(57)【要約】【課題】  セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性を高めることで、摺動部品に要求されるすべての特性が優れた摺動部品を提供する。【解決手段】  円筒状の摺動部品である軸受スリーブ１は、セラミックス基複合材料からなる。セラミック基複合材料は、セラミックス強化繊維２，３とセラミックス母材４とを有する。第１のセラミックス強化繊維２は軸方向に延び、第２のセラミックス強化繊維３は周方向に延びている。第１及び第２のセラミックス強化繊維２，３は、互いに直交している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも摺動部が、セラミックス強化繊維とセラミックス母材とを有するセラミックス基複合材料からなることを特徴とする、セラミックス繊維強化セラミックス摺動部品。
【請求項２】
円筒状であり、かつ
前記セラミックス強化繊維は、軸線方向に延びる複数の第１のセラミックス強化繊維と、周方向に延びる複数の第２のセラミックス強化繊維とを含み、前記第１のセラミックス強化繊維と前記第２のセラミックス強化繊維が互いに交差していることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス繊維強化セラミックス摺動部品。
【請求項３】
軸受スリーブであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のセラミックス繊維強化セラミックス摺動部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受スリーブ、軸受、メカニカルシール等として使用されるセラミックス繊維強化セラミックス摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプの軸受等の摺動部品に使用される材料として、超硬合金やセラミックスが広く使用されている。
【０００３】
超硬合金は、一般に摺動性と耐磨耗性は良好であるが、脆性材料であって靭性が低いので、信頼性が十分でない。また、ＷＣ−Ｃｏ（タングステンカーバイト−コバルト）系超硬合金は、海中等の腐食環境下では、結合材であるＣｏが選択腐食される。選択腐食に対する対策として、ＷＣ−Ｎｉ（タングステンカーバイト−ニッケル）系超硬合金が開発されているが、このＷＣ−Ｎｉ系超硬合金を摺動部材として使用する場合、組み合わせて使用する金属部品（例えば、軸受スリーブがＷＣ−Ｎｉ系超硬合金である場合の軸受）と電位差腐食を起こす。さらに、ＴｉＣ（チタンカーバイト）系超硬合金は、優れた耐食性を示すものの、硬度が低く、耐磨耗性に劣る。
【０００４】
セラミックスからなる摺動部品は、例えば特許文献１に記載されている。しかし、セラミックスは、摺動性、耐磨耗性、及び耐腐食性は良好であるが、超硬合金と同様に脆性材料であって靭性が低いので、信頼性が十分でない。
【０００５】
以上のように、従来、超硬合金とセラミックスのいずれを選択した場合も、摺動部品に要求される特性、すなわち摺動性、耐磨耗性、靭性、硬さ、及び耐腐食性のすべてを高水準で満たすことはできなかった。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１５５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性を大幅に向上し、摺動部品に要求される特性、すなわち摺動性、耐磨耗性、靭性、硬さ、及び耐腐食性のすべてが良好な摺動部品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも摺動部が、セラミックス強化繊維とセラミックス母材とを有するセラミックス基複合材料からなることを特徴とする、セラミックス繊維強化セラミックス摺動部品を提供する。
【０００９】
セラミック母材とセラミックス強化繊維の組み合わせにより、セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性を大幅に向上することができる。従って、摺動部品に一般的に要求されるすべての特性、すなわち摺動性、耐磨耗性、靭性、硬さ、及び耐腐食性が良好である。
【００１０】
セラミックス母材は、いわゆるエンジニアリングセラミックスとして使用可能な、ＳｉＣ（シリコンカーバイトないしは炭化珪素）系、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）系、及びＡｌ２Ｏ３（アルミナ）系のいずれのセラミックスであってもよい。また、セラミックス強化繊維も、ＳｉＣ系、Ｓｉ３Ｎ４系、及びＡｌ２Ｏ３系のいずれのセラミックス繊維であってもよい。
【００１１】
セラミックス基複合材料からなる摺動部品の製造方法としては、セラミックス強化繊維及びセラミックス母材として選択するセラミックスの種類に応じて、気相プロセス、液相プロセス、及び固相プロセスのいずれかを採用することができる。気相プロセスとしては、例えば化学気相浸透法（ＣＶＩ法：Chemical Vapor Infiltration）、反応焼結法（ＲＳ法：Reaction Sintering）、及び指向性金属酸化法（ＤＩＭＯＸ法：Directed metal oxidation）がある。また、液相プロセスとしては、例えばポリマー含浸・熱分解法（ＰＩＰ法：Polymer impregnation and Pyrolysis）、ゾルゲル法、溶融浸透法（ＭＩ法：metal infiltration）、及び溶融ガラス浸透法がある。さらに、固相プロセスとしては、例えば常圧焼結法、加圧焼結法（ホットプレス、ＨＩＰ：Hot Isostatic Press）、及び自己燃焼焼結法（ＳＨＳ法：Self Propagating High Temperature Synthesis）がある。
【００１２】
摺動部品の全体がセラミックス基複合材料であってもよく、摺動部品の摺動部、すなわち摺動面を含む部分のみがセラミックス基複合材料であってもよい。
【００１３】
例えば、摺動部品は円筒状であり、かつ前記セラミックス強化繊維は、軸線方向に延びる複数の第１のセラミックス強化繊維と、周方向に延びる複数の第２のセラミックス強化繊維とを含み、前記第１のセラミックス強化繊維と前記第２のセラミックス強化繊維が互いに交差している。
【００１４】
本発明は、水中軸受け用のものを含む軸受スリーブ、水中軸受を含む軸受、メカニカルシール等の種々の摺動部品に適用できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセラミックス繊維強化セラミックス摺動部品は、セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性が大幅に向上しているので、摺動部品に一般的に要求されるすべての特性、すなわち摺動性、耐磨耗性、靭性、硬さ、及び耐腐食性が優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る摺動部品である軸受スリーブ１を示し、図３及び図４はこの軸受スリーブ１を備える、立軸ポンプ１１を示す。
【００１７】
図１を参照すると、軸受スリーブ１は円筒状であり、セラミックス強化繊維２，３とセラミックス母材４とを有するセラミック基複合材料からなる。ＳｉＣ（炭化珪素）系のセラミックス母材４中に、ＳｉＣ系のセラミックス強化繊維２，３のプリフォーム５が複数層存在する。各プリフォーム５を構成するセラミックス強化繊維２，３のうち、一方のセラミックス強化繊維２は円筒状である軸受スリーブ１の軸線方向に配列・配向され、他方のセラミックス繊維３は周方向に配列・配向されている。軸線方向のセラミックス強化繊維２と周方向のセラミックス強化繊維３は互いに直交している。
【００１８】
図２に示すように、個々のセラミックス強化繊維２，３は、ＳｉＣ系セラミックスからなる素線６を多数本（特に限定されないが、例えば２００〜１５００本程度）束ねたものである。また、１枚のプリフォーム５中では、軸線方向のセラミックス強化繊維２と、周方向のセラミックス強化繊維３とが互いに１本置きに上下するように配置されている。プリフォーム５は、平織等で織った織布を筒状してもよく、ニット編み、ブレード編み等で編成した筒状体であってもよい。
【００１９】
軸受スリーブ１は、例えば外径Ｄが５０〜３００ｍｍ程度、長さＬが外径Ｄの０．４〜１．０倍程度、厚みｔが２〜１０ｍｍ程度である。厚みｔがこの範囲にある場合には、プリフォーム５の積層枚数は数枚〜数１０枚程度となる。また、軸受スリーブ１の繊維含有率は、例えば２０〜７０ｗｔ％程度である。
【００２０】
セラミックス強化繊維２，３とセラミックス母材４は共にＳｉＣ系セラミックスであるので、軸受スリーブ１の製造方法として化学気相浸透法（ＣＶＩ法：Chemical Vapor Infiltration）を採用できる。ＣＶＩ法で軸受スリーブ１を製造する場合、所定の温度勾配や圧力勾配下にプリフォーム５を配置し、原料ガスを熱分解させてセラミックス母材４となるＳｉ系セラミックスを析出させる。
【００２１】
図３を参照すると、立軸ポンプ１１は、水槽１１内に配置された鉛直方向に延びるポンプケーシング１２を備えている。ポンプケーシング１２は、下端に吸込ベルマウス１２ａを備え、上端側には図示しない吐出側の配管と接続される吐出エルボ１２ｂを備える。ポンプケーシング１２内には主軸１３が鉛直方向に延びている。主軸１３の下端には羽根車１４が固定されている。主軸１３の上端は封止装置１５を介してポンプケーシング１２の内部から外部に突出し、継手１６を介してモータ、減速機構等からなる駆動機構に連結されている。
【００２２】
主軸１３の羽根車１４付近（下側）と中央よりも上方側（上側）がそれぞれＳｉＣからなる軸受１８，１９で回転自在に支持され、主軸１３の軸受１８，１９で支持される部分にそれぞれ本実施形態の軸受スリーブ１が装着されている。図４を参照すると、下側の軸受１８は、弾性体２０を介して軸受ケーシング２１に固定され、この軸受ケーシング２１はリブ２２によってポンプケーシング１２に固定されている。軸受スリーブ１は装着部材２３を介して主軸１３に固定されている。上側の軸受１９及びこれに対応する軸受スリーブ１の取付構造も同様である。
【００２３】
軸受スリーブ１は、セラミックス母材４とセラミックス強化繊維２，３を組み合わせたことと、軸線方向と周方向にセラミックス強化繊維２，３を配向・配列したことにより、後に詳述するように、セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性が大幅に向上している。そのため、この軸受スリーブ１を備える図３の立軸ポンプ１１は、信頼性が大幅に向上している。具体的には、軸受スリーブ１が脆性により損傷する可能性が大幅に低減されている。
【００２４】
実施形態の軸受スリーブ１の特性値を測定する実験を行った。具体的には、摩擦係数（摺動性）、耐磨耗性、及び靭性（破壊脆性値）を測定した。実験に使用した軸受スリーブ１は、外径Ｄが１００ｍｍ、長さＬが６２ｍｍ、厚みｔが３ｍｍであった。また、摩擦係数と耐磨耗性の測定の際には、ＳｉＣからなる軸受を使用した。以下の表において「実験例」は本発明の実施形態に係る軸受スリーブ（セラミックス繊維強化セラミックス製の軸受スリーブ）であることを示し、「比較例」はＷＣ系超硬合金からなる軸受スリーブであることを示す。また、表において、「ＳｉＣ／ＳｉＣ」はセラミックス繊維強化セラミックスを示す。  
【００２５】
表１に動摩擦係数（摺動性）の測定結果を示す。
【００２６】
【表１】
2006038029.tif 000003
動摩擦係数
【００２７】
表１に示すように、水中での動摩擦係数は実験例、比較例とも０．０２で同一であるが、気中での動摩擦係数は比較例では０．３１であるのに対して、実験例では０．２８に低下している。従って、実施形態の軸受スリーブは摺動性に優れていることが確認できる。
【００２８】
表２に耐磨耗性の測定結果を示す。耐磨耗性はスラリー中で一定時間軸を連続回転させた時の摩耗量で測定した。なお、試験条件は、軸受面圧が０．５Ｍｐａ、軸受周速が５ｍ／ｓｅｃ、スラリー濃度（珪砂）が２０００ｐｐｍ、回転時間が１０００時間とした。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
表２に示すように、軸受スリーブの摩耗量は、比較例が２５μｍであるのに対して、実験例では大幅に低減されて１６μｍである。また、軸受の摩耗量は、比較例が１２μｍであるのに対して、実験例では僅かに低減されて１１μｍである。従って、実施形態の軸受スリーブは耐磨耗性に優れていることが確認できる。
【００３１】
表３に靭性の測定結果を示す。ＫＩＣ測定法（ＡＳＴＭ  Ｅ３９９）により、破壊靭性値を測定した。
【００３２】
【表３】
2006038029.tif 000005
【００３３】
表３に示すように、破壊靭性値は、比較例が１２ＭＰａ／ｍ１／２であるのに対して、実験例では大幅に増加して２０ＭＰａ／ｍ１／２である。従って、実施形態の軸受スリーブは靭性に優れていることが確認できる。
【００３４】
次に、硬さについて説明すると、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣの硬さ（ビッカース硬さ）は表４に示す通りである。
【００３５】
【表４】
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【００３６】
表４に示すように、実施形態の軸受スリーブのセラミックス強化繊維及びセラミック母材であるＳｉＣは、ＷＣやＴｉＣと比較して高硬度である。
【００３７】
さらに、耐腐食性についは、セラミックス繊維強化セラミックスからなる実施形態の軸受スリーブは、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金で問題となる選択腐食や、ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金で問題となる電位差腐食も生じず、高い耐腐食性を有する。
【００３８】
以上のように、実施形態の軸受スリーブのセラミックス繊維強化セラミックスは、セラミックスが本来有する摺動性、耐磨耗性、硬さ、及び耐腐食性を維持しつつ、靭性が大幅に向上している。
【００３９】
本発明は、前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、水中軸受を含む軸受、メカニカルシール等の他の種々の摺動部品にも適用できる。
【００４０】
セラミックス母材はＳｉ３Ｎ４系やＡｌ２Ｏ３系のセラミックスでもよく、セラミックス強化繊維もＳｉ３Ｎ４系やＡｌ２Ｏ３系のセラミックス繊維であってもよい。
【００４１】
摺動部品の製造方法はＣＶＩ法に限定されない。セラミックス強化繊維及びセラミックス母材として選択するセラミックスの種類に応じて、反応焼結法（ＲＳ法：Reaction Sintering）、指向性金属酸化法（ＤＩＭＯＸ法：Directed metal oxidation）等の他の気相プロセス、ポリマー含浸・熱分解法（ＰＩＰ法：Polymer impregnation and Pyrolysis）、ゾルゲル法、溶融浸透法（ＭＩ法：metal infiltration）、溶融ガラス浸透法等の液相プロセス、並びに常圧焼結法、加圧焼結法（ホットプレス、ＨＩＰ：Hot Isostatic Press）、自己燃焼焼結法（ＳＨＳ法：Self Propagating High Temperature Synthesis）等の固相プロセスを採用することができる。
【００４２】
また、前記実施形態では、摺動部品である軸受スリーブ全体が、セラミックス強化繊維とセラミックス母材とを有するセラミックス基複合材料からなるが、摺動部品の摺動部、すなわち摺動面を含む部分のみがセラミックス基複合材料であってもよい。
【００４３】
さらに、前記実施形態では、縦方向のセラミックス強化繊維２と横方向のセラミックス強化繊維３が互いに直交しているが、これらのセラミックス強化繊維２，３の交差角度は９０度に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る軸受スリーブを示す概略斜視図。
【図２】プリフォームの部分拡大図。
【図３】本発明の実施形態に係る軸受スリーブを備える立軸ポンプを示す断面図。
【図４】図３の部分IVの拡大図。
【符号の説明】
【００４５】
１  軸受スリーブ（摺動部品）
２，３  セラミックス強化繊維
４  セラミックス母材
５  プリフォーム
６  素線
１１  水槽
１２  ポンプケーシング
１２ａ  ベルマウス
１２ｂ  吐出エルボ
１３  主軸
１４  羽根車
１５  軸封装置
１６  継手
１８，１９  軸受
２０  弾性体
２１  軸受ケーシング
２２  リブ
２３  装着部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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