JPH07117100B2

JPH07117100B2 - 水中軸受

Info

Publication number: JPH07117100B2
Application number: JP2142164A
Authority: JP
Inventors: 克己安藤; 雅芳辻; 良夫原田; 克宜石井
Original assignee: Tocalo Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Tocalo Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH0434211A

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ッシュ４（固定側部材）は、金属
筒５と焼きばめ等で固定され、さらにパッキン６、軸受
カバー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（Si₃N₄）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63−49086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け難いが、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け易い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C3〜８％、Cr5〜1
5％、Mo2〜７％、残部Feからなり、溶射法によって気孔
を有する被膜を形成し、溶射被膜の気孔率が3.5％以下
に制御された合金鋼皮膜とし、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、C3〜８
％、Cr5〜15％、M2〜７％、Fe残りを基本成分として、
さらに、Co6〜12％またはV3〜８％またはNi5〜13％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、C3〜８％、Cr5〜15％、Mo2〜
７％、Fe残りを基本成分として、さらにSi0.3〜1.5％、
Al0.3〜７％を添加した合金鋼であ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
と回転側部材とが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（Si₃N₄）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・サーメットなどの多種
類の材料の成膜が容易な溶射法によって、窒化珪素（Si
₃N₄）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ッシュ
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。一般にSi₃N₄にAl₂O₃を添加
して焼結すると、Si−Al−Ｏ−Ｎの構成元素からなるサ
イアロンが得られ、耐食治具、耐摩耗治具として用いら
れている。

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りした鋼製の水槽９の中
に、サイアロン製の板10（縦８×横８×長さ50mm）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70×厚さ8mm）を接触させ、14kg f/mm²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1/2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No.11、WC焼結体No.
12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No.14、ステライト合
金に炭化物を含ませた粉体溶接肉盛No.15〜No.19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No.1〜No.7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:3〜８重量
％、Ni:5〜13重量％、Si:0.3〜1.5重量％、Al: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〜No.10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、基材への吹き付け圧力
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け易
いからである。

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ション・エロージョン性にも
優れたものとした。

（実施例）実施例−１本発明のNo.1〜No.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ッ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:13m³/min 全揚程:45m 出口径:300mm 電動機出力:150kW 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・エローシ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No.11の耐摩耗性に優れたW
C−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仕様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ッシュの組合
せで土砂が混入する工業用水水路のポンプに取り付け約
10ヶ月間使用した。

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ッ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:ブッシュ（固定側部材） 5:金属筒、6:パッキン 7:軸受カバー、8:軸受支え

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田良夫兵庫県神戸市東灘区深江北町４―13―４トーカロ株式会社内 (72)発明者石井克宜神奈川県横浜市緑区鴨居４―61―８トーカロ株式会社神奈川営業所内 (56)参考文献特開昭63−135615（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−35917（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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からなり、
溶射法によって気孔を有する被膜を形成し、溶射被膜の
気孔率が3.5％以下に制御された合金鋼皮膜とし、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したことを特徴とす
る水中軸受。
【請求項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。
【請求項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。