JP3378404B2 - 摺動材料 - Google Patents

摺動材料

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体中においても優れ
た摺動性能を有するセラミック系摺動材料に関する。よ
り詳細には、本発明は、運転開始時及び終了時に気体中
におかれ、定常運転時には水中にある立型軸流ポンプ、
立型斜流ポンプ、立型遠心ポンプ、横型軸流ポンプ、横
型斜流ポンプ、横型遠心ポンプなどの水中軸受部用材料
として上首尾に用いることのできる摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】他種材料との摺動接触下で使用される材
料は、自己の潤滑性、耐摩耗性に加えて、相手材質を損
傷しない、摩擦発熱が小さい、チャタリングを起こさな
いなど良好な摺動を行うに必要とされる総合的な摺動性
能が要求されている。動力伝達システムに採用されてい
る軸受もまさに摺動条件下で使用される摺動部品であ
り、上記したような一般的な摺動性能が要求されている
が、特に、かんがいや排水などの農業用や、都市の雨水
排水および下水道用など種々の用途に利用されるポンプ
の水中軸受は、摺動面が、流体、場合によっては腐食性
流体や硬質の固体物質を含むスラリーに暴露されるとい
う苛酷な条件下で使用されるので、さらに、高い耐食性
や一層優れた耐摩耗性を有することが必要と考えられて
いる。
【０００３】最近よく利用されているポンプに立型ポン
プがある。これには、立型軸流ポンプ、立型斜流ポンプ
及び立型遠心ポンプが含まれるが、いずれの構造の立型
ポンプも、静止した導水部分と回転体とが含まれてい
る。そして、回転体は上部に取り付けられたモータの駆
動によって回転を開始し、羽根車より上部の軸受は、回
転体を回転体に取り付けられているスリーブを介して回
転体のラジアル方向の荷重を支える。ポンプの運転開始
又は終了時には外水位以上に位置する軸受は接水してい
ない。すなわち、ポンプの運転開始時及び終了時に気体
中におかれ、定常運転時には水中にある。
【０００４】従って、立型ポンプに使用する軸受は、水
中にあっては取扱い水自体を潤滑剤として利用でき、固
体潤滑物質も液状潤滑剤も不要であるが、一方で、軸受
が気体中にあるポンプのドライ運転中に、如何に軸受に
安定した摺動性能を付与するかが課題となっている。
【０００５】水中軸受として従来から利用されている摺
動材料には、ゴム、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、金
属、例えば黄銅、樹脂、例えばテフロンがある。
【０００６】ゴムは、水又は油で潤滑された状態又は清
水中で使用された場合には極めて安定した摺動性能を示
すが、一番都合の悪いことに、大気中でしかも無潤滑状
態で使用された場合には摺動部から激しく発熱し短時間
のうちに破損してしまい、全く摺動部材としての機能を
果たし得ない。そのため、従来は、水中及び気体中で使
用されるポンプの水中軸受用材料としてゴムを使用した
ときには、ポンプの運転が開始時及び終了時にあるとき
には、気体中にあるゴムの摺動部を保護するために、別
途設けられた潤滑剤供給装置からゴムの摺動部に潤滑油
を供給したり注水したりしていた。しかしながら、大型
ポンプの場合には、軸の長さが数１０ｍになる場合もあ
り、その場合には、多数の軸受を配設しなければならな
い。各軸受毎に潤滑剤供給装置を配置することが必要で
あるから、多大な設備費の負担を強いられていた。
【０００７】また、黄銅のような金属は自己潤滑性が乏
しく、ドライでの摺動には適さない。
【０００８】更に、樹脂は自己潤滑性は高く金属では腐
食が問題となる用途、例えば、酸やアルカリ環境下にお
いても利用できる点で有利であるが、その一方で、スラ
リー中で使用された場合には、該スラリー中に含まれる
硬質固体物質によって摩耗され易いという欠点がある。
【０００９】セラミックは、一般に、硬度が大きく、圧
縮応力が高く、絶縁性で電気化学的腐食を起こしにくい
ことから、最近では、特開昭６２−２７３８２号におい
て教示されているように、摺動材料としての利用が注目
されている。
【００１０】摺動材料としてのセラミックは、摩擦係数
が高く、自己潤滑性が悪いという欠点があるため、大き
な粘性を有する油を潤滑剤として使用したり、また、セ
ラミックを固体潤滑物質と複合化していた。特開昭５８
−１６１９８２号公報には、含フッ素重合体をセラミッ
クに結合させることが、特開昭５７−１１８０８０号公
報には、セラミック多孔質体に四フッ化エチレン樹脂又
は三フッ化塩化エチレン樹脂を含浸させることが、或い
は、前記両フッ化物と二硫化モリブデン、二硫化タング
ステン、セレン化モリブデン又はセレン化タングステン
との混合物を含浸させることが提案されている。特開昭
６１−２８１０８６号公報には、セラミック多孔体の開
放気孔に、フルオロエチレン、フルオロシリコーンのよ
うなフッ素系オイルを含浸させたものが、摺動材料とし
て提案されている。ポンプの起動と停止が何度も繰返さ
れるような場合には、樹脂やオイルが脱落あるいは抜け
てしまい充填当初のような摺動特性を長期にわたり維持
することができない。
【００１１】従って、上述の樹脂やオイルと含浸させた
軸受は、ドライでの摺動には未だ不十分である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】それ故、本発明は、別
途に潤滑剤供給装置を設ける必要がない、自己潤滑性能
に優れた軸受、すなわち、ポンプの運転が開始時及び終
了時にあるときに気体中にあるセラミックから構成され
た摺動部を保護するために、別途設けられた潤滑剤供給
装置からセラミックの摺動部に潤滑油を供給したり注水
したりする必要がない自己潤滑性能に優れた軸受を提供
することを目的とする。
【００１３】更に、本発明は、清水中のみならず川砂な
どの硬質固体物質を含む河川水や海水などの流体におい
ても安定した摺動性能を示し、且つ、気体中に暴露され
た場合にも良好な摺動性能を示すセラミック系摺動材料
を提供することを目的とする。
【００１４】別に、本発明は、清水だけでなく、スラリ
ーを含む流体を取り扱うポンプ、例えば、立型軸流ポン
プ、立型斜流ポンプ、立型遠心ポンプ、横型軸流ポン
プ、横型斜流ポンプ、横型遠心ポンプなどの水中軸受部
用材料として上首尾に用いることのできるセラミック系
摺動材料を提供することを目的とする。
【００１５】加えて、本発明は、硬質固体物質を含む河
川水や海水などの流体を取り扱うポンプに取り付けられ
る、耐久性に優れた水中軸受を提供することを目的とす
る。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意研究の
結果、セラミック体を多孔質体とし、その開放気孔に高
吸水性樹脂を充填させて得られたセラミック体は、その
セラミック材料が本来有していた優れた耐摩耗性や耐食
性などの性能をそのまま保持する共に、高吸水性樹脂の
有する優れた吸水力や保水力により気体中でも優れた自
己潤滑性を保持できることを見いだし、本発明を完成さ
せた。
【００１７】すなわち、本発明は、多孔質セラミック体
の開放気孔中に高吸水性樹脂が充填されていることを特
徴とするセラミック系摺動材料に関する。このとき、好
ましくは、開放気孔率が約５〜約１５％である。
【００１８】本発明の別の態様は、流体及び気体中で使
用される軸受において、回転側部材が超硬合金で構成さ
れ、固定側部材が多孔質セラミック体で構成されてお
り、前記多孔質セラミック体の開放気孔中に高吸水性樹
脂が充填されていることを特徴とする水中軸受である。
このとき、好ましくは、開放気孔率は約５〜約１５％で
ある。
【００１９】以下、本発明の内容を詳述する。
【００２０】本発明の多孔質セラミック体の原料となる
セラミック粉末としては、耐摩耗性の観点からなるべく
硬度の高いものを使用することが好ましい。セラミック
材料としては、金属系を含めて種々のものが知られてい
るが、摺動材料として使用するためには、硬度が高く、
耐摩耗性及び耐焼付き性が優れていること、摩擦係数が
低く相手材の摩耗も小さいこと、強度及び熱衝撃性が高
いこと、熱伝導率が高いこと、遠心応力を軽減するため
に比重が小さいことなどの諸特性を具備する必要があ
り、好適なものとしては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ア
ルミナ、ジルコニア、炭化チタン、窒化チタン、炭化チ
タン、窒化ボロン及び炭化ボロン、並びにこれらの１種
又は２種以上の組み合わせが挙げられるが、これらに限
定されるわけでない。より好適なものは、炭化ケイ素、
窒化ケイ素、窒化ボロン及び炭化ボロン、並びにこれら
の１種又は２種以上の組み合わせである。粒度に関して
は、粒度が大きくなると焼結後の焼結体自体の機械的強
度が小さくなることから、摺動材料という点を考慮し
て、平均粒径が１０μｍ以下のものを利用するのが好ま
しい。
【００２１】セラミック粉末を、射出成形、鋳込み成
形、押出し成形、ホットプレス、ＨＩＰ成形などの慣用
的な成形方法を利用して成形し、焼結してセラミック体
とする。焼結助剤やバインダーなどを適宜添加できる。
焼結は、反応焼結、常圧焼結、加圧焼結など慣用的な方
法を利用して行う。セラミック体を多孔質体、それも、
樹脂が後に含浸できるような開放気孔を有している多孔
質体とするためには、セラミック粉末の粒度および粒
径、セラミック粉末に対するバイダーの添加量や焼結温
度を調整したりする。また、発泡ウレタンフォームなど
の発泡体中に粉状のセラミックを含浸させた後にこれを
焼結したりするのも一法である。
【００２２】多孔質セラミック体の開放気孔率は、あま
りに大きいと高吸水性樹脂を充填させて、実際に摺動材
料として使用したときに、該材料の機械的強度が小さく
なることから、上限は、好ましくは約３０％である。ま
た、約５％より小さくなると、高吸水性樹脂の開放気孔
中への充填量が少なくなり、高吸水性樹脂の有する吸水
又は吸湿力及び保水力によって得られるセラミック体表
面の潤滑機能が十分に発揮させることが困難となりうる
から、下限は、好ましくは約５％である。
【００２３】硬質の川砂などを含む河川水のようなスラ
リーを取り扱うポンプの水中軸受を、本発明の樹脂含浸
摺動材料で構成する場合には、好ましい開放気孔率は、
約５〜約１５％である。これは、以下に詳述する実施例
の結果から明らかなように、開放気孔率が上記の範囲に
あるときには、応力拡大係数が高い、すなわち、靭性が
高いからである。
【００２４】得られたセラミック多孔質体に、高吸水性
樹脂を充填させる。
【００２５】高吸水性樹脂とは、その吸水作用が、高分
子電解質の分子鎖が水中でカルボキシルイオン同士の反
発による分子鎖の広がる作用と、橋かけ点による分子鎖
の広がりを制限する作用との相互作用によって発現した
ものと考えられており、吸水力が約1000倍以上のものを
一般にいう。毛細管現象によって基材の間隙の水を吸収
する樹脂の吸水力が大きいものでも自重の20〜30倍程度
に過ぎないことから、高吸水性樹脂が如何に驚異的な吸
水力を有しているかが明かである。
【００２６】また、高吸水性ポリマーは、高湿度条件で
は吸湿し、低湿度条件下では放湿するという性質、いわ
ゆる呼吸性を有している。
【００２７】更に、高吸水性ポリマーの特徴の一つに、
加圧下での保水力がある。すなわち、圧力がかかっても
いったん吸水した液体の大部分を保持できるという点で
ある。
【００２８】原料面から大別すると、デンプン系（グラ
フト重合系、カルボキシメチル系）、セルロース系（グ
ラフト重合系、カルボキシメチル（ＣＭＣ）系）、合成
ポリマー系（ポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコー
ル系、ポリアクリルアミド系、ポリオキシエチレン系
（ＰＥＯ）、その他）に分類される。また、製品形態で
は、白色の無定形粉末状が一般的であるが、その他に
は、球形粒状（パール状）粉体、短繊維状、長繊維状、
不織布状、フィルム状などがある。
【００２９】これらの高吸水性ポリマーは水を注ぐと瞬
時に吸水する性質をもっている。ＣＭＣ系やポバール系
では、その吸水力は約１００〜４００ｇ／ｇに達し、ア
クリル酸ソーダ系やデンプン／アクリル酸系では、その
吸水力は約１，０００倍以上に達する。
【００３０】市販されている高吸水性樹脂には、粉末状
の橋かけポリアクリル酸塩系、粉末状のイソブチレン／
マレイン酸塩系、粉末状のデンプン／ポリアクリル酸塩
系、粉末状のＰＶＡ／ポリアクリル酸系、繊維状のアク
リル繊維の加水分解物系、粉末状の橋かけＰＶＡ系、繊
維状の橋かけＣＭＣがある。
【００３１】最近では、高吸水性樹脂は、紙オムツ、ナ
プキンなどの衛生材、土壌保水剤、種子コーティング剤
などの農園芸、シーリング剤、結露防止材などの土木・
建築材、鮮度保持包装材や保冷剤などの食品、コンタク
トレンズ、抗血栓性材料などのメディカル、水分セン
サ、医療用電極などの電気・電子などの種々の分野に新
しい用途が提案されている。しかしながら、未だ、摺動
材料として使用される材料と複合化させるような提案は
報告されていない。
【００３２】本発明の摺動材料は、かかる高吸水性樹脂
を多孔質セラミック体の開放気孔中に充填させたもので
あることを特徴としている。該樹脂含浸セラミック体を
立型ポンプの軸受の摺動部として使用した場合には、最
初にポンプを起動させて回転軸を回転させる前に、水を
注入することなく、該樹脂上に高湿空気中の水蒸気を吸
湿し、それを保持でき、良好な摺動性能を担保できる。
また、ポンプの停止及び運転再開には、改めて水を注入
することなく、該樹脂上に保持されていた水によって、
摺動部が安定した摺動性能を発揮できる。
【００３３】立型ポンプのように流体中のみならず気体
中、一般には大気中においても安定した摺動性能が要求
されるセラミック系摺動材料に複合化するのに好ましい
樹脂は、このうちでは、合成ポリマー系であり、最も好
ましい樹脂は、ポリアクリル酸塩系とポリオキシエチレ
ン系である。これらの樹脂を充填させた場合には、吸湿
力も高いことから大気中の水蒸気や結露をも樹脂上に吸
着させることができ、更に、加圧下での保水力も大きい
ことから、該樹脂を充填させたセラミック系材料は、立
型ポンプの水中軸受用材料として上首尾に利用できる。
【００３４】本発明においては、多孔質セラミック体に
含浸させるのに好適な高吸水性樹脂としては、具体的に
は、アクアリザーブＡＰ（登録商標、販売元：日本合成
化学工業株式会社）がある。これは、アクリル酸とアク
リル酸ソーダの軽度に架橋した共重合体であり、ＡＰ−
１００（平均粒度３００〜４５０μ）、ＡＰ−２００
（平均粒度３００〜４５０μ）、ＡＰ−３００（平均粒
度３００〜４５０μ）、ＡＰ−１５０Ａ（平均粒度２０
０〜３００μ）、ＡＰ−３００Ａ（平均粒度２００〜３
００μ）、ＡＰ−１００Ｅ（平均粒度２００〜３００
μ）、ＡＰ−３００Ｅ（平均粒度２００〜３００μ）の
グレードに分かれている。
【００３５】更に、アクアキープ（登録商標、販売元：
住友精化株式会社）も好適である。これは、橋かけポリ
アクリル酸塩系である。４Ｓ（平均粒度２０〜３０
μ）、１０ＳＨ−ＮＦ（平均粒度２０〜３０μ）、１０
ＳＨ−Ｐ（平均粒度１５０〜３００μ）、１０ＳＨ（平
均粒度１５０〜３００μ）、１０ＳＨ−Ｔ（５０）（平
均粒度３００〜５００μ）、１０ＳＨ−Ｔ（６０）（平
均粒度３００〜５００μ）、１０ＳＨ−ＴＳ（５０）
（平均粒度３００〜５００μ）、１０ＳＨ−ＴＳ（６
５）（平均粒度３００〜５００μ）、ＥＰ（平均粒度１
００〜３００μ）、ＥＴ（平均粒度５０〜２５０μ）、
ＳＡ５０（平均粒度３５０〜４５０μ）、ＳＡ６０（平
均粒度３５０〜４５０μ）、ＳＡ５０Ｓ（平均粒度３５
０〜４５０μ）、ＳＡ６０Ｓ（平均粒度３５０〜４５０
μ）、ＳＡ６０Ｎ（平均粒度２５０〜３５０μ）のグレ
ードに分かれており、いずれもグレードのものも白色粉
末である。
【００３６】セラミック多孔質体の開放気孔中に上述し
た高吸水性樹脂を充填させるときに、樹脂の被覆面積を
大きくするためには、溶媒中に樹脂粒子を分散させて懸
濁液としてこれを加圧下で開放気孔中に含浸させ、又
は、セラミック多孔質体を吸水してゲル化した樹脂中に
浸漬し減圧下で真空引きなどして、該セラミック多孔質
体の開放気孔中に高吸水性樹脂を含浸させ、その後、高
い温度で加熱して溶媒又は水を揮散させて取り除くこと
によって、開放気孔に高吸水性樹脂を充填させるのが好
ましい。なお、含浸−加熱は複数回行ってもよい。
【００３７】ミクロでみると、本発明の摺動材料は、図
１に示すようになっている。多孔質セラミック材料１で
構成されている。そして、この多孔質材料１の開放気
孔、すなわち空隙２には、高吸水性樹脂３が充填されて
いる。
【００３８】セラミックは、絶縁性が優れているので、
局部電池の発生や異種材料の接触による電気化学的腐食
に対する耐食性が高い。従って、腐食性流体中でも、本
発明のセラミック系摺動材料から、軸受部の回転側部材
と固定側部材の両方を構成した場合には、安定した摺動
性能が得られる。
【００３９】しかしながら、川砂入りの河川水のような
非常に硬質な固形物が含まれている流水を取り扱うポン
プの軸受としては、軸受部材の取替えする際の容易性を
考慮すれば、好ましい態様は、固定側部材を本発明のセ
ラミック系摺動材料から構成し、回転側部材を超硬合金
から構成したものである。
【００４０】超硬合金は、周期律表IV、V及びVI族のＴ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔ
ｈなどの炭化物、窒化物、ホウ化物及びケイ化物の粉体
に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの金属を
バインダーとして含ませた材料である。このうち、好ま
しいものは、タングステンカーバイド（ＷＣ、Ｗ2Ｃ）
を含有したものである。より好ましいものは、タングス
テンカーバイトを４０〜９５以上含むものである。バイ
ンダーとしてはＮｉ、ＣｏあるいはＴｉを使用するのが
好ましい。
【００４１】なお、超硬合金を成形体とする場合には、
上記粉体混合物を高温で焼結するのが一般的である。し
かしながら、回転側部材を超硬合金単独で構成する必要
は必ずしもなく、ステンレス鋼などの金属部材上に、例
えば、粉体プラズマ溶接（ＰＴＡ）により１〜２ｍｍの
厚さに超硬合金層を肉盛りして、回転側部材を構成して
もよい。
【００４２】図２に、本発明の軸受を取り付けた立型軸
流ポンプの概略的な縦断面図を示す。１０１は外水位で
あり、羽根車１０２はこの外水位より下の位置に設置さ
れている。駆動モータ１０３が運転を開始すると、軸継
ぎ手１０４、軸１０５Ａ、１０５Ｂ、中間軸継ぎ手１０
６を介して、羽根車１０２が駆動される。取扱い流体
は、吸込みベル１０７から吸い込まれ、吐き出しボウル
１０８、吊下げケーシング１０９、１１０をへて吐出し
エルボ１１１から吐出される。上部水中軸受１１２は、
軸支え１１４によって支えられ、下部水中軸受１１３は
リブ１１５によって支えられている。図３は、図２の軸
受部の片側拡大断面図である。軸１０５Ｂ上に超硬合金
製のスリーブ１１６が、止めネジ（図示せず）によって
強固に固着されている。軸受１１２は焼嵌めによってケ
ース１１６に固着されて軸受支え１１４側に固定されて
いる。軸受を焼嵌めしてケースに固着することによっ
て、軸受荷重に対してのセラミックの剛性が上がり、変
形による破損を回避できる。
【００４３】なお、軸受リングは必ずしも一体の円筒リ
ングである必要はなく、特開昭６０−３０８２２号に開
示されているように、摺動材料で構成された円柱体を複
数準備し、これをセグメントとして、固定側ケースに取
り付けてもよい。この場合には、セグメントの側面に比
較的広い空隙が形成されるので、取扱い流体中の異物が
該空隙を通って軸方向に流れるので、硬質固体物質が含
まれるスラリーを取り扱う場合にも更に一層安定した摺
動性能が得られる。
【００４４】
【作用】上記のように構成されたセラミック系摺動材料
においては、セラミック体の開放気孔中に充填されてい
る高吸水性樹脂が、大気中では水蒸気や結露などの水分
を吸湿し、水中にあっては吸水し、それを加圧下でも保
持するため、大気中にあっても摺動面が常に濡れ状態、
すなわち、潤滑状態に保持される。
【００４５】また、上記摺動材料を使用した場合には、
硬質固体物質が含まれるスラリーを取り扱う場合にも、
かみ込みが発生せず、耐久性がよい。
【００４６】
【実施例】本発明の実施例を添付図面を参照しながら以
下で説明する。なお、以下の実施例は、単に例示のため
に示したものであり、本発明の範囲はかかる実施例によ
って限定的に解釈されるものではない。
【００４７】［実施例１］以下のようにして、種々の試
料の摩擦係数を測定した。
【００４８】試料の作製 試料１と試料２は本発明の範囲に含まれるものであり、
試料３と試料４は本発明の範囲外のものである。
【００４９】［試料１の作製］平均粒径が１０μｍの炭
化ケイ素セラミック粉末を、押出し成形し、アルゴン雰
囲気中で焼結した。得られた焼結体の開放気孔率は１０
％であった。これを、減圧下で吸水してグル化したアク
アキープ（ポリアクリル酸塩系）中に浸漬し、真空引き
をし、加熱を行って、開放気孔に樹脂を充填した。得ら
れた試料は、内径が７５ｍｍで幅が４０ｍｍの軸受用リ
ング形であった。
【００５０】［試料２の作製］平均粒径が１０μｍの窒
化ケイ素セラミック粉末を、押出し成形し、アルゴン雰
囲気中で焼結した。得られた焼結体の開放気孔率は１０
％であった。これを、減圧下で吸水してゲル化したアク
アキープ（ポリアクリル酸塩系）中に浸漬し、真空引き
をし、加熱を行って、開放気孔に樹脂を充填した。得ら
れた試料の形状は試料１と同じであった。
【００５１】［試料３の作製］平均粒径が１μｍの炭化
ケイ素セラミック粉末を、押出し成形し、アルゴン雰囲
気中で焼結した。得られた焼結体には開放気孔はなく、
気孔率は０．５％であった。得られた試料の形状は試料
１と同じであった。
【００５２】［試料４の作製］平均粒径が１μｍの窒化
ケイ素セラミック粉末を、押出し成形し、アルゴン雰囲
気中で焼結した。得られた焼結体には開放気孔はなく、
気孔率は０．５％であった。得られた試料の形状は試料
１と同じであった。
【００５３】軸受部の摺動試験 上記試料を軸受として、軸スリーブと摺接させたときの
摺動性能を調べた。なお、軸スリーブの超硬合金の組成
は、９２％ＷＣ−８％Ｃｏであった。
【００５４】（１）摺動試験１ 図４に示したように、軸スリーブと軸受とを摺接させて
摺動試験を行った。軸１２１にはＳＵＳ３０４からなる
固定スリーブ１２２Ａと超硬金属からなる超硬スリーブ
１２２Ｂとが、止めネジ（図示せず）によって強固に固
着されている。軸受１２３は焼嵌めによってケース１２
４に固着されて軸受支え１２５側に固定されている。ウ
エイト板１２６に取り付けられており、それによってア
ンバランスが発生しラジカル荷重を負荷する。モータ
（図示せず）の稼働により軸１２１が回転する。
【００５５】回転軸を、周速度を４．０、６．０、７．
５ｍ／秒と３種類に分けて、３０分間回転させた。試験
は、試料１と２に関しては摺動部を大気中に暴露した雰
囲気条件下で行い、試料３と４に関しては摺動部を清水
中に浸漬させた場合と大気中に暴露した場合の２雰囲気
条件下で行った。
【００５６】軸受に作用する荷重は、羽根車のアンバラ
ンス重量の遠心力、ロータの振れ回りによる遠心力、及
び、羽根車の不平衡流体力があるが、前記２つは算定が
できるが、後の１つは算定が困難であるので、軸振動波
形を、インペラの不平衡流体力が遠心力に比べて無視し
うる程度に有意的に低くさせて、インペラのアンバラン
ス重量の遠心力とロータの振れ回りによる遠心力との合
計荷重を軸受荷重とした。軸受面圧は最大ヘルツ応力で
１７０ＭＰａであった。
【００５７】回転終了後に、得られた摩擦係数は以下の
表１に示す通りであった。
【００５８】
【表１】 実用範囲である周速度４．０〜７．５ｍ／秒の範囲にお
いて、試料１と試料２のの軸受は、いずれも、大気中に
暴露されていた場合でも、試料３と試料４が水中に浸漬
された場合の摩擦係数（μ）と同じような程度まで摩擦
係数（μ）が低下していた。一方、試料３と試料４の軸
受は、非常に高い摩擦係数を示した。このことから、本
発明のセラミック系摺動材料は、大気中においても、潤
滑剤を供給しなくとも、水中にあるときと同様な潤滑性
を有していることがわかる。
【００５９】（２）摺動試験２ 次に、クレイとシルトとを含む水中での試験を行った。
該スラリーは、平均粒度が３０μｍのクレイと平均粒度
が１５μｍのシルトとが１：１の割合で含まれており、
粒子濃度は、６０ｍｇ／ｌであった。また、周速度を
５．０５ｍ／秒をし、２００時間、摺動試験機にかける
他は、摺動試験１と同様にして、摺動試験を行った。測
定によれば、回転数は１４８５／分、最大ヘルツ応力は
１７０ＭＰａであった。
【００６０】試料１と２は、摺動面はいずれも上記苛酷
なスラリー中においても、損傷や欠落を生じず、極めて
安定した摺動性能を示していた。このことから、本発明
のセラミック系摺動材料は、靭性にも優れていることが
分かる。
【００６１】実施例２ 以下のようにして、種々の試料の応力拡大係数を測定し
た。
【００６２】［試料の作製］ ［試料グループ１の作製］平均粒径が１０μｍの炭化ケ
イ素セラミック粉末を、押出し成形し、アルゴン雰囲気
中で焼結し、開放気孔率を種々に変えた、形状が５０×
５０×５ｍｍの試料を作製した。
【００６３】［試料グループ２の作製］平均粒径が１０
μｍの窒化ケイ素セラミック粉末を、押出し成形し、ア
ルゴン雰囲気中で焼結し、開放気孔率を種々に変えた、
形状が５０×５０×５の試料を作製した。
【００６４】［応力拡大係数の測定］上記試料を用い
て、開放気孔率値を種々変えたときの開放気孔率（％）
と応力拡大係数ＫIC（ＭＰａｍ-1/2）との関係を実験値
を基にして計算により算出した。
【００６５】応力拡大係数ＫIC（ＭＰａｍ-1/2）は、割
れの状況に応じ（１）あるいは（２）式を用いて計算す
る。
【００６６】応力拡大係数ＫIC（ＭＰａｍ-1/2）の計算
式（１）は、 （ＫICΦ／Ｈａ1/2）（Ｈ／ＥΦ）0.4＝０．１２９（ｃ
／ａ）-1/2 である。
【００６７】このとき、Φ＝０．３（定数）、 Ｈ（ビッカース硬度）＝Ｐ／２ａ2、Ｐ：荷重（ビッカ
ース硬度計測荷重） Ｅ（ヤング率）：Ｅ（Ｓｉ3Ｎ4）＝３００ＧＰａ、Ｅ
（ＳｉＣ）４００ＧＰａ ａ（ビッカーズくぼみの対角線の半分の長さ） ｃ（表面亀裂の半長） である。
【００６８】ａとｃとに関しては、正確な理解のため
に、図５（I）にその関係を示す。
【００６９】応力拡大係数（ＭＰａｍ-1/2）の計算式
（２）は、 （ＫICΦ／Ｈａ1/2）（Ｈ／ＥΦ）0.4＝０．０３５（ｌ
／ａ）-1/2 である。
【００７０】このとき、Φ＝０．３（定数）、 Ｈ（ビッカース硬度）＝Ｐ／２ａ2、Ｐ：荷重（ビッカ
ース硬度計測荷重） Ｅ（ヤング率）：Ｅ（Ｓｉ3Ｎ4）＝３００ＧＰａ、Ｅ
（ＳｉＣ）４００ＧＰａ ａ（ビッカーズくぼみの対角線の半分の長さ） ｌ（表面亀裂の長さ） である。
【００７１】ｌとａとに関しては、正確な理解のため
に、図５（II）にその関係を示す。
【００７２】図６は、実験により得られた開放気孔率と
応力拡大係数との関係を示す図である。
【００７３】開放気孔率が約１５％を超えるまでは、応
力拡大係数は殆ど低下しなかった。応力拡大係数と摩耗
量との間には、論文「Friction and Wear Hot Pressed
Silicon Nitride and Other Ceramics」（Transactions
of ASME、Journal of Tribology、Ｖｏｌ．１０８，Oct
ober １９８６）において報告されているように、応力
拡大係数と摩耗量の間には、応力拡大係数が高いと摩耗
量が少ないという良い相関関係があることが認められて
いる。従って、硬質固形物質が含まれているスラリー中
でも、多孔質セラミック体の開放気孔率が約５〜約１５
％の範囲にあるときには、該セラミックは緻密質のセラ
ミックと同等あるいはそれ以上の摺動特性を示すものと
考えられる。特に、セラミックが窒化ケイ素（Ｓｉ
3Ｎ4）のときにスラリー中においても極めて良好な摺動
性能を示すことものと考えられる。
【００７４】気孔率の増大は、すなわち亀裂の増大でも
あることからセラミックのような硬くて脆い材料は、一
般的には、気孔率が増大するにつれて損傷の発生の危険
が高めると考えられるが、本実施例では、適切な範囲で
気孔率が存在することにより、セラミック材料が有する
欠点とされていた高い脆性が却って有意的に低下したも
のと考えられる。
【００７５】
【発明の効果】本発明のセラミック系摺動材料は、高吸
水性樹脂の吸収した水分により、摺動面が常に濡れ状態
に保たれて摩擦係数が減少し、注水せずに起動時に安定
した軸受挙動を得ることができる。従って、別個に注水
装置を設けて強制的に水分を補給する必要はない。
【００７６】また、本発明のセラミック系摺動材料で構
成されたセラミック軸受は、開放多孔率を調整すること
によって、従来使用されていた多孔質でなく稠密なセラ
ミック軸受と同様又はそれ以上に優れた耐摩耗性を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摺動材料の概略的な構造を示す図であ
る。
【図２】本発明の軸受を取り付けた立型軸流ポンプの概
略的な縦断面図を示す。
【図３】図２の軸受部の概略的な片側拡大断面図であ
る。
【図４】実施例で使用した摺動試験機である。
【図５】応力拡大係数を算出するために形成したくぼみ
を示す。
【図６】実験により得られた開放気孔率と応力拡大係数
との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１：外水位、１０２：羽根車、１０３：駆動モー
タ、１０４：軸継ぎ手、１０５Ａ、１０５Ｂ：軸、１０
６：中間軸継ぎ手、１０７：吸込みベル、１０８：吐き
出しボウル、１０９，１１０：吊下げケーシング、１１
１：吐出しエルボ、１１２：上部水中軸受、１１３：下
部水中軸受、１１４：軸受支え、１１５：リブ、１１
６：スリーブ、１１７：ケース １２１：軸受台、１２２Ａ：固定スリーブ、１２２Ｂ：
スリーブ、１２３：軸受、１２４：ケース、１２５：軸
支え、１２６：ウエイト取付板、１２７：ウエイト、１
３０：軸受台座、１３２：変位センサ、１３３：センサ
台
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ //(Ｃ１０Ｍ 169/04 Ｃ１０Ｍ 103:06 Ｅ 103:00 Ｚ 103:06 145:04 145:14 145:28 145:04 145:40 145:14 149:06 145:28 Ｃ１０Ｎ 20:00 Ｚ 145:40 30:06 149:06） 40:02 Ｃ１０Ｎ 20:00 Ｆ０４Ｂ 21/00 Ａ 30:06 Ｑ 40:02 (56)参考文献 特開 昭62−27382（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−281087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−112707（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−34211（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−118080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−161982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−281086（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−78679（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−32469（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C10M 169/04 C10M 103/00 - 103/06 C10M 107/00 - 107/54 C10M 111/04 C10M 143/00 - 157/10 C10M 171/00 C10N 20:00 C10N 30:06 C10N 40:02 F04B 53/00 F04B 53/18 F16C 33/24 C04B 38/00

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多孔質セラミック体の開放気孔中に、デ
    ンプン系、セルロース系、及びポリアクリル酸塩系、ポ
    リビニルアルコール系、ポリアクリルアミド系、ポリオ
    キシエチレン系から選択される合成ポリマー系からなる
    高吸水性樹脂が充填されていることを特徴とする摺動材
    料。
  2. 【請求項２】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率が
    5〜15％であることを特徴とする請求項１に記載の摺動
    材料。
  3. 【請求項３】 多孔質セラミック体の開放気孔中に、吸
    水力が自重の1000倍以上の高吸水性樹脂が充填されてい
    ることを特徴とする摺動材料。
  4. 【請求項４】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率が
    5〜15％であることを特徴とする請求項３に記載の摺動
    材料。
  5. 【請求項５】 多孔質セラミック体の開放気孔中に、デ
    ンプン系、セルロース系、及びポリアクリル酸塩系、ポ
    リビニルアルコール系、ポリアクリルアミド系、ポリオ
    キシエチレン系から選択される合成ポリマー系からなる
    吸水力が自重の1000倍以上の高吸水性樹脂が充填されて
    いることを特徴とする摺動材料。
  6. 【請求項６】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率が
    5〜15％であることを特徴とする請求項５に記載の摺動
    材料。
  7. 【請求項７】 流体及び気体中で使用される水中軸受に
    おいて、回転側部材が超硬合金で構成され、固定側部材
    が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質セラミッ
    ク体の開放気孔中に、デンプン系、セルロース系、及び
    ポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール系、ポリア
    クリルアミド系、ポリオキシエチレン系から選択される
    合成ポリマー系からなる高吸水性樹脂が充填されている
    ことを特徴とする水中軸受。
  8. 【請求項８】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率が
    5〜15％であることを特徴とする請求項７に記載の水中
    軸受。
  9. 【請求項９】 流体及び気体中で使用される水中軸受に
    おいて、回転側部材が超硬合金で構成され、固定側部材
    が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質セラミッ
    ク体の開放気孔中に、吸水力が自重の1000倍以上の高吸
    水性樹脂が充填されていることを特徴とする水中軸受。
  10. 【請求項１０】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率
    が5〜15％であることを特徴とする請求項９に記載の水
    中軸受。
  11. 【請求項１１】 流体及び気体中で使用される水中軸受
    において、回転側部材が超硬合金で構成され、固定側部
    材が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質セラミ
    ック体の開放気孔中に、デンプン系、セルロース系、及
    びポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール系、ポリ
    アクリルアミド系、ポリオキシエチレン系から選択され
    る合成ポリマー系からなる吸水力が自重の1000倍以上の
    高吸水性樹脂が充填されていることを特徴とする水中軸
    受。
  12. 【請求項１２】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率
    が5〜15％であることを特徴とする請求項１１に記載の
    水中軸受。
  13. 【請求項１３】 回転側部材が超硬合金で構成され、固
    定側部材が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質
    セラミック体の開放気孔中に、デンプン系、セルロース
    系、及びポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール
    系、ポリアクリルアミド系、ポリオキシエチレン系から
    選択される合成ポリマー系からなる高吸水性樹脂が充填
    されていることを特徴とする流体及び気体中で使用され
    る水中軸受を具備するポンプ。
  14. 【請求項１４】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率
    が5〜15％であることを特徴とする請求項１３に記載の
    ポンプ。
  15. 【請求項１５】 回転側部材が超硬合金で構成され、固
    定側部材が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質
    セラミック体の開放気孔中に、吸水力が自重の1000倍以
    上の高吸水性樹脂が充填されていることを特徴とする流
    体及び気体中で使用される水中軸受を具備するポンプ。
  16. 【請求項１６】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率
    が5〜15％であることを特徴とする請求項１５に記載の
    ポンプ。
  17. 【請求項１７】 回転側部材が超硬合金で構成され、固
    定側部材が多孔質セラミック体で構成され、前記多孔質
    セラミック体の開放気孔中に、デンプン系、セルロース
    系、及びポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール
    系、ポリアクリルアミド系、ポリオキシエチレン系から
    選択される合成ポリマー系からなる吸水力が自重の1000
    倍以上の高吸水性樹脂が充填されていることを特徴とす
    る流体及び気 体中で使用される水中軸受を具備するポン
    プ。
  18. 【請求項１８】 前記多孔質セラミック体の開放気孔率
    が5〜15％であることを特徴とする請求項１７に記載の
    ポンプ。
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