JPH06192710A

JPH06192710A - 圧縮機用摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06192710A
Application number: JP34697492A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Morioka; 勉森岡; Kunpei Kobayashi; 薫平小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】油潤滑が困難な使用環境下で使用した場合にお
いても優れた耐摩耗性および摺動性を発揮するととも
に、構造部材としても充分な強度を有する圧縮機用摺動
部材およびその製造方法を提供する。【構成】圧縮機用摺動部材は、フェライトおよびパーラ
イト基地に炭素を分散させた組織を有する焼結合金から
成り、上記炭素がニッケルにより被覆されていることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮機用摺動部材および
その製造方法に係り、特に油潤滑が困難であり、また高
負荷条件下で使用される圧縮機の摺動部材として優れた
耐摩耗性、摺動性および構造強度を有し、圧縮機の耐久
性を高めることが可能な圧縮機用摺動部材およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機、冷蔵庫、空調機やショーケース
においては冷媒を圧縮する圧縮機が主要機器として装備
されている。上記用途例において一般的に使用されてい
る圧縮機として、図１および図２に示すような密閉型の
ロータリ圧縮機がある。

【０００３】この圧縮機１は、ケ―シング２の内部にモ
ータ３ａと圧縮要素３ｂとを内装し、圧縮要素３ｂはモ
ータ３から延びる回転軸４を主軸受５と副軸受６に挿通
させ、この主軸受５と副軸受６との間に、仕切板７を介
して２基のシリンダ８ａ，８ｂを配設し、各シリンダ８
ａ，８ｂ内において、前記回転軸４に形成された偏心部
９ａ，９ｂにそれぞれ円筒状のローラ１０ａ，１０ｂを
嵌合させる一方、第２図に示すように偏心回転するロー
ラ１０ａ，１０ｂに対して常時押し付けて接触するよう
に、ベーン１１ａ，１１ｂが配設されて構成される。ベ
ーン１１ａ，１１ｂは偏心部９ａ，９ｂおよびローラ１
０ａ，１０ｂの回転に応じて往復動し、各シリンダ８
ａ，８ｂ内部を圧力的に仕切る役割を果している。こう
して圧縮機１は、モータ３の駆動によって前記ローラ１
０ａ，１０ｂをシリンダ８ａ，８ｂ内において偏心回転
させることにより、シリンダ８ａ，８ｂ内に吸入したガ
スを圧縮して吐出するものである。

【０００４】上記のような圧縮機１においては、主副軸
受５，６と回転軸４、シリンダ８とベーン１１、仕切板
７とローラ１０など相互に摺接する摺動部における摩耗
が特に顕著になるため、高い耐摩耗性を有する摺動材で
形成する必要がある。

【０００５】従来、この種の摺動材としては、高速度鋼
や共晶黒鉛鋳鉄の溶解材、さらにより具体的には、ＦＣ
鋳物材、ＳＭＦ４０３０などのＳＭＦ−４種材（鉄−炭
素−銅系合金）など耐摩耗性を高めた材料が一般に使用
されている。

【０００６】しかしながら、近年、圧縮機は冷凍機用、
冷蔵庫用、空調機用などの用途を問わず、高性能化や使
用条件の拡大が求められている。特に空調機において
は、使用者の住空間の変化や快適性の要求水準の高まり
が著しく、インバータを装備したものが標準品になりつ
つある。このような空調機に使用される圧縮機では従来
以上に苛酷な運転条件、すなわち高負荷条件下での高速
運転や変速運転が要求されている。

【０００７】特にエネルギ効率を高めるために圧縮機の
ＯＮ−ＯＦＦ動作の回数を低減して、より低速域での運
転を行なうと、回転軸と主副軸受との間の摺動部への給
油量が減少して焼付きが生じ易くなるとともに、ジャー
ナル軸受としての軸受負荷が低下して、回転軸と主副軸
受とが金属接触する機会が増大して摩耗が急速に進行し
てしまう問題点がある。

【０００８】特に副軸受は、長さが小さく回転軸との接
触面積も小さくなるため、副軸受のＰＶ値は主軸受より
も高くなり過酷な条件で運転されるため、副軸受の耐久
性が圧縮機全体の耐久性を支配することになる。

【０００９】一方、ロータリ式コンプレッサの軸受、シ
リンダ、ローラ、ベーン板等の摺動部品を多孔質の焼結
合金で形成することは、複雑形状の部品を容易に形成す
ることができることから、従来から広く採用されてい
る。例えば、焼結合金に潤滑油を含浸せしめた焼結含油
軸受にあっては、空孔内部に含浸されている潤滑油が軸
受面に滲出して潤滑作用を発揮するものであるが、高温
で油潤滑が困難な使用環境に配置した場合には、潤滑油
の蒸発が大となり油膜切れによる回転軸の焼付が起き易
くなる。

【００１０】その焼付事故を防止するため、黒鉛の固体
潤滑作用を利用し、合金基地中に黒鉛を分散させた焼結
合金が広く使用されるに至っている。この種の焼結合金
製摺動部材は、一般に鉄粉末に所定量の黒鉛粉末を添加
混合して成形し、得られた成形体を所定の温度で焼結し
て製造されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記焼
結操作において焼結温度が高い場合には、黒鉛成分が鉄
成分中に拡散移動し、固溶するとともに鉄と黒鉛とが反
応して極めて高硬度のセメンタイトを生成する欠点があ
る。このセメンタイトを生成した焼結体で圧縮機の軸受
材を形成した場合には、相手部材（回転軸）をかじり攻
撃する性質（スカッフィング性）が極めて高くなる。そ
こで従来は上記セメンタイトを生成しないように９２０
〜１０００℃の比較的低温度の焼結条件で焼結操作を実
施していた。

【００１２】しかしながら、低温度で焼結した場合は、
焼結性が低下し、焼結合金の密度が低い上に機械的強度
が低くなり、軸受材の破損や摩耗が顕著になり圧縮機用
摺動部材としての実用に供することが困難となる問題点
があった。

【００１３】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、圧縮機の摺動部のように油潤滑が困難
な使用環境下で使用した場合においても優れた耐摩耗性
および摺動性を発揮するとともに、構造部材としても充
分な強度を有する圧縮機用摺動部材およびその製造方法
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る圧縮機用摺動部材は、フェライトおよ
びパーライト基地に炭素を分散させた組織を有する焼結
合金から成り、上記炭素がニッケルにより被覆されてい
ることを特徴とする。

【００１５】また焼結合金は、重量％でＣｕを０．５〜
２０％とＳｎを０．３〜５％と炭素を１〜４％とＮｉを
０．５〜５％と残部実質的に鉄とから成る鉄系焼結合金
で形成される。

【００１６】さらに炭素を被覆するニッケル量は炭素重
量に対して１０〜８０重量％以上に設定するとよい。

【００１７】また本発明に係る圧縮機用摺動部材の製造
方法は、鉄粉末に対して重量比で、Ｎｉを被覆した黒鉛
を含む炭素粉末を１〜４％、銅粉を０．５〜２０％、錫
粉を０．３〜５％、Ｎｉ粉末を０．５〜５％添加混合し
て所定形状の成形体を形成し、得られた成形体を温度１
０５０〜１１４０℃で焼結することにより、フェライト
およびパーライト基地に黒鉛が分散した組織を形成する
ことを特徴とする。

【００１８】以下本発明に係る摺動部材の組成等につい
て以下に順次説明する。

【００１９】Ｎｉは摺動材の焼付を防止する等、それ自
体で摺動部材の摺動特性を改善する効果があり、一方炭
素表面に被覆することにより、加熱焼結時における炭素
成分の鉄中への拡散が防止でき、炭素成分を遊離黒鉛と
して焼結合金基地中に残すことができる。特に相互に固
溶しにくいニッケルにより炭素を被覆することによって
炭素成分のＦｅへの拡散が防止できるため、従来より高
い焼結温度で焼結操作を実施することが可能であり、そ
の結果、密度が高く構造強度にも優れた焼結摺動部材を
製造することができる。

【００２０】上記炭素を被覆するためのＮｉを含めて焼
結合金全体に占めるＮｉの含有量は０．５〜５ｗｔ％に
設定される。Ｎｉ含有量が０．５ｗｔ％未満の場合に
は、耐焼付性を付与する効果および炭素の拡散防止効果
が少なく、セメンタイトが生成し易くなる。一方含有量
が５ｗｔ％を超える場合には、焼結合金中に残留するオ
ーステナイト組織の割合が高まり、摺動部材の対温度安
定性や硬度が低下してしまう。

【００２１】また炭素表面にＮｉを被覆する方法として
は、例えばＮｉ蒸気を含有したガス中に原料カーボン粉
末を浮遊させてカーボン表面にＮｉのコーティング層を
形成するカーボニル法などが採用される。このＮｉコー
ティングに際して、炭素を被覆するニッケル量は炭素重
量に対して１０重量％以上８０％以下に設定するとよ
い。ニッケル量が１０ｗｔ％未満の場合には炭素粒子全
表面にＮｉコーティング層が形成されにくく、焼結時に
被覆されない部分から炭素成分が拡散してしまう。また
ニッケル量が８０ｗｔ％を超える場合には、前記の通り
焼結合金にオーステナイト組織が形成され易くなり基地
の硬度が低下し耐摩耗性が低下してしまう。好ましくは
３０〜７０ｗｔ％程度が好適である。

【００２２】Ｃは、焼結合金基地を構成するＦｅと反応
して耐摩耗性を有するパーライトを生成する元素であ
り、かつ基地中に遊離黒鉛として分散し、摺動面の潤滑
性を高めて摺動部材のかじりを防止し、初期摺動特性を
改善するために１〜４ｗｔ％添加される。Ｃの添加量が
１ｗｔ％未満の場合には、遊離黒鉛の生成量が少なく摺
動特性の改善効果が少ない。一方、添加量が４ｗｔ％を
超える場合には、焼結合金が脆化するとともに成形性が
低下し、高密度かつ高強度の焼結体が得られにくい。

【００２３】また焼結合金基地中に分散させる遊離黒鉛
量は、Ｃの総添加量の３０％以上が望ましく、０．７〜
３．３ｗｔ％の範囲に設定するとよい。遊離黒鉛量が
０．７ｗｔ％未満の場合には、黒鉛の固体潤滑作用が充
分ではなく、一方、３．３ｗｔ％を超える場合には、焼
結合金の構造強度が低下してしまうため、遊離黒鉛量は
上記範囲に設定される。

【００２４】またＣｕはＳｎと合金化されて焼結合金組
織に分散する青銅となり、摺動部材の初期摺動特性を改
善するために０．５〜２０ｗｔ％添加される。Ｃｕの添
加量が０．５ｗｔ％未満の場合には、初期摺動特性の改
善効果が少ない一方、添加量が２０ｗｔ％を超えると、
硬度が低下し、摺動部材としての耐久性が低下してしま
う。Ｓｎは、青銅合金を形成するためＣｕの添加量の１
／３〜１／５程度、すなわち０．３〜５％添加される。
但し、添加する場合は青銅粉末として添加することも可
能である。

【００２５】さらに摺動部材の耐摩耗性および摺動特性
を改善するために上記Ｃｕ，Ｓｎ，Ｃ，Ｎｉの他にＭ
ｏ，Ｓｉから選択される少なくとも１種の元素を所定量
添加するとよい。例えばＭｏ場合は、その添加量を０．
５〜１０％、Ｓｉの場合は０．３〜４％の範囲に設定す
るとよい。すなわちＭｏは摺動部材の耐摩耗性および摺
動特性を改善するために有効であり、過量の添加は、成
形性を阻害するため添加量は上記範囲内に設定される。
またＳｉは焼結合金基地中に生成する固体潤滑剤として
の遊離黒鉛量を高め、摺動部の潤滑性を向上させる作用
があるが、過量の添加はＭｏと同様に成形性を悪化させ
る一方、基地の強度低下を招くため、添加量は上記範囲
内に設定される。

【００２６】本発明に係るＦｅ系圧縮機用摺動部材は、
鉄原料粉末に対して、Ｎｉを被覆した黒鉛を含む炭素粉
末、銅粉、錫粉、および必要に応じてＮｉ粉末を添加し
て、さらに原料混合体に対して０．５〜２重量％の潤滑
剤を添加して均一な混合粉末を調製し、得られた混合粉
末を４００〜６００ＭＰａの成形圧で加圧成形して所定
形状の成形体とした後に、この成形体をＮ₂ガスなどの
非酸化性雰囲気中で温度１０５０〜１１４０℃で０．５
〜１時間焼結して製造される。

【００２７】本発明では炭素粉末に予めＮｉを被覆して
いるため、高い焼結温度を採用した場合においても炭素
成分がＦｅ成分方向に拡散移動することがＮｉ被膜によ
って効果的に防止することができる。すなわち従来の製
法と比較して焼結温度を１０５０〜１１４０℃と高く設
定することが可能となり、焼結性が改善され、構造強度
が高い焼結合金を形成することができる。

【００２８】焼結温度が１０５０℃未満の場合には、焼
結性が不充分であり、焼結体の充分な構造強度が得られ
ない。一方焼結温度が１１４０℃を超える場合には、焼
結時に液相が発生し組成が不均一な焼結体となるととも
にセメンタイトが生成して摺動部材の相手攻撃性が増加
してしまう。

【００２９】

【作用】上記構成に係る圧縮機用摺動部材およびその製
造方法によれば、合金基地中に分散される炭素がニッケ
ルによって被覆されているため、加熱焼結時において、
炭素成分が鉄中に拡散することが防止でき、固体潤滑剤
としての遊離黒鉛を多く基地中に残すことができる。ま
た炭素成分が鉄と反応して高硬度のセメンタイトを生成
することが効果的に防止されスカッフィング性が少ない
摺動部材を提供することができる。

【００３０】特にニッケル被覆によって炭素成分の拡散
が防止できるため、従来より高い焼結温度で焼結操作を
実施することが可能であり、密度が高く構造強度にも優
れた焼結摺動部材を提供できる。またニッケル自体が摺
動特性を大きく改善する作用を有しているため、摺動性
および構造強度が共に優れた焼結摺動部材が得られる。
したがってこの摺動部材により主軸受および副軸受等を
形成した圧縮機は耐久性が極めて優れる。

【００３１】

【実施例】次に本発明に係る圧縮機用摺動部材の一実施
例について従来の摺動部材と比較してより具体的に説明
する。

【００３２】実施例１〜５実施例１〜５に係る圧縮機用摺動部材としての副軸受を
下記手順でそれぞれ調製した。すなわち、粒径１４５μ
ｍ以下のＦｅ粉末に、Ｓｎを９〜１１重量％含有する粒
径１４５μｍ以下の青銅粉と、粒径２０μｍ以下の黒鉛
粉を０．８重量％と、黒鉛重量に対して６０重量％のＮ
ｉを被覆した粒径１００μｍ以下のＮｉ被覆黒鉛粉末と
を所定ずつ秤量し、添加した混合体に対し潤滑剤として
のステアリン酸亜鉛を１．０重量％添加して均一に混合
して、最終的に表１の左欄に示す組成となるように各粉
末を添加混合して５種類の粉末混合体を調製した。

【００３３】次に得られた各粉末混合体を成形圧５００
ＭＰａで加圧して成形密度が６．５ｇ／cm³の成形体を
得た。

【００３４】次に各成形体をＮ₂ガスの非酸化性雰囲気
下で１１２０℃の温度条件下で３０分間焼結して、５種
類の焼結摺動部材を製造した。さらに得られた焼結摺動
部材を０．１ＭＰａの過熱水蒸気中で温度６００℃で３
時間加熱することにより封孔処理を実施した。そして、
各焼結摺動部材を機械研削加工して、外径６５mm、内径
１６mm、高さ１５mmの外形寸法を有するロータリコンプ
レッサ用のリング状の副軸受試料を製造した。

【００３５】ここで上記封孔処理により焼結体の基地組
織の空孔に鉄酸化物が分散生成される。この鉄酸化物量
は焼結体の全容積に対して５〜２０ vol％に設定すると
よい。この鉄酸化物は焼結体の耐摩耗性を向上させると
ともに、焼結体の基地組織の空孔を封じる役割（封孔作
用）を果して気密性を与える。この封孔処理を行なうこ
とにより、圧縮機内の冷媒ガスが焼結体中を通り抜ける
ことが防止できるため、圧縮機の体積効率を大幅に改善
することができる。鉄酸化物はまた潤滑油の保油性に優
れている。鉄酸化物の生成量が５ vol％未満であると上
記効果が少なく、一方生成量が２０ vol％を超えると、
焼結体の強度が低下してしまう。さらに、水蒸気処理に
より焼結体の基地組織に存在している窒素分が拡散し
て、基地組織の粒子中に固溶するために、窒素分の存在
による焼結体の脆化を大幅に改善できる。

【００３６】比較例１〜２一方、比較例１〜２として、Ｎｉで被覆した黒鉛粉末を
使用せずに通常の黒鉛粉末を使用した点および焼結温度
をセメンタイトが発生しない温度１０００℃に設定した
点以外は、実施例１〜５と同一処理条件にて原料混合、
加圧成形、焼結して、最終的に表１左欄に示す組成およ
び実施例１〜５と同一寸法を有する副軸受試料を製造し
た。

【００３７】こうして得られた実施例１〜５および比較
例１〜２の焼結摺動部材としての副軸受の構造強度を比
較評価するために各軸受の密度を測定して表１に示す結
果を得た。

【００３８】また各副軸受の耐摩耗特性、摺動特性およ
びロータリ圧縮機全体としての耐久性を評価するため
に、実施例１〜５および比較例１〜２の各副軸受を図
１，２に示すロータリ式圧縮機に実装し、インバータ制
御により所定間隔で高速運転および低速運転を繰り返す
という最も潤滑条件が悪化する条件を設定し、連続的に
２０００時間運転する耐久試験を実施した。そして運転
時間が２０００時間に達した時点における各回転軸（Ｆ
ＣＤ製）および副軸受の摩耗量をそれぞれ測定し、下記
表１に示す結果を得た。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に示す結果から明らかなように、Ｎｉ
によって被覆された黒鉛粉末を炭素源として使用した実
施例１〜５の副軸受においては、高温度条件で焼結が可
能であるため、密度がいずれも高く優れた構造強度を有
している。また高温度で焼結して製造されているにも拘
らず、セメンタイトの形成が抑制されており、回転軸お
よび副軸受の摩耗量も少なく、良好な摺動特性および耐
久性を発揮する圧縮機が得られることが確認された。特
に相手材（回転軸）に対するかじり攻撃も少なく、耐ス
カッフィング特性も大幅に改善され、圧縮機の寿命が大
幅に延押された。

【００４１】一方、比較例１〜２の副軸受においては焼
結温度が低く抑えられているため、密度が低く構造強度
が相対的に低くなり、耐摩耗性も低下することが確認さ
れた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る圧縮機用摺
動部材およびその製造方法によれば、合金基地中に分散
される炭素がニッケルによって被覆されているため、加
熱焼結時において、炭素成分が鉄中に拡散することが防
止でき、固体潤滑剤としての遊離黒鉛を多量に基地中に
残すことができる。また炭素成分が鉄と反応して高硬度
のセメンタイトを生成することが効果的に防止されスカ
ッフィング性が少ない摺動部材を提供することができ
る。

【００４３】特にニッケル被覆によって炭素成分の拡散
が防止できるため、従来より高い焼結温度で焼結操作を
実施することが可能であり、密度が高く構造強度にも優
れた焼結摺動部材を提供できる。またニッケル自体が摺
動特性を大きく改善する作用を有しているため、摺動性
および構造強度が共に優れた焼結摺動部材が得られる。
したがって上記摺動部材を圧縮機の副軸受等の材料とし
て使用することにより、耐久性に優れた圧縮機を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】密閉型ロータリ圧縮機の構造を示す縦断面図。

【図２】図１に示す圧縮機のロータ部を示す平断面図。

【符号の説明】

１圧縮機２ケ―シング３ａモータ３ｂ圧縮要素４回転軸５主軸受６副軸受７仕切板８，８ａ，８ｂシリンダ９，９ａ，９ｂ偏心部１０，１０ａ，１０ｂローラ１１，１１ａ，１１ｂベーン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フェライトおよびパーライト基地に炭素
を分散させた組織を有する焼結合金から成り、上記炭素
がニッケルにより被覆されていることを特徴とする圧縮
機用摺動部材。
【請求項２】焼結合金は、重量％でＣｕを０．５〜２
０％とＳｎを０．３〜５％と炭素を１〜４％とＮｉを
０．５〜５％と残部実質的に鉄とから成る鉄系焼結合金
である請求項１記載の圧縮機用摺動部材。
【請求項３】炭素を被覆するニッケル量が炭素重量に
対して１０〜８０重量％であることを特徴とする請求項
１記載の圧縮機用摺動部材。
【請求項４】鉄粉末に対して重量比で、Ｎｉを被覆し
た黒鉛を含む炭素粉末を１〜４％、銅粉を０．５〜２０
％、錫粉を０．３〜５％、Ｎｉ粉末を０．５〜５％添加
混合して所定形状の成形体を形成し、得られた成形体を
温度１０５０〜１１４０℃で焼結することにより、フェ
ライトおよびパーライト基地に黒鉛が分散した組織を形
成することを特徴とする圧縮機用摺動部材の製造方法。
【請求項５】回転軸を摺動自在に保持する主軸受や副
軸受等の軸受を配設した圧縮機において、上記軸受のう
ち少なくとも副軸受を、フェライトおよびパーライト基
地に炭素を分散させた組織を有し、上記炭素がニッケル
により被覆された焼結合金で形成したことを特徴とする
圧縮機。