JP2000169266A - 摺動材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 潤滑性、耐摩耗性及び耐腐食性に優れ、かつ
安価に製作することのできる摺動材とする。 【解決手段】 焼結されたセラミックスからなる下地材
１１の摺動面となる端面１１ａに、下地ディンプル１１
ａを加工し、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライ
クカーボン、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭窒
化チタン、窒化珪素等の硬質材料をプラズマＣＶＤ又は
ＰＶＤにより蒸着して成膜する。これによって、摺動面
１０ａに硬質皮膜１２が被着されると共に、下地ディン
プル１１ａと対応するディンプル１０ｂが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機器の回転軸周で
流体を密封するメカニカルシール等において回転軸側の
密封要素もしくはこれに摺接する静止側の密封要素とし
て用いられる摺動材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】メカニカルシールは、回転軸側に設けら
れてこの回転軸と共に回転する摺動材と、非回転のハウ
ジング側に設けられた静止側の摺動材とが軸心と直交す
る端面同士で密接摺動することにより、軸周における流
体の漏洩を阻止するものであり、その摺動材には、優れ
た耐摩耗性や摺動特性が要求される。このため、摺動材
の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化珪素、アルミナ
等の硬質材あるいは自己潤滑性に優れたカーボン等が用
いられる。

【０００３】等温非圧縮性流体による潤滑下で平面同士
を摺動させた場合、前記平面が極めて平滑であれば、摺
動面間には理論的には定常状態において潤滑液膜は形成
されないが、実際のメカニカルシールでは、摺動面上に
生じた微小なうねりや、表面粗さ等の要因によって、潤
滑液膜が形成される。しかし、摺動中は、前記うねりや
表面粗さは摩擦熱等によって変化しており、この変化に
伴う潤滑液膜の厚さの変動によって、摺動面における摩
擦係数や発熱量も変動するため、摺動材をＰＶ値等の著
しく高い過酷な条件で使用すると、摩擦係数の平均値や
最大値及び摺動発熱量が増大して、摺動面の微小な変質
や破壊等が進展する。

【０００４】例えば、炭化珪素等の硬質摺動材は、自己
潤滑性を有するカーボンからなる摺動材と組み合わせて
使用した場合に、摩擦熱によってカーボン側の摺動面に
ブリスタと呼ばれる火膨れによる虫食い状の異常損耗が
しばしば発生することが知られている。このような摺動
面の破壊は、摺動面間の液体潤滑膜が完全に消滅したた
めに発生するものである。

【０００５】摺動特性の向上を図るためには、摺動面に
多数のディンプルを規則的な配列パターンで形成するこ
とが有効であることが知られている（例えば特開平９−
１３３２２２号公報参照）。この種の摺動材によれば、
摺動面に規則的に形成された多数のディンプルが、摺動
中に潤滑液溜りとして機能することによって、過酷な摺
動条件でも安定した潤滑液膜を形成して摺動面の潤滑及
び冷却を促すため、上述した摺動面でのブリスタ等の発
生を有効に防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術によれば、摺動材料が焼結体であり、すなわち炭
化珪素やアルミナ等のように焼結可能なセラミックスに
限定される。しかも、摺動面にディンプルを加工する
と、その縁部が切り立った形状になり、相手摺動面に対
する攻撃性が高くなって、摩耗量の増大を来すことも判
明している。

【０００７】また近年、発明者らは、通常のカーボン摺
動材等に比較して著しく硬質で固体潤滑性及び耐摩耗性
に優れた例えばアモルファスカーボンやダイヤモンドラ
イクカーボン等を摺動材料として用いることを研究して
きたが、これらの材料は焼結が極めて困難であり、これ
によって摺動材全体を形成することはできない。

【０００８】そこで発明者らは、金属材料の表面に上述
のアモルファスカーボンやダイヤモンドライクカーボン
等の硬質材料を蒸着するか、あるいはアルミナ、酸化ク
ロム、酸化ニッケル等の硬質材料を溶射するといった方
法によって摺動面に硬質皮膜を被着し、更にこの摺動面
に多数のディンプルを形成した摺動材を開発したが、金
属材料からなる下地は腐食されやすいため、腐食性の液
を密封対象とする機器には使用できない。

【０００９】本発明は、上記のような問題に鑑みてなさ
れたもので、その主な技術的課題とするところは、潤滑
性、耐摩耗性及び耐腐食性に優れ、しかも安価な摺動材
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するため、本発明に係る摺動材は、焼結したセ
ラミックス材料からなる下地材の表面に硬質皮膜を蒸着
した摺動面を形成し、この摺動面に、多数のディンプル
を有する構成としたものである。すなわち、摺動面を硬
質皮膜で形成することによって、耐摩耗性の向上を図る
と共に、ディンプルによる液体潤滑性の向上を図り、下
地は炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等のセ
ラミックス材料の焼結により形成することによって耐腐
食性に優れたものとしている。

【００１１】硬質皮膜としては、アモルファスカーボ
ン、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、炭化チタ
ン、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化珪素等の硬質材料
から選択された材料を下地材にＣＶＤ又はＰＶＤにより
蒸着して形成されたものが好適である。なお、ダイヤモ
ンドライクカーボンとは、黒鉛を含む高純度の焼成カー
ボンとダイヤモンドの中間の性質（組織）を持つものの
総称であり、通常の摺動材料として用いられるカーボン
材料等に比較して著しく硬いものである。また、前記材
料のうちアモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカ
ーボン及び炭窒化チタンは焼結が困難な材料であるが、
本発明によれば、このような材料も蒸着によって摺動皮
膜として形成可能である。

【００１２】摺動面に形成した多数のディンプルは、こ
の摺動面と相手材の摺動面との間に流体力学的な潤滑液
膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安
定化させる機能を有する。このディンプルは、下地材の
セラミックス表面のうち摺動面と対応する部分の表面に
予め適当な配列パターンで多数の凹部（下地ディンプ
ル）を形成しておき、その上に硬質皮膜を蒸着すること
によって形成することができる。

【００１３】ディンプルの形成パターンとしては、例え
ば摺動方向に対して傾斜したスパイラル状の方向性をも
たせることによって、摺動面間に介入する潤滑液に対す
るポンプ作用を奏するため、潤滑液膜の厚さ及び密封対
象液の漏洩量を適切に制御することができる。また、下
地材の表面に形成した下地ディンプルの縁部が鋭く立ち
上がっていても、硬質皮膜の蒸着によって最終的に摺動
面に形成されるディンプルの縁部は湾曲面となるので、
相手摺動材に対する攻撃性（おろし金作用）が少なくな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る摺動材の一
実施形態を示す摺動面付近の概略的な拡大断面図であ
る。この摺動材１０は、メカニカルシールの摺動環とし
ての形状を呈する下地材１１と、摺動面１０ａ対応する
下地材１１の端面に形成された硬質皮膜１２とからな
る。下地材１１は、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、ジ
ルコニア等の一般的なセラミックス材料から密封対象液
の特性やその他の条件を考慮して選択された焼結体であ
り、硬質皮膜１２は、アモルファスカーボン、ダイヤモ
ンドライクカーボン、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタ
ン、炭窒化チタン、窒化珪素等から選択された材料をプ
ラズマＣＶＤ又はＰＶＤにより蒸着して成膜したもので
ある。

【００１５】下地材１１と硬質皮膜１２の材料の好まし
い組み合わせは、両者の接合性及び熱膨張係数の差が小
さいことが前提となる。具体的には、例えば下地材１１
が炭化珪素である場合は硬質皮膜１２にはダイヤモンド
ライクカーボンが選択され、下地材１１が窒化珪素であ
る場合は硬質皮膜１２にはダイヤモンドライクカーボン
又は炭化珪素が選択され、下地材１１がアルミナである
場合は硬質皮膜１２には炭窒化チタン又は窒化チタンが
選択される。

【００１６】摺動面１０ａには、平面形状が楕円形の多
数のディンプル１０ｂが、その長手方向が摺動方向（摺
動材１０の円周方向）に対して角度θで傾斜したスパイ
ラル状の方向性をもって形成されている。このディンプ
ル１０ｂは、予め摺動面１０ａと対応する下地材１１の
表面１１ａに下地ディンプル１１ｂを加工してから硬質
皮膜１２を蒸着することによって形成されたもので、前
記下地ディンプル１１ｂの形成方法としては、公知のサ
ンドブラスト用感光フィルムを保護マスクとして用いた
サンドブラスト加工や、あるいはエッチングによる加工
法を採用することができる。

【００１７】ディンプル１０ｂの深さは特に限定されな
いが、通常は５〜２０μｍ程度とする。上述のディンプ
ル形成方法によれば、硬質皮膜１２の表面に形成される
ディンプル１０ｂは、下地ディンプル１１ｂより硬質皮
膜１２の膜厚の分だけ小さくなるので、下地ディンプル
１１ｂの大きさは、前記膜厚及び成膜後の最終的なディ
ンプル１０ｂの大きさを考慮して決定される。

【００１８】実施例 多数の下地ディンプルを形成した窒化珪素からなる下地
材の表面に、ＣＶＤ法にて厚さ３０μｍの炭化珪素皮膜
を形成することによって、摺動面に幅６０μｍ、長さ１
２０μｍの略楕円形であって、長径を摺動方向（摺動面
の円周方向）に対して４５°傾斜させたディンプルを、
摺動面の面積に対し８％の面積率で有するものとした。 比較例 多数の下地ディンプルを形成した３６Ｎｉ−Ｆｅ合金か
らなる下地材の表面に、ＣＶＤ法にて厚さ３０μｍの炭
化珪素皮膜を形成することによって、その摺動面に、上
記実施例と同様のディンプルを有するものとした。

【００１９】上記実施例及び比較例の摺動材をそれぞれ
メカニカルシール試験機に組み込んで、硝酸の３％溶液
中で同一条件の摺動試験を行ったところ、摺動面におけ
る摩擦係数、温度、摺動面摩耗量は、実施例、比較例共
ほぼ同じ測定値が得られ、優れた摺動性が得られること
が確認されたが、比較例では腐食の発生が認められたの
に対し、実施例では腐食が発生しなかった。

【００２０】

【発明の効果】本発明の摺動材によると、摺動面に形成
されたディンプルによって潤滑液膜の厚さ及び密封対象
液の漏洩量の適切な制御機能をもたせ、摺動面に硬質皮
膜を被着したことによって耐摩耗性を得ると共に、前記
ディンプルによる相手摺動面に対する攻撃性による摩耗
量の増大も有効に防止しているものである。そして全体
が前記硬質皮膜と同材質の硬質材料で製作された摺動材
と同等の摺動特性が得られ、しかも前記硬質材料が焼結
不可能な材質であっても、これを摺動材料として用いる
ことができる。また、下地材が焼結により製作可能なセ
ラミックスからなるため、全体を焼結不可能な硬質材料
で製作する場合に比較して材料コスト及び加工コストを
著しく低減することができ、かつ耐腐食性に優れた摺動
材とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摺動材の摺動面付近の概略的な拡
大断面斜視図である。

【符号の説明】

１０ 摺動材 １０ａ 摺動面 １０ｂ ディンプル １１ 下地材 １２ 硬質皮膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結したセラミックス材料からなる下地
   材（１１）の表面に硬質皮膜（１２）を蒸着した摺動面
   （１０ａ）を形成し、この摺動面（１０ａ）に、多数の
   ディンプル（１０ｂ）を有することを特徴とする摺動
   材。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された硬質皮膜（１２）
   が、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボ
   ン、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタ
   ン、窒化珪素等の硬質材料から選択され、ＣＶＤ又はＰ
   ＶＤにより形成されたものであることを特徴とする摺動
   材。