JP3363913B2 - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/42Pumps with cylinders or pistons

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  • Sliding-Contact Bearings (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は摺動部材に関するもので
あり、さらに詳しく述べるならば、アルミニウム合金を
相手材として摺動する焼結摺動部材に関するものであ
る。本発明に係る焼結摺動部材は特にコンプレッサ用ブ
ッシュとして使用される。
【0002】コンプレッサの軸には軽量化のためにアル
ミニウム合金が使用されることが多くなっている。また
かかる軸に対して摺動するブッシュは円筒形を有してお
り、この形状に素材を加工する加工コストを低減するた
めにニアネットシェイプ(near net-shape)に加工が可能
な焼結材料が使用されている。また、焼結材料としては
強度特性が優れかつアルミニウム合金に対する摺動特性
が良好なため鉄系材料、特にMoなどの高硬度炭化物形成
元素を含有し耐摩耗性を有する合金鋼が使用されてい
る。
【0003】以下、現在使用されている代表的コンプレ
ッサを図面を参照して説明する。本出願人が出願した特
公昭63−18785号の斜板式コンプレッサを図1に
示す。図中、1はシリンダブロック、2はバルブプレー
ト、3はシリンダヘッド、4は駆動軸、5はスラスト軸
受、6はラジアル軸受、7はメカニカルシール、8は斜
板、10は斜板室、11はシリンダボア、12はピスト
ン、13はボール、15は通路、16は吐出室である。
この斜板式コンプレッサでは、駆動軸4を回転駆動して
これと一体の斜板8を回転させ、その回転に伴ってピス
トン12を往復動させると、シリンダボア11内で圧縮
された被圧縮ガスはバルブプレート2A,2Bに形成した通
路15A,15Bおよび図示しない吐出弁を介して各吐出
室16A,16B内に吐出され、ここからさらに両吐出室
16A,16Bを連通する通路17および吐出通路19か
ら吸込まれる被圧縮ガスは、通路20で方向を変えられ
て一対の吸込室21A,21B内に導入され、ここから図
示しない吸込弁およびバルブプレート2A,2Bに形成した
通路を介して上記シリンダボア11内に吸込まれる。そ
して、上記斜板8を収納した斜板室10は通路22(図
2)を介して吸込側の通路20に連通しており、その通
路22から慣性および重力により斜板室10内に導入さ
れる被圧縮ガス中の潤滑油は、ミスト状態で斜板8やス
ラスト軸受5等の摺動部に供給される。上記のラジアル
軸受には前掲公報ではアルミニウム軸受合金と炭素鋼の
組み合わせが使用されている。
【0004】さらに本出願人の特開平2−130289
号公報には、小型軽量である利点をもつベーン型圧縮機
が示されている。同圧縮機を図2および3に示す。図
中、31はシリンダ、32は第1サイドプレート、33
は第2サイドプレート、34はロータ、35は駆動軸、
36はベーン、37はフロントハウジング、38はリア
ハウジング、41はスリット、51は駆動軸、52及び
53は軸受、57は導出口、58は導入口、59は吸入
口、60は吐出口である。
【0005】上記圧縮機において、ロータ34は、第1
サイドプレート32および第2サイドプレート33と、
シリンダ41と両サイドプレート32,33で形成され
る内部空間内に回転自在に設けられている。4個のベー
ン36はこのロータ34と同一軸芯に固定された駆動軸
35と、ロータ34の外周より中心部に駆動軸35と平
行に形成された合計4個のスリット41内に挿入されてい
る。そして第1サイドプレート32とフロントハウジン
グ37との間に吸入室59が形成され、第2サイドプレ
ート33とリヤハウジング38の間には吐出室60が形
成されている。吸入室59は導入孔58より冷媒ガスの
供給を受ける。一方吐出室60は導出孔57より圧縮さ
れた冷媒を送り出す。軸受52,53は転がり軸受であ
るが、すべり軸受を使用することも検討されている。
【0006】さらに米国特許第4764096号明細書
には、小型軽量である利点をもつスクロール型圧縮機が
示されている。同圧縮機の摺動に関係する部材を図4に
示す。図中、100は偏心駆動軸受、101は偏心軸
受、102は駆動軸受、105はスラスト軸受、107
は自転拘束部品、108はクランク軸である。偏心軸受
101には焼結鉄系部品を使用することが公知である。
また、上記したコンプレッサ用鉄系焼結材は、Moなどの
炭化物形成元素を含有しまた焼入れ焼戻しによりHv40
0〜450程度の硬さを有しているので、かなりの耐摩
耗性を具備している。
【0007】さらにこの鉄系焼結材を斜板式コンプレッ
やロータリーコンプレッに使用し、シャフトを軽量
化するためにアルミニウム合金を使用することが試みら
れている。
【0008】鉄系焼結合金は空孔を有するために、表面
硬化層を形成する必要がある場合は、空孔を塞ぐ塗布層
(特公昭61−8783号)あるいは無電解ニッケルめ
っき層(特公平2−6371号)を形成している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た鉄系焼結材料を軸受に適用しようとするコンプレッサ
ではポンプ容量を少なくし、小型化を図るために潤滑油
の使用量が近年少なくなっているために、潤滑条件が厳
しくなっており、鉄系焼結材料のブッシュがAl合金と焼
付き易くなっており、またAl合金が耐摩耗性向上のため
にSiを含有している場合は、Si粒子により摩擦摩耗され
る摩耗量が多くなっており、その結果以下に説明するよ
うな摺動特性上の問題が発生している。
【0010】(イ)鉄系焼結材料の耐摩耗性が不十分に
なっている。この原因は次のように考えられる:潤滑油
が少なくなると、Al-Si合金のSi粒子が鉄系焼結材と直
接接触する傾向が顕著になる;Si粒子は通常Hv400〜
500程度である鉄系焼結材より硬いので、鉄系焼結材
は多く削り取られる。そして焼結材が摩耗すると、摺動
面の荒れが大きくなり、相手材のAl-Si合金を摩耗させ
ることとなり、さらに相手材の摩耗された形状の表面が
鉄系焼結材のスケルトンの摩耗を加速する。
【0011】(ロ)鉄系焼結材料のブッシュがAl合金に
焼付き易くなっている。この原因は次のように考えられ
る。摩耗により形成された鉄粉が次第に摺動面に堆積す
る;Al合金も摩耗し、摺動面に堆積する;摺動面には鉄
粉とAl合金粉の混合物が堆積する;これらの混合堆積物
の一部は軸に加えられ荷重により摺動部材に凝着する;
これらの凝着物及び堆積物がある程度以上の量になると
急激に摩擦係数が高まり、焼付きに至る;潤滑油が少な
いとAl合金の摩耗や堆積が起こり易い。
【0012】(ハ)鉄系焼結材料のブッシュの負荷容量
が不十分になっている。この原因は次のように考えられ
る;荷重が大きくなると、鉄系焼結摺動部材が相手材と
の摩擦接触面で大きく変形する;焼結材料は空孔が存在
するので、この変形はソリッド材と比較して大きい;潤
滑油不足条件の下では相手材のSi粒子と固体接触してい
る鉄系焼結材料のスケルトンが大きく変形し、削り取ら
れる;荷重が大きくなると摩擦摩耗量が多くなり、上記
(ロ)の焼付過程が加速され、その結果焼付きが起こり
易くなる。
【0013】
【0014】したがって、本発明は、上記(イ)〜
(ハ)の点を考慮して、相手材をアルミニウム合金とす
る鉄系焼結材の耐摩耗性、耐焼付性および負荷容量を改
善することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明に係る鉄系焼結摺
動部材は、Siを含有するアルミニウム合金を相手材とし
て摺動する円筒形鉄系焼結合金の炭素含有量を0.3〜
0.8%、体積空孔率を16%以下とし、相手材と摺動
する円筒形鉄系焼結合金の内面をサイジングし、かつ浸
炭窒化層を形成したことを特徴とする。
【0016】以下、本発明の構成を説明する。浸炭窒化
は、炭化水素、COなどの浸炭性ガスにアンモニアを適
量、例えば0.2〜2.5vol%添加して鉄系焼結材を
変態点以上に温度に加熱してCとNを同時に拡散する方法
である。この処理後焼入れを行って炭化物の分布を良好
にすると共に、マルテンサイト組織を生成する。
【0017】かかる浸炭窒化を行う鉄系焼結材は、空孔
体積率が16%以下であり、2〜16%が好ましい。空
孔体積率が16%を超えると、強度が低く浸炭窒化の効
果が発揮できない。一方拡散層を形成しようとすると焼
結体の表面部の空孔体積率が2%未満であると、粉末冶
金プロセスの条件が厳しくなり、また焼結後にサイジン
グを行い空孔堆積率を減少させるにせよサイジングの条
件が厳しくなる。
【0018】本発明においては拡散層は、浸炭窒化後に
は表面から100〜200μmの厚みである。また表面
を研摩した後の摺動部材の拡散層は5〜100μmの厚
みが好ましい。
【0019】図5はコンプレッサ用軸受の一例を示す正
面図であり、相手軸と接する内側円筒形面には浸炭窒化
処理を施す。非処理外面にはCuめっきを施す等のマスキ
ングにより浸炭窒化ガスとの接触を避ける処理を講じ
る。しかしコンプレッサの構造によってはマスキングを
施さなくともよい。
【0020】上記の処理を施す母材は鉄系焼結材であれ
ば特に制限はないが、基本成分であるCは下限が0.3
%、上限が0.8%であり、好ましくは0.3〜0.6
%である。これらのC量は表面処理の容易性(内部が処
理され難いこと)、母材の強度と靭性などの面から定め
られる。
【0021】さらに、鉄系焼結材は、液相焼結により密
度を高める必要がある時は、P,B,Siなどの共晶点を低下
させる元素を適当量含有する。また、耐摩耗性向上のた
めにMo,Crなどの炭化物形成元素、窒化性向上のために
Al.Cr,Tiなどねばり性向上のためにNiなどを必要に応じ
て含有する。
【0022】上記表面処理後は相手材との摺動面を研摩
した表面粗さを所定の粗さに整えて摺動部材としてコン
プレッサなどに組み込む。相手材はSi含有量が11%以上
の高Siアルミニウム合金に対して本発明の摺動部材は特
に優れた特性を発揮する。
【0023】
【作用】(イ)本発明により耐摩耗性が向上する原因は
次のように考えられる:本発明による処理層または処理
面の硬さは、通常Hv400〜500程度である鉄系焼結
母材より概して硬くなっている。このため相手材であ
るAl-Si合金の硬質Siによる摩耗が少なくなる。
【0024】
【0025】(ロ) 本発明により負荷容量が向上する
理由は次のように考えられる。鉄系焼結材に高周波焼入
れを施した従来材では、表面硬化層が本発明の表面処理
層と比較して概して厚くかつ軟らかい;相手材であるAl
-Si合金などと摺動材料の固体接触は粗さの突出部、例
えばSi粒子を介して行われることが多い;この場合は非
常に小さい面積から軸の荷重が表面処理層に伝えられ
る;すると本発明の場合は硬い表面処理層が変形しない
作用と、軟らかく空孔がある下地(母材スケルトン)が
荷重を吸収する作用が良好に働く(逆に従来材のように
表面処理層が厚いとクッション作用が不充分になり、ま
た表面硬化層が軟らかいと変形が大きくなる);したが
って、荷重を吸収する能力が高められる。
【0026】(ハ) サイジングにより焼結材の寸法精
度を向上するとともに円筒部材の内面の密度を高め、該
内面にC,Nの高濃度濃縮を可能にする。
【0027】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。母材粉末として、1.75%Ni, 1.5%Cu, 0.5%Mo, 0.5%C
を含有する機械的破砕粉を用意した。この母材を通常の
方法で圧粉し焼結して、密度が7.0g/cm3(空孔体積率1
6%に相当)の円筒形焼結材(内径20mm,外径40mm)を
作製した。この焼結材の内面をサイジングして、内径を
20.2mmとした。
【0028】続いて次の浸炭窒化表面処理を施した。ア
ンモニアガスを0.5〜2.5%添加したガス浸炭用炉
気ガス中で焼結材を870℃で3.2時間熱処理した。
その後830℃で0.05時間保持した後油冷却により
焼入れを行い、引き続いて150℃で2時間焼戻しを行
い、その後空冷を行った。
【0029】なお、比較のために表面処理なしの焼結材
と、高周波焼入れを行った焼結材も用意し、摺動面の平
均粗さを0.7μmRzとした後、本発明実施例と比較例
の供試材を以下の条件で試験した。 A.試験機:箱形ブッシュテスター B.回転数:4800rpm C.荷重:100kgf D.潤滑油量:400ml(相手材である軸が半分程度浸漬さ
れる) E.潤滑油種:冷凍機油(1容量部)と軽油(9容量部)
の混合油 F.相手軸:アルミニウム合金(Si含有量25%、直径2
0mm) G.温度:常温 試験結果を次表に示す。
【0030】
【表1】
【0031】耐焼付性判定基準 ○試験後1時間良好 × 焼付(ただし、比較例2では試験後1分で、比較
例3では 試験後1時間で焼付)
【0031】また本発明のNo.1(浸炭窒化)は摩擦係数の
変動がそれぞれ30%程度であった。その他のものは5
0%程度のものもあった。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば相
手軸をアルミニウム合金、特にSi含有量が高いアルミニ
ウム合金とする鉄系摺動材料の摺動特性を高めることが
できるので、コンプレッサなどの軽量化が可能になると
共に、過酷な運転条件においてもトラブルや故障のない
運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 斜板式コンプレッサの断面図である。
【図2】 ベーン式コンプレッサの水平断面図である。
【図3】 ベーン式コンプレッサの横断面図である。
【図4】 スクロール式コンプレッサの断面図である。
【図5】 摺動部材の一例を示す図である。
【符号の説明】
4 駆動軸 6 ラジアル軸受 51 駆動軸 52 軸受 101 偏心軸受 102 駆動軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60 C23C 8/32 F04B 53/00 F16C 33/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Siを含有するアルミニウム合金を相手材
    として摺動する円筒形鉄系焼結合金の炭素含有量を0.
    3〜0.8%、体積空孔率を16%以下とし、前記相手
    材と摺動する前記円筒形鉄系焼結合金の内面をサイジン
    グし、かつ浸炭窒化層を形成したことを特徴とする鉄系
    焼結部材。
  2. 【請求項2】 前記アルミニウム合金のSi含有量が11
    %以上である請求項1記載の鉄系焼結部材。
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