(57)【要約】【課題】  比較的安価で加工しやすい材料を用いても、十分な耐磨耗性および耐食性を得ることのできる水潤滑軸受装置およびこれを用いたポンプ装置を提供すること。【解決手段】  ポンプ装置１に用いた水潤滑軸受装置５においては、軸体５１および軸受５２のうち、軸受５２は、以下の組成    ニッケル：１６〜１８重量％    亜鉛：１８〜２０重量％    グラファイト：１〜５重量％    銅：残部の焼結体で構成する。さらに、平均粒径が８〜１６μｍのタングステン粒子を１〜１０重量％、添加して焼結することが好ましい。【選択図】  図１
2007092978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸体と該軸体を受ける軸受との間に介在する水を潤滑剤として用いた水潤滑軸受装置において、
前記軸体および前記軸受のうちの少なくとも一方が、銅とニッケルと亜鉛とグラファイトとを含む焼結体からなることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、前記軸体および前記軸受のうち、軸受が前記焼結体からなることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記焼結体は、以下の組成
ニッケル：１６〜１８重量％
亜鉛：１８〜２０重量％
グラファイト：１〜５重量％
銅：残部
であることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記焼結体は、さらに、タングステン、モリブデンおよびリン化三銅のうちの少なくとも１つを含んで焼結してなることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記焼結体は、さらに、平均粒径が８〜１６μｍのタングステン粒子を添加して焼結してなることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項６】
請求項５において、前記焼結体におけるタングステンの配合量が１〜１０重量％であることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記焼結体の密度は、真密度の８５〜９０％であることを特徴とする水潤滑軸受装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに規定する水潤滑軸受装置を備えていることを特徴とするポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸体と該軸体を受ける軸受との間に介在する水を潤滑剤として用いた水潤滑軸受装置、およびこの水潤滑軸受装置を備えたポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水を扱うポンプ装置においては、インペラを回転させるための軸受装置として、軸体と該軸体を受ける軸受との間に介在する水を潤滑剤として用いた水潤滑軸受装置が用いられている。このような水潤滑軸受装置では、耐磨耗性に加えて、水あるいはそれに含まれる塩類などにより腐食が発生しないだけの耐食性が求められる。このため、従来は、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスによって軸受が構成される一方、セラミックスあるいは、窒化チタン、炭化チタン、窒化クロムなどのセラミックスをコーティングしたステンレス材などによって軸体が構成されている。なお、液体を潤滑剤とする軸受装置については各種、材質の検討が行われているが、これらは水を潤滑剤として用いたものではない（例えば、特許文献１〜５参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９２７５４号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０１６２号公報
【特許文献３】特開２００２−１８０１６３号公報
【特許文献４】特開２００２−１８０１６４号公報
【特許文献５】特開２００２−２８５２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスはいずれも高価であるとともに、加工性が悪く、寸法精度が出しにくいという問題点がある。
【０００４】
以上の問題点に鑑みて、比較的安価で加工しやすい材料を用いても、十分な耐磨耗性および耐食性を得ることのできる水潤滑軸受装置およびこれを用いたポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明では、軸体と該軸体を受ける軸受との間に介在する水を潤滑剤として用いた水潤滑軸受装置において、前記軸体および前記軸受のうちの少なくとも一方が、銅とニッケルと亜鉛とグラファイトとを含む焼結体からなることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る水潤滑軸受装置では、軸体および軸受のうちの少なくとも一方が、銅とニッケルと亜鉛とグラファイトとを含む焼結体からなり、かかる焼結体において、グラファイトは固体潤滑剤としての機能を発揮する。しかも、グラファイトは、水分の存在下で潤滑性がさらに向上する特性を有しており、水潤滑軸受装置に用いるのに適している。また、銅とニッケルと亜鉛の合金は耐食性が高い。このため、本発明によれば、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスを用いる必要がないため、水潤滑軸受装置の低コスト化を図ることができるとともに、加工性がよいので、寸法精度が出しやすい。
【０００７】
本発明において、前記軸体および前記軸受のうち、例えば、軸受が前記焼結体からなる。
【０００８】
本発明において、前記焼結体は、例えば、以下の組成
ニッケル：１６〜１８重量％
亜鉛：１８〜２０重量％
グラファイト：１〜５重量％
銅：残部
を有している。
【０００９】
本発明において、前記焼結体は、さらに、タングステン、モリブデンおよびリン化三銅のうちの少なくとも一つを含んで焼結してなることが好ましい。タングステンやモリブデンなどは、高速度鋼(ハイス)にも配合されているように、硬くて耐磨耗性を発揮するが、炭素と化合して炭化物を形成しやすく、このような炭化物は硬く、耐摩耗性が高い。このため、タングステン、モリブデンやリン化三銅を添加すると、全体として耐摩耗性が向上する。
【００１０】
本発明において、前記焼結体は、さらに、平均粒径が８〜１６μｍのタングステン粒子を含んで焼結してなることが好ましい。この場合、前記焼結体におけるタングステンの配合量が１〜１０重量％であることが好ましい。洋白材は１１１０℃を越える焼結温度では液相が出てくるため、本発明では、温度が９００〜１０５０℃、例えば９５０℃で焼結させる。但し、このような温度範囲であれば、タングステンやモリブデンは、洋白材とは強く結合しない。従って、粒径が細かすぎると摺動により脱落しやすくなり、添加した効果がなくなってしまう。これに対して、粒径があまりにも大きいと、表面積比率が小さくなり、添加効果が低下する。それ故、添加するタングステン粒子の平均粒径は８〜１６μｍであることが好ましい。
【００１１】
本発明において、前記焼結体の密度が真密度の８５〜９０％であることが好ましい。一般的に、密度は高い方が耐摩耗性は高くなるが、焼結材の場合、真密度まで上げることができない。逆に密度を下げると寸法精度を出しやくなるという利点がある。また、空孔があると摩耗粉などの逃げ場になり、耐焼き付き性も向上する、従って、前記焼結体の真密度が８５〜９０％であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る水潤滑軸受装置は、例えば、ポンプ装置においてインペラを回転可能に支持する軸受装置として用いられる。本発明のように、銅系材料で軸受装置を構成すると、振動吸収能が高いため、本発明に係る水潤滑軸受装置はポンプ装置に用いるのに適している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る水潤滑軸受装置では、軸体および軸受のうちの一方に銅とニッケルと亜鉛とグラファイトとを含む焼結体から構成したため、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスと比較して安価であるとともに、加工性がよいので、寸法精度が出しやすいという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した水潤滑軸受装置およびポンプ装置を説明する。
【００１５】
（全体構成）
図１は、本発明を適用した水潤滑軸受装置およびポンプ装置の構成を模式的に示す半断面図である。図１に示すポンプ装置１は、インペラ６１の回転により水Ｗを送る水ポンプであり、隔壁３の下方側にモータ室が構成され、上側がポンプ室になっており、流入管（図示せず）から吸い込んだ水Ｗを流出管（図示せず）から吐出するようになっている。
【００１６】
モータ室には、コア４１および巻線４２を備えたステータ４が基板４３上に固定されている。これに対して、ポンプ室では、隔壁３に下端部が固定された支軸５１（軸体）が起立しており、この支軸５１に対してロータ６が回転可能に支持されている。
【００１７】
ロータ６は、支軸５１に支持された円筒状の軸受５２を備えており、支軸５１と軸受５２は、それらの間に介在する水を潤滑剤とする水潤滑軸受装置５を構成している。
【００１８】
また、ロータ６には、インペラ６１が構成され、かつ、ロータ６の円筒部の内周面には、隔壁３を介してステータ４と周対向するロータマグネット６２が固定されている。従って、巻線４２に通電すると、ロータ６が支軸５１周りに回転し、インペラ６１は水Ｗを圧送する。
【００１９】
（水潤滑軸受装置の構成）
このように構成したポンプ装置１において、水潤滑軸受装置５に用いた支軸５１および軸受５２は各々、以下のように構成されている。
【００２０】
まず、軸受５２は、以下の組成
ニッケル：１６〜１８重量％
亜鉛：１８〜２０重量％
グラファイト：１〜５重量％
銅：残部
を有する焼結体からなる。すなわち、洋白と同様な組成（ニッケル＋亜鉛＋銅）に対してグラファイトを添加してなる焼結体からなる。ここで、焼結体には、さらに、タングステン、モリブデン、あるいはリン化三銅を添加する場合がある。これらの添加物のうち、平均粒径が８〜１６μｍのタングステン粒子を１〜１０重量％、配合することが効果的である。
【００２１】
このような軸受５２を製造するには、まず、上記の原料を混合した後、所定形状に成形する。次に、アンモニア分解ガス雰囲気で９００〜１０００℃の温度で焼結する。そして、サイジング工程で所定形状に再圧縮して寸法調整と内面ポーラスの調整を行う。次に、洗浄、油の含浸を行う。このようして形成された軸受５２（焼結体）の密度は真密度の８５〜９０％である。
【００２２】
（本形態の主な効果）
このように、本形態のポンプ装置１に用いた水潤滑軸受装置５では、軸受５２を上記の焼結体から構成したため、実施例にて詳述するように、水に対して十分な耐食性を備えるとともに、十分な耐磨耗性を備えている。また、上記の焼結体は、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミックスと比較して安価であるとともに、加工性がよいので、寸法精度が出しやすいという利点がある。
【００２３】
なお、本形態では、周対向構造のポンプ装置１を説明したが、ステータとロータマグネットが軸線方向で対向する面対向構造のポンプ装置、あるいは、ロータマグネットと駆動マグネットとが対向し、駆動マグネットと従動マグネットが隔壁を介して対向する磁気結合型のポンプ装置に本発明を適用してもよい。
【実施例】
【００２４】
以下の条件で水潤滑軸受装置を構成し、その耐食性と耐磨耗性を評価した結果を説明する。なお、洋白の組成は銅６３重量％、ニッケル１８重量％、亜鉛１９重量％である。
【００２５】
（耐食性／塩水浸漬試験結果）
軸受を以下の材料で塩水（塩化ナトリウム濃度５％）で７２時間、浸漬し、錆の発生の有無を調査した。その結果、以下の結果が得られた。
【００２６】
材質                                                評価結果
洋白                                                Ａ
洋白＋グラファイト５重量％                          Ａ
洋白＋グラファイト５重量％＋タングステン５重量％    Ａ
青銅                                                Ｂ
リン青銅                                            Ｃ
ＳＵＳ３１６                                        Ｃ
ＳＵＳ４１０                                        Ｄ
なお、評価結果において、「Ａ」が最も良好で、以下、「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」と耐食性が低下していることを表わす。
【００２７】
このように、洋白および洋白をベースにした場合には、優れた耐食性を示すことが確認できた。
【００２８】
（耐磨耗性）
以下の条件
リング：ＳＵＳ４２０Ｊ２
プレート：表１参照
材質
洋白
グラファイト：２重量％、４重量％
平均粒径２〜４μｍのタングステン粒子：０重量％、３重量％、５重量％
平均粒径８〜１６μｍのタングステン粒子：０重量％、３重量％、５重量％
リン化三銅：：０重量％、３重量％、５重量％
でリングおよびプレートを形成するとともに、４ｋｇｆ／ｃｍ2の荷重を印加した状態で０．８２ｍ／ｓで回転させるＲｉｎｇ−Ｏｎ−Ｐｌａｔｅ試験を行い、摩擦係数の経時変化を調査した。その結果を図２〜図５に示す。
【００２９】
【表１】
2007092978.tif 000003
【００３０】
なお、表１において、「Ｇｒ」はグラファイトを示し、「Ｗ（１）」は平均粒径２〜４μｍのタングステン粒子を示し、「Ｗ（２）」は平均粒径８〜１６μｍのタングステン粒子を示し、「Ｃｕ３Ｐ」はリン化三銅を示す。
【００３１】
図２〜図５に示すように、表１に示す材料の耐磨耗性は以下の評価結果
材質                            評価結果
「洋白」                        Ｃ
「洋白＋Ｇｒ」                  Ｂ
「洋白＋Ｇｒ＋Ｗ（１）」        Ｂ  
「洋白＋Ｇｒ＋Ｗ（２）」        Ａ
「洋白＋Ｇｒ＋Ｃｕ３Ｐ」        Ａ
であった。この評価結果において、「Ａ」が最も良好で、以下、「Ｂ」「Ｃ」と耐磨耗性が低下していることを表わす。
【００３２】
すなわち、洋白をベースにグラファイトを添加すると耐磨耗性が向上し、さらに平均粒径８〜１６μｍのタングステン粒子を添加すると耐磨耗性がさらに向上する。また、洋白をベースにグラファイトを添加し、さらにリン化三銅を添加した場合も、耐磨耗性が大幅に向上する。
【００３３】
（ポンプ装置での実機試験）
以下の条件で水潤滑軸受装置を構成するとともに、図１に示すポンプ装置に搭載して実機試験を行った。
【００３４】
軸受
寸法：内径３．０φ、外径６．０φ、長さ１０ｍｍ
内径形状：真円平メタル形状
内面のポーラス性：面積比で２０％以下、空孔率１５体積％以下
支軸とのクリアランス：２〜５μｍ
材質：洋白のみ、表１における水準１、水準９
水準１：グラファイト２重量％、残部洋白
水準９：グラファイト２重量％、タングステン（Ｗ（２））５重量％、残部洋
白
焼結条件：アンモニアガス分解ガス雰囲気でピーク温度９５０℃、３０分
支軸
ＳＵＳ４２０Ｊ２＋窒化チタンをコーティング
潤滑剤
水
【００３５】
その結果、洋白のみで構成した軸受を用いた場合には、１００時間で摩擦大となり、ポンプ装置はストップした。これに対して、水準１の組成の軸受を用いた場合には、２０００時間まで不具合が発生せず、３０００時間で摩擦大となった。また、水準９の組成の軸受を用いた場合には、３０００時間を超えても不具合は発生しなかった。
【００３６】
（その他の実施例）
なお、上記実施例の他にも組成を変えて種々実験を行ったところ、軸受５２は、以下の組成
ニッケル：１６〜１８重量％
亜鉛：１８〜２０重量％
グラファイト：１〜５重量％
銅：残部
が好ましく、また、タングステン粒子を添加する場合には、平均粒径が８〜１６μｍで配合量は１〜１０重量％が効果的であることが確認できた。また、添加剤としては、上記実施例で説明したタングステンやリン化三銅の他にも、モリブデンが耐磨耗性の向上に効果的であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用した水潤滑軸受装置およびポンプ装置の半断面図である。
【図２】表１の水準１、２に示す組成の焼結体の耐磨耗試験結果を示すグラフである。
【図３】表１の水準３〜６に示す組成の焼結体の耐磨耗試験結果を示すグラフである。
【図４】表１の水準７〜１０に示す組成の焼結体の耐磨耗試験結果を示すグラフである。
【図５】表１の水準１１〜１４に示す組成の焼結体の耐磨耗試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１  ポンプ装置
４  ステータ
５  水潤滑軸受装置
６  ロータ
５１  支軸（軸体）
５２  軸受
６１  インペラ
【図１】
2007092978.tif 000004
【図２】
2007092978.tif 000005
【図３】
2007092978.tif 000006
【図４】
2007092978.tif 000007
【図５】
2007092978.tif 000008