CN1517580A - 密封用滑动构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种密封用滑动构件，以难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材25重量％～75重量％和作为结合材料的合成树脂20重量％～50重量％为主要成分，且将碳质的碳纤维不进行表面处理地在5重量％～25重量％的范围内与其混合，所述碳纤维随机地分散在碳基体中。

Description

密封用滑动构件及其制造方法
技术领域
本发明，涉及用于机械密封等的密封用滑动构件及其制造方法，尤其是，涉及用于能减轻因浮游在密封流体中的固态杂物引起的滑动材料的切削磨损导致的损伤和因气蚀腐蚀引起的损伤的高负荷用机械密封的高硬度碳制滑动构件及其制造方法。
背景技术
一般，对流体进行密封的机械密封的密封环中，多数使用碳滑动材料。一旦来自装有密封件的系统的各零件的铸砂、焊锡或切削粉这样的固态杂物混入、浮游于密封流体内并进入该碳滑动材料与相对侧滑动材料的密封滑动面之间，则固态杂物使碳滑动材料的滑动面上产生切削磨损，导致滑动面的异常面粗糙和异常磨损等损伤，有时会引起密封流体的泄漏。
另外，在高负荷条件下使用的机械密封中，因滑动使滑动面镜面化而成为边界润滑状态，滑动面之间的润滑膜非常薄，粘性阻力增大，有时碳材料上会产生气泡现象(起泡(日文：ひぶくれ)、剥离)。另外，滑动面附近的流体的流动剧烈，有时在机械密封附近成为负压，在碳滑动材料上产生气蚀腐蚀，其结果，有时无法稳定地维持密封功能。
对于上述机械密封的问题，最近，作为滑动材料有时采用非常坚硬、耐磨性优良的碳化硅滑动材料相互之间的组合。
但是，碳化硅材料缺乏碳材料那样的自我润滑性，因在高负荷条件下的滑动使滑动面镜面化、而在滑动面之间成为不能保持液膜的边界润滑，再加上滑动发热的影响，有时会使滑动面之间固接而产生烧结。另外，因这样的滑动发热使橡胶衬垫等二次密封部分损伤导致密封流体泄漏，有时无法稳定地维持密封功能。而且，碳化硅相互之间的滑动，无法期待固体润滑性，因而当有某种原因产生在密封环境中哪怕是短时间不存在润滑流体的状态时，则滑动发热使滑动面附近的温度急剧上升，有时会发生同样的问题，另外，起动·停止时，滑动面之间的润滑膜变薄，有时还会发生滑动力矩异常上升的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高硬度、耐磨性优良、而且兼有固体润滑特性的密封用滑动构件及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明，提供以难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材25重量％～75重量％和作为结合材料的合成树脂20重量％～50重量％为主要成分，且将碳质的碳纤维不进行表面处理地在5重量％～25重量％的范围内与其混合，所述碳纤维随机分散在碳基体中的密封用滑动构件。而且，在本发明中，难石墨性碳及易石墨性碳是表示石墨化的难易程度。即，难石墨性碳是指难以石墨化的碳，易石墨性碳是指容易石墨化的碳。难石墨性碳例示有：碳黑、聚偏氯乙烯碳(PVDC)、砂糖碳、纤维素碳、苯酚甲醛树脂碳、木炭类等。易石墨性碳例示有：石油焦碳、煤沥青(日文：石炭ピッチ)焦碳、聚氯乙烯(PVC)碳、3，5-二甲基苯酚甲醛树脂碳等。
另外，本发明，提供在以难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材25重量％～75重量％和作为结合材料的合成树脂20重量％～50重量％为主要成分的原材料中，将碳质的碳纤维不进行表面处理地在5重量％～25重量％的范围内进行配合，对其进行混合、搅拌及成形后以规定的温度焙烧成密封用滑动构件的制造方法。
本发明，由于碳质且硬质的碳纤维随机地分散、埋入在由硬质的碳质骨材构成的碳基体中而得到增强，故浮游在密封流体内的固态杂物即使进入本滑动构件与相对侧滑动构件的滑动面之间，因碳纤维的加强效果，可抑制因固态杂物的切削作用导致滑动面急剧粗糙的情况。
而且，本发明的特点在于，碳纤维的加强效果，因碳纤维是碳质且高硬度，故对于为了使碳材料的基体整体高硬度、高强度地构成而使用的难石墨化碳及/或易石墨化碳等的微粉状骨材，也可抑制它们以微粉状脱落，提高耐磨损性，可维持良好的密封性。
另外，当因滑动使密封面镜面化而成为接近边界润滑的状态时，粘度大的密封流体引起的高粘性阻力有时在滑动面发生气泡现象，但将碳质骨材做成基体并由碳质的高硬度碳纤维加强的本发明的密封用滑动构件，除了碳所具有的高硬度、高强度的特性外，还由于碳纤维的加强效果，可避免其气泡现象。
同样，即使对于随着机械密封附近的流体压力减少而有时发生的气蚀腐蚀，将碳质骨材做成基体并由碳质的高硬度的碳纤维加强的本发明的密封用滑动构件，可抑制腐蚀引起的对碳表面的侵蚀。
例如，即使在由软质的石墨质骨材构成的碳基体中因碳质硬质的碳纤维分散而进行加强，或相反在由硬质的碳质骨材构成的碳基体中将石墨质软质的碳纤维进行分散，都不能作为本发明所期望的耐磨损性和耐气泡性、耐气蚀腐蚀性的对策，最终还是需要在由硬质的碳质骨材构成的碳基体中分散有碳质硬质的碳纤维进行加强的密封用滑动构件。
所述碳质骨材的硬度最好在维氏硬度80以上。
而且，在本发明中，碳本身具有自我润滑性，因此，即使滑动面之间为气液边界润滑的状态，也不会产生滑动面之间因固接而烧结。另外，同样由于碳的固体润滑性，即使滑动面之间产生不存在润滑流体的状态，滑动发热也不会显著增大，滑动力矩也不会异常升高。
本发明的碳纤维只要直径在5μm～30μm的范围内、长度在50μm～300μm的范围内即可。当直径小于该范围时，则在搅拌工序或成形工序中碳纤维被折断，从而使碳基体中的加强效果减弱。另外，当直径大于该范围时，有时滑动力矩增大，随着发热使滑动面损伤导致密封流体的泄漏。另外，当碳纤维的长度短于上述范围时，则在碳基体中的加强效果减弱，当比上述范围长，则搅拌工序和成形工序中碳纤维被折断，使分散性变差，碳基体中碳纤维的重叠处产生空隙，有时在成形体(滑动构件)的角落部产生气孔。
碳纤维的原料是PAN(聚丙稀腈)类、沥青类等，不是有特别要求的，但为了防止硬度下降，采用最高温度为1500℃以下焙烧的碳纤维。如焙烧温度高于上述温度，则碳纤维石墨化，碳纤维本身的强度下降而得不到加强效果，也得不到碳基体的强度提高。本发明使用的碳纤维具有200以上的维氏硬度，属于硬质碳的种类。而且，本发明的碳纤维，没有实施表面处理，故不需要实施该处理的工序，可提供更廉价的密封用滑动构件。
本发明，是在以难石墨性碳及/或易石墨性碳等的微粉状的骨材25～75重量％和合成树脂的结合材料20～50重量％为主要成分的原材料中，对上述的碳质的碳纤维不进行表面处理地在5～25重量％的范围内进行混合来实施的。
对于碳纤维的混合比率，如比上述范围低，则碳基体的加强效果减弱，如高于上述范围，则碳纤维的分散性变差，碳基体中的碳纤维的重叠处有时会产生空隙或在成形体(密封用滑动构件)的角落部产生气孔。
对于结合材料的混合比率，如比上述范围低，则骨材及碳纤维无法完全被覆盖、且骨材与骨材之间也不能完全充填，而且成形工序中骨材的流动性变差。另外，如比上述范围大，则上述缺点得到了克服，但在焙烧工序中的结合材料的热分解所产生的气体成分大量发生，对成形体的变形和收缩产生很大的影响，而且，气体成分残留在成形体内，也会使成形体产生裂纹。通过这些合适的混合比率的组合，决定骨材的混合比为25～75重量％。
由这些骨材、结合材料及碳纤维构成的混合物，经过混合、搅拌工序使碳纤维在搅拌物中随机地分散。而且，经过成形工序，通过在800～1500℃的温度下进行焙烧，能得到碳纤维随机地分散在碳基体中的本发明的密封用滑动构件。
作为结合材料混合而成的合成树脂，对其组成没有特别的要求，但在搅拌工序中，需要与难石墨性碳、易石墨性碳等骨材和碳纤维的表面的湿润性好，在成形工序中，需要在金属模具内的流动性好。作为满足上述要求的树脂可举出有：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂、萘树脂等合成树脂，可选择这些当中的1种或2种以上进行使用。
在将由这样得到的碳质高硬度碳纤维进行加强的难石墨性碳及/或易石墨性碳等的微粉状骨材作为基体的高硬度碳材料中，根据用途，也可添加少量粘土等矿物性添加剂、石墨质骨材和二硫化钼等的固体润滑剂。
本发明的密封用滑动构件，能很好地适用于水泵的机械密封、汽车空调用压缩机的机械密封、工业用泵的机械密封或通用泵的机械密封。
发明的效果
本发明的效果如下。
本发明能提供一种高硬度、耐磨性优良、而且兼有固体润滑特性的密封用滑动构件及其制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的碳纤维的量与碳材料特性的关系的图。
图2是表示本发明的实施例中使用的耐杂物磨损试验机的图。
图3是表示本发明的实施例中维氏硬度与磨损体积率的关系的图。
图4是表示本发明的实施例中使用的气蚀腐蚀评价试验机的图。
图5是表示本发明的实施例中的重量减少率与评价后的样品的状态的图。
图6是表示本发明的实施例的泄漏量与评价后的样品的滑动面状态的图。
图7是表示本发明的实施例的评价后的样品的滑动面状态的图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行具体说明。
[实施例1]
将69重量％的难石墨性碳(骨材)与26重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂(结合材料)混合，再对其混合5重量％的直径为15μm、长130μm的PAN类碳纤维，然后对其进行混合、搅拌、粉碎、成形、焙烧的各项处理，制作了作为样品的机械密封的密封环。而PAN类碳纤维使用了热处理最高温度为900℃、维氏硬度为250的材料。
对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[实施例2]
除65重量％的难石墨性碳、30重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[实施例3]
除62重量％的难石墨性碳、28重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、10重量％的PAN类碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[实施例4]
除54重量％的难石墨性碳、26重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、20重量％的PAN类碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[实施例5]
除50重量％的难石墨性碳、30重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、20重量％的PAN类碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[实施例6]
除用易石墨性碳取代难石墨性碳以外，其他与实施例3相同的条件下制作了密封环。
[比较例1]
作为实施例1～5的比较例，除72重量％的难石墨性碳、28重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、没有混合碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[比较例2]
作为实施例1～5的比较例，除71重量％的难石墨性碳、28重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、1重量％的PAN类碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
[比较例3]
作为实施例1～5的比较例，除42重量％的难石墨性碳、28重量％的热硬化性苯酚甲醛树脂、30重量％的PAN类碳纤维以外，其他与实施例1相同的条件下制作了密封环。对得到的密封环的维氏硬度(碳基体的硬度)及表观比重进行了测量。这些组成的混合比率及样品的材料特性如表1所示。
样品   比较例1   比较例   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   比较例3
难石墨性碳   72   71   69   65   62   54   50   42
苯酚甲醛树脂   28   28   26   30   28   26   30   28
碳纤维   0   1   5   5   10   20   20   30
维氏硬度   107   140   220   230   220   220   230   170
表观比重   1.42   1.43   1.42   1.44   1.40   1.39   1.41   1.39
[评价1]
对于上述实施例1～5及比较例1～3，维氏硬度与碳纤维的混合比(重量％)的关系如图1所示。如图所示，通过混合碳纤维，以及随着混合比的增加，维氏硬度上升，但当进一步增加碳纤维的混合比时，则维氏硬度反而下降。从该结果可见，最佳碳纤维的混合比为5～20重量％，在此情况下，维氏硬度高、耐磨损性优良。不过，作为密封环，最好维氏硬度在200以上，从这个意义上来看，最佳碳纤维的混合比，从该图的结果为5～25重量％。
另外，对上述实施例1～5及比较例1～3，实施了耐杂物磨损性评价。该耐杂物磨损性评价，将8种JIS Z 8901“试验用粉体及试验用粒子”0.5重量％和铝粉(平均粒径67μm)0.5重量％分散在离子交换水中，将该浆液以30秒的间隔每次1克向图2所示的自动研磨试验机的研磨盘进行喷雾。在该图所示的自动研磨试验机中，研磨盘以165min-1进行旋转，在其研磨盘上放置评价用碳材料(样品)，放上重锤20N增加负荷，样品一边自转一边在研磨盘之间滑动。由此，在样品与研磨盘的间隙内夹有浆液的情况下进行滑动，可对样品的磨损进行评价。评价时间为15分钟，秤量评价前后的样品重量，将该重量差换算为体积，以此作为磨损量。评价是求出试料的磨损量相对于基准的碳材料(碳纤维的混合比为零的比较例1)的磨损量的相对比，以此作为耐磨损性指数进行判断。
按上述条件实际进行耐杂物磨损性评价时，如图1所示，随着碳纤维的混合增加，磨损体积率减少，耐磨损性提高，但进一步增加碳纤维的混合时，则磨损体积率增加，而耐磨损性下降。从该结果也可以发现，最佳碳纤维的混合比为5～20重量％。
[评价2]
对于本发明的碳材料的耐磨损性，利用同样的耐杂物磨损性评价，确认了与其他材料的相对评价中所处的位置。
作为评价样品，使用了表1的实施例3、以及传统的碳材料并在市场上有一定业绩的现有碳材料A、B。而且，作为其他材料，也使用了常压烧结而成的碳化硅A；反应烧结而成的碳化硅B及残留了碳的碳化硅C、D。表2表示这些碳材料A、B；碳化硅A～D的维氏硬度及表观比重。测量得到的磨损体积率与维氏硬度的关系如图3所示。
表2
    样品   碳A   碳B 碳化硅A 碳化硅B 碳化硅C 碳化硅D
    维氏硬度   107   73 2200 1400 870 200
    表观比重   1.55   1.60 3.04 3.05 2.60 2.30
如图3所示，维氏硬度大的碳化硅，其磨损体积率小，维氏硬度比200大的场合，磨损体积率的变化很小，但小于200，则磨损体积率有增大的趋势。也就是说，对于该评价条件的耐磨损性，不需要像碳化硅那样的高硬度材料，而是只要维氏硬度在200以上就可满足耐磨损性。
[评价3]
作为对于气蚀腐蚀的评价，使用了图4所示的超声波高度搅拌器，在离子交换水中保持水温为25～30℃的情况下，以振幅80μm、频率20kHz使喇叭进行振动、将超声波对样品进行照射的形式、测量10分钟的试验时间内的重量减少量来进行评价。作为评价样品，使用了表1的实施例3及表2的碳材料A和碳材料B。测量得到的重量减少率和评价后的样品的电子显微镜照片如图5所示。
如图5所示，混合有碳纤维的硬质碳材料的实施例3，重量减少率比传统的现有的碳材料A和碳材料B的重量减少率小，在此评价条件下，可以说具有耐腐蚀性。
[评价4]
作为对机械密封的滑动引起的耐杂物磨损评价，使用模拟水泵的实机试验机，向常效冷却剂(LLC)50％的水溶液中投放JIS Z 8901“试验用粉体及试验用粒子”的3种3重量％、8种3重量％、铸砂100～200μm3重量％并维持在90℃，在密封压力保持在0.1Mpa的情况下，以旋转速度8000min-1实施了50小时的密封性能评价。作为评价结果，对总的泄漏量及评价后的滑动面形状进行了测量。对此如图6所示。
作为评价样品，将表1的实施例3及表2的碳材料A、碳材料B和碳化硅A作为水泵用机械密封的密封环进行使用，相对的滑动材料的配合环使用了碳化硅A。
如图6所示，混合有碳纤维的硬质碳材料的实施例3，比碳化硅A的耐磨损性稍差，但没有发生传统的现有的碳材料A和碳材料B那样的异常磨损和异常泄漏，因而可以说是能充分满足作为机械密封的耐异物磨损性及密封性能的材料的功能。
[评价5]
作为机械密封的滑动引起的耐气泡性评价，使用了模拟汽车空调用的压缩机的实机试验机，在将压缩机油涂在密封环的滑动面上后，将氮气的压力保持在5Mpa的基础上，将旋转速度从0min-1提高到3600min-1，以1分钟为周期重复15次。作为评价结果，对评价后的滑动面状态进行了观察。对此如图7所示。
作为评价样品，将表1的实施例3及表2的碳材料A作为汽车空调用压缩机的机械密封的密封环进行使用，相对的滑动材料的配合环使用了碳化硅A。
如图7所示，传统的现有的碳材料A中发生了气泡，但混合有碳纤维的硬质的碳材料的实施例3不会发生气泡，可以说是，在该评价条件下，能充分满足耐气泡性的材料的功能。
对于上述实施例6，能在上述所有的评价中得到与实施例3相同的效果。
以上说明的实施例，是为了容易理解本发明而记载的，但并不是为了限定本发明而记载的。因此，上述实施例中揭示的各要素，其宗旨是，也包括属于本发明的技术范围内的所有设计变更和均等物。

Claims (15)

1.一种密封用滑动构件，其特征在于，将难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材25重量％～75重量％和作为结合材料的合成树脂20重量％～50重量％作为主要成分，且碳质的碳纤维不进行表面处理而在5重量％～25重量％的范围内与它们混合，所述碳纤维随机地分散在碳基体中。
2.如权利要求1所述的密封用滑动构件，其特征在于，所述碳纤维，直径在5μm～30μm、长度在50μm～300μm的范围内，原料为聚丙烯腈类或沥青类，热处理的最高温度在1500℃以下，维氏硬度在200以上。
3.如权利要求1所述的密封用滑动构件，其特征在于，所述难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材的维氏硬度在80以上。
4.如权利要求1所述的密封用滑动构件，其特征在于，作为所述结合材料的合成树脂是：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂或萘树脂。
5.如权利要求2所述的密封用滑动构件，其特征在于，作为所述结合材料的合成树脂是：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂或萘树脂。
6.如权利要求3所述的密封用滑动构件，其特征在于，作为所述结合材料的合成树脂是：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂或萘树脂。
7.如权利要求2所述的密封用滑动构件，其特征在于，可作为水泵的机械密封、汽车空调用压缩机的机械密封、工业用泵的机械密封或通用泵的机械密封而使用。
8.如权利要求3所述的密封用滑动构件，其特征在于，可作为水泵的机械密封、汽车空调用压缩机的机械密封、工业用泵的机械密封或通用泵的机械密封而使用。
9.如权利要求4所述的密封用滑动构件，其特征在于，可作为水泵的机械密封、汽车空调用压缩机的机械密封、工业用泵的机械密封或通用泵的机械密封而使用。
10.一种密封组合，其特征在于，包括：权利要求1所述的密封用滑动构件、由比所述密封用滑动构件硬的材料构成的相对侧滑动构件。
11.如权利要求10所述的密封组合，其特征在于，所述相对侧滑动构件由碳化硅构成。
12.一种密封用滑动构件的制造方法，其特征在于，在以难石墨性碳及/或易石墨性碳的碳质的微粉状的骨材25重量％～75重量％和作为结合材料的合成树脂20重量％～50重量％为主要成分的原材料中，将碳质的碳纤维不进行表面处理、在5重量％～25重量％的范围内进行配合，将其混合、搅拌及成形后以规定的温度焙烧成密封用滑动构件。
13.如权利要求12所述的密封用滑动构件的制造方法，其特征在于，所述碳纤维，直径在5μm～30μm、长度在50μm～300μm的范围内，原料为聚丙烯腈类或沥青类，热处理的最高温度在1500℃以下，维氏硬度在200以上。
14.如权利要求12所述的密封用滑动构件的制造方法，其特征在于，作为所述结合材料的合成树脂是：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂或萘树脂，所述焙烧温度为800℃～1500℃。
15.如权利要求13所述的密封用滑动构件的制造方法，其特征在于，作为所述结合材料的合成树脂是：苯酚甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酯树脂或萘树脂，所述焙烧温度为800℃～1500℃。
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