JP3464651B2 - エアーモータ用部材 - Google Patents

エアーモータ用部材

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JP3464651B2 JP2000578497A JP2000578497A JP3464651B2 JP 3464651 B2 JP3464651 B2 JP 3464651B2 JP 2000578497 A JP2000578497 A JP 2000578497A JP 2000578497 A JP2000578497 A JP 2000578497A JP 3464651 B2 JP3464651 B2 JP 3464651B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、エアーモータのベーン周辺部材に関する。
さらに詳細には、光輝窒素拡散法を用いて表面処理をし
た、ベーン型エアーモータのベーンと接触するロータ
ー、シリンダー、フロントシリンダーカバー、リヤーシ
リンダーカバーなどに関する。
背景技術 ベーン型エアーモータは取扱いが簡便で、小型巻締機
等の用途に多用されている。特に電気火花が発生すると
危険な職場等では防爆モータを使用するまでもなく、高
圧空気源さえ存在すれば簡易に使用できるという利点が
あるために産業界で広く使用されている。
このエアーモータのベーンは従来ダイス鋼や高速度鋼
などからなるベーンを使用してきたが、モータベーンは
高速回転するためにベーン周辺部材の表面は、ベーンと
の間に度重なる接触を受ける結果、摩耗や損傷、焼き付
き等の欠陥を生じやすい。従って、従来のエアーモータ
用ベーン周辺部材においては、これらの欠陥の発生を防
止するために、周辺部材の焼入れ焼戻し処理、窒化処
理、軟窒化処理が行われ、さらにタービン油等の給油作
業が不可欠であった。
しかし、これらの処理ではベーン周辺部材表面の硬度
が不十分であったり、窒化処理層を構成する窒素化合物
が剥離しやすいために、ベーン周辺部材の使用寿命は極
めて短かく、また窒化処理層の作製条件が難しいために
その生産性は乏しいものであった。また、上記のダイス
鋼や高速度鋼など以外に超硬合金からなる周辺部材も使
用できるが、部材素材としての価格が高く、その上ダイ
ス鋼や高速度鋼に比べて脆いという問題点があるため
に、薄い形状や複雑な形状を有する製品に適用できない
等の不便さがあり、改善が求められている。さらに、近
年、人手のかかる給油作業は嫌われる傾向にあり、また
環境衛生上からも給油作業の不要なオイルレスモータが
求められている業界事情もある。
本発明は、このような状況に鑑みて、ベーン周辺部材
表面が従来よりも高い硬度を有する、耐摩耗性、耐衝撃
性および耐熱衝撃性に優れた長寿命のエアーモータ用ベ
ーン周辺部材を提供することを課題とする。
発明の開示 請求項１のエアーモータ用部材は、表面を、５０〜９
５％の水素と、５〜５０％の、窒素及び硫化水素とから
なる混合ガス雰囲気中で、４５０〜５８０℃に加熱し、
真空チャンバー内に設けた陽極との間に直流電圧３００
〜５００Ｖを印加し、 光輝窒素拡散法を用いて表面に硫窒化層を形成させたこ
とを特徴とする。
請求項２のエアーモータ用部材は、硫窒化層が、ビッ
カース硬度（荷重：１００ｇｆ）８００〜１２００の硬
さを有していることを特徴とする。
請求項３のエアーモータ用部材は、前記混合ガスにお
ける窒素と硫化水素との割合が、窒素分１００容量部に
対し、硫化水素分０．０１〜９９容量部であることを特
徴とする。
請求項４のエアーモータ用部材は、前記部材が、ロー
ター、シリンダー、フロントシリンダカバー又はリヤー
シリンダカバーのいずれか１つあるいは２以上であるこ
とを特徴とする。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施形態に係るベーン型モータの外
観図の一例である。図２は、本発明の実施形態に係るベ
ーン型モータ内部のローター部分の構造を示す斜視図で
ある。図３は、本発明の実施形態に係るベーン型モータ
の内部のローター部分の横断面図である。図４は、本発
明の実施形態に係るベーン型モータのローター部分を直
角方向から見た横断面図である。図５は、本発明の実施
形態に係るベーン型モータ周辺部材であるシリンダー内
壁部分の窒化層形成部分を示した断面図である。図６
は、本発明の実施形態に係る実施に用いた光輝窒素拡散
法の窒化装置の概略図である。図７は、本発明の実施形
態に係る光輝窒素拡散法の浸窒化処理における加熱サイ
クル曲線の一例である。図８は、本発明の実施形態に係
る光輝窒素拡散処理後における、浸硫窒化層断面のビッ
カース硬度の測定値の一例である。
発明を実施するための最良の形態 本発明においては、減圧下で高温の水素ガス及び窒素
ガスと硫化水素の混合ガス雰囲気中でグロー放電させる
光輝窒素拡散（以下プラズマ浸硫窒化という）法を用い
てベーンと接触する周辺部材表面をイオン的に硫窒化
し、従来よりも高くかつ均一な硬度を有し、かつ均一な
硬度を有するために鋼母層との密着性に極めて優れた硫
窒化層（以下プラズマ浸硫窒化層という）を形成させる
ことにより、耐摩耗性、耐衝撃性および耐熱衝撃性に優
れた長寿命のエアーモータ用ベーン周辺部材が得られる
ことが判明した。以下、実施の形態を示し、本発明を詳
細に説明する。
図１はベーン型エアーモータの外観図で、モータ周囲
はモータケース９とエンドカバー１０で囲われ、モータ
ケース外壁には空気供給孔９Ａが敷設されている。図２
はエアーモータの内部の構造を示す横断面図で、モータ
の中心に存在するローター２はシリンダー４の偏芯位置
に加工された円筒穴４Ｃの内壁４Ｄに接近して配設され
ている。ローター２の両端の軸２Ａ及び２Ｂはローター
２及びシリンダー４の両側に配設されているフロントシ
リンダーカバー５及びリヤーシシリンダーカバー６にそ
れぞれ嵌着された軸受７、８で支えられている。
また、シリンダー４、フロントシリンダーカバー５、
リヤーシリンダーカバー６はモータケース９の円筒穴９
Ｃ内に嵌着され、エンドカバー１０のねじ部１０Ａで固
定されている。モータケース９の内部であるシリンダー
側にはシリンダー４の内壁が敷設されいて、ベーン３１
と３５はその中に格納されている。
図３はローター部分のみの構造を示したもので、両端
の軸２Ａ及び２Ｂの間に、ローター２が結合されてい
て、このローター２は図２のフロントシリンダーカバー
５及びリヤーシリンダーカバー６にそれぞれ嵌着された
軸受７、８で支えられている。ローター２には放射状に
加工された複数の溝２Ｃ１〜６が削正されていて、この
溝の中にはここでは図示しないベーン３１〜３６が配設
されている。
図４はローター面を直角方向から見た横断面図で、ロ
ーター２の表面に加工された溝２Ｃ１にはベーン３１が
埋設され、同様にして他の溝（２Ｃ２〜２Ｃ６）にはベ
ーン３２〜３６がスライド可能に配設され、ローター２
の回転に従ってベーン３１〜３６は溝２Ｃ１〜６の中を
半径方向へスライドして移動する。
ローター２は、この図４から明らかなようにシリンダー
内に偏芯した状態で敷設されていて、シリンダー４の内
壁との間に空孔１１を形成している。
シリンダー４の内壁の一部には、給気用の空気室４Ｃ
及び排気用空気室９Ｃが形成されていて、この空気室４
Ｃ及び９Ｃは、シリンダーに貫通穿設されている空気供
給孔４Ａ又は空気排気孔４Ｂと連結し、さらに空気供給
孔４Ａはモータケース外壁９に敷設されている空気供給
孔４Ａと連結している。また同様にして空気排気孔４Ｂ
はモータケース外壁９に敷設されている空気排気孔９Ａ
と連結している。なお、モータベーンの回転は左右いず
れの方向にも回転可能なように図示しない切替弁が付属
している。従って、モータベーンの回転を逆転させた場
合には吸・排気関係は逆転する。
いま、図４において空気供給孔９Ａから高圧空気を供
給してモータベーンを反時計方向へ回転させる。空気供
給口９Ａよりシリンダー４の空気供給口４Ａを経由して
シリンダー４内の空気室４Ｃに吸入され、ベーン３１に
作用するとローター２は反時計方向へ回転力を受けて回
転する。空気流は空気室４Ａ、空孔１１及びベーンの移
動作用により、ローター２を回転させ、圧縮空気は最終
的にはシリンダー４の排気口４Ｂを経由してモータケー
スの排気口９Ｂから大気中に排出される。このようにし
てモータ２は連続的に反時計方向に回転する。
この場合、ローター２は５００ＫＰａの圧力を受けて
１０，０００ｒｐｍで回転する。従ってベーンの周辺部
材はタービン油等を給油しないと、早期に摩耗や焼き付
きを生じて、回転不能や性能低下のトラブルが発生す
る。
図５は周辺部材の一例を示した断面図で、部材１２は
モータベーンとの接触摩擦作用によって摩滅し、放置し
ておくと脆化して、最後には破損にいたる。
そのため、モータベーンと接触する部材表面には、３０
〜３００μｍ程度の厚さのプラズマ浸硫窒化層１２Ａを
形成する。
本発明のモータベーン周辺部材は鋳造材もしくは鍛造
材であるので、焼入れ焼戻し処理を施したダイス鋼にプ
ラズマ浸硫窒化処理を施すことが好ましいが、ダイス鋼
の使用を限定するものではなく、用途に応じて構造用
鋼、肌焼鋼、バネ鋼、高速度鋼、ステンレス鋼などを用
いてもよく、場合によってはプラズマ浸硫窒化処理前に
焼入れ焼戻し処理などの熱処理を施さなくてもよい。
次に、本発明の周辺部材の最表面に、プラズマ浸硫窒
化層を形成させる方法について説明する。
有機溶剤などで脱脂洗浄したＳＫＤ６１鋼からなる周
辺部材の必要部分を真空チャンバー内に設けた陰極上に
載せ、真空チャンバー内を１０−３torr程度まで排気し
た後、５０〜９５％の水素と、５〜５０％の、窒素と窒
素ガス１００容量部に対して０．０１〜９９容量％の硫
化水素ガスとを含む混合ガス雰囲気中で４５０〜５８０
℃に加熱し、真空チャンバー内に設けた陽極との間に直
流電圧３００〜５００Ｖを印加し、グロー放電によりガ
スをイオン化し、周辺部材の表面に窒素を拡散させる。
処理時間は１〜３０時間程度であり、その後窒素雰囲気
中または減圧化で自然放冷する。
なお、本発明において、プラズマ浸硫窒化処理する場
合には処理用部材の温度を４５０〜５８０℃に加熱して
行う必要がある。４５０℃未満ではプラズマ浸硫窒化反
応が極めて遅く、５８０℃を超えると一旦形成された硫
窒化物が分解し、プラズマ浸硫窒化反応がそれ以上進行
しなくなるためである。加熱手段としては電気加熱、ガ
ス加熱などを用いることができる。加熱源はイオン硫窒
化処理を行う真空チャンバー内に配置するか、その外側
に配置するなど出来るが、自動制御システムと組合わせ
て用いると、プログラムされた昇温や温度維持が自動制
御できる。
プラズマ浸硫窒化のためのガスとしては、水素ガス、
窒素ガスと硫化水素ガスの混合ガスを用いる。この場合
において、窒素ガス１００容量部に対して０．０１〜９
９容量部の硫化水素ガスを混合した混合ガスを使用する
ことによって、安定した均一な硬度の硫窒化層を形成す
ることができる。また、水素ガスは窒素ガスと硫化水素
ガスの混合ガスのイオン化を安定に行うための補助ガス
として作用する。
Ｎ2／Ｈ2体積比は、１：１００〜１：０にし、好まし
くは１：１０〜２：１である。１：１００未満であると
プラズマ浸窒化反応が充分でない。さらに表面硬度の均
一化を図るためにＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅガス等の不活性ガス
をプラズマを安定させることによって被膜の厚さと硬度
を均一にするために添加することもできる。
ベーンとの接触面に対して、直流電圧３００〜５００
Ｖを印加するのは、この電圧の範囲においてグロー放電
は硫化水素ガス、窒素ガス及び水素ガスのプラズマ化に
効率的だからである。電圧が３００Ｖ未満ではプラズマ
化を充分起こすことができず、５００Ｖを超えると、金
属部材の表面で局部的な過熱状態を生じたり、厚さ、硬
度の均一なプラズマ浸硫窒化処理が行われないので好ま
しくない。
プラズマ浸硫窒化に用いる真空チャンバーは、グロー
放電用電極やプラズマ化ガス用配管を備えており、真空
ポンプと接続した排気管を備えたものが必要である。図
６に本発明の実施に用いた光輝窒素拡散法の浸硫窒化装
置の概略図を示す。真空チャンバー５０の外壁の内部に
は加熱ヒーター７０が配置されている。真空チャンバー
５０の内部には直流電源７１に接続された直流電極７２
が配置されている。真空チャンバー５０の下部には排気
管５１が接続され、圧力調整用のバルブ５２を介して真
空ポンプ５３に接続されている。真空チャンバー５０の
上部から原料ガス供給用のノズル５４が挿入されてい
る。Ｈ2ガス、Ｈ2Ｓ（硫化水素）ガス、Ｎ2ガス、Ａｒ
ガス等の不活性ガスの供給源からそれぞれマスフローコ
ントローラー５５〜５８、調節バルブ５９〜６２、導入
管６３〜６６を介してノズル５４に接続されている。直
流電極７２の上に材質がＳＫＤ６１鋼である周辺部材７
３を配置した。
［実施例１］ 真空チャンバー５０内の直流電極７２の上に材質がＳ
ＫＤ６１鋼である周辺部材７３を載置、固定した。真空
チャンバー５０の外壁ヒーターに通電して、図７に示す
加熱サイクルで真空チャンバー内を加熱し、約１時間か
けて４８０℃まで昇温させた後、４８０±１０℃の温度
に６時間保持し、次いで約４時間かけて室温まで冷却す
る。真空チャンバー内は図７に示すように１〜４期の期
間に分けてガス組成を変化させていく。第１期は昇温過
程であり、排気したのみでガスは供給しない。第２期は
清浄過程であり、水素１００％からなるガスを供給す
る。第３期は硫窒素拡散過程であり、８０％の水素ガス
と１０％の窒素ガス及び１０％の硫化水素ガスからなる
混合ガスを供給した。
この第３期において真空チャンバー５０内に設けた直
流電極７２上の周辺部材７３に４１０Ｖの直流電圧を印
加し、グロー放電によりガスをイオン化し、周辺部材７
３の表面に窒素及び硫黄を拡散させる。第４期は冷却過
程であり、窒素１００％の雰囲気中で室温まで自然放冷
した。
このようにして、周辺部材の最表面の単位面積におけ
るビッカース硬度（荷重：１００ｇｆ）の平均値が１１
００であり、最大値は１１５０、最小値は１０８０であ
った。またこの場合、図８に示したように処理後の周辺
部材の最表面から０．１４ｍｍの深さまで硫窒化層が形
成されていることが確認された。この硫窒化層の硬度は
周辺部材の最表面から０．１４ｍｍの深さまで連続的に
減少し、また０．０９ｍｍの深さまで７００以上のビッ
カース硬度（荷重：１００ｇｆ）が得られた。このよう
に、従来よりも硫窒化層が硬くて厚く、かつ硫窒化層の
硬度が連続的に減少するとともに、表面のビッカース硬
度が極めて均一であるので鋼母層との密着性に優れた硫
窒化層となっている。
［実施例２〜５］ 水素ガス、窒素ガス、硫化水素ガスの分圧及び印加電
圧を変えて、実施例１と同様にして浸硫窒化層を周辺部
材上に形成させた。なお、上記以外の条件は実施例１の
場合と同一とした。
［比較例１］ 硫化水素ガスを使用しないで、他の条件は実施例１と
同一にして、窒化層のみを形成させた場合である。この
場合は表面層のビッカース硬度の平均値と、最大値又は
最小値との差の大きい方の値が１００を超えるため、硬
さに多少の不均一性を生じることになる。
実施例及び比較例における測定値を表１にまとめた。
実施例、比較例における平均値は最表面の１ｃｍ2の
広さについて５回の繰返し試験を行い、その平均値を求
めて、最大値、最小値と比較した。
産業上の利用可能性 本発明は、光輝窒素拡散法を用いてベーンモータ周辺
部材の最表面に、ビッカース硬度（荷重：１００ｇｆ）
８００〜１２００の硬さを有する硫窒化層を形成させた
ものであり、従来のベーンモータ周辺部材におけるより
も硫窒化層が硬くて厚く、かつ表面における硫窒化層の
硬度が均一で、かつ表面から離れるに従って連続的に減
少すしていくので鋼母層との密着性に優れている。その
ため、従来の周辺部材ではモータの耐久時間は約１５０
０時間に過ぎなかったが、本発明の周辺部材を使用した
ベーンモータを用いた場合はモータの耐久時間は８，０
００〜１０，０００時間と飛躍的に向上し、従来の少な
くとも約５〜６倍のモータ寿命が得られることとなっ
た。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 8/38 F01C 1/344

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面を、５０〜９５％の水素と、５〜５
    ０％の、窒素及び硫化水素とからなる混合ガス雰囲気中
    で、４５０〜５８０℃に加熱し、真空チャンバー内に設
    けた陽極との間に直流電圧３００〜５００Ｖを印加し、
    光輝窒素拡散法を用いて表面に硫窒化層を形成させた、
    エアーモータ用部材。
  2. 【請求項２】 前記部材の最表面の浸硫窒化層が、ビッ
    カース硬度８００〜１２００の硬さを有していることを
    特徴とする請求項１に記載のエアーモータ用部材。
  3. 【請求項３】 前記混合ガスにおける窒素と硫化水素と
    の割合が、窒素分１００容量部に対し、硫化水素分０．
    ０１〜９９容量部である請求項１記載のエアーモータ用
    部材。
  4. 【請求項４】 前記部材が、ローター、シリンダー、フ
    ロントシリンダカバー又はリヤーシリンダカバーのいず
    れか１つあるいは２以上である請求項１に記載のエアー
    モータ用部材。
JP2000578497A 1998-10-28 1999-05-31 エアーモータ用部材 Expired - Lifetime JP3464651B2 (ja)

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