JPH0559496A

JPH0559496A - ベーン材

Info

Publication number: JPH0559496A
Application number: JP24486091A
Authority: JP
Inventors: Kanji Notomi; 富完至納; Kazuyuki Tomita; 田和幸富
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-03-09
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: JP2889025B2

Abstract

(57)【要約】【構成】Ｃ１.２〜２.５ｗｔ％、Ｃｒ１５〜２５ｗ
ｔ％、Ｍｏ、Ｖの１種または２種７ｗｔ％以下、Ｓｉ
０.２〜１.０ｗｔ％、Ｍｎ０.２〜１.０ｗｔ％を含
有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、最大粒径
８μｍ以下の微細なＭ₇Ｃ₃型炭化物を基地中に１５〜３
０％含有し、曲率部が窒化されているベーン材である。【効果】耐焼き付き性が従来のＳＵＳ４４０Ｂ材の窒化
処理材に比較して高く、潤滑条件の苛酷な高面圧におけ
る運転条件下でも焼き付きが発生しにくく、粗大な炭化
物が存在せず、炭化物は全て微細状態で分散しているた
め、冷間加工時にも炭化物の割れることによる微小な空
洞、或いは、基地と炭化物の界面において微小な空洞を
生じることがなく、従って、窒化処理によっても窒化層
中の炭化物と炭窒化物は均一微細な状態となるため、高
速および高面圧における運転時に爆発圧力と高い摩擦力
による繰り返し応力によって、窒化層の中から微小割れ
を生じて、ついには、フレーク状に摺動面から部分的に
剥離する現象が起こりにくいものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はベーン材に関するもので
あり、さらに詳しくは、空調用圧縮機および油圧ポンプ
のベーン材に関する。

【０００２】

【従来技術】一般的に、空調用圧縮機および油圧ポンプ
において、特に、使用条件の厳しい用途のベーン材とし
て、いままではＳＫＨ−９等の高速度鋼が使用されて来
ている。そして、最近になって、空調用圧縮機および油
圧ポンプの高速化と共に耐用年数を延長したいという要
求があり、より一層の耐焼き付き性および耐摩耗性に対
する要望が高くなっている。そのため、ＳＵＳ４４０Ｂ
の材料に窒化処理を行って表面に窒化層を設けて使用さ
れるようになってきた。

【０００３】しかして、ＳＵＳ４４０Ｂ材を使用したベ
ーンは、耐焼き付き性および耐摩耗性の点においては、
ＳＫＨ−９の材料より優れているが、以下説明するよう
な問題がある。耐焼き付き性が、未だ不充分であり、高面圧における
潤滑条件の苛酷な運転状況においては、焼き付きが発生
する傾向にある。粗大な炭化物が存在しており、塑性冷間加工時に炭化
物が割れることにより、微小な空洞を生成したり、或い
は、基地と炭化物との界面において微小な空洞が生成
したり、また、窒化層中に炭窒化物がネット状に生成し
易く、上記の粗大な炭化物の存在と空洞の存在とも相
俟って、高い背圧と高い摩擦力が繰り返し負荷される
ような条件下においては、窒化層中の空洞および粗大炭
化物が内部欠陥として作用し、そこから微小な割れを
生じ、ついには、ネット状の炭窒化物に沿って割れが
伝播して摺動面から部分的にフレーク状に剥離するよう
になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記に説明し
た従来の空調用圧縮機および油圧ポンプ等に使用される
ベーン材の種々の問題点に鑑み、鋭意研究を行い、検討
を重ねた結果、耐焼き付き性を改善し、粗大炭化物の存
在を皆無とし、さらに、空洞の生成を無くし、窒化層が
剥離することのないベーン材を得るために、従来の窒化
処理されたＳＵＳ４４０Ｂ材の問題点である、耐焼き付
き性が未だ不充分であり、高面圧における潤滑条件の苛
酷な運転状況においては、焼き付きが発生する傾向にあ
ることを、基地中に分散する炭化物をＭ₇Ｃ₃型とし、そ
の炭化物の大きさを８μｍ以下の微細状態として均一に
分散させ、かつ、基地中に占める炭化物の含有量（面積
率）を１５〜３０％と高くすることにより、さらに、Ｃ
ｒを含有させて窒化層の硬度を高くすることにより解決
し、また、粗大な炭化物が存在しており、塑性冷間加工
時に炭化物が割れることにより、微小な空洞を生成した
り、或いは、基地と炭化物との界面において微小な空洞
が生成したり、また、窒化層中に炭窒化物がネット状に
生成し易く、上記の粗大な炭化物の存在と空洞の存在と
も相俟って、高い背圧と高い摩擦力が繰り返し負荷され
るような条件下においては、窒化層中の空洞および粗大
炭化物が内部欠陥として作用し、そこから微小な割れが
生成し、ついには、ネット状の炭窒化物に沿って割れが
伝播して摺動面から部分的にフレーク状に剥離するよう
になることを、合金粉末を出発材料として使用すること
により、液相を生成させることなく真密度の材料とし
て、結晶粒を微細化し、炭化物の大きさを８μｍ以下の
微細状態とすることで、ベーン材の製造時に発生する内
部空洞を皆無とした材料とし、従って、窒化層中の内部
欠陥として作用する粗大な炭化物および空洞がないの
で、割れの発生がしにくく、また、結晶粒を小さくする
ことにより均一、かつ、緻密な窒化層とし、低温時の運
転においても摺動面の窒化層がフレーク状に部分的に剥
離することを無くすことができるベーン材を開発したの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るベーン材の
特徴とするところは、Ｃ１.２〜２.５ｗｔ％、Ｃｒ１
５〜２５ｗｔ％、Ｍｏ、Ｖの１種または２種７ｗｔ％
以下、Ｓｉ０.２〜１.０ｗｔ％、Ｍｎ０.２〜１.０
ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からな
り、最大粒径が８μｍ以下の微細なＭ₇Ｃ₃型炭化物を基
地中に１５〜３０％含有しており、さらに、曲率部が窒
化されている粉末冶金法によるベーン材である。

【０００６】本発明に係るベーン材について、以下詳細
に説明する。先ず、本発明に係るベーン材の含有成分お
よび成分割合について説明する。

【０００７】ＣはＦｅ中に固溶して強度に寄与し、特
に、炭化物を形成して耐摩耗性および耐焼き付き性を向
上させる元素であり、炭化物の含有量（面積率）を１５
〜３０％とするためには、Ｃ含有量は１.２〜２.５ｗｔ
％とする必要があり、この範囲内において炭化物をＭ₇
Ｃ₃型とするためには、炭化物形成元素の含有量とのバ
ランスを考慮し、特に、Ｃｒの含有量により調整される
が、Ｃｒ含有量が多い場合には、Ｃ含有量を多くし、ま
た、Ｃｒ含有量が少ない場合は、Ｃ含有量を少なくする
必要がある。

【０００８】Ｃｒは炭化物形成元素であり、また、窒化
処理によりＮと結合し易く、窒化層内において表面にお
いては炭窒化物として存在し、内部においては炭化物と
して分散し、また、炭化物として含有されないＣｒは基
地に固溶しており、窒化処理によってＮと結合して窒化
物の硬度を高くして、耐焼き付き性を向上させる元素で
あり、含有量が１５ｗｔ％未満では窒化層の硬度が不充
分であり、耐焼き付き性向上には効果が少なく、また、
２５ｗｔ％を越えて含有させると塑性加工性を劣化させ
る。よって、Ｃｒ含有量は１５〜２５ｗｔ％とする。

【０００９】Ｍｏ、Ｖは極めて微細な炭化物となり、材
料の高温強度および硬度を高くし、かつ、焼入れ性を向
上させる元素であり、含有量が７ｗｔ％を越えて含有さ
せると靭性が低下して細線加工が困難となる。よって、
Ｍｏ、Ｖは１種または２種を７ｗｔ％以下とする。

【００１０】Ｓｉは溶解時に脱酸剤となり、材料の硬度
を上昇させる元素であり、含有量が０.２ｗｔ％未満で
は脱酸剤としての効果は不充分であり、また、１.０ｗ
ｔ％を越えて含有させると冷間塑性加工性を劣化させ
る。よって、Ｓｉ含有量は０.２〜１.０ｗｔ％とする。

【００１１】ＭｎはＳｉと同様に溶解時に脱酸剤とな
り、基地に固溶して焼入れ性を向上させ、また、材料の
強度および靭性に悪影響を与えるＳと結合して硫化物を
形成し、材料に対する強度および靭性の影響を低減させ
る元素であり、含有量が０.２ｗｔ％未満ではこのよう
な効果は少なく、また、１.０ｗｔ％を越えて含有させ
ると塑性加工性を劣化させる。よって、Ｍｎ含有量は
０.２〜１.０ｗｔ％とする。

【００１２】次に、本発明に係るベーン材の炭化物の形
態、粒径および含有量（面積率）について説明する。

【００１３】従来、ベーン材として苛酷な条件下で使用
されているＳＵＳ４４０Ｂ中の炭化物は、Ｍ₂₃Ｃ₆型で
あるが、本発明に係るベーン材の炭化物はＭ₇Ｃ₃型であ
り、炭化物としてＭ₂₃Ｃ₆型よりも硬度が高く、窒化層
中に分散しており、優れた耐摩耗性および耐焼き付き性
を発揮する。

【００１４】また、Ｍ₇Ｃ₃型の炭化では、Ｍ₂₃Ｃ₆型、
およびＭ₃Ｃ型炭化物を除く、他の炭化物として、例え
ば、ＭＣ型、Ｍ₆Ｃ型、Ｍ₂Ｃ型の炭化物に比較して、窒
化処理に際して結晶構造が不安定な化合物であり、従っ
て、窒化処理時より炭化物中のＣがＮと容易に置換され
て、炭窒化物になり易いのである。

【００１５】そして、硬度の高い炭窒化物とすること
は、耐摩耗性および耐焼き付き性に有効であり、高い含
有率（面積率）のＭ₇Ｃ₃型炭化物を有する本発明に係る
ベーン材は、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物が本来有している優れた特
性に加え、炭窒化物との相乗効果により、優れた耐摩耗
性および耐焼き付き性を期待することができる。

【００１６】また、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物を最大粒径８μｍ以
下とするのは、炭化物の粒径が大きいとベーン材を製造
する過程における塑性加工工程において、延性が不足
し、高い加工率により変形が容易に行えないこと、およ
び、基地と炭化物との界面に空洞を生じて、ベーン先端
のＲ部のように大きな面圧下で高い摩擦力を受ける部分
の窒化層中で内部欠陥として作用して、窒化層がフレー
ク状に剥離することを防止するためである。よって、Ｍ
₇Ｃ₃型炭化物の最大粒径は８μｍ以下とする。

【００１７】次に、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物の含有量（面積率）
を１５〜３０％とするのは、これは窒化層中に分散して
いる炭窒化物の量が多量であると、耐焼き付き性を向上
させる効果が大きく、含有量が１５％未満ではこのよう
な効果が不充分であり、また、３０％を越えるとベーン
材としてニアネットシェイプの帯材状とすることが困難
となることによる。よって、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物の含有量
（面積率）は１５〜３０％とする。

【００１８】

【実施例】本発明に係るベーン材について実施例を
比較例と共に説明する。

【００１９】

【実施例１】表１に示す含有成分および成分割合の
Ｆｅ合金（本発明に係るベーン材はＣ、Ｄ、Ｅ）を溶解
した後、窒素ガス・アトマイズ法により合金粉末とな
し、１００μｍ以下に篩分けを行い、次いで、軟鋼製の
容器に充填して真空引きを行いながら容器のシール溶接
を行う。その後、熱間において静水圧のもとで完全に真
密度とするためにＨＩＰ処理を行った後、表面の軟鋼を
切削除去してから、分塊圧延を行ってφ８ｍｍの丸棒を
製作した。

【００２０】なお、比較のために、従来の溶解法により
製造されたＳＵＳ４４０Ｂを比較材Ａとし、このＳＵＳ
４４０Ｂの同一の含有成分および成分割合のものを上記
と同様に粉末冶金法により製造した材料を比較材Ｂと
し、これら２つの比較材Ａ、Ｂは共に分塊圧延によりφ
８ｍｍの丸棒を製作した。

【００２１】上記に説明した各材料から５ｍｍ角、長さ
１０ｍｍの角状の試験片を作成して、１０００〜１０５
０℃の温度に加熱後、急冷を行い、５００〜５５０℃の
温度で焼戻しを行い、硬度をＨRＣ５５〜６０の間に揃
えた。この窒化処理後に最表面に形成された脆い窒化物
を取り除くために、摺動面を１５〜２０μｍ程度ラップ
仕上げにより除去し、表面粗さをＲｚ：１μｍ程度とし
た。

【００２２】試験前の試験片について、窒化処理前にＸ
線回析による炭化物の定性分析、画像解析装置による炭
化物の含有量（面積率）の定量測定の調査結果および窒
化処理後の窒化層の硬度および窒化深さを表２に示す。
本発明に係るベーン材（Ｃ、Ｄ、Ｅ）は、粉末冶金法に
より製造されたために炭化物の平均粒径は２μｍ以下で
あり、さらに、炭化物はＭ₇Ｃ₃型であり、その含有量
（面積率）は１８〜２５％であり、窒化層の硬度はＨｍ
Ｖ１１７０以上であり高い値を示している。

【００２３】さらに、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物であるので結晶構
造が不安定であり、窒化処理により容易にＣがＮと置換
されて、炭窒化物になり易く、硬度の高い炭窒化物が得
られる。従って、本発明に係るベーン材は高い含有量
（面積率）のＭ₇Ｃ₃型炭化物を有するものであるから、
Ｍ₇Ｃ₃型炭化物の本来の特性に加えて、炭窒化物の特性
の両方の相乗効果により、優れた耐摩耗性および耐焼き
付き性を期待することができる。

【００２４】比較材Ａ、比較材Ｂは窒化層の硬度はＨｍ
Ｖ１１５０と低く、また、炭化物の含有量（面積率）も
１１％と低いものであり、かつ、炭化物はＭ₂₃Ｃ₆型で
あり、さらに、比較材Ａの炭化物は粗大である。従っ
て、これら比較材は、窒化処理後の炭窒化物の含有量
（面積率）および残存する炭化物の硬度も低いので、優
れた耐摩耗性および耐焼き付き性は期待できない。

【００２５】試験装置はピンーディスク型摩耗試験機で
あり、ピンは上記に説明した５ｍｍ角の試験片を用い、
ディスクには直径７０ｍｍ、厚さ８ｍｍの研磨仕上げを
行ったシリンダー材（ＦＣ−２５）の円盤試験片を用い
た。試験においては、試験装置にピンおよびディスクを
固定し、所定の押し付け圧力によりピンとディスクを接
触させる。この接触面に所定量のコンプレッサーオイル
（スニソ５ＧＳ）を供給しながら、ピンを円弧状に８ｍ
ｍ／ｓｅｃの一定速度で摺動させる。この時、試験方に
働く押し付け圧力を段階的に増加させ、摩擦力によって
生じるトルクが急増する時の面圧により焼き付き発生面
圧とし、その大小により耐焼き付き性の相対比較を行う
ものである。繰返し数は５回とした。

【００２６】図１に試験結果を示す。本発明に係るベー
ン材（Ｃ、Ｄ、Ｅ）は、従来のＳＵＳ４４０Ｂ材の比較
材Ａを遥かに上回る耐焼き付き性を示しており、粉末冶
金法により作成した比較材Ｂと比較しても充分上回る耐
焼き付き性を示している。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【実施例２】実施例１と同様な方法により、５ｍｍ
角の長さ２０ｍｍの角状の試験片を作成し、１０００〜
１０５０℃の温度に加熱後、急冷し、５００〜５５０℃
の温度で焼戻しを行い、硬度をＨRＣ５５〜６０の間に
揃えた。さらに、相手材と接触して摺動する面をＲ６と
なるように研磨を行った後ガス窒化を行い、最表面（Ｒ
面）に形成された脆い窒化物を取り除くために、Ｒ摺動
面に沿って１５〜２０μｍ程度ラップ仕上げにより除去
して、表面粗さをＲｚ：１μｍ程度とした。

【００３０】相手材であるシリンダー材（ＦＣ−２５）
は、直径４６ｍｍの円筒形（ドラム形）の試験片を作成
し、その外周面を摺動面として使用するので、この面に
研磨仕上げを行った。

【００３１】試験においては、ドラム形状の相手材を５
ｍｍ／ｓｅｃの周速度により回転させ、本発明に係るベ
ーン材および比較材の５ｍｍ角のピンのＲ面を接触荷重
２０ｋｇで押し付けるのである。そして、この接触面の
所定量のコンプレッサーオイル（スニソ５ＧＳ）を供給
しながら、摺動距離にして１５０ｋｍまで試験を行っ
た。このようにして、摺動により摩耗したピンＲ面の高
さの程度をもって、耐摩耗性の相対比較を行うのであ
る。

【００３２】本発明に係るベーン材と比較材の金属組織
を顕微鏡写真により観察すると、比較材は最大２０μｍ
程度の粗大な炭化物が存在しており、炭化物の割れによ
る空洞および炭化物と界面の間の空洞も観察された。し
かして、粉末冶金法により作成された比較材および本発
明に係るベーン材では、炭化物は最大でも８μｍ程度で
あり、空洞は一切確認できなかった。なお、図２に本発
明に係るベーン材Ｃの金属組織の顕微鏡写真を示し、ま
た、図３には溶解法により製造したＳＵＳ４４０Ｂ材の
金属組織の顕微鏡写真を示してあり、この顕微鏡写真に
おいて白く見える部分が炭化物であり、本発明に係るベ
ーン材Ｃは均一であるが、ＳＵＳ４４０Ｂ材は一部粗大
な炭化物が存在しており割れたものもある。

【００３３】試験結果を図４に示す。この図４から明ら
かであるが、従来材のＳＵＳ４４０Ｂ材の比較材Ａの摩
耗量に比較して、本発明に係るベーン材Ｃ、Ｄ、Ｅの摩
耗量は極めて少なく、さらに、同じような粉末冶金法に
より作成した比較材Ｂと比較しても本発明に係るベーン
材の方が摩耗量が少なく、また。試験後、摩耗面を顕微
鏡により観察した結果、比較材Ａでは一部にフレーク状
に剥離する前兆である摺動方向の略直角方向に微小な亀
裂が観察された。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るベー
ン材は上記の構成であるから、耐焼き付き性が従来のＳＵＳ４４０Ｂ材の窒化処理材
に比較して高く、潤滑条件の苛酷な高面圧における運転
条件下でも焼き付きが発生しにくい。粗大な炭化物が存在せず、炭化物は全て微細状態で分
散しているため、冷間加工時にも炭化物の割れることに
よる微小な空洞、或いは、基地と炭化物の界面において
微小な空洞を生じることがなく、従って、窒化処理によ
っても窒化層中の炭化物と炭窒化物は均一微細な状態と
なるため、高速および高面圧における運転時に爆発圧力
と高い摩擦力による繰り返し応力によって、窒化層の中
から微小割れを生じて、ついには、フレーク状に摺動面
から部分的に剥離する現象が起こりにくい。という効果
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼き付き試験結果を示す図である。

【図２】本発明に係るベーン材Ｃの金属組織の顕微鏡写
真である。

【図３】溶解法により製作したＳＵＳ４４０Ｂ材の金属
組織の顕微鏡写真である。

【図４】摩耗試験結果を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ１.２〜２.５ｗｔ％、Ｃｒ１５〜２
５ｗｔ％、Ｍｏ、Ｖの１種または２種７ｗｔ％以下、Ｓｉ０.２〜１.０ｗｔ％、Ｍｎ０.２〜１.０ｗｔ％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、最大
粒径が８μｍ以下の微細なＭ₇Ｃ₃型炭化物を基地中に１
５〜３０％含有しており、さらに、曲率部が窒化されて
いることを特徴とする粉末冶金法によるベーン材。