JP2014084826A

JP2014084826A - ロータリーコンプレッサー用ベーン

Info

Publication number: JP2014084826A
Application number: JP2012235671A
Authority: JP
Inventors: Rintaro Takahashi; 林太郎高橋; Koji Henmi; 浩二逸見
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-12
Also published as: CN104520588B; CN104520588A; WO2014065257A1

Abstract

【課題】ロータリーコンプレッサーに適用することが可能な、軽量で、かつ封孔処理しなくても空孔が連通しない、鉄基焼結合金ベーンを提供する。
【解決手段】鉄を主体とする焼結体に、密度5.5 g/cm³以下の低比重の化合物粒子を分散させることで、焼結体強度を維持して軽量化を図り、また、鉄マトリックスの焼結性を上げることにより、空孔の連通しない焼結体を得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリーコンプレッサーに適用される鉄基焼結合金ベーン（以下「焼結鉄ベーン」ともいう）に関する。

ベーン型のロータリーコンプレッサーは、一例として、図１に示すように、内周断面が非円形のシリンダー２の内側を回転運動するローター１を有し、ベーン３はローター１の外周部に形成された溝に挿入され、図示しないバネや油圧、さらには回転運動の慣性力によって背面からシリンダー２に向けて付勢されることで、ベーン３の先端部とシリンダー２の内周面が当接し、ベーン３、ローター１、シリンダー２、及び図示しないサイドプレートによって複数の作動空間６をシリンダー２内に形成する。ローター１にはシャフト７が締結されており、図示しない動力源によってシャフト７を回転させることで、ローター１がシリンダー内で回転する。ローター１が回転すると、作動空間６の容積変化が生じるため、吸入口４から冷媒ガスを吸入し、作動空間６内の冷媒ガスを圧縮し、吐出口５から圧縮された冷媒ガスを吐出してコンプレッサーとして作用することになる。ベーン型ロータリーコンプレッサーとしては、図１に示すものの他に、シリンダー２の内周断面を円形としシリンダー２の中心とローター１の中心を偏芯させる形式のものも、ベーン３がロータ−１の外周部ではなくシリンダー２側に配されるものもある。

このような機構の中で使用されているベーン３の当接面には高い荷重が作用するため、耐摩耗性の高い材料が要求されている。これまで、高クロム鋳鉄、マルテンサイト系ステンレス（SUS440C）、高速度工具鋼（SKH51）等の溶製材料、高速度工具鋼（SKH51）焼結材料、高強度アルミニウム合金、アルミニウム含浸カーボン等が使用されてきた。高強度アルミニウム合金やアルミニウム含浸カーボン等は、鉄系材料に比べ軽量のため、コンプレッサーの重量低減や、ローター回転時のベーンの慣性力の低減、さらには静粛性等の利点を有しているものの、材料費が高価であるという問題を有している。

鉄系材料のベーン（以下「鉄ベーン」という）と高強度アルミニウム合金のベーン（以下「アルミベーン」という）を対比すると、鉄ベーンは、比重（密度）がアルミベーンの約3倍となることから、ローター回転時のベーンの慣性力がアルミベーンに比べて非常に大きくなる。このため、ベーンとシリンダーのそれぞれの摺動部や、ベーンのローターやサイドプレートとの接触部の摩耗が増大する問題や、ローターの回転始動時にベーンとシリンダーとの衝突音が大きくなるという問題があった。

これらに対応したものとして、特許文献１には、ベーンに肉抜き部を形成して軽量化し、摩耗の低減を図り、更に肉抜き部にゴムや樹脂等を嵌挿して騒音を低減した鉄ベーンが開示されている。

また、特許文献２には、C：0.6〜1.3％、Cr：3.4〜4.8％、Mo：3.6〜5.5％、V：1.4〜3.0％、W：5.2〜7.0％の工具鋼粉末から、ある割合の空孔を持たせることにより焼結密度を6.0〜7.4 g/cm³として、空孔のないものに対して硬度を大幅に低下させ、摺動相手のローターとシリンダーの摩耗を減少させた焼結鉄ベーンが開示されている。さらに、特許文献３には、特許文献２の鉄ベーンにスチーム処理等による封孔処理を施し、さらに軟窒化処理を行うことも開示されている。

しかしながら、特許文献１や特許文献２による焼結鉄ベーンは、肉抜き部の形成や空孔を持たせて低密度化することにより、同じ組成の溶製鉄ベーンに対して軽量化（例えば、約15％）がなされているが、摩耗や音の問題を十分解決できていないのが実情である。さらなる肉抜き部の形成やさらなる低密度化による軽量化は、空隙部や空孔の増加による材料強度の低下や摩耗量の増大、使用中の座屈、折損の恐れ、あるいは空孔の連通による冷媒ガスのリーク量の増加が生じる恐れをもたらす。

特開２００６−３２２４１４号公報特開平８−４９０４８号公報特開平１１−１３６６８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、軽量で、かつ封孔処理しなくても空孔が連通しない、ロータリーコンプレッサーに適用される鉄基焼結合金ベーンを提供することを課題とする。

本発明者達は、焼結鉄ベーンについて鋭意研究の結果、鉄を主体とする焼結体に低密度の化合物粒子を分散させることで、焼結体強度を維持して軽量化を図ることができ、また鉄マトリックスの焼結性を上げることにより、空孔の連通しない焼結体を得ることができることに想到した。

すなわち、本発明の鉄基焼結合金ベーンは、ロータリーコンプレッサーに用いられるベーンであって、密度5.5 g/cm³以下の化合物粒子を分散した鉄を主成分とする焼結体からなり、前記焼結体の密度が5.4〜6.5 g/cm³の範囲にあることを特徴とする。前記化合物粒子は、耐摩耗性及び／又は潤滑性に優れていることが好ましく、Al、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、及びアルカリ土類金属若しくは希土類のフッ化物若しくは酸化物から選択された少なくとも1種又は2種以上からなることがより好ましい。また、前記化合物粒子は平均粒径が1〜200μmであり、分散量が15〜45体積％であることがさらに好ましい。

前記焼結体のマトリックスは、質量％で、C：0.2〜2.0％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5〜10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることが好ましい。

また、本発明の鉄基焼結合金ベーンの製造方法は、鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造され、化合物粒子を分散した鉄を主成分とする、密度が5.4〜6.5 g/cm³の焼結体からなるロータリーコンプレッサーに用いられる鉄基焼結合金ベーンの製造方法であって、前記焼結体の化合物粒子の密度が5.5 g/cm³以下であることを特徴とする。前記焼結体のマトリックスに添加されたC以外の合金元素は、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することが好ましい。

本発明の鉄基焼結合金ベーンは、従来の溶製鉄ベーンに比べ軽量であり、ローター回転時の慣性力を抑制し、ベーンとシリンダーの摺動部、またベーンのローター及びサイドプレートとの接触部の摩耗を大幅に削減でき、さらにローター始動時の衝突音も軽減する。一方、マトリックスの焼結性を上げること、すなわち、C以外の合金元素がSi、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することによって、化合物粒子を複合しても、緻密な焼結体が得られるため、空孔が連通せず、気密性の高い焼結鉄ベーンを得ることができる。よって、ある割合の空孔を持たせた従来の焼結鉄ベーンで生じた、冷媒ガスのリークの問題も回避することができる。もちろん、スチーム処理等の封孔処理も不要となる。軽量化に加え、耐摩耗性及び／又は潤滑性を備えた化合物粒子を使用すれば、さらなる耐摩耗性の向上が可能となり、ベーンへの浸炭や浸硫、めっきなどの表面処理も不要となる。

本発明の鉄基焼結合金ベーンが適用されるロータリーコンプレッサーの一例の断面の概略を示した図である。本発明の実施例１の焼結体の顕微鏡組織を示した写真である。本発明の鉄基焼結合金ベーンの耐摩耗性評価に用いた摩耗試験機の概略を示した図である。

本発明の鉄基焼結合金ベーンは、鉄を主体とした合金のマトリックスと、マトリックス中に分散した化合物粒子で構成され、密度が5.4〜6.5 g/cm³の範囲にある。また、分散する化合物粒子の密度は5.5 g/cm³以下とする。焼結体の密度が5.4 g/cm³未満であると、本発明の焼結体は強度的に十分でなく、摩耗量が増大してしまう。他方、焼結体の密度が6.5 g/cm³を超えると、軽量化が十分でない。よって、化合物粒子は、例えば、Al、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、アルカリ土類金属のフッ化物又は酸化物、希土類のフッ化物又は酸化物などから選択された化合物粒子が好ましい。密度の点からは、h-BN（密度2.2 g/cm³）、CaF₂（密度3.18 g/cm³）、Si₃N₄（密度3.22 g/cm³）、AlN（密度3.26 g/cm³）、c-BN（密度3.48 g/cm³）が好ましく、化学的安定性の点からは、Al₂O₃（密度3.98 g/cm³）、h-BN、c-BN、AlN、CaF₂、等が好ましい。また潤滑性の点からは、h-BN、CaF₂、MnS（密度3.99 g/cm³）、等が好ましい。但し、平板状の形状をもつh-BNは、h-BN同士が接触する確率が高く、h-BN近傍に形成される空孔が連通してしまう恐れが高いので、分散量等に注意を要する。本発明の焼結体は、鉄系粉末、合金化粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造される。成形体マトリックス中の化合物粒子の体積が圧縮により減少しないという点、すなわち、低密度を維持するという点では、化合物粒子は非圧縮性の粒子が好ましい。特にCaF₂は上記の全ての点で好ましい。もちろん、耐摩耗性を担うAl₂O₃等の耐摩耗化合物粒子と、潤滑性を担うMnS等の潤滑性化合物粒子とを併せて使用することも好ましい。なお、化合物粒子は、平均粒径が1〜200μmのものを使用することができ、最適な分散量は化合物粒子の種類やサイズ、形状に依存する。一般に、鉄系粉末と化合物粒子を複合すると、化合物粒子は焼結を阻害する働きをするので、化合物粒子同士が接触する複合量になると緻密化も困難になる。よって、平均粒径が5〜100μmで等軸形状の化合物粒子であれば、分散量を15〜45％とすることが好ましく、20〜40％とすることがより好ましい。

本発明では、比較的多量の化合物粒子を複合して焼結体を緻密化するため、マトリックスは易焼結性であることが好ましい。しかし、マトリックスの耐摩耗性のため、焼結性を阻害しない程度の合金化元素も必要である。焼結体のマトリックスは、質量％で、C：0.2〜2％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5〜10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることが好ましい。前記Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された合金元素が0.5〜5％であればさらに好ましい。Cは、マトリックスに固溶してマトリックス強化の効果があるとともに、他の合金化元素と炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。0.2〜2％のC添加量は、マルテンサイト及び／又はパーライトのマトリックス組織となって、適度な靱性を備えるとともに耐摩耗性を向上する。Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上の合金元素は、基本的には、マトリックスの硬さと強度を向上させ、あるいは微細で硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。

本発明の鉄基焼結合金ベーンは、鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造される。化合物粒子の密度は5.5 g/cm³以下とし、またマトリックスに添加する合金化粉末の量は0.5〜10質量％に規制される。鉄系粉末としては、鉄粉あるいは予め所定の組成に合金化した合金粉末（プレアロイ合金粉末）を用いてもよく、合金化粉末はフェロアロイが好ましい。また、鉄粉は45〜150μmにピークを有する水アトマイズ鉄粉が好ましい。原料粉末の混合粉末には、原料粉末の合計量に対して、0.5〜2質量％のステアリン酸塩等を離型剤として配合しても良い。焼結は、プレス成形した成形体を、真空又は非酸化性若しくは還元性雰囲気中で、1050〜1200℃の温度範囲で焼成することによって行うのが好ましい。還元性雰囲気としては、具体的にはNH₃やN₂とH₂の混合ガス等を用いた雰囲気とすることが好ましい。

実施例１〜４並びに比較例１及び２
マトリックスの組成がC：1質量％、Cu：3質量％、残部がFeで、化合物粒子としてCaF₂が20、30、40、10体積％（実施例１〜４）となるように、平均粒径75μmの水アトマイズ鉄粉に、黒鉛粉末と、電解Cu粉末と、平均粒径45μmのCaF₂粉末を、所定の配合量で混練した混合粉末を原料粉末とした。この原料粉末を金型に充填し、5 ton/cm²でプレス成形した。但し、比較例１及び２（化合物粒子を含まない）においては、ある割合の空孔を持たせるようプレス成形の圧力を3.5 ton/cm²とした。得られた成形体を1120℃の真空雰囲気にて焼結し、30 mmφ×4 mmの円板状焼結体のガスリーク試験片と、5 mm×5 mm×30 mmの棒状焼結体の摩耗試験片素材を作製した。比較例１については、酸化雰囲気中で560℃に加熱してスチームと反応させ、表面に四三酸化鉄（Fe₃O₄）を生成させるスチーム処理を行った。

実施例１〜４並びに比較例１及び２の焼結体について、アルキメデス法により密度を測定し、また、実施例１の鏡面研磨した面を光学顕微鏡により観察した。各焼結体の密度は表１に示すとおり、空孔を持たせた比較例１及び２でも6.8 g/cm³であった（スチーム処理では密度の変化は見られなかった）のに対し、実施例１〜４では5.5〜6.4 g/cm³とさらに軽量化されている。また、光学顕微鏡写真を図２に示すが、明白色のマトリックス８、暗灰色のCaF₂粒子９、及びCaF₂粒子の周辺に微細な空孔（ポア）１０から構成される。CaF₂粒子９はマトリックス８の介在により３次元的に分離、独立しているため、空孔１０も連通（局部的な連通はあったとしても、試験片の一方の面から反対の面まで連通してはいない）していないことが分かる。

[1] ガスリーク試験
ガスリーク試験は、作製したガスリーク試験片を、鋼管内の通気経路を遮断するように配置し、一端より試験ガスを流入し、試験片を通過したガス流量を測定することによって行った。結果は、表１に示すが、比較例１のガスリーク量を１とした相対比率で示している。実施例１〜４は、スチーム処理した比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減されていることが分かる。

[2] 耐摩耗試験
耐摩耗試験は、図３に示す摩耗試験機を用い、ベーン材として耐摩耗試験片素材から先端をR形状に研磨した摩耗試験片１１を、シリンダー相当材（アルミニウム合金、A390）からなる回転するドラム型摺動相手材１２に、所定の荷重（図３ではエアシリンダー１３を用いている）で押し付けて行った。試験前後での摩耗試験片の深さ方向の形状変化を摩耗量として算出した。なお、潤滑油供給管１４から所定の速度で潤滑油が供給されている。試験条件は、試験温度：100℃、試験時間：5時間、摺動速度：1.0 m/sec、荷重：100 N、潤滑油供給量：300 cc/minとした。結果は、表1に示すが、比較例１の摩耗量を10とした相対比率で示している。摩耗量においても、実施例１〜４は比較例２の1/3以下に低減されていることが分かる。

実施例５
化合物粒子としてCaF₂粒子の代わりに、平均粒径10μmのAl₂O₃粒子を使用した以外は実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.2 g/cm³、ガスリーク比率は0.96、摩耗量比は2.1であった。

実施例６
化合物粒子として平均粒径45μmのCaF₂粒子の代わりに、平均粒径70μmのCaF₂粒子を使用し、マトリックスの合金元素として3.0質量％のCuの代わりに、1.0質量％のMoを使用した以外は実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.1 g/cm³、ガスリーク比率は0.78、摩耗量比は2.3であった。

比較例３
3.0質量％のCuとなる電解Cu粉末の代わりに、マトリックスのCrが10.5質量％となるようにフェロクロム粉末を使用した以外は比較例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製し、さらに比較例１と同様にしてスチーム処理を行った。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.4 g/cm³、ガスリーク比率は4.50、摩耗量比は13.0であった。

比較例４
1.0質量％のCとなる代わりに、2.2質量％のCとなるように添加量を調整した黒鉛粉末を使用した以外は比較例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製し、さらに比較例１と同様にしてスチーム処理を行った。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.7 g/cm³、ガスリーク比率は2.40、摩耗比率は9.5であった。

実施例７〜１０
マトリックスが表２に示すような組成になるように数種のフェロアロイ粉末を使用した以外は、実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果を表３に示すが、実施例７〜１０は、ガスリーク量は比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減され、摩耗量においても、比較例１、２よりも少ない結果であった。

実施例１１〜１６
化合物粒子としてCaF₂の代わりに、表４に示す化合物粒子を使用した以外は、実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果も同表４に示すが、実施例１１〜１６は、ガスリーク量は比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減され、摩耗量においても、比較例１、２よりも少ない結果であった。

実施例１１のAl₂O₃/MnSは体積％で10/10であり、その他の化合物粒子の量は20体積％である。

1 ローター
2 シリンダー
3 ベーン
4 吸入口
5 吐出口
6 作動空間
7 シャフト
8 マトリックス
9 化合物粒子（CaF₂粒子）
10 空孔（ポア）
11 摩耗試験片（ベーン材）
12 ドラム型摺動相手材
13 エアシリンダー
14 潤滑油供給管

Claims

ロータリーコンプレッサーに用いられるベーンであって、密度5.5 g/cm³以下の化合物粒子を分散した鉄を主成分とする焼結体からなり、前記焼結体の密度が5.4〜6.5 g/cm³の範囲にあることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
請求項１に記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記化合物粒子がAl、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、及びアルカリ土類金属若しくは希土類のフッ化物若しくは酸化物から選択された少なくとも1種又は2種以上からなることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記化合物粒子の平均粒径が1〜200μmであり、分散量が15〜45体積％であることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
請求項１〜３の何れかに記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記焼結体のマトリックスが、質量％で、C：0.2〜2.0％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5〜10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造され、化合物粒子を分散した鉄を主成分とする、密度が5.4〜6.5 g/cm³の焼結体からなるロータリーコンプレッサーに用いられるベーンの製造方法であって、前記化合物粒子が密度5.5 g/cm³以下であることを特徴とする鉄基焼結合金ベーンの製造方法。
請求項５に記載の鉄基焼結合金ベーンの製造方法であって、前記焼結体のマトリックスに添加されたC以外の合金元素がSi、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することを特徴とする鉄基焼結合金ベーンの製造方法。