JP2019190643A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐剥離性に優れるとともに、偏摩耗を抑制できる摺接粒子を備える摺動部材を簡便に提供する。【解決手段】本発明の摺動部材は、摺動部材基部（１０ａ）と、上記摺動部材基部（１０ａ）の表面に散在して固定される摺接粒子（１０ｂ）と、を備え、上記摺接粒子（１０ｂ）は、上記摺動部材基部（１０ａ）の表面から突出しており、かつ、上記被摺動部材に摺接する粒子摺接面（１２）を有しており、上記摺接粒子（１０ｂ）は、原料粒子の粒径範囲および上記粒子摺接面（１２）の面積と上記摺接粒子の投影部分の面積との比率が所定の範囲である。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。

排水ポンプの一種として、先行待機運転ポンプが知られている。先行待機運転ポンプは、例えばゲリラ豪雨のような急激な水量の増加に対応すべく、予め無水状態で全速運転（先行待機運転）することや、気水混合状態での排水を行うことが可能となっている。このような先行待機運転ポンプに適用できる摺動部材が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１には、摺動部材基部および摺接粒子を備えたポンプ用軸・軸受構造が開示されている。当該摺接粒子は、摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、摺動部材基部の表面から突出しており、被摺動部材に摺接することが記載されている。

特許文献１に記載されるような、摺接粒子を摺動面とする摺動部材は、摺接粒子間に形成した空間により、摺動部材の熱膨張への対応や放熱性の面で優れた特徴を有する。また、当該摺動部材を、例えばポンプの軸・軸受構造に用いた場合、摺動部材の回転時に、粒子間領域から摺接粒子と被摺動部材との間に適度に水等の液体が供給され、潤滑剤として機能し、潤滑性が向上するという効果も有している。

特開２０１６−２１１７２７号公報（２０１６年１２月１５日公開）

しかし、上述のような従来技術では、製造条件によっては、得られる摺動部材の性能がばらつく傾向があった。例えば、摺接面を構成する摺接粒子の耐剥離性は、摺動部材において重要な性能であるが、耐剥離性に優れる摺接粒子を備える摺動部材を確実に製造するための製造条件には、さらなる改善の余地があった。

また、上述のような摺動部材は、摺接面が複数の摺接粒子で構成されているため、特有の課題を有する。すなわち、摺接粒子ごとの固定状態や被摺動部材との接触面積にばらつきがあると、摺接粒子の固定強度や摺接粒子にかかる圧力が摺接粒子によって異なるため、条件によっては摺接粒子の剥離や偏摩耗につながる要因の一つとなる、という課題がある。

以上のことから、耐剥離性に優れる摺接粒子を備えるとともに、偏摩耗を抑制できる摺動部材をより簡便に製造できる製造条件が求められており、かつ、当該摺動部材の安定的な提供が求められていた。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、その目的は、耐剥離性に優れた摺接粒子を備えるとともに、偏摩耗を抑制できる摺動部材を簡便に提供することにある。

本願発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、原料粒子の粒径範囲および、摺接粒子の粒子摺接面の面積と投影面積との比率を所定の範囲内とすることによって、耐剥離性に優れた摺接粒子を備えるとともに、偏摩耗を抑制できる摺動部材を簡便に提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本願発明は、以下の発明を包含する。
〔１〕被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、
摺動部材基部と、
上記摺動部材基部の表面に散在して固定される摺接粒子と、を備え、
上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、かつ、上記被摺動部材に摺接する粒子摺接面を有しており、
上記摺接粒子の原料粒子は、粒径範囲が当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内であり、
上記摺接粒子は、上記粒子摺接面の面積と上記摺接粒子の投影部分の面積との比率が０．６以上０．９５以下である、摺動部材。
〔２〕上記原料粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下である、〔１〕に記載の摺動部材。
〔３〕上記摺接粒子は、埋め込み率が５０％以上である、〔１〕または〔２〕に記載の摺動部材。
〔４〕上記摺接粒子が、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ケイ素化物、リン化物、および硫化物からなる群より選ばれる１種以上を含む、〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の摺動部材。
〔５〕摺動部材基部の外表面上へ摺接粒子の原料粒子を固定する工程と、
上記原料粒子の平均粒子径に対して２０％以上３０％以下の高さ分、当該原料粒子を加工して粒子摺接面を形成する工程とを含み、
上記原料粒子は、粒径範囲が当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内である、摺動部材の製造方法。
〔６〕上記原料粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下である、〔５〕に記載の摺動部材の製造方法。
〔７〕上記摺接粒子が、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ケイ素化物、リン化物、および硫化物からなる群より選ばれる１種以上を含む、〔５〕または〔６〕に記載の摺動部材の製造方法。

本発明の一態様の摺動部材によれば、耐剥離性に優れた摺接粒子を備えるとともに、偏摩耗を抑制できる摺動部材を提供することができる。

本発明の一態様の製造方法によれば、摺接粒子を固定する条件を揃えると共に、摺接粒子にかかる圧力（面圧）を均一化することができる。そのため、耐剥離性に優れた摺接粒子を備え、かつ、一部の摺接粒子に過剰な負荷がかかることを低減できる摺動部材を提供することができる。それゆえ、偏摩耗を抑制できる摺動部材を提供することができる。

本発明の一実施形態における軸・軸受構造及び摺動部材としての軸部材の、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。 図２の（ａ）は、粒径範囲が広い原料粒子を用いて製造された摺動部材の断面概略図である。図２の（ｂ）は、粒径範囲が狭い原料粒子を用いて製造された摺動部材の断面概略図である。図２は、説明を容易にするため原料粒子を球状粒子と近似して記載している。 本発明の一実施形態に係る摺動部材の、外面側からみた構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態に係るポンプの縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るポンプの滑り軸受装置の縦断面図である。

本発明の一実施形態について以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、以下に説明する各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態や実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された学術文献及び特許文献の全てが、本明細書中において参考文献として援用される。また、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上Ｂ以下」を意図する。

〔１．摺動部材〕
被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材として、スラリー液を排出可能なポンプに用いられる回転機構における軸・軸受構造の軸部材について説明する。なお、本実施形態では、摺動部材としての軸部材について説明するが、本発明の摺動部材は必ずしもこれに限らない。例えば、軸部材に対して相対的に摺動する軸・軸受構造における軸受部材にも適用することができる。また、例えば、スラスト軸受のような、被摺動部材に対して相対的に平面で摺動する摺動部材にも適用することができる。

軸・軸受構造１Ａにおける、本実施形態の摺動部材としての軸部材１０の構成について、図１に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態における軸・軸受構造１Ａの、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。

図１に示すように、軸・軸受構造１Ａは、摺動部材としての軸部材１０と、被摺動部材としての軸受部材１１とからなっている。軸部材１０は、円筒形状の軸スリーブである。尚、軸部材１０は、軸スリーブに限定されるものではなく、軸であってもよい。一方、軸受部材１１は、内部に軸部材１０が収容される円筒形状を有しており、軸部材１０を軸支する。

軸受部材１１は、例えば、硬質のセラミックスまたは超硬合金等からなり、珪砂の硬度と同等以上であるため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する耐摩耗性に優れる。さらに、硬質のセラミックスである、共有結合性またはイオン結合性のセラミックスは、スラリー液中にまれに含まれる金属くず等の金属成分との親和性が小さいため、軸受部材１１へのスラリー液に含まれる金属くず等の金属成分の付着を防ぎやすい。なお、軸受部材１１の表面に、摩擦係数を低く、もしくは耐摩耗性を向上するための膜を形成するような加工がされていても良い。

軸部材１０は、図１に示すように、少なくとも、摺動部材基部１０ａと、上記摺動部材基部１０ａの表面に散在して固定される摺接粒子１０ｂとを備える。上記摺接粒子１０ｂは、上記摺動部材基部１０ａの表面から突出している。なお、図１においては、摺接粒子１０ｂのうち、一部のみを図示している。摺接粒子１０ｂは、摺接粒子の原料粒子（以下、「原料粒子」とも称する）が摺動部材基部に固定され、加工されることにより形成され、粒子摺接面１２を有している。すなわち、「原料粒子」とは、摺動部材基部に固定する前の摺接粒子を意味する。また、粒子摺接面１２によって、軸部材１０の軸を中心とした円周面である部材間摺接面１３が形成される。

摺接粒子１０ｂは、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon、以下「ＤＬＣ」と称する）、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ケイ素化物、リン化物、硫化物からなる群より選ばれる１種以上を含むことが好ましい。これらは単結晶粒子であってもよく、多結晶粒子であってもよく、焼結体であってもよい。すなわち、上記ダイヤモンドには、ダイヤモンドの単結晶粒子、ダイヤモンドの合成多結晶粒子、ダイヤモンド焼結体を粉砕した粒子も含まれる。また、上記ＤＬＣには、バインダーを使用してＤＬＣ粉末を造粒したものや、ＤＬＣ粉末の焼結体を粉砕した粒子も含まれる。また、セラミックスグリーンシートを裁断後焼成または焼成後裁断して作製した粒子や、アルミナ等のセラミックス粉末を固めた成形粒子も含まれる。なお、炭化タングステンとしては、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、およびＷＣとＷ２Ｃとの複合材が挙げられる。

摺接粒子１０ｂの原料粒子の平均粒子径は、１０μｍ以上２５０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下であり、さらに好ましくは３０μｍ以上１６０μｍ以下であり、特に好ましくは５０μｍ以上１２５μｍ未満である。平均粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測されるＤ５０値である。

本明細書中、原料粒子の「粒径範囲」とは、摺動部材基部の表面に散在して固定されるすべての原料粒子において最小径粒子と最大径粒子とで示される粒子径の範囲である。原料粒子の最小粒子径と最大粒子径とは、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される。摺接粒子１０ｂの原料粒子の粒径範囲は、当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内である。例えば、「原料粒子の粒径範囲が、当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内である」とは、原料粒子の粒子径が、当該原料粒子の平均粒子径の０．８倍以上、当該原料粒子の平均粒子径の１．２倍以下であることを意味する。原料粒子の粒径範囲が上記範囲内であることが好ましい理由を、図２を用いて説明する。

図２の（ａ）は、粒径範囲が広い原料粒子を用いて製造された摺動部材の断面概略図を示す。図２の（ｂ）は、粒径範囲が狭い原料粒子を用いて、従来の方法で製造された摺動部材の断面概略図を示す。なお、図２では、原料粒子を球状粒子と近似して記載している。

図２の（ａ）において、例えば、原料粒子が、平均粒子径が１００μｍ、粒径範囲が上記平均粒子径の±５０％である場合を考える。最大粒子径を有する原料粒子（以下、「最大径粒子」とも称する）１０ｂ_１は、粒子径が１５０μｍであり、平均粒子径を有する原料粒子（以下、「平均径粒子」）１０ｂ_２は、粒子径が１００μｍであり、最小粒子径を有する原料粒子（以下、「最小径粒子」とも称する）１０ｂ_３は、粒子径が５０μｍである。平均粒子径の６０％の高さが埋まるようにメッキを施す（すなわち、メッキ厚さを６０μｍとする）場合、最大径粒子１０ｂ_１は、その粒子径の４０％の高さしかメッキによって埋め込まれていないため、耐剥離性に劣る。一方で、最小径粒子１０ｂ_３は、メッキに完全に埋まり、粒子摺接面を形成できない。このように、粒径範囲が広い原料粒子を用いると、摺接粒子ごとの摺接面積を所定の範囲に揃えることが困難である。

一方、図２（ｂ）において、例えば、原料粒子が、平均粒子径が１００μｍ、粒径範囲が上記平均粒子径の±２０％の場合を考える。最大径粒子１０ｂ_４は、粒子径が１２０μｍであり、平均径粒子１０ｂ_５は、粒子径が１００μｍであり、最小径粒子１０ｂ_６は、粒子径が８０μｍである。平均粒子径の６０％の高さが埋まるようにメッキを施す（すなわち、メッキ厚さを６０μｍとする）場合、最大径粒子１０ｂ_４は、その粒子径の５０％の高さがメッキによって固定され、最小径粒子１０ｂ_６も、その粒子径の７５％の高さがメッキによって固定される。このように、粒径範囲が狭い原料粒子を用いると、摺接粒子ごとの摺接面積を所定の範囲に揃えやすくなり、原料粒子を固定する際に当該粒子の固定状態（メッキであれば所定の埋め込み率）を確保することが容易となる。さらに、摺接粒子にかかる面圧を揃えることができるため、耐剥離性に優れた摺接粒子により粒子摺接面を形成することができる。

摺接粒子ごとの摺接面積の大きさを揃え、粒子摺接面の面積（以下、摺接面積とも称する）と摺接粒子の投影部分の面積（以下、投影面積とも称する）との比率（摺接面積／投影面積）を、０．６以上０．９５以下とすれば、摺動部材が被摺動部材と摺接するときの、被摺動部材に対する面圧を所定の範囲内とすることができる。これにより、摺動部材と被摺動部材とが摺接するときの摺接粒子の偏摩耗を抑えることができ、かつ、被摺動部材の摩耗を抑えることができる。また、被摺動部材の摩耗が著しい場合には、被摺動部材は偏摩耗となるが、上記構成であれば、当該偏摩耗も抑えることができる。

摺接面積と投影面積との比率は、摺動部材基部１０ａの単位表面における、摺接面積と投影面積との比率の平均値を意図する。具体的には、２以上の摺動部材基部１０ａの単位表面において、摺接面積の和と投影面積の和との比率を計算し、それらに基づき算出された平均値である。以下、摺接面積および投影面積について、図３を用いて説明する。

「粒子摺接面の面積（摺接面積）」とは、摺動部材基部１０ａの単位表面における、粒子摺接面１２の外周によって囲まれる部分の面積の和を意図する。また、「摺接粒子の投影部分の面積（投影面積）」とは、摺動部材基部１０ａの単位表面における、投影部分３１の面積の和を意図する。投影部分とは、摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときの摺接粒子の外周で囲まれる部分である。例えば、摺接粒子が直方体である場合は、摺接面積と投影面積は同じ（すなわち、摺接面積／投影面積＝１）である。摺接面積および投影面積は、摺動部材基部１０ａの単位表面をレーザー顕微鏡で観察することによって得た顕微鏡写真に基づいて測定する。なお、顕微鏡観察範囲において単位面積からはみ出ている摺接粒子は除外して測定すればよい。また、粒子摺接面１２の外周と投影部分３１の外周とは、一部が重なった状態であってもよい。

摺動部材基部１０ａの単位表面における、摺接面積と投影面積との比率の平均値を得るときに選択される摺動部材基部１０ａの単位表面は、少なくとも２つ以上であり、１０以上であることが好ましく、２０以上であることがより好ましく、４０以上であることがさらに好ましく、８０以上であることが特に好ましい。また、粒子摺接面１２の面積の和の平均値を得るときに選択される摺動部材基部１０ａの単位表面は、ランダムに、かつ、摺動部材基部１０ａの全体から偏りなく選択されることが好ましい。また、上記単位表面の大きさは、特に限定されず、摺動部材基部１０ａの大きさ等によって適宜設定される。

例えば、摺動部材基部１０ａがφ８５ｍｍ×１００ｍｍＬの軸スリーブの場合には、粒子摺接面１２の面積の和の平均値を得るときに選択される摺動部材基部１０ａの単位表面は、円周方向から１０箇所、かつ軸方向から８箇所、合計８０箇所（１０×８）が選択され得る。また、このとき、摺動部材基部１０ａの単位表面は、１ｍｍ×１ｍｍの大きさであり得る。

摺動部材基部１０ａは、基体からなる構成としてもよい。基体は、ＳＵＳ３０４等の一般的に用いられる材質によって形成されていてもよく、樹脂で形成されていてもよい。また、摺動部材基部１０ａの表面形状は、平坦であってもよく、凹凸構造を有していてもよく、曲面を有していてもよい。

また、上記摺動部材基部１０ａは、基体と、上記基体の表面に形成された金属膜やロウ材とを備えていてもよい。後述するように、摺動部材基部１０ａの外表面上への摺接粒子１０ｂの原料粒子の固定は、電着、ロウ付け、スパークプラズマ焼結（Spark Plasma Sintering）（以下、ＳＰＳという）を用いて行うことができ、金属膜やロウ材は、摺接粒子を形成するための固定部材として機能する。さらに、金属膜やロウ材は、基体が他の粒子と接触することにより摩耗する事態を防止することができる。

摺動部材基部１０ａの表面から摺接粒子１０ｂの先端までの平均高さ（以下、「突出高さ」と称する）は、０．８μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。なお、突出高さにおける摺接粒子１０ｂの先端とは、上述の加工を行った後の摺接粒子１０ｂの先端、すなわち粒子摺接面１２を意図する。

また、突出高さは、摺接粒子１０ｂの原料粒子の平均粒子径の４０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましい。すなわち、例えば、原料粒子の平均粒子径が１５０μｍであれば、突出高さは、６０μｍ以下であることが好ましく、４５μｍ以下であることがより好ましい。突出高さが上記構成であれば、摺接粒子１０ｂの固定強度が大きくなりやすい。

摺接粒子１０ｂの埋め込み率は、摺接粒子１０ｂの原料粒子の粒子径の５０％以上であることが好ましい。埋め込み率が上記構成であれば、摺接粒子１０ｂの固定強度が大きくなりやすい。なお、埋め込み率とは、摺接粒子１０ｂの高さのうち、摺動部材基部１０ａに埋め込まれている部分の高さが、摺接粒子１０ｂの原料粒子の粒子径に対して占める割合を意図する。摺接粒子の原料粒子の粒子径とは、摺動部材基部に固定する前の個々の摺接粒子の長径を意図する。上記粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される。摺動部材基部１０ａに埋め込まれている部分の高さは、例えば、図１において、摺接粒子１０ｂの、摺動部材基部１０ａに埋め込まれている部分の最深部に、摺動部材基部１０ａの表面から垂線を下した場合に、当該垂線の長さを測定することによって求めることができる。なお、上記「摺動部材基部１０ａの表面」とは、図１において、摺動部材基部１０ａが有する面のうち、部材間摺接面１３に平行であって、かつ対向している面をいう。

摺接粒子を軸部材の外周面に固定する場合、粒子摺接面１２、つまり、軸受部材１１側の端部は、軸部材１０の軸方向から見たときに、軸部材１０の軸を中心とした同一円周上にある。すなわち、粒子摺接面１２によって、図１に示すように、軸部材１０の軸を中心とした円周面である部材間摺接面１３が形成される。該部材間摺接面１３は、軸部材１０が回転するときに、被摺動部材である軸受部材１１と摺接する面である。

スラスト軸受において摺接粒子１０ｂを固定する場合、各摺接粒子１０ｂの先端、つまり、軸受部材１１側の端部は、摺動部材基部１０ａの表面の垂直方向から見たときに、同一平面状にある。

上記構成によれば、軸部材１０が回転する際に、軸受部材１１と摺接するのは摺接粒子１０ｂのみとなる。したがって、軸部材１０は、摩擦係数が低く、摩擦による熱の発生が抑えられたものとなるため、耐久性がより向上したものとなる。

＜被膜を有する摺接粒子＞
本発明の一実施形態において、上記摺接粒子は、少なくとも一部が被膜にて覆われていてもよい。上記の構成によれば、摺接粒子の粒子摺接面及び／又は粒子摺接面周辺部の角部を被膜によって表面が円滑な面となるように覆うことができ、摺動部材の摺接面を円滑な面にすることができる。

上記被膜は、少なくとも上記摺接粒子の摺接面周辺部の角部を覆い、ダイヤモンドライクカーボン膜又はガラス状カーボン膜からなる構成としてもよい。上記の構成によれば、軸部材の摺接面をさらに円滑な面にすることができる。

上記被膜は、摺接面周辺部の周りを覆うダイヤモンドライクカーボン膜又はガラス状カーボン膜からなり、上記摺接面周辺部から側面に至る角部に対応する部分の上記被膜の外面が曲面になっている構成としてもよい。

上記構成によれば、ダイヤモンドライクカーボン膜又はガラス状カーボン膜からなる被膜は、摺接粒子の摺接面周辺部の周りを覆い、かつ摺接粒子の摺接面周辺部から側面に至る角部に対応する部分の外面が曲面になっている。したがって、摺動部材の摺接面の円滑性をさらに向上し、角部による被摺動部材への攻撃性を緩和することができる。

上記被膜の膜厚は、被膜の効果を十分に発揮させるために、５μｍ〜１０μｍとすることが好ましい。

摺接粒子の少なくとも一部が被膜にて被覆されている場合であり、かつ、摺接粒子の先端、すなわち粒子摺接面の少なくとも一部が被膜にて被覆されている場合には、摺接粒子の突出高さは、固定層の表面から当該被膜の先端までの高さとなる。

＜被膜の形成方法＞
摺接粒子の少なくとも一部がダイヤモンドライクカーボン膜（以下、ＤＬＣ膜とも称する）にて被覆されている摺接粒子は、摺接粒子にＤＬＣ膜をコーティングすることにより調整することができる。ＤＬＣ膜のコーティング方法としては、真空あるいは大気圧におけるプラズマを用いた蒸着技術による手法、および有機溶媒などの液中から炭素膜を電気的に析出させる手法などが知られている。現在は、真空装置を用いた蒸着法によるコーティング法が主流である。

真空装置を用いた蒸着法によるＤＬＣ膜のコーティング方法は、炭素供給源として固体炭素を用いる手法と炭化水素系の原料を用いる手法とに大別される。固体炭素（グラファイト）を炭素供給源とする手法としては、アークイオンプレーティング、非平衡マグネトロンスパッタリングおよびフィルタードアークイオンプレーティングが知られている。また、炭化水素系ガス（ＣＨ_４、Ｃ_６Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_２等）を炭素供給源とする手法としては、高周波プラズマＣＶＤ、パルス方式直流プラズマＣＶＤ、イオン化蒸着およびプラズマイオン注入・成膜が知られている。

摺接粒子の少なくとも一部がガラス状カーボン膜にて被覆されている摺接粒子は、摺接粒子に熱硬化性樹脂を主成分とするガラス状カーボン用樹脂組成物を塗布し、硬化した後、不活性雰囲気中または真空下で焼成炭化することにより調整することができる。

〔２．摺動部材の製造方法〕
本発明の一実施形態に係る摺動部材の製造方法（以下、単に「製造方法」とも称する）は、摺動部材基部の外表面上へ摺接粒子の原料粒子を固定する工程と、上記原料粒子の平均粒子径に対して２０％以上３０％以下の高さ分、当該原料粒子を加工して粒子摺接面を形成する工程とを含み、上記原料粒子は、粒径範囲が当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内である。上記構成によれば、原料粒子の粒子径が揃っているため、耐剥離性に優れた摺接粒子を備える摺動部材を提供することができる。また、摺接粒子ごとの摺接面積および埋め込み率を揃えることができるため、摺動部材が被摺動部材と摺接するときの、被摺動部材に対する面圧が所定の範囲内となる。これにより、摺動部材と被摺動部材とが摺接するときの摺接粒子の偏摩耗を抑えることができ、かつ、被摺動部材の摩耗を抑えることができる。

＜摺接粒子の原料粒子の固定方法＞
本発明の一実施形態における、摺動部材基部１０ａの外表面上への摺接粒子１０ｂの原料粒子の固定は、電着、ロウ付け、スパークプラズマ焼結（Spark Plasma Sintering）（以下、ＳＰＳという）を用いて行うことができる。各固定方法について、以下に説明する。

（電着を用いた固定方法）
摺動部材基部１０ａの表面上への摺接粒子１０ｂの原料粒子の固定は、周知の電着の方法で行うことができる。例えば、摺動部材基部１０ａの表面上に、摺接粒子１０ｂの原料粒子を配置する。その後、所望の埋め込み率となるようにニッケルメッキ液を流し込み、ニッケルメッキ液中で通電する。摺動部材基部１０ａの表面にニッケルメッキが施され、それに伴って、摺接粒子１０ｂの原料粒子がニッケルメッキ膜にある程度埋め込まれ、摺動部材基部１０ａ上に固定される。

または、例えば、外表面以外の面をマスキングした摺動部材基部１０ａを、摺接粒子１０ｂの原料粒子を含むニッケルメッキ液の中に配置する。その後、電解法によりニッケルメッキ液中で通電することにより、摺動部材基部１０ａの外表面にニッケルメッキ膜が施されるとともに、ニッケルメッキ液中の摺接粒子１０ｂの原料粒子がニッケルメッキ膜にある程度埋め込まれ、摺動部材基部１０ａ上に固定される。尚、電着に用いるメッキ液としては、他の金属や合金によるメッキ液を用いてもよい。

（ロウ付けによる固定方法）
摺動部材基部１０ａの表面上への摺接粒子１０ｂの原料粒子の固定は、周知のロウ付けにより行うことができる。

例えば、まず、摺動部材基部１０ａの表面上に、摺接粒子１０ｂの原料粒子を配置する。次に、摺接粒子１０ｂの原料粒子をニッケルメッキ等によって点付固定する。その後、Ni-Cr-B-SiまたはCu-Ag-In-Ti等からなるロウ材粉末のペーストを塗布し、ロウ材の融点以上に加熱する。これにより、摺接粒子１０ｂの原料粒子がロウ材に埋め込まれ、摺動部材基部１０ａ上に固定される。

（ＳＰＳを用いた固定方法）
まず、摺動部材基部１０ａ上に摺接粒子１０ｂの原料粒子を配置し、その後ＳＰＳ装置にて、例えば９５０℃、３０ＭＰａの条件下で加圧成形を行う。摺動部材基部１０ａ上に保持されなかった他の摺接粒子１０ｂの原料粒子は、除圧後に除去することによって摺接粒子１０ｂを摺動部材基部１０ａ上に固定することができる。

＜摺接粒子の原料粒子の加工方法＞
本発明の一実施形態において、摺動部材基部１０ａ上に固定された摺接粒子１０ｂの原料粒子は、原料粒子の平均粒子径に対して２０％以上３０％以下の高さ分、加工され、粒子摺接面１２が形成される。

摺接粒子１０ｂを軸部材の外周面に形成した場合、摺接粒子１０ｂにおける粒子摺接面１２が同一円周上となるように原料粒子が加工されることにより、部材間摺接面１３が形成される。すなわち、摺動部材基部１０ａの回転中心軸から、最外にある粒子摺接面１２までの距離を等しくして、摺接粒子１０ｂの粒子摺接面１２が同一円周上にあるようにする。

スラスト軸受において摺接粒子１０ｂを形成した場合、粒子摺接面１２が、摺動部材基部１０ａの表面の垂直方向から見たときに、同一平面状となるように原料粒子が加工されることにより、部材間摺接面１３が形成される。

原料粒子をこのように加工する方法としては、ダイヤモンドや、炭化珪素等の砥石で研削する、放電加工により研削する、研磨材を用いて研磨するといった方法を用いることができる。本発明の一実施形態における摺接粒子１０ｂの原料粒子のような高硬度な材料を加工する方法として、適当なものを選択すればよい。

本発明の一実施形態に係る製造方法は、摺動部材基部の外表面上へ摺接粒子の原料粒子を固定する工程および上記原料粒子を加工して粒子摺接面を形成する工程以外の工程を含んでいてもよく、例えば、埋め込み率を調整するための追加のメッキを行う工程、埋め込み部を加工する工程及び表面処理する工程等が挙げられる。

〔３．ポンプ〕
本発明の一実施形態に係るポンプは、本発明の一実施形態に係る摺動部材を備える。本発明の一実施形態に係る摺動部材は、耐剥離性に優れる摺接粒子を備えるため、本発明の一実施形態に係るポンプを長時間安定的に稼働させることができる。

上記ポンプとしては、例えば、図４に示すようなスラリー液を排出可能な立軸斜流ポンプ装置が挙げられる。立軸斜流ポンプ装置８１は、ケーシング８２の下端に吸込口８３を有する。ケーシング８２内には回転自在な主軸８４が挿通されており、主軸８４の下端に羽根車８５が設けられている。ケーシング８２の上部には、主軸８４を回転駆動させる駆動装置８６（電動機）が設けられている。主軸８４は滑り軸受装置８７によって回転自在に支持されている。

図４および図５に示すように、主軸８４は軸本体８４ａと軸受箇所において軸本体８４ａに外嵌された円筒状のスリーブ８４ｂ（摺動部材の一例）とで構成され、滑り軸受装置８７は、スリーブ８４ｂの外周面に摺接する軸受８８と、軸受８８の周囲に設けられたハウジング８９と、軸受８８とハウジング８９との間に設けられた円筒形状の緩衝用ゴム９０とを有している。ハウジング８９は、金属製の円筒形状の部材であり、ケーシング８２内に設けられた固定部材９１に固定されている。

軸受８８は、円筒状の軸受シェル９３と軸受体９４（被摺動部材の一例）とで構成されている。摺接粒子９４の内周面とスリーブ８４ｂの外周面とが摺接する。なお、スリーブ８４ｂに、本発明の一実施形態における固定層および基材が備えられる。

これによると、主軸８４が所定の回転方向に回転すると、スリーブ８４ｂの外周面が軸受体９４の内周面に摺接する。この際、滑り軸受装置８７は、回り止めされ、主軸８４と共回りすることはない。

上記立軸斜流ポンプ装置８１は先行待機運転を行うものであり、揚水を行う揚水運転と、揚水を行わない待機運転とに切り替え可能である。本発明の一実施形態に係る摺動部材は、自揚水による潤滑作用が発揮されず、滑り軸受装置８７に対する主軸８４の摺動抵抗が増大するドライ状態での待機運転時に効果を発揮するものである。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

（耐剥離性試験）
後述の方法で製造された摺動部材から、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの電着ダイヤテストピースを切り出した。当該電着ダイヤテストピースとφ５ｍｍ×５ｍｍＬ（摺動する先端はφ３ｍｍ）のハイス鋼製ピンとを用いて加圧力２０ｋｇ／ｍｍ^２、周速０．１ｍ／ｓｅｃの条件で回転試験を３０分間実施し、摩擦試験後のテストピースの表面を確認した。電着して形成された複数の摺接粒子がテストピースの表面から脱落しない場合を「○」、電着して形成された複数の摺接粒子がテストピースの表面から脱落する場合を「×」と評価した。なお、摩擦摩耗試験機は、株式会社エー・アンド・デイ製の型式ＥＦＭ−３−Ｈを用いた。

（実施例１）
１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍｔのＳＵＳ３０４基材の表面に、表１に記載のダイヤモンド粒子（１）をＮｉ、Ｎｉ−Ｐ等で電着固定後、粒子の先端部分を平均粒子径の２０％の高さ分研削した。加工後、埋め込み率および摺接面積と投影面積との比率（以下、「Ａ値」とも称する）を、レーザー顕微鏡を使い測定した。

「埋め込み率の評価」
後述するＡ値の算出と同様に８カ所単位表面を設定し、１ｍｍ×１ｍｍ角の視野で突出高さを測定し、８カ所で得られた測定値の平均値を算出した。そして、最大粒子径および最小粒子径と研削量の数値とを使い、埋め込み率の最小値と最大値とを算出した。

「摺接面積と投影面積との比率の評価」
製造した摺動部材の１００×５０ｍｍの面から均等に８カ所単位表面（１ｍｍ×１ｍｍ）を設定し、レーザー顕微鏡（製品名：VK-9700、キーエンス社製）を使い、各単位表面を観察し、顕微鏡写真を撮影した。当該写真に基づいて、それぞれＡ値を算出し、８カ所において算出されたＡ値の平均値を得た。

（実施例２）
研削量を平均粒子径の３０％にした以外は実施例１と同様にして摺動部材を製造した。

（比較例１）
研削量を平均粒子径の４０％にした以外は実施例１と同様にして摺動部材を製造した。

（実施例３）
表１に記載のダイヤモンド粒子（４）を用いた以外は実施例１と同様にして摺動部材を製造した。

（実施例４）
研削量を平均粒子径の３０％にした以外は実施例３と同様にして摺動部材を製造した。

（比較例２）
表１に記載のダイヤモンド粒子（２）を用いた以外は実施例１と同様にして摺動部材を製造した。

（比較例３）
研削量を平均粒子径の３０％にした以外は比較例２と同様にして摺動部材を製造した。

（比較例４）
表１に記載のダイヤモンド粒子（３）を用いた以外は実施例１と同様にして摺動部材を製造した。

（比較例５）
研削量を平均粒子径の３０％にした以外は比較例４と同様にして摺動部材を製造した。

摺動部材の製造条件、算出されたＡ値、および耐剥離性評価の結果を表２に示す。

表１に記載されている通り、粒子（１）および粒子（２）は、粒径範囲が原料粒子の平均粒子径の±２０％以内であるが、粒子（３）および粒子（４）は、粒径範囲が原料粒子の平均粒子径の±２０％を超える。表２に示すように、実施例１〜４からは、原料粒子の粒径範囲が原料粒子の平均粒子径の±２０％以内であり、かつ、Ａ値が０．６以上０．９５以下である摺動部材は、耐剥離性に優れた摺接粒子を有していることがわかる。一方、比較例１からは、原料粒子の粒径範囲が原料粒子の平均粒子径の±２０％以内であっても、Ａ値が０．９５を超える摺動部材は、耐剥離性が劣る摺接粒子を有していることがわかる。さらに、比較例２〜５からは、Ａ値が０．６以上０．９５以下であっても、原料粒子の粒径範囲が上記原料粒子の平均粒子径の±２０％を超える摺動部材は、耐剥離性が劣る摺接粒子を有していることがわかる。

本発明は、ポンプ、例えば先行待機運転ポンプに好適に利用することができる。

１Ａ 軸・軸受構造
１０ 軸部材
１０ａ 摺動部材基部
１０ｂ 摺接粒子
１１ 軸受部材
１２ 粒子摺接面
１３ 部材間摺接面
３１ 投影部分

Claims (7)

1. 被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、
   摺動部材基部と、
   上記摺動部材基部の表面に散在して固定される摺接粒子と、を備え、
   上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、かつ、上記被摺動部材に摺接する粒子摺接面を有しており、
   上記摺接粒子の原料粒子は、粒径範囲が当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内であり、
   上記摺接粒子は、上記粒子摺接面の面積と上記摺接粒子の投影部分の面積との比率が０．６以上０．９５以下である、摺動部材。
2. 上記原料粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 上記摺接粒子は、埋め込み率が５０％以上である、請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 上記摺接粒子が、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ケイ素化物、リン化物、および硫化物からなる群より選ばれる１種以上を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材。
5. 摺動部材基部の外表面上へ摺接粒子の原料粒子を固定する工程と、
   上記原料粒子の平均粒子径に対して２０％以上３０％以下の高さ分、当該原料粒子を加工して粒子摺接面を形成する工程とを含み、
   上記原料粒子は、粒径範囲が当該原料粒子の平均粒子径の±２０％以内である、摺動部材の製造方法。
6. 上記原料粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下である、請求項５に記載の摺動部材の製造方法。
7. 上記摺接粒子が、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ケイ素化物、リン化物、および硫化物からなる群より選ばれる１種以上を含む、請求項５または６に記載の摺動部材の製造方法。

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