JP3764089B2 - 複合ＳｉＣ摺動部材、メカニカルシール用密封環、メカニカルシール、及び複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法 - Google Patents
複合ＳｉＣ摺動部材、メカニカルシール用密封環、メカニカルシール、及び複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ＳｉＣ摺動部材、メカニカルシール用密封環、メカニカルシール、及び複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＣ（炭化珪素）は、メカニカルシールの密封環や軸受等の摺動部材の構成材として使用されている。ＳｉＣは摺動部材として優れた特性を有しているが、ドライ環境では摩擦係数が高いく、摩耗や焼き付きが生じるおそれがあるという欠点がある。
この欠点の対策の一つとして、ＳｉＣにカーボン粉、黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ２等の固体潤滑材を添加する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボン粉、黒鉛、ＢＮ等の固体潤滑材を添加複合させたＳｉＣ燒結体は、その添加量の増加とともに燒結挙動が妨げられ燒結体密度が低下する結果、強度が低下し、耐摩耗性が悪くなるという問題がある。
特に、カーボン粉は、微粉であるために２〜３％程度の添加量であればＳｉＣの燒結性を促進するが、それ以上に増すと燒結性が妨げられ、密度が低下するとともに耐摩耗性も低下する。
【０００４】
また、黒鉛は、自己潤滑性に優れているが、ＳｉＣ燒結体に黒鉛を含有させようとしても、燒結の際、ＳｉＣ粒と黒鉛の結合は少なく、黒鉛の集合組織がＳｉＣ組織中に閉じこめられた状態となるだけで、空隙を多く含む黒鉛近傍がＳｉＣ燒結体の欠陥源となり、ＳｉＣ粒の脱落が助長される。この結果、アブレッシブ摩耗を進行させることとなり、ドライ環境下での摺動性はあまり良好ではない。
【０００５】
すなわち、ＳｉＣ燒結体は、高い相対密度を持つとともに、添加される固体潤滑材がＳｉＣ組織中に強固に固定されるべきであるが、黒鉛の場合、相対密度が低く、ＳｉＣ組織との結合力が弱い。一方、黒鉛のような自己潤滑性は望まれるところである。
【０００６】
この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、緻密で潤滑材の脱落が少なく、しかも黒鉛のような自己潤滑性を有する摺動部材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を採用した。すなわち、本発明は、ＳｉＣ組織中に球状カーボンが分散された複合ＳｉＣ摺動部材であって、前記ＳｉＣ組織は、焼結によりＳｉＣ粒が結合するとともに自己収縮して緻密化した緻密質ＳｉＣ組織であり、前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に２〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が５〜１００μｍであって、前記球状カーボンは、前記焼結によって周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、前記焼結によってその周縁に中間層が 形成されることで、前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持されており、当該中間層は、前記焼結によって、当該中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁が改質された、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層である、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、かかる構成の採用により、組織が緻密であるとともに、潤滑材である球状カーボンの脱落が少なく、しかもドライ環境下の摺動特性が飛躍的に向上することを見いだした。
【０００９】
すなわち、ＳｉＣ焼結体においては、ＳｉＣ粒の結合とともに自己収縮が生じ、緻密化する。その際、球状カーボンは周りをＳｉＣ粒に取り囲まれるが、そのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を均等に受けることができ、かつ球状カーボンの周縁には中間層を生じ、ＳｉＣ組織中に強固に保持される。しかも、その中間層が黒鉛化していることにより、黒鉛の自己潤滑性が得られ、ドライ摺動における安定的な潤滑作用が発揮される。
【００１０】
そして、中間層におけるラマンスペクトルの１５９０ｃｍ−１付近のピークが、球状カーボンのラマンスペクトルの１５９０ｃｍ −１ 付近のピークよりも高い場合に、高い潤滑作用が発揮されることが判明した。
【００１１】
また、前記球状カーボンは、前記緻密質Ｓｉｃ組織中に２〜３０重量％含まれているのが好ましく、更には、５〜２０重量％含まれているのがより好ましい。
【００１２】
また、前記球状カーボンは、平均粒径が５〜１００μｍであるのが好ましく、更には、平均粒径が２０〜５０μｍであるのが好ましい。従来はカーボンの過剰な添加はＳｉＣの燒結を阻害すると考えられていたが、ある程度の大きさを持ったカーボン、特に２０〜５０μｍ程度の巨大なカーボンであれば、逆にＳｉＣ個々の粒子間結合が妨げられることなく燒結し、緻密質ＳｉＣ組織となる。
【００１３】
また、前記中間層の膜厚は、潤滑作用の確保のため、１μｍ以上であるのが好ましく、更には、４〜１０μｍであるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、前記複合ＳｉＣ摺動部材を用いたメカニカルシール用密封環あるいは、前記複合ＳｉＣ摺動部材が少なくとも１つの密封環に用いられているメカニカルシールとして構成できる。
【００１５】
また、本発明に係る複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法は、球状カーボンが混合されたＳｉＣを燒結して複合ＳｉＣ摺動部材を製造する製造方法であって、平均粒径が５〜１００μｍの球状カーボンが２〜３０重量％含まれるように混合したＳｉＣを所定の温度で燒結して、ＳｉＣ粒を結合させるとともに自己収縮させて緻密化した緻密質ＳｉＣ組織を形成する焼成工程を行い、前記焼成工程は、前記球状カーボンが、焼結による周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、焼結によって前記球状カーボンの周縁に中間層を形成させて、前記球状カーボンを前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持させるものであり、さらに、前記焼成工程は、前記焼結によって前記中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁を改質して、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層からなる前記中間層を形成するものである、ことを特徴とするものである。このように、燒結の際に球状カーボンを黒鉛化することで、黒鉛の自己潤滑性が得られる。
【００１６】
また、前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に１０〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が２０〜５０μｍであり、前記焼成工程は、４〜１０μｍの膜厚の中 間層を形成するものであるのが好ましい。
さらに、前記焼成工程は、焼成温度が２１００℃以上であって、焼成の保持時間が１時間以上であるのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の摺動部材は、メカニカルシール用密封環（回転環又は固定環）として使用し得る。この摺動部材は、次のような燒結原料混合行程、造粒行程、予備成形工程、焼成工程、仕上げ工程により製作される。
【００１８】
燒結原料混合工程： 平均粒子径０．７μｍのα型炭化珪素（α−ＳｉＣ）粉末１００ｇ、燒結助剤としての炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末０．５ｇ、フェノール樹脂（残炭率：５０％）４ｇ、成形助剤としての平均分子量６０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）２ｇ、ステアリン酸１ｇを基本配合として、更に、所定量の球状カーボンを添加し、メタノール溶媒中で２４ｈｒボールミル混合する。球状カーボンは、２〜３０（好ましくは５〜３０）重量％添加する。また、球状カーボンは、平均粒径が５〜１００（好ましくは２０〜５０）μｍのものを用いる。球状カーボンは、球状の樹脂を炭化したもの、タールを球状化し更に炭素化させたもの、又はコークスを球状に磨砕し炭素化したもの等、黒鉛化していない、いわゆる「アモルファスカーボン」の球状化したものを用いることができる。
【００１９】
造粒工程： 燒結原料混合工程で得られた燒結原料をスプレードライヤーにより噴霧乾燥することによって造粒（顆粒化）する。
予備成形工程：造粒工程で得られた造粒材を所定の金型に充填した上、成形面圧１５００ｋｇ／ｃｍ２で冷間プレス成形して、回転環に対応する環状形態をなす予備成形体を得る。なお、予備成形体の形状は、燒結時における収縮を考慮して設定される。
【００２０】
焼成工程：予備成形工程で得られた予備成形体を、加圧することなく、アルゴン雰囲気中において所定温度で焼成して、回転環に相当する密封環形状をなす複合炭化珪素燒結体を得る。
【００２１】
仕上げ工程： 燒結工程で得られた複合炭化珪素燒結体の端面をＲａ＝０．０５の鏡面に表面研磨（ラップ）する等により、回転環として使用しうる摺動部材を得る。なお、摺動部材の端面は、回転環として使用した場合における摺動面（密封端面）として機能する。
【００２２】
図１は、以上のようにして得られた摺動部材の表面組織の拡大図であり、球状カーボン１はＳｉＣ粒子同士が結合した緻密なＳｉＣ組織３中に散点状に分散配置されたものとなる。ここで、ＳｉＣ燒結体においては、ＳｉＣ粒の結合とともに自己収縮が生じ、緻密化する。その際、添加された球状カーボンは、周りをＳｉＣ粒に取り囲まれるが、そのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を均等に受けることができ、しかも球状カーボン１の周縁（表面）には、ＳｉＣ−Ｃ結合と推定される中間層２を生じ、ＳｉＣ組織３中に強固に保持されている。中間層２は後述のように焼成によって黒鉛化していることが判明した。黒鉛化した中間層２によって、黒鉛の自己潤滑性が得られ、ドライ摺動における安定的な潤滑作用が発揮される。
【００２３】
ここで、添加された球状カーボンは、フェノール樹脂を真球状にしたものを炭化処理して得たものであり、その処理法から、グラッシーカーボン（Glassy Carbon）であると考えられる。この球状カーボン１の中央部を、ラマンスペクトル分光分析で分析すると、図２（ａ）に示すように、１３３３ｃｍ−１付近のピーク（ダイヤモンドＳＰ３散乱）と、１５９０ｃｍ−１付近のピーク（黒鉛ＳＰ２散乱）の双方を有する。
【００２４】
一方、焼成により形成された中間層２を、ラマンスペクトル分光分析で分析すると、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に比べて、１５９０ｃｍ−１付近のピークが強度増加している。この結果から、中間層２は、３次元的なＳＰ３構造（ダイヤモンド構造）色の強いアモルファス状態から２次元的なＳＰ２構造（黒鉛構造）色の強いアモルファス状態へ移行（黒鉛化）したものと推察される。したがって、１５９０ｃｍ−１付近のピークの強度の変動が、中間層２の構造改質を示す指標となる。本発明では、中間層２における１５９０ｃｍ−１付近のピークが、球状カーボン１の中央部における１５９０ｃｍ−１付近のピークより高くなっているものが良いことになる。
【００２５】
中間層２が黒鉛化することにより、黒鉛化層２が自己潤滑性に優れた固体潤滑材として機能し、低摩擦係数を達成できるとともに、摺動面間の発熱を１００℃前後に低く抑えることができる。したがって、ドライ条件下でも、摺動面間に介在する空気中水分の蒸発を生ずることがなく、これにより摺動面の焼き付きによる異常摩耗も防止され、低い摩擦係数を安定的に維持することができ、鳴き現象もない。
【００２６】
【実施例】
上記製造方法に基づき、実施例として、次の摺動部材Ａ１〜Ａ１１を得た。すなわち、実施例１としての摺動部材Ａ１は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが５重量パーセント含まれたものである。また、実施例１では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２７】
実施例２としての摺動部材Ａ２は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例２では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２８】
実施例３としての摺動部材Ａ３は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが２０重量パーセント含まれたものである。また、実施例３では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２９】
実施例４としての摺動部材Ａ４は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが５重量パーセント含まれたものである。また、実施例４では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３０】
実施例５としての摺動部材Ａ５は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例５では、焼成工程における燒結温度は２０００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３１】
実施例６としての摺動部材Ａ６は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例６では、焼成工程における燒結温度は２１００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３２】
実施例７としての摺動部材Ａ７は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例７では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は０．５時間である。
【００３３】
実施例８としての摺動部材Ａ８は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例８では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３４】
実施例９としての摺動部材Ａ９は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例９では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は２時間である。
【００３５】
実施例１０としての摺動部材Ａ１０は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例１０では、焼成工程における燒結温度は２２００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３６】
実施例１１としての摺動部材Ａ１１は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが２０重量パーセント含まれたものである。また、実施例１１では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３７】
また、比較例１としての摺動部材Ｂ１は、固体潤滑材が添加されていない一般的な緻密質ＳｉＣ燒結体であり、β型炭化珪素（β−ＳｉＣ）が用いられている。比較例１でも、造粒行程、予備成形工程、焼成工程、仕上げ工程に関しては、前記実施例と同様である。ただし、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３８】
比較例２としての摺動部材Ｂ２は、固体潤滑材として鱗片黒鉛を添加したものである。鱗片黒鉛は、平均粒径は２０μｍであり、５重量パーセント含まれている。また、比較例２では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３９】
比較例３としての摺動部材Ｂ３は、固体潤滑材として鱗片黒鉛を添加したものである。比較例３では、鱗片黒鉛は、平均粒径が５０μｍであり、１０重量パーセント含まれている。また、比較例３では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００４０】
摺動部材Ａ１〜Ａ１１及び摺動部材Ｂ１〜Ｂ３の相対密度（ｇ／ｃｍ３）は、表１に示す通りである。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から明らかなように、実施例１〜実施例１１に係る摺動部材Ａ１〜Ａ１１は、摺動部材Ａ１〜Ａ１１と同様に固体潤滑材を含有する比較例２及び３の摺動部材Ｂ２及びＢ３に比べて、相対密度が高くなっており、固体潤滑材である球状カーボンを配置してもＳｉＣ組織が十分に緻密化されることが理解される。
【００４３】
なお、平均粒径２０μｍの球状カーボンを用いた実施例１〜実施例３の場合、平均粒径５０μｍの球状カーボンを用いた場合よりも、若干緻密化が抑制された。これは、同じ添加量（例えば、１０重量％）では、小球の方がＳｉＣと接触する界面が多く、そのためＳｉＣの燒結が抑制されたと考えられる。
【００４４】
また、実施例１〜実施例１１の摺動部材Ａ１〜Ａ１１の表面組織を光学顕微鏡で観察し、球状カーボンの黒鉛化層である中間層の膜厚みを測定した。実施例１〜実施例１１では、表１から明らかなように、中間層の厚みは１μｍ以上のものが観察され、１０μｍのものまで観察された。特に、実施例９の２１５０℃で焼成２Ｈｒ焼成したものは、８〜１０μｍの中間層の成長が認められ、中間層厚みは焼成温度が高い程、かつ、保持時間を長くする程、厚くなることが分かる。
【００４５】
また、表面組織を観察した結果、ＳｉＣと球状カーボンとの境界に隙間は認められなかった。また、ＳｉＣ組織から球状カーボンが脱落した部分も全く認められなかった。しかも、ＳｉＣ粒に沿って球状カーボンが破断していた。これば、燒結工程でのＳｉＣマトリクスの収縮による物理的な包抱作用と球状カーボンと隣接ＳｉＣとの間で生じた化学的な結合作用とにより、球状カーボンが緻密質ＳｉＣマトリクス中に強固に保持された状態となっているためであり、球状カーボン粒子の脱落を防止できるとともに、脱落後の跡孔に起因する早期摩耗や異常摩耗の防止もできる。
【００４６】
また、図３に示す縦型スラスト試験機５を用い、実施例及び比較例の摺動部材を縦型スラスト試験機での摺動試験片（回転環６）に供し、相手材となる固定環７に、比較例１の摺動部材Ｂ１と同様のβ―ＳｉＣ燒結体を用い、次の条件下で摺動試験を行った。摺動条件は、回転環６と固定環７で構成されるメカニカルシールの負荷圧力０．１ＭＰａ、周速：２ｍ／ｓのドライ条件下で２時間連続運転して、両密封環６，７の摺動面の摩耗量（μｍ／ｈｒ）、定常摩擦係数、及び発熱（＝摺動面温度）（℃）を求めるとともに、摺動面状態を判定した。
【００４７】
摺動面状態の判定は、相対回転摺接により発生する環状痕及び摩耗粉の発生度を目視観察することにより行った。なお、環状痕については、表２において、環状痕（レコード溝状の環状溝）が明瞭に目視観察されたものについては、「×」を付し、環状痕が目視によっては全く認められなかったものには「○」を付した。また、摩耗粉については、表２において、摩耗粉が発生したものには「×」を付し、摩耗粉が僅かに発生したものには「△」を付し、摩耗粉が発生していないものには「○」を付した。
【００４８】
【表２】
【００４９】
表２のドライ摺動結果によると、比較例１〜３に比べて、実施例では、いずれも摩擦係数が非常に低くなり、発熱も抑制され、その結果、著しく摩耗が減少した。これは、中間層が黒鉛化され、黒鉛化層が固体潤滑材として働くためである。
【００５０】
とりわけ、実施例２，３，８，９，１０，１１の摺動部材Ａ２，Ａ３，Ａ８，Ａ９，Ａ１０，Ａ１１は摺動発熱が特に低くなっており、試験後の摺動面も環状痕はほとんど認められず非常に良好であった。これは、実施例２，３，８，９，１０，１１の摺動部材Ａ２，Ａ３，Ａ８，Ａ９，Ａ１０，Ａ１１については、球状カーボンの表面に４又は５μｍ以上の黒鉛化層が存在することにより、ドライ摺動性が向上したと考えられる。したがって、黒鉛化層は４μｍ以上であるのが好ましく、さらには５μｍ以上であるのが好ましい。なお、実施例１及び実施例４の場合にも、球状カーボンの表面に４又は５μｍ以上の黒鉛化層が存在するが、球状カーボンの添加量が５％と少ないため、ややドライ摺動性が劣っている。したがって、球状カーボンの添加量は１０％以上がより好ましい。
【００５１】
また、実施例５の場合、球状カーボンの添加量は１０％であるが、焼成温度が２０００℃と低いため、球状カーボンの表面黒鉛化層も非常に薄く、潤滑性が劣ったと考えられる。したがって、焼成温度としては、２１００℃以上がより好ましく、更には２１００℃〜２２００℃の範囲がより好ましい。
【００５２】
実施例７の場合、球状カーボンの添加量は１０％で、焼成温度も２１５０℃と高いが、保持時間が０．５Ｈｒと短かったため、球状カーボンの表面黒鉛化層が薄く、潤滑性が劣ったと考えられる。したがって、保持時間は１Ｈｒ以上がより好ましい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、緻密で固体潤滑材である球状カーボンの脱落が少なく、脱落に起因する早期摩耗や異常摩耗を防止できる。しかも、中間層が優れた固体潤滑材としての機能を発揮し、摺動面の焼き付きを防止して、低い摩擦係数を安定的に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の摺動部材の表面組織（ラップ面）の拡大図（×２００）である。
【図２】 本発明の摺動部材のラマンスペクトルである。
【図３】 縦型スラスト試験機の正面図である。
【符号の説明】
１ 球状カーボン
２ 中間層（黒鉛化層）
３ ＳｉＣ組織
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ＳｉＣ摺動部材、メカニカルシール用密封環、メカニカルシール、及び複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＣ（炭化珪素）は、メカニカルシールの密封環や軸受等の摺動部材の構成材として使用されている。ＳｉＣは摺動部材として優れた特性を有しているが、ドライ環境では摩擦係数が高いく、摩耗や焼き付きが生じるおそれがあるという欠点がある。
この欠点の対策の一つとして、ＳｉＣにカーボン粉、黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ２等の固体潤滑材を添加する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボン粉、黒鉛、ＢＮ等の固体潤滑材を添加複合させたＳｉＣ燒結体は、その添加量の増加とともに燒結挙動が妨げられ燒結体密度が低下する結果、強度が低下し、耐摩耗性が悪くなるという問題がある。
特に、カーボン粉は、微粉であるために２〜３％程度の添加量であればＳｉＣの燒結性を促進するが、それ以上に増すと燒結性が妨げられ、密度が低下するとともに耐摩耗性も低下する。
【０００４】
また、黒鉛は、自己潤滑性に優れているが、ＳｉＣ燒結体に黒鉛を含有させようとしても、燒結の際、ＳｉＣ粒と黒鉛の結合は少なく、黒鉛の集合組織がＳｉＣ組織中に閉じこめられた状態となるだけで、空隙を多く含む黒鉛近傍がＳｉＣ燒結体の欠陥源となり、ＳｉＣ粒の脱落が助長される。この結果、アブレッシブ摩耗を進行させることとなり、ドライ環境下での摺動性はあまり良好ではない。
【０００５】
すなわち、ＳｉＣ燒結体は、高い相対密度を持つとともに、添加される固体潤滑材がＳｉＣ組織中に強固に固定されるべきであるが、黒鉛の場合、相対密度が低く、ＳｉＣ組織との結合力が弱い。一方、黒鉛のような自己潤滑性は望まれるところである。
【０００６】
この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、緻密で潤滑材の脱落が少なく、しかも黒鉛のような自己潤滑性を有する摺動部材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を採用した。すなわち、本発明は、ＳｉＣ組織中に球状カーボンが分散された複合ＳｉＣ摺動部材であって、前記ＳｉＣ組織は、焼結によりＳｉＣ粒が結合するとともに自己収縮して緻密化した緻密質ＳｉＣ組織であり、前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に２〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が５〜１００μｍであって、前記球状カーボンは、前記焼結によって周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、前記焼結によってその周縁に中間層が 形成されることで、前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持されており、当該中間層は、前記焼結によって、当該中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁が改質された、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層である、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、かかる構成の採用により、組織が緻密であるとともに、潤滑材である球状カーボンの脱落が少なく、しかもドライ環境下の摺動特性が飛躍的に向上することを見いだした。
【０００９】
すなわち、ＳｉＣ焼結体においては、ＳｉＣ粒の結合とともに自己収縮が生じ、緻密化する。その際、球状カーボンは周りをＳｉＣ粒に取り囲まれるが、そのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を均等に受けることができ、かつ球状カーボンの周縁には中間層を生じ、ＳｉＣ組織中に強固に保持される。しかも、その中間層が黒鉛化していることにより、黒鉛の自己潤滑性が得られ、ドライ摺動における安定的な潤滑作用が発揮される。
【００１０】
そして、中間層におけるラマンスペクトルの１５９０ｃｍ−１付近のピークが、球状カーボンのラマンスペクトルの１５９０ｃｍ −１ 付近のピークよりも高い場合に、高い潤滑作用が発揮されることが判明した。
【００１１】
また、前記球状カーボンは、前記緻密質Ｓｉｃ組織中に２〜３０重量％含まれているのが好ましく、更には、５〜２０重量％含まれているのがより好ましい。
【００１２】
また、前記球状カーボンは、平均粒径が５〜１００μｍであるのが好ましく、更には、平均粒径が２０〜５０μｍであるのが好ましい。従来はカーボンの過剰な添加はＳｉＣの燒結を阻害すると考えられていたが、ある程度の大きさを持ったカーボン、特に２０〜５０μｍ程度の巨大なカーボンであれば、逆にＳｉＣ個々の粒子間結合が妨げられることなく燒結し、緻密質ＳｉＣ組織となる。
【００１３】
また、前記中間層の膜厚は、潤滑作用の確保のため、１μｍ以上であるのが好ましく、更には、４〜１０μｍであるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、前記複合ＳｉＣ摺動部材を用いたメカニカルシール用密封環あるいは、前記複合ＳｉＣ摺動部材が少なくとも１つの密封環に用いられているメカニカルシールとして構成できる。
【００１５】
また、本発明に係る複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法は、球状カーボンが混合されたＳｉＣを燒結して複合ＳｉＣ摺動部材を製造する製造方法であって、平均粒径が５〜１００μｍの球状カーボンが２〜３０重量％含まれるように混合したＳｉＣを所定の温度で燒結して、ＳｉＣ粒を結合させるとともに自己収縮させて緻密化した緻密質ＳｉＣ組織を形成する焼成工程を行い、前記焼成工程は、前記球状カーボンが、焼結による周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、焼結によって前記球状カーボンの周縁に中間層を形成させて、前記球状カーボンを前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持させるものであり、さらに、前記焼成工程は、前記焼結によって前記中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁を改質して、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層からなる前記中間層を形成するものである、ことを特徴とするものである。このように、燒結の際に球状カーボンを黒鉛化することで、黒鉛の自己潤滑性が得られる。
【００１６】
また、前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に１０〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が２０〜５０μｍであり、前記焼成工程は、４〜１０μｍの膜厚の中 間層を形成するものであるのが好ましい。
さらに、前記焼成工程は、焼成温度が２１００℃以上であって、焼成の保持時間が１時間以上であるのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の摺動部材は、メカニカルシール用密封環（回転環又は固定環）として使用し得る。この摺動部材は、次のような燒結原料混合行程、造粒行程、予備成形工程、焼成工程、仕上げ工程により製作される。
【００１８】
燒結原料混合工程： 平均粒子径０．７μｍのα型炭化珪素（α−ＳｉＣ）粉末１００ｇ、燒結助剤としての炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末０．５ｇ、フェノール樹脂（残炭率：５０％）４ｇ、成形助剤としての平均分子量６０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）２ｇ、ステアリン酸１ｇを基本配合として、更に、所定量の球状カーボンを添加し、メタノール溶媒中で２４ｈｒボールミル混合する。球状カーボンは、２〜３０（好ましくは５〜３０）重量％添加する。また、球状カーボンは、平均粒径が５〜１００（好ましくは２０〜５０）μｍのものを用いる。球状カーボンは、球状の樹脂を炭化したもの、タールを球状化し更に炭素化させたもの、又はコークスを球状に磨砕し炭素化したもの等、黒鉛化していない、いわゆる「アモルファスカーボン」の球状化したものを用いることができる。
【００１９】
造粒工程： 燒結原料混合工程で得られた燒結原料をスプレードライヤーにより噴霧乾燥することによって造粒（顆粒化）する。
予備成形工程：造粒工程で得られた造粒材を所定の金型に充填した上、成形面圧１５００ｋｇ／ｃｍ２で冷間プレス成形して、回転環に対応する環状形態をなす予備成形体を得る。なお、予備成形体の形状は、燒結時における収縮を考慮して設定される。
【００２０】
焼成工程：予備成形工程で得られた予備成形体を、加圧することなく、アルゴン雰囲気中において所定温度で焼成して、回転環に相当する密封環形状をなす複合炭化珪素燒結体を得る。
【００２１】
仕上げ工程： 燒結工程で得られた複合炭化珪素燒結体の端面をＲａ＝０．０５の鏡面に表面研磨（ラップ）する等により、回転環として使用しうる摺動部材を得る。なお、摺動部材の端面は、回転環として使用した場合における摺動面（密封端面）として機能する。
【００２２】
図１は、以上のようにして得られた摺動部材の表面組織の拡大図であり、球状カーボン１はＳｉＣ粒子同士が結合した緻密なＳｉＣ組織３中に散点状に分散配置されたものとなる。ここで、ＳｉＣ燒結体においては、ＳｉＣ粒の結合とともに自己収縮が生じ、緻密化する。その際、添加された球状カーボンは、周りをＳｉＣ粒に取り囲まれるが、そのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を均等に受けることができ、しかも球状カーボン１の周縁（表面）には、ＳｉＣ−Ｃ結合と推定される中間層２を生じ、ＳｉＣ組織３中に強固に保持されている。中間層２は後述のように焼成によって黒鉛化していることが判明した。黒鉛化した中間層２によって、黒鉛の自己潤滑性が得られ、ドライ摺動における安定的な潤滑作用が発揮される。
【００２３】
ここで、添加された球状カーボンは、フェノール樹脂を真球状にしたものを炭化処理して得たものであり、その処理法から、グラッシーカーボン（Glassy Carbon）であると考えられる。この球状カーボン１の中央部を、ラマンスペクトル分光分析で分析すると、図２（ａ）に示すように、１３３３ｃｍ−１付近のピーク（ダイヤモンドＳＰ３散乱）と、１５９０ｃｍ−１付近のピーク（黒鉛ＳＰ２散乱）の双方を有する。
【００２４】
一方、焼成により形成された中間層２を、ラマンスペクトル分光分析で分析すると、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に比べて、１５９０ｃｍ−１付近のピークが強度増加している。この結果から、中間層２は、３次元的なＳＰ３構造（ダイヤモンド構造）色の強いアモルファス状態から２次元的なＳＰ２構造（黒鉛構造）色の強いアモルファス状態へ移行（黒鉛化）したものと推察される。したがって、１５９０ｃｍ−１付近のピークの強度の変動が、中間層２の構造改質を示す指標となる。本発明では、中間層２における１５９０ｃｍ−１付近のピークが、球状カーボン１の中央部における１５９０ｃｍ−１付近のピークより高くなっているものが良いことになる。
【００２５】
中間層２が黒鉛化することにより、黒鉛化層２が自己潤滑性に優れた固体潤滑材として機能し、低摩擦係数を達成できるとともに、摺動面間の発熱を１００℃前後に低く抑えることができる。したがって、ドライ条件下でも、摺動面間に介在する空気中水分の蒸発を生ずることがなく、これにより摺動面の焼き付きによる異常摩耗も防止され、低い摩擦係数を安定的に維持することができ、鳴き現象もない。
【００２６】
【実施例】
上記製造方法に基づき、実施例として、次の摺動部材Ａ１〜Ａ１１を得た。すなわち、実施例１としての摺動部材Ａ１は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが５重量パーセント含まれたものである。また、実施例１では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２７】
実施例２としての摺動部材Ａ２は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例２では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２８】
実施例３としての摺動部材Ａ３は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が２０μｍであり、球状カーボンが２０重量パーセント含まれたものである。また、実施例３では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００２９】
実施例４としての摺動部材Ａ４は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが５重量パーセント含まれたものである。また、実施例４では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３０】
実施例５としての摺動部材Ａ５は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例５では、焼成工程における燒結温度は２０００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３１】
実施例６としての摺動部材Ａ６は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例６では、焼成工程における燒結温度は２１００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３２】
実施例７としての摺動部材Ａ７は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例７では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は０．５時間である。
【００３３】
実施例８としての摺動部材Ａ８は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例８では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３４】
実施例９としての摺動部材Ａ９は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例９では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は２時間である。
【００３５】
実施例１０としての摺動部材Ａ１０は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが１０重量パーセント含まれたものである。また、実施例１０では、焼成工程における燒結温度は２２００℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３６】
実施例１１としての摺動部材Ａ１１は、固体潤滑材として添加される球状カーボンの平均粒径が５０μｍであり、球状カーボンが２０重量パーセント含まれたものである。また、実施例１１では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３７】
また、比較例１としての摺動部材Ｂ１は、固体潤滑材が添加されていない一般的な緻密質ＳｉＣ燒結体であり、β型炭化珪素（β−ＳｉＣ）が用いられている。比較例１でも、造粒行程、予備成形工程、焼成工程、仕上げ工程に関しては、前記実施例と同様である。ただし、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３８】
比較例２としての摺動部材Ｂ２は、固体潤滑材として鱗片黒鉛を添加したものである。鱗片黒鉛は、平均粒径は２０μｍであり、５重量パーセント含まれている。また、比較例２では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００３９】
比較例３としての摺動部材Ｂ３は、固体潤滑材として鱗片黒鉛を添加したものである。比較例３では、鱗片黒鉛は、平均粒径が５０μｍであり、１０重量パーセント含まれている。また、比較例３では、焼成工程における燒結温度は２１５０℃であり、焼成の保持時間は１時間である。
【００４０】
摺動部材Ａ１〜Ａ１１及び摺動部材Ｂ１〜Ｂ３の相対密度（ｇ／ｃｍ３）は、表１に示す通りである。
【００４１】
【表１】
表１から明らかなように、実施例１〜実施例１１に係る摺動部材Ａ１〜Ａ１１は、摺動部材Ａ１〜Ａ１１と同様に固体潤滑材を含有する比較例２及び３の摺動部材Ｂ２及びＢ３に比べて、相対密度が高くなっており、固体潤滑材である球状カーボンを配置してもＳｉＣ組織が十分に緻密化されることが理解される。
【００４３】
なお、平均粒径２０μｍの球状カーボンを用いた実施例１〜実施例３の場合、平均粒径５０μｍの球状カーボンを用いた場合よりも、若干緻密化が抑制された。これは、同じ添加量（例えば、１０重量％）では、小球の方がＳｉＣと接触する界面が多く、そのためＳｉＣの燒結が抑制されたと考えられる。
【００４４】
また、実施例１〜実施例１１の摺動部材Ａ１〜Ａ１１の表面組織を光学顕微鏡で観察し、球状カーボンの黒鉛化層である中間層の膜厚みを測定した。実施例１〜実施例１１では、表１から明らかなように、中間層の厚みは１μｍ以上のものが観察され、１０μｍのものまで観察された。特に、実施例９の２１５０℃で焼成２Ｈｒ焼成したものは、８〜１０μｍの中間層の成長が認められ、中間層厚みは焼成温度が高い程、かつ、保持時間を長くする程、厚くなることが分かる。
【００４５】
また、表面組織を観察した結果、ＳｉＣと球状カーボンとの境界に隙間は認められなかった。また、ＳｉＣ組織から球状カーボンが脱落した部分も全く認められなかった。しかも、ＳｉＣ粒に沿って球状カーボンが破断していた。これば、燒結工程でのＳｉＣマトリクスの収縮による物理的な包抱作用と球状カーボンと隣接ＳｉＣとの間で生じた化学的な結合作用とにより、球状カーボンが緻密質ＳｉＣマトリクス中に強固に保持された状態となっているためであり、球状カーボン粒子の脱落を防止できるとともに、脱落後の跡孔に起因する早期摩耗や異常摩耗の防止もできる。
【００４６】
また、図３に示す縦型スラスト試験機５を用い、実施例及び比較例の摺動部材を縦型スラスト試験機での摺動試験片（回転環６）に供し、相手材となる固定環７に、比較例１の摺動部材Ｂ１と同様のβ―ＳｉＣ燒結体を用い、次の条件下で摺動試験を行った。摺動条件は、回転環６と固定環７で構成されるメカニカルシールの負荷圧力０．１ＭＰａ、周速：２ｍ／ｓのドライ条件下で２時間連続運転して、両密封環６，７の摺動面の摩耗量（μｍ／ｈｒ）、定常摩擦係数、及び発熱（＝摺動面温度）（℃）を求めるとともに、摺動面状態を判定した。
【００４７】
摺動面状態の判定は、相対回転摺接により発生する環状痕及び摩耗粉の発生度を目視観察することにより行った。なお、環状痕については、表２において、環状痕（レコード溝状の環状溝）が明瞭に目視観察されたものについては、「×」を付し、環状痕が目視によっては全く認められなかったものには「○」を付した。また、摩耗粉については、表２において、摩耗粉が発生したものには「×」を付し、摩耗粉が僅かに発生したものには「△」を付し、摩耗粉が発生していないものには「○」を付した。
【００４８】
【表２】
表２のドライ摺動結果によると、比較例１〜３に比べて、実施例では、いずれも摩擦係数が非常に低くなり、発熱も抑制され、その結果、著しく摩耗が減少した。これは、中間層が黒鉛化され、黒鉛化層が固体潤滑材として働くためである。
【００５０】
とりわけ、実施例２，３，８，９，１０，１１の摺動部材Ａ２，Ａ３，Ａ８，Ａ９，Ａ１０，Ａ１１は摺動発熱が特に低くなっており、試験後の摺動面も環状痕はほとんど認められず非常に良好であった。これは、実施例２，３，８，９，１０，１１の摺動部材Ａ２，Ａ３，Ａ８，Ａ９，Ａ１０，Ａ１１については、球状カーボンの表面に４又は５μｍ以上の黒鉛化層が存在することにより、ドライ摺動性が向上したと考えられる。したがって、黒鉛化層は４μｍ以上であるのが好ましく、さらには５μｍ以上であるのが好ましい。なお、実施例１及び実施例４の場合にも、球状カーボンの表面に４又は５μｍ以上の黒鉛化層が存在するが、球状カーボンの添加量が５％と少ないため、ややドライ摺動性が劣っている。したがって、球状カーボンの添加量は１０％以上がより好ましい。
【００５１】
また、実施例５の場合、球状カーボンの添加量は１０％であるが、焼成温度が２０００℃と低いため、球状カーボンの表面黒鉛化層も非常に薄く、潤滑性が劣ったと考えられる。したがって、焼成温度としては、２１００℃以上がより好ましく、更には２１００℃〜２２００℃の範囲がより好ましい。
【００５２】
実施例７の場合、球状カーボンの添加量は１０％で、焼成温度も２１５０℃と高いが、保持時間が０．５Ｈｒと短かったため、球状カーボンの表面黒鉛化層が薄く、潤滑性が劣ったと考えられる。したがって、保持時間は１Ｈｒ以上がより好ましい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、緻密で固体潤滑材である球状カーボンの脱落が少なく、脱落に起因する早期摩耗や異常摩耗を防止できる。しかも、中間層が優れた固体潤滑材としての機能を発揮し、摺動面の焼き付きを防止して、低い摩擦係数を安定的に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の摺動部材の表面組織（ラップ面）の拡大図（×２００）である。
【図２】 本発明の摺動部材のラマンスペクトルである。
【図３】 縦型スラスト試験機の正面図である。
【符号の説明】
１ 球状カーボン
２ 中間層（黒鉛化層）
３ ＳｉＣ組織
Claims (10)
- ＳｉＣ組織中に球状カーボンが分散された複合ＳｉＣ摺動部材であって、
前記ＳｉＣ組織は、焼結によりＳｉＣ粒が結合するとともに自己収縮して緻密化した緻密質ＳｉＣ組織であり、
前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に２〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が５〜１００μｍであって、
前記球状カーボンは、前記焼結によって周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、前記焼結によってその周縁に中間層が形成されることで、前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持されており、
当該中間層は、前記焼結によって、当該中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁が改質された、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層である、
ことを特徴とする複合ＳｉＣ摺動部材。 - 前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に５〜２０重量％含まれていることを特徴とする請求項１記載の複合ＳｉＣ摺動部材。
- 前記球状カーボンは、平均粒径が２０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の複合ＳｉＣ摺動部材。
- 前記中間層の膜厚は、４〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合ＳｉＣ摺動部材。
- 前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に１０〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が２０〜５０μｍであり、
前記中間層の膜厚は、４〜１０μｍである、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合ＳｉＣ摺動部材。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の複合ＳｉＣ摺動部材を用いたことを特徴とするメカニカルシール用密封環。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の複合ＳｉＣ摺動部材が少なくとも１つの密封環に用いられていることを特徴とするメカニカルシール。
- 球状カーボンが混合されたＳｉＣを燒結して複合ＳｉＣ摺動部材を製造する製造方法であって、
平均粒径が５〜１００μｍの球状カーボンが２〜３０重量％含まれるように混合したＳｉＣを所定の温度で燒結して、ＳｉＣ粒を結合させるとともに自己収縮させて緻密化した緻密質ＳｉＣ組織を形成する焼成工程を行い、
前記焼成工程は、前記球状カーボンが、焼結による周りのＳｉＣ粒の結合収縮挙動を受けるとともに、焼結によって前記球状カーボンの周縁に中間層を形成させて、前記球状カーボンを前記緻密質ＳｉＣ組織中に強固に保持させるものであり、
さらに、前記焼成工程は、前記焼結によって前記中間層のラマンスペクトルが、前記球状カーボンのラマンスペクトルよりも１５９０ｃｍ −１ 付近のピークが高くなるように前記球状カーボンの周縁を改質して、膜厚が１μｍ以上の自己潤滑性を有する黒鉛化層からなる前記中間層を形成するものである、
ことを特徴とする複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法。 - 前記球状カーボンは、前記緻密質ＳｉＣ組織中に１０〜３０重量％含まれているとともに、平均粒径が２０〜５０μｍであり、
前記焼成工程は、４〜１０μｍの膜厚の中間層を形成するものである
ことを特徴とする請求項８記載の複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法。 - 前記焼成工程は、焼成温度が２１００℃以上であって、焼成の保持時間が１時間以上であることを特徴とする請求項９記載の複合ＳｉＣ摺動部材の製造方法。
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