JP7543147B2 - すべり軸受、すべり軸受装置、及びポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、ポンプ等の回転機械のラジアル軸受として好適に使用されるすべり軸受、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置、及び当該すべり軸受装置を備えたポンプに関する。
ポンプ等に、樹脂材料を用いたすべり軸受を備えたすべり軸受装置を使用するときは、ポンプ等が取り扱う水に土砂等の異物が混入していることを想定し、異物の主成分である硬度の大きいＳｉＯ２が軸受のすべり面に侵入して樹脂材料を摩耗する現象を考慮しなければならない。すなわち、異物混入水中でのポンプ等の運転は、樹脂製のすべり軸受の摩耗量が増大し軸受寿命が短くなるという問題を考慮しなければならない。
したがって、すべり軸受装置のすべり軸受に用いられる樹脂材料には、ＳｉＯ２等のスラリー中運転時での摩耗速度が小さいことが求められる。
一方で、立形ポンプ等においては、すべり軸受装置は、必ずしも軸受のすべり面が水中で運転されるばかりではなく、管理運転や先行待機運転のように大気中で運転される場合、すなわち、すべり軸受装置の軸受のすべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される場合がある。すべり軸受装置がドライ条件で運転される場合、ポンプ等の回転軸との摩擦による発熱によって、軸受のすべり面の樹脂材料の温度が上昇し、樹脂材料の変形及び摩耗が発生するという問題がある。また、近年、ドライ条件で運転されるポンプは多種に及んでおり、すべり軸受が支える回転軸の回転速度（Ｖ）及び摺動面圧（Ｐ）の条件の範囲、並びにＰＶ値（回転軸の回転速度×摺動面圧）の範囲がより高い値の条件へと広がってきており、このようなより過酷な条件において、上述のすべり軸受の樹脂材料の変形及び摩耗の発生がより顕著になるという問題がある。
したがって、すべり軸受装置のすべり軸受に用いられる樹脂材料には、上述のスラリー中運転時の摩耗速度が小さいことに加えて、ドライ条件の運転時に、摩擦係数が小さくて発熱が少ないこと、及び比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であることも求められる。
従来のすべり軸受装置としては、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物を含むすべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受のすべり面において、前記フッ素樹脂は２％以上１０％以下の面積率を有し、前記炭素繊維は４％以上１７％以下の面積率を有し、前記グラファイトは５％以上１５％以下の面積率を有し、前記芳香族ポリエーテルケトンおよび前記不可避不純物は残りの面積を占める、すべり軸受装置（特許文献１）が知られている。特許文献１に記載のすべり軸受装置におけるすべり軸受は、グラファイトの面積率が５％以上となっていてグラファイトの含有率が高く、また、添加剤として窒化ホウ素を含んでいない。
また、芳香族ポリエーテルケトン、タルク、炭素繊維、及び不可避不純物を含むすべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受に対する前記タルクの含有率は７質量％以上１８質量％以下であり、前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は２７％以上３５％以下である、すべり軸受装置（特許文献２）が知られている。特許文献２に記載のすべり軸受装置におけるすべり軸受は、炭素繊維の面積率が２７％以上と高い値を有しており、また、添加剤としてタルクを含んでいる。
また、芳香族ポリエーテルケトン、タルク、炭素繊維、及び不可避不純物を含むすべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受に対する前記タルクの含有率は７質量％以上１８質量％以下であり、前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は２７％以上３５％以下である、すべり軸受装置（特許文献２）が知られている。特許文献２に記載のすべり軸受装置におけるすべり軸受は、炭素繊維の面積率が２７％以上と高い値を有しており、また、添加剤としてタルクを含んでいる。
本発明は、土砂等の異物を含む水（スラリー）中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れるすべり軸受を提供することを目的とする。また、本発明は、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れることに加えて、軸受のすべり面が大気中に露出するドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、かつ比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することも別の目的とする。さらに、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置及び当該すべり軸受装置を備えたポンプを提供することも別の目的とする。
以上述べた課題を解決するために、本発明の一形態によれば、
すべり軸受であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受、が提供される。
すべり軸受であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受、が提供される。
本発明の別の形態によれば、
すべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受装置、が提供される。
すべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受装置、が提供される。
上記いずれの形態であっても、前記すべり軸受のすべり面が、大気と接触した状態及び土砂が混入した水と接触した状態のいずれでも運転可能に構成されていることが好ましい。
上記いずれの形態であっても、前記芳香族ポリエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、又はそれらの組み合わせであることが好ましい。
上記いずれの形態であっても、前記フッ素樹脂が、ポリテトラフロオロエチレン、テトラフロオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、又はそれらの組み合わせであることが好ましい。
本発明の別の形態によれば、上記すべり軸受を備えたポンプが提供される。
本発明によれば、水中ポンプのラジアル軸受用すべり軸受装置で使用されるすべり軸受であって、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れるすべり軸受装置を提供することができる。また、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れることに加えて、ドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、かつ比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することもできる。さらに、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置及び当該すべり軸受装置を備えたポンプを提供することもできる。
図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプ３の全体を示す断面図である。図１に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。
立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、上下二本の軸が軸継手２６によって互いに接続されることにより形成された一本の回転軸１０が配置されている。回転軸１０は、支持部材を介してケーシング２９に固定されている上部軸受３２と、支持部材を介して吐出ボウル２８に固定されている下部軸受３３によって支持されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。回転軸１０の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させる図示しないエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキンまたはメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。
駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転
によって水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。
によって水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。
図２は、図１に示した軸受３２，３３に適用される軸受装置の拡大図である。図３は、図２に示す軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。図２に示すように、軸受装置は、回転軸１０の外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１は、例えば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を８００以上２５００以下とすることができる。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）１ａと非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９（図１参照）等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図３に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面（すべり面）１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。
本実施形態に係るすべり軸受装置は、例えば、図２に示したすべり軸受装置と同様の構造を有する。即ち、本実施形態に係るすべり軸受装置は、回転体である回転軸１０及びスリーブ１１と、固定体であるすべり軸受１とを有する。また、本実施形態に係るすべり軸受装置に用いられるすべり軸受１は、図３に示したすべり軸受１と同様の構造を有する。
本実施形態に係るすべり軸受１は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成される。円筒形状のすべり軸受１の内周面は、スリーブ１１の外周面と接触する軸受の内周面（すべり面）１ａを構成している。
本実施形態に係るすべり軸受を形成する樹脂組成物において、前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満である。
グラファイトの含有率、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率、並びに炭素繊維の面積率を上記数値範囲内とする樹脂組成物を用いて形成したすべり軸受は、後述の実施例１及び２において示すように、スラリー中での摩耗速度が２３μｍ／ｈ以下、ＰＶ値：１．５ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の温度上昇値が１２０℃以下、かつＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の摩擦係数が０．１以下となり、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れ、かつドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能となる。
グラファイトの含有率、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率、並びに炭素繊維の面積率を上記数値範囲内とする樹脂組成物を用いて形成したすべり軸受は、後述の実施例１及び２において示すように、スラリー中での摩耗速度が２３μｍ／ｈ以下、ＰＶ値：１．５ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の温度上昇値が１２０℃以下、かつＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の摩擦係数が０．１以下となり、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れ、かつドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能となる。
フッ素樹脂は、スラリー中での摩耗速度、及び１．０ＭＰａ・ｍ／s未満のＰＶ値での摩擦係数を低減させる効果を有しているが、１．０ＭＰａ・ｍ／s以上のＰＶ値でのすべり軸受の温度上昇が大きくなる傾向がある。窒化ホウ素は、高温における潤滑効果を有している。グラファイトは、固体潤滑剤として機能するが、高温において潤滑効果が低下する傾向がある。炭素繊維は、強度を増加させ、線膨張係数を低減させる効果を有している。本発明は、樹脂成分（芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂）、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの組成を最適化した樹脂組成物からすべり軸受を形成することにより、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れ、かつドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、比較的高いＰＶ値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することができる。
樹脂組成物に対する、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率は、３０質量％以下であり、２８量％以下、２６量％以下、２３量％以下、又は２０質量％以下とすることもできる。窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率は、５量％以上、１０量％以上、１５量％以上、１８質量％以上、又は２０量％以上とすることができる。
樹脂組成物に対するグラファイトの含有率は、５質量％以下（０質量％を含む）であり、３質量％以上５質量％以下とすることもできる。
グラファイトの平均粒径は、３μmより大きく１５μm以下であることが好ましい。
すべり軸受のすべり面における炭素繊維の面積率は、１０％未満であり、９．５％以下、９％以下、８％以下、又は７％以下とすることもできる。また、炭素繊維の面積率は、１％以上、２％以上、３％以上、又は４％以上とすることもできる。
樹脂組成物に対する炭素繊維の含有率は、特に限定されないが、３質量％以上１２質量以下、４質量％以上１１質量％以下、又は５質量％以上１０質量％以下とすることができる。
炭素繊維は短繊維から構成されていることが好ましい。
軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維の直径は、５μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、５．５μｍ以上９μｍ以下がより好ましく、６μｍ以上８μｍ以下が最も好ましい。炭素繊維の直径は、光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて、後述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
また、軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維の長さは、５μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、６μｍ以上５００μｍ以下がより好ましく、７μｍ以上２００μｍ以下が最も好ましい。炭素繊維の長さは、光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて、後述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維のアスペクト比（長さ／直径）は、２以上１００以下が好ましく、１０以上１００以下がより好ましく、３０以上１００以下が最も好ましい。
軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維の直径は、５μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、５．５μｍ以上９μｍ以下がより好ましく、６μｍ以上８μｍ以下が最も好ましい。炭素繊維の直径は、光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて、後述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
また、軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維の長さは、５μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、６μｍ以上５００μｍ以下がより好ましく、７μｍ以上２００μｍ以下が最も好ましい。炭素繊維の長さは、光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて、後述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
軸受のすべり面１ａにおいて観察される炭素繊維のアスペクト比（長さ／直径）は、２以上１００以下が好ましく、１０以上１００以下がより好ましく、３０以上１００以下が最も好ましい。
樹脂組成物に対する窒化ホウ素の含有率は、特に限定されないが、１３質量％以上２２質量以下、１４質量％以上２１質量％以下、又は１５質量％以上２０質量％以下とすることができる。
窒化ホウ素としては、特に限定されず、六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ－ＢＮ）、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、六方晶窒化ホウ素が好ましい。
窒化ホウ素の平均粒径は、４μmより大きく２０μm以下であることが好ましい。
窒化ホウ素の平均粒径は、４μmより大きく２０μm以下であることが好ましい。
芳香族ポリエーテルケトンとしては、特に限定されず、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、ポリエーテルエーテルケトンが好ましい。
フッ素樹脂としては、特に限定されず、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、ポリテトラフロオロエチレンが好ましい。
樹脂組成物に対するフッ素樹脂の含有率は、特に限定されないが、１０質量％以上２０質量未満、１２質量％以上１８質量％以下、又は１３質量％以上１７質量％以下とすることができる。特に、フッ素樹脂の含有率を２０質量％未満とすることにより、樹脂組成物からすべり軸受を成形する際の成形性を向上させることができる。
樹脂組成物に対するフッ素樹脂の含有率は、特に限定されないが、１０質量％以上２０質量未満、１２質量％以上１８質量％以下、又は１３質量％以上１７質量％以下とすることができる。特に、フッ素樹脂の含有率を２０質量％未満とすることにより、樹脂組成物からすべり軸受を成形する際の成形性を向上させることができる。
（窒化ホウ素の含有率の測定方法）
窒化ホウ素の含有率は、以下の方法により測定することができる。
すなわち、成形したすべり軸受を１００ｇ測り取り、８００℃において焼成を行い、炭素繊維、フッ素樹脂などの成分を分解・揮発させ、窒化ホウ素を灰分として回収し、灰分の質量を測定する。そして、すべり軸受の質量（１００ｇ）に対する灰分（窒化ホウ素）の質量の割合を算出し、窒化ホウ素の含有率とする。
窒化ホウ素の含有率は、以下の方法により測定することができる。
すなわち、成形したすべり軸受を１００ｇ測り取り、８００℃において焼成を行い、炭素繊維、フッ素樹脂などの成分を分解・揮発させ、窒化ホウ素を灰分として回収し、灰分の質量を測定する。そして、すべり軸受の質量（１００ｇ）に対する灰分（窒化ホウ素）の質量の割合を算出し、窒化ホウ素の含有率とする。
（炭素繊維の面積率の測定方法）
炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である。このような炭素繊維の面積率の測定方法の具体例を以下に述べる。
成形したすべり軸受のすべり面から縦５ｍｍ×横５ｍｍの正方形の試料片を切り出し、試料片の表面を研磨する。当該試料片の研磨した表面においてランダムに５箇所を選定し、それぞれの箇所について光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて縦５８９μｍ×横４４２μｍの平面の撮影を行う。平面の撮影時の条件としては、倍率：５００倍、落射照明：同軸落射、画素（ピクセル）：２８８０×２１６０、を採用する。撮影した縦５８９μｍ×横４４２μｍの平面を観察部分とし、画像解析により炭素繊維の部分の同定を行う。観察部分の面積全体に対する炭素繊維の面積の占める割合を算出し、５箇所における算出値の平均を求め炭素繊維の面積率とする。ここで、すべり軸受表面の観察部分の画像解析は、画像解析プログラム：Ｉｍａｇｅ Ｊ（「Ａｎａｌｙｚｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」コマンドで実施）を用いて行うことができ、画像解析条件は、測定プログラムColor Thresholdにおいて、画素「Hue ０～２２５、Saturation ０～２２５、Brightness １７０～２２５」に設定し、他はデフォルト設定にする。この画像解析プログラムを使用して、炭素繊維の画素特性(明るさ、色)と同じ画素特性を有する部分を抽出することにより行う。上記の画像解析プログラム（Ｉｍａｇｅ Ｊ）において、Brightness
１７０～２２５の領域を抽出しており、これはＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域を抽出していることを意味している。
炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率である。このような炭素繊維の面積率の測定方法の具体例を以下に述べる。
成形したすべり軸受のすべり面から縦５ｍｍ×横５ｍｍの正方形の試料片を切り出し、試料片の表面を研磨する。当該試料片の研磨した表面においてランダムに５箇所を選定し、それぞれの箇所について光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープ ＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ社製）、対物レンズ ＶＨＸ－Ｅ５００（５００～２５００倍））を用いて縦５８９μｍ×横４４２μｍの平面の撮影を行う。平面の撮影時の条件としては、倍率：５００倍、落射照明：同軸落射、画素（ピクセル）：２８８０×２１６０、を採用する。撮影した縦５８９μｍ×横４４２μｍの平面を観察部分とし、画像解析により炭素繊維の部分の同定を行う。観察部分の面積全体に対する炭素繊維の面積の占める割合を算出し、５箇所における算出値の平均を求め炭素繊維の面積率とする。ここで、すべり軸受表面の観察部分の画像解析は、画像解析プログラム：Ｉｍａｇｅ Ｊ（「Ａｎａｌｙｚｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」コマンドで実施）を用いて行うことができ、画像解析条件は、測定プログラムColor Thresholdにおいて、画素「Hue ０～２２５、Saturation ０～２２５、Brightness １７０～２２５」に設定し、他はデフォルト設定にする。この画像解析プログラムを使用して、炭素繊維の画素特性(明るさ、色)と同じ画素特性を有する部分を抽出することにより行う。上記の画像解析プログラム（Ｉｍａｇｅ Ｊ）において、Brightness
１７０～２２５の領域を抽出しており、これはＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域を抽出していることを意味している。
なお、各すべり軸受について、上記の方法により炭素繊維の面積率を直接測定することができるが、それとは異なり、例えば、以下のように、炭素繊維の体積率（体積％）に基づいて炭素繊維の面積率を算出することもできる。
体積率（体積％）と面積率との関係に関して、佐藤 直子ら, “材料組織の形態評価の変遷と展望”, 鉄と鋼, Vol.100 (2014), No.10, p.1182-1190や、足立 吉隆,“コンピュータ支援3D計量形態学”, Vo. 61 (2011), No. 2, p.78-84に記載されているように、複相組織において、複数の観察面上から求めた平均面積率と体積率の間には、平均面積率と体積率とが等しいとの関係式が成立することが知られている。したがって、すべり軸受における炭素繊維の体積率（体積％）の値を、炭素繊維の面積率の値として用いることができる。ここで、すべり軸受における炭素繊維の体積率（体積％）は、例えば、後述の実
施例に示すように、すべり軸受に含まれる各成分の含有率（質量％）及び比重に基づいて算出することもできる。
体積率（体積％）と面積率との関係に関して、佐藤 直子ら, “材料組織の形態評価の変遷と展望”, 鉄と鋼, Vol.100 (2014), No.10, p.1182-1190や、足立 吉隆,“コンピュータ支援3D計量形態学”, Vo. 61 (2011), No. 2, p.78-84に記載されているように、複相組織において、複数の観察面上から求めた平均面積率と体積率の間には、平均面積率と体積率とが等しいとの関係式が成立することが知られている。したがって、すべり軸受における炭素繊維の体積率（体積％）の値を、炭素繊維の面積率の値として用いることができる。ここで、すべり軸受における炭素繊維の体積率（体積％）は、例えば、後述の実
施例に示すように、すべり軸受に含まれる各成分の含有率（質量％）及び比重に基づいて算出することもできる。
本発明においては、芳香族ポリエーテルケトンの粉末、フッ素樹脂の粉末、窒化ホウ素の粉末、炭素繊維、及びグラファイトの粉末をドライブレンドして樹脂組成物を調製し、この樹脂組成物を圧縮成形した後、表面加工を施すことによりすべり軸受を製造することができる。また、このすべり軸受を使用してすべり軸受装置を製造することができ、さらに、このすべり軸受装置を使用してポンプを製造することができる。
以下、本発明について実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例に記載の内容に限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１では、各成分の含有率（質量％）が表１に示す値となるように、芳香族ポリエーテルケトン（ポリエーテルエーテルケトン）の粉末、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）の粉末、窒化ホウ素（平均粒径４μｍ）の粉末、炭素繊維（直径約６μｍ、長さ約１００μｍ）、及びグラファイト（粒径１～２０μｍ）の粉末（本発明例Ｎｏ．１～３ではグラファイトを配合せず）をドライブレンドしてペレットを製造した。得られたペレットを金型に入れ、加圧、加熱し、１次加工の成形を行った後、２次加工の機械加工により詳細な形状を付与し、すべり軸受を製造した。そして、得られたすべり軸受について、後述するスラリー中での摩耗速度の評価を行った。結果を表１及び図４に示す。
実施例１では、各成分の含有率（質量％）が表１に示す値となるように、芳香族ポリエーテルケトン（ポリエーテルエーテルケトン）の粉末、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）の粉末、窒化ホウ素（平均粒径４μｍ）の粉末、炭素繊維（直径約６μｍ、長さ約１００μｍ）、及びグラファイト（粒径１～２０μｍ）の粉末（本発明例Ｎｏ．１～３ではグラファイトを配合せず）をドライブレンドしてペレットを製造した。得られたペレットを金型に入れ、加圧、加熱し、１次加工の成形を行った後、２次加工の機械加工により詳細な形状を付与し、すべり軸受を製造した。そして、得られたすべり軸受について、後述するスラリー中での摩耗速度の評価を行った。結果を表１及び図４に示す。
また、表１に示した各成分の含有率（質量％）及び各成分の比重（芳香族ポリエーテルケトン：１．３、フッ素樹脂：２．１７、窒化ホウ素：２．３、炭素繊維：１．８、グラファイト：１．８）に基づいて、本発明例Ｎｏ．１～４及び比較例Ｎｏ．１～６のすべり軸受の炭素繊維の体積率（体積％）を算出した。結果を表１に示す。上述のように、複相組織において、平均面積率（％）は体積率（体積％）と等しいという関係が成り立つので、表１に示した炭素繊維の体積率（体積％）は、炭素繊維の平均面積率（％）と等しいこととなる。
本発明例Ｎｏ．１～４及び比較例Ｎｏ．１～６のすべり軸受のスラリー中での摩耗速度は、下記手順に沿って測定した。
(スラリー中での摩耗速度)
まず、平均粒径が約５μｍのケイ砂（主成分：Ｓｉ０２）と平均粒径が約３０μｍのケ
イ砂とが１：１の割合で含まれている砂粒子を３０００ｍｇ／Ｌの濃度となるように水中に投入し、スラリーを作成した。得られたスラリーの中に、すべり軸受を含む軸受装置（図２の回転軸１０、スリーブ１１、すべり軸受１、及び軸受ケース１２（つば部１２ａを含む）からなる装置）を沈め、８時間にわたって２５℃で維持されているスラリーの中でＰＶ値０．６ＭＰａ・ｍ／sの条件においてＷＣ基超硬合金の初期表面粗さ（Ｒａ）が３．２の平面に対して摺動させ、すべり軸受の摩耗速度（μｍ／ｈ）を算出した。
(スラリー中での摩耗速度)
まず、平均粒径が約５μｍのケイ砂（主成分：Ｓｉ０２）と平均粒径が約３０μｍのケ
イ砂とが１：１の割合で含まれている砂粒子を３０００ｍｇ／Ｌの濃度となるように水中に投入し、スラリーを作成した。得られたスラリーの中に、すべり軸受を含む軸受装置（図２の回転軸１０、スリーブ１１、すべり軸受１、及び軸受ケース１２（つば部１２ａを含む）からなる装置）を沈め、８時間にわたって２５℃で維持されているスラリーの中でＰＶ値０．６ＭＰａ・ｍ／sの条件においてＷＣ基超硬合金の初期表面粗さ（Ｒａ）が３．２の平面に対して摺動させ、すべり軸受の摩耗速度（μｍ／ｈ）を算出した。
表１及び図４の結果より、グラファイトの含有率が５質量％以下（０質量％を含む）であり、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率が３０質量％以下であり、炭素繊維の体積率（体積％）が１０％未満（すなわち、面積率が１０％未満）である本発明例Ｎｏ．１～４のすべり軸受は、スラリー中での摩耗速度が２３μｍ／ｈ以下と低いものとなった。
一方、グラファイトの含有率が５質量％以下であるものの、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率が３０質量％を超えており、炭素繊維の体積率（体積％）が１０％以上（すなわち、面積率が１０％以上）である比較例Ｎｏ．１～６のすべり軸受は、スラリー中での摩耗速度が２８μｍ／ｈ以上と高いものとなった。
以上より、本発明例Ｎｏ．１～４のように、すべり軸受を形成する樹脂組成物の組成を特定のものとすることにより、スラリー中での摩耗速度を低減させて耐スラリー摩耗性を向上できることがわかった。
一方、グラファイトの含有率が５質量％以下であるものの、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率が３０質量％を超えており、炭素繊維の体積率（体積％）が１０％以上（すなわち、面積率が１０％以上）である比較例Ｎｏ．１～６のすべり軸受は、スラリー中での摩耗速度が２８μｍ／ｈ以上と高いものとなった。
以上より、本発明例Ｎｏ．１～４のように、すべり軸受を形成する樹脂組成物の組成を特定のものとすることにより、スラリー中での摩耗速度を低減させて耐スラリー摩耗性を向上できることがわかった。
（実施例２）
表１に示した本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受について、下記の限界ＰＶ値及び摩擦係数の評価を行った。結果を表２並びに図５及び６に示す。
表１に示した本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受について、下記の限界ＰＶ値及び摩擦係数の評価を行った。結果を表２並びに図５及び６に示す。
（限界ＰＶ値）
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いたドライ試験において、ＰＶ値：０．３０、０．３５、０．４０、０．６０、又は０．７０ＭＰａ・ｍ／sで２時間運転し、各ＰＶ値においてすべり軸受のすべり面から深さ５ｍｍの位置の温度上昇値の測定を行った。そして、図５に示すグラフ（横軸：ＰＶ値、縦軸：温度上昇値）を作成し、近似直線を引くことによりＰＶ値：１．５ＭＰａ・ｍ／sにおける温度上昇値の推定値を算出した。
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いたドライ試験において、ＰＶ値：０．３０、０．３５、０．４０、０．６０、又は０．７０ＭＰａ・ｍ／sで２時間運転し、各ＰＶ値においてすべり軸受のすべり面から深さ５ｍｍの位置の温度上昇値の測定を行った。そして、図５に示すグラフ（横軸：ＰＶ値、縦軸：温度上昇値）を作成し、近似直線を引くことによりＰＶ値：１．５ＭＰａ・ｍ／sにおける温度上昇値の推定値を算出した。
（摩擦係数）
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いて、ＰＶ値：０．３０、０．３５、０．４０、０．６０、又は０．７０ＭＰａ・ｍ／sで２時間、ＷＣ基超硬合金の初期表面粗さ（Ｒａ）が３．２の面に対して潤滑油を用いずに摺動させ、２時間の間、０．５秒間隔で連続的に摩擦係数の測定を行った。２時間の運転中のうちの後半の１時間における摩擦係数の平均値を算出し、各ＰＶ値におけるすべり軸受の摩擦係数とした。そして、図６に示すグラフ（横軸：ＰＶ値、縦軸：摩擦係数）を作成し、近似直線を引くことによりＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおける摩擦係数の推定値を算出した。
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いて、ＰＶ値：０．３０、０．３５、０．４０、０．６０、又は０．７０ＭＰａ・ｍ／sで２時間、ＷＣ基超硬合金の初期表面粗さ（Ｒａ）が３．２の面に対して潤滑油を用いずに摺動させ、２時間の間、０．５秒間隔で連続的に摩擦係数の測定を行った。２時間の運転中のうちの後半の１時間における摩擦係数の平均値を算出し、各ＰＶ値におけるすべり軸受の摩擦係数とした。そして、図６に示すグラフ（横軸：ＰＶ値、縦軸：摩擦係数）を作成し、近似直線を引くことによりＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおける摩擦係数の推定値を算出した。
図５の近似直線より、本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受は、ＰＶ値：１．５ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の温度上昇値が１２０℃以下であると推測でき、すべり軸受の温度上昇を抑制できることがわかる。
また、図６の近似直線より、本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受は、ＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の摩擦係数が０．１以下であると推測でき、摩擦を小さくできることがわかる。
したがって、本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受は、耐スラリー摩耗性に優れると共に、限界ＰＶ値の評価が良好で、かつ摩擦が小さく良好であることがわかった。
また、図６の近似直線より、本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受は、ＰＶ値：１．０ＭＰａ・ｍ／sにおけるすべり軸受の摩擦係数が０．１以下であると推測でき、摩擦を小さくできることがわかる。
したがって、本発明例Ｎｏ．１のすべり軸受は、耐スラリー摩耗性に優れると共に、限界ＰＶ値の評価が良好で、かつ摩擦が小さく良好であることがわかった。
以上で説明したように、本発明の実施形態に係るすべり軸受装置のすべり軸受をラジアル軸受として備えたポンプであれば、異物混入水を処理する排水機場において、水中運転と大気中運転とが繰り返されても、すべり軸受の摩耗を抑制し、且つすべり軸受の低摩擦性（潤滑性）を維持することができる。
１…すべり軸受
１ａ…内周面（すべり面）
３…立軸ポンプ
１０…回転軸
１１…スリーブ
１ａ…内周面（すべり面）
３…立軸ポンプ
１０…回転軸
１１…スリーブ
Claims (5)
- すべり軸受であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、かつ前記フッ素樹脂の含有率は２０質量％未満であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率であり、
前記すべり軸受のすべり面が、大気と接触した状態及び土砂が混入した水と接触した状態のいずれでも運転可能に構成されている、
前記すべり軸受。 - すべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は５質量％以下（０質量％を含む）であり、前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は３０質量％以下であり、かつ前記フッ素樹脂の含有率は２０質量％未満であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は１０％未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の５箇所について、光学顕微鏡（５００倍）による観察視野：縦５８９μｍ×横４４２μｍの部分を画像処理してＨＳＢ色空間においてBrightnessが７５％以上の領域の面積から求める平均面積率であり、
前記すべり軸受のすべり面が、大気と接触した状態及び土砂が混入した水と接触した状
態のいずれでも運転可能に構成されている、
前記すべり軸受装置。 - 前記芳香族ポリエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、又はそれらの組み合わせである、請求項２に記載されたすべり軸受装置。
- 前記フッ素樹脂が、ポリテトラフロオロエチレン、テトラフロオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、又はそれらの組み合わせである、請求項２又は３に記載されたすべり軸受装置。
- 請求項２～４のいずれか一項に記載のすべり軸受装置を備えたポンプ。
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