(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを１２〜６０重量％、０．１〜１．５重量％のＭｎ、０．１重量％以上１．０重量％未満のＦｅ及び０．１〜８．０重量％のＮｉを含有し、残部が実質的にＡｌからなり、粒状Ｓｉ粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Ｓｉ粒子をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着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】
Ｓｉを１２〜６０重量％、Ｓｎを０．１〜３０重量％、０．１〜１．５重量％のＭｎ、０．１重量％以上１．０重量％未満のＦｅ、及び０．１〜８．０重量％のＮｉを含有し、残部が実質的にＡｌからなり、粒状Ｓｉ粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Ｓｉ粒子及びＳｎ相をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着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３】
７．０重量％以下のＣｕ及び５．０重量％以下のＭｇの少なくとも１種を含有す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】
前記基板が表面を粗面化した金属基板である請求項１から３までのいずれか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項５】
前記粒状Ｓｉの平均粒径が５０μｍ以下である請求項１から４までのいずれか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【請求項６】
前記Ｓｉ及びＳｎの溶射層中の濃度が基板から層表面に向う方向で増加する膜厚方向の濃度変化を形成したことを特徴とする請求項２から５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７】
前記アルミニウム合金の表面に軟質膜を被着したことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の斜板式コンプレッサーの斜板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜板式コンプレッサーの斜板に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、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】
斜板式コンプレッサーは、図１に示すように回転軸１に斜めに固着された斜板２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３と称される密封部材と摺動しかつ相互に気密な封止を図ることにより冷却媒体が所定の空間にて圧縮・膨張可能となる。４はボールである。
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斜板とシューの間の摺動部に到達し、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。
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がなされている。又は次のような表面処理法の提案もされている。
【０００３】
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、古くは、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。
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ているが、スズめっきは軟質であるために耐摩耗性不足の問題が起こった。
【０００４】
さらに、鋳造もしくは鍛造により製造される共晶もしくは過共晶Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金は耐摩耗性が良好であるが、Ｓｉ含有量が１５％を超えると製造が困難になるので、耐摩耗性もこのＳｉ量で制約されることになる。近年、急冷凝固アルミニウム合金粉末を使用した粉末冶金製品が提案されており（例えば特許掲載公報第２５３５７８９号），Ｓｉ含有量が例えば１４〜３０％と非常に高いために耐摩耗性の向上は著しい。しかしながら、この合金はホットプレスに続いて熱間押出などの加工を行う必要があるから、斜板素材などの比較的大型部品を製造するためには非常に大容量のプレスや押出機の設備投資をしなければならないので、コスト面の競争力が著しく低いと言わざるをえない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、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、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。
本発明者らは共晶及び過共晶領域のＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金系摺動材料を簡単な方法で斜板の表面に摺動層として成膜しかつ従来の各種摺動層よりも優れた特性を発揮させるための研究を行った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意実験を行い、共晶及び過共晶領域のＡｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金の溶射皮膜は基板との密着性が優れており、またＳｉ粒子が微細化されることを見出し、本発明の第一は、Ｓｉを１２〜６０重量％、０．１〜１．５重量％のＭｎ、０．１重量％以上１．０重量％未満のＦｅ及び０．１〜８．０重量％のＮｉを含有し、残部が実質的にＡｌからなり、粒状Ｓｉ粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Ｓｉ粒子をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着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り、本発明の第二は、Ｓｉを１２〜６０重量％、Ｓｎ０．１〜３０重量％、０．１〜１．５重量％のＭｎ、０．１重量％以上１．０重量％未満のＦｅ、及び０．１〜８．０重量％のＮｉを含有し、残部が実質的にＡｌからなり、粒状Ｓｉ粒子即ち、どの方向でもほとんど寸法が同じ球状、塊状、多角状、これらに分類されない不定形状であり、初晶、共晶 の区別がされない粒状Ｓｉ粒子及びＳｎ相をマトリックス中に分散させた溶射層を基板に被着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。以下、本発明を詳しく説明する。なお、百分率は特に断らない限り重量％である。
【０００７】
本第１発明のＡｌ−Ｓｉ系合金において、Ｓｉは粒状形態でアルミニウムマトリックス中に微細かつ多量に分散して合金の硬さを高めて耐摩耗性を向上させる。さらに微細かつ多量に分散した粒状Ｓｉ粒子はアルミニウムマトリックスがシューと凝着することによる焼付を起こり難くしている。本発明において、粒状Ｓｉ粒子とは従来の溶製合金の初晶Ｓｉや圧延合金のＳｉ粒子で見られるような、一方向明らかに長い方向性がある粒子形状ではなく、どの方向でもほとんど同じ寸法の球状、塊状、多角形、その他これらに分類されない不定形状である。さらに、従来の溶製合金では判然としている初晶Ｓｉと共晶Ｓｉの区別は本発明の場合は消失している。Ｓｉ含有量が１２％未満では耐摩耗性と耐焼付性向上の効果が少なく、６０％を超えると強度低下が著しく、耐摩耗性の低下を招く。好ましいＳｉ含有量は１５〜５０％である。Ｓｉ粒子の寸法が５０μｍを超えるとＳｉ粒子の脱落が起こり易くなる。好ましいＳｉ粒子寸法は１〜４０μｍである。
Ｍｎ：Ｍｎは０．１％以上でアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってＣｕと同様の効果をもたらす。しかしながら、Ｍｎの含有量が１．５％を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいＭｎ含有量は０．１〜１％である。
Ｆｅ：Ｆｅはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってＣｕと同様の効果をもたらす。しかしながら、Ｆｅの含有量が１．０％以上であると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。Ｆｅ含有量は０．１％以上である。
Ｎｉ：０．１％以上でＮｉはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによってＣｕと同様の効果をもたらす。しかしながら、Ｎｉの含有量が８％を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいＮｉ含有量は０．１〜５％である。
本第２発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｓｎ系合金もＭｎ、Ｆｅ及びＮｉを含有する。
【０００８】
次に、本第２発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｓｎ系合金は優れた耐摩耗性と耐焼付性をもつ材料である。Ｓｉの形状及び含有量は第１発明について述べたところと共通している。Ｓｎは、均一にアルミニウムマトリックス中に分散して潤滑性やなじみ性を付与する成分であり、また、シューに優先的に付着して、シューに凝着したＡｌと軸受のＡｌの同種材料どうしの摺動が起こるのを妨げて、耐焼付性を高める。
Ｓｎ含有量が０．１％未満では潤滑性などの向上の効果が少なく、３０％を超えると合金の強度が低下する。好ましいＳｎ含有量は５〜２５％である。Ｓｎ相は層内で片状に伸びた形状を有し、この形状は潤滑性の面で好ましいと考えられる。
【０００９】
第１発明及び第２発明のアルミニウム合金は、例えば次の任意元素を含有することができる。
Ｃｕ：Ｃｕはアルミニウムマトリックスに過飽和に固溶してその強度を高めることによって、アルミニウムの凝着摩耗や、Ｓｉ粒子が脱落することによる摩耗を抑える。さらにＣｕはＳｎの一部とＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を生成して耐摩耗性を高める。しかしながら、Ｃｕの含有量が７．０％を超えると合金が硬化し過ぎるために摺動部材として不適当になる。好ましいＣｕ含有量は０．５〜５％である。
Ｍｇ：ＭｇはＳｉの一部と化合してＭｇ−Ｓｉ金属間化合物を生成して耐摩耗性を高める。しかしながら、Ｍｇの含有量が５．０％を超えると、粗大なＭｇ相が生成して摺動特性が劣化する。
【００１０】
続いて、第１発明及び第２発明に共通する溶射による摺動層の形成を説明する。
本発明においては、トライボロジストVol.41, No.11 の第２０頁、図２に掲載されている各種溶射法を採用することができるが、中でも高速ガス火炎溶射法（HVOF, high velocity oxyfuel)を好ましく採用することができる。この方法は同第２０頁右欄第４〜１３行に記載された特長を有しているので、特長があるＳｉ及びＳｎ相形態が得られると考えられる。溶射されたＡｌは急冷凝固により硬化しているために、Ｓｉ粒子の保持力が高い特長を有し、このためにＳｉ粒脱落による摩耗を抑えることができる。
溶射粉末としてはＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｎ合金などのアトマイズ粉末を使用することができる。これらのアトマイズ粉末は完全に基板上で溶融しその後凝固してもよく、あるいは一部が未溶融状態で基板上にて被着され粉末の組織が残るようにしてもよい。
溶射条件としては、酸素圧力０．４５〜０．７６ＭＰａ，燃料圧力０．４５〜０．７６ＭＰａ，溶射距離５０〜２５０ｍｍが好ましい。
溶射層の厚さは１０〜５００μｍ、特に１０〜３００μｍが好ましい。
溶射後の硬度はＨv １００〜６００の範囲にある。従来の１２％Ｓｉ含有アルミニウム合金では硬度がＨv ７０〜１５０であるので、本発明の溶射層は非常に硬質であると言える。
【００１１】
溶射層を形成する基板としては、鉄、銅、アルミニウムなどの各種金属基板を使用することができる。基板の表面はショットブラストなどにより、好ましくはＲｚ１０〜６０μｍの表面粗さに粗面化しておくと、膜の密着強度が高くなる。具体的には剪断破壊試験法により密着強度を測定したところ、鋼基板（ショットブラスト）に対する溶射Ｎｉ皮膜の密着強度が３０〜５０ＭＰａであったのに対し、本発明皮膜の密着強度は４０〜６０ＭＰａであった。したがって従来密着性が良いと言われているＮｉ溶射皮膜よりも高い密着強度が得られる。
溶射層には熱処理を施して硬さを調整することができる。
【００１２】
溶射層と基板の密着力はアルミニウム（すなわち溶射層のマトリックス）と基材の金属とが融合・拡散して合金を作ることによりもたらされ、一方分散相であるＳｉなどはこのような作用を欠き、密着力には寄与していないと考えれられる。このように溶射層中のＳｎ及びＳｉは基板と溶射層の密着性を低下する傾向があるので、これらの元素の溶射層中の濃度が基板側から表面に向かって連続的もしくは不連続的に増加するような濃度勾配を形成すると密着力を高くすることができる。この結果、基板と接触する溶射層は純Ａｌ，Ｓｉなどの二次相形成元素濃度が低い合金となり密着力が高められる。このような濃度勾配は溶射粉末の配合組成を変えることにより形成することができる。
【００１３】
溶射層をオーバレイなしで使用する場合は、溶射表面をＲｚ３．２μｍ以下に仕上げることが好ましい。オーバレイを使用する場合はＳｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ，ＭｏＳ2 ，ＭｏＳ2 −グラファイトなどのなじみ性にすぐれた各種軟質被膜を使用することができる。
【００１４】
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。
以下、実施例により本発明を説明する。
【００１５】
【実施例】
実施例１
Ａｌ−４０％Ｓｉの組成になるように、これら金属粉末の混合物を用意した。一方市販の純アルミ圧延板にスチールグリッド（寸法０．７ｍｍ）によるショットブラストを施し、表面を粗さＲｚ４５μｍに粗面化した。
ＨＶＯＦ型溶射機（スルザーメテコ社製ＤＪ）を使用し、下記条件で溶射を行った。
酸素圧力：１５０ｐｓｉ
燃料圧力：１００ｐｓｉ
溶射距離：１８０ｍｍ
溶射層厚さ：２００μｍ
この結果、硬度Ｈｖ＝１８０〜２５０、平均粒状Ｓｉ粒子寸法３μｍの溶射層が形成された。この表面をＲｚ１．２μｍに仕上げた後相手材を鋼板（ＳＵＪ２焼入れ）として摩耗試験を下記条件で行った。摩耗試験の結果は比較例１、２とともに表１に示す。
【００１５】
比較例１
実施例１と同様の条件で純アルミニウムの溶射層を形成し、同様の摩耗試験を行った。
【００１６】
比較例２
Ｓｉを１７％含有する砂型Ａｌ−Ｓｉ鋳造材を供試材として、実施例１と同様の試験を行った。
【００１７】
摩耗試験は次の条件で行った。
試験機：３０ピン／ディスク摩擦摩耗試験機
荷重：４０ｋｇ／ｃｍ2
回転数：７００ｒｐｍ
潤滑：冷凍機油＋冷媒ガス（Ｒ１３４ａ）
試験時間：１２０分
【００１８】
【表１】
0004293295.tif 000002
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると共晶もしくは過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金を斜板の摺動層として容易に成膜することができる。また、本発明合金の性能は従来の溶製Ａｌ−Ｓｉ合金と比較して優れているために、斜板式コンプレッサーの性能向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  斜板式コンプレッサーの斜板、回転軸及びシューを示す図面である。
【符号の説明】
１−シャフト
２−斜板
３−シュー
【図１】
0004293295.tif 000003