WO2022054365A1 - 摺動部材およびそれを用いた圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

摺動部材およびそれを用いた圧縮機および冷凍装置 Download PDF

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WO2022054365A1
WO2022054365A1 PCT/JP2021/023179 JP2021023179W WO2022054365A1 WO 2022054365 A1 WO2022054365 A1 WO 2022054365A1 JP 2021023179 W JP2021023179 W JP 2021023179W WO 2022054365 A1 WO2022054365 A1 WO 2022054365A1
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WO
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hardness
hard film
film
base material
scroll
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PCT/JP2021/023179
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English (en)
French (fr)
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貴規 石田
敏 飯塚
章史 兵藤
淳 作田
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00

Definitions

  • the present disclosure relates to a compressor and a refrigerating device used for a sliding member and a device using a refrigerating cycle device such as an air conditioner, a water heater, and a refrigerator using the sliding member.
  • a refrigerating cycle device such as an air conditioner, a water heater, and a refrigerator using the sliding member.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a scroll compressor used in an air conditioner or the like.
  • a fixed swirl lap of a fixed scroll and a swirl swirl lap of a swivel scroll are meshed with each other, and the swirl scroll is swirled to compress a working medium such as a refrigerant.
  • the fixed scroll and the swivel scroll are sliding members that slide when the working medium is compressed.
  • surface treatment such as anodizing film treatment or plating treatment. The method of applying it to prevent seizure is adopted.
  • Patent Document 1 uses an alloy containing aluminum as a main component for a fixed scroll and a swivel scroll, and nickel in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon carbide (SiC) -based hard particles are blended on at least one surface. We are plating. Further, in Patent Document 2, aluminum is used for the fixed scroll and the swivel scroll, and one film is made of hard anodized aluminum and the other film is made of semi-hard anodized aluminum.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • SiC silicon carbide
  • the present disclosure provides a sliding member having a structure that effectively prevents seizure and abnormal wear, and a compressor and a freezing device that further improve operating efficiency and reliability by using the sliding member.
  • both base materials are made of a non-iron material, and a hard film harder than the hardness of the base material is provided on the surface of at least one base material, and the hardness of the hard film is from the outermost surface.
  • the configuration is such that it is inclined or gradually lowered toward the interface of the base material.
  • the compressor and the refrigerating apparatus of the present disclosure accommodate a compression mechanism unit for compressing an operating medium, an electric mechanism unit for driving the compression mechanism unit, the compression mechanism unit and the electric mechanism unit, and a lubricating oil at the bottom thereof. It is provided with a closed container having an oil storage portion for storing the oil, and is configured to include a sliding portion using the sliding member of the present disclosure.
  • the sliding member of the present disclosure improves the adhesion between the hard film and the soft base material, and can suppress seizure and wear over a long period of time. Further, the compressor and the refrigerating apparatus of the present disclosure can avoid seizure and wear caused by peeling of the hard film in the sliding portion by the above configuration, and can improve long-term reliability.
  • the scroll compressor was hard on the surface of either a fixed scroll or a swivel scroll whose base material was aluminum, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • a film treatment is applied to prevent seizure.
  • a hard film is formed on a soft substrate such as aluminum
  • the difference in hardness between the aluminum substrate and the hard film that is, the difference in mechanical strength between the substrate and the film becomes large, and frictional sliding occurs.
  • the shearing force is applied, the hard film may be peeled off at the substrate interface or the substrate may be broken (peeling, etc.) just below the substrate interface, and the aluminum substrate may be exposed between the sliding surfaces. was there.
  • the present disclosure provides a sliding member capable of suppressing seizure and wear for a long period of time by improving the adhesion between the hard film and the soft base material. Further, by using the sliding member of the present disclosure, it is possible to provide a compressor and a freezing device having high reliability for a long period of time by avoiding seizure and wear caused by peeling of a hard film in a sliding portion. ..
  • a scroll compressor using a refrigerant as an operating medium and a sliding member used thereof as an example.
  • more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters or duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view of a scroll compressor according to the present embodiment.
  • the scroll compressor is configured by arranging a compression mechanism unit 10 for compressing a refrigerant and an electric mechanism unit 20 for driving the compression mechanism unit 10 in a closed container 1.
  • the closed container 1 is composed of a cylindrical body portion 1a extending in the vertical direction, a lower lid 1b that closes the lower opening of the body portion 1a, and an upper lid 1c that closes the upper opening of the body portion 1a. ing.
  • the closed container 1 is provided with a refrigerant suction pipe 2 for introducing a refrigerant into the compression mechanism unit 10, and a refrigerant discharge pipe 3 for discharging the refrigerant compressed by the compression mechanism unit 10 to the outside of the closed container 1. ..
  • the compression mechanism unit 10 has a fixed scroll 11, a swivel scroll 12, and a rotary shaft 13 that swivels and drives the swivel scroll 12.
  • the electric mechanism unit 20 includes a stator 21 fixed to the closed container 1 and a rotor 22 arranged inside the stator 21.
  • a rotating shaft 13 is fixed to the rotor 22.
  • An eccentric shaft 13a eccentric with respect to the rotating shaft 13 is formed at the upper end of the rotating shaft 13.
  • An oil pool is formed in the eccentric shaft 13a by a recess opened on the upper surface of the eccentric shaft 13a.
  • the main bearing 30 for supporting the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12 is provided below the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12, a main bearing 30 for supporting the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12 is provided below the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12, a main bearing 30 for supporting the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12 is provided.
  • the main bearing 30 is formed with a bearing portion 31 that supports the rotating shaft 13 and a boss accommodating portion 32.
  • the main bearing 30 is fixed to the closed container 1 by welding or shrink fitting.
  • the lower end portion 13b of the rotating shaft 13 is pivotally supported by an auxiliary bearing 18 arranged at the lower part of the closed container 1.
  • the fixed scroll 11 includes a disk-shaped fixed scroll end plate 11a, a spiral fixed spiral wrap 11b erected on the fixed scroll end plate 11a, and an outer peripheral wall portion 11c erected so as to surround the fixed spiral wrap 11b.
  • the swivel scroll 12 includes a disk-shaped swivel scroll end plate 12a, a swirl swirl wrap 12b erected on the lap side end surface of the swivel scroll end plate 12a, and a cylindrical boss portion formed on the anti-wrap side end surface of the swirl scroll end plate 12a. It is equipped with 12c.
  • the fixed swirl wrap 11b of the fixed scroll 11 and the swirl swirl wrap 12b of the swirl scroll 12 are meshed with each other, and a plurality of compression chambers 15 are formed between the fixed swirl wrap 11b and the swirl swirl wrap 12b.
  • the boss portion 12c is formed substantially in the center of the swivel scroll end plate 12a.
  • the eccentric shaft 13a is inserted into the boss portion 12c, and the boss portion 12c is accommodated in the boss accommodating portion 32.
  • the fixed scroll 11 is fixed to the main bearing 30 at the outer peripheral wall portion 11c by using a plurality of bolts (not shown).
  • the swivel scroll 12 is supported by the fixed scroll 11 via a rotation restraining member 17 such as an old dam ring.
  • the rotation restraining member 17 that restrains the rotation of the turning scroll 12 is provided between the fixed scroll 11 and the main bearing 30. As a result, the turning scroll 12 makes a turning motion with respect to the fixed scroll 11 without rotating.
  • An oil storage portion 4 for storing lubricating oil is formed at the bottom of the closed container 1.
  • a positive displacement oil pump 5 is provided at the lower end of the rotating shaft 13.
  • the oil pump 5 is arranged so that the suction port thereof exists in the oil storage unit 4.
  • the oil pump 5 is driven by a rotating shaft 13 and reliably sucks up the lubricating oil in the oil storage unit 4 provided at the bottom of the closed container 1 regardless of the pressure condition or the operating speed, so that there is no need to worry about running out of oil. Will be done.
  • the rotary shaft 13 is formed with a rotary shaft oil supply hole 13c extending from the lower end portion 13b of the rotary shaft 13 to the eccentric shaft 13a.
  • the lubricating oil sucked up by the oil pump 5 is supplied into the bearing, the bearing portion 31, and the boss portion 12c of the auxiliary bearing 18 through the rotary shaft oil supply hole 13c formed in the rotary shaft 13.
  • the refrigerant sucked from the refrigerant suction pipe 2 is guided to the compression chamber 15 from the suction port 15a.
  • the compression chamber 15 moves from the outer peripheral side toward the central portion while reducing the volume, and the refrigerant that has reached a predetermined pressure in the compression chamber 15 is transferred from the discharge port 14 provided in the central portion of the fixed scroll 11 to the discharge chamber 6. It is discharged.
  • the discharge port 14 is provided with a discharge lead valve (not shown).
  • the refrigerant that has reached a predetermined pressure in the compression chamber 15 pushes open the discharge lead valve and is discharged to the discharge chamber 6.
  • the refrigerant discharged to the discharge chamber 6 is led out to the upper part in the closed container 1 and is discharged from the refrigerant discharge pipe 3.
  • the scroll compressor having the above configuration includes a plurality of sliding portions.
  • the sliding portion include a combination of sliding members such as a fixed scroll 11, a swivel scroll 12, an eccentric shaft 13a of a rotating shaft 13, and an eccentric bush 33.
  • the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12, which are sliding members both have a base material of a non-iron material having a hardness of HV50 to 200, for example, an aluminum alloy, specifically, Al (aluminum). It is made of a -Si (silicon) alloy, and the base material has a specific gravity of 2.6 to 2.8 g / cm 3 and a hardness of HV 80 to 140.
  • FIG. 2 shows an enlarged sectional schematic view of the hard film 42 and the hard film 41 formed on the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12.
  • a hard film 42 harder than the base material is formed on the surface 12e of the swivel scroll 12.
  • the hard film 42 in this embodiment is an anodized film (anodized film) around HV200.
  • a hard film 41 that is harder than the base material and has a three-layer structure is formed on the surface of one fixed scroll 11.
  • a first hard film 41a, a second hard film 41b, and a third hard film 41c are formed on the base material interface 11e of the fixed scroll 11 from the base material interface side to the outermost surface side. Both hard films are based on electroless nickel-phosphorus film.
  • the first hard film 41a, the second hard film 41b, and the third hard film 41c all contain nickel as a main component, and the content of phosphorus (P) contained therein is intentionally changed.
  • the phosphorus content of the first hard film 41a is 7 to 10%
  • the second hard film 41b is 4 to 6%
  • the third hard film 41c is 1 to 3%.
  • a zincade treatment was performed in advance to form a zinc film on the surface of the substrate.
  • the zinc film formed in this pretreatment step is replaced with nickel in the electroless plating solution for the first hard film 41a to form the first hard film 41a (plating film).
  • the electroless plating solution for the second hard film 41b and the electroless plating solution for the third hard film 41c were immersed in the electroless plating solution to prepare a hard film 41 having a three-layer structure.
  • FIG. 3 shows an example of a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope) image in the vicinity of the substrate interface 11e of the fixed scroll 11. From the SEM image shown in the figure, it can be seen that the first hard film 41a and the second hard film 41b have shades of color. In this way, by observing the cross section of the hard film 41 by SEM, it is possible to easily recognize that the hard film 41 has a multi-layer structure.
  • SEM Scnning Electron Microscope
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the hardness distribution in the depth direction of the hard film 41 composed of the first hard film 41a, the second hard film 41b, and the third hard film 41c.
  • the hardness of the outermost surface of the sliding member was measured based on the Vickers hardness test-test method specified in JIS Z2244.
  • the Vickers hardness of the outermost surface of the sliding member was measured by TI-950 Tribo Indenter (trade name), a nanoindentation device manufactured by Heiditron, based on JIS Z2244.
  • the indentation load and depth of the indenter were continuously measured, and the Vickers hardness was derived by the nanoindentation method (a method of converting Young's modulus from the indentation depth and load curve).
  • the hardness of the hard film 41 gradually decreases from the outermost surface of the hard film 41 to the substrate interface 11e.
  • the hardness of the third hard film 41c is HV700 to 750
  • the hardness of the second hard film 41b is HV550 to 600
  • the hardness of the first hard film 41a is HV500 to 550.
  • the hardness of the base material is HV80 to 140.
  • the hardness of each layer can be controlled stepwise by sequentially performing plating treatments in which the phosphorus content is different.
  • the specific configuration of the scroll compressor having the above configuration is not particularly limited, and various known configurations can be preferably used.
  • the scroll compressor may be placed horizontally.
  • the compressor is not limited to the scroll compressor, and may be a reciprocating compressor or a rotary compressor.
  • the hardness of the outermost surface side (third hard film 41c) of the hard film 41 of the fixed scroll 11 is 7 to 8 times that of the substrate hardness, while the substrate interface side (first hard film 41a).
  • the difference in hardness between the base material and the hard film is excessive, that is, the difference in mechanical strength between the base material and the film is large, when a shearing force due to sliding acts, the film peels off at the substrate interface.
  • the substrate immediately below the interface may be broken and the film may be chipped.
  • the outermost surface side of the hard film 41 is hard, but the hardness is gradually reduced from the outermost surface side to the substrate interface side, so that the substrate interface side hardness (first).
  • the hardness of the base material interface side (first hard film 41a) is 4 to 5 times that of the base material hardness, but from the experimental efforts so far, if it is 7 times or less. A similar effect was obtained.
  • the surface 12e of the swivel scroll 12 which has a relatively low surface hardness on the other side, is appropriately worn and becomes familiar. By truncating and flattening the tip protrusions (mountains) with the roughness of the sliding surface, the local contact surface pressure is reduced, the sliding state is alleviated, and further wear progress is significantly suppressed. can.
  • the hardness of the hard film 41 is reduced in three stages from the outermost surface to the interface of the base material, but even if it is a two-layer structure in which the hardness is reduced in two stages, it is further compounded. The same effect can be obtained with a layered structure.
  • the base material of both sliding members is an Al (aluminum) -Si (silicon) alloy, but the specific gravity of the base material is 3.0 g / cm 3 or less and the hardness is low. If it is a soft non-iron material with HV 50 to 200, the same effect as that of the present invention can be obtained.
  • Mg—Al—Zn-based alloy containing Mg as a main component Li
  • an electroless nickel-phosphorus plating film is formed as the hard film 42 on the surface of the fixed scroll 11, but the same effect can be obtained by using another surface-treated film having a high hardness. can get.
  • the material used as the base of the film is the same from the viewpoint of maintaining the adhesion between the layers (in this embodiment, the base is electroless nickel-phosphorus. It is desirable to set it to phosphorus).
  • the sliding member is made of a non-iron material, in this example, a non-iron material having a hardness of HV50 to 200, and both base materials are formed on the surface of at least one base material.
  • a hard film 41 that is harder than the hardness of the base material is provided, and the hardness of the hard film 41 gradually decreases from the outermost surface to the interface of the base material, resulting in a multi-layer structure having at least two layers or more.
  • the sliding member has high self-wear resistance due to the hard film 41 formed on the surface, and fracture or peeling of the film near the substrate interface due to the difference in hardness between the base material and the hard film.
  • both of the sliding members have a structure in which the specific gravity of the base material is 3 g / cm 3 or less. This makes it possible to obtain a lightweight sliding member having both high wear resistance and high peel resistance.
  • the hardness of the hard film on the interface side of the base material is 7 times or less the hardness of the base material.
  • the hardness on the outermost surface side of the hard film is more than twice as high as the hardness on the outermost surface side of the sliding member on the mating side.
  • the surface of the sliding member on the mating side which has a low hardness, is appropriately worn and becomes familiar. That is, by truncating and flattening the tip protrusion (mountain part) with the roughness of the sliding surface, the local contact surface pressure is reduced, the sliding state is alleviated, and the progress of further wear is remarkable. Since it is suppressed to, long-term reliability can be improved.
  • the compressor houses a compression mechanism unit that compresses an operating medium such as a refrigerant, an electric mechanism unit that drives the compression mechanism unit, and the compression mechanism unit and the electric mechanism unit, and has a bottom portion. It is provided with a closed container having an oil storage portion for storing lubricating oil, and has a compressor configuration in which a sliding portion using the above-mentioned sliding member is arranged.
  • a closed container having an oil storage portion for storing lubricating oil
  • the compressor configuration in which a sliding portion using the above-mentioned sliding member is arranged.
  • the compression mechanism unit has a fixed scroll, a swivel scroll, and a rotation axis that swivels and drives the swivel scroll
  • the fixed scroll has a disk-shaped fixed scroll end plate and the said.
  • the swivel scroll is provided with a fixed swirl wrap erected on the fixed scroll end plate, and the swivel scroll is configured to include a disk-shaped swivel scroll end plate and a swirl swirl wrap erected on the lap-side end surface of the swivel scroll end plate. ..
  • the long-term reliability of the scroll compressor can be improved by providing a sliding member having both high self-wear resistance and film adhesion.
  • the compressor has a configuration in which the sliding member is the fixed scroll and the swivel scroll.
  • the sliding member is the fixed scroll and the swivel scroll.
  • a working medium such as R134a, R32, R410A, R407C, isobutane, propane, carbon dioxide, or a refrigerant having a double bond between carbons can be used.
  • the base material of both the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12 is formed of an aluminum alloy, specifically, an Al—Si based alloy, and the specific gravity of the base material is 2.6 to 2.8 g / cm. 3.
  • Hardness is HV80-140.
  • a hard film 42 harder than the base material is formed on the surface 12e of the swivel scroll 12.
  • the hard film 42 in this embodiment is an anodized film (anodized film) around HV200.
  • a hard film 51 that is harder than the base material and has a three-layer structure is formed on the surface of the fixed scroll 11.
  • FIG. 5 shows an enlarged sectional schematic view of the hard film 42 and the hard film 51 of the present embodiment.
  • a first hard film 51a, a second hard film 51b, and a third hard film 51c are formed on the base material interface 11e of the fixed scroll 11 from the base material interface side to the outermost surface side.
  • both hard films are based on electroless nickel-phosphorus plating.
  • FIG. 6 shows an example of a cross-sectional SEM image of the first hard film 51a (a1), the second hard film 51b (a2), and the third hard film 51c (a3) formed on the base material of the fixed scroll. show.
  • the punctate substance that looks black is the film hardness adjusting material 52.
  • Each plating film has a different content of the film hardness adjusting material 52 included, and the hardness of the hard film 51 becomes harder as the content of the film hardness adjusting material 52 is smaller.
  • the content of the film hardness adjusting material 52 of the first hard film 51a (a1) is 6 to 9 wt%
  • the content of the second hard film 51b (a2) is 3 to 5 wt%
  • the third is
  • the hard film 51c (a3) was set to 1 to 2 wt%.
  • polytetrafluoroethylene (PTFE) fine particles having a particle size of several ⁇ m were used as the film hardness adjusting material 52.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a zincade treatment for forming a zinc film on the surface of the base material was performed in advance.
  • the zinc film formed in this pretreatment step is replaced with nickel in the electroless plating solution for the first hard film 51a to form the first hard film 41a (plating film).
  • the electroless plating solution for the second hard film 51b and the electroless plating solution for the third hard film 51c were immersed in the electroless plating solution to prepare a hard film 41 having a three-layer structure.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the hardness distribution in the depth direction of the hard film 51 composed of the first hard film 51a, the second hard film 51b, and the third hard film 51c.
  • Hardness was measured by TI-950 Tribo Indenter (trade name), a nanoindentation device manufactured by Heiditron, based on JIS Z2244 as in the first embodiment.
  • the hardness of the hard film 51 gradually decreases from the outermost surface of the hard film 51 to the substrate interface 11e.
  • the hardness of the third hard film 51c is HV700 to 750
  • the hardness of the second hard film 51b is HV550 to 600
  • the hardness of the first hard film 51a is HV450 to 500.
  • the hardness of each layer can be controlled stepwise by sequentially performing plating treatments in which the content of the film hardness adjusting material 52 is different.
  • both the fixed scroll 11 and the swivel scroll 12 form hard films 51 and 42 harder than the hardness of the base material on the surface of the aluminum alloy base material.
  • the hardness of the outermost surface side (third hard film 41c) of the hard film 51 of the fixed scroll 11 is 7 to 7.5 times that of the substrate hardness, and the hardness of the substrate interface side (first hard film 41a).
  • the hardness corresponds to 4 to 5 times as much as the hardness of the base material.
  • the hardness of the outermost surface side (third hard film 41c) of the hard film 41 of the fixed scroll 11 is 3 to 3 to the hardness of the outermost surface side (hard film 42) of the swivel scroll 12 on the other side. Equivalent to 4 times.
  • the difference in hardness between the base material and the hard film is excessive, that is, the difference in mechanical strength between the base material and the film is large, when a shearing force due to sliding acts, the film peels off at the substrate interface. In addition, the substrate immediately below the interface may be broken and the film may be chipped.
  • the outermost surface side of the hard film 51 is hard, and by gradually reducing the hardness from the outermost surface side to the substrate interface side, the substrate interface side hardness (first).
  • the hardness of the base material interface side (first hard film 51a) is 3 to 4 times that of the base material hardness, but from the experimental efforts so far, if it is 7 times or less. A similar effect was obtained.
  • the surface 12e of the swivel scroll 12 which has a relatively low surface hardness on the other side, is appropriately worn and becomes familiar. By truncating and flattening the tip protrusions (mountains) with the roughness of the sliding surface, the local contact surface pressure is reduced, the sliding state is alleviated, and further wear progress is significantly suppressed. can.
  • the sliding member is made of a non-iron material, in this example, a non-iron material having a hardness of HV50 to 200, and both base materials are formed on the surface of at least one base material.
  • a hard film 51 that is harder than the hardness of the base material is provided, and the hardness of the hard film 51 gradually decreases from the outermost surface to the interface of the base material.
  • the sliding member can have both high self-wear resistance due to the hard film 51 formed on the surface and sufficient film adhesion to prevent breakage or peeling of the film near the interface of the base material.
  • the film hardness adjusting material 52 is used to control the hardness of the hard film 51.
  • the film hardness adjusting material 52 is a softer substance than the base component of the film (corresponding to electroless nickel plating in this embodiment), and further, after the film treatment is performed, the film hardness adjusting material is applied to the film. It is desirable to co-precipitate with the base component.
  • polytetrafluoroethylene is used as the film hardness adjusting material 52, but the same effect can be obtained by using fluorographite (CF), molybdenum disulfide (MoS 2 ), or the like. ..
  • the content range of the film hardness adjusting material 52 in each electroless plating solution is mutual in the first hard film 51a, the second hard film 51b, and the third hard film 51c. By setting the upper and lower limits so as not to cover the surface of the hard film 51, the hardness of the hard film 51 gradually decreases from the outermost surface of the hard film 51 to the substrate interface 11e.
  • Embodiments 1 and 2 have been described as examples of the techniques disclosed in the present application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, replacements, additions, omissions, etc. have been made. It is also possible to combine the components described in the first and second embodiments to form a new embodiment.
  • FIG. 8 shows a schematic enlarged cross-sectional view of the hard film 61 of another embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of hardness distribution in the depth direction.
  • the content range of the film hardness adjusting material 52 in the electroless plating solution is set more finely, and the number of layers of the hard film 61 (indicated by the shade of color) is further increased.
  • the hardness of the hard film 61 is gently or inclinedly lowered from the outermost surface side of the hard film 61 to the substrate interface 11e side.
  • the sliding member has high self-wear resistance due to the hard film 61 formed on the surface, and fracture or peeling of the film near the substrate interface due to the difference in hardness between the base material and the hard film. It can also have sufficient film adhesion to avoid the above.
  • the wear resistance and the peeling resistance can be further improved.
  • the compressor that compresses the working medium using the refrigerant as the working medium has been described, but the compressor may be used to compress the working medium that is not the refrigerant.
  • the sliding member of the present invention suppresses breakage and peeling of the film near the interface of the base material, and can secure sufficient film adhesion, so that it is highly reliable for a long period of time.
  • the compressor of the present invention has improved reliability and efficiency, and is useful for a refrigerator / freezer, a hot water heater, an air conditioner, a water heater, or a refrigerating cycle device such as a refrigerator.
  • the same effect can be obtained not only by using the compressor shown in the present embodiment but also by using it in a car engine or the like, and by applying it to a compressor that does not use a refrigerant as an operating medium, the same effect can be obtained. Be done.

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Abstract

本開示の摺動部材は、固定スクロール（１１）及び旋回スクロール（１２）等の双方の基材が非鉄材料で構成され、かつ少なくとも一方の基材表面上に、基材硬さよりも硬い硬質皮膜（４１）を備え、硬質皮膜（４１）の硬さが最表面から基材界面にかけて傾斜的、あるいは段階的に低下する構成としてある。これにより、硬質皮膜（４１）と軟質基材の密着性を向上させ、長期に亘って焼付きや摩耗を抑制することができ、運転効率や信頼性を更に向上させた圧縮機および冷凍装置を提供する。

Description

摺動部材およびそれを用いた圧縮機および冷凍装置
　本開示は、摺動部材およびそれを用いた空気調和機、給湯器、冷蔵庫等の冷凍サイクル装置を用いた機器等に用いられる圧縮機および冷凍装置に関する。
　特許文献１、２は、空気調和機等に用いられているスクロール圧縮機を開示する。
　このスクロール圧縮機は、固定スクロールの固定渦巻きラップと旋回スクロールの旋回渦巻きラップを互いに噛み合わせ、旋回スクロールを旋回運動させることで冷媒等の作動媒体を圧縮している。
　上記固定スクロールと旋回スクロールは、作動媒体を圧縮する時に摺動する摺動部材となるもので、互いに同種の金属を用いる場合、どちらか一方の表面に陽極酸化被膜処理やメッキ処理といった表面処理を施して、焼き付きを防ぐという方法が採用されている。
　例えば、特許文献１は、固定スクロールと旋回スクロールにアルミニウムを主成分とする合金を用いて、少なくとも一方の表面に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系硬質粒子を配合したニッケルメッキを行っている。
　また、特許文献２は、固定スクロールと旋回スクロールにアルミニウムを用いて、一方の被膜が硬質酸化アルマイトからなり、他方の被膜が半硬質酸化アルマイトからなっている。
実開平３－９９８０１号公報 実開昭６３－１７１６８１号公報
　本開示は、焼付きや異常摩耗を効果的に防止する構成の摺動部材と、それを用いて運転効率や信頼性を更に向上させた圧縮機および冷凍装置を提供する。
　本開示の摺動部材は、双方の基材が非鉄材料で構成され、かつ少なくとも一方の基材表面上に、基材硬さよりも硬い硬質皮膜を備え、前記硬質皮膜の硬さが最表面から基材界面にかけて傾斜的、あるいは段階的に低下させた構成としてある。
　また、本開示の圧縮機および冷凍装置は、作動媒体を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機構部と、前記圧縮機構部と電動機構部を収容し、底部に潤滑油を貯留する貯油部を有した密閉容器とを備え、前記本開示の摺動部材を用いた摺動部が含まれる構成としてある。
　本開示の摺動部材は、上記構成により、硬質皮膜と軟質基材の密着性が向上し、長期に亘って焼付きや摩耗を抑制することができる。
　また、本開示の圧縮機および冷凍装置は、上記構成により、摺動部における硬質皮膜の剥離に伴って生じる焼付きや摩耗を回避することができ、長期信頼性を向上させることができる。
実施の形態１におけるスクロール圧縮機の縦断面図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの拡大断面模式図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの基材界面近傍の断面ＳＥＭ像の図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの表面硬さ分布を示す特性模式図 実施の形態２におけるスクロール圧縮機の固定スクロールの拡大断面模式図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの第一の硬質皮膜、第二の硬質膜、第三の硬質皮膜の断面ＳＥＭ像の図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの表面硬さ分布を示す特性模式図 他の実施の形態におけるスクロール圧縮機の固定スクロールの拡大断面模式図 同スクロール圧縮機の固定スクロールの表面硬さ分布を示す特性模式図
　（本開示の基礎となった知見等）
　発明者らが本開示に想到するに至った当時、スクロール圧縮機は、特許文献１や特許文献２にあるように、基材をアルミニウムとした固定スクロールと旋回スクロールのどちらか一方の表面に硬質皮膜処理を施して、焼付きを防止するようにしている。
　しかしながら、アルミニウムのような軟質基材上に硬質皮膜を形成した場合、アルミニウム基材と硬質皮膜との硬さの差、即ち、基材と皮膜の機械的強度の差が大きくなり、摩擦摺動によるせん断力が作用した際に、基材界面での硬質皮膜の剥離や、基材界面直下で基材の破壊（むしれ等）が生じ、摺動面間にアルミニウム基材が露出する可能性があった。
　硬質皮膜が剥離してアルミニウム基材同士の摺動になれば、アルミニウムは活性な金属なため、異常摩耗や凝着による焼付きが発生し、長期に亘って信頼性を確保することが困難になるという課題があった。
　発明者らはこのような課題を見出し、これを解決するために、本開示の主題を構成するに至った。
　そこで本開示は、硬質皮膜と軟質基材の密着性を向上させることで、長期に亘って焼付きや摩耗を抑制できる摺動部材を提供する。
　また、本開示の摺動部材を用いることで、摺動部における硬質皮膜の剥離に伴って生じる焼付きや摩耗を回避し、長期に亘って高い信頼性を有する圧縮機および冷凍装置を提供する。
　以下、図面を参照しながら、作動媒体として冷媒を用いたスクロール圧縮機とそれに用いている摺動部材を例にして実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
　（実施の形態１）
　以下、図１～図４を用いて、実施の形態１を説明する。
　［１－１．構成］
　図１は、本実施の形態によるスクロール圧縮機の縦断面図である。
　図１において、スクロール圧縮機は、密閉容器１内に、冷媒を圧縮する圧縮機構部１０と、圧縮機構部１０を駆動する電動機構部２０と、を配置して構成されている。
　密閉容器１は、上下方向に沿って延びる円筒状に形成された胴部１ａと、胴部１ａの下部開口を塞ぐ下蓋１ｂと、胴部１ａの上部開口を塞ぐ上蓋１ｃと、で構成されている。
　密閉容器１には、圧縮機構部１０に冷媒を導入する冷媒吸込管２と、圧縮機構部１０にて圧縮された冷媒を密閉容器１の外に吐出する冷媒吐出管３と、を設けている。
　圧縮機構部１０は、固定スクロール１１と、旋回スクロール１２と、旋回スクロール１２を旋回駆動する回転軸１３と、を有している。電動機構部２０は、密閉容器１に固定されたステータ２１と、ステータ２１の内側に配置されたロータ２２と、を備える。ロータ２２には回転軸１３が固定される。
　回転軸１３の上端には、回転軸１３に対して偏心した偏心軸１３ａが形成されている。偏心軸１３ａには、偏心軸１３ａの上面に開口する凹部によってオイル溜まりを形成している。
　固定スクロール１１及び旋回スクロール１２の下方には、固定スクロール１１及び旋回スクロール１２を支持する主軸受３０が設けられている。
　主軸受３０には、回転軸１３を軸支する軸受部３１と、ボス収容部３２とが形成されている。主軸受３０は、密閉容器１に溶接や焼き嵌めによって固定される。回転軸１３の下端部１３ｂは、密閉容器１の下部に配置された副軸受１８に軸支されている。
　固定スクロール１１は、円板状の固定スクロール鏡板１１ａと、固定スクロール鏡板１１ａに立設した渦巻状の固定渦巻きラップ１１ｂと、固定渦巻きラップ１１ｂの周囲を取り囲むように立設した外周壁部１１ｃと、を備え、固定スクロール鏡板１１ａの略中心部に吐出ポート１４が形成されている。
　旋回スクロール１２は、円板状の旋回スクロール鏡板１２ａと、旋回スクロール鏡板１２ａのラップ側端面に立設した旋回渦巻きラップ１２ｂと、旋回スクロール鏡板１２ａの反ラップ側端面に形成した円筒状のボス部１２ｃと、を備えている。
　固定スクロール１１の固定渦巻きラップ１１ｂと旋回スクロール１２の旋回渦巻きラップ１２ｂとは相互に噛み合わされ、固定渦巻きラップ１１ｂと旋回渦巻きラップ１２ｂとの間に複数の圧縮室１５が形成される。
　ボス部１２ｃは、旋回スクロール鏡板１２ａの略中央に形成される。偏心軸１３ａはボス部１２ｃに挿入され、ボス部１２ｃはボス収容部３２に収容される。
　固定スクロール１１は、外周壁部１１ｃで複数本のボルト（図示せず）を用いて主軸受３０に固定される。一方、旋回スクロール１２は、オルダムリングなどの自転拘束部材１７を介して固定スクロール１１に支持されている。旋回スクロール１２の自転を拘束する自転拘束部材１７は、固定スクロール１１と主軸受３０との間に設けている。
　これにより、旋回スクロール１２は、固定スクロール１１に対して、自転しないで旋回運動をする。
　密閉容器１の底部には、潤滑油を貯留する貯油部４が形成されている。
　回転軸１３の下端には容積型のオイルポンプ５を設けている。オイルポンプ５は、その吸い込み口が貯油部４内に存在するように配置されている。オイルポンプ５は、回転軸１３によって駆動され、密閉容器１の底部に設けられた貯油部４にある潤滑油を、圧力条件や運転速度に関係なく、確実に吸い上げるので、オイル切れの心配が解消される。
　回転軸１３には、回転軸１３の下端部１３ｂから偏心軸１３ａに至る回転軸オイル供給孔１３ｃが形成されている。
　オイルポンプ５で吸い上げた潤滑油は、回転軸１３内に形成している回転軸オイル供給孔１３ｃを通じて、副軸受１８の軸受、軸受部３１、ボス部１２ｃ内に供給される。
　冷媒吸込管２から吸入される冷媒は、吸入ポート１５ａから圧縮室１５に導かれる。圧縮室１５は、外周側から中央部に向かって容積を縮めながら移動し、圧縮室１５で所定の圧力に到達した冷媒は、固定スクロール１１の中央部に設けた吐出ポート１４から吐出室６に吐出される。吐出ポート１４には吐出リード弁（図示せず）を設けている。圧縮室１５で所定の圧力に到達した冷媒は、吐出リード弁を押し開いて吐出室６に吐出される。吐出室６に吐出された冷媒は、密閉容器１内の上部に導出され、冷媒吐出管３から吐出される。
　前記構成のスクロール圧縮機は、複数の摺動部を備えている。例えば、摺動部としては、固定スクロール１１と旋回スクロール１２、回転軸１３の偏心軸１３ａと偏心ブッシュ３３等といった摺動部材の組合せが挙げられる。
　本実施の形態において、摺動部材となる固定スクロール１１と旋回スクロール１２は、いずれも基材を硬さがＨＶ５０～２００からなる非鉄材料、例えば、アルミニウム合金、具体的には、Ａｌ（アルミニウム）－Ｓｉ（ケイ素）系合金から形成され、基材の比重は２．６～２．８ｇ／ｃｍ３、硬さはＨＶ８０～１４０である。
　また、本実施の形態の固定スクロール１１及び旋回スクロール１２には硬質皮膜が形成されている。図２に上記固定スクロール１１及び旋回スクロール１２に形成されている硬質皮膜４２、並びに硬質皮膜４１の拡大断面模式図を示す。
　図２に示すように、旋回スクロール１２の表面１２ｅには基材よりも硬い硬質皮膜４２が形成されている。本実施の形態における硬質皮膜４２は、ＨＶ２００前後の陽極酸化皮膜（アルマイト皮膜）である。
　一方の固定スクロール１１の表面には基材よりも硬く、かつ三層構造からなる硬質皮膜４１が形成されている。固定スクロール１１の基材界面１１ｅ上に、基材界面側から最表面側にかけて第一の硬質皮膜４１ａ、第二の硬質皮膜４１ｂ、第三の硬質皮膜４１ｃが形成されている。いずれの硬質皮膜も無電解ニッケル－リンメッキ皮膜がベースである。第一の硬質皮膜４１ａ、第二の硬質皮膜４１ｂ、第三の硬質皮膜４１ｃは、いずれもニッケルが主成分であり、包含するリン（Ｐ）の含有率を意図的に変えている。
　本実施の形態では、第一の硬質皮膜４１ａのリン含有率は７～１０％、第二の硬質皮膜４１ｂは４～６％、第三の硬質皮膜４１ｃは１～３％とした。
　三層構造のメッキ皮膜を安定的に形成させるために、基材表面に亜鉛皮膜を形成させるジンケード処理を予め行った。この前処理工程で形成された亜鉛皮膜を第一の硬質皮膜４１ａ用の無電解メッキ液中でニッケルに置換させて、第一の硬質皮膜４１ａ（メッキ皮膜）を形成させる。続けて第二の硬質皮膜４１ｂ用の無電解メッキ液、第三の硬質皮膜４１ｃ用の無電解メッキ液に浸漬させて三層構造からなる硬質皮膜４１を作製した。
　図３に、固定スクロール１１の基材界面１１ｅ近傍の断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像の一例を示す。図に示すＳＥＭ画像から、第一の硬質皮膜４１ａと第二の硬質皮膜４１ｂに色合いに濃淡があることがわかる。このように、硬質皮膜４１の断面をＳＥＭ観察することで、容易に硬質皮膜４１が複層構造であることを認識可能である。
　次に、上記第一の硬質皮膜４１ａ、第二の硬質皮膜４１ｂ、第三の硬質皮膜４１ｃからなる硬質皮膜４１の深さ方向の硬さ分布の特性模式図を図４に示す。
　なお、本開示においては、摺動部材の最表面の硬さは、ＪＩＳ　Ｚ２２４４に規定されるビッカース硬さ試験―試験方法に基づいて測定した。摺動部材の最表面のビッカース硬さは、ＪＩＳ　Ｚ２２４４に基づいて、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・ＴＩ－９５０トライボインデンター（商品名）により測定を行った。圧子の押し込み荷重および深さを連続的に測定し、ナノインデンテーション法（押し込み深さおよび荷重の曲線からヤング率を換算する方法）によりビッカース硬さを導出した。
　図４に示すように、硬質皮膜４１の硬さが、硬質皮膜４１の最表面から基材界面１１ｅにかけて段階的に低下している。具体的には、第三の硬質皮膜４１ｃの硬さはＨＶ７００～７５０、第二の硬質皮膜４１ｂの硬さはＨＶ５５０～６００、第一の硬質皮膜４１ａの硬さはＨＶ５００～５５０である。因みに基材の硬さはＨＶ８０～１４０である。
　このように、リンの含有率が異なるメッキ処理を順次行うことで、各層の硬さを段階的に制御可能である。
　なお、前記構成のスクロール圧縮機の具体的な構成は特に限定されず、公知の各種構成を好適に用いることができ、例えば、スクロール圧縮機が横置きであってもよい。また、スクロール圧縮機に限定されず、レシプロ圧縮機やロータリー圧縮機であってもよい。
　［１－２．動作］
　以上のように構成されたスクロール圧縮機について、以下その動作、作用について説明する。
　上記のスクロール圧縮機は、固定スクロール１１と旋回スクロール１２のいずれのアルミニウム合金基材の表面上にも、基材硬さよりも硬い硬質皮膜４１、４２を形成している。
　一般的に、摩擦摩耗の観点から、相対する摺動部材の硬さは同じにするのではなく、ある程度の差をつけることが望ましい。
　本実施の形態では、旋回スクロール１２よりも固定スクロール１１の方が硬い組合せとした。相対的に硬い方である固定スクロール１１の硬質皮膜４１の最表面側（第三の硬質皮膜４１ｃ）の硬さは、相手側の旋回スクロール１２の最表面側（硬質皮膜４２）の硬さに比べ３～４倍に相当している。
　さらに、固定スクロール１１の硬質皮膜４１の最表面側（第三の硬質皮膜４１ｃ）の硬さは、基材硬さに比べ７～８倍、一方、基材界面側（第一の硬質皮膜４１ａ）の硬さは基材硬さに比べて４～５倍に相当している。
　これらの構成により、摺動部材である固定スクロール１１と旋回スクロール１２とが旋回摺動すると、固定スクロール１１の表面に形成された硬質皮膜４１は硬く、自己耐摩耗性が高いので、固定スクロール１１の摩耗は殆ど進行しない。
　ここで、基材と硬質皮膜との硬さの差が過大、即ち基材と皮膜の機械的強度の違いが大きい場合では、摺動によるせん断力が作用すると、基材界面での皮膜の剥離や、界面直下の基材で破壊が生じて皮膜が欠落したりすることがあった。
　しかし、本実施の形態のように、硬質皮膜４１の最表面側は硬いが、最表面側から基材界面側にかけて段階的に硬さを低下させることで、基材界面側硬さ（第一の硬質皮膜４１ａの硬さ）と基材硬さの差を低めに抑え、これらの比率を適正な範囲内に設定することで、本実施の形態で例示したアルミニウム合金のような軟質金属に形成した硬質皮膜であっても基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避し、十分な皮膜密着性を確保することができる。本実施の形態では基材界面側（第一の硬質皮膜４１ａ）の硬さは基材硬さに比べ４～５倍としたが、これまでの実験的な取組みから、７倍以下であれば同様の効果が得られた。
　一方、相手側の表面硬さが比較的低い旋回スクロール１２の表面１２ｅは適度に摩耗して馴染む。摺動表面の粗さの先端突起（山部）がトランケートされて平坦化することで、局的な接触面圧が低減して摺動状態が緩和し、それ以上の摩耗の進行を顕著に抑制できる。
　なお、本実施の形態では、硬質皮膜４１の硬さが最表面から基材界面に伴い三段階に低下する三層構造としたが、二段階に低下する二層構造であっても、さらなる複層構造でも同様の効果が得られる。
　また、本実施の形態では、双方の摺動部材の基材をＡｌ（アルミニウム）－Ｓｉ（ケイ素）系合金としたが、基材の比重が３．０ｇ／ｃｍ３以下で、かつ硬さがＨＶ５０～２００の軟質の非鉄材料であれば、本発明と同様の効果が得られる。
　例えば、Ａｌを主成分とするＡｌ－Ｃｕ（銅）－Ｍｇ（マグネシウム）系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｚｎ（亜鉛）－Ｍｇ系、Ｌｉ（リチウム）添加系合金や、Ｍｇを主成分とするＭｇ－Ａｌ－Ｚｎ系合金も同様の効果が得られる。
　なお、本実施の形態では、固定スクロール１１の表面の硬質皮膜４２として、無電解ニッケル－リンメッキ皮膜を形成しているが、他の硬さが高い表面処理膜を使用しても同等な効果が得られる。
　また、段階的に硬さが低下する複層構造を形成する場合、各層間の密着性を維持する観点から、皮膜のベースとなる材質は同種（本実施の形態では、ベースを無電解ニッケル－リンに設定）とすることが望ましい。
　［１－３．効果等］
　以上のように、本実施の形態において、摺動部材は、非鉄材料、この例では硬さがＨＶ５０～２００からなる非鉄材料で双方の基材が構成され、かつ少なくとも一方の基材表面上に、前記基材硬さよりも硬い硬質皮膜４１を備え、前記硬質皮膜４１の硬さが最表面から基材界面にかけて段階的に低下する、少なくとも二層以上の複層構造としてある。
　これにより、摺動部材は、表面に形成された硬質皮膜４１による高い自己耐摩耗性と、基材と硬質皮膜の硬さの差を起因とされる基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避する十分な皮膜密着性も併せ持つことができる。
　また、本実施の形態のように、摺動部材は、双方ともに、基材の比重が３ｇ／ｃｍ３以下の構成としてある。
　これにより、高耐摩耗性と高耐剥離性を併せ持つ軽量な摺動部材とすることができる。
　また、本実施の形態のように、硬質皮膜の基材界面側硬さは基材硬さに比べて７倍以下とした構成としてある。
　これにより、基材と硬質皮膜の硬さの比率を適当な範囲内に設定することで、基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避し、長期信頼性を確保できる。
　なお、本実施の形態のように、硬質皮膜の最表面側硬さは、相手側の摺動部材の最表面側硬さよりも２倍以上高い構成としてある。
　これにより、硬さの低い相手側の摺動部材の表面は適度に摩耗して馴染む。即ち、摺動表面の粗さの先端突起（山部）がトランケートされて平坦化することで、局的な接触面圧が低減して摺動状態が緩和し、それ以上の摩耗の進行を顕著に抑制するので、長期信頼性を向上させることができる。
　また、本実施の形態において、圧縮機は、冷媒等の作動媒体を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機構部と、前記圧縮機構部と電動機構部を収容し、底部に潤滑油を貯留する貯油部を有した密閉容器とを備え、上記の摺動部材を用いた摺動部を配設した圧縮機構成としてある。
　これにより、高い自己耐摩耗性と皮膜密着性を併せ持つ摺動部材を擁することによって、圧縮機の長期信頼性を向上させることができる。
　そして、この圧縮機を搭載して冷凍装置を構成すれば冷凍装置の高効率化と信頼性も向上することができる。
　また、本実施の形態において、圧縮機構部は、固定スクロールと、旋回スクロールと、前記旋回スクロールを旋回駆動する回転軸とを有し、前記固定スクロールは、円板状の固定スクロール鏡板と、前記固定スクロール鏡板に立設した固定渦巻きラップとを備え、前記旋回スクロールは、円板状の旋回スクロール鏡板と、前記旋回スクロール鏡板のラップ側端面に立設した旋回渦巻きラップとを備えた構成としてある。
　これにより、高い自己耐摩耗性と皮膜密着性を併せ持つ摺動部材を擁することによって、スクロール圧縮機の長期信頼性を向上させることができる。
　また、本実施の形態において、圧縮機は、上記の摺動部材が前記固定スクロールと前記旋回スクロールである構成としてある。
　これにより、高い自己耐摩耗性と皮膜密着性を併せ持つ固定スクロールと旋回スクロールを擁することになって、圧縮機の長期信頼性を向上させることができるとともに、固定スクロール、旋回スクロール共に比重の軽い金属を使用することで、顕著な軽量化が図れ、軽量化が望まれる分野、例えば車載式等への展開が可能なスクロール圧縮機を提供することができる。
　なお、本発明の圧縮機には、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、イソブタン、プロパン、二酸化炭素、又は、炭素間に二重結合を有する冷媒等の作動媒体を用いることができる。
　（実施の形態２）
　以下、図５～図７を用いて、実施の形態２を説明する。
　［２－１．構成］
　図１から図４で説明した構成と同一構成には同一符号を付して説明を一部省略する。
　本実施の形態において、固定スクロール１１と旋回スクロール１２は、いずれも基材がアルミニウム合金、具体的にはＡｌ－Ｓｉ系合金から形成され、基材の比重は２．６～２．８ｇ／ｃｍ３、硬さはＨＶ８０～１４０である。旋回スクロール１２の表面１２ｅには基材よりも硬い硬質皮膜４２が形成されている。
　本実施の形態における硬質皮膜４２は、ＨＶ２００前後の陽極酸化皮膜（アルマイト皮膜）である。一方、固定スクロール１１の表面には基材よりも硬く、かつ三層構造からなる硬質皮膜５１が形成されている。
　本実施の形態の硬質皮膜４２、並びに硬質皮膜５１の拡大断面模式図を図５に示す。
　固定スクロール１１の基材界面１１ｅ上に、基材界面側から最表面側にかけて第一の硬質皮膜５１ａ、第二の硬質皮膜５１ｂ、第三の硬質皮膜５１ｃが形成されている。本実施の形態では、いずれの硬質皮膜も無電解ニッケル－リンメッキがベースである。
　図６に、固定スクロールの基材上に形成された第一の硬質皮膜５１ａ（ａ１）、第二の硬質皮膜５１ｂ（ａ２）、第三の硬質皮膜５１ｃ（ａ３）の断面ＳＥＭ像の一例を示す。
　図に示すＳＥＭ画像において、黒く見える点状物質が膜硬さ調整材５２である。各々のメッキ皮膜は包含する膜硬さ調整材５２の含有量が異なっており、膜硬さ調整材５２の含有量が少ないほど硬質皮膜５１の硬さは硬くなる特性を有している。
　本実施の形態においては、第一の硬質皮膜５１ａ（ａ１）の膜硬さ調整材５２の含有量は６～９ｗｔ％、第二の硬質皮膜５１ｂ（ａ２）は３～５ｗｔ％、第三の硬質皮膜５１ｃ（ａ３）は１～２ｗｔ％とした。なお、本実施の形態では、膜硬さ調整材５２として粒径が数μｍからなるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粒子を用いた。
　また、三層構造のメッキ皮膜を安定的に形成させるために、基材表面に亜鉛皮膜を形成させるジンケード処理を予め行った。この前処理工程で形成された亜鉛皮膜を第一の硬質皮膜５１ａ用の無電解メッキ液中でニッケルに置換させて、第一の硬質皮膜４１ａ（メッキ皮膜）を形成させる。続けて第二の硬質皮膜５１ｂ用の無電解メッキ液、第三の硬質皮膜５１ｃ用の無電解メッキ液に浸漬させて三層構造からなる硬質皮膜４１を作製した。
　図７に、上記第一の硬質皮膜５１ａ、第二の硬質皮膜５１ｂ、第三の硬質皮膜５１ｃからなる硬質皮膜５１の深さ方向の硬さ分布模式図を示す。
　実施の形態１と同様にＪＩＳ　Ｚ２２４４に基づいて、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・ＴＩ－９５０トライボインデンター（商品名）により硬さ測定を行った。
　硬質皮膜５１の硬さが、硬質皮膜５１の最表面から基材界面１１ｅにかけて段階的に低下している。具体的には、第三の硬質皮膜５１ｃの硬さはＨＶ７００～７５０、第二の硬質皮膜５１ｂの硬さはＨＶ５５０～６００、第一の硬質皮膜５１ａの硬さはＨＶ４５０～５００である。膜硬さ調整材５２の含有率が異なるメッキ処理を順次行うことで、各層の硬さを段階的に制御可能である。
　［２－２．動作］
　以上のように構成されたスクロール圧縮機について、以下その動作、作用について説明する。
　上記のスクロール圧縮機は、固定スクロール１１と旋回スクロール１２のいずれもアルミニウム合金基材の表面上に、基材硬さよりも硬い硬質皮膜５１、４２を形成している。固定スクロール１１の硬質皮膜５１の最表面側（第三の硬質皮膜４１ｃ）の硬さは基材硬さに比べて７～７．５倍、基材界面側（第一の硬質皮膜４１ａ）の硬さは基材硬さに比べて４～５倍に相当する。加えて、固定スクロール１１の硬質皮膜４１の最表面側（第三の硬質皮膜４１ｃ）の硬さは、相手側の旋回スクロール１２の最表面側（硬質皮膜４２）の硬さに比べて３～４倍に相当する。
　これらの構成により、固定スクロール１１と旋回スクロール１２が旋回摺動すると、固定スクロール１１の表面に形成された硬質皮膜５１は硬く、自己耐摩耗性が高いので、固定スクロール１１の摩耗は殆ど進行しない。
　ここで、基材と硬質皮膜との硬さの差が過大、即ち基材と皮膜の機械的強度の違いが大きい場合では、摺動によるせん断力が作用すると、基材界面での皮膜の剥離や、界面直下の基材で破壊が生じて皮膜が欠落したりすることがあった。
　しかし、本実施の形態のように、硬質皮膜５１の最表面側は硬く、最表面側から基材界面側にかけて段階的に硬さを低下させることで、基材界面側硬さ（第一の硬質皮膜５１ａ）の硬さと基材硬さの差を低めに抑え、これらの比率を適正な範囲内に設定することで、アルミニウム合金のような軟質金属に形成した硬質皮膜であっても基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避し、十分な皮膜密着性が確保することができる。
　本実施の形態では基材界面側（第一の硬質皮膜５１ａ）の硬さは基材硬さに比べ３～４倍としたが、これまでの実験的な取組みから、７倍以下であれば同様の効果が得られた。
　一方、相手側の表面硬さが比較的低い旋回スクロール１２の表面１２ｅは適度に摩耗して馴染む。摺動表面の粗さの先端突起（山部）がトランケートされて平坦化することで、局的な接触面圧が低減して摺動状態が緩和し、それ以上の摩耗の進行を顕著に抑制できる。
　［２－３．効果等］
　以上のように、本実施の形態において、摺動部材は、非鉄材料、この例では硬さがＨＶ５０～２００からなる非鉄材料で双方の基材が構成され、かつ少なくとも一方の基材表面上に、前記基材硬さよりも硬い硬質皮膜５１を備え、前記硬質皮膜５１の硬さが最表面から基材界面にかけて段階的に低下する構成としてある。
　これにより、摺動部材は、表面に形成された硬質皮膜５１による高い自己耐摩耗性と、基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避する十分な皮膜密着性も併せ持つことができる。
　なお、本実施の形態では、硬質皮膜５１の硬さを制御するために膜硬さ調整材５２を用いている。膜硬さ調整材５２は、皮膜のベース成分（本実施の形態では無電解ニッケルメッキが該当）よりも軟質物質であること、さらに、皮膜処理を行った後に、膜硬さ調整材が皮膜のベース成分と共析出することが望ましい。
　本実施の形態では、膜硬さ調整材５２としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いたが、フッ素黒鉛（ＣＦ）や二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）などを使用しても同様の効果が得られる。
　また、本実施の形態では、各々の無電解メッキ液中の膜硬さ調整材５２の含有量範囲は、第一の硬質皮膜５１ａ、第二の硬質皮膜５１ｂ、第三の硬質皮膜５１ｃにおいて相互に被らないように上下限を設定することで、硬質皮膜５１の硬さが、硬質皮膜５１の最表面から基材界面１１ｅにかけて段階的に低下するようにしている。
　（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１および２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　そこで、以下、他の実施の形態を図８、図９に例示する。
　図８は、他の実施の形態の硬質皮膜６１の拡大断面模式図を、図９は、深さ方向の硬さ分布模式図を示す。
　この実施の形態では、無電解メッキ液中の膜硬さ調整材５２の含有量範囲をさらに細かく設定して、硬質皮膜６１の層数（色の濃淡で表示している）を更に増やすことで、硬質皮膜６１の硬さを、硬質皮膜６１の最表面側から基材界面１１ｅ側にかけてなだらかに、即ち傾斜的に低下させた構成としている。
　これにより、摺動部材は、表面に形成された硬質皮膜６１による高い自己耐摩耗性と、基材と硬質皮膜の硬さの差を起因とされる基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を回避する十分な皮膜密着性も併せ持つことができる。加えて、硬質皮膜６１における硬さの異なる各層の境界線が不明瞭となることから、耐摩耗性と耐剥離性を更に向上することができる。
　なお、上記各実施の形態では冷媒を作動媒体としてこれを圧縮する圧縮機で説明したが、冷媒ではない作動媒体を圧縮する圧縮機であってもよいものである。
　以上、本発明について上記実施の形態を用いて説明したが、上記実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
　本開示にかかる本発明の摺動部材は、基材界面付近での破壊や皮膜の剥離を抑制し、十分な皮膜密着性が確保できるので、長期に亘る信頼性が高い。加えて、本発明の圧縮機は、信頼性及び効率が向上し、冷凍冷蔵庫や、温水暖房装置、空気調和装置、給湯器、又は冷凍機などの冷凍サイクル装置に有用である。加えて、本実施の形態で示した圧縮機だけでなく、車のエンジン等に用いても同様の効果が得られるし、冷媒を作動媒体としない圧縮機に適用しても同様の効果が得られる。
　１　密閉容器
　４　貯油部
　１０　圧縮機構部
　１１　固定スクロール
　１１ａ　固定スクロール鏡板
　１１ｂ　固定渦巻きラップ
　１１ｅ　基材界面
　１２　旋回スクロール
　１２ａ　旋回スクロール鏡板
　１２ｂ　旋回渦巻きラップ
　１２ｄ　基材界面
　２０　電動機構部
　４１、４２、５１、６１　硬質皮膜
　４１ａ、５１ａ　第一の硬質皮膜
　４１ｂ、５１ｂ　第二の硬質皮膜
　４１ｃ、５１ｃ　第三の硬質皮膜
　５２　膜硬さ調整材

Claims (10)

  1. 　双方の基材が非鉄材料で構成され、
    かつ少なくとも一方の基材表面上に、基材硬さよりも硬い硬質皮膜を備え、
    前記硬質皮膜の硬さが最表面から基材界面にかけて段階的に低下する、少なくとも二層以上の複層構造であることを特徴とした摺動部材。
  2. 　双方の基材が非鉄材料で構成され、
    かつ少なくとも一方の基材表面上に、基材硬さよりも硬い硬質皮膜を備え、
    前記硬質皮膜の硬さが最表面から基材界面にかけて傾斜的に低下することを特徴とした摺動部材。
  3. 　双方の前記基材の比重が３ｇ／ｃｍ３以下である請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 　前記硬質皮膜の基材界面側硬さは前記基材硬さに比べて７倍以下としたことを特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材。
  5. 　前記硬質皮膜は、膜硬さ調整材を内包し、
    かつ前記膜硬さ調整材の含有量が前記最表面側から前記基材界面側にかけて傾斜的、あるいは段階的に多くなることを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の摺動部材。
  6. 　前記硬質皮膜の最表面側硬さは、相手側の前記摺動部材の前記最表面側硬さよりも２倍以上高いことを特徴とした請求項１から５のいずれか１項に記載の摺動部材。
  7. 　作動媒体を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機構部と、前記圧縮機構部と前記電動機構部を収容し、底部に潤滑油を貯留する貯油部を有した密閉容器とを備え、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の摺動部材を用いた摺動部が含まれている圧縮機。
  8. 　圧縮機構部は、固定スクロールと、旋回スクロールと、前記旋回スクロールを旋回駆動する回転軸とを有し、
    前記固定スクロールは、円板状の固定スクロール鏡板と、前記固定スクロール鏡板に立設した固定渦巻きラップとを備え、
    前記旋回スクロールは、円板状の旋回スクロール鏡板と、前記旋回スクロール鏡板のラップ側端面に立設した旋回渦巻きラップとを備えていることを特徴とした請求項７に記載の圧縮機。
  9. 　前記摺動部材は、前記固定スクロールと前記旋回スクロールであることを特徴とした請求項８に記載の圧縮機。
  10. 　請求項７から９のいずれか１項に記載の圧縮機を用いた冷凍装置。
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JP2001107860A (ja) * 1999-10-07 2001-04-17 Matsushita Refrig Co Ltd 摺動部材
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