JP3315249B2

JP3315249B2 - ロータリ型圧縮機

Info

Publication number: JP3315249B2
Application number: JP11772194A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中村; 啓二山崎; 不二夫山根; 敏樹吉田; 董飯塚; 明彦石山
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 2002-08-19
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: TW318206B; JPH07301189A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばエアコンディシ
ョナや冷蔵庫等の冷凍サイクルに使用されるシリンダと
偏心したローラとベーンからなるロータリ圧縮機に係
り、特に冷媒としてクロロフルオロカーボン（以下、Ｃ
ＦＣと記す）に代わるハイドロフルオカーボン（以下、
ＨＦＣと記す）を使用するものに好適な圧縮機に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ロータリ型圧縮機は、図２に断面図を示
すように、通常、シリンダ３、該シリンダ３の内面と接
するように偏心回転するローラ２およびシリンダ３に設
けられた案内溝に案内され、スプリング４等の付勢手段
で付勢されることにより先端をローラ２に押圧されたベ
ーン１からなるものである。そして、前記付勢手段は、
通常、ガス圧や油圧により、またはばね等の弾性手段
〔図２では、ばね（スプリング４）〕によっている。こ
のため、ベーン１はその先端面をローラ２の外周面に押
圧され、ローラ２は常時このようにベーン１により押圧
された状態で偏心回転する。高圧化するにしたがいロー
ラの回転数も高くなるため、ベーンとローラの摺動面の
摩耗傾向が著しく大きくなる。このようにローラは、常
に外周面がベーンやシリンダと接して摺動しているた
め、ローラに要求される特性は、ローラ自身が摩耗しな
いのと同時に相手のベーンやシリンダも摩耗させないこ
とである。

【０００３】ところで、圧縮機に使用されている冷媒は
ＣＦＣ系のフロンであるが、周知のようにＣＦＣは成層
圏にまで拡散した後、紫外線によって分解されて塩素を
放出し、それがオゾン層を破壊するため世界的な環境問
題として取り上げられ、西暦２０００年までに全廃する
計画で、これを代替する冷媒の開発が進められている。

【０００４】代替冷媒としては、塩素を含まないＨＦＣ
系のフロンが最も有望であり、例えばＲ−134ａとして
知られている１，１，１，２テトラフルオロエタン〔Ｃ
Ｈ₂ＦＣＦ₃〕等が挙げられる。しかし、この種のフロン
は環境への害は少ないが、圧縮機に対し、従来のＣＦＣ
系のフロンを使用する場合と比較して、以下のような点
が指摘される。

【０００５】(1) 冷媒の潤滑性が劣る。 (2) 圧縮比を高くする必要があり、ローラやベーンに
加わる負荷が高くなる。 (3) 冷媒の吸湿性が大きい。 (4) 潤滑油の潤滑性が劣る。 (5) 潤滑油の吸湿性が大きくなる。上記の状況において、シリンダ、ローラ、ベーン等の摺
動部に対しては次の様な問題点が発生する。

【０００６】(1) 各摺動部における摩耗が大きくな
る。(特にローラとベーンとの摩耗が大きくなる) (2) ローラとベーンとの焼付き傾向が強くなる。すなわち従来のＣＦＣ系のフロンに含まれていた塩素が
摺動部に安定な保護膜（塩化物）を形成し、好ましい耐
摩耗性および耐焼付性を付与していた。しかし、代替フ
ロンとなるＨＦＣ系フロンは環境問題は解消するもの
の、塩素を含まないため、ＣＦＣ系フロンのような耐摩
耗性および耐焼付性を増強するような効果は期待でき
ず、実用化の上で新たな問題が生じてきた。

【０００７】この対策としてベーン材については、高硬
度化するとともに、硬質の炭化物を増加することが有効
であり、この種の材料として、例えば特開平5-9660号、
同5-171376号、同5-279809号等での公知例が挙げられ
る。これによりベーンの耐摩耗性および耐焼付性は一応
向上する。また、ローラは従来より、連続鋳造鋳鉄もし
くは共晶黒鉛鋳鉄あるいはＣｕ−Ｃｒ系、Ｃｕ−Ｍｏ
系、Ｍｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系の低合金鋳鉄が用いられてい
る。ローラはベーンに比べてコスト的制約が大きいた
め、前記のような鋳鉄が最もふさわしい。この場合基地
の高硬度高強度化、黒鉛の微細化が有効であり、この種
の材料としては、例えば特公昭60-1943号公報によるも
のが挙げられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ベーンについての前述
の改善方法は、高価な合金元素を多量に含有することに
なるため高コスト化し、また、ベーン自身の摩耗量は減
少するが一方ではローラに対する攻撃性が高くなりロー
ラの摩耗を増加し、耐焼付性を低下させ易い。また、前
述のローラの改善方法についても、その高硬度高強度化
が不適当であれば、ベーンに対する攻撃性が高くなりそ
の摩耗を増加し、耐焼付性の低下をまねき易い。すなわ
ち、耐焼付性、耐摩耗性の改善は、ベーン、ローラの単
独のみの改良では不十分であり、ベーン、ローラの相性
のよい組合せで解決することが重要である。そこで、本
発明の目的は、ローラとベーンとを最適な材料組合せと
することにより、ＨＦＣ系フロンを冷媒とした場合に特
にローラとベーンの焼付きを防止し、かつ相互の摩耗量
を低減して、長期間の連続使用に耐え得る改良されたロ
ータリ型圧縮機を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前述のようにロ
ーラとベーンの両者の最適な組合せに関するものであ
り、本願の第１発明は、シリンダ、ローラおよびベーン
を主要構成要素とするロータリ型圧縮機において、焼入
れ焼戻し熱処理硬さが50HRC以上で、黒鉛量が５面積％
以上、燐化鉄を含む共晶晶出組織の量が２面積％以上の
鋳鉄でなる前記ローラと、焼入れ焼戻し熱処理硬さが70
HRC以上で未固溶炭化物と窒化物粒子を合計量で２５面
積％以上含み、前記未固溶炭化物のうちＭＣ型炭化物が
１０面積％以上、前記窒化物粒子のうち、ＴｉＮおよび
ＮｂＮが１種または２種で５面積％以上、前記未固溶炭
化物および窒化物粒子の平均粒度が５μｍ以下である前
記ベーンとを組み合わせたことを特徴とするロータリ型
圧縮機である。

【００１０】本願の第２発明は、第１発明と同様の構成
でなるロータリ型圧縮機において、第１発明と同様のロ
ーラと、ベーンとしていずれも平均粒度が５μｍ以下の
ＴｉＮおよびＮｂＮ粒子を１種または２種で５面積％以
上含み、残余は重量比でＣ 2.0〜4.0%、Ｓｉ 2.0%以
下、Ｍｎ 1.5%以下、Ｃｒ 2.5〜8.0%と、Ｗ 30%以下、
Ｍｏ 20%以下の1種または2種をＷ＋２Ｍｏで 20〜40%、
Ｖ 3.0〜15%、Ｃｏ 15%以下を含み、残部Ｆｅおよび不
可避不純物からなる合金で、焼入れ焼戻し熱処理硬さを
70HRC以上とされた前記ベーンとを組み合わせたことを
特徴とするロータリ型圧縮機である。なお、ベーンはい
ずれの発明においても必要に応じて、窒化、酸窒化、ス
ルスルフ処理(浸硫窒化)、ホモ処理等の摺動性を改善す
る表面処理が付加されたものとするのがよい。

【００１１】

【作用】本発明はベーンとローラの組合せに関するもの
である。ベーンとローラの組合せを最適化したものとし
て「相対的摺動部材」の名称で、特公昭55-31179、
同55-48584号が開示され、またロータリーポンプおよび
回転式流体コンプレッサの名称で、それぞれ特開昭55
-107094および特公平1-18985号がそれぞれ開示したも
のがある。前２者はベーンとして高Ｃ、高ＣuのＭｏ入
り鉄系焼結材と、ローラ材として特定成分の合金鋳鉄と
の組合せによるものであり、また、上記は、高Ｃ、高
Ｃｒ系の合金鋼に窒化処理を施したベーンに対し、ロー
ラは、40〜45HRCに硬化した焼戻しマルテンサイト基地
中に微細な片状黒鉛と炭化物の２種類の物質を分散させ
たもの、上記はＣｒメッキしたベーンに対し、ロータ
ハウジングおよびローラの材質をそれぞれ規定したもの
である。

【００１２】本願に係るローラと、種々の材質のベーン
との摩擦テストにおいて、本発明者らは、焼付きを生じ
た各試料においてベーンの摺動面にはローラ材に起因す
る付着物が付着しており、ローラ材にはその摺動面およ
びその直下部に激しい塑性流動が見られることを見出し
た。このことから、これらにおける焼付きや摩耗は、両
材料が摩擦より凝着し、ローラ材が凝着部直下でむしり
取られて生ずるものと判断される。この状況は、焼付き
が発生する面圧力以下の圧力での摩擦でも、ほぼ同様と
思われる（現用のロータリ型圧縮機でも一般に摩耗量の
絶対値はローラ材が数倍大きい）。

【００１３】この種のロータリ型圧縮機において、ベー
ンは、その高さ寸法が摩耗により多少変動しても作動上
特に支障はない。しかし、ロータの摩耗は、シリンダと
の相だのリークが増加することを意味するから、極力抑
制されるべきで、特にロータ側がむしり取られるような
形態の摩耗は抑制されるべきである。このためには、
(1)ロータとベーンは、凝着が生じ難い材料の組合せと
すること、(2)ロータ材を強化して凝着部直下でのむし
れを防止すること、および(3)ベーン材として、自身の
耐摩耗性を最低限度保持しつつ相手材への攻撃性を極力
低下することが重要と思われる。

【００１４】本発明の材料の組合せにおいては、下記の
状況により特にロータ側の摩耗が抑制されるものと思わ
れる。 (1) 少なくとも一方(本願ではローラ)に所定の面積割
合以上で分散された黒鉛は、潤滑条件を一定水準以上に
保持し、また硬質でかつ対金属よりも相互の接触で凝着
の生じ難い炭化物(特に高硬度で、化学的に安定なＭＣ
型炭化物）、該炭化物に比しＦｅ（つまり相手材）との
親和性がさらに低いＴｉＮやＮｂＮ等の窒化物粒子およ
び燐化鉄を含む共晶晶出組織がそれぞれ少なくとも一方
の部材に所定の面積％以上分布されること、さらにこれ
らが耐摩耗性の差から金属基地面より突出して分布され
ていることにより、凝着を生じ易い金属対金属の接触の
機械を減少させることにより、凝着の発生を抑制してい
る。 (2) ローラ材は、基地を焼入れ焼戻しすることによ
り、また高硬度の燐化鉄を含む共晶晶出組織を所定面積
%以上含有することで、高強度化されており、上記むし
れの発生が抑制されている。 (3) ベーン材は、炭化物サイズを所定サイズ以下とさ
れ、また相手材のＦｅとの親和性の低いＴｉＮ，ＮｂＮ
を含有することで、相手材への攻撃性を低下している。

【００１５】次に本発明の限定理由を先ずローラ側につ
いて述べる。本願発明はいずれも焼戻しマルテンサイト
からなる基地に、片状、球状またはその他の形状の黒鉛
と、炭化物（Ｆｅ₃Ｃ）およびリン化鉄（Ｆｅ₃Ｐ）を主
体とする少なくとも３種類の分散相を共存させたローラ
が、後述の特定のベーン材に対して耐摩耗性と焼付き発
生面圧を著しく向上させることを見出したことによるも
のである。本発明に係るローラは、熱処理硬さ50HRC以
上で、黒鉛量５面積％以上、燐化鉄を含む共晶晶出組織
の量が２面積％以上の鋳鉄製としたものである。本発明
において、ローラの熱処理硬さは、前述のように高くす
る程凝着直下部でのむしれが防止されて耐摩耗性と耐焼
付き性の向上に効果がある。本願のローラのように黒鉛
（グラファイト）相を比較的多量に晶出させた場合、高
耐摩耗性、高耐焼付き性を得るには基地を焼戻しマルテ
ンサイト組織とし、硬さを50HRC以上とすることが必要
である。硬さの上限はグラファイト相の晶出量で必然的
に決定される。望ましい硬さ53HRC以上である。

【００１６】本発明において、黒鉛相は自己潤滑性とオ
イル潤滑性を与えるからシリンダやベーンとの潤滑条件
を整え凝着傾向を抑制するのに必須の相である。その形
状としては球状より片状の方が摺動性に優れ、また、そ
の大きさはできるだけ微細な方が好ましい（しかし、決
定的要素ではない）。黒鉛の存在量が多いと摺動性が向
上するので５面積％以上とするが、多過ぎると硬さが低
下するとともに、機械的性質が低下し運転時のロータの
欠損等の事故の原因となる。本願においてはベーン材と
の組合せにもよるが、黒鉛量は14.0面積％以下とするこ
とが好ましい。より望ましくは6〜10.0％である。

【００１７】通常ステダイトと呼ばれる組織は、Ｆｅ₃
Ｐ−Ｆｅ₃Ｃ−Ｆｅの３元共晶として晶出する。このス
テダイト相は硬さが比較的硬く、さらにＰの添加によっ
てＦｅ₃Ｃより安定になるので本発明のローラ材に対し
て凝着やむしれの傾向を抑制して耐摩耗性と摺動性の向
上に顕著な効果がある。このステダイトは後述のように
特徴的なミクロ組織を有するので、本発明ではこれを燐
化鉄を含む共晶晶出組織と呼称する。この組織は、黒鉛
相に次いで本願のローラに必須の相である。その量が２
面積％未満ではその効果が少ないから、２面積％以上と
する。しかし２０％を越えると材料が脆化すること、鋳
造性を低下させるので２０面積％以下とすることが望ま
しく、さらに望ましくは２．５〜５面積％である。な
お、鋳鉄として随時添加されるＢ，Ｂｉ，Ｓｂ他の微量
元素は本発明の目的を特に逸脱しない範囲で添加し得
る。

【００１８】次に本発明の限定理由をベーン側について
述べる。先ず本願の第１発明に係るベーンは、熱処理硬
さ70HRC以上で、未固溶炭化物と窒化物粒子の合計量が
２５面積％以上、前記未固溶炭化物のうちＭＣ型炭化物
量１０面積％以上、前記窒化物粒子のうち、ＴｉＮおよ
びＮｂＮが１種または２種で５面積％以上、前記未固溶
炭化物および窒化物粒子の平均粒度５μｍ以下とするも
のである。ベーンは作動機構的にはその先端の極く一部
分が、ローラの外周面と摺動接触する。このため、ロー
ラに対し相対的に高耐摩耗性とすべきである。

【００１９】ベーンの耐摩耗性のみに関してはベーン材
の硬さを上げ、炭化物等硬質粒子の含有量を上げること
で概ね達成できる。しかし、この際不適当なこれらの粒
子の増量は、ベーン材より硬さが低いローラ材への攻撃
性を増加させ、容易にローラ材をかじる現象(攻撃)を発
生する。本発明者は、先に本発明に係るローラ材に対
し、焼入れ焼戻し硬さが65HRC以上で、未固溶炭化物量
が１２面積％以上、このうちＭＣ炭化物が１０面積％以
上、その平均粒径が３μｍ以下とした改良ベーン材がか
なり優れた相性を示すことを見出した。しかし、ある種
の圧縮機では、このベーンでも耐焼付性、耐摩耗性が不
足であり、さらにこれらの特性を向上させる必要がある
ことが判明した。そこで本発明者等は、前記ローラ材に
対する攻撃をさらに緩和し、さらに耐焼付性および相互
の耐摩耗性を向上するためには、前述のＴｉＮやＮｂＮ
の粒子を適量添加すること、この添加により未固溶炭化
物と炭化物粒子の分布量をさらに増加すること、ベーン
材の硬さを向上することが有効であることを見出した。

【００２０】これらＴｉＮ等の粒子は、前述のようにＦ
ｅとの親和性が炭化物に比し、さらに低いから炭化物に
よるよりも効果的に相手材のＦｅとの凝着傾向を抑制
し、上記耐焼付性、相互の耐摩耗性の向上を達成するこ
とができる。これらの粒子は、１種または２種で添加す
ることができるが、その量が５面積％未満では、その効
果が不十分であるから、５面積％以上とする。望ましく
は、７面積％以上とするが、２５面積％を越えると経済
性を失うと共に、ベーンの靭性を低下する。

【００２１】前記改良ベーンは、ローラ材への攻撃性を
緩和するため、炭化物のサイズを微細化し、これによる
自身の耐摩耗性の低下をベーン材の硬さを向上するこ
と、炭化物の量を所定量確保するというものである。同
様な考えから、本発明に係るベーンでは、未固溶炭化物
および窒化物の粒径は最大粒径および平均粒径ともでき
るだけ微細化し平均粒径は５．０μｍ以下とすることが
必要で、また、その最大粒径も、例えば７μｍ以下に抑
制することが望ましい。望ましい平均粒径は３μｍ以下
である。また、硬さが70HRC未満では、ベーンの炭化物
の平均粒径を制限したことによる自身の耐摩耗性の低下
を補償し得ず、耐摩耗性が不十分となるから、硬さは70
HRC以上、望ましくは71HRC以上とする。

【００２２】未固溶炭化物および窒化物粒子の合計量は
２５面積％以上（望ましくは３０面積％以上）とし、こ
のうち特に高硬度かつ安定であるＭＣ型炭化物を１０面
積％（望ましくは１２面積％以上）、窒化物粒子はＴｉ
Ｎ，ＮｂＮの１種または２種で５面積％以上とする。こ
れらが、各規定量未満であるとローラとの凝着傾向の抑
制が不十分となって耐摩耗性と耐焼付性が不十分とな
る。本発明のベーン材は上記のようにＴｉＮ，ＮｂＮや
多量の炭化物、特に巨大な炭化物となりやすいＶＣ型の
炭化物を多量に含み、かつ、これらを前述のように微細
化させなければならないため、素材の製法は粉末冶金法
によるものとすることが好ましい。なお、耐焼付性を向
上するために、窒化、酸窒化、浸硫窒化等の表面処理、
また表面の硬さ向上および潤滑性を向上させるために、
ベーン表面に四三酸化鉄を主成分とする多孔質の酸化鉄
皮膜を生成させるホモ処理等を実施することが望まし
い。

【００２３】次に、本願の第２発明に係るベーンにおい
て、ＴｉＮやＮｂの粒子を所定量添加することは既に述
べた。以下に残余の部分について各元素の作用および数
値の限定理由について述べる。Ｃは同時に添加するＷ，
Ｍo,Ｖなどと結合して硬い炭化物を形成し、ベーンの耐
摩耗性を高め、また炭化物となって相手材との金属相互
の接触の機会を減じて凝着を少なくする効果があり、ま
た、一部は基地に固溶して基地の硬さを高くし、耐摩耗
性を向上させる。したがって、Ｗ，Ｍo,Ｖなどの炭化物
形成元素の添加量との兼ね合いで最適のＣ含有量が存在
する。本発明の範囲ではＣが2.0%未満では基地の硬さが
十分に得られず、形成される炭化物量も少ない。逆に4.
0%を越えると靭性が劣化し、また熱間加工性が劣下する
ので、Ｃは2.0〜4.0%とした。望ましいＣの範囲は2.5〜
3.8%、さらに望ましい範囲は3.0〜3.6%である。

【００２４】Ｓiは脱酸元素として鋼質を改良し、ま
た、基地に固溶して基地の硬さを高める効果もある。し
かし、2.0%を越えると靭性を低下させるのでＳiは2.0%
以下とした。望ましい添加範囲は1.5%以下である。Ｍn
も脱酸元素として鋼質を改良する効果がある。しかし、
1.5%を越えると焼入れ硬さを低下させるのでＭnは1.5%
以下とした。望ましい添加範囲は1.0%以下である。しか
し、Ｓｉ，Ｍｎは本質的には脱酸剤であり、その添加量
はＳｉによる高硬度化を利用する場合以外は、任意添加
元素である。

【００２５】Ｃrは炭化物を形成して耐摩耗性を高め、
また凝着傾向を抑える効果があり、また基質に固溶して
焼入れ性を付与し、基地の耐食性も向上させる。代替フ
ロンのＨＦＣが吸湿性が高いこと、潤滑油が分解してカ
ルボン酸のごとき酸を形成するために、ベーンは軽い腐
食環境下において作動する。このために、ベーンにおき
る異常摩耗は、単純なアブレッシブ型摩耗のみでなく、
腐食も介在したメカニズムによって発生するものと推定
される。この場合、Ｃrの他、後述するＷ，ＭoやＣoの
基地への固溶がベーンの耐食性を高め、摩耗を減少させ
る。Ｃrが2.5%未満では、上記の効果が少なく、逆に8.0
%を越えると熱処理によって硬さが得られにくくなるな
どの理由でＣrは2.5〜8.0%とした。望ましい添加範囲は
3.0〜6.0%、さらに望ましい範囲は、3.5〜5.5%である。
ただし、窒化等の表面処理を適用する場合は、Ｃｒ含有
量は5.0〜8.0%とすることが望ましい。

【００２６】ＷおよびＭoは、Ｃと結合して、Ｍ₂Ｃまた
はＭ₆Ｃ型の炭化物を形成し、凝着傾向を抑えて耐摩耗
性、耐焼付き性を高める。また、基地に固溶した後、焼
戻しで析出し、基地の硬さを高める効果もある。Ｍoは
カルボン酸による腐食を抑える効果もある。ＭoはＷに
対し２倍の効果がある。Ｗ 30%以下(望ましくは20%以
下)、Ｍｏ 20%以下(望ましくは15%以下)の１種または２
種を添加するが、これらがＷ＋2Ｍo量で20%未満では上
記の効果が少なく、逆に40%を越えると靭性が低下する
のでＷ＋2Ｍoで20〜40%とした。望ましいＷ＋2Ｍoは24
〜36%である。

【００２７】Ｖは本発明において重要な作用を示す元素
である。すなわち、Ｖは、Ｃと結合して化学的にも安定
で高硬度であるＭＣ型の炭化物を形成する。この炭化物
をベーン表面に微細かつ均質に分散させると、他のタイ
プの炭化物に比し、さらに効果的に耐摩耗性、耐焼付き
性を大幅に向上させることができる。圧縮機の構造や必
要とする寿命にもよるが、Ｖを合計3.0%以上添加するこ
とで漸次耐焼付き性と耐摩耗性が増加し、特に6.0%以上
添加するとその効果は顕著となる。3.0%未満では上記の
効果が十分でなく、逆に15%を越えると、粗大なＶＣ炭
化物が晶出することやアトマイズが難しいこと、被削加
工が難しいことの理由でＶは3.0〜15%とした。Ｖの望ま
しい添加範囲は6.0〜12.0%である。

【００２８】Ｃoも本発明において重要な作用を示す元
素である。Ｃｏは基地に固溶して基地の硬さを高める効
果がある他、本発明で重要なカルボン酸による腐食を抑
える効果が高い。一方、添加量に応じてコストが高くな
るので、HRC70以上の硬さが取得できる範囲で添加する
ことになる。通常15%以下で十分である。なお、本願の
第２発明に係るベーンの硬さを70HRC以上とした理由は
第１発明と同様である。

【００２９】

【実施例】

（実施例１）表１にテストに供したローラ材のそれぞれ
について、化学成分、熱処理後の硬さ、ならびに黒鉛、
燐化鉄を含む共晶晶出組織（表中ではステダイトと表
記）および炭化物の各面積率を示す。表中Ｎｏ．１０は
フェライト基地に共晶黒鉛を分散させた鋳鉄、Ｎｏ．２
１は現在ローラ材として最も広く使用されている低合金
鋳鉄、Ｎｏ．２２〜２４は連続鋳造された鋳鉄であり、
Ｎｏ．２４はローラ材として使用されている鋳鉄であ
る。Ｎｏ．３０，３１はベイナイト基地に球状黒鉛を分
散させた鋳鉄、Ｎｏ．４０，４１は燐化鉄を含む共晶晶
出組織と片状または球状の黒鉛を焼戻しマルテンサイト
基地に分散させた鋳鉄であり、本発明のローラ材に該当
するものである。

【００３０】Ｎｏ．５０，５１はローラ材として使用さ
れている耐摩耗鋳鉄で、Ｎｏ．５０は黒鉛と炭化物の共
存型、Ｎｏ．５１はＭ₇Ｃ₃型の共晶炭化物を多量に分散
させた合金白鋳鉄である。Ｎｏ．６０はＮｉを多量に含
有するオーステナイト基地に球状黒鉛と炭化物を分散さ
せた鋳鉄である。表１中で硬さがHRC50を越えるものは
いづれも焼戻しマルテンサイト基地を有するものであ
る。図３にＮｏ．４０のミクロ組織（倍率２００）の１
例を示す。図中黒色の丸い斑点が黒鉛、白色と灰白色で
なる斑点模様または白色の塊状の部分がいわゆるステダ
イトと呼ばれる燐化鉄を含む共晶晶出組織であり、基地
は焼戻しマルテンサイトである。ただし本図は、特に黒
鉛や燐化鉄を含む共晶晶出組織が集合した部分を視野と
するものであるため、表１の面積率とは一致しない。

【００３１】

【表１】

【００３２】表２に評価テストを実施したベーン材のそ
れぞれについて、化学成分、焼入れ焼戻し熱処理後の硬
さ、素材の製造法、焼入れ焼戻し熱処理後の未固溶炭化
物および窒化物粒子（表２では存在炭化物等と記した）
の種類別とその面積率（％）、画像処理装置で計測でき
る製品状態での１．０μ以上の未固溶炭化物および窒化
物粒子の平均粒径を示す。ここで、ＳＵＪ２，ＳＵＳ４
４０Ｃ，ＳＫＨ５１は現在冷蔵庫、エアコン等のベーン
材として広く用いられている材料である。比較材の製造
法は通常の溶解後インゴットに造塊し、鍛造、圧延する
方法（Ｍｅｌｔ法）と、ガスアトマイズ粉末を熱間静水
圧法（ＨＩＰ）で圧密体とする粉末法（ＰＭ）の２種類
とした。後者は前者に比較して、超急冷凝固法による合
金粉末を出発原料として使用したため、存在する未固溶
炭化物がきわめて均一微細である。

【００３３】発明材の製造法は、水アトマイズ法によっ
て作成した不規則形状粉末をアトライターで１０μｍ以
下に粉砕した粉末に適宜ＶＣ，ＴｉＮ，ＮｂＮ粉を添加
混合後焼結して製造した（表２ではＳＴと表示）。かか
る高合金材は塑性加工ができないため、焼結法で圧密化
後は機械加工（旋削，研削）で所望する製品形状に加工
することになる。図４は、表２のＬ鋼の顕微鏡組織写真
（倍率４０００）である。本図において、黒色の粒子は
ＴｉＮ粒子、白色の多角形粒子がＭ₆Ｃ型炭化物、灰白
色の粒子がＭＣ型炭化物であり、他は基地である。表２
のベーン材に表１のローラ材より製造したリング状テス
トピースを図１に示す接触位置で、ポリオールエステル
系の潤滑油中に侵漬し自転させることにより、摺動速度
2.73m/sec、初期接触面圧0.981MPa(10kgf/cm²)で１分間
回転摺動する毎に0.981MPa(10kgf/cm²)ずつ増圧してゆ
き、焼き付きが発生したときの面圧および所定接触圧力
下での摩擦係数を測定した。

【００３４】

【表２】

【００３５】前記テストのうち、ベーン材として表２の
Ｌ鋼を用い、ローラ材として表1の各材質とした場合の
面圧9.81MPa（100kgf/cm²）の時の焼付き発生時の面圧
（焼付き面圧）およびローラの摩耗量の測定結果を表３
に示す。硬さが低いＮｏ．１０，Ｎｏ．６０のローラ材
は焼付き面圧が低い。また、データの紹介は略すが、ベ
ーン材の変更によるよりもローラ材の変更による方が焼
付き面圧や摩耗量の変動が大きく、組合せの選定が非常
に重要なことが判明した。

【００３６】ローラ材の中では燐化鉄を含む共晶晶出組
織を２面積%以上としたＮｏ．４０，４１材の焼付き面
圧が非常に高いことが明らかである。ベイナイト基地で
あり、かつ高硬度であるＮｏ．３１材の焼付き面圧も高
いが、この材料は残留オーステナイトが多量に存在する
ため、ローラ材として忌避される寸法の経時変化で難点
がある。また、この種の圧縮機で重要なローラの摩耗量
はＮｏ．４０，４１および３０，３１が小さい。本表か
ら本発明における材料の組合せが適当であることが伺い
得る。

【００３７】

【表３】

【００３８】表４にローラ材として表１のＮｏ．４０材
を用い、ベーン材を種々変更したときの面圧9.81MPa(10
0kgf/cm²)での摩擦係数と、焼付き面圧の測定結果を示
す。ベーン用の現用材を含む比較材のうちＭｅｌｔ材で
は、焼付き面圧が9.8〜25.5MPa(100〜260kgf/cm²)、粉
末冶金材（ＰＭ）材では13.7〜37.3MPa(140〜380kgf/cm
²)でＭｅｌｔ材とＰＭ材の比較では炭化物粒径が微細な
Ｍｅｌｔ材の方が、焼付き面圧も高い。これに対し、本
発明に係るベーン材では、焼付き面圧が47.1〜117.7MPa
(480〜1200kgf/cm²)と格段に高いことが判る。

【００３９】

【表４】

【００４０】表５に、代表的ベーン材とローラ材との組
合せでの摩擦係数と焼付き面圧の測定結果を示す。カー
ボンは炭素材にアルミニウムを約４２％含浸させた材料
であり、非金属系の摺動材としてベーンに用いられてい
る材料である。Ａ材やＳＫＨ５１材と比較して、カーボ
ンベーンの焼付き面圧は非常に高いが、カーボンベーン
は機械的性質がきわめて低く、加工、運搬、動作中の欠
損が問題となる。特に差圧が大きいエアコンでは絶対強
度としても不安が残る。本願発明に係る燐化鉄を含む共
晶晶出組織分散型のローラＮｏ．４０の比較材２４に
対する改善比は、相手材がＳＫＨ５１ベーンの時は1.3
倍である(11.8/8.8)が、相手材が本発明に係るＬ材製ベ
ーンの時は1.8倍(117.7/66.7)であり、Ｎｏ．４１とＬ
材との相性の良さがわかる。また、この組合せは、摩擦
係数が低くかつ焼付き面圧の絶対値が高いことがわか
る。また、Ｎｏ．４１はＮｏ．４０に対し、特に遜色を
有しない。

【００４１】

【表５】

【００４２】（実施例２）表６に、Ｎｏ．４１のローラ
に対し、ベーン材Ｌの無処理および各種表面処理を施し
た場合の焼付き面圧の改善状況を測定した結果を示す。
いづれの表面処理も有効でがあるが表層部に多孔質層を
生成するスルスルフ処理と酸窒化処理を施したものが特
にその効果が大きいことが判る。

【００４３】

【表６】

【００４４】（実施例３）実際のロータリ圧縮機に、ロ
ーラとして従来のＮｏ．２１製、Ｎｏ．２４製、本発明
に係るＮｏ．４１製を、ベーンとしてＳＫＨ５１製、本
発明に係るＬ材製、カーボン製をそれぞれ組み込み、耐
久性の比較を行なった。使用材料、熱処理等の条件は実
施例１と同一である。摺動速度は1.5m/sec、荷重98N(10
kgf)、潤滑油はポリオールエステル油、冷媒はＲ134aを
使用した。試験時間は2000Ｈｒで、評価はローラおよび
ベーンそれぞれの摩耗量とした。その結果を表７に示
す。

【００４５】コンプレッサの寿命は約１０年間保証する
ことが通常要求され、このためにはこの短時間テストで
ローラ材の摩耗が１００μｍ以下、ベーン材の摩耗が２
０μｍ以下であることが一応の目安とされる。ベーン材
をＬ、ローラ材をＮｏ．４１としたとき、表面処理しな
い場合ローラの摩耗が８１μｍ、ベーンの摩耗８．１μ
ｍと上記一応の目安を十分クリアしており、所期の目的
が達成されることがわかる。

【００４６】本表から、ＳＫＨ５１製ベーンに対してロ
ーラ材を従来のＮｏ．２１や２４から、本発明に係るロ
ーラ材Ｎｏ．４１に変更すると、ローラ材の摩擦量を40
0〜410μmから300μmへと約７５〜７３％に低減し得る
ことが判る。これに対しベーン材として本発明に係るＬ
材（表面処理なし）に変更するとローラ摩耗量は115〜1
03μmから81μmへと約７９〜７０％、Ｌ材に表面処理を
施したものでは89〜80μmから50μmへと約５３〜５６％
に、あるいは88〜90μmから43μmへと約４９〜４８％
に、それぞれ低減されていることが判る。また、ベーン
の摩耗量について調べてみると、ＳＫＨ５１製ベーンに
対してローラ材をＮｏ．２１やＮｏ．２４からＮｏ．４
１に変更すると、ベーンの摩耗量は５６〜４５％に低減
させることができるが、ベーン材としてＬ材に表面処理
を施したものを用いると、３８〜１４％に大きく低下し
得ることが判る。

【００４７】

【表７】

【００４８】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明のロータリ
型圧縮機は、ローラとして焼戻しマルテンサイト基地
に、所定量の片状ないし球状の黒鉛と所定量の燐化鉄を
含む共晶晶出組織を分散した鋳鉄と、ベーンとして所定
量、所定サイズの炭化物と窒化物粒子とを分散した材料
を組合せたもので、この組合せにより取扱いガスが潤滑
条件の苛酷なハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系フ
ロンの場合も、焼付き性に優れ相互の摩耗を抑制して長
期間の運転を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ベーン材とローラ材の焼付き面圧および摩擦係
数を測定した装置の概要を説明する図である。

【図２】ロータリ型圧縮機の構造を示す断面図である。

【図３】本発明にかかるローラ材の金属ミクロ組織の例
を示す写真である。

【図４】本発明にかかるベーン材の金属ミクロ組織の例
を示す写真である。

【符号の説明】

１ベーン、２ローラ、３シリンダ、４スプリン
グ、５吸入口、６吐出口

フロントページの続き (72)発明者山根不二夫島根県安来市安来町2107番地の２日立金属株式会社安来工場内 (72)発明者吉田敏樹栃木県真岡市鬼怒ケ丘11番地日立金属株式会社素材研究所 (72)発明者飯塚董栃木県都賀郡大平町大字富田800番地株式会社日立製作所リビング機器事業部内 (72)発明者石山明彦栃木県都賀郡大平町大字富田800番地株式会社日立製作所リビング機器事業部内 (56)参考文献特開平５−9660（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−138050（ＪＰ，Ａ) 特開平５−171376（ＪＰ，Ａ) 特開平５−306439（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04C 29/00 C22C 38/00 C22C 38/30 F04C 18/356

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ、ローラおよびベーンを主要構
成要素とするロータリ型圧縮機において、焼入れ焼戻し
熱処理硬さが50HRC以上、黒鉛量が５面積％以上、燐化
鉄を含む共晶晶出組織の量が２面積％以上の鋳鉄でなる
前記ローラと、焼入れ焼戻し熱処理硬さが70HRC以上で
未固溶炭化物と窒化物粒子を合計量で２５面積％以上含
み、前記未固溶炭化物のうちＭＣ型炭化物が１０面積％
以上、前記窒化物粒子のうち、ＴｉＮおよびＮｂＮが１
種または２種で５面積％以上、前記未固溶炭化物および
窒化物粒子の平均粒度が５μｍ以下である前記ベーンと
を組み合わせたことを特徴とするロータリ型圧縮機。
【請求項２】シリンダ、ローラおよびベーンを主要構
成要素とするロータリ型圧縮機において、焼入れ焼戻し
熱処理硬さが50HRC以上で黒鉛量が５面積％以上、燐化
鉄を含む共晶晶出組織の量が２面積％以上の鋳鉄でなる
前記ローラと、平均粒度が５μｍ以下のＴｉＮおよびＮ
ｂＮ粒子を１種または２種で５面積％以上含み、残余は
重量比でＣ 2.0〜4.0%、Ｓｉ 2.0%以下、Ｍｎ 1.5%以
下、Ｃｒ2.5〜8.0%と、Ｗ 30%以下、Ｍｏ 20%以下の1種
または2種をＷ＋２Ｍｏで 20〜40%、Ｖ 3.0〜15%、Ｃｏ
15%以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる
合金で、焼入れ焼戻し熱処理硬さを70HRC以上とされた
前記ベーンとを組み合わせたことを特徴とするロータリ
型圧縮機。
【請求項３】ベーンは表面処理を施したものである請
求項１または２のロータリ型圧縮機。