JP2019116914A - 摺動部材およびその利用 - Google Patents

Abstract

【課題】軸・軸受構造の大型化が容易であり、さらに、摺接粒子を固定する基材の機械的特性が向上した摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材の基体（１０ａ）と、上記摺動部材基部の表面に固定された複合材（１２）と、を備え、上記複合材（１２）は、上記被摺動部材に摺接する特定量の摺接粒子（１２ｂ）と、当該摺接粒子（１２ｂ）を上記摺動部材基部に固定する複合材基材（１２ａ）と、を含む焼結体であり、上記摺接粒子（１２ｂ）は、上記複合材基材（１２ａ）の表面から突出している。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材およびその利用、特に、ポンプに好適に利用できる摺動部材に関する。

排水ポンプの一種として、先行待機運転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）することや、気水混合状態での排水を行うことが可能となっている。このような先行待機運転ポンプに適用できる摺動部材が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１には、摺動部材基部および摺接粒子を備えたポンプ用軸・軸受構造が開示されている。当該摺接粒子は、摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、摺動部材基部の表面から突出しており、被摺動部材に摺接することが記載されている。

特開２０１６−２１１７２７号公報（２０１６年１２月１５日公開）

しかしながら、上述のような従来技術では、数十μｍから数百μｍの粒径の摺接粒子を摺動部材基部に固定した後、加工によって軸・軸受構造を製造するため、軸・軸受構造の大型化に伴い製造設備も大型化することが懸念されていた。また、摺動部材にかかる負荷が増大するため、摺接粒子を固定する基材の機械的特性の点で課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、その目的は、軸・軸受構造の大型化に対応でき、さらに、摺接粒子を固定する基材の機械的特性が向上した摺動部材を提供することにある。

本願発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、被摺動部材に摺接する摺接粒子と、当該摺接粒子を上記摺動部材基部に固定する複合材基材とを含む複合材を摺動部材基部に固定することによって、軸・軸受構造の大型化に容易に対応でき、さらに、摺接粒子を固定する基材の機械的特性が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本願発明は、以下の発明を包含する。
〔１〕被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、
上記摺動部材は、
摺動部材基部と、
上記摺動部材基部の表面に固定された複合材と、を備え、
上記複合材は、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、当該摺接粒子を上記摺動部材基部に固定する複合材基材と、を含み、上記複合材１００体積％に対して上記摺接粒子を２０体積％以上８０体積％以下含有する焼結体であり、
上記摺接粒子は、上記複合材基材の表面から突出することにより上記被摺動部材に摺接することを特徴とする摺動部材。
〔２〕上記複合材基材が、セラミックスおよびサーメットから選ばれる１種以上を含むことを特徴とする〔１〕に記載の摺動部材。
〔３〕上記摺接粒子の硬さが、上記複合材基材の硬さよりも大きいことを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の摺動部材。
〔４〕上記複合材基材が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、酸化物ガラス、炭化ホウ素、ジルコニア、酸化ケイ素、ＷＣ系セラミックス、炭化チタン、二ホウ化チタン、炭化タングステンを含むサーメットおよびチタン化合物を含むサーメットからなる群より選ばれる１種以上の材料を含むことを特徴とする〔３〕に記載の摺動部材。
〔５〕上記摺接粒子が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボン、ガラス状カーボン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、炭化ホウ素、炭化タングステンおよび炭化モリブデンからなる群より選ばれる１種以上を含むことを特徴とする〔３〕または〔４〕に記載の摺動部材。
〔６〕上記摺接粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする〔１〕から〔５〕のいずれかに記載の摺動部材。
〔７〕上記複合材の厚さが、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする〔１〕から〔６〕のいずれかに記載の摺動部材。
〔８〕上記セラミックスが、共有結合性結晶およびイオン結合性結晶から選ばれる１種以上から構成されることを特徴とする、〔２〕に記載の摺動部材。
〔９〕〔１〕から〔８〕のいずれかに記載の摺動部材を備えることを特徴とするポンプ。

本発明の一態様によれば、軸・軸受構造の大型化が容易である。

本発明の一態様によれば、複合材基材と摺接粒子とは焼結されているため、摺接粒子を固定する基材の機械的特性を向上させる。さらに、摺接粒子は、耐剥離性に優れる。

本発明の一態様によれば、摺動部材基部の摩耗を抑制し、ポンプの運転を安定的に継続することができるという効果を奏する。

また、摺動部材基部の所望の箇所に複合材を形成することができる。

本発明の一実施形態における軸・軸受構造の、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。 基体の表面の垂直方向から見たときに、摺動部材基部の表面上に散在して複合材が配置されている軸部材の一実施形態を示す模式図である。 基体の表面の垂直方向から見たときに、摺動部材基部の表面のうち、負荷がかかりやすい領域に多く配置されている軸部材の一実施形態を示す模式図である。 本発明の一実施形態において、複合材の厚さおよび複合材の底面から複合材基材露出部までの平均高さを示す模式図である。 本発明の一実施形態において、摺動部材に予め形成されている凹部に複合材を固定する過程を、軸方向に垂直な方向から見た模式図である。

〔１．摺動部材〕
本発明の一実施形態に係る摺動部材は、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、上記摺動部材は、摺動部材基部と、上記摺動部材基部の表面に固定された複合材と、を備え、上記複合材は、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、当該摺接粒子を上記摺動部材基部に固定する複合材基材と、を含み、上記複合材１００体積％に対して上記摺接粒子を２０体積％以上８０体積％以下含有する焼結体であり、上記摺接粒子は、上記複合材基材の表面から突出することにより上記被摺動部材に摺接することを特徴とする。

上記構成によれば、複合材基材と摺接粒子とは焼結されているため、摺接粒子は、複合材基材に強固に固定される。それゆえ、摺接粒子は耐剥離性に優れる。

また、上記構成によれば、複合材が焼結体であり、例えばペレット状に形成することができるため、摺動部材基部の所望の箇所に複合材を形成することができる。それゆえ、摺接粒子を摺動部材に配置する上で、設計の自由度が高く、大型化への対応が容易である。

上記構成によれば、複合材基材の硬度が高く、珪砂の硬度と同等以上であるため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する耐摩耗性に優れる。

＜摺動部材の構成＞
まず、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材として、スラリー液を排出可能なポンプに用いられる回転機構における軸・軸受構造の軸部材について説明する。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・軸受構造における軸受部材にも適用することができる。

軸・軸受構造１Ａにおける、本実施の形態の摺動部材としての軸部材１０の構成について、図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態における軸・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１に示すように、軸・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。

軸受部材１１は、例えば、硬質のセラミックスまたは超硬合金等からなり、珪砂の硬度と同等以上であるため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する耐摩耗性に優れる。さらに、硬質のセラミックスである、共有結合性またはイオン結合性のセラミックスは、スラリー液中にまれに含まれる金属くず等の金属成分との親和性が小さいため、軸受部材１１へのスラリー液に含まれる金属くず等の金属成分の付着を防ぎやすい。なお、軸受部材１１の表面に、摩擦係数を低く、もしくは耐摩耗性を向上するための膜を形成するような加工がされていても良い。

軸部材１０は、図１に示すように、少なくとも、円筒形状の基体１０ａと、基体１０ａの表面上に固定された複合材１２とを備える。複合材１２は、少なくとも、複合材基材１２ａと摺接粒子１２ｂとを備える。上記摺接粒子１２ｂは、上記複合材基材１２ａの表面から突出している。また、摺接粒子１２ｂは、複合材基材１２ａの外表面上に散在している。そのため、複合材１２の表面には、摺接粒子１２ｂが存在せず、複合材基材が露出している領域（以下、複合材基材露出部）１３が形成される。さらに、複合材１２は基体１０ａの表面に固定されている。すなわち、複合材１２は、軸部材１０の凹部１０ｂに嵌めこまれている。そのため、軸部材１０の表面には、複合材１２が存在せず、基体が露出している領域（以下、基体露出部）１４が形成される。尚、図１においては、基体１０ａの表面に固定された複合材１２のうち、一部のみを図示している。また、図１においては、複合材１２の外表面上に散在する摺接粒子１２ｂのうち、一部のみを図示している。また、図１においては、複合材１２中に埋没した摺接粒子１２ｂの原料粒子の図示を省略している。

基体１０ａは、例えば、ＳＵＳ３０４等の一般的に用いられる材質によって形成されていてもよい。基体１０ａの表面の硬さはＨｖ４００ｋｇ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。排出される水に含まれるスラリー液に含まれる珪砂等の硬さがＨｖ１０００ｋｇ／ｍｍ^２程度である。そのため、スラリー液に含まれる珪砂等による基体１０ａの損傷を軽減することができるという理由から、その値に近い硬度を有することが、好ましいと考えられてきた。しかし、本発明の一実施形態では、摺接粒子１２ｂが固定された複合材の厚さが好ましい範囲として３ｍｍ以上であるため、基体１０ａの損傷が摺接粒子１２ｂの耐剥離性及び摺動性に与える影響は小さい。そのため、本発明の一実施形態では、基体１０ａの表面の硬さはＨｖ４００ｋｇ／ｍｍ^２以上であってもよい。また、基体１０ａの表面粗さＲａは、１．０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の一実施形態において、摺動部材基部は、その表面に固定される複合材１２を有する。軸部材１０の表面の垂直方向から見たときの、複合材１２が占める面積の割合である面密度は、特に限定されない。すなわち、複合材１２は、摺動部材基部の表面上に散在して配置されてもよく、摺動部材基部の表面のうち、負荷のかかりやすい領域（例えば軸端部）に多く配置されてもよい。図２は、基体の表面の垂直方向から見たときに、摺動部材基部の表面上に散在して複合材が配置されている軸部材の一実施形態を示す模式図である。また、図３は、基体の表面の垂直方向から見たときに、摺動部材基部の表面のうち、負荷がかかりやすい領域に多く配置されている軸部材の一実施形態を示す模式図である。

本発明の一実施形態において、複合材１２は、複合材基材１２ａおよび当該複合材１００体積％に対して２０体積％以上８０体積％以下の摺接粒子１２ｂを含む焼結体である。複合材基材１２ａと摺接粒子１２ｂとは焼結されているため、摺接粒子１２ｂは、耐剥離性に優れる。すなわち、本発明の一実施形態に係る摺動部材を有する軸・軸受構造は、長時間運転を行っても摺接粒子１２ｂが剥離しにくいため、長時間にわたって安定に摺動することができる。

複合材１００体積％に対する摺接粒子１２ｂの含有率は、２０体積％以上８０体積％以下であり、３０体積％以上７０体積％以下が好ましく、４０体積％以上６０体積％以下がより好ましい。本発明では、摺接粒子１２ｂは複合材基材１２ａの表面から突出しているため、優れた摺動性を示す摺動部材を得ることができる。

複合材１２の厚さは、摺接粒子１２ｂが被摺動部材に摺接する限りにおいて、特に限定されないが、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。上記構成によれば、基体１０ａとは別々に複合材１２を製造することができるため、複合材１２の製造がしやすい。さらに、製造した複合材１２を基体１０ａに必要数配置して固定すればよく、摺動部材の製造が容易である。なお、複合材１２の厚さとは、摺接粒子１２ｂの端部から複合材１２の底面までの高さを意図する。図４中、ａ_１は、摺接面１５から複合材１２の底面までの複合材１２における最大の高さを示し、ａ_２は、摺接面１５から複合材１２の底面までの複合材１２における最小の高さを示す。複合材１２における、ａ_１の測定値とａ_２の測定値との平均値を複合材１２の厚さと定義する。

複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの平均高さは、摺接粒子１２ｂが被摺動部材に摺接する限りにおいて、特に限定されない。複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの平均高さは、凹部１０ｂの深さと同じであってもよく、凹部１０ｂの深さよりも大きくてもよく、小さくてもよい。複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの平均高さは、凹部１０ｂの深さと同じであること、すなわち、複合材基材露出部１３が、基体１０ａの表面と同一円周上にあることが好ましい。図４中、ｂ_１は、複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの最大の高さを示し、ｂ_２は、複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの最小の高さを示す。複合材１２における、ｂ_１の測定値とｂ_２の測定値との平均値を複合材１２の底面から複合材基材露出部１３までの平均高さと定義する。

複合材基材１２ａは、セラミックスおよびサーメットから選ばれる１種以上を含むことが好ましい。上記構成によると、複合材基材１２ａの硬度をより高くすることができるため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する複合材基材１２ａの耐摩耗性を向上させることができる。上記セラミックスは、例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、酸化物ガラス、炭化ホウ素、ジルコニア、酸化ケイ素、ＷＣ系セラミックス、炭化チタンおよび二ホウ化チタンが挙げられる。また、サーメットは、炭化タングステンを含むサーメットおよびチタン化合物を含むサーメットが挙げられる。なお、ＷＣ系セラミックスとは、炭化タングステンを含むセラミックスを意図し、例えば、ＷＣ−ＴａＣ−ＴｉＣ系セラミックス（炭化タングステン、炭化タンタルおよび炭化チタンの焼結体）等が挙げられる。また、チタン化合物を含むサーメットとは、炭化チタン、二ホウ化チタンおよび窒化チタン等のチタン化合物と、コバルトおよびニッケル等のバインダー金属との複合金属材料を意図する。

上記構成によると、複合材基材１２ａの硬度をより高くすることができるため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する複合材基材１２ａの耐摩耗性を向上させることができる。

さらに、上記セラミックスは、共有結合性結晶およびイオン結合性結晶から選ばれる１種以上から構成されることが好ましい。共有結合性結晶とは、共有結合している化合物からなる結晶を意図し、例えば、窒化ケイ素および炭化ケイ素等が挙げられる。また、イオン結合性結晶とは、イオン結合している化合物からなる結晶を意図し、例えば、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。複合材基材１２ａがこれらの材料から構成されることで、スラリー液に含まれる金属くず等の金属成分の、複合材基材露出部１３への結合をさらに抑制しやすい。

さらに、複合材基材１２ａは、金属間化合物等を含んでいてもよい。金属間化合物とは、２種類以上の金属からなる化合物であり、元の金属と異なる特有の結晶構造を有し、かつ電子状態が大きく異なる元素同士が規則的に配列している化合物を意図する。複合材基材１２ａが金属間化合物を含むと、通常の金属と比較して硬度が大きいため、スラリー液に含まれる珪砂等に対する複合材基材１２ａの耐摩耗性を向上させることができる。また、複合材基材１２ａが金属間化合物を含むと、複合材基材１２ａの機械的特性を向上させることができる。

摺接粒子１２ｂの硬さは、複合材基材１２ａの硬さよりも大きいことが好ましい。複合材基材１２ａおよび摺接粒子１２ｂが上記構成であれば、ポンプの運転時にスラリー液に含まれる珪砂等による摩耗等があっても、摺接粒子１２ｂが複合材基材１２ａの表面から突出している構造を維持しやすい。複合材基材１２ａの硬さおよび摺接粒子１２ｂの硬さは、Ｈｖ（ビッカース硬さ）を用いて比較する。例えば、ダイヤモンドはＨｖ６０００ｋｇ／ｍｍ^２、窒化ケイ素はＨｖ１５００ｋｇ／ｍｍ^２、炭化ケイ素はＨｖ２３００ｋｇ／ｍｍ^２、アルミナはＨｖ１６００ｋｇ／ｍｍ^２であり、ジルコニアはＨｖ１３００ｋｇ／ｍｍ^２、ＷＣ系セラミックスはＨｖ２０００ｋｇ／ｍｍ^２、炭化チタンはＨｖ２２００ｋｇ／ｍｍ^２、二ホウ化チタンはＨｖ２４００ｋｇ／ｍｍ^２である。そのため、摺接粒子１２ｂがダイヤモンドであるときは、複合材基材１２ａはダイヤモンドよりも軟らかい材料、例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナまたはジルコニア等であることが好ましい。

また、摺接粒子１２ｂの硬さは、珪砂の硬さ以上であることが好ましい。スラリー液の主成分である珪砂の硬さがＨｖ１０００ｋｇ／ｍｍ^２程度であるので、その値に近い硬度、あるいはそれ以上の硬度を有することにより、上記珪砂による摺接粒子１２ｂの損傷を軽減または抑制することができる。例えば、摺接粒子１２ｂは、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like Carbon、以下「ＤＬＣ」と称する）、ガラス状カーボン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、炭化ホウ素、炭化タングステンおよび炭化モリブデンからなる群より選ばれる１種以上を含むことが好ましい。これらは単結晶粒子であってもよく、焼結体であってもよい。すなわち、上記ダイヤモンドには、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。

上記構成によれば、珪砂による摺接粒子１２ｂの摩耗をより抑制することができる。また、上記各粒子の摩擦係数が低いため、上記各粒子のうちの少なくとも１種以上を摺接粒子１２ｂとして含む摺動部材は、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円滑に摺動することができる。さらに、上記各粒子の摩擦係数が低いことにより、摺接粒子１２ｂと被摺動部材との間の摩擦による熱の発生が抑えられ、摺動部材の耐久性が向上する。

摺接粒子１２ｂの平均粒子径は、１０μｍ以上２５０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以上１００μｍ以下である。平均粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される値である。

通常、複合材１２の作製工程には、摺接粒子１２ｂの先端を加工する工程が含まれる。本明細書における「摺接粒子の平均粒子径」とは、上記加工を行う前の摺接粒子１２ｂの平均粒子径を意図する。なお、複合材は、摺接粒子１２ｂと同一材料の粒子であって、摺接粒子１２ｂよりも平均粒子径の小さい粒子を備えていてもよい。該粒子は、例えば、軸部材１０を製造する際に、摺接粒子１２ｂ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。

複合材基材露出部１３の表面から摺接粒子１２ｂの先端までの平均高さ（つまり、複合材基材露出部１３の表面から摺接面１５までの高さ、以下、「突出高さ」と称する）は、０．８μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。なお、突出高さにおける摺接粒子１２ｂの先端とは、上述の加工を行った後の摺接粒子１２ｂの先端を意図する。

また、突出高さは、摺接粒子の平均粒子径の４０％以下であることが好ましく、３０％以下であることがより好ましい。すなわち、例えば、摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍであれば、突出高さは、６０μｍ以下であることが好ましく、４５μｍ以下であることがより好ましい。突出高さが上記構成であれば、摺接粒子１２ｂの固定強度が大きくなりやすい。

各摺接粒子１２ｂの先端、つまり、軸受部材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ことが好ましい。すなわち、各摺接粒子１２ｂ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１５が形成されることが好ましい。該摺接面１５は、軸部材１０が回転するときに、被摺動部材である軸受部材１１と摺接する。

上記構成によれば、軸部材１０が回転する際に、軸受部材１１と摺接するのは摺接粒子１２ｂのみとなる。したがって、軸部材１０は、摩擦係数が低く、摩擦による熱の発生が抑えられたものとなるため、耐久性がより向上したものとなる。

複合材１２の表面の垂直方向から見たときの、摺接粒子１２ｂが占める面積の割合である面密度は、２０％以上７０％以下であることが好ましく、４０％以上６０％以下であることがより好ましい。上記構成であれば、各摺接粒子に加わる負荷を適度に保ちやすくなる。

本発明の一実施形態において、複合材１２を摺動部材に固定する方法は特に限定されないが、複合材１２をろう付け、圧入、冷やしばめ、焼きばめ等により摺動部材の凹部１０ｂに固定する方法が挙げられる。

本発明の一実施形態において、複合材１２を摺動部材に固定する手順は特に限定されないが、例えば、複合材１２を先に製造した後、当該複合材１２を摺動部材に予め形成されている凹部１０ｂに固定する方法が挙げられる。

図５は、本発明の一実施形態において、摺動部材に予め形成されている凹部に複合材を固定する過程を、軸方向に垂直な方向から見た模式図である。

上記方法であれば、複合材１２を摺動部材により強く固定することができ、製造がしやすい。また、摺動部材基部の任意の箇所に複合材１２を固定することができる。

摺動部材としての軸部材１０に複合材１２を固定する方法としては、他にも複合材１２を先に製造した後、熱間静水圧加圧等により当該複合材１２を摺動部材に固定する方法も挙げられる。

複合材１２を摺動部材に固定した後、さらに、摺接粒子１２ｂの粒子先端が、同一円周上にあるように加工してもよい。すなわち、基体１０ａの回転中心軸から、最外にある粒子先端までの距離を等しくすることにより、摺接粒子１２ｂの粒子先端が同一円周上にあるようにする。

本実施の一実施形態における、複合材１２の作製方法について以下に説明する。複合材１２は、複合材基材１２ａと摺接粒子１２ｂとを含む焼結体である。そのため、複合材基材１２ａと摺接粒子１２ｂとを焼結できる限りにおいて、その作製方法は特に限定されない。例えば、複合材１２の作製方法は、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の工程を含む。

（ｉ）複合材基材と摺接粒子との混合粉末を得る工程、
（ｉｉ）（ｉ）で得られた混合粉末を型に充填し、焼結する工程、および
（ｉｉｉ）（ｉｉ）で得られた焼結体の表面を加工し、摺接粒子が突出する構造を形成する工程。

工程（ｉ）において、混合粉末１００体積％に対する、摺接粒子の体積分率は、２０体積％以上８０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以上７０体積％以下であることがより好ましい。また、混合粉末１００体積％に対する、複合材基材の体積分率は、摺接粒子の体積分率を差し引いた残部であることが好ましい。すなわち、混合粉末１００体積％に対する、複合材基材の体積分率は、２０体積％以上８０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以上７０体積％以下であることがより好ましい。

工程（ｉｉ）において、焼結方法としては、放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering）（以下、ＳＰＳと称する）、熱間静水圧加圧（以下、ＨＩＰと称する）等が挙げられる。

ＳＰＳ法での焼結条件は、焼結時の圧力が５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることがより好ましい。また、焼結時の最高加熱温度は１０００℃以上１８５０℃以下であることが好ましく、１２００℃以上１６００℃以下であることがより好ましい。さらに、最高加熱温度の保持時間は１０分以上６０分以下であることが好ましく、１０分以上３０分以下であることがより好ましい。最高加熱温度の保持時間が上記好ましい範囲内であれば、ダイヤモンドの変質を極力抑えることができる。また、ダイヤモンド以外のその他の材料においても、生産性向上のため、最高加熱温度の保持時間が上記範囲であることが好ましい。

焼結体の作製過程において、例えば、ダイヤモンドは１５００℃に加熱した時、４５００ＭＰａ以上に加圧しないと熱力学的に平衡な状態にならない。ここで、ＳＰＳ法は、材料を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、及び高温に迅速に加熱すること、を同時に行うという利点を有する。ＳＰＳ法を用いることにより、高温高圧短時間で焼結を行うことができるため、摺接粒子がダイヤモンドである場合でも、好適に複合材を作製することができる。

ＨＩＰ法での焼結条件は、焼結時の圧力が１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であることが好ましく、１００ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下であることがより好ましい。また、焼結時の最高加熱温度は１０００℃以上１８５０℃以下であることが好ましく、１２００℃以上１６００℃以下であることがより好ましい。さらに、最高加熱温度の保持時間は１０分以上６０分以下であることが好ましく、１０分以上３０分以下であることがより好ましい。

焼結体の作製過程において、例えば、ダイヤモンドを他の材料で被覆すること、および加熱温度を下げることにより、圧力を下げてもダイヤモンドを保ったまま焼結体を作製できる。そのため、ＨＩＰ法を用いることにより、摺接粒子がダイヤモンドである場合でも、好適に複合材を作製することができる。

工程（ｉｉｉ）における表面を加工する方法は、例えば、ダイヤモンドおよび炭化珪素等の砥石で焼結体の表面を削る方法、放電加工する方法、研磨機を用いて研磨する方法等を用いることができる。当業者においては、本実施の一実施形態における複合材基材１２ａおよび摺接粒子１２ｂのような高硬度な材料を研削する方法として、適当なものを選択すればよい。

なお、工程（ｉｉｉ）は、複合材１２を摺動部材に固定した後に行ってもよい。

〔２．ポンプ〕
本発明の一実施形態に係るポンプは、以上説明した摺動部材を備える。それゆえ、摺動部材基部の摩耗を抑制し、ポンプの運転を安定的に継続することができる。

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。

以下の成分を用いて、後述のように焼結体を作製した。
・ダイヤモンド粒子（平均粒子径４０μｍ、製品名：IMS-E400/500、トーメイダイヤ株式会社製）
・ダイヤモンド粒子（平均粒子径７６μｍ、製品名：TMS-E200/230、トーメイダイヤ株式会社製）
・アルミナ粒子（平均粒子径０．２μｍ、製品名：TM-5D、大明化学工業株式会社製）
・Ｓｉ−ＡＬ−Ｃａ−Ｍｇ系酸化物ガラス粉末（平均粒子径１３μｍ、製品名：CF0055、日本フリット株式会社製）
・窒化ケイ素焼結体粉砕粒子（平均粒子径１００μｍ、製品名：KN-101粉砕粉、(株)クボタ社製、以下、「窒化ケイ素粒子」とも称する）
・炭化ケイ素粒子（平均粒子径３μｍ、製品名：CP#4000、信越電気製錬株式会社製）
・ケイ素粒子（平均粒子径２５μｍ、製品名：No350、山石金属株式会社製）
＜製造例１＞
平均粒子径４０μｍのダイヤモンド粒子と平均粒子径０．２μｍのアルミナ粒子とを体積比３０：７０で乾式混合した。その後、得られた混合粉末を内径φ２０ｍｍの黒鉛型に粉末充填した後、ＳＰＳ装置（製品名：SPS-1030、住友石炭鉱業株式会社製）を用いて１５ＭＰａ１２００℃１０分の条件で加圧焼結を行った。黒鉛型から取り出しφ２０ｍｍ×高さ５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体の表面をダイヤモンド砥石を用いて研磨した後、炭化ケイ素砥石を用いて、得られた焼結体の表面を研磨することによって、表面にダイヤモンド粒子が突出した複合材を作製した。なお、炭化ケイ素はダイヤモンドより柔らかくアルミナより硬い。そのため、炭化ケイ素砥石を用いて焼結体の表面を研磨すると、アルミナ粒子のみが研磨され、その結果、ダイヤモンド粒子が突出した複合体を作製することができる。

＜製造例２＞
平均粒子径７６μｍのダイヤモンドと平均粒子径１０μｍのアルミナと平均粒子径１３μｍのＳｉ−ＡＬ−Ｃａ−Ｍｇ系酸化物ガラス粉末とをそれぞれ体積比３０：４９：２１で乾式混合したこと、１５ＭＰａ１０００℃１０分の条件で加圧焼結を行ったこと以外は製造例１と同様にして複合材を得た。

＜製造例３＞
平均粒子径１００μｍの窒化ケイ素粒子と平均粒子径１３μｍのＳｉ−ＡＬ−Ｃａ−Ｍｇ系酸化物ガラス粉末とを体積比３０：７０で乾式混合した。その後、得られた混合粉末を内径φ２０ｍｍの黒鉛型に粉末充填した後、ＳＰＳ装置を用いて１５ＭＰａ１０００℃１０分の条件で加圧焼結を行った。黒鉛型から取り出しφ２０ｍｍ×高さ５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体の表面を、ダイヤモンド砥石を用いて研磨した後、得られた焼結体の表面を、アルミナ砥石を用いて研磨することによって、表面に窒化ケイ素粒子が突出した複合材を作製した。窒化ケイ素より、酸化物ガラスが柔らかいので、アルミナ砥石による加工で窒化ケイ素粒子が突き出した複合材を作製することができる。

＜製造例４＞
平均粒子径４０μｍのダイヤモンド粒子と平均粒子径５μｍの炭化ケイ素粒子と平均粒子径２５μｍの粒子径のケイ素粒子とをそれぞれ体積比４５：６：４９で乾式混合した。その後、得られた混合粉末を乾式プレスにより内径φ２０ｍｍに成形し、ガラスカプセルに真空封入した後、熱間静水圧加圧装置（神戸製鋼株式会社製、以下、ＨＩＰ装置とも称する）にて１００ＭＰａ１４５０℃の条件で焼結を行った。黒鉛型から取り出しφ２０ｍｍ×高さ５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体の表面を、ダイヤモンド砥石を用いて研磨した後、炭化ケイ素砥石を用いて得られた焼結体の表面を研磨することによって、表面にダイヤモンド粒子が突出した複合材を作製した。

＜比較製造例１＞
製造例１において、炭化ケイ素砥石による突出し加工を実施しなかったこと以外は製造例１と同様にして、複合材を得た。

＜比較製造例２＞
φ２０ｍｍ×高さ５ｍｍのＳＵＳ３０４に、平均粒子径４０μｍのダイヤモンドをＮｉ−Ｐメッキにより電着固定した後、当該ダイヤモンドを研磨することにより、突出し高さが１０μｍの複合材を得た。ダイヤモンドとＳＵＳ３０４との体積比は３０：７０であった。

〔実施例１〜４、比較例１〕
＜摩擦摩耗試験＞
実施例１〜４として、製造例１〜４で得た複合材について、比較例１として、比較製造例１で得た複合材について、それぞれφ１４０ｍｍ／φ１０６ｍｍ×高さ６ｍｍの窒化ケイ素リングと組み合わせ、試験体を作製した。１８×１２×６ｍｍｔ（試験面１８×１２の面）の窒化ケイ素ブロックを、面圧２ｋｇ／ｃｍ^２、周速２ｍ／ｓｅｃの条件で回転する試験体上に押し付けることにより、１時間摩擦係数を測定した。１時間測定した摩擦係数の平均値を表１に示す。

実施例１〜４と比較例１との比較より、摺接粒子を突出させることで、ダイヤモンドの体積分率が低い場合でも、摩擦を低減させることができることがわかった。

〔実施例５、比較例２〕
＜スラリー摩耗試験＞
スラリー液は、平均粒子径５μｍの珪砂と、平均粒子径３０μｍの珪砂とを、重量比５０：５０で混合して得た珪砂を、水に３０００ｐｐｍとなるように加え、撹拌することによって調製した。珪砂の平均粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される値である。１Ｌポットに当該スラリー液１Ｌと、製造例１で得た焼結体とを添加した混合物を用いる試験区（実施例５）、および、１Ｌポットに当該スラリー液１Ｌと、比較製造例２で得た複合材とを添加した混合物を用いる試験区（比較例２）とを作製し、上記混合物をそれぞれ回転数１００ｒｐｍ（３ｍ／分）で撹拌した後、複合材におけるダイヤモンドの突出しの変化を観察した。

実施例５と比較例２との比較により、摺接粒子と複合材基材とを焼結することにより、スラリー液に含まれる粒子に対する摺動部材基部の耐摩耗性が向上したことがわかった。

本発明は、ポンプ、例えば先行待機運転ポンプに好適に利用することができる。

１Ａ 軸・軸受構造
１０ 軸部材
１０ａ 基体
１０ｂ 凹部
１１ 軸受部材
１２ 複合材
１２ａ 複合材基材
１２ｂ 摺接粒子
１３ 複合材基材露出部
１４ 基体露出部
１５ 摺接面

Claims (9)

1. 被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、
   上記摺動部材は、
   摺動部材基部と、
   上記摺動部材基部の表面に固定された複合材と、を備え、
   上記複合材は、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、当該摺接粒子を上記摺動部材基部に固定する複合材基材と、を含み、上記複合材１００体積％に対して上記摺接粒子を２０体積％以上８０体積％以下含有する焼結体であり、
   上記摺接粒子は、上記複合材基材の表面から突出することにより上記被摺動部材に摺接することを特徴とする摺動部材。
2. 上記複合材基材が、セラミックスおよびサーメットから選ばれる１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 上記摺接粒子の硬さが、上記複合材基材の硬さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 上記複合材基材が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、酸化物ガラス、炭化ホウ素、ジルコニア、酸化ケイ素、ＷＣ系セラミックス、炭化チタン、二ホウ化チタン、炭化タングステンを含むサーメットおよびチタン化合物を含むサーメットからなる群より選ばれる１種以上の材料を含むことを特徴とする請求項３に記載の摺動部材。
5. 上記摺接粒子が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドライクカーボン、ガラス状カーボン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、炭化ホウ素、炭化タングステンおよび炭化モリブデンからなる群より選ばれる１種以上を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の摺動部材。
6. 上記摺接粒子の平均粒子径が、１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の摺動部材。
7. 上記複合材の厚さが、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の摺動部材。
8. 上記セラミックスが、共有結合性結晶およびイオン結合性結晶から選ばれる１種以上から構成されることを特徴とする、請求項２に記載の摺動部材。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の摺動部材を備えることを特徴とするポンプ。

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