(57)【要約】【課題】待機運転時である大気中での運転でも異常振動を発生しないポンプ用軸受構造を提供する。【解決手段】水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、軸受を構成する基材２Ａ及び回転軸に嵌合したスリーブ３を構成する基材２Ｂに各々設けられた摺動面４Ａ、４Ｂにて摺動するポンプ用軸受構造において、前記各基材２Ａ、２Ｂのビッカース硬度が６ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下であり、かつ前記各基材２Ａ、２Ｂに設けられた摺動面４Ａ、４Ｂを構成する摺動層５Ａ、５Ｂの少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍの非晶質炭素膜からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、前記軸受を構成する基材及び前記回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、
前記各基材のビッカース硬度が６ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下であり、かつ前記各基材に設けられた摺動面を構成する摺動層の少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍの非晶質炭素膜からなることを特徴とするポンプ用軸受構造。
【請求項２】
水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、前記軸受を構成する基材及び前記回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、
前記各基材のビッカース硬度が６ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下であり、前記各基材に設けられた摺動面を構成する摺動層の少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍでかつ４０ａｔ％以下のＳｉを含有する非晶質炭素膜からなることを特徴とするポンプ用軸受構造。
【請求項３】
水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、前記軸受を構成する基材及び前記回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、
前記軸受の基材が窒化珪素、回転軸に嵌合したスリーブの基材が超硬合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のポンプ用軸受構造。
【請求項４】
基材が金属の場合は金属膜、基材がセラミックの場合は該セラミックの構成原子から構成されるセラミック膜を、前記非晶質炭素膜と基材との間の中間層として基材表面に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプ用軸受構造。
【請求項５】
基材の金属が超硬合金の場合は、前記中間層が厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＴｉ若しくはＣｒの金属膜であることを特徴とする請求項４記載のポンプ用軸受構造。
【請求項６】
基材の金属が超硬合金の場合の前記中間層と前記非晶質炭素膜との間に第２中間層として、厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜を有することを特徴とする請求項４又は請求項５記載のポンプ用軸受構造。
【請求項７】
基材のセラミックが窒化珪素の場合は該構成原子Ｓｉから構成される厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜からなる中間層であることを特徴とする請求項４記載のポンプ用軸受構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ用軸受構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図２に示すような大型ポンプ５１であって、水かさが上がり始める前から起動を開始し、水かさが上がると排水をするような先行待機運転ポンプ用の軸受構造５４がある。水かさが上がり始める前の起動では、大気中の先行待機運転であって、その運転時間は通常１時間以内である。水かさが上がり始めると、図２中の回転軸５３に連結した羽根車５２が回転し、図中の下方から上方の吐出口５９へ排水を始める。
前記回転軸５３と軸受５５とを有し、両者が各々の摺動面で摺動する構成である軸受構造において、軸受５５の摺動面が窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）からなるセラミック、回転軸５３に勘合したスリーブに設けた摺動面が超硬合金（主成分のＷＣをＣｏで結合した合金。）であるものが報告されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図２のポンプ５１に用いられる軸受構造５４は、図３に示すように、軸受カバー５６、ゴム緩衝板５７、シェル５８、摺動面６３Ａをもつ軸受５５の基材５８Ａ（窒化珪素）、内側ゴム緩衝板６０、軸受ケース６１からなる。互いにネジ止め等によって設定されている。
回転軸５３は、回転軸５３に嵌合したスリーブ６４にＨＩＰにより基材５８Ｂである超硬合金を形成して、回転軸５３の摺動面６３Ｂを形成している。なお、軸受５５と回転軸５３とは摺動しているが、先行待機時間が経過し、液体の排水を開始すると、液体が摺動面６３Ａ、６３Ｂの間の微小な空隙に浸入してくる。
【０００４】
なお、図４は、上記図３における軸受５５の各構成を、分解して、順次示したものである。
【特許文献１】特開２００１−２５４７２６号公報（第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
軸受の摺動面が窒化珪素、回転軸の摺動面が超硬合金である従来の特許文献１記載の軸受構造は、両者ともに硬質のために摩耗速度は小さい。しかしながら、軸受の摺動面と回転軸の摺動面との間の大気中の自己潤滑性が低く、大気中の先行待機運転中に両者の間の摩擦係数が上昇するといった欠点があった。その結果、回転方向とは逆の方向に軸が振れる「振れまわり」を生じる。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、大気中での先行待機運転でも異常振動のないポンプ用軸受構造を提供するようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、軸受を構成する基材及び回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、前記各基材のビッカース硬度が６ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下であり、かつ前記各基材に設けられた摺動面を構成する摺動層の少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍの非晶質炭素膜におおわれている点にある。
【０００７】
この非晶質炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）と称されることも多い。ラマン分光分析では結晶質のダイヤモンド、グラファイト特有のピークが表われない。
また、本発明の技術的手段は、水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、軸受を構成する基材及び回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、前記各基材のビッカース硬度が６ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下であり、前記各基材に設けられた摺動面を構成する摺動層の少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍでかつ４０ａｔ％以下のＳｉを含有する非晶質炭素膜におおわれている点にある。
【０００８】
また、水を主体とする液体中で使用される液体を輸送するポンプであって、軸受及び軸受内を回転する回転軸からなり、軸受を構成する基材及び回転軸に嵌合したスリーブを構成する基材に各々設けられた摺動面にて摺動するポンプ用軸受構造において、
前記軸受の基材が窒化珪素、回転軸に嵌合したスリーブの基材が超硬合金であることを特徴とする。
また、基材が金属の場合は金属膜、基材がセラミックの場合は該セラミックの構成原子から構成されるセラミック膜を、前記非晶質炭素膜と基材との間の中間層として基材表面に有することを特徴とする。
【０００９】
さらに基材の金属が超硬合金の場合は厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＴｉ若しくはＣｒの金属膜からなる中間層である点にある。
また、基材の金属が超硬合金の場合の中間層と前記非晶質炭素膜との間に第２中間層として、厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜を有することにある。
また、本発明の技術的手段は、基材のセラミックが窒化珪素の場合は該構成原子Ｓｉから構成される厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜からなる中間層である点にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、先行待機運転時である大気中の運転でも振れまわりのないポンプ用軸受構造を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面並びに表に基づいて説明する。
図１の模式図は表１の実施例３に該当するものであって、本発明の軸受の基材２Ａには、摺動面４Ａを構成する摺動層５Ａ、摺動層５Ａと基材２Ａとの間の中間層６Ａが設けられている。基材２Ａは、図３に示すものと同様の窒化珪素である。摺動層５Ａは厚さ２μｍの非晶質炭素膜、中間層６Ａは厚さ０．１μｍのＳｉＣ膜である。
本発明のスリーブ３上の基材２Ｂには、摺動面４Ｂを構成する摺動層５Ｂ、摺動層５Ｂと基材２Ｂとの間であって基材２Ｂの表面に中間層６Ｂ、摺動層５Ｂと中間層６Ｂとの間に第２中間層７Ｂを設けられている。基材２Ｂは、図３に示すものと同様の超硬合金である。摺動層５Ｂは厚さ２μｍの非晶質炭素膜、中間層６Ｂは厚さ０．１μｍのＴｉ膜、第２中間層７Ｂは０．１μｍのＳｉＣ膜である。
【００１２】
なお、図１は実施例３に該当しているが、模式的に描かれており各層の厚さの比率は正確に描かれたものではない。
また、実施例１、２、４並びに比較例１〜３の断面図示は省略しているが、下記表１に示すように、実施例３とともに断面の構成を示しているので、図１の構成に、各実施例１、２、４等もあてはめることができる。
本発明の軸受及び軸受内を回転する回転軸の各基材２Ａ、２Ｂのビッカース硬度が６ＧＰａ以上、望ましくは９ＧＰａ以上、表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下、望ましくは３．２μｍ以下であり、かつ前記軸受又は回転軸の少なくとも一方の摺動面４Ａ、４Ｂを構成する摺動層５Ａ、５Ｂが厚さ１μｍ〜５００μｍ、望ましくは２μｍ〜５０μｍの非晶質炭素膜であるのが良い。
【００１３】
若しくは前記軸受又は回転軸の摺動面４Ａ、４Ｂを構成する摺動層５Ａ、５Ｂの少なくとも一方が厚さ１μｍ〜５００μｍ、望ましくは２μｍ〜５０μｍであってかつ４０ａｔ％以下のＳｉを含有する非晶質炭素膜であるのも良い。
また、基材２Ｂは、従来例と同じ材質である超硬合金であるが、摺動面４Ｂを構成する摺動層５Ｂを持つ非晶質炭素膜と超硬合金である基材２Ｂとの間であって基材２Ｂの表面の中間層６Ｂは、厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＴｉ膜、Ｔｉ膜を覆う第２中間層７Ｂの厚さも１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜が良い。
【００１４】
さらに、基材２Ａは窒化珪素であって、摺動面４Ａを構成する摺動層５Ａの非晶質炭素膜と基材との間の中間層６Ａは厚さ１０ｎｍ〜１μｍのＳｉＣ膜である。
次に、本発明の基材２Ａ、２Ｂ等の数値限定理由を説明する。
＜軸受及び回転軸の各基材２Ａ、２Ｂのビッカース硬度が少なくとも６ＧＰａ以上、望ましくは９ＧＰａ以上について＞
ビッカース硬度が６ＧＰａ未満であると、軸と軸受の衝突時の衝撃などで基材が変形し、膜に割れや剥離を生じるため軸受構造の耐久性に劣り、大気中の先行待機運転では１時間も経過しないうちに軸受構造が異音を発しながら異常振動を起こし、回転軸の「振れまわり」を生じる。９ＧＰａ以上あれば、軸受構造の耐久時間が１時間以上を記録する。なお、前記ビッカース硬度が９ＧＰａでは、前記のように耐久時間が１時間以上、同３ＧＰａでは、耐久時間は１時間未満であり、したがってビッカース硬度の閾値としては、その中間の６ＧＰａにおいて耐久時間が１時間以上を記録している。
＜軸受及び回転軸の各基材２Ａ、２Ｂの表面粗さＲｍａｘが７．６μｍ以下、望ましくは３．２μｍ以下について＞
表面粗さＲｍａｘは７．６μｍ以下、望ましくは３．２μｍ以下が好ましい。軸受又は回転軸の基材２Ａ、２Ｂのどちらか一方の表面粗さＲｍａｘが７．６μｍより粗くなると、耐久時間が１時間未満となる。軸受及び回転軸の両者の基材２Ａ、２Ｂの表面粗さＲｍａｘが、両方とも３．２μｍ以下であれば、耐久条件である耐久時間１時間以上であって、３時間は耐久できる。表面粗さＲｍａｘが１２μｍでは１時間未満の耐久時間であり、また同３．２μｍでは１時間を越す耐久時間を示すことにより、表面粗さＲｍａｘの閾値としては、その中間の７．６μｍで耐久時間が１時間以上を記録している。
＜軸受又は回転軸の摺動面４Ａ、４Ｂを構成する摺動層５Ａ、５Ｂの少なくとも一方の非晶質炭素膜の厚さ１μｍ〜５００μｍ、望ましくは２μｍ〜５０μｍについて＞
非晶質炭素膜の厚さは、１μｍで効果がある。一方、５００μｍを越すと、非晶質炭素膜自体の表面の凹凸が大きくなり悪影響を及ぼすほか、時には剥離を生じる。望ましくは２〜５０μｍについては、２μｍ以上では、耐久条件である耐久時間１時間以上であって３時間は耐久できる。５０μｍは膜の内部応力による剥離や膜表面粗さを考慮し、通常の成膜条件で良好な膜が得られる最大の厚みである。
＜軸受又は回転軸の摺動面４Ａ、４Ｂを構成する摺動層５Ａ、５Ｂの少なくとも一方の非晶質炭素膜の厚さ１μｍ〜５００μｍ、望ましくは２μｍ〜５０μｍであってかつ含有Ｓｉが４０ａｔ％以下について＞
非晶質炭素膜の含有Ｓｉが４０ａｔ％を越すとセラミックであるＳｉＣに極めて近いものとなり、摩擦係数が小さくかつ摩耗速度も小さいという非晶質炭素膜としての性質が弱くなる。含有Ｓｉが４ａｔ％の非晶質炭素膜であっても、含有しないものに比して約２倍の軸受構造の耐久時間を持つ。
＜回転軸の基材２Ｂの表面の中間層６ＢのＴｉ膜厚さ１０ｎｍ〜１μｍ、ＳｉＣ膜である第２中間層７Ｂの厚さ１０ｎｍ〜１μｍ、軸受の基材２Ａの中間層６ＡであるＳｉＣ膜の厚さ１０ｎｍ〜１μｍについて＞
厚さは、１μｍ程度と薄くても効果がある。一方、均一な膜を得るには最低限１０ｎｍは必要である。
【００１５】
次に、本発明の実施例１〜４を従来例１、比較例１〜３と共に表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
ここで、コーティングとは、基材２Ａ、２Ｂ表面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ）等を有していることである。また、例えば、実施例１の軸受の膜構成における「ＳｉＣ／ＤＬＣ」の表示は、摺動面４Ａを構成する摺動層５Ａが非晶質炭素膜、非晶質炭素膜と基材２Ａとの間の中間層６ＡがＳｉＣ膜であること、同各膜厚（μｍ）が「０．１／２」の表示は、摺動面４Ａを構成する摺動層５Ａの厚さ（膜厚）が２μｍ、非晶質炭素膜と基材２Ａとの間の中間層６Ａの厚さ（膜厚）が０．１μｍであること、表面粗さＲｍａｘ（μｍ）の表示は、基材２Ａ、２Ｂ表面の表面粗さである。
【００１８】
また、上記の膜の形成方法としてＣＶＤを用いたが、ＰＶＤなど他の成膜手段を採用しても良い。なお、表１には、軸受の基材２Ａを窒化珪素あるいは「ＳＵＳ３０４」を、回転軸のスリーブ上の基材２Ｂに超硬合金を用いたが、軸受の基材２Ａに超硬合金、回転軸のスリーブ上の基材２Ｂに窒化珪素を用いるような、適宜両者を交替させて選択使用可能なことはいうまでもない。
[評価方法]
１）耐久時間：実機（図２）に適用して、大気中で運転した際に軸受構造に異常振動が発生した時間で示した。１時間未満で異常音を発した場合は、１時間未満と表示している。なお、［背景技術］で示したように、大気中の先行待機運転時間は通常１時間以内であるので、１時間の耐久時間を評価の基準としている。
２）ビッカース硬度：ＪＩＳ Ｚ ２２４４によるビッカース硬度をＧＰａで示している。
３）表面粗さＲｍａｘ：ＪＩＳ Ｂ ０６０１による表面粗さＲｍａｘをμｍで示している。
４）Ｓｉの組成（ａｔ％）：オージェ分析による。
【００１９】
表１の比較例１は、軸受の表面に軸受の基材を構成する原子を含まないＴｉ膜を形成している。そのため摺動試験を行う前に、膜が基材から剥離して、コーティングする効果が得られなかった。比較例２〜３においては、非晶質炭素膜と超硬合金が摺動している。比較例２では、軸受の基材２Ａの窒化珪素の表面が粗く、比較例３においては、軸受の基材２Ａの硬度が低く、いずれも耐久時間が１時間未満であった。
表１の実施例１〜４は、いずれも耐久時間が１時間以上である。実施例１の表面粗さＲｍａｘは１．６μｍであって７μｍ以下であり、比較例２の同１２μｍと比較しても明らかなように、表面粗さＲｍａｘが小さいことによって、耐久時間が６時間を記録している。
【００２０】
実施例２の非晶質炭素膜の厚さは、実施例１の３．５倍の７μｍあって、そのために、耐久時間が５５時間を記録している。実施例３の基材２Ａ、２Ｂに設けられた膜構成は既に述べたが、回転軸（スリーブ３）に設けた膜構成のために、回転軸に膜構成のない実施例１の３倍以上の耐久時間（２２時間）を記録している。
実施例３の回転軸では、スリーブ上の基材２Ｂが金属である超硬合金の場合であって、中間層６ＢはＴｉの金属膜である。表１に記載を省略するが本Ｔｉの替わりにＣｒの金属膜も有用である。実施例１〜４の軸受では、基材２Ａのセラミックが窒化珪素の場合は該構成原子Ｓｉから構成されるＳｉＣ膜からなる中間層６Ａである。
【００２１】
また、実施例４の軸受における摺動面４Ａを構成する摺動層５Ａの非晶質炭素膜はＳｉを含有していないが、耐久時間が３時間を記録している。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の先行待機運転ポンプ用の軸受構造は、ポンプ以外の各種機械の軸受構造への利用を排除するものではない。また、本発明が輸送する水を主体とする液体に例えば雨水に砂などの異物が含まれているものや下水であっても、正常な運転が行えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の軸受構造断面の模式図である。
【図２】大型ポンプの従来例である。
【図３】従来の大型ポンプの軸受構造である。
【図４】軸受の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
２Ａ、２Ｂ   基材
４Ａ、４Ｂ   摺動面
５Ａ、５Ｂ   摺動層
６Ａ、６Ｂ   中間層
７Ｂ         第２中間層
８           微小な空隙
５１  大型ポンプ（従来）
５８Ａ、５８Ｂ   基材（従来）
６３Ａ、６３Ｂ   摺動面（従来）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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