CN112805494B - 密封用滑动构件和密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使在容易堆积硅氧化物的环境下使用，密封性能也优异的密封用滑动构件和密封装置。密封用滑动构件具有烧结体，所述烧结体包括铈氧化物1.0～12.5wt％、石墨与易石墨化碳相加而成的物质20～50wt％、以及余量的难石墨化碳。该密封用滑动构件例如用作旋转密封环(2)或者静止密封环(4)。

Description

密封用滑动构件和密封装置
技术领域
本发明涉及密封用滑动构件和密封装置。
背景技术
例如已知有下述专利文献1或专利文献2所示的机械密封用的滑动构件。这种滑动构件通过将碳制填料、粘结剂用树脂和硅氧化物混合并进行成型、烧结来制造而成。
这种滑动构件有时被暴露于含硅酸盐类防锈成分的LLC(长效冷却剂，long lifecoolant)等水类密封流体中。在这样的使用环境下，LLC所含的Si与O反应而生成SiO2，且容易在滑动构件的表面形成SiO2的堆积物。若在滑动构件形成SiO2的堆积物，则滑动间隙有可能扩大，从而有可能阻碍密封性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-014278号公报
专利文献2：WO2015/108107号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明就是鉴于这样的实际情况而作成的，其目的在于提供即使在容易堆积硅氧化物的环境下使用，密封性能也优异的密封用滑动构件和密封装置。
用于解决技术问题的方案
为了实现上述目的，本发明的密封用滑动构件具有烧结体，所述烧结体包括铈氧化物1.0～12.5wt％、石墨与易石墨化碳相加而成的物质20～50wt％、以及余量的难石墨化碳。
在本发明的密封用滑动构件中，以规定的比例同时含有铈氧化物(CeO2或Ce2O3等)、石墨与易石墨化碳相加而成的物质以及难石墨化碳。在本发明的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有铈氧化物，所以不会损害成型性，且即使在例如被暴露于含硅酸盐类成分的水溶液的环境下，也能够抑制在滑动构件的表面生成硅氧化物。
进一步，在本发明的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有硬碳(HC)等难石墨化碳，所以即便在滑动面生成有堆积物，堆积物也会被研磨，从而抑制在这些表面形成堆积物。
再进一步，在本发明的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有石墨与易石墨化碳相加而成的物质，所以滑动构件在滑动面的发热被抑制，从而抑制硅氧化物的生成。
所述铈氧化物的平均粒径可以为1.0～6.0μm。可确认到：通过使密封用滑动构件中含有这样范围粒径的铈氧化物，从而密封性能得以提高。
密封用滑动构件可以成型为环状。通过成型为这样的形状，从而能够优选用作机械密封装置的密封用环。
本发明的密封装置具有上述任一方案所述的密封用滑动构件。本发明的密封装置在密封用滑动构件被暴露于含硅酸盐成分的水类密封流体的情况下特别有益。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的机械密封装置的主要部分剖视图。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式来说明本发明。
如图1所示，本发明的一个实施方式的密封用滑动构件例如作为成型为环状的旋转密封环2而被组装于例如水泵用机械密封装置10的内部来使用。
机械密封装置10安装于旋转轴20与壳体30之间的安装空间，对位于壳体30的内侧的密封流体侧空间50和与壳体30的外侧空间连通的大气侧空间40之间进行密封。在密封流体侧空间50中封入有含硅酸盐的密封流体。
作为滑动构件的旋转密封环2以沿轴向移动自如的方式装配于旋转轴20，并能够与旋转轴20一起旋转。在旋转密封环2的轴向的前端侧(靠近静止密封环4的一侧)形成有滑动面2a。另外，在静止密封环4的轴向的前端侧(靠近旋转密封环2的一侧)形成有滑动面4a。这些滑动面2a、4a一边进行相对旋转一边产生滑动，从而对密封环2、4的内周侧空间与外周侧空间之间进行密封。
在本实施方式中，滑动面4a形成于环状凸部4b的前端面，该环状凸部4b形成于静止密封环4的前端侧。环状凸部4b的径向厚度比静止密封环4的主体部4c的径向厚度小。另外，环状凸部4b的内径比滑动面2a的内径大且环状凸部4b的外径比滑动面2a的外径小，以使得滑动面4a的径向宽度比滑动面2a的径向宽度小。
静止密封环4的外周部经由O型环33而安装于形成在壳体30的大气侧内径部32的台阶部。壳体30的大气侧内径部32与壳体30的外部空间连通，在本实施方式中，是与大气侧空间40连通。大气侧空间40同静止密封环4与旋转轴20之间的内径侧间隙和旋转密封环2的前端部与旋转轴20之间的内径侧间隙连通。
在壳体30中，与壳体30的大气侧内径部32相邻地形成有密封侧内径部34。在本实施方式中，密封侧内径部34的内径比大气侧内径部32的内径大。在密封侧内径部34与大气侧内径部32之间的交界部分安装有静止密封环4，借助O型环33来抑制大气侧空间40与密封侧空间50通过静止密封环4与壳体30之间的间隙而连通的情况。
在主体部4c的外周部形成有止转用凸部4d且该凸部4d卡合于壳体30的卡合槽而构成止转，以避免静止密封环4与旋转密封环2一起旋转。
在旋转密封环2的轴向的后端侧(远离静止密封环4的一侧)以沿轴向靠压O型环11的方式相对于旋转轴20沿轴向移动自如地装配有O型环抵靠件12。O型环抵靠件12经由O型环11将旋转密封环2向静止密封环4的方向靠压。例如使用止转销14等进行止转，从而O型环抵靠件12和旋转密封环2这些构件能够与旋转轴20一起围绕其轴心进行旋转。
在O型环抵靠件12的轴向的后端侧(远离静止密封环4的一侧)，弹簧抵靠件16固定于旋转轴20，并与旋转轴20一起旋转。弹簧抵靠件16为环状，且在其圆周方向的多个部位形成有弹簧保持孔，利用被保持于各弹簧保持孔的弹簧18的压缩力，在旋转密封环2的方向上沿轴向压紧O型环抵靠件12。另外，例如通过止转销19进行止转，从而弹簧抵靠件16和O型环抵靠件12这些构件能够与旋转轴20一起围绕轴心一同旋转。
弹簧18的弹簧力(spring force)通过O型环抵靠件12和O型环11传达至旋转密封环2，从而将旋转密封环2的前端部的滑动面2a靠压于静止密封环4的滑动面4a。其结果是：在基于弹簧18的弹簧力和施加于O型环抵靠件12的轴向的后端面的空间50内的流体压力的作用下，滑动面2a和滑动面4a一边被沿轴向靠压一边围绕旋转轴20的轴心相对旋转。其结果是：对位于这些环2、4的内周面的大气侧空间40与位于这些环2、4的外周侧的密封流体侧空间50之间进行密封。
在本实施方式中，在如此构成的机械密封装置10中，旋转密封环2由本实施方式的密封用滑动构件构成，成为其滑动的对象侧的作为主环的静止密封环4也可以由与密封环2相同的材质构成，但是在本实施方式中，由比密封环2硬的材质构成。例如，密封环4由碳化硅、碳化钛、碳化钨等现有使用的滑动材料形成。
构成本实施方式的静止密封环4的密封用滑动构件由烧结体构成，该烧结体包括铈氧化物1.0～12.5wt％、石墨与易石墨化碳相加而成的物质20～50wt％、以及余量的难石墨化碳。在密封用滑动构件中优选含有1.1～12.1wt％的铈氧化物，进一步优选含有2～11wt％的铈氧化物。在密封用滑动构件中优选含有23.1～49.6wt％的石墨与易石墨化碳相加而成的物质，进一步优选含有36.9～41.3wt％的石墨与易石墨化碳相加而成的物质。
铈氧化物以CeO2或者Ce2O3等的形式含于滑动构件中，其粒径优选为1.0～6.0μm。可确认到：通过使密封用滑动构件中含有这样范围粒径的铈氧化物，从而密封性能得以提高。
作为石墨，可以使用天然石墨或者人造石墨中的任一种。另外，易石墨化碳可以被定义为(002)面的面间隔为0.34nm～0.360nm的碳材料。
另外，难石墨化碳可以被定义为(002)面的面间隔比0.360nm大的碳材料，也可被称为玻璃状碳或者硬碳(HC)。作为难石墨化碳的形状，没有特别限定，可例示出纤维状、粒状等。
作为用于通过分析滑动构件而求出铈氧化物、石墨与易石墨化碳相加而成的物质以及难石墨化碳的各自的重量比例的方法，没有特别限定，可例示出热分析、荧光X射线分析等。
将粒径在规定范围内的铈氧化物、石墨与易石墨化碳相加而成的物质、难石墨化碳以及粘结剂树脂进行混炼而成型为环状，并在800℃～1500℃的温度下进行烧结，由此得到由本实施方式的密封用滑动构件构成的旋转密封环2。作为粘结剂树脂，没有特别限定，例如使用酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、呋喃树脂等，优选使用酚醛树脂。
在本实施方式的密封用滑动构件中，以规定的比例同时含有CeO2、石墨与易石墨化碳相加而成的物质以及难石墨化碳。可认为铈氧化物分散于碳填料等难石墨化碳的晶界中。
在本实施方式的密封用滑动构件中实质上不含有硅氧化物。“实质上不含有硅氧化物”的主旨是指含有不可避免的物质。
硅氧化物虽然有容易吸附于硅氧化物的性质，但是在本实施方式的密封用滑动构件中，由于实质上不含有硅氧化物，所以硅氧化物难以堆积于滑动构件。
另外，在本实施方式的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有铈氧化物，所以不会损害成型性，且即使在例如被暴露于含硅酸盐类成分的LLC的环境下，也能够抑制在滑动构件的表面生成硅氧化物。其理由未必明确，但可考虑以下所示的理由。
即，在现有的密封用滑动构件中，由于因滑动产生的热量而使LLC的硅酸盐受到影响，从而在滑动表面形成堆积物，有可能使密封性能下降。与其相对，在本实施方式的密封用滑动构件中有以下考虑：由于以规定的比例含有铈氧化物，所以铈氧化物的铈离子与H2O一起具有减弱Si与O的键而使该键断裂的功能，从而阻碍硅氧化物向滑动构件的堆积。
进一步，在本实施方式的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有硬碳(HC)等难石墨化碳，所以能够抑制在这些表面形成堆积物。
再进一步，在本实施方式的密封用滑动构件中，由于以规定的比例含有石墨与易石墨化碳相加而成的物质，所以能够抑制滑动构件在滑动面上发热，从而抑制硅氧化物的生成。
本实施方式的机械密封装置10具有由上述密封用滑动构件构成的旋转密封环2。因此，在例如含有硅酸盐成分的水类密封流体封入到密封流体侧空间50的情况下，也能够有效地防止在旋转密封环2的滑动面2a、其他表面堆积硅氧化物。因此，有效地抑制滑动面2a、4a相互间不均匀地打开，从而密封性能得以提高。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，在本发明的范围内能够进行各种改变。
例如，在上述实施方式中，将本实施方式的密封用滑动构件用作旋转密封环2，但是也可用作静止密封环4。在将本实施方式的密封用滑动构件用作静止密封环4的情况下，作为对象侧的旋转密封环2的材质，也可以是在上述实施方式中作为静止密封环4所例示的材质。
实施例
以下，基于详细的实施例进一步说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。
实施例1
通过密封用滑动构件制造出图1所示的旋转密封环2。在制造密封用滑动构件时，将平均粒径为3.5μm的铈氧化物、鳞片状石墨(含有未石墨化的易石墨化碳)、平均粒径为40μm的难石墨化碳、以及作为粘结剂树脂的酚醛树脂以表1所示的重量比例进行混炼并成型为环状。在1000℃的温度下对所获得的成型体进行烧结。
对烧结后的密封环2中的难石墨化碳、石墨(含有未石墨化的易石墨化碳)和铈氧化物的重量比例进行调查得出的结果示于表2中。这些重量比例是将难石墨化碳、石墨和铈氧化物的合计重量设为100wt％而算出的。这些重量比例通过以下方法算出：以任意的剖面剖切密封环2，并分析该剖切面，算出难石墨化碳、石墨以及铈氧化物的面积比例，并根据各自的比重换算为重量比例。
考虑到用作原料的酚醛树脂的一部分变化为难石墨化碳，由此能够确认原料的重量比例与烧结后的密封环2的重量比例的一致性。另外，能够确认铈氧化物的平均粒径在烧结后也没有变化。
另外，作为静止密封环4，使用由常温烧结SiC构成的市售的密封环。将旋转密封环2和静止密封环4组装到图1所示的机械密封装置10，并安装于试验装置。试验装置是立式密封装置。试验条件如下。
旋转轴的转速为2000rpm，试验时间为24小时，使用配合有硅酸盐类成分的LLC50％水溶液作为密封流体，滑动面的相互间的面压力为0.2Mpa。该面压力与水泵用机械密封装置中的实际的使用面压力大致相同。调查了机械密封装置10中的泄漏量。将试验结果的泄漏量为0.1mL/1h以下(每1小时的泄漏量为0.1mL以下)的情况设为评价B，将0.05mL/1h以下的情况设为评价A，将比0.1mL/1h大的情况设为×，结果示于表2中。需要说明的是，在表2的泄漏试验的项目中，“-”表示无法进行试验。
另外，还调查了密封环2的制作性。关于密封环2的制作性，将因(作为制品不成立(成型性差、烧结破裂等))的理由而无法制作的情况设为评价×，将虽然能够制作但是难以制作的情况设为评价B，将能够没问题地制作的情况设为评价A，结果示于表2中。
实施例2～9
除了使原料阶段中的难石墨化碳、石墨和铈氧化物的重量比例以及铈氧化物的粒径如表1所示那样变化以外，与实施例1同样地制造由滑动构件构成的密封环2，并与实施例1同样地进行测定和评价。结果示于表2中。
比较例10～11
除了使原料阶段中的难石墨化碳、石墨和铈氧化物的重量比例以及铈氧化物的粒径如表1所示那样变化以外，与实施例1同样地制造由滑动构件构成的密封环2，并与实施例1同样地进行测定和评价。结果示于表2中。
比较例12
在原料阶段中，不添加铈氧化物且使难石墨化碳与石墨的重量比例如表1所示那样变化，除此以外，与实施例1同样地制造由滑动构件构成的密封环2，并与实施例1同样地进行测定和评价。结果示于表2中。
评价
如表2所示，能够确认：即使使以规定的比例同时含有铈氧化物(CeO2)、石墨和难石墨化碳的密封环在硅酸盐LLC中滑动，密封性能也得以提高。认为这是因为能够抑制硅氧化物的体积，特别是铈氧化物(CeO2)的重量比例越增加，在表面的铈氧化物的比表面积越增加，则硅氧化物的堆积抑制效果越大。
[表1]
Figure BDA0003004437160000091
[表2]
Figure BDA0003004437160000101
附图标记说明
2 旋转密封环
2a 滑动面
4 静止密封环
4a 滑动面
4b 环状凸部
4c 主体部
4d 止转用凸部
10 机械密封装置
11 O型环
12 O型环抵靠件
14 止转销
16 弹簧抵靠件
18 弹簧
19 止转销
20 旋转轴
30 壳体
32 大气侧内径部
33 O型环
34 密封侧内径部
40 大气侧空间
50 密封流体侧空间

Claims (4)

1.一种密封用滑动构件，其中，
所述密封用滑动构件具有烧结体，所述烧结体包括铈氧化物1.0～12.5wt％、石墨与作为(002)面的面间隔为0.34nm～0.360nm的碳材料的易石墨化碳相加而成的物质20～50wt％、以及作为(002)面的面间隔比0.360nm大的碳材料的余量的难石墨化碳。
2.根据权利要求1所述的密封用滑动构件，其中，
所述铈氧化物的平均粒径为1.0～6.0μm。
3.根据权利要求1或2所述的密封用滑动构件，其中，
所述密封用滑动构件成型为环状。
4.一种密封装置，其中，
所述密封装置具有权利要求1至3中任一项所述的密封用滑动构件。
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