(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ用軸受構造に用いられ、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材の製造方法であって、
金属基体の表面の上に、セラミックス粒子、ダイヤモンド粒子およびダイヤモンドライクカーボン粒子の少なくとも一つである無機粒子の粉末を載せる第１工程と、
前記第１工程の後、前記無機粒子の焼結温度より低い温度に加熱するとともに前記無機粒子の粉末を加圧し、前記金属基体との境界に位置する前記無機粒子を前記金属基体に押し込むことにより、前記金属基体の外表面上に１粒子の厚みで散在するように前記無機粒子を固定する第２工程と、
前記金属基体の外表面上に固定された前記無機粒子を加工し、前記被摺動部材と摺接する、前記無機粒子のみからなる摺接面を形成する第３工程と、
を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記金属基体の硬さはＨＶ６００以上であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記第１工程において、前記無機粒子は、表面が金属メッキされていることを特徴とする請求項１記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１工程において、前記金属基体の表面の上に金属粒子微粉末を載せた後に、該金属粒子微粉末の上に前記無機粒子粉末を載せることを特徴とする請求項１記載の摺動部材の製造方法。
【請求項５】
前記金属基体の表面に、前記無機粒子の平均粒子径よりも大きい高低差を有する凹凸があることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程は、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）装置を用いて行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項７】
前記第２工程において前記金属基体に固定されなかった無機粒子の粉末を、前記第１工程にて再利用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水ポンプの一種として、先行待機運転ポンプのような無給水ポンプが知られている。先行待機運転ポンプは、例えばゲリラ豪雨のような急激な水量の増加に対応すべく、予め無水状態で全速運転（先行待機運転）することが可能となっている。このような無給水ポンプの軸受構造においては、すべり摺動面の焼き付き防止のために、炭化ケイ素や黒鉛等のセラミックス摺動部材が用いられ得る。しかし、セラミックスは加工性に乏しく、大きな焼結体を作製することは難しい。そこで、ＣＶＤや溶射を用いたセラミックスコートが開発され、例えば、特許文献１には、スリーブ又は軸受の一方の基体に、ダイヤモンド等の硬質被膜を基体表面全体に数μｍ被覆し、該硬質皮膜を摺動面とする無給水ポンプ用軸受構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−５２２２２号公報（１９９３年３月２日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、硬質皮膜は、基体との互いの熱膨張係数が異なることが多い。そのため、摺動時の熱応力が大きくなることによって、該硬質皮膜にクラックや剥離が生じることがある。したがって、硬質皮膜と熱膨張係数を合わせるために基体の材料選択が制約されたり、熱膨張による熱応力を小さくするために摺動部材を分割したりしなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、大型の摺動部材を容易に製造することができ、基体の材料選択の幅が広い摺動部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の摺動部材の製造方法は、上記の課題を解決するために、ポンプ用軸受構造に用いられ、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材の製造方法であって、金属基体の表面の上に、セラミックス粒子、ダイヤモンド粒子およびダイヤモンドライクカーボン粒子の少なくとも一つである無機粒子の粉末を載せる第１工程と、前記第１工程の後、前記無機粒子の焼結温度より低い温度にて前記無機粒子の粉末を加圧し、前記金属基体との境界に位置する前記無機粒子を前記金属基体に押し込み固定する第２工程とを含むことを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、金属基体の表面の上に無機粒子が散在して固定され、該無機粒子が被摺動部材に摺接する。そして、各無機粒子がセラミックス粒子、ダイヤモンド粒子およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）粒子の少なくとも一つであるであるため、被摺動部材との間に水等の潤滑剤が存在しない無潤滑条件下においても焼き付くことなく回転することができる。
【０００８】
また、焼結温度より低い温度にて前記無機粒子の粉末を加圧し、前記金属基体との境界に位置する前記無機粒子を前記金属基体に押し込み固定するため、無機粒子はそれぞれ独立して金属基体に固定される。そのため、金属基体が温度の上昇によって熱膨張するとき、金属基体の外表面上に固定されている無機粒子は、該熱膨張に付随して移動することができる。したがって、金属基体と無機粒子との熱膨張係数を合わせる必要が無く、金属基体の材料の選択性が広い。
【０００９】
さらに、無機粒子の粉末を加圧し、金属基体との境界に位置する前記無機粒子を前記金属基体に押し込み固定する簡易な工程により摺動部材を製造するため、大型の摺動部材を容易に製造することができる。
【００１０】
本発明の摺動部材の製造方法において、前記無機粒子は、表面が金属メッキされていてもよい。金属メッキは、金属基体と無機粒子との間にて、接合を補助する。したがって、無機粒子にあらかじめ金属メッキを施すことにより、金属基体に、無機粒子をより強固に固定することができる。
【００１１】
本発明の摺動部材の製造方法は、前記第１工程において、金属基体の表面の上に金属粒子微粉末を載せた後に、該金属粒子微粉末の上に前記無機粒子粉末を載せてもよい。これにより、第２工程の後に、金属基体の表面に金属膜が形成される。このとき、無機粒子は、金属基体だけでなく金属膜によっても固定される。そのため、金属膜は金属基体と無機粒子との接合を補助することができる。また、金属膜は、金属基体の表面上に形成されることにより、金属基体を保護することができる。これにより、スラリー粒子に対する摺動部材の耐久性が更に向上する。
【００１２】
本発明の摺動部材の製造方法において、前記金属基体の表面に、前記無機粒子の平均粒子径よりも大きい高低差を有する凹凸があってもよい。これにより、第２工程の後に、無機粒子の先端を加工するに際して、実質的な削り代が、無機粒子の高さに凹凸の高低差を加えたものとなる。このため、削り代を大きくすることができる。また、面密度の調整が容易になる。ここで、面密度とは、基体の表面の垂直方向から見たときの、摺接粒子が占める面積の割合を意味する。
【００１３】
本発明の摺動部材の製造方法において、前記第２工程は、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）装置を用いて行われることが好ましい。これにより、短時間で昇温が可能なため、無機粒子として例えばダイヤモンド粒子やＤＬＣ粒子を用いた場合に、黒鉛への変質を抑制することができる。
【００１４】
本発明の摺動部材の製造方法は、前記第２工程において前記金属基体に固定されなかった無機粒子の粉末を、前記第１工程にて再利用してもよい。これにより、無機粒子粉末を無駄に廃棄することが無く、製造コストを抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、大型の摺動部材を容易に製造することができ、基体の材料選択の幅が広い摺動部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１における軸受構造及び摺動部材としての軸部材の、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。
【図２】前記軸部材の、外面側からみた構成を示す上面図である。
【図３】（ａ）は、金属基体の表面の上に無機粒子粉末を載せた状態を示す断面図であり、（ｂ）は成形型に充填した金属基体と無機粒子粉末とを加圧した後の状態を示す断面図であり、（ｃ）は、加圧後の金属基体の表面部分の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態２における摺動部材としての軸部材の、第２工程後の金属基体の表面部分の拡大図である。
【図５】本発明の実施形態３における摺動部材としての軸部材の、金属基体の表面の上に金属微粉末を載せた後、該金属微粉末の上に無機粒子粉末を載せた状態、及び第２工程後の金属基体の表面の状態を示す図である。
【図６】本発明の実施形態４における、第２工程後の金属基体の表面の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について、図１〜３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施の形態では、摺動部材の製造方法として、土砂（スラリー粒子）を含む水を排出するためのポンプ用軸受構造に用いられ、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材の製造方法について説明する。尚、本実施の形態では、摺動部材としての軸部材について説明するが、本発明の摺動部材は必ずしもこれに限らない。例えば、軸部材に対して相対的に摺動する軸受構造における軸受け部材にも適用することができる。
【００１８】
＜摺動部材の構成＞
ポンプ用軸受構造における、本実施の形態の摺動部材としての軸部材の構成について、図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施の形態における軸受構造１Ａの、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。図２は、軸受構造１Ａが備える軸部材１０の、外面側からみた構成を示す上面図である。
【００１９】
図１に示すように、軸受構造１Ａは、摺動部材としての軸部材１０と、被摺動部材としての軸受け部材１１とからなっている。軸部材１０は、円筒形状の軸スリーブである。尚、軸部材１０は、軸スリーブに限定されるものではなく、軸であってもよい。一方、軸受け部材１１は、内部に軸部材１０が収容される円筒形状を有しており、軸部材１０を軸支する。
【００２０】
［軸受け部材１１］
軸受け部材１１は、例えば、硬質のセラミックスや超硬合金等から成り、セラミックスやサーメットであることが好ましい。セラミックスやサーメットを用いることにより、軸受け部材１１の耐久性が向上する。軸受け部材１１の内側表面は、摩擦係数を低く抑えるため、表面粗さＲａが１．０μｍ以下であることが好ましい。なお、軸受け部材１１の表面に、摩擦係数を低く、又は耐摩耗性を向上するための焼結体や膜を形成するような加工がされていても良い。
【００２１】
［軸部材１０］
軸部材１０は、図１に示すように、少なくとも、円筒形状の金属基体１０ａと、金属基体１０ａの外表面上に散在して固定された摺接粒子１０ｂとを備える。また、摺接粒子１０ｂが金属基体１０ａの外表面上に散在しているため、摺接粒子１０ｂ間に摺接粒子１０ｂが存在しない領域（以下、粒子間領域）１２が形成される。尚、図１においては、金属基体１０ａの外表面全体に散在する摺接粒子１０ｂのうち、一部のみを図示している。
【００２２】
また、軸部材１０は、基体１０ａの外表面上に、摺接粒子１０ｂを固定するための固定部材（図１では図示せず）を備えていてもよい。
【００２３】
さらに、軸部材１０は、粒子間領域１２に、摺接粒子１０ｂと同一材料の粒子であって、摺接粒子１０ｂよりも粒子径の小さい粒子を備えていてもよい。該粒子は、軸部材１０を製造する際に、摺接粒子１０ｂの原材料となる粉体の粒度分布に起因して不可避的に備えられる粒子である。
【００２４】
［金属基体１０ａ］
金属基体１０ａは、一般的に用いられる材質によって形成されており、例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系の硬質合金等から成る。金属基体１０ａの硬さはＨＶ６００以上が好ましく、ＨＶ８００以上であることがより好ましい。排出される水に含まれるスラリー粒子の硬さがＨＶ１０００程度であるので、その値に近い硬度を有することにより、スラリー粒子による金属基体１０ａの損傷を軽減することができる。また、金属基体１０ａの表面粗さＲａは、軸受け部材同様、１．０μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
［摺接粒子１０ｂ］
本実施の形態における摺接粒子１０ｂは、金属基体１０ａの外表面の上に固定される。摺接粒子１０ｂとして、例えば、金属基体１０ａよりも硬質なセラミックスの粒子（例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等の粒子）、ダイヤモンド粒子、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）粒子等の無機粒子を使用できる。ここで、上記ダイヤモンド粒子には、ダイヤモンドの単結晶粒子、ダイヤモンド焼結体を粉砕した粒子も含まれる。また、上記ＤＬＣ粒子には、バインダーを使用してＤＬＣ粉末を造粒したものや、ＤＬＣ粉末の焼結体を粉砕した粒子も含まれる。
【００２６】
摺接粒子１０ｂは、金属基体１０ａの外表面上に、後述の方法により固定されている。摺接粒子１０ｂは、金属基体１０ａの外表面上に１粒子の厚さで散在している。すなわち、金属基体１０ａ上に固定された摺接粒子１０ｂの粒子の上に、別の摺接粒子１０ｂが固定されていることはほとんど無い。また、軸部材１０は、摺接粒子１０ｂが存在しない粒子間領域１２を有している。したがって、金属基体１０ａの表面上に固定される摺接粒子１０ｂの合計量を少なくすることができ、製造コストを低くできる。尚、金属基体１０ａの外表面上において、２つ以上の異なる摺接粒子１０ｂが隣接している箇所があってもよい。ただし、隣接する異なる摺接粒子１０ｂ間は接合されていない。
【００２７】
また、各摺接粒子１０ｂの先端、つまり、軸受け部材１１側の端部は、軸部材１０の軸方向から見たときに、軸部材１０の軸を中心とした同一円周上にある。すなわち、各摺接粒子１０ｂの先端によって、図１に示すように、軸部材１０の軸を中心とした円周面である摺接面１３が形成される。該摺接面１３は、軸部材１０が回転するときに、被摺動部材であるところの軸受け部材１１と摺接する。
【００２８】
［粒子間領域１２］
摺接粒子１０ｂ間には、図１及び図２に示すように、粒子間領域１２が形成されている。従来、特許文献１に記載されているように、基体の上に硬質皮膜を形成する場合には、その温度が上昇した場合において、基体と、硬質皮膜との互いの熱膨張の差に起因する剥離が生じうる。そのため、基体と、硬質皮膜との互いの熱膨張係数を合わせる必要があった。それゆえ、基体として高価なＷＣを含む超硬合金を用いる必要があり、基体の材料の選択の幅が狭いという問題があった。これに対して、本実施の形態における軸部材１０では、摺接面１３を形成する摺接粒子１０ｂ間に粒子間領域１２が形成されているため、当該問題を解決できる。そのことについて以下に詳細に説明する。
【００２９】
まず、上述のような熱膨張の差に起因する剥離は、相対的に熱膨張係数の大きい基体側の熱膨張によって、上記焼結体又は硬質皮膜を破断させる力を及ぼすことに起因している。本実施の形態においても、摺接粒子１０ｂとしての硬質なセラミックスの粒子、ダイヤモンド粒子、ＤＬＣ粒子、ＣＢＮ粒子等の熱膨張係数は小さく、金属基体１０ａに用いられる合金等の熱膨張係数は相対的に大きい。しかしながら、本実施の形態における軸部材１０では、金属基体１０ａが温度の上昇によって熱膨張するとき、金属基体１０ａの外表面上に固定されている摺接粒子１０ｂは、該熱膨張に付随して移動することができる。換言すれば、摺接粒子１０ｂは、金属基体１０ａの熱膨張に付随して、金属基体１０ａの中心軸からの放射線方向に、粒子間領域１２を広くするように移動する。
【００３０】
他方、温度の上昇による摺接粒子１０ｂの熱膨張は、そもそも摺接粒子１０ｂの熱膨張係数が小さいことに加えて、粒子間領域１２があるため、他の摺接粒子１０に対して影響を及ぼさない。
【００３１】
したがって、金属基体１０ａと摺接粒子１０ｂとの熱膨張係数を合わせる必要が無く、金属基体１０ａの材料の選択性が広くなっており、例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系の硬質合金のような熱膨張係数が鉄と同程度である材料を用いることができる。
【００３２】
粒子間領域１２は、さらに、スラリー粒子の通路としての機能も有する。特許文献１に記載の発明において、摺動面に侵入したスラリー粒子による摩耗に対しては、スラリー粒子よりも高硬度な材料を用いるという対処のみをしていた。それに対して、本実施の形態における軸部材１０においては、スラリー粒子を粒子間領域１２へと逃がすことができる。すなわち、軸部材１０と軸受け部材１１との間に侵入したスラリー粒子は、摺接面１３と軸受け部材１１との間に挟み込まれるよりも、粒子間領域１２へと送り込まれやすい。そして、スラリー粒子は、金属基体１０ａの外表面全体に形成されている粒子間領域１２を通過して、軸受構造１Ａの外部へと排出され得る。したがって、スラリー粒子の摺動面への噛み込みを防止し得る。また、軸受構造１Ａに一旦水が通じた後には、粒子間領域１２に水が貯えられることによって、軸部材１０の回転時に、粒子間領域１２から摺接粒子１０ｂと軸受け部材１１との間に適度に水が潤滑剤として供給され、潤滑性が向上する。
【００３３】
［摺接面１３］
本実施の形態における摺接面１３には、金属基体１０ａの表面は含まれず、摺接面１３は摺接粒子１０ｂのみから形成されている。すなわち、金属基体１０ａの軸中心からの距離を高さとすると、摺接面１３よりも金属基体１０ａの表面が高くなっている部分がない。これにより、軸部材１０と軸受け部材１１とからなる軸受構造１Ａにおいて、軸部材１０が回転するに際して、軸受け部材１１と摺接するのは摺接面１３のみとなる。ここで、摺接粒子１０ｂは硬質かつ高融点のセラミックス等であるため、軸部材１０は、軸受け部材１１との間に水等の潤滑剤が存在しない無潤滑条件下においても焼き付くことなく回転することができる。さらに、摺接粒子１０ｂとしてダイヤモンド等の摩擦係数の低い物質を用いた場合には、摩擦による熱の発生が抑えられ、材料の耐久性が更に向上する。
【００３４】
＜摺動部材の製造方法＞
本発明の一実施形態における摺動部材の製造方法は、軸部材製造工程として、（１）金属基体の表面の上に無機粒子粉末を載せる工程、（２）無機粒子粉末を金属基体中に押し込み固定する工程、を少なくとも包含している。以下、各工程に関して説明する。
【００３５】
（１）金属基体の表面の上に無機粒子粉末を載せる工程（第１工程）
本実施の形態における第１工程について、図３を用いて説明する。図３の（ａ）は、金属基体１０ａの表面の上に無機粒子粉末３０を載せた状態を示す断面図である。
【００３６】
本実施の形態における第１工程では、例えば、黒鉛からなる成形型に金属基体１０ａを収納し、その後、前記成形型に無機粒子粉末３０を充填する。前記成形型内において、図３に示すように、金属基体１０ａの表面の上に、無機粒子粉末３０が載った状態となる。
【００３７】
成形型の材質としては、後述する第２工程における加圧手段に対応して、一般的に用いられる材質を選択すればよく、例えば黒鉛や超硬合金等である。
【００３８】
金属基体１０ａの材質としては、Ｃｏ系、Ｎｉ系の硬質合金等を用いればよい。すなわち、金属基体の材質と、無機粒子粉末３０との互いの熱膨張係数の差に基づく、金属基体１０ａの材質の制約は緩和されており、金属基体１０ａの材料選択の幅が広い。
【００３９】
無機粒子粉末３０としては、金属基体１０ａよりも硬質な粒子であればよく、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等のセラミックス粒子や、ダイヤモンド粒子、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）粒子等を用いることができる。なお、摺動面の摩擦を低減するには、摺動性に優れるダイヤモンド粒子やＤＬＣ粒子を用いることが好ましい。
【００４０】
金属基体１０ａの表面の上に載せる無機粒子粉末３０の厚さは、５ｍｍより小さいと作業性が悪く、１０ｍｍより多いと後述する第２工程加圧時の圧損が大きくなるため、５〜１０ｍｍ程度が好ましい。
【００４１】
（２）無機粒子粉末を金属基体中に押し込み固定する工程（第２工程）
本実施の形態における第２工程について、図３を用いて説明する。図３の（ｂ）は、成形型に充填した金属基体１０ａと無機粒子粉末３０とを加圧した後の状態を示す断面図であり、（ｃ）は、加圧後の金属基体１０ａの表面部分の拡大図である。
【００４２】
本実施の形態における第２工程では、第１工程において成形型に充填した金属基体１０ａと無機粒子粉末３０とを、加圧装置を用いて、無機粒子粉末３０の焼結温度より低い温度にて加圧する。該加圧装置には、例えばホットプレス装置のような、一般的な粉体の焼結に用いられる装置が使用できるが、スパークプラズマ焼結（ＳＰＳ）装置を用いることが好ましい。ＳＰＳは、粉体焼結等に通常用いられる方法として知られている。ＳＰＳは、簡単には、試料に対して高圧に加圧すること、プラズマ形成等によって粒子間の接合を促進すること、及び急速昇温し高温で加熱すること、が可能であるという利点がある方法である。
【００４３】
本実施の形態における第２工程では、ＳＰＳ装置を用いて、高温加圧下で加圧成形を行う。ここで、ＳＰＳの温度としては、無機粒子粉末３０の焼結温度よりも低い温度を設定すればよく、例えば、無機粒子粉末３０としてダイヤモンド粒子を用いる場合、９５０℃である。また、ＳＰＳの圧力としては、摺接粒子１０ｂが金属基体１０ａに押し込まれ固定される程度の圧力であればよく、例えば３０ＭＰａのような低圧でよい。
【００４４】
ＳＰＳ装置を用いた加圧成形後、金属基体１０ａとの境界に位置していた無機粒子が金属基体１０ａに押し込まれ固定され、１粒子の厚みで散在する。なお、境界とは金属基体１０ａと無機粒子粉末３０との界面又は界面付近とも表現できる。金属基体１０ａに押し込まれて固定された無機粒子が摺接粒子１０ｂとなる。ここで、金属基体１０ａ上に固定されなかった他の無機粒子は、前記加圧成形後、除圧したときに粉末状態を保持しており、金属基体１０ａの表面の上から除去できる。すなわち、本実施の形態におけるＳＰＳ装置を用いた加圧成形では、無機粒子粉末３０中の無機粒子の大多数は、焼結されることなく、圧力媒介及び熱媒介として作用している。これにより、金属基体１０ａに固定されなかった無機粒子は、金属基体１０ａの表面の上から回収することができ、そして、別の摺動部材の製造における第１工程に再利用することができる。したがって、無機粒子粉末３０を無駄に廃棄することが無い。このように、本実施の形態の摺動部材の製造方法によれば、製造コストを抑制できる。
【００４５】
また、本実施の形態におけるＳＰＳ装置を用いた加圧成形では、短時間で昇温が可能なため、無機粒子として例えばダイヤモンド粒子やＤＬＣ粒子を用いた場合には、黒鉛への変質を抑制することができるという効果を奏する。
【００４６】
［他の工程］
第２工程の後、金属基体１０ａの外表面の上に固定された摺接粒子１０ｂの粒子先端に、摺接面１３を形成する加工工程を行うことにより、摺動性が良い摺動部材が得られる。この摺接面１３を形成する加工は、セラミックス等の硬質な材料を研磨するのに通常用いられる方法によって行われる。ここで、一部の摺接粒子１０ｂは、加工中に金属基体１０ａの外表面の上から脱落し得る。該脱落によって粒子間領域１２が更に形成され、摺接粒子１０ｂの面密度が調節されるとともに、粒子間領域１２はスラリー粒子の通路として働く。したがって、無給水ポンプにおける軸受構造に適用でき、摺接面における焼き付きを防止でき、スラリー粒子による摩耗にも耐久性のある摺動部材を製造することができる。
【００４７】
前記加工工程の後、必要に応じて、摺接粒子１０ｂと金属基体１０ａとの接合の安定性を評価するために、ＪＩＳ  Ｒ  ３２５５に規定される、ガラスを基板とした薄膜の付着性試験方法に準拠したマイクロスクラッチ法により、後述する完全損傷荷重を測定することができる。前記マイクロスクラッチ法は、「鈴木庸久、今野高士、 “カーボンナノチューブ複合ニッケルめっき被膜を用いたダイヤモンド電着砥石の開発”、２０１０年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集Ｌ４４」に記載の方法を参考に行うことができ、以下に説明する。
【００４８】
前記マイクロスクラッチ法においては、島津走査型スクラッチテスターＳＳＴ−１０１（商品名、株式会社島津製作所製）を用いた。前記スクラッチテスターは、金属基体１０ａの外表面に固定された摺接粒子１０ｂに接触するツールと、ツールを保持するロードセルとを備えている。該ツールは平面状のテスト面を有している。前記マイクロスクラッチ法においては、前記テスト面を金属基体１０ａの外表面に対して垂直に、かつ前記ツール先端を金属基体１０ａの外表面の１０μｍ上方に設置する。前記ツールを、金属基体１０ａの外表面に沿って平行に速度１００μｍ／ｓで動かして、金属基体１０ａの外表面から露出した摺接粒子１０ｂをテスト面で押し、摺接粒子１０ｂが脱落するときの最大ツール荷重を、前記ロードセル（最大測定強度２０Ｎ）により測定し、これを完全損傷荷重とする。ここで、最大ツール荷重とは、ツールを介して試験片表面に加えた力である。前記完全損傷荷重は、摺接粒子１０ｂと金属基体１０ａとの密着性を示す指標となる。なお、ツールは、単結晶ダイヤモンド製であり、テスト面の幅は１５０μｍのものを用いた。
【００４９】
上述の工程が行われた後、本実施の形態の軸部材１０は、軸受構造における軸部として、例えば無給水ポンプ等に供することができる。
【００５０】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
前記実施の形態１では、粒子表面が何も処理されていない摺接粒子１０ｂを、金属基体１０ａの表面の上に固定していた。これに対して、本実施の形態の摺接粒子１０ｂでは、前記第１工程の前に、あらかじめ摺接粒子１０ｂの表面に金属メッキ７０が施されている点が異なっている。このとき、金属メッキの層厚は、０．１μｍより薄いとメッキが剥がれたり傷つきやすくなり、０．５μｍより厚くしてもそれ以上の効果がないため、０．１〜０．５μｍ程度が好ましい。
【００５２】
本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の製造方法について、図４に基づいて説明する。図４は、本実施の形態における摺動部材としての軸部材１０の、第２工程後の金属基体１０ａの表面部分の拡大図である。
【００５３】
本実施の形態の摺動部材の製造方法により製造された軸部材１０では、金属基体１０ａの表面の上に、粒子表面に金属メッキ７０が施された摺接粒子１０ｂが固定されている。この金属メッキ７０は、前記第１工程の前に、無機粒子粉末３０に施される。金属メッキ７０のメッキ方法としては、一般的に用いられる方法が使用できる。金属メッキ７０における金属としては、例えばニッケルが挙げられるが、その他の金属であってもよい。
【００５４】
粒子表面に金属メッキ７０が施された無機粒子粉末３０は、その一部が、第２工程において金属基体１０ａに押し込まれ、摺接粒子１０ｂとして固定される。ここで、金属メッキ７０は、金属基体１０ａと摺接粒子１０ｂとの間にて、接合を補助する。すなわち、金属メッキ７０と金属基体１０ａとの間には、前記第２工程における加熱によって、異種金属又は同種金属間の結合が形成され、結合力が生じる。また、摺接粒子１０ｂと金属メッキ７０との間には、アンカー効果によって結合力が生じる。したがって、摺接粒子１０ｂにあらかじめ金属メッキ７０を施すことにより、金属基体１０ａに、より強固に固定することができる。
【００５５】
また、摺接粒子１０ｂの表面に金属メッキ７０が施されているため、前記第２工程における加圧後に、摺接粒子１０ｂ同士が融着することがあり得る。しかし、このときの摺接粒子１０ｂの粒子間の融着は弱いため、機械加工を行うことにより、金属基体１０ａ上に固定されていない摺接粒子１０ｂを除去すること、及び回収した摺接粒子１０ｂを粉末にすることができる。
【００５６】
〔実施の形態３〕
本発明の他の実施形態について、図５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び２と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１及び２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５７】
前記実施の形態１及び２では、第２工程において、金属基体１０ａの上に無機粒子粉末３０を載せて加圧していた。これに対して、本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の製造方法においては、金属基体１０ａの上に金属微粉末６１を載せ、その後、無機粒子粉末３０を載せてから第２工程を行う点が異なっている。
【００５８】
本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の製造方法について、図５に基づいて説明する。図５は、本実施の形態における摺動部材としての軸部材１０の、金属基体１０ａの表面の上に金属微粉末６１を載せた後、該金属微粉末６１の上に粉末３０を載せた状態、及び第２工程後の金属基体１０ａの表面の状態を示す図である。
【００５９】
本実施の形態の摺動部材の製造方法により製造された軸部材１０では、金属基体１０ａの表面の上に、摺接粒子１０ｂが固定されているとともに、摺接粒子１０ｂ間において、金属基体１０ａの表面に金属膜６２が形成されている。該金属膜６２は、前記第２工程において、加熱された金属微粉末６１が結合して形成される。金属微粉末６１に用いられる金属としては、例えば炭化物微粉末を含むニッケルやコバルトが挙げられるが、これに限定されない。微粉末の粒子サイズとしては１〜３μｍが好ましく、より好ましくは、０．５〜１．０μｍである。
【００６０】
金属基体１０ａに押し込まれ固定された摺接粒子１０ｂは、前記金属膜６２によって、さらに保持される。すなわち、前記第２工程後の摺接粒子１０ｂは、図５に示すように、金属基体１０ａだけでなく金属膜６２によっても固定されている。このとき、前記第２工程における加熱によって、摺接粒子１０ｂと金属膜６２との間には、アンカー効果等の結合力が働く。そのため、金属膜６２は金属基体１０ａと摺接粒子１０ｂとの接合を補助することができる。
【００６１】
また、金属膜６２は、金属基体１０ａの表面上に形成されることにより、金属基体１０ａを保護することができる。すなわち、本実施の形態の摺動部材の製造方法により製造された軸部材１０では、粒子間領域１２を通過するスラリー粒子は、金属基体１０ａではなく金属膜６２と接触するため、金属基体１０ａが保護される。これにより、軸部材１０のスラリー粒子に対する耐久性が更に向上する。
【００６２】
前記第２工程の後、金属膜６２の厚みが摺接粒子１０ｂの粒子径よりも大きい場合には、金属膜６２を研削する加工を行えばよい。それにより、摺接面１３が摺接粒子１０ｂのみから形成され、摺動面の焼き付きを防止することができる。
【００６３】
〔実施の形態４〕
本発明の他の実施形態について、図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１〜３と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１〜３の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６４】
前記実施の形態１〜３では、金属基体１０ａの表面に何も処理をせずに、該表面の上に無機粒子粉末３０を載せて加圧していた。これに対して、本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の製造方法においては、金属基体１０ａの表面にあらかじめ凹凸を形成し、その後、第１工程を行う点が異なっている。
【００６５】
本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の製造方法について、図６に基づいて説明する。図６は、本実施の形態における、第２工程後の金属基体１０ａの表面の状態を示す図である。
【００６６】
図６に示されるように、金属基体１０ａの表面には凹凸が形成されている。該凹凸の高低差は、無機粒子の平均粒子径よりも大きく設定されており、該凹凸の高低差は、無機粒子の平均粒子径の２〜４倍とすることが好ましい。そして、本実施の形態では、第２工程の後、金属基体１０ａの凹凸のある表面の上に、該凹凸に沿って摺接粒子１０ｂが１粒子の厚みで散在して固定される。
【００６７】
第２工程の後、上述したように、摺接粒子１０ｂの先端が同一円周の摺接面１３となるように、摺接粒子１０ｂの加工が必要に応じて行われる。この際、削り代が問題となる。このことについて、以下に説明する。
【００６８】
仮に、金属基体１０ａが完全に平滑な表面を有しているとすると、金属基体１０ａの表面に固定された摺接粒子１０ｂの削り代は、摺接粒子１０ｂのうち金属基体１０ａの表面上に露出している部分の高さＡとなる。そのため、金属基体１０ａが変形し、その変形量が前記高さＡよりも大きい場合には、ある部分において削り代が足りなくなり、摺接粒子１０ｂの全てを削り取ってしまう可能性がある。
【００６９】
これに対して、本実施の形態の摺動部材の製造方法のように、金属基体１０ａにあらかじめ凹凸をつけることにより、削り代を大きくすることができる。金属基体１０ａの表面の凹凸に沿って摺接粒子１０ｂが固定されているため、実質的な削り代は、図６に示すように、摺接粒子１０ｂの高さＡに凹凸の高低差Ｂを加えたものとなる。すなわち、摺接粒子１０ｂと共に金属基体１０ａの表面を研削することによって、摺接面１３を形成することができる。このとき、摺接面１３上に出てくる金属基体１０ａの表面については、後加工として、金属基体１０ａの表面のみを研削し、窪みを形成すればよい。該後加工には、金属基体１０ａよりも硬度が高く、摺接粒子１０ｂよりも硬度が低い粒子を用いればよい。
【００７０】
また、本実施の形態の摺動部材の製造方法のように、金属基体１０ａにあらかじめ凹凸をつけ、凹凸に沿って摺接粒子１０ｂを固定することにより、面密度の調整が容易になる。すなわち、摺接面１３の所望の面密度まで、摺接粒子１０ｂと共に金属基体１０ａの表面を研削することができる。このとき、摺接面１３上に出てくる金属基体１０ａの表面については、上述のように、後加工として、金属基体１０ａの表面のみを研削し、窪みを形成すればよい。
【００７１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００７２】
〔実施例１〕
内径３０ｍｍの黒鉛型に、φ３０×５ｍｍｔの基体Ｃｏ-Ｃｒ-Ｍｏ-Ｓｉ-Ｂ合金の上に平均粒子径１００μｍのダイヤモンド粒子粉末を２ｇ充填した（第１工程）。黒鉛型に充填した基体及びダイヤモンド粒子粉末を、ＳＰＳ装置により３０ＭＰａ、９００℃で５分間焼成した（第２工程）。脱型の際、ほとんどのダイヤモンド粒子粉末は粉状の状態であり、基体には１粒子の厚みのダイヤモンド粒子のみが接合された。基体と接合されたダイヤモンド粒子の先端を加工した。加工後、ダイヤモンド粒子と基体との密着性を、マイクロスクラッチ法により評価した。密着性は１２Ｎの強度であった。したがって、ＳＰＳ装置を用いて、基体の表面上にダイヤモンド粒子を固定すること、及び固定後のダイヤモンド粒子の粒子先端を加工することができた。
【００７３】
〔実施例２〕
ＳＰＳ装置を用いた加圧の前に、ダイヤモンド粒子に無電解ニッケルメッキを施したこと以外は、実施例１と同様の工程を行うことにより、摺動部材を製造した。加工後、ダイヤモンド粒子と基体との密着性を、マイクロスクラッチ法により評価した。密着性は１６Ｎの強度であった。したがって、ＳＰＳ装置を用いた加圧の前に、ダイヤモンド粒子に無電解ニッケルメッキを施すことによって、ダイヤモンド粒子と基体との接合がより強固になった。
【００７４】
〔実施例３〕
ＳＰＳ装置を用いた加圧の前に、基体の上に平均粒子径３μｍのコバルト粉末を１ｇ充填し、その後ダイヤモンド粒子を充填したこと以外は、実施例１と同様の工程を行うことにより、摺動部材を製造した。加工後、ダイヤモンド粒子と基体との密着性を、マイクロスクラッチ法により評価した。密着性は１７Ｎの強度であった。したがって、基体の上にコバルト粉末を充填することにより、ダイヤモンド粒子と基体との接合が強固になった。
【００７５】
〔実施例４〕
まず、φ３０×５ｍｍｔの基体Ｃｏ-Ｃｒ-Ｍｏ-Ｓｉ-Ｂ合金の表面に凹凸をつけた。その後、実施例１と同様の工程により、加圧成形を行った。加圧成形後、脱型の際、ほとんどのダイヤモンド粒子粉末は粉状の状態であり、基体には、基体表面の凹凸に沿って１粒子の厚みのダイヤモンド粒子のみが接合された。その後、ダイヤモンド粒子の先端を加工すると、ダイヤモンド粒子のうち基体の表面上に露出している部分の高さ（図６に示すＡ）は５０μｍ、気体表面の凹凸の高低差（図６に示すＢ）は４００μｍ、基体の表面の垂直方向から見たときの、ダイヤモンド粒子が占める面積の割合である面密度は２０％となった。
【００７６】
以上の結果から、ＳＰＳ装置を用いて基体上に摺接粒子を好適に固定できることが確認された。また、粒子の表面にあらかじめ金属メッキを施したり、金属基体の表面上に金属微粉末を載せたりすることにより、摺接粒子と金属基体との接合強度が変えられることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、先行待機運転のような、軸受にとって過酷な条件での運転を行う無給水ポンプに利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１Ａ      軸受構造
１０        軸部材
１０ａ      金属基体
１０ｂ      摺接粒子
１１        軸受け部材
１２        粒子間領域
１３        摺接面
３０        無機粒子粉末
６１        金属微粉末（金属粒子微粉末）
６２        金属膜
７０        金属メッキ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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