JP2009115137A - メカニカルシール装置、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リング、及びメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動特性、強度や破壊靭性などの機械的特性に優れるとともに、脆化を抑制してＳｉＣ粒子の脱落などを防止してなる、ポンプなど液体を用いる回転機器での液体軸封装置として用いられるメカニカルシール装置、並びにこのメカニカルシール装置に用いるＳｉＣ系焼結体回転リング及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ系焼結体回転リング及びカーボン系シールリングを含むメカニカルシール装置において、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であるＳｉＣ系焼結体回転リングとする。この回転リングは、酸化物還元法で作製したＳｉＣ系原料粉末中に、気相合成法（ＣＶＤ法）により作製した純度が９９．９％以上のＳｉＣ粉末を０〜１００％の割合で混合し、造粒・成形した後で、雰囲気制御加圧焼結法によって製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプなど液体を用いる回転機器での液体軸封装置として用いられるメカニカルシール装置と、その摺動部材料として用いる炭化ケイ素（ＳｉＣ）系焼結体回転リング及びその製造方法に関するものである。

一般に、ポンプなどの液体を用いる回転機器の、液体軸封装置として用いられるメカニカルシール装置は、前記回転機器内に密封された液体の、外部、すなわち駆動系への流出を抑制あるいは防止するために用いられるものであって、軸方向に移動する回転リングと固定されたシートリングとが互いに接触して摺動し、この摺動によって前記液体の漏洩を防止するものである。また、摺動面同士の接触の低減などを考慮し、振動を緩衝する機構を有している。

したがって、上記のような回転リング及びシールリング用部材としては、カーボン材、超硬合金、ＳｉＣ系セラミックス、アルミナ系セラミックスが主として用いられている。近年、高硬質で高耐食性を有し、摺動時の摩擦係数が小さく、かつ平滑性も優れたＳｉＣ系セラミックスを用いる場合が多い。これらのＳｉＣ系セラミックスは、高硬質ではあるが本質的に脆い性質を有しており、クラックや欠けが問題となる。

このような問題を回避するために、特許文献１には、反応焼結によりＳｉＣ内に残留シリコンの粒径を微細に分散制御することにより強度や靭性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２には、ＳｉＣ内にフラーレン類を添加することで強度を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献３には、ＳｉＣ内の気孔やその形状を制御して多孔質にすることで強度特性を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献４では、ＳｉＣマトリックス中にＳｉＣナノワイヤを含有させることによって強度向上を図ることが開始されている。

特開２００７−２２９１４号公報 特開２００６−２９８６８６号公報 特開２００６−３６６２４号公報 特開２００５−１１２７０２号公報

一方、上記回転リングやシールリング用部材にＳｉＣ系焼結体を用いたメカニカルシール装置においては、長時間使用すると液体密封機能が低下（液体漏れ量が増大）することがある。このように液体漏れ量が増大する場合、回転リングやシートリングの摺動面の著しい損耗、凹凸の増大、リークパスの発生が認められる場合が多い。このような回転リングやシートリングの摺動面の損傷は、硬質のＳｉＣ粒子の脱落に起因することが考えられる。

従って、ＳｉＣ系焼結体を回転リングやシートリングに用いる場合、ＳｉＣ粒子の脱落を低減することが、メカニカルシールを長期間信頼性高く使用することにつながると言える。しかしながら、回転リングやシートリング材料の選定は経験による所が大きく、また、衝撃荷重や静的荷重を考慮して曲げ強度や破壊靭性値をもとに選定される場合が多い。

このように、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体は、強度や破壊靭性をもとに運転条件を考慮して選定される場合が多い。すなわち、回転リングやシートリングの損傷メカニズムに基づいた材料選定はほとんどなされていない。すなわち、ＳｉＣ粒子の脱落低減という観点から、ＳｉＣ粒子の粒子間結合力の増大や結晶形による粒子形状保持・制御と言う改善がほとんどなされていない。そのために、メカニカルシール装置運転時に回転リングやシートリングに使用したＳｉＣ粒子の脱落が発生し、その脱落したＳｉＣ粒子により摩耗損傷が拡大、加速を引き起こし、液体密封機能が低下することが懸念される。

本発明は、上記問題に鑑み、摺動特性、強度や破壊靭性などの機械的特性に優れるとともに、脆化を抑制してＳｉＣ粒子の脱落などを防止してなる、ポンプなど液体を用いる回転機器での液体軸封装置として用いられるメカニカルシール装置、並びにこのメカニカルシール装置に用いるＳｉＣ系焼結体回転リング及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、
ＳｉＣ系焼結体回転リング及びカーボン系シールリングを含むメカニカルシール装置において、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であるＳｉＣ系焼結体回転リングであることを特徴とする、メカニカルシール装置に関する。

また、本発明の一態様は、
平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であることを特徴とする、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングに関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、回転機器での液体軸封装置として用いるメカニカルシール装置の、カーボン系シールリングとの摺動によって液体封止を図るＳｉＣ系焼結体回転リングを、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であるＳｉＣ系焼結体から構成することによって、驚くべきことに、上記メカニカルシール装置を運転させた場合においても、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングからのＳｉＣ粒子の脱落がなく、脱落したＳｉＣ粒子による磨耗損傷を効果的に抑制できることを見出したものである。

なお、本発明の一例において、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、β―ＳｉＣ相を８５％以上の割合で含むことができる。ＳｉＣ結晶形において３Ｃで示されるβ―ＳｉＣ相（以下β相と記す場合がある）は、その結晶構造が立方晶系であり、強度、硬度及び熱伝導特性などの諸物性に異方性が少ないので、ＳｉＣ系焼結体回転リングの摺動特性を向上させることができる。また、結晶形は板、柱状であり、焼結体中の結晶粒子は相互に複雑に絡み合う形となっている。この摺動特性の向上および結晶粒子の形状により、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングからのＳｉＣ粒子の脱落をより効果的に抑制することができるようになる。

一方、ＳｉＣの結晶形において４Ｈ、６Ｈなどのα−ＳｉＣ相（以下α相と記す場合がある）と呼ばれるものは、その結晶構造が六方晶系であり、強度、硬度及び熱伝導特性などの諸物性に異方性を有すること、さらに等軸的な粒子形状をしていることから、粒子が脱落し易いと考えられる。

さらに、本発明の一例では、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、２．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上の破壊靭性値を呈するようにすることができる。この場合、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングが高い破壊靭性を呈するので、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは大きな衝撃加重や静的加重に対しても高い抗力を呈するようになる。

また、本発明の一例では、前記ＳｉＣ系焼結体回転リングの室温比抵抗を０．０１×１０^−２Ωｍ以下とすることができる。この場合、ＳｉＣ系焼結体は機械的に難加工材であるが、このように抵抗が比較的低いと放電加工やワイヤカットなどの電気伝導材として適用できるため、加工精度を向上させることができる。

また、本発明の一態様は、
酸化物還元法で作製したＳｉＣ系原料粉末中に、気相合成法（ＣＶＤ法）により作製した純度が９９．９％以上のＳｉＣ粉末を０〜１００％の割合で混合し、造粒・成形した後で、雰囲気制御加圧焼結法による圧力環境下で焼結することを特徴とする、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法に関する。

本方法によれば、上述したＳｉＣ系焼結体回転リングを簡易に形成することができる。
なお、上記方法においては、雰囲気制御加圧焼結法で、焼結温度が２２００℃以上で、加圧力が２０ＭＰａ以上の条件で焼結するようにすることができる。

また、上記方法では、雰囲気制御加圧焼結法後に、得られた焼結体をワイヤカットでリング上に切り出すようにすることもできる。

なお、本発明における“ＳｉＣ系”とは、Ｓｉ及びＣ以外に、焼結に際して使用する助剤や、製造過程に起因して取り込まれる必然的な元素などを含むことを意味し、意図的に他の元素を含有させるものではないことを意味している。

以下、本発明の詳細、その他の特徴及び利点について説明する。
図１は、本発明のメカニカルシール装置の一例を示す構成図である。なお、図１では、メカニカルシール装置が回転機器に対して取り付けられた状態を示している。

図１に示すように、メカニカル装置１０は、本体１１と、この本体１１の内部に設けられた回転リング１２と、シールリング１３とを具えている。回転リング１２は、ＳｉＣ系焼結体から構成され、本発明のＳｉＣ系焼結体回転リングを構成している。シールリング１３は、平滑性に優れ、摺動特性に優れたカーボン系のシールリングを構成している。また、本体１１の右下端部及び回転リング１２の右端部が回転機器２０と接触している。回転リング１２は、回転機器２０の回転と同期して回転するように構成されている。

なお、本体１１と回転リング１２及びシールリング１３とで形成された空間内には所定の液体が保持されており、それらの摺動面Ｓによって外部、すなわちその他の駆動系に漏洩しないようにして密封されている。なお、回転リング１２は軸方向、すなわち紙面水平方向に移動可能に構成されており、シールリング１３は固定されている。但し、これらの構成は、本発明に必須の構成要件ではなく、目的に応じて適宜に変更することができる。

回転リング１２を構成するＳｉＣ系焼結体回転リングは、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であることが必要である。これによって、メカニカルシール装置１０を運転させた場合においても、すなわち回転リング１２及びシールリング１３を摺動させた場合においても、回転リング１２からのＳｉＣ粒子の脱落がなく、脱落したＳｉＣ粒子による磨耗損傷を効果的に抑制できる。

また、回転リング１２は、β―ＳｉＣ相を８５％以上の割合で含むことができる。ＳｉＣ結晶形において３Ｃで示されるβ―ＳｉＣ相は、その結晶構造が立方晶系であり、強度、硬度及び熱伝導特性などの諸物性に異方性が少ないので、回転リング１２の摺動特性を向上させることができる。また、結晶形は板、柱状であり、焼結体中の結晶粒子は相互に複雑に絡み合う形となっている。この摺動特性の向上および結晶粒子の形状により、回転リング１２からのＳｉＣ粒子の脱落をより効果的に抑制することができるようになる。

一方、ＳｉＣの結晶形において４Ｈ、６Ｈなどのα−ＳｉＣ相と呼ばれるものは、その結晶構造が六方晶系であり、強度、硬度及び熱伝導特性などの諸物性に異方性を有すること、さらに等軸的な粒子形状をしていることから、回転リング１２からＳｉＣ粒子が脱落し易いと考えられる。

図２は、回転リング１２の断面組織の一例を示した図である。このＳｉＣ系焼結体は、平均結晶粒径が３．７μｍであり、気孔率が０．８％であり、上記本発明の要件である、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下を満足している。したがって、図２に示すような断面組織の回転リング１２は、シールリング１３との摺動に際しても、回転リング１２からのＳｉＣ粒子の脱落がなく、脱落したＳｉＣ粒子による磨耗損傷を効果的に抑制できる。

なお、図２に示す例では、β−ＳｉＣ相の比率は約３０％であり、α−ＳｉＣ相の比率は約７０％である。

図３は、回転リング１２の断面組織の他の例を示した図である。このＳｉＣ系焼結体は、平均結晶粒径が４．９μｍであり、気孔率が０．６％であり、上記本発明の要件である、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下を満足している。さらに、β−ＳｉＣ相の比率は約８６％であり、α−ＳｉＣ相の比率は約１４％である。したがって、図３に示すような断面組織の回転リング１２は、シールリング１３との摺動に際しても、回転リング１２からのＳｉＣ粒子の脱落がなく、脱落したＳｉＣ粒子による磨耗損傷をより効果的に抑制できる。

なお、図２及び３に示すＳｉＣ系焼結体では、平均結晶粒径及び気孔率が小さく、また、β−ＳｉＣ相の含有割合が高く、２．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上の高い破壊靭性値を呈するようになる。したがって、回転リング１２は、大きな衝撃加重や静的加重に対しても高い抗力を呈するようになる。

次に、回転リング１２の製造方法について説明する。
図４は、雰囲気制御加圧焼結法を用いて製造する場合のフローである。最初に、粉末製造の工程Ｋ１及びＫ２で、ＳｉＯ_２系材料とカーボンとを原料とした還元法によって得たＳｉＣ系粉末及びＣＣｌ_４などのガスから水素還元によるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって得たＳｉＣ粉末を得る。次いで、混合の工程Ｋ３で、前記ＳｉＣ系粉末をボールミルなどで混合する。なお、混合比は任意であって、いずれか１種類のみを選択してもよいし、両原料を一定の割合で混合してもよい。次いで、混合したＳｉＣ系粉末は、造粒の工程Ｋ４で、スプレードライ法などにより焼結用ＳｉＣ系粉末として造粒する。

次いで、成形工程Ｋ５で、上述のようにして造粒したＳｉＣ系粉末を金型などを用いて成形し、次いで、雰囲気制御加圧焼結工程Ｋ６で焼結を行う。雰囲気制御加圧焼結法としては、ホットプレス、ＨＩＰ、プラズマ焼結を用い、温度が２２００℃から２４００℃、アルゴンガスなどの非酸化性雰囲気下、圧力が２０ＭＰａ以上の条件で焼結する。次いで、機械加工の工程Ｋ７で、焼結したＳｉＣ系焼結体をワイヤカットで切断、表面を切削、ラッピング研磨し、回転リングとして供する。

以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
図５は、本発明であるメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体の作用を示したものである。ＳｉＣ粒子の平均粒子粒径、気孔率、β相割合が異なる各種ＳｉＣ系焼結体について、水中での摺動摩耗量を比較したものである。試験方法及び条件は、図６に示す。図６に示すように、本方法では、回転軸２１の回りにカーボンディスク２２を所定の回転数で回転させた状態で、回転リングを構成するＳｉＣ系焼結体プレートＰを所定の荷重Ａで押し付けた場合の摩耗量を評価した。

試験条件としては、超純水中（溶存酸素濃度２０ｐｐｂ以下）、水温が４０℃、水圧が３．５ＭＰａ、押し付け荷重が３０Ｎ、摺動速度が０．８４ｍ／ｓ、摺動距離が５０ｋｍ（１６ｈ）とした。

図５から明らかなように、ＳｉＣ系焼結体の摩耗量は、ＳｉＣ粒子の平均粒子粒径と気孔率に大きく依存することがわかる。従来のＳｉＣ系焼結体（比較例）では、平均粒子粒径が６．５〜１５．５μｍ、気孔率が１．２％から１．９％であり、摺動摩耗量が９．６×１０^−１２ｍｍ^２／Ｎ以上であるのに対し、本実施例では平均粒子粒径が３．３〜４．９μｍ、気孔率が０．６％から０．８％であるので、摺動摩耗量が最大でも２．８×１０^−１２ｍｍ^２／Ｎと小さい。このことから、ＳｉＣ系焼結体の平均粒子粒径を５．０μｍ以下に、気孔率を１．０％以下にすることが水中摺動摩耗量の減少に有効に作用することがわかる。

また、ＳｉＣ系焼結体の摺動摩耗量は、β相割合にも大きく依存することがわかる。β相割合が３０％の場合には摺動摩耗量が２．８×１０^−１２ｍｍ^２／Ｎであるのに対し、β相割合が８６〜９９％の場合には摺動摩耗量が０．４×１０^−１２ｍｍ^２／Ｎ以下に低減しているのがわかる。このことから、β相割合が８５％以上にすることが水中摺動摩耗量の減少に有効に作用することがわかる。

図７は、本実施例Ｂ２の水中摩耗試験後の摺動面を顕微鏡観察したものである。本実施例のＳｉＣ系焼結体では（ｂ）に示す試験後も（ａ）に示す試験前と大きな変化は認められなかった。このことから、図５で示した摩耗量の変化はＳｉＣの脱落により発生し、ＳｉＣ粒子の平均粒子粒径を小さくすること、気孔率を小さくすること、β相割合を大きくすることは、ＳｉＣ粒子の脱落低減に有効に作用すると言える。

図８は、焼結温度や圧力などのＨＰ焼結条件とＳｉＣ系焼結体の気孔率との関係を示した図である。図８では、圧力が常圧、２０ＭＰａ、４０ＭＰａの場合について、焼結温度を１８００℃から２４００℃の範囲内で変化させた場合のＳｉＣ系焼結体の気孔率を比較している。なお、図中の括弧内はβ−ＳｉＣ相の割合である。この図より、定性的には、焼結温度を上げるほど、圧力を大きくするほど、ＳｉＣ系焼結体の気孔率を低減する傾向にあることが分かる。すなわち、ＳｉＣ系焼結体の気孔率を低減させるためには、焼結温度や圧力を上げることが有効に作用すると言える。また、５０％以上のβ−ＳｉＣ相を残したままで気孔率を１．０％以下にするためには、焼結温度を２２００℃以上、圧力を２０ＭＰａ以上にする必要があることがわかる。なお、焼結温度が２４００℃を超えるとＳｉＣ自体の昇華が起こり、焼結を行うことが難しくなる。このため、焼結温度は２２００℃から２４００℃が適している。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明のメカニカルシール装置の一例を示す構成図である。 上記メカニカルシール装置における回転リングの断面組織の一例を示した顕微鏡写真である。 上記メカニカルシール装置における回転リングの断面組織の他の例を示した顕微鏡写真である。 回転リングを雰囲気制御加圧焼結法を用いて製造する場合のフローである。 回転リングに使用するメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体の作用を示すグラフである。 図５に示す作用を調べるための試験方法を記載した図である。 回転リングに使用するメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体の、水中摩耗試験後の摺動面の顕微鏡写真である。（ａ）は、水中摩耗試験前の摺動面の状態を示し、（ｂ）は、水中摩耗試験後の摺動面の状態を示す。 ＨＰ焼結条件とＳｉＣ系焼結体の気孔率との関係を示したグラフである。

符号の説明

１０ メカニカルシール装置
１１ メカニカルシール装置の本体
１２ 回転リング
１３ シールリング
２０ 回転機器
Ｓ （回転リングとシールリングとの）摺動面
Ｌ 液体

Claims (11)

1. ＳｉＣ系焼結体回転リング及びカーボン系シールリングを含むメカニカルシール装置において、
   前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であるＳｉＣ系焼結体回転リングであることを特徴とする、メカニカルシール装置。
2. 前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、β―ＳｉＣ相を８５％以上の割合で含むことを特徴とする、請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記ＳｉＣ系焼結体回転リングは、２．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上の破壊靭性値を呈することを特徴とする、請求項１又は２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記ＳｉＣ系焼結体回転リングの室温比抵抗が０．０１×１０^−２Ωｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のメカニカルシール装置。
5. 平均結晶粒径が５μｍ以下、気孔率が１．０％以下であることを特徴とする、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リング。
6. β―ＳｉＣ相を８５％以上の割合で含むことを特徴とする、請求項５に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リング。
7. ２．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上の破壊靭性値を呈することを特徴とする、請求項５又は６に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リング。
8. 室温比抵抗が０．０１×１０^−２Ωｍ以下であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リング。
9. 請求項５〜８のいずれか一に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法であって、
   酸化物還元法で作製したＳｉＣ系原料粉末中に、気相合成法（ＣＶＤ法）により作製した純度が９９．９％以上のＳｉＣ粉末を０〜１００％の割合で混合し、造粒・成形した後で、雰囲気制御加圧焼結法による圧力環境下で焼結することを特徴とする、メカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法。
10. 雰囲気制御加圧焼結法で、焼結温度が２２００℃以上で、加圧力が２０ＭＰａ以上の条件で焼結することを特徴とする、請求項９に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法。
11. 雰囲気制御加圧焼結後に、得られた焼結体をワイヤカットでリング上に切り出すことを特徴とする、請求項９又は１０に記載のメカニカルシール装置用ＳｉＣ系焼結体回転リングの製造方法。