JP2016176382A - 摺動部材及びその製造方法、並びに圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて摺動特性を向上させた摺動部材及びその製造方法、並びに、圧縮機としての圧縮特性及び信頼性を向上させた圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】摺動部材（１０）は、基材（１３）と、基材（１３）の表面に形成された固体潤滑膜（１５）と、固体潤滑膜（１５）を貫通して基材（１３）にまで形成された孔（１４）と、を有する。本発明における摺動部材（１０）を圧縮機に適用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、相手側部材と相対的に摺動する摺動部材及びその製造方法、並びに、空調機、冷凍機、及び給湯機等に用いられる圧縮機に関する。

以下に示す特許文献１には、冷媒粒体を圧縮するための圧縮機構を構成する鉄系摺動部品の発明が開示されている。

特許文献１では、冷媒ガスで希釈された潤滑油下での耐摩耗性確保、及び機械信頼性の向上を狙って、鉄系摺動部品の素地表面に酸窒化層を形成し、さらにその上層に四三酸化鉄を主成分とする多孔質酸化鉄被膜を形成する摺動部材の構成が提案されている。

図１０は、特許文献１に開示された図１に示す摺動物品をもとに図示した摺動部材の部分断面図である。

図１０に示す摺動部材９０は、基材９１の表面に凹凸構造層９２が形成されている。

図１０に示すような摺動部材９０の構成により、特許文献１では、油膜保持機能に優れる等としている。

特開平９−２２８９７２号公報

しかしながら、図１０に示す摺動部材９０の構成では、回転時のどのような環境下においても、油膜切れを防止するには至らなかった。特に、低速回転時や回転始動時には、摺動部材９０と相対的に摺動する相手側部材との間で油膜切れが生じて、摺動特性が悪化する問題があった。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、従来に比べて摺動特性を向上させた摺動部材及びその製造方法、並びに、圧縮機としての圧縮特性及び信頼性を向上させた圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の摺動部材は、基材と、前記基材の表面に形成された固体潤滑膜と、前記固体潤滑膜を貫通して前記基材にまで形成された孔と、を有することを特徴とする。

この構成により、固体潤滑性及び潤滑油保持性を発揮することができ、低速回転時や始動時の油膜切れ状態を抑制でき、仮に一時期、油膜切れ状態が生じたとしても、摺動特性を向上させることができる。

また本発明では従来に比べて効果的に、前記孔を、潤滑油溜めとして機能させることができる。

また本発明では、前記孔を含む前記基材の部分は、前記基材の表面を酸化処理した表面改質層であることが好ましい。このように、基材の表面部分だけを表面改質して孔を形成することができる。

また本発明では、記表面改質層が、酸化アルミニウムあるいは、酸化鉄であることが好ましい。

また本発明では、前記固体潤滑膜が、四フッ化エチレン樹脂、及び／又はポリイミド樹脂を含む樹脂であることが好ましい。

また本発明の圧縮機は、上記のいずれかに記載された摺動部材を有し、前記摺動部材の前記固体潤滑膜の表面が相手側部材と相対的に摺動する摺動面であることを特徴とする。これにより、摺動特性を向上させることができ、圧縮機としての圧縮特性及び信頼性を向上させることができる。

本発明の摺動部材の製造方法は、基材の表面に固体潤滑膜を形成する工程、前記固体潤滑膜を貫通し前記基材にまで形成された孔を設ける工程、を有することを特徴とする。

また本発明の摺動部材の製造方法は、前記基材の表面に凹部を形成する工程、前記凹部内に昇華物を埋設する工程、前記前記基材上に固体潤滑剤を塗膜する工程、前記昇華物を昇華させ、前記昇華物が前記固体潤滑剤を突き破り、前記基材に形成された凹部と貫通する孔を有する固体潤滑膜を形成する工程、を有することを特徴とする。

これにより、基材と、基材の表面に形成された固体潤滑膜と、固体潤滑膜を貫通して前記基材にまで形成された孔と、を有する摺動部材を簡単且つ適切に形成することができる。

本発明では、前記昇華物が水、及び／又は二酸化炭素であることが好ましい。

本発明の摺動部材によれば、固体潤滑性及び潤滑油保持性を発揮することができ、低速回転時や始動時等の油膜切れ状態を抑制でき、摺動特性を向上させることができる。

また本発明の圧縮機によれば、摺動特性を向上させることができ、圧縮特性及び信頼性を向上させることができる。

本実施の形態に係る摺動部材を備えた圧縮機の部分断面図である。 図１に示す圧縮機を構成する圧縮機構部をＡ−Ａ線から切断し矢印方向から見たときの部分断面図である。 本実施の形態に係る摺動部材を示す断面概略図である。 本実施の形態に係る摺動部材の摺動時の状態を説明するための説明図である。 本実施の形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための工程図である。 図５の次に行われる工程を示す摺動部材の製造方法の工程図である。 図６の次に行われる工程を示す摺動部材の製造方法の工程図である。 図７の次に行われる工程を示す摺動部材の製造方法の工程図である。 図８の次に行われる工程を示す摺動部材の製造方法の工程図である。 特許文献１に開示された図１に示す摺動部品をもとに図示した摺動部材の部分断面図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

図１は、本実施の形態に係る摺動部材を備えた圧縮機の部分断面図である。図２は、図１に示す圧縮機を構成する圧縮機構部をＡ−Ａ線から切断し矢印方向から見たときの部分断面図である。

図１に示す圧縮機は、ロータリー圧縮機等と呼ばれるものであり、シリンダ内を偏心したローラを回転させて、冷媒の吸入と圧縮とを行うものである。

図１では、上記した冷媒の吸入と圧縮とを行う圧縮機構部３０を図示している。図１に示すように、圧縮機構部３０は、シリンダ３１、上部ベアリング３２、下部ベアリング３３、ローラ３４、クランクシャフト３５、クランクシャフトのピン部３６、及びベーン３７（図２参照）より構成される。クランクシャフトのピン部３６は、ローラ３４にモーター（不図示）の回転運動を伝達し、ローラ３４がシリンダ３１内で偏心回転することで（図２参照）、シリンダ３１に保持されたベーン３７で区切ったシリンダ３１内の部分で冷媒ガスを圧縮する。

ローラ３４はシリンダ３１に収納され、図２に示すように、シリンダ３１にはベーン溝３８が形成されている。ベーンの先端部３７ａは、ローラ３４の外周円に接触している。ベーン３７とベーン溝３８においては一方向、又は往復の摺動をする。

ローラ３４とシリンダ３１、及びローラ３４とベーン３７の先端部３７ａとが摺動する。ここでローラ３４は回転側であり、シリンダ３１及びベーン３７は固定側である。本実施の形態における「摺動部材」とは、回転側と固定側の別を問わない。即ち、以下に説明する摺動部材は、回転側であるローラ３４であり、あるいは、ローラ３４に対して相対的に摺動するシリンダ３１やベーン３７であってもよい。以下、本実施の形態に係る摺動部材について説明する。

図３は、本実施の形態に係る摺動部材を示す断面概略図である。図３に示すように、摺動部材１０は、基材１３と、基材１３の表面に形成された固体潤滑膜１５と、固体潤滑膜１５を貫通して基材１３にまで形成された孔１４と、を有する。

図３に示すように、固体潤滑膜１５の表面が摺動面１７を構成している。摺動面１７には複数の孔１４が現れており、各孔１４は有底構造である。即ち、各孔１４は基材１３の途中まで形成される。

摺動部材１０が例えばローラ３４を構成している場合、摺動部材１０の基材１３はローラ３４の表面部分を構成する基材である。即ちローラ３４の表面に固体潤滑膜１５が形成され、固体潤滑膜１５を貫通して基材１３にまで形成された孔１４を有する構造となっている。

固体潤滑膜１５は、その表面である摺動面１７が、基材１３の表面に比べて、相対的に摺動する相手側部材の表面に対して摺動性に優れた材質で形成されている。また固体潤滑膜１５は、基材１３との間の密着性に優れた材質であることが好ましい。また固体潤滑膜１５は基材１３よりも軟質であることが好ましい。

固体潤滑膜１５の膜厚については特に限定するものでないが、膜厚が薄すぎると固体潤滑性が低く、また膜厚が厚すぎると、基材１３との密着性が低下し固体潤滑膜１５が剥がれやすい等の問題が生じる。例えば固体潤滑膜１５の膜厚は、１０μｍ程度である。

孔１４は、固体潤滑膜１５を貫通し基材１３の途中まで形成されており、孔１４を深く形成することができる。例えば孔１４の深さ寸法は、２０〜３０μｍ程度である。

図４は、本実施の形態に係る摺動部材の摺動時の状態を説明するための説明図である。本実施の形態に係る摺動部材１０においては、固体潤滑膜１５を貫通し基材１３にまで形成された孔１４内に潤滑油１８を保持することができる。即ち、孔１４を潤滑油溜めとして機能させることができる。圧縮機の運転時において、潤滑油１８を孔１４の開口側から、摺動部材１０と相手側部材との間に流入させることができる。

本実施の形態では、上記したように、基材１３の表面に固体潤滑膜１５を形成し、固体潤滑膜１５を貫通し基材１３にまで形成された孔１４を備える。このように摺動面１７側に固体潤滑膜１５を設けたことで、固体潤滑性を高めることができる。また孔１４は固体潤滑膜１５だけに形成されたものでなく、固体潤滑膜１５を貫通し基材１３にまで到達した深い溝を構成している。このため潤滑油保持性を向上させることができる。この結果、摺動部材１０の回転時、潤滑油１８が孔１４に保持された状態を適切に維持でき、油膜切れによる境界潤滑状態の発生を防ぐことができる。境界潤滑状態とは、摺動部材と相手側部材とが直接接触した状態のことを指す。特に、低速回転時や始動回転時、従来では油膜切れが生じやすくなっていたが、本実施の形態では、回転状態や摺動部材１０に対する負荷状態がどのようであろうとも、油膜切れを抑制しやすくなり、潤滑油１８を介した部材間の摺動を適切に維持することができる。また、摺動部材１０と相手側部材との間を満たす潤滑油１８が少ない状態、あるいは仮に潤滑油１８が一時期、切れた状態（特に、低速回転時や始動回転時に生じやすい）であっても固体潤滑膜１５による固体潤滑性が高いため従来に比べて摩擦係数を小さくすることが可能である。

以上のように、本実施の形態の摺動部材１０によれば、固体潤滑性及び潤滑油保持性を発揮することができ、低速回転時や始動時の油膜切れ状態を抑制でき、摺動特性を向上させることができる。

したがって本実施の形態における摺動部材１０を圧縮機に用いることで、摺動特性を向上させることができ、圧縮特性及び信頼性を向上させることができる。

次に、本実施の形態に係る摺動部材１０の各材質や具体的形状について詳細に説明する。

本実施の形態では、孔１４を含む基材１３の部分が、基材１３の表面を酸化処理した表面改質層２３であることが好適である。このように基材１３のうち表面部分だけを表面改質して多孔質化することができる。

基材１３の材質としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウムや鉄等の金属である。したがって表面改質層２３は、酸化アルミニウムや酸化鉄等で形成される。なお多孔質化の観点から、酸化アルミニウムとしては、アルミニウムの陽極酸化被膜等が好ましく、酸化鉄としては、四三酸化鉄を主成分とする酸化鉄被膜等が好ましい。

図３に示すように基材１３に形成された孔１４の一部（ここで「孔１４の一部」とは、後述の製造方法では凹部２４として説明されている）は表面側から内部に向かうほど先細る形状となっているが、このような形状に限定するものでない。ただし上記した表面改質によれば、先細る形状が形成されやすくなる。

固体潤滑膜１５は、基材１３の表面に密着して形成されている。

固体潤滑膜１５の材質としては、例えば、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、及びポリイミド（ＰＩ）樹脂からなる群より選ばれた少なくとも１種以上の樹脂であることが好ましい。コスト面、固体潤滑性、及び基材１３との密着性の観点から、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、及び／又はポリイミド（ＰＩ）樹脂を含む樹脂であることがより好ましい。

孔１４は、固体潤滑膜１５の部分を貫通しているが、後述するように、昇華物の昇華を利用することで貫通させることができる。

ただし孔１４の形成方法を限定するものでなく、例えばエッチングにより、固体潤滑膜１５を貫通し基材１３にまで形成された孔１４を形成することも可能である。

また孔１４の形状は一様でなく、ばらつきがあってもよい。特に、上記のように基材１３を表面改質した場合、各孔１４の形状はばらつきやすくなる。表面改質により同時に多数の孔１４を形成でき、潤滑油保持性の高い孔構造を得ることができる。

上述のような本実施の形態に係る摺動部材１０は、以下のように製造することができる。図５から図９に示す図面を用いて説明する。各図は部分断面図である。

図５に示す工程では、基材１３の表面を表面改質して凹部（有底の孔）２４を形成している。表面改質は例えば酸化処理にて実施される。この酸化処理に伴い粒状物が膨張及び成長することで、これら粒状物間が凹部２４となって現れる。

基材１３は、アルミニウムや鉄等の金属製であり、したがって、上記の酸化処理による表面改質により、アルミニウムの陽極酸化被膜や、四三酸化鉄を主成分とする酸化鉄被膜からなる、多数の凹部２４を有する表面改質層２３が形成される。

表面改質の方法については特に限定するものでないが、以下に一例を挙げる。例えば基材１３が鉄であるとき、数％の空気を含むアンモニアガス中で、加熱処理を施して硬質の酸窒化被膜を形成させる。さらに酸窒化被膜の最表面を、スチーム処理することで、多孔質の四三酸化鉄を主成分とするとする酸化鉄被膜を隆起形成することができる。これにより多数の凹部２４を有する表面改質層２３を得ることができる。

また、例えば陽極酸化法を用いて表面改質層２３を形成することができる。具体的には、例えば、アルミニウムの基材１３を陽極として硫酸等の電解液中に浸漬し、これに対向配置される白金電極を陰極として通電する。これにより、アルミニウムの陽極酸化被膜を表面改質層２３として形成できる。酸化アルミニウムや酸化鉄等からなる表面改質層２３の厚みは、２０〜３０μｍであることが好ましい。

次に図６に示すように、表面改質された基材１３の表面に、低温の昇華物１９を添加する。温度及び圧力が管理できる環境下において、基材１３の表面に形成された多数の凹部２４に昇華物１９を浸透させた後、温度及び圧力を適正に制御して凹部２４の内部に昇華物１９を固化させる。昇華物１９には、水や二酸化炭素等を用いることが好ましい。なお、水と二酸化炭素の一方を昇華物１９として用いたり、両方を昇華物１９として用いることができる。水や二酸化炭素を昇華物１９として用いることで低温の昇華物を実現できるとともに、簡単に入手することができ製造コストの低減を図ることができる。また昇華物１９を適切に昇華させることができ、昇華物１９の残骸が凹部２４内に残らないようにすることができる。

次に図７に示すように、基材１３表面に付着した昇華物１９を除去し、基材１３を表出させる。このとき、一部の昇華物１９は、凹部２４内に充填された状態で保持される。これにより、基材１３表面に固体潤滑膜１５が付着しやすくなる。

次に基材１３表面に固体潤滑膜１５を塗膜形成する。まず、図８に示すように、凹部２４内に昇華物１９を浸透固化した基材１３の表面に対して、噴射ノズル２２を所定間隔離した状態で対向させる。そして、噴射ノズル２２を基材１３の表面に沿って移動させながら、高温で液化されたミスト状の固体潤滑剤２１を噴射ノズル２２から噴霧する。固体潤滑剤２１としては、上記の通り、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、及び／又はポリイミド（ＰＩ）樹脂等を含む樹脂であることが好ましい。

図８のように、噴霧されたミスト状の固体潤滑剤２１は、基材１３上に付着する。図８では基材１３の表面に付着した固体潤滑材を符号２０で示した。固体潤滑剤２０が基材１３の表面に達すると同時に基材１３（表面改質層２３）に対し熱が与えられ、その熱が基材１３の凹部２４内に固化された昇華物１９に伝熱する。このときの加熱温度は約１００℃以下とすることができる。加えて、基材１３表面に付着した固体潤滑剤２０に含まれる樹脂の熱が急激に昇華物１９に伝熱される。これにより、図９に示すように昇華物１９が急激に気体に昇華し、基材１３の凹部２４内から基材１３上に塗膜された固体潤滑剤２０を突き破って噴出し、固体潤滑剤２０に基材１３に形成された凹部２４と連続する貫通孔１６が形成される。さらに、この状態から環境温度を樹脂被膜の焼成温度まで上昇させ、固体潤滑剤２０の被膜を形成する。低温の昇華物１９はこの焼成段階で全て昇華され乾燥されて無くなる。これにより、基材１３の表面に固体潤滑膜１５が形成され、固体潤滑膜１５を貫通して基材１３にまで通じる孔１４（図９に示す凹部２４と貫通孔１６とを合わせた有底の孔）を有する摺動部材１０（図３参照）を簡単且つ適切に製造することができる。

上記の方法に代えて、基材１３に固体潤滑膜１５を重ねて形成し、固体潤滑膜１５を貫通して基材１３にまで達する孔１４をエッチング等の既存の方法を用いて形成することができる。

なお、上記したように基材１３に対する表面改質処理、及び昇華物を用いた固体潤滑膜への貫通処理により、簡単且つ適切に固体潤滑膜１５を貫通して基材１３にまで形成された多数の孔１４を形成することができる。

上記では、摺動部材１０を、圧縮機に適用したが、圧縮機以外であっても、電子部品や自動車部品等の摺動部品として用いることができる。摺動部材と相手側部材との間に潤滑油を介在させる構成のものに特に適している。

本発明の摺動部材は、潤滑油保持性と固体潤滑性に優れるため、相手側部材との間での摺動特性を良好にでき、特に潤滑油を用いる摺動機構に好ましく適用される。特に、冷媒ガスを圧縮する機構の摺動面に、潤滑油保持性と固体潤滑性を合わせ持たせることができ、摺動特性を向上させることができるため、圧縮機の製造に適している。

１０ 摺動部材
１３ 基材
１４ 孔
１５ 固体潤滑膜
１７ 摺動面
１８ 潤滑油
１９ 昇華物
２０、２１ 固体潤滑剤
２２ 噴射ノズル
２３ 表面改質層
２４ 凹部
３０ 圧縮機構部
３１ シリンダ
３４ ローラ
３５ クランクシャフト
３７ ベーン

Claims (10)

1. 基材と、前記基材の表面に形成された固体潤滑膜と、前記固体潤滑膜を貫通して前記基材にまで形成された孔と、を有することを特徴とする摺動部材。
2. 前記孔は、潤滑油溜めとして機能することを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記孔を含む前記基材の部分は、前記基材の表面を酸化処理した表面改質層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記表面改質層が、酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材。
5. 前記表面改質層が、酸化鉄であることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材。
6. 前記固体潤滑膜が、四フッ化エチレン樹脂、及び／又はポリイミド樹脂を含む樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の摺動部材。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載された摺動部材を有し、前記摺動部材の前記固体潤滑膜の表面が相手側部材と相対的に摺動する摺動面であることを特徴とする圧縮機。
8. 基材の表面に固体潤滑膜を形成する工程、
   前記固体潤滑膜を貫通し前記基材にまで形成された孔を設ける工程、
   を有することを特徴とする摺動部材の製造方法。
9. 基材の表面に凹部を形成する工程、
   前記凹部内に昇華物を埋設する工程、
   前記基材上に固体潤滑剤を塗膜する工程、
   前記昇華物を昇華させ、前記昇華物が前記固体潤滑剤を突き破り、前記基材に形成された凹部と貫通する孔を有する固体潤滑膜を形成する工程、
   を有することを特徴とする摺動部材の製造方法。
10. 前記昇華物が水、及び／又は二酸化炭素であることを特徴とする請求項９に記載の摺動部材の製造方法。

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