JP2005214050A

JP2005214050A - 耐摩耗性、耐焼付き性に優れたコンプレッサ用ベーン

Info

Publication number: JP2005214050A
Application number: JP2004020393A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】ベーンとして優れた耐摩耗性・耐焼付き性を有し、相手材への攻撃性も少なく、かつ安価に製造可能なコンプレッサ用ベーンを提供する。
【解決手段】摺動部にＴｉ，ＣｒおよびＡｌの１種以上を主体とした窒化物、酸窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物のいずれかのコーティング層を有する鋼製ベーンであって、該コーティングのされるベーン素材が、質量％でＣ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：４〜２０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ５０〜６０ＨＲＣの硬さに調質されているコンプレッサ用ベーンである。該ベーン素材には、必要に応じて、Ｗ，Ｍｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で２．０％以下のグループと、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上を合計で１．５％以下のグループと、Ｎｉ：１．０％以下のグループのうちから、１グループまたは２グループ以上を適宜添加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーステアリングギヤ駆動などに用いられるコンプレッサ用ベーンの技術分野に属する。

まず、ベーン型油圧ポンプの一例の作動を図４で述べる。図４において、紙面に直角方向の一対のサイドリング９と該サイドリング９間に挟持されたカムリング４からなる閉空間内に、ロータ２が回転可能に軸支されている。ベーン１は概略直方体状の外形形状を有し、その厚み方向の両面を前記ロータ２の放射状溝３で、また両端面をサイドリング９の端面で、それぞれ摺動可能に案内されており、該ロータ２とともに矢印１０の方向に回転する。

ここで、各ベーン１は、回転による遠心力と、またはさらに後述により加圧された作動油が各ベーン１とロータ２の放射状溝３との隙間から入ることにより生じるベーン１を押し出す力等で、各案内面に直角方向の一方の面であり厚み方向に関して中高形状である頂面を、カムリング４のカム面５と常に圧接しつつ厚み方向に相対摺動しながら回転する。ロータ２と各ベーン１とカムリング４のカム面５およびサイドリング９とで区画されたポンプ室６は、ロータ２の回転により、図中左上および右下側で最大容積、左下および右上側で最小容積となるから、前記回転により作動油は、サイドリング９に設けられた吸入ポート７，７から吸入され、ポンプ室６を経てサイドリング９に設けられた吐出ポート８，８より吐出される。

ベーン１のカムリング４と接触摺動する頂面は、カム面５との相対角度変化に対応して良好な摩擦とシール状態を得るごとく、相対運動方向、つまり厚み方向に関して中高形状とされており、摺動しつつシール作用を保持する。このため、該面は形状精度、面粗度とも高精度の仕上げが要求される。カムリング４は、通常サイドリング９で両側（紙面の表裏側）から挟持されている。ベーン型ポンプは、吐出時の脈流が少なく、かつコンパクトで大圧力を発生させ得ることから、近年、自動車のパワーステアリングギア駆動用として採用されている。

パワーステアリングの普及に伴い、ベーン型ポンプの高容量化が進み、ベーンには耐摩耗性の向上が要求され、現在では鋼の中では比較的高価なＪＩＳ−ＳＫＨ５１やその相当材といった高速度鋼が使用されている。しかしながらコスト低下も同時に要求されており、特に高級鋼を使用するベーンは、ポンプ部品の中で、コスト比率が高いことから、ベーンの特性を低下させず、安価に製造する方法が種々検討されている。その例としては、ベーン頂面等、特定の面の機械加工を省略することで、コストを低減することが提案されている（特許文献１，２参照）。

すなわち、特許文献１は、素材として少なくとも一方の縁面を円弧状の凸面とした平線材料を焼ならし処理した後、所定長さに切断してベーン素材とし、これを熱処理により硬化した後、上記円弧状凸面を除く各面を研削により所定寸法に仕上げてベーンとし、この円弧状凸面を頂面として、この面をカムリングのカム面に接触するごとくポンプに組み込んでならし運転し、該ならし運転中に前記焼ならし処理中に生じさせた脱炭層を初期摩耗させることで、カムリング形状に適合した形状とすることを提案している。

また、特許文献２は、塑性加工（引抜きまたは押出し加工）により、図５における頂面１５ｃおよび底面１５ｄとなる両縁面を有する所定断面形状の平線素材１５を、図５に示すように一対のロール１１，１２で、面取部１５ｅ，１５ｆ，前面１５ａ，後面１５ｂ，曲面１５ｈ，１５ｉをロール孔形１３，１４で規制（両縁面１５ｃおよび１５ｄは拘束せず）して圧延した後、得られたフラットバーを所定長さに、望ましくはバンドソーで、またはプレスカット（剪断）により切断し、該切断面を研削するベーンの製造方法を提案している。
特開昭５８−２０６８９６号公報特開平０２−３０８９９３号公報

上述した特許文献１，２に開示される技術は、ベーンの頂面として、従来の研削加工を廃し、塑性加工による表面をそのまま使用することにより、安価なベーンを供給しようとするものである。しかしながら、ポンプ室内のシール作用を保持し、この状態を長時間持続するためには、ベーンの形状精度、面粗度とも高精度なものが必要であるため、塑性加工工程において、高度な技術管理が要求され、逆にコスト高になってしまう。

また、コンプレッサの高容量化に伴い、ベーンとカムリングの接触荷重は大きくなっていく傾向にある。相手材であるカムリングとの接触荷重が増加すると、現在使用されているＳＫＨ５１またはその相当材である高速度鋼では、素材中に高硬度のＭＣ型やＭ₆Ｃ型炭化物が不均一かつ多量に分散するため、自身の摩耗は少ない反面、相手材を攻撃し摩耗させてしまうため、ベーンとして特性が不十分であると確認できた。また高速度鋼は、高価な元素であるＷ，Ｍｏ，Ｖ等を多量に含有すること、焼入れ温度が高いこと、加工性が悪いことなど、製造コストが高い。

そこで、本発明の目的は、ベーンとして優れた耐摩耗性・耐焼付き性を有し、相手材への攻撃性も少なく、かつ安価に製造可能なベーンを提供することである。

本発明者のテストの結果、今後の高容量化に対応するためには、ベーン摺動面に硬質皮膜のコーティング処理が有効であるとわかった。しかしながら、コーティング処理の適用により、ベーンの製造コストはコーティング費用分だけ増加してしまう。そこで高価な元素を含まず、かつ加工性も良好であり、更にコーティング層の密着性に優れる材質について検討した結果、コーティング層の主成分およびベーン素材の成分を特定範囲内にすることで、優れた耐摩耗性・耐焼付き性を有し、相手材への攻撃性も少なく、かつ安価に製造が可能となることを知見し、本発明に至った。

すなわち、本願の第１発明は、摺動部にＴｉ，ＣｒおよびＡｌの１種以上を主体とした窒化物、酸窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物のいずれかのコーティング層を有する鋼製ベーンであって、該コーティングのされるベーン素材が、質量％でＣ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：５〜２０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ５０〜６０ＨＲＣの硬さに調質されていることを特徴とする耐摩耗性、耐焼付き性に優れたコンプレッサ用ベーンである。

そして本願の第２発明は、前記第１発明に記載されるベーン素材に、質量％にて、Ｗ，Ｍｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で２．０％以下のグループと、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上を合計で１．５％以下のグループと、Ｎｉ：１．０％以下のグループのうちから、１グループまたは２グループ以上を適宜添加したものである。

従来使用されていたＳＫＨ５１またはそれに相当材の高速度鋼製ベーンでは、コンプレッサの高容量化に伴うベーンとカムリングの接触荷重の増大によって、ベーン素材中に不均一かつ多量に分散するＭＣ型やＭ₆Ｃ型炭化物が相手材を攻撃し摩耗させてしまい、その結果焼付き荷重が低く、性能的に必ずしも十分でなかった。

本発明の耐摩耗性、耐焼付き性に優れたコンプレッサ用ベーンは、素材の冷間加工が容易に行えるだけでなく、焼入れ保持温度も１０００〜１１００℃と高速度鋼に比べ低い温度で実施可能であるため、連続焼入れ方式等の適用が可能となりベーン素材の製造コストが大幅に低減できる。更に熱処理調質後、ＰＶＤ等のコーティング温度において軟化しないため、硬質皮膜の密着性も十分であることが特徴であり、安価な素材であるだけでなく、コーティングの製品歩留まりも向上し、トータルコストの低減が可能となる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、冷間加工が容易に行なえ、焼入れ保持温度も１０００〜１１００℃と高速度鋼に比べ低い温度で実施でき、ＰＶＤ等のコーティング温度（４００〜５００℃）においても軟化しないベーン素材に、硬質皮膜のコーティング層を適用したことにある。これによりコンプレッサ用ベーンの高性能化と低価格化をベーン素材の化学組成を最適化することによって実現した。以下に本発明の成分および数値の限定理由について述べる。

Ｃは、焼入れ性および焼戻し硬さを維持し、またＣｒやＷ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素と結合し、結晶粒の微細化と、軟化抵抗の向上を付与するために添加する。上記の効果を得るためにＣは最低０．３％必要であるが、過度の含有はベーン素材の冷間加工性の低下および粗大炭化物の析出を招き、靭性および研削性を低下させるので１．０％以下に限定する。Ｃの望ましい範囲は０．４〜０．９％である。

Ｓｉは、通常脱酸剤として添加される他に、ベーン素材の焼戻し軟化抵抗を高めて基地を強化する。しかし、１．５％を超えて添加すると冷間における加工性を低下させるため、Ｓｉは１．５％以下とする。Ｓｉの望ましい添加量は０．１〜１．０％である。

Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として添加される他に、ベーン素材の焼入れ性を向上させて基地を強化する上で有効である。しかし、１．５％を越える添加は、焼鈍時の硬さを上昇させ冷間加工性を低下させる。そのため、Ｍｎは１．５％以下とする。望ましいＭｎの添加量は０．１〜０．８％である。

Ｃｒは、焼入れ性向上の効果を有する。また、焼戻し時にＣと結合し炭化物を形成するため、軟化抵抗の向上に効果がある。上記効果を得るためには４％以上の添加が必要であるが、２０％を越えて添加すると、凝固時に粗大な炭化物を形成し、ベーン用素材の冷間加工性を極端に低下させる。そのため、Ｃｒの添加量は４〜２０％とする。望ましくは８〜１５％である。

Ｗ，Ｍｏは、焼戻し時に微細な特殊炭化物として析出し、焼戻し硬さを高める元素である。ただし、過度の添加は、高硬度の炭化物の著しい析出を招き、冷間加工性および靭性を極端に低下させる。また、比較的高価な原料であることから、添加する場合にはＷ，Ｍｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で２．０％以下の範囲で添加する。望ましくは同式で０．１〜２．０％、更に望ましくは０．３〜２．０％である。

Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉは、焼戻し時にＣと結合し炭化物の中でも高い硬さを有するＭＣ型炭化物を形成し、基地の硬さを向上させる。また、焼入れ温度保持中においてもＭＣ型炭化物は固溶しにくいため、結晶粒を微細化し靭性を向上させる。しかしながら、１種または２種以上の合計の添加量が１．５％を越えると、凝固時に巨大なＭＣ型炭化物を形成するため、冷間加工性を著しく劣化させる。そのため、添加する場合のＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉの添加量は、１種または２種以上の合計で１．５％以下とする。望ましい添加量は合計で１．０％以下である。

Ｎｉは、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ等とともに焼入れ性の向上に有効であり、また基地の本質的な靭性改善効果を与えるため必要に応じて添加する。しかしながら、１．０％を越えて添加すると、ベーン素材の冷間加工性および研削性を極端に低下させる。また、Ｎｉは高価な原料であるため、必要以上の添加はベーンのコストを上昇させる。そのため、添加する場合のＮｉの添加量は１．０％以下とする。ベーンとして特に靭性が必要な場合に望ましくは、０．１〜０．５％である。

本発明に係る素材成分系のベーンにおいて、コーティング層とそのベーン素材の密着性を確保するために、素材硬さを５０〜６０ＨＲＣに調質することが重要である。５０ＨＲＣ未満では使用中にコーティング層が容易に剥離してしまい、早期に焼付きが発生する。しかしながら、６０ＨＲＣを超えると、密着性については問題ないものの、ベーン製造時の研削性が低下し、ベーンの製造コストが上昇してしまう。そのため、ベーンとしてのコーティング層の密着性と製造時の研削性を考慮し、ベーン素材の硬さは５０〜６０ＨＲＣとする。望ましくは、５３〜５８ＨＲＣである。

表１の、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の化学成分からなる熱間圧延後焼鈍したφ１０ｍｍの丸線素材を準備した。素材Ａ〜Ｓは本発明のベーン素材の化学成分範囲であり、素材Ｔ〜Ｘは本発明の同化学成分範囲を外れるものである。また、素材ＷはＡＩＳＩ−Ｍ５０、素材ＸはＪＩＳ−ＳＫＨ５１で、いずれも従来ベーン素材に使用されている高速度鋼である。以上の素材を用い各種評価試験を行った。

はじめにφ１０ｍｍの丸線素材を用い、加工性評価を目的に冷間および温間圧延によって一方の縁面が円弧状である平線素材の製造を行った。その後、個取り切断し、所定の硬さを得るため、焼入れ焼戻しの熱処理および仕上げ研削加工を行い、図１に示す摩耗試験用のベーンを得た。そして作製したベーンの一部については、アークイオンプレーティング装置にて、圧力２．０ＰａのＡｒ雰囲気中で、被覆母材に−４００ＶのＢｉａｓ電圧を印可し、６０分の熱フィラメントによるプラズマクリーニングを行った後、金属成分の蒸発源である各種金属製ターゲットならびに反応ガスとしてＮ_２ガスを用い、被覆母材温度４５０℃、反応ガス圧力３．０Ｐａ、−５０ＶのＢｉａｓ電圧にて層厚が５μｍとなるようベーン円弧状面に成膜を行って、摩耗試験用のベーンに仕上げた。耐摩耗性の評価は、図２に示す摩耗試験方法にて行い、この時のベーンの摩耗幅を測定した。

また、同材質、同焼入れ焼戻し熱処理にて５ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍの耐焼付き性試験片を加工後、摩耗評価用ベーンと同一のコーティング処理を施し、図３に示す断面図およびそのＡ−Ａ矢視図のリケン式ピンオンディスク試験機にて、焼付発生荷重を測定し、各供試材の耐焼付性を評価した。表２に各供試材の素材加工性（加工の可能であった条件）、熱処理硬さ、適用したコーティング層、摩耗試験および耐焼付性試験の結果を示す。

表２に示すように、本発明品は、ベーン素材の加工性は良好で、φ１０ｍｍの丸線素材から平線素材への加工が冷間圧延のみで加工できた。また、コーティング層の剥離が発生しないため、ベーンの摩耗幅は極めて少なく、焼付き荷重も高い（荷重が３０．０ＭＰａに達しても焼付かず）。これより本発明品は、低コストに素材が生産でき、ベーンとしての特性も著しく高いことがわかる。

比較品Ｎｏ．３０，３１，３２，３４は、本発明品と硬さのみが異なるものであるが、本発明に規定したベーン素材の硬さを外れることで、コーティング層が剥離してしまい、焼付き荷重は本発明品ほど向上しないことがわかる。また、ベーン素材の化学組成が本発明範囲外である比較品Ｎｏ．３５，３６は、ベーンとしての諸特性は問題ないものの、素材の加工において冷間圧延が行えないため、素材コストが本発明品に比べ高くなってしまう。

以上の実施例では、ベーンは頂面を研削仕上げし、かつ熱処理は個取り切断後行うもので評価したが、本発明のベーンは、技術管理を強化することにより、頂面の研削仕上げを省略するものに適用してもよく、また熱処理は長尺の塑性加工によるコイル材を一方端側から、焼入れ炉を通過させる連続方式とするものとしてもよい。特に本発明での前記連続方式は、素材の焼入れ温度が従来材より低下されているのでその採用が容易となり、かつ生産性が高く、傷の発生を極少とし得るから、低コスト化、高品質化に適している。

また、本発明の耐摩耗性・耐焼付き性に優れ、相手材への攻撃性も少ないコーティング層としては、ＴｉＮ，ＴｉＢＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＶＮ，ＣｒＮ，ＣｒＢＮ，ＣｒＡｌＮについての実施例を評価したが、ＴｉＳｉＮ，ＣｒＳｉＮといったＳｉを適量添加した硬質皮膜や、ＴｉＮＯ，ＴｉＡｌＮＯ等の酸窒化物、ＴｉＣＮ，ＣｒＣＮ等の炭窒化物、ＴｉＣＯＮ，ＣｒＡｌＣＯＮ等の酸炭窒化物の適用によっても同効果が得られる。

本発明は、コンプレッサ用ベーンについて述べたものであるが、例えばバルブ用シム、リフタ、燃料噴射用コンプレッサに使用されるロータ等、今後、摩擦圧力が増大し、同様の環境にさらされる摺動部品にも適用が可能である。

実施例で使用した、ベーンの形状例を示す模式図である。実施例で使用した、高速往復動試験方法を示す図である。実施例で使用した、リケン式ピンオンディスク試験方法を示す図である。ベーンポンプの構造例を示す模式図である。特許文献２の技術を説明する図である。

符号の説明

１ベーン、２ロータ、３放射状溝、４カムリング、５カム面、６ポンプ室、７吸入ポート、８吐出ポート、９サイドリング、１０回転方向を示す矢印、１１，１２ロール、１３，１４ロール孔形、１５平線素材、１５ａ前面、１５ｂ後面、１５ｃ頂面、１５ｄ底面、１５ｅ，１５ｆ面取部、１５ｈ，１５ｉ曲面

Claims

摺動部にＴｉ，ＣｒおよびＡｌの１種以上を主体とした窒化物、酸窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物のいずれかのコーティング層を有する鋼製ベーンであって、該コーティングのされるベーン素材が、質量％でＣ：０．３〜１．０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：４〜２０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ５０〜６０ＨＲＣの硬さに調質されていることを特徴とする耐摩耗性、耐焼付き性に優れたコンプレッサ用ベーン。
ベーン素材は、質量％にて、Ｗ，Ｍｏの１種または２種を（１／２Ｗ＋Ｍｏ）で２．０％以下のグループと、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上を合計で１．５％以下のグループと、Ｎｉ：１．０％以下のグループのうちから、１グループまたは２グループ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性、耐焼付き性に優れたコンプレッサ用ベーン。