WO2014065257A1 - ロータリーコンプレッサー用ベーン - Google Patents

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林太郎 高橋
浩二 逸見
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株式会社リケン
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    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the present invention relates to an iron-based sintered alloy vane (hereinafter also referred to as “sintered iron vane”) applied to a rotary compressor.
  • sintered iron vane an iron-based sintered alloy vane
  • the vane-type rotary compressor has a rotor 1 that rotates inside a cylinder 2 having a noncircular inner cross section as shown in FIG. 1, and the vane 3 is formed on the outer peripheral portion of the rotor 1. It is inserted into the groove and is biased toward the cylinder 2 from the back by a spring (not shown), hydraulic pressure, or inertial force of rotational motion, so that the tip of the vane 3 and the inner peripheral surface of the cylinder 2 come into contact with each other. 3.
  • a plurality of working spaces 6 are formed in the cylinder 2 by the rotor 1, the cylinder 2, and a side plate (not shown).
  • a shaft 7 is fastened to the rotor 1, and the rotor 1 rotates in the cylinder by rotating the shaft 7 with a power source (not shown). Since the volume of the working space 6 changes when the rotor 1 rotates, the refrigerant gas is sucked from the suction port 4, the refrigerant gas in the working space 6 is compressed, and the compressed refrigerant gas is discharged from the discharge port 5. It will act as a compressor.
  • a type rotary compressor in addition to the type shown in FIG. 1, a type in which the inner peripheral section of the cylinder 2 is circular and the center of the cylinder 2 and the center of the rotor 1 are eccentric is used. Some are arranged on the cylinder 2 side instead of the part.
  • iron vanes Compared with iron material vanes (hereinafter referred to as “iron vanes”) and high-strength aluminum alloy vanes (hereinafter referred to as “aluminum vanes”), iron vanes have a specific gravity (density) approximately three times that of aluminum vanes.
  • the inertial force of the vane during rotor rotation is much greater than that of aluminum vanes. For this reason, there is a problem that wear of each sliding part of the vane and the cylinder, a contact part of the vane with the rotor and the side plate increases, and a problem that the noise of the collision between the vane and the cylinder increases when the rotor starts rotating. there were.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-322414 reduces the weight by forming a lightened portion on the vane, reducing wear, and further reducing noise by inserting rubber or resin into the lightened portion.
  • Iron vanes are disclosed.
  • JP-A-8-49048 discloses a tool steel powder having C: 0.6 to 1.3%, Cr: 3.4 to 4.8%, Mo: 3.6 to 5.5%, V: 1.4 to 3.0%, W: 5.2 to 7.0%, By having a certain percentage of holes, the sintered density is 6.0 to 7.4 g / cm 3 , greatly reducing the hardness of those without holes and reducing the wear of the rotor and cylinder of the sliding partner.
  • a sintered iron vane is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-13668 discloses that an iron vane disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-49048 is subjected to a sealing process such as a steam process and then a soft nitriding process.
  • the sintered iron vanes according to Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2006-322414 and 8-49048 are lighter than the molten iron vanes having the same composition by forming a hollow portion and reducing the density by providing voids. (For example, about 15%), but the actual situation is that the problem of wear and sound has not been solved sufficiently. Lightening due to the formation of further hollowed out parts and further reduction in density is due to a decrease in material strength and increased wear due to an increase in voids and holes, buckling during use, risk of breakage, or communication of holes. This may cause an increase in the leakage amount of the refrigerant gas.
  • an object of the present invention is to provide an iron-based sintered alloy vane applicable to a rotary compressor, which is lightweight and does not communicate with pores even if it is not sealed.
  • the present inventors can reduce the weight of the sintered body while maintaining the strength of the sintered body by dispersing low-density compound particles in the sintered body mainly composed of iron. It was also conceived that by increasing the sinterability of the iron matrix, it is possible to obtain a sintered body with no pore communication.
  • the iron-based sintered alloy vane of the present invention is a vane used for a rotary compressor, and is composed of a sintered body mainly composed of iron in which compound particles having a density of 5.5 g / cm 3 or less are dispersed. It is characterized in that the density of the ligature is in the range of 5.4 to 6.5 g / cm 3 .
  • the compound particles preferably have excellent wear resistance and / or lubricity, and are nitrides or oxides of Al, Ti, Si, B, sulfides of Mo, Mn, and alkaline earth metals or rare earths. More preferably, it consists of at least one or two or more selected from fluorides or oxides. More preferably, the compound particles have an average particle diameter of 1 to 200 ⁇ m and a dispersion amount of 15 to 45% by volume.
  • the matrix of the sintered body is, by mass%, C: 0.2 to 2.0%, one or more selected from Si, Cu, Ni, Mo, Cr, W, Mn, V and Co: 0.5 to 10 %, And the balance is preferably composed of Fe and inevitable impurities.
  • the iron-based sintered alloy vane manufacturing method of the present invention is manufactured by press-molding and sintering a mixed powder of iron-based powder, alloyed powder, graphite powder, and compound particle powder.
  • a method for producing an iron-based sintered alloy vane for use in a rotary compressor comprising a sintered body mainly composed of dispersed iron and having a density of 5.4 to 6.5 g / cm 3 , comprising: The density is 5.5 g / cm 3 or less.
  • Alloy elements other than C added to the matrix of the sintered body are one or more selected from Si, Cu, Ni, Mo, Cr, W, Mn, V, and Co, and mass%. Therefore, it is preferable to limit the amount to 10% or less.
  • the iron-based sintered alloy vane of the present invention is lighter than the conventional molten iron vane, suppresses the inertial force when the rotor rotates, and contacts the sliding portion of the vane and the cylinder, and the rotor and side plate of the vane.
  • the wear of the parts can be greatly reduced, and the impact noise when starting the rotor is also reduced.
  • the iron-based sintered alloy vane of the present invention is composed of an alloy matrix mainly composed of iron and compound particles dispersed in the matrix, and has a density in the range of 5.4 to 6.5 g / cm 3 . Further, the density of the dispersed compound particles is set to 5.5 g / cm 3 or less. If the density of the sintered body is less than 5.4 g / cm 3 , the sintered body of the present invention is not sufficient in strength and the amount of wear increases. On the other hand, if the density of the sintered body exceeds 6.5 g / cm 3 , weight reduction is not sufficient.
  • the compound particles were selected from, for example, Al, Ti, Si, B nitride or oxide, Mo, Mn sulfide, alkaline earth metal fluoride or oxide, rare earth fluoride or oxide, etc. Compound particles are preferred.
  • h-BN density 2.2 g / cm 3
  • CaF 2 density 3.18 g / cm 3
  • Si 3 N 4 density 3.22 g / cm 3
  • AlN density 3.26 g / cm 3
  • C-BN density 3.48 g / cm 3
  • Al 2 O 3 denotesity 3.98 g / cm 3
  • h-BN, c-BN AlN
  • CaF 2 Etc.
  • h-BN h-BN, CaF 2 , MnS (density 3.99 g / cm 3 ) and the like are preferable.
  • h-BN with a flat plate shape has a high probability of contact between h-BNs, and there is a high possibility that holes formed in the vicinity of h-BN communicate with each other. Cost.
  • the sintered body of the present invention is manufactured by press-molding and sintering a mixed powder of iron-based powder, alloyed powder, and compound particle powder.
  • the compound particles are preferably incompressible particles in that the volume of the compound particles in the molded body matrix is not reduced by compression, that is, a low density is maintained.
  • CaF 2 is preferable in all of the above points.
  • wear-resistant compound particles such as Al 2 O 3 responsible for wear resistance
  • lubricant compound particles such as MnS responsible for lubricity.
  • Compound particles having an average particle diameter of 1 to 200 ⁇ m can be used, and the optimum dispersion amount depends on the type, size and shape of the compound particles.
  • the compound particles function to inhibit sintering. Therefore, when the compound particles are in contact with each other, densification becomes difficult.
  • the dispersion amount is preferably 15 to 45%, more preferably 20 to 40%.
  • the matrix is preferably easily sinterable.
  • alloying elements that do not inhibit the sinterability are also required.
  • the matrix of the sintered body is mass%, C: 0.2-2%, one or more selected from Si, Cu, Ni, Mo, Cr, W, Mn, V and Co: 0.5-10%
  • the balance is preferably made of Fe and inevitable impurities.
  • the alloying element selected from Si, Cu, Ni, Mo, Cr, W, Mn, V and Co is 0.5 to 5%. C dissolves in the matrix and has the effect of strengthening the matrix, and forms carbides with other alloying elements to improve wear resistance.
  • a C addition amount of 0.2 to 2% becomes a martensite and / or pearlite matrix structure, has appropriate toughness and improves wear resistance.
  • One or more alloy elements selected from Si, Cu, Ni, Mo, Cr, W, Mn, V and Co basically improve the hardness and strength of the matrix, or are fine and hard Form carbides to improve wear resistance.
  • the iron-based sintered alloy vane of the present invention is manufactured by press-molding and sintering a mixed powder of iron-based powder, alloyed powder, graphite powder, and compound particle powder.
  • the density of the compound particles is 5.5 g / cm 3 or less, and the amount of alloying elements added to the matrix is regulated to 0.5 to 10% by mass.
  • the iron-based powder iron powder or an alloy powder (pre-alloy alloy powder) previously alloyed to a predetermined composition may be used, and the alloyed powder is preferably ferroalloy.
  • the iron powder is preferably water atomized iron powder having a peak at 45 to 150 ⁇ m.
  • the mixed powder of raw material powder 0.5 to 2% by mass of stearate or the like may be blended as a release agent with respect to the total amount of raw material powder.
  • Sintering is preferably performed by firing the press-molded compact in a temperature range of 1050 to 1200 ° C. in a vacuum or a non-oxidizing or reducing atmosphere.
  • the reducing atmosphere is preferably an atmosphere using NH 3 or a mixed gas of N 2 and H 2 or the like.
  • Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 The average grain size is such that the matrix composition is C: 1% by mass, Cu: 3% by mass, the balance is Fe, and CaF 2 is 20, 30, 40, 10% by volume (Examples 1 to 4) as compound particles.
  • a mixed powder obtained by kneading graphite powder, electrolytic Cu powder, and CaF 2 powder having an average particle diameter of 45 ⁇ m in a predetermined blending amount into water atomized iron powder having a diameter of 75 ⁇ m was used as a raw material powder. This raw material powder was filled in a mold and press-molded at 5 ton / cm 2 .
  • Comparative Examples 1 and 2 (compound particles not included), the press molding pressure was set to 3.5 ton / cm 2 so as to have a certain proportion of pores.
  • the obtained compact was sintered in a vacuum atmosphere at 1120 ° C, and the gas leak test piece of 30 mm ⁇ ⁇ 4 mm disk-shaped sintered body and the wear of 5 mm ⁇ 5 mm ⁇ 30 mm rod-shaped sintered body A specimen material was prepared.
  • Comparative Example 1 is heated to 560 ° C. in an oxidizing atmosphere is reacted with steam, the steam treatment to produce forty-three iron oxide (Fe 3 O 4) on the surface was carried out.
  • Example 1 For the sintered bodies of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the density was measured by the Archimedes method, and the mirror-polished surface of Example 1 was observed with an optical microscope. As shown in Table 1, the density of each sintered body was 6.8 g / cm 3 even in Comparative Examples 1 and 2 having pores (no change in density was observed in the steam treatment), whereas In Examples 1 to 4, the weight is further reduced to 5.5 to 6.4 g / cm 3 . Further, an optical micrograph is shown in FIG. 2, and is composed of a clear matrix 8, dark gray CaF 2 particles 9, and fine pores (pores) 10 around the CaF 2 particles. Since the CaF 2 particles 9 are three-dimensionally separated and independent by the interposition of the matrix 8, the pores 10 are also connected (even if there is local communication, the test piece communicates from one surface to the opposite surface). I understand that I have not done it.
  • Abrasion resistance test The abrasion resistance test was performed using a wear tester 11 shown in FIG. 3 by using a wear test specimen 11 having a tip end polished into an R shape as a vane material. A390) was pressed against a rotating drum-type sliding mating member 12 with a predetermined load (the air cylinder 13 is used in FIG. 3). The shape change in the depth direction of the wear test piece before and after the test was calculated as the wear amount.
  • the lubricating oil is supplied from the lubricating oil supply pipe 14 at a predetermined speed.
  • test conditions were as follows: test temperature: 100 ° C., test time: 5 hours, sliding speed: 1.0 m / sec, load: 100 N, lubricating oil supply amount: 300 cc / min.
  • the results are shown in Table 1, and are shown as relative ratios with the wear amount of Comparative Example 1 as 10. Also in terms of the amount of wear, it can be seen that Examples 1 to 4 are reduced to 1/3 or less of Comparative Example 2.
  • Example 5 A gas leak test piece and a wear test piece material were prepared in the same manner as in Example 1 except that Al 2 O 3 particles having an average particle size of 10 ⁇ m were used instead of CaF 2 particles as compound particles. As a result of density measurement, gas leak test, and wear test, the density was 6.2 g / cm 3 , the gas leak rate was 0.96, and the wear rate ratio was 2.1.
  • Example 6 Other than using CaF 2 particles with an average particle size of 70 ⁇ m instead of CaF 2 particles with an average particle size of 45 ⁇ m as compound particles, and 1.0 mass% Mo instead of 3.0 mass% Cu as the matrix alloying element
  • Example 6 Other than using CaF 2 particles with an average particle size of 70 ⁇ m instead of CaF 2 particles with an average particle size of 45 ⁇ m as compound particles, and 1.0 mass% Mo instead of 3.0 mass% Cu as the matrix alloying element
  • Example 6 Other than using CaF 2 particles with an average particle size of 70 ⁇ m instead of CaF 2 particles with an average particle size of 45 ⁇ m as compound particles, and 1.0 mass% Mo instead of 3.0 mass% Cu as the matrix alloying element
  • Comparative Example 3 A gas leak test piece and a wear test piece material were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that ferrochrome powder was used so that the Cr content of the matrix was 10.5% by mass instead of the electrolytic Cu powder of 3.0% by mass of Cu. Further, steam treatment was performed in the same manner as in Comparative Example 1. As a result of density measurement, gas leak test, and wear test, the density was 6.4 g / cm 3 , the gas leak ratio was 4.50, and the wear amount ratio was 13.0.
  • Comparative Example 4 A gas leak test piece and a wear test piece material were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that graphite powder having an addition amount adjusted to 2.2 mass% C was used instead of 1.0 mass% C. Further, steam treatment was performed in the same manner as in Comparative Example 1. As a result of density measurement, gas leak test, and wear test, the density was 6.7 g / cm 3 , the gas leak rate was 2.40, and the wear rate was 9.5.
  • Examples 7-10 A gas leak test piece and a wear test piece material were prepared in the same manner as in Example 1 except that several types of ferroalloy powders were used so that the matrix had a composition as shown in Table 2. The results of density measurement, gas leak test, and wear test are shown in Table 3. In Examples 7 to 10, the amount of gas leak was almost the same as that of Comparative Example 1, but Comparative Example 2 was not steamed. In comparison, it was reduced to 1/6 or less, and the amount of wear was less than that of Comparative Examples 1 and 2.
  • Examples 11 to 16 A gas leak test piece and a wear test piece material were prepared in the same manner as in Example 1 except that the compound particles shown in Table 4 were used instead of CaF 2 as the compound particles. The results of density measurement, gas leak test, and wear test are also shown in Table 4. In Examples 11 to 16, the amount of gas leak was almost the same as that of Comparative Example 1, but Comparative Example 2 was not steamed. Compared to Comparative Example 1 and 2, the amount of wear was less than that of Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 11 Al 2 O 3 / MnS is 10/10 in volume%, and the amount of other compound particles is 20 volume%.

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Abstract

ロータリーコンプレッサーに適用することが可能な、軽量で、かつ封孔処理しなくても空孔が連通しない、鉄基焼結合金ベーンを提供するため、鉄を主体とする焼結体に、密度5.5 g/cm3以下の低比重の化合物粒子を分散させることで、焼結体強度を維持して軽量化を図り、また、鉄マトリックスの焼結性を上げることにより、空孔の連通しない焼結体を得る。

Description

ロータリーコンプレッサー用ベーン
　本発明は、ロータリーコンプレッサーに適用される鉄基焼結合金ベーン（以下「焼結鉄ベーン」ともいう）に関する。
　ベーン型のロータリーコンプレッサーは、一例として、図１に示すように、内周断面が非円形のシリンダー２の内側を回転運動するローター１を有し、ベーン３はローター１の外周部に形成された溝に挿入され、図示しないバネや油圧、さらには回転運動の慣性力によって背面からシリンダー２に向けて付勢されることで、ベーン３の先端部とシリンダー２の内周面が当接し、ベーン３、ローター１、シリンダー２、及び図示しないサイドプレートによって複数の作動空間６をシリンダー２内に形成する。ローター１にはシャフト７が締結されており、図示しない動力源によってシャフト７を回転させることで、ローター１がシリンダー内で回転する。ローター１が回転すると、作動空間６の容積変化が生じるため、吸入口４から冷媒ガスを吸入し、作動空間６内の冷媒ガスを圧縮し、吐出口５から圧縮された冷媒ガスを吐出してコンプレッサーとして作用することになる。ベーン型ロータリーコンプレッサーとしては、図１に示すものの他に、シリンダー２の内周断面を円形としシリンダー２の中心とローター１の中心を偏芯させる形式のものも、ベーン３がロータ－１の外周部ではなくシリンダー２側に配されるものもある。
　このような機構の中で使用されているベーン３の当接面には高い荷重が作用するため、耐摩耗性の高い材料が要求されている。これまで、高クロム鋳鉄、マルテンサイト系ステンレス（SUS440C）、高速度工具鋼（SKH51）等の溶製材料、高速度工具鋼（SKH51）焼結材料、高強度アルミニウム合金、アルミニウム含浸カーボン等が使用されてきた。高強度アルミニウム合金やアルミニウム含浸カーボン等は、鉄系材料に比べ軽量のため、コンプレッサーの重量低減や、ローター回転時のベーンの慣性力の低減、さらには静粛性等の利点を有しているものの、材料費が高価であるという問題を有している。
　鉄系材料のベーン（以下「鉄ベーン」という）と高強度アルミニウム合金のベーン（以下「アルミベーン」という）を対比すると、鉄ベーンは、比重（密度）がアルミベーンの約3倍となることから、ローター回転時のベーンの慣性力がアルミベーンに比べて非常に大きくなる。このため、ベーンとシリンダーのそれぞれの摺動部や、ベーンのローターやサイドプレートとの接触部の摩耗が増大する問題や、ローターの回転始動時にベーンとシリンダーとの衝突音が大きくなるという問題があった。
　これらに対応したものとして、特開２００６－３２２４１４には、ベーンに肉抜き部を形成して軽量化し、摩耗の低減を図り、更に肉抜き部にゴムや樹脂等を嵌挿して騒音を低減した鉄ベーンが開示されている。
　また、特開平８－４９０４８には、C：0.6～1.3％、Cr：3.4～4.8％、Mo：3.6～5.5％、V：1.4～3.0％、W：5.2～7.0％の工具鋼粉末から、ある割合の空孔を持たせることにより焼結密度を6.0～7.4 g/cm3として、空孔のないものに対して硬度を大幅に低下させ、摺動相手のローターとシリンダーの摩耗を減少させた焼結鉄ベーンが開示されている。さらに、特開平１１－１３６６８には、特開平８－４９０４８の鉄ベーンにスチーム処理等による封孔処理を施し、さらに軟窒化処理を行うことも開示されている。
　しかしながら、特開２００６－３２２４１４や特開平８－４９０４８による焼結鉄ベーンは、肉抜き部の形成や空孔を持たせて低密度化することにより、同じ組成の溶製鉄ベーンに対して軽量化（例えば、約15％）がなされているが、摩耗や音の問題を十分解決できていないのが実情である。さらなる肉抜き部の形成やさらなる低密度化による軽量化は、空隙部や空孔の増加による材料強度の低下や摩耗量の増大、使用中の座屈、折損の虞、あるいは空孔の連通による冷媒ガスのリーク量の増加が生じる虞をもたらす。
　本発明は、上記問題に鑑み、軽量で、かつ封孔処理しなくても空孔が連通しない、ロータリーコンプレッサーに適用される鉄基焼結合金ベーンを提供することを課題とする。
　本発明者達は、焼結鉄ベーンについて鋭意研究の結果、鉄を主体とする焼結体に低密度の化合物粒子を分散させることで、焼結体強度を維持して軽量化を図ることができ、また鉄マトリックスの焼結性を上げることにより、空孔の連通しない焼結体を得ることができることに想到した。
　すなわち、本発明の鉄基焼結合金ベーンは、ロータリーコンプレッサーに用いられるベーンであって、密度5.5 g/cm3以下の化合物粒子を分散した鉄を主成分とする焼結体からなり、前記焼結体の密度が5.4～6.5 g/cm3の範囲にあることを特徴とする。前記化合物粒子は、耐摩耗性及び／又は潤滑性に優れていることが好ましく、Al、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、及びアルカリ土類金属若しくは希土類のフッ化物又は酸化物から選択された少なくとも1種又は2種以上からなることがより好ましい。また、前記化合物粒子は平均粒径が1～200μmであり、分散量が15～45体積％であることがさらに好ましい。
　前記焼結体のマトリックスは、質量％で、C：0.2～2.0％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5～10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることが好ましい。
　また、本発明の鉄基焼結合金ベーンの製造方法は、鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造され、化合物粒子を分散した鉄を主成分とする、密度が5.4～6.5 g/cm3の焼結体からなるロータリーコンプレッサーに用いられる鉄基焼結合金ベーンの製造方法であって、前記焼結体の化合物粒子の密度が5.5 g/cm3以下であることを特徴とする。前記焼結体のマトリックスに添加されたC以外の合金元素は、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することが好ましい。
　本発明の鉄基焼結合金ベーンは、従来の溶製鉄ベーンに比べ軽量であり、ローター回転時の慣性力を抑制し、ベーンとシリンダーの摺動部、またベーンのローター及びサイドプレートとの接触部の摩耗を大幅に低減でき、さらにローター始動時の衝突音も軽減する。一方、マトリックスの焼結性を上げること、すなわち、C以外の合金元素がSi、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することによって、化合物粒子を複合しても、緻密な焼結体が得られるため、空孔が連通せず、気密性の高い焼結鉄ベーンを得ることができる。よって、ある割合の空孔を持たせた従来の焼結鉄ベーンで生じた、冷媒ガスのリークの問題も回避することができる。もちろん、スチーム処理等の封孔処理も不要となる。軽量化に加え、耐摩耗性及び／又は潤滑性を備えた化合物粒子を使用すれば、さらなる耐摩耗性の向上が可能となり、ベーンへの浸炭や浸硫、めっきなどの表面処理も不要となる。
本発明の鉄基焼結合金ベーンが適用されるロータリーコンプレッサーの一例の断面の概略を示した図である。 本発明の実施例１の焼結体の顕微鏡組織を示した写真である。 本発明の鉄基焼結合金ベーンの耐摩耗性評価に用いた摩耗試験機の概略を示した図である。
　本発明の鉄基焼結合金ベーンは、鉄を主体とした合金のマトリックスと、マトリックス中に分散した化合物粒子で構成され、密度が5.4～6.5 g/cm3の範囲にある。また、分散する化合物粒子の密度は5.5 g/cm3以下とする。焼結体の密度が5.4 g/cm3未満であると、本発明の焼結体は強度的に十分でなく、摩耗量が増大してしまう。他方、焼結体の密度が6.5 g/cm3を超えると、軽量化が十分でない。化合物粒子は、例えば、Al、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、アルカリ土類金属のフッ化物又は酸化物、希土類のフッ化物又は酸化物などから選択された化合物粒子が好ましい。密度の点からは、h-BN（密度2.2 g/cm3）、CaF2（密度3.18 g/cm3）、Si3N4（密度3.22 g/cm3）、AlN（密度3.26 g/cm3）、c-BN（密度3.48 g/cm3）が好ましく、化学的安定性の点からは、Al2O3（密度3.98 g/cm3）、h-BN、c-BN、AlN、CaF2、等が好ましい。また潤滑性の点からは、h-BN、CaF2、MnS（密度3.99 g/cm3）、等が好ましい。但し、平板状の形状をもつh-BNは、h-BN同士が接触する確率が高く、h-BN近傍に形成される空孔が連通してしまう恐れが高いので、分散量等に注意を要する。本発明の焼結体は、鉄系粉末、合金化粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造される。成形体マトリックス中の化合物粒子の体積が圧縮により減少しないという点、すなわち、低密度を維持するという点では、化合物粒子は非圧縮性の粒子が好ましい。特にCaF2は上記の全ての点で好ましい。もちろん、耐摩耗性を担うAl2O3等の耐摩耗化合物粒子と、潤滑性を担うMnS等の潤滑性化合物粒子とを併せて使用することも好ましい。なお、化合物粒子は、平均粒径が1～200μmのものを使用することができ、最適な分散量は化合物粒子の種類やサイズ、形状に依存する。一般に、鉄系粉末と化合物粒子を複合すると、化合物粒子は焼結を阻害する働きをするので、化合物粒子同士が接触する複合量になると緻密化も困難になる。例えば、平均粒径が5～100μmで等軸形状の化合物粒子であれば、分散量を15～45％とすることが好ましく、20～40％とすることがより好ましい。
　本発明では、比較的多量の化合物粒子を複合して焼結体を緻密化するため、マトリックスは易焼結性であることが好ましい。しかし、マトリックスの耐摩耗性のため、焼結性を阻害しない程度の合金化元素も必要である。焼結体のマトリックスは、質量％で、C：0.2～2％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5～10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることが好ましい。前記Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された合金元素が0.5～5％であればさらに好ましい。Cは、マトリックスに固溶してマトリックス強化の効果があるとともに、他の合金化元素と炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。0.2～2％のC添加量は、マルテンサイト及び／又はパーライトのマトリックス組織となって、適度な靱性を備えるとともに耐摩耗性を向上する。Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上の合金元素は、基本的には、マトリックスの硬さと強度を向上させ、あるいは微細で硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。
　本発明の鉄基焼結合金ベーンは、鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造される。化合物粒子の密度は5.5 g/cm3以下とし、またマトリックスに添加する合金化元素の量は0.5～10質量％に規制される。鉄系粉末としては、鉄粉あるいは予め所定の組成に合金化した合金粉末（プレアロイ合金粉末）を用いてもよく、合金化粉末はフェロアロイが好ましい。また、鉄粉は45～150μmにピークを有する水アトマイズ鉄粉が好ましい。原料粉末の混合粉末には、原料粉末の合計量に対して、0.5～2質量％のステアリン酸塩等を離型剤として配合しても良い。焼結は、プレス成形した成形体を、真空又は非酸化性若しくは還元性雰囲気中で、1050～1200℃の温度範囲で焼成することによって行うのが好ましい。還元性雰囲気としては、具体的にはNH3やN2とH2の混合ガス等を用いた雰囲気とすることが好ましい。
　実施例１～４並びに比較例１及び２
　マトリックスの組成がC：1質量％、Cu：3質量％、残部がFeで、化合物粒子としてCaF2が20、30、40、10体積％（実施例１～４）となるように、平均粒径75μmの水アトマイズ鉄粉に、黒鉛粉末と、電解Cu粉末と、平均粒径45μmのCaF2粉末を、所定の配合量で混練した混合粉末を原料粉末とした。この原料粉末を金型に充填し、5 ton/cm2でプレス成形した。但し、比較例１及び２（化合物粒子を含まない）においては、ある割合の空孔を持たせるようプレス成形の圧力を3.5 ton/cm2とした。得られた成形体を1120℃の真空雰囲気にて焼結し、30 mmφ×4 mmの円板状焼結体のガスリーク試験片と、5 mm×5 mm×30 mmの棒状焼結体の摩耗試験片素材を作製した。比較例１については、酸化雰囲気中で560℃に加熱してスチームと反応させ、表面に四三酸化鉄（Fe3O4）を生成させるスチーム処理を行った。
　実施例１～４並びに比較例１及び２の焼結体について、アルキメデス法により密度を測定し、また、実施例１の鏡面研磨した面を光学顕微鏡により観察した。各焼結体の密度は表１に示すとおり、空孔を持たせた比較例１及び２でも6.8 g/cm3であった（スチーム処理では密度の変化は見られなかった）のに対し、実施例１～４では5.5～6.4 g/cm3とさらに軽量化されている。また、光学顕微鏡写真を図２に示すが、明白色のマトリックス８、暗灰色のCaF2粒子９、及びCaF2粒子の周辺に微細な空孔（ポア）１０から構成される。CaF2粒子９はマトリックス８の介在により３次元的に分離、独立しているため、空孔１０も連通（局部的な連通はあったとしても、試験片の一方の面から反対の面まで連通してはいない）していないことが分かる。
[1] ガスリーク試験
　ガスリーク試験は、作製したガスリーク試験片を、鋼管内の通気経路を遮断するように配置し、一端より試験ガスを流入し、試験片を通過したガス流量を測定することによって行った。結果は、表１に示すが、比較例１のガスリーク量を１とした相対比率で示している。実施例１～４は、スチーム処理した比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減されていることが分かる。
[2] 耐摩耗試験
　耐摩耗試験は、図３に示す摩耗試験機を用い、ベーン材として耐摩耗試験片素材から先端をR形状に研磨した摩耗試験片１１を、シリンダー相当材（アルミニウム合金、A390）からなる回転するドラム型摺動相手材１２に、所定の荷重（図３ではエアシリンダー１３を用いている）で押し付けて行った。試験前後での摩耗試験片の深さ方向の形状変化を摩耗量として算出した。なお、潤滑油供給管１４から所定の速度で潤滑油が供給されている。試験条件は、試験温度：100℃、試験時間：5時間、摺動速度：1.0 m/sec、荷重：100 N、潤滑油供給量：300cc/minとした。結果は、表1に示すが、比較例１の摩耗量を10とした相対比率で示している。摩耗量においても、実施例１～４は比較例２の1/3以下に低減されていることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例５
　化合物粒子としてCaF2粒子の代わりに、平均粒径10μmのAl2O3粒子を使用した以外は実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.2 g/cm3、ガスリーク比率は0.96、摩耗量比は2.1であった。
　実施例６
　化合物粒子として平均粒径45μmのCaF2粒子の代わりに、平均粒径70μmのCaF2粒子を使用し、マトリックスの合金元素として3.0質量％のCuの代わりに、1.0質量％のMoを使用した以外は実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.1 g/cm3、ガスリーク比率は0.78、摩耗量比は2.3であった。
　比較例３
　3.0質量％のCuとなる電解Cu粉末の代わりに、マトリックスのCrが10.5質量％となるようにフェロクロム粉末を使用した以外は比較例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製し、さらに比較例１と同様にしてスチーム処理を行った。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.4 g/cm3、ガスリーク比率は4.50、摩耗量比は13.0であった。
　比較例４
　1.0質量％のCとなる代わりに、2.2質量％のCとなるように添加量を調整した黒鉛粉末を使用した以外は比較例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製し、さらに比較例１と同様にしてスチーム処理を行った。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果、密度は6.7 g/cm3、ガスリーク比率は2.40、摩耗比率は9.5であった。
　実施例７～１０
　マトリックスが表２に示すような組成になるように数種のフェロアロイ粉末を使用した以外は、実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果を表３に示すが、実施例７～１０は、ガスリーク量は比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減され、摩耗量においても、比較例１、２よりも少ない結果であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例１１～１６
　化合物粒子としてCaF2の代わりに、表４に示す化合物粒子を使用した以外は、実施例１と同様にして、ガスリーク試験片と摩耗試験片素材を作製した。密度測定、ガスリーク試験、摩耗試験を行った結果も同表４に示すが、実施例１１～１６は、ガスリーク量は比較例１とほぼ同レベルであったが、スチーム処理しなかった比較例２と比較すれば1/6以下に低減され、摩耗量においても、比較例１、２よりも少ない結果であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 実施例１１のAl2O3/MnSは体積％で10/10であり、その他の化合物粒子の量は20体積％である。

Claims (6)

  1. ロータリーコンプレッサーに用いられるベーンであって、密度5.5 g/cm3以下の化合物粒子を分散した鉄を主成分とする焼結体からなり、前記焼結体の密度が5.4～6.5 g/cm3の範囲にあることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
  2. 請求項１に記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記化合物粒子がAl、Ti、Si、Bの窒化物又は酸化物、Mo、Mnの硫化物、及びアルカリ土類金属若しくは希土類のフッ化物又は酸化物から選択された少なくとも1種又は2種以上からなることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
  3. 請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記化合物粒子の平均粒径が1～200μmであり、分散量が15～45体積％であることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
  4. 請求項１～３の何れかに記載の鉄基焼結合金ベーンであって、前記焼結体のマトリックスが、質量％で、C：0.2～2.0％、Si、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上：0.5～10％、並びに残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする鉄基焼結合金ベーン。
  5. 鉄系粉末、合金化粉末、黒鉛粉末、及び化合物粒子粉末の混合粉末をプレス成形し、焼結することによって製造され、化合物粒子を分散した鉄を主成分とする、密度が5.4～6.5 g/cm3の焼結体からなるロータリーコンプレッサーに用いられるベーンの製造方法であって、前記化合物粒子が密度5.5 g/cm3以下であることを特徴とする鉄基焼結合金ベーンの製造方法。
  6. 請求項５に記載の鉄基焼結合金ベーンの製造方法であって、前記焼結体のマトリックスに添加されたC以外の合金元素がSi、Cu、Ni、Mo、Cr、W、Mn、V及びCoから選択された1種又は2種以上で、且つ、質量％で、10％以下に規制することを特徴とする鉄基焼結合金ベーンの製造方法。
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