(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片側圧縮式斜板式コンプレッサーに用いられる鉄系又はアルミニウム系材料からなる斜板において、組成が重量百分率で、４０％以下の鉛を含有し、残部が実質的に銅及び不純物からなり、組織が、銅合金アトマイズ粉の未溶解組織と、層断面視で層状もしくは片状溶解組織との混合組織から実質的になる銅系合金の溶射層を、圧縮室側の少なくともシューとの摺動面に形成するとともに、反圧縮室側の少なくともシューとの摺動面に、電解めっき、無電解めっき、潤滑剤の被覆、りん酸塩化成処理もしくは硬化処理を施したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項２】
前記銅系合金が、さらに重量百分率で、３０％以下のスズ、０．５％以下のリン、１５％以下のアルミニウム、１０％以下の銀、５％以下のケイ素、５％以下のマンガン、５％以下のクロム、２０％以下のニッケル及び３０％以下の亜鉛からなる群から選択された１種又は２種以上を、０.５〜５０％の範囲で含有することを特徴とする請求項１記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項３】
重量百分率で１〜３０％の鉛を含有する銅系合金の溶射層の前記層状もしくは片状溶解組織が鉛を強制固溶していることを特徴とする請求項１又は２記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項４】
重量百分率で１〜３０％のPbを含有する銅系合金からなる溶射層が３〜４０％の鉛を含有する粉体の未溶解組織と、３％以下の鉛を含有するあるいは鉛を含有しない溶解組織との混合組織から実質的になることを特徴とする請求項１又は２記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項５】
前記未溶解組織中の鉛相が粒状であることを特徴とする請求項４記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項６】
前記鉛を含有する粉体がアトマイズ粉であることを特徴とする請求項５記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項７】
前記溶射層が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｂ４Ｃ、ならびに鉄−リン、鉄−ホウ素、鉄−窒素の鉄系化合物からなる群から選択された１種又は２種以上を、重量百分率で１０％以下含有することを特徴とする請求項１から６までの何れか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項８】
前記溶射層が重量百分率で３％以下の黒鉛を含有することを特徴とする請求項１から７までの何れか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項９】
前記鉄系又はアルミニウム系材料と前記溶射層の間にＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ｎｉ−Ａｌ系合金、Ｃｕ−Ａｌ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ系合金、Ｎｉ自溶合金及びＣｏ自溶合金からなる群から選択された１種又は２種以上の材料からなる中間層を形成したことを特徴とする請求項１から８までの何れか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項１０】
溶射層がピーニング処理されたことを特徴とする請求項１から９までの何れか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項１１】
請求項１から１０までの何れか１項記載の斜板と、反圧縮室側に配置されかつ斜板との摺接面にホウ化処理または窒化処理された鉄系シューとの組合わせ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、斜板式コンプレッサーの斜板及び斜板とシューとの組合わせに関するものであり、さらに詳しく述べるならば、片側圧縮式斜板式コンプレッサーにおいて鉄系もしくはアルミニウム系材料からなる斜板の摺動特性を飛躍的に改良する表面処理技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
斜板式コンプレッサーは、回転軸に斜めに固着された斜板又は回転軸に斜めに取り付けられ、傾斜角変更可能な斜板が、回転軸の回転に応じて回転し、それに伴って往復運動するピストンがコンプレッサー内にて仕切られた空間の体積を増減することにより圧縮・膨張を行うものである。かかる斜板はシューと称される摺動部材と摺動しかつシューを介してピストンを往復運動することにより冷却媒体を所定の空間にて圧縮・膨張させるものである。
斜板の摺動条件が特長的な点は、コンプレッサー運転初期に潤滑油が到達する前に冷媒が摺動部に到達し、これが摺動部に残存する潤滑油を洗浄する作用をもつために、潤滑油がないドライ条件で摺動されることである。このように斜板の摺動条件は非常に厳しい。
【０００３】
このような条件で使用される斜板は耐焼付性、耐摩耗性などの摺動特性が必要となるので、アルミニウム系材料に硬質物を添加して耐摩耗性を向上する提案、斜板の材質を改良する提案、鉄系斜板に熱処理を施し硬度を上昇させ耐摩耗性を向上させる提案や、表面処理方法の提案などがなされている。
【０００４】
本出願人は、鉄系斜板と鉄系シューの摺動では焼付が起り易いので、特開昭５１−３６６１１号公報において鉄系斜板ではシューにＣｕ焼結材料を接着することを提案した。すなわち、鉄系斜板に硬化処理を施して来たが相手材であるシューも鉄系材料であると、同種材料の摺動により焼付が発生し易いという問題があった。これを避けるために鉄系斜板の相手材（シュー）に焼結銅合金を使用したのである。
【０００５】
また、同種材料の摺動を避けるために鉄系斜板にスズめっきを施し、耐焼付性を向上させることも提案された。
【０００６】
通常の斜板式コンプレッサーはピストンの両側のシリンダボア内で冷却媒体の吸引と圧縮を行うものであるが、最近片側、通常はリア（Ｒ）側のみで圧縮・吸引を行う片側圧縮式斜板式コンプレッサーが製造されている。この斜板式コンプレッサーを本出願人の出願に係る特開平６−２８８３４７号公報の容量可変型コンプレッサーを例にとって説明する。
【０００７】
この圧縮機では、図１４に示すように、シリンダブロック１の一端側にはフロントハウジング２が接合され、他端側にはリアハウジング３が弁板４を介して接合されている。シリンダブロック１とフロントハウジング２とによって形成されるクランク室５には駆動軸６が収容され、駆動軸６は軸受７ａ、７ｂによって回転可能に支持されている。シリンダブロック１には駆動軸６を取り囲む位置に複数個のシリンダボア９が穿設されており、各シリンダボア９にはピストン１０がそれぞれ嵌挿されている。
【０００８】
クランク室５内において駆動軸６には、ロータ１６が駆動軸６と同期回転可能に支持されると共に球面スリーブ１２が摺動可能に支持されている。ローター１６と球面スリーブ１２との間には押圧ばね１３が介在されており、押圧ばね１３は球面スリーブ１２をリアハウジング３方向へ付勢している。球面スリーブ１２の外周面には、回転斜板１４が回動可能に支持されている。この回転斜板１４は、図１４に示す押圧ばね１３の最収縮状態では、下部背面に斜状に形成された当接面１４ａがロータ１６に当接することにより、傾角増大方向への更なる傾動を規制されている。また、この回転斜板１４は、図示はされていないが、傾角縮小方向への更なる傾動を規制されることもある。
【０００９】
回転斜板１４の外周部には半球状のシュー１５ａ、１５ｂが当接されており、これらシュー１５ａ、１５ｂの外周面はピストン１０の球支承面と係合されている。こうして、回転斜板１４にシュー１５ａ、１５ｂを介して係留される複数のピストン１０は各シリンダボア９内を往復動可能に収納されている。
【００１０】
リアハウジング３内は、吸入室２０及び吐出室２１に区画されている。弁板４には各シリンダボア９に対応して吸入ポート２２及び吐出ポート２３が開口形成されており、弁板４とピストン１０との間に形成される圧縮室が吸入ポート２２及び吐出ポート２３を介して吸入室２０及び吐出室２１に連通される。すなわち、斜板の片側（Ｒ側）だけで圧縮が行われる。
【００１１】
各吸入ポート２２にはピストン１０の往復動に応じて吸入ポート２２を開閉する吸入弁が設けられ、各吐出ポート２３にはピストン１０の往復動に応じて吐出ポート２３をリテーナ２４に規制されつつ開閉する吐出弁が設けられている。また、リアハウジング３には、クランク室５の圧力を調整する開示しない制御弁が装備されている。
【００１２】
以上のように構成された圧縮機において、駆動軸６の駆動に伴って回転斜板１４が回転すると、シュー１５ａ、１５ｂを介して各ピストン１０がシリンダボア９内で往復動し、これにより吸入室２０から圧縮室内に冷媒ガスは圧縮された後、吐出室２１へ吐出される。このとき、吐出室２１へ吐出される冷媒ガスの吐出容量は、制御弁によるクランク室５内の圧力調整により制御される。
【００１３】
さらに、この圧縮機には吐出量を可変にする機構Ｋ，１７〜１９が設けられている。
【００１４】
上記した片側圧縮式コンプレッサーの要部を示す図１５を参照して、片側圧縮式コンプレッサーの摩耗の問題を説明する。
圧縮工程においてシリンダボア内の圧縮反力は、片頭ピストン１０及びシュー１５を介して、回転斜板１４に伝えられる。圧縮室側のシュー１５ａは、圧縮反力を受けるため、シュー１５ａと回転斜板１４との間で大きな摺動抵抗を生じる。このような摺動抵抗は、動力損失のみならず、斜板の摩耗をもたらすため、その対策が必要となる。
これに対し、圧縮室と反対側のシュー１５ｂも斜板１４と接触しているので、両者間の相対移動による摺接抵抗がある。しかし、圧縮反力がシュー１５ｂを介して回転斜板１４に作用することはなく、片頭ピストンが上死点から下死点に向かう吸入行程時にのみシュー１５ｂと回転斜板１４とが摺接する。吸入行程時には、回転斜板１４はシュー１５ｂを介して、片頭ピストン１０を引き連れることになるが、この引き連れに必要な力は、圧縮行程時に比べて小さく、それ故、シュー１５ｂと回転斜板１４との間の摺動抵抗は僅かである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
片側圧縮式の斜板式コンプレッサーの圧縮室側にて鉄系斜板にスズめっきを施しても、これは軟質であるために耐摩耗性不足の問題が起こった。
さらに、アルミニウム合金に添加された硬質元素は耐摩耗性を向上させたが、圧縮室側の斜板で耐焼付性不足の問題が起きた。
【００１６】
したがって、本発明は、片側圧縮式コンプレッサーに使用される鉄系もしくはアルミニウム系斜板の表面に優れた耐焼付性及び耐摩耗性を兼備した表面層を設けることにより、片側圧縮式斜板式コンプレッサーの性能の向上及び信頼性の向上を図ることを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記問題点を解決できる表面処理方法につき鋭意検討し実験を行い、溶射銅合金は、焼結合金と比較して（ａ）組織が微細であること、（ｂ）同一組成では硬さが高いこと、（ｃ）溶射条件を調節することにより完全溶解組織から一部アトマイズ粉の形状・組織が残った組織まで調節でき、これにより摺動特性を使用条件に合わせて変えることができること、などの特性をもっており、これらの特性を利用すると、圧縮側のシューと斜板との摺動に関し優れた耐焼付性及び耐摩耗性が得られることを見出した。
【００１８】
かかる知見に基いて完成した本発明は、片側圧縮式斜板式コンプレッサーに用いられる鉄系又はアルミニウム系材料からなる斜板において、組成が重量百分率で、４０％以下の鉛を含有し、残部が実質的に銅及び不純物からなり、組織が、銅合金アトマイズ粉の未溶解組織と、層断面視で層状もしくは片状溶解組織との混合組織から実質的になる銅系合金の溶射層を、圧縮室側の少なくともシューとの摺動面に形成するとともに、反圧縮室側の少なくともシューとの摺動面に、電解めっき、無電解めっき、潤滑剤の被覆、りん酸塩化成処理もしくは硬化処理を施したことを特徴とする斜板式コンプレッサーの斜板である。
前記銅系合金は、さらに重量百分率で、３０％以下のスズ、０．５％以下のリン、１５％以下のアルミニウム、１０％以下の銀、５％以下のケイ素、５％以下のマンガン、５％以下のクロム、２０％以下のニッケル及び３０％以下の亜鉛からなる群から選択された１種又は２種以上を、総量で０．５％以上、好ましくは１％以上でかつ５０％以下含有することができる。本発明において、百分率は特記しない限り重量百分率を指す。
以下、本発明の構成を説明する。
【００１９】
上記圧縮側に溶射層として施される銅系合金において鉛は一部は鉛粒子として存在してなじみ性や低摩擦特性を付与し、残りは固溶して銅マトリックスを強化して耐摩耗性と耐焼付性を付与する。鉛はドライ条件における摺動特性を向上する上で最も好ましい元素である。しかし鉛の含有量が４０％を越えると銅合金の強度が低下するので、上限を４０％とすることが必要である。好ましい鉛含有量は１〜３０％、より好ましくは２〜１５％である。
【００２０】
鉛以外の添加元素は主として銅に固溶してその耐摩耗性と耐焼付性を高めるものである。この中で銀は潤滑油が少ない条件で顕著に摺動特性を高める。添加量に関しては、スズは１０％以上、ケイ素，マンガンは１％以上で析出して析出物が耐摩耗性を高める。スズが３０％を超え，リンが０．５％を超え、アルミニウムが１５％を超え，銀が１０％を超え、ケイ素が５％を超え、マンガンが５％を超え、クロムが５％を超え、ニッケルが２０％を超え、亜鉛が３０％を超えると、銅本来の熱伝導性、鉄もしくはアルミニウム系相手材料との良好な摺動特性、耐摩耗性、耐焼付性が失われる。したがってこれらの元素は上記上限量を超えないようにする必要がある。好ましい含有量はスズ：０．１〜２０％、リン：０．２〜０．５％以下、アルミニウム：０．５〜１０％、ケイ素：０．１〜３％、銀：０．１〜８％、マンガン：０．５〜４％、クロム：０．５〜３％、ニッケル：０．５〜１５％、亜鉛：５〜２５％であり、さらに好ましくはスズ：０．１〜１５％、アルミニウム：１〜８％、ケイ素：０．５〜１．５％、銀：０．２〜５％、マンガン０．５〜３％、クロム：１〜２％、ニッケル：１〜１０％、亜鉛：１０〜２０％である。また上記の理由より添加元素の総量は０．５〜５０％の範囲とするべきである。
【００２１】
シュー自体は公知のものであり、例えば本出願人の特開昭５１−３６６１１号などに示されており、鉄系材料としては鉄を主成分とするすべての材料で摺動面を構成したものを使用することができるが、軸受鋼が好ましい。また、その製造方法も一切限定されず、圧延、鍛造、粉末冶金、表面硬化などの技術を適宜採用することができる。しかしながら、反圧縮室側のシューは摺動面に浸ほう素処理又は窒化処理を施すことが好ましい。
【００２２】
反圧縮側の斜板の表面には、少なくともシューとの摺動面に、電解めっき、無電解めっき、潤滑剤の被覆、りん酸塩化成処理もしくは硬化処理を施すことにより鉄鋼もしくはアルミニウムの摺動特性を改善することが必要である。これらの処理は銅系材料の溶射銅系材料よりも摺動特性が劣るが反圧縮室側では摩耗条件が比較的穏やかであるので上記表面処理で十分である。ここで、電解めっきはスズ系、鉛系又は銅系の金属（合金）を厚み０．５〜３μｍにて行うことが好ましい。次に、無電解めっきはスズ系の金属（合金）を厚み０．５〜３μｍにて行うことが好ましい。続いて、潤滑剤の被覆はＰＴＦＥ、樹脂バインダーで結合された二硫化モリブデン粉−テフリック（商品名）−を厚み１〜２０μｍにて行うことが好ましい。りん酸塩化成処理は、特にりん酸マンガンを１〜２０μｍの層厚みとなるように施すことが好ましい。最後に硬化処理は鉄鋼斜板に関しては、浸炭、窒化、軟窒化、ホウ化などの処理により行い、アルミニウム斜板に関しては陽極酸化処理によることが好ましい。
【００２３】
以下、圧縮室側斜板表面に施す銅系溶射につきより詳しく説明する。
【００２４】
溶射層の金属組織が特長的な点は、アトマイズ銅粉末が溶融した組織である。すなわち、溶射フレーム中で溶融し生じた液滴が斜板表面に衝突して変形され、層断面で見ると、層状、片状もしくは平板状部分が、層平面で見ると小円盤、鱗状片などが積み重なっている。本発明においては溶射層全体がこのような組織をもっていてもよい。
溶射組織は上述のような特長の他に次のような特長をもっている。すなわち、アトマイズ粉はガスによりフレーム内へ圧送されるときは、１個１個がばらまかれた孤立粒子の形態を保っており、一部は合体するがそのままの形態で溶融すると考えられる。溶融液滴は斜板に衝突して凝固するが、溶射層の厚みを薄くして冷却を速くすると１個又は数個の液滴が、他の多数の液滴と融合などにより合体せずに、孤立粒子として凝固する。このように比較的小さい液滴が押しつぶされ、全体として多数の微細層状片が積み重なって、溶射層が作られる。このような溶射層の例としてＣｕ−８％Ａｌ合金の顕微鏡写真を図１に示す。この図のような溶射組織では、図２に模式的に示すように溶射層全体の成分の分布（（ｂ）図）は、微細層状片内での凝固偏析が該片の数だけ繰り返されていることとなり、マクロ的に見ると成分分布が均一になる。このような成分均一性は摺動特性を安定させ、特に摩擦力の安定化の面で望ましいと考えられる。なお、溶射層を融点以下の適当な温度で熱処理し上記の凝固偏析を少なくし微細層状片内でも成分の均一化を図る（（ｃ）図）と、さらに摺動特性が良好になった。ただし、熱処理により材質が著しく軟化すると、摺動特性は劣化する傾向が現れた。
【００２５】
また、本発明においては、アトマイズ粉の一部が溶射中に溶解しないで溶射層に残存する。以下、溶解組織とアトマイズ粉の未溶解組織の混合組織の特長をCu-Pb系合金につき説明する。
【００２６】
この組織を構成する鉛青銅アトマイズ粉の未溶解組織（以下「アトマイズ組織」と言う）は、鉛青銅アトマイズ粉の急冷組織が溶射炎中でも消失せずに溶射層に残っているものである。このアトマイズ粉の組織は、典型的には図３のＣｕ−２４％Ｐｂ合金の顕微鏡組織に示されるように鉛を主成分とする相が銅粉中に微粒状に分散するかあるいは銅粉の周囲に層状に分布しているものである。この組織は一種の鋳造組織であるが、（ａ）主たる冷却方向が粒子の周囲から内側に向かう方向であること、（ｂ）通常のインゴット鋳造あるいは連続鋳造よりは急冷組織であり、典型的には鉛は粒径が１０ミクロン以下の微粒であること、もしくは、（ｃ）鉛が銅の粒界にネットワーク状に分布していることに特長があるものである。なお、図３の組織は冷却が均一な場合であるが、図４のように粒子の周囲の一部が強く冷却されるとその部分では鉛の粒子は微細になり、冷却が弱い部分では鉛の粒子は粗大となっている。
【００２７】
本発明の一形態の混合組織では鉛が銅合金中に強制固溶した層状溶射組織（以下「強制固溶溶射組織」と言う）となっている。この混合組織では、溶射炎中で溶解した液滴が斜板基材に衝突して平坦に圧縮された層状組織内に鉛が強制的に固溶されている。
【００２８】
これらの混合組織では図５に示すようにアトマイズ組織という平衡組織（白色の鉛相が認められる）と強制固溶溶射組織（白色の鉛相が認められない）という非平衡組織が混合している。
図５は本発明による溶射組織（白い粒子又は模様が鉛に相当する）の一実施例を示し、以下の点が明らかである。この組織ではアトマイズ組織は約１３面積％に相当して、鉛相が認められない層状部位が残りの８７面積％存在し、ここでは鉛が強制固溶されている。アトマイズ粉が裏金に衝突したときにつぶれるために、あるいは外側が溶融した可能性もあるために、残存アトマイズ組織の外形輪郭は粉末のものとはかなり異なっているが、粉末中の鉛の形態は溶射後も維持されている。
図６は、Ｃｕ−１０％Ｐｂ−１０％Ｓｎ溶射層の断面観察による強制固溶溶射組織のＥＰＭＡ写真であり、粒子の存在が同定されていないがＰｂ、Ｓｎが存在していることを示している。なお、ＰｂはＣｕ中への固溶度は少ないので強制固溶されており、Ｓｎは通常の鋳造条件でも固溶するから強制固溶ではない。続いて、溶射組織の各構成分の摺動性能を説明する。
【００２９】
アトマイズ組織は鉛粒子が多数かつ微細に存在するためになじみ性、低摩擦性、潤滑性に優れている。また、アトマイズ粉末は粒径が通常１００μｍ以下であり、個々の粒子がほとんど同じ組織をもつので、粒子間で組織が均一である。したがって、かかるアトマイズ組織を摺動材料中に保持することにより、鉛粒子が均一に分散することになり摺動特性が安定する。
【００３０】
次に、強制固溶溶射組織は鉛の強制固溶により硬度が約Ｈｖ２００以上と高いために耐摩耗性が優れている。また、この組織は溶射後裏金上で粉末が一旦溶融しているので、裏金との接着強度を高めることができる。
【００３１】
図６では縞状パターンが認められ、その中で白い部位ではＰｂ，Ｓｎの固溶量が多い。縞状パターンから、溶射による物質の単位時間当り堆積量が周期的ないし脈動的に変化すること、及びこれに対応して冷却速度も増減していることが推定される。このように興味深い組織が生成されるが、本発明の強制固溶溶射組織がこのようなものに限定されないことは言うまでもない。
【００３２】
上記の組織においては、アトマイズ組織及び強制固溶溶射組織が何れか一方が過度に多くなると好ましくないので、アトマイズ組織が２〜７０面積％、より好ましくは２〜５０体積％であることが望ましい。ここで、溶射層が、実質的に全部アトマイズ組織及び強制固溶溶射組織から構成されることが必要であり、若干量であれば上記以外の組織、例えば鉛粒子が溶射された青銅合金中で強制固溶されずに析出した組織が混在していてもよい。ただしその量は１０面積％が上限の目処である。
【００３３】
本発明者らは溶射摺動層の組織を上記したアトマイズ組織と強制固溶溶射組織より構成する観点とは別の観点から制御する研究を行い、以下説明するように、摺動性能をさらに向上させることができた。
【００３４】
青銅（本願説明において、青銅とは銅合金を意味しており、スズは必須成分ではない）における鉛の役割は主として潤滑作用にあるが、溶射青銅ではアトマイズ組織中の鉛相がその作用を担っている。溶射により生成する強制固溶溶射組織中では、鉛は銅マトリック中に固溶されており、また一部鉛相が層状に存在しても銅、スズなども鉛相に固溶しているから鉛相の潤滑作用は期待できない。
【００３５】
一方、溶射時に溶解されるアトマイズ粉粒子は、未溶解アトマイズ粉の周囲でかつ基材表面で凝固し、凝固の際溶射層の密着性を高めそして溶射層を強化する。しかしながら強制固溶溶射組織中の鉛は摺動時の発熱で界面に析出したり、また長い層状の偏析部は低強度であるために溶射層の密着及び強化に悪影響を及ぼすことがある。
【００３６】
アトマイズ組織中にネットワーク状もしくは粒状などの形態で存在する鉛相を含む溶射青銅層を被覆した摺動材料が面内に平行な応力にさらされると、鉛は銅より強度が低いために、層状鉛相は層に沿ってクラックが走り比較的低い応力でも割れが発生する。一方微細粒子状鉛相は割れに対する抵抗力が高い。
【００３７】
アトマイズ粉末が、溶射飛行中にあるいは裏金上で溶解され、裏金上で層状、片状、溶射前の形状を留めないその他の流動形状に凝固した領域、即ち溶解組織内に鉛が最大で３％含有されるかあるいは全く存在しないことが好ましい。以下、この組織を「鉛レス溶解組織」と言う。溶解組織内に当該組織に対して３％を超える量で存在する鉛は潤滑作用を発揮しないのみならず、溶射層全体の耐摩耗性を除く特性を損なう原因となる。したがって、鉛は溶射原料粉末であって、溶射飛行中から溶射により層を形成するまでの過程で溶解を経ない粉末、すなわち未溶解組織内に存在していることが好ましい。以下、このように鉛レス溶解組織と未溶解組織が複合した溶射組織を「鉛偏析溶解組織」と言う。
粉体は破砕粉でもよいが、溶射に適したアトマイズ粉を使用するのが望ましい。以下、アトマイズ粉を例にとって本発明が特徴とする鉛レス溶解組織を説明する。
【００３８】
図７は後述の実施例４において得られた溶射層の光学顕微鏡写真である。図中、全体として白色の塊状に数個見える部分がアトマイズ青銅（銅−スズ−鉛）の未溶解組織である。全体として黒く見えるのが青銅（銅−スズ）溶解組織である。多数の小さい白色部分は断面が切断された塊状未溶解組織であるか、あるいはアトマイズ粉が溶射飛行中に分断されて微細な破片になったものである。白色塊状未溶解組織内の細かい白い点がアトマイズ粉内に析出・晶出した鉛相である。
【００３９】
鉛偏析溶解組織においては、未溶解組織及び鉛レス溶解組織が何れか一方が過度に多くなると好ましくないので、未溶解組織が２〜７０面積％、より好ましくは２〜５０面積％であることが望ましい。
【００４０】
未溶解組織中の鉛相はネットワーク状でもよいが、粒状であることが好ましい。鉛相が粒状であると摺動中にクラックが鉛相に沿って伝搬しないので、耐割れ性が高められるからである。未溶解組織（アトマイズ組織）中の鉛相を粒状にするためには、アトマイズ粉末中の鉛相が粒状である原料粉末を選択し、かつ素材への衝突圧力を過度に高くして未溶解粉末中の鉛相が層状になる程、未溶解粉末を押し潰さないことが必要である。粒状鉛相の粒径が大き過ぎると強度が低下し、逆に小さ過ぎると潤滑性が低下するために、好ましくは円換算で０．５〜２０μｍの直径範囲内であることが望ましい。
【００４１】
鉛偏析溶解組織をもつ溶射層の厚みは５〜５００μｍの範囲であることが好ましい。厚みが厚過ぎると、裏金の溶射反対面を強制冷却するなどの手間がかかる施工法を採用しないと溶射層の熱がこもり未溶解アトマイズ粉が溶融して所望の組織が得られなくなり、一方厚みが薄すぎると摺動性能が優れないので、これらの両面を考慮して適宜厚みを決定する必要がある。
ガス圧を高くしかつガスの速度を大にした高速火炎溶射法を採用するとともに、溶射距離を１８０ｍｍ程度とする。溶射層の厚さを制限する条件を採用したものである。より具体的条件を以下に示す。
ガス圧：１０ｋｇｆ／ｃｍ２
フレーム速度：１２００ｍ／ｓ
溶射層厚さ：１５０μｍ
【００４２】
続いて、アルミニウムなどの固溶型元素を添加した青銅について説明する。この組織では、アトマイズ粉末の原形を留めた組織（すなわち「アトマイズ組織」）と溶射により層状などに形状が変形した組織（以下「溶射変形組織」と言う）とが混合している。この点では上述した銅−鉛合金の溶射組織と同じである。アトマイズ組織と溶射変形組織を比較して対照的な点を述べると、アトマイズ組織は溶射中及び斜板に衝突後に加熱されたために、均熱・焼鈍組織であり、一方溶射変形組織はアトマイズ粉が再溶融し凝固した鋳造組織であるところにある。
【００４３】
したがって、アルミニウムはアトマイズ組織では固溶量が少なくなり均一かつ微細に析出し易くなり、溶射変形組織ではアルミニウムの固溶量が多くなる。また、アルミニウムの添加量が平衡状態の固溶量よりも非常に少ないときは、溶射変形組織では鋳造組織に見られるようなアルミニウムが偏析しているが、アトマイズ組織ではアルミニウム分布が均一である。アルミニウムの溶質元素の分布が均一であることは、相手材が常に均一な摺動特性の面と微視的に接触していることとなり、摺動特性上望ましいと考えられる。以上、要約すると、銅−鉛合金について詳述した通りの摺動特性の二つの面が，銅−鉛合金ほど顕著な差はないが、発揮されることになる。
【００４４】
ニッケル、アンチモン、鉄、アルミニウム、リン、亜鉛及びマンガンなどの元素は溶解組織又は強制固溶溶射組織の何れかにのみ含有されることが好ましい。銀は何れの組織に含有されてもよい。
【００４５】
上記した種々の溶射組織をもつ銅合金に、１０％以下好ましくは１〜１０％のＡｌ２  Ｏ３  ，ＳｉＯ２  ，ＳｉＣ，ＺｒＯ２  ，Ｓｉ３  Ｎ４  ，ＢＮ、ＡｌＮ，ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ｂ４  Ｃ，鉄−リン化合物、鉄−ホウ素化合物、鉄−窒素化合物からなる群から選択された１種又は２種以上の化合物を耐摩性向上成分として添加することができる。これらの成分の添加量が１０％を超えると、潤滑性、なじみ性が不良となり、その結果焼付が起こり易くなる。
【００４６】
さらにまた、本発明においては、青銅が重量百分率で３％以下の黒鉛を含有することができる。黒鉛は潤滑性を向上させ、斜板摺動層の割れを防止する添加剤である。黒鉛の含有量が３％を超えると、青銅の強度が低下し好ましくない。なお好ましい黒鉛の含有量は０．１５〜１．５％である。
【００４７】
図8はCu-6%Sn合金の溶射摺動層（溶射組織―鉛偏析溶解組織、厚み２００μm）に添加した黒鉛の量と物性及び焼付時間の関係を示すグラフである。試験条件は下記のとおりである。
試験機：ピンディスク試験機
周速：２０m/秒
荷重：５００N
潤滑油：冷凍機油を最初に塗布
相手材：SUJ-2
【００４８】
図８より、硬さ（荷重３００ｇのビッカース硬さ）および剪断応力は黒鉛添加量とともに低下し、溶射層の基礎的物性は悪化するが、逆に摺動特性の一つである耐焼付性は向上することが分かる。このような優れた効果は黒鉛が摩擦係数を低下させることに起因し、限りなくドライに近い条件での焼付には上記した基礎的物性は支配的ではないと考えられる。
【００４９】
クラックを防止する効果がある黒鉛は溶射中に燃焼し易いために、銅をコーティングするなど酸化防止対策を講じる必要がある。
【００５０】
本発明においては、溶射層の密着性を高めるために、溶射層と斜板基材の間に、銅、ニッケル、アルミニウム、銅ニッケル系合金、ニッケルアルミ系合金、銅アルミ系合金、銅スズ系合金、ニッケル自溶合金及びコバルト自溶合金からなる群より選択された１種又は２種以上の材料からなる中間層をめっき、スパッタリング、溶射等の方法により形成することが好ましい。これらの材料は何れも、それらの表面が粗なことが必要であるが、青銅と合金化し易いために、溶射の際に（未）溶解層と強固に結合して溶射層と裏金との接合強度を高める。なお好ましい中間層の厚みは５〜１００μｍである。銅−スズ合金としてはＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金を使用することができる。この合金は湯流れが良くかつ酸化され難いので、溶射により中間層とすると優れた性能が得られる。
【００５１】
本発明の摺動層において溶解組織と未溶解組織が混合した溶射組織を作るための溶射条件は、溶射炎中で飛行中のアトマイズ青銅粉が一部だけ溶融する；裏金に衝突後に鉛青銅合金全体が再溶融しない（一部は再溶融してもよい）；溶融合金及び凝固合金の冷却速度を大にする必要がある。具体的には、ガス圧を高くしかつガスの速度を大にした高速火炎溶射法を採用するとともに、溶射距離を１８０ｍｍ程度とし、溶射層の厚さを制限する条件を採用したものである。より具体的条件を以下に示す。
ガス圧：10kgf/cm2
フレーム速度：１２００m/sec
溶射厚さ：15０μm
上記条件においてアトマイズ組織の割合を多くするときは粉末の割合を多くすればよく、溶射条件により任意に組織の割合を調整することができる。
【００５２】
続いて、鉛偏析溶解組織を作る製造方法について説明する。
金属（銅）/セラミック(Al2O3)系の溶射では、後者を一旦溶融した後前者から分離して凝固させることが示されている（日本金属学会報「まてりあ」Vol.33（1994）No.3, 第271頁、図５）が、銅―鉛系粉末は鉛が低融点であるためにこのような分離はほとんど不可能であり、むしろ鉛は銅より溶射中に溶解する可能性が大である。
【００５３】
この点を避けて、溶射炎中で飛行中に粗粒の鉛含有粉末は完全には溶融せず、微粒の粉末が溶融する；裏金に衝突後に前記の粗粒粉末が溶融しないような溶射条件につき検討した結果、第１の粉末は実質的に鉛を含有せず、銅を主成分とする細粒粉末であり、第２の粉末は、鉛を含有し銅を主成分とする粗粒の粉末とすることが有効であることが分かった。
好ましくは、ガス圧を高くしかつガスの速度を大にした高速火炎溶射法を採用するとともに、溶射距離を１８０ｍｍ程度とし、かつ溶射層の厚さを制限する条件を採用したものである。より具体的条件を以下に示す。
ガス圧：１０ｋｇｆ／ｃｍ２
フレーム速度：１２００ｍ／ｓ
溶射層厚さ：１５０μｍ
ここで粗粒・細粒とはＪＩＳ  Ｚ  ８８０１（１９８１年改正、標準ふるい目の開き）で平均粒径で２等級以上の差があることである。等級の差が１であると鉛の溶解が起り易くなる。なお、溶射層の接着強度の面から等級の差は８等級以下であることが好ましい。
【００５４】
続いて、溶射層の物性を説明する。
溶射層の硬さは主として添加元素の量に依存し、添加量が０．５〜４０％の場合はＨｖ（０．３）  １１０〜２８０の範囲である。この硬さは焼結材料や鋳造材料に比べて高いことに特徴がある。
溶射層の厚さは５〜５００μｍが好ましい。厚さが５００μｍを超えると溶射層内にこもる熱量が多くなるために、所定以上の熱量となると銅合金が再溶融され硬度や密度が低くなり、この結果摺動特性が劣化する。好ましい溶射層の厚みは５〜３００μｍ、より好ましくは２０〜２００μｍである。
溶射層は溶射後表面を研磨しあるいは研磨しないで上記厚みとして摺動層とする。
【００５５】
溶射を施す斜板表面にはショットブラスト、エッチング、化成処理などの粗面化処理や接着層を設けるめっき処理などを適宜施すことができる。
【００５６】
また、本発明においては溶射層の成分の均一化を図る条件で熱処理をすることができる。すなわち、上記組成の銅系合金を必要により硬質物とともに溶射した後に１００〜３００℃の温度範囲で３０〜２４０分の熱処理を施すことができる。この温度及び時間の下限未満では成分均一化の効果がなく、一方これらの温度及び時間の上限を超えると溶射層が軟化し、あるいは上記した組織のアトマイズ組織、溶射変形組織などの結晶粒子、Ｐｂ粒子、片状組織が粗大化して溶射組織の特有の形態が破壊されることにより摺動特性が劣化する。好ましい熱処理は１５０〜３００℃で１０〜１２０分であり、より好ましくは１５０〜２５０℃で６０〜１２０分の条件である。
【００５７】
さらに、本発明においては溶射層にピーニング処理（ショットブラスト処理と言われることもある）を施し、斜板に発生する横割れを防止することができる。ピーニングは、粒径が０．０５〜１．０ｍｍ程度の鋼、亜鉛などの粒を５０〜２００ｋｇ／ｍ２  、１０〜８０ｍ／秒の速度で投射する条件を好ましく採用することができる。
図９はピーニング有無による耐割れ性を焼付試験法によりクラック本数を測定する方法で評価した試験結果を示すグラフである。使用した粉末は下記（イ）３０重量％、（ロ）７０重量％である。
（イ）Ｃｕ−１０％Ｐｂ−１０％Ｓｎ：平均粒径６３μｍ
（ロ）Ｃｕ−６％Ｓｎ：平均粒径１９μｍ
溶射層は組織が鉛偏析組織であり、厚さが２００μｍである。
図９よりピーニング処理は横割れ防止に非常に有効であることが分かる。
【００５８】
図１０及び図１１により好ましいピーニング条件を説明する。
厚みが１．５ｍｍ，幅が４０ｍｍである基材（ＳＰＣＣ）にＣｕ−１０％Ｐｂ−１０％Ｓｎ合金を厚み３００μｍに溶射した（組織は図５に示すもの）。基材は厚みが１．５ｍｍ，幅が４０ｍｍである。溶射後試料は基材側が凹に沿ったので反り量（ｄ）を測定した。その後、図１０に記した鉄球によるピーニングを行い、変形量を反り量（ｄ）で測定した結果を同図のグラフに示す。これより約１０秒以降でピーニングの効果が現れることがわかる。なお実際の斜板と試料の寸法差を考慮すると、実際の斜板では約５０秒以上のピーニングが好ましいと考えられる。図１１は０．５ｍｍの亜鉛球を２ｋｇ／ｃｍ２  でピーニングした以外は図１０と同様の溶射及びピーニングを行った結果を示す。この図から、亜鉛球の場合は約１分からピーニングの効果が認められる。また斜板への亜鉛球ピーニング時間は５分以上が好ましいと考えられる。
【００５９】
【作用】
本発明においては、銅系材料を除く材料好ましくは鉄系材料からなるシューに対して斜板表面材料の銅が優れた摺動特性をもち、また溶射層が、組織が緻密であり、硬度が高く、微細な層状片を積み重ねた組織をもち成分の均一性が高いことを利用して、圧縮室側斜板表面の耐焼付性を高めている。又摺動条件が厳しくない反圧縮室側の斜板表面には銅溶射以外の表面処理を施す。
【００６０】
本発明の溶射層はコンプレッサー運転初期のドライ摺動条件において優れた耐焼付性を発揮する鉛を必須成分を含有している。また、溶射層の一部に溶解せず残存しているアトマイズ組織では鉛などの析出元素が分散し、強制固溶溶射組織では鉛が強制固溶され、またアルミニウムなどの任意成分の固溶元素は均質化された状態にある。このような組織上の特徴によりなじみ性、耐焼付性などが改良される。
【００６１】
以上説明したように、溶射層の組織はある部分では平衡組織であり、他の部分では急冷凝固組織であり、これらをマクロ的に共存させたものである（図５参照）。これによって斜板の摺動条件における耐摩耗性、なじみ性、耐焼付性などが改良される。またこの組織は、溶射による運動エネルギにより液滴又は粉末が裏金の上でつぶされて層状に重なるとともに、未溶解アトマイズ粉が残存して層中に埋め込まれる二つの現象が同時に起こって形成されるので、二つの組織の繰返し単位はこれらの二つの現象が継続する時間により決定される。この繰返し単位又は周期は通常の鋳造組織や粉末冶金組織に比較すると長くなる。この点は摺動性能上望ましいと考えられる。このようなマクロ的に制御した溶射組織により摺動性能を飛躍的に向上させることができた。
【００６２】
請求項４の溶射組織は、鉛はできるだけ銅合金に溶解させず軟質純物質としての特性を利用することを目指したものである。逆に鉛を銅に固溶させようとするとこの性質が利用されないばかりか、溶射法による冷却速度では層状に鉛が析出するか、鉛濃度の高い層状部が生成し、層内の強度低下の原因となり、溶射層の濃度の面で不均一になるとの知見に基いて請求項１を一部修正したものである。
したがって請求項４は、溶射による運動エネルギにより、鉛を実質的に含まない液滴が斜板上でつぶされた層状に重なるとともに、鉛を含む未溶解アトマイズ粉を取り囲んで凝固することを利用したものである。この結果、アトマイズ粉は融接され、または溶解組織では鉛の層状分布や鉛の強制固溶がほとんど起こらない、つまり鉛は未溶解アトマイズ粉中に適切に分布している等の摺動特性上好ましい状態が得られる。
【００６３】
請求項４，５は、鉛が層状もしくは片状に存在すると鉛に沿って割れが発生し易いために、鉛を粒状にして耐割れ性を高めたものである。
【００６４】
請求項６は硬質物を溶射層に分散させることにより硬質物が荷重を受け、さらに耐摩耗性を高めている。これらの硬質物は溶射条件でも溶融し難いために溶射層内にて本来の硬度を維持している。
【００６５】
請求項７で使用する黒鉛は摩擦係数を低下させることによりシューの摺動方向とほぼ直角に発生する横割れに対する抵抗性を高めるものである。すなわち、鉛相は潤滑性に優れているがドライ摺動条件では割れの発生を完全に防止することができないので、黒鉛を併用することが割れ防止に有効である。
【００６６】
請求項８では中間層により溶射層の密着強度を高めて、摺動特性を高める。
【００６７】
アルミニウム基材の上にＣｕ−１０％Ｐｂ−１０％Ｓｎ合金を厚み２００μｍに溶射し（組織−図５に示すもの）、その後熱処理またはピーニングを行った場合の溶射層の応力変化を表１に示す。
【表１】
0003568061.tif 000002
【００６８】
この表から溶射層にピーニングを施すと引張歪が緩和され圧縮歪方向に転換されることが分かり、これにより割れが起こり難くなると考えられる。
一方、熱処理は内部応力を変化させていない。
【００６９】
以下、実施例によりさらに具体的に本発明を説明する。
【００７０】
【実施例】
以下の性状の青銅水アトマイズ粉末を斜板（ＦＣＤ７０，厚み１０ｍｍ）へ溶射し、表２に「層厚」として示す厚みが２０〜２００μｍの溶射層を形成した。
0003568061.tif 000003
【００７１】
溶射は第１メテコ社製のダイヤモンドジェット型ガンを使用して下記条件で行った。この結果、得られた溶射組織は表２に示すアトマイズ組織面積％（Ａ）で示す、及び溶解組織で面積％（Ｍで示す）となった。表中の厚さの単位はμｍである。
ガス種：プロピレン１０容量部と酸素、空気９０容量部の混合ガス
ガス圧：７ｋｇｆ／ｃｍ２
フレーム速度：１２００ｍ／ｓｅｃ
溶射距離：１８０ｍｍ
粉末供給量：５０ｇ／分
【００７２】
溶射前に斜板に施す中間層は円板基板上に予めNi-Al合金を厚み５０μmを溶射することにより形成した。中間層を施した斜板は表２の試験番号にiを付した。
【００７３】
これらの耐焼付性を以下の条件で試験した。
焼付試験
試験機：
摺動速度：１５ｍ／ｓ
潤滑条件：冷凍機油
荷重付加方法：４００Ｎ／１０分、漸増
圧縮室側もしくは反圧縮室側のいずれかで先に焼付いた時の荷重を測定したが、本試験ではいずれも圧縮室側で焼付が起こった。
【００７４】
密着強度試験
接着剤による密着試験（図１２に示す）
接着剤：エポキシ系接着剤（接着剤１０２を板の下面に接着した）
溶射層：厚み１５０μm、（図12に１０１として示す）
棒１０３を水平に引抜き、引き抜きに要した力を求めるか、あるいは他の方法として引き離しにより評価し、離れないものでは○、一部離れたものは△と判定した。
【００７５】
耐摩耗性はピンディスク試験機による摩耗量により定性評価し、良好、小、大の３段階判定を行った。
【００７６】
試験の結果を図１３（表２）に示す。
この結果より本発明実施例は比較例１６よりも耐焼付性及び耐摩耗性が優れていることが明らかである。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は銅系材料と溶射の特徴を組み合わせることにより従来の斜板コンプレッサー斜板を著しく凌駕する摺動特性を実現した。
したがって、本発明は斜板に加えられる負荷や潤滑条件などが厳しい斜板式コンプレッサーの耐久性及び信頼性を高めるものであり、産業上非常に有益な成果を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃｕ−Ａｌ合金溶射層断面の金属組織写真（倍率３２０倍）である。
【図２】Ｃｕ−Ａｌ合金溶射層断面の組織及びＡｌ量分布を模式図である。
【図３】アトマイズＣｕ−Ｐｂ合金粉末の金属組織写真（倍率１０００倍）である。
【図４】アトマイズＣｕ−Ｐｂ合金粉末の金属組織写真（倍率１０００倍）である。
【図５】アトマイズ組織と強制固溶溶射組織が混合した組織をもつ溶射層の金属組織写真である。
【図６】強制固溶溶射組織のＥＰＭＡ分析チャートを描いた電子顕微鏡写真（倍率３０００倍）である。
【図７】鉛レス溶解組織をもつ溶射組織の金属顕微鏡写真（倍率３２０倍）である。
【図８】黒鉛添加溶射層の特性を示すグラフである。
【図９】ピーニングによる耐横割れ防止効果を示すグラフである。
【図１０】鉄球ピーニングによる変形量を示すグラフである。
【図１１】亜鉛球ピーニングによる変形量を示すグラフである。
【図１２】接着力試験を説明する図である。
【図１３】斜板の構成及び試験を説明する図表（表２）である。
【図１４】片側圧縮型斜板式コンプレッサーの断面図である。
【図１５】片側圧縮型斜板式コンプレッサーにおける斜板とシューとの摺動状況を説明する模式図である。
【符号の説明】
１−シリンダブロック
２−フロントハウジング
１０−ピストン
１４−傾斜斜板
１５−シュー
【図１】
0003568061.tif 000004
【図２】
0003568061.tif 000005
【図３】
0003568061.tif 000006
【図４】
0003568061.tif 000007
【図５】
0003568061.tif 000008
【図６】
0003568061.tif 000009
【図７】
0003568061.tif 000010
【図８】
0003568061.tif 000011
【図９】
0003568061.tif 000012
【図１０】
0003568061.tif 000013
【図１１】
0003568061.tif 000014
【図１２】
0003568061.tif 000015
【図１３】
0003568061.tif 000016
【図１４】
0003568061.tif 000017
【図１５】
0003568061.tif 000018