JPH0436458A - 摺動部品およびこれを用いた周波数可変型冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、摺動部品と、この摺動部品を用いた周波数可
変型冷媒圧縮機に関する。

（従来の技術） 機械部品の耐摩耗性を向上させるために、機械部品の表
面に窒化処理を施し、これにより装置の信頼性向上・長
寿命化を図ることが試みられている。

例えば、冷媒圧縮機を例として上述した窒化処理技術に
ついて説明する。まず、第６図を参照して冷媒圧縮機の
構造を説明する。第６図において、ケーシング１内には
図示しない周波数可変駆動型モータが収容され、このモ
ータにより回転するシャフト２がフレーム３の軸受に支
持されシリンダ４内を貫通し、さらにその下端部はサブ
ベアリング５の軸受に支持されている。

シャフト２のシリンダ４内の部分はクランク部（偏心部
）となっており、このクランク部とシリンダ４との間に
ローラ６が嵌合され、シャフト２の回転によりローラ６
は遊星運動する。また、シリンダ４を貫通してブレード
７が設けられ、スプリング８の付勢力によりブレード７
の一端側はローラ６の外周に接触し、シリンダ４内を吸
込室と吐出室に分割している。前記ローラ６の遊星運動
に応じてブレード７は往復運動する。

冷媒ガスはシャフト２の回転に伴うローラ６の遊星運動
に応じて、吸込口から吸込まれ、圧縮され、吐出口から
吐出されるが、この摺動部の動作を円滑にするためケー
シング１内には冷凍機油９が収容されている。この冷凍
機油９はシャフト２の回転により、シャフト２下端に設
けられて（するポンプ１０に沿って吸い上げられ、摺動
部を潤滑するようになっている。

このような構成を有する周波数可変型冷媒圧縮機では、
シャフト２を中心とする摩耗が大きな問題となっている
。

すなわち、シャフト２とサブベアリング５１こ関しては
、シャフト２がクランク部下面のスラスト部にモータ機
構のロータおよびシャフト２自身の重量を受けながらサ
ブベアリング５と超低速から超高速まで回転摺動するた
め摺動面の潤滑油膜か破断し、サブベアリング５の上面
のシャフト２のクランク部下面との摺動接触面か非常に
摩耗しやすくなるのである。

またシャフト２は、ローラ６を介してスプリング８やシ
リンダ４内の圧力を受け、フレーム３とサブベアリング
５に押付けられて若干湾曲した形状となって超低速から
超高速まで回転するため、シャフト２の外周面、フレー
ム３およびサブベアリング５の内周面において潤滑油膜
が破断し摩耗する。

こうした摩耗を防止するために、上記の各部材を構成す
る金属基材表面に各種の窒化処理による窒化鉄層を形成
し耐摩耗性を向上させることが試みられている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、周波数可変型冷媒圧縮機のシャフト等のように
超低速から超高速まで回転する部品においては、上述し
たような窒化処理を施しても、３０Ｈｚ以下の低速運転
時および１５０Ｈｚ以上の高速運転時には摺動相手材と
の摺動界面における潤滑油膜の破断が起こり、摩耗量の
増大は避けられないのが現状である。特に、窒化処理を
施した部材に対する摺動相手材が摩耗しやすい。

したがって、高信頼性のもとて周波数可変型冷媒圧縮機
を製造し、コストダウンを図るためには、潤滑油膜が破
断しやすい低速運転時および高速運転時における摺動部
材の耐摩耗性の向上が課題とされている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたも
ので、潤滑油膜が破断しやすい低速運転時および超高速
運転時における耐摩耗性を向上させることのできる摺動
部品と、この摺動部品を用いることにより広い周波数範
囲に渡って耐摩耗性を向上させ、ひいては装置の長寿命
化を図ることのできる周波数可変型冷媒圧縮機を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の摺動部品は、鉄系金属基材と、この鉄系金属基
材の表面に形成された窒化鉄を主成分とする窒化処理層
と、この窒化処理層の表面に形成され、厚さか０．５〜
２０μ騙である固体潤滑層とを有することを特徴として
いる。

また本発明による周波数可変型冷媒圧縮機は、密閉され
たケース内に収容された、モータ機構と、前記モータ機
構の駆動力を前記圧縮機構に伝達するシャフトを有する
周波数可変型冷媒圧縮機において、前記シャフトは、そ
の表面に窒化鉄を主成分とする窒化処理層と、この窒化
処理層の表面に厚さ　０．５〜２０μ謡の固体潤滑層と
が形成されていることを特徴としている。

本発明において、鉄系金属基材としては、通常、圧縮機
の摺動部品に用いられる鉄系材料であれば特に限定はな
く、例えば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、ステンレス鋼など
が挙げられる。

本発明において、窒化鉄を主成分とする窒化処理層の厚
さは、通常１〜１００μ■であり、好ましくは２〜２０
μ膳である。窒化処理層の厚さか厚くなりすぎると塑性
表面となって割れや剥離力（発生しやすく、逆に薄すぎ
ると窒化層本来の高硬度を活かすことができなくなるか
らである。

また、窒化処理層の形成方法としては、イオン窒化法が
被処理物に対して均一な処理を低温条件下で施すことが
可能であるため、圧縮機用の部品に対して好適である。

なぜならば、圧縮機用の部品は高寸法精度が要求される
もので高精度シこ精密加工されており、高温での処理は
部品に熱変形を生じさせ、組立ての際に使用不可能とな
るおそれがあるからである。

さらに、このような窒化処理層の表面に形成される固体
潤滑層は、なじみ性を有する摩耗しやすい固体自己潤滑
性物質である。

この固体潤滑層としては、層状構造を有し、荷重負荷条
件下で剪断応力の小さな自己潤滑性物質であれば何でも
よく、例えば、膜状に形成することが製造上容易な二酸
化モリブデン膜、リン酸マンガン化成膜、グラファイト
膜などが挙げられる。

この固体潤滑層の厚さは、摺動部品間のクリアランスに
より決定されるが、通常は０，５〜２０μｍであり、好
ましくは１〜５μ藷である。

固体潤滑層の厚さが２０μ廁を超えると大きな初期クリ
アランスか必要となるためなじみ後にガスリーク等が発
生しやすく、０．５μｍ未満であるとなじみに至る前に
摺動面から消失してしまうからである。

（作　用） 本発明の摺動部品は、基材表面に窒化鉄層と、さらにこ
の窒化鉄層上に固体潤滑層が形成されているため、冷媒
圧縮機の低速運転時あるいは高速運転時に潤滑油膜が摺
動面において一時的に破断した場合でも、窒化鉄層は化
学的に不活性な特性を有しているため摺動面が局部的な
高温状態になり難く、固体潤滑剤の熱分解が抑制され、
異常な摩耗を発生させることなく、優れた耐摩耗性を維
持することができる。

本発明によれば、固体潤滑層が化学的に不活性な窒化鉄
層上に形成されているため、金属材料の表面に直接固体
潤滑層が形成された場合の摺動界面と比較して、摺動面
の温度上昇が小さく、固体潤滑剤の剪断力が小さくなり
、動摩擦係数がより低減される。

具体的には、金属材料上に直接形成された固体潤滑剤に
よる摺動界面の動摩擦係数の低下率か５０％程度である
のに対して、窒化処理層上に形成された固体潤滑剤によ
る摺動界面における動摩擦係数の低下率は８０％以上と
なり、より高い耐摩耗性を得ることができる。

したかって、このような摺動部品を周波数可変型冷媒圧
縮機に用いることにより、低速運転時および高速運転時
においても良好な耐摩耗性が付与される。

さらに、動摩擦係数の低減によって圧縮機作動時の入力
値を下げることができ、高効率化を図ることができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

実施例 第１図は本発明の一実施例の摺動部品の断面図である。

同図において、鉄系金属基材１１の表面にはイオン窒化
法によって窒化鉄を主成分とする窒化処理層１２が形成
され、さらに窒化処理層１２の表面には固体潤滑層１３
が形成されている。

このような摺動部品を周波数可変型冷媒圧縮機のシャフ
トに適用した実施例について説明する。

まず、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）を所定形状
に切出したシャフトをアセトンで脱脂した後、ステンレ
ス製の容器からなるグロー放電型イオン窒化処理装置内
に挿入し、基板上にセットした。

次に、油拡散ポンプとロータリーポンプにより装置内を
１０’　　Ｔｏｒｒ程度まで排気し、基板加熱温度を３
５０℃とした。

次いで、Ｎ２ガスとＨ２ガスとの混合ガスを１０００８
ＣＣＨの流量で導入しながら、内部圧力を約５Ｔｏｒｒ
に維持した。

その後、電極間に１２００Ｖの電圧を印加し、電力量と
して被処理シャフトの表面積に対して０．５Ｗ／Ｃ−の
条件で７５分間のイオン窒化処理を施し、厚さ約１０μ
ｍの窒化処理層を形成した。この窒化処理層は窒化鉄を
主成分とし、拡散層＋化合物層の形で形成される。ここ
で形成される拡散層（よ、金属基材と化合物層との接合
状態を良好に保つと０う有用な作用を有するものである
。

次いで、イオン窒化処理装置からシャフトを取２＋　　
　２＋ り出し、Ｍｎ　　Ｓｒｅ　　　Ｈ２ＰＯ４−、ＮＯ３−
を含むリン酸塩化酸浴に浸漬し、シャフトに形成された
窒化処理層の表面にさらに約４μ鑓のリン酸マンガン化
成膜による固体潤滑層を形成した。

こうして得られたシャフトについて、その一部を切り出
し、イオン窒化処理表面層についてＸ線回折、リン酸マ
ンガン化成膜表面についてＸＭＡ（Ｘ線マイクロアナラ
イザー）分析を行った。

これらの結果を第２図および第３図に示す。

第２図はこの実施例における窒化処理層のＸ線回折パタ
ーンを示す図で、窒化処理層の表面にはＦｅｘＮｙ　　
（ｘ＝２−３　、ｙ−１）の化学組成値よりなる窒化鉄
層が確認された。

第３図はこの実施例における固体潤滑層のＸＭＡ分析結
果を示す図で、リン酸マンガン化成膜のリン（Ｐ）とマ
ンガン（Ｍｎ）の存在が確認された。

さらに、第４図に示すような装置を用いてシャフトの耐
焼付性、動摩擦係数を評価した。

この装置は、耐焼付性については、シャフト４１を鋳鉄
（ＰＣ２０）製ベアリング４２．４２ではさみこみ、シ
ャフト４１を回転させながらベアリング４２．４２のし
めつけによる荷重を変化させ、その動摩擦係数の変化を
調べる。

また、耐焼付性試験では、シャフト４１の回転数を２９
Ｏｒｐｍ、荷重上昇速度を２２．５ｋｇ　ｆ／３ａ＋ｉ
ｎ、とじて荷重と動摩擦係数の関係を調べるものである
。

この結果、この実施例で得たシャフトは低荷重領域での
低摩擦係数と高い焼付荷重値を有することが認められた
。すなわち、摩擦損失が小さいためにエネルギーの高効
率化が実現され、かつ焼付荷重値が高く信頼性の高い摺
動部品を得ることができた。

また、このシャフトを用いて、第６図に示した周波数可
変型冷媒圧縮機を組み立て、実機試験を行ったところ、
シャフトは軸受と凝着摩耗等を起こすことなく　６０ｒ
ｐｍの超低速運転から１００００ｒｐａ＋の超高速運転
まで良好な回転を示した。

比較例１ 表面に何も形成されていない鋳鉄（ＦＣＤ５５）製のシ
ャフトを用いて、実施例と同一条件でシャフトの耐焼付
性、動摩擦係数を評価した。この結果を実施例の結果と
併せて第５図に示す。

第５図かられかるように、鋳鉄（ＰＣＤ５５）製のシャ
フトは１２０ｋｇｆ以下の低荷重領域では低摩擦係数を
示すが、１４０ｋｇ　ｆて焼付きが生じ、耐焼付性の低
いものであった。

比較例２ 表面にイオン窒化法による窒化処理層のみが形成された
シャフトを用いて、実施例と同一条件でシャフトの耐焼
付性、動摩擦係数を評価した。この結果を実施例の結果
と併せて第５図に示す。

第５図かられかるように、窒化処理層のみが形成された
シャフトは、焼付荷重値が２２０ｋｇと高く、耐焼付性
に優れているものの、低荷重領域での摩擦係数が高いた
めに摩擦損失が大きく、エネルギ効率の低いものであっ
た。

これらの結果から明らかなように、鉄系金属基材の表面
に窒化処理層と、さらにこの窒化処理層上に固体潤滑層
を形成することにより、動摩擦係数を大きく低減させ、
摺動部品の耐焼付性を大きく向上させることができた。

さらにこの摺動部品を使用することによって冷媒圧縮機
のエネルギーの高効率化を図ることができた。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の摺動部品は優れた耐焼付
性を示し、動摩擦係数を大きく低減させることができる
。

よって、この摺動部品を用いた周波数可変型冷媒圧縮機
は超低速から超高速まで広い周波数域に渡って良好に運
転が行われ、エネルギーの高効率化、回転速度の可変範
囲の拡大、および長寿命化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の摺動部品の断面図、第２図
は窒化処理層のＸ線回折結果を示す図、第３図はリン酸
マンガン化成膜のＸＭＡ分析結果を示す図、第４図は摩
擦摩耗試験機の断面図、第５図は耐焼付性試験の結果を
示す図、第６図は周波数可変型冷媒圧縮機を一部破断し
て示す図である。 １・・・ケーシング、２・・・シャフト、３・・・フレ
ーム、４・・・シリンダ、５・・・サブベアリング、６
・・・ローラ、７・・・ブレード、８・・・スプリング
、９・・・冷凍機油、１０・・・ポンプ、１１・・・鉄
系金属基材、１２・・・窒化処理層、１３・・・固体潤
滑層。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系金属基材と、 この鉄系金属基材の表面に形成された窒化鉄を主成分と
   する窒化処理層と、 この窒化処理層の表面に形成され、厚さが０．５〜２０
   μｍである固体潤滑層と を有することを特徴とする摺動部品。
2. （２）密閉されたケース内に収容された、モータ機構と
   、前記モータ機構の駆動力を前記圧縮機構に伝達するシ
   ャフトを有する周波数可変型冷媒圧縮機において、 前記シャフトは、その表面に窒化鉄を主成分とする窒化
   処理層と、この窒化処理層の表面に厚さ０．５〜２０μ
   ｍの固体潤滑層とが形成されていることを特徴とする周
   波数可変型冷媒圧縮機。