JP3209360B2

JP3209360B2 - ベーン

Info

Publication number: JP3209360B2
Application number: JP07953092A
Authority: JP
Inventors: 隆司竹原; 憲正内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1992-04-01
Publication date: 2001-09-17
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JPH05279809A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータリーコンプレッ
サ、ベーンポンプといった圧縮機などに用いられるベー
ンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ベーンを用いた圧縮機の一例を図５に示
す。圧縮機において、ベーン１はスプリング４により常
時ロータ２に押し付けられており、ロータ２の偏心回転
によって、ロータ２とシリンダ３によって形成される空
間の容積変化により気体を圧縮する。従来、冷媒となる
気体はフロンガスが用いられている。ベーンの先端は常
にロータと、またベーンの側面はシリンダと接して摺動
しているため、ベーンに要求される特性は、ベーン自身
が摩耗しないのと同時に相手のロータやシリンダも摩耗
させないことである。従来より、このベーンにはＳＫＨ
５１種相当の溶製高速度鋼が一般に用いられており、一
部はこれに酸窒化などの表面処理が施されている。ま
た、ベーンの材質や組成を改良し、耐摩耗性を向上させ
たり、自己潤滑性をよくしたりする目的で特開昭５６−
４７５５０号、特開昭５９−２０４４６号、特開昭６１
−４８５５６号、特開昭６４−３５０９１号、特開平２
−１０２３９２号に記載されるものが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記の圧縮機に使用さ
れている冷媒は、通常クロロフルオロカーボン（以下Ｃ
ＦＣと記す）系のフロンであるが、このＣＦＣは成層圏
にまで拡散した後、紫外線に当って分解し、塩素を放出
するのでオゾン層が破壊される。このために、ＣＦＣ
は、西暦2000年までに全廃する計画で、これに代替する
冷媒の開発が進められている。代替冷媒としては塩素を
含まないハイドロフルオロカーボン(以下ＨＦＣと記
す）系のフロンが最も有望であり、この種のフロンは環
境への害が少ない。ところが、ＨＦＣ系のフロンを冷媒
として使用するベーンポンプやロータリコンプレッサ
は、従来のＣＦＣ系のフロンを冷媒として使用するもの
と比較して以下の問題がある。潤滑油が溶解しにくいため潤滑性が劣る。圧縮比を高くする必要があり、ベーンに加わる負荷が
高くなる。冷媒の吸湿性が大きい。

【０００４】このような問題は、ベーンとロータの摺動
面の摩耗量の増大を引き起こし、結果としてベーンの寿
命低下につながる。最近、この問題を解決する一つの手
段として、潤滑性向上の面からエステル系などの潤滑油
が開発されつつある。しかし、ベーンの負荷も増大して
いるため、潤滑油の変更だけでは不十分であり、ベーン
自体の材質の改良による耐摩耗性向上の要求が極めて高
くなっている。さらにエステル系の潤滑油を使用した場
合は、ベーンの負荷の増加にも関連して潤滑油の分解に
よるカルボン酸が発生する危険があり、耐腐食性の向上
も同時に要求されている。本発明の目的は、カルボン酸
のような酸の存在下でも優れた耐摩耗性を有するベーン
を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、高Ｃr高
速度鋼のＣ含有量と炭化物形成元素（Ｃ，Ｃr，Ｗ，Ｍ
o，Ｖ)含有量を適正な関係にすることにより、酸の存在
下でも優れた耐摩耗性を有するベーンが得られることを
見出し、本発明に到達した。すなわち本発明は、重量比
でＣ 1.5〜2.8%、Ｃr 7.5〜12.0%、Ｗ 18.0%以下、Ｍo
11.0%以下の１種または２種で、12≦Ｗ＋2Ｍo≦22、Ｖ
3〜10%、Ｃo 1.0〜10%、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.0%以下、
残部Ｆeおよび不可避不純物よりなり、さらにＣeq＝0.0
6×%Ｃr＋0.033×%Ｗ＋0.063×%Ｍo＋0.2×%Ｖとすると
き、Ｃ−Ｃeqが-0.5〜-0.15であることを特徴とするベ
ーンである。さらに好ましくは、ベーン表面に窒化層を
形成する。この窒化層を形成することによって、さらな
る耐摩耗性の向上ができる。

【０００６】

【作用】以下に本発明の成分限定理由を述べる。ＣはＣ
r、Ｗ、Ｍo、Ｖと反応して硬い炭化物を形成し、耐摩耗
性を向上させる。この炭化物の一部は焼入れ−焼もどし
熱処理によって、マルテンサイト基地中に固溶・再析出
し、マトリックスの硬度を高める作用がある。その含有
量は、1.5%未満ではこの作用が十分発揮されず、逆に2.
8%を越えると、靭性等が著しく悪くなるため、1.5〜2.8
%、望ましくは1.8〜2.0%とする。このようにＣは、本発
明にとって重要な構成元素であるが、その含有量は同時
に添加されるＣr,Ｗ,Ｍo,Ｖ含有量との適正な均衡があ
り、この範囲を外れると本発明の目的は達成されない。
すなわち、Ｃeq＝0.06×%Ｃr＋0.033×%Ｗ＋0.063×%Ｍ
o＋0.2×%Ｖとするとき、Ｃ含有量とＣeqとの差Ｃ−Ｃe
qが-0.5〜-0.15の範囲となるようにＣ含有量を調整しな
ければならない。

【０００７】この範囲を越えて過剰にＣを含有させる
と、以下のごとき弊害が現われる。本発明の材料は、7.5〜12.0%のＣrを含有する高Ｃr
高速度鋼に係るものであるが、Ｃが高いとＣr₂₃Ｃ₆型の
固溶し易い炭化物を多量に形成し、これが焼入れ熱処理
によってマトリックス中へのＣ固溶量を著しく高め、残
留オーステナイトの量を極端に多くする。本発明に係る
厚み2.0〜6.0mmの平線を焼入れ−焼もどし熱処理したと
き、このような多量の残留オーステナイトを形成した材
料は、熱処理変形(曲がり)が極端に大きくなり、大部分
が不良となる知見を得た。また、この材料の抗折力も低
く、実用できるものでなかった。焼なまししても硬さが十分に下がらず延性が低くな
るので、ベーンの製造にとって重要な圧延性を悪くし、
厚み2.0〜6.0mmの平線を工業的に安定に製造できない。Ｃrとの結合による炭化物の形成量を増し、その反
作用として、マトリックス中へのＣrの固溶量を減じ、
実質的に耐腐食性を損ない、本願発明の目的を達成でき
ない。逆に、Ｃ含有量がＣ−Ｃeq＜-0.5の場合は、焼入
れ−焼もどし熱処理しても十分に高い硬度が得られず、
ベーンの酸存在下の耐摩耗性が不足するという問題があ
る。

【０００８】Ｃrは本発明における重要な構成元素であ
る。エステル系潤滑油の分解物であるカルボン酸などに
よる腐食摩耗の進行を抑制するためには、Ｃr含有の効
果が大きく、Ｃr含有量の高いほど腐食量は少ない。し
かし、前述の如く、単純にＣr含有量のみ高くすれば本
発明の目的の１つである耐食性を向上できるのではな
く、同時に添加されるＣ含有量とのバランス(Ｃ−Ｃeq)
が重要である。本発明のＣバランスとすれば、従来の高
速度鋼製ベーンと比較して、Ｃr含有量が7.5%以上にな
ると、その効果が明瞭に現れる。本発明の特徴は、高速
度鋼のもつＣrが前記のＣと結合して、硬い炭化物を形
成し、ベーンの摩耗の進行を押える効果による優れた耐
摩耗性を活かしつつ、マトリックスのＣr含有量を高め
て耐食性の向上をも兼備したベーン素材を提供しようと
するものである。しかし、本発明の合金組成でＣr含有
量が12.0%を越えると炭化物量が過度に増えて工業的規
模での伸線が難しくなるので、Ｃr含有量は7.5〜12.0%
とする。Ｃr含有量の望ましい範囲は、9.0〜10.5%であ
る。

【０００９】ＷおよびＭoは、Ｃrと同じくＣと結合して
硬い炭化物を形成するので摩耗に対し有効な元素である
と同時に、焼もどしによって二次硬化を生ぜしめるの
で、マトリックスを硬化し、さらに耐摩耗性を向上させ
る効果が大きい。またＷおよびＭoは、高温に加熱され
た時の硬さの低下を少なくする効果も併せ持っているた
めに、ベーンとローラの摺動によるベーンの接触部の硬
さ低下を最小限に抑えることができ、疲労寿命の大幅向
上に効果がある。上記効果を有効に発揮させるため、Ｗ
18.0%以下、Ｍo 11.0%以下の１種または２種で、Ｗ＋2
Ｍo量で12%以上、望ましくは14%以上含有した素材でな
ければならない。しかし、Ｗ，Ｍoの含有量が過度にな
ると、抗折力が低下する、圧延性が劣化するなどの弊害
があるので、12≦Ｗ＋2Ｍo≦22に限定した。ＶもまたＣ
と結合して硬い炭化物を形成する。特に、Ｖ炭化物の硬
さは約HV3000でＣr炭化物(約HV1500)の２倍の硬さを有
しているので、摩耗に対し有効な作用を及ぼす。したが
って、耐摩耗性の向上には可能な限り多く含有させたい
が、逆にＶ炭化物はマトリックスとの濡れ性が悪く、靭
性を劣化させる悪影響も併せ持っているので、Ｖは3〜1
0%とした。望ましくは、4〜6%である。

【００１０】Ｃoは耐腐食性の向上に効果があり、ベー
ンの耐熱性を高めて、ベーンの接触部の疲労強度を上げ
る効果もあって、有効な元素である。Ｃoが1.0%以下で
はこの効果が不十分で、10%を越えると靭性を劣化する
のでＣo 1.0〜10%とした。Ｃoの望ましい含有量は2〜5%
である。Ｓiは脱酸剤として添加し、さらにマトリック
スに固溶して硬さを高める効果があるが、多すぎると靭
性低下を招くので1%以下含有させる。Ｍnも脱酸剤とし
て添加するが、多すぎると焼入れ後の硬さが低くなるの
で1.0%以下含有させる。Ｎを0.04〜0.15%含有させる
と、ＶＣＮ型の硬くて安定な炭窒化物を形成し、耐摩耗
性を高める効果がある。特に本発明の高Ｃr高速度鋼の
場合、Ｎを溶鋼中に多量に溶解させ得るのに有利であ
る。以上述べた合金元素添加により、本発明の目的は十
分に達成されるが、さらにＮi 0.4%以下、Ｏ 0.007%以
下、Ａl 0.006%以下となるように、溶解原料の厳選ある
いは精練によって調整することで、素材の圧延性が向上
する。

【００１１】本発明の合金は、Ｗ、Ｍo、Ｖなどの炭化
物が多量に存在している。これらの炭化物は通常の製造
法では粗大な棒状、または角状になり易いので、ベーン
素材として用いる場合には鋼塊寸法を小さくして凝固時
の冷却速度を高め、炭化物を微細化する等の工夫を必要
とする。特に上記合金を粉末法にて製造し、粉末の粒
度、熱間加工条件を調整することにより、平均粒径が1.
5μm以下の微細で球状の炭化物組織とすれば、素線を厚
み 2.0〜6.0mmの平線に圧延する際に良好な圧延性を示
し、本発明の目的に最も適したベーン素材が得られる。
また、ベーン表面に窒化層を形成すると窒化された表面
の硬度が上昇すると共に表面が多孔質となる。この硬度
上昇は、ベーンの耐摩耗性を向上し、多孔質化は潤滑油
をベーン表面に保持することとなり、ベーン寿命および
ロータ寿命の向上となる。この窒化層はガス窒化、浸硫
窒化処理などにより形成することが可能である。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）重量％でＣ 1.5〜2.8%、Ｓi 0.3%、Ｍn 0.
3%、Ｎi 0.2%、Ｃr 10.0%、Ｗ 6.0%、Ｍo 5.0%、Ｖ 5.2
%、Ｖ 5.2%、Ｃo 4.0%、Ｏ≦0.01、Ａl≦0.01、Ｎ≦0.0
5、残部Ｆeよりなり、Ｗ＋2Ｍo＝16、Ｃ−Ｃeq＝-0.653
〜+0.653を満たす鋼塊を粉末法により得た。この鋼塊に
熱間圧延を施し、7mm×50mm×2500mの平線を得た。この
平線を焼鈍し、曲り取りを行なった後、1160℃で真空焼
入れを行ない、560℃で焼もどしを行なった。焼もどし
はオーステナイトの残留を極力少なくするために３回実
施した。焼入れ焼もどし後の硬さは、HRCで67.9であっ
た。焼もどし後、機械加工により5mm×50mm×80mの試験
片を製造した。なお、この試験片の表面粗さはＲｚで0.
4μmに仕上げた。この試験片を用いてまず耐摩耗性を次
のように評価した。図２に示すように、試験片５に1.5m
/secで回転する(JIS)FC250材(HRC50)のローラ６を19kgf
の荷重で押し付けた。FC250材は10mm×φ50mmであり、
接触部にはエステル系潤滑油７を滴下した。摺動距離に
て3000mまでローラ６を回転させ、試験片５の摩耗量を
求めた。結果を図１に示す。この摩耗量は、摺動距離(m
m)当り押し付け荷重(kgf)当りの摩耗量(mm³)を比摩耗量
として(mm²/kgf)として表わした。

【００１３】図１よりＣ−Ｃeq＜-0.5では摩耗量が急激
に増加しており、ベーンに適さないものであることがわ
かる。また、同組成の試験片を用いて、腐食性の評価を
行なった。腐食液には、実機で生成するカルボン酸に代
わる酸として10%蟻酸−20%酢酸水溶液を用い、単位面
積、単位時間当りの腐食減量を求めた。各試験片の腐食
減量を図１に示す。Ｃ−Ｃeq＞-0.15では、腐食減量が
急激に増加しており、この範囲はベーン適さないことが
わかる。以上より、ベーンに有効な耐摩耗性、耐腐食性
両方を具備するためには、Ｃ−Ｃeq値を-0.5〜-0.15に
する必要があることがわかる。また、相手材との耐摩耗
性がベーンにとって最も重要であることを考えれば、図
１において摩耗量の小さいＣ−Ｃeq値範囲である-0.35
〜-0.15にすれば、より有効なベーンを提供できること
がわかった。

【００１４】（実施例２）表１に示すＮo.1〜11の本発
明のベーン組成およびＮo.12〜15の比較鋼の組成を有す
る鋼塊を粉末法で得た。この鋼塊に熱間圧延と機械加工
によりφ8mm×100mmの丸棒状の試験片５を製造した。な
お、本発明のベーン組成の試験片の炭化物の大きさは、
平均粒径で0.89〜1.21μmであった。熱処理は表２に示
す通りである。また、従来鋼としてＮo.16(JIS)ＳＫＨ
５１の組成を有する溶解法で得た鋼塊を同様に熱間圧延
と機械加工によりφ8mm×100mmの丸棒状の試験片５とし
た。製造した試験片に対し、摩耗性に対する最悪の条件
である無給油の状態を想定し、摩耗試験を次のように行
なった。図３に示すように試験片４を相手材８であるＦ
Ｃ２５０材(HRC50)に10kgfで押し付けながら50m/minの
速さで60分間摺動させ、摩耗量を測定し、比摩耗量を求
めた。また、実施例１と同様に10%蟻酸−20%酢酸水溶液
を用いて腐食減量を求めた。表２に試験片の硬さ、比摩
耗量および腐食減量を示す。表２に示すように本発明の
ベーンの組成を有する試験片(Ｎo.1〜11)は、比較鋼お
よび従来鋼に比べ、耐摩耗性およびカルボン酸に対する
耐腐食性に優れていることがわかった。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】（実施例３）重量％でＣ 1.9%、Ｓi 0.3
%、Ｍn 0.3%、Ｎi 0.2%、Ｃr 10.0%、Ｗ 6.0%、Ｍo5.0
%、Ｖ 5.2%、Ｖ 5.2%、Ｃo 4.0%、Ｏ 0.006%、Ａl 0.00
4%、Ｎ 0.03%または0.12%、残部Ｆeよりなり、Ｗ＋2Ｍo
＝16、Ｃ−Ｃeq＝-0.253を満たす鋼塊を粉末法により得
た。この鋼塊を熱間圧延し、ダイスによる冷間引抜きを
行なうことにより、4mm×21mm×3500mmの素材を得た。
この素材を曲り取りをした後、1160℃で真空焼入れを行
ない、560℃で３回の焼もどしを行なった。これを機械
加工し、図４に示すベーンを製造した。ベーンの寸法
は、図５に示すロータ２に接触する部分の曲率半径Ｒ＝
3mm、長さＬ＝20mm、幅Ｔ＝12.5mm、厚さＷ＝3mm、スプ
リング４の座となる溝の深さｄ＝2mm、溝底部径Ｄ₁＝φ
4.5mm、溝最大径Ｄ₂＝φ10mmである。このベーンに浸硫
窒化処理を施し、窒化層を形成した。窒化層を形成した
ものおよび窒化層のないものを実機に組み込み、HFC134
aの冷媒でエステル系潤滑油を用い、3ヶ月間連続運転
し、本発明のベーンとロータ(FC250材)の摩耗量を測定
した。結果を表３に示す。表３に示すように、窒素含有
量を増すことによりベーンの自体の摩耗量を少なくでき
ること、および窒化層を形成することにより、ベーン自
体の摩耗量とロータの摩耗量を両方ともさらに少なくで
きることがわかった。

【００１８】

【表３】

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ＨＦＣ系フロンに代表
される代替フロンを冷媒とする圧縮機において、従来の
ＳＫＨ５１クラスでは不十分であったベーンの耐摩耗性
が大幅に向上する。また本発明のベーンは、ＨＦＣ系フ
ロン用圧縮機の潤滑油が分解して形成されるカルボン酸
のごとき酸に対しても耐食性が大きい。したがって本発
明のベーンは、大きい耐摩耗性と耐食性により新しい冷
媒にも対応できるので代替フロン用の圧縮機を普及する
上で極めて有用な部品となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のベーン組成に関するＣ−Ｃeqと摩耗量
および腐食減量の関係を示す図である。

【図２】ベーンの耐摩耗性の評価方法を説明した図であ
る。

【図３】ベーンの耐摩耗性の別の評価方法を説明した図
である。

【図４】本発明のベーンの形状の例を示す図である。

【図５】ベーンを用いた圧縮機の構造を示す図である。

【符号の説明】

１ベーン２ロータ３シリンダ４スプリング５試験片６ローラ７潤滑油８相手材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 302 C22C 38/18 F04C 18/344 351

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でＣ 1.5〜2.8%、Ｃr 7.5〜12.0
%、Ｗ 18.0%以下、Ｍo 11.0%以下の１種または２種で、
12≦Ｗ＋2Ｍo≦22、Ｖ 3〜10%、Ｃo 1.0〜10%、Ｓi 1.0
%以下、Ｍn 1.0%以下、残部Ｆeおよび不可避不純物より
なり、さらにＣeq＝0.06×%Ｃr＋0.033×%Ｗ＋0.063×%
Ｍo＋0.2×%Ｖとするとき、Ｃ−Ｃeqが-0.5〜-0.15であ
ることを特徴とする耐腐食性、耐摩耗性に優れたことを
特徴とするベーン。
【請求項２】重量比でＣ 1.8〜2.0%、Ｃr 9.0〜10.5
%、Ｗ 2〜12%およびＭo 2〜8%を合計で14≦Ｗ＋2Ｍo≦1
8、Ｖ 4〜6%、Ｃo 2〜5%、Ｓi 0.1〜0.5%、Ｍn 0.1〜0.
5%、残部Ｆeおよび不可避不純物よりなり、さらにＣeq
＝0.06×%Ｃr＋0.033×%Ｗ＋0.063×%Ｍo＋0.2×%Ｖと
するとき、Ｃ−Ｃeqが-0.35〜-0.15であることを特徴と
する耐腐食性、耐摩耗性に優れたことを特徴とするベー
ン。
【請求項３】Ｎ 0.04〜0.15%である請求項１または２
に記載のベーン。
【請求項４】ベーンを構成する金属組織において、そ
の炭化物の平均粒径が1.5μm以下であることを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれかに記載のベーン。
【請求項５】表面に窒化層を有することを特徴とする
請求項１ないし４のいずれかに記載のベーン。