JP2006266285A

JP2006266285A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2006266285A
Application number: JP2005081134A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasai; 忠笠井; Tadashi Mitamura; 正三田村
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】耐衝撃性の高いＤＬＣコーティング膜を用いたメカニカルシールを提供する。
【解決手段】バネ１１の付勢力によって回転軸１の軸方向に移動するシールリング１５と、このシールリング１５を摺接させるメイティングリング１６とを備え、回転軸１の回転に伴ってシールリング１５のシール面１５ａとメイティングリング１６のシール面１６ａが互いに摺接することによって流体の漏れを制限するメカニカルシール１０において、シールリング１５のシール面１５ａまたはメイティングリング１６のシール面１６ａに炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜３０を形成し、このＤＬＣコーティング膜３０の母材を鉄系金属またはタングステンカーバイト（ＷＣ）によって形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械の軸封部に用いられるメカニカルシールの改良に関するものである。

従来のメカニカルシールは、バネの付勢力によって回転軸の軸方向に移動するシールリングと、このシールリングを摺接させるメイティングリングとを備え、回転軸の回転に伴ってシールリングのシール面とメイティングリングのシール面が互いに摺接することによって流体の漏れを制限するようになっている。

メカニカルシールの摺接部に潤滑油を用いるとシールリング等の摩耗が抑えられるが、クリーンルーム等においてはこの潤滑油が塵埃を発生する可能性があるため、潤滑油を使用できない。

特許文献１には、メカニカルシールのシール面に炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜を形成したものが開示されている。このＤＬＣコーティング膜はその母材として炭化珪素（ＳｉＣ）材が用いられている。
特開２００４−２２５７２５号公報

しかしながら、シール面にＤＬＣコーティング膜を形成した従来のメカニカルシールにあっては、ＤＬＣコーティング膜の母材として炭化珪素を用いているため、衝撃に対する母材の強度が不足してＤＬＣコーティング膜の剥離が生じやすいという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、耐衝撃性の高いＤＬＣコーティング膜を用いたメカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明は、バネの付勢力によって回転軸の軸方向に移動するシールリングと、このシールリングを摺接させるメイティングリングとを備え、回転軸の回転に伴ってシールリングのシール面とメイティングリングのシール面が互いに摺接することによって流体の漏れを制限するメカニカルシールにおいて、シールリングのシール面またはメイティングリングのシール面に炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜を形成し、このＤＬＣコーティング膜の母材を鉄系金属またはタングステンカーバイトによって形成したことを特徴とするものとした。

本発明によると、メカニカルシールは、シールリングのシール面またはメイティングリングのシール面にＤＬＣコーティング膜を形成する構造のため、摩擦係数が低い平滑なＤＬＣコーティング膜によってシールリングとメイティングリングとの摺接部に働く摩擦力を低減し、メカニカルシールの作動を円滑にするとともに、この摺接部が摩耗することを抑えられ、メカニカルシールの寿命延長がはかれる。

さらに、メカニカルシール１０は潤滑油を供給しなくても円滑な作動性が確保されるため、無給油状態で作動させることが可能となる。この結果、メカニカルシールから塵埃が発生することを回避し、例えばクリーンルーム内で使用することが可能となる。

そして、このＤＬＣコーティング膜の母材を例えばステンレス材等の鉄系金属またはタングステンカーバイトによって形成したことにより、炭化珪素にＤＬＣコーティング膜を形成する従来構造に比べて衝撃に対する母材の強度を高められ、ＤＬＣコーティング膜の剥離を防止できる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、回転軸１に設けられるメカニカルシール１０は、バネ１１の付勢力によって回転軸１の軸方向に移動するシールリング１５と、このシールリング１５を摺接させるメイティングリング１６を主体として構成され、シールリング１５のシール面１５ａとメイティングリング１６のシール面１６ａが互いに摺接することによって流体の漏れを制限するようになっている。

シールリング１５はカバープレート１４にシールバックスリーブ１３を介して軸方向について移動可能に支持される。カバープレート１４とシールバックスリーブ１３の間に複数のバネ１１が圧縮して介装される。一方、メイティングリング１６はインナスリーブ１７等を介して回転軸１に支持される。

そして本発明の要旨とするところであるが、シールリング１５のシール面１５ａに炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜３０を形成し、このＤＬＣコーティング膜３０の母材を鉄系金属またはタングステンカーバイト（ＷＣ）によって形成する。

また、メイティングリング１６のシール面１６ａに炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜３０を形成し、このＤＬＣコーティング膜３０の母材を鉄系金属またはタングステンカーバイト（ＷＣ）によって形成しても良い。

ＤＬＣコーティング膜３０の母材となる鉄系金属は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０等のステンレス材、合金鉄を含む鉄系金属によって形成する。

ＤＬＣコーティング膜３０の厚さは、例えば１〜２μの寸法である。

ＤＬＣコーティング膜３０は、アンバランスマグネトロンスパッタ法（以下、「ＵＢＭスパッタ法」と称する）によって形成される。

スパッタの原理は、図３に示すように、アルゴン等の不活性ガスを導入した真空中でターゲット４１を陰極として陽極の間でグロー放電させてプラズマを形成し、このプラズマ中のイオンをターゲット４１に衝突させてターゲット４１の原子を弾き飛ばし、この原子をターゲット４１と対向して配置されたワーク（シールリング１５、ピン２１）３１上に堆積させて皮膜を形成するようになっている。

ＵＢＭスパッタ法は、スパッタ蒸発源４０ａ〜４０ｄにターゲット４１の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する磁場４２，４３が配置されて、プラズマを形成しつつ強力な磁場４２により発生する磁力線の一部がワーク３１の近傍に達し、ワーク３１にバイアス電圧を印加することによって、ターゲット材４１を構成する物質がワーク３１上に堆積される。

図４は、ＵＢＭスパッタ装置５０の基本構成を示す。真空チャンバ５１に４つのスパッタ蒸発源４０ａ〜４０ｄが設けられ、その中央に配置された自公転式ワークテーブル５６上にワーク３１が置かれ、ワーク３１にコーティングが行われる。スパッタ蒸発源４０ａ〜４０ｄには皮膜材料となる平板状ターゲットが取り付けられる。真空チャンバ５１にはアルゴン等の不活性ガスとメタンガス等の炭化水素ガスが所定量充填される。

スパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃにはターゲットとしてグラファイトを使用し、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄにはターゲットとして金属を使用する。

ＤＬＣコーティング膜３０は、図２に示すように、ステンレス製ワーク３１の表面にニッケルメッキ層６１を形成し、このニッケルメッキ層６１の表面にボンド層６２、中間層６３、トップ層６４が順に積層して形成される。

なお、ＤＬＣコーティング膜３０の母材となるワーク１はステンレス材に限らず、他の鉄系金属やタングステンカーバイト材を用いても良い。

図５は、上記ＤＬＣコーティング膜３０を形成するのにあたって、ターゲット出力が変化する様子を示している。

ボンド層６２は、金属ターゲット４０ｂ，４０ｄのみをスパッタして、金属膜として形成される。このボンド層６２を形成するのにあたって、図５に示すように、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲット出力を１００％とし、スパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲット出力を０％と一定にして、所定時間だけスパッタが行われる。

中間層６３は、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲットを同時にスパッタし、ターゲット出力を次第に変化させて金属と炭素の傾斜組成膜として形成される。この中間層６３を形成するのにあたって、図５に示すように、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲット出力を１００％から一次的に減少させる一方、スパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲット出力を０％から一次的に増加させて、所定時間だけスパッタが行われる。

トップ層６４は、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲットを同時にスパッタし、ターゲット出力を略一定にしてスパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲットのスパッタ率を所定範囲に保って、所定時間だけスパッタが行われる。

このトップ層６４を形成するのにあたって、図５に示すように、スパッタ蒸発源４０ｂ，４０ｄの金属ターゲット出力を１０％程度とし、スパッタ蒸発源４０ａ，４０ｃのグラファイトターゲット出力を９０％程度と一定にして、トップ層６４に含まれる金属の比率は３〜１８％の範囲に設定する。さらに望ましくは、トップ層６４に含まれる金属の比率を３〜１２％の範囲に設定する。

以上のように構成されて、次に作用、効果について説明する。

ステンレス製のワーク３１の表面にニッケルメッキ層６１を形成した後、金属の比率を１００％にしたボンド層６２を設けることにより、母材に対するＤＬＣコーティング膜３０の結合強度を高められる。

金属の比率を１００％にしたボンド層６２上に金属の比率を次第に減らす金属と炭素の傾斜組成膜からなる中間層６３を設け、中間層６３の上に炭素を主成分とするトップ層６４を設けることにより、ＤＬＣコーティング膜３０におけるトップ層６４の結合強度を高められる。

トップ層６４の金属の比率を３〜１８％の範囲に設定することにより、トップ層６４の密着性や靱性を高められ、高荷重によってワーク３１が変形するような場合、割れや、剥離が生じることを防止できる。そして、トップ層６４の硬度の低下を抑えられ、耐摩耗性を確保できる。

図６にトップ層６４に含まれる金属の比率と靱性及び硬度の関係を示すように、金属の比率を３〜１８％の範囲に設定することにより、トップ層６４の靱性と硬度の両方を高められる。さらにトップ層６４に含まれる金属の比率を３〜１２％の範囲に設定することにより、トップ層６４の靱性と硬度の両方を著しく高められる。これにより、ワーク３１の表面にＤＬＣコーティング膜３０を形成しても、ＤＬＣコーティング膜３０の割れや剥離が生じることを回避し、実用化が可能となる。

メカニカルシール１０を構成する、シールリング１５のシール面１５ａまたはメイティングリング１６のシール面１６ａに炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜３０を形成する構造のため、摩擦係数が低い平滑なＤＬＣコーティング膜３０によってシールリング１５とメイティングリング１６との摺接部に働く摩擦力を低減し、メカニカルシール１０の作動を円滑にするとともに、この摺接部が摩耗することを抑えられ、メカニカルシール１０の寿命延長がはかれる。

さらに、メカニカルシール１０は潤滑油を供給しなくても円滑な作動性が確保されるため、無給油状態で作動させることが可能となる。この結果、メカニカルシール１０から塵埃が発生することを回避し、例えばクリーンルーム内で使用することが可能となる。

そして、このＤＬＣコーティング膜３０の母材を例えばステンレス材等の鉄系金属またはタングステンカーバイト（ＷＣ）によって形成したことにより、炭化珪素にＤＬＣコーティング膜を形成する従来構造に比べて衝撃に対する母材の強度を高められ、ＤＬＣコーティング膜３０の剥離を防止できる。

メカニカルシール１０にコンタミが侵入する可能性がある場合、ＤＬＣコーティング膜３０の母材を例えばタングステンカーバイト、ＡＬ２０３の高硬度材によって形成することにより、十分な強度を確保できる。

また、メカニカルシール１０にコンタミが侵入する可能性がない場合、ＤＬＣコーティング膜３０の母材を例えばステンレス材等の鉄系金属によって形成することが可能となり、製品のコストダウンがはかれる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、例えば工作機械や他の機械に用いられるメカニカルシールに利用できる。

本発明の実施形態を示し、メカニカルシールの断面図。同じくＤＬＣコーティング膜の断面図。同じくスパッタ法の原理を示す説明図。同じくＵＢＭスパッタ装置の構成図。同じくターゲット出力が変化する様子を示す特性図。同じくトップ層に含まれる金属の比率と靱性及び硬度の関係を示す特性図。

符号の説明

１メカニカルシール
１５シールリング
１５ａシール面
１６メイティングリング
１６ａシール面
３０ＤＬＣコーティング膜
３１ワーク
４０ａ〜４０ｄスパッタ蒸発源
５０ＵＢＭスパッタ装置
６１メッキ層
６２ボンド層
６３中間層
６４トップ層

Claims

バネの付勢力によって回転軸の軸方向に移動するシールリングと、
このシールリングを摺接させるメイティングリングとを備え、
回転軸の回転に伴ってシールリングのシール面とメイティングリングのシール面が互いに摺接することによって流体の漏れを制限するメカニカルシールにおいて、
前記シールリングのシール面または前記メイティングリングのシール面に炭素を主成分としたアモルファス構造体からなるＤＬＣコーティング膜を形成し、
このＤＬＣコーティング膜の母材を鉄系金属またはタングステンカーバイトによって形成したことを特徴とするメカニカルシール。
前記表面にニッケルメッキ層を形成し、このニッケルメッキ層の表面に前記ＤＬＣコーティング膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
前記ＤＬＣコーティング膜は、前記表面に金属ターゲットのみをスパッタしてボンド層を形成し、このボンド層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を次第に変化させることにより中間層を形成し、この中間層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を略一定にすることにより金属の比率を３〜１８％の範囲にしたトップ層を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。