JP4293295B2 - 斜板式コンプレッサーの斜板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜板式コンプレッサーの斜板に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、斜板式コンプレッサーにおいて鉄系もしくはアルミニウム系材料からなる斜板の摺動特性を飛躍的に改良する表面処理技術に関するものである。
【0002】
斜板式コンプレッサーは、図1に示すように回転軸1に斜めに固着された斜板2又は回転軸に斜めに取り付けられ、傾斜角変更可能な斜板が、回転軸の回転に応じてコンプレッサー内にて仕切られた空間の体積を増減することにより圧縮・膨張を行うものである。かかる斜板はシュー3と称される密封部材と摺動しかつ相互に気密な封止を図ることにより冷却媒体が所定の空間にて圧縮・膨張可能となる。4はボールである。
斜板の摺動条件が特長的な点は、コンプレッサー運転初期に潤滑油が到達する前に冷媒が斜板とシューの間の摺動部に到達し、これが摺動部に残存する潤滑油を洗浄する作用をもつために、潤滑油がないドライ条件で摺動されることである。このように斜板の摺動条件は非常に厳しい。
このような条件で使用される斜板は耐焼付性、耐摩耗性などの摺動特性が必要となるので、アルミニウム系材料に硬質物を添加して耐摩耗性を向上する提案、斜板の材質を改良する提案、鉄系斜板に熱処理を施し硬度を上昇させ耐摩耗性を向上させる提案がなされている。又は次のような表面処理法の提案もされている。
【0003】
本出願人は、鉄系斜板と鉄系シューの摺動では焼付が起り易いので、特開昭51−36611号公報において鉄系斜板ではシューにCu焼結材料を接着することを提案した。すなわち、古くは、鉄系斜板に硬化処理を施して来たが、相手材であるシューも鉄系材料であると、同種材料の摺動により焼付が発生し易いという問題があった。これを避けるために鉄系斜板の相手材(シュー)に焼結銅合金を使用したのである。
また、同種材料の摺動を避けるために鉄系斜板にスズめっきを施し、耐焼付性を向上させることも提案されているが、スズめっきは軟質であるために耐摩耗性不足の問題が起こった。
【0004】
さらに、鋳造もしくは鍛造により製造される共晶もしくは過共晶Al−Si系アルミニウム合金は耐摩耗性が良好であるが、Si含有量が15%を超えると製造が困難になるので、耐摩耗性もこのSi量で制約されることになる。近年、急冷凝固アルミニウム合金粉末を使用した粉末冶金製品が提案されており(例えば特許掲載公報第2535789号),Si含有量が例えば14〜30%と非常に高いために耐摩耗性の向上は著しい。しかしながら、この合金はホットプレスに続いて熱間押出などの加工を行う必要があるから、斜板素材などの比較的大型部品を製造するためには非常に大容量のプレスや押出機の設備投資をしなければならないので、コスト面の競争力が著しく低いと言わざるをえない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、鉄系もしくはアルミニウム系斜板の表面に優れた耐焼付性及び耐摩耗性を兼備した表面層を設けることにより、斜板式コンプレッサーの性能の向上及び信頼性の向上を図ることを目的とするものである。
本発明者らは共晶及び過共晶領域のAl−Si系アルミニウム合金系摺動材料を簡単な方法で斜板の表面に摺動層として成膜しかつ従来の各種摺動層よりも優れた特性を発揮させるための研究を行った。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意実験を行い、共晶及び過共晶領域のAl−Si系アルミニウム合金の溶射皮膜は基板との密着性が優れており、またSi粒子が微細化されることを見出し、本発明の第一は、Siを12〜60重量%、0.1〜1.5重量%のMn、0.1重量%以上1.0重量%未満のFe及び0.1〜8.0重量%のNiを含有し、残部が実質的にAlからなり、粒状Si粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Si粒子をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板であり、本発明の第二は、Siを12〜60重量%、Sn0.1〜30重量%、0.1〜1.5重量%のMn、0.1重量%以上1.0重量%未満のFe、及び0.1〜8.0重量%のNiを含有し、残部が実質的にAlからなり、粒状Si粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Si粒子及びSn相をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板である。以下、本発明を詳しく説明する。なお、百分率は特に断らない限り重量%である。
【0007】
本第1発明のAl−Si系合金において、Siは粒状形態でアルミニウムマトリックス中に微細かつ多量に分散して合金の硬さを高めて耐摩耗性を向上させる。さらに微細かつ多量に分散した粒状Si粒子はアルミニウムマトリックスがシューと凝着することによる焼付を起こり難くしている。本発明において、粒状Si粒子とは従来の溶製合金の初晶Siや圧延合金のSi粒子で見られるような、一方向明らかに長い方向性がある粒子形状ではなく、どの方向でもほとんど同じ寸法の球状、塊状、多角形、その他これらに分類されない不定形状である。さらに、従来の溶製合金では判然としている初晶Siと共晶Siの区別は本発明の場合は消失している。Si含有量が12%未満では耐摩耗性と耐焼付性向上の効果が少なく、60%を超えると強度低下が著しく、耐摩耗性の低下を招く。好ましいSi含有量は15〜50%である。Si粒子の寸法が50μmを超えるとSi粒子の脱落が起こり易くなる。好ましいSi粒子寸法は1〜40μmである。
Mn:Mnは0.1%以上でアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってCuと同様の効果をもたらす。しかしながら、Mnの含有量が1.5%を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいMn含有量は0.1〜1%である。
Fe:Feはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってCuと同様の効果をもたらす。しかしながら、Feの含有量が1.0%以上であると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。Fe含有量は0.1%以上である。
Ni:0.1%以上でNiはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってCuと同様の効果をもたらす。しかしながら、Niの含有量が8%を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいNi含有量は0.1〜5%である。
本第2発明のAl−Si−Sn系合金もMn、Fe及びNiを含有する。
【0008】
次に、本第2発明のAl−Si−Sn系合金は優れた耐摩耗性と耐焼付性をもつ材料である。Siの形状及び含有量は第1発明について述べたところと共通している。Snは、均一にアルミニウムマトリックス中に分散して潤滑性やなじみ性を付与する成分であり、また、シューに優先的に付着して、シューに凝着したAlと軸受のAlの同種材料どうしの摺動が起こるのを妨げて、耐焼付性を高める。
Sn含有量が0.1%未満では潤滑性などの向上の効果が少なく、30%を超えると合金の強度が低下する。好ましいSn含有量は5〜25%である。Sn相は層内で片状に伸びた形状を有し、この形状は潤滑性の面で好ましいと考えられる。
【0009】
第1発明及び第2発明のアルミニウム合金は、例えば次の任意元素を含有することができる。
Cu:Cuはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによって、アルミニウムの凝着摩耗や、Si粒子が脱落することによる摩耗を抑える。さらにCuはSnの一部とSn−Cu金属間化合物を生成して耐摩耗性を高める。しかしながら、Cuの含有量が7.0%を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいCu含有量は0.5〜5%である。
Mg:MgはSiの一部と化合してMg−Si金属間化合物を生成して耐摩耗性を高める。しかしながら、Mgの含有量が5.0%を超えると、粗大なMg相が生成して摺動特性が劣化する。
【0010】
続いて、第1発明及び第2発明に共通する溶射による摺動層の形成を説明する。
本発明においては、トライボロジストVol.41, No.11 の第20頁、図2に掲載されている各種溶射法を採用することができるが、中でも高速ガス火炎溶射法(HVOF, high velocity oxyfuel)を好ましく採用することができる。この方法は同第20頁右欄第4〜13行に記載された特長を有しているので、特長があるSi及びSn相形態が得られると考えられる。溶射されたAlは急冷凝固により硬化しているために、Si粒子の保持力が高い特長を有し、このためにSi粒脱落による摩耗を抑えることができる。
溶射粉末としてはAl−Si合金、Al−Si−Sn合金などのアトマイズ粉末を使用することができる。これらのアトマイズ粉末は完全に基板上で溶融しその後凝固してもよく、あるいは一部が未溶融状態で基板上にて被着され粉末の組織が残るようにしてもよい。
溶射条件としては、酸素圧力0.45〜0.76MPa,燃料圧力0.45〜0.76MPa,溶射距離50〜250mmが好ましい。
溶射層の厚さは10〜500μm、特に10〜300μmが好ましい。
溶射後の硬度はHv 100〜600の範囲にある。従来の12%Si含有アルミニウム合金では硬度がHv 70〜150であるので、本発明の溶射層は非常に硬質であると言える。
【0011】
溶射層を形成する基板としては、鉄、銅、アルミニウムなどの各種金属基板を使用することができる。基板の表面はショットブラストなどにより、好ましくはRz10〜60μmの表面粗さに粗面化しておくと、膜の密着強度が高くなる。具体的には剪断破壊試験法により密着強度を測定したところ、鋼基板(ショットブラスト)に対する溶射Ni皮膜の密着強度が30〜50MPaであったのに対し、本発明皮膜の密着強度は40〜60MPaであった。したがって従来密着性が良いと言われているNi溶射皮膜よりも高い密着強度が得られる。
溶射層には熱処理を施して硬さを調整することができる。
【0012】
溶射層と基板の密着力はアルミニウム(すなわち溶射層のマトリックス)と基材の金属とが融合・拡散して合金を作ることによりもたらされ、一方分散相であるSiなどはこのような作用を欠き、密着力には寄与していないと考えれられる。このように溶射層中のSn及びSiは基板と溶射層の密着性を低下する傾向があるので、これらの元素の溶射層中の濃度が基板側から表面に向かって連続的もしくは不連続的に増加するような濃度勾配を形成すると密着力を高くすることができる。この結果、基板と接触する溶射層は純Al,Siなどの二次相形成元素濃度が低い合金となり密着力が高められる。このような濃度勾配は溶射粉末の配合組成を変えることにより形成することができる。
【0013】
溶射層をオーバレイなしで使用する場合は、溶射表面をRz3.2μm以下に仕上げることが好ましい。オーバレイを使用する場合はSn系、Pb−Sn,MoS2 ,MoS2 −グラファイトなどのなじみ性にすぐれた各種軟質被膜を使用することができる。
【0014】
シュー自体は公知のものであり、例えば本出願人の特開昭51−36611号などに示されており、鉄系材料としては鉄を主成分とするすべての材料で摺動面を構成したものを使用することができるが、軸受鋼が好ましい。また、その製造方法も一切限定されず、圧延、鍛造、粉末冶金、表面硬化などの技術を適宜採用することができる。
以下、実施例により本発明を説明する。
【0015】
【実施例】
実施例1
Al−40%Siの組成になるように、これら金属粉末の混合物を用意した。一方市販の純アルミ圧延板にスチールグリッド(寸法0.7mm)によるショットブラストを施し、表面を粗さRz45μmに粗面化した。
HVOF型溶射機(スルザーメテコ社製DJ)を使用し、下記条件で溶射を行った。
酸素圧力:150psi
燃料圧力:100psi
溶射距離:180mm
溶射層厚さ:200μm
この結果、硬度Hv=180〜250、平均粒状Si粒子寸法3μmの溶射層が形成された。この表面をRz1.2μmに仕上げた後相手材を鋼板(SUJ2焼入れ)として摩耗試験を下記条件で行った。摩耗試験の結果は比較例1、2とともに表1に示す。
【0015】
比較例1
実施例1と同様の条件で純アルミニウムの溶射層を形成し、同様の摩耗試験を行った。
【0016】
比較例2
Siを17%含有する砂型Al−Si鋳造材を供試材として、実施例1と同様の試験を行った。
【0017】
摩耗試験は次の条件で行った。
試験機:30ピン/ディスク摩擦摩耗試験機
荷重:40kg/cm2
回転数:700rpm
潤滑:冷凍機油+冷媒ガス(R134a)
試験時間:120分
【0018】
【表1】
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると共晶もしくは過共晶Al−Si合金を斜板の摺動層として容易に成膜することができる。また、本発明合金の性能は従来の溶製Al−Si合金と比較して優れているために、斜板式コンプレッサーの性能向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 斜板式コンプレッサーの斜板、回転軸及びシューを示す図面である。
【符号の説明】
1−シャフト
2−斜板
3−シュー
Claims (7)
- Siを12〜60重量%、0.1〜1.5重量%のMn、0.1重量%以上1.0重量%未満のFe及び0.1〜8.0重量%のNiを含有し、残部が実質的にAlからなり、粒状Si粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Si粒子をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板。
- Siを12〜60重量%、Snを0.1〜30重量%、0.1〜1.5重量%のMn、0.1重量%以上1.0重量%未満のFe、及び0.1〜8.0重量%のNiを含有し、残部が実質的にAlからなり、粒状Si粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Si粒子及びSn相をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板。
- 7.0重量%以下のCu及び5.0重量%以下のMgの少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1又は2記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
- 前記基板が表面を粗面化した金属基板である請求項1から3までのいずれか1項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
- 前記粒状Siの平均粒径が50μm以下である請求項1から4までのいずれか1項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
- 前記Si及びSnの溶射層中の濃度が基板から層表面に向う方向で増加する膜厚方向の濃度変化を形成したことを特徴とする請求項2から5までの何れか1項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
- 前記アルミニウム合金の表面に軟質膜を被着したことを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
Priority Applications (8)
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