JP6982337B2 - カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法に関し、具体的には、原材料からセグメントの製造時間を短縮し、カーボンスラストベアリング用セグメントの強度、硬度、延性、靭性及び均一な粒子構造といった機械的及び物理的性質を改良した製造方法に関する。

発明の背景

カーボンスラストベアリングは、通常のベアリングの代わりに水中モーター、ポンプ及び他の機械装置の中で重要な役割を果たしている。ビルの最上階へ水を適切に供給でき、また、乾燥した運転状態でモーターやポンプの安全を確保できるように、カーボンスラストベアリングが世界中で水中モーターやポンプに用いられている。カーボンスラストベアリングは、スラストプレート、カーボンパッド、セグメント及びセグメントキャリアといった部分から構成される。水中モーターやポンプの運転中にセグメントが変動負荷に耐え、カーボンスラストベアリングの中で重要な役割を果たしている。

現在、カーボンスラストベアリングのセグメントは従来の製造方法で製造されている。この方法では、多数の処理工程があり、カーボンスラストベアリングのセグメントを製造するため、ワックスの注入、クラスタの組立、泥状物のコーティング、漆食、脱ワックス、バッキング、溶融金属の調製、必要なグレードに応じた分光検査、鋳造、ノックアウト、切断、ゲート研削、ショットブラスティング及び熱処理といった処理工程が含まれる。また、ワックスの注入からゲート研削までの処理はより長い時間がかかり、必要なグレードの溶融金属を調製するのに、また、該溶融金属の分光検査をするのに熟練な労働が必要である。さらに、従来の製造方法の処理工程は、より多くのインフラ、高価な機械、消耗品及びエネルギーを必要とするため、高価である。それが最終的な完成品であるカーボンスラストベアリング用セグメントの高いコストにつながる。

カーボンスラストベアリング及びその関連部品の様々な製造方法が開発されてきた。その一つはUS3831241に開示されている。そこには、製造されたベアリング及びその部品は、好ましくない急冷によるストレスがあり、その延性も不十分である。また、該ベアリング部品の変形を開始させ、また、完了させるのにより強い力が必要である。さらに、該ベアリング部品の急冷によるストレスがベアリングとベアリング部品の強度を低下させてしまう。

従来の製造方法では、セグメントが溶融金属から作られるため、カーボンスラストベアリングのセグメントにはブローホール、表面不純物、歪み及びピンホールといった欠陥が生じる傾向がある（不合格率が20〜30％程度である）。また、従来の製造方法で製造されたセグメントの強度、硬度、延性、靭性及び均一な粒子構造といった物理的及び機械的性質が劣っている。さらに、従来の製造方法を用いて原材料からカーボンスラストベアリングのセグメントを製造するには最短4〜5週間がかかる。

したがって、上記から分かるように、既存の面倒かつ高価なセグメントの製造方法を排除し、経済的、効率的、また、時間を節約できる製造方法、また、優れた強度、硬度、延性、靭性及び均一な粒子構造を有するカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法が必要とされている。

発明の目的

本発明の主目的は、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、セグメントの優れた強度、硬度、靭性、延性及び均一な粒子構造を提供する、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、セグメントの製造時間を短縮し、かつセグメントのコストを低減する、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、セグメント中のブローホール、表面不純物、歪み及びピンホールといった欠陥が生じる可能性を低減させる、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法を提供することである。

は、先行技術による従来のインベストメント鋳造法で得られたセグメントの微細構造の代表的な写真を示す。これには、カーボンスラストベアリング用セグメントの一貫した粒子構造と粒子流量の不足が示されている。 は、本発明による本製造方法で得られたセグメントの微細構造の代表的な写真を示す。これには、カーボンスラストベアリング用セグメントの一貫した粒子構造と粒子流量が示されている。 は、先行技術による従来のインベストメント鋳造法で得られたセグメントの微細構造の代表的な写真を示す。これには、カーボンスラストベアリング用セグメントの未精製の、かつ不均一な微細構造が示されている。 は、本発明による本製造方法で得られたセグメントの微細構造の代表的な写真を示す。これには、カーボンスラストベアリング用セグメントのより精製された、緻密かつ均一な微細構造が示されている。

本発明のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法は、好適なグレードのステンレス鋼（SS）の丸棒/シート/ログを原材料として使用する。該SSの丸棒/シート/ログに対し切断処理を施し、所定サイズのSSビレットに切断する。該ビレットを900℃〜1000℃の誘導炉内で加熱する。その後、所望の形状のセグメントを得るため、該ビレットに対し開放式金型熱鍛造または閉鎖式金型熱鍛造を行う。開放式金型熱鍛造の後、該セグメントに対しトリミング処理と研削処理を逐次に施し、該セグメントの縁部に形成されたフラッシュを除去する。閉鎖式金型熱鍛造の場合、トリミング処理と研削処理が不要である。その後、より少ないメンテナンスと取り扱い労力の観点から費用対効果の高い、セグメントの所定の機械的性質と物理的性質を得るため、該セグメントに対しストレス緩和、硬化及び焼き戻しといった熱処理を逐次に施す。熱処理の後、最終的な仕上げ面を得るため、該セグメントに対し表面研削といった表面仕上げ処理、を施し、また、その後、より高い減摩特性とより低い摩擦係数を与え、セグメントの最適な平坦度と鏡のような表面仕上げを得るため、ラッピング処理と研磨処理を逐次に施す。

発明の詳細な説明

本明細書は、本発明の性質及びそれが機能する方法を明記する。本発明には様々な実施形態があり、それらを以下の本明細書に明記する。本発明を説明する前に理解されるべきこととして、ここで用いられる表現及び用語が説明するためのものであり、限定するためのものではない。

本発明は、カーボンスラストベアリング用セグメントの従来の製造方法の過剰な処理工程を排除し、カーボンスラストベアリング用セグメントの優れた強度、硬度、延性、靭性及び均一な粒子構造を得るための製造方法に関する。

本発明を説明する前に理解されるべきこととして、用語「再結晶温度」とは、強度と硬度の低下及び同時に起きる延性の増加のため、変形した金属粒子が欠陥のない（ストレスのない）新しい粒子セットに置き換えられる時の温度をいう。鋼の再結晶温度は、典型的には400℃〜700℃の範囲内にある。

本発明によれば、カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法では、ステンレス鋼（以下、SSと称する）の丸棒/シート/ログが原材料または供給原料として用いられる。該SSの丸棒/シート/ログに対し切断プレスの中で切断処理を施し、所定サイズのSSビレットに切断する。その後、残留したストレスを低減させ、また加工を容易にするため、その再結晶温度を超える900℃〜1000℃の誘導炉内で該鋼ビレットを加熱する。該誘導加熱により該鋼ビレットを迅速的、効率的かつ均一に加熱できるようになる。加熱されたSSビレットに対し熱鍛造処理を施す。これは、好ましくはカーボンスラストベアリング用セグメントを所望の形状にするための鍛造金型を備える機械プレス、油圧プレス、または摩擦スクリュープレスの中で行う。熱鍛造処理では、該SS鋼ビレットは鍛造金型の間に配置され、セグメントを所望の形状にするため、機械プレス、油圧プレス、または摩擦スクリューのラム/ピストンを介し、一つまたは複数のストロークに供される。油圧プレスの中に、一つまたは複数のストロークが油圧式液圧を介してラム/ピストンに付けられている。機械プレス及び摩擦スクリュープレスの中に、一つまたは複数のストロークがモーターを介してラム/ピストンに付けられている。熱鍛造処理の後、該鋼ビレットが金型の形状に応じて所望の形状のセグメントになる。

熱鍛造処理において、開放式の金型が用いられた場合は開放式金型熱鍛造処理、閉鎖式の金型が用いられた場合は閉鎖式金型熱鍛造処理と呼ばれる。

開放式金型熱鍛造処理の過程で、前記セグメントの縁部と前記金型の分離線に絞られた金属の薄い層が形成される。この絞られた金属の薄い層が「フラッシュ」と呼ばれる。したがって、開放式熱鍛造の過程でセグメントの縁部に形成されたフラッシュを除去し、セグメントの精密な表面仕上げを得るために、開放式熱鍛造処理の後に該セグメントを逐次にトリミング処理及び研削処理に供する必要がある。これは、好ましくはそれぞれパワープレス及びベンチ研削機の中で行う。熱鍛造処理に閉鎖式の金型が用いられた場合、閉鎖式金型熱鍛造処理の際にセグメントの縁部に形成されたフラッシュは無視できる程度であり、トリミング処理及び研削処理は排除される。該閉鎖式金型熱鍛造は印象金型鍛造処理としても知られている。

その後、得られたセグメントについて、所望の機械的及び物理的性質を得るため、ストレス緩和、硬化及び焼き戻しといった熱処理が逐次に行われ、これにより、該セグメントの微細かつ均一な粒子構造が得られ、カーボンスラストベアリング用セグメントの強度、硬度、延性及び靭性が高められる。ストレス緩和処理において、該セグメントはオーブンまたは炉で545℃〜555℃の温度まで加熱され、その温度で内部に残留したストレスが望ましい量まで減少するのに十分な時間保持され、その後、過度な熱によるストレスが形成しないように十分に遅い速度で冷却される。セグメントの内部に残留したストレスの減少は、鋼の組成、選択した温度、時間及び冷却速度と関係がある。

理解されるべきこととして、用語「臨界温度」は、鋼が固溶体になり、鋼における金属原子と炭素原子が自由に混合し、最終的に結合する時の変態温度である。この過程が始まる時の温度は、鋼の下限臨界温度と呼ばれる。鋼の臨界温度は一般に1335°F〜1525°F（724℃〜830℃）の範囲内にあり、その下限臨界温度は通常600℃〜724℃の範囲内にある。

セグメントの硬度と靭性を増加させ、その均一な粒子構造を得るため、ストレス緩和処理の後に、該セグメントに対し硬化処理を施す。該硬化処理では、該セグメントは、その臨界温度以上の炉内で1040℃に加熱され、この温度で80〜120分間程度の一定時間保持され、その後、油や空気の急冷媒体の中で室温まで急冷され、セグメントの所望の硬度が得られる。該時間は、一般的に該セグメントの材料特性、寸法及び厚さ、並びに急冷速度によって得られたセグメントの硬度と関係がある。留意すべきこととして、急冷によってセグメントの硬度が大幅に増加する。

急冷によるストレスを除去し、脆性及び過剰な硬度を減らし、靭性を高め、セグメントの所定の機械的及び物理的性質を得るため、硬化の後に焼戻し処理が施される。焼戻し処理では、硬化されたセグメントがその臨界温度以下である245℃〜255℃の温度に再び加熱され、そして必要な冷却速度で徐々に室温に冷却される。これにより、急冷によるストレスが緩和され、強度、硬度、延性及び靭性といった機械的性質の必要な値が得られる。焼戻しの後に得られたセグメントがより良好な機械的及び物理的性質をもっている。該セグメントの機械的性質は、また焼戻しの温度や時間及び冷却速度と関係がある。該熱処理は、耐摩耗性や耐食性といった機械的性質を高める。最終的な仕上げ面を得るため、熱処理の後に、該セグメントに対し表面研削の表面仕上げ処理を施し、その後、セグメントのより高い減摩特性とより低い摩擦係数、また最適な平坦度と鏡のような仕上げを得るために、ラッピング処理及び研磨処理を逐次に施す。さらに、表面研削、ラッピング及び研磨といった前記の表面仕上げ処理は、それぞれ研削機、ラッピング機と研磨機で行われる。

さらに、本製造方法は、図２に示されているセグメントの一貫した粒子構造をもたらし、図４に示されているセグメントの洗練された、緻密かつ均一な微細構造を与え、そして、最適な強度、延性、靭性及び衝撃や疲労に対する耐性を与える。この緻密かつ均一な微細構造によりセグメントの物理的及び機械的性質が改善された。

以下の実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。該実施例は、本発明の範囲内で実施形態を説明及び実証するものである。本趣旨及び範囲から逸脱することなくその変形が多数可能であるが、該実施例は、ただ例示する目的で与えたもので、本発明を制限するものとして解釈されるべきではない。

a）AISI 420B（SS 420B）級のステンレス鋼の丸棒を供給材料または原材料として選び、切断プレスで切断し、ビレットを形成した。
b）誘導炉の中900℃〜1000℃の温度で前記ビレットに対し加熱処理を施した。
c）セグメントを所望の形状にするため、閉鎖式鍛造金型を用いて工程b）で得られた鋼ビレットに対し機械プレスの中で熱鍛造処理を施した。
d）内部に残留したストレスを減らし、過剰な熱によるストレスを防ぐために、工程c)で得られたセグメントに対し545℃〜555℃の温度でストレス緩和処理を施した。
e）セグメントの硬度と靭性を高め、均一な粒子構造を得るために、工程d）で得られたセグメントに対し1040℃の温度で硬化処理を施した。
f）脆性及び過剰な硬度を減らすために、工程e）で得られたセグメントに対し245℃〜255℃の温度で焼戻し処理を施した。
g）セグメントの仕上げ面を得るために、工程f）で得られたセグメントに対し研削機で研削処理を施した。
h）セグメントの鏡のような表面になるように最適な表面仕上げと平坦度を得るために、工程g）で得られたセグメントに対しそれぞれラッピング機と研磨機でラッピング処理と研磨処理を逐次に施した。

前記製造工程a）〜g）で得られたセグメントの改良された機械的性質を、従来のインベストメント鋳造法で得られたセグメントの機械的性質と比較して下記の表１に示す。

さらに、供給材料または原材料として選ばれたSS 420B級のステンレス鋼のストリップ/ログは下記の表２に示す組成を含有する。

利点

本発明に係るカーボンスラストベアリング用セグメントの新規な製造方法は、カーボンスラストベアリング用セグメントの従来の製造方法の面倒かつ高価な処理工程を排除し、効率的、経済的、また時間を節約できるものである。さらに、本製造方法は、セグメントの一貫した粒子構造をもたらし（図２）、セグメントの微細化された、緻密かつ均一な微細構造を与える（図４）。その結果、最適な強度、延性、靭性及び衝撃や疲労に対する耐性が得られた。この緻密かつ均一な微細構造によりカーボンスラストベアリング用セグメントの物理的及び機械的な性質が改善された。実用に基づいてこの改善を計算すると、メンテナンス、電力及び取り扱いの労力の削減といった観点から、各セグメントの生産のための時間、インフラ、機器及び機械の節約は、製造コスト対効果を高めることに反映される。したがって、当該分野の最新技術からみても本発明の製造方法は経済的に重要である。

Claims (9)

1. カーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法であって、
   a）必要なグレードのステンレス鋼の丸棒/ストリップ/ログを切断し、ビレットを形成する、
   b）工程a）で得られた鋼ビレットを誘導炉中で900℃〜1000℃に加熱する、
   c）鍛造金型を用いて工程b)で得られた鋼ビレットに対し熱鍛造処理を施し、セグメントを所望の形状にする、
   d）工程c）で得られたセグメントに対し545℃〜555℃の温度でストレス緩和処理を施し、内部に残留したストレスを減らし、過剰な熱によるストレスを防ぐ、
   e）工程d）で得られたセグメントに対し1040℃の温度で硬化処理を施し、硬度と靭性を高め、セグメントの均一な粒子構造を得る、
   f）硬化処理の後に、工程e）で得られたセグメントに対し245℃〜255℃の温度で焼戻し処理を施し、脆性及び過剰な硬度を低減させる、
   g）焼戻し処理の後に、工程e）で得られたセグメントに対し研削処理を施し、セグメントの仕上げ面を得る、及び
   h）工程g）で得られたセグメントに対しラッピング処理と研磨処理を逐次に施し、セグメントの最適な表面仕上げと鏡のような表面を実現するための平坦度を得る、
   工程を含む製造方法。
2. ステンレス鋼の丸棒/ストリップ/ログのグレードが、好ましくはAISI 420、AISI 420A、AISI 420B、AISI 420C、AISI 410、または要求された性質のものから選択される、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
3. 工程c）における熱鍛造処理が、好ましくは機械プレス、油圧プレ１ス、または摩擦スクリュープレスの中で行われる、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
4. 工程c）における熱鍛造処理が、開放式金型鍛造または閉鎖式金型鍛造を用いて行われる、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
5. 鍛造処理として開放式金型鍛造を用いた場合に、工程c）で得られたセグメントに対しトリミング処理及び研削処理を逐次に施す、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
6. 工程g）における研削処理が、好ましくはベンチ研削機、垂直回転研削機、または水平表面研削機の中で行われる、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
7. 工程e）における硬化処理が、誘導硬化である、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
8. 工程h）におけるラッピング処理及び研磨処理が、それぞれラッピング機及び研磨機の中で逐次に行われる、請求項1に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
9. トリミング処理が、好ましくはパワープレスの中で行われる、請求項５に記載のカーボンスラストベアリング用セグメントの製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images