JP3322942B2

JP3322942B2 - 摺動装置

Info

Publication number: JP3322942B2
Application number: JP16349293A
Authority: JP
Inventors: 淳史田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH0719349A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カーボン材より成る摺
動部材と、アルミナセラミックスから成る摺動部材とを
組み合わせた摺動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車エンジン冷却用のウォ
ータポンプや温水循環ポンプ、さらにプランジャポンプ
などにはメカニカルシールが用いられている。例えばウ
ォータポンプの場合、図５に示すように主軸２６に取着
された案内羽根２５に一体的に形成されたリング部材２
０と、ケーシング２７側に固定されたリング部材１０と
を、互いの摺動面１０ａ、２０ａが合致するように組み
合わせてメカニカルシールを構成してある。

【０００３】そして、このメカニカルシールを成す一方
のリング部材２０はカーボンで形成してあり、他方のリ
ング部材１０はセラミックスで形成しおり、互いの摺動
面１０ａ，２０ａは平滑な面に仕上げることにより、ポ
ンプ室内の液体３０が摺動面１０ａ，２０ｂ間を横切っ
て漏れないようシールするようになっていた。そして、
上記セラミックスとしては、アルミナや炭化珪素などが
用いられているものがあった。（実開平２−２９３０９
号公報参照）又、上記メカニカルシール以外にも、各種軸受装置やバ
ルブなど様々な摺動装置に、カーボンとセラミックスの
組合せが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、カーボンと
アルミナの組合せと言えども、摺動性を向上させること
は難しかった。つまり、摺動面１０ａ，２０ｂ間には殆
ど潤滑剤なるものは介在しておらず、摩擦熱によって各
リング部材１０，２０が膨張するため、互いにより大き
な圧力が加わることから、摺動トルクが増大して摺動性
が損なわれ、その結果としてカーボンの摩耗を促進して
しまうといった問題があった。

【０００５】又、リング部材１０を構成するアルミナセ
ラミックスは、機械特性に優れるものの、耐熱衝撃性が
劣っているために、リング部材２０との摺動による摩擦
熱で、リング部材１０の摺動面１０ａに欠けや割れを生
じる恐れがあった。そして、この割れが摺動面１０ａの
端部にまでおよぶと、そこから液漏れが発生するととも
に短時間で破壊されてしまい、欠けが発生した場合に
は、そのかけらが摺動面１０ａ，２０ａ間に入り込み、
互いの摺動面１０ａ，２０ａを削ってしまうこととなっ
て液漏れを起こすといった問題があった。

【０００６】又、より緻密化したアルミナセラミックス
でリング部材１０を形成すると、摺動面１０ａには殆ど
ボイドが存在せず、平らで滑らかな面となってしまうた
め、カーボン製のリング部材２０とアルミナ製のリング
部材１０とが密着して動かなくなるリンキング現象が発
生し、逆に摺動性が損なわれることから、リング部材２
０が回転する時の摺動トルクが増大し、スムーズな回転
が得られなくなるばかりか、ひどい場合には耳触りな鳴
きが発生するなどの問題があった。

【０００７】そこで、アルミナセラミックスより耐熱衝
撃性に優れ、且つ熱膨張係数が小さい炭化珪素でリング
部材１０を形成して摺動装置に用いると、硬度がカーボ
ンに比べて非常に高いことからリング部材２０の損傷が
激しく、短時間のうちにシール性が損なわれるといった
問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では上記
問題に鑑み、摺動装置を構成する２つの摺動部材のう
ち、一方の摺動部材をカーボンで形成し、他方の摺動部
材をアルミナセラミックスで形成するとともに、摺動面
の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．１〜０．３μｍで、且
つプラトー率を０．０５〜０．２μｍとして、互いの摺
動面を組み合わせたものである。

【０００９】又、本発明では、摺動装置を構成する２つ
の摺動部材のうち、一方の摺動部材をカーボンで形成
し、もう一方の摺動部材は、表面にムライトを析出させ
たアルミナセラミックスで形成して、互いの摺動面を組
み合わせたものである。

【００１０】

【作用】本発明の摺動装置では、アルミナセラミックス
から成る摺動部材の摺動面を適度なボイドと凹凸が存在
した表面としてあることから、その摺動面に適度な潤滑
液溜まりを設けることができる。その為、上記潤滑液溜
まりに潤滑液が介在するため、滑らかな摺動性と優れた
シール性を持ち合わせた摺動装置とすることができる。

【００１１】又、本発明の摺動装置では、アルミナセラ
ミックスから成る摺動部材の表面にムライトを析出させ
たことにより耐熱衝撃性を向上させることができるた
め、相手部材であるカーボンとの摺動に伴う摩擦熱によ
る摺動面の欠けや割れを防止することができる。

【００１２】このような本発明の摺動装置は、長期にわ
たってシール性を保ちながら、滑らかな摺動性を得るこ
とができ、メカニカルシールに最適である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００１４】図１は本発明の摺動装置を簡略して示した
斜視図であり、図２は本発明の摺動装置のうち、一方の
アルミナセラミックスからなる摺動部材１を示す部分拡
大図である。

【００１５】本発明の摺動装置は図１に示すように、一
方の摺動部材９をカーボンで形成してあり、他方の摺動
部材１はアルミナセラミックスで形成するとともに、摺
動面２を含む表面にはムライト析出層４を形成した構造
としてある。その為、摺動部材１の摺動面２の耐熱衝撃
性を向上でき、摺動時の摩擦熱による欠けや割れを防止
できる。この摺動部材１の摺動面２に析出させるムライ
トの析出量は１０％以上とすることが好ましい。そし
て、このムライト析出層４は、実質上ムライト粒子から
成る層となっているか、ムライト粒子とアルミナ粒子と
がモザイク模様のように混在してあればく、各ムライト
粒子は針状であればなおよい。

【００１６】このような摺動部材１の摺動面２では、各
ムライト粒子が互いに入り組み合っているため、粒子間
のすべりが少なく、高温荷重下においても変形が少な
い。その為、熱膨張係数がアルミナセラミックスより低
く、耐熱衝撃性に優れるため、摩擦熱が発生しても摺動
面２に欠けや割れを生じるといったことはない。

【００１７】なお、ムライト析出量（Ｒ）の検出は、摺
動部材１の摺動面２をＸ線回析し、ムライトの面指数
（２１０）のピーク強度をＩ_M（２１０）、α−アルミ
ナの面指数（０１２）のピーク強度をＩ_A（０１２）と
したとき、Ｒ＝Ｉ_M（２１０）／Ｉ_A（０１２）×１００として算出してある。

【００１８】又、上記ムライト析出層４は摺動面２だけ
でなく、摺動部材１の全ての表面に析出させることが好
ましい。

【００１９】一方、摺動部材１は図２に示すように、摺
動面２にボイド３を備えてあり、該ボイド３の面積占有
率を０．５〜５．０％の範囲で設けるとともに、中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．１〜０．３μｍの表面に仕上げ
てある。その為、この摺動部材１にカーボンから成る摺
動部材９を押し付けて摺動させても、摺動部材１の摺動
面２にはボイド３が備えてあることから、このボイド３
が流体溜まりとして作用するため、自己潤滑作用をも合
わせて摺動トルクを低減することができる。しかも、面
粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１〜０．３μｍと
してあることから、シール性が損なわれない程度に接触
面積を少なくすることができるため、滑らかに摺動させ
ることができる。

【００２０】ところで、摺動面２の中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）を０．１〜０．３μｍとしたのは、中心線平均粗さ
が０．１μｍより小さいと、摺動面２が平滑な面となり
すぎるため、相手部材との接触面積が増大し、リンキン
グ現象が生じる恐れがあるためで、逆に中心線平均粗さ
が０．３μｍより大きくなると摺動面２が粗くなりすぎ
て摩耗し易くなるため、シール性が損なわれるからであ
る。

【００２１】なお、上記ボイド３の最適な径としては、
平均値で１．５〜１０μｍ程度に設けることが必要で、
その形状については、クラックが生じにくいように丸い
形状のものが好ましい。

【００２２】又、本発明に係る摺動部材１の摺動面２
を、最適な接触面積と流体溜まりを持ったものとするた
めには、プラトー率（Ｈｐ）を０．０５〜０．２μｍの
範囲に形成しなければならない。

【００２３】ここで、プラトー率とは、摺動面２をある
深さまで削ったときに、その表面と平坦がゼロの仮想平
面との接触面積比を求め、接触面積比が５％になる深さ
と３０％になる深さとの距離を示すものである。つま
り、図３に示すように、縦軸を摺動面２からの深さ、横
軸を平坦度ゼロの仮想平面との接触面積比としたとき、
プラトー率（Ｈｐ）は接触面積比が５％になる面の深さ
Ｐａと接触面積比が３０％になる面の深さＰｂとの差に
よって算出される。

【００２４】その為、図３のグラフより判るように、プ
ラトー率（Ｈｐ）が大きい程、摺動面の近傍は大きな凹
凸が連続的に連なった表面となっており、摩耗し易い面
となり、逆にプラトー率（Ｈｐ）が小さい程、摺動面の
近傍には凹部が少ない平らな面となって、摩耗しにくい
面となることが判る。そこで、本発明実施例の摺動部材
１においては、流体溜まりを持つ摺動面２であるととも
に、適度に摩耗する表面状態でなければならず、その表
面状態は図４（ａ）に示すような、細かな凹凸が連続的
に連なる表面であることが重要である。つまり、摺動面
２の上記凹部に潤滑剤となる流体が介在し、潤滑作用と
ともに冷却効果をもたらすことができ、リンキング現象
を防止できるとともに、滑らかな摺動を得ることができ
るからである。その為、プラトー率（Ｈｐ）が０．０５
μｍより小さいと、図４（ｂ）に示すような表面状態と
なり、極めて平滑な面となってしまうことから、ほとん
ど流体溜まりがなく、冷却及び潤滑効果が損なわれるば
かりか、リンキング現象を生じてしまう恐れがある。逆
に、プラトー率（Ｈｐ）が０．２μｍより大きくなる
と、摺動面２の凹凸が大き過ぎるため、摩耗し易く液漏
れが発生し易くなる。このような本発明に係る摺動部材
１を製造するには、出発原料として、純度９６％以上
で、平均粒子径が１〜２μｍのアルミナ粒子を作製し、
ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤及び有機物添加
剤を添加して、湿式状態にて混合、粉砕したあと、スプ
レードライヤによって乾燥、造粒を行い２次原料を作製
する。得られた２次原料は金型に充填して２０００ｋｇ
／ｃｍ²以下の圧力にて所定形状に成形する。次に、得
られた成形体を焼成するのであるが、ムライトを析出さ
せるためには温度コントロールが重要であり、トンネル
炉に成形体を投入して、お温度曲線が正規分布のような
山型状で、最高温度が１５００〜１７００℃の範囲とな
るように設定し、２４時間程度かけて焼成することで、
平均粒子径が２〜１０μｍで、且つ表面にムライトが析
出したアルミナセラミックスを得ることができる。

【００２５】次に、上記アルミナセラミックスを両頭研
削盤にて厚み研削加工を施し、さらに、４〜８μｍのダ
イヤモンドパウダーにてラップ加工を行うことで、所定
の表面粗さ、及びボイドを持ったアルミナセラミックス
から成る摺動部材１を得ることができる。

【００２６】ここで、本実施例の摺動部材１を製造する
には、一次原料であるアルミナ粒子径を１〜２μｍに設
定することが必要である。つまり、この一次原料で焼成
されたアルミナセラミックスから成る摺動部材１の表面
は細かな凹凸が連続的に連なった面となり、この面を上
記研削加工及びラップ加工を施すことで、プラトー率
（Ｈｐ）が０．０５〜０．２μｍの表面を得ることがで
きる。

【００２７】なお、このアルミナ製の摺動部材１の表面
を画像解析にて測定すると、ボイド占有率は０．５〜
５．０％程度の範囲にある。

【００２８】このようなアルミナセラミックスから成る
摺動部材１に、カーボン製の摺動部材９を摺動させる
と、長期にわたって安定したシール性をもたらすことが
できるとともに、滑らかな摺動性を得ることができる。

【００２９】なお、本発明の摺動装置は、メカニカルシ
ールに限らず、各種軸受装置やバルブ等にも利用できる
ことはいうまでもない。

【００３０】実験例図１に示す摺動装置において、本発明のアルミナセラミ
ックスから成る摺動部材１と、比較例として、結晶粒子
径、ボイド占有率、ムライト析出量、表面粗さ、プラト
ー率のうち、少なくとも一つ以上が本発明とは異なるア
ルミナセラミックス製の摺動部材及び炭化珪素製の摺動
部材を用いて、シール性、摺動鳴き、摺動トルク、相手
部材の摩耗量について実験を行った。

【００３１】上記試料の特性は表１に示す通りであり、
各試験条件は１２０℃の湿式状態でドーナツ型をしたカ
ーボン製の摺動部材９を各試料に１０ｋｇ／ｃｍ²の圧
力で押し付けて摺接させ、上記カーボン製の摺動部材９
を６０００ｒｐｍの回転速度でもって５時間摺動させ
た。

【００３２】なお、各実験の評価は、摺動トルクについ
ては、カーボン製の摺動部材９を回転させたときの初期
トルクを測定し、その値が１０ｋｇ・ｃｍ未満の場合を
○、１０ｋｇ・ｃｍ以上の場合を×として評価し、摺動
鳴きについては、鳴きが聞こえるか否かで判断した。
又、シール性については、ドーナツ型をしたカーボン製
の摺動部材９の内孔に水を貯め、摺動させたときに起こ
る漏れ具合を観察した。さらに、相手部材の摩耗量につ
いては、最初に厚みを測定したあと、摺動後にもう一度
厚みを測定し、この厚みの差が０．５μｍ以上あるかど
うかで磨耗量を測定した。

【００３３】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】表２より判るように、試料５の摺動部材で
は、プラトー率及び中心線平均粗さが大きすぎるため
に、液漏れが生じており、本目的で重要なシール性が損
なわれている。又、試料６の摺動部材では、摺動性に優
れ摺動鳴きがないものの、相手側の摺動部材９の損傷が
激しく、シール性が損なわれている。さらに、試料２及
び試料４の摺動部材は中心線平均粗さが０．１μｍ以下
で、且つプラトー率が０．０５μｍ未満と摺動面が非常
に平滑な面であるために、リンキング現象が生じて鳴き
が発生している。又、相手部材９の摩耗のために液漏れ
が少し発生しており使用し難いものであることが判る。
又、試料３の摺動部材では、液漏れはないものの、プラ
トー率が０．０５μｍ未満と摺動面が平滑な面に近いた
め、摺動トルクが大きく、鳴きが発生している。

【００３７】これに対して、試料１の本発明に係る摺動
部材１は全ての条件を満足している。この結果より、カ
ーボン製の摺動部材９と相性がよく、これらの組み合わ
せから成る摺動装置は、滑らかな摺動性を得ることがで
きるとともに、優れたシール性を持ったものとするこが
できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明では、摺動装置を構成する一方の
摺動部材をカーボンで形成するとともに、他方の摺動部
材をアルミナセラミックスで形成し、且つその摺動面を
中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１〜０．３μｍ、且つプ
ラトー率で０．０５〜０．２μｍの表面に仕上げたこと
により、摺動面を適度なボイドや凹凸が存在した面とす
ることができ、このボイドや凹部を流体溜まりとして活
用することができる。その為、カーボン製の摺動部材と
摺動させると、流体溜まりにある流体が最適な状態で摺
動面間に介在するために十分な冷却効果が得られ、液漏
れを生じることなく滑らかな摺動性が得られる。

【００３９】又、アルミナセラミックスから成る摺動部
材の表面にムライトを析出させたことにより、アルミナ
セラミックスから成る摺動部材の耐熱衝撃性を向上させ
ることができるため、摩擦熱による摺動面の欠けや割れ
を防止することができる。

【００４０】その為、カーボン製の摺動部材に上記アル
ミナセラミック製の摺動部材を組み合わせて成る本発明
の摺動装置は、長期にわたって優れたシール性を保ちつ
つ、滑らかな摺動性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摺動装置の概略を示す一部破断斜
視図である。

【図２】本発明に係る摺動装置を構成するアルミナセラ
ミックスから成る摺動部材の表面部を示す部分拡大図で
ある。

【図３】プラトー率を算出するための抽出曲線を示すグ
ラフである。

【図４】（ａ）は本発明に係る摺動部材の表面状態を示
す断面図であり、（ｂ）は比較例として示した表面状態
の断面図である。

【図５】ウォータポンプのメカニカルシールを示す断面
図である。

【符号の説明】

１摺動部材２摺動面３ボイド４ムライト析出層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16J 15/34 F16C 17/00 - 17/26 F16C 33/00 - 33/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボンより成る摺動部材の摺動面を、ア
ルミナセラミックスより成る摺動部材の摺動面に押し付
けて摺動させるようにした摺動装置であって、上記アル
ミナセラミックスより成る摺動部材の摺動面における中
心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１〜０．３μｍで、かつプ
ラトー率が０．０５〜０．２μｍであることを特徴とす
る摺動装置。
【請求項２】上記アルミナセラミックスの表面にムライ
トを析出させて成る請求項１に記載の摺動装置。