JPH06184574A

JPH06184574A - 摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06184574A
Application number: JP34066392A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kawahara; 克己河原; Hideki Hara; 日出樹原; Shotaro Mishina; 正太郎三科; Akira Jinno; 亮神▲の▼
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1994-07-05

Abstract

(57)【要約】【目的】圧縮機・ポンプ等の回転摺動機械において、
摺動部の耐焼付き性、耐摩耗性の向上、摩擦係数の低減
のために有効な摺動材料を実現する。【構成】摺動材料として摺動部表面に、ＦeＦ２・Ｆe
Ｆ３を主とするフッ化鉄皮膜を形成させたものを用い
る。フッ化鉄皮膜の形成方法としては、Ｆ２ガス中での
熱処理やフッ素イオン注入等が採用される。また、圧縮
媒体がフッ素を含有する気体(フロンガス等)である場
合、摺動部の摩擦熱により若干のフッ化鉄が形成され
る。そこで、触媒作用等を利用してこのフッ化鉄皮膜の
形成を促進させる。例えばフッ素イオン注入を施した場
合、非処理材に対して焼付き荷重が３倍程度に向上す
る。また、フッ素を含有する気体(ＨＦＣ系フロン)中で
の摺動特性は不活性ガス(窒素)中よりも優れており、摺
動面にはフッ化鉄皮膜が自然形成される。従って、触媒
作用等を利用してフッ化鉄の形成を促進すれば、摺動特
性がさらに向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、例えば空気調和機の
ロータリー圧縮機用のベーン(ブレード)部材やロータ部
材、同スクロール型圧縮機の可動スクロールなどに適し
た摺動部材およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば空気調和機に使用されるロータリ
ー圧縮機は、ロータリーシリンダ、該ロータリーシリン
ダ内に偏心回転可能に支持されたロータ、上記ロータリ
ーシリンダの内周面側のベーン溝内に摺動可能に嵌挿さ
れているとともに常時上記ロータ面に摺接するベーン、
上記シリンダ両側のフロントヘッド及びリアヘッド等に
より構成されている。そして、駆動用モータが回転する
と、カムシャフト部のカムの回転により上記ロータは上
記シリンダ内を偏心回転し、それによって冷媒ガスが吸
入口より上記シリンダ内に流入し圧縮されて吐出口より
吐出される。この時、上記ベーンは、上記ロータの偏心
回転に応じて当該ロータの半径方向に相当な速度で往復
摺動(出没)運動を行う。

【０００３】ところで、上記ロータやベーンのような相
互に当接して摺動する相対摺動部材は、従来一般には耐
摩耗性や熱膨張係数の点から共に鋼や鋳鉄によって形成
されていた。鋼や鋳鉄などの鉄系摺動部材は、現行のフ
ロン冷媒(ＨＣＦＣ２２)と潤滑油(スニソ油)の混合油中
では、非常に良好な摺動特性を示し、耐摩耗性が低く焼
付き荷重も大きい。これは、現行のフロン冷媒(ＨＣＦ
Ｃ２２)中には塩素(Ｃl)が含まれているために、該塩素
(Ｃl)が鉄系摺動部材の摺動面に塩化鉄を形成し、それ
によって極圧作用が実現されることによっている。

【０００４】ところが、近年地球環境保護に対する関心
が高まる中、成層圏におけるオゾン層破壊に影響を及ぼ
すフロン類の生産及び使用が規制され、各方面で代替品
に関する研究が推し進められている。特に潤滑に関して
はＣlを含むＣＦＣ、ＨＣＦＣ系フロンの規制が進み、
Ｃlを含まないＨＦＣ系フロン化が検討されているた
め、フロン分子中のＣlによる極圧作用がなくなり、潤
滑特性が大きく低下することが問題となっている。

【０００５】また、最近の空気調和機では、インバータ
方式の位相制御が主流化しているために、圧縮機も高速
摺動性能の要求が高く、上記代替フロンに対する潤滑性
能の悪化は解決すべき重要なテーマである。

【０００６】そこで、本願発明者は、フロンが潤滑特性
に与える影響について代表的なＣＦＣ,ＨＣＦＣ,ＨＦＣ
系フロンを対象して詳細に実験検討した結果、鋳鉄材が
フロン雰囲気中でフッ化鉄を生成し、該フッ化鉄が塩化
鉄に近い潤滑性能を発揮する事実を見出した(例えば
(社)日本トライボロジー学会、トライボロジー会議予稿
集Ｐ４３３〜４３６「フロン雰囲気における摩擦摩耗特
性」参照)。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記実験にお
いて自然生成されるフッ化鉄皮膜は極めて薄く、実用に
耐えるものではない。従って、何とか該フッ化鉄皮膜層
を積極的に厚く形成し、実用に耐えるレベルの潤滑特性
を実現することが課題となっている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１〜４各項
記載の発明は、それぞれ上記の課題を解決することを目
的としてなされたものであって、各々次のように構成さ
れている。

【０００９】(１) 請求項１記載の発明の構成請求項１記載の発明の摺動部材は、鉄系材料を素材と
し、その摺動面にフッ化鉄皮膜を形成して構成されてい
る。

【００１０】(２) 請求項２記載の発明の構成請求項２記載の発明の摺動部材の製造方法は、鉄系材料
を素材とする摺動部材の摺動面をフッ素ガス中で熱処理
することにより十分な厚さのフッ化鉄皮膜を形成するよ
うにしたものである。

【００１１】(３) 請求項３記載の発明の構成請求項３記載の発明の摺動部材の製造方法は、鉄系材料
を素材とする摺動部材の摺動面にフッ素イオンを注入す
ることにより十分な厚さのフッ化鉄皮膜を形成するよう
にしてたものである。

【００１２】(４) 請求項４記載の発明の構成請求項４記載の発明の摺動部材の製造方法は、摺動部材
の摺動面にフロンガス中で触媒を使用してフッ化鉄を生
成させることによりフッ化鉄皮膜形成作用を促進するよ
うにしたものである。

【００１３】

【作用】本願の請求項１〜４各項記載の発明は、各々以
上のように構成されている結果、当該各構成に対応して
各々次のような作用を奏する。

【００１４】(１) 請求項１記載の発明の作用請求項１記載の発明の摺動部材は、上述のように、鉄系
材料を素材とし、その摺動面にフッ化鉄皮膜を形成して
構成されている。

【００１５】したがって、フッ化鉄皮膜の極圧作用によ
り摺動面の潤滑特性が向上する。

【００１６】(２) 請求項２記載の発明の作用請求項２記載の発明の摺動部材の製造方法は、鉄系材料
を素材とする摺動部材の摺動面をフッ素ガス中で熱処理
することによりフッ化鉄皮膜を形成するようにしたもの
である。

【００１７】したがって、上記熱処理によりフッ化鉄皮
膜が形成され、同フッ化鉄皮膜の極圧作用により摺動面
の潤滑特性が向上する。

【００１８】(３) 請求項３記載の発明の作用請求項３記載の発明の摺動部材の製造方法では、鉄系材
料を素材とする摺動部材の摺動面にフッ素イオンが注入
され、それにより効果的にフッ化鉄皮膜が形成される。

【００１９】そして、該フッ化鉄皮膜の極圧作用により
摺動面の潤滑特性が有効に向上する。

【００２０】(４) 請求項４記載の発明の作用請求項４記載の発明の摺動部材の製造方法では、鉄系材
料を素材とする摺動部材の摺動面をフロンガス中で触媒
で触媒を使用してフッ化鉄生成反応を可及的に促進する
ようにしているので、より効果的にフッ化鉄皮膜を形成
することが可能となる。

【００２１】

【発明の効果】したがって、本願発明の摺動部材および
摺動部材の製造方法によると、代替フロンを使用した場
合にも摺動部材の摺動面に形成されたフッ化鉄皮膜によ
り、十分に実用に耐え得る有効な極圧作用を実現するこ
とができるようになる。

【００２２】

【実施例】以下、本願発明の実施例に係る摺動部材およ
びその製造方法について詳細に説明する。

【００２３】すでに述べたように、近年、地球環境保護
に対する関心が高まる中、成層圏におけるオゾン層破壊
に影響を及ぼすフロン類の生産及び使用が規制され、各
方面で代替品に関する研究が推し進められている。特に
潤滑に関してはＣlを含むＣＦＣ、ＨＣＦＣ系フロンの
規制が進み、Ｃlを含まないＨＦＣ系フロン化が検討さ
れているため、フロン分子中のＣlによる極圧作用がな
くなり、潤滑特性が大きく低下することが問題となって
いる。

【００２４】そこで、先ず本願発明者は、先ずフロンの
潤滑特性に及ぼす影響をより詳細に調べるために、代表
的なＣＦＣ,ＨＣＦＣ,ＨＦＣ系フロンを用い、乾燥雰囲
気中での摩擦摩耗特性、及び冷凍機油との共存下での潤
滑特性について詳細に実験および研究を行った。

【００２５】(１) 実験方法乾燥摩擦試験図１に示すように摩擦試験部と荷重・摩擦トルクの計測
部を圧力容器内に収納した高圧雰囲気型摩擦試験機を用
いた。該摩擦試験機は、冷媒が封入される密閉型の圧力
容器１の底部側に所定弾性係数の加圧スプリング２、荷
重用ロードセル３、球体４を備えたバランス支持機構５
を介して３本のテストピース(ピン)ＴＰ₁,ＴＰ₂,ＴＰ₃
を固定し得る固定ディスク６を設ける一方、これに対応
して同圧力容器１の上部側に回転ディスク７を設け、該
回転ディスク７をモータ駆動軸８で回転駆動するように
構成されており、上記固定ディスク６はロッド９を介し
て摩擦トルク用ロードセル１０に連係されている。

【００２６】試験片形状は、図２に示すように１個の回
転球ＭＰ₁と３個の固定球ＭＰ₂〜ＭＰ₄とからなる４球
試験片で焼付き試験及び摩耗試験を行った。試験片の材
質はＳＵＪ２である。

【００２７】焼付き試験は、摩擦速度0.058〜0.518[m／
s]の範囲で、荷重ステップ５[kgf]、保持時間３[min]で
行ない、摩擦係数の急上昇をもって焼付きとした。摩耗
試験は、所定荷重で１０[min]保持した後の摩耗痕直径
にて評価を行った。

【００２８】雰囲気ガスはＣＦＣ１２,ＨＣＦＣ２２,Ｈ
ＦＣ３２,ＨＦＣ１３４a,ＨＦＣ１２５、窒素であり、
雰囲気温度は室温である。これらのガスの性質を次の表
１に

【００２９】

【表１】

【００３０】フロン／潤滑油共存下での焼付き試験試験機は図１と同様で、図３に示すピン−ディスク式試
験片による焼付き試験を行った。同試験片の材質は、ピ
ン(ＴＰ₁〜ＴＰ₃)側が高速度鋼、回転ディスク(７)側が
ＮiＣrＭo鋳鉄である。

【００３１】焼付き試験の摩擦速度は２〜４[m／s]、荷
重ステップは１０[ＭＰa]で保持時間５[min]で行なっ
た。また摩擦係数の急増をもって焼付きとした。

【００３２】供試フロンはＨＣＦＣ２２、及びＨＦＣ３
２／ＨＦＣ１３４aの混合系であり、その性質は上記表
１に示されている。また、試験に用いた潤滑油は、ＨＣ
ＦＣ２２及びＨＦＣ１３４a混合系の各々のフロンに対
して相溶性のある鉱油、及びエステル油である。温度条
件を７０[℃]一定とし、フロンガス圧力を１〜３０[kgf
／cm²]の範囲で調節することによってフロンの潤滑油へ
の溶解量を変化させた。

【００３３】(２) 実験結果および考察乾燥摩擦試験 a．焼付き試験乾燥雰囲気中における焼付き試験の結果を図４に示す。
これは全体的な傾向により大別して３グループに分類す
ることができる。つまり、Ｃlを分子中に含むＣＦＣ・
ＨＣＦＣ系フロン(ＣＦＣ１２、ＨＣＦＣ２２)、Ｃlを
分子中に含まないＨＦＣ系フロン(ＨＦＣ１３４a、ＨＦ
Ｃ３２、ＨＦＣ１２５)、不活性ガスである窒素の３グ
ループである。

【００３４】最も焼付き荷重が高いのは、Ｃlを含むＣ
ＦＣ・ＨＣＦＣ系フロンであり、これはＣlによる極圧
効果が顕著に現れた結果であると考えられる。

【００３５】次にはＣlを含まないＨＦＣ系フロン中で
の焼付き荷重が高く、不活性ガスである窒素中での焼付
き荷重とは明らかな相違が認められた。従って、ＨＦＣ
系フロン中においても何らかの極圧作用が現れたと考え
られるので、Ｘ線光電子分光分析装置(ＸＰＳ)によって
摩擦面の元素分析を行った結果を図５に示す。この図５
より、摩擦面からは明確にフッ素Ｆが検出されており、
フッ化物皮膜が形成されていると考えられる。このフッ
化物は、ＸＰＳピークのケミカルシフトより見て、フッ
化鉄であると考えられる。

【００３６】以上の結果より、ＨＦＣ系フロン中におい
てもフッ化物によると認められる極圧作用により、焼付
き荷重が上昇することが明らかとなった。

【００３７】b．摩耗試験結果摩擦速度0.058[m／s]における摩耗試験結果を図６に示
す、高荷重域ではやはり３グループに分類され、ＣＦＣ
・ＨＣＦＣ系フロン中での摩耗痕径が最小であり、次に
ＨＦＣ系フロン中での摩耗が少なく、窒素中での摩耗が
最も多いという焼付き荷重に関してと全く同様の結果が
得られた。しかし、低荷重域ではＣＦＣ・ＨＣＦＣ系フ
ロン中とＨＦＣ系フロン中での差が殆んど認められなく
なり、ＨＦＣ１２５中での摩耗のみが多く、同じＨＦＣ
系フロンにおいても若干の違いがあることを示してい
る。

【００３８】ＨＦＣ系フロン分子のＣ−Ｆ結合強度は、
一つの炭素原子に結合しているフッ素原子数が多い程強
くなるが(ＣＦ４＞ＣＨＦ３＞ＣＨ２Ｆ２＞ＣＨ３Ｆ)、
この結合の弱い方がより優れた潤滑性を示しているよう
に見受けられる。つまり、本実験におけるＨＦＣ系フロ
ンにおいては潤滑性の優れた順にＨＦＣ１３４a、ＨＦ
Ｃ３２、ＨＦＣ１２５となり、この差は非常に僅かでは
あるが焼付き荷重、摩耗率、摩擦係数全てにおいて同様
の傾向が得られている。

【００３９】c．摩擦特性摩擦速度0.058[m／s]における乾燥雰囲気中での摩擦特
性を図７に示す。摩擦係数についてもやはり３グループ
に分類され、ＣＦＣ・ＨＣＦＣ系フロン中で最も低摩擦
であり、次にＨＦＣ系フロン中の摩擦係数が低く、窒素
中での摩擦係数が最も大きいという、焼付き荷重に関し
てと同様の結果が得られた。

【００４０】ＣＦＣ・ＨＣＦＣ系フロン中では、接触荷
重にかかわらずほぼ一定の低い摩擦係数を示しており、
やはりＣlによる極圧作用が現れていると考えられる。
これに対しＨＦＣ系フロン中では接触荷重の増加と共に
摩擦係数が増大しており、傾向としては窒素中の摩擦係
数と同様である。摩擦面において塩化物の生成による極
圧作用が現れる場合には、接触荷重の増加に伴って摩擦
係数が低下するといわれているが、フッ化物の極圧作用
によると思われるＨＦＣ系フロン中では同様の傾向が見
られなかった。この原因は、フッ化物自体の極圧性が塩
化物よりも劣るか、また生成量が少ないからであると考
えられる。ＥＤＸによる面分析及びＸＰＳによる深さが
見られており、これも極圧性の相違に関係があると思わ
れる。

【００４１】フロン／潤滑油共存下での焼付き試験ＨＣＦＣ２２／鉱油共存中、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１３４
a／エステル油共存中での焼付き荷重結果を図８、図９
に示す。摩擦速度２[m／s]では顕著な差は見られない
が、摩擦速度４[m／s]ではＨＦＣ２２／鉱油共存中での
焼付き荷重の方が高い。特にフロンガス圧力の高い、つ
まりフロンの溶解量の多い領域での差が大きいことか
ら、ＨＣＦＣ２２中のＣlの極圧効果による差であると
考えられる。

【００４２】また、ＨＣＦＣ２２の場合と同様に、ＨＦ
Ｃ系混合冷媒においても、ガス圧の増加に伴って焼付荷
重が若干上昇した。この原因は、フロンの溶解量が増加
するために局部的な蒸発による冷却効果が現れるためで
あるという報告がある。

【００４３】しかし、ＨＦＣ系フロンの乾燥雰囲気中に
おいても、極圧効果が認められていることより、潤滑油
との共存中においてもその極圧効果が現れた可能性が考
えられる。そこで、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１３４a／エス
テル油共存中での摩擦面の元素分析を行った結果を図１
０に示す。乾燥雰囲気中と同様に、やはりフッ素Ｆが検
出されており、フッ化物が生成されて極圧効果が現れた
と考えられる。

【００４４】以上の結果より、ＨＦＣ系フロンは潤滑油
との共存雰囲気中でも潤滑性を示すことが明らかとなっ
た。

【００４５】(３) 本願発明実施例の摺動部材の構成本実施例の摺動部材は、上記実験結果を基にして、例え
ばＳＫＨ５１などの鉄部材の摺動部材の摺動面に例えば
ＦeＦ₂又はＦeＦ₃を主とするフッ化鉄皮膜を所定の厚さ
に形成して構成されている。

【００４６】ＦeＦ₂,ＦeＦ₃を主とするフッ化鉄皮膜が
形成されると上述のように潤滑特性が向上するので摺動
部材としての摺動特性も良好となり、耐焼付性、耐摩耗
性も向上し、摩擦係数が低くなる。従って、例えば空気
調和機用ロータリ圧縮機や同スクロール圧縮機などの高
摺速性能が要求される回転ポンプの摺動部材(ベーン、
ロータ、可動スクロールなど)に特に最適となる。

【００４７】しかも、上記フッ化鉄皮膜は塩素を有しな
い代替フロンによる生成が可能であるから、上記空気調
和機用圧縮機の摺動部材のように代替フロン冷媒雰囲気
中で使用されるものにとって特に好都合である。

【００４８】(４) 本願発明実施例の摺動部材の製造方
法上記摺動部材は、例えば上記ＳＫＨ５１などの鉄部材の
摺動面に対して例えばフッ素Ｆイオンを注入することに
より十分な層圧のＦeＦ₂又はＦeＦ₃を主とするフッ化鉄
皮膜を積極的に形成するようにすることによって製造さ
れる。

【００４９】この方法によって製造された摺動部材(サ
ンプルＢ)の上記摩擦試験機による焼付き試験の結果を
従来の摺動部材(サンプルＡ)と対比して図１１に示す。
この場合、本実施例の摺動部材(サンプルＢ)はＳＫＨ５
１にフッ素イオンを注入してフッ化鉄皮膜を形成したも
の、従来例(サンプルＡ)はＳＫＨ５１であり、相手材と
しては共にロータケーシング材として一般的なＭo−Ｎi
−Ｃr合金鋳鉄を用いた。試験条件は、次の通りであ
る。

【００５０】冷媒:ＨＦＣ１３４a(２kgf／cm²・Ｃ）油：エステル油摺動速度:４m／s 温度:室温相手材:合金鋳鉄(Ｍo,Ｎi,Ｃr鋳鉄) 摩擦形式:ピン−ディスク式この結果、例えば本実施例のようにフッ素イオン注入を
施した場合、図１１に示すように焼付き荷重が約３倍程
度まで大きく向上することが明らかとなった。

【００５１】また、フッ素を含有する冷媒ガス(ＨＦＣ
系フロン)中での摺動特性は図４、図６、図７に示すよ
うに、不活性ガス(窒素)中よりも優れている訳であり、
摺動部の摩擦熱により図５に示すように摺動面には更に
所定量のフッ化鉄が形成される。従って、該冷媒雰囲気
中で触媒作用等を利用して積極的にフッ化鉄の形成を促
進するようにすれば、摺動特性がさらに向上する。この
場合、触媒としては、例えばＡu、Ａl₂Ｏ₃、ＺrＯ₂等が
採用される。

【００５２】(５) 他の実施例による摺動部材の製造方
法上記摺動部材の製造方法としては、上述したフッ素イオ
ンの注入による方法の他にも、例えばＦ₂ガス中で熱処
理することによってフッ化鉄を生成させる方法を採用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本願発明の実施例において使用される
摩擦試験機の構成を示す概略図である。

【図２】図２は、同試験機の４球式摩擦試験部の要部の
構造を示す概略図である。

【図３】図３は、同試験機のピン−ディスク式摩擦試験
部の要部の構造を示す概略図である。

【図４】図４は、同実施例における乾燥雰囲気中での焼
付き試験の結果を示すグラフである。

【図５】図５は、同実施例における摩擦面の元素分析結
果を示すグラフである。

【図６】図６は、同実施例における乾燥雰囲気中での摩
耗試験の結果を示すグラフである。

【図７】図７は、同実施例における乾燥雰囲気中での摩
擦特性を示すグラフである。

【図８】図８は、同実施例におけるＨＣＦＣ／鉱油中で
の焼付き特性を示すグラフである。

【図９】図９は、同実施例におけるＨＦＣ３２／ＨＦＣ
１３４a／エステル油中での焼付き特性を示すグラフで
ある。

【図１０】図１０は、同実施例における摩擦面の元素分
析結果を示すグラフである。

【図１１】図１１は、同実施例における摺動部材の焼付
き荷重を従来例と対比して示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｃ１０Ｎ 40:02 50:08 70:00 (72)発明者三科正太郎大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者神▲の▼ 亮大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系材料を素材とし、その摺動面にフッ
化鉄皮膜を形成してなる摺動部材。
【請求項２】鉄系材料を素材とする摺動部材の摺動面
をフッ素ガス中で熱処理することによりフッ化鉄皮膜を
形成するようにしてなる摺動部材の製造方法。
【請求項３】鉄系材料を素材とする摺動部材の摺動面
にフッ素イオンを注入することによりフッ化鉄皮膜を形
成するようにしてなる摺動部材の製造方法。
【請求項４】鉄系材料を素材とする摺動部材の摺動面
にフロンガス中で触媒を使用してフッ化鉄生成作用を生
ぜしめることによりフッ化鉄皮膜形成作用を促進するよ
うにしてなる摺動部材の製造方法。