JPH03162559A

JPH03162559A - 摺動部材およびそれを用いた圧縮機

Info

Publication number: JPH03162559A
Application number: JP1300158A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kamitsuma; 上妻　康夫; Yusaku Nakagawa; 雄策中川; Noriyuki Onaka; 大中　紀之; Tadashi Iizuka; 飯塚　董; Kazuji Fukuda; 和司福田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1991-07-12
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JP2809763B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は，摺動部材に係り、特に摺動部の信頼性、耐摩
耗性の優れた摺動部材を備えたエアコン、冷ａ庫、冷凍
機等の圧縮機に関する。

［従来の技術］ルームエアコン、冷蔵庫、冷凍機等には回転式，レシプ
ロ式、スクロール式，スクリュー式など各種の圧縮機が
用いられている。なかでも，回転式圧縮機は代表的なも
の）一つである。

回転式圧縮機は、ジャーナル軸受機構による上・下のベ
アリングによって支持されたクランクシャフト、該クラ
ンクシャフトによりシリンダ内を偏心回転するローラ、
該ローラのシリンダ、前記ローラの外周部に摺動接触し
、かつ、シリンダの一部に形成された溝内を往復摺動ず
るベーン等を有する圧ｆ！機である。

前記回転式圧縮機は、フロンガスの圧縮動作を繰り返す
摺動部に摺動部材が用いられ、フロンとそれを溶解する
潤滑油（冷凍機油）の存在下で渚動される。従って、こ
うした条件下での耐摩耗性が要求されることから、前記
上・下のベアリングには片状黒釦鋳鉄もしくは鉄系焼結
材，クランクシャフトには共晶黒鉛鋳鉄，球状黒鉛鋳鉄
または片状黒鉛鋳鉄、ローラには共晶黒鉛鋳鉄の調質処
理（焼入，焼戻し処理）したもの、ベーンには高速度工
具鋼および低合金鋼の調質処理材または鉄系焼結材等、
いずれも鉄系素材より構成されているのが一般的であっ
た。

しかし，近年、小型，高出力で、回転制御方式の回転式
圧縮機が重用されるようになり、フロンの溶込みにより
低粘度となった冷凍機油では、高負荷，高速運転時や始
動運転時に摺動部の油膜切れが起り、金属接触を伴う境
界潤滑領域が発生して，摩擦係数が増大し、摩耗粉等の
微小異物が油膜切れと相俟って圧縮機の寿命を損うこと
が懸念されている。

［発明が解決しようとする課題］前記各摺動部材の耐摩耗性を強化する従来技術としでは
、以下に述べるが、これらはそれぞれ一長一短あり、耐
摩耗性と生産性とを兼ね備えた材料は未だ見出されてい
ない．ロータリー式コンプレッサーを例にとれば，鋳鉄製シリ
ンダとローラおよびベーンの少なくとも一つを，酸窒化
処理した鉄系焼結合金を用いたものがあるが（特公昭５
５−４９５８号）、これは形状変形が大きく、形成され
た窒化物層の空孔部に起因するノツチ作用により、強度
的に問題がある。

また、シリンダ内面が鉄系酸化物を含有（１０〜４０体
積％）する鉄系焼結合金、ローラおよびベーンがマルテ
ンサイトを焼戻した素地中に金属炭化物，金属酸化物が
分散し、かつ，窒素が固溶している鉄系焼結合金で構成
されているものがあるが（特開昭６０−７３０８２号）
、高出力圧縮機のベーン材としての強度が溶製材からな
るものに比べると約１／２以下と著しく劣る。

更に、クランクシャフト材として、シアン酸アルカリ金
属塩を主体とする塩浴に浸漬することにより，硫化鉄を
含む窒化鉄の多孔質層．その下層に窒化銑の合金層を形
成したものがあるが（特開昭６２−１３７８４号）、高
寸法精度を必要とするものにおいては、後加工が必要で
あると云う問題がある。また、クランクシャフトの中空
部や油孔に毒性の高い塩浴或分を残さないために十分な
洗浄処理が必要な上に，洗浄廃液も公害を起さないよう
な処理が必要でなる。

これらの従来技術では、高出力，高性能の圧縮機用層動
部材として十分な機械強度と、フロンで希釈された低粘
度の潤滑油による境界潤滑下における保油性，耐摩耗性
、あるいは後加工等が不必要な材料として、まだまだ十
分とは云い難い。

また、これらの材料を摺動部材として用いる圧縮機にお
いても、機械損失や容積効率などの機械的性能と運転寿
命の向上など多くの問題がある。

上記は回転式圧縮機を例として述べたものであるが、レ
シプロ式、スクロール式、スクリュー式等の圧縮機にお
いても同様の問題があることは云うまでもない。

本発明の目的は、前記従来技術に鑑み，保油性，耐摩耗性等が優れた摺動部材，特に、圧縮機の小形高性
能化，寿命の向上、生産効率のアップを図ることができ
る摺動部材および該部材を用いた圧縮機を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］前記目的を達戊する手段としては、冷媒と油の混合液を潤滑剤とする摺動部が鉄系素材で構
成され摺動部材において、前記鉄系摺動部の表層部が，窒化物層、該窒化物層上に
酸窒化物層からなる中間層を介して四三酸化鉄を主成分
とする多孔質酸化物層が形成された複合層を有すること
を特徴とする摺動部材および該摺動部材を用いた圧縮機
にある。

また、前記複合層の多孔質酸化物層は固体潤滑剤を保持
していることを特徴とする摺動部材および該摺動部材を
用いた圧縮機にある。

本発明の前記摺動部材として、溶製材料である鋼または
鋳鉄の鉄系部材に前記複合層を表層部を形成する方法は
、アンモニアガス，空気、水蒸気の順に反応させて、窒
化物層、酸窒化物層および多孔質の四三酸化鉄屑を形成
し、該酸化鉄層の気孔に固体潤滑剤を保持させた複合層
を形成することによって達成される。

また、前記鉄系摺動部材としては、例えば、口−タリ圧
縮機において、ベーン，ローラ，クランクシャフトおよ
び軸受の各層動部へ適用することが考えられる．該摺動
部に前記複合層を形成し、その最外層に固体潤滑剤を配
することによって本発明の目的を達或することができる
。

前記固体潤滑剤としては、硫化物，ぶつ化物，ハロゲン
化物，カーボン，窒化物，酸化物，プラスチックス等の
有機化合物など、一般に用いられている固体潤滑剤から
、目的に応じて選択することができる。

以下に本発明を具体的に説明する。

圧縮機の摺動部材としては、片状黒鉛鋳鉄，共晶黒釦鋳
鉄，球状黒鉛鋳鉄，機械構造用炭素鋼，合金謂などの従
来の溶製鉄系材料を用いることができる。

該鉄系材料からなる摺動部材の表層部を０．５〜５体積
％の空気を含有するアンモニアガス雰囲気中，４５０〜
６５０℃で酸窒化処理を施して、まず表層部に粒状に窒
化鉄と酸化鉄が混在する酸窒化物層を一様に形成する。

次いで、３００〜８００℃の水蒸気中で、前記粒状の酸
化鉄部分を膨張させることにより、多孔質の化学的に安
定な四三酸化鉄屑を形成する。

前記固体潤滑剤としては，硫化アンモニウムの浸硫性ガ
ス（Ｉ｛２Ｓ）雰囲気中で、５００〜５７０℃に加熱す
ると、前記四三酸化鉄層と反応して，最表層部に固体潤
滑剤であるＦｅＳを析出させることができる。なお、該
ＦｅＳｆｆｉはイオン浸硫法によっても形成することが
できる。

次に、一般に知られているＭｏＳ，，ＷＳ−等の固体潤
滑剤は，四三酸化鉄屑の多孔質層にスパッタリング法や
、塗布焼付法で含浸させることができる。

また、低融点金属であるｐｂやＳｎ等の固体潤滑剤は、
これらを加熱溶融させた中に前記酸化処理した摺動部材
を浸漬，加圧することによって四二酸化鉄屑の多孔質層
に直接含浸させることができる。またスパッタリング法
でも含浸することができる。黒鉛は超微粉カーボンをス
パッタリング法により含浸させることによって形成する
ことができる．プラスチックスとしては、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、６，６ナイロン、　ポリカーボネート、ポリアセタ
ール、ポリイミド，フッ素化アルキレン樹脂等用いられ
る。特に、四ふっ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）は，優れ
た摺動特性の潤滑層が得られる。該潤滑層は前記ＰＴＦ
Ｅの分散懸濁液を含浸，または塗布し、焼付けることに
より形成することができる。

前記固体潤滑剤を保持させた複合層を有するｍ動部材は
、圧縮機の苛酷な摺動摩擦に十分に対応できる低摩擦係
数を有するので、凝着またはアブレシブ（Ａｂｒａｓｉ
ｖｅ）による焼付きを防止することができる。また，初
期馴み性にも優れた摺動部材を得ることができる。

第１図はカークーラに用いられている斜板式圧縮機の断
面概略図を示す。また、第２図および第３図（第２図の
Ａ−Ａ部分断面図）は冷蔵庫、エアコン等に用いられて
いるロータリー圧縮機の断面概略図を示す。

これらの圧縮機は小形，高出力化と、回転数制御方式に
よる低速から高速までの広い範囲での運転により、摺動
部はますます過酷となり、優れた潤滑特性が要求される
。

前記圧縮機の駆動軸５とスラスト軸受王３，↓４、クラ
ンクシャフトのクランクピン部１０９とローラ１０８、
クランクシャフト１０２と上・下ベアリング１０６，１
０７、ベーン１１０とシリンダ１０５、ベーン１１０と
ローラ１０８等の各摺動部に本発明を適用することがで
きる。

特にクランクピン部１０９とローラ１０８、クランクシ
ャフト１０２と上・下ベアリング１０６，１０７、ベー
ン１１０とシリンダ１０５、ベーン１１０とローラ１０
８の各部は、境界潤滑に伴う焼付きが発生し易いと云う
問題があったが、本発明を適用することにより解決する
ことができる。

［作用コ圧縮機の使用条件が苛酷となり、冷凍機油（潤滑油と冷
媒の混合油）が摩擦部に行きわたる前に境界潤滑領域で
運転されると、金属接触や凝着を起して運転不能となる
。しかし、本発明は摺動部材の最外層部に，初期なじみ
性の優れた固体潤滑剤層とそれを保持する多孔質の酸化
物層、その下層の高硬度な酸窒化物層から構或される複
合層によって潤滑されるために、前記金属接触や凝着の
発生を抑制することができる。

また、多孔質層が相手摺動部材の形状になじみ易いので
相互の密着性がよく、負荷面圧を軽減する作用があり、
潤滑油を良く保持するので潤滑特性を向上することがで
きる。

さらにまた、圧縮機等の寿命を向上する理由の一つとし
ては、前記複合層が化学的に安定で，かつ、冷凍機油の
劣化を抑制し，腐食摩耗を防ぐ作用があるものと考える
。

［実施例］以下に本発明を実施例により説明する。

〔実施例　１〕第１図に示す斜板式圧縮機は、互いに対象な形状のシリ
ンダブロック１．２を組合せて圧縮機本体を構或してい
る。

前記各シリンダブロックは、３個のシリンダを有し、シ
リンダポア↓ａ，２ａに両頭のピストン４が摺動可能に
嵌合されている。圧縮機本体３の中心孔３ａには回転軸
５が挿通され，軸受６，７によって回転可能に支持され
ている。この回転軸５の中央部にスプリングピン９によ
って固定された斜板８が、回転軸５によって回転され、
該斜板の先端部に取付けた摺動子１０を介してピストン
４を往復運動させるように構成されている。なお、１３
．１４はスラスト軸受である。

スラスト軸受１３．１４と回転軸５の摺動面は、第４図
に示す模式図のように、黒鉛鋳鉄の素地２４の外層部に
形威された固体潤滑剤層２１、その下層の四三酸化鉄を
主成分とする多孔貿層２２，更にその下層の酸窒化物層
２３が形成され、これらが黒鉛２５のＲ＠を補強してい
る。なお，黒鉛は固体潤滑であると同時に、油留めとな
る。

なお、第５図は黒鉛鋳鉄に変えて，炭化物２６を有する
金属素地の場合を示す模式図である６本実施例における
固体潤滑剤層２１は、ＦｅＳからなり、約５μｍの厚さ
を有し、硬さがＨＶ約４００である。その下層の四三酸
化鉄の多孔質層２２は厚さ約５μｍ、ボアサイズ０．５
〜２μｍで、硬さがＨＶ約５００である。その下層の酸
室化物層２３は厚さ約５μｍ、ＦＩ　Ｖ約７００で、黒
釦２５は粒径５〜１５μｍであった。

これらの潤滑層が形成された前記軸受の摺動特性は極め
て優れていた。また、初期馴染み性もよく、潤滑油の保
持特性も優れ、従来の圧縮機に比べて停止，起動を加え
た高速運転寿命試験において寿命が約３倍以上となり，
優れた特性を示した。

〔実施例　２〜１３〕第２図および第３図（第２図のＡ−Ａ断面図）のロータ
リー式圧縮機において，密閉容器１０１内に設けられた
圧縮機部１０４のクランクシャフト１０２は、上部ベア
リング１０６と下部ベアリング１０７とによりジャーナ
ル軸受支持され、クランクシャフトピン部１０９は上記
軸受の摺動によりローラ１０８を偏心回転する。

シリンダ１０５に形成されたベーン溝１１１と，先端部
が前記ローラ１０８の外周面に摺動，接触させたベーン
１１０がスラスト軸受ｍ動構造となっている。

クランクシャフト１０２の摺動部の構成材料は実施例１
と同じものを用い、また、ベーン１１０は、前記第４図
の素地２５が高速度工具鋼である以外は、クランクシャ
フトと同様な潤滑層を有している。

本実施例では、シャフトとローラおよび軸受の組合せ、
ベーンとシリンダおよびローラの組合せによる圧縮機と
、従来の鋳鉄同志の組合せによる圧縮機とを用いて摩耗
試験を行った。

上記摩耗試験は、フロン１１３（Ｃ．Ｃ党，Ｆ３）を溶
解して低粘度化したナフテン系冷凍機油中で，周速１　
０　ｍ　／　Ｓで荷重をかけ、焼付き限界面圧、耐摩耗
性および初期馴み性を求めた。その結果を第１表に示す
。

従来の鋳鉄（ＦＣＤ５０）同士、および該鋳鉄と高速度
工具ｍ　（ＳＫＨ５１）の組合せによる摺動部を有する
ものは、７５ｋｇｆ／ｃｍ”が限界面圧であるのに対し
，本発明の各表面処理したものと鋳鉄を組合せたもので
は２６０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の限界面圧を有し、従来の
ものに比べ約３．５倍以上も高い。特に、最表層部にＭ
ＯＳ２をコーティングしたものは４６０ｋｇｆ／ｃｍ”
と最も高い限界面圧を示した。

耐摩耗性摩耗量による耐摩耗性の比較においても、本発
明の各表面処理したものが従来のものより１／２以下で
あり優れていることが分かる。

また、初期馴み性については、運転開始２分後の摩擦係
数をもって比較したが、本発明のものが従来のものより
初期摩擦係数が低く、初期馴み性の上でも格段に優れて
いる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明は、冷媒単独あるいは冷媒と油
の混合液を用い、摺動部が鉄系素材で構或され圧縮機の
摺動部の摺動而に、前記固体潤滑剤層と多孔質の酸化鉄
層および酸窒化物層を形成したことにより，摺動部材の
油膜の保持性，耐凝着性、耐焼付性が優れ，圧縮機等の
長期運転における信頼性および寿命を改善することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は斜板式圧縮機の断面概略図、第２図はロータリ
ー式圧縮機の断面概略図、第３図は第２図のＡ−Ａ断面
図、第４図および第５図はシャフトおよびベーン表面の
断面模式図である。１．２・・・シリンダブロック．ｌａ，２ａ・・・シリ
ンダポア，３・・・圧縮機本体、３ａ・・・圧縮機本体
の中心孔、４・・・ピストン、５・・・回転軸，６，７
・・・軸受、８・・・斜板、９・・・スプリングピン、
ＩＯ・・・摺動子、１３．１４・・・スラスト軸受、２
１・・・固体潤滑剤層、２２・・・多孔質層、２３・・
・酸窒化物層、２４・・・素地、２５・・・黒鉛，２６
・・・炭化物、１０１・・・密閉容器，１０２・・・ク
ランクシャフト、１０３・・・電動機部、１０４・・・
圧縮機部、１０５・・・シリンダ，工０６・・・上ベア
リング、１０７・・・下ベアリング、１０８・・・ロー
ラ、１０９・・・クランクピン部、１１０・・・べ−ン
、１１０ａ・・・ベーン先端部、１１１・・・ベーン溝
。第１図１３１４スラスト′Ｉ＠受第２刃第４−′図第〕図２６・・・炭化物

Claims

【特許請求の範囲】

１．摺動部が鉄系素材から構成され、該摺動部の表層部
が窒化物層と、該窒化物層上に酸窒化物層からなる中間
層を介して四三酸化鉄を主成分とする多孔質酸化物層が
形成された複合層からなることを特徴とする摺動部材。
２．摺動部が鉄系素材から構成され、該摺動部の表層部
が窒化物層と、該窒化物層上に酸窒化物層からなる中間
層を介して四三酸化鉄を主成分とする多孔質酸化物層が
形成されており、該多孔質酸化物層は固体潤滑剤を保持
している複合層からなることを特徴とする摺動部材。
３．冷媒と油の混合液を潤滑剤とし、摺動部が鉄系素材
で構成される摺動部材において、前記鉄系摺動部の表層
部が、窒化物層、該窒化物層上に酸窒化物層からなる中
間層を介して四三酸化鉄を主成分とする多孔質酸化物層
が形成されており、該多孔質酸化物層は固体潤滑剤を保
持している複合層を有することを特徴とする摺動部材。
４．冷媒と油の混合液を潤滑剤とし、前記冷媒を圧縮す
る圧縮機において、該圧縮機の摺動部が鉄系素材で構成され、該鉄系摺動部
の表層部が、窒化物層、該窒化物層上に酸窒化物層から
なる中間層を介して四三酸化鉄を主成分とする多孔質酸
化物層が形成されており、該多孔質酸化物層は固体潤滑
剤を保持している複合層を有することを特徴とする圧縮
機。
５．ベーン，ローラ，クランクシャフト及び軸受の摺動
部が鉄系素材で構成されたロータリー式圧縮機において
、前記鉄系摺動部の表層部が、窒化物層、該窒化物層上に
酸窒化物層からなる中間層を介して四三酸化鉄を主成分
とする多孔質酸化物層が形成されており、該多孔質酸化
物層は固体潤滑剤を保持している複合層を有することを
特徴とするロータリー式圧縮機。