JP2006200029A

JP2006200029A - コンプレッサ用転がり軸受

Info

Publication number: JP2006200029A
Application number: JP2005015470A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Saito; 剛齋藤; Masaru Konno; 大金野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】コンプレッサの潤滑条件が厳しい位置に使用された場合でも、寿命の長い転がり軸受を提供する。
【解決手段】第１のレース１０１および第２のレース１０２の軌道輪１０１ａ，１０２ａと、円筒ころ１０３の周面（転動面）に、下地層および中間層を介したＤＬＣ層か、拡散浸透処理によるバナジウムカーバイト（ＶＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ジルコニウムカーバイト（ＺｒＣ）、ニオブカーバイト（ＮｂＣ）、またはタンタルカーバイト（ＴａＣ）からなる金属炭化物層を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンプレッサ用転がり軸受に関する。

カーエアコン用のコンプレッサとしては、例えば、容量可変式コンプレッサがある。下記の特許文献１には、容量可変式コンプレッサの一例が記載されている。
図２に示すように、このコンプレッサは斜板式であり、ハウジング１内に配置された駆動軸２と、駆動軸２に対して傾斜角度が可変に取り付けられた斜板３と、斜板３に対してスラスト軸受５を介して摺動自在に取り付けられた円板状のウォブル板４とを備えている。斜板３は駆動軸２と共に回転し、ウォブル板４は斜板３の回転に伴って「みそすり運動」と称される動きをする。

また、ハウジング１の一端にシリンダブロック１１が固定され、他端にプーリ８が配置されている。駆動軸２の一端は、シリンダブロック１１に回転自在に支持されている。駆動軸２の他端は、クラッチ機構１８を介してプーリ８に回転自在に支持されている。駆動軸２のウォブル板４よりプーリ８側の位置に、スラスト板９が圧入されている。スラスト板９とハウジング１との間には、スラストニードル軸受１０が配置されている。
ウォブル板４の周縁部には、複数のピストンロッド６の一端が、円周方向に等間隔に取り付けである。ピストンロッド６の他端は、シリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１１ａ内を摺動するピストン７に連結されている。
また、コンプレサ内部を真空排気した後に、冷媒と潤滑油を封入している。

このコンプレッサは、クラッチ機構１８の作動により、駆動軸２の回転が開始されて駆動する。これに伴って斜板が回転し、ウォブル板４が「みそすり運動」をし、ピストンロッド６を介してピストン７が軸線方向に往復運動することにより、シリンダボア１１ａ内に流入する冷媒が圧縮されて吐出される。このとき、駆動軸２には冷媒の圧縮力がスラスト力として伝達され、スラストニードル軸受１０は、このスラスト力をスラスト板９とハウジング１との間で受けることになる。

図２には、冷媒の流れる方向が矢印で示されている。潤滑油は、冷媒にミスト状に含まれた状態となっており、冷媒によって運ばれて各部の潤滑が行われている。そして、スラストニードル軸受１０は、ピストン７から離れた位置にあることから潤滑条件が厳しく、油膜の破断が生じ易い状態になっている。
一般に、大気中で使用されている場合には、金属製の転がり軸受の転がり面（軌道輪の軌道面、転動体の転動面）に対する油膜形成が不十分となった場合、油膜が破断されて金属接触が生じたとしても、大気中の酸素によって表面酸化膜が形成されて、それ以上の金属接触が防止される。しかしながら、このコンプレッサの場合には、冷媒を入れる前にコンプレッサ内部を真空排気しているため、内部の酸素濃度が低い。よって、油膜が破断されて金属接触が生じた場合に表面酸化膜が形成され難い。
特開２００３−２９４０３９号公報

本発明の課題は、コンプレッサの潤滑条件が厳しい位置に使用された場合でも、寿命の長い転がり軸受を提供することである。

本発明は、コンプレッサの駆動軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受において、転動体および軌道輪は鉄鋼製であり、前記転動体の転動面および軌道輪の軌道面の少なくとも一方に、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、硅素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、前記下地層の構成元素および炭素（Ｃ）を含有して炭素の含有率が下地層よりも高い中間層と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が、この順に形成されていることを特徴とするコンプレッサ用転がり軸受を提供する。

本発明は、また、コンプレッサの駆動軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受において、転動体および軌道輪は鉄鋼製であり、前記転動体の転動面および軌道輪の軌道面の少なくとも一方に、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、またはタンタル（Ｔａ）を拡散浸透させて生じたバナジウムカーバイト（ＶＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ジルコニウムカーバイト（ＺｒＣ）、ニオブカーバイト（ＮｂＣ）、またはタンタルカーバイト（ＴａＣ）からなる金属炭化物層が形成されていることを特徴とするコンプレッサ用転がり軸受を提供する。

本発明の転がり軸受は、鉄鋼製の転動面および／または軌道面に、潤滑剤との親和性に優れた硬化層であるＤＬＣ層または前記金属炭化物層が形成されているため、油膜が破断されても転動面および軌道面の金属（鉄鋼）同士が接触せず、凝着摩耗が防止できる。また、前記ＤＬＣ層は、下地層および中間層を介して鉄鋼製の転動面および／または軌道面に形成されている。同様に、前記金属炭化物層は、拡散浸透により形成されたものである。よって、前記ＤＬＣ層および金属炭化物層は高応力下においても剥離されないため、これらの層による前述の凝着摩耗防止効果が長期に亙って発揮される。

前記ＤＬＣ層の形成方法としては、マグネトロンスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームアシストデポジション、イオンビームデポジション、イオンプレーティング、プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング法等を採用することができる。特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。

ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＤＬＣ膜が形成できるという利点もある。特に、ＵＢＭＳ法によるバイアススパッタリングは、ターゲット電力とバイアス電圧の制御および気体導入量の制御によって、ＤＬＣ膜の組成を制御し易いため、特に好ましい成膜法である。

ＤＬＣ層の厚さは０．５μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、またはタンタル（Ｔａ）を軌道面および／または転動面に拡散浸透させて金属炭化物層を形成する方法としては、例えば、「不均化反応」を利用した方法が挙げられる。この方法では、拡散浸透処理後に徐冷される。ここで、鉄鋼は、徐冷によりフェライトかパーライト、あるいはフェライトとパーライトの混合組織となるため、「不均化反応」で拡散浸透処理を行う場合には、焼入れ硬化してマルテンサイトを主とする組織とした後に拡散浸透処理を行うことで、軸受として必要な強度を確保する必要がある。また、炭素含有率が０．３質量％以上（好ましくは０．４質量％以上）の鉄鋼を使用することにより、芯部の硬さをＨＲＣ５８以上にする必要がある。また、拡散浸透処理の温度は８００〜１０００℃、焼入れ時の加熱温度は８２０〜８６０℃、焼戻し温度は１５０〜１８０℃とする。
金属炭化物層の厚さは５μｍ以上４０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上３５μｍ以下が更に好ましい。

本発明の転がり軸受によれば、前記転動体の転動面および軌道輪の軌道面の少なくとも一方に、潤滑剤との親和性に優れた硬化層であるＤＬＣ層または金属炭化物層が形成されていることにより、コンプレッサの潤滑条件が厳しい位置に使用された場合でも、早期摩耗が抑制されて寿命が長くなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態の転がり軸受を図１に示す。この転がり軸受１００は、第１のレース（軌道輪）１０１と第２のレース（軌道輪）１０２と円筒ころ（転動体）１０３と保持器１０４とからなるスラストニードル軸受であり、図２に示すコンプレッサのスラストニードル軸受１０として使用できる。
このスラストニードル軸受１００として、寸法が、内径４０ｍｍ、外径６０ｍｍ、高さ５ｍｍであるものを作製した。
第１のレース１０１、第２のレース１０２、および円筒ころ１０３は以下の方法で作製した。先ず、ＳＵＪ２からなる素材を各形状に加工した後、焼入れ（８２０〜８３０℃で０．５〜１．０時間）および焼戻し（１６０〜２００℃で１〜２時間）を行った。

次に、表１に示すように、No. １〜１０の各サンプルの円筒ころ１０３または両レース１０１，１０２（処理対象）に対して、それぞれ異なる処理を行った。
No. １では、円筒ころ１０３の全表面に対して、下記の方法により、ＣｒとＷからなる下地層、ＣｒおよびＷとＣとからなりＣ含有率が下地層よりも高い組成の中間層と、ＤＬＣ層を、この順に形成した。
成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとして、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、カーボン（Ｃ）を、この装置の所定位置に設置した。そして、先ず、被成膜物である円筒ころ１０３を溶剤により洗浄して、油分を除去した後に乾燥させた。

次に、乾燥後の円筒ころ１０３を成膜装置のターンテーブルに載置して、表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を２．０×１０^-5Ｐａにし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に負の電力をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。
次に、クロムとタングステンのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内にアルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った（下地層の形成）。

次に、クロムとタングステンのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを行った（中間層の形成）。
次に、カーボンのターゲット電力を印加し、クロムとタングステンのターゲット電力を０とした状態で、チャンバ内に、アルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った（ＤＬＣ層の形成）。

No. ２では、両レース１０１，１０２の全表面に対して、No. １と同じ方法により、ＣｒとＷからなる下地層、ＣｒおよびＷとＣとからなりＣ含有率が下地層よりも高い組成の中間層と、ＤＬＣ層を、この順に形成した。
No. ３では、円筒ころ１０３を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＶＣｌ₃およびＦｅ−Ｖ合金を添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、円筒ころ１０３の全表面にＶＣ層を形成した。
No. ４では、両レース１０１，１０２を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＶＣｌ₃およびＦｅ−Ｖ合金を添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、両レース１０１，１０２の全表面にＶＣ層を形成した。

No. ５では、円筒ころ１０３を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＺｒＦ₆およびＦｅ−Ｚｒ合金を添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、円筒ころ１０３の全表面にＺｒＣ層を形成した。
No. ６では、両レース１０１，１０２を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＺｒＦ₆およびＦｅ−Ｚｒ合金を添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、両レース１０１，１０２の全表面にＺｒＣ層を形成した。

No. ７では、円筒ころ１０３を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＴａＦ₇および金属タンタルを添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、円筒ころ１０３の全表面にＴａＣ層を形成した。
No. ８では、両レース１０１，１０２を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＴａＦ₇および金属タンタルを添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、両レース１０１，１０２の全表面にＴａＣ層を形成した。

No. ９では、円筒ころ１０３を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＴｉＦ₆およびスポンジチタンを添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、円筒ころ１０３の全表面にＴｉＣ層を形成した。
No. １０では、両レース１０１，１０２を、ＫＣｌ−ＢａＣｌ₂−ＮａＦにＫ₂ＴｉＦ₆およびスポンジチタンを添加した塩浴に入れて、１０２０℃に１４時間保持した後、徐冷することにより、両レース１０１，１０２の全表面にＴｉＣ層を形成した。

そして、No. １〜１０については、各サンプルの処理対象である円筒ころ１０３または両レース１０１，１０２と、処理対象でない（前処理も潤滑被膜の形成も行わない）両レース１０１，１０２とを組み合わせ、同じ保持器１０４を用いてスラストニードル軸受１００を組み立てた。なお、No. １１については、硬化層の形成を行わない円筒ころ１０３および両レース１０１，１０２を組合せ、同じ保持器１０４を用いてスラストニードル軸受１００を組み立てた。

これらのスラストニードル軸受１００を用いて摩耗試験を行った。試験条件は、アキシャル荷重（スラスト力）：１５００Ｎ、回転速度：４０００ｍｉｎ^-1、雰囲気ガス：ＨＣＦＣ１３４ａ（潤滑剤として、ＰＡＧ；ポリアルキレングリコールを含有）、試験時間：５００時間とした。
この試験の前後で、スラストニードル軸受１００の高さＨ（図１参照）を測定した。そして、高さ（Ｈ）の減少量を算出した。その結果を表１に併せて示す。

表１から分かるように、第１のレース１０１の軌道面１０１ａ、第２のレース１０２の軌道面１０２ａ、および円筒ころ１０３の周面（転動面）の少なくともいずれかに、ＤＬＣ層（下地層、中間層を介して）、ＶＣ層、ＺｒＣ層、ＴａＣ層、またはＴｉＣ層が形成されているNo. １〜１０では、高さの減少量が０．７μｍ以下と少なかった。これに対して、前記いずれの層も形成されていないNo. １１では、高さの減少量が１０．０μｍと多かった。

この結果から、第１のレース１０１の軌道面１０１ａ、第２のレース１０２の軌道面１０２ａ、および円筒ころ１０３の周面（転動面）の少なくともいずれかに、前述のいずれかの硬化層を形成することにより、スラストニードル軸受１００は、ＨＣＦＣ１３４ａ（ＰＡＧ含有）の雰囲気での早期摩耗が抑制されて、寿命が長くなることが分かる。
なお、この実施形態では、カーエアコン用コンプレッサ用のスラストニードル軸受について説明しているが、本発明の転がり軸受は、コンプレッサの種類に関わらず、コンプレッサの駆動軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受であれば、いずれの軸受にも適用できる。

例えば、図５に示す深溝玉軸受１６を、図２のコンプレッサで、駆動軸２のシリンダブロック１１側を支持するスラスト軸受１５に代えて、使用することができる。この深溝玉軸受１６は、内輪１６１、外輪１６２、玉（転動体）１６３、および保持器１６４からなる。内輪１６１、外輪１６２、および玉１６３はＳＵＪ２製である。保持器１６４は鋼板製の波形保持器であるが、合成樹脂製の冠型保持器等であってもよい。
そして、この深溝玉軸受１６の内輪１６１の軌道面１６１ａ、外輪１６２の軌道面１６２ａ、および玉（転動体）１６３の表面（転動面）の少なくともいずれかに、前述の硬化層を形成することにより、早期摩耗が抑制されて深溝玉軸受１６の寿命が長くなる。

本発明の一実施形態に相当するスラストニードル軸受を示す断面図である。容量可変式コンプレッサの一例を示す断面図である。本発明の一実施形態に相当する深溝玉軸受を示す断面図である。

符号の説明

１ハウジング
２駆動軸
３斜板
４ウォブル板
５スラスト軸受
８プーリ
９スラスト板
１０スラストニードル軸受
１１シリンダブロック
１１ａシリンダボア
１５スラスト軸受
１６深溝玉軸受（転がり軸受）
１８クラッチ機構
１００スラストニードル軸受（転がり軸受）
１０１第１のレース（軌道輪）
１０１ａ軌道面
１０２第２のレース（軌道輪）
１０２ａ軌道面
１０３円筒ころ（転動体）
１０４保持器
１６１内輪（軌道輪）
１６２ａ軌道面
１６２外輪（軌道輪）
１６２ａ軌道面
１６３玉（転動体）
１６４保持器

Claims

コンプレッサの駆動軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受において、転動体および軌道輪は鉄鋼製であり、前記転動体の転動面および軌道輪の軌道面の少なくとも一方に、
クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、硅素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、前記下地層の構成元素および炭素（Ｃ）を含有して炭素の含有率が下地層よりも高い中間層と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が、この順に形成されていることを特徴とするコンプレッサ用転がり軸受。
コンプレッサの駆動軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受において、転動体および軌道輪は鉄鋼製であり、前記転動体の転動面および軌道輪の軌道面の少なくとも一方に、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、またはタンタル（Ｔａ）を拡散浸透させて生じたバナジウムカーバイト（ＶＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、ジルコニウムカーバイト（ＺｒＣ）、ニオブカーバイト（ＮｂＣ）、またはタンタルカーバイト（ＴａＣ）からなる金属炭化物層が形成されていることを特徴とするコンプレッサ用転がり軸受。