JP4801633B2 - 軸受およびこれを備えた回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受およびこれを備えた回転機械に関するものである。

例えば蒸気タービンのような回転機械の軸受には、表面層にＳｎ合金であるホワイトメタルを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
上記特許文献１では、基材として炭素鋼が用いられているが、Ｃｕ合金が用いられる場合がある。

特開平８−１３５６６０号公報

軸受には、回転軸から伝達される繰り返し荷重が加わるため、表面層が剥離しやすい環境にある。
さらに、本発明者等が鋭意検討したところ、基材にＣｕ合金を用い、かつ表面層にＳｎ合金であるホワイトメタルを用いた場合には、ＣｕとＳｎとの拡散により、ＣｕとＳｎの金属間化合物が形成され、しかも、１００℃以下とされた例えば５０℃〜６０℃程度の使用温度範囲であっても、軸受の使用中にＣｕとＳｎの金属間化合物が成長することが判明した。この金属間化合物は、硬くて脆いため、これを起点として応力集中が発生し、表面層が基材から剥離してしまう。
なお、１００℃以下で発生し成長するＣｕとＳｎの金属間化合物としては、例えばＣｕ_３Ｓｎ（ε相）やＣｕ_６Ｓｎ_５（η相）が挙げられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＣｕとＳｎの金属間化合物を起因とする表面層の剥離を回避できる軸受およびこれを備えた回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸受およびこれを備えた回転機械は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる軸受は、Ｃｕ合金とされた基材上に、Ｓｎ合金とされた表面層が形成された軸受において、前記基材と前記表面層との間には、Ｆｅ又はＦｅ合金とされた中間結合層が形成されていることを特徴とする。

ＣｕとＦｅは、ＣｕとＳｎのように金属間化合物を生成することがない。したがって、Ｃｕ合金とされた基材とＳｎ合金とされた表面層との間に、Ｆｅ又はＦｅ合金とされた中間結合層を設けることによって、ＣｕとＳｎとの金属間化合物の生成を回避することができる。
また、ＳｎとＦｅは、ＣｕとＳｎに比べて、金属間化合物の成長速度が遅い。したがって、Ｃｕ合金とされた基材とＳｎ合金とされた表面層との間に、Ｆｅ又はＦｅ合金とされた中間結合層を設けることによって、ＳｎとＦｅに比べて成長速度が速いＣｕとＳｎの金属間化合物の生成を抑制することができる。
以上の通り、ＣｕとＳｎの金属間化合物の生成を抑えることができるので、ＣｕとＳｎの金属間化合物を起因とする表面層の剥離を回避することができる。
なお、本発明は、基材と中間結合層との間、及び、中間結合層と表面層との間に、他の層が介在していることを妨げるものではない。例えば、中間結合層と表面層との間に、密着性の向上を目的としてＳｎめっき層を形成しても良い。もちろん、基材と中間結合層、及び、中間結合層と表面層をそれぞれ直接接合しても良い。

さらに、本発明の軸受によれば、前記基材は、Ｃｒ含有Ｃｕ合金とされ、前記表面層は、ホワイトメタルとされていることを特徴とする。

基材としては、耐熱性、高熱伝導性等の観点から、Ｃｒ含有Ｃｕ合金が好適である。Ｃｒ含有量は、典型的には、0.4〜1.2重量％である。ただし、本発明は、このＣｒ含有量に限定されるものではない。
表面層としては、潤滑性、耐摩耗性等の観点から、ホワイトメタルが好適である。ホワイトメタルとしては、典型的には、ＪＩＳ Ｈ５４０１に規定されたものが用いられる。

さらに、本発明の軸受によれば、前記中間結合層は、電気めっき法によって形成されていることを特徴とする。

中間結合層としては、製造コスト、量産性等の観点から、電気めっき法によって形成することが好ましい。無電解めっき法では、電気めっき法に比べて成膜速度が小さいので、電気めっき法が好適である。
中間結合層のめっき厚さとしては、５〜２０μｍとされる。めっき厚さが５μｍ未満では、基材のＣｕと表面層のＳｎの拡散を有効にブロックすることができない。２０μｍを越えると、製造コストが増大する点で好ましくない。

さらに、本発明の軸受によれば、使用温度が１００℃以下とされることを特徴とする。

軸受が１００℃以下で使用された場合でも、ＣｕとＳｎの金属間化合物として、例えばＣｕ_３Ｓｎ（ε相）やＣｕ_６Ｓｎ_５（η相）が生成される。これらε相やη相は硬くて脆い（特にＣｕ比率が高いε相は顕著である。）ので、割れの原因となる。これに対して、本発明では、ＣｕとＳｎとの拡散を防止するために、バリア材としての役割を有する中間結合層を設けている。
なお、ε相やη相の成長は、１００℃以下の８０℃、さらには５０℃〜６０℃の温度範囲であっても継続する。

また、本発明の回転機械は、上記のいずれかに記載された軸受を備えていることを特徴とする。

上記のいずれかに記載された軸受を備えることにより、軸受の長寿命化に伴い、回転機械の長寿命化が実現される。また、軸受のメンテナンス回数を低減でき、かつ軸受のメンテナンス期間を長期化できるので、回転機械のランニングコストを低減することができる。
なお、回転機械としては、好適には蒸気タービンが挙げられる。また、軸受は、蒸気タービンのスラスト軸受に用いると好適である。

本発明の軸受およびこれを備えた回転機械によれば、以下の効果を奏する。
Ｆｅ又はＦｅ合金とされた中間結合層を設けることによって、ＣｕとＳｎの金属間化合物の生成を抑えることができるので、ＣｕとＳｎの金属間化合物を起因とする表面層の剥離を回避することができる。これにより、基材と表面層との結合状態が長く継続することとなり、軸受としての耐久性が向上する。
また、回転機械の軸受として本発明の軸受を備えることにより、軸受の長寿命化に伴い回転機械の長寿命化が実現される。また、軸受のメンテナンス回数を低減でき、かつ軸受のメンテナンス期間を長期化できるので、回転機械のランニングコストを低減することができる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる軸受の部分縦断面図が示されている。この軸受は、蒸気タービン（回転機械）のスラスト軸受に用いられて好適なものである。蒸気タービンのスラスト軸受に用いられた場合、軸受の摺動部の温度は、潤滑油（例えばISO規格のVG32）の存在下で、１００℃以下、主として５０℃〜６０℃とされる。
図１に示されているように、軸受は、基材１と、回転軸に対して摺動接触する表面層２と、基材１と表面層２との間に設けられた中間結合層３とを備えている。

基材１は、Ｃｒを含有するＣｕ合金とされている。Ｃｒの含有量は１重量％とされ、他の含有元素としては、微量であるが、Ｐｂ，Ｆｅ，Ｓｉ等が挙げられる。
表面層２は、ホワイトメタルとされている。ホワイトメタルは、ＪＩＳ Ｈ５４０１にて規定された材料（例えばＷＪ２）が用いられる。

中間結合層３は、Ｆｅ又はＦｅ合金とされためっき層とされている。このメッキ層は、無電解めっき法では、電気めっき法に比べて被膜硬度が高くなり脆くなるので、電気めっき法によって形成されることが好ましい。めっき厚さは、５〜２０μｍ、より具体的には１０μｍ程度とされる。

次に、上記構成の軸受の製造方法について、図２を用いて説明する。
先ず、ステップＳ１にて、基材となるＣｒ含有Ｃｕ合金の表面をアルカリ洗浄液で脱脂洗浄する。
次に、ステップＳ２にて、硫酸と過酸化水素水の混合液に浸漬し、表面を活性化させた後、水洗する。
そして、ステップＳ３にて、塩化物浴めっき液を用いて電気めっき法により、１０μｍ厚のＦｅの中間結合を形成する。
そして、ステップＳ４にて、水洗し、乾燥させる。
そして、ステップＳ５にて、Ｆｅの中間結合層上に、接着層を形成するためにＳｎめっきを行う。
次に、ステップＳ６にて、Ｓｎめっき層上に、置注ぎによりホワイトメタルを供給し、冷却させて表面層を形成する。
ステップＳ７にて、表面層を除去加工し、所定の厚さに整える。

次に、上記実施形態の実施例について説明する。
本発明に対応した本発明材、従来材、及び比較材の試験片を作成し、せん断強度試験を行った。
本発明材は、上記実施形態と同様に、基材１にＣｒ含有Ｃｕ合金、表面層にホワイトメタル、中間結合層にＦｅの電気めっき層（厚さ１０μｍ）を用いた。
従来材は、上記本発明材に対して中間結合層を除去した構成とした。
比較材は、上記本発明材の中間結合層のＦｅめっき層に代えて、Ｎｉめっき層（厚さ１０μｍ）を用いた。
本発明材、従来材、及び比較材に共通して用いられる基材と、表面層としてのホワイトメタル（ＪＩＳ Ｈ５４０１のＷＪ２）の化学組成は以下の通りである。

次に、本発明材、従来材、及び比較材の試験片の製造方法について説明する。
（１）本発明材
上記実施形態にて図２を用いて説明した製造方法に従って作成した。
先ず、基材となるＣｒ含有Ｃｕ合金（表１参照）を機械加工により、30mm×220mm×7mmの大きさに仕上げた（ステップＳ１０）。
そして、図２のステップＳ１に従い、市販のアルカリ洗浄液で脱脂洗浄した（ステップＳ１１）。
次に、図２のステップＳ２に従い、硫酸と過酸化水素水の混合液に浸漬し、表面を活性化させた後、水洗した（ステップＳ１２）。
そして、図２のステップＳ３に従い、塩化物浴めっき液を用いて電気めっき法により、１０μｍ厚のＦｅの中間結合を形成した（ステップＳ１３）。
このときに用いためっき液の組成およびめっき条件は、以下の通りである。
＜めっき液組成＞
FeSO₄・7H₂0------------250g/L
FeCl₂・4H₂0------------100g/L
Na₂SO₄------------------100g/L
＜めっき条件＞
液温度--------------------------５０℃
電流密度------------------------10A/dm²
陽極-----------------------------鉄板（50mm×250mm×10mm）
pH-------------------------------1.5

次に、図２のステップＳ４に従い、水洗し、乾燥させた（ステップＳ１４）。
そして、図２のステップＳ５に従い、Ｆｅの中間結合層上に、Ｓｎめっきを行った（ステップＳ１５）。
このＳｎめっきは、１次めっきとして３００℃の浴湯に浸漬させ、続いて、２次めっきとして２７０℃の浴湯に浸漬させることにより行った。

次に、図２のステップＳ６に従い、Ｓｎめっき層上に、置注ぎによりホワイトメタル（ＪＩＳ Ｈ５４０１のＷＪ２）を供給し、冷却させて表面層を形成した（ステップＳ１６）。
このときに、ホワイトメタルの凝固位置が最表面となるように、ホワイトメタル側からバーナによって加熱するとともに、基材側から水冷によって冷却した。

（２）従来材
従来材は、本発明材のＦｅめっき工程であるステップＳ１３を省略した以外は、同一の工程で作成した。

（３）比較材
比較材は、本発明材のＦｅめっき工程であるステップＳ１３に代えて、Ｎｉめっき工程を行った。それ以外の工程については、本発明材と同様とした。
Ｎｉめっき工程では、無光沢Ｎｉめっき液を用いて電気めっき法により、１０μｍ厚のＮｉの中間結合層を形成した。このときに用いためっき液の組成およびめっき条件は、以下の通りである。
＜めっき液組成＞
NiSO₄・7H₂0-----------240g/L
NiCl₂・6H₂0------------45g/L
ホウ酸---------------------30g/L
＜めっき条件＞
液温度--------------------------５０℃
電流密度------------------------５A/dm²
陽極-----------------------------Ni板（50mm×250mm×10mm）
pH-------------------------------４

［せん断試験］
上述の通り作成した本発明材、従来材および比較材のそれぞれに対して、せん断試験を行った。
せん断試験に先立ち、本発明材、従来材および比較材のそれぞれについて、図３に示すように、機械加工を行い、同一形状の試験片とした。各試験片の幅Ｂは25±0.05ｍｍ、長さＬは63±0.1、基材１１の厚さｔは5ｍｍ、表面層１２の厚さＨは2ｍｍとした。また、試験片の一端には、直径4ｍｍの孔部１５を形成した。この孔部１５は、後述する加熱試験にて試験片を吊り下げる際に用いられる。さらに、各試験片は、図４に示すように、表面層１２の除去を行い、幅Ｗが3ｍｍとされた帯状の表面層１２ａのみを残すように加工した。帯状の表面層１２ａは、図４（ｂ）に示すように、基材１１に対して直角に立ち上がるように加工されている。
なお、加工後の基材１１の表面及び裏面の中心線平均粗さは6.3とした。

次に、上述のように得られた試験片に対して、加熱試験を行った。加熱試験装置は、図５に示すように、内部にオイル２１が満たされるように構成された試験槽２０を備えている。オイル２１は、試験槽２０内に配置したヒータ２２によって加熱することができるようになっている。各試験片Ｔは、下方にフックを有する吊下部材２３によって吊り下げられた状態で、オイル２１内に全体が満たされるようになっている。
オイル２１は、軸受として用いる際に使用される潤滑油として、ＩＳＯ規格のＶＧ３２を用いた。
加熱試験は、オイル温度１６０℃で１００時間とされた加速条件の下で行われた。

試験片は、上述の加熱試験を行う前の加熱前の試験片と、加熱試験を行った後の加熱後の試験片とが用意された。これらの試験片に対して、図６に示すせん断試験装置を用いてせん断試験を行った。せん断試験は、ＪＩＳ Ｇ ０６０１（クラッド鋼の試験方法）に基づいて行った。
せん断試験装置は、基台３０上に対向して立設された２つのブロック３１，３２を備えている。ブロック３１，３２間の離間距離は、基材１１の厚さｔよりも0.1〜0.15ｍｍ大きい寸法とされている。各ブロック３１，３２の対向する面の中心線平均粗さは6.3とされている。
せん断試験は、ブロック３１，３２の間に、試験片Ｔを上方から挿入し、一方のブロック３１の上端に表面層１２ａを係止させた状態で開始する。そして、上方から下方に向けて試験片Ｔの上端に対して荷重Ｐを加え、表面層１２ａが破壊するまで荷重Ｐを増大させる。試験片Ｔのせん断強さは、荷重Ｐの最大値と、試験開始前の表面層１２ａの接着面積（すなわちＷ3ｍｍ×Ｂ25ｍｍ）とから算出した。

図７には、せん断試験の結果が示されている。同図において、縦軸はせん断強さ（ＭＰａ）とされている。本発明材、従来材および比較材のそれぞれについて、加熱試験前（白抜きの記号）と加熱試験後（黒塗りの記号）の試験データがプロットしてある。
この試験結果から明らかなように、本発明材は、加熱後であっても、加熱前よりも若干低下するものの、ほぼ同等のせん断強さを維持していることが分かる。これに対して、従来材は、加熱前は本発明材よりもせん断強さが大きいが、加熱後はせん断強さが本発明材よりも大幅に低下していることが分かる。比較例については、加熱前は本発明材と同等のせん断強さを有しているが、加熱後はせん断強さが本発明材よりも大幅に低下していることが分かる。

上述の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ＣｕとＦｅは、ＣｕとＳｎのように金属間化合物を生成することがない。したがって、Ｃｕ合金とされた基材１とＳｎ合金のホワイトメタルとされた表面層２との間に、Ｆｅめっきとされた中間結合層３を設けることによって、ＣｕとＳｎとの金属間化合物の生成を回避することができる。
また、ＳｎとＦｅは、ＣｕとＳｎに比べて、金属間化合物の生成速度が遅い。したがって、Ｃｕ合金とされた基材１とＳｎ合金のホワイトメタルとされた表面層２との間に、Ｆｅめっきとされた中間結合層３を設けることによって、ＳｎとＦｅに比べて生成速度が速いＣｕとＳｎの金属間化合物の生成を抑制することができる。また、本実施形態のように、中間結合層３と表面層２との間に接着層としてのＳｎめっき層を設ける場合にも更に効果的である。
このように、中間結合層３によって、ＣｕとＳｎの金属間化合物の生成を抑えることができるので、ＣｕとＳｎの金属間化合物を起因とする表面層２の剥離を回避することができる。

なお、上述の実施形態では、蒸気タービンに用いられるスラスト軸受について説明したが、これはあくまでも一例であって、本発明の軸受は、ジャーナル軸受として用いることもでき、或いは、ディーゼルエンジンやガスタービンといった他の回転機械に用いることもできる。
また、本実施形態では、中間結合層３として純Ｆｅを用いることとしたが、Ｆｅを主成分とするＦｅ合金であってもよく、例えばＭｇを含有するＦｅ合金としてもよい。
また、本実施形態では、中間結合層３のＦｅめっき層を形成する際に電気めっき法を用いることとしたが、遠心鋳造法を用いることとしても良い。遠心鋳造法によれば、めっき層中に存在する比重が高い不純物を遠心力によって集積させ、これを除去することにより高品質のめっき層を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる軸受の部分縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかる軸受の基材上に表面層を形成する製造方法を示したフローチャートである。 本発明の実施例にて用いた試験片の加工途中の状態を示し、（ａ）は表面層側を見た平面図、（ｂ）は側面図である。 図３の試験片をさらに加工した後の最終状態を示し、（ａ）は表面層側を見た平面図、（ｂ）は側面図である。 加熱試験装置を示した側断面図である。 せん断試験装置を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 せん断試験結果を示したグラフである。

符号の説明

１ 基材
２ 表面層
３ 中間結合層

Claims (5)

1. Ｃｕ合金とされた基材上に、Ｓｎ合金とされた表面層が形成された軸受において、
   前記基材と前記表面層との間には、Ｆｅ又はＦｅ合金とされた中間結合層が形成されており、
   前記中間結合層の膜厚が１０μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする軸受。
2. 前記基材は、Ｃｒ含有Ｃｕ合金とされ、
   前記表面層は、ホワイトメタルとされていることを特徴とする請求項１記載の軸受。
3. 前記中間結合層は、電気めっき法によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受。
4. 使用温度が１００℃以下とされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の軸受。
5. 請求項１から４のいずれかに記載された軸受を備えていることを特徴とする回転機械。

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