JP4777533B2

JP4777533B2 - コンプレッサの摺動部材

Info

Publication number: JP4777533B2
Application number: JP2001119087A
Authority: JP
Inventors: 誠柴田; 茂幸須賀
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: JP2002317763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜板式コンプレッサなどのHFC（Hydro Fluoro Carbon）、CO₂冷媒(R744)などの各種冷媒雰囲気下で使用されるコンプレッサの摺動部材の摺動特性を高める表面処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
斜板式コンプレッサは、回転軸に一定角度もしくは可変角度で固着された斜板と、回転軸に平行に設けられたシリンダ内に嵌装されたピストンリングと、斜板とピストンの間に配置された摺動部材であるシューを含み、斜板の回転によってピストンが往復動され、シリンダ内に気体が導入され、圧縮されるものである。
斜板式コンプレッサ自体の構造は例えば特公昭61-1636号の第1図及び公報第3欄第42行〜第4欄第16行、第5欄第14行〜第6欄第2行の説明を参照されたい。
かかる斜板としては、古くから焼入れ鋳鉄が用いられ、次にコンプレッサの軽量化のために耐摩耗性が優れたＡｌ-Ｓｉ系アルミニウム合金鍛造材が用いられ、現在は、特に可変容量コンプレッサの回転性能の観点から鋳鉄斜板が用いられているが、鋳鉄とシューの軸受鋼の摺動では焼付が起こるのでＣｕ−Ｐｂ合金を溶射した鋳鉄斜板が用いられている。一方、シューとしては、クロム鋼、特に軸受鋼（ＳＵＪ2）が用いられている（特公平1-35190号公報）。斜板式コンプレッサでは潤滑油は冷媒とともにミスト状もしくは冷媒に溶解して機内を循環しているが、一部は摺動面に残留して潤滑面を作る。また潤滑油の使用量少なくする傾向が依然として続いており、このため摺動条件は益々過酷になっており、特に斜板とシューとの摺動面の性能不足が問題となっている。
【０００３】
さらに、シューはピストンに嵌入される球面部と斜板と接触する平面部から構成されるが、平面部の中央を頂点とし、高さが15μｍ以下である極めて大きな曲率半径を有する凸曲面とし、平面部の外周縁は面取り部とすることにより、耐焼付性のばらつきが少なくなる（特公昭61-1636号公報、特公昭63-27554号公報、特公平1-35190号公報）。このような凸面部及び面取り部を有するシューは実機に採用され、斜板式コンプレッサの斜板の性能向上に多大な貢献をしている。凸面部の高さを高くすると油膜が形成され易くなるが、その一方耐焼付性のばらつきが大きくなるので、現在の実機では1〜5μｍの高さ範囲が採用されている。
【０００４】
冷媒としては、従来CFC(Chloro Fluoro Carbon), HCFC (Hydro Chloro Fuloro Carbon)などが使用されていたが、これらはHFC（Hydro Fluoro Carbon）などに代替されつつある。これら冷媒は斜板式コンプレッサ摺動面上の潤滑油を洗浄する作用をもち、運転初期に摺動面に到達する冷媒は潤滑油濃度が低いために、潤滑作用よりも洗浄作用が顕著になって焼付きの原因となる。このような状況に対応するために、従来Cu-Pb合金を斜板に溶射するなどの対策が講じられてきた。この対策の骨子は、コンプレッサ運転初期には潤滑油の効果は期待できないので、なじみ性に優れた銅合金中にPbをできるだけ微細に分散させてその優れたなじみ作用により焼付きを防止するところにある。事実、ある程度の期間運転された斜板式コンプレッサの斜板表面を観察すると、粗さ計による測定では著しい変化はないが、Pb相及びその周辺が浅い皿状に削り取られており、なじみ作用が確認された。
【０００５】
ところで、摺動面を機械的に粗面化して油溜まりを形成する手段を斜板式コンプレッサに採用しても、冷媒が洗浄効果をもつために機械的に形成された凹部に存在する潤滑油も随伴して凹部外に流出する結果、凹部にはほとんど潤滑油が残存しない。
【０００６】
さらに、冷媒環境下で運転されるレシプロ型コンプレッサのアルミハウジング又はシリンダとピストンより構成される摺動部にはPTFEコーティングなどの表面処理対策がとられてきた。
【０００７】
なお、冷媒環境下の摺動材料については、シリンダ、ローラ、ピストンなどに片状黒鉛鋳鉄を、シャフトに球状黒鉛鋳鉄を使用する例、ベーンに高速度鋼、合金鋼を使用する例が報告されている（「トライボロジスト」Vol.43/No.3.1998,p22〜23）。同誌には、潤滑状態を最適化するために適度に表面を軟質化し、摺動初期になじませる方法も紹介され；さらに、浸硫窒化、酸窒化処理、クロムめっき、窒化チタン膜形成、窒化クロム膜形成などの表面処理にも言及されている（p24）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
摺動初期になじみ面を作ることに特長があるCu-Pb系合金の溶射は安定した耐焼付性の面では優れているが、環境汚染物質である鉛を含有していることが将来弊害になる可能性がある。また、Cu-Pb系合金はなじみ性が優れている反面、相手材に凝着し易い性質がある。そのため運転初期の数〜数十秒の潤滑油が期待できない状況では焼付きが起こる危険が高くなる。
したがって、本発明はこのような問題点を解決して、運転初期の数〜数十秒間潤滑油が期待できないコンプレッサにおいて、冷媒雰囲気下でかつ高速又は高負荷条件で優れた性能の摺動部を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、従来の銅もしくはアルミニウム合金の溶射、Snめっき、窒化などの硬質化処理、機械的粗面化処理、固体潤滑材皮膜の形成などを種々実験しあるいは実機にも使用していたが、アルミニウム合金製ピストン表面を処理する弗化物系化成処理は、運転初期の数〜数十秒間潤滑油が期待できないコンプレッサにおける摺動部材の焼付防止に有効であること、またこの処理による皮膜が不足するなじみ性は固体潤滑材により改善されることを見出した。したがって、本発明は、アルミニウム系基材表面に形成された、Al-OH-F化合物もしくはNH₄MgAlF₆化合物又はこれらの両方の化合物からなる弗化物系化成皮膜を、さらに固体潤滑材を被覆してなる、冷媒雰囲気下で摺動されるコンプレッサの摺動部材を提供するものである。以下、本発明を詳しく説明する。
【００１０】
前述のAl-OH-F化合物もしくはNH₄MgAlF₆化合物又はこれらの両方の化合物からなる化成皮膜は特開平11―193748号公報に記載された発明であり、Al-Si系合金製ピストンの表面処理への適用例が詳述されている。ピストンとピストンリングの摺動部にも潤滑油が十分に供給されないこともあることは、従来から知られているが、この摺動部は冷媒雰囲気下でないことがコンプレッサ摺動部と決定的に異なっている。その他の点、特に化成皮膜の構造、製法などはピストンとコンプレッサでは差異がないので、特開平11―193478号公報の段落番号０００４〜００２２の記載は本願明細書に引用される。但し、「ピストン」を『コンプレッサ摺動部材』と読み替える。段落番号００１９、公開公報第7欄第3行以降は引用しない。また、段落番号００１1は「本発明の表面処理対象になるのは耐摩耗性アルミニウム合金である。前処理としては、油などの付着物を除去するだけで十分であるが、苛性ソーダ等を用いたアルカリエッチングや、酸洗処理した後に表面処理をしてもよい。」と読み替える。
冷媒雰囲気下において、弗化物系化成皮膜はCu-Pb溶射層やMoS₂皮膜すると、なじみ面を作る効果としての作用が少ない。しかし、皮膜表面に形成される複雑な凹凸面形状が潤滑油の保持力に優れており、冷媒により潤滑油が洗浄され難い。
【００１１】
本発明で基材に使用するアルミニウム合金はSi含有量が７〜５０質量％のAl-Si系合金であることが好ましい。Ｓｉ含有量が７質量％未満であると耐摩耗性が不足し、一方５０質量％を超えると、耐焼付性が劣ってくる。好ましいSi含有量は１０〜４０質量％であり、さらに好ましくは１０．５〜２５質量％である。さらに、必要によりCu,Mgなどの合金元素を少量含有することができる。
【００１２】
上記組成のAl-Si系合金のSiはほとんどがSi共晶もしくは初晶としてマトリックス内に分散している。さらに、弗化化成処理の際に基材がエッチングされるときにマトリックスのアルミニウムが優先的に溶け出すために、これらSi共晶もしくは初晶がアルミニウム系基材の表面から化成皮膜より上方まで突出している。この突出Ｓｉ粒子は相手材表面と接触して耐摩耗性を発揮する。一方、弗化物系化成皮膜は上述のように摩耗するために、摺動面では油溜りとＳｉ粒子の凸部が混在した状態となって、耐焼付性はさらに向上する。このようにＳｉ粒子を突出させるためには、先ず通常のエッチングを行ない、その後化成処理を行なうことが好ましい。
【００１３】
上述のように本発明で使用する弗化物系化成皮膜自身は初期なじみ性が不足する。これを補うためには、黒鉛、二硫化モリブデン及びPTFEの少なくとも１種を固体潤滑材として含む皮膜を樹脂バインダを使用して形成し、被覆を行なう。この結果摩擦係数が低下して摩擦による発熱防止及びなじみ効果が得られる。固体潤滑材皮膜は例えば3〜20μmと薄くして、摺動初期にある程度摩耗させることによって、弗化物化成皮膜の凹凸面が一部露出することが好ましい。固体潤滑材皮膜は皮膜として成立するならば３μmより薄くても問題ない。また、固体潤滑材皮膜がある程度摩耗してから突出Ｓｉ粒子が相手材と接触して耐摩耗性効果が表れる程度に、突出Ｓｉ粒子を固体潤滑材で被覆することが好ましい。固体潤滑材は樹脂バインダとともにあるいは単独で成膜することができる。単独成膜の場合は固体潤滑材を弗化物系化成皮膜に擦りつける程度でもよい。以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００１４】
【実施例】
実施例１
１７％Ｓｉを含有するアルミニウム合金板に特開平１１−１９３４７８号公報、実施例１の条件（００２３）により弗化物系化成皮膜を厚さ５μmに形成した。この皮膜上へポリアミドイミド（樹脂バインダー：20wt％）と二硫化モリブデン（80wt%）の混合物の塗膜（厚さ7μm）を施した円板を供試材とし、相手材シューを軸受鋼（ＳＵＪ２）として以下の試験を行なった。
【００１５】
焼付き試験
形態：３シュー／弗化物化成皮膜ディスク
回転数：７２００ｒｐｍ
面圧：４ＭＰａ＋２ＭＰａ漸増
時間：各ステップ１５分
冷媒雰囲気：Ｒ１３４ａ
試験部圧力：３ｋｇｆ／ｃｍ²
潤滑油：冷凍機油（１０ｗｔ％）
潤滑方法：霧化
試験結果：１５ＭＰａでも焼付発生しない。摩擦係数＝０．００８
【００１６】
アップダウン試験
形態：３シュー／弗化物化成皮膜ディスク
回転数：６００と６０００ｒｐｍの間で増減速
面圧：１０ＭＰａ
時間：１０分／サイクル、×６サイクル
冷媒雰囲気：Ｒ１３４ａ
試験部圧力：３ｋｇｆ／ｃｍ²
潤滑油：冷凍機油（１０ｗｔ％）
潤滑方法：霧化
試験結果
６サイクルでも焼付きは発生しない。
摩擦係数＝０．０１４（６０００ｒｐｍ）〜０．００７（６００ｒｐｍ）
【００１７】
ドライ試験
形態：３シュー／弗化物化成皮膜ディスク
回転数：１０００ｒｐｍ
面圧：４ＭＰａ
時間：１２０分
冷媒雰囲気：Ｒ１３４ａ
試験部圧力：３ｋｇｆ／ｃｍ２
潤滑：ドライ環境
試験結果：スタート直後に焼付き発生
【００１８】
比較例１
弗化物系化成皮膜を施さないで焼付試験を行なったところ、６〜８ＭＰaで焼付が起こった。
【００１９】
比較例２
Ｃｕ−Ｐｂ合金溶射を施して焼付試験を行なったところ、１５ＭＰaで焼付が起こった。またドライ条件で試験を行なったところスタート直後に焼付が起こった。
【００２０】
以上の試験結果の通り、本発明実施例によると焼付き試験及びアップダウン試験ともに結果が良好である。この結果から、冷媒雰囲気下での摺動において弗化物系化成皮膜は運転初期にも、また高圧条件でも耐焼付性が優れていることがわかる。また、焼付き試験の摩擦係数は０．００８と低く、樹脂コーティングと同程度である。また、本発明実施例はドライ試験の結果が不良であるので、全く潤滑油が供給されない使用条件には適していない。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、従来冷媒雰囲気下で使用される部材に適用される表面処理や素材については多くの研究や開発が行なわれてきたが、本発明は油溜り効果に着目して厳しい運転条件に適合できる表面処理を適用するものである。

Claims

アルミニウム系基材の表面に形成された、Al-OH-F化合物もしくはNH₄MgAlF₆化合物又はこれらの両方の化合物からなる弗化物系化成皮膜に、さらに固体潤滑材を樹脂バインダを使用して被覆してなる固体潤滑剤皮膜を有する、冷媒雰囲気下で摺動されるコンプレッサの摺動部材であって、前記アルミニウム系基材がＳｉ含有量が７〜５０質量％であるAl-Si系合金からなり、該Al-Si系合金のSi共晶もしくは初晶が前記アルミニウム系基材の表面から前記弗化物系化成皮膜表面より上方位置まで突出し、且つ前記固体潤滑材皮膜に被覆されることを特徴とするコンプレッサの摺動部材。
前記固体潤滑材皮膜が斜板式コンプレッサの斜板表面に適用される請求項１記載のコンプレッサの摺動部材。
前記固体潤滑材は黒鉛、二硫化モリブデン及びPTFEからなる群から選択された少なくとも１種である請求項１又は２記載のコンプレッサの摺動部材。