(57)【要約】【課題】シリンダーの内周面と摺接するベーンの当接面は、窒化処理により形成されたポーラス層を除去するための研磨仕上が欠かせない。【解決手段】ベーンポンプに用いられるベーン（３）の少なくとも摺接面（１１）は、窒化前の面粗度がＲｚ１．２以下、窒化後における化合物層（６）の厚さが１〜５μｍであり、窒化後の面粗度がＲｚ１．６以下とする。化合物層（６）はγ′相又はγ′相とε相の混合体であり、空孔率が５％以下である。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転圧縮機に用いられ、且つ、ガス窒化又はガス軟窒化処理を施したベーンにおいて、該窒化後における化合物層厚さが１〜５μｍであり、且つ、窒化後の面粗度がＲｚ１．６以下であることを特徴とする回転圧縮機用ベーン。
【請求項２】
ガス窒化又はガス軟窒化により、γ′相又はγ′相とε相の混合した相の化合物層を表面に１〜５μｍ形成し、且つ、窒化前の面粗度がＲｚ１．２以下、窒化後の面粗度がＲｚ１．６以下であることを特徴とする、回転圧縮機用ベーン。
【請求項３】
上記化合物層が、表面にポーラス層を形成していない緻密層のみからなる化合物層であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転圧縮機用ベーン。
【請求項４】
上記化合物層の空孔率が５％以下であることを特徴とする、請求項３記載の回転圧縮機用ベーン。
【請求項５】
上記化合物層表面に、平均０．５μｍ以下の凸状部を有していることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載の回転圧縮機用ベーン。
【請求項６】
上記化合物層表面の凸状部が平均０．５μｍ以下の微細な窒化物、あるいは炭素、酸素、イオウ及びこれらの化合物のうち少なくとも１種類を含む窒化物であることを特徴とする、請求項５記載の回転圧縮機用ベーン。
【請求項７】
窒化前の表面粗さをＲｚ１．２以下に研削加工し、ガス窒化又はガス軟窒化により、窒化後の表面に化合物層を１〜５μｍ形成し、且つ、窒化後の面粗度がＲｚ１．６以下であることを特徴とする、回転圧縮機用ベーンの製造方法。
【請求項８】
上記回転圧縮機用ベーンの製造方法において、化合物層にポーラス層を形成しないことを特徴とする、請求項７記載のベーンの製造方法。
【請求項９】
上記回転圧縮機用ベーンの製造方法において、窒化処理温度が５００℃〜５６０℃であることを特徴とする、請求項７又は８記載のベーンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体及び気体を圧縮する回転圧縮機用のベーン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、ベーン形の回転圧縮機はシリンダー２内を回転運動するローター１を有し、ベーン３はローター１の外周部に形成した溝に挿入されている。また、ベーン３は図示しないバネや油圧によって背面からシリンダー２に向けて付勢されることで、ベーン３先端部とシリンダー２の内周面が当接し、ベーン３、ローター１、シリンダー２、及び図示しないサイドプレートによって複数の作動空間４をシリンダー２内に形成する。
【０００３】
ローター１にはシャフト５が締結されており、図示しない動力源によってシャフト５を回転させることで、ローター１がシリンダー２内で回転する。ローター１が回転すると、作動空間４の容積変化が生じるため、作動空間４内の流体を圧縮し圧縮機として作用することとなる。
【０００４】
図１に示す例は、シリンダー２の中心とローター１の中心とを偏心させ、シリンダー２を固定し、ローター１を回転させ、作動空間の容積を可変としているが、シリンダー２の中心とローターの中心とを一致させ、シリンダー２の内周面を非円形としてもよい。
図１ではベーン３をローター１の外周部に配したが、シリンダー２側にベーン３を配しても良い。尚、吸入口と吐出口は公知例に従って形成される。
このような機構の中で使用されているベーン３の当接面には高い荷重が作用するため、耐摩耗性の高い材料が要求されており、主に、窒化処理を施したステンレス鋼や高速度鋼が用いられている。
【０００５】
このような容積形のポンプは、主に自動車用のパワーステアリング用油圧ポンプをはじめとする油圧機器や室内用のエアコン用冷媒圧縮機用として使われており、車載部品では熱や振動が発生し、家庭用エアコンでは長時間の連続稼働による発熱等の過酷な条件下で使用されている。
また、近年の自動車及び家庭用電化製品は、可動部の低フリクション化及び小型軽量化が要求されている。そこで、表面の化合物層とその下方の拡散層とからなり、化合物層がその表面のポーラス層とその下方の緻密層からなる窒化層が利用される。特に、窒化で形成される化合物層の高硬度且つ低摩擦係数である特性が着目され、摩擦損の発生しやすいシリンダー２との当接面であるベーン先端部１１とローター１の溝壁面との当接面１２（図２参照）に化合物層を残した仕様の製造方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５９−９３８７０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２６７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭５９−９３８７０号公報における製造方法においては、ガス窒化および塩浴窒化では寸法変化及び歪みが大きくなるとし、処理能力が少ないイオン窒化によって窒化層を形成させている。
【０００８】
また、特開平１１−２２６７６号公報では、５００℃から５８０℃の温度で窒化処理後に表面の化合物層（白層とも言う）を一度削り落として拡散層だけ残し、更に３００℃から４５０℃の低温で再窒化して均質で寸法変化が少ない白層を３μｍから８μｍの厚さで形成させている。
このような製造方法によれば、均質な化合物層をもつ窒化層を形成させることができる可能性はあるが、最初の窒化化合物層の削り残しから生じる問題などや工程増による大幅なコストアップとなり現実的ではない。
【０００９】
窒化化合物を形成させる方法として、最も安価な処理方法はガス窒化又はガス軟窒化である。一般的なガス窒化法又はガス軟窒化法では、５７０℃前後の温度で数時間の処理を行っている。しかしこのような処理法では、処理面最表部にポーラス層が発生し、脆いε相（Ｆｅ２〜３Ｎ）を生じるばかりでなく、処理品の変形も大きくなると共に面粗度も大幅に悪化する問題がある。
また、窒化における化合物層は、ε相（Ｆｅ２〜３Ｎ）と緻密なγ´相（Ｆｅ４Ｎ）及びこれらの混合相（ε＋γ´相）からなる。
【００１０】
ベーンポンプのベーン当接面には大きな荷重が作用する。そこでε相が形成されたベーンをポンプに用いると、シリンダー２の内周面とのベーン当接面では窒化最表面にクラックが発生し摺動面の窒化層が脱落することがある。窒化層の脱落は表面粗さを更に悪化させるため、フリクションの増大をもたらし、更にはポンプの機密性が損なわれるため、ポンプの効率が低下するなどの問題が発生していた。
【００１１】
本発明は、前記の問題点を解決するもので、窒化処理の段階において均一で緻密な耐摩耗性の高い窒化層を表面部に形成し、且つ窒化処理における表面粗度の悪化及び変形が小さく、耐摩耗性向上や表面粗さと寸法精度改善のための研磨処理を要さないベーン及びその窒化法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
一般に、窒化層においては、窒素濃度の相対的に低い拡散層と、その上に窒素濃度の高い化合物層とが層状に形成される。化合物層は、緻密層とその外表面のポーラス層とからなり、緻密層には気孔が形成され、その空孔率が問題となる。窒化処理温度が高いと化合物層が厚く生成され、最表面が脆いポーラス状の組織となる。これを少なくするためには、処理温度を低く設定すればよいが、その場合、拡散層も薄くなってしまう。
ベーンにおいては、性能を満足させるためには拡散層厚さが５０〜１００μｍ必要とされるため、前記拡散層と緻密で所定の表面粗さの化合物層を得ることが望まれている。
【００１３】
そこで、本発明では鋭意研究の結果、高硬度で低摩擦係数の化合物層を有し、且つ面粗度の悪化を最小限度に留めることが出来る処理を見いだした。
すなわち、本発明による回転圧縮機用ベーンのガス窒化又はガス軟窒化によるベーンの製造法においては、ガス窒化後の化合物層厚さが１〜５μｍであり、且つガス窒化後の表面粗さがＲｚ１．６以下であることを特徴としている。
本発明においては、窒化前の表面粗さをＲｚ１．２以下に研削加工したベーンを窒化処理し、表面化合物厚さが１〜５μｍとなる窒化条件を選択することにより、高硬度で低摩擦係数の窒化化合物層を最表面に有し、且つ表面粗度Ｒｚ１．６以下になるベーンを得る。
【００１４】
ガス窒化後の化合物層厚さが１μｍ以下では、相手材との摺動で初期なじみの間に化合物層が消失する可能性があり、耐摩耗性やフリクション低減効果を充分得られない可能性がある。また、５μｍ以上では、窒化処理によって最表面にポーラス層が厚く形成され、面粗度の悪化や脆い層から発生するクラックによる窒化層の脱落が発生する可能性が高くなるため上限を５μｍとしている。
【００１５】
また、本発明によるガス窒化又はガス軟窒化による処理方法においては、図３に示すように窒化後の化合物層は空孔率が５％以下であり、走査型電子顕微鏡による断面観察の結果、観察倍率を８０００倍まで拡大しても表面部にポーラス層は認められず、緻密な化合物層を形成している。一般に空孔率が５％以下であれば摺動部材としては充分緻密であるので、本発明では空孔率を５％以下とした。
更に、図７に示すように、表面に平均０．５μｍ以下の微細な炭窒化物、窒化物、硫化物或いは酸化物、又は前記化合物の２種類以上からなる凸状部（白い粒状部分）を有していることを特徴とする。
【００１６】
本発明の窒化ベーン及びその製造法では、ガス窒化処理において窒化層として有害なε相からなる厚いポーラス層を生じない。ベーン表面には１〜５μｍのγ′相単独又は、γ′相とε相の混合相からなる均一で緻密な窒化化合物層を形成し、且つ摺動面の面粗度はＲｚ１．６以下であり変形も殆どない。このため、窒化処理後の研磨加工を必要としないばかりでなく、研磨によってポーラス層を取り除く様な工程を必要とせず、安定した厚さの化合物層を得ることが出来る。
【００１７】
前記に加え本発明の窒化ベーン及びその製造方法は、前記ベーンの窒化処理温度が５００〜５６０℃であることを特徴とする。ガス窒化処理温度が５００℃未満では窒化速度が遅く十分な窒化化合物層が形成されず、また、５６０℃を超えると厚いポーラス層が形成されてガス窒化処理後に除去工程を必要とすることとなる。
更に、ガス窒化処理の雰囲気が適切に制御されることでベーン表面にγ′相又は、γ′相とε相の混合相を形成することを特徴とする。
【００１８】
前記のガス窒化ベーンにおいて、母材としてはベーン用素材として用いられている高速度鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び工具鋼を用いてもよいが、より安価な機械構造用炭素鋼、合金鋼及び軸受け鋼を用いることが出来る。
【００１９】
ガス窒化およびガス軟窒化処理は反応ガスとしてＮＨ３を使用する方法が一般的であるが、鋼材に対し窒化作用を示す雰囲気を形成する尿素などの物質を使用してもかまわない。また、本発明では雰囲気調整用としてＮ２ガスを使用しているが、ＮＨ３の分解ガス、変成ガス（ＲＸガス）、Ｎ２ガス等を単体又は混合して必要量を供給しても良い。
更に、本発明では軟窒化用のガスとしてＣＯ２ガスを使用しているが、変成ガス等のＣＯを含むガスを使用する方法でもかまわない。また、窒化処理に属する酸窒化、浸硫窒化等の窒素化合物中に第三の元素を含む場合であっても、表面に形成された窒素化合物層がγ′相又はγ′相とε相を混合した層であれば本発明の効果を示す。
【００２０】
本発明の窒化ベーンにおいては、ガス窒化及びガス軟窒化法をもちいて、窒化処理温度、時間、ガス雰囲気等を調整し、ガス窒化処理後においてポーラス層がない、相として空孔率が５％以下である緻密層を有する化合物層を形成し、ガス窒化前後で表面面粗度の悪化が殆どなく、更にガス窒化処理による歪み変形が極めて小さくすることで、ガス窒化後の化合物層厚さ調整、表面粗度の調整及びポーラス層の除去のための研削を必要とせずに均一な厚さの化合物層が得られ、これによって、安定した摺動特性を確保できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明によるベーンの具体的な実施例を以下に示す。クロム−モリブデン鋼を引き抜き成形した後切断機で所定の長さに切断する。この素材を表面硬さがＨＲＣ５８以上、有効浸炭深さが約１．０ｍｍとなるように浸炭焼入焼戻処理を実施し、その後両面機と成形砥石を用いて所定寸法に仕上げる。この際の表面粗さはシリンダー当接面についてはＲｚ１．２以下になるよう研削加工を実施する。
【００２２】
次いで、化合物層の厚さが１〜５μｍとなるように、処理温度５２０℃、処理時間７０分でガス軟窒化処理を行う。ガス軟窒化処理に使用するガスは、ＮＨ３とＮ２およびＣＯ２の混合ガスを使用している。
ガス軟窒化処理では、１〜５μｍの範囲で均一に化合物層を形成し、なおかつ表面にポーラスの無い化合物層とするために、温度の均一性と雰囲気ガスの攪拌に注意して処理を行う。また、雰囲気ガスの組成とＨＮ３の分解率を管理することも、１〜５μｍの範囲で均一に化合物を形成し、なおかつポーラスの無い化合物層を得るために重要である。このようにベーンは所定のＮＨ３分解率となった雰囲気中で窒化される。
ＮＨ３の分解率は、ガス交換率（流量）あるいは混合ガスの構成比等で管理することができる。本実施例におけるＮＨ３の分解率は２３％であった。
【００２３】
本実施例においては、前記処理条件でガス軟窒化をおこなっているが、処理温度５６０℃で処理時間３０分、及び処理温度５００℃で処理時間１５０分にて実施した結果、それぞれ３．５μｍと２．５μｍのポーラスの無い化合物層が得られた。なおこのときのＮＨ３分解率は５２０℃処理と比較して、処理温度５６０℃では大きくする必要があったが、５００℃では同じ分解率であった。
ＮＨ３の分解率は、窒化処理温度によって変化させる必要があり、５００〜５６０℃の温度範囲では分解率を５〜５０％の範囲で管理する。
【００２４】
なお５６０℃以上の処理温度におけるガス軟窒化処理では、化合物層を１〜５μｍに制御するには、処理時間があまりにも短く、また、ＮＨ３の炉内での分解率を上げたため、処理品の表面に到達するＮＨ３の量が少なくなってしまう。それによって、形成される化合物層の厚さにバラツキが生じやすくなることから、雰囲気で調整することができない温度範囲であることを見いだした。
【００２５】
窒化は処理品の表面で生じるＮＨ３の分解反応により進行すると考えられることから、処理品の表面で生じるＮＨ３の分解反応を制御することで化合物層の状態も変化する。また、処理温度が高くなると、ＮＨ３の分解反応を促進することになるため、高温ではＮＨ３の処理品表面における分解反応をより低く目に制御する必要がある。すなわち処理品の表面で生じるＮＨ３の分解反応を増やしたい場合は、窒化炉内のＮＨ３の分解率を下げて、処理面表面に到達するＮＨ３の量を増やし、逆に処理品の表面で生じるＮＨ３の分解反応を減少させたい場合は、窒化炉内のＮＨ３の分解率を上げ処理品の表面に到達するＮＨ３を減少させる必要がある。
【００２６】
ここで、処理品の表面におけるＮＨ３の分解反応を上げると、窒化速度は上がるが、その半面ポーラスな化合物層を形成し易くなることが解ってきた。すなわちポーラスな層を形成させないためには処理温度とＮＨ３の分解率を適正な値に制御することが必要であることを見いだすに至った。
処理の温度、時間と雰囲気が管理された前記軟窒化処理によって製作した部品の表面には、図４に示すように母材上に拡散相７及び表面にポーラス層を形成せず、空孔率が５％以下の緻密な化合物層６からなる窒化層を生成している（図４参照）。
また、化合物層６の表面には、図７に示す平均０．５μｍ以下の微細な炭窒化物、窒化物、硫化物あるいは酸化物、又は前記化合物の２種類以上からなる凸状部（白い粒状部分）を有している。
【００２７】
図５及び図８は従来技術による窒化処理品の例である。
従来技術による窒化処理品は、一般的な処理温度である５７０℃でガス軟窒化されていて、化合物層６が厚く生成し、表面近傍では柱状に生成したポーラス層８を有している（図６参照）。また、従来技術の窒化処理品は処理後の変形量が大きく、面粗度の悪化も著しいため研磨処理、研削処理等によってポーラス層の除去が必要となってくる。
【００２８】
次に本発明の窒化条件と比較例として従来技術による窒化条件の下で窒化処理を実施した場合の、処理面粗さの変化を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
比較例については図２に示すベーン側面１２の変形量が大きく、最終的に研削加工を必要とするが、本発明に関しては殆ど変形せず、後加工を必要としなかった。
【００３１】
【実施例】
［実施例１］
窒化処理の効果を確認することを目的とし、ピンオンディスク試験機で本発明品の窒化処理と従来技術で製造したピン側試験片を製作し、相手材にＦＣ２５０材のディスク材を使って摩擦数の比較を実施した。試験はエンジンオイルを供給しながら実施し、試験中のオイル温度を８０℃に設定した。図９は試験速度と摩擦係数の関係を示したグラフである。
この結果、本発明の窒化処理品は従来技術によるものより動摩擦係数が低く、摺動抵抗の低減効果においても優位であることがわかる。
【００３２】
［実施例２］
本発明を適用して、厚さ２ｍｍ、幅１７．５ｍｍ、高さ１８．５ｍｍのベーンを製作し、コストの比較を実施した。比較例の材質は、ベーンとして最も一般的に使用されている高速度鋼の焼入焼戻材を選定し、本発明の実施例はクロム−モリブデン鋼として比較した。その結果、比較例のコストを１００とした場合、本発明の実施例のコストは７３と大幅なコスト低減が確認できた。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によるベーンでは、ポーラス層のない１〜５μｍの緻密で高硬度の窒化化合物層を形成し、窒化前後で表面面粗度の悪化が殆どなく、更に窒化後の歪み変形が極めて小さいガス窒化処理を行うことで、表面面粗度の調整及びポーラス層除去などの窒化処理後の化合物層を調整する研磨を必要としない。これにより、表面性状が均一で安定した滑り特性を確保できる。
【００３４】
このように、均一な化合物層が得られることにより、従来技術によるベーンに比べ摩擦トルクを低減することができ、更に高コストな研磨処理を必要としないため、低コストなベーンを得ることができる。
また、今まではベーンに求められる特性上、高コストな材料を使用する必要があったが、本発明により比較的低コストな材料で必要且つ十分な硬度を得ることが出来るため、製品のコスト低減に対しても十分な効果が得られている。
【００３５】
更に、本発明のベーンはエアコンの冷媒圧縮機用コンプレッサー、パワーステアリング用油圧ポンプ及びブレーキ用油圧ポンプ用のみならず、ＣＶＴ用の油圧発生装置に使われているベーンや可変動弁機構に用いられる油圧機構用ベーンとしても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のベーンの使用例を示す断面図である。
【図２】本発明が適応可能なベーンの一例である。
【図３】本発明による窒化処理後の断面顕微鏡写真（８０００倍）である。
【図４】図３の化合物層を明示する断面図である。
【図５】従来技術による窒化処理後の断面顕微鏡写真（８０００倍）である。
【図６】図５のポーラス層を明示する断面図である。
【図７】本発明による窒化処理後の処理表面顕微鏡写真（８０００倍）である。
【図８】従来技術による窒化処理後の処理表面顕微鏡写真（８０００倍）である。
【図９】ピンオンディスク試験機による摺動速度と摩擦係数の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１    ローター
２    シリンダー
３    ベーン
６    化合物層
７    拡散層
８    ポーラス層
１１    先端部
１２    当接面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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