JPH05171376A

JPH05171376A - ベーン用材料およびベーンならびにベーンの製造方法

Info

Publication number: JPH05171376A
Application number: JP4140856A
Authority: JP
Inventors: Norimasa Uchida; 憲正内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1993-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】代替フロンを冷媒とした圧縮機に使われ、耐
摩耗性を向上させるベーン用材料およびベーンの製造方
法。【構成】Ｃ 1.0〜2.5%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 1.0%以
下、Ｃr 3〜6%とＷ 20%以下、Ｍo 12%以下の１種または
２種がＷ＋2Ｍoで15〜28%、Ｖ，Ｎbの１種または２種を
3.5〜10%、必要に応じてＣo,Ｎiの１種または２種を1〜
15%含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物の組成からな
り、基地中には炭化物が均一分散し、その平均粒径が1.
5μm以下、最大粒径が6μm以下であるベーン用材料およ
びベーンならびに前記組成からなるアトマイズ粉末を圧
密化後、熱間加工または熱間加工および冷間加工により
製造する方法。

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、ベーンポンプ等の圧縮機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１に示
すように、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ＳＫＨ５１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６１−４８５５
６号、特開昭６４−３５０９１号、特開平２−１０２３
９２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、クロロフルオロカーボン（以下ＣＦＣ
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剤
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
のフロンを使用するものと比較して以下の問題がある。冷媒の潤滑性が劣る。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。潤滑油の潤滑性が劣る。潤滑油の吸湿性が大きくなる。

【０００４】上記の原因によって、従来のベーンではロ
ータとの摺動摩耗が極端に加速され、はなはだしい場合
は、ロータとのカジリを起すことがあり、実用的な圧縮
機としての寿命が得られないことが明らかとなってき
た。本発明の目的は、主にＨＦＣ系フロンを冷媒とする
圧縮機に用いられる新規なベーン用材料をおよびベーン
ならびにベーンの製造方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のうち第１発明
は、重量%でＣ 1.0〜2.5%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 1.0%以
下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 20%以下、Ｍo 12%以下の１種また
は２種がＷ＋2Ｍoで15〜28%、Ｖ，Ｎbの１種または２種
を3.5〜10%を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物の組
成からなり、基地中には炭化物が均一分散し、その平均
粒径が1.5μm以下、最大粒径が6μm以下であることを特
徴とするベーン用材料であり、第２の発明は、重量%で
Ｃ 1.0〜2.5%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 3〜6
%と、Ｗ 20%以下、Ｍo 12%以下の１種または２種がＷ＋
2Ｍoで15〜28%、Ｖ，Ｎbの１種または２種を3.5〜10%、
Ｃo，Ｎiの１種または２種を合計で1〜15%を含み、残部
Ｆeおよび不可避的不純物の組成からなり、基地中には
炭化物が均一分散し、その平均粒径が1.5μm以下、最大
粒径が6μm以下であることを特徴とするベーン用材料で
あり、第３の発明は、各元素の範囲が最も望ましい範囲
からなるもので、重量％でＣ 2.0〜2.5%、Ｓi 0.1〜0.6
%、Ｍn 0.1〜0.6%以下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 20%以下、Ｍo
12%以下の１種または２種がＷ＋2Ｍoで17〜26%、Ｖ，
Ｎbの１種または２種を6〜10%、Ｃo,Ｎiの１種または２
種を合計で7〜12%を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純
物の組成からなり、基地中には炭化物が均一分散し、そ
の平均粒径が1.5μm以下、最大粒径が6μm以下であるこ
とを特徴とするベーン用材料である。第４の発明は、基
地中にＭＣ型炭化物の分散する面積率が15%以上である
第１ないし３の発明に記載のベーン用材料であり、第５
の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかに記載の組
成からなるベーンであり、第６の発明は第１ないし第４
発明のいずれかに記載のベーンの少なくとも摺動面に硬
化処理層を有することを特徴とするベーンであり、第７
の発明は第１ないし第４発明のいずれかに記載のベーン
の少なくとも摺動面に硬化皮膜処理層を有することを特
徴とするベーンであり、第８の発明は、第１ないし第４
の発明のいずれかに記載の組成からなるアトマイズ粉末
を圧密化後、熱間加工または熱間加工および冷間加工に
より製造し、実質的に空孔のないことを特徴とするベー
ンの製造方法である。

【０００６】

【作用】以下に本発明における各元素の作用および数値
の限定理由について述べる。Ｃは同時に添加するＷ，Ｍ
o,Ｖなどと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を高
め、相手材とのカジリを少なくする効果がある。また、
一部は基地に固溶して基地の硬さを高くし、耐摩耗性を
向上する効果もある。したがって、Ｗ，Ｍo,Ｖなどの炭
化物形成元素の添加量との兼ね合いで最適のＣ含有量が
ある。本発明の範囲ではＣが1.0%未満では基地の硬さが
十分に得られず、形成される炭化物量も少ない。逆に2.
5%を越えると靭性が劣化すること、また熱間加工性が難
しくなることの理由で、Ｃは1.0〜2.5%とした。最も優
れた特性が得られるＣの範囲は2.0〜2.5%である。

【０００７】Ｓiは脱酸元素として鋼質を改良する効果
がある。また、基地に固溶して基地の硬さを高める効果
もある。しかし、1.5%以上となると靭性が低下するので
Ｓiは1.5%以下とした。Ｓiの望ましい範囲は0.1〜0.6%
である。Ｍnも脱酸元素として鋼質を改良する効果があ
るので、Ｍn1.0%以下とした。Ｍnの望ましい範囲は0.1
〜0.6%である。

【０００８】Ｃrは炭化物を形成して耐摩耗性を高める
効果がある。さらに基質に固溶して焼入れ性を付与し、
また基地の耐食性も向上させる。特に本発明において
は、代替フロンのＨＦＣが吸湿性が高いこと、潤滑油が
分解してカルボン酸のごとき酸を形成することのため
に、ベーンは弱い腐食環境下において作動している。こ
のために、ベーンにおきる異常摩耗は、単純なアブレッ
シブ型摩耗のみでなく、腐食も介在したメカニズムによ
って発生しているものと推定される。この場合、Ｃrの
他、後述するＭoやＣo,Ｎiの基地への固溶がベーンの耐
食性を高め、摩耗を減少させる効果がある。Ｃrが3%未
満では、上記の効果が少なく、逆に6%を越えると熱処理
によって硬さが得られにくくなるなどの理由でＣrは3〜
6%とした。

【０００９】ＷおよびＭoは、Ｃと結合して、Ｍ₆Ｃ型の
炭化物を形成し、耐摩耗性、耐カジリ性を高める。ま
た、基地に固溶した後、焼もどしで析出硬化し、基地の
硬さを高める効果もある。Ｍoはカルボン酸による腐食
を抑える効果もある。ＭoはＷに対し２倍の効果があ
る。Ｗ 20%以下、Ｍo 12%以下の１種または２種がＷ＋2
Ｍo量で15%未満では上記の効果が少なく、逆に28%を越
えると靭性が低下し、熱間加工性も低下するのでＷ＋2
Ｍoで15〜28%とした。Ｗ＋2Ｍoの望ましい範囲は17〜26
%である。

【００１０】ＶおよびＮbは、本発明において重要な作
用を示す元素である。すなわち、ＶおよびＮbは、Ｃと
結合してＭＣ型の炭化物を形成する。この炭化物をベー
ン表面に微細かつ均質に分散させると、ベーンの摩耗が
減少するとともに相手のロータの摩耗をも抑えることが
できる。圧縮機の構造や相手ロータの材質、また必要と
する寿命数にもよるが、ＶおよびＮbの１種または２種
を3.5%以上でＨＦＣ系の代替フロン用ベーンとして必要
な特性を付与可能となるが、特に6%以上を添加するとそ
の効果は顕著となる。3.5%未満では上記の効果が十分で
なく、逆に10%を越えると、アトマイズが難しいこと、
熱間加工が難しいことの理由でＶおよびＮbの１種また
は２種を3.5〜10%とした。

【００１１】ＣoおよびＮiは基地に固溶して、本発明で
重要なカルボン酸による腐食を抑える効果が高い。すな
わち、前記のごとく、ＨＦＣ系等の代替フロンを冷媒に
用いると腐食摩耗的作用も併発してベーンの異常摩耗が
起きるが、ＣoおよびＮiの１種または２種を合計で1〜1
5%を基地に固溶させることにより異常摩耗を軽減でき、
特に7%以上で硬化が大きい。しかし、12%を越えると靭
性が低下するので上限は12%とした。また、Ｃoは基地の
硬さを高くして、ベーンの摩耗を抑える作用もあり、さ
らには相手ロータとのカジリを抑える作用も認められ
た。

【００１２】ベーンはロータやシリンダと摺動しなが
ら、圧縮機としての機能を果たしている。従来から知ら
れている高Ｖ系高速度鋼や高Ｃo系高速度鋼をベーン材
として用いた場合、ベーンの耐摩耗性は良くなる。しか
し、ミクロ組織を構成する炭化物粒子のサイズが大きい
ために、相手のロータやシリンダを攻撃して極度に摩耗
させるので、ベーン材としては適さない。これを解決す
るために、本発明ではベーンのミクロ組織を構成する炭
化物粒子の径を相手ロータやシリンダを攻撃しないまで
に微細化させるとよいことを見出した。具体的には、炭
化物の平均粒径が1.5μm以下であり、かつ最も大きい炭
化物の径が6μm以下とすることが必要である。これより
大きくなると、ベーンの摩耗は少ないが、ロータやシリ
ンダの摩耗が進んで圧縮能力が低下する。

【００１３】また、ベーンのミクロ組織を構成する炭化
物の中では、特にＭＣ型炭化物がベーンの摩耗を抑制す
るだけでなく、相手ロータやシリンダの摩耗をも抑える
効果が大きいことを知見した。ＭＣ型炭化物の分散する
面積率が15%未満では効果が少ないため、ＭＣ型炭化物
の分散する面積率を15%以上に限定する。ベーン材の炭
化物を微細、均一分散させるには、上記組成のアトマイ
ズ粉をＨＩＰ等を用いて圧密化した後、熱間加工により
さらに必要に応じて冷間加工によって、ベーンの断面形
状に近い平角鋼を製造し、ベーンとすることが最適であ
る。この手法によれば溶製法に比較して、微細な金属組
織のベーン用材料を得ることができ、また、ミクロボイ
ドなどの焼結法特有の欠陥もないので品質のバラツキも
小さく有効である。上述のベーン用材料を用いて製造し
たベーンに窒化、浸硫窒化、酸窒化などの表面を硬化さ
せたり、窒化物などの分散粒子の面積率を増やす処理を
施すと、ベーンおよびロータの寿命はさらに向上する。
また、ＴiＮやＮi-Ｐコンポジット膜などの硬質で摩擦
力を下げる膜を被覆してもベーンやロータの寿命は大幅
に向上する。

【００１４】

【実施例】以下に実施例を示す。 (実施例１）表１に示す１０種類のベーン用材料を作製
した。このうち、本発明の材料であるＡ〜ＩおよびＫ〜
Ｍはガスアトマイズ粉をキャンニング後、ＨＩＰで圧密
化し、熱間鍛造と熱間圧延で平角鋼としたものを用い
た。従来材Ｊは従来の高速度工具鋼ＳＫＨ５１であり、
大気溶解、造塊した鋼塊を同様に熱間鍛造と熱間圧延で
平角鋼としたものを用いた。表２には表１に示したベー
ン材の焼入れ−焼もどし硬さ（HRC)、この状態で鋼材中
に含有される炭化物の面積率と平均粒径および最大粒
径、摩耗試験による摩耗減量、腐食試験による腐食減量
をそれぞれ示す。なお。摩耗試験は以下の要領で実施し
た。ベーン材を板形状とし、ロータ材に相当するＦＣ２
５をリング形状として、ＨＦＣフロンの代表であるＨＦ
Ｃ１３４ａに相溶するエステル系潤滑油を滴下しなが
ら、互いに摺動させ、その摩耗減量を求めた。表２中に
は、従来材ＳＫＨ５１を板、ＦＣ２５をリングとして試
験したときの板、リングそれぞれの摩耗量を1.0とし
て、各種ベーン材およびそのときのリングの摩耗量を相
対比較値として求めて評価した。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】（実施例２）表１に示す記号Ｃ，Ｈ，Ｋの
材料を用いて、実施例１と同じ摩耗試験用の試験片を作
製した後、これの摩擦面に窒化、浸硫窒化、酸窒化処理
を施した。さらに別の試験片においては、物理蒸着法に
よりＴiＮ膜をメッキ法によりＮi-Ｐ-ＳiＣコンポジッ
トメッキ膜をそれぞれ形成させた。これらの試験片を用
いて実施例１と同じ条件で摩耗試験および腐食試験を行
なった。その結果を表３に示す。表３によれば、本発明
のベーン用材料に表面硬化処理あるいは硬質膜被覆処理
を施すことにより、ベーンおよび相手材の摩耗を大幅に
低減させることができる。

【００１８】

【表３】

【００１９】（実施例３）表１に示す記号Ａ、記号Ｈお
よび従来の溶製高速度工具鋼であるＳＫＨ５１（記号
Ｊ）の材料を用いて、実際にベーンを作製し、ＨＦＣ１
３４ａを冷媒とする実機ロータリーコンプレッサに組み
込んで寿命評価試験を行なった。なお、実機テスト中の
評価はロータリーコンプレッサに設けた圧力計の圧力変
化によってベーンの摩耗ないし損傷状況を推定した。実
機テストの結果、従来材のＳＫＨ５１をベーンに用いた
テスト機の圧力が運転開始後125時間目に圧力が急変し
たため、運転を停止してベーンの状況を観察した。その
結果、ＳＫＨ５１製のベーンはロータと摺動する面に部
分的なカジリが認められ、一方対向するロータ周面にも
カジリによる条痕が観察された。これに対して、本発明
の記号Ａおよび記号Ｈ製のベーンを用いたロータリーコ
ンプレッサは運転時間が720時間経過した後も圧力変化
が認められずテストを中止した。

【００２０】

【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
ベーン材料である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、炭化物を微細に均一分散あるいはＭＣ型炭化物の
分散する面積率を多くすることで相手材であるロータや
シリンダの摩耗やカジリを抑える効果が大きいだけでな
く、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。
さらに、少なくともベーンの摺動面に表面硬化処理層や
硬質皮膜処理層を設けることで、より長寿命の圧縮機と
することができる。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対応できるので
環境規制に対応した圧縮機が実用化できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータリーコンプレッサの一例を示す断面図で
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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量%でＣ 1.0〜2.5%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 1.0%以下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 20%以下、Ｍo 12%以下
の１種または２種がＷ＋2Ｍoで15〜28%、Ｖ，Ｎbの１種
または２種を3.5〜10%を含み、残部Ｆeおよび不可避的
不純物の組成からなり、基地中には炭化物が均一分散
し、その平均粒径が1.5μm以下、最大粒径が6μm以下で
あることを特徴とするベーン用材料。
【請求項２】重量%でＣ 1.0〜2.5%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 1.0%以下、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 20%以下、Ｍo 12%以下
の１種または２種がＷ＋2Ｍoで15〜28%、Ｖ，Ｎbの１種
または２種を3.5〜10%、Ｃo,Ｎiの１種または２種を1〜
15%含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物の組成からな
り、基地中には炭化物が均一分散し、その平均粒径が1.
5μm以下、最大粒径が6μm以下であることを特徴とする
ベーン用材料。
【請求項３】重量％でＣ 2.0〜2.5%、Ｓi 0.1〜0.6
%、Ｍn 0.1〜0.6%、Ｃr 3〜6%と、Ｗ 20%以下、Ｍo 12%
以下の１種または２種がＷ＋2Ｍoで17〜26%、Ｖ，Ｎbの
１種または２種を6〜10%、Ｃo,Ｎiの１種または２種を
合計で7〜12%を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物の
組成からなり、基地中には炭化物が均一分散し、その平
均粒径が1.5μm以下、最大粒径が6μm以下であることを
特徴とするベーン用材料。
【請求項４】基地中にＭＣ型炭化物の分散する面積率
が15%以上である請求項１ないし３のいずれかに記載の
ベーン用材料。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の材
料からなるベーン。
【請求項６】少なくとも摺動面に硬化処理層を有する
請求項１ないし４のいずれかに記載のベーン。
【請求項７】少なくとも摺動面に硬化皮膜処理層を有
する請求項１ないし４のいずれかに記載のベーン。
【請求項８】請求項１ないし４のいずれかに記載の組
成からなるアトマイズ粉末を圧密化後、熱間加工または
熱間加工および冷間加工により製造し、実質的に空孔の
ないことを特徴とするベーンの製造方法。