JPH0285374A

JPH0285374A - 摺動部品材料

Info

Publication number: JPH0285374A
Application number: JP23404488A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Sato; 忍佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-19
Filing date: 1988-09-19
Publication date: 1990-03-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、金属基材の摺動面にセラミックス層を、一体
的にコーテング（被覆）して成る摺動部品材料に係り、
特に、圧縮槽等の回転要素乃至部材等に適する摺動部品
材料に関する。

（従来の技術）機械部品を構成する金属材料の表面に、セラミックスを
コーテングし、機械部品の耐摩耗性を向上させ、もって
装置の長寿命化や信頼性の向上を〜図ることが試みられ
ている。例えば、冷媒圧縮機についてみると、この種の
冷媒圧縮機は第７図に一部を切欠して示す様に構成され
ている。即ち、ケーシング１内には図示しないモータが
収容され、このモータにより回転するシャフト２が、フ
レーム３の軸受にて支持されシリンダ４内を貫通し、更
にその下端部はサブベアリング５の軸受に支持されてい
る。しかして、前記シャフト２のシリンダ４内の部分は
、第８図に横断面的に示すように、クランク部（偏心部
）となっており、このクランク部とシリンダ４との間に
ローラ６が嵌合され、シャフト２の回転によりローラ６
は遊星運動をする。また、シリンダ４を貫通してブレー
ド７が設けられ、このブレード７の一端側はスプリング
８の付勢力によりローラ６の外周面に接触し、シリンダ
４内を吸込室９と吐出室１０に分割しており、このブレ
ード７は前記ローラ６の遊星運動に応じて往復運動する
。一方冷媒ガスはシャフト２の回転に伴うローラ６の、
遊星運動に応じて吸込口１１から吸込まれ、圧縮され、
吐出口１２から吐出されるが、この際摺動部の動作を円
滑にするため、ケ−ラング１内には冷凍機油１３が収容
されている。

なお、前記冷凍機油１３はシャフト２の回転により、シ
ャフト２下端に設けられているポンプ１４に沿って吸い
上げられ、摺動部を潤滑する様になっている。

ところで、上記冷媒圧縮機における構成部品の摩耗は、
ブレード７とシャフト２を中心としたものに分けられる
。先ず、ブレード７は前記したようにシャフト２の回転
に伴い往復運動をするが、この際、分割されたシリンダ
４内の二基９，１０の圧力差によりシリンダ４の貫通孔
内面に擦りつけられ、ブレード７、シリンダ４とも摩耗
する。また、ブレード７はスプリング８によって、その
端部がローラ６の外周面に押付けられているため、ロー
ラ６の外周面も摩耗する。一方、シャフト２はローラ６
を介してスプリング８やシリンダ４内の圧力を受け、フ
レーム３とサブベアリング５に押付けられて、若干湾曲
した形状となって高速回転するため、シャフト２の外周
面、フレーム３及びサブベアリング５の内周面が摩耗す
る。

こうした機械要素乃至部品の摩耗を防止するため、上記
機械要素乃至部品（部材）を構成する金属基材の表面に
、例えば溶射法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）あるいはスパ
ッタリング法によりセラミックスをコーテングし耐摩耗
性を向上させることが試みられている（特開昭５７−３
２０９６号公報、特開昭５８−７７１９２号公報、特開
昭５９−１２８９９２号公報、実開昭５７−７１７８５
号公報、実開昭５７−７１７８８号公報、実開昭５９−
ＩＨ５９１号公報）。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記セラミックコーテングによる耐摩耗性の付
与、向上手段には、次の様な問題があり、実用的とは言
いがたい。例えば、炭素鋼を基材とし、表面にセラミッ
クコーテングを施して成るシャフトを用いて圧縮機を組
立て、シャフトを高速回転させた場合、前記セラミック
コーテング層にクラックが発生して剥離し、容易に凝着
摩耗を起こしてしまうと言う不都合が認められる。こう
した現象乃至問題は、圧縮機の回転圧縮要素に限らず、
摺動部に設けられた各種機械部品や切削工具等において
も同様に生じる。つまり、金属基体の表面に、単にセラ
ミックス層を被着形成して、摺動部品等の耐摩耗性の向
上を図った場合には、その摺動部品に大荷重が負荷され
た時、金属基材が塑性変形して被着形成されているセラ
ミックス層が破損し易くなり所要の耐久性を維持発揮し
えない。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたもので、摺
動部品を構成する金属基材の所定面に被着形成するセラ
ミックス層について、大荷重負荷時の耐クラツク性及び
金属基材に対する密着性の改善を図り、耐久性の優れた
摺動部品材料を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明者らは、上記目的を達成すべく研究を進めた結果
、金属基材の摺動面に所要のセラミックス層を被着形成
（セラミックコーテング）するに当たり、そのセラミッ
クス層に含まれる少なくとも１種の金属イオンを、前記
金属基材の所定面にイオン注入し、イオン注入層を形成
しておき、このイオン注入層の表面にセラミックス層を
被着形成すると、大荷重負荷時の耐クラツク性及び金属
基材に対する密着性が向上することを見出した。

本発明は、上記事実に基づいてなされたもので、摺動面
にイオン注入層を有する金属基材と、前記金属基材のイ
オン注入層の表面を一体的に被覆するセラックス層とか
ら成り、前記注入イオンがセラミックスを成す成分中の
少なくとも１種の金属イオンであることを特徴とする。

（作　用）上記構成を採ったことにより、イオン注入層は高硬度に
なりセラミックス層に加わる荷重を受止める作用を果す
と共に、前記イオン注入層には、セラミックス層を成す
成分中の少なくとも１種と同種の元素がイオン注入され
ているため、その表面に被着形成されたセラミックス層
との界面の密着力が向上、改善される。かくして、高速
高荷重運転する機械類の摺動部品に適用した場合も、セ
ラミックス層のクラック発生や剥離等も招来することな
く、摺動面について所要の耐摩耗性を長期間に亘って保
持することができる。

（実施例）以下本発明を、冷媒圧縮機への適用例に基づいて説明す
る。

先ず、摺動部品の金属基材としては、通常、圧縮機の摺
動部品に用いられている鉄系材料であれば何でもよく、
例えば、炭素鋼、合金鋼、躊鉄、各種のステンレス綱等
が挙げられる。

一方、前記摺動部品の金属基材摺動面に被着形成するセ
ラミックスは、耐摩耗性に優れたものであればよく、例
えば、窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、窒化チタン系、炭
化チタン系、窒化ボロン系等が挙げられる。従って、前
記金属基材の摺動面にイオン注入するイオンは、これら
ケイ素系、チタン系、ボロン系等に各々対応して、ケイ
素、チタン、ボロン等が選ばれる。

次に、前記ケイ素、チタン、ボロン等のイオン注入は、
真空中（１０−４Ｐａ以上）で、添加したい粒子（元素
）をイオン化し、静電場等で加速してイオンビームとし
、前記摺動部品の本体を成す金属基材の所定面（摺動面
）に照射する粒子添加法等にて行われる。しかして、こ
のイオン注入は室温でも可能なため、イオン注入当たっ
ての熱変形がなく、高い寸法精度を要求される冷媒圧縮
機の部品として、使用するに際しても後加工を要しない
。

また、前記イオン注入において、イオンの加速エネルギ
ーを調整することにより、イオン注入層の厚さ（深さ）
を適宜制御して、部品の要求特性に対応し得る。な、お
、このイオン注入層の厚さは摺動面、つまりコーテング
されたセラミックス層に加わる荷重を十分に受止め得る
必要があり、通常０．１〜５μ−程度に形成しておくこ
とが望ましい。

また、前記イオン注入処理した金属部品に対するセラミ
ックス層の被着形成は、成膜技術として汎用されている
化学気相蒸着法（ＣｖＤ）、スパッタリング法、イオン
プレーテング法、溶射法等によってもなし得るが、化学
気相蒸着法（ＣＶＤ）が好適である。この化学気相蒸着
法（ＣＶ　Ｄ）の反応形式には、種々のものが知られて
いるが、金属基体に対する影響（例えば熱変形等）を考
慮すると、プラズマ励起反応、光励起反応、レーザ励起
反応を利用したものがよく、特にプラズマＣＶＤ法は多
種のガスを用い得る等の点で有利である。

勿論、プラズマＣＶＤ法で、連続的にセラミックス層を
形成する場合い、その反応条件は目的、金属基材、セラ
ミックスの種類などによって、適宜選択される。例えば
、金属基材の加熱温度は鉄系基材の場合、３５０℃以下
、好ましくは、２５０〜３００℃程度に設定する。なお
このプラズマＣＶＤ法を実施するための装置としては、
容量結合型でも３導結合型でも良いが、大容積で均一な
プラズマを得るためには、容量結合型が好ましい。

しかして前記金属基体の所定面に、被着形成するセラミ
ックス層の膜厚は摺動部の要求特性にもよるが、通常５
００人〜３０μ程度で良い。

（実施例１）冷媒圧縮機（ロータリーコンプレッサー）のシャフトの
場合。

先ず、シャフトの金属基体を成すクロムそりブデン綱を
所定の形状寸法に加工し、脱脂処理した後、イオン注入
装置内に装着し、その金属基体温度を徐々に昇温しで２
００℃とした状態で、前記金属基体外周面に、１００Ｋ
ｅＶに加速したケイ素イオンビームを照射して、ケイ素
イオンを０．２μ麿の深さまで注入し、イオン注入層を
形成した。

前記イオン注入層を形成した金属基体を、ステンレス製
プラズマＣＶＤ装置内に装入、セットした。次いで、メ
カニカルブースターポンプとロータリーポンプによって
、装置内を１Ｏ−１Ｐａ程度まで排気した。その後、装
置内壁及び装置内に装入セットした金属基体に吸着され
ているガスを除去するため、油拡散ポンプもしくはクラ
イオポンプを用いてＩＯ’Ｐａまで排気し、前記金属基
体の加熱温度を３５０℃とした。続いて、排気系をメカ
ニカルブースターポンプとロータリーポンプに切替え、
＾「ガスを１１０００８ｃｃの流量で導入しながら装置
内の圧力を約１００Ｐａに維持した。次ぎに、１３．５
６ＭＨｚの高周波をＩＫＶ印加してＡｒプラズマを発生
させて、前記金属基体のエツチングを【ｈ「（時間）行
い、引続きＳｉＨ４とＮ２ガスを導入し、高周波電力を
４００ｗ印加してプラズマを発生させ、Ｒｏｓｉｎ　（
分）処理して金属基体のイオン注入層面上に厚さ２μ薄
の窒化ケイ素膜を成膜（被着形成）して、所望のシャフ
トを得た。

一方、ケイ素イオン注入処理を施さずに、金属基体面上
に厚さ２μｍの窒化ケイ素膜を成膜（被着形成）した他
は、前記と同一条件でシャフトを形成乃至構成した（比
較例）。

上記構成した２種のシャフト表面の窒化ケイ素膜を化学
分析した結果、その組成はＳｉ　３Ｎ　３．０〜４．２であった。

また、上記２種のシャフトについて、Ｘ線回折法により
表面の結晶構造の同定を行ったところ、第１図に示すご
とくであった。第１図から分るように、実施例、比較例
のいずれのシャフトも窒化ケイ素結晶に起因するピーク
は認められず、非晶質であった。

更に、上記２種のシャフトについて、オージェ電子分光
分析法よって、各元素の深さ方向分布を調べたところ第
２図（ａ）及び（ｂ）に示す如くであった。第２図（ａ
）及び（ｂ）から分るように実施例、比較例のいずれの
シャフトもセラミックス層内の深さ方向の元素分布は同
一であるが、実施例のシャフトの場合は、イオン注入独
特のケイ素濃化層（ピーク）が確認された。

次ぎに、第３図に斜視的に示す引掻き試験機を用い、上
記２種のシャフトについて、金属基体に対する窒化ケイ
素膜の密着性を評価した。この引掻き試験機によればシ
ャフット２に、ダイヤモンド圧子１５にて一定速度で荷
重を増加して負荷させながら、試料台１６を一定速度で
移動させることにより、シャフト２の表面を引掻き、前
記窒化ケイ素膜のクラック発生から剥離した時のＡＥ倍
信号ＡＥセンサ１７で検出し、ＡＥ倍信号立上がる荷重
の大小により密着性を評価し得る。第４図は上記引掻き
試験機により、２種のシャフトについて、評価した結果
を示したもので、実施例の場合、ＡＥ倍信号立上がり荷
重が２ＯＮ以上、これに対して比較例の場合はＩＯＮ以
下で、実施例のシャフトは窒化ケイ素膜の耐クラツク性
乃至密着性が優れていた。

また、第５図に示す様な耐摩耗性評価装置を用い、上記
２種のシャフトについて、摺動状態での窒化ケイ素膜の
密着性乃至耐久性を評価した。この耐摩耗性評価装置は
、シャフト２をベアリング５．５で挟みこみ支持してシ
ャフト２を回転させながら、前記ベアリング５．５の締
付けによる荷重を変化させ、その際のトルク変化を評価
するものである。この評価においては、シャフト２の回
転数２９０ｒｐａ＋で、荷重２２．５ｋｇｆ　／　３ｍ
Ｉｎの割合いで荷重１３５ｋｇ１まで上昇させた。この
評価で得たトルクと荷重との関係を第６図に示した。第
６図から分るように比較例のシャフトでは６０ｖ付近で
トルクが急激に立上がり凝若摩耗に至った。これに対し
て実施例のシャフトではトルク上昇が非常にスムーズで
窒化ケイ素膜は良好な耐クラツク性乃至密着性を保持し
ていた。

更に、上記実施例のシャフト２、鋳鉄製のフレーム３及
びシリンダ４、共晶黒鉛鋳鉄製ローラ６、焼結合金製ブ
レード７等を用い、第７図乃至第８図に示す様な冷媒圧
縮機を組立て、実機テストを行ったところ、シャフト２
は窒化ケイ素層についてクラックや剥離を起こすことな
く　１１００００ｒｐまで良好な回転を示した。

（施例２）冷媒圧縮機のブレードの場合。

ブレードの金属基体を成す５ＫＤ２０をブレード形状に
加工し、脱脂処理した後、実施例１の場合と同様な方法
で、１ｏＯＫｅＶで加速したボロンイオンビームをブレ
ード表面に照射し、ボロンイオン注入層を形成した。次
いで、このブレードをプラズマＣＶＤ装置内に装着して
３００℃まで加熱し、Ｂ　２　Ｈ６とＮ１１３とを流量
比で１＝４の割合いで流し込み前記ブレードの表面に窒
化ボロン層を被着形成しまた。

上記で得たブレード７、鋳鉄製のシャフト２、フレーム
３、シリンダ４、共晶黒鉛鋳鉄製ローラ６等を用い、実
施例１の場合と同様に、冷媒圧縮機ンを組立て、実機テ
ストを行ったところ、前記ブレード７においては窒化ボ
ロン層の剥離等も全く起こらず、高速で安定した回転を
示した。しかも、前記高速回転により機内温度が高温に
なっても、冷凍機油の分解生成物と配管等に含まれる銅
成分との化学反応による銅メツキ現象も認められなかっ
た。

なお、上記実施例では、冷媒圧縮機の摺動部品について
説明したが、冷媒圧縮機の摺動部品に限らず、他の機械
類の摺動部品乃至摺動部材に用いても良いことは勿論で
ある。

［発明の効果］以上詳述した様に、本発明の摺動部品材料は、金属基体
面に被着形成されたセラミックス層が、大荷重負荷時に
おいてもクラック発生など起こさず所要の機能を果す。

つまり、金属基体を被覆するセラミックス層は、大荷重
負荷時の耐クラツク性乃至密着性が良好で、耐摩耗性の
著しい向上に寄与している。従って、本発明の摺動部品
材料を例えば、冷媒圧縮機等の構成に用いることにより
、冷媒圧縮機等の高速回転化及び長寿命化が達成出来る
など顕著な効果をもたらすものといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る摺動部品材料及び比較例の摺動部
品材料についてのＸ線回折パターン図、第２図ａ）及び
（ｂ）は本発明に係る摺動部品材料及び比較例の摺動部
品材料についてのオージェ電子分光分析による成分元素
の深さ方向分布図、第３図は被−セラミックス層の密着
性評価に用いた引掻き試験機の概略図、第４図は本発明
に係る摺動部品材料及び比較例の摺動部品材料について
密着性の測定結果を示す曲線図、第５図は耐摩耗性評価
装置の概略図、第６図は本発明に係る摺動部品材料及び
比較例の摺動部品材料について耐摩耗性の測定結果を示
す曲線図、第７図は冷媒圧縮機の一部切欠断面図、第８
図は冷媒圧縮機のクランク部の横断面図である。１・・・ケーシング３・・・フレーム５・・・サブベアリング７・・・ブレード９・・・吸込口２・・・シャフト４・・・シリンダ６・・・ローラ８・・・スプリングｌＯ・・・吐出口１１・・・冷媒吸込口１３・・・冷凍機油１５・・・ダイヤモンド圧子１７・・・ＡＥセンサ１２・・・冷媒吐出口１４・・・ポンプ１６・・・試料台出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims

【特許請求の範囲】

摺動面にイオン注入層を有する金属基材と、前記金属基
材のイオン注入層の表面を一体的に被覆するセラックス
層とから成り、前記注入イオンがセラミックスを成す成
分中の少なくとも１種の金属イオンであることを特徴と
する摺動部品材料。