JPH059660A - ベーン用材料およびベーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 代替フロンを冷媒とした圧縮機に使われる耐
摩耗性と耐食性を向上させるベーン用材料およびベー
ン。 【構成】 Ｃ 1.0〜3.5%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 1.0%以
下、Ｃr 3〜6%とＷ 30%以下、Ｍo 20%以下の１種または
２種がＷ＋2Ｍoで24〜40%、Ｖ，Ｎbの１種または２種を
5%以下、Ｃo 20%以下を含み、残部Ｆeおよび不可避的不
純物よりなる基地に、窒化物粒子、炭窒化物粒子の１種
または２種以上をベーン重量に対して合計で2〜20%分散
することを特徴とするベーン用材料およびベーン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータリーコンプレッ
サ、ベーンポンプ等の圧縮機に用いられるベーンに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ベーンを用いた圧縮機の一例を図１に示
すように、ベーン１はスプリング４により常時ロータ２
に押し付けられており、ロータ２の偏心回転によって、
ロータ２とシリンダ３によって形成される空間の容積変
化により気体を圧縮する。従来、冷媒となる気体はフロ
ンガスが用いられている。ベーンの先端は常にロータ
と、またベーンの側面はシリンダと接して摺動している
ため、ベーンに要求される特性は、ベーン自身が摩耗し
ないのと同時に相手のロータやシリンダも摩耗させない
ことである。従来より、このベーンにはＳＫＨ５１種相
当の溶製高速度鋼が一般に用いられており、一部はこれ
に酸窒化などの表面処理が施されている。また、ベーン
の材質や組成を改良し、耐摩耗性を向上させたり、自己
潤滑性をよくしたりする目的で特開昭５６−４７５５０
号、特開昭５９−２０４４６号、特開昭６１−４８５５
６号、特開昭６４−３５０９１号、特開平２−１０２３
９２号に記載されるものが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記の圧縮機に使用さ
れている冷媒は、クロロフルオロカーボン（以下ＣＦＣ
と記す）系のフロンであるが、このＣＦＣは成層圏にま
で拡散した後、紫外線に当って分解し、塩素を放出する
のでオゾン層が破壊される。このために、ＣＦＣは、西
暦2000年までに全廃する計画で、これに代替する冷媒剤
の開発が進められている。代替冷媒としては塩素を含ま
ないハイドロフルオロカーボン(以下ＨＦＣと記す）系
のフロンが最も有望であり、この種のフロンは環境への
害が少ない。ところが、ＨＦＣ系のフロンを使用するベ
ーンポンプやロータリーコンプレッサは、従来のＣＦＣ
系のフロンを使用するものと比較して以下の問題があ
る。 冷媒の潤滑性が劣る。 圧縮比を高くする必要があり、ベーンに加わる負荷が
高くなる。 冷媒の吸湿性が大きい。 潤滑油の潤滑性が劣る。 潤滑油の吸湿性が大きくなる。

【０００４】上記の原因によって、従来のベーンではロ
ータとの摺動摩耗が極端に加速され、はなはだしい場合
は、ロータとのカジリを起すことがあり、実用的な圧縮
機としての寿命が得られないことが明らかとなってき
た。本発明の目的は、主にＨＦＣ系フロンを冷媒とする
圧縮機に用いられる新規なベーン用材料およびベーンを
提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、新しいＨＦＣ
系のフロンを使用する場合に、前述のないしの問題
から、特にロータとの摺動摩耗を減少させることに着目
して成されたものであり、その材料の特徴は、微細な炭
化物が均一に分散された特定組成を有する基地に、さら
に窒化物粒子、炭窒化物粒子の１種または２種以上を2
〜20%分散されたことにある。すなわち、本発明のうち
第１発明は、重量%でＣ 1.0〜3.5%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn
1.0%以下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 30%以下、Ｍo 20%以下の
１種または２種がＷ＋2Ｍoで24〜40%、Ｖ，Ｎbの１種ま
たは２種を5%以下、Ｃo 20%以下を含み、残部Ｆeおよび
不可避的不純物からなる基地に、窒化物粒子、炭窒化物
粒子の１種または２種以上をベーン重量に対して合計で
2〜20%分散させたことを特徴とするベーン用材料であ
り、第２発明は窒化物、炭窒化物がＴi,Ｚr,Ｖ,Ｎb,Ｈf
の化合物粒子である第１発明に記載のベーン用材料であ
る。また、第３発明は第１発明に記載の組成からなる基
地に、窒化物粒子、炭窒化物粒子の１種または２種以上
をベーン重量に対して合計で2〜20%分散させたことを特
徴とするベーンである。本発明でいう基地とは、別途添
加する窒化物粒子、炭窒化物粒子以外のすべてを指し、
この基地は基地を構成する鋼組成からなる粉末を製造す
ることにより達成される。本発明のベーンは、この基地
組成を有する粉末に、ベーン重量全体の割合で2〜20%の
窒化物粒子、炭窒化物粒子の１種または２種以上を分散
させて成形し、焼結を行なうことにより製造される。ま
た、上記発明のベーン材料およびベーンは、ベーンの母
材に係わるものであり、このままでも使用できるが、実
際に圧縮機に組入られるベーン本体には、必要に応じて
硼化処理、酸窒化処理の他、ＣＶＤやＰＶＤによるＴi
Ｃ，ＴiＮなどの硬質皮膜処理等の表面処理を施して使
用することもできる。このような表面処理はベーンとロ
ータ間の摩擦係数を下げ、相手材とのカジリを減少させ
るとともに母材を腐食環境から保護する効果もある。

【０００６】

【作用】以下に本発明における各元素の作用および数値
の限定理由について述べる。Ｃは同時に添加するＷ，Ｍ
o,Ｖなどと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を高
め、相手材とのカジリを少なくする効果がある。また、
一部は基地に固溶して基地の硬さを高くし、耐摩耗性を
向上させる効果もある。したがって、Ｗ，Ｍo,Ｖなどの
炭化物形成元素の添加量との兼ね合いで最適のＣ含有量
がある。本発明の範囲ではＣが1.0%未満では基地の硬さ
が十分に得られず、形成される炭化物量も少ない。逆に
3.5%を越えると靭性が劣化するので、Ｃは1.0〜3.5%と
した。

【０００７】Ｓiは脱酸元素として鋼質を改良する効果
がある。また、基地に固溶して基地の硬さを高める効果
もある。しかし、1.5%を越えると靭性が低下するのでＳ
iは1.5%以下とした。Ｍnも脱酸元素として硬質を改良す
る効果があるので、Ｍn1.0%以下とした。

【０００８】Ｃrは炭化物を形成して耐摩耗性を高める
効果がある。さらに基質に固溶して焼入れ性を付与し、
また基地の耐食性も向上させる。特に本発明において
は、代替フロンのＨＦＣが吸湿性が高いこと、潤滑油が
分解して蟻酸や酢酸のごときカルボン酸を形成すること
のために、ベーンは軽い腐食環境下において作動してい
る。このために、ベーンにおきる異常摩耗は、単純なア
ブレッシブ型摩耗のみでなく、腐食も介在したメカニズ
ムによって発生しているものと推定される。この場合、
Ｃrの他、後述するＭoやＣoの基地への固溶がベーンの
耐食性を高め、摩耗を減少させる効果がある。Ｃrが3%
未満では、上記の効果が少なく、逆に6%を越えると熱処
理によって硬さが得られにくくなるなどの理由でＣrは3
〜6%とした。

【０００９】ＷおよびＭoは、Ｃと結合して、Ｍ₆Ｃ型の
炭化物を形成し、耐摩耗性、耐カジリ性を高める。特
に、本発明では加工性の観点から次に述べるＶの含有量
を低く抑えたので、耐摩耗性、耐カジリ性の向上にＷ、
Ｍoの効果は重要である。また、Ｗ、Ｍoの一部は基地に
固溶した後、焼もどしで析出硬化し、基地の硬さを高め
る効果もある。Ｍoはカルボン酸による腐食を抑える効
果もある。Ｗ 30%以下、Ｍo 20%以下の１種または２種
がＷ＋2Ｍo量で40%を越えると靭性が著しく低下するこ
と、またＷ＋2Ｍo量が24%未満では上記効果がＶ含有量
との関係で十分でなくなるため、Ｗ＋2Ｍo量を24〜40%
とした。

【００１０】ＶおよびＮbは、Ｃと結合してＭＣ型の炭
化物を形成する。この炭化物をベーン表面に微細かつ均
質に分散させると、耐摩耗性、耐カジリ性を大幅に向上
させ得ることができる。しかし、ＭＣ炭化物の量が増え
ると被研削性が悪くなり、ベーンの加工工数が大幅に増
え、コスト増の原因となるのでＶおよびＮbの１種また
は２種を5%以下に抑える必要がある。

【００１１】Ｃoは基地に固溶して基地の硬さを高める
効果がある他、本発明で重要なカルボン酸による腐食を
抑える効果が高い。すなわち、前記のごとく、ＨＦＣ系
等の代替フロンを冷媒に用いると腐食摩耗的作用も併発
してベーンの異常摩耗が起きるが、Ｃoを基地に固溶さ
せることにより摩耗を軽減できる。しかし、Ｃoが20%を
越えると靭性が低下するのでＣo 20%以下とした。

【００１２】窒化物、炭窒化物粒子の分散は本発明にお
いて、最も重要な構成要件のひとつである。ベーンはロ
ータやシリンダと摺動することにより、圧縮機としての
機能を果たしている。したがって、ベーンのみ耐摩耗性
が強くても相手のシリンダやロータが異常摩耗すると、
機密性が保持できなくなり、圧縮機としての性能は低下
する。ロータやシリンダは一般に鋳鉄でできているの
で、鉄との親和性の小さい窒化物粒子あるいは炭窒化物
粒子を前記鋼組成の基地中に分散させてやると、摩擦係
数が著しく小さくなり、また、相手材とのカジリも起ら
なくなる。この作用によって、ベーン自体も摩耗し難く
なると同時に相手のロータやシリンダの摩耗も極端に少
なくなる。ベーン重量に対して2%未満ではこの効果が十
分でなく、逆に20%を越えると安定した品質のベーンが
大量生産できなくなるので、窒化物、炭窒化物の１種ま
たは２種以上を合計で2〜20%とした。なお、窒化物、炭
窒化物としては、Ｔi,Ｚr,Ｖ,Ｎb,Ｈfの化合物が入手し
易く、コストも安価なために最適であるが、これら以外
のものであっても鉄との親和性が小さいものであれば効
果がある。また、前記窒化物、炭窒化物粒子を均一に分
散できること、基地となる鋼中に分散する炭化物粒も微
細かつ均一に分散させる理由から、本発明のベーン用材
料は粉末冶金法で製造するのが望ましい。

【００１３】

【実施例】以下に実施例を示す。 (実施例１） 表１に示す２種類の鋼組成からなる水アトマイズ粉末を
準備し、これに各種の窒化物、炭窒化物の１種または２
種以上を表２に示す割合で混合した後、プレス成形、焼
結を行なってベーン用材料を作製した。なお、比較のた
めに従来より使用されている通常の溶製高速度鋼ＳＫＨ
５１も作製した。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】表３には表２に示したベーン材の焼入れ−
焼もどし硬さ（ＨＲＣ）、摩耗試験による摩耗減量と摩
擦係数、腐食試験による腐食減量をそれぞれ示す。な
お、摩耗試験は以下の要領で実施した。ベーン材を板と
し、ロータ材に相当するＦＣ２５をリングに加工してＨ
ＦＣフロンの代表であるＨＦＣ１３４ａを滴下しなが
ら、互いに摺動させ、その摩耗減量を求めた。表２中に
は従来材ＳＫＨ５１を板、ＦＣ２５をリングとして試験
した時の板、リングそれぞれの摩耗量を1.0として、各
種ベーン材およびリングの摩耗量を相対比較値として求
めて評価した。さらに、そのときの摩擦係数の測定値も
併せて併記した。腐食試験はＨＦＣ用の潤滑油が分解し
て生成するとされている5%蟻酸−5%酢酸水溶液中で60℃
×30h浸漬して、その腐食減量を求めた。表２によれ
ば、本発明のベーン材料は従来のＳＫＨ５１と比較して
ベーンそのものの摩耗が少ないと同時に相手材の摩耗も
減少し、摩擦係数も小さくなるので、実際の圧縮機に組
み込まれたときは、相対的な摩耗量は1/10以下に減少す
る。さらには、耐食性も改善されているので、この効果
が相乗して実用的には多大な効果としてして現われる。

【００１８】（実施例２） 表２に示す記号Ａと記号Ｄおよび従来の溶製高速度鋼で
あるＳＫＨ５１の材料を用いて、実際にベーンを作製
し、ＨＦＣ１３４ａを冷媒とする実機ロータリーコンプ
レッサに組み込んで寿命評価試験を行なった。なお、実
機テスト中の評価はロータリーコンプレッサに設けた圧
力計の圧力変化によってベーンの摩耗ないし損傷状況を
推定した。実機テストの結果、従来材のＳＫＨ５１をベ
ーンに用いたテスト機の圧力が運転開始後、117時間目
に圧力が急変したため、運転を停止してベーンの状況を
観察した。その結果、ＳＫＨ５１製のベーンはロータと
摺動する面に部分的なカジリが認められ、一方対向する
ロータ周面にもカジリによる条痕が観察された。これに
対して、本発明の記号Ａおよび記号Ｄ製のベーンを用い
たロータリーコンプレッサは運転時間が720時間経過し
た後も圧力変化が認められずテストを中止した。

【００１９】（実施例３） 表４に示す４種類の鋼製組成からなる粉末を準備し、こ
れにＴiＮの分散粒子を表４に併記したベーン重量全体
の割合で混合した後、プレス成形、焼結を行なってベー
ン用材料を作製した。上記４種類のベーン用材料を焼入
−焼もどし処理を行なった後、実施例１と同じ要領で硬
さ(HRC)測定、摩耗試験による摩耗減量と摩耗係数、腐
食試験による腐食減量をそれぞれ求め、その結果を表５
に示す。なお、摩耗減量は実施例１における記号Ｅの従
来材であるＳＫＨ５１の摩耗量を1.0として、各種ベー
ン材およびリングの摩耗量を相対比較値として求めたも
のである。

【００２０】

【表４】

【００２１】

【表５】

【００２２】表５によれば、本発明のベーン用材料であ
る記号１ないし４は、従来のＳＫＨ５１と比較してベー
ン自身の摩耗が少ないのと同時に、摩擦係数が低いため
に相手材の摩耗をも軽減することがわかる。また、両者
の摩耗量の改善には、耐食性の向上効果も寄与している
ものと考えられる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、ＨＦＣ系フロンに代表
される代替フロンを冷媒とする圧縮機において、従来の
ベーン材料であるＳＫＨ５１クラスでは不十分であった
ベーンの耐摩耗性が大幅に向上する。また本発明のベー
ンは、ＨＦＣ系フロン用圧縮機の潤滑油が分解して形成
される蟻酸や酢酸のごとき、カルボン酸に対しても耐食
性が大きい。したがって本発明のベーンは、大きい耐摩
耗性と耐食性により新しい冷媒に対応できるので環境規
制に対応した圧縮機が実用化できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータリーコンプレッサの一例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ベーン ２ ロータ ３ シリンダ ４ スプリング

【手続補正書】

【提出日】平成３年８月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】Ｓiは脱酸元素として鋼質を改良する効果
がある。また、基地に固溶して基地の硬さを高める効果
もある。しかし、1.5%を越えると靭性が低下するのでＳ
iは1.5%以下とした。Ｍnも脱酸元素として鋼質を改良す
る効果があるので、Ｍn1.0%以下とした。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】表３には表２に示したベーン材の焼入れ−
焼もどし硬さ（ＨＲＣ）、摩耗試験による摩耗減量と摩
擦係数、腐食試験による腐食減量をそれぞれ示す。な
お、摩耗試験は以下の要領で実施した。ベーン材を板と
し、ロータ材に相当するＦＣ２５をリングに加工してＨ
ＦＣフロンの代表であるＨＦＣ１３４ａと相溶性のエス
テル系潤滑油を滴下しながら、互いに摺動させ、その摩
耗減量を求めた。表２中には従来材ＳＫＨ５１を板、Ｆ
Ｃ２５をリングとして試験した時の板、リングそれぞれ
の摩耗量を1.0として、各種ベーン材およびリングの摩
耗量を相対比較値として求めて評価した。さらに、その
ときの摩擦係数の測定値も併せて併記した。腐食試験は
ＨＦＣ用のエステル系潤滑油が分解して生成するとされ
ている5%蟻酸−5%酢酸水溶液中で60℃×30h浸漬して、
その腐食減量を求めた。表２によれば、本発明のベーン
材料は従来のＳＫＨ５１と比較してベーンそのものの摩
耗が少ないと同時に相手材の摩耗も減少し、摩擦係数も
小さくなるので、実際の圧縮機に組み込まれたときは、
相対的な摩耗量は1/10以下に減少する。さらには、耐食
性も改善されているので、この効果が相乗して実用的に
は多大な効果としてして現われる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量%でＣ 1.0〜3.5%、Ｓi 1.5%以下、
   Ｍn 1.0%以下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 30%以下、Ｍo 20%以下
   の１種または２種がＷ＋2Ｍoで24〜40%、Ｖ，Ｎbの１種
   または２種を5%以下、Ｃo 20%以下を含み、残部Ｆeおよ
   び不可避的不純物からなる基地に、窒化物粒子、炭窒化
   物粒子の１種または２種以上をベーン重量に対して合計
   で2〜20%分散させたことを特徴とするベーン用材料。
2. 【請求項２】 窒化物、炭窒化物がＴi,Ｚr,Ｖ,Ｎb,Ｈf
   の化合物粒子である請求項１に記載のベーン用材料。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の組成からなる基地に、
   窒化物粒子、炭窒化物粒子の１種または２種以上をベー
   ン重量に対して合計で2〜20%分散させたことを特徴とす
   るベーン。