JPH0434211A - 水中軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、液体中および気体中で使用される水中軸受に
関し、特に定常運転時に水中またはスラリー水中の環境
で運転されるポンプの水中軸受に係るものである。

（従来の技術） 第１図は、汎用縦型ポンプの構造図を示す。水中軸受１
は、ポンプの大きさに応じて複数個使用される。第２図
は、水中軸受の軸方向断面図である。ポンプ軸２にスリ
ーブ３（回転側部材）が焼きばめ等で取り付けてあり、
スリーブと接触するブツシュ４（固定側部材）は、金属
筒５と焼きばめ等で固定され、さらにパツキン６、軸受
カバ−７および軸受支え８を介して本体に固定されてい
る。

従来、縦軸ポンプおよび斜軸ポンプの水中軸受には、ゴ
ム軸受・鉛青銅軸受が使用されていたが、これらのポン
プを起動する場合には、水中軸受が気体中に置かれてい
ることが多いため、そのままの状態で起動することは次
のような理由から困難であった。

すなわち、ゴム軸受も鉛青銅軸受も水や油脂類の潤滑さ
れた状態で使用されると極めて安定した摺動特性を示す
が、無潤滑条件下では、摺動部が激しく発熱し、ゴム軸
受ではゴムの焼損、分解、破壊などが起こり、鉛青銅軸
受では、いわゆる凝着摩耗が発生し軸受部が速やかに破
損することが知られている。

このような理由から従来のポンプ軸受では、軸受摺動部
への潤滑油の供給や注水手段が不可欠となっている。し
かし、このような対策を施工しても砂粒や金属酸化物を
含むスラリー水中で使用すると、ゴムや鉛青銅は軟質で
あるため摩耗損傷が激しく、その機能が短時間内で消失
する欠点があった。

この対策として、特公昭６３−４９０８６号公報では水
中軸受の回転側部材を硬質のタングステンカーバイド（
ＷＣ）を含む超硬合金とし、固定側部材を窒化珪素（Ｓ
１３Ｎ４）または炭化珪素（ＳｉＣ）のセラミックスで
構成することを提案している。

（発明が解決しようとする課題） 前記特公昭８３−４９０８６号公報に開示されている軸
受部材の組合せは極めて硬質であるため、砂粒や金属酸
化物等の異物混入による機械的損傷は受は難いが、構成
する材料が高価であるうえ機械加工に多大の時間と労力
を要するため経済的負担が大きい欠点がある。さらに、
耐摩耗性に優れる超硬合金は、一般に腐食作用を受は易
いＣｏをバインダーとしたＷＣ合金であり、腐食性環境
中での耐食性に劣る欠点がある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記従来技術の水中軸受が高価で補修がほと
んど不可能であうえ、耐摩耗性に優れるＣｏ含有ＷＣ合
金は、耐食性環境中での耐食性に劣ることから、安価で
補修が容易に行え、かつ耐食性にも優れた水中軸受を提
供することを目的になされたものであって、（１）回転
側部材の表層を耐摩耗性・耐食性に富む０３〜８％、Ｃ
ｒ５〜１５％、Ｍｏ　２〜７％、残部Ｆｅを基本成分と
する合金鋼皮膜とし、回転側部材の表層と接する固定側
部材を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）またはサイアロンのセラ
ミックスとすることを特徴とする水中軸受、（２）前記
水中軸受の回転側部材の表層の化学成分が、０３〜８％
、Ｃｒ５〜１５％、Ｍ２〜７％、Ｆｅ残りを基本成分と
して、さらに、Ｃｏ６〜１２％または７３〜８％または
Ｎｉ　５〜１３％を添加した合金鋼であること、（３）
前記水中軸受の回転側部材の表層の化学成分が、０３〜
８％、Ｃｒ５〜１５％、Ｍｏ２〜７％、Ｆｅ残りを基本
成分として、さらにＳｉ　Ｏ，３〜１．５％、ＡＮ　Ｄ
、３〜７％を添加した合金鋼であること、（４）前記水
中軸受の回転側部材の表層に形成される合金鋼皮膜が、
溶射法によって皮膜中の気孔率が３．５％以下に制御さ
れていること及び、（５）前記水中軸受の回転側部材の
表層に形成される合金鋼皮膜が、粉体溶接肉盛法によっ
て施工されていることを要旨とするものである。

（作　　用） 本発明では、水中軸受に要求される諸機能が固定側部材
と回転側部材と力５接する面にあることに注目し、固定
側部材として水中での耐摩耗性に優れかつ破壊靭性が高
い窒化珪素（Ｓ１３Ｎ４）およびサイアロンを選定し、
回転側部材として金属・セラミックス・サーメットなど
多種類の材料の成膜が容易な溶射法によって、窒化珪素
（Ｓｉ３Ｎ４）またはサイアロンとの親和性に優れた皮
膜形成材料を選定した。

この結果、溶射法によってＣ−Ｃｒ−Ｍｏを基調とする
合金鋼の皮膜を形成させたスリーブとサイアロンのブツ
シュの組合せが、前記の問題点をすべて解決できる最適
の組合せであることが判明した。

溶射法によってスリーブ材に形成したＣ−Ｃｒ−Ｍｏ合
金鋼の皮膜は、ＣｒやＭｏを含むため耐食性に優れてい
るほか、密着性も良好でありさらにサイアロンとの摺動
特性も良い。

後述するように、本発明による水中軸受は、スラリー水
中において良好な摺動特性を示すことはもちろんのこと
、水による腐食およびスラリー成分による摩耗にも耐え
ることができる。このため、経済的に優れ補修が容易で
性能・寿命などの点においても卓越した機能を十分発揮
する水中軸受を製作することができる。

本発明の水中軸受に採用した溶射法と最適溶射皮膜の物
性値について、以下に説明する。

溶射法によると溶融可能なものであれば金属・セラミッ
クス・サーメットなど自由に成膜できるが、溶射条件に
よって、皮膜の気孔率、密着性、表面の限界仕上げ粗さ
などが変化する特徴がある。

セラミックス・サーメットなどは一般に硬質で、それ自
体は耐摩耗・耐食性に優れているが、金属にくらべ延性
に乏しくまた相手材（固定側部材）が窒化珪素またはサ
イアロンのセラミックスであることを考慮し、非金属質
の皮膜は採用しないこととした。

以上の理由から本発明では金属質の皮膜を開発すること
とし、多数の候補材料のうちから主としてサイアロンを
相手材とする摩耗試験を行なうことによって選定した。

以下に本発明の皮膜選定のために実施した各種の試験結
果を述べる。

第３図は、本発明の皮膜成分を実験室的に摩耗試験によ
って選定した装置の概要を示したものである。

すなわち、プラスチックを内張すした鋼製の水槽９の中
に、サイアロン製の板１０（縦８×横８×長さ５０ｍ＋
ｍ）を置き、これに各種成分の溶射皮膜および材質の回
転リング１１（直径７０Ｘ厚さ８１１）を接触させ、１
４ｋｇ　ｆ　／−の圧力を負荷させた。水槽中には酸化
鉄粉末（水の１０重量％）を含む水１２を回転リングが
約１７２水没する程度に注入し、１分間に８２０回転の
速度で５時間連続試験を行なった。

試験後、回転リングの外観を観察するとともに、乾燥後
の回転リングの重量を測定しサイアロンに対する最適組
合せ皮膜を決定した。

第１表は、この結果を示したものである。

タングステンカーバイド（ＷＣ）皮膜Ｎｃｉ、１１゜Ｗ
Ｃ焼結体１ｋ１２は、摩耗減量が少なく一見良好なよう
であったが、その表面を光学顕微鏡によって観察すると
金属質のバインダー（主にＣｏ）の腐食が進行している
ことが認められ、海水などの腐食性環境中では寿命が短
いことが伺える。その他、ＷＣを含むＮｉ基自溶性合金
Ｎ０Ｌ１４、ステライト合金に炭化物を含ませた粉体溶
接肉盛４１５〜ｋ１９は、すべて摩耗量が多く耐摩耗性
に乏しいことが判明した。

これに対し、本発明の溶射皮膜磁１〜Ｎα７は摩耗量・
耐食性共良好でありサイアロンとの組合せによって優れ
た機能性を発揮することが明かとなった。

また、本試験結果から皮膜の化学成分は、必須成分とし
て、Ｃ：３〜８重量％、Ｃｒ：５〜１５重量％、Ｍｏ：
２〜７重量％、選択成分として、Ｃｏ：６〜１２重量％
、ｖ二３〜８重量％、Ｎｉ：５〜１３重量％、Ｓ　ｉ：
ｏ、３〜１．５重量％、Ａｊ７：０．３〜７重量％およ
びＦｅ残りであることが望ましく、この組成範囲を超え
た合金皮膜ＮＯ，８〜Ｎ［ＬｌＯでは摩耗量が多く性能
的には劣ることが判明した。

周知のように溶射法は可燃ガス、プラズマなどを熱源と
して溶射材料を溶融させ、これを基材に吹き付けること
によって皮膜を形成させるものである。しかし、大気中
で溶射すると溶融粒子の表面が酸化されるため形成され
た皮膜は酸化物との混合物となりこれが原因で皮膜中に
気孔が発生する。

この対策として、溶射雰囲気中から空気を除けば酸化物
の混入を防止することができ、ち密な皮膜形成ができる
。大気中で溶射する場合でも、基材への吹き付は圧力を
増加すれば、気孔が著しく減少することを知見した。

第４図はこの結果を示したもので、溶射時の燃焼ガス圧
力が増加するほど気孔の少ない皮膜が得られることがわ
かる。

また、プラズマを熱源とする溶射材では、電圧・電流を
増加させるとともにプラズマガスを大量に流すことによ
って同様な皮膜特性を得ることができる。

本発明の溶射皮膜は以上のような溶射条件を制御するこ
とによって、皮膜の気孔率を３，５％以下とすることが
好ましい。これより気孔率が高いと平滑な面が得られず
、また水中軸受として使用する際に水による腐食を受は
品いからである。

なお、本発明の皮膜用合金鋼は、粉体溶接肉盛法によっ
ても皮膜を形成することができる。粉体溶接肉盛を行な
う場合には、熱影響による基材の変形や冶金的組織変化
が許されれば、気孔がなく密着性も良好であるため本発
明の目的に使用することができる。そこで、第１表の１
１１１１Ｌ１〜ｍ７の材料を用いて溶接肉盛を行い、第
３図の方法によって耐摩耗性を調査したところ良好な結
果が得られた。

したがって、本発明の合金鋼を用いれば、溶射法はもと
より粉体溶接肉盛法によっても回転側部材の表層に皮膜
を形成することができるので、本発明は溶射法のみに限
定されるものではない。

溶射皮膜として本発明の目的に相応した気孔率を決定す
ることによって、耐摩耗性・耐食性、さらに気泡の混入
環境における両キャビテージョン・エロージヨン性にも
優れたものとした。

以上のように選定した皮膜形成材料が粉体溶接肉盛法に
よっても施工可能であることを見出し加工手段の複数化
による経済性・多様性の向上を行なった。

（実　施　例） 実施例−１ 本発明のに１〜織７合金鋼を用いて成膜したスリーブお
よび市販のサイアロンのブツシュから構成された水中軸
受を取り付けたポンプを酸化鉄粉を含む工業用水で１年
間運転した。

ポンプの仕様は以下の通りである。

型　　　式：立型多段斜流ポンプ 揚水量：　１３ＴＴｌ／ｍｆｎ 全揚程＝４５ｍ 出　口　径：　３００　ｍｍ 電動機比カニ　１５０にν 回転数：　１４５０ｒｐｍ 運転環境下では、硬質の酸化鉄粉と共に多数の気泡が巻
き込まれるような状態にあるため、摩耗とキャビテーシ
ョン・エロージョン的作用が同時に負荷される状況にあ
る。

なお、比較例として第１表のＮａ１ｌの耐摩耗性に優れ
たＷＣ−１２Ｃｏの溶射皮膜および同焼結品のスリーブ
を用いた。その結果、本発明のスリーブはすべて健全な
状態を示し、さらに現状のままで継続使用が可能な状態
にあった。

これに対し、比較例は実験結果（第１表）では良好な耐
摩耗性を示したものの、長時間の使用によってＷＣと共
存する金属質（Ｃｏ）の腐食が進行するためミクロ的に
粒子の脱落が認められ、このまま継続使用すると損傷度
がさらに大きくなることが予想された。このようなこと
から、比較例のスリーブは長期運転には適さないことが
明らかになった。

実施例−２ 実施例−１とまったく同様なスリーブとブツシュの組合
せで土砂が混入する工業用水水路のポンプに取り付は約
１０ケ月間使用した。

その結果は実施例−１と同じであり、本発明の合金皮膜
は酸化鉄粉に限らず珪砂などの硬質粒子に対しても、良
好な性能を発揮することが確認された。

（発明の効果） 本発明の合金鋼で成膜したスリーブは、サイアロンもし
くは窒化珪素のセラミック製のブツシュとの組合せにお
いて酸化鉄粉・珪砂などの硬質粒子による摩耗作用に耐
えるとともに、気泡の乱入によるキャビテーション・エ
ロージョンが発生しやすい環境においても、長時間にわ
たって安定した性能を発揮した。

このため、ポンプ効率の向上・部品の取替、保守点検に
要する時間が不要となるための稼働率および経済性の向
上・保守点検要員の削減、さらにスラリーポンプを必要
とするプラント全体の稼働率・信頼性の向上などその効
果はすこぶる大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例−１で使用した汎用縦型水中ポンプの
構造図、第２図は、水中軸受の軸方向断面図、第３図は
、スラリー水中における摩耗試験装置の説明図、第４図
は、可燃ガスを熱源とする溶射法における燃料用ガスの
圧力と形成された皮膜の気孔率との関係の図表である。 １：水中軸受　　　　　　２：軸 ３；スリーブ（回転側部材） ４：プッシュ（固定側部材） ５：金属筒　　　　　　　６：パツキン７：軸受カバー
　　　　　８＝軸受支え代　理　人　　弁理士　　茶野
木　立　夫第 図 第 図 ＃５料ガス圧力（醪ゾｃｍ２　）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転側部材の表層を耐摩耗性・耐食性に富むＣ３〜
   ８％、Ｃｒ５〜１５％、Ｍｏ２〜７％、残部Ｆｅを基調
   成分とする合金鋼皮膜とし、回転側部材の表層と接する
   固定側部材を窒化珪素（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）またはサイア
   ロンのセラミックスとしたことを特徴とする水中軸受。 ２、水中軸受の回転側部材の表層の化学成分にＣｏ６〜
   １２％またはＶ３〜８％またはＮｉ５〜１３％の少くと
   も１種を添加したことを特徴とする請求項１記載の水中
   軸受。 ３、水中軸受の回転側部材の表層の化学成分に、Ｓｉ０
   ．３〜１．５％、Ａｌ０．３〜７％の少くとも１種を添
   加したことを特徴とする請求項１記載の水中軸受。 ４、水中軸受の回転側部材の表層に形成される合金鋼皮
   膜が、溶射法によって皮膜中の気孔率が３．５％以下に
   制御されていることを特徴とする請求項１項記載の水中
   軸受。 ５、水中軸受の回転側部材の表層に形成される合金鋼皮
   膜が、粉体溶接肉盛法によって施工されていることを特
   徴とする請求項１記載の水中軸受。