JP6490325B1 - スクロール部品及びスクロール圧縮機 - Google Patents

Abstract

アルミニウム合金からなる固定スクロールとアルミニウム合金からなる揺動スクロールとを備えるスクロール部品であって、固定スクロール及び揺動スクロールの少なくとも一方は、その摺動面に形成された鉄系めっき層と、鉄系めっき層とアルミニウム合金との界面に形成され、Ａｌ及びＦｅを主成分とし且つＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも一種を含有する拡散層と、を備える。

Description

本発明は、空調機等のスクロール圧縮機に使用されるスクロール部品及びスクロール圧縮機に関する。

スクロール流体機械の１つであるスクロール圧縮機は、他の形態の圧縮機に比べて、高効率、高信頼性、静音等の優位性を備えており、冷凍機器、空調機器等の様々な分野で広く利用されている。このようなスクロール圧縮機は、フレームに固定された固定スクロールと、この固定スクロールに対向配置された揺動スクロールとを備えている。スクロール圧縮機は、スクロールの回転運動で冷媒ガスを圧縮する方式であり、スクロールの回転数を上げることで高出力化が可能となる。しかしながら、回転数を上げることで、スクロールに印加される遠心力が増大し、機械的な変形が生じる等の問題が発生する。そのため、スクロールの軽量化策として、材質を鋳鉄から比重の軽いアルミニウム合金に変更する検討が盛んに行われているが、アルミニウム合金は、融点が低く且つ表面硬度も低いことから、運転動作時に摺動面の焼付きが発生してしまう。そのため、アルミニウム合金製のスクロールにおいては、摺動性の向上（焼き付き防止）が課題となっている。

そこで、特許文献１では、アルミニウム合金からなるスクロールの摺動面に鉄系材料からなるめっき層を形成することで、摺動性を向上させたスクロール型流体機械が開示されている。また、特許文献２では、アルミニウム合金からなる摺動部品の表面に鉄系皮膜を形成し、アンモニアガス雰囲気中で５００℃の熱処理を施すことで、鉄系皮膜の表面を窒化し、窒化鉄の皮膜を形成した摺動部品が開示されている。

特開２００５−１４６８７４号公報 特開平５−７１４８９号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている方法では、アルミニウム合金からなるスクロールの表面に形成された鉄系材料からなるめっき層の密着力が弱く、圧縮機運転時の摩擦により、めっき層が剥がれるという課題があった。また、特許文献２で開示されている方法では、熱処理温度（５００℃）が高いため、スクロール部品に熱変形が生じたり、熱処理後のアルミニウム合金の強度低下により、圧縮機運転時に印加される応力で、スクロール部品に歪みが生じ、冷媒ガスのシール性が悪化するという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アルミニウム合金からなるスクロールの摺動面に摺動性及び密着性に優れる層が形成されると共に、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することのできるスクロール部品を提供することを目的とする。また、本発明は、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することのできるスクロール圧縮機を提供することを目的とする。

アルミニウム合金は、一般的な摺動部品に使用される鉄系金属と比較して、融点が低く且つ硬度が低いという傾向がある。そのため、アルミニウム合金の摺動性を向上させるためには、アルミニウム合金の表面に、硬度の高い材料を用いて層を形成することが必要である。また、アルミニウム合金の表面に形成される層には、部材同士の摺動時に多大な応力が印加される。したがって、硬度の高い材料を用いて形成した層とアルミニウム合金との界面は、摺動時に剥がれが生じない程度に強固な密着性を有することが求められる。
そこで、本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究した結果、アルミニウム合金の表面に、アルミニウム合金と比較して硬度の高い鉄系めっき層を形成することで、アルミニウム合金の摺動性が向上することを見出した。更に、鉄系めっき層とアルミニウム合金との界面に、熱拡散が生じ易い特定の金属元素を含有する拡散層を形成することで、鉄系めっき層とアルミニウム合金との密着性が向上することを見出した。また、この拡散層は低温で形成することができるため、アルミニウム合金の熱変形及び強度低下を抑制することができ、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、アルミニウム合金からなる固定スクロールとアルミニウム合金からなる揺動スクロールとを備えるスクロール部品において、前記固定スクロール及び前記揺動スクロールの少なくとも一方は、その摺動面に形成された鉄系めっき層と、前記鉄系めっき層と前記アルミニウム合金との界面に形成され、Ａｌ及びＦｅを主成分とし且つＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも一種を含有する拡散層と、を備えることを特徴とするスクロール部品である。
さらに、本発明は、密閉容器と、前記密閉容器に収容され、前記密閉容器内に流入する流体を圧縮する圧縮機構部と、回転力を発生する電動機と、前記電動機により発生する回転力を前記圧縮機構部に伝える駆動軸と、を備えたスクロール圧縮機において、前記圧縮機構部が、前記スクロール部品を含むことを特徴とするスクロール圧縮機である。

本発明によれば、アルミニウム合金からなるスクロールの摺動面に摺動性及び密着性に優れる層が形成されると共に、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することのできるスクロール部品を提供することができる。
また、本発明によれば、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することのできるスクロール圧縮機を提供することができる。

実施の形態１に係るスクロール部品を構成する固定スクロール及び揺動スクロールの断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面の断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面の断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面に形成された鉄系めっき層とアルミニウム合金との界面近傍の断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面のエッジ部に曲面加工が施されている状態を説明するための断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面のエッジ部にテーパー加工が施されている状態を説明するための断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品を構成する固定スクロール及び揺動スクロールの両方の摺動面に鉄系めっき層及びセラミック層が形成されている状態を説明するための断面模式図である。 実施の形態１に係るスクロール部品を構成する一方のスクロールの摺動面に鉄系めっき層及びセラミック層が形成されている状態を説明するための断面模式図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るスクロール部品を構成する固定スクロール及び揺動スクロールの断面模式図である。図１において、スクロール部品１は、揺動スクロール２と固定スクロール３とを備え、これらのスクロールが互いに擦れ合う摺動面１ａを有している。図２及び３は、実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面１ａの断面模式図である。図４は、実施の形態１に係るスクロール部品の摺動面１ａに形成された鉄系めっき層とアルミニウム合金との界面近傍の断面模式図である。図２に示されるスクロール部品では、スクロールを構成するアルミニウム合金５の表面に鉄系めっき層６が形成されており、鉄系めっき層６の表面には、複数のクラック部１１が存在している。図３に示されるスクロール部品では、スクロールを構成するアルミニウム合金５の表面に鉄系めっき層６が形成されており、鉄系めっき層６の表面及びクラック部１１に窒化物及び硫化物を主成分とするセラミック層７が形成されている。すなわち、図３に示されるスクロール部品は、セラミック層７を備える点で、図２に示されるスクロール部品と異なっている。また、図４に示されるように、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５との界面にＡｌ及びＦｅを主成分とする拡散層１０が形成されている。摺動面１ａとなるアルミニウム合金５の表面に、図２に示されるようにアルミニウム合金５よりも硬度の高い鉄系めっき層６を形成することで、アルミニウム合金５の表面の摺動性を向上させることができる。摺動面１ａとなるアルミニウム合金５の表面に、図３に示されるようにアルミニウム合金５よりも硬度の高い鉄系めっき層６及びセラミック層７（以下、鉄系めっき層６及びセラミック層７を併せて複合層と略記することがある）を形成することで、アルミニウム合金５の表面の摺動性をより向上させることができる。また、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５との界面に拡散層１０を形成することで、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５とが化学的に結合され、アルミニウム合金５に対する鉄系めっき層６及びセラミック層７の密着性を向上させることができる。さらに、拡散層１０に熱拡散が生じ易い特定の金属元素を含有させることで、低温で拡散層１０を形成することができるため、アルミニウム合金５の熱変形及び強度低下を抑制することができ、結果として、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を防止することができる。

本実施の形態に係るスクロール部品における鉄系めっき層６は、クラック部１１を有していることで、セラミック層７との密着性が向上する。基材であるアルミニウム合金５と鉄系めっき層６とは熱膨張差を有する。そのため、拡散層１０を形成するための熱処理又はセラミック層７を形成するための熱処理を施した際に、熱膨張差に起因した熱応力により、アルミニウム合金５と比較して熱膨張率の小さい鉄系めっき層６にクラックが生じる。このクラックは、鉄系めっき層６の表面及びクラック部１１に形成されたセラミック層７との密着性を向上させることにも寄与している。つまり、セラミック層７が、鉄系めっき層６の表面だけでなく、クラック部１１にも形成されていることにより、アンカー効果が働き、セラミック層７と鉄系めっき層６との密着性が向上する。また、鉄系めっき層６の組成は、鉄のみでもよいが、鉄系めっき層６の硬度を高くする観点から、クロム（Ｃｒ）を含有していることが好ましい。鉄系めっき層６におけるクロムの含有量は、特に限定されないが、好ましくは３質量％以上１５質量％以下であり、より好ましくは５質量％以上１０質量％以下である。クロムの含有量を３質量％以上１５質量％以下とすることで、鉄系めっき層６の硬度がより高まるため、アルミニウム合金５の表面の摺動性向上に有利になる。
鉄系めっき層６の厚みは、特に限定されないが、好ましくは２μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下である。鉄系めっき層６の厚みを２μｍ以上２０μｍ以下とすることで、鉄系めっき層６の硬度を高めつつ、アルミニウム合金５の露出を防止することができる。

本実施の形態に係るスクロール部品におけるセラミック層７は、窒化物及び硫化物を主成分としている。窒化物は、硬度が非常に高いセラミックであることから、セラミック層７に窒化物が含まれることで耐摩耗性が向上する。また、硫化物は、硬度が比較的低いものの、潤滑性が非常に優れていることから、セラミック層７に硫化物が含まれることで摺動時の摩擦抵抗が抑制される。このように、セラミック層７に窒化物及び硫化物が含まれることで、表面の摺動性が向上する。セラミック層７の主成分の一つである窒化物としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化鉄、窒化クロム、窒化チタン、窒化ガリウム等が挙げられる。これらの窒化物は、単独で用いてもよいし、又は２種以上を用いてもよい。これらの窒化物の中でも、摺動性向上の観点から窒化鉄が好ましい。さらに、窒化鉄を用いることで、下地である鉄系めっき層６との馴染みが良くなるため、鉄系めっき層６とセラミック層７との密着性が向上する。また、セラミック層７のもう一つの主成分である硫化物としては、硫化モリブデン、硫化スズ、硫化鉄、硫化クロム、硫化バナジウム、硫化タングステン等が挙げられる。これらの硫化物は、単独で用いてもよいし、又は２種以上を用いてもよい。これらの硫化物の中でも、摺動性向上の観点から硫化鉄が好ましい。さらに、硫化鉄を用いることで、下地である鉄系めっき層６との馴染みが良くなるため、鉄系めっき層６とセラミック層７との密着性が向上する。なお、本明細書において、窒化物及び硫化物を主成分とするとは、窒化物及び硫化物の合計量が、セラミック層７に対して、７０質量％以上１００質量％以下であることを意味する。
本実施の形態に係るスクロール部品におけるセラミック層７の厚みは、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは２μｍ以上５μｍ以下である。セラミック層７の厚みを１μｍ以上１０μｍ以下とすることで、摺動性を高めつつ、鉄系めっき層６とセラミック層７との密着性が向上し、セラミック層７の剥がれを防止することができる。

本実施の形態に係るスクロール部品の摺動面に形成された複合層の厚みは、冷媒ガスのシール性を向上させる観点から、摺動面全体にわたって均一であることが好ましい。スクロール部品の摺動面の凸部及び凹部において複合層の厚みが不均一であると、揺動スクロール２と固定スクロール３とを摺動させた場合に、摺動面に隙間が生じ、冷媒ガスのシール性が悪化する。そのため、スクロール部品の摺動面の凸部における複合層の厚みと凹部における複合層の厚みとの差は、好ましくは５μｍ以下であり、より好ましくは３μｍ以下である。複合層の厚み差が５μｍ以下であれば、摺動面に隙間が生じても、潤滑油の油膜がパッキンの代わりになり、シール性の悪化を抑制することができる。

本実施の形態に係るスクロール部品における拡散層１０は、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５との密着性向上に寄与している。拡散層１０が存在しない場合には、鉄系めっき層６はアルミニウム合金５の表面に物理的に接触している状態になる。そのため、界面の密着性は非常に弱いものとなり、摺動時の機械的な応力により、鉄系めっき層６又は複合層が剥がれる場合がある。また、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５とは、上述したように熱膨張差を有するため、拡散層１０が存在しない場合には、摺動時の摩擦熱による熱応力によって、鉄系めっき層６又は複合層が剥がれる場合もある。本実施の形態に係るスクロール部品では、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５とが拡散層１０を介して化学結合（拡散接合）されていることにより、アルミニウム合金５に対する鉄系めっき層６及びセラミック層７の密着性が優れたものとなる。

本実施の形態に係るスクロール部品における拡散層１０は、アルミニウム合金５と鉄系めっき層６との界面に形成されていることから、その組成はＡｌ及びＦｅを主成分としている。さらに、拡散層１０の形成を促進させると共に、アルミニウム合金５と鉄系めっき層６との密着性をより高める観点から、拡散層１０は、Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属を含有している。Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎが挙げられる。これらの金属は、単独で用いてもよいし、又は２種以上を用いてもよい。これらの金属の含有量は、特に限定されないが、拡散層１０に対して、好ましくは２質量％以上４０質量％以下であり、より好ましくは４質量％以上３０質量％以下である。なお、本明細書において、Ａｌ及びＦｅを主成分とするとは、Ａｌ及びＦｅの合計量が、拡散層１０に対して、６０質量％以上９８質量％以下であることを意味する。また、本明細書において、拡散層１０中に含まれる金属の含有量は、アルミニウム合金５と鉄系めっき層６との界面近傍の断面において、界面から上下垂直方向に５μｍの領域を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によって定量分析した値を言う。

本実施の形態に係るスクロール部品における拡散層１０は、熱処理による元素の熱拡散を利用しており、拡散層１０を形成するための熱処理工程を必要とする。しかしながら、アルミニウム合金５は、高温で熱処理すると、歪みが発生する場合がある。さらに、アルミニウム合金５は、高温での熱処理によって結晶組織の変質（再結晶化）が起こり、機械強度が急激に低下する場合がある。Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属が拡散層に含まれない場合、拡散層を形成するために５００℃以上の高温の熱処理が必要となり、アルミニウム合金５の熱歪みが生じたり、結晶組織の変質による機械強度の低下が生じる。本実施の形態に係るスクロール部品では、Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属を含有する拡散層１０とすることにより、拡散層１０を形成するための熱処理温度が４００℃以下となるため、アルミニウム合金５の熱歪み及び結晶組織の変質による機械強度の低下を抑制することができる。結果として、スクロール部品の熱歪み及び変形による冷媒ガスのシール性の悪化を防止することができる。

上述した鉄系めっき層６及び拡散層１０を備えるスクロール並びに鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層１０を備えるスクロールには、摺動により、強い機械的応力が印加される。そのため、印加される機械的応力で歪みが発生しない程度の機械強度を有することが求められる。そのため、スクロールの引張試験における０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上であることが好ましく、２００ＭＰａ以上であることがより好ましく、３００ＭＰａ以上であることが最も好ましい。スクロールの引張試験における０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上であれば、摺動時に歪みが発生せず、摺動部材として信頼性の高いものとなる。
ここで、本明細書において、引張試験における０．２％耐力は、ＪＩＳ Ｚ２４１１に記載の方法で評価した値を用いる。

本実施の形態に係るスクロール部品は、摺動面のエッジ部に加工を施していなくても、摺動性及び密着性に悪影響はないが、鉄系めっき層６及びセラミック層７の平滑性の観点から、摺動面のエッジ部に曲面（Ｒ）加工又はテーパー加工が施されていることが好ましい。摺動面のエッジ部に曲面加工又はテーパー加工を施すことで、鉄系めっき層６及びセラミック層７の平滑性が向上し、スクロール部品における冷媒ガスのシール性が向上する。アルミニウム合金５の表面に鉄系めっき層６を電解めっきにより形成する場合、電解めっきの特性上、エッジ部に電解が集中し、エッジ部における鉄系めっき層６の厚みが厚くなる場合がある。図５は、スクロール部品の摺動面のエッジ部に曲面加工が施されている状態を説明するための断面模式図であり、図６は、スクロール部品の摺動面のエッジ部にテーパー加工が施されている状態を説明するための断面模式図である。図５及び図６に示すように、アルミニウム合金５のエッジ部に曲面加工又はテーパー加工を施すことで、エッジ部に電解が集中するのを抑制することができ、アルミニウム合金５の表面に形成される鉄系めっき層６及びセラミック層７を平滑にすることができる。このとき、曲面（Ｒ）加工は、Ｒ０．５ｍｍ以上Ｒ３ｍｍ以下であることが好ましい。また、テーパー加工は、Ｃ０．５ｍｍ以上Ｃ３ｍｍ以下であることが好ましい。なお、本明細書において、Ｒは曲面の半径を意味し、Ｃはエッジ部からの距離を意味する。Ｒ及びＣが０．５ｍｍ未満であると、電解集中の抑制効果が十分に発揮されず、鉄系めっき層６及びセラミック層７の平滑性が向上しない。一方、Ｒ及びＣが３ｍｍを超えると、スクロール部品等の摺動部品に適用した際に、摺動面の面積が小さくなり、摺動時に印加される圧力が増大してしまう。

本実施の形態の圧縮機用スクロール部品１の摺動部１ａの拡大図を図７及び図８に示す。図７では、固定スクロール及び揺動スクロールの各々の摺動面１ａに、鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層を形成している。図８では、固定スクロール及び揺動スクロールの一方の摺動面１ａのみに、鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層を形成している。スクロール部品１を構成する両方のスクロールの摺動面１ａに、鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層を形成するか、又はスクロール部品１を構成する一方のスクロールの摺動面１ａに、鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層を形成するかは、スクロール部品１に要求される摺動性に応じて適宜選択すればよい。例えば、圧縮機のスクロールの回転数を高速化する必要がある場合には、高い摺動性が要求されるため、両方のスクロールの摺動面１ａに、鉄系めっき層６、セラミック層７及び拡散層を形成することが好ましい。また、それほど高い摺動性が要求されない場合には、セラミック層７の形成を省略してもよい。

本実施の形態に係るスクロール部品におけるアルミニウム合金５は、摺動時に印加される機械的応力による変形を抑制する観点から、ヤング率が７０ＧＰａ以上であることが好ましい。アルミニウム合金５の材質は、特に限定されず、当該技術分野で公知の鋳造用、鍛造用、ダイカスト用のアルミニウム合金を用いることができる。アルミニウム合金の例としては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｕ系合金等が挙げられる。

本実施の形態に係るスクロール部品は、次のように製造することができる。
まず、アルミニウム合金をスクロール形状に加工する。ここで、アルミニウム合金で固定スクロール及び揺動スクロールを形成する方法は、特に限定されず、鋳造法、鍛造法、ダイカスト法等を用いることが可能である。また、後工程として、表面研削処理を施すことも可能である。表面研削処理を施すことで、表面の平滑性及び寸法精度を向上させることができる。次に、スクロール形状に加工したアルミニウム合金５の表面に、上述したＡｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属の層を形成する。Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属の層を形成する方法は、特に限定されないが、電解めっき、無電解めっき、蒸着、スパッタ、溶射等が挙げられる。
次に、アルミニウム合金５の表面に形成した、Ａｌ及びＦｅよりも拡散係数の大きい金属の層の表面に、鉄系めっき層６を形成する。鉄系めっき層６を形成する方法は、特に限定されず、電解めっき、無電解めっき等が挙げられる。スクロール形状のアルミニウム合金５に、電解めっきによって、鉄系めっき層６を形成する場合、形状が複雑であることから、めっき通電時の電流密度が不均一になり、鉄系めっき層６の厚みが不均一になる場合がある。その場合には、補助電極などの治具を使用することで、電流密度を均一化し、鉄系めっき層６の厚みを均一化することができる。補助電極の形状は、電流密度を均一化できるものであれば特に限定されないが、スクロールの渦巻き形状に類似した形状とすることが好ましい。
次に、鉄系めっき層６を形成したアルミニウム合金５を、真空中で熱処理するか、又は窒素ガス及び硫化水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で熱処理する。この熱処理によって、鉄系めっき層６の表面に、熱膨張差によるクラックが生じると同時に、鉄系めっき層６とアルミニウム合金５との界面に拡散層１０が形成される。窒素ガス及び硫化水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で熱処理する場合には、鉄系めっき層６の表面及びクラック部１１に、混合ガスとの反応により、窒化物及び硫化物を主成分とするセラミック層７が形成される。熱処理温度は、特に限定されないが、アルミニウム合金５の熱歪み及び結晶組織の変質を抑制する観点から、２００℃以上４００℃以下とすることが好ましく、２５０℃以上３５０℃以上とすることがより好ましい。熱処理温度が２００℃未満であると、拡散層１０が形成されにくく、密着性の向上が不十分となる可能性がある。さらに、鉄系めっき層６と混合ガスとの反応が進みにくくなることから、鉄系めっき層６の表面及びクラック部１１へのセラミック層７の形成が不十分となる。一方、熱処理温度が４００℃を超えると、アルミニウム合金５の結晶組織の変質（結晶粒子の粗大化など）が発生し、スクロール部品の歪み及び機械強度の低下による、冷媒ガスのシール性の悪化が発生する。

実施の形態１によれば、アルミニウム合金からなるスクロールの摺動面に摺動性及び密着性に優れる層が形成されると共に、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することができるスクロール部品とすることができる。
なお、本実施の形態では、圧縮機用スクロール部品を例に挙げたが、その他のアルミニウム合金製の摺動部品にも、本発明を適用することができる。

実施の形態２．
実施の形態２のスクロール圧縮機は、いわゆる縦型のスクロール圧縮機であって、例えば冷媒等の作動ガスを圧縮し吐出するものである。スクロール圧縮機は、密閉容器と、圧縮機構部と、回転力を発生する電動機と、電動機により発生する回転力を圧縮機構部に伝える駆動軸とを備える。密閉容器は、例えば円筒形状に形成されており、耐圧性を有している。密閉容器の一方の側面には作動ガスを密閉容器内に取り込むための吸入配管が接続されており、密閉容器の他方の側面には圧縮した作動ガスを密閉容器から外へと放出する吐出配管が接続されている。
本実施の形態のスクロール圧縮機において、圧縮機構部は、実施の形態１に係るスクロール部品を組み込んだものとなる。実施の形態１に係るスクロール部品を組み込むことで、圧縮機運転時に発生するスクロール部品の遠心力が軽減される。また、アルミニウム合金の表面に形成した鉄系めっき層、セラミック層及び拡散層により、摺動性が向上する。そのため、スクロール部品の回転数を高速化することで、冷媒ガスの圧縮効率が向上し、スクロール圧縮機の高出力化が可能となる。スクロール圧縮機に、スクロール部品を組み込む方法としては、特に限定されることはなく、公知の方法に従って行うことができる。

実施の形態２によれば、冷媒ガスのシール性の悪化が無く、高速運転による高出力化が可能なスクロール圧縮機とすることができる。

以下、実施例及び比較例により本発明のスクロール部品の摺動性及び密着性向上の効果を検証するための模擬試験について説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。なお、本模擬試験では、本発明のスクロール部品の摺動面に形成した鉄系めっき層、セラミック層及び拡散層と同様の層を形成した試験片を作製し、評価を実施した。

［実施例１］
Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金（ＡＤＣ１４、ヤング率：８０ＧＰａ）の表面に、電解めっきにより、Ｚｎ皮膜を約０．５μｍの厚みになるように形成した。次に、Ｚｎ皮膜の表面に、電解めっきにより、９２質量％Ｆｅ−８質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層を約１０μｍの厚みになるように形成した。次に、窒素及び硫化水素を含む混合ガス中で、３５０℃で５時間熱処理して、Ａｌ及びＦｅを主成分としＺｎを含有する拡散層（Ｚｎ含有量：５質量％）を形成すると共に、Ｆｅ−Ｃｒめっき層の表面に、窒化鉄及び硫化鉄を主成分とするセラミック層を形成して、実施例１の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例２］
Ｚｎ皮膜の代わりにＮｉ皮膜を形成し、Ａｌ及びＦｅを主成分としＮｉを含有する拡散層（Ｎｉ含有量：６質量％）を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例３］
Ｚｎ皮膜の代わりにＣｕ皮膜を形成し、Ａｌ及びＦｅを主成分としＣｕを含有する拡散層（Ｃｕ含有量：５質量％）を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例３の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例４］
Ｚｎ皮膜の代わりにＺｎ及びＮｉの皮膜を形成し、Ａｌ及びＦｅを主成分としＺｎ及びＮｉを含有する拡散層（Ｚｎ含有量：３質量％、Ｎｉ含有量：４質量％）を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例４の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例５］
Ｆｅ−Ｃｒめっき層の代わりにＦｅめっき層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例５の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例６］
９２質量％Ｆｅ−８質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層の代わりに９７質量％Ｆｅ−３質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例６の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例７］
９２質量％Ｆｅ−８質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層の代わりに８５質量％Ｆｅ−１５質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例７の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例８］
９２質量％Ｆｅ−８質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層の代わりに８１質量％Ｆｅ−１９質量％Ｃｒ組成のＦｅ−Ｃｒめっき層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例８の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであり、セラミック層の厚みは５μｍであった。

［実施例９］
窒素及び硫化水素を含む混合ガス中での熱処理を真空中での熱処理に変え、セラミック層を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、実施例９の試験片を得た。得られた試験片において、Ｆｅ−Ｃｒめっき層（鉄系めっき層）の厚みは１０μｍであった。

［比較例１］
Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金（ＡＤＣ１４）そのものを試験片とした。

［比較例２］
Ｚｎ皮膜を形成せず、Ａｌ及びＦｅからなる拡散層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の試験片を得た。

［比較例３］
Ｚｎ皮膜を形成せず、熱処理条件を５００℃で５時間に変え、Ａｌ及びＦｅからなる拡散層を形成したこと以外は実施例１と同様にして、比較例３の試験片を得た。

上記の実施例及び比較例で得た試験片について、摺動性の評価を実施した。摺動性は、ピンオンディスク法による焼付き耐力を測定した。この焼付き耐力の測定結果は、実施例１の試験片で得られた焼付き耐力を基準とし、各実施例又は各比較例の試験片で得られた焼付き耐力の相対値（［各実施例又は各比較例の試験片で得られた焼付き耐力］／［実施例１の試験片で得られた焼付き耐力］の値）として表１及び２に示す。本明細書において、ピンオンディスク法による焼付き耐力は、次の方法で実施した。まず、直径４４ｍｍのディスク表面に０．２mlのオイルを塗布した。次にφ４ｍｍのピン３本をディスク中心から３６ｍｍの円周上に１２０°間隔で配置し、回転数１０００ｒｐｍでディスクを回転させながら焼き付き耐力を測定した。

また、上記の実施例及び比較例で得た試験片について、アルミニウム合金の表面に形成された層の密着性の評価を実施した。密着性は、サイカス法による層の剥離強度を測定した。この剥離強度の測定結果は、実施例１の試験片で得られた層の剥離強度を基準とし、各実施例又は各比較例の試験片で得られた層の剥離強度の相対値（［各実施例又は各比較例の試験片で得られた層の剥離強度］／［実施例１の試験片で得られた層の剥離強度］の値）として表１及び２に示す。

さらに、上記の実施例及び比較例で得た試験片について、熱処理による試験片の歪みの有無を評価した。歪みの有無は、熱処理前後の試験片の形状を三次元形状測定機を用いて測定し、形状変化を比較することで実施した。形状変化がある場合には、歪み「あり」とし、形状変化が無い場合には、歪み「なし」とした。

表１及び２に示されているように、アルミニウム合金の表面に、Ａｌ及びＦｅを主成分としＺｎ、Ｎｉ及びＣｕの一種又は二種を含有する拡散層と、鉄系めっき層と、窒化鉄及び硫化鉄を主成分とするセラミック層とが形成された実施例１〜８の試験片は、未処理のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金である比較例１の試験片と比べて、焼付き耐力が非常に高いことから、摺動性が極めて優れることが分かる。アルミニウム合金の表面に、Ａｌ及びＦｅを主成分としＺｎ、Ｎｉ及びＣｕの一種又は二種を含有する拡散層と、鉄系めっき層とが形成された実施例９の試験片は、未処理のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金である比較例１の試験片と比べて、焼付き耐力が高いことから、摺動性が優れることが分かる。実施例１〜９の試験片は、Ａｌ及びＦｅからなる拡散層を形成した比較例２の試験片と比べて、剥離強度が高いことから、アルミニウム合金の表面に形成された層の密着性が優れることが分かる。熱処理条件を５００℃で５時間に変え、Ａｌ及びＦｅからなる拡散層を形成した比較例３の試験片は、比較例２の試験片よりも層の密着性が改善される傾向が見られるものの、熱処理温度が高いことから試験片に歪みが生じている。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、アルミニウム合金からなるスクロールの摺動面に摺動性及び密着性に優れる層が形成されると共に、圧縮機運転時の冷媒ガスのシール性の悪化を抑制することができるスクロール部品を提供することができる。

なお、本国際出願は、２０１７年１２月１９日に出願した日本国特許出願第２０１７−２４２５９８号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。

１ スクロール部品、１ａ 摺動面、２ 揺動スクロール、３ 固定スクロール、５ アルミニウム合金、６ 鉄系めっき層、７ セラミック層、１０ 拡散層、１１ クラック部。

Claims (6)

1. アルミニウム合金からなる固定スクロールとアルミニウム合金からなる揺動スクロールとを備えるスクロール部品において、
   前記固定スクロール及び前記揺動スクロールの少なくとも一方は、その摺動面に形成された鉄系めっき層と、前記鉄系めっき層と前記アルミニウム合金との界面に形成され、Ａｌ及びＦｅを主成分とし且つＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される少なくとも一種を含有する拡散層と、前記鉄系めっき層の表面及びクラック部に形成され且つ窒化物及び硫化物を主成分とするセラミック層とを備えることを特徴とするスクロール部品。
2. 前記セラミック層の主成分が、窒化鉄及び硫化鉄であることを特徴とする請求項１に記載のスクロール部品。
3. 前記鉄系めっき層が３質量％以上１５質量％以下のＣｒを含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスクロール部品。
4. 前記摺動面のエッジ部に曲面加工又はテーパー加工が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスクロール部品。
5. 前記アルミニウム合金のヤング率が７０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクロール部品。
6. 密閉容器と、前記密閉容器に収容され、前記密閉容器内に流入する流体を圧縮する圧縮機構部と、回転力を発生する電動機と、前記電動機により発生する回転力を前記圧縮機構部に伝える駆動軸と、を備えたスクロール圧縮機において、
   前記圧縮機構部が、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスクロール部品を含むことを特徴とするスクロール圧縮機。

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