CN101663495A - 使用了碳系滑动部件的轴承或密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐久性优异的以纯水作为润滑液的轴承或密封件。本发明涉及纯水润滑轴承或纯水润滑密封件，其具有可动部件和静止部件，将电阻为1～18.25MΩcm的纯水作为润滑液。轴承或密封件的特征为，在所述可动部件及所述静止部件的至少一个部件的滑动面上形成类金刚石碳膜。

Description

使用了碳系滑动部件的轴承或密封件
技术领域
[0001]本发明涉及适合使用于泵、涡轮机、压缩机、鼓风机等旋转机械的、应用了碳系滑动部件的轴承或密封件，以及具备有这些轴承或密封件的旋转机械，尤其涉及使用了处理液为纯水的碳系滑动部件的纯水处理用的轴承或密封件或应用了它们的旋转机械。
背景技术
[0002]将水作为润滑液处理的泵等旋转机械的轴承及轴密封件广泛使用有硅系陶瓷即碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等。这些陶瓷在水中润滑下的滑动中，在滑动面容易形成凝胶状的氢氧化物或水合物的膜，该效果带来低摩擦、耐磨损性优异。
在屏蔽电动机泵的径向轴承、止推轴承中，广泛实行的是旋转侧、固定侧都用SiC构成的结构。另外，众所周知，在泵的密封部件中，用SiC构成旋转侧，用碳质成形体构成固定侧，或同时用SiC构成两者。
专利文献1：(日本)特开2006-275286号公报
[0003]一般而言，自来水的电阻为0.001～0.1MΩcm，在这种环境中，在使用硅系陶瓷的情况下显示优异的摩擦磨损特性。
但是，将电阻为1MΩcm以上的纯水作为处理液时，水中含有的Si浓度小，因此，Si系氢氧化物或Si系水合物向水中的溶解速度变大，硅系陶瓷腐蚀持续进行。因此，轴承、密封部的表面粗糙且超过水膜限度，由此，发生滑动面的直接接触而磨损，与自来水的情况相比，在极端地短时间内旋转扭矩上升而不能使用。
另外，理论纯水时的电阻为18.25MΩcm，这以上的值不存在。
发明内容
[0004]本发明的目的在于，提供一种耐久性优异的以纯水作为润滑液的轴承或密封件。
本发明的另一目的在于，提供一种轴承或密封件，在构成轴承或密封件的部件中使用陶瓷，并且，在其部件的滑动面形成类金刚石碳膜或多晶金刚石膜，由此，提高耐磨损性。
本发明的另一目的在于，提供一种使用了这种轴承或密封件的旋转机械。
[0005]根据本发明的第一方面，提供一种轴承或密封件，具有可动部件和静止部件，将电阻为1～18.25MΩcm的纯水作为润滑液，其特征在于，在所述可动部件及所述静止部件的至少一个部件的滑动面上形成类金刚石碳膜。
本发明第一方面所述的轴承或密封件中，优选所述类金刚石碳膜维氏硬度Hv为1000～8000，膜的厚度为1μm以上5μm以下。之所以将膜厚设定为1μm以上，是因为比1μm薄时，膜中存在的针孔贯通到母材的可能性提高，纯水有可能侵入针孔并侵蚀母材，之所以将膜厚设定为5μm以下是因为比5μm厚时，膜中的残留应力增高，膜容易剥离。所述类金刚石碳膜的厚度更优选1μm以上3μm以下。
本发明第一方面所述的轴承或密封件，优选在氮化硅或碳化硅的部件上覆盖类金刚石碳膜。其理由为，氮化硅为硬质，碳化硅为硬质，热传导性良好。另外，也可以在不锈钢部件上覆盖类金刚石碳膜。这是因为不锈钢耐蚀性优异。
另外，本发明第一方面所述的轴承或密封件中，优选所述类金刚石碳膜形成于可动部件及静止部件的一个部件上，且将另一个部件作为碳质成形体。其理由为，碳质成形体具有自身润滑性。
[0006]在上述发明中，作为类金刚石碳(DLC)合成法，可以列举热丝CVD(chemical vapor deposition，化学蒸镀)法、微波等离子CVD法、高频等离子CVD法、直流放电等离子法、电弧方式离子镀膜法、溅射蒸镀法、离子蒸镀法等。尤其从施工成本的观点考虑，优选微波等离子CVD法、高频等离子CVD法、电弧方式离子镀膜法、溅射蒸镀法。作为化学蒸镀法的原料，使用碳化物。作为其原料的例，可以列举：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等饱和碳化氢，乙烯、丙烯、乙炔、丁二烯等不饱和碳化氢、苯、甲苯等芳香族碳化氢。在电弧方式离子镀膜法、溅射蒸镀法等物理蒸镀法中，使用碳靶基盘。
类金刚石碳膜(DLC膜)为含有和金刚石同样的结晶(sp3)的非晶质碳膜，一般较硬且滑动性优异，除了轴承、密封件等高负荷的滑动部件之外，还期待向磁记录介质的保护膜那样的轻负荷的滑动部件等各种制品使用。上述的技术事项为公知的，因此，详细的说明省略。
另外，碳质成形体一般用如下的方法制造。首先，将以焦炭等为原料的碳粉末与称为粘结剂的结合剂一边加热一边混合，冷却后粉碎筛分，制成粉末。接着，将粉末制成规定的形状放入模型中，均等地施加压力并成形。接着，对成形体加热，由此，除去粘结剂中含有的有机成分后，热处理该成形体并石墨化，或对成形体实施浸渍树脂或金属的处理而提高成形体的强度。
[0007]根据本发明的第二方面，提供一种轴承或密封件，具有可动部件和静止部件，将电阻为1～18.25MΩcm的纯水作为润滑液，其特征为，在所述可动部件及所述静止部件的至少一个部件的滑动面形成多晶金刚石膜。
本发明第二方面的轴承或密封件中，优选所述多晶金刚石膜的厚度为1μm以上且20μm以下。其理由为，多晶金刚石膜的厚度比20μm大时，皮膜中的残留应力提高，膜容易剥离，并且，比20μm大时，容易发生金刚石结晶的异常成长，形成正常的滑动面困难。另一方面，比1μm小时，纯水可能会侵入金刚石膜中的针孔内而侵蚀母材。所述多晶金刚石膜的厚度更优选10μm以上20μm以下。
金刚石结晶的大小从表面观察为0.001μm～15μm。
所述第二方面的轴承或密封件中，优选在氮化硅或碳化硅的部件上覆盖所述多晶金刚石膜。其理由为，氮化硅为硬质，碳化硅为硬质，热传导性良好。
另外，本发明第二方面的轴承或密封件中，优选所述多晶金刚石膜形成于可动部件及静止部件的一个部件上，且将另一个部件作为碳质成形体。其理由为，碳质成形体具有自身润滑性。
[0008]作为多晶金刚石的合成法，可以列举热丝CVD法、微波等离子CVD法、高频等离子CVD法、直流放电等离子法、电弧方式离子镀膜法、燃烧火焰法等。尤其从施工成本的观点考虑，优选热丝CVD法及微波等离子CVD法。这种气相合成法的原料使用在氢气中混合了数个百分比的甲烷、乙醇、乙炔等碳化氢的混合气体。根据工艺，在氢气中混合一氧化碳及二氧化碳等，或添加微量的其它气体。与这些混合气体通用，原料气体的大部分为氢，将该原料气体等离子化或热激励而活性化来使用。活性化的氢对于非金刚石的碳有强烈的腐蚀作用，另一方面，对于金刚石几乎没有腐蚀作用。所述的气相合成法巧妙地利用该选择的腐蚀作用，抑制基体材料上的非金刚石成分的成长，只使金刚石析出，由此，形成金刚石膜。
在热丝CVD法中，成膜工艺中的基盘温度为800～1000℃，作为基体材料，使用硅、氮化硅、铝及碳化硅等无机材料以及钼和铂等高熔点金属。
[0009]目前，在自来水润滑下发挥优异的摩擦磨损特性的硅系陶瓷，作为水润滑轴承或密封件被广泛使用，但是，在杂质非常少的纯水中的滑动环境即构成轴承或密封件的部件相互滑动接触的环境中，硅系陶瓷通过腐蚀而磨损。与之相对，本发明提供一种纯水用的轴承或密封件，在轴承或密封件中滑动接触的一对部件的至少一个部件的滑动面形成有多晶金刚石膜或DLC膜，因此，具有摩擦磨损特性优异的长寿命。
附图说明
[0010]图1是表示使用了自来水的SiC的侵蚀· 腐蚀试验结果(试验1)的图，图1(a)是试验前，图1(b)是试验后；
图2是表示使用了纯水的SiC的侵蚀·腐蚀试验结果(试验2)的图，图2(a)是试验前，图2(b)是试验后；
图3是表示使用了纯水的多晶金刚石膜的侵蚀·腐蚀试验结果(试验3)的图，图3(a)是试验前，图3(b)是试验后；
图4是本发明的滑动轴承的一实施例的截面图；
图5是沿图4的轴承的线A-A看到的圆板的平面图；
图6是表示图4的实施例的轴承的变形例的截面图；
图7是沿图6的轴承的线B-B看到的圆板的平面图；
图8是本发明的密封件的一实施例的截面图；
图9是图6的密封件的部分C的放大图；
图10是表示使用了本发明的轴承的泵的一例的截面图。
[0011]符号说明：
1、旋转轴
10、10a、轴承
11、11a、上支承体
12、12a、下支承体
15、15a、16、16a、圆板
17、17a、螺旋槽
18、18a、凹部
具体实施方式
[0012]在进行具体实施方式的说明前，对于对烧结体SiC和多晶金刚石膜应用自来水或纯水进行的侵蚀·腐蚀试验进行说明。
从内径1mm的喷嘴以流速28m/s排放水，按照和水的排放方向垂直的方式配置试验材料的表面。将从喷嘴出口到试验材料表面的距离设定为25mm，使水与试验材料表面连续冲撞100小时，比较试验材料的体积减少量。自来水的电阻为0.007MΩcm，纯水的电阻为18MΩcm。
表1表示各材料的体积减少量。从该表可看出，SiC在自来水中一点也没有腐蚀，但是，在纯水中严重腐蚀。另一方面，多晶金刚石膜在纯水中一点也没有腐蚀。因此，在超纯水的环境中，多晶金刚石膜显示良好的耐蚀性，涂覆SiC可实现滑动部件的超长寿命。
另外，对于DLC膜也是和多晶金刚石膜同样的碳材料，因此，认为可获得良好的耐蚀性。
图1～图3是表示试验1～试验3的试验前和试验后的表面的腐蚀状态的图。
表1：
侵蚀·腐蚀试验结果
  试验材料   涂覆厚度   水质   体积减少量
  试验1   碳化硅   -   自来水   0.000(检测界限以下)
  试验2   碳化硅   -   纯水   0.039
  试验3   多晶金刚石膜   10μm   纯水   0.000(检测界限以下)
[0013]在图4及图5中，本发明的轴承的一实施例用10表示整体。该实施方式的轴承10为止推轴承，具备安装于旋转轴1的前端(图4的下端)的圆板状的上支承体11和配置于上支承体的下侧的圆板状的下支承体12，它们配置于充满润滑液即纯水w的轴承室C内。上支承体11通过公知的方法例如键及键槽以与旋转轴1一起旋转的方式与旋转轴1连结。在下支承体12的中央下面(上支承体侧的相反面)形成具有规定的半径的部分球面的凸部13，该突起承受在固定轴14的部分球面状的凹部内，上述固定轴14固定在划定轴承室C的罩体2的下部中心。凸部13在固定轴的凹部内紧紧地嵌合。
[0014]在上支承体11及下支承体12的对向的面，即，在图4中上支承体的下面及下支承体的上面，通过公知的方法(例如，螺丝固定等)分别固定陶瓷制的圆板15及16。如图5所示，在陶瓷制的圆板16的与陶瓷制的圆板15对向的面形成有多个螺旋槽17(图5中涂黑的部分)。在圆板16的形成有螺旋槽的面的中心部圆形状地形成有在该螺旋槽和在半径方向内侧通过的凹部18(在图5中，中央涂黑的部分)。另外，19为阻止下支承体12的旋转的制动器。陶瓷制的圆板15及16优选氮化硅或碳化硅。其理由在于，在表面形成多晶金刚石膜的作为基体材料的圆板的材质的硬度远比多晶金刚石的硬度小时，多晶金刚石膜的变形不能追随应力引起的圆板的变形，其膜可能会从基体材料即圆板剥离，但是，氮化硅及碳化硅硬度极高，不可能发生这种情况。
对于螺旋槽的朝向，通过具有与该螺旋槽17相接并旋转的滑动面的作为滑动部件的陶瓷制的圆板15，水从圆板16的周边部朝向中心部的凹部18(图5中涂黑的部分)内引导，在两个陶瓷制的圆板15及16间发生动压。
[0015]在陶瓷制的圆板15及16的滑动面即相互对向的面(滑动面)形成有多晶金刚石膜。多晶金刚石膜用上述段落[0008]内所述的方法形成。多晶金刚石膜优选皮膜厚度为1μm以上且20μm以下。其理由在于，多晶金刚石膜的厚度比20μm大时，皮膜中的残留应力提高，膜容易剥离，且比20μm大时，容易发生金刚石结晶的异常成长，形成正常的滑动面困难。比1μm小时，纯水可能会侵入金刚石膜中的针孔内而侵蚀母材。更优选10μm以上且20μm以下。也可以用耐蚀性优异的不锈钢代替用上述氮化硅或碳化硅的陶瓷制作形成有多晶金刚石膜的圆板。
另外，在陶瓷制或不锈钢制的圆板15及16的滑动面也可以用上述段落编号[0006]所述的方法形成类金刚石碳膜代替多晶金刚石膜。类金刚石碳膜优选维氏硬度Hv为1000～8000，厚度为1μm以上且5μm以下。之所以将膜厚设定为1μm以上是因为，当比其薄时膜中存在的针孔贯通到母材的可能性提高，纯水有可能侵入针孔并侵蚀母材，之所以将膜厚设定为5μm以下是因为，当比其厚时，膜中的残留应力增高，膜容易剥离。所述类金刚石碳膜的厚度更优选1μm以上且3μm以下。
代替在陶瓷制或不锈钢的圆板15及16的对向的面的双方形成多晶金刚石膜或类金刚石碳膜，也可以只在任意一个面(例如圆板16的与圆板15对向的面)形成上述膜。另外，只在一个面形成多晶金刚石膜或类金刚石碳时，也可以用碳质成形体制作未形成多晶金刚石膜或类金刚石碳膜的圆板(例如圆板15)。
[0016]在图6及图7中，图4及图5所示的轴承的变形例用10a表示。在该变形例的轴承10a中，轴1a贯通在分别配置于轴承室C内的圆板状的上支承体11a及下支承体12a的中心形成的贯通孔并延伸。在上支承体11a及下支承体12a的对向的面、在该实施例中上支承体的下面及下支承体12a的上面配置有圆板15a及16a，该圆板15a及16a在中心形成旋转轴1a能够贯通的孔。在未配置下支承体12a的圆板16a的面即下面形成有具有大的半径的部分球面的凸部13a。该凸部13a承受在具有划分轴承室C的罩体2a的对应的部分球面的凹部内。19a为阻止下支承体的旋转的制动器。
圆板15a及16a的材质、形成于圆板的滑动面即对向面的一个面的螺旋槽17a的形状、形成于圆板的滑动面的多晶金刚石膜或类金刚石碳膜等和上述实施例同样，因此，对于它们的详细的说明省略。
[0017]在图8及图9中，本发明的机械密封式的密封件的一实施例整体用30表示。该实施例的密封件30具有：配置在安装于旋转轴5的外周的轴套6的外周的作为可动部件的环状的可动密封部件31、作为静止部件的环状的静止密封部件32、保持可动密封部件的支架33、保持静止密封部件的支架34。在该实施例中，可动密封部件用硬质的氮化硅或碳化硅那样的陶瓷制作。在可动密封部件31的与静止密封部件对向的平坦的面(密封面)35上，用上述段落编号[0008]所述的方法形成多晶金刚石膜37。多晶金刚石膜37的厚度在该实施例中为10μm，但是，只要为1μm以上且20μm以下即可。其理由在于，多晶金刚石膜的厚度比20μm大时，皮膜中的残留应力增高，膜容易剥离，并且，膜厚比20μm大时，容易发生金刚石结晶的异常成长，难以形成正常的滑动面。膜厚比1μm小时，纯水可能侵入金刚石膜中的针孔内而侵蚀母材。通过形成多晶金刚石膜，该金刚石膜的表面成为可动密封部件的密封面。具有和该密封面接触的密封面36的静止密封部件32用碳质成形体那样的软质材料制作。这样，在一对密封部件的一个面形成多晶金刚石膜，用软质材料制作另一个密封部件，由此，滑动面即密封面的密合迅速进行，且能够发挥优异的密封性能及摩擦磨损特性。
另外，和上述相反，也可以用氮化硅或碳化硅制作静止密封部件并在其密封面形成多晶金刚石膜，且用碳质成形体那样的软质材料制作可动密封部件。
另外，也可以用上述段落编号[0006]所述的方法形成类金刚石碳膜代替上述多晶金刚石膜。
[0018]在图10中，用100表示适用了本发明的轴承的作为旋转机械的屏蔽电动机泵。该屏蔽电动机泵100具备：外侧壳体101，其划定吸入口102、腔室103及排出口104；电动机罩体105，其配置于外侧壳体的腔室内，具有筒状的电动机构架106及安装于该电动机构架的两端部的端板107及108。在电动机罩体105内配置有旋转轴111，其旋转轴设置于各端板107及108上，通过适用了本发明的轴承40、40a及50旋转自如地被支承。旋转轴的吸入口侧端部贯通端板107且向吸入口侧突出，在其突出的部分固定有叶轮112。在筒状的电动机构架的外周，棱部109在周方向隔开而形成，在外侧壳体101和电动机构架106之间形成于邻接的棱部间的间隙成为自叶轮输送的流体向排出口104流出的通路121。
[0019]轴承40及40a为径向轴承，其具有：固定于在各端板上固定的轴承罩体115及116上的中空圆筒状的外侧即固定轴承部件41、在与该固定轴承部件对应的位置固定于旋转轴111上的内侧即可动轴承部件42。两轴承部件与图4～图7所示的轴承的圆板同样，用氮化硅、碳化硅那样的陶瓷或不锈钢那样的金属制作。在轴承部件41及42的对向的面即外侧的固定轴承部件41的内周面(滑动面或滑接面)、内侧的可动轴承部件42的外周面(滑动面或滑接面)上，用上述段落编号[0008]说明的方法分别形成多晶金刚石膜。多晶金刚石膜的厚度在该实施例中为10μm，但是，只要为1μm以上且20μm以下即可。其理由是由于，多晶金刚石膜的厚度比20μm大时，皮膜中的残留应力增高，膜容易剥离，并且，膜厚比20μm大时，容易发生金刚石结晶的异常成长，难以形成正常的滑动面。膜厚比1μm小时，纯水可能侵入金刚石膜中的针孔内而侵蚀母材。另外，代替多晶金刚石膜也可以形成类金刚石碳膜。
[0020]轴承50为止推轴承，其具备：安装于轴承罩体116的端部(在图7中右端)的环状的静止轴承部件51、与该轴承部件邻接而配置且安装在固定于旋转轴111的轴承支承部件53上的旋转轴承部件52。两轴承部件与图4～图7所示的轴承的圆板同样，用氮化硅、碳化硅那样的陶瓷或不锈钢那样的金属制作。在轴承部件51及52的对向的面即固定轴承部件51的面(滑动面)、可动轴承部件52的面(滑动面)上，用上述段落编号[0008]说明的方法分别形成多晶金刚石膜。多晶金刚石膜的厚度在该实施例中为10μm，但是，只要为1μm以上且15μm以下即可。其理由在于，多晶金刚石膜的厚度比15μm大时，皮膜中的残留应力增高，膜容易剥离，并且，膜厚比1μm小时，纯水可能侵入金刚石膜中的针孔内而侵蚀母材。另外，也可以形成类金刚石碳膜代替多晶金刚石膜。

Claims (10)

1、一种轴承或密封件，具有可动部件和静止部件，将电阻为1～18.25MΩcm的纯水作为润滑液，其特征在于，在所述可动部件及所述静止部件的至少一个部件的滑动面上形成类金刚石碳膜。
2、如权利要求1所述的轴承或密封件，其特征在于，所述类金刚石碳膜维氏硬度Hv为1000～8000，膜的厚度为1μm以上5μm以下。
3、如权利要求1或2所述的轴承或密封件，其特征在于，在氮化硅或碳化硅的部件上覆盖有所述类金刚石碳膜。
4、如权利要求1或2所述的轴承或密封件，其特征在于，在不锈钢部件上覆盖有所述类金刚石碳膜。
5、如权利要求1～4中任一项所述的轴承或密封件，其特征在于，所述类金刚石碳膜形成于所述可动部件及静止部件的一个部件上，且另一个部件是碳质成形体。
6、一种轴承或密封件，具有可动部件和静止部件，将电阻为1～18.25MΩcm的纯水作为润滑液，其特征在于，在所述可动部件及所述静止部件的至少一个部件的滑动面上形成多晶金刚石膜。
7、如权利要求6所述的轴承或密封件，其特征在于，所述多晶金刚石膜的厚度为1μm以上20μm以下。
8、如权利要求6或7所述的轴承或密封件，其特征在于，在氮化硅或碳化硅的部件上覆盖有所述多晶金刚石膜。
9、如权利要求6～8中任一项所述的轴承或密封件，其特征在于，所述多晶金刚石膜形成于所述可动部件及静止部件的一个部件上，且另一个部件是碳质成形体。
10、一种旋转机械，其特征在于，其具备权利要求1～9中任一项所述的轴承及密封件的至少一种。
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