JPH07259770A

JPH07259770A - コンプレッサー用ベーン

Info

Publication number: JPH07259770A
Application number: JP5647194A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Kawana; 淳雄川名
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1995-10-09

Abstract

(57)【要約】【目的】高い耐摩耗性を有するコンプレッサー用ベー
ンを提供する。【構成】ロータリー式コンプレッサーのベーン表面に
ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮを被覆し、ＡｌはＴｉＡｌＮ中で４
０〜６５モル％である。またロータリー式コンプレッサ
ーのベーン表面にＴｉＮ／ＴｉＮＣ_xＮ_yを被覆し、ｘ
＋ｙ＝１で０．２５≦ｘ≦０．３５の最近接層、ｘが０
より大で最近接層のｘより小さい中間層、０．３５＜ｘ
≦０．５である最表面層からなる。

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式コンプレッ
サーの構成部品であるベーンに関し、特に耐摩耗性に優
れたコンプレッサー用ベーンに関する。

【０００２】

【従来の技術】エアーコンディショナーや冷蔵庫等の冷
媒ガス用として用いられてきた特定フロンであるＣＦＣ
（ＣｈｌｏｒｏＦｌｕｏｒｏＣａｒｂｏｎ）−１２
やＲ−５０２［ＣＦＣ−１１５とＨＣＦＣ（Ｈｙｄｒｏ
ＣｈｌｏｒｏＦｌｕｏｒｏＣａｒｂｏｎ）−２２の
混合系］は、地球のオゾン層を破壊する物質として、１
９９５年までに全廃することが決定されている。この結
果、家庭用エアーコンディショナーや冷蔵庫も脱ＣＦＣ
の主要なターゲットの一つとなった。このため、家電メ
ーカーは家庭用エアーコンディショナーや冷蔵庫に用い
ている冷媒をＨＣＦＣ−２２やさらにＨＣＦＣ−２２が
２０２０年全廃の方向に向かっているため塩素をまった
く含まないＨＦＣ（ＨｙｄｒｏＦｌｕｏｒｏＣａｒ
ｂｏｎ）−１３４ａに切り替えることを進めている。

【０００３】しかしながら、これらの代替冷媒ガスでは
コンプレッサーの可動部での潤滑性が低下するため、コ
ンプレッサーのローラーとベーンの接触部で著しく摩耗
が生じ、家庭用エアーコンディショナーや冷蔵庫の性能
を保証期間に維持できないという問題が生じた。ロータ
リー式のコンプレッサーではシリンダー内で回転運動す
るローラーにモーターの回転運動を伝達し、ベーンで区
切った部分で冷媒ガスを圧縮する。摩耗条件が最も厳し
いのはローラーとベーンの接触部である。図１にロータ
リー式コンプレッサーの回転軸と垂直方向の断面図を示
す。

【０００４】従来の冷媒ガスであるＣＦＣ−１２の１分
子中には、２個の塩素原子が含まれており、この塩素が
潤滑性を高める働きをしていた。コンプレッサー構成部
品のベーンには高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）が、ローラ
ーには共晶黒鉛鋳鉄が一般に使われている。これらの鉄
原子と塩素原子が反応して、自己潤滑性がある塩化鉄を
形成し、優れた摺動性を示していた。ところが塩素をま
ったく含まないＨＦＣ−１３４ａは、当然この自己潤滑
性は期待できないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上記従来のコンプレッサー用ベーンの欠点を解消
し、より高い耐摩耗性を有するコンプレッサー用ベーン
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明はロータリー式コンプレッサーの構成部
品であるベーンの少なくともローラーと接する部分の表
面に被覆したＴｉＮ層とさらにその上にＡｌが４０〜６
５モル％のＴｉＡｌＮ層が形成された２層構造であっ
て、該２層被膜中のＴｉＡｌＮ層の厚みの割合が５〜５
０％である硬質被膜を有する点に特徴がある。また、第
２の発明ではロータリー式コンプレッサーの構成部品で
あるベーンの少なくともローラーと接する部分の表面に
被覆したＴｉＮ層とＴｉＣ_xＮ_y層の多層被膜を被覆し
たコンプレッサー用ベーンであって、該ＴｉＮ層が０．
１〜３μｍの膜厚であり、該ＴｉＮ層上に該Ｔｉ_xＣ_y
Ｎ層が３層被覆され、該Ｔｉ_xＣ_yＮ層の炭素濃度ｘと
窒素濃度ｙとの関係がｘ＋ｙ＝１でかつ、該ＴｉＮ層と
の最近接層では０．２５≦ｘ≦０．３５の範囲で、膜厚
が０．２〜１．０μｍで、また中間層でのｘが、０より
も大きく、該最近接層のｘよりも小さく、膜厚が０．２
〜１．０μｍで、また最表面層のｘが０．３５＜ｘ≦
０．５の範囲で、膜厚が０．２〜１．５μｍである４層
構造を有する点に特徴がある。

【０００７】

【作用】本発明に使用されるベーンの材質は、一般に使
用されている高速度工具鋼などの鋼系金属材料で良い。
該ベーン表面に形成するＴｉＮ／ＴｉＡｌＮの該２層被
膜は、ＴｉＡｌＮ層のＡｌ濃度が４０〜６５モル％であ
り、該ＴｉＡｌＮ膜厚の割合が全体の５〜５０％である
ことが必要である。

【０００８】上記ＴｉＮ層はＢ１型結晶構造の物質であ
るが、ＴｉＮ中のＴｉの一部がＡｌに置換された置換型
固溶体であるＴｉＡｌＮにおいて、Ａｌが６５モル％ま
では、ＴｉＮと同じＢ１型結晶構造となる。Ａｌ濃度が
６５モル％を越えると、結晶構造が変化し、被膜の靱性
が極端に低下して好ましくない。

【０００９】ＴｉＡｌＮは酸化雰囲気にさらされると固
溶したＡｌにより被膜表面に酸化物層が形成され、保護
層の役割を果たす。そのため、摺動摩耗部材などでは摩
耗から発生する熱による被膜の酸化劣化を防ぎ、耐摩耗
性を上げる機能を持つ。この特性はＡｌ濃度が多いほど
高くなるものであるから、十分な耐酸化性すなわち耐摩
耗性を持たせるためにはＡｌ濃度４０モル％以上が好ま
しい。

【００１０】また、ＴｉＡｌＮはＴｉＮと同一の結晶構
造にあるとはいえ、Ｔｉと原子径の異なるＡｌが置換固
溶すると、一種の欠陥が導入された状態となるため、Ｔ
ｉＮに比して機械的特性は劣ることとなる。したがって
本発明の被膜構造ではＴｉＮとの２層膜にすることによ
って、第１層のＴｉＮで被膜の靱性を向上させ、表面層
のＴｉＡｌＮで耐酸化性すなわち耐摩耗性を向上させる
ことができるのである。

【００１１】この時、ＴｉＡｌＮの膜厚の割合は全体の
５〜５０％であることが必要である。ＴｉＡｌＮの膜厚
比が５％未満になると、機械的特性は第１層であるＴｉ
Ｎにより十分目的を達し得るが、ＴｉＡｌＮ層が使用途
中に摩耗により磨滅すると耐酸化性、すなわち耐摩耗性
が損なわれ、本発明の目的を達し得ない。また、膜厚の
割合が５０％を越えるとＴｉＡｌＮの靱性の低さが現れ
るため、被膜の機械的特性が劣化して好ましくない。

【００１２】また第２の発明のコンプレッサー用ベーン
は、Ｔｉイオン衝撃による洗浄、加熱を行った後、Ｔｉ
Ｎ層を０．１〜３μｍの厚みに被覆しなければならな
い。膜厚が０．１μｍ未満の場合はベーンとの密着強度
が不足し、また３μｍを越えると膜強度が不足するので
好ましくない。

【００１３】また該ＴｉＮ層に接する該最近接層のＴｉ
_xＣ_yＮ層の炭素濃度ｘが、０．２５≦ｘ≦０．３５の
範囲で、膜厚が０．２〜１．０μｍでなければならな
い。ｘが０．２５未満の場合は被膜硬度が十分ではな
く、また０．３５を越える場合はＴｉＮ層との密着強度
が不足するので好ましくない。また膜厚が０．２μｍ未
満の場合は耐摩耗性などの機械的強度が不足し、また
１．０μｍを越えると膜の靱性が低下するので好ましく
ない。

【００１４】次に該中間層のｘは、０よりも大きく、か
つ該最近接層よりも小さく、膜厚は０．２〜１．０μｍ
でなければならない。ｘが０の場合は膜硬度が十分でな
く、また該最近接層よりも大きい場合は多層被膜中の応
力緩和層としての働きが十分でなくなるので好ましくな
い。また膜厚が０．２μｍ未満の場合は耐摩耗性などの
機械的強度が不足し、また１．０μｍを越えると膜の靱
性が低下するので好ましくない。

【００１５】また、該最表面層のｘは、０．３５＜ｘ≦
０．５の範囲で、かつ膜厚が０．２〜１．５μｍでなけ
ればならない。ｘが０．３５以下の場合は最表層として
の被膜硬度が十分ではなく、ｘが０．５を越えると耐摩
耗性などの機械的強度が低下するため好ましくない。ま
た膜厚が０．２μｍ未満の場合は耐摩耗性などの機械的
強度が低下し、また１．５μｍを越えると膜の靱性が低
下するので好ましくない。

【００１６】また、該最近接層および該最表層について
はｘが上記した範囲であれば、何層かに分かれていても
効果は同じである。本発明の被膜は、イオンプレーティ
ング法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などの公知の方法
を用いて作製して良いが、２ユニット以上の金属イオン
を同時にかつ耐摩耗性の向上を有効な強固な付着力を示
す被膜の作製が可能なイオンプレーティング法を用いる
ことが最も望ましい。したがってここでは、例としてイ
オンプレーティング法による被膜の形成について以下に
説明する。

【００１７】イオンプレーティング法は、一般に金属を
蒸発させ、この蒸発した金属をイオン化し、さらにイオ
ン化した金属分子を反応性ガス雰囲気下で電界により加
速して、基板の表面に付着固定させるものである。

【００１８】金属を蒸発させるには、市販のイオンプレ
ーティング装置に備わった抵抗加熱や電子銃加熱などい
ずれを用いても良い。また、蒸発した金属のイオン化
は、公知のカソードアーク放電、グロー放電、高周波放
電、イオン化電極を用いる方法、ホロカソード法のいず
れでも良い。これらの中で、カソードアーク放電型のイ
オンプレーティング法は金属の蒸発とイオン化とを同時
に行う方式のものであり、他の方法に比べて金属のイオ
ン化効率が高く、高い密着力を持つ被膜を形成する場合
や合金の蒸発源を使用する場合などでは特に推奨され
る。

【００１９】また、被膜の形成に先立って基板の加熱を
行う際にイオン照射による加熱を採用する場合は金属イ
オンにて行い、イオン化した金属イオンを加速する負の
バイアス電圧の値として５００Ｖから２０００Ｖが好ま
しく、さらに好ましくは８００Ｖから１５００Ｖであ
る。

【００２０】本発明のＴｉＮ／ＴｉＡｌＮ層を作製する
場合の金属源としては、金属Ｔｉおよび金属Ａｌの２種
の蒸発源を用いる必要があるが、上記純金属の代わりに
Ｔｉ−Ａｌ合金を用いても良い。これらの純金属や組成
の異なる合金の蒸発源を単独にあるいは複数個同時に使
用することにより目的とする比率でＴｉとＡｌの蒸気が
供給される。上記方法によりＴｉとＡｌの組成比を制御
し、さらにＴｉＮとＴｉＡｌＮの製膜時間を変えること
によって膜厚比を制御して本発明の被膜を製膜する。

【００２１】次にＴｉＮ／ＴｉＣ_xＮ_y層を作製する場
合の金属源としては金属Ｔｉを用いる。また、上記方法
によりＴｉＣ_xＮ_y膜を被覆する場合には、ガス状の窒
素源および炭素源を導入して被覆を行う。

【００２２】ここでガス状の窒素源としては、通常窒素
ガスが使用できるが、代わりにＮＨ₃、炭化水素類また
は窒素を含んだ有機化合物、例えば（ＣＨ₃）₃Ｎなど
も使用できる。ガス状の炭素源としては炭化水素ガスが
用いられる。また、これらのガス以外にアルゴンガスな
どの不活性ガスを混合しても良い。アルゴンガスを導入
することにより特に炭化水素ガスの活性化を促進する。
ここで用いられる炭化水素ガスとしては入手が容易で経
済的なメタンガス、エチレンガス、アセチレンガス、プ
ロパンガスなどが適当であって、これらを混合して用い
ても良い。窒素ガス、炭化水素ガスおよび不活性ガスの
流量は、製膜に用いる装置の大きさ、排気能力などに依
存するものであって、特に規定されることはないが、被
膜中の炭素濃度は使用ガス全流量に対する炭化水素ガス
の流量比とほぼ相関関係があることを確認した。また、
窒素ガス、炭化水素ガスおよび不活性ガスの全流量に対
するアルゴンガスの流量比を１５％以下にすれば、特に
圧力変化が少なく、目的組成の被膜を得ることができ
る。１５％を越える場合はアルゴンガスの放電が強くな
り、製膜温度が急激に増加し、金属材料自身の硬度を低
下させてしまうのに加え、スパッタ効果により製膜速度
も低下してしまうので好ましくない。

【００２３】該ＴｉＮ／ＴｉＣ_xＮ_y層を形成する場合
でのイオン化した金属および窒素イオン、炭素イオンを
加速する負のバイアス電圧の値として、５０Ｖから７０
０Ｖが好ましく、さらに好ましくは１００Ｖから５００
Ｖである。該層全体の厚さは２〜５μｍが好ましく、通
常３μｍ程度形成すれば良い。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の好ましい実施例を以下に説明
する。

【００２５】（実施例１）ＳＫＨ５１高速度工具鋼（ビ
ッカース硬度Ｈｖ＝８５０）ベーンを基材として用い
た。ＴｉＮおよびＴｉＡｌＮ層の形成はカソードアーク
放電型イオンプレーティング装置で行った。イオンプレ
ーティングでの蒸発源としては、ＴｉカソードおよびＡ
ｌ濃が５０モル％のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用い
た。

【００２６】基材のベーンを有機溶剤中で著音波洗浄し
た後、イオンプレーティング装置内の所定位置にセット
し、反応容器内を２×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、
ベーンに１０００Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｔｉ
カソードよりアーク放電を生起させた。この時のアーク
放電電流は９０Ａであった。赤外放射温度計によりベー
ン表面温度を監視しながら、アーク放電を２分間続け、
Ｔｉを蒸発、イオン化させ、ベーン表面のスパッタクリ
ーニングを行った。アーク放電中最大５００℃までベー
ン表面温度の上昇が認められた。

【００２７】さらにＴｉカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスを導入し、容器内の圧力が３
×１０^-2Ｔｏｒｒを保つように窒素ガスを流しながらベ
ーンに４００Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソ
ードよりアーク放電を生起させた。この時のアーク放電
電流は９０Ａであった。アーク放電は６５分間続けた。
これによりＴｉＮの硬質被膜層が形成された。

【００２８】次にＴｉＡｌＮ層を被覆するため、Ｔｉカ
ソードのアーク放電を停止し、窒素ガス圧力、バイアス
電圧は変えずにＴｉ−Ａｌカソードにアーク放電を生起
させた。この時のアーク放電電流は９０Ａであった。ア
ーク放電は５分間続け、ＴｉＡｌＮ被膜の被覆を行っ
た。以上のように作製した２層膜は、全膜厚として約３
μｍで、ＴｉＡｌＮ膜厚の比は７．５％であった。

【００２９】（実施例２）実施例１と同様のベーンを用
い、同様の方法でＴｉＮを６０分間、ＴｉＡｌＮを１０
分間製膜し、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ層を製膜した。得られ
た被膜の全膜厚は約３μｍで、ＴｉＡｌＮ膜厚の割合は
１５％であった。

【００３０】（実施例３）実施例１と同様のベーンを用
い、同様の方法でＴｉＮを５０分間、ＴｉＡｌＮを２０
分間製膜し、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ層を製膜した。得られ
た被膜の全膜厚は約３μｍで、ＴｉＡｌＮ膜厚の割合は
３０％であった。

【００３１】（実施例４）実施例１と同様のベーンを用
い、有機溶剤中で超音波洗浄を行った後、ベーンをＴｉ
カソードを備えたカソードアーク放電方式のイオンプレ
ーティング装置内の所定位置にセットした後、反応容器
内を２×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、ベーンに１０
００Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソードより
アーク放電を生起させた。この時のアーク放電電流は９
０Ａであった。赤外放射温度計によりベーン表面温度を
監視しながら、アーク放電を２分間続け、Ｔｉを蒸発、
イオン化させ、基板表面のスパッタクリーニングを行っ
た。アーク放電中最大４５０℃までベーン表面温度の上
昇が認められた。まず反応ガスとして窒素ガスを導入
し、圧力を３．０×１０^-2Ｔｏｒｒを保つようにしなが
らベーンに２５０Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｔｉ
カソードよりアーク放電を生起させた。この時のアーク
放電電流は９０Ａであった。アーク放電は３０分間続け
た。

【００３２】次にＴｉＮ被膜との最近接層になるＴｉＣ
_xＮ_y層を被覆するため、反応ガスにアセチレンガスと
アルゴンガスを加えて、被膜の炭素濃度が０．３になる
よう反応ガスの流量比を調節して、印加バイアスを−４
００Ｖにして、圧力、Ｔｉターゲット電流は変えずにＴ
ｉ（Ｃ_0.3Ｎ_0.7）被膜の被覆を約５分間行った。

【００３３】次にＴｉＣ_xＮ_y被膜層の中間層を被覆す
るため、炭素濃度が０．１５になるよう反応ガスの流量
比を調節して、Ｔｉ（Ｃ_0.15Ｎ_0.85）被膜の被覆を約５
分間行った。最後にＴｉＣ_xＮ_y被膜層の最表面層を被
覆するため、炭素濃度が０．４になるよう反応ガスの流
量比を調節して、Ｔｉ（Ｃ_0.4Ｎ_0.6）被膜の被覆を約
５分間行った。

【００３４】合計４５分の被覆で、同時に作製した平板
サンプルの評価により、ＴｉＮ被膜が２．３μｍ、Ｔｉ
（Ｃ_0.3Ｎ_0.7）被膜が０．４μｍ、Ｔｉ（Ｃ_0.15Ｎ
_0.85）被膜が０．３μｍ、Ｔｉ（Ｃ_0.4Ｎ_0.6）被膜が
０．４μｍの合計３．４μｍの４層被膜が得られた。ま
た、被膜のビッカース硬度は３０００であった。

【００３５】（比較例）実施例１〜４にて作製したベー
ン、および表面処理をまったく行わないＳＫＨ５１のベ
ーンを用い、これらを家庭用冷蔵庫のコンプレッサーに
セットし、冷媒ガスとして塩素原子を含まないＨＦＣ−
１３４ａを充填して、無潤滑でのベーンの耐久性試験を
行った。表面処理を行わないＳＫＨ５１のベーンでは、
約３０時間の運転でローラーとの接触部でかじりを生
じ、運転不能となった。一方実施例１〜４の硬質被膜で
処理したベーンは、１００時間の運転でもかじりは発生
せず、良好な摺動特性を示した。

【００３６】

【発明の効果】本発明のロータリー式コンプレッサーの
構成部品であるベーンは、優れた摺動特性、耐摩耗性を
持ち極めて実用性が高い。そのため塩素原子を含まない
代替冷媒ガスであるＨＦＣ−１３４ａを用いても良好な
耐摩耗性を維持するコンプレッサー用ベーンを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で対象となるロータリー式コンプレッサ
ーの回転軸と垂直方向の断面図である。

【符号の説明】

１ベーン２ベーンスプリング３シリンダー４クランクシャフト５ローラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータリー式のコンプレッサーの構成部
品であるベーンの少なくともローラーと接する部分の表
面に被覆したＴｉＮ層とさらにその上にＡｌが４０〜６
５モル％のＴｉＡｌＮ層が形成された２層構造であっ
て、該２層被膜中のＴｉＡｌＮ層の厚みの割合が５〜５
０％である硬質被膜を有することを特徴とするコンプレ
ッサー用ベーン。
【請求項２】ロータリー式のコンプレッサーの構成部
品であるベーンの少なくともローラーと接する部分の表
面に被覆したＴｉＮ層とＴｉＣ_xＮ_y層の多層被膜を被
覆したコンプレッサー用ベーンであって、該ＴｉＮ層が
０．１〜３μｍの膜厚であり、該ＴｉＮ層上にＴｉ_xＣ
_yＮ層が３層被覆され、該Ｔｉ_xＣ_yＮ層の炭素濃度ｘ
と窒素濃度ｙとの関係がｘ＋ｙ＋＝１でかつ、該ＴｉＮ
層との最近接層では０．２５≦ｘ≦０．３５の範囲で、
膜厚が０．２〜１．０μｍで、また中間層でのｘが、０
よりも大きく、該最近接層のｘよりも小さく、膜厚が
０．２〜１．０μｍで、また最表面層のｘが０．３５＜
ｘ≦０．５の範囲で、膜厚が０．２〜１．５μｍである
４層構造を有することを特徴とするコンプレッサー用ベ
ーン。