專利名稱：使用了碳系滑動(dòng)部件的軸承或密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在上述發(fā)明中，作為類金剛石碳(DLC)合成法，可以列 舉熱絲CVD ( chemical vapor deposition,化學(xué)蒸鍍)法、微波等離子 CVD法、高頻等離子CVD法、直流放電等離子法、電弧方式離子鍍 膜法、濺射蒸鍍法、離子蒸鍍法等。尤其從施工成本的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選微波等離子CVD法、高頻等離子CVD法、電弧方式離子鍍膜法、 濺射蒸鍍法。作為化學(xué)蒸鍍法的原料，使用碳化物。作為其原料的例， 可以列舉甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等飽和碳化氫，乙烯、丙烯、乙 炔、丁二烯等不飽和碳化氫、苯、甲苯等芳香族碳化氫。在電弧方式 離子鍍膜法、濺射蒸鍍法等物理蒸鍍法中，使用碳靶基盤。
類金剛石碳膜(DLC膜)為含有和金剛石同樣的結(jié)晶(sp3)的 非晶質(zhì)碳膜， 一般較硬且滑動(dòng)性優(yōu)異，除了軸承、密封件等高負(fù)荷的 滑動(dòng)部件之外，還期待向磁記錄介質(zhì)的保護(hù)膜那樣的輕負(fù)荷的滑動(dòng)部 件等各種制品使用。上述的技術(shù)事項(xiàng)為公知的，因此，詳細(xì)的說明省 略。
另外，碳質(zhì)成形體一般用如下的方法制造。首先，將以焦炭等為 原料的碳粉末與稱為粘結(jié)劑的結(jié)合劑一邊加熱一邊混合，冷卻后粉碎 篩分，制成粉末。接著，將粉末制成規(guī)定的形狀放入模型中，均等地 施加壓力并成形。接著，對(duì)成形體加熱，由此，除去粘結(jié)劑中含有的 有機(jī)成分后，熱處理該成形體并石墨化，或?qū)Τ尚误w實(shí)施浸漬樹脂或 金屬的處理而提高成形體的強(qiáng)度。
0007根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種軸承或密封件，具有可 動(dòng)部件和靜止部件，將電阻為1 18.25Milcm的純水作為潤(rùn)滑液，其 特征為，在所述可動(dòng)部件及所述靜止部件的至少一個(gè)部件的滑動(dòng)面形 成多晶金剛石膜。
本發(fā)明第二方面的軸承或密封件中，優(yōu)選所述多晶金剛石膜的厚 度為ljim以上且2(Him以下。其理由為，多晶金剛石膜的厚度比20jun 大時(shí)，皮膜中的殘留應(yīng)力提高，膜容易剝離，并且，比20jun大時(shí)， 容易發(fā)生金剛石結(jié)晶的異常成長(zhǎng)，形成正常的滑動(dòng)面困難。另一方面， 比lnm小時(shí)，純水可能會(huì)侵入金剛石膜中的針孔內(nèi)而侵蝕母材。所述 多晶金剛石膜的厚度更優(yōu)選10nm以上20nm以下。
金剛石結(jié)晶的大小從表面觀察為0.001jim~ 15jim。
所述第二方面的軸承或密封件中，優(yōu)選在氮化硅或碳化硅的部件 上覆蓋所述多晶金剛石膜。其理由為，氮化硅為硬質(zhì)，碳化硅為硬質(zhì)，熱傳導(dǎo)性良好。
另外，本發(fā)明第二方面的軸承或密封件中，優(yōu)選所述多晶金剛石 膜形成于可動(dòng)部件及靜止部件的一個(gè)部件上，且將另一個(gè)部件作為碳 質(zhì)成形體。其理由為，碳質(zhì)成形體具有自身潤(rùn)滑性。
[0008作為多晶金剛石的合成法，可以列舉熱絲CVD法、微波 等離子CVD法、高頻等離子CVD法、直流放電等離子法、電弧方式 離子鍍膜法、燃燒火焰法等。尤其從施工成本的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選熱絲 CVD法及微波等離子CVD法。這種氣相合成法的原料使用在氫氣中 混合了數(shù)個(gè)百分比的甲烷、乙醇、乙炔等碳化氫的混合氣體。根據(jù)工 藝，在氫氣中混合一氧化碳及二氧化碳等，或添加微量的其它氣體。 與這些混合氣體通用，原料氣體的大部分為氫，將該原料氣體等離子 化或熱激勵(lì)而活性化來使用?；钚曰臍鍖?duì)于非金剛石的碳有強(qiáng)烈的 腐蝕作用，另一方面，對(duì)于金剛石幾乎沒有腐蝕作用。所述的氣相合 成法巧妙地利用該選擇的腐蝕作用，抑制基體材料上的非金剛石成分 的成長(zhǎng)，只使金剛石析出，由此，形成金剛石膜。
在熱絲CVD法中，成膜工藝中的基盤溫度為800~ 1000°C，作為 基體材料，使用硅、氮化硅、鋁及碳化硅等無機(jī)材料以及鉬和柏等高 熔點(diǎn)金屬。
[0009目前，在自來水潤(rùn)滑下發(fā)揮優(yōu)異的摩擦磨損特性的硅系陶 瓷，作為水潤(rùn)滑軸承或密封件被廣泛使用，但是，在雜質(zhì)非常少的純 水中的滑動(dòng)環(huán)境即構(gòu)成軸承或密封件的部件相互滑動(dòng)接觸的環(huán)境中， 硅系陶瓷通過腐蝕而磨損。與之相對(duì)，本發(fā)明提供一種純水用的軸承 或密封件，在軸承或密封件中滑動(dòng)接觸的一對(duì)部件的至少一個(gè)部件的 滑動(dòng)面形成有多晶金剛石膜或DLC膜，因此，具有摩擦磨損特性優(yōu) 異的長(zhǎng)壽命。


[0010圖1是表示使用了自來水的SiC的侵蝕.腐蝕試驗(yàn)結(jié)果(試 驗(yàn)l)的圖，圖1 (a)是試驗(yàn)前，圖1 (b)是試驗(yàn)后；
6圖2是表示使用了純水的SiC的侵蝕.腐蝕試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)2 )的
圖，圖2(a)是試驗(yàn)前，圖2(b)是試驗(yàn)后；
圖3是表示使用了純水的多晶金剛石膜的侵蝕.腐蝕試驗(yàn)結(jié)果(試
驗(yàn)3)的圖，圖3(a)是試驗(yàn)前，圖3(b)是試驗(yàn)后； 圖4是本發(fā)明的滑動(dòng)軸承的一實(shí)施例的截面圖； 圖5是沿圖4的軸承的線A-A看到的圓板的平面圖； 圖6是表示圖4的實(shí)施例的軸承的變形例的截面圖； 圖7是沿圖6的軸承的線B-B看到的圓板的平面圖； 圖8是本發(fā)明的密封件的一實(shí)施例的截面圖； 圖9是圖6的密封件的部分C的放大圖； 圖IO是表示使用了本發(fā)明的軸承的泵的一例的截面圖。 [0011符號(hào)說明
I、 旋轉(zhuǎn)軸
10、 10a、軸承
II、 lla、上支承體 12、 12a、下支承體
15、 15a、 16、 16a、圓板
17、 17a、螺旋槽
18、 18a、凹部
具體實(shí)施例方式
[0012在進(jìn)行具體實(shí)施方式
的說明前，對(duì)于對(duì)燒結(jié)體SiC和多晶 金剛石膜應(yīng)用自來水或純水進(jìn)行的侵蝕.腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行說明。
從內(nèi)徑lmm的噴嘴以流速28m/s排^t水，按照和水的排^t方向 垂直的方式配置試驗(yàn)材料的表面。將從噴嘴出口到試驗(yàn)材料表面的距 離設(shè)定為25mm，使水與試驗(yàn)材料表面連續(xù)沖撞100小時(shí)，比較試驗(yàn) 材料的體積減少量。自來水的電阻為0.007MQcm,純水的電阻為 18Mftcm。
表1表示各材料的體積減少量。從該表可看出，SiC在自來水中一點(diǎn)也沒有腐蝕，但是，在純水中嚴(yán)重腐蝕。另一方面，多晶金剛石 膜在純水中一點(diǎn)也沒有腐蝕。因此，在超純水的環(huán)境中，多晶金剛石
膜顯示良好的耐蝕性，涂覆SiC可實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)部件的超長(zhǎng)壽命。
另外，對(duì)于DLC膜也是和多晶金剛石膜同樣的碳材料，因此，
認(rèn)為可獲得良好的耐蝕性。
圖1~圖3是表示試驗(yàn)1 試驗(yàn)3的試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的表面的腐蝕
狀態(tài)的圖。 表1:
侵蝕.腐蝕試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)材料涂覆厚度水質(zhì)體積減少量
試驗(yàn)1碳化硅一自來水0.000 (檢測(cè)界限以下)
試驗(yàn)2碳化硅-純水0.039
試驗(yàn)3多晶金剛石膜lOjLim純水0.000 (檢測(cè)界限以下)
[0013在圖4及圖5中，本發(fā)明的軸承的一實(shí)施例用IO表示整 體。該實(shí)施方式的軸承IO為止推軸承，具備安裝于旋轉(zhuǎn)軸1的前端(圖 4的下端)的圓板狀的上支承體11和配置于上支承體的下側(cè)的圓板狀 的下支承體12，它們配置于充滿潤(rùn)滑液即純水w的軸承室C內(nèi)。上 支承體11通過公知的方法例如鍵及鍵槽以與旋轉(zhuǎn)軸1 一起旋轉(zhuǎn)的方式 與旋轉(zhuǎn)軸l連結(jié)。在下支承體12的中央下面(上支承體側(cè)的相反面) 形成具有規(guī)定的半徑的部分球面的凸部13，該突起承受在固定軸14 的部分球面狀的凹部?jī)?nèi)，上述固定軸14固定在劃定軸承室C的罩體2 的下部中心。凸部13在固定軸的凹部?jī)?nèi)緊緊地嵌合。
[0014在上支承體11及下支承體12的對(duì)向的面，即，在圖4中 上支承體的下面及下支承體的上面，通過公知的方法(例如，螺絲固 定等)分別固定陶瓷制的圓板15及16。如圖5所示，在陶瓷制的圓 板16的與陶瓷制的圓板15對(duì)向的面形成有多個(gè)螺旋槽17(圖5中涂 黑的部分)。在圓板16的形成有螺旋槽的面的中心部圓形狀地形成有 在該螺旋槽和在半徑方向內(nèi)側(cè)通過的凹部18 (在圖5中，中央涂黑的
8部分)。另外，19為阻止下支承體12的旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)器。陶瓷制的圓板 15及16優(yōu)選氮化硅或碳化硅。其理由在于，在表面形成多晶金剛石 膜的作為基體材料的圓板的材質(zhì)的硬度遠(yuǎn)比多晶金剛石的硬度小時(shí)， 多晶金剛石膜的變形不能追隨應(yīng)力引起的圓板的變形，其膜可能會(huì)從 基體材料即圓板剝離，但是，氮化硅及碳化硅硬度極高，不可能發(fā)生
這種情況。
對(duì)于螺旋槽的朝向，通過具有與該螺旋槽17相接并旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)面 的作為滑動(dòng)部件的陶瓷制的圓板15，水從圓板16的周邊部朝向中心 部的凹部18 (圖5中涂黑的部分)內(nèi)引導(dǎo)，在兩個(gè)陶乾制的圓板15 及16間發(fā)生動(dòng)壓。
[0015在陶瓷制的圓板15及16的滑動(dòng)面即相互對(duì)向的面(滑動(dòng) 面)形成有多晶金剛石膜。多晶金剛石膜用上述段落[0008內(nèi)所述的 方法形成。多晶金剛石膜優(yōu)選皮膜厚度為lnm以上且20nm以下。其 理由在于，多晶金剛石膜的厚度比20jim大時(shí)，皮膜中的殘留應(yīng)力提 高，膜容易剝離，且比20nm大時(shí)，容易發(fā)生金剛石結(jié)晶的異常成長(zhǎng)， 形成正常的滑動(dòng)面困難。比lftm小時(shí)，純水可能會(huì)侵入金剛石膜中的 針孔內(nèi)而4曼蝕母材。更優(yōu)選10nm以上且20pm以下。也可以用耐蝕 性優(yōu)異的不銹鋼代替用上述氮化硅或碳化硅的陶瓷制作形成有多晶金 剛石膜的圓板。
另外，在陶瓷制或不銹鋼制的圓板15及16的滑動(dòng)面也可以用上 述段落編號(hào)[0006所述的方法形成類金剛石碳膜代替多晶金剛石膜。 類金剛石碳膜優(yōu)選維氏硬度Hv為1000~8000,厚度為lpm以上且 5nm以下。之所以將膜厚設(shè)定為lnm以上是因?yàn)椋?dāng)比其薄時(shí)膜中存 在的針孔貫通到母材的可能性提高，純水有可能侵入針孔并侵蝕母材， 之所以將膜厚設(shè)定為5nm以下是因?yàn)?，?dāng)比其厚時(shí)，膜中的殘留應(yīng)力 增高，膜容易剝離。所述類金剛石碳膜的厚度更優(yōu)選ljun以上且3jun 以下。
代替在陶瓷制或不銹鋼的圓板15及16的對(duì)向的面的雙方形成多 晶金剛石膜或類金剛石碳膜，也可以只在任意一個(gè)面(例如圓板16的與圓板15對(duì)向的面)形成上述膜。另外，只在一個(gè)面形成多晶金剛 石膜或類金剛石碳時(shí)，也可以用碳質(zhì)成形體制作未形成多晶金剛石膜 或類金剛石碳膜的圓板(例如圓板15)。
[00161在圖6及圖7中，圖4及圖5所示的軸承的變形例用10a 表示。在該變形例的軸承10a中，軸la貫通在分別配置于軸承室C 內(nèi)的圓板狀的上支承體lla及下支承體12a的中心形成的貫通孔并延 伸。在上支承體lla及下支承體12a的對(duì)向的面、在該實(shí)施例中上支 承體的下面及下支承體12a的上面配置有圓板15a及16a，該圓板15a 及16a在中心形成旋轉(zhuǎn)軸la能夠貫通的孔。在未配置下支承體12a 的圓板16a的面即下面形成有具有大的半徑的部分球面的凸部13a。 該凸部13a承受在具有劃分軸承室C的罩體2a的對(duì)應(yīng)的部分球面的 凹部?jī)?nèi)。19a為阻止下支承體的旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)器。
圓板15a及16a的材質(zhì)、形成于圓板的滑動(dòng)面即對(duì)向面的一個(gè)面 的螺旋槽17a的形狀、形成于圓板的滑動(dòng)面的多晶金剛石膜或類金剛 石碳膜等和上述實(shí)施例同樣，因此，對(duì)于它們的詳細(xì)的說明省略。
[0017在圖8及圖9中，本發(fā)明的機(jī)械密封式的密封件的一實(shí)施 例整體用30表示。該實(shí)施例的密封件30具有配置在安裝于旋轉(zhuǎn)軸 5的外周的軸套6的外周的作為可動(dòng)部件的環(huán)狀的可動(dòng)密封部件31、 作為靜止部件的環(huán)狀的靜止密封部件32、保持可動(dòng)密封部件的支架 33、保持靜止密封部件的支架34。在該實(shí)施例中，可動(dòng)密封部件用硬 質(zhì)的氮化硅或碳化硅那樣的陶瓷制作。在可動(dòng)密封部件31的與靜止密 封部件對(duì)向的平坦的面(密封面)35上，用上述段落編號(hào)[0008所述 的方法形成多晶金剛石膜37。多晶金剛石膜37的厚度在該實(shí)施例中 為10fim,但是，只要為ljim以上且20nm以下即可。其理由在于， 多晶金剛石膜的厚度比20nm大時(shí)，皮膜中的殘留應(yīng)力增高，膜容易 剝離，并且，膜厚比20nm大時(shí)，容易發(fā)生金剛石結(jié)晶的異常成長(zhǎng)， 難以形成正常的滑動(dòng)面。膜厚比lnm小時(shí)，純水可能侵入金剛石膜中 的針孔內(nèi)而侵蝕母材。通過形成多晶金剛石膜，該金剛石膜的表面成 為可動(dòng)密封部件的密封面。具有和該密封面接觸的密封面36的靜止密封部件32用碳質(zhì)成形體那樣的軟質(zhì)材料制作。這樣，在一對(duì)密封部件 的一個(gè)面形成多晶金剛石膜，用軟質(zhì)材料制作另一個(gè)密封部件，由此， 滑動(dòng)面即密封面的密合迅速進(jìn)行，且能夠發(fā)揮優(yōu)異的密封性能及摩擦 磨損特性。
另外，和上述相反，也可以用氮化硅或碳化硅制作靜止密封部件 并在其密封面形成多晶金剛石膜，且用碳質(zhì)成形體那樣的軟質(zhì)材料制 作可動(dòng)密封部件。
另外，也可以用上述段落編號(hào)00061所述的方法形成類金剛石碳 膜代替上述多晶金剛石膜。
[00181在圖10中，用100表示適用了本發(fā)明的軸承的作為旋轉(zhuǎn) 機(jī)械的屏蔽電動(dòng)機(jī)泵。該屏蔽電動(dòng)機(jī)泵100具備外側(cè)殼體IOI,其 劃定吸入口 102、腔室103及排出口 104;電動(dòng)機(jī)罩體105，其配置于 外側(cè)殼體的腔室內(nèi)，具有筒狀的電動(dòng)機(jī)構(gòu)架106及安裝于該電動(dòng)機(jī)構(gòu) 架的兩端部的端板107及108。在電動(dòng)機(jī)軍體105內(nèi)配置有旋轉(zhuǎn)軸111， 其旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置于各端板107及108上，通過適用了本發(fā)明的軸承40、 40a及50旋轉(zhuǎn)自如地被支承。旋轉(zhuǎn)軸的吸入口側(cè)端部貫通端板107且 向吸入口側(cè)突出，在其突出的部分固定有葉輪112。在筒狀的電動(dòng)機(jī) 構(gòu)架的外周，棱部109在周方向隔開而形成，在外側(cè)殼體101和電動(dòng) 機(jī)構(gòu)架106之間形成于鄰接的棱部間的間隙成為自葉輪輸送的流體向 排出口 104流出的通路121。
[0019軸承40及40a為徑向軸承，其具有固定于在各端板上
在與該固定軸承部件對(duì)應(yīng)的位置固定于旋轉(zhuǎn)軸111上的內(nèi)側(cè)即可動(dòng)軸 承部件42。兩軸承部件與圖4~圖7所示的軸承的圓板同樣，用氮化 硅、碳化硅那樣的陶瓷或不銹鋼那樣的金屬制作。在軸承部件41及 42的對(duì)向的面即外側(cè)的固定軸承部件41的內(nèi)周面(滑動(dòng)面或滑接面)、 內(nèi)側(cè)的可動(dòng)軸承部件42的外周面(滑動(dòng)面或滑接面)上，用上述段落 編號(hào)[0008說明的方法分別形成多晶金剛石膜。多晶金剛石膜的厚度 在該實(shí)施例中為10nm，但是，只要為lnm以上且20nm以下即可。
ii其理由是由于，多晶金剛石膜的厚度比20nm大時(shí)，皮膜中的殘留應(yīng) 力增高，膜容易剝離，并且，膜厚比20nm大時(shí)，容易發(fā)生金剛石結(jié) 晶的異常成長(zhǎng)，難以形成正常的滑動(dòng)面。膜厚比ljim小時(shí)，純水可能 侵入金剛石膜中的針孔內(nèi)而侵蝕母材。另外，代替多晶金剛石膜也可 以形成類金剛石碳膜。
00201軸承50為止推軸承，其具備安裝于軸承罩體116的端 部(在圖7中右端)的環(huán)狀的靜止軸承部件51、與該軸承部件鄰接而 配置且安裝在固定于旋轉(zhuǎn)軸111的軸承支承部件53上的旋轉(zhuǎn)軸承部件 52。兩軸承部件與圖4~圖7所示的軸承的圓板同樣，用氮化珪、碳 化硅那樣的陶資或不銹鋼那樣的金屬制作。在軸承部件51及52的對(duì) 向的面即固定軸承部件51的面(滑動(dòng)面)、可動(dòng)軸承部件52的面(滑 動(dòng)面)上，用上述段落編號(hào)[0008I說明的方法分別形成多晶金剛石膜。 多晶金剛石膜的厚度在該實(shí)施例中為10nm,但是，只要為lnm以上 且15nm以下即可。其理由在于，多晶金剛石膜的厚度比15nm大時(shí)， 皮膜中的殘留應(yīng)力增高，膜容易剝離，并且，膜厚比lnm小時(shí)，純水 可能侵入金剛石膜中的針孔內(nèi)而侵蝕母材。另外，也可以形成類金剛 石碳膜代替多晶金剛石膜。
權(quán)利要求
1、一種軸承或密封件，具有可動(dòng)部件和靜止部件，將電阻為1～18.25MΩcm的純水作為潤(rùn)滑液，其特征在于，在所述可動(dòng)部件及所述靜止部件的至少一個(gè)部件的滑動(dòng)面上形成類金剛石碳膜。
2、 如權(quán)利要求1所述的軸承或密封件，其特征在于，所述類金剛 石碳膜維氏硬度Hv為1000~ 8000，膜的厚度為lpm以上5jnm以下。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的軸承或密封件，其特征在于，在氮化 硅或碳化硅的部件上覆蓋有所述類金剛石碳膜。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的軸承或密封件，其特征在于，在不銹 鋼部件上覆蓋有所述類金剛石碳膜。
5、 如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的軸承或密封件，其特征在于， 所述類金剛石碳膜形成于所述可動(dòng)部件及靜止部件的一個(gè)部件上，且 另一個(gè)部件是碳質(zhì)成形體。
6、 一種軸承或密封件，具有可動(dòng)部件和靜止部件，將電阻為1~ 18.25Mftcm的純水作為潤(rùn)滑液，其特征在于，在所述可動(dòng)部件及所述 靜止部件的至少一個(gè)部件的滑動(dòng)面上形成多晶金剛石膜。
7、 如權(quán)利要求6所述的軸承或密封件，其特征在于，所述多晶金 剛石膜的厚度為ljim以上20nm以下。
8、 如權(quán)利要求6或7所述的軸承或密封件，其特征在于，在氮化 硅或碳化硅的部件上覆蓋有所述多晶金剛石膜。
9、 如權(quán)利要求6~8中任一項(xiàng)所述的軸承或密封件，其特征在于， 所述多晶金剛石膜形成于所述可動(dòng)部件及靜止部件的一個(gè)部件上，且 另 一個(gè)部件是碳質(zhì)成形體。
10、 一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其特征在于，其具備權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng) 所述的軸承及密封件的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐久性優(yōu)異的以純水作為潤(rùn)滑液的軸承或密封件。本發(fā)明涉及純水潤(rùn)滑軸承或純水潤(rùn)滑密封件，其具有可動(dòng)部件和靜止部件，將電阻為1～18.25MΩcm的純水作為潤(rùn)滑液。軸承或密封件的特征為，在所述可動(dòng)部件及所述靜止部件的至少一個(gè)部件的滑動(dòng)面上形成類金剛石碳膜。
文檔編號(hào)F16C33/12GK101663495SQ20088001290
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者杉山憲一, 長(zhǎng)坂浩志 申請(qǐng)人:株式會(huì)社荏原制作所