JP4142971B2

JP4142971B2 - シールリングとその製造方法およびこれを用いたメカニカルシール

Info

Publication number: JP4142971B2
Application number: JP2003088990A
Authority: JP
Inventors: 直幸大久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293712A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメカニカルシールを構成するシールリングに係り、特に、シールリングと密封摺動する環状部材との摺動面における磨耗を軽減させたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水力機械などにおいて、その回転軸がケーシングを貫く部分の周囲にシールボックスなどの円筒状の部分を設け、この円筒状の部分と軸との間にシール要素を入れてケージング内の流体が外へ漏れでたりするのを防止する軸封装置等の漏れを防ぐ部分にメカニカルシールが用いられており、ポンプ用部品などで使用されていた。
【０００３】
このメカニカルシールは、図１（ａ）に示すように、回転軸６の周囲にリテーナー３で固定されたスプリング５により回転軸６の軸方向に押圧されたシールリング２と、このシールリング２に対向摺接する環状部材１とを備え、環状部材１はフランジ７に固定され、フランジ７はハウジング８により支持され、シールリング２を回転軸６とともに回転させて使用していた。また、シールリング２はリテーナー３に固定されており、環状部材１はＯリング４を介してフランジ７に固定されている。
【０００４】
また、図１（ｂ）はシールリング２を示す斜視図であり、このシールリング２は、強度，硬度，耐磨耗性，摺動性の特性が優れていることから炭化珪素質セラミックス（ＳｉＣ）が多用されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、これら炭化珪素質セラミックスからなるシールリング２は、炭化珪素粉末に焼結助剤を混ぜた原料粉末を所定のゴム型に充填し冷間プレス成形によりセラミック成形体を得、該セラミック成形体を最高温度を２１００℃、該最高温度までの時間を６〜７時間程度として焼成し、得られた焼結体に研磨加工を施して作製されていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３３３０６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の炭化珪素質セラミックスからなるシールリングは、流体の漏れを防ぐ構造として用いられた場合、その摺動面においてシールリングを構成する炭化珪素のＳｉと水との反応によりＳｉ＋２Ｈ₂Ｏ→ＳｉＯ₂＋２Ｈ₂の化学反応が生じ、この化学反応の進行にともなって強度が低下し磨耗が進みやすく、長期間の使用に供することができないという問題を有していた。
【０００８】
これは、シールリングの抵抗値に起因するものと考えられるが、従来のシールリングでは、この抵抗値と化学反応との関係が判明していなかったため、体積固有抵抗は１０⁴Ω・ｃｍ以上と高いものであった。
【０００９】
そのため、摺動面の表面に磁場と回転運動の影響により電流が発生するが、電気抵抗が大きいと電流が流れた場合、炭化珪素の結晶が発熱し結晶と粒界などの界面から熱摩擦により剥離などが進み一部の界面強度が小さくなり磨耗が進展し、長期間の使用に供することができないという問題を有していた。
【００１０】
本発明はこのような問題点に基づいてなされたもので、その目的は、摺動面における化学反応を抑制することにより強度の低下を防止し、電機的特性を管理することによって、磨耗の軽減すなわち寿命の延長を図ることができるシールリングを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のシールリングによれば、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上が炭化珪素の結晶の回りに存在する炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍであり、環状部材と接触摺動する摺動面となる端面の表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であり平坦度が０．０１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のシールリングの製造方法によれば、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上を含有する原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度を１９００〜２３００℃とし、昇温速度の最初を約１００〜３００℃／ｈｒ，中間を約１００〜４００℃／ｈｒ，最終付近を約１０〜２００℃／ｈｒとし最高温度に達するまでの時間を１２〜２５時間として焼成することを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明のシールリングを用いたメカニカルシールは、シールリングを回転軸に嵌合したリテーナーに固定するとともに、前記シールリングの一方の端面を環状部材に接触摺動する摺動面とし、該摺動面に接触摺動する環状部材を回転しないフランジに固定したことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
本発明のシールリングは、図１（ａ）に示すようなメカニカルシールに用いられ、このメカニカルシールは、回転軸６の周囲にリテーナー３で固定されたスプリング５により、リテーナー３を介して回転軸６の軸方向に押圧されたシールリング２と、このシールリング２の一方の端面を摺動面２ａとし、該摺動面２ａに対向摺接し、Ｏリング４によって固定した環状部材１とを備え、環状部材１はＯリング４を介してフランジ７に固定され、フランジ７はハウジング８により支持され、シールリング２を回転軸６とともに回転させて使用される。
【００２３】
図１（ｂ）はメカニカルシールにおけるシールリング２を示す斜視図であり、本発明ではこのシールリング２が、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上が炭化珪素の結晶の回りに存在する炭化珪素質セラミックスからなり、体積固有抵抗値が１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍであることが重要である。
【００２４】
これにより、環状部材１と接触摺動する摺動面２ａは磁場と回転運動による影響で電流が発生するが、体積固有抵抗値を１０ ^２〜１０ ^３ Ω・ｃｍとすることにより電流が流れても発熱が小さくなり、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００２５】
一方、体積固有抵抗値が１０³Ω・ｃｍより大きくなると、摺動面２ａの表面は磁場と回転運動による影響で電流が発生した時に、この電流が流れることにより抵抗が高くなり発熱し、熱摩擦を活性化させてしまい磨耗が増幅させられ長期間の使用に供することができない。
【００２６】
なお、上記シールリング２の体積固有抵抗値を１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍとするには、焼成時の焼成温度を高いものとし、かつ焼結スピードを遅くすることにより、炭化珪素の結晶化の際に析出する炭化珪素以外の不純物を炭化珪素の結晶の周りに配置するように焼成が進み、焼結助剤として添加したカーボン，ホウ素、また不純物である鉄，アルミ，クロム等が炭化珪素の結晶中に混在せず、結晶の周りに存在することになる。つまり、抵抗値が高く電流が流れにくい炭化珪素の結晶の周りに電流が流れやすく、抵抗値の小さい上記各材質が存在する構造になり、シールリング自体の体積固有抵抗値を１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍと低いものにすることができる。
【００２７】
また、上記シールリング２の体積固有抵抗値はＪＩＳ−Ｃ２１４１に準拠して、３端子法もしくは４端子法を使い、超絶縁抵抗計によって測定する。
【００２８】
具体的には、炭化珪素粉末に焼結助剤としてカーボン，ホウ素、不純物の鉄，アルミニウム，クロム等を０．１〜０．４重量％含有してなる原料粉末を所定形状に成形した後、得られた成形体を、最高温度を１９００〜２３００℃とし、該最高温度に達するまでの時間を１２〜２５時間として焼成することで得ることができる。
【００２９】
また、一定温度に保持するキープ時間を長くすることにより、炭化珪素の結晶化の際に析出する炭化珪素以外の不純物を炭化珪素の結晶の周りに配置するように焼成を進め、焼結助剤として添加したカーボン，ホウ素、また不純物である鉄，アルミ，クロム等が炭化珪素の結晶中に混在せず、結晶の周りに存在することになる。つまり、抵抗値が高く電流が流れにくい炭化珪素の結晶の周りに電流が流れやすく、抵抗値の小さい上記各材質が存在する構造になり、シールリング自体の体積固有抵抗値を１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍと低いものにすることができる。
【００３０】
さらに、最高温度に達するまでに、昇温速度を最初を約１００〜３００℃／ｈｒ、中間を約１００〜４００℃／ｈｒ、最終付近を約１０〜２００℃／ｈｒとして焼成し、その最高温度を１９００〜２３００℃に設定し、該最高温度に達するまでの時間を１２時間〜２５時間にて焼成することが好ましい。
【００３１】
また、シールリング２の摺動面２ａは、その表面粗さをＲａ０．４μｍ以下とすることが重要であり、これにより摺動面２ａの表面摩擦を抑制させることができ寿命を長くすることができる。摺動面２ａは摩擦を繰り返すため、表面粗さをＲａ０．４μｍ以下とすることにより、表面の摩擦係数が小さくなり摩擦熱も小さくなり、熱が加わった表面磨耗が軽減されるものである。
【００３２】
一方、シールリング２の摺動面２ａの表面粗さがＲａ０．４μｍを超えると、摺動面２ａは摩擦係数が大きくなり摩擦熱が発生し、これにより表面磨耗が進展することとなる。
【００３３】
なお、シールリング２の表面粗さをＲａ０．４μｍ以下にするには、焼成後の炭化珪素焼結体の摺動面２ａとなる面にダイヤモンドの砥石を使用し研磨ラップ加工を行なうことにより得ることができる。
【００３４】
また、上記表面粗さＲａは、表面粗さ計を使って測定された粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値であり、Ｒａ＝１／ｌ∫^１ _０｜ｆ（ｘ）｜で求めた値である。
【００３５】
さらに、上記シールリング２の摺動面２ａにおける平面度は０．０１ｍｍ以下にすることが重要であり、これによって摩擦面を面全体で受けることにより耐磨耗性を向上できる。
【００３６】
なお、シールリング２の摺動面２ａにおける平面度を０．０１ｍｍ以下とするには、得られた炭化珪素焼結体に精度管理した研磨定盤を使用して研磨ラップ加工を施すことで得ることができる。
【００３７】
上記平面度は、基準定盤上に、電気マイクロメーターを固定し、基準定盤と電気マイクロマーターの触針にシールリング２を挟み、触針に摺動面２ａを接触させながらシールリング２を回転させ測定する。
【００３８】
さらに、上記シールリング２の摺動面２ａの気孔率を２〜１０％とすることが好ましく、これにより環状部材１との接触面積を低減させるとともに、摩擦によって発生する磨耗紛が気孔に入り込み、磨耗粉による摩擦を低減させることができる。一方、気孔率が１０％を超えると、強度的に弱くなり破損の可能性が出てくる。
【００３９】
このようにして得られたシールリング２は、メカニカルシールとして好適に用いることができ、その摺動面２ａにおいて環状部材１と摺動を繰り返しても、磁場と回転運動による影響で電流が発生しても熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００４０】
なお、本発明のシールリング２およびこれを用いたメカニカルシールは、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４１】
【実施例】
次いで、本発明の実施例を説明する。
【００４２】
（実施例１）
図１（ｂ）に示すようなシールリングを得るため、炭化珪素粉末に焼結助剤としてホウ素（Ｂ）とカーボン（Ｃ）を炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）としておおよそ０．８重量％添加・混合し、得られた原料粉末をゴム型に投入して水槽に入れ約１トンでの加圧によって成形し、その後、表１に示す如く焼成条件で焼成した。得られた焼結体の摺動面になる面にラップ加工を施して表面粗さをＲａ０．２μｍ、平面度を０．００８ｍｍとした。
【００４３】
そして、各シールリング試料を図１（ａ）に示すようなメカニカルシールに組み込み、シールリング試料が回転軸に回転可能に嵌合し、タングステンカーバイト（ＷＣ）からなり、摺動面側の端面を面粗さＲａ０．２μｍとする環状部材を回転軸に固定する。
【００４４】
次いで、各シールリング試料を組み込んだメカニカルシールを液温７０℃、濃度２０％の濃硝酸中で５００時間連続運転を行い、シールリングの磨耗量を磨耗体積を計算することによって測定した。
【００４５】
その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１から明らかなように、焼成における最高温度が低い場合や最高温度までの時間が短いために体積固有抵抗値が１０^３Ω・ｃｍを超える試料（Ｎｏ．１，２）は、面状態が悪く、磨耗体積も大きいため比磨耗量が２．４％以上と大きなものであった。
【００４８】
これに対し、体積固有抵抗値が１０^２〜１０ ^３Ω・ｃｍの範囲内である試料（Ｎｏ．３〜９）は、比磨耗量が０．６％以下と大きく低減していることが判った。
【００４９】
特に、これら試料のうち焼成における最高温度を１９００〜２３００℃、最高温度までの時間を１２〜２５時間とした試料（Ｎｏ．５〜８）は、体積固有抵抗値を５．０×１０ ^２〜８．５×１０^２Ω・ｃｍとすることができ、比磨耗量を０．４％以下とさらに低減することができた。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のシールリングによれば、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上が炭化珪素の結晶の回りに存在する炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍであることから、摺動面において磁場と回転運動による影響で電流が発生するが、この電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００５１】
また、本発明のシールリングによれば、環状部材と接触摺動する摺動面となる端面の表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であることから、摺動面の摩擦を抑制させ寿命を長くすることができる。
【００５２】
さらに、本発明のシールリングによれば、環状部材と接触摺動する摺動面となる端面の平面度が０．０１ｍｍ以下であることから、摩擦面を摺動面全体で受けることにより耐磨耗性を向上することができる。
【００５３】
またさらに、本発明のシールリングの製造方法によれば、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上を含有する原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度を１９００〜２３００℃とし、昇温速度の最初を約１００〜３００℃／ｈｒ，中間を約１００〜４００℃／ｈｒ，最終付近を約１０〜２００℃／ｈｒとし最高温度に達するまでの時間を１２〜２５時間として焼成することから、その体積固有抵抗値を１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍとすることができるので、電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００５４】
さらに、本発明のメカニカルシールによれば、シールリングを回転軸に嵌合したリテーナーに固定するとともに、前記シールリングの一方の端面を環状部材に接触摺動する摺動面とし、その摺動面に接触摺動する環状部材を回転しないフランジに固定した構造としたことから、環状部材との摩擦を低減させ長期間の使用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のシールリングを用いたメカニカルシールの一実施形態を示す部分断面図であり、（ｂ）は本発明のシールリングの一実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：環状部材
２：シールリング
２ａ：摺動面
３：リテーナー
４：Ｏリング
５：スプリング
６：回転軸
７：フランジ
８：ハウジング

Claims

炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上が炭化珪素の結晶の回りに存在する炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０ ^２〜１０^３Ω・ｃｍであり、環状部材と接触摺動する摺動面となる端面の表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であり平坦度が０．０１ｍｍ以下であることを特徴とするシールリング。
請求項１に記載のシールリングの製造方法であって、炭化珪素を主成分とし、カーボン，ホウ素，鉄，アルミ，クロムのうち少なくとも１種以上を含有する原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度を１９００〜２３００℃とし、昇温速度の最初を約１００〜３００℃／ｈｒ，中間を約１００〜４００℃／ｈｒ，最終付近を約１０〜２００℃／ｈｒとし最高温度に達するまでの時間を１２〜２５時間として焼成することを特徴とするシールリングの製造方法。
請求項１に記載のシールリングを回転軸に嵌合したリテーナーに固定するとともに、前記シールリングの一方の端面を環状部材に接触摺動する摺動面とし、該摺動面に接触摺動する環状部材を回転しないフランジに固定したことを特徴とするメカニカルシール。