JPH074437A - 軸受組立体 - Google Patents

軸受組立体

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JPH074437A
JPH074437A JP6056102A JP5610294A JPH074437A JP H074437 A JPH074437 A JP H074437A JP 6056102 A JP6056102 A JP 6056102A JP 5610294 A JP5610294 A JP 5610294A JP H074437 A JPH074437 A JP H074437A
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JP
Japan
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diamond
bearing
bearing assembly
group viii
silicon
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JP6056102A
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Klaus Tank
タンク クラウス
Peter N Tomlinson
ノエル トムリンソン ピーター
Oliver Frank Rudolf August Damm
フランク ルドルフ オーガスト ダム オリバー
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De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Original Assignee
De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
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Publication date
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/043—Sliding surface consisting mainly of ceramics, cermets or hard carbon, e.g. diamond like carbon [DLC]
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/003—Bearing, sealing, lubricating details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸受組立体を提供する。 【構成】 このダイヤモンド軸受組立体は、対向するダ
イヤモンド軸受面１０、１２を含み、その少なくとも一
方にはコバルトのようなＶＩＩＩ族に属する何れの金属
も存在しない。軸受面１０、１２の各々がダイヤモンド
成形体１４、１６で与えられることが好ましい。このよ
うなダイヤモンド成形体は実質的なダイヤモンドーダイ
ヤモンド結合およびシリコンを含有する第２相を含んで
構成され、該シリコンはシリコンおよび（または）炭化
珪素とされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は軸受組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンド軸受組立体は周知であり、
様々な応用例に使用されている。ダイヤモンド軸受組立
体の１つの応用例は掘削工業にて使用されるダウンホー
ルモーター（ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｍｏｔｏｒ）である。
【０００３】ダイヤモンド軸受組立体において、その組
立体の対向する軸受面は共にダイヤモンド材料で作られ
ている。ダイヤモンド材料は多結晶ダイヤモンドすなわ
ちＰＣＤである。このダイヤモンド材料はまたこの分野
ではダイヤモンド成形体としても知られている。このよ
うな材料は磨耗寿命が長いことおよびかなりの荷重を担
持できる能力の理由から使用されている。ダイヤモンド
軸受組立体に使用されてきた多結晶ダイヤモンドはシン
ダイト（Ｓｙｎｄｉｔｅ）（登録商標）、シンドリル
（Ｓｙｎｄｒｉｌｌ）（登録商標）またはストラタパッ
クス（Ｓｔｒａｔａｐａｘ）（登録商標）としてこの分
野で知られているものである。この多結晶ダイヤモンド
材料はかなりの量のＶＩＩＩ族に属する金属、例えばコ
バルト、鉄またはニッケルを含有している。この点に関
して米国特許第４６２０６０１号の第１２欄第３０〜３
７行、および米国特許第４５６００１４号の第９欄第２
９〜４４行が参照される。
【０００４】米国特許第５０９２６８７号は対向するダ
イヤモンド軸受面を有するダイヤモンド軸受組立体を記
載している。このダイヤモンド軸受面は燒結（ｃｅｍｅ
ｎｔｅｄ）炭化タングステンで与えられており、これに
おいては合成ダイヤモンドが結合されている−第３欄第
４９〜５１行。燒結炭化タングステンはコバルト、ニッ
ケルまたは鉄のようなＶＩＩＩ族に属する金属を結合剤
として有している。
【０００５】ダイヤモンド軸受組立体が上述した引例に
おけるようにＶＩＩＩ族に属する金属を含有するダイヤ
モンド材料を使用した場合、接触軸受面の摩擦作用は高
い接触圧力において全く予測できないほどになることが
見い出された。或種の場合、適当な前兆を伴わないで軸
受組立体の急激な焼き付きを生じる。この現象は、軸受
組立体の使用中にダイヤモンド表面にＶＩＩＩ族に属す
る元素の豊富な摩擦膜（ｔｒｉｂｏｆｉｌｍ）が形成さ
れることで生じると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、対向
するダイヤモンド軸受面を含み、少なくとも一方のダイ
ヤモンド軸受面にはＶＩＩＩ族に属する何れの金属も存
在しないで構成された軸受組立体を提供することであ
る。
【０００７】
【課題を達成するための手段】対向するダイヤモンド軸
受面の少なくとも一方にはＶＩＩＩ族に属する何れの金
属も存在してはならず、両面ともＶＩＩＩ族に属する何
れの金属も存在しないことが好ましい。「ＶＩＩＩ族に
属する何れの金属も存在しない」という記述は、ＶＩＩ
Ｉ族に属する金属の極微量が有害な影響を生じることな
く存在し得るとはいえ、その表面に実際にＶＩＩＩ族に
属する全ての金属が存在しないことを意味する。ＶＩＩ
Ｉ族に属する金属には、コバルト、鉄およびニッケルが
含まれる。
【０００８】
【実施例】本発明は対向するダイヤモンド軸受面を含む
軸受組立体を提供する。この軸受組立体はこの分野で知
られた何れのものとすることもできる。本発明は特に掘
削工業に使用されるようなダウンホールモーターのダイ
ヤモンドスラスト軸受組立体に応用される。このような
軸受組立体の例は、例えば米国特許第４５６００１４号
およびヨーロッパ特許出願第９３３０８５９１．２号に
記載されている。ＶＩＩＩ族に属する金属が対向する少
なくとも一方の軸受面に存在しない、または実質的に存
在しないことが０．１を超えない小さな摩擦係数を達成
し、また６８ＭＰａまたはそれ以上の接触圧力に等しい
かなり大きな荷重の担持能力を達成できるということが
見い出された。
【０００９】ＶＩＩＩ族に属する金属がダイヤモンド軸
受面の両方共に存在しないことが好ましい。
【００１０】ＶＩＩＩ族に属する金属が存在しないダイ
ヤモンド軸受面は各種のダイヤモンド本体の何れか１つ
の表面によって形成される。このようなダイヤモンド本
体の１つで好ましいダイヤモンド本体は、実質的なダイ
ヤモンド−ダイヤモンド結合および主としてシリコンか
らなる第２相を含んでなり、該シリコンがシリコンおよ
び（または）炭化珪素とされたダイヤモンド本体であ
る。このダイヤモンド含有量は一般に体積比で８０〜９
０パーセントであり、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合
は一般に干渉性の骨組物質を形成するようになされる。
シリコンの第２相は一般に体積比で１０〜２０パーセン
トの量で存在される。このようなダイヤモンド本体の例
は、米国特許第４１５１６８６号、米国特許第４７９３
８２８号に記載され、見い出すことができる。このよう
なダイヤモンド本体の更に他の例は、シンダックス（Ｓ
ｙｎｄａｘ）（登録商標）の名称で販売されているもの
である。
【００１１】ＶＩＩＩ族に属する金属が存在しない、ま
たは実質的に存在しない表面を形成できる他の適当なダ
イヤモンド本体の例は、体積比で７０〜９５パーセント
の量の自己結合ダイヤモンド粒子と、本体中に分散され
て相互連結された空孔ネットワークとを含んで構成され
るものである。このダイヤモンド本体はそれを通して実
質的に均一に浸透された少量の金属相を含む。このよう
なダイヤモンド本体はリーチド（ｌｅａｃｈｅｄ）ダイ
ヤモンド成形体として知られており、その例が米国特許
第４２２４３８０号に記載されている。
【００１２】ＶＩＩＩ族に属する金属が存在しないダイ
ヤモンド軸受面は化学蒸着（ＣＶＤ）で形成されたダイ
ヤモンド層の表面によっても与えられ得る。化学蒸着ダ
イヤモンド層は炭化珪素、炭化タングステン等の基体上
に形成される。化学蒸着ダイヤモンド層の形成はこの分
野では周知であり、炭素原子、イオン、またはダイヤモ
ンド層を形成するように基体表面に付着可能とされた基
を生じるために炭素化合物のガスの解離を伴う。
【００１３】ＶＩＩＩ族に属する金属が存在しないダイ
ヤモンド表面はまた、ダイヤモンド合成条件の下で体積
比で少なくとも７０パーセント、好ましくは体積比で８
０〜９０パーセントのダイヤモンド、実質的なダイヤモ
ンド−ダイヤモンド結合、およびアルカリ土類金属カー
ボネート、特に炭酸カルシウムでなる第２相を含んで構
成されるダイヤモンド成形体の表面によっても与えられ
得る。
【００１４】本発明の２つの実施例が添付図面を参照し
て説明される。図１を参照すれば、対向する軸受面１０
および１２を含んでなる軸受組立体が示されている。こ
れらの軸受面１０および１２はそれぞれがダイヤモンド
成形体１４および１６の１つの面を形成している。これ
らのダイヤモンド成形体には何れもＶＩＩＩ族に属する
金属が存在しない。この他に、ＶＩＩＩ族に属する金属
がこれらの軸受面１０、１２の少なくとも一方に存在し
ないように、成形体の少なくとも一方にそのような金属
が存在しないようにされねばならない。
【００１５】ここで図２を参照すれば、軸受組立体の対
向する軸受面は面２０および２２で定められている。軸
受面２０はダイヤモンド成形体２４の１つの面を形成し
ている。軸受面２２は本体２８のダイヤモンド端部領域
２６の１つの面を形成している。このダイヤモンド端部
領域２６はリーチドダイヤモンド成形体であるシンダッ
クス（Ｓｙｎｄａｘ）（登録商標）または化学蒸着ダイ
ヤモンドの層で構成され得る。領域２６は基体３０に結
合されており、この基体はダイヤモンド成形体のような
ダイヤモンド含有本体とされるか、または燒結カーバイ
ドのような別の材料で作ることができる。
【００１６】他の実施例（図示せず）では、ダイヤモン
ド成形体２４を本体２８と同様な複合ダイヤモンド含有
本体で置換できる。
【００１７】一連のテストが各種のダイヤモンド軸受面
を使用して行われた。１方向のスライド運動を生じるよ
うにピン−オン−ディスク式の摩擦計（ｔｒｉｂｏｍｅ
ｔｅｒ）が使用された。機械には１つの構成部材である
スライドカップル（ピン）が資料ホルダーに入れて片持
ちの荷重アーム上に固定された。ピンは固定速度または
可変速度のモーターで駆動されるターンテーブル上の水
平ディスクまたはリングの上をスライドできるようにさ
れた。ピン上の荷重は変化でき、荷重アーム上の錘によ
って与えられた。
【００１８】使用された製品は、シンドリル（Ｓｙｎｄ
ｒｉｌｌ）（登録商標）、すなわち結合ダイヤモンド物
質の中に均一に分散すなわち分配されたコバルトを質量
で約１０パーセントを含有するダイヤモンド成形体すな
わち多結晶ダイヤモンド、およびシンダックス（Ｓｙｎ
ｄａｘ）（登録商標）、すなわち実質的なダイヤモンド
−ダイヤモンド結合および本質的にシリコンからなる第
２相を含み、このシリコンがシリコンおよび（または）
炭化珪素とされたダイヤモンド本体であった。各種のテ
ストが実施され、ピンおよびディスクの両方はシンドリ
ルで作られ、ピンおよびディスクの両方はシンダックス
で作られ、またピンおよびディスクの一方はシンドリル
で作られ且つ他方はシンダックスで作られた。
【００１９】乾燥した無潤滑のスライドテストでは、ピ
ンおよびディスクの両方がシンダックスで作られたとき
に、最低の摩擦係数が得られた。このような構成は０．
１より大きくない小摩擦係数および少なくとも６８ＭＰ
ａの一定圧力に等価の少なくとも４３００Ｎの高荷重担
持能力を示すことが見い出された。これは、０．１３〜
０．２６の非常に大きな摩擦係数および低荷重担持能力
（４４ＭＰａの一定圧力に等価の約２８００Ｎ）を示し
たピンおよびディスクの両方がシンドリルで作られたと
きに達成された結果と際だって対比される。後者の場
合、コバルトの豊富な摩擦層がスライド面に形成された
ことが見い出された。このことは、高い摩擦係数を生じ
た原因と考えられる。例えばＨＣｌを使用してこのよう
な摩擦層を除去することはその層が再び形成されるまで
摩擦係数を一時的に減少させる。
【００２０】他の一連のテストにおいて、ピンはシンダ
ックスで作られ、ディスクはシンドリルで作られ、また
この逆に作られた。再び乾燥した無潤滑のスライド条件
が使用された。この組み合わせはシンドリル／シンダッ
クスの組み合わせの場合よりも小さい摩擦係数を示すこ
とが見い出された。更に、摩擦層は軸受面間で観察され
たが、この層は主としてシリコンを含有し、僅かにコバ
ルトを含有していた。従って、シリコンが有害なコバル
ト富化摩擦層の形成を溶接して、小摩擦係数をもたらす
ことは明白である。
【００２１】同様な一連のテストが水を潤滑材として使
用して実施された。シンドリル／シンドリルの組み合わ
せは得られる摩擦係数が小さくて０．１台であるが、た
った２８００Ｎの貧弱な荷重担持能力を示すことが見い
出された。シンダックス／シンダックスの組み合わせは
無潤滑すらテストにおけるのと非常に似た特徴、すなわ
ち０．１より大きくない称摩擦係数、および６８ＭＰａ
より高い一定圧力に等価の４３００Ｎより大きい高荷重
担持能力、を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸受組立体の１実施例の対向軸受面を
示す図解的な断面図。
【図２】本発明の他の実施例の軸受組立体の１実施例の
対向軸受面を示す図解的な断面図。
【符号の説明】
１０、１２ 軸受面 １４、１６ ダイヤモンド成形体 ２０、２２ 軸受面 ２４ ダイヤモンド成形体 ２６ ダイヤモンド端部領域 ２８ 本体 ３０ 基体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター ノエル トムリンソン 南アフリカ国トランスバール，ヨハネスブ ルグ，モンデオー，エンフォード ロード 315 (72)発明者 オリバー フランク ルドルフ オーガス ト ダム 南アフリカ国トランスバール，プレトリ ア，ウィンゲイト パーク，ターフ スト リート 633

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対向するダイヤモンド軸受面を含み、少
    なくとも一方のダイヤモンド軸受面にはＶＩＩＩ族に属
    する何れの金属も存在しないことを特徴とする軸受組立
    体。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の軸受組立体であって、
    ＶＩＩＩ族に属する何れの金属も存在しないダイヤモン
    ド軸受面が実質的なダイヤモンド−ダイヤモンド結合お
    よび主としてシリコンからなる第２相を含んで構成され
    たダイヤモンド本体表面で与えられ、該シリコンはシリ
    コンおよび（または）炭化珪素の形で存在している軸受
    組立体。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の軸受組
    立体であって、対向するダイヤモンド軸受面が実質的な
    ダイヤモンド−ダイヤモンド結合および主としてシリコ
    ンからなる第２相を含むダイヤモンド本体の表面で与え
    られ、シリコンはシリコンおよび（または）炭化珪素の
    形で存在している軸受組立体。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の軸受組立体であって、
    ＶＩＩＩ族に属する何れの金属も存在しないダイヤモン
    ド軸受面が体積比で７０〜９５パーセントの量の自己結
    合ダイヤモンド粒子と、本体中に分散されて相互連結さ
    れた空孔のネットワークとを含んで構成されたダイヤモ
    ンド本体の表面で与えられた軸受組立体。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の軸受組立体であって、
    ＶＩＩＩ族に属する何れの金属も存在しないダイヤモン
    ド軸受面が化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド層の表面で
    与えられた軸受組立体。
JP6056102A 1993-03-26 1994-03-25 軸受組立体 Pending JPH074437A (ja)

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