(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Siを含有するアルミニウム合金を相手材として摺動する円筒形鉄系焼結合金の炭素含有量を０．３〜０．８％とし、かつ体積空孔率を１６％以下とし、相手材と摺動する円筒形鉄系焼結合金の内面をサイジングし、かつNi-Pめっき層を形成したことを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は摺動部材に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、アルミニウム合金を相手材として摺動する焼結摺動部材に関するものである。本発明に係る焼結摺動部材は特にコンプレッサ用ブッシュとして使用される。
【０００２】
コンプレッサの軸には軽量化のためにアルミニウム合金が使用されることが多くなっている。またかかる軸に対して摺動するブッシュは円筒形を有しており、この形状に素材を加工する加工コストを低減するためにニアネットシェイプ(near net-shape)に加工が可能な焼結材料が使用されている。また、焼結材料としては強度特性が優れかつアルミニウム合金に対する摺動特性が良好なため鉄系材料、特にMoなどの高硬度炭化物形成元素を含有し耐摩耗性を有する合金鋼が使用されている。
【０００３】
以下、現在使用されている代表的コンプレッサを図面を参照して説明する。本出願人が出願した特公昭６３−１８７８５号の斜板式コンプレッサを図１に示す。図中、１はシリンダブロック、２はバルブプレート、３はシリンダヘッド、４は駆動軸、５はスラスト軸受、６はラジアル軸受、７はメカニカルシール、８は斜板、１０は斜板室、１１はシリンダボア、１２はピストン、１３はボール、１５は通路、１６は吐出室である。この斜板式コンプレッサでは、駆動軸４を回転駆動してこれと一体の斜板８を回転させ、その回転に伴ってピストン１２を往復動させると、シリンダボア１１内で圧縮された被圧縮ガスはバルブプレート2A,2Bに形成した通路１５A,１５Bおよび図示しない吐出弁を介して各吐出室１６A,１６B内に吐出され、ここからさらに両吐出室１６A,１６Bを連通する通路１７および吐出通路１９から吸込まれる被圧縮ガスは、通路２０で方向を変えられて一対の吸込室２１A,２１B内に導入され、ここから図示しない吸込弁およびバルブプレート2A,2Bに形成した通路を介して上記シリンダボア１1内に吸込まれる。そして、上記斜板８を収納した斜板室１０は通路２２（図２）を介して吸込側の通路２０に連通しており、その通路２２から慣性および重力により斜板室１０内に導入される被圧縮ガス中の潤滑油は、ミスト状態で斜板８やスラスト軸受５等の摺動部に供給される。上記のラジアル軸受には前掲公報ではアルミニウム軸受合金と炭素鋼の組み合わせが使用されている。
【０００４】
さらに本出願人の特開平２−１３０２８９号公報には、小型軽量である利点をもつベーン型圧縮機が示されている。同圧縮機を図２および３に示す。図中、３１はシリンダ、３２は第1サイドプレート、３３は第２サイドプレート、３４はロータ、３５は駆動軸、３６はベーン、３７はフロントハウジング、３８はリアハウジング、４１はスリット、５１は駆動軸、５２及び５３は軸受、５７は導出口、５８は導入口、５９は吸入口、６０は吐出口である。
【０００５】
上記圧縮機において、ロータ３４は、第1サイドプレート３２および第２サイドプレート３３と、シリンダ４１と両サイドプレート３２，３３で形成される内部空間内に回転自在に設けられている。４個のベーン３６はこのロータ３４と同一軸芯に固定された駆動軸３５と、ロータ３４の外周より中心部に駆動軸３５と平行に形成された合計４個のスリット41内に挿入されている。そして第1サイドプレート３２とフロントハウジング３７との間に吸入室５９が形成され、第２サイドプレート３３とリヤハウジング３８の間には吐出室６０が形成されている。吸入室５９は導入孔５８より冷媒ガスの供給を受ける。一方吐出室６０は導出孔５７より圧縮された冷媒を送り出す。軸受５２，５３は転がり軸受であるが、すべり軸受を使用することも検討されている。
【０００６】
さらに米国特許第４７６４０９６号明細書には、小型軽量である利点をもつスクロール型圧縮機が示されている。同圧縮機の摺動に関係する部材を図４に示す。図中、１００は偏心駆動軸受、１０１は偏心軸受、１０２は駆動軸受、１０５はスラスト軸受、１０７は自転拘束部品、１０８はクランク軸である。偏心軸受１０１には焼結鉄系部品を使用することが公知である。また、上記したコンプレッサ用鉄系焼結材は、Moなどの炭化物形成元素を含有しまた焼入れ焼戻しによりHv４００〜４５０程度の硬さを有しているので、かなりの耐摩耗性を具備している。
【０００７】
さらにこの鉄系焼結材を斜板式コンプレッサやロータリーコンプレッサに使用し、シャフトを軽量化するためにアルミニウム合金を使用することが試みられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した鉄系焼結材料を軸受に適用しようとするコンプレッサではポンプ容量を少なくし、小型化を図るために潤滑油の使用量が近年少なくなっているために、潤滑条件が厳しくなっており、鉄系焼結材料のブッシュがAl合金と焼付き易くなっており、またAl合金が耐摩耗性向上のためにSiを含有している場合は、Si粒子により摩擦摩耗される摩耗量が多くなっており、その結果以下に説明するような摺動特性上の問題が発生している。
【０００９】
（イ）鉄系焼結材料の耐摩耗性が不十分になっている。この原因は次のように考えられる：潤滑油が少なくなると、Al-Si合金のSi粒子が鉄系焼結材と直接接触する傾向が顕著になる；Si粒子は通常Hv４００〜５００程度である鉄系焼結材より硬いので、鉄系焼結材は多く削り取られる。そして焼結材が摩耗すると、摺動面の荒れが大きくなり、相手材のAl-Si合金を摩耗させることとなり、さらに相手材の摩耗された形状の表面が鉄系焼結材のスケルトンの摩耗を加速する。
【００１０】
（ロ）鉄系焼結材料のブッシュがAl合金に焼付き易くなっている。この原因は次のように考えられる。摩耗により形成された鉄粉が次第に摺動面に堆積する；Al合金も摩耗し、摺動面に堆積する；摺動面には鉄粉とAl合金粉の混合物が堆積する；これらの混合堆積物の一部は軸に加えられ荷重により摺動部材に凝着する；これらの凝着物及び堆積物がある程度以上の量になると急激に摩擦係数が高まり、焼付きに至る；潤滑油が少ないとAl合金の摩耗や堆積が起こり易い。
【００１１】
（ハ）鉄系焼結材料のブッシュの負荷容量が不十分になっている。この原因は次のように考えられる；荷重が大きくなると、鉄系焼結摺動部材が相手材との摩擦接触面で大きく変形する；焼結材料は空孔が存在するので、この変形はソリッド材と比較して大きい；潤滑油不足条件の下では相手材のSi粒子と固体接触している鉄系焼結材料のスケルトンが大きく変形し、削り取られる；荷重が大きくなると摩擦摩耗量が多くなり、上記（ロ）の焼付過程が加速され、その結果焼付きが起こり易くなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする手段】
したがって、本発明は、相手材をアルミニウム合金とする鉄系焼結材の耐摩耗性、耐焼付性および負荷容量を改善することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る摺動部材は、アルミニウム合金を相手材として摺動し、摺動面にNi-Pめっき皮膜を施した鉄系焼結材料からなることを特徴とし、より好ましくは、Siを含有するアルミニウム合金を相手材として摺動する円筒形鉄系焼結合金の体積空孔率を１６％以下とし、相手材と摺動する円筒形鉄系焼結合金の内面をサイジングし、かつNi-Pめっき層を形成したことを特徴とする。
【００１４】
以下、本発明の構成を説明する。
浸炭窒化は、炭化水素、COなどの浸炭性ガスにアンモニアを適量、例えば０．２〜２．５vol％添加して鉄系焼結材を変態点以上に温度に加熱してCとNを同時に拡散する方法である。この処理後焼入れを行って炭化物の分布を良好にすると共に、マルテンサイト組織を生成する。
【００１５】
かかる処理を行う鉄系焼結材は、空孔体積率が１６％以下が望ましく、２〜１６％が好ましい。空孔体積率が１６％を超えると、強度が低く、空孔体積率が２％未満であると、粉末冶金プロセスの条件が厳しくなり、また焼結後にサイジングを行い空孔堆積率を減少させるにせよサイジングの条件が厳しくなる。
【００１６】
図５はコンプレッサ用軸受の一例を示す正面図であり、相手軸と接する内側円筒形面にはNi-Pめっきを施す。非処理外面にはマスキングによりめっき液との接触を避ける処理を講じる。しかしコンプレッサの構造によってはマスキングを施さなくともよい。
【００１７】
Ni-Pめっきは焼結材の内部の油、水分をできるだけ少なくなるように除去した後塩化ニッケル水和物(NiCl2・6H2O), NaH2PO2・H2Oなどを含有するめっき浴を使用して無電解めっきにより好ましくは２０〜３０μmの厚みの皮膜を形成して行う。めっき皮膜形成後には硬度向上のために好ましくは２３０〜６００℃、より好ましくは３００〜４００℃にて熱処理を行う。熱処理時間は１時間程度でよい。Ni-Pめっきを施す焼結体の空孔体積率が１６％を超えると、めっき皮膜が空孔内部に形成される傾向が顕著になるので好ましくない。空孔体積率の上限は上記のとおりであることが好ましい。Ni-Pめっき後に硬度向上のために熱処理を行うことが好ましい。
【００１８】
上記の処理を施す母材は鉄系焼結材であれば特に制限はないが、基本成分であるCは下限が０．３％、上限が０．８％であることが好ましく、より好ましくは０．３〜０．６％である。これらのC量は表面処理の容易性（内部が処理され難いこと）、母材の強度と靭性などの面から定められる。
【００１９】
さらに、鉄系焼結材は、液相焼結により密度を高める必要がある時は、P,B,Siなどの共晶点を低下させる元素を適当量含有する。また、耐摩耗性向上のためにMo,Cｒなどの炭化物形成元素、窒化性向上のためにAl.Cr,Tiなどねばり性向上のためにNiなどを必要に応じて含有する。また上記浸炭窒化処理を施す前に焼結空孔に公知の溶浸処理を施して空孔を封孔して強度を高める処理を行ってもよい。すなわち浸炭窒化処理はCuの融点以下で行われるために、あらかじめCuの溶浸をすることが可能である。鉄系焼結材の空孔率はCu溶浸により封孔する。
【００２０】
上記表面処理後は相手材との摺動面を研摩した表面粗さを所定の粗さに整えて摺動部材としてコンプレッサなどに組み込む。相手材はSi含有量が11％以上の高Siアルミニウム合金に対して本発明の摺動部材は特に優れた特性を発揮する。
【００２１】
【作用】
（イ）本発明により耐摩耗性が向上する原因は次のように考えられる：本発明による処理層または処理面の硬さは、通常Hv４００〜５００程度である鉄系焼結材母材より概して硬くなっている。このため相手材であるAl-Si合金の硬質Siによる摩耗が少なくなる。
【００２２】
（ロ）本発明により耐焼付性が向上する原因は次のように考えられる：上記（イ）の結果摩耗による鉄粉の摺動面への堆積量が少なくなる；従来の表面処理なしの鉄系焼結材と比較して、鉄粉とAl-Si合金粉の混合物堆積量が少なくなる−これはFe-Alの接触の場合より、Ni-P/Alの接触の方が摩耗量が少ないことによると考えられる−；したがって混合堆積物が摺動部材に凝着する量も少なくなる；これらの接着物及び堆積物が少なくなる；Ni-Pは摩擦係数を安定させる（摩擦係数が大きく変動すると、その最大値点で焼付きが起こり易い）。
Ni-Pめっきを施す前に鉄系焼結材の円筒内面をサイジングし、表面に開孔した空孔を少なくすると、めっき後の表面粗さが小さくなり、摩擦係数安定化の面で好ましい。
【００２３】
（ハ）本発明により負荷容量が向上する理由は次のように考えられる。鉄系焼結材に高周波焼入れを施した従来材では、表面硬化層が本発明の表面処理層と比較して概して厚くかつ軟らかい；相手材であるAl-Si合金などと摺動材料の固体接触は粗さの突出部、例えばSi粒子を介して行われることが多い；この場合は非常に小さい面積から軸の荷重が表面処理層に伝えられる：すると本発明の場合は硬い表面処理層が変形しない作用と、軟らかく空孔がある下地（母材スケルトン）が荷重を吸収する作用が良好に働く（逆に従来材のように表面処理層が厚いとクッション作用が不充分になり、また表面硬化層が軟らかいと変形が大きくなる）；したがって、荷重を吸収する能力が高められる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
母材粉末として、1.75%Ni, 1.5%Cu, 0.5%Mo, 0.5%Cを含有する機械的破砕粉を用意した。この母材を通常の方法で圧粉し焼結して、密度が7.0g/cm3（空孔体積率１６％に相当）の円筒形焼結材（内径20mm,外径40mm）を作製した。この焼結材の内面をサイジングして、内径を20.2ｍｍとした。
【００２５】
続いて次の表面処理を施した。
焼結材を脱脂した後、乾燥処理及び前処理を順次行った。その後無電解Ni-Pめっき浴（奥野製薬(株)製の無電解Ni-Pめっき薬剤使用）中に焼結材を浸漬し、２５μmのNi-P皮膜を形成した。めっき後３５０℃で１時間の熱処理を行なった。
【００２６】
なお、比較のために表面処理なしの焼結材と、高周波焼入れを行った焼結材も用意し、摺動面の平均粗さを０．７μmRｚとした後、本発明実施例と比較例の供試材を以下の条件で試験した。
A.試験機：箱形ブッシュテスター
B.回転数：4800rpm
C.荷重：100kgf
D.潤滑油量：400ml（相手材である軸が半分程度浸漬される）
E.潤滑油種：冷凍機油（１容量部）と軽油（９容量部）の混合油
F.相手軸：アルミニウム合金（Si含有量２５％、直径２０ｍｍ）
G.温度：常温
試験結果を次表に示す。
【００２７】
【表１】
0003802840.tif 000002
【００２８】
耐焼付性判定基準
◎    焼付なし
×    焼付（ただし、比較例２では試験後１分で、比較例３では試験後１時間で焼付）
【００２９】
また本発明のNo.1(Ni-P)は摩擦係数の変動が１０％程度であった。その他のものは５０％程度のものもあった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば相手軸をアルミニウム合金、特にSi含有量が高いアルミニウム合金とする鉄系摺動材料の摺動特性を高めることができるので、コンプレッサなどの軽量化が可能になると共に、過酷な運転条件においてもトラブルや故障のない運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  斜板式コンプレッサの断面図である。
【図２】  ベーン式コンプレッサの水平断面図である。
【図３】  ベーン式コンプレッサの横断面図である。
【図４】  スクロール式コンプレッサの断面図である。
【図５】  摺動部材の一例を示す図である。
【符号の説明】
４  駆動軸
６  ラジアル軸受
５１  駆動軸
５２  軸受
１０１  偏心軸受
１０２  駆動軸
【図１】
0003802840.tif 000003
【図２】
0003802840.tif 000004
【図３】
0003802840.tif 000005
【図４】
0003802840.tif 000006
【図５】
0003802840.tif 000007