄は、片
状黒鉛が分布しており、さらにCr、Mo、およびNiおよび
/ またはCuを含有して、焼入れ焼戻し処理により基地が
焼戻しマルテンサイトとされ、基地中にCrを含む炭化物
が均一に析出分散した組織となっている。また、ローラ
材の硬さは、HRC47 〜55の範囲の硬さとするのが好まし
い。硬さがHRC 47未満では、目的とする耐摩耗性が確保
できない。一方、硬さがHRC 55を超えると、材質が脆化
するため、硬さは、HRC 47〜55の範囲とした。

【００１６】また、熱処理（焼入れ焼戻し処理）された
鋳鉄のマルテンサイト基地組織中には、Crを含む炭化物
が均一に析出分散しているが、析出した炭化物の面積率
は3〜10％の範囲とする。炭化物の面積率が３％未満で
は、耐摩耗性が不十分となり、また、10％を超えると、
炭化物が粗大化し、強度が低下する。このため、マルテ
ンサイト基地中に析出する炭化物は、面積率で3 〜10％
の範囲に限定した。

【００１７】ついで、組成の限定理由について説明す
る。 Mn：0.50〜1.00wt％ Mn は、ＳをMnS として母材の劣化を防止する効果を有
しているが、0.50wt％未満ではその効果が認められず、
一方、1.00wt％を超えると、白銑化しやすくなりまた鋳
鉄の収縮も大きくなる。このため、Mnは0.50〜1.00wt％
の範囲に限定した。

【００１８】Cr：0.50〜1.20wt％ Cr は、強度の向上、耐摩耗性の向上、熱処理性の向上
のため添加する。この効果は、0.50wt％以上で認められ
るが、1.20wt％を超えると、炭化物量が増加し、母材特
性の劣化を招く。このため、Crは0.50〜1.20wt％の範囲
に限定した。 Mo：0.15〜0.40wt％ Mo は、強度の向上、耐摩耗性の向上、熱処理性の改善
のため添加する。0.15wt％未満では、目的とする効果を
得るのに不十分でり、一方、0.40wt％を超えて添加して
も、添加量に比例した顕著な効果が得られない。このた
め、Moは0.15〜0.40wt％の範囲に限定した。

【００１９】Ni：0.15〜0.40wt％およびCu：0.15〜0.40
wt％のうちから選ばれた１種または２種を合計で0.15〜
0.40wt％ Ni 、Cuは、強度の向上、耐摩耗性の向上、焼入性改善
のため添加する。0.15wt％未満では、目的とする効果を
得るのに不十分である。一方、0.40wt％を超えて添加し
ても、添加量に比例した顕著な効果が得られない。この
ため、NiまたはCuは0.15〜0.40wt％の範囲に限定した。
なお、NiとCuは同時に添加しても、何ら問題はない。同
時に添加する場合は、NiとCuの添加量の合計が0.15〜0.
40wt％の範囲となるように添加する。

【００２０】T.C ：3.00〜3.70wt％Ｃは、片状黒鉛を晶出させるために3.00wt％以上の含有
が必要であるが、3.70wt％を超えて含有すると、黒鉛が
粗大化となるためT.C は3.00〜3.70wt％の範囲に限定し
た。 Si：1.50〜2.50wt％、 Siは、片状黒鉛を晶出させるために1.50wt％以上の含有
が必要であるが、2.50wt％を超えると靱性が劣化するた
め上限とした。

【００２１】Ｐ：0.30wt％以下、Ｓ：0.10wt％以下、Ｐは、鋳鉄の耐摩耗性を向上させる元素であるが、0.30
wt％を超えると靱性が劣化する。このため、Ｐは0.30wt
％以下に限定した。Ｓは、Mnと結合して切削性を向上さ
せるが、0.10wt％を超えて含有すると、靱性が劣化す
る。このため、Ｓは0.10wt％以下に限定した。

【００２２】上記した材料で構成されたローラと、この
ローラと相性のよい材料で構成されたベーンとを組合せ
ることにより、ベーンとローラの摺動部での耐摩耗性は
著しく向上し、もっとも厳しい摺動条件となるベーンと
ローラの摺動部の耐摩耗性が著しく向上することによ
り、回転式圧縮機の信頼性がまた著しく向上するのであ
る。

【００２３】本発明のローラと相性のよいベーンは、例
えば、特開平11-140603 号公報で公知の下記のような材
料で構成するのが好ましい。本発明のローラと相性のよ
いベーンは、焼戻しマルテンサイトの基地中に10μm 以
下の微細炭化物が分散・析出し、500 Hv以上の硬さを有
し、基本的には微細炭化物が析出した組織を主とする第
１相と、前記第１相より軟質な第２相との混合組織から
なる鉄基基地組織を主とする鉄系焼結合金材から構成さ
れるのが好ましい。また、鉄基基地組織中における第１
相の比率は面積比で40〜90％とするのが好ましい。

【００２４】なお、第１相は、Ｃ：2.0 wt％以下を含
み、Cr：17wt％以下、Mo：12wt％以下、Ｗ：20wt％以
下、Ｖ：６wt％以下、Ti：３％wt以下、Nb：３wt％以
下、Ｂ：３wt％以下、Co：13wt％以下の中から選ばれた
１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純
物からなる組成を有するのが好ましい。第２相は、前記
第１相より軟質であればよく、700 Hv以下の硬さとする
のが好ましい。第２相の組成はFeを主成分とする、純
鉄、炭素鋼あるいは低合金鋼のうちのいずれかからなる
ことが好ましい。鉄基基地組織中における第２相の比率
は面積比で10〜60％とするのが好ましい。

【００２５】なお、第２相の組成は、Ｃ：0.5 wt％以下
を含有し、Feおよび不可避的不純物からなる純鉄、ある
いはＣ：1.5 wt％以下、Mn：0.5 wt％以下、Si：1.0 wt
％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる炭
素鋼、あるいはＣ：1.5 wt％以下、Mn：0.5 wt％以下、
Si：1.0 wt％以下を含有しCr：４wt％以下、Mo：３wt％
以下、Ni：５wt％以下、Cu：5.0 wt％以下、Ｖ：1.0 wt
％以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残
部Feおよび不可避的不純物からなる低合金鋼のうちのい
ずれかとするのが好ましい。第２相の選択は、目的によ
り適宜選択できる。硬さを要求される場合には、合金元
素を添加して所望の硬さとすることができる。本発明で
は、第２相に添加する合金元素量はその目的から上記し
たように比較的少量に限定するのが好ましい。

【００２６】また、本発明のローラと相性の良いベーン
を構成する焼結合金材では、上記した鉄基基地組織に加
えて、Cu相またはCu合金相を面積比で１〜20％含有させ
てもよい。また、上記したCuまたはCu合金による封孔処
理に代えて、焼結空孔を、低融点金属により溶浸させて
もよい。低融点金属は、Pb、Pb合金、Sn、Sn合金、Zn、
Zn合金が好ましい。焼結合金材では、上記した鉄基基地
組織に加えて、平均粒径：20〜100 μm 、硬さ：700 〜
1500Hvの硬質粒子を面積比で１〜20％分散させてもよ
い。硬質粒子としては、Fe−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子、Cr−
Mo−Co金属間化合物粒子、Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子のうちの
いずれでもよい。

【００２７】また、本発明のローラが適用される回転式
圧縮機のシリンダは、共晶黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄、また
はFeを主成分とした焼結合金のいずれかで構成するのが
好ましい。

【００２８】

【実施例】Ｃ：3.1 wt％、Si：1.9 wt％、Mn：0.8 wt
％、Ｐ：0.2 wt％、Ｓ：0.05wt％、Cr：1.0wt ％、Mo：
0.3 wt％、Ni：0.3 wt％を含有する鋳鉄に、焼入れ（88
0 ℃）−焼戻し（250 ℃）処理を施し回転式圧縮機用ロ
ーラ材（テストプレート）とした。焼入れ−焼戻し処理
後のローラ材組織は、光学顕微鏡観察により、基地が焼
戻しマルテンサイト、黒鉛形状がＡＳＴＭ規格のＡ型で
あることを確認した。また、画像解析装置による観察
で、炭化物含有量が面積率で８％であることを確認し
た。なお、従来例のテストプレートとしてモニクロ鋳鉄
製のローラ材を用いた。

【００２９】また、第１相となる、Ｃ：0.9 wt％、Cr：
4wt ％、Mo：5 wt％、Ｗ：6 wt％、Ｖ：2 wt％を含有す
る合金鋼粉と、第２相となる、Ｃ：0.8 wt％、Cr：3 wt
％を含有する低合金鋼粉と、Cu粉とを配合して、圧縮、
成形したのち焼結して第１相と第２相と、Cu相とからな
る複合組織を有する鉄基焼結合金材とし、さらにサブゼ
ロ処理と焼戻し処理を施して回転圧縮機用ベーン材（テ
ストベーン）とした。

【００３０】これらローラ材（テストプレート）とベー
ン材（テストベーン）とを組合わせ、図１に示す高圧雰
囲気摩耗試験機を用いて、下記に示す試験条件で摩耗試
験を実施した。なお、使用した試験片の形状を図２に示
す。試験荷重：1470Ｎ周速：500rpm 試験時間：3 h 使用油：エステル油油温度：110 ℃ 使用冷媒：Ｒ134a 雰囲気圧力：1274kPa 試験後、摩耗量を測定し、その結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１から、本発明例のローラ材では、従来
例のローラ材にくらべ摩耗量が少なく、ローラ材の耐摩
耗性が顕著に向上していることがわかる。さらに、本発
明例のローラ材とベーン材との組合せでは、ローラ材は
もちろん、相手材のベーン材の摩耗量が、従来例のロー
ラ材とベーン材の組合せの場合と比べ、顕著に低減して
いる。本発明のローラ材を用いることにより相手材の耐
摩耗性も向上し、これらを組み合わせた回転式圧縮機の
耐久性が顕著に向上すると期待される。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、耐摩耗性に優れたロー
ラが得られ、さらに相性のよい焼結合金材製のベーンを
組み合わせることにより、厳しい運転状況でも、優れた
耐摩耗性を有する信頼性の高い回転式圧縮機の製造が可
能となり、産業上格段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】高圧雰囲気摩耗試験機の概略説明図である。

【図２】高圧雰囲気摩耗試験に用いる試験片寸法形状を
示す説明図である。

【図３】本発明のローラを適用できる回転式圧縮機の１
例を示す縦断面図である。

【図４】本発明のローラを適用できる回転式圧縮機の１
例を示す横断面図である。

【符号の説明】

１密閉容器２電動機部３圧縮機構部４主軸受５副軸受６シリンダ７ローラ８シャフト１０吸入孔１１偏心部１２ベーン１３ベーン溝１４バネ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転式圧縮機用ローラであって、T.C ：
3.00〜3.70wt％、Si：1.50〜2.50wt％、Mn：0.50〜1.00
wt％、Ｐ：0.30wt％以下、Ｓ：0.10wt％以下、Cr：0.50
〜1.20wt％、Mo：0.15〜0.40wt％を含み、さらにNi：0.
15〜0.40wt％およびCu：0.15〜0.40wt％のうちから選ば
れた１種または２種を合計で0.15〜0.40wt％含有し、残
部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ焼入れ・焼戻
し後の組織の黒鉛形状がASTM規格のＡタイプであり、炭
化物を面積率で3 〜10％含有し、硬さがＨＲＣ47〜55の
範囲であることを特徴とする回転式圧縮機用ローラ。