JPH0610103A

JPH0610103A - 耐摩耗性、摺動性に優れたベーン材

Info

Publication number: JPH0610103A
Application number: JP4291233A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nakamura; 秀樹中村; Teruo Kato; 照雄加藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1994-01-18
Also published as: JPS61243155A; JPH0380868B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性と摺動性を兼備した、粉末冶金法製
のベーン材料を提供する。【構成】液体又は気体の圧縮機に用いられるベーン材
であって、その化学組成が重量％でＣ 0.89〜3.0%、Ｓ
ｉ 0.1〜1.5%、Ｃｒ 2.5〜7.0%、Ｗと2Ｍｏを合計で10.
0〜20.0%、Ｖ 0.5〜6.0%、Ｃｏ 10.0%以下、残部Ｆｅお
よび不可避的不純物よりなり、かつその組織は基地中に
平均粒径5μｍ以下のＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造で示される
炭化物粒子が分散した焼結体であり、該焼結体を焼入れ
焼戻しした後の基地部硬さがＨｖ800〜1000となること
を特徴とする耐摩耗性、摺動性に優れたベーン材であ
り、さらに前記に加え、0.5〜3.0%のマンガン硫化物系
介在物が分散した焼結体としてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体または気体の圧縮
機に用いる粉末冶金法で製造されたベーン材に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体またはガス体の圧縮機のベー
ンはＪＩＳＳＫ材、ＡＩＳＩ６１５０のバネ用材、Ｊ
ＩＳＳＫＨ５１相当の溶製法によるものから製造され
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、圧縮機の圧縮機
の増大、また高速回転化が要求されるようになり、従来
材程度の耐摩耗性では、不十分となりつつある。一方、
圧縮機のケーシング材、ロータ材としては共晶黒鉛鋳
鉄、パーライト鋳鉄等の鋳物あるいはＳＣＭ１等の構造
用鋼の鍛造材や焼結材が一般に使用されているが、ベー
ンの摺動による被摺動面の摩耗が問題となっている。つ
まり、ベーンの被摺動材（ケーシング、ロータ）に対す
る摺動性が良好であるということが、ベーン自体に要求
されている。換言すると、耐摩耗性に富みながら、かつ
摺動性に優れているという一般には相反する２つの特性
がベーン材料に要求されている。しかしながら、現在は
以上に要求を満足するようなベーン材料は開発されてい
ない。本発明は、耐摩耗性は勿論のこと、ケーシングや
ロータの摩耗を低減可能な摺動性に優れたベーン材料の
提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ベーン自体
に要求される前記の相反する２つの特性、すなわち耐摩
耗性と摺動性を満足するための条件を研究した。その結
果、ベーン材料の製法として粉末冶金法を適用し、ベー
ン材を熱処理（焼入、焼もどしを意味する、以下同じ）
した後の炭化物が5μｍ以下として均一に分散できるよ
うにすること、焼結体の熱処理後の硬さが全体の硬さで
はなく、基地部の硬さでＨｖ800〜1000となり、炭化物
の種類と容積％がそれぞれＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造で9〜
15%とした化学組成のものが最適であることを見出し
た。

【０００５】さらに、要すれば最大直径が100μｍ以下
の空孔を面積％で1〜10%、意図的に残留させると、特に
空孔内部表面の酸化皮膜や空孔内に潤滑油を湿潤させ得
る効果により摺動性向上に効果のあるものである。しか
し空孔は、成形条件や焼結条件によってコントロールで
きるものであり、ベーン材料自体には必ずしも必須の要
件ではない。前記の熱処理後の炭化物の種類、大きさお
よび量の条件を満足させるためには、ベーン材が特定の
成分範囲であること、熱処理前の炭化物を平均粒径5μ
ｍ以下のＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造の炭化物粒子を分散さ
せておくことが必要である。

【０００６】本発明を具体的に説明すると、本発明は液
体又は気体の圧縮機に用いられるベーン材であって、そ
の化学組成が重量％でＣ 0.89〜3.0%、Ｓｉ 0.1〜1.5
%、Ｃｒ 2.5〜7.0%、Ｗと2Ｍｏを合計で10.0〜20.0%、
Ｖ 0.5〜6.0%、Ｃｏ 10.0%以下、残部Ｆｅおよび不可避
的不純物よりなり、かつその組織は基地中に平均粒径5
μｍ以下のＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造で示される炭化物粒
子が分散した焼結体であり、該焼結体を焼入れ焼戻しし
た後の基地部硬さがＨｖ800〜1000となることを特徴と
する耐摩耗性、摺動性に優れたベーン材である。上記組
成にさらにＭｎ0.3〜2.0%、Ｓ0.2〜0.7%含有させること
により、前記基地中にマンガン硫化物系介在物を面積％
で0.5〜3.0％微細に分散させたベーン材とすることがで
きる。

【０００７】本発明のべーン材は、前述の組成を有する
水アトマイズ粉末に黒鉛粉末を0.89％以下添加混合し2
〜8トン／cm²の成形圧でプレス成形をした後、成形体を
非酸化性雰囲気中で1150〜1260℃で焼結して製造するの
が最適である。なお、焼結温度は粉末組成により適宜選
択すればよい。この方法は、通常ではニヤネット形状の
ベーン材が得られるので、このベーン材に少量の加工を
施すだけでベーンにすることができる。本発明のベーン
材の他の製造方法は、前述の組成を有するガスアトマイ
ズ粉末を金属容器に封入後、熱間静水圧プレス(いわゆ
るＨＩＰ)で圧密化することでも製造できる。この方法
はニアネット形状のベーン材も得られるが、ＨＩＰ後の
塊状のベーン材をさらに鍛伸してベーンの厚みに近い形
まで加工すれば、あとは所望の長さに切断するだけでベ
ーンが得られるので好都合である。

【０００８】ベーンの形状によっては、粉末をニアネッ
トシェイプに成形するよりは、本法の如く鍛造、圧延に
よって平角材を得た後、機械加工によって所望の形状を
得る方法の方がコスト的に有利な場合がある。また、本
方法では製品に空孔を残さないようにすることも、製品
に空孔を所定量残存させることもできる。空孔を残存さ
せる第一の方法は、ＨＩＰを低温低圧で実施し、ＡＳ
ＨＩＰ（アズヒップ)状態で残存空孔を残させ、後続の
熱間加工でもこれらの残留空孔を完全には封孔しない方
法、第二の方法はＨＩＰ時は材料中に固溶しないＨｅ，
Ａｒガス等を一定量容器中に封入し、見掛け上実密体に
した後、最終焼入時の高温下での材料の軟化と封入され
たガスの内圧上昇を利用して、強制的に空孔を発生させ
る方法である。第二の方法は、第一の方法と比較して制
御が容易となる利点がある。

【０００９】

【作用】次に本発明ベーン材の成分限定理由を述べる。
Ｃは一部が基地に固溶し、他はＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ等の
炭化物形成元素と結合して炭化物を形成する。Ｃが0.89
%未満では熱処理後に基地硬さＨv800を得るのに困難で
3.0%を越えるとベーンが脆化して実用に耐えない。Ｃｒ
は基地と炭化物にほぼ均等に固溶し、基地の焼入性の向
上と焼もどし時の二次硬化度を高めるために必要な元素
である。2.5%未満では上記効果がなく、7.0%を越えると
残留オーステナイトが安定化し、また二次硬化度を低下
させる。ＷとＭoは概略同一の作用効果があり、原子比
でＷと2Ｍoが等量の効果となるので、１種または２種で
添加できるが、全体の量はＷ＋2Ｍoの量で規定できる。
ＷとＭoの一部は、基地に固溶して二次硬化現象に及ぼ
す主役の役割をにない、残りはＭ₆Ｃ型炭化物を形成し
て耐摩耗性の向上に寄与する。Ｗと2Ｍoの合計が10.0%
未満では基地の硬さＨv800以上を得ることが困難で、2
0.0%を越えるとベーンが脆化するのでＷと2Ｍoを合計で
10.0〜20.0%に限定する。

【００１０】Ｖは主としてＣと結合し、未固溶の硬いＭ
Ｃ型炭化物を形成し、耐摩耗性の付与に効果があるが、
一方ではケーシング、ロータに対する摺動性を劣化させ
る。0.5%以下では耐摩耗性付与効果が十分でなく、6%以
上になるとケーシング、ロータへの攻撃性が大きくな
り、また仕上研削が難しくなる。Ｃｏは基地に固溶し、
二次硬化の絶対値を高めると共にベーン表面の酸化皮膜
の密着度を高め、摺動性を向上する作用がある。基本的
には、添加量に応じて焼もどし硬さが向上するので所望
する硬さに合わせて適宜添加量が決定される。ただし、
10%を越える添加はベーンを脆化させまた経済的にも無
意味である。

【００１１】続いて、本発明のベーン材を熱処理したあ
との条件について述べる。ベーン材をベーンに加工した
熱処理後の基地硬さは、耐摩耗性の向上のためにＨvが8
00未満では効果がない。また基地硬さは摩擦係数の低減
にも寄与し、この硬化を得るためにもＨvは800以上が必
要であり、Ｈv1000を越えると材料が脆弱化しベーンと
しての実用が不可能となる。この熱処理硬さを得るため
のベーン材の条件は成分とともに、成形や焼結条件にも
依存する。すなわち、空孔率を大幅に増やすと、硬さは
低下してＨv800未満となることも多い。したがって、硬
さの点から言えば空孔はできるだけ少ない方がよく、空
孔を残留させるとしても数%以下に留めるのが望まし
い。

【００１２】熱処理後の基地中に未固溶炭化物として残
留させる炭化物は耐摩耗性に大きな影響を及ぼす。未固
溶炭化物はできるだけ高硬度であることが望ましく、Ｍ
₆Ｃ、ＭＣ型の結晶構造で示される炭化物が好適であ
る。該炭化物は容積％で9%未満では耐摩耗性に効果はな
く、また15%を越えると摺動性に悪影響を及ぼす。ま
た、この炭化物粒子は平均粒径が5μm以下であることが
必要である。平均粒径が5μm以上では、ケーシング、ロ
ータに対するアブレッシブ作用が強すぎ、また研削仕上
時の砥石摩耗量を増加させ、かつ表面仕上状態が粗くな
り、圧縮機動作時に局部的接触による焼付きを促進す
る。

【００１３】空孔を基地中に残留させる場合には、ベー
ンの断面をミクロ組織的に観察した時の空孔の面積率が
10%以下で含有するとよい。空孔は、摩擦係数の低減に
よる摺動性の向上を図る上で重要な因子である。液体を
圧力媒体とする湿式圧縮機では作動液体の空孔への湿
潤、ガスを圧力媒体とする乾式圧縮機では空孔の酸化皮
膜が摩擦係数の減少に大きな効果がある。空孔径が最大
100μmを越えると切欠効果でベーンが脆化する。また、
空孔が連結し、ベーンの強度が低下し欠損が生じやすく
なるので残留させても10%までとする。本発明の硬さと
は空孔を含まない部分の硬さを称し、これを基地部硬さ
と表現している。換言すれば、基地部硬さをＨv800以上
とすることと、炭化物量で耐摩耗性を付与するものであ
る。またこの時に、炭化物の平均粒径を5μm以下を有す
ることで、摺動性をも付与するものである。

【００１４】以上説明した要件でベーンの摩擦係数は大
幅に低減し、摺動性も向上するが、さらに基地中に硫化
物系介在物を面積比で0.5〜3.0%均一微細に分散させる
ことで、より効果的に摩擦係数の低減が可能である。こ
の硫化物系介在物としては、マンガンの硫化物(代表的
にはＭnＳで表わされる)が有効であり、ベーン材にＭn
Ｓを分散させる場合、ＭnＳを形成するのに必要な化学
量論的比率のＭn,Ｓを予備合金粉末に添加することで達
成できる。この際、Ｍnの添加量は重量％で0.3〜2.0%の
範囲であることが必要である。Ｍnは一部は溶鋼の脱酸
剤として消費されるため、最低0.3%は必要であり、2.0%
を越えるとＭnＳの晶出量が多くなり過ぎ、ベーン材が
脆化する。また変態温度が低下し、焼なまし硬さが下が
りにくく被削性を低下させる。またＳは添加する場合は
0.2〜0.7%添加する必要がある。Ｓの添加量が0.2%未満
ではＭnＳの晶出量が少なすぎて所望の効果が得にく
く、また0.7%を越えると晶出量が多くなり過ぎベーン材
が脆化する。

【００１５】ＦｅＳ，ＭｏＳ₂、ＭｎＳ等の粉末を準備
し、合金粉末に添加する方法も当然考えられるが、水ア
トマイズ粉末粒径で20μm以上であり、潤滑性物質を混
合しても、粉末粒子間にしか、これらが存在し得ないの
で材料が脆化する。本発明の特徴の一つはＭn,Ｓを含む
予備合金化された水アトマイズ粉末を出発原料とするこ
とにより、マンガンの硫化物として分散晶出させること
にある。

【００１６】

【実施例】以下実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。（実施例１）表１に示す化学組成の６種類（Ａ−Ｆ)の
水アトマイズ粉末(-100mesh)を作成した。また試料Ｇは
ＳＫＨ５１相当の溶製現用ベーン材である。試料Ａ〜Ｆ
の水アトマイズ粉末に黒鉛粉末を0.2%添加混合し、6Ton
/cm²の成形圧でプレス成形後、1200〜1250℃の種々の温
度で真空焼結を実施し、焼結状態のベーン材を得た。こ
のベーン材を各組成の標準的熱処理条件で、焼入、焼も
どしを行なった。また実機試験用に種々加工を行なって
図１に示す形状のベーン材を得た。同様に試料Ｇ（比較
材）より図１に示す形状のベーンを得た。これらベーン
を用い、摩耗試料、摺動性確認のため摩擦係数試験、実
機での寿命試験を行なった結果を表２に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】摩耗試験は、大越式摩耗試験機を用い、被
摺動材をリングとしベーン材料をプレートとし、該リン
グを該プレートに6.8kgの荷重で押し込み、摩耗速度 1.
1m/sec、1.9m/secの２種で摩耗距離 400mの時の比摩耗
量を測定した。なお、被摺動材はＦＣＣ２５(Ｃ 0.6、
Ｍn 0.9、Ｃr 0.8)でHRC27とＣ 3.3%、Ｍn 0.8%、Ｃu0.
61の焼入、焼もどし材でHRC51の鋳鉄の２種を用いた。
摩擦係数は松原式摩耗試験機を用い、軽油中ですべり速
度 1.5m/sec、加圧力40kgの試験条件により測定した。
実機での寿命試験は、ロータリ方式の圧縮機を用い、面
圧 10kg/cm²、回転数600rpm、作動時間 100hrの条件で
のケーシングとロータの摩耗量で評価した。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２より以下のことがわかる。基地硬さが高くなるほど、摩耗試験によるベーンの摩
耗量が減少している。空孔率が試験Ｎo.4(比較例)のように、面積%で15%と
なった場合に摩擦係数が高く、実機試験によるケーシン
グ、ロータの摩耗量も増加している。これに比べ、本発
明ベーンでは摩擦係数も低くケーシング、ロータの摩耗
量も少ない。ＭｎとＳを高め硫化物系介在物を多量に晶出させた場
合は摩耗試験におけるベーンの摩耗量ならびに摩擦係数
も低減し、実機試験によるケーシング、ロータの摩耗量
も低減しており、添加の効果が顕著である。本発明ベーンの組成成分に関しては、Ｖ含有量が多い
場合、摩耗量、摩擦係数が、またＣｏを含有している場
合に基地硬さが上昇し、摩耗量、摩擦係数が低下する傾
向にある。

【００２１】（実施例２）表２の試料Ｄの粉末を1210
℃、1225℃、1240℃の各温度で焼結した場合の硫化物系
介在物および炭化物の粒径の耐摩耗性と摩擦係数に及ぼ
す影響を調べた。試験方法は実施例１と同様である。そ
の結果を表３に示す。焼結温度が1240℃と高くなると、
平均炭化物粒径が急激に粗大化している。これは共晶炭
化物が溶融したためである。さらに硫化物系介在物粒径
も溶融粗大化している。これに伴い摩耗量、摩擦係数と
も増加した。

【００２２】

【表３】

【００２３】（実施例３）表４に示す化学組成の５種類
(Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ)のガスアトマイズ粉末(-32mesh)
を作成した。試料Ｈ〜Ｌの粉末を軟鉄からなる容器に封
入して脱気後、1000気圧、温度が1140℃で3時間ＨＩＰ
で圧密化した。これに熱間鍛造と圧延を施し、平角材の
形状のベーン材を得た。これらは実質的に空孔のないも
のである。また、Ｈ，Ｉ，Ｊの３種の粉末については、
表４と同一組成のものについて、ＨＩＰ処理時にＡrガ
スを重量比で0.02%容器に封入してＨＩＰ処理を行なっ
た。これは、意図的に空孔を焼結体に残存させるためで
あり、Ｈ，Ｉ，Ｊに対応してそれらをそれぞれＨ′，
Ｉ′，Ｊ′と表示して表５に示した。

【００２４】

【表４】

【００２５】

【表５】

【００２６】表５は、熱処理前の炭化物の種類毎の量と
大きさ、硫化物系介在物の面積率、熱処理後の基地の硬
さ、被摺動材をＦＣＣ２５としたときの摩耗量および摩
耗係数を示したものである。空孔率を実質的にゼロにす
ると、摩擦係数は空孔があるものや、硫化物系介在物を
含有するものよりも大きくなる傾向となる。しかし、Ｆ
ＣＣ２５に対する摺動により摩耗する量を比較して見る
と、従来の粉末である表２の試験Ｎo.11やＮo.18と比べ
て摩耗量が少ないことがわかる。これは、ガスアトマイ
ズとＨＩＰ法を利用して製造した本発明の材料は、いず
れも高Ｃ高Ｖ高Ｃｏ系の合金であり、かつ基地硬さが高
くＭＣ炭化物含有量も多いこともあって、耐摩耗性に優
れているからである。空孔を有するＨ′，Ｉ′，Ｊ′で
は、同一組成や硬さでも摩耗量も摩擦係数も減少し、さ
らに硫化物系介在物を分散させることで、これらの特長
がさらに助長されることが明らかである。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるベー
ン材は、高速回転化の傾向にある圧縮機に用いた場合で
も、耐摩耗性、摺動性に優れるもので、その価値は非常
に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のベーン材を加工して得られた実機試験
用のベーンの形状を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０４Ｃ 29/00 Ｕ 6907−3Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体又は気体の圧縮機に用いられるベー
ン材であって、その化学組成が重量％でＣ 0.89〜3.0
%、Ｓｉ 0.1〜1.5%、Ｃｒ 2.5〜7.0%、Ｗと2Ｍｏを合計
で10.0〜20.0%、Ｖ 0.5〜6.0%、Ｃｏ 10.0%以下、残部
Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつその組織は基
地中に平均粒径５μｍ以下のＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造で
示される炭化物粒子が分散した焼結体であり、該焼結体
を焼入れ焼戻しした後の基地部硬さがＨｖ800〜1000と
なることを特徴とする耐摩耗性、摺動性に優れたベーン
材。
【請求項２】液体又は気体の圧縮機に用いられるベー
ン材であって、その化学組成が重量％でＣ 0.89〜3.0
%、Ｓｉ 0.1〜1.5%、Ｃｒ 2.5〜7.0%、Ｗと2Ｍｏを合計
で10.0〜20.0%、Ｖ 0.5〜6.0%、Ｃｏ 10.0%以下、Ｍｎ
0.3〜2.0%、Ｓ0.2〜0.7%、残部Ｆｅおよび不可避的不純
物よりなり、かつその組織は基地中に平均粒径５μｍ以
下のＭ₆ＣとＭＣ型結晶構造で示される炭化物粒子およ
び面積％で0.5〜3.0%のマンガン硫化物系介在物が分散
した焼結体であり、該焼結体を焼入れ焼戻しした後の基
地部硬さがＨｖ800〜1000となることを特徴とする耐摩
耗性、摺動性に優れたベーン材。