JP4568539B2

JP4568539B2 - ポンプ用軸受構造

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Publication number: JP4568539B2
Application number: JP2004167193A
Authority: JP
Inventors: 裕紀原; 佳延小川; 秀樹松本; 一修空井
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005344878A

Description

本発明はポンプ用軸受構造に関し、特に、軸受への負荷が大きい場合や先行待機運転ポンプの揚水遮断運転時のようなドライ運転される場合、さらにはスラリー水に晒される運転条件を伴う場合でも優れた摺動特性を発揮するポンプ用軸受構造に関する。

従来より、先行待機運転ポンプの先行待機運転時のようなドライ運転に適するポンプ用軸受構造として、図５に示すものがある。このポンプ用軸受構造Ｂは、金属製の軸受ケース１と、この軸受ケース１に金属製のバックシェル３を介して嵌合されたゴム製の緩衝材２と、この緩衝材２に嵌合される窒化珪素などのセラミックからなる軸受６とを有し、この軸受６の内周面が主軸４と同時に回転する超硬合金製の軸スリーブ５に摺動するように構成されている。なお、図中、８はキー結合、９は軸受カバー、１０は軸受止め板、１１は中間軸受台を示す（特許文献１）。

前記構成のポンプ用軸受構造Ｂは、たとえば、図６に示す立軸ポンプＰに適用される。すなわち、吐出しボウル１２に収容した羽根車１３が固着されている主軸４は、複数のポンプ用軸受構造Ｂによって吐出しボウル１２の内部および該吐出しボウル１２の上側に設けた揚水管１４の内部で回転自在に支持される。

特開２００２−３１７８１４号公報（Ｐ７、図７）

軸受の摺動面が窒化珪素などのセラミックで構成され、スリーブの摺動面が超硬合金で構成されている特許文献１記載のポンプ用軸受構造では、両者ともに硬質のために摩耗速度は小さい。しかし、軸受の摺動面とスリーブの摺動面との間の大気中の自己潤滑性が低い。このため、先行待機運転ポンプの先行待機運転時のドライ運転のように、大気中で両者が摺動すると両者間の摩擦係数が上昇し、摺動面の温度が大幅に上昇して、ポンプ用軸受構造の耐久性が低下する。また、摺動面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカ−ボン）と称する非晶質炭素膜を用いることも考えられるが、ケイ砂やアルミナ粒子などを含むスラリー水に晒されると、短時間で摺動面を構成するＤＬＣ膜が摩滅してしまうという問題点がある。

本発明は、このような問題を解決するものであって、その目的とするところは、軸受への負荷が大きい場合や先行待機運転ポンプの先行待機運転時のようなドライ運転時に優れた摺動特性を発揮し、スラリー水に晒される運転条件下でも優れた摺動特性を発揮して、耐久性を向上させることができるポンプ用軸受構造を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るポンプ用軸受構造は、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと、前記回転軸または前記スリーブと対向する軸受とで摺動面が構成されるポンプ用軸受において、前記回転軸または前記スリーブと前記軸受の少なくとも一方の摺動面がダイヤモンドを含む焼結体層で構成され、前記ダイヤモンド焼結体層のダイヤモンド含有率が８０Ｖｏｌ％〜９７Ｖｏｌ％の範囲内であり、かつダイヤモンドの粒径が０．５μｍ〜７０μｍの範囲内であり、前記ダイヤモンド焼結体層の硬度が３０ＧＰａ以上であり、前記ダイヤモンド焼結体層の層厚が３０μｍ〜７０００μｍの範囲内であり、かつ表面粗さＲｍａｘが１６μｍ以下であることを特徴とするものである。

このように、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと軸受の少なくとも一方を構成している摺動面を硬度が高く、かつ大気中の自己潤滑性が高いダイヤモンド焼結体層としているので、大気中で回転軸または回転軸に固着されたスリーブと軸受との両者が摺動するドライ運転がなされても、両者間の摩擦係数が上昇しない。このため、ポンプ用軸受構造の耐久性を向上させることができる。また、硬度が高いダイヤモンド焼結体層の表面を摺動面としていることにより、スラリー水に晒される運転条件下における摺動面の摩滅を防止して、ポンプ用軸受構造の耐久性を向上させることができる。

本発明においては、ダイヤモンド焼結体層のダイヤモンド含有率を８０Ｖｏｌ％〜９７Ｖｏｌ％の範囲内で、かつダイヤモンドの粒径を０．５μｍ〜７０μｍの範囲内としてある。これによると、ダイヤモンド焼結体層の高い自己潤滑性が保持されることで、摩擦係数の上昇を避けて、耐摩耗性が高められ、ポンプ用軸受構造の耐久性を向上させることができるとともに、割れや欠けあるいは剥離などの弊害を回避して、基材上にダイヤモンド焼結体層を確実に形成することができ、さらに、ビッカース硬度を３０ＧＰａ以上にすることができる。

また、本発明においては、ダイヤモンド焼結体層の層厚が３０μｍ〜７０００μｍの範囲内であり、かつ表面粗さＲｍａｘを１６μｍ以下にすることが好ましい。これによると、ダイヤモンド焼結体層の耐摩耗性が高められてポンプ用軸受構造の耐久性を向上させ、かつダイヤモンド焼結体層の加工性を良くすることができるとともに、ダイヤモンド焼結体層に摺動する相手側部材の摩耗を抑えて、ポンプ用軸受構造の耐久性を向上させることができる。

さらに、本発明においては、ダイヤモンド焼結体層のダイヤモンド含有率が８０Ｖｏｌ％〜９５Ｖｏｌ％の範囲内で、かつダイヤモンド焼結体層の層厚が７０μｍ〜５５００μｍの範囲内で、かつ表面粗さＲｍａｘが１０μｍ以下であるとともに、ダイヤモンドの粒径を０．８μｍ〜５０μｍ範囲内にすることがさらに好ましい。

これによると、ダイヤモンド焼結体層の高い自己潤滑性の保持がより確実になって、摩擦係数の上昇を確実に避けて、耐摩耗性を高め、ポンプ用軸受構造の耐久性をさらに向上させ、かつダイヤモンド焼結体層の加工性をさらに良くすることができるとともに、割れや欠けあるいは剥離などの弊害を回避して、基材上にダイヤモンド焼結体層をより一層確実に形成することができる。

さらに、本発明においては、前記ダイヤモンド焼結体層を形成する基材が、超硬合金またはサーメットからなり、ダイヤモンド焼結体層に前記基材と同じ成分を含有している構造が好ましい。

また、本発明は、前記スリーブまたは前記軸受の少なくとも一方を複数のセグメントで構成し、このセグメントが前記基材と前記ダイヤモンド焼結体層とで構成されているとともに、該ダイヤモンド焼結体層の表面を摺動面とした構造であってもよい。

また、本発明においては、スリーブの摺動面が超硬合金であり、前記軸受が複数のセグメントで構成され、このセグメントが前記基材と前記ダイヤモンド焼結体層とで構成され、該ダイヤモンド焼結体層の表面を軸受の摺動面とした構造にすることが好ましい。

本発明によれば、硬度が高く、かつ大気中の自己潤滑性が高いダイヤモンド焼結体層の表面を摺動面としているので、軸受への負荷が大きい場合や大気中でスリーブと軸受との両者が摺動するドライ運転がなされても、両者間の摩擦係数が上昇しないので、耐摩耗性が高められ、ポンプ用軸受構造の耐久性を向上させることができる。さらに、スラリー水に晒される運転条件下においても摺動面の摩滅を防止して、耐久性を向上させるといった優れた摺動特性を発揮することができる。
また、スリーブまたは軸受の少なくとも一方を複数のセグメントで構成し、このセグメントを基材とダイヤモンド焼結体層とで構成した場合は、上記効果に加えて、摺動面を構成する１つの部材の表面積が小さくなるため、硬質のダイヤモンド焼結体層の表面仕上げなどの加工性が向上し、凹凸の少ない良質の摺動面を経済的に形成できるようになる。

図１は本発明の実施形態を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。これらの図において、ポンプ用軸受構造Ｂは、複数のセグメント２０によって構成された軸受２１と、この軸受２１の外周にたとえば接着剤（図示省略）を介して一体に結合されたＮＢＲ（ニトリルゴム）からなる筒状の緩衝部材２２と、この緩衝部材２２を嵌合して外周に配置されるステンレス（ＳＵＳ３０４）製で筒状のハウジング２３と、ポンプ主軸２４の外周に固着されたスリーブ２５とを備え、環状のハウジング２３は軸受台（図示省略）を介してポンプ側に固定される。

軸受２１を構成している各セグメント２０は、図３に示すように、タングステンカーバイトを含むコバルト基合金などの超硬合金からなる基材２０Ａと、この基材２０Ａ上に形成されたダイヤモンド焼結体層２０Ｂとで構成され、前記スリーブ２５は基材２０Ａと同様のタングステンカーバイトを含むコバルト基合金などの超硬合金によって構成されている。そして、軸受２１の摺動面であるダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面は、スリーブ２５の外周摺動面にすべり接触し得る曲率半径を有する断面内向きの円弧状に形成してある。なお、図中、２７は、スリーブ２５にＨＩＰにより形成した超硬合金層であり、その表面が摺動面となっている。

前記実施形態におけるダイヤモンド焼結体層２０Ｂは、たとえば粒径が７μｍのダイヤモンド粒子を９２Ｖｏｌ％含有し、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの層厚が５００μｍで、かつダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面粗さＲｍａｘが０．４μｍ以下のものである。

前記構成のポンプ用軸受構造Ｂを図６に示す立軸ポンプＰに適用した場合には、硬度［ビッカース硬さ（ＧＰａ）］が高く、かつ大気中の自己潤滑性が高いダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面を摺動面としているので、大気中でスリーブ２５の外周摺動面２７とダイヤモンド焼結体層２０Ｂの両者が摺動するドライ運転がなされても、両者２７，２０Ｂ間の摩擦係数が上昇しない。このため、耐摩耗性が高められ、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性を向上させることができる。また、硬度が高いダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面を摺動面としていることにより、スラリー水に晒される運転条件下における摺動面（ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面）の摩滅を防止して、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性を向上させることができる。

ここで、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂのダイヤモンド含有率が５０Ｖｏｌ％未満であると、ダイヤモンド粒子が少なくなって、自己潤滑性が低くなり、摩擦係数が高くなって、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下する。また、ダイヤモンド含有率が９７Ｖｏｌ％を超えると、ダイヤモンド粒子が多くなりすぎて、焼結し難くなり、割れや欠けあるいは剥離などが生じて、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの形態が損なわれる。したがって、ダイヤモンド含有率は５０Ｖｏｌ％〜９７Ｖｏｌ％、望ましくは５５Ｖｏｌ％〜９５Ｖｏｌ％、さらに望ましくは６０Ｖｏｌ％〜９２Ｖｏｌ％の範囲内に設定するのがよい。

また、ダイヤモンド粒子の粒径が０．５μｍ未満であると細かくなりすぎて耐摩耗性が低くなり、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下する。そして、粒径が７０μｍを超えると大きくなりすぎて、ワイヤーカット加工がし難くなり、加工性が悪くなる。したがって、ダイヤモンド粒子の粒径は０．５μｍ〜７０μｍ、望ましくは０．８μｍ〜５０μｍ、さらに望ましくは１μｍ〜３６μｍの範囲内に設定するのがよい。これらダイヤモンド粒子の粒径範囲と、前記ダイヤモンド含有率の範囲を組み合わせることで、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂのビッカース硬度は３０ＧＰａ以上になる。

さらに、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの層厚が３０μｍ未満であると薄くなりすぎて耐摩耗性が低くなり、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下する。そして、層厚が７０００μｍを超えると厚くなりすぎて、加工時間が著しく増大し、加工性が悪くなる。したがって、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの層厚は３０μｍ〜７０００μｍ、望ましくは７０μｍ〜５５００μｍ、さらに望ましくは１００μｍ〜４０００μｍの範囲内に設定するのがよい。

ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面粗さＲｍａｘが１６μｍを超えると粗くなりすぎて、超硬合金によって構成されているスリーブ２５が短時間で摩耗するので、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下する。したがって、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂの表面粗さＲｍａｘは１６μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下、さらに望ましくは６．３μｍ以下に設定するのがよい。

本発明に係るポンプ用軸受構造Ｂの実施例１〜８と、比較例１〜７におけるダイヤモンド焼結体層２０Ｂ（硬質層）の「加工性」、「硬質層の割れ、欠け，剥離」，「耐久時間」、「スラリー試験後の硬質層の状態」の試験結果を表１に示す。なお、表１において、耐久時間（ｈ）※は、図６に示した立軸ポンプＰにポンプ用軸受構造Ｂ適用して、ドライ運転した際にポンプ用軸受構造Ｂの摩擦係数が０．８を超えた時間で示している。参考に記すが、実施例３，８のものはダイヤ含有率が８０Ｖｏｌ％未満であり、本発明の範疇外である。

前記表１において、本発明に係るポンプ用軸受構造Ｂの実施例１〜８は、硬質層の「加工性」は全て良く、「硬質層の割れ、欠け，剥離」は全てにおいて発生せず、耐久時間は全て５０時間を超えており、かつ「スラリー試験後の硬質層の状態」は全て摩滅しないといった優れた特性を示している。しかし、比較例１〜７において、比較例１では、硬質層のダイヤモンド含有率が５０Ｖｏｌ％未満（４０Ｖｏｌ％）であるため、ダイヤモンドよりも他の成分が多いため、ダイヤモンド特有の自己潤滑性が低くなり、摩擦係数が高くなって、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下し（注１）、比較例２では、硬質層のダイヤモンド含有率が９７Ｖｏｌ％を超えている（９８Ｖｏｌ％）ため、焼結し難くなり、割れや欠けあるいは剥離などが生じる（注２）。また、比較例３では、ダイヤモンド粒子の粒径が０．５μｍ未満（０．１μｍ）であるため、細かくなりすぎて耐摩耗性が低くなり、スラリー試験後の硬質層に摩滅が生じ（注３）、比較例４では、ダイヤモンド粒子の粒径が７０μｍを超えている（１００μｍ）ため、粒子が大きくなりすぎて、ワイヤーカット加工がし難くなり、硬質層の加工性が悪くなり（注４）、比較例５では、硬質層の表面粗さＲｍａｘが１６μｍを超えている（２５μｍ）ため、硬質層の表面が粗くなりすぎて、超硬合金によって構成されているスリーブ２５の摺動面が短時間で摩耗するので、ポンプ用軸受構造Ｂの耐久性が低下する（注５）。さらに、比較例６では、硬質層の層厚が３０μｍ未満（２０μｍ）であるため、薄くなりすぎて耐摩耗性が低くなり、スラリー試験後の硬質層に摩滅が生じ（注６）、比較例７では、硬質層の層厚が７０００μｍを超えている（１００００μｍ）ため、厚くなりすぎて、加工時間が著しく増大し、硬質層の加工性が悪くなったり（注７）、硬質層の応力歪みが大きくなって、割れや欠けあるいは剥離などを生じる（注８）ことがわかる。

なお、前記図１、図２で説明した実施形態では、図３に示すように、軸受２１の各セグメント２０の基材２０Ａを、タングステンカーバイトを含むコバルト基合金などの超硬合金で構成しているが、チタンカーバイトを主体にした焼結物のサーメットで基材２０Ａを構成してもよい。また、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂに基材２０Ａの金属成分であるコバルト基合金、あるいはサーメットなどの、使用した基材と同じ成分が含まれている構造であることが好ましい。

また、図４に示すように、複数のセグメント２０を軸方向に分割してもよい。このような分割構造であれば、１枚の板からセグメントを切り出して加工する際の歩止まりが向上するほか、軸受２１の軸線に対してポンプ主軸２４の軸線が僅かに傾いても、軸方向に分割されている複数のセグメント２０と、これらセグメント２０の外周側に配置される筒状の緩衝部材２２との協働によって、前記ポンプ主軸２４の傾きを吸収することができる。

さらに、前記図１、図２で説明した実施形態では、ポンプ主軸２４に固着したスリーブ２５上に超硬合金層２７を形成し、この超硬合金層２７と対向する軸受２１の摺動面を、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂを有する複数のセグメント２０で構成しているが、軸受２１の摺動面を筒状の超硬合金や窒化珪素などのセラミックによって構成し、この軸受２１と対向するスリーブ２５の外周摺動面２５Ａを、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂを有する複数のセグメント２０で構成してもよい。また、回転軸２４にスリーブ２５を固着した構成とせずに、回転軸２４の表面を摺動面としてもよい。さらに、ダイヤモンド焼結体層２０Ｂセグメント上に形成せずに、回転軸２４やスリーブ２５、軸受２１の表面に直接形成し
てもよい。

本発明の実施形態を示す縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。セグメントの一例を示す斜視図である。セグメントの変形使用例を示す縦断面図である。従来例の縦断面図である。ポンプ用軸受構造の適用例を示す縦断面図である。

２０セグメント
２０Ａ基材
２０Ｂダイヤモンド焼結体層
２１軸受
２４ポンプ主軸（回転軸）
２５スリーブ

Claims

回転軸または回転軸に固着されたスリーブと、前記回転軸または前記スリーブと対向する軸受とで摺動面が構成されるポンプ用軸受において、
前記回転軸または前記スリーブと前記軸受の少なくとも一方の摺動面がダイヤモンドを含む焼結体層で構成され、前記ダイヤモンド焼結体層のダイヤモンド含有率が８０Ｖｏｌ％〜９７Ｖｏｌ％の範囲内であり、かつダイヤモンドの粒径が０．５μｍ〜７０μｍの範囲内であり、前記ダイヤモンド焼結体層の硬度が３０ＧＰａ以上であり、
前記ダイヤモンド焼結体層の層厚が３０μｍ〜７０００μｍの範囲内であり、かつ表面粗さＲｍａｘが１６μｍ以下であるポンプ用軸受構造。
請求項１に記載のポンプ用軸受構造において、
前記ダイヤモンド焼結体層のダイヤモンド含有率が８０Ｖｏｌ％〜９５Ｖｏｌ％の範囲内であり、かつダイヤモンド焼結体層の層厚が７０μｍ〜５５００μｍの範囲内であり、かつ表面粗さＲｍａｘが１０μｍ以下であるとともに、ダイヤモンドの粒径が０．８μｍ〜５０μｍ範囲内であるポンプ用軸受構造。
請求項１又は２に記載のポンプ用軸受構造において、
前記ダイヤモンド焼結体層を形成する基材が、超硬合金またはサーメットからなり、前記ダイヤモンド焼結体層に前記基材と同じ成分を含有しているポンプ用軸受構造。
請求項３に記載のポンプ用軸受構造において、
前記スリーブまたは前記軸受の少なくとも一方が複数のセグメントで構成され、このセグメントが前記基材と前記ダイヤモンド焼結体層とで構成されているとともに、該ダイヤモンド焼結体層の表面を摺動面としたポンプ用軸受構造。
請求項３又は４に記載のポンプ用軸受構造において、
前記スリーブの摺動面が超硬合金であり、前記軸受が複数のセグメントで構成され、このセグメントが前記基材と前記ダイヤモンド焼結体層とで構成され、該ダイヤモンド焼結体層の表面を軸受の摺動面としたポンプ用軸受構造。