CN101668970A - 纯水用陶瓷滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纯水用陶瓷滑动构件，其由SiC烧结体构成，且是在超纯水或纯水中使用的陶瓷滑动构件，其中，β－SiC在SiC烧结体中所占的比例为20％以上，且平均的晶体组织的长宽比为2以上。

Description

纯水用陶瓷滑动构件
技术领域
本发明涉及在电阻率为10MΩ·cm左右以上的超纯水或电阻率为1MΩ·cm左右以上的纯水中作为旋转机械的轴承或机械密封件等使用的纯水用陶瓷滑动构件。
背景技术
例如属于旋转机械的屏蔽电泵一般来说具备在两侧支撑主轴的2个径向滑动轴承和支撑负荷侧和反负荷侧两个轴方向的推力荷重的2个推力滑动轴承。作为这些滑动轴承，耐磨性和耐蚀性优异的陶瓷轴承广泛地得到使用。而且，使处理液自循环，并利用处理液进行滑动轴承(陶瓷轴承)的润滑和电机的冷却。
在旋转机械中，具有与固定侧和旋转侧两部件的端面或滑动面接触地运转的结构的机械很多，对于旋转体与固定体安装在机械性滑动的部分上的部件，使用滑动轴承或密封构件等滑动构件。例如目前广泛采用的是：滑动轴承具有固定在主轴侧并与主轴侧一体旋转的旋转侧构件和固定在壳体侧的固体侧构件，使二者相互滑动，陶瓷轴承的旋转侧构件和固定侧构件中一个用碳化硅(SiC)构成、另一个用碳材料(C)构成，或者二者均用SiC构成。这种SiC由具有含有六方晶的纤锌矿型晶体结构的α-SiC构成。
另外，在旋转机械中，作为将主轴与壳体之间水密性密封的密封构件，由a-SiC构成的陶瓷密封构件也广泛地得到使用。即，在旋转机械中，陶瓷轴承和陶瓷密封构件等陶瓷滑动构件广泛地得到使用。
对于SiC，有几种制造方法，仅采用其中最主要的烧结法即能够利用初始原料和烧成条件来制造具有各种特性的SiC，其被用于各种用途。这些SiC除了一般性的热、化学和机械特性以外，也是耐磨性优异的材料，因此被广泛用作轴承或机械密封件等滑动构件。
例如，在以电阻为0.01MΩ·cm左右以上的自来水为处理液、使用陶瓷轴承作为滑动轴承的屏蔽电泵中，在用自来水(处理液)有效地润滑陶瓷轴承(滑动轴承)的滑动面的情况下，陶瓷轴承能够长期使用。但是，在以电阻为1MΩ·cm左右以上的纯水或电阻为10MΩ·crn左右以上的超纯水为处理液、使用陶瓷轴承作为滑动轴承的屏蔽电泵中，当用纯水或超纯水(处理液)润滑陶瓷轴承的滑动面时，该滑动面在纯水或超纯水中慢慢产生滑动磨损痕，有时与被认为是滑动面的滑动损伤的磨损相关。
下表1表示进行下述摩擦磨损试验的结果：在电阻不同的处理液(自来水、纯水和超纯水)的存在下，用0.5MPa的压力按压α-SiC，同时以7.59m/s的圆周速度使α-SiC之间相互滑动100小时。
[表1]
  电阻(MΩ·cm)   摩擦磨损试验结果   备注
  0.01   ○   无损伤   自来水
  1   △   轻微的损伤   纯水
  2   △   轻微的损伤   纯水
  14   ×   有损伤   超纯水
  18   ×   有损伤   超纯水
其原因虽然不一定明确，但被认为是因为：在自来水的存在下，陶瓷轴承的滑动面滑动接触时，在滑动面上形成作为润滑膜的硅类氢氧化物或凝胶状的硅类水合物，其被认为是保护滑动面的物质，而在溶解氧极少的纯水或超纯水中摩擦陶瓷轴承的滑动面时，在滑动面上不能形成这些膜。
如此，尽管SiC(α-SiC)具备作为滑动材料的优异特性，但当将SiC(α-SiC)作为处理液为纯水或超纯水的旋转机械的轴承等使用时，常常遇到不明原因的损伤问题。损伤不仅存在于SiC滑动构件的滑动部，在滑动构件的液体接触部有时也存在。
基于SiC烧结体的损伤状态，着眼于耐侵蚀性进行如下的试验，结果发现，根据SiC晶体系或组织等的性状的不同，耐侵蚀性存在差别。另外可知，SiC的损伤并不单单是侵蚀，而是侵蚀·腐蚀性的损伤。即，在使具有某种流速的流体冲击由SiC烧结体构成的试验片的情况下，当流体为0.01MΩ·cm左右的自来水时，SiC不发生损伤。与此相对，当流体为电阻为10MΩ·cm左右以上的超纯水时，SiC发生损伤。
其原因虽然不一定明确，但被认为原因之一是：使超纯水以某种流速冲击SiC烧结体，SiC晶体的晶界产生损伤，发生SiC粒子的脱落。另外认为也与下述问题有关：当该SiC粒子脱落等造成的表面粗糙度变大时，在旋转机械的轴承或密封构件中使用SiC烧结体时，扭矩异常地增高等。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的发明，本发明的目的在于提供一种即使在纯水或超纯水中也能抑制侵蚀等造成的损伤，从而能够长期稳定使用的纯水用陶瓷滑动构件。
本发明的纯水用陶瓷滑动构件由SiC烧结体构成，且是在超纯水中使用的陶瓷滑动构件，其中，β-SiC在SiC烧结体中所占的比例为20％以上，平均的晶体组织的长宽比为2以上。
已确认β-SiC在SiC烧结体中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC陶瓷滑动构件，即使在超纯水中长时间使用，也能够抑制侵蚀等造成的损伤，从而能够长期稳定地使用。其原因被认为在于：含有具有闪锌型立方晶的晶体结构的β-SiC的SiC烧结体由于SiC晶体组织易成为针状晶体，且β-SiC在SiC烧结体中所占的比例越多该倾向越强，针状晶体相互牢固地缠绕，即使在苛刻的滑动条件下也显示出良好的摩擦磨损特性，在耐侵蚀性方面，针状晶体相互牢固地缠绕，具有将SiC粒子的脱落降低到最小限度的效果，而且SiC晶体组织的长宽比(纵横比)越大，越多的晶体相互牢固地缠绕，越具有将SiC粒子的脱落降低到最小限度的效果。
优选SiC烧结体的晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下。
已确认晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下的SiC陶瓷滑动构件，即使在超纯水中长时间使用，表面也几乎不会变粗糙，表面状态良好。其原因被认为在于：晶体粒径越小，越没有从SiC烧结体脱落的SiC粒子，由此，损伤更为均匀、流体不会进入到深处，因此不仅损伤进一步变少，在表面粗糙度方面，也具有使之降低到最小限度的效果。
在烧成前的SiC原料粉阶段中，β-SiC在SiC中所占的比例优选为90％以上。
通过烧成β-SiC在SiC中所占的比例为90％以上的SiC原料粉，能够容易地制造β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上的SiC烧结体。
根据本发明，即使在例如纯水或超纯水中长时间使用，也能够不仅抑制滑动面、而且抑制液体接触面由于侵蚀等而发生的损伤，从而陶瓷滑动构件能够长期稳定地使用。
附图说明
图1为表示具备适用于陶瓷轴承的本发明实施方式的陶瓷滑动构件的屏蔽电泵的截面图。
图2为侵蚀试验装置的概要图。
图3为表示具备适用于陶瓷密封构件的本发明另一实施方式的陶瓷滑动构件的纯水用旋转机械的主要部分的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示具备适用于陶瓷轴承的本发明实施方式的陶瓷滑动构件的屏蔽电泵。如图1所示，屏蔽电泵具备吸入侧壳体1、排出侧壳体5和连接该吸入侧壳体1和排出侧壳体5之间的外筒9。吸入侧壳体1、外筒9和排出侧壳体5在开口部侧的端部外周部分别具备向外延伸设置的凸缘1a、9a、9b、5a。并且，利用铸铁等铸件制的法兰盘20、20夹持相互邻接的凸缘1a、9a，同时通过上紧螺栓45而将吸入侧壳体1与外筒9连接成一体。另外，同样地利用铸铁等铸件制的法兰盘21、21夹持相互邻接的凸缘5a、9b，同时通过上紧螺栓45而将排出侧壳体5与外筒9连接成一体。并且，通过吸入侧壳体1、排出侧壳体5和外筒9构成泵的壳体，在该泵的壳体内配设屏蔽电机22。
吸入侧壳体1具备圆锥台状的主体部2和从该主体部2向着吸入侧延伸设置的吸入嘴3。另外，排出侧外套5也与吸入侧壳体1基本相同地具备圆锥台状的主体部6和从该主体部6向着排出侧延伸设置的排出嘴7。
在吸入侧壳体1的内侧设置内壳体10，该内壳体10由容器状的主体部11和从该主体部11向着吸入侧延伸设置的圆筒状的吸入侧部12构成，在主体部11和吸入侧部12之间插装由O形环等弹性材料构成的密封构件18。并且，在内壳体10的主体部11的内侧设置构成导流叶片或涡囊的导向装置13。导向装置13具有凹口(in low)嵌合部，该凹口嵌合部与屏蔽电机22的电机框23嵌合。该屏蔽电机22的电机框23具有高的刚性。由于电机框23支撑着导向装置13，结果内壳体10由具有高的刚性的屏蔽电机22的电机框23支撑。
内壳体10的吸入侧部12的一端延伸到吸入嘴3的附近。并且，内壳体10的吸入侧部12的端部与吸入侧壳体1的吸入嘴3之间的间隙插装有密封构件14，通过该密封构件14，吸入侧(低压侧)和排出侧(高压侧)被密封。
在内壳体10的内侧收容有叶轮15，该叶轮15由屏蔽电机22的主轴16固定并支撑。另外，吸入嘴3和排出嘴7分别通过中间环46、46分别与吸入法兰盘48和排出法兰盘49固定。
上述屏蔽电机22的电机框23由大致圆筒状的框外体24和设置在该框外体24的两侧开口部的框侧板25、26构成。框外体24在其外周部沿着轴方向放射状地形成有多个肋拱(rib)24a。这些多个肋拱24a利用加压成形在框外体24上一体地形成，而且这些肋拱24a的外侧面与泵壳体的外筒9的内周面嵌合，同时在该嵌合部二者通过点焊等接合成一体。
在上述电机框23内配设有定子27和转子28。转子28由主轴16支撑，并在定子27的内侧与圆筒状的罐29嵌着。在框侧板25与主轴16之间，设有作为径向滑动轴承的陶瓷轴承(陶瓷滑动构件)30。
上述陶瓷轴承(径向滑动轴承轴承)30具备固定在主轴16上的与该主轴16一体旋转的作为旋转侧构件的内轮51和固定在框侧板25的作为固定侧构件的外轮52。该陶瓷轴承30的内轮(旋转侧构件)51和外轮(固定侧构件)52均由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成。
此外，在该例子中，虽然内轮51和外轮52二者均由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成，但也可以内轮51和外轮52中仅一个由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成。
使用图2所示的侵蚀试验装置，将晶体系或晶体组织等不同的各种SiC烧结体作为试样片，对该试样片进行侵蚀试验，结果示于表2。图2所示的侵蚀试验装置按照如下方式构成：使从送水泵104送出的水(超纯水或自来水)从喷射嘴106向着通过支架100而保持在垂直方向的试验片102的表面喷射。从喷射嘴106喷射的水的流速为28m/s、水温为30℃、试验时间为100h。另外，从喷射嘴106到试验片102的距离为25mm。
[表2]
Figure G200880013166XD00061
在表2中，长宽比和晶体粒径为在任意部位以倍率×100和×500拍摄组织照片(约70mm×约90mm)后测定而得到的值。关于晶体粒径，用纵和横中粒径的长度长的一方的数值表示。另外，β-SiC比率为β-SiC在烧成后的SiC烧结体中的比率。
从上述表2可知，在β-SiC在SiC烧结体中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的试样片(SiC烧结体)中，侵蚀量为0.010(mm3)以下，即使在超纯水中长时间使用，也能够抑制侵蚀等造成的损伤，从而能够长期地稳定地使用。其原因被认为在于：含有具有闪锌型立方晶的晶体结构的β-SiC的SiC烧结体由于SiC晶体组织易成为针状晶体，且β-SiC在SiC烧结体中所占的比例越多，该倾向越强，针状晶体相互牢固地缠绕，即使在苛刻的滑动条件下也能显示出良好的摩擦磨损特性，在耐侵蚀性方面，针状晶体相互牢固地缠绕，从而也具有将SiC粒子的脱落降到最小限度的效果，并且SiC晶体组织的长宽比(纵横比)越大，越多的晶体相互牢固地缠绕，越具有将SiC粒子的脱落降低到最小限度的效果。
另外可知，在晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下的试样片(SiC烧结体)中，试验后的表面几乎没有粗糙、表面状态良好。其原因被认为在于：晶体粒径越小，从SiC烧结体脱落的SiC粒子越少，由此，损伤更为均匀、流体不会进入深处，因此损伤不仅变得更少，而且在表面粗糙度方面，也具有使之达到最小限度的效果。因此，优选由晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下的SiC烧结体构成内轮51和外轮52。
即使以β-SiC原料粉为初始原料，在SiC烧结体中也不仅仅存在β-SiC，而且还存在a-SiC。β-SiC所占的比例已知可根据烧成条件等而改变，在SiC烧结体部分地含有β-SiC晶体结构的情况下，其他的晶体结构为α-SiC。这里，在烧成前的SiC原料粉阶段中，通过使β-SiC在SiC中所占的比例为90％以上，能够容易地制造β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上的SiC烧结体。
在上述框侧板26上，通过弹性体44可装卸地设置轴承外壳32，在该轴承外壳32上分别保持有外轮33和固定侧环34，外轮33能够与固定在主轴16上的内轮35相互滑动。通过该外轮33和内轮35，构成了与上述的陶瓷轴承(陶瓷滑动构件)30具有同样构成的陶瓷轴承(径向滑动轴承)38。
在主轴16的排出侧端部固定有推力盘36，在推力盘36上具备与上述固定侧环34相向配置并相互滑动的旋转侧环37。通过该固定侧环(固定侧构件)34与旋转侧环(旋转侧构件)37，构成了作为推力滑动轴承的陶瓷轴承(陶瓷滑动构件)39。该陶瓷轴承(推力滑动轴承)39的固定侧环34和旋转侧环37与上述陶瓷轴承30的内轮51和外轮52同样地均由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成，优选由晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下的SiC烧结体构成。另外，也可以固定侧环34和旋转侧环37中的一个由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成。
在框侧板26上固定有构成过滤器的端板40。端板40具有突出为大致半球形的整流部41，在该整流部41上形成从半径方向的内侧向外侧放射状地延伸的多个狭缝42。端板40的整流部41沿着排出侧壳体5内水流的流线，形成为大致半球形状，从叶轮15排出的流体经过在外筒9与框外体24之间形成的流路50而流入排出侧壳体5内后，利用整流部41的整流作用整流，并被导至排出口。
由于在整流部41放射状地形成有狭缝42，该狭缝42作为过滤器发挥功能，当流体通过该狭缝42流入到屏蔽电机22内时，流体内的异物被狭缝42捕获而除去。由于该狭缝42在沿着水流的方向形成，因此暂时被狭缝42捕获的异物由于流速而被推向水流方向移动，并从狭缝42除去，则能够防止狭缝42的堵塞。即，狭缝42由于其形状而具有自净作用。另外，端板40也发挥着用于将轴承外壳32固定到框侧板26的压板的作用。
下面说明上述屏蔽电泵的作用，从吸入嘴3吸入的流体经过内壳体10的吸入侧部12后被导至叶轮15内。从旋转的叶轮15排出的流体经过导向装置13，其水流方向从离心方向转换为轴方向后，流入到在外筒9和屏蔽电机22的框外体24之间形成的流路50，通过该流路50后流入到排出侧壳体5内。其后，流体被端板40的整流部41整流后，从与排出侧壳体5一体形成的排出嘴7排出。
另一方面，由于叶轮15的主板15a与框侧板25之间形成有间隙，通过叶轮15的旋转，在该间隙内产生圆板摩擦，在该间隙产生减压效果。因此，从端板40的狭缝42流入到屏蔽电机22内的流体，如箭头所示，通过轴承外壳32的开口32a，再通过转子28与定子27的罐29之间的间隙，形成从框侧板25的开口25a流出到叶轮15的主板15a的里侧的循环路径。并且，在该处理液在屏蔽电机22的内部循环期间，陶瓷轴承30、38、39的滑动面被处理液润滑，同时屏蔽电机22也被处理液冷却。
作为该处理液，即使使用电阻为1MΩ·cm左右以上的纯水或电阻为10MΩ·cm左右以上的超纯水，也能够将在陶瓷轴承30、38、39的滑动面或液体接触面上发生的磨损抑制在轻微的程度，由此，陶瓷轴承30、38、39能够长期稳定地使用。
另外，在上述的例子中，作为陶瓷滑动构件，示出了适用于使用陶瓷轴承的屏蔽电泵的例子，但作为陶瓷滑动构件，也能够适用于使用由SiC构成的陶瓷密封构件的旋转机械。
图3示出了具备适用于陶瓷密封构件的本发明的另一实施方式的陶瓷滑动构件(陶瓷密封构件)的纯水用旋转机械的主要部分。该例子中，在旋转轴60上安装轴套62，用具有端面相互滑接的可动密封构件64和静止密封构件66的机械密封件68密封该轴套62的周围。并且，在该例子中，可动密封构件64和静止密封构件66二者均由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体构成，优选由晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下的SiC烧结体构成。另外，也可以可动密封构件64和静止密封构件66中仅一个由β-SiC在SiC中所占的比例为20％以上、且平均的晶体组织的长宽比为2以上的SiC烧结体制成，另一个由SiC或其他陶瓷制成。
在该例子中，作为其处理液，即使使用电阻为1MΩ·cm左右以上的纯水或电阻为10MΩ·cm左右以上的超纯水，也可以将在机械密封件68的可动密封构件64和静止密封构件66的滑动面或液体接触面上发生的磨损抑制在轻微的程度，由此，机械密封件68能够长期稳定地使用。
本发明可用于在电阻率为10MΩ·cm左右以上的超纯水或电阻率为1MΩ·cm左右以上的纯水中作为旋转机械的轴承或机械密封件等使用的纯水用陶瓷滑动构件。

Claims (3)

1.一种纯水用陶瓷滑动构件，其由SiC烧结体构成，且是在超纯水或纯水中使用的陶瓷滑动构件，其特征在于，β-SiC在SiC烧结体中所占的比例为20％以上，且平均的晶体组织的长宽比为2以上。
2.根据权利要求1所述的纯水用陶瓷滑动构件，其特征在于，SiC烧结体的晶体粒径最大为200μm、平均为20μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的纯水用陶瓷滑动构件，其特征在于，在烧成前的SiC原料粉阶段中，β-SiC在SiC中所占的比例为90％以上。
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