(57)【要約】【課題】  タービンシャフトなどを支持する軸受において、耐摩耗性を維持したまま、起動時の摩擦抵抗を小さくする。【解決手段】  タービンシャフトを受ける摺動受面がポリエーテルエーテルケトンにより形成され、その摺動受面５に複数の凹部６を形成し、これら凹部６は、摺動受面５における径ｄが１０〜２００μｍ、摺動受面５からの深さｈが２０〜２００μｍ、当該凹部５の形成領域において凹部５の占める割合が面積率で０．５〜１０％であることを特徴とする。凹部６には潤滑油が溜められており、タービンシャフトが起動すると、これに伴って凹部６内の潤滑油が摺動受面５に速やかに供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手材との摺動受面がポリエーテルエーテルケトンにより形成された摺動部材において、
前記摺動受面に複数の凹部を形成し、
これら凹部は、前記摺動受面における径が１０〜２００μｍ、前記摺動受面からの深さが２０〜２００μｍ、前記摺動受面での前記凹部の形成領域において当該凹部の占める割合が面積率で０．５〜１０％であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
タービン用の軸受に用いられることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
請求項１または２記載の摺動部材を製造する方法において、
パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ2のレーザービームを前記摺動受面に照射することによって前記凹部を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は相手材との摺動受面がポリエーテルエーテルケトンにより形成された摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所の発電機を駆動するタービンやポンプなどに組み込まれる軸受は、高荷重の条件下で使用される。このような高荷重の軸受用摺動部材としては、従来から、ホワイトメタル、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと言う。）とグラスファイバーとの複合材料などを用いたものが知られている。
しかしながら、ホワイトメタルを用いた摺動部材では、起動時に固体接触を起こした場合、かじりやすく、また、ＰＴＦＥとグラスファイバーとの複合材料では、機械的強度が小さく、摩耗しやすいという問題があった。
【０００３】
一方、ポリエーテルエーテルケトン（以下、ＰＥＥＫと言う。）は、優れた耐熱性、機械的性質、耐摩耗性を有するエンジニアリング樹脂として知られており、このＰＥＥＫを摺動層に用いた軸受は公知である。例えば、特許文献１および２には、ＰＥＥＫにカーボンファイバーとフルオロカーボン重合体とを添加することにより、耐摩耗性を向上させると共に起動時の摩擦特性を下げるようにすることが開示されている。
【特許文献１】特開平９−１５７５３２号公報
【特許文献２】特開平１０−２０４２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、発電機用タービンやポンプなどに組み込まれる軸受は、小型化の要求に対処するために、相手軸と接触する摺動受面の面積が小さくなる傾向にあり、これに伴って摺動受面に大きな面圧が加わるようになってきている。加えて、特に発電機用タービンにあっては、電力需要の変化に応じて起動・停止が繰り返し行われるが、起動時には軸受の摺動受面が相手軸と部分的に固体接触しているため、大きな起動動力が必要となるばかりか、摺動受面を損傷するおそれがある。
【０００５】
上述の特許文献１および２に開示された摺動材料は、起動時の摩擦抵抗が小さく、また、優れた耐摩耗性を有してはいるが、地球温暖化防止の一環として更なる起動動力の低減化が求められている現在、良好なる耐摩耗性を維持したまま、起動時の摩擦抵抗を更に小さくすることが要求されてきている。
本発明はこのような要求に対処することができる摺動部材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、相手材を受ける摺動受面がポリエーテルエーテルケトンにより形成された摺動部材において、前記摺動受面に複数の凹部を形成し、これら凹部は、前記摺動受面における径が１０〜２００μｍ、前記摺動受面からの深さが２０〜２００μｍ、前記摺動受面での前記凹部の形成領域において当該凹部の占める割合が面積率で０．５〜１０％であることを特徴とするものである。
【０００７】
相手材が停止すると、それまで相手材と摺動部材の摺動受面との間に供給されていた潤滑油が凹部に溜められ、相手材の再起動時に、凹部内の潤滑油が相手材と摺動部材との間に速やかに供給されるため、相手材と摺動部材とが直接接触する状態（固体接触）になることが防止され、起動時の摩擦特性が低くなると共に、低摩耗となる。
【０００８】
ところで、本発明では、凹部の径ｄを１０〜２００μｍ、深さｈを２０〜２００μｍ、摺動受面での凹部の形成領域において当該凹部の占める割合を面積率で０．５〜１０％とした。この径ｄ、深さｈ、面積率の限定理由は次のようなものである。
即ち、径ｄが１０μｍ未満では、十分な貯油量が得られないので、期待した起動摩擦特性を得ることができない。径ｄが２００μｍを超えると、受圧面積が減少するために面圧が上がり、耐摩耗性が低下する。従って、凹部の径ｄは、１０〜２００μｍとした。
そして、凹部の占める割合である面積率が０．５％未満では、十分な貯油量が得られないので、期待した起動摩擦特性を得ることができない。１０％を超えると、受圧面積が減少するために面圧が上がり、耐摩耗性が低下する。このため、凹部の面積率を０．５〜１０％とした。ここで、凹部の面積率とは、凹部が摺動受面全体にわたって形成されている場合には、摺動受面全体の面積に対する凹部の開口面積の割合、凹部が或る領域に限って形成されている場合には、その凹部を形成した領域の面積に対する凹部の開口面積の割合をいう。
【０００９】
一方、凹部の深さｈが２０μｍ未満では、十分な貯油量が得られないので、期待した起動摩擦特性が得られない。深さｈが２００μｍを超えると、耐荷重性が低下する。このため、凹部の深さｈは、２０〜２００μｍとした。
【００１０】
本発明の摺動部材は、タービン用の軸受に用いることができる。特に起動・停止を繰り返すような発電機のタービン用の軸受として用いることによって、起動摩擦特性の低下による顕著な省エネルギー効果や摩耗低減効果が得られる。また、長寿命化を図ることができる。
本発明の摺動部材においては、パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ2のレーザービームを前記摺動受面に照射することによって前記凹部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態は、発電機駆動用のタービンにおいて、そのシャフトを支持するラジアル軸受に適用したものである。
摺動部材としてのタービンシャフト支持用の円筒状の軸受１は、図２に示すように、鋼裏金２上に、銅系軸受合金粉末３ａを散布・焼結して多孔質金属層３を形成し、この多孔質金属層３にＰＥＥＫを含浸被覆して樹脂摺動層４を形成して構成されている。この場合、ＰＥＥＫにはカーボンファイバーが含有されている。なお、樹脂摺動層４の厚さＴは２ｍｍ程度に設定されている。
【００１２】
樹脂摺動層４の表面は、相手材であるタービンシャフト（図示せず）を受ける摺動受面５とされ、この摺動受面５の全域に、図１に示す凹部６が多数形成されている。この凹部６は、摺動受面５側から見ると円形の穴となっており、摺動受面５における径ｄが１０〜２００μｍ、摺動受面５からの深さｈが２０〜２００μｍに形成されている。また、凹部６は、当該凹部６を形成した摺動受面５全域に対して凹部６の占める割合が面積率で０．５〜１０％となるような密度で形成されている。
【００１３】
上記凹部６はレーザー加工によって形成されたものである。図３はレーザー加工装置７を示し、そのベッド８上にはスライダ９が移動可能に設けられており、このスライダ９上に軸受１を保持するための摺動部材保持手段としての治具１０が回転可能に取り付けられている。この治具１０は、図示しないサーボモータによって回転駆動される。
また、ベッド８には、例えばファイバーレーザー装置１１のレーザー発振器１２が取付台１３を介して取り付けられている。レーザー発振器１２には、ファイバー保持手段としての棒状保持棹１４がほぼ水平にして取り付けられており、この保持棹１４にレーザー発振器１２から導出されたファイバー１５が保持されている。ファイバー１５の先端は下向きに曲げられており、当該先端部には、図３（ｂ）に示すように、集光レンズ１６が装着されている。そして、ファイバー１５の先端から放射されたレーザービームは、集光レンズ１６により絞られて治具１０に取り付けられた軸受１の摺動受面５上に集光されるように構成されている。
【００１４】
レーザー加工装置７により軸受５の摺動受面５に凹部６を形成するには、まず、軸受１を治具１０に取り付け、レーザー発振器１２を発振させてレーザービームＬＢをファイバー１５内に放射する。レーザービームＬＢは、ファイバー１５内を伝播してゆく過程でエネルギー密度を上昇させる。そして、レーザービームＬＢは、最終的にファイバー１５の先端から放射され、集光レンズ１６により絞られて軸受１の摺動受面５に照射される。
【００１５】
このとき、摺動受面５に照射されるレーザービームＬＢは、パルス状のレーザービームＬＢとされ、その周波数が１ｋＨｚ以上、パワー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ2となっている。そして、１パルスのレーザービームＬＢにより１個の凹部６が形成されるように、１パルスのレーザービームＬＢの照射の直前に、ベッド８がＸ方向（軸受１の軸線方向）に１ピッチ移動し、或は治具１０が１ピッチ回転する。
【００１６】
さて、軸受１の摺動受面５上にレーザービームＬＢが照射されると、その照射個所が溶融する。このとき、レーザービームＬＢのエネルギー密度が１ＭＷ〜１５ＧＷ／ｃｍ2と大きいことにより、レーザービームＬＢの照射個所は溶融後、気化する。そして、気化ガスは、レーザービームＬＢを囲むようにして上方から摺動受面５に吹き当てられるアシストガスにより吹き飛ばされる。
【００１７】
このように構成された軸受１を使用したタービンでは、停止時において、軸受１とタービンシャフトとが部分的に固体接触している。しかしながら、軸受１の凹部６内には潤滑油が貯溜されているので、タービンシャフトの起動に伴って、その潤滑油が凹部６から摺動受面５へと速やかに供給されることにより、摺動受面５とタービンシャフトとの直接接触（固体接触）を避けることができる。また、ＰＥＥＫは潤滑油のぬれ性が良いので、凹部６の数をむやみに増加させなくとも、即ち凹部６相互間の間隔が広くても、摺動受面５全体に潤滑油が行き渡るようになる。このため、摺動受面５全体に対する凹部６の面積率をそれ程多くせずとも済み、軸受面圧を低く抑えることができる。
【００１８】
本発明者は、本発明の効果を確認するために、次の表１に示す実施例品１〜３および比較例品１〜５を製作し、表２に示す条件で起動・停止による摩擦摩耗試験を行った。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
実施例品１〜３および比較例品１〜５の製法は、次の通りである。まず、鋼の平板上に銅系軸受合金粉末を散布・焼結して多孔質金属層を形成した。次に、この多孔質金属層に対して、実施例品１〜３および比較例品１〜３については、ＰＥＥＫを含浸被覆して厚さ２ｍｍの樹脂摺動層を形成し、また、比較例品４，５については、ＰＴＦＥを含浸被覆して厚さ２ｍｍの樹脂摺動層を形成した。この場合、ＰＥＥＫおよびＰＴＦＥにはカーボンファイバー（ＣＦ）を３０質量％含有させた。次に、樹脂摺動層の表面に表１に示す深さｈおよび径ｄの凹部を同表１に示す面積率となるように形成し、実施例品１〜３および比較例品１〜５を得た。このようにして得た実施例品１〜３および比較例品１〜５について、平板状の試験片により起動・停止による摩擦摩耗試験を行い、その結果を表１に示した。
【００２２】
摩擦摩耗試験の結果を考察する。
まず、比較例品１は、本発明と同じくＰＥＥＫによって樹脂摺動層を形成したものであるが、凹部を形成していない。比較例品４は、本発明とは異なるＰＴＦＥによって樹脂摺動層を形成し、且つ凹部の形成もないものである。この比較例品１と４において、起動摩擦特性は比較例品１よりも比較例品４の方が小さいが、摩耗量は比較例品４のほうが格段に多い。
【００２３】
また、比較例品３は、本発明と同じくＰＥＥＫによって樹脂摺動層を形成したもの、比較例品５は本発明とは異なるＰＴＦＥによって樹脂摺動層を形成したものであり、共に径ｄが２０μｍ、深さｈが２０μｍの凹部を形成している。この比較例品３と５において、起動摩擦特性は両者ほぼ同じであるが、摩耗量は比較例品５の方が格段に多い。
以上の比較例品１と４との比較結果、および比較例品３と５との比較結果によれば、ＰＴＦＥは、ＰＥＥＫに比べて起動摩擦特性は低いが、機械的強度が低いため耐摩耗性に劣る。しかしながら、ＰＥＥＫは、ＰＴＦＥに比べ起動摩擦特性が若干高いが、耐摩耗性が格段に優れることが理解される。
【００２４】
樹脂摺動層をＰＥＥＫで形成した実施例品１〜３と、同じく樹脂摺動層をＰＥＥＫで形成した比較例品１〜３とを比較してみる。本発明の実施例品１〜３は、凹部を形成しない比較例品１、凹部が形成してあっても径ｄおよび深さｈが共に下限値を下回る比較例品２に比べ、起動摩擦特性が小さく、しかも、耐摩耗性も同等以上であり、本発明の凹部を設けることの技術的効果が理解される。
【００２５】
また、実施例品１と比較例品３とは、凹部の径ｄと深さｈが同じであるが、実施例品１の方が比較例品３よりも摩耗量が少ない。これは、実施例品１では、凹部の面積率が４％で、比較例品３の面積率１４％に比べて小さいため、摺動受面の面圧を小さくすることができた結果と思われる。
更に、実施例品１〜３の起動摩擦特性は、樹脂摺動層が本発明と同じＰＥＥＫで、且つ凹部を設けていない比較例品１および小さな凹部を設けている比較例品２に比べて小さい。これは、起動時に潤滑油が凹部から摺動受面へと速やかに供給できるため、速やかに摺動受面の全体が潤滑油で潤されるようになるからであると思われる。
【００２６】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変形が可能である。
凹部の断面形状は、図１のようなほぼ円筒状に限られず、例えば、凹部の底に向って深さ方向に沿ってその径が小さくなってゆくものや、大きくなってゆくものや、深さ方向途中で最も大きくなるものであっても良い。また、摺動受面側から見た凹部の形状は円形に限られず、例えば楕円や多角形であっても良い。
ＰＥＥＫにはカーボンファイバーを含有させなくとも良い。
本発明の摺動部材は、ラジアル軸受に限られず、スラスト軸受であっても良い。
タービン用の軸受に限られないが、起動・停止を繰り返す装置の摺動部材に好適する。
凹部は必ずしも摺動受面の全体に形成しなくとも良い。例えば、シャフトの起動時に荷重が作用している部分、即ち摺動受面の下側半分にだけ凹部を形成するようにしても良い。この場合、凹部の形成領域である摺動受面の下側半分において、当該凹部の占める割合は面積率で０．５〜１０％に設定する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、凹部を示すための樹脂摺動層の断面図
【図２】軸受の断面図
【図３】レーザー加工装置を示す断面図
【符号の説明】
【００２８】
図面中、１は軸受（摺動部材）、２は鋼裏金、３は多孔質金属層、４は樹脂摺動層、５は摺動受面、６は凹部、７はレーザー加工装置を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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