滑动轴承、滑动轴承装置及泵的制作方法

1.本发明涉及适合作为泵等的旋转机械的径向轴承使用的滑动轴承、具备该滑动轴承的滑动轴承装置及具备该滑动轴承装置的泵。


背景技术：

2.在泵等中，当使用具备使用了树脂材料的滑动轴承的滑动轴承装置时，必须预想到在泵等所处理的水中混入有砂土等异物、考虑作为异物的主要成分的硬度大的sio2侵入轴承的滑动面而磨损树脂材料的现象。即，在泵等在混入有异物的水中的运转中，必须考虑树脂制的滑动轴承的磨损量增大、轴承寿命缩短的问题。
3.因此，对于用于滑动轴承装置的滑动轴承的树脂材料，要求在sio2等浆料中运转时的磨损速度小。
4.另一方面，在立式泵等中，对于滑动轴承装置而言，轴承的滑动面并非一定是在水中运转，有时如管理运转、预先待机运转那样在大气中运转，即，有时在滑动轴承装置的轴承的滑动面露出于大气中的干燥条件下运转。在滑动轴承装置在干燥条件下运转的情况下，由于与泵等的旋转轴的摩擦引起的发热，轴承的滑动面的树脂材料的温度上升，存在产生树脂材料的变形及磨损的问题。另外，近年来，在干燥条件下运转的泵有多种，滑动轴承所支承的旋转轴的旋转速度(v)及滑动面压(p)的条件的范围、以及pv值(旋转轴的旋转速度
×
滑动面压)的范围向更高的值的条件扩展，在这样的更严酷的条件下，存在上述的滑动轴承的树脂材料的变形及磨损的发生变得更显著的问题。
5.因此，对于用于滑动轴承装置的滑动轴承的树脂材料，除了上述的在浆料中运转时的磨损速度小以外，还要求在干燥条件的运转时摩擦系数小而发热少。
6.作为现有的滑动轴承装置，已知一种具备含有氟树脂、芳香族聚醚酮、碳纤维、石墨及不可避免的杂质的滑动轴承的滑动轴承装置，在所述滑动轴承的滑动面中，所述氟树脂具有2％以上10％以下的面积率，所述碳纤维具有4％以上17％以下的面积率，所述石墨具有5％以上15％以下的面积率，上述芳香族聚醚酮和上述不可避免的杂质占据剩余的面积(专利文献1)。专利文献1所记载的滑动轴承装置中的滑动轴承中，作为树脂成分包含氟树脂，石墨的面积率成为5％以上，石墨的含有率高，另外，作为添加剂不含氮化硼。
7.另外，已知一种滑动轴承装置，其具备含有芳香族聚醚酮、滑石、碳纤维及不可避免的杂质的滑动轴承，其中，所述滑石相对所述滑动轴承而言的含有率为7质量％以上18质量％以下，所述滑动轴承的滑动面中的所述碳纤维的面积率为27％以上35％以下(专利文献2)。专利文献2所记载的滑动轴承装置中的滑动轴承中，另外，作为添加剂含有滑石而不含氮化硼。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：日本特开2015-21551号公报
11.专利文献2：日本特开2019-100428号公报


技术实现要素：

12.发明所要解决的问题
13.本发明的目的在于，提供在含有砂土等异物的水(浆料)中运转时的耐浆料磨损性能优异的滑动轴承。另外，本发明的另一目的在于，提供一种滑动轴承，其除了在浆料中运转时的耐浆料磨损性能优异以外，在轴承的滑动面露出于大气中的干燥条件的运转中，摩擦系数小而发热少。进而，另一目的在于提供具备该滑动轴承的滑动轴承装置及具备该滑动轴承装置的泵。
14.用于解决问题的手段
15.为了解决以上所述的课题，根据本发明的一方式，提供一种滑动轴承，前述滑动轴承由包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维、石墨及不可避免的杂质的树脂组合物形成，相对前述树脂组合物而言，前述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，前述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且前述氮化硼、前述碳纤维及前述石墨的合计的含有率为40质量％以下。
16.根据本发明的另一方式，提供一种滑动轴承装置，其具备滑动轴承，前述滑动轴承由包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维、石墨及不可避免的杂质的树脂组合物形成，相对前述树脂组合物而言，前述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，前述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且前述氮化硼、前述碳纤维及前述石墨的合计的含有率为40质量％以下。
17.在上述任一方式中，优选构成为，前述滑动轴承的滑动面构成为在与大气接触的状态及与混入有沙土的水接触的状态中的任意状态下均能够运转。
18.在上述任一方式中，优选的是，前述芳香族聚醚酮为聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚醚酮酮、或它们的组合。
19.根据本发明的另一方式，提供一种具备上述滑动轴承的泵。
20.发明效果
21.根据本发明，能够提供一种在水中泵的径向轴承用滑动轴承装置中使用的滑动轴承，该滑动轴承在浆料中运转时的耐浆料磨损性能优异。另外，还能够提供一种滑动轴承，其除了在浆料中运转时的耐浆料磨损性能优异以外，在干燥条件的运转中，摩擦系数小而发热少。进而，也能够提供具备该滑动轴承的滑动轴承装置及具备该滑动轴承装置的泵。
附图说明
22.[图1]是示出进行预先待机运转的立轴泵的整体的剖视图。
[0023]
[图2]是适用于图1所示的轴承的轴承装置的放大图。
[0024]
[图3]是设置于图2所示的轴承装置的滑动轴承的立体图。
[0025]
[图4]是示出关于本发明例及比较例的滑动轴承装置的、氮化硼、碳纤维及石墨的合计(质量％)与在浆料中的磨损速度(μm/h)的关系的图。
[0026]
[图5]是示出关于本发明例no.2及比较例no.1的滑动轴承装置的、pv值(mpa
·
m/s)与温度上升值(℃)的关系的图。
[0027]
[图6]是示出关于本发明例no.2及比较例no.1的滑动轴承装置的、pv值(mpa
·
m/s)与摩擦系数的关系的图。
具体实施方式
[0028]
图1是示出进行预先待机运转的立轴泵3的整体的剖视图。如图1所示，立轴泵3具备设置并固定在泵设置地板上的排出弯头30；与该排出弯头30的下端连接的壳体29；与壳体29的下端连接并且将叶轮22收纳在内部的排出筒28；和与排出筒28的下端连接并且用于吸入水的吸入钟27。
[0029]
在立轴泵3的壳体29、排出筒28及吸入钟27的径向大致中心部，配置有通过由联轴器26将上下两根轴相互连接而形成的一根旋转轴10。旋转轴10由经由支承部件而被固定在壳体29上的上部轴承32和经由支承部件固定在排出筒28上的下部轴承33支承。在旋转轴10的一端侧(吸入钟27侧)连接有用于将水吸入泵内的叶轮22。旋转轴10的另一端侧穿过设置在排出弯头30上的孔向立轴泵3的外部延伸，与使叶轮22旋转的未图示的发动机、电机等驱动机连接。在旋转轴10与设置在排出弯头30上的孔之间，设置有浮动密封、压盖密封或机械密封等轴密封34，通过轴密封34防止立轴泵3所处理的水流出到立轴泵3的外部。
[0030]
驱动机设置在陆地上，以便能够容易地进行维护检查。驱动机的旋转被传递到旋转轴10，能够使叶轮22旋转。通过叶轮22的旋转，水从吸入钟27被吸入，通过排出筒28、壳体29从排出弯头30排出。
[0031]
图2是适用于图1所示的轴承32、33的轴承装置的放大图。图3是设置于图2所示的轴承装置的滑动轴承的立体图。如图2所示，轴承装置在旋转轴10的外周具有由不锈钢、陶瓷、烧结金属或经表面改性的金属形成的套筒11。对于套筒11而言，例如能够将维氏硬度(hv)设为800以上2500以下。在套筒11的外周侧设置有中空圆筒的由树脂材料形成的滑动轴承1。套筒11的外周面与滑动轴承1的内周面(滑动面)1a隔着非常狭窄的间隙相对，构成为相对于滑动轴承1滑动。滑动轴承1通过由金属或树脂形成的轴承箱12经由凸缘部12a固定在与泵的壳体29(参见图1)等相连的支承部件13上。如图3所示，滑动轴承1具有中空圆筒状的形状，内周面(滑动面)1a与套筒11的外周面相对，外周面1b嵌合于轴承箱12。
[0032]
本实施方式所涉及的滑动轴承装置例如具有与图2所示的滑动轴承装置相同的构造。即，本实施方式的滑动轴承装置具有作为旋转体的旋转轴10及套筒11，和作为固定体的滑动轴承1。另外，本实施方式所涉及的滑动轴承装置所使用的滑动轴承1具有与图3所示的滑动轴承1相同的构造。
[0033]
本实施方式的滑动轴承1由树脂组合物形成，该树脂组合物包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维、石墨和不可避免的杂质。圆筒形状的滑动轴承1的内周面构成与套筒11的外周面接触的轴承的内周面(滑动面)1a。
[0034]
在形成本实施方式涉及的滑动轴承的树脂组合物中，相对上述树脂组合物而言，上述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，上述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且上述氮化硼、上述碳纤维以及上述石墨的合计的含有率为40质量％以下。
[0035]
对于使用聚苯并咪唑的含有率、石墨的含有率、以及氮化硼、碳纤维和石墨的合计的含有率在上述数值范围内的树脂组合物所形成的滑动轴承而言，如后述的实施例1和2所示，在浆料中的磨损速度达到31μm/h以下，可抑制pv值：0.30～0.40mpa
·
m/s条件下的滑动轴承的温度上升，且pv值：1.0mpa
·
m/s条件下的滑动轴承的摩擦系数达到0.1以下，在浆料中运转时的耐浆料磨损性能优异，且在干燥条件的运转中摩擦系数也小而发热少。
[0036]
与芳香族聚醚酮相比，聚苯并咪唑具有高耐热性，但有摩擦系数变大的倾向。氮化硼在高温下具有润滑效果。石墨作为固体润滑剂发挥功能，但在高温下存在润滑效果降低的倾向。碳纤维具有增加强度、降低线膨胀系数的效果。本发明通过由将树脂成分(芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑)、氮化硼、碳纤维和石墨的组成最优化的树脂组合物形成滑动轴承，能够提供在浆料中运转时的耐浆料磨损性能优异，且在干燥条件的运转中摩擦系数小、发热少的滑动轴承。
[0037]
聚苯并咪唑相对树脂组合物而言的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，优选为8质量％以下。
[0038]
石墨相对树脂组合物而言的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，也可以设为3质量％以上且5质量％以下。
[0039]
石墨的平均粒径优选大于3μm且为15μm以下。
[0040]
氮化硼、碳纤维和石墨的合计的含有率相对树脂组合物而言为40质量％以下，也可以为39质量％以下，38质量％以下或37质量％以下。氮化硼、碳纤维和石墨的合计的含有率可为25重量％以上，28重量％以上，或30重量％以上。
[0041]
氮化硼相对树脂组合物而言的含有率没有特别限定，可以设为13质量％以上30质量％以下，15质量％以上25质量％以下，或18质量％以上23质量％以下。
[0042]
作为氮化硼，没有特别限定，可以举出六方晶氮化硼(h-bn)、立方晶氮化硼(c-bn)以及它们的组合，但优选六方晶氮化硼。
[0043]
氮化硼的平均粒径优选大于4μm且为20μm以下。
[0044]
滑动轴承的滑动面中的碳纤维的面积率没有特别限定，可以为20％以下，18％以下，15％以下或13％以下。另外，碳纤维的面积率可以为1％以上，3％以上，5％以上或8％以上。
[0045]
碳纤维相对树脂组合物而言的含有率没有特别限定，可以设为1质量％以上20质量％以下，3质量％以上18质量％以下，或5质量％以上15质量％以下。
[0046]
碳纤维优选由短纤维构成。
[0047]
在轴承的滑动面1a上观察到的碳纤维的直径优选为5μm以上10μm以下，更优选为5.5μm以上9μm以下，最优选为6μm以上8μm以下。碳纤维的直径可以通过使用光学显微镜(数码显微镜vhx-7000(keyence公司制)，物镜vhx-e500(500～2500倍))，使用后述的图像分析程序进行图像分析来测定。
[0048]
另外，在轴承的滑动面1a上观察到的碳纤维的长度优选为5μm以上1000μm以下，更优选为6μm以上500μm以下，最优选为7μm以上200μm以下。碳纤维的长度可通过使用光学显微镜(数码显微镜vhx-7000(keyence公司制)，物镜vhx-e500(500～2500倍))，使用后述的图像分析程序进行图像分析来测定。
[0049]
在轴承的滑动面1a上观察到的碳纤维的长径比(长度/直径)优选为2以上100以下，更优选为10以上100以下，最优选为30以上100以下。
[0050]
作为芳香族聚醚酮，没有特别限定，可以举出聚醚酮(pek)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚醚酮酮(peekk)以及它们的组合，优选聚醚醚酮。
[0051]
(氮化硼的含有率的测定方法)
[0052]
氮化硼的含有率可以通过以下方法测定。
[0053]
即，称取100g所成型的滑动轴承，在800℃下进行烧成，使碳纤维、聚苯并咪唑等成分分解、挥发，将氮化硼作为灰分回收，测定灰分的质量。然后，算出灰分(氮化硼)的质量相对滑动轴承的质量(100g)而言的比例，作为氮化硼的含有率。
[0054]
(碳纤维的面积率的测定方法)
[0055]
关于碳纤维的面积率，其是针对从滑动轴承的滑动面切出的试样片的任意的5个部位，对基于光学显微镜(500倍)的观察视野为纵589μm
×
横442μm的部分进行图像处理并由hsb颜色空间中亮度(brightness)为75％以上的区域的面积求出的平均面积率。以下说明这样的碳纤维的面积率的测定方法的具体例。
[0056]
从所成型的滑动轴承的滑动面切出纵5mm
×
横5mm的正方形试样片，研磨试样片的表面。在该试样片的研磨后的表面中，随机选定5个部位，对各部位使用光学显微镜(数码显微镜vhx-7000(keyence公司制)，物镜vhx-e500(500～2500倍))进行纵589μm
×
横442μm的平面的拍摄。作为平面拍摄时的条件，采用倍率：500倍，落射照明：同轴反射，像素(pixel)：2880
×
2160。将拍摄的纵589μm
×
横442μm的平面作为观察部分，通过图像分析进行碳纤维的部分的鉴定。算出碳纤维的面积相对观察部分的面积整体所占的比例，求出5个部位的算出值的平均，作为碳纤维的面积率。在此，滑动轴承表面的观察部分的图像分析能够使用图像分析程序：image j(按照“analyze particles”指令实施)进行，图像分析条件在测定程序color threshold中，设定为像素“hue(色调)0～225，saturation(饱和度)0～225，brightness(亮度)170～225”，其他设定为默认。使用该图像分析程序，通过提取具有与碳纤维的像素特性(亮度、颜色)相同的像素特性的部分来进行。在上述图像分析程序(image j)中，提取亮度170～225的区域，这意味着在hsb颜色空间中提取亮度为75％以上的区域。
[0057]
需要说明的是，对于各滑动轴承，可以通过上述方法直接测定碳纤维的面积率，但也可以与其不同，例如，如下所述，基于碳纤维的体积率(体积％)算出碳纤维的面积率。
[0058]
关于体积率(体积％)和面积率的关系，如佐藤直子等在“材料组织的形态评价的变迁和展望”，铁和钢，vol.100(2014)，no.10，p.1182-1190；足立吉隆，“计算机辅助3d计量形态学”，vo.61(2011)，no.2，p.78-84中记载的那样，已知在多相组织中，在从多个观察面上求出的平均面积率与体积率之间，平均面积率与体积率相等的关系式成立。因此，可以将滑动轴承中的碳纤维的体积率(体积％)的值用作碳纤维的面积率的值。在此，滑动轴承中的碳纤维的体积率(体积％)例如也可以基于滑动轴承中所含的各成分的含有率(质量％)及比重来算出。
[0059]
在本发明中，将芳香族聚醚酮的粉末、聚苯并咪唑的粉末、氮化硼的粉末、碳纤维和石墨的粉末进行干混，制备树脂组合物，将该树脂组合物压缩成型后，实施表面加工，由此能够制造滑动轴承。另外，能够使用该滑动轴承来制造滑动轴承装置，进而，能够使用该滑动轴承装置来制造泵。
[0060]
以下，通过实施例对本发明进行具体说明，但本发明并不限定于实施例中记载的内容。
[0061]
实施例
[0062]
(实施例1)
[0063]
在实施例1中，以各成分的含有率(质量％)成为表1所示的值的方式，使用芳香族聚醚酮(聚醚醚酮)的粉末、聚苯并咪唑的粉末(本发明例no.1和3以及比较例no.3，5和6中
未配合聚苯并咪唑)、氮化硼(平均粒径4μm)的粉末、碳纤维(直径约6μm，长度约100μm)、和石墨(粒径1～20μm)的粉末(本发明例no.2和3以及比较例no.1中未配合石墨)进行干混来制造树脂组合物，将得到的树脂组合物放入模具中，进行加压、加热，进行1次加工的成型后，通过2次加工的机械加工赋予详细的形状，制造滑动轴承。然后，对得到的滑动轴承进行后述的在浆料中的磨损速度的评价。将结果示于表1及图4。
[0064]
[表1]
[0065]
表1
[0066][0067]
本发明例no.1～3和比较例no.1～6的滑动轴承在浆料中的磨损速度按照下述步骤进行测定。
[0068]
(在浆料中的磨损速度)
[0069]
首先，将平均粒径为约5μm的硅砂(主成分：sio2)和平均粒径为约30μm的硅砂被以1：1的比例包含的砂粒子以成为3000mg/l的浓度的方式投入水中，制成浆料。将包含滑动轴承的轴承装置(图2的由旋转轴10、套筒11、滑动轴承1及轴承箱12(包含凸缘部12a)形成的装置)沉入所得到的浆料中，历经8小时在被维持在25℃的浆料中在pv值为0.6mpa
·
m/s的条件下使其相对wc基超硬合金的初始表面粗糙度(ra)为3.2的平面滑动，算出滑动轴承的磨损速度(μm/h)。
[0070]
由表1和图4的结果可知，聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)、石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)、氮化硼、碳纤维和石墨的合计的含有率为40质量％以下的本发明例no.1～3的滑动轴承在浆料中的磨损速度低至31μm/h以下。
[0071]
另一方面，聚苯并咪唑的含有率超过10质量％的比较例1，聚苯并咪唑的含有率超过10质量％且石墨的含有率超过5质量％、并且氮化硼、碳纤维和石墨的合计的含有率超过40质量％的比较例2，以及石墨的含有率超过5质量％且氮化硼、碳纤维及石墨的合计的含有率超过40质量％的比较例3-6的滑动轴承在浆料中的磨损速度高达34μm/h以上。
[0072]
由以上可知，如本发明例no.1～3那样，通过使形成滑动轴承的树脂组合物的组成为特定的组成，能够降低浆料中的磨损速度、提高耐浆料磨损性。
[0073]
(实施例2)
[0074]
对于表1所示的本发明例no.2和比较例no.1的滑动轴承，进行下述的温度上升值和摩擦系数的评价。结果示于表2以及图5和6中。
[0075]
(温度上升值)
[0076]
在使用了包含与上述(在浆料中的磨损速度)同样的滑动轴承的轴承装置的干式试验中，在pv值：0.30、0.35，0.40或0.60mpa
·
m/s的条件下运转2小时，在各pv值下进行了距滑动轴承的滑动面深度为5mm的位置的温度上升值的测定。而且，制作图5所示的图(横轴：pv值，纵轴：温度上升值)。
[0077]
(摩擦系数)
[0078]
使用包含与上述(在浆料中的磨损速度)同样的滑动轴承的轴承装置，在不使用润滑油的情况下，在pv值：0.30、0.35、0.40、0.60或0.70mpa
·
m/s的条件下以2小时、相对wc基超硬合金的初始表面粗糙度(ra)为3.2的面使其滑动，在2小时的期间以0.5秒的间隔连续测定摩擦系数。计算2小时运转中的后半个1小时的摩擦系数的平均值，作为各pv值的滑动轴承的摩擦系数。而且，制作图6所示的图(横轴：pv值，纵轴：摩擦系数)，通过关于本发明例no.2画出近似直线，得到pv值：1.0mpa
·
m/s条件下的本发明例no.2的摩擦系数的推定值。
[0079]
[表2]
[0080]
表2
[0081][0082]
由图5可知，与比较例no.1的滑动轴承相比，本发明例no.2的滑动轴承在0.30、0.35或0.40mpa
·
m/s的pv值的条件下，温度上升值小、且能够抑制滑动轴承的温度上升。
[0083]
另外，根据图6的近似直线，可推定本发明例no.2的滑动轴承在pv值：1.0mpa
·
m/s条件下的滑动轴承的摩擦系数为0.1以下，可知能够减小摩擦。
[0084]
因此可知，本发明例no.2的滑动轴承的耐浆料磨损性优异，并且能够抑制温度上升，且摩擦小而良好。
[0085]
如以上说明的那样，当为具备本发明的实施方式的滑动轴承装置的滑动轴承作为径向轴承的泵时，在处理混入有异物的水的排水厂中，即使反复进行水中运转和大气中运转也能够抑制滑动轴承的磨损，且维持滑动轴承的低摩擦性(润滑性)。
[0086]
附图标记说明
[0087]1…
滑动轴承
[0088]
1a
…
内周面(滑动面)
[0089]3…
立轴泵
[0090]
10
…
旋转轴
[0091]
11
…
套筒。

技术特征：
1.滑动轴承，所述滑动轴承由包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维、石墨及不可避免的杂质的树脂组合物形成，相对所述树脂组合物而言，所述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，所述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且所述氮化硼、所述碳纤维及所述石墨的合计的含有率为40质量％以下。2.滑动轴承装置，其具备滑动轴承，所述滑动轴承由包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维、石墨及不可避免的杂质的树脂组合物形成，相对所述树脂组合物而言，所述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，所述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且所述氮化硼、所述碳纤维及所述石墨的合计的含有率为40质量％以下。3.如权利要求2所述的滑动轴承装置，其中，所述滑动轴承的滑动面构成为在与大气接触的状态及与混入有沙土的水接触的状态中的任意状态下均能够运转。4.如权利要求2或3所述的滑动轴承装置，其中，所述芳香族聚醚酮为聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚醚酮酮、或它们的组合。5.泵，其具备权利要求2～4中任一项所述的滑动轴承装置。

技术总结
本发明提供在含有砂土等异物的水(浆料)中运转时的耐浆料磨损性能优异的滑动轴承及具备该滑动轴承装置的泵。滑动轴承由包含芳香族聚醚酮、聚苯并咪唑、氮化硼、碳纤维石墨及不可避免的杂质的树脂组合物形成，相对所述树脂组合物而言，所述聚苯并咪唑的含有率为10质量％以下(包括0质量％)，所述石墨的含有率为5质量％以下(包括0质量％)，并且所述碳纤维和所述石墨的合计的含有率为40质量％以下。所述石墨的合计的含有率为40质量％以下。所述石墨的合计的含有率为40质量％以下。


技术研发人员：金成夏 杉山宪一 小宫真
受保护的技术使用者：株式会社荏原制作所
技术研发日：2021.10.19
技术公布日：2023/8/31