JP4547345B2

JP4547345B2 - 超純水用の炭化珪素質ベアリング

Info

Publication number: JP4547345B2
Application number: JP2006068391A
Authority: JP
Inventors: 清隆纓田; 健服部; 安博阿久根
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-03-13
Also published as: JP2007247689A

Description

本発明は、超純水（これに類する純水又はこれらを原料とする水素水，オゾン水等の機能水等、比抵抗値が５ＭΩ・ｃｍ以上の水を含む）と接触する状態で使用される炭化珪素質ベアリングに関するものである。

半導体製造工場や原子力関連施設等においては、高度のクリーン性ないしコンタミネーション回避が要求されることから、洗浄水，冷却水等として超純水やこれに類する純水が使用され、また超純水等を原料とする機能水（超純水に類する水素水，オゾン水等）の製造，精製が行われるが、このような超純水等を扱うプロセスにおいて使用されるポンプ等の回転機器にあっては、超純水等と接触する状態で相手部材と相対運動しつつ接触するベアリングが設けられることが多く、かかるベアリングとしても高度のクリーン性やコンタミネーション回避が当然に要求される。したがって、超純水等を扱う回転機器に装備されるベアリングとしては、一般に、超純水に対する耐性を有し且つ耐摩耗性，耐食性，熱伝導性等に優れる炭化珪素焼結体からなる炭化珪素質ベアリングが使用されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−１１５６６公報

しかし、超純水やこれに類する純水，水素水，オゾン水等のように比抵抗値が高い水（一般に、比抵抗値が５〜１８．２ＭΩ・ｃｍの水（例えば、超純水の比抵抗値は約１８ＭΩ・ｃｍである））を取り扱う回転機器にあっては、炭化珪素質ベアリングの摺動面が白色化する現象（白色粉の発生）が認められることがある。摺動面に生じる白色物質（白色粉）はＸ線回折等によればＳｉＯ₂であることが判明しており、このような白色化現象は炭化珪素の酸化腐蝕によるものであり、相手部材との接触摩擦により摺動面に静電気が発生，蓄積されることに起因する。すなわち、超純水のような比抵抗値が極めて高い絶縁流体中においては、摺動面で発生した静電気が放電されずに蓄積され、その結果、静電気と超純水等に含まれる酸素とによる電池作用によって、摺動面を構成する炭化珪素が腐蝕されるのである。

而して、このような白色化現象が生じると、つまり白色物質であるＳｉＯ₂が生じると、これが異物として超純水等を汚染することになり、摺動面の異常摩耗を招来することになる。さらに、摺動面の酸化腐蝕の程度によっては摺動部材の破壊に至る虞れがある。すなわち、かかる酸化腐食により炭化珪素の粒界が著しく侵蝕されることになり、この侵蝕が進行すると、炭化珪素粒子が剥れてエロージョン摩耗を引き起こして、ベアリングが破壊されることがある。また、ベアリングが破壊に至らない場合にも、超純水等中における汚染物（上記白色物質や摺動による摩耗粉等）が静電気作用により吸着されて蓄積することになり、重度のコンタミネーションを引き起こすことになる。

このような問題を解決するために、従来からも、ベアリング又はこれが摺接する相手部材にアース線を取り付けることにより、発生した静電気を放電させるようにすることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）が、アース線の機器外へのルートを別途確保する必要がある等、回転機器の大幅な改造が必要となり、実用的ではない。

本発明は、超純水又はこれに類する純水，機能水等の高比抵抗値水（比抵抗値が５ＭΩ・ｃｍ以上のもの）と接触した状態で使用される場合にも上記したような問題を生じることのない超純水用の炭化珪素質ベアリングを提供することを目的とするものである。

本発明は、比抵抗値が５〜１８．２ＭΩ・ｃｍである超純水と接触する状態で相手部材と摺接する炭化珪素質ベアリングにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、少なくとも摺動面に比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下となるようにミラー指数表示における（２２０）面に強配向させた炭化珪素化学蒸着膜（以下「ＣＶＤ−ＳｉＣ膜」という）をコーティングして、相手部材との接触摩擦による静電気の発生，蓄積を防止し、静電気と超純水に含まれる酸素とによる電池作用により当該摺動面にこれを構成する炭化珪素の腐蝕によるＳｉＯ ₂ の白色粉が発生する摺動面の白色化現象を防止するように構成しておくことを提案するものである。なお、本発明における比抵抗値が５〜１８．２ＭΩ・ｃｍである超純水には、一般的な超純水（比抵抗値：約１８ＭΩ・ｃｍ）の他、これに類する高比抵抗値水（比抵抗値が５ＭΩ・ｃｍ以上の水）が含まれる。このような高比抵抗値水としては、超純水（上記一般的な超純水）に類する純水やこれらを使用して製造，精製された水素水，オゾン水等の機能水等であって、比抵抗値が５〜１８．２ＭΩ・ｃｍのものを挙げることができる。

かかる炭化珪素質ベアリングにあっては、摺動面以外の表面部分にもＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成しておくことができる。すなわち、ベアリングの表面の一部又は全部であって、摺動面及び超純水と接触する表面部分に、比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下であるＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングしておくのである。

また、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜は、その比抵抗値を１Ω・ｃｍ以下となすために、ミラー指数表示における（２２０）面に強配向させておくが、ここに、（２２０）面に強配向させるとは、Ｘ線回折装置によって測定される（２２０）面のＸ線回折ピーク強度がミラー指数表示における（１１１）面及びその他のすべての結晶面のＸ線回折ピーク強度より大きくなるようにすることであり、比抵抗値を１Ω・ｃｍ以下となすためには、（２２０）面の（１１１）面に対する配向比が１０〜１０００（好ましくは１００〜１０００）となるように当該（２２０）面に配向（強配向）させておくことが好ましい。（２２０）面の（１１１）面に対する配向比がδであるとは、（２２０）面のＸ線回折ピーク強度が（１１１）面のＸ線回折ピーク強度のδ倍となっていることを意味するものである（Ｘ線回折強度ピーク強度は、米国ＡＳＴＭ規格に基づく粉末Ｘ線回折値により補正したものである）。なお、結晶面の配向度は（１１１）面において最も高く（２２０）面がこれに続くものであることから、（２２０）面に強配向させた場合、Ｘ線回折強度のピークは（２２０）面及び（１１１）面以外の結晶面については殆ど現れない。

また、ベアリングの基体は、密度が３．００ｇ／ｃｍ³以上であり且つ炭化珪素純度が８０％以上の緻密質炭化珪素焼結体であることが好ましい。なお、炭化珪素焼結体は、β型炭化珪素又はα型炭化珪素を原料として、無加圧焼結，ホットプレス焼結，ホットアイソスタティックプレス等により得られる。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜の厚みは１０μｍ〜２ｍｍであることが好ましく、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜の炭化珪素純度が９９．９９％以上であることが好ましい。

以上のように構成された炭化珪素質摺動部材にあっては、相手部材との接触摩擦による静電気が発生する部分（摺動面）が比抵抗値を１Ω・ｃｍ以下とする良電導体膜で構成されているために、静電気による摩耗粉等の異物吸着が生じず、摺動面の異常摩耗や水質汚染が可及的に防止される。しかも、静電気に起因する上記した白色化現象（炭化珪素の酸化腐蝕）、更に酸化腐蝕の進行による破壊も回避される。このような摺動面の酸化腐蝕，異常摩耗，破壊は、上記した如く、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜を（２２０）面に強配向させた結晶構造としておくこと、更には膜厚を１０μｍ以上としておくこと及び９９．９％以上の高純度膜としておくことにより、より効果的に防止される。

本発明の炭化珪素質ベアリングは、少なくとも摺動面に比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下となるＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングしたものであり、摺動面が良導電体膜で構成されたものであるから、超純水のような比抵抗値が高い絶縁流体と接触する状態で使用される場合にも、相手部材との接触摩擦による静電気の発生，蓄積を効果的に防止して、静電気に起因する白色化現象を効果的に防止することができる。また、摺動面を構成するＣＶＤ−ＳｉＣ膜が比抵抗値を１Ω・ｃｍ以下とする良導電性体であることから、摩耗粉等の汚染物質を吸着して蓄積するようなことがなく、高度のクリーン化やコンタミレス化を図ることができる。したがって、本発明によれば、白色物（ＳｉＯ₂）の発生による超純水の水質汚染や当該ベアリングの破損を生じることなく、また静電気による摺動面での摩耗粉の吸着，蓄積が生じることもなく、長期に亘ってクリーン且つ良好で信頼性の高い摺動機能を発揮することができ、高度のクリーン性やコンタミレスが要求される半導体製造装置等に装備されるポンプ等の回転機器において好適に使用できる炭化珪素質ベアリングを提供することができる。

図１は、市販のマグネットポンプ（三和ハイドロテック株式会社製のステンレスマグネットポンプＭＰ−２２２）の要部を示す縦断側面図である。

このマグネットポンプは、図１に示す如く、ポンプケーシング１の背面壁１ａにキャン２を取付け、当該背面壁１ａ及びキャン２の背面壁（図示せず）にインペラ３ａを有するインペラ軸３を回転自在に軸受支持し、インペラ軸３に従動マグネット４ａを有する従動体４を取付け、キャン２を囲繞する円筒状の駆動体５に、キャン２の周壁２ａを挟んで従動マグネット４ａに近接対向する駆動マグネット５ａを取付けて、駆動体５を適宜の駆動手段（図示せず）により回転駆動させることにより、インペラ軸３が回転されるように構成されたものであり、インペラ軸３のインペラ側部分は、ポンプケーシング１の背面壁１ａに次のような軸受手段を介して回転自在に支持されている。すなわち、この軸受手段は、図１に示す如く、インペラ軸３に嵌合固定された円筒状のスラストベアリングＰ及びスリーブＱと背面壁１ａのインペラ軸貫通孔に嵌合固定された嵌着された円筒状のブッシュＲとからなり、スラストベアリングＰ、スリーブＱ及びブッシュＲは、何れも炭化珪素質摺動部材である。スラストベアリングＰ及びスリーブＱは、軸線方向端面ＰＡ，ＱＲを衝合させた状態で、キー６を介してインペラ軸３に相対回転不能に嵌合固定されている。ブッシュＲは、ポンプケーシング１の背面壁１ａにドライブピン７を介して相対回転不能に固定されたもので、スリーブＱに相対回転自在に外嵌されている。すなわち、ブッシュＲは、スリーブＱを介してインペラ軸３を回転自在に支持するベアリングとして機能するものである。スラストベアリングＰは、その軸線方向端面ＰＡがブッシュＲの軸線方向端面ＲＡに相対回転自在に衝合されていて、スラスト荷重を受けるようになっている。

実施例として、上記スラストベアリングＰとして使用しうる本発明に係る炭化珪素質ベアリング（以下「実施例ベアリング」という）Ｐ１を製作した。

すなわち、実施例ベアリングＰ１は、図２に示すように、β型ＳｉＣの焼結体からなる円筒状の基体ｐｂ１を製作し、この基体ｐｂ１の軸線方向端面にβ型ＳｉＣを化学蒸着することによりＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１をコーティングして得られたものであり、このＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１を表面研磨して摺動面ＰＡとなしたものである。なお、実施例ベアリングＰ１は５個製作した。

基体ｐｂ１は緻密質炭化珪素焼結であり、その密度は３．０５ｇ／ｃｍ^３であり、炭化珪素純度は９７％であった。

ＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１は、減圧ＣＶＤ法（反応ガス：ＳｉＣｌ₄（Ｓｉ源）及びＣ₃Ｈ₈（Ｃ源），キャリアガス：Ｈ₂））により蒸着されたものであり、その蒸着条件（反応ガスの流量，モル比、キャリアガスとの還元比、蒸着温度及び蒸着速度等）を制御することにより、比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下となるように（２２０）面に強配向させたものである。すなわち、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１における（２２０）面の（１１１）面に対する配向比は１５０であり、比抵抗値は０．２Ω・ｃｍであった。また、表面研摩後（摺動面ＰＡの形成後）におけるＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１の膜厚は５０μｍであった。また、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１は炭化珪素純度が９９．９９％以上のものであり、これに含まれる不純物は、Ｎａ：７ｐｐｂ，Ｋ：２０ｐｐｂ未満，Ｃｒ：４０ｐｐｂ未満，Ｍｎ：２ｐｐｂ未満，Ｆｅ：５ｐｐｂ，Ｃｏ：２ｐｐｂ未満，Ｃｕ：１０ｐｐｂ未満，Ｚｎ：２０ｐｐｂ未満，Ｍｏ：２０ｐｐｂ未満，Ｗ：７ｐｐｂ未満であった。

また、比較例１として、上記スラストベアリングＰとして使用しうる炭化珪素質ベアリング（以下「第１比較例ベアリング」という）Ｐ２を製作した。

すなわち、第１比較例ベアリングＰ２は、図３に示すように、β型ＳｉＣの焼結体からなる円筒状の基体ｐｂ２を製作し、この基体ｐｂ２の軸線方向端面にβ型ＳｉＣを化学蒸着することによりＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ２をコーティングして得られたものであり、このＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ２を表面研磨して摺動面ＰＡとなしたものである。なお、第１比較例ベアリングＰ２は５個製作した。

基体ｐｂ２は、実施例と同一工程により得られたものであり、実施例ベアリングＰ１の基体ｐａ１と同質，同一形状（密度：３．０５ｇ／ｃｍ³，炭化珪素純度：９７％）の緻密質炭化珪素焼結体である。

ＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ２は、蒸着条件を異にする点を除いて実施例と同一の減圧ＣＶＤ法により蒸着されたものであり、特定結晶面に配向されない無配向の結晶構造をなすものであって、比抵抗値は１．２Ω・ｃｍであった。また、表面研摩後（摺動面ＰＡの形成後）におけるＣＶＤ−ＳｉＣ膜ｐａ１の膜厚は５０μｍであった。

また、比較例２として、上記スラストベアリングＰとして使用しうる炭化珪素質ベアリング（以下「第２比較例ベアリング」という）Ｐ３を製作した。

すなわち、第２比較例ベアリングＰ３は、図４に示すように、円筒状の緻密質炭化珪素焼結体の軸線方向端面を表面研磨して摺動面ＰＡとなしたものであり、前記基体ｐａ１，ｐａ２と同質(密度：３．０５ｇ／ｃｍ³，炭化珪素純度：９７％)の緻密質炭化珪素焼結体である。第２比較例ベアリングＰ３における摺動面ＰＡの比抵抗値は１０ＭΩ・ｃｍであった。なお、第２比較例ベアリングＰ３は５個製作した。

而して、実施例ベアリングＰ１を、５台の上記市販マグネットポンプのスラストベアリングＰとして組み込み、これらのマグネットポンプを３ケ月間連続運転した。ポンプ運転は、超純水（比抵抗値：１８ＭΩ・ｃｍ）を使用して、インペラ軸の回転数を３５２０ｒｐｍとして行った。

また、第１及び第２比較例ベアリングＰ２，Ｐ３についても、夫々、５台の上記市販マグネットポンプのスラストベアリングＰとして組み込み、これらのマグネットポンプを、実施例ベアリングＰ１を組み込んだマグネットポンプと同一条件で、３ケ月間連続運転した。

そして、ポンプ運転開始から３ケ月経過した後、各ポンプを解体して、ベアリングＰ１，Ｐ２，Ｐ３の状態を目視観察した。なお、各市販マグネットポンプの構成は、スラストベアリングＰに代えて上記摺動部材Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を使用した点を除いて変更されておらず、スリーブＱ及びブッシュＲは緻密質炭化珪素焼結体（摺動面は当該焼結体の表面で形成されている）からなるものである。

その結果、実施例ベアリングＰ１を使用した５台のマグネットポンプにおいては、その何れにおいても、スラストベアリングたる実施例ベアリングＰ１は破損しておらず、その実施例ベアリングＰ１の摺動面ＰＡには全く白色化現象は全く認められなかった。一方、第１比較例ベアリングＰ２を使用した５台のマグネットポンプにおいては、その何れにおいても第１比較例ベアリングＰ２に破損は認められなかったが、１台のマグネットポンプにおいて第１比較例ベアリングＰ２の摺動面ＰＡに極く微量ではあるが、白色粉が認められた。また、第２比較例ベアリングＰ３を使用した５台のマグネットポンプにおいては、その何れにおいても第１比較例ベアリングＰ２の摺動面ＰＡに白色粉が発生しており、明瞭な白色化現象が認められた。しかも、第２比較例ベアリングＰ３を使用した５台のマグネットポンプのうち２台については、第２比較例ベアリングＰ３の破損が認められた。

また、実施例ベアリングＰ１を使用した５台のマグネットポンプについては、当該実施例ベアリングＰ１をそのままスラストベアリングとして組み立て、上記したと同一の条件で更に６ケ月間連続運転し、再度、実施例ベアリングＰ１の状態を目視確認した。その結果、何れのマグネットポンプにおいても、実施例ベアリングＰ１の破損及びその摺動面ＰＡにおける白色化現象は全く認められなかった。

これらのことから、実施例ベアリングＰ１は、摺動面をＣＶＤ−ＳｉＣ膜で構成しない第２比較例ベアリングＰ３に比しては勿論、同様にＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングした第１比較例ベアリングＰ２に比しても、酸化腐蝕による白色化現象やベアリング破損を効果的に防止し得るものであり、長期に亘って良好なベアリング機能を発揮するものであることが確認された。

なお、本発明の炭化珪素質ベアリングにあっては、上記実施例ベアリングＰ１のように摺動面のみに比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下のＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成しておく他、必要に応じて、当該ベアリングの全表面又は摺動面以外の表面部分（例えば、超純水等に接触する表面部分））に当該ＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングするようにしてもよい。

また、相互に接触する２個以上の炭化珪素質摺動部材からなる軸受手段等においては、少なくとも１個の炭化珪素質摺動部材に本発明を適用しておけば足りるが、かかる場合においては、全ての炭化珪素質摺動部材又は２個以上の炭化珪素質摺動部材に本発明を適用しておくことにより白色化現象の発生等をより効果的に防止することが可能である。例えば、上記したマグネットポンプにおいては、スラストベアリングＰの摺動面ＰＡに加えて、スリーブＱの外周面（相手部材をブッシュＲとする場合の摺動面）やブッシュＲの内周面（相手部材をスリーブＱとする場合の摺動面）及び軸線方向端面ＲＡ（相手部材をスラストベアリングＰとする場合の摺動面）に、比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下のＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングするようにしてもよい。勿論、これらの炭化珪素質摺動部材Ｐ，Ｑ，Ｒの全表面ないし超純水Ｗに接触する表面全体に当該ＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコーティングしておいてもよい。

炭化珪素質ベアリングを使用した市販のマグネットポンプの要部を示す縦断側面図である。実施例ベアリングを装填した状態を示す図１の要部拡大図である。第１比較例ベアリングを装填した状態を示す図１の要部拡大図である。第２比較例ベアリングを装填した状態を示す図１の要部拡大図である。

符号の説明

Ｐスラストベアリング
Ｐ１実施例ベアリング（スラストベアリング）
ｐａ１ＣＶＤ−ＳｉＣ膜
ｐｂ１基体
ＰＡ摺動面
Ｑスリーブ
Ｒブッシュ
Ｗ超純水

Claims

比抵抗値が５〜１８．２ＭΩ・ｃｍである超純水と接触する状態で相手部材と摺接する炭化珪素質ベアリングであって、少なくとも摺動面に比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下となるようにミラー指数表示における（２２０）面に強配向させた炭化珪素化学蒸着膜をコーティングして、相手部材との接触摩擦による静電気の発生，蓄積を防止し、静電気と超純水に含まれる酸素とによる電池作用により当該摺動面にこれを構成する炭化珪素の腐蝕によるＳｉＯ ₂ の白色粉が発生する摺動面の白色化現象を防止するように構成したことを特徴とする超純水用の炭化珪素質ベアリング。
表面の一部又は全部であって、摺動面及び超純水と接触する表面部分に、比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下である炭化珪素化学蒸着膜をコーティングしてあることを特徴とする、請求項１に記載する超純水用の炭化珪素質ベアリング。
当該摺動部材の基体が、密度が３．００ｇ／ｃｍ³以上であり且つ炭化珪素純度が８０％以上の炭化珪素焼結体であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する超純水用の炭化珪素質ベアリング。
前記化学蒸着膜の厚みが１０μｍ〜２ｍｍであり且つ当該膜の炭化珪素純度が９９．９９％以上であることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れかに記載する超純水用の炭化珪素質ベアリング。