JP3271363B2

JP3271363B2 - 軸受装置、その軸受装置を備えた排水ポンプ及び水車、並びに軸受装置の製造方法

Info

Publication number: JP3271363B2
Application number: JP08113693A
Authority: JP
Inventors: 亮二岡田; 雅之山田; 国雄高田; 健二大谷; 宏二会沢; 光明羽田; 俊宏山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 2002-04-02
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: JPH0693407A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は排水ポンプ及び水車に係
り、特に軸受部に清浄水を供給することなく運転するポ
ンプ及び水車に適した耐摩耗性と高い信頼性、及び組立
て性に優れた軸受装置、その軸受装置を用いた排水ポン
プ及び水車とその軸受部の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の急激な都市化に伴い、降雨水量の
ほとんどが排水溝に流れ込むため排水が追いつかず、道
路に溢れだす都市型洪水が増加する傾向にある。これに
対処すべく排水ポンプシステムを装備した排水機場が設
けられているが、排水機場の増加に伴い運転維持管理費
が増大するという問題があり、自動運転による排水ポン
プシステムが検討されている。この排水ポンプシステム
の課題は高性能化、高信頼性化であり、現在、これらに
対応する技術として、ポンプの無給水運転技術、大容量
化、及び先行待機運転が検討されている。

【０００３】無給水運転技術とは、軸受、スリーブ間に
清浄水を供給することなく運転するものである。清浄水
の供給装置がないため、清浄水供給装置、清浄水供用セ
ンサー等の故障による誤動作がなく信頼性が高い。無給
水運転技術を可能とするためには、排水に含まれる土砂
が進入しても摩耗しない軸受装置が必要である。

【０００４】従来の無給水ポンプ用軸受装置には、耐摩
耗性、耐食性に優れるタングステンカ−バイド（以下、
ＷＣと称する）製スリーブ(焼結体)とセラミックス製軸
受(焼結体)との組合せが用いられてきた。ＷＣ製スリー
ブとセラミックス製軸受との組合せ構造に関しては、特
開昭６０−８１５１７号公報、特開昭６０−８８２１５
号公報に開示されている。

【０００５】一方、ポンプの大容量化は必然的に軸受の
大口径化を必要とする。しかしながら、従来のＷＣスリ
ーブとセラミックス軸受との組合せによる軸受装置のま
までは、大口径の焼結体スリーブ、焼結体軸受が必要と
なる。しかしながら、焼結技術が十分に対応できない、
さらに部品重量が大きくなり組立て作業が難しくなると
いう問題があった。そのため、セラミックスと同等の硬
さを有する皮膜を被覆する硬質膜コーティング技術が広
く検討されている。尚、硬質膜として溶射膜を利用した
例として、ＷＣ溶射膜を被覆したスリーブとセラミック
ス軸受との組合せを用いた無給水排水ポンプが、「トラ
イボロジスト」、第３６巻、第２号の１４４頁から１４
７頁に明示されている。

【０００６】水車用軸受も、排水ポンプ用軸受と同様に
土砂水に対する耐摩耗性が求められている。この点を考
慮し、従来の水車用軸受には、炭化珪素（以下、ＳｉＣ
と称する)等のセラミックを用いられてきた。

【０００７】多くの場合、排水ポンプ軸受部には硬質被
膜として溶射膜が利用される。しかし、溶射膜は同組成
の焼結体よりも硬度、強度の点で劣るため、溶射膜の硬
度、強度を上げる方法が検討されている。例えば、５０
％Ｃｒ−５０％Ｎｉからなるプラズマ溶射膜を、溶射し
た後、約７００℃〜８００℃の温度で約１〜１００時間
保持し、溶射膜の接着力と強度を高める技術が特開昭５
７−２８７２号公報に開示されている。又、ニッケル−
リン（ＮｉＰ）を主成分とし２０〜８０％のＮｉＣｒの
溶射膜をＦｅ系材料の上に形成し、６００℃〜１０００
℃の温度で熱処理を行い、溶射膜の強度を高める方法が
特開昭６０−１４９７６２号公報に開示されている。

【０００８】水車用軸受の場合口径が大きく、現在は分
割セラミックを配置する形式を採っており、排水ポンプ
軸受同様、硬質皮膜による構成が望まれている。ＷＣ溶
射膜と炭化クロム（以下、Ｃｒ₃Ｃ₂と称する）溶射膜と
を用いた水車用軸受装置が「タ−ボ機械」、第２６回講
演会概要集（１９９１年５月）の８０頁から８５頁に記
載されている。

【０００９】先行待機運転とは、排水開始前に排水可能
水位より低い水位状態で空転運転をすることであり、排
水可能水位に達した時点で全力運転が可能で、急激な排
水増加にすばやく対応できる。しかし、先行待機運転を
行うには、軸受は短時間ながら摺動部に排水を含まない
空転運転を行うため、軸受、スリーブ間の摩擦係数が極
めて低く、ドライ摺動によっても損傷しないことが求め
られる。

【００１０】長時間の空転運転を行う先行待機運転と、
無給水運転を両立する軸受はいまだ開発されておらず、
空転運転時に軸受摺動部に外部より給水する方法が検討
され、特開昭５５−９０７１８号公報に開示されてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】土砂を含む水を排水す
るためには、軸受の耐摩耗性は不可欠である。無給水軸
受の場合は軸受、スリーブを保護する清浄水の供給がな
いため、スラリーに対する耐摩耗性は特に重要である。
土砂水に含まれる土砂粒子のほとんどが長石と石英であ
り、最高硬さがビッカース硬度（以下、Ｈｖと称する）
１０００程度（石英）である。従って、軸受、スリーブ
に必要とされる硬度はＨｖ１０００以上である。

【００１２】ＷＣ，ＳｉＣ，窒化珪素(以下、Ｓｉ₃Ｎ₄
と称する)の焼結体であれば、その硬度はＷＣがＨｖ約
１４００，ＳｉＣが約２８００、Ｓｉ₃Ｎ₄が約１６００
といずれもＨｖ１０００以上であり、硬度の点では十分
で耐摩耗性も優れている。しかし、焼結技術、組立て作
業性、製造コストを考慮すると、スリーブ、軸受の全体
をＷＣ，ＳｉＣ又はＳｉ₃Ｎ₄の焼結体で製作するのには
大きさに限界がある。そこで、上記のごとく焼結体に替
わる硬質被膜を用いることが検討されている。摩耗量を
考慮すれば、膜厚は数１００μｍ以上必要であるため、
硬質被膜の製法が限られる。排水ポンプ軸受部用の硬質
被膜としては、比較的膜厚が得られ、高硬度の得られる
ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂を主成分とする膜厚１００〜２００μｍ
程度の溶射膜が広く用いられている。しかし、溶射法で
形成したＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜は、材
質、形成法、条件にもよるが一般に焼結体に比べ硬度が
低く、約Ｈｖ６００〜１０００程度である。

【００１３】従来の各種溶射膜の硬度と土砂水に対する
耐摩耗性との関係を図２１で説明する。図２１は、実施
例において説明する要素試験によって測定した摩耗率で
ある。各種溶射膜はステンレス鋼(以下、ＳＵＳと称す
る)板の上に形成した各種溶射膜を回転側試験片に用
い、固定側試験片にはα−ＳｉＣを用いた。その他の試
験条件は、面圧が２ｋｇ／ｃｍ²、周速が０．５ｍ／
ｓ、土砂水に含まれる珪砂濃度が９ｗｔ％である。尚、
試験片形状や摺動方式などの詳細は、実施例に示した図
１９の試験条件と同様である。

【００１４】図２１の横軸は溶射膜の断面ビッカース硬
度であり、縦軸はＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体の摩耗率を基
準として規格化した相対摩耗率である。溶射膜１、溶射
膜２、溶射膜３は、高速フレーム溶射法及び爆発溶射法
で作成した、ＷＣ、若しくはＣｒ₃Ｃ₂を主成分とする従
来の溶射膜である。図２１に示すように、土砂水に対す
る耐摩耗性は、溶射膜の硬度に強く依存し、前述のごと
くビッカース硬度で１０００以上が良好である。図２１
の結果からは、現状の溶射膜では十分な硬度と土砂水に
対する耐摩耗性が得られないことが分かる。

【００１５】一般に溶射とは、ＷＣ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子
のような硬質粒子だけを加熱して吹き付けるのではな
く、結合材としてＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の金属粒子をまぜ
同時に加熱して吹き付け、溶解した金属粒子によってＷ
Ｃ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子を連結して被膜を形成するもので
ある。溶射膜の硬度が焼結体よりも低いのは、溶射膜中
のＷＣ粒子やＣｒ₃Ｃ₂粒子の硬度が低いのではなく、Ｗ
Ｃ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子をつなぐ結合材に空孔等の欠陥が
あるため、或いは結合材とＷＣ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子との
結合力が不十分なためである。

【００１６】ＷＣ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子間の結合力を増す
ために、様々な溶射法の改善がなされている。例えば溶
射粒子の速度を増した、可燃性ガスの燃焼エネルギを利
用した高速フレーム溶射、可燃性ガスの爆発を利用した
爆発溶射などが開発されており、従来のプラズマ溶射膜
よりも溶射時の粒子速度を高め、より高硬度の溶射膜を
形成することができる。しかしながら、これらの各溶射
法による溶射膜でも土砂水に対する耐摩耗性は充分では
なく、その硬度が低いためであることが図１８に示した
要素試験で明らかとなっている。

【００１７】前記従来技術、特開昭６０−８１５１７号
公報及び特開昭６０−８８２１５号公報に開示のセラミ
ック軸受には、軸受、スリーブが大口径化することによ
って生じる、焼結技術の困難、信頼性の低下、重量増加
による組立て性の低下についての検討が加えられていな
い。

【００１８】前記従来技術、ＷＣ溶射膜とセラミックス
軸受(焼結体)との組合せを用いた無給水排水ポンプ(「ト
ライボロジスト」、第３６巻、第２号)、及びＷＣ溶射膜
とＣｒ₃Ｃ₂溶射膜とを用いた水車用軸受構造(「タ−ボ機
械」、第２６回講演会概要集）については、ＷＣ、或い
はＣｒ₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜の硬度、耐摩耗性、信
頼性についての検討が加えられていない。

【００１９】前記従来技術、特開昭５７−２８７２号公
報及び特開昭６０−１４９７６２号公報に開示の溶射膜
の改質方法では、主な母材材料であるＦｅ系材料と熱膨
張率の近い材料、或いは加熱によって変質の無い材料に
限られ、高硬度が得られるＷＣ、或いはＣｒ₃Ｃ₂を主成
分とする溶射膜においては、加熱温度が高いため熱膨張
差が大きくなる。その結果被膜が破断しそのままの利用
は難しい。更に、ポンプ等の水中で使用する機器では、
主材料はＳＵＳに限定される。従って、前記従来技術に
示した加熱による溶射膜の改質を適用した場合、加熱温
度が下地のＳＵＳの焼きなまし温度、もしくは粒界腐食
に対する鋭敏化温度以上の高温となり、下地の硬度、耐
食性が低下し、結果として信頼性が低くなるという問題
がある。

【００２０】即ち、前記従来技術においてはＦｅ系材料
と熱膨張率差の大きいＷＣを主成分とする溶射膜の改質
についての検討がなされていない。更に、下地材料の硬
度、耐食性変化についての考慮がなされていない。

【００２１】前記従来技術、５５−９０７１８号公報に
開示されている、軸受摺動部に外部より給水する方法で
は、外部給水装置の誤動作によって排水機場の停止が発
生し、緊急時に排水が停止する可能性があり、信頼性に
問題があった。

【００２２】本発明は、前記従来技術に鑑みなされたも
のであり、排水ポンプシステム及び水車に適用可能な、
耐摩耗性と組立て性に優れ、信頼性が高い軸受装置、そ
の軸受装置を用いた排水ポンプ及び水車と軸受装置の製
造方法を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題であ
る軸受装置の摺動面に被覆した溶射膜の耐摩耗性を向上
させるため、ＷＣ又はＣｒ₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜の
溶射後に、熱応力によって溶射膜の接着力が低下せず、
溶射膜が変質せず、更に下地のＳＵＳの硬度が極端に低
下しない、さらに粒界腐食に対する鋭敏化が生じない温
度条件で加熱することにより達成される。

【００２４】本発明の軸受装置は、軸受及びこの軸受と
摺動するスリ−ブとを備えた軸受装置に用いる軸受及び
スリ−ブのいずれか一方若しくは両方の摺動面に次のよ
うな溶射膜を被覆するものである。被覆する溶射膜はＷ
Ｃを主成分としてＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいずれか１つ若
しくは複数を結合材とするもの又はＣｒ₃Ｃ₂を主成分と
してＮｉとＣｒを結合材とする溶射膜を被覆するもので
あって、溶射膜の表面に形成される２０μｍ以上の大き
さの空孔の密度が１５個／ｍｍ²以下のものである。

【００２５】さらに、被覆された溶射膜は、被覆後３０
０℃以上５５０℃以下の温度で１時間以上加熱され、被
膜硬さがビッカース硬さで１０００以上に改善され、土
砂水に対する十分な耐摩耗性を発揮するものである。

【００２６】又溶射膜を被覆する軸受、スリ−ブの材質
はＦｅ系金属であれば良いが、望ましくはステンレス鋼
が良い。

【００２７】又軸受又はスリ−ブのいずれか一方を上記
の溶射膜を被覆したものとした場合、他方は摺動面にＳ
ｉＣ若しくはＳｉ₃Ｎ₄を配したものか、全体がＳｉＣ若
しくはＳｉ₃Ｎ₄からなるものでもよい。

【００２８】又、スリ−ブ若しくは軸受は２個以上に分
割しても良い。

【００２９】本発明の排水ポンプ又は水車は上記いずれ
かの特徴を持つ軸受装置を備える。

【００３０】更に本発明の軸受部材は、所定形状に加工
したステンレス鋼製軸受部材の摺動部にＷＣを主成分と
して結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣＯのいずれか１つ若しく
は複数を含む溶射膜又はＣｒ₃Ｃ₂を主成分として結合材
にＮｉとＣｒを含む溶射膜を形成した後、３００℃以上
５５０℃以下の温度で１時間以上加熱し、その後所定の
寸法に仕上加工することにより製造する。

【００３１】

【作用】一般に、ＷＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜
を加熱すると、被膜の硬度を増す役割の歪が消失し硬度
が低下すると言われていた。又、Ｆｅ系材料（本発明の
実施例ではＳＵＳ４０３)を下地材料としその上に熱膨
張率の小さいＷＣ又はＣｒ₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜を
被覆した場合、両者の熱膨張率差のため、膜形成後に加
熱すると熱応力による被膜接着力の低下、更に加熱によ
るＷＣ粒子又はＣｒ₃Ｃ₂粒子の酸化が生じ溶射膜の特性
が低下すると考えられてきた。このため、ＷＣ又はＣｒ
₃Ｃ₂を主成分とする溶射膜の、溶射後の加熱は望ましい
とは考えられていなかった。しかし、加熱条件を選べ
ば、溶射膜に悪影響を与えることなく硬度を増すことが
できる。例えば、３００℃以上５５０℃以下の温度で１
時間以上加熱しすることで溶射膜硬さが増し、土砂水に
対して十分な耐摩耗性を示す。その機構及び検討結果の
詳細は、実施例で説明する。

【００３２】溶射膜に空孔が存在すると、溶射膜自体の
強度も減り、且つＷＣ粒子、或いはＣｒ₃Ｃ₂粒子間の結
合力も低下するため、摺動中にＷＣ粒子、或いはＣｒ₃
Ｃ₂粒子が脱落し、耐摩耗性を低下させる原因となる。
しかし、空孔を消滅させるために膜形成後に高温で加熱
すると、前述のごとく結合材粒子、ＷＣ粒子又はＣｒ₃
Ｃ₂粒子の酸化、溶射膜の接着力の低下、及び下他材料
の硬度、耐食性低下が生じ、結果的には信頼性を低下さ
せる原因となる。しかし本発明によれば、ＷＣ又はＣｒ
₃Ｃ₂溶射膜の酸化、熱応力による膜接着力の低下、及び
下他材料の硬度、耐食性低下が生じないような低温度で
も、温度及び加熱時間を適切に選定すれば溶射膜の空孔
が減り、且つ空孔の大きさが小さくなり、溶射膜の硬度
が増すことが明らかとなった。

【００３３】特に、本発明の条件で加熱すると、結合材
粒子、ＷＣ粒子又はＣｒ₃Ｃ₂粒子の最大粒子径を超える
２０μｍ以上の大きな空孔が減少することが判明した。
２０μｍ以上の大きな空孔はＷＣ粒子又はＣｒ₃Ｃ₂粒子
の脱落を生じさせる直接的な原因となる。従って２０μ
ｍ以上の大きな空孔の減少は、溶射膜の強度を向上させ
るように作用する。更に２０μｍ以上の大きな空孔が減
ると、被膜に延性が付与されて、衝撃に対する抵抗力が
増し、被膜の破壊、剥離が減少し、被膜の信頼性が増
す。

【００３４】また、空孔は、溶射膜の腐食発生点となる
ため、空孔を減らすことによってＷＣ粒子間が緻密にな
り、粒子間に生じる腐食が抑制され、排水に対する耐食
性が増す。

【００３５】また、本発明の排水ポンプを先行待機運転
用として用いても無潤滑状態での運転も可能な軸受装置
を用いているため十分な信頼性を有する。

【００３６】更に、スリーブ又は軸受を分割構造とする
ことにより、製作が容易となり特に大径のものにおいて
効果が大きい。

【００３７】

【実施例】本発明の実施例を図１〜図２０用いて説明す
る。

【００３８】図１は本発明の一実施例の排水ポンプの構
造を示す縦断面図である。通常、排水ポンプには、イン
ペラ近くと、上部との２個所に軸受が設けられている。
本実施例の軸受装置は、両方の軸受に適用できるもので
ある。図１において、１は主軸、２は主軸に取り付けら
れているスリーブであり、３は軸受である。本実施例に
おいては主軸１、スリ−ブ２及び軸受３ともにＳＵＳ４
０３を用いた。

【００３９】又、本ポンプにはケーシングの排水吸込み
口に、パイプが設置されており、一端はケーシングのリ
ブに支持され、他端は排水機場の床に支持され、大気に
開口している。

【００４０】本ポンプでは排水水位が低い場合、ポンプ
内圧と大気間に圧力差が生じ、上記パイプから空気が排
水中に吸収される。その結果、流水量が減じ、排水面の
渦の発生は加振力を生じ、ポンプ振動の一因となるため
防がねばならない。パイプから空気を吸い込むことによ
り、渦の発生しやすい低水位でも渦の発生が防げるた
め、安定して排水することが可能である。

【００４１】更に、水位が十分高くなるとケーシング内
外の圧力差は減じ、自然にパイプからの吸気は止まる。
排水水位によるケーシング中の圧力変化を利用するた
め、外部からの制御を必要とせず、信頼性が高い。

【００４２】又、大気側の開口端にバルブを設けること
で、吸気量の制御及びこの機能の取消しも可能である。

【００４３】本実施例の軸受装置を、図２及び図３によ
り説明する。◆ 図２は図１に示した排水ポンプの上部に設置された軸受
装置を示す拡大図、図３は図２の摺動部を更に拡大した
断面図である。スリ−ブ及び軸受の製造方法はまず、Ｓ
ＵＳ４０３でスリーブ基材８及び軸受基材１０を機械加
工により形成した後、焼き入れ、焼き戻し熱処理を行
い、ＳＵＳ４０３の硬度を高めておく。焼き戻し温度は
約７００℃とし、後の溶射膜の改質時にＳＵＳ４０３が
焼き戻し脆性を生じないようにした。熱処理後、軸受３
及びスリーブ基材８の摺動部分にＷＣを主成分としＮｉ
Ｃｒを結合材とする溶射膜１１及び９を高速フレーム溶
射で被覆した。溶射膜形成後、４００℃に２０時間加熱
し保持する熱処理を施し、溶射膜の硬度を高めた。熱処
理後、スリーブ及び軸受は内径、外径を所定寸法、面粗
さに加工した。スリーブ２は回り止め４で主軸１に固定
した。

【００４４】軸受３は軸受用バックメタル６に取付け、
軸受用緩衝材５を介し固定部材７で固定した。又、軸受
３には摺動部への土砂の浸入を防止する浸入防止部材１
２を取り付けた。

【００４５】本実施例によれば、スリ−ブ基材としてＳ
ＵＳ４０３を用いたため、主軸材料との熱膨張率が一致
し熱応力の発生が防げるとともに、靭性が高いため表面
に被覆した溶射膜を安定して保持できるスリ−ブとする
ことができる。

【００４６】又、ＷＣ溶射膜に熱処理を施し硬度を増加
させてあるため耐摩耗性が増し、軸受装置の寿命、信頼
性が増す。

【００４７】尚、本実施例では、スリ−ブ及び軸受に形
成する溶射膜の材質としてＷＣを主成分としＮｉＣｒを
結合材とする溶射膜について説明したが、ＷＣを主成分
としＣｏを結合材とする溶射膜若しくはＣｒ₃Ｃ₂を主成
分としＮｉＣｒを結合材とする溶射膜を用いても同様の
効果が得られた。

【００４８】本実施例の排水ポンプは、軸受装置が無潤
滑条件下、即ち無給水状態においても安定した摺動性能
を発揮し、給水後の摺動においては更に良好な摺動を行
うことができる。

【００４９】又、本実施例の排水ポンプは軸受装置の摺
動部への土砂の浸入を防止する浸入防止部材を配置した
が、排水中に混入した土砂が摺動部に浸入しても、摺動
部には十分な耐摩耗性を備えているため安定した運転が
できる。

【００５０】更に、無潤滑状態においても良好な摺動性
能が得られることから、無潤滑と潤滑状態を繰り返す使
用状況、即ち先行待機運転においても信頼性の高い運転
ができる。

【００５１】図４は本発明の他の実施例を示すポンプ用
軸受装置の縦断面図である。ＳＵＳ４０３のスリーブ基
材８の摺動面にはＷＣを主成分としＣｏを結合材とする
溶射膜９を被覆した。又、スリ−ブ２と摺動する軸受１
３はＳｉＣとした。スリ−ブ２は、溶射膜形成後４００
℃×２０時間の熱処理を施し、溶射膜の硬度を高めた。
その他の構造は図１乃至図３で説明した実施例のものと
同じである。

【００５２】本実施例によれば、軸受部の材質が均質で
高硬度の焼結セラミックからなるため軸受装置の寿命、
信頼性が増す。

【００５３】尚、本実施例では、スリ−ブに形成する溶
射膜の材質としてＷＣを主成分としＮｉＣｒを結合材と
する溶射膜について説明したが、ＷＣを主成分としＣｏ
を結合材とする溶射膜若しくはＣｒ₃Ｃ₂を主成分としＮ
ｉＣｒを結合材とする溶射膜を用いても同様の効果が得
られた。

【００５４】図５は本発明の他の実施例を示すポンプ用
軸受装置の縦断面図である。本実施例は、先行待機運転
時に、軸受高さまで排水水位が達していない空転運転の
場合に対応できる軸受構造である。なお、本図では全体
構造を示すため、スリ−ブ２の詳細断面構造は図示して
いない。ＳＵＳ４０３材製のスリーブ２の摺動面にはＷ
Ｃを主成分としＮｉＣｒ結合材とする溶射膜を被覆し、
溶射膜形成後４００℃×２０時間の熱処理を施し、溶射
膜の硬度を高めた。又、スリ−ブ２と摺動する軸受１３
はＳｉＣとし、バックメタル６に取付け、軸受用緩衝材
５を介して、ケーシングから張り出した固定部材７’に
固定した。さらに、固定部材７’にバッフルプレート１
７を固定した。また、主軸１に回転水槽１８を固定し
た。回転水槽１８中には水が貯水され、軸受高さまで排
水水位が達していない空転運転でも、軸受摺動部には潤
滑水が存在する構造である。なお、本構造では、回転水
槽１８中に土砂が溜りやすいため運転時に摺動部分に土
砂が浸入する場合があるが、熱処理によって硬さを増し
たスリ−ブ摺動面の溶射膜１１の耐摩耗性は十分であり
運転に支障はない。

【００５５】図６，７は本発明の他の実施例を示すポン
プ用軸受装置のスリ−ブ固定状況及び固定部の断面図で
ある。本実施例では円周方向に４分割したスリ−ブを用
いた。４分割したスリ−ブ２ａ，２ｂ，２ｃ及び２ｄは
ＳＵＳ４０３からなり軸受との摺動面にＣｒ₃Ｃ₂を主成
分としＮｉＣｒを結合材とする溶射膜を形成した後、４
００℃×２０時間の熱処理を施したものである。このス
リ−ブ部品２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはそれぞれ主軸１に
軸方向の２ケ所でボルト１４により固定した。その他の
構造は図１乃至図３で説明した実施例のものと同じであ
る。

【００５６】軸受部の製造及び組立方法を以下説明す
る。ＳＵＳ４０３でスリーブ部品２ａ，２ｂ，２ｃ及び
２ｄを作成し、上記軸受製造方法と同様の熱処理を施
す。熱処理後、そのスリーブの摺動面にＷＣを主成分と
しＮｉＣｒ若しくはＣｏを結合材とする溶射膜ＷＣを高
速フレーム溶射で形成する。溶射膜形成後、スリーブを
４００℃に加熱し約２０時間保持する。熱処理後、主軸
１に固定し所定の寸法に加工する。尚、主軸１への固定
はボルトで十分であるが、接着剤を併用すれば、より信
頼性は増す。

【００５７】本実施例では、スリ−ブを分割構造とした
ため、溶射膜の形成作業が容易となるとともに分割した
スリ−ブのそれぞれの重量が一体型のものに比べ約１／
４となり、取扱が容易となる。

【００５８】図８は本発明の他の実施例を示すポンプ用
軸受装置の軸受の、一部断面を含む外観図である。本実
施例は軸受の摺動部を分割した摺動部材１９を配列、形
成する構造のものである。摺動部材１９は、ＳＵＳ４０
３製の基材１０に、ＷＣを主成分としＮｉＣｒ若しくは
Ｃｏを結合材とする溶射膜１１を高速フレーム溶射で形
成したものであり、溶射膜形成後４００℃×２０時間の
熱処理を施し、溶射膜の硬度を高めた。摺動部材１９
は、緩衝材５を介してバックメタル６に取付け、軸受ケ
ーシング２０に配置する。摺動部材１９は、固定治具２
１によって軸受ケーシング２０に取り付けられている
が、接着剤を併用すれば、より信頼性は増す。

【００５９】本実施例では、軸受摺動部が分割構造とな
っているため、溶射膜の形成作業が容易となるととも
に、各々の摺動部材１９が緩衝材５を介して固定されて
いるため、片当たりの防止に効果的である。

【００６０】従来、ＷＣを主成分とする超硬材料で製作
されていたスリーブが、本発明では、ＳＵＳを用いるこ
とができ、大幅な重量低下ができる。さらに超硬材料と
異なり、基材がＳＵＳの場合、ねじ穴加工が可能である
ため、取扱が容易となる。特に、大径の場合スリーブの
重量が増し、本発明が有効である。スリーブの重量低下
に対する本発明の効果を図９にまとめる。図９は、スリ
ーブの外径（以後Ｄと称する）とスリーブの重量（以後
Ｗと称する）との相関を示す図である。スリーブ重量Ｗ
は、スリーブの外径Ｄによって変化するため、Ｗ/Ｄ²と
して、基準化する。本発明のスリーブではＷ/Ｄ²が大幅
に低下し、０．０５以下を示す。

【００６１】図１０に別の実施例として本発明の軸受装
置を水車用軸受として用いた水車の断面図を示す。図１
０において、２２は水車用主軸、２３はスリ−ブ回りど
め、２４はＷＣを主成分としＮｉＣｒを結合材として２
７重量％加えた溶射膜（以下、ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶
射膜と称する）を被覆した後熱処理を施したＳＵＳ４０
３製スリ−ブ、２５は熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂を主成分とし
ＮｉＣｒを結合材として２５％加えた溶射膜（以下、Ｃ
ｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜と称する）を被覆した後
熱処理を施したＳＵＳ４０３製軸受、２６はライナ−で
ある。スリ−ブ及び軸受への溶射膜の被覆は高速フレー
ム溶射を用いて行った。熱処理済み溶射膜は、前記要素
試験結果に示すように焼結体と同等の耐摩耗性を有す
る。且つ、大口径化が容易なため、水車に対してはコス
ト低減、軽量化に効果がある。

【００６２】上記実施例で用いた軸受の耐摩耗特性を調
べるため、熱処理による溶射膜の硬度変化を要素試験で
調べた。加熱による溶射膜の硬度変化は、加熱温度２０
０℃〜６００℃、加熱時間１〜３０時間の範囲で調べ
た。溶射膜の硬度はマイクロビッカース硬度計で測定
し、ビッカース硬度(以下、Ｈｖと称する)で示した。下
地の影響を避けるため、硬度は溶射膜の断面で測定し、
荷重は３００ｇ一定とした。

【００６３】図１１は上記測定結果の一部であり、ＷＣ
−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を４００℃で加熱したときの硬
度変化を示す。横軸は加熱時間、横軸は溶射膜の硬度で
ある。溶射膜は高速フレーム溶射で形成し、膜厚は表面
研磨後で約１００μｍ、下地はＳＵＳ４０３であり、溶
射前に焼き入れ、約７００℃での焼き戻しの熱処理を施
してある。尚、硬度の測定値にはバラツキがあるため、
１０点の測定を行い、測定値中の最大、最小値をバラツ
キ範囲として線で示し、平均値を○で示した。

【００６４】図１１に示すように溶射膜の硬度は時間と
共に増加し１０〜３０時間で最高硬度に達し、その後バ
ラツキはあるがほぼ一定となる。平均硬度の最高値はＨ
ｖ１０１４（最大値Ｈｖ１０６５、最小値Ｈｖ８９０）
である。同様の条件で測定したＷＣを主成分としＣｏを
バインダーとして１２重量％加えた焼結体（以下ＷＣ−
１２％Ｃｏ焼結体と称する）の硬度、平均値Ｈｖ１３１
７（最大値Ｈｖ１４０４、最小値Ｈｖ１２３５）には達
しないが、熱処理前の硬度の平均値Ｈｖ７２７（最大値
Ｈｖ８６９、最小値Ｈｖ６０４）に比べ、平均値で約３
４％の増加となり著しく改善されている。

【００６５】図１２は測定結果の一部であり、図１１と
同様ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を５００℃で加熱した
ときの硬度変化を示す。尚、試料の形成方法、形状、硬
度の測定方法は図１１と全て同様である。溶射膜の硬度
は約１．５時間の加熱でほぼ最高硬さに達する。平均硬
度の最高値はＨｖ１１１５（最大値Ｈｖ１１３９、最小
値Ｈｖ１０８４）である。熱処理前の硬度に比べ平均値
で約４７％の増加であり、ほぼＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体
に等しい。

【００６６】図１３も測定結果の一部であり、ＷＣを主
成分としＣｏを結合材として１２重量％加えた溶射膜
（以下ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜と称する）を４００℃で
加熱したときの硬度変化を示す。ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射
膜も、上記の図１１及び１２の各試料と同様の高速フレ
ーム溶射で形成し、膜厚は表面研磨後で約１００μｍ、
下地は熱処理済みのＳＵＳ４０３である。試料の形状、
硬度の測定方法も、上記図１１及び１２と同様である。
ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜の場合、硬度は時間と共に増加
し１０〜２０時間で最高硬さに達し、２５時間でわずか
に低下する。最高硬度は、平均値でＨｖ９４６（最大値
Ｈｖ１１４９、最小値Ｈｖ７９２）である。熱処理前の
硬度、平均値Ｈｖ５８４（最大値Ｈｖ６５２、最小値Ｈ
ｖ４９０）に比べ、平均値で約６２％の増加である。
又、５００℃で加熱した場合も、ほぼ、ＷＣ−２７％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜の場合と同様の硬度変化を示し、約１時間
の加熱により最高硬度に達した。

【００６７】図１４も測定結果の一部であり、Ｃｒ₃Ｃ₂
−２５％ＮｉＣｒ溶射膜を４００℃で加熱したときの硬
度変化を示す。Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜も、上
記の図１１、１２及び１３の測定に用いた各試料と同様
の高速フレーム溶射で形成し、膜厚は表面研磨後で約１
００μｍ、下地は熱処理済みのＳＵＳ４０３である。試
料の形状、硬度の測定方法も、上記図１１、１２及び１
３と同様である。Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜の場
合、硬度は時間と共に徐々に増加する。加熱時間２５時
間における平均硬度の最高値はＨｖ９５８（最大値Ｈｖ
１０４３、最小値Ｈｖ９０５）である。熱処理前の硬
度、平均値Ｈｖ７９１（最大値Ｈｖ８１７、最小値Ｈｖ
７４４）に比べ、平均値で約２１％の増加であり、ＷＣ
−２７％ＮｉＣｒ溶射膜、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜ほど
顕著には増加しない。又、５００℃で加熱した場合も、
４００℃加熱のように硬度は時間と共に徐々に増加する
がその割合はより大きい。

【００６８】以上、ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜、ＷＣ
−１２％Ｃｏ溶射膜及びＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射
膜は４００〜５００℃の加熱によって、その硬度が著し
く改善され、ほぼＷＣ−１２％Ｃｏの焼結体の硬度に等
しい値となる。４００℃〜５００℃の加熱によって、溶
射膜中のＷＣ粒子又はＣｒ₃Ｃ₂粒子と結合材の結合力が
増し、ほぼ焼結体に等しくなったと考えられる。

【００６９】加熱温度２００℃〜６００℃、加熱時間１
〜３０時間の範囲で調べた結果を以下にまとめる。加熱
温度を３００℃以下とすると溶射膜の硬度は増加するも
のの、その増加率は極めて小さく工業的には利用が難し
い。従って、熱処理温度としては、３００℃以上、望ま
しくは３５０℃以上が良い。しかし、ポンプに用いるＦ
ｅ系材料は、熱膨張率が約１２〜１７×１０~⁶／℃であ
り、ＷＣ若しくはＣｒ₃Ｃ₂系溶射膜は熱膨張率が約５〜
７×１０~⁶／℃であるため、加熱温度を高くし過ぎると
溶射膜と下地との熱膨張率の差のため、熱応力が発生し
被膜の接着力を低下させ、極端な場合、被膜の剥離を生
じる。更に大気中で熱処理をする場合、溶射膜の酸化が
生じ耐摩耗性を低下させる。従って、ＷＣ若しくはＣｒ
₃Ｃ₂系の溶射膜を用いるかぎり、熱処理温度は５５０℃
以下、望ましくは５００℃以下が良い。尚、溶射膜の加
熱は酸化を防ぐためには不活性ガス中若しくは真空中で
の加熱が望ましい。

【００７０】図１５に約２００μｍの厚さに溶射したＷ
Ｃ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を４００℃で加熱したのち溶
射膜を約１００μｍの厚さまで表面研磨し、さらに加熱
を行い、再び鏡面状態まで研磨したときの金属組織写真
を示す。最終的な膜厚は、約９０μｍである。（Ａ）が
未処理の溶射膜の写真、（Ｂ）が１０時間加熱した溶射
膜の写真、（Ｃ）が２０時間加熱した溶射膜の写真であ
り、倍率は全て１００倍である。

【００７１】エッチングをせずに観察しているため、Ｗ
Ｃ粒子と結合材ＮｉＣｒとの差は観察できず、全て白色
の下地として観察される。点在して黒く見える部分が空
孔である。（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を比較すると、熱
処理時間とともに空孔数が減り、大きさも小さくなって
いる。試験に用いた試料はＳＵＳ４０３の板(２６ｍｍ
×２６ｍｍ)の上に形成した溶射膜から切り分けたもの
であるため、空孔数の差は、溶射条件によって生じたの
ではなく、熱処理によって空孔が減少したものである。
尚、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜又はＣｒ₃ｃ₂−２５％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜でも同様の現象が認められた。

【００７２】図１６にＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を４
００℃で加熱したときの、加熱時間と表面に観察される
２０μｍ以上の大きさの空孔の密度の関係を示す。尚、
表面の空孔の観察方法は、上記図１５の方法と同様であ
る。一方、ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の組織を走査型
電子顕微鏡で観察したところ、ＷＣ粒子、及びＮｉＣｒ
結合材粒子の平均粒子径は約１０μｍ程度であり、最大
でも２０μｍ以下である。従って、空孔も数μｍ以下で
あればＷＣ粒子の脱落には影響が少ない。しかし、２０
μｍ以上になるとＷＣ粒子の脱落を生じ、溶射膜の強度
を低下させる直接的原因となる。そこで、今回の空孔の
測定では、粒子径２０μｍ以上のもののみを測定した。
以後は、空孔と表記する場合、全て２０μｍ以上の空孔
のこととする。

【００７３】図１６に示すように、加熱温度４００℃の
場合、１５時間以上加熱すると空孔の数は急激に減少す
る。この空孔密度の変化は図７に示した硬度の変化と一
致する。即ち、加熱による溶射膜の硬度の変化は、溶射
膜中の空孔密度に起因するものと考えられる。

【００７４】図１２と１６に示した加熱時間による硬度
変化と空孔密度変化とから、空孔密度と硬度との関係を
求め、図１７に示す。空孔密度が３０個／ｍｍ²以下に
なると硬度が増加し始め、１５個／ｍｍ²以下でポンプ
軸受部に望ましい硬度となる。従って、ポンプ軸受部に
配する溶射膜としては、表面に存在する２０μｍ以上の
大きさの空孔密度が、１５個／ｍｍ²以下、望ましくは
１０個／ｍｍ²以下である。尚、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射
膜、Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜でも同様の現象が
認められた。

【００７５】熱処理済み溶射膜を用いた軸受及びスリー
ブの、土砂水に対する耐摩耗性を調べるため以下の要素
試験を行った。その方法と結果の一部を図１８、１９を
用いて説明する。図１８は試験片の形状と摺動方法を示
す。（Ａ）に示す回転側試験片１５と（Ｂ）に示す固定
側試験片１６を土砂水を想定した、珪砂を含んだ水中に
浸漬し、（Ｃ）に示すように回転側試験片を回転させ所
定の面圧を負荷して摺動させる。所定時間の摺動後、両
試料の摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、回転側試験
片１５は試験前後の試験片厚さ、固定側試験片１６では
試験前後の表面形状を表面粗さ計で測定して求めた。検
討した条件範囲は、面圧が１〜１０ｋｇ／ｃｍ²、周速
が約０．５〜５ｍ／ｓ、珪砂濃度が０．１〜１０ｗｔ％
である。尚、珪砂自体が摩耗される影響を減らすため
３．６ｋｍ摺動ごとに土砂水をかえ、更に両試験片の間
に珪砂が噛み込みやすいように土砂水を替えるたび両試
験片の間に珪砂をはさみ込み摺動試験を繰り返した。

【００７６】図１９は、熱処理済み溶射膜の耐摩耗性を
上記試験によって調べた結果の一部である。横軸は摺動
距離、縦軸は回転側試験片の平均摩耗量である。固定側
試験片はα−ＳｉＣ、回転側試験片はＷＣ−２７％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜であり、膜厚が約１００μｍ、下地は焼入
れ、焼戻し熱処理を施したＳＵＳ４０３である。溶射膜
の熱処理条件は、図１２の結果を参考にし４００℃×２
０時間とした。比較材料として、ＷＣ−１２％Ｃｏ焼結
体と未処理のＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を回転側試験
片として同様の条件で試験した。その他の試験条件は面
圧が２ｋｇ／ｃｍ²、周速が０．５ｍ／ｓ、珪砂濃度が
９ｗｔ％である。

【００７７】図１９において、-▲-で示す（１）のライ
ンが本発明の軸受部材である熱処理済ＷＣ−２７％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜の摩耗量変化、-○-で示す（２）のラインが
比較材料である従来の軸受部材であるＷＣ−１２％Ｃｏ
焼結体の摩耗量変化、-△-で示す（３）のラインが比較
材料である未熱処理のＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の摩
耗量変化である。未熱処理のＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射
膜の摩耗率は、ＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体に比べて約３倍
の値を示すのに対し、熱処理済ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶
射膜はほぼ同等の摩耗率を示す。即ち、４００℃×２０
時間の熱処理によって、ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の
土砂水に対する摩耗量は約１／３に減少した。この摩耗
量の低下は、図１２に示した溶射膜の熱処理による硬度
の増加に起因すると考えられる。図２１で示した溶射膜
の硬度と摩耗率との関係からも、上記熱処理済み溶射膜
の耐摩耗性は妥当な値である。又、図１９には示さない
が、４００℃×２０時間の熱処理を施したＷＣ−２７％
ＮｉＣｒ溶射膜とＳｉ₃Ｎ₄との組み合わせも良好な耐摩
耗性を示す。固定側試験片に用いたＳｉ₃Ｎ₄はＳｉＣ以
上に優れた耐摩耗性を示した。

【００７８】同様の試験によると、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶
射膜も同様の熱処理によって向上の効果を示す。しかし
ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜の場合、ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ
溶射膜ほど硬度が増さないために、ＷＣ−１２％Ｃｏ焼
結体や熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の耐摩耗
性に及ばない。更に、結合材のＣｏがＮｉＣｒに比べ耐
食性に劣るため、腐食による摩耗が生じる可能性があ
る。本条件の熱処理済ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜では、表
面の空孔密度が減るため、Ｃｏ結合材でも腐食摩耗に対
する耐摩耗性が向上する。しかし、それでも海水のよう
な塩分を含む排水に対する耐食性は十分でない。従っ
て、使用環境によってはＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜を用い
た軸受は用いることができない。

【００７９】同様の試験によると、Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜も耐摩耗性が向上する。しかし、ＷＣ−２
７％ＮｉＣｒ溶射膜、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜ほど顕著
な耐摩耗性の向上はない。これは、Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜自体の硬度が本質的にＷＣ−２７％ＮｉＣ
ｒ溶射膜、ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜ほど高くないため
に、熱処理を施しても効果が小さいためである。

【００８０】上記図１９の結果と、固定側と回転側の両
試験片に熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を用い
た場合及び回転側試験片に熱処理済みＷＣ−２７％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜、固定側試験片に熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５
％ＮｉＣｒ溶射膜を用いた場合の結果を合わせて、各々
の摩耗率を図２０にまとめて示す。

【００８１】図２０は固定側と回転側両試験片の試験時
間６０時間における摩耗率を表示したものである。試験
条件は図１９の試験と同様である。尚、縦軸の相対摩耗
率とは、ＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体とα−ＳｉＣとの組合
せである（Ａ）の、回転側、固定側各々の試験片の摩耗
率を基準１．０とし、各試料の摩耗率を相対値として示
した値である。又、棒グラフにおいて、斜線の入ってい
る側が回転側試験片の摩耗率であり、無い側が固定側試
験片の摩耗率である。

【００８２】組合せ（Ａ）は、ＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体
とα−ＳｉＣとの組合せであり、図１９の曲線（２）の
結果である。（Ｂ）は、図１９の曲線（３）に示した未
熱処理のＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜とα−ＳｉＣとの
組合せ結果である。（Ｃ）は、図１９の曲線（１）に示
した本発明の軸受部材である熱処理済みＷＣ−２７％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜とα−ＳｉＣとの組合せ結果である。
（Ｄ）は、本発明の軸受部材である熱処理済みＷＣ−２
７％ＮｉＣｒ溶射膜と熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ
溶射膜との組合せ結果、（Ｅ）は熱処理済みＷＣ−２７
％ＮｉＣｒ溶射膜と熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣ
ｒ溶射膜との組合せ結果である。尚、溶射膜の熱処理条
件は、全て４００℃×２０時間である。

【００８３】図１９で説明したように、（Ｃ）の組み合
わせは、固定側、回転側の両試験片とも、組合せ（Ａ）
即ちＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体とα−ＳｉＣとの組合せと
ほぼ同等の耐摩耗性を示す。固定側と回転側の両試験
片に熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を用いた
（Ｄ）の組合わせにおいても、回転側、固定側試験片は
ＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体とほぼ同等の耐摩耗性を示し
た。

【００８４】固定側試験片の熱処理済みＷＣ−２７％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜は、α−ＳｉＣ以上の優れた耐摩耗性を示
した。α−ＳｉＣの硬度は平均値Ｈｖ２７０４（最大値
Ｈｖ２８７４、最小値Ｈｖ２５９１）であり、熱処理済
みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜よりもはるかに高い。そ
れにもかかわらずＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜がα−Ｓ
ｉＣよりも優れた耐摩耗性を示した原因は、両者の延
性、すなわち破壊靱性の差によると考えられる。α−Ｓ
ｉＣの破壊靱性は約３．９（ＭＮ／ｍ・√ｍ)であり、
熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の約１３（ＭＮ
／ｍ・√ｍ)に及ばない。熱処理済みＷＣ−２７％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜の優れた破壊靱性が、硬度以上に耐摩耗性に
影響し、上記の優れた耐摩耗性を示したものと考えられ
る。尚、上記破壊靱性は、ビッカース圧痕法によって測
定したものである。

【００８５】回転側試験片に熱処理済みＷＣ−２７％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜、固定側試験片に熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２
５％ＮｉＣｒ溶射膜を用いた（Ｅ）の組み合わせは、回
転側試験片の相対摩耗率は（Ｃ）、（Ｄ）の組み合わせ
とほぼ同等の結果を示した。しかし、固定側試験片の熱
処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜の摩耗率は、
α−ＳｉＣや熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜よ
り高い値を示した。これは、図１４に示したように、熱
処理を施してもＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜の硬度
が大幅に増加しないためと考えられる。しかし、排水の
温度が高い条件では、Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜
はＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜と同等、或いはそれ以上
の耐摩耗性を示した。これは、Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣ
ｒ溶射膜が高温での硬度低下が少ないためと考えられ
る。従って、使用環境によっては、熱処理済みＷＣ−２
７％ＮｉＣｒ溶射膜と熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５％Ｎｉ
Ｃｒ溶射膜の組み合わせが良好となる。

【００８６】以上の結果を以下にまとめる。

【００８７】熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜を
スリーブに用い、ＳｉＣ若しくはＳｉ₃Ｎ₄軸受と組み合
わせた場合、良好な耐摩耗性、摺動特性が得られる。こ
の場合、ＳｉＣやＳｉ₃Ｎ₄は、圧縮応力を加えると強度
が増すため、焼きばめによりバックメタルで支持する構
造の軸受側に用いる方が良い。熱処理済みＷＣ−２７％
ＮｉＣｒ溶射膜をスリーブ、軸受の両方に用いた場合、
全般的に優れた耐摩耗性、摺動特性を示す。この場合、
Ｃｏを結合材とするＷＣ溶射膜でも同様に優れた耐摩耗
性が得られるが、排水に塩分が含まれる場合、腐食のた
め使用は難しい。熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射
膜と熱処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜をスリ
ーブ及び軸受に用いた場合、熱処理済みＷＣ−２７％Ｎ
ｉＣｒ溶射膜同しの組み合わせほど優れた耐摩耗性は得
られない。しかし排水温度の高い場合は、より優れた特
性を示す。この場合、スリーブ、軸受のどちらにＷＣ−
２７％ＮｉＣｒ溶射膜を配しても良く、特性に対して影
響はない。

【００８８】従って、本発明の軸受構造はスリーブ及び
軸受の摺動面の耐摩耗性が軸受にＷＣ−１２％Ｃｏ焼結
体を用いたものとほぼ同等であり、且つスリーブ及び軸
受の部品重量が少ないため組立て性が優れる。又、スリ
ーブ及び軸受の靱性が高いため衝撃による破壊の発生が
なく信頼性が高くなる。このため、本発明の軸受構造を
用いた回転機械、例えばポンプ、水車等は信頼性が高く
なる。

【００８９】上記各実施例では、溶射膜形成法としては
高速フレーム溶射を用いたが、爆発溶射、減圧プラズマ
溶射、レーザ溶射、プラズマ溶射であってもよく、その
製法に制限されるものではない。尚、熱処理前の硬度は
高い方が望ましく、高硬度の溶射膜が形成できる高速フ
レーム溶射、爆発溶射が望ましい。

【００９０】又、上記各実施例ではスリ−ブ基材及び軸
受基材の材料としてＳＵＳ４０３を用いたが、水中で使
用できる材料であればよい。尚、ＷＣ又はＣｒ₃Ｃ₂を主
成分とする溶射膜の熱膨張率を考慮すれば、熱膨張率の
大きいＳＵＳ３０４よりもＳＵＳ４０３の方が望まし
い。また、加熱処理によるＳＵＳの耐食性低下を考慮す
れば、炭素含有率の少ないＳＵＳ３０４Ｌ、もしくはＳ
ＵＳ３１６Ｌが望ましい。

【００９１】又、上記各実施例では結合材としてＮｉＣ
ｒとＣｏを用い、その含有率は１２ｗｔ％，２５ｗｔ
％，２７ｗｔ％としたが、溶射膜として特性を満足する
ならば、その含有率を制限するものではない。

【００９２】

【発明の効果】本発明によれば、ＷＣ若しくはＣｒ₃Ｃ₂
を主成分とする溶射膜を所定条件で加熱することによ
り、ＷＣ粒子、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子と結合材との結合力が増
し、その結果溶射膜の空孔が減少して硬度が平均値で約
５０〜６０％増加し、土砂水に対する耐摩耗性が熱処理
前の約３倍に向上する。この特性はＷＣ−１２％Ｃｏ等
のセラミック焼結体とほぼ同等であり、ＷＣ−１２％Ｃ
ｏ焼結体製スリーブ、軸受に替わり、金属表面に溶射膜
を被覆したスリーブ、軸受を用いることができる。

【００９３】その結果、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄の焼結
体では製作できなかった大口径の軸受、スリーブが製作
できる。

【００９４】更に、口径にかかわらず、軸受、スリーブ
の重量が低減するために、組立て性が大幅に良くなる。

【００９５】又、靱性の低いＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄の
焼結体に替わり、ステンレスを基材として使用できる
め、軸受、スリーブの信頼性が増す。従って、この軸受
装置を用いるポンプ及び水車の信頼性が増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の排水ポンプ構造を示す断面図
である。

【図２】本発明の実施例の軸受装置を示す一部断面斜視
図である。

【図３】本発明の他の実施例の軸受装置の縦断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例の軸受装置の縦断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例の軸受装置の縦断面図であ
る。

【図６】本発明の他の実施例のスリ−ブ構造を示す斜視
図である。

【図７】図５のＡ−Ａ断面図である。

【図８】本発明の他の実施例の軸受を示す一部断面斜視
図である。

【図９】本発明の他の実施例のスリ−ブの外径Ｄと重量
Ｗ／（外径Ｄ）²との相関を示す関係図である。

【図１０】本発明の他の実施例の水車構造を示す断面図
である。

【図１１】ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の４００℃加熱
時の硬度変化を示す図である。

【図１２】ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の５００℃加熱
時の硬度変化を示す図である。

【図１３】ＷＣ−１２％Ｃｏ溶射膜の４００℃加熱時の
硬度変化を示す図である。

【図１４】Ｃｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜の４００℃
加熱時の硬度変化を示す図である。

【図１５】ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の４００℃加熱
時の溶射膜の変化状況を示す金属組織写真である。

【図１６】ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の４００℃加熱
時の溶射膜表面空孔密度と加熱時間との関係図である。

【図１７】ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜の４００℃加熱
時の溶射膜表面空孔密度と硬度との関係図である。

【図１８】摩耗試験片形状と摺動方法を示す図である。

【図１９】摩耗試験によるＷＣ−１２％Ｃｏ焼結体、未
熱処理ＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜と熱処理済みＷＣ−
２７％ＮｉＣｒ溶射膜の摺動距離と摩耗量との関係図で
ある。

【図２０】熱処理済みＷＣ−２７％ＮｉＣｒ溶射膜、熱
処理済みＣｒ₃Ｃ₂−２５％ＮｉＣｒ溶射膜を含む各種材
料組合せの相対摩耗率比較図である。

【図２１】従来の各溶射膜の硬度と土砂水に対するＷＣ
−１２％Ｃｏ焼結体を基準とした相対摩耗率を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…主軸、２…スリーブ、３…軸受、４…スリーブの回
り止め、５…軸受用緩衝材、６…軸受用バックメタル、
７，７’…固定部材、８…スリーブ基材、９，１１…溶
射膜、１０…軸受基材、１３…セラミック製軸受、１４
…分割スリーブ固定ボルト、１５，１６…摩耗試験片、
１７…バッフルプレート、１８…回転水槽、１９…摺動
部材、２０…軸受ケーシング、２１…固定治具、２２…
水車用主軸、２３…スリーブ回り止め、２６…ライナ
ー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷健二茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦工場内 (72)発明者会沢宏二茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者羽田光明茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者山田俊宏茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 4/10 F16C 33/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受と、前記軸受と摺動するスリ−ブとを
備えてなる軸受装置において、前記軸受及びスリ−ブの
少なくともいずれか一方はその摺動面がＷＣを主成分と
して結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいずれか１つ若しく
は複数を含む溶射膜を被覆した金属製であり、前記溶射
膜の表面に形成される２０μｍ以上の大きさの空孔の密
度が１５個／ｍｍ2以下であることを特徴とする軸受装
置。
【請求項２】軸受と、前記軸受と摺動するスリ−ブとを
備えてなる軸受装置において、前記軸受又はスリ−ブの
いずれか一方はその摺動面にＷＣを主成分として結合材
にＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいずれか１つ若しくは複数を含
む溶射膜を被覆した金属製であり、他方はＳｉＣ若しく
はＳｉ3Ｎ4からなるか、摺動面にＷＣを主成分として結
合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいずれか１つ若しくは複数
を含む溶射膜、Ｃｒ3Ｃ2を主成分として結合材にＮｉと
Ｃｒを含む溶射膜、ＳｉＣ若しくはＳｉ3Ｎ4のいずれか
を配した金属製であり、前記溶射膜の表面に形成される
２０μｍ以上の大きさの空孔の密度が１５個／ｍｍ2以
下であることを特徴とする軸受装置。
【請求項３】軸受と、前記軸受と摺動するスリ−ブとを
備えてなる軸受装置において、前記軸受及びスリ−ブの
少なくともいずれか一方はその摺動面がＷＣを主成分と
して結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいずれか１つ若しく
は複数を含む溶射膜を被覆した金属製であり、該溶射膜
は、被覆した後３００℃以上５５０℃以下の温度で１時
間以上加熱され、該溶射膜のビッカース硬さが１０００
以上であることを特徴とする軸受装置。
【請求項４】軸受と、前記軸受と摺動するスリ−ブとを
備えてなる軸受装置において、前記スリ−ブの摺動面が
ＷＣを主成分として結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣｏのいず
れか１つ若しくは複数を含む溶射膜を被覆した金属製で
あり、そのｋｇ単位の重量Ｗと、ｃｍ単位の外形Ｄとの
比、Ｗ／Ｄ2が０．０５以下であることを特徴とする軸
受装置。
【請求項５】内部を排水が流動するケ−シングと、前記
ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にイン
ペラを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置の少なくとも１か所は外部より清浄水を供給
することなく運転されるものである排水ポンプにおい
て、前記軸受装置を構成する軸受及びスリ−ブのいずれ
か一方若しくは両方の摺動面は溶射膜を被覆したもので
あり、前記溶射膜はその表面に形成される２０μｍ以上
の大きさの空孔の密度が１５個／ｍｍ2以下であること
を特徴とする排水ポンプ。
【請求項６】内部を排水が流動するケ−シングと、前記
ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にイン
ペラを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置の少なくとも１か所は外部より清浄水を供給
することなく運転されるものである排水ポンプにおい
て、前記軸受装置を構成する軸受及びスリ−ブのいずれ
か一方若しくは両方の摺動面は溶射膜を被覆したもので
あり、該溶射膜は、被覆した後３００℃以上５５０℃以
下の温度で１時間以上加熱され、該溶射膜のビッカース
硬さが１０００以上であることを特徴とする排水ポン
プ。
【請求項７】内部を排水が流動するケ−シングと、前記
ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にイン
ペラを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置の少なくとも１か所は外部より清浄水を供給
することなく運転されるものである排水ポンプにおい
て、前記軸受装置を構成するスリ−ブの摺動面は溶射膜
を被覆したものであり、そのｋｇ単位の重量Ｗと、ｃｍ
単位の外形Ｄとの比、Ｗ／Ｄ2が０．０５以下であるこ
とを特徴とする排水ポンプ。
【請求項８】内部を排水が流動するケ−シングと、前記
ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にイン
ペラを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置の少なくとも１か所は外部より清浄水を供給
することなく運転されるものである排水ポンプにおい
て、前記軸受装置を構成する軸受及びスリ−ブのいずれ
か一方若しくは両方の摺動面は溶射膜を被覆したもので
あり、前記溶射膜はその表面に形成される２０μｍ以上
の大きさの空孔の密度が１５個／ｍｍ2以下であり、更
に前記主軸の外周側で、前記軸受及び軸受固定部材の下
端面及び外周側を囲むように上部が開口する貯水槽を固
定したことを特徴とする排水ポンプ。
【請求項９】内部を流体が流動するケ−シングと、前記
ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にラン
ナを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前記
軸受装置の少なくとも１か所は前記流体を供給して運転
されるものである水車において、前記軸受装置を構成す
る軸受及びスリ−ブのいずれか一方若しくは両方の摺動
面は溶射膜を被覆したものであり、前記溶射膜はその表
面に形成される２０μｍ以上の大きさの空孔の密度が１
５個／ｍｍ2以下であることを特徴とする水車。
【請求項１０】内部を流体が流動するケ−シングと、前
記ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にラ
ンナを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置の少なくとも１か所は前記流体を供給して運
転されるものである水車において、前記軸受装置を構成
する軸受及びスリ−ブのいずれか一方若しくは両方の摺
動面は溶射膜を被覆したものであり、該溶射膜は、被覆
した後３００℃以上５５０℃以下の温度で１時間以上加
熱され、該溶射膜のビッカース硬さが１０００以上であ
ることを特徴とする水車。
【請求項１１】内部を流体が流動するケ−シングと、前
記ケ−シング内で軸受装置により支持されその一部にラ
ンナを配置し回転する主軸とを備えるものであって、前
記軸受装置を構成するスリ−ブの摺動面は溶射膜を被覆
したものであり、そのｋｇ単位の重量Ｗと、ｃｍ単位の
外形Ｄとの比、Ｗ／Ｄ2が０．０５以下であることを特
徴とする水車。
【請求項１２】金属製軸受部材の摺動部にＷＣを主成分
として結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣＯのいずれか１つ若し
くは複数を含む溶射膜を被覆した後、３００℃以上５５
０℃以下の温度で１時間以上加熱し、その後所定の寸法
に仕上加工することを特徴とする軸受部材の製造方法。
【請求項１３】金属製軸受部材の摺動部にＣｒ3Ｃ2を主
成分として結合材にＮｉとＣｒを含む射膜を被覆した
後、３００℃以上５５０℃以下の温度で１時間以上加熱
し、その後所定の寸法に仕上加工することを特徴とする
軸受部材の製造方法。
【請求項１４】金属製軸受部材の摺動部にＷＣを主成分
として結合材にＮｉ、Ｃｒ又はＣＯのいずれか１つ若し
くは複数を含む溶射膜を高速フレーム溶射法、爆発溶射
法、プラズマ溶射法、レーザ溶射法のいずれかの方法に
より溶射被覆した後、３００℃以上５５０℃以下の温度
で１時間以上加熱し、その後所定の寸法に仕上加工する
ことを特徴とする軸受部材の製造方法。
【請求項１５】金属製軸受部材の摺動部にＣｒ3Ｃ2を主
成分として結合材にＮｉとＣｒを含む溶射膜を高速フレ
ーム溶射法、爆発溶射法、プラズマ溶射法、レーザ溶射
法のいずれかの方法により溶射被覆した後、３００℃以
上５５０℃以下の温度で１時間以上加熱し、その後所定
の寸法に仕上加工することを特徴とする軸受部材の製造
方法。