JP4199504B2

JP4199504B2 - Sliding parts and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4199504B2
Application number: JP2002278036A
Authority: JP
Inventors: 明可児
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: JP2004116587A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メカニカルシール、軸受、ピストンリング等の摺動面の潤滑性を改善した摺動部品に関する。特に、摺動面の摩擦係数を小さくして摩耗量を低減した摺動部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる摺動部品の先行技術として、特公平５−６９０６６号公報が存在する。
この公報に記載の摺動部品は、多孔質炭化珪素焼結製品であってメカニカルシールの一方又は両方のシールリングとして取り付けられるものである。そして、メカニカルシールは、ポンプ又は冷凍機などに用いられて水などの液体をシールする。
【０００３】
このメカニカルシールは、摺動部品をシールリングとして用いると共に、固定リングは炭化珪素又はカーボン材製を用いている。そして、このシールリングと固定リングとの密接により高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とをシールする。
このシールリングは、平均気孔径が０．０１０から０．０４０ｍｍの球状の気孔を結晶組織内に点在して摺動特性を改良した炭化珪素焼結体である。
【０００４】
この炭化珪素焼結体の摺動面に形成された気孔は、焼結前にポリスチレンビーズを添加し、仮焼結時に分解・昇華して気孔を形成するものである。この為に、炭化珪素焼結体は、結晶粒内に気孔が連鎖するごとく点在している。そして、被密封流体がこの気孔を連続に浸透して外部へ漏洩するおそれが生じる。更に、気孔は球状に形成されるために表面からの深さが深くなる。その結果、負荷容量が低下するために過酷な摺動条件では摩耗量が大きくなる。
又、この炭化珪素焼結体における気孔は、炭化珪素のみの焼結体であるから気孔内に保湿性が無く、摺動面の発熱と共に気孔内が乾燥状態になりやすい。この為に、潤滑効果の持続性が期待できないので問題がある。
この製造法は、焼結時にポリスチレンビーズを熱で昇華放散させるものであるから、ビーズの昇華ガスが焼結炉内に、或いは通路内に凝着して汚染を誘発する。この問題を解決するために種々の改善が成されていが技術的な問題やコストの問題で効果的なものが見いだせない。
【０００５】
叉、シールリングの摺動面に点在する気孔が炭化珪素材製の固定リングと過酷な条件で摺動すると、シールリングの気孔の周りから破壊し、その粉末が摺動面に介在するので、摺動面の摩耗を促進することになる。又、固定リングがカーボン材の場合には、シールリングの気孔によりカーボン材の摺動面が摺動中に削る取られるようになり、摺動面の摩耗促進と共に、被密封流体をシールする固定リングの摺動面の平面度が悪化する。
【０００６】
次に、上述の摺動部品の強度の低下及び被密封流体の漏れ量を改善したものとして特開昭５７−１６１３６８号公報のメカニカルシールが存在する。
このメカニカルシールは、上述のメカニカルシールと同様に構成されている。そして、ハウジングに保持された固定リングと回転軸に固定された図５に示す従動リング１００との摺動面が密接して被密封流体をシールする。
【０００７】
この従動リング１００の摺動面１０１には、凹部１０５が多数形成されている。この凹部１０５は最小幅が３０×１０^−６ｍから１００×１０^−６ｍとし、最大幅を６０×１０^−６ｍから５００×１０^−６ｍとするものであって、最小幅に対して最大幅の寸法比率を２倍以上とするものである。そして、図５に示すように、凹部１０５は摺動面１０１の回転方向に対して傾斜するように形成されている。
【０００８】
この凹部１０５は従動リング１００の摺動面１０１と固定リングの摺動面間に浸入した流体により潤滑しようとするものである。従動リング１００の外周側から浸入した流体は内周端側へ至る前に凹部１０５に補足されて蓄えられる。この蓄えられた流体は、その粘性作用と従動リング１００の回転方向によって凹部１０５の外周方向へ移動する。このように順次繰り返されることにより被密封流体は、摺動面の外周端側へ戻される。
【０００９】
ところで、このような凹部１０５は、凹部１０５のポンピング作用により被密封流体を外方に押し出すので、摺動面に潤滑液を無くすことになる。更に、凹部１０５は炭化珪素により直接形成されているから、凹部１０５の底面に潤滑液の吸着作用が無く、潤滑液を摺動面に長期間保持することは困難である。
そして、この摺動面における潤滑液の消滅は、摺動面の発熱と共に、摩耗を促進し、ついには凹部１０５の縁を破壊することになる。この凹部１０５の縁の破壊が始まると、その粉末が摺動面に介在して両摺動面を急速に摩耗させることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、摺動面に潤滑液を保持して潤滑作用を成し、摩擦係数を低減すると共に、摺動面の平面精度を保持して摺動面による密封能力を向上させることにある。更に、高荷重、過酷な摺動条件に於いて、摺動面の摩耗、破損を防止すると共に、摺動面の耐久能力を向上させることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その解決するための手段は、以下のように構成されている。
【００１２】
請求項１に係わる本発明の摺動部品は、摺動面が互いに相対摺動する炭化珪素の焼結体のメカニカルシール用の摺動部品であって、摺動部品は焼結により摺動面に点在するカーボン粒子を有すると共に、カーボン粒子の摺動面側の表面の内周部に熱処理により形成された摺動面より窪んだ凹面を有し、且つカーボン粒子の摺動面側の表面層のみにポーラス状の微細気孔部を有するものである。
【００１３】
この請求項１に係わる本発明の摺動部品では、摺動面のカーボン粒子の表面部（表面層とも言う）を燃焼させて表面に凹面と、表面層にポーラス状の微細気孔部とを形成しているので、摺動面の凹面内に存在する潤滑液が減少するにつれてカーボン粒子の微細気孔部に蓄えられた潤滑液が摺動と共に噴き出して潤滑作用を発揮する。
更に、高負荷時に炭化珪素のカーボン粒子を囲む縁が破損する前に、カーボン粒子が摩耗したカーボン粉末を摺動面に介在させて摺動面の摩擦係数を低減させるとともに、摩擦係数の低減により炭化珪素のカーボン粒子を囲む周縁部が破損して摺動面に介在するのを防止する。さらに、炭化珪素のカーボン粒子と結合している周縁部をカーボン粒子で保持して周縁部の破損を防止する。同時に、焼結体の摺動面側のカーボン粒子の表面層のみにポーラス（微細気孔）状の微細気孔部と凹面とを形成して焼結体の全体の強度を向上させると共に、従来のように焼結時に形成される焼結体の内部の気孔を被密封流体及び潤滑液が浸透して外部へ流失するのを効果的に防止し、被密封流体のシール能力を向上させることができる。
【００１４】
請求項２に係わる本発明の摺動部品は、凹面は皿形状を成して凹面の底面までの深さが２×１０^−６ｍから１５×１０^−６ｍの範囲に形成されているものである。
【００１５】
この請求項２に係わる本発明の摺動部品では、摺動面のカーボン粒子に於ける凹面の底を浅くすると、重加重に対する負荷容量が向上すると共に、炭化珪素のカーボン粒子と結合する周縁部が破損するのを効果的に防止できる。更に、カーボン粒子の微細気孔部に潤滑液を含有させ、凹面に溜められた潤滑液が少なくなっても、摺動面の近くに形成された微細気孔部に蓄えることにより、摺動に伴って微細気孔部から流出させることが可能になる。
そして、摺動部品の摺動面に於ける凹面と微細気孔部により、摺動面の摩擦係数を低下させると共に、例え、炭化珪素の摩耗した粉末が発生しても、カーボン粒子の凹面内に入り込んで摺動面に直接に介在するのを効果的に防止する。
【００１６】
請求項３に係わる本発明の摺動部品の製造方法は、１００重量部の炭化珪素微粉末に対し、粒子径が２０×１０^−６ｍから３００×１０^−６ｍのカーボン粒子を１から１２重量部を混合し、その混合した混合粉末を成形と焼結とにより焼結体に形成し、焼結体を加工して表面に摺動面を設け、焼結体を気体雰囲気中で熱処理し、カーボン粒子の表面を燃焼除去して表面層にポーラス状の微細気孔部を形成するとともに、カーボン粒子の表面の内周側に凹面を形成したものである。
【００１７】
請求項３に係わる本発明の摺動部品の製造方法では、焼結工程に於いて樹脂粒子を高温熱により昇華しながら放散して気孔を成形するものではないから、樹脂昇華ガスにより焼結炉内が高温損傷や汚染されるのを効果的に防止できる。この汚染防止等のために、コスト高の設備投資や修理を不用にすることができる。
更に、摺動面のカーボン粒子におけるポーラス状の微細気孔部は、大気中で５００°Ｃから８００°Ｃの低温で数分から数十分加熱するだけで、表面層に微細気孔部と凹部が形成できるから、燃焼炉の電力等の加熱費用が低く、摺動部品の生産コストが低減できる。
更にカーボン粒子の材料は、低コストであり、カーボン粒子の表面層にポーラス状の微細気孔部と凹部を成形のための燃焼ガスは大気であり、その燃焼炉は焼結炉等の安価な設備が利用できるので、生産コストを低減できる。
そして、カーボン粒子の凹面の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に燃焼させるものであるから、加熱温度と時間で凹面の深さを管理できる。この為に、凹面の設計が容易である。その上、カーボン粒子の表面層は加熱されて燃焼により微細気孔部に変化しているから、潤滑液の吸着性に優れた形状に形成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係わる摺動部品を図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、焼結体に摺動面を形成するための研磨加工した製造工程中の状態の一部の断面図である。叉、図２は、図１の焼結体を加熱して摺動面に気孔を形成した摺動部品の断面図である。この図１及び図２の断面は、顕微鏡写真を基にして描いたものである。更に叉、図３は、図２に示す摺動部品を試験した試験機の半断面図である。
【００１９】
図１及び図２に於いて、先ず、第１実施の形態を示す摺動部品１の製造方法を説明する。
この摺動部品１の製造方法の第１段階は、粒子径０．４×１０^−６〜０．８×１０^−６ｍの炭化珪素粉末１００重量部に対して粒子径が３５×１０^−６〜４５×１０^−６ｍのカーボン粒子１０を５重量部を混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末０．３重量部と、カーボンブラック０．８重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール３重量部を添加する。そして、水を加えながら４０％の濃度のスラリー状態に構成する。
この工程に於いて重要なのはカーボン粒子１０の形状及び添加量である。このカーボン粒子１０の大きさは、粒子径が２０×１０^−６〜３００×１０^−６ｍの範囲にすると良く、形状は球形状にすることが好ましい。しかし、カーボン粒子１０は、球状に限らず、その他の形状でも効果は球状と同様に発揮する。叉、このカーボン粒子１０の添加量は、１から１２重量部とすることが好ましい。更に、カーボン粒子１０を０．６〜１５重量部まで高めることもできる。しかし、カーボン粒子１０を１５重量部以上に高めすぎると摺動部品１としての強度の点で問題になる。
【００２０】
次に、このスラリーをボールミルの内で１２時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が８０×１０^−６ｍの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、１２０MPaの圧力で圧縮成形する。
更に、この成形体をアルゴンガス雰囲気中で２１００°C前後の温度で２時間に渡り焼結する。この２時間前後焼結することにより、カーボン粒子１０は炭化珪素の組織内に分散含有して緻密な炭化珪素の焼結体を得ることができる。
【００２１】
更に又、炭化珪素の焼結体を研磨加工して図１に示すような摺動面３に相当する加工面３Ａが形成される。この加工面３Ａは、研磨叉はラップ仕上げ加工により行うと良い。
この図１に示すように炭化珪素の焼結体２には、カーボン粒子１０が多数点在するが、研磨仕上げによりカーボン粒子１０が加工されて図１のように半円形状の上面に加工面３Ａが形成される。この焼結体２を研磨加工する時に炭化珪素とカーボン材との硬度差によりカーボンの表面が微小な寸法だけ凹んだようにすると更に良い。
【００２２】
この研磨加工した焼結体２を予備加熱炉に投入し、焼結体２を炉内の酸素がある大気雰囲気中で３６０°C/hの速度で昇温する。昇温して７００°Cの温度に達した後に略６分間その温度で加熱する。その後、この焼結体２を炉内で徐々に冷却する。この冷却した焼結体２は摺動部品１となる。図２は、この摺動部品１の１個のカーボン粒子１０の断面を示すものである。
【００２３】
図２に於いて、炭化珪素の焼結体２には多数のカーボン粒子１０が点在している。その１つのカーボン粒子１０を断面にしたものが図２である。このカーボン粒子１０は、図１の焼結体２の状態から酸素が含む気体雰囲気中で５００°Ｃから８００°Ｃの範囲の温度で加熱すると、カーボン粒子１０の加工面３Ａが燃焼して図２に示すような凹面（以下では、凹面は図２に示す形状のように小さく窪んだ気孔であり、単に、気孔と言う）１１が表面に形成される。この気孔１１の大きさは、底平面の長さ寸法が２０×１０^−６から３００×１０^−６ｍの範囲であり、深さＨが２×１０^−６から１５×１０^−６ｍにすると良い。
【００２４】
この気孔１１の深さＨは、一定の燃焼条件で、燃焼時間を管理することにより決められる。例えば、気孔１１の深さＨは、７００°Ｃの温度の大気中の雰囲気で６分間加熱すると、３×１０^−６から５×１０^−６ｍの深さの気孔１０が形成される。この気孔１１の深さＨは、あまり深くしない方が良く（２２×１０^−６ｍ以上）、少なくとも、気孔１１の平面寸法の大きさよりは小さくされる。更に、気孔の深さＨが浅いことは、カーボン粒子の燃焼時間が短時間で済むことであるから、燃焼コストも低減できる。叉、炉内の気体雰囲気は大気で十分であるからコストも安く、更に、短時間でガス発生も少なく、炉内の環境を悪くして炉の寿命を低下させることもない。
【００２５】
同時に、カーボン粒子１０の上面部（表面層）に酸化による多数の微細気孔を形成して微細気孔部１０Ａが設けられる。このカーボン粒子１０は、カーボンが酸素との燃焼により気孔（凹面）１１が形成されると共に、気孔１１に近い表面層のカーボン粒子１０に燃焼前の反応工程として多数の微細気孔が形成される。叉、炭化珪素の焼結体２の加工面３Ａも酸素との燃焼により微視的には、極微細気孔叉は燃焼してカーボンが形成されるものと考えられる。尚、このカーボン粒子１０の表面層の微細気孔とは、気孔より更に小さな発泡（ポーラス）状のものを言う。
この気孔１１と微細気孔部１０Ａをカーボン粒子１０の摺動面３側に形成することにより潤滑液を微細気孔部１０Ａに含浸することが可能になる。叉、炭化珪素の摺動面３も微細気孔やカーボンが形成されるので、保湿効果により潤滑性が良くなると考えられる。なお、カーボン粒子１０と炭化珪素の焼結体２との焼結一体面２Ａは酸化しない雰囲気中で、例えば真空中、アルゴンガス雰囲気中の１９００から２４００°Ｃの温度により焼結時に結合される。
【００２６】
摺動部品１は上述のようにして製造される。摺動部品１は、例えば、メカニカルシールの密封環、軸受けの軸受部等の摺動面叉はシール面に利用することが可能になる。
図２は、摺動部品１を密封環にした摺動面３の一部を示す断面図である。この摺動面３には、多数のカーボン粒子１０が一体に点在している。このカーボン粒子１０は、凹みある深さＨの気孔１１が形成されている。この気孔１１の深さＨ寸法は、気孔１１の平面広さ寸法より小さく形成される。カーボン粒子１０の気孔１１の底部には、ある厚さ範囲に微細気孔が点在して微細気孔部１０Ａに形成されている。
カーボン粒子１０と炭化珪素の焼結体２とは焼結一体面２Ａに於いて焼結により強力に一体化されている。
【００２７】
この摺動面３に潤滑液が介在すると、先ず気孔１１に潤滑液が蓄えられる。同時に、微細気孔部１０Ａに潤滑液が含浸する。そして、摺動時に気孔１１から潤滑液が供給される。更に、気孔１１内の潤滑液が減少してくると微細気孔部１０Ａから潤滑液が供給されるので、摺動面３は潤滑効果により摩耗するのを防止する。
叉、摺動面３が高負荷状態になっても、炭化珪素の焼結体２とカーボン粒子１０とは焼結一体面２Ａにより結合していると共に、炭化珪素のカーボン粒子１０と結合している気孔１１の縁はカーボン粒子１０により保持される。更に叉、炭化珪素の気孔１１の縁が損傷して摺動面３に介在する前に、カーボン粒子１０の気孔１１の縁が摩耗粒子として先ず介在するから、潤滑性のあるこの摩耗粒子により摺動面３の摩擦を低減し、摺動面３の摩耗や損傷を防止する。
【００２８】
次に、図２に示す摺動部品１の試験片を図３に示す摺動試験機により実験した。
図３は、この試験片を試験した摺動試験機の半断面図である。摺動試験機のケーシング２３には、試験液である被密封流体Sが入れられるように空室に形成されている。この空室内に一端側が嵌挿された回転軸２４が設けられている。回転軸２４の一端にはフランジが設けられており、このフランジに取り付けられたばね２７を介して試験用回転摺動部品２５が弾発に押圧されている。この試験用回転摺動部品２５の取付面から被密封流体Ｗが漏洩しないようにパッキン２６が設けられている。
一方、ケーシング２３には、試験用回転摺動部品２５に対向する位置に試験用固定摺動部品２１が設けられている。この試験用固定摺動部品２１も取付面から被密封流体Sが漏洩しないようにガスケット２２が設けられている。
この試験用固定摺動部品２１と試験用回転摺動部品２５は本発明の図２に示す摺動部品１を加工して製作したものである。
【００２９】
次に、比較例の炭化珪素摺動部品について述べる。
この摺動部品の製造方法は、粒子径０．４×１０^−６〜０．８×１０^−６ｍの炭化珪素粉末１００重量部に対して粒子径が３５×１０^−６〜４５×１０^−６ｍのポリスチレンビーズを５重量部を混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末０．３重量部と、カーボンブラック０．８重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール３重量部を添加する。そして、水を加えながら４０％の濃度のスラリー状態に構成する。
次に、このスラリーをボールミルの内で１２時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が８０×１０^−６ｍの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、１２０MPaの圧力で圧縮成形する。
この成形体を次の工程で焼結して焼結体に形成するが、焼結工程中の仮焼結時にポリスチレンビーズを分解・昇華して球状の気孔に形成する。この焼結体を研磨加工して摺動面に気孔を設けた試験用摺動部品を得る。この摺動面の気孔は図１のカーボン粒子が消滅したような球状を任意に切断したものが多数点在する。
この炭化珪素焼結摺動部品を比較例として用いるために試験用固定摺動部品と試験用回転摺動部品に製作した。
【００３０】
図４の摺動試験機に、本発明の試験用固定摺動部品２１と試験用回転摺動部品２５を取り付けて試験した。この試験条件は、
１）被密封流体・・・水
２）摺動面の周速・・・６．３ｍ／ｓ
３）摺動時間・・・７０時間
４）被密封流体の温度・・・８０℃
５）摺動面圧・・・０．８ＭＰａである。
【００３１】
この実験により摺動部品の摺動面の摩耗量を試験した。その結果は以下の通りである。
Ａ．本発明の摺動部品の試験結果。
本発明の試験用固定摺動部品２１は、０．２×^１０−６ｍの摩耗量である。
本発明の試験用回転摺動部品２５は、０．３×^１０−６ｍの摩耗量である。
Ｂ．比較例の摺動部品の試験結果。
比較例の試験用固定摺動部品２１は、０．４×^１０−６ｍの摩耗量である。
比較例の試験用回転摺動部品２５は、０．４×^１０−６ｍの摩耗量である。
特に、高負荷条件になると、本発明の摺動部品１の摩耗量が増加しないのに対し、比較例の摺動部品１の摩耗量が増加する傾向にある。
そして、本発明の摺動部品１は、高負荷においての摩擦係数が小さく、且つ摺動面の平面度が保持される。その結果、メカニカルシール等に利用してシール能力の点でも優れた効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係わる摺動部品によれば、請求項１から２に記載した構成により、摺動面のカーボン粒子の上面を酸素雰囲気中の燃焼により気孔に形成すると共に、カーボン粒子に微細気孔部を形成しているので、摺動面の気孔内に存在する潤滑液が減少するにつれてカーボン粒子に含浸した潤滑液が摺動と共に、含浸したスポンジから吹き出すように摺動面に浸みだして潤滑作用を発揮する効果が期待できる。
【００３３】
更に、摺動面に近いカーボン粒子の摩耗したカーボン粉末を摺動面に介在させて摺動面の摩擦係数を低減させると共に、カーボン粒子に保持されることにより炭化珪素のカーボン粒子と結合する気孔の縁が摩耗粉末として摺動面に介在しないようになり、摺動面の摩耗を防止する効果が発揮される。
同時に、気孔の縁が重負荷の摺動時に破損するのを気孔の縁に接着するカーボン粒子により保護するとともに、カーボン粒子から生じるカーボン粉末により摺動面の摩擦係数が低減する効果を奏する。
【００３４】
更に、本発明に係わる摺動部品の製造方法によれば、焼結工程に於いて樹脂粒子を高温熱により昇華放散して気孔を成形するものではないから、樹脂昇華ガスにより焼結炉内が汚染されるのを効果的に防止できる。叉、この汚染防止のために設備投資が不用となるから設備投資のコストを低減できる。
更に、摺動面のカーボン粒子における気孔は大気中で数分から数十分加熱するだけで気孔が形成できるから生産コストが低減できる効果を奏する。
更に、カーボン粒子の材料は低コストであり、気孔を成形のための設備は焼結炉を再利用できるので設備投資を不用にし、生産コストを低減できる。
そして、カーボン粒子の気孔の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に酸化させて焼失するものであるから、加熱時間の管理で気孔の深さを決定できるので、気孔の設計が容易であり、気孔の深さにより摺動抵抗を設計通りに低減可能になる効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、途中工程の焼結体を研磨した一部の加工面を示す断面図である。
【図２】本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、摺動部品の摺動面を示す一部の断面図である。
【図３】本発明に係わる摺動部品の試験機の断面図である。
【図４】従来例の摺動部品の摺動面の正面図である。
【符号の説明】
１摺動部品
２焼結体
２Ａ焼結一体面
３摺動面
３Ａ加工面
１０カーボン粒子
１０Ａ微細気孔部
１１凹面（気孔）
２１試験用固定摺動部品
２２ガスケット
２３ケーシング
２４回転軸
２５試験用回転摺動部品
２６パッキン
２７ばね
Ｓ被密封流体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sliding component with improved lubricity of sliding surfaces such as a mechanical seal, a bearing, and a piston ring. In particular, the present invention relates to a sliding component in which the friction coefficient of the sliding surface is reduced to reduce the amount of wear.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Publication No. 5-69066 exists as a prior art of sliding parts according to the present invention.
The sliding component described in this publication is a sintered product of porous silicon carbide, and is attached as one or both seal rings of a mechanical seal. The mechanical seal is used for a pump or a refrigerator to seal a liquid such as water.
[0003]
In this mechanical seal, a sliding part is used as a seal ring, and a fixing ring is made of silicon carbide or carbon material. The high pressure P1 side and the low pressure P2 side are sealed by the close contact between the seal ring and the fixing ring.
This seal ring is a silicon carbide sintered body in which spherical pores having an average pore diameter of 0.010 to 0.040 mm are scattered in the crystal structure to improve the sliding characteristics.
[0004]
The pores formed on the sliding surface of the silicon carbide sintered body are those in which polystyrene beads are added before sintering, and the pores are formed by decomposition and sublimation during temporary sintering. For this reason, silicon carbide sintered bodies are interspersed as pores are chained in crystal grains. And there exists a possibility that the to-be-sealed fluid may continuously permeate the pores and leak to the outside. Further, since the pores are formed in a spherical shape, the depth from the surface becomes deep. As a result, the load capacity decreases, and the amount of wear increases under severe sliding conditions.
In addition, since the pores in this silicon carbide sintered body are a sintered body of only silicon carbide, the pores do not have moisture retention, and the inside of the pores tends to become dry as the sliding surface generates heat. For this reason, there is a problem because the durability of the lubricating effect cannot be expected.
In this manufacturing method, polystyrene beads are sublimated and diffused by heat during sintering, and the sublimation gas of the beads adheres in the sintering furnace or in the passage to induce contamination. Various improvements have been made to solve this problem, but no effective technical and cost problems can be found.
[0005]
In addition, if the pores scattered on the sliding surface of the seal ring slide under severe conditions with the fixed ring made of silicon carbide material, it will break from around the pores of the seal ring, and the powder will intervene on the sliding surface. This will promote wear of the sliding surface. In addition, when the fixing ring is made of carbon material, the sliding surface of the carbon material can be scraped off during sliding due to the pores of the seal ring. The flatness of the sliding surface of the ring deteriorates.
[0006]
Next, there is a mechanical seal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-161368 as an improvement in the above-described reduction in strength of the sliding component and leakage of the sealed fluid.
This mechanical seal is configured in the same manner as the above-described mechanical seal. The sliding surfaces of the fixed ring held by the housing and the driven ring 100 shown in FIG. 5 fixed to the rotating shaft come into close contact with each other to seal the sealed fluid.
[0007]
A large number of recesses 105 are formed on the sliding surface 101 of the driven ring 100. The recess 105 has a minimum width of 30 × 10 ⁻⁶ m to 100 × 10 ⁻⁶ m and a maximum width of 60 × 10 ⁻⁶ m to 500 × 10 ⁻⁶ m. The dimensional ratio of the maximum width is set to be twice or more. As shown in FIG. 5, the recess 105 is formed so as to be inclined with respect to the rotation direction of the sliding surface 101.
[0008]
The recess 105 is intended to be lubricated by fluid that has entered between the sliding surface 101 of the driven ring 100 and the sliding surface of the fixed ring. The fluid that has entered from the outer peripheral side of the driven ring 100 is supplemented and stored in the concave portion 105 before reaching the inner peripheral end side. The stored fluid moves toward the outer periphery of the recess 105 depending on the viscous action and the rotation direction of the driven ring 100. In this way, the fluid to be sealed is returned to the outer peripheral end side of the sliding surface by being sequentially repeated.
[0009]
By the way, such a concave portion 105 pushes the sealed fluid outward by the pumping action of the concave portion 105, so that the lubricating liquid is eliminated on the sliding surface. Furthermore, since the recess 105 is directly formed of silicon carbide, the bottom surface of the recess 105 has no lubricating liquid adsorption action, and it is difficult to hold the lubricating liquid on the sliding surface for a long period of time.
The disappearance of the lubricating liquid on the sliding surface promotes wear as well as heat generation on the sliding surface, and eventually destroys the edge of the recess 105. When the breakage of the edge of the recess 105 starts, the powder intervenes on the sliding surfaces and rapidly wears both sliding surfaces.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the problem to be solved by the invention is to retain a lubricating liquid on a sliding surface to achieve a lubricating action and to reduce a friction coefficient. At the same time, the planar accuracy of the sliding surface is maintained and the sealing ability by the sliding surface is improved. Furthermore, it is to prevent the sliding surface from being worn and damaged under high load and severe sliding conditions, and to improve the durability of the sliding surface.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the technical problems as described above, and means for solving the technical problems are configured as follows.
[0012]
The sliding component of the present invention according to claim 1 is a sliding component for a mechanical seal of a sintered body of silicon carbide whose sliding surfaces slide relative to each other, and the sliding component is a sliding surface by sintering. interspersed with having carbon particles, it has an inner peripheral portion concave surface recessed from the sliding surface formed by heat treatment of the sliding surface side of the surface of the carbon particles, and the sliding surface of the carbon particles Only the surface layer has porous fine pores.
[0013]
In the sliding component of the present invention according to claim 1, the surface portion (also referred to as a surface layer) of the carbon particles on the sliding surface is burned to form a concave surface on the surface and a porous fine pore portion on the surface layer. Therefore, as the lubricating liquid present in the concave surface of the sliding surface decreases, the lubricating liquid stored in the fine pores of the carbon particles is ejected with the sliding and exerts a lubricating action.
Furthermore, before the edge surrounding the silicon carbide carbon particles is damaged under high load, carbon powder with worn carbon particles is interposed in the sliding surface to reduce the friction coefficient of the sliding surface and reduce the friction coefficient. The peripheral portion surrounding the carbon particles of silicon carbide is prevented from being damaged and interposed on the sliding surface . Furthermore, to prevent damage to the peripheral edge to hold the peripheral edge portion which is bound to the carbon particles of silicon carbide with carbon particles. At the same time, only the surface layer of the carbon particles of the sliding surface of the sintered body porous to form a (fine pores) shaped and microporous portion and the concave improves the overall strength of the sintered body, as in the prior art effectively prevent the sealed fluid and lubricating liquid inside the pores of the sintered body which is formed during sintering to outflow to the outside to penetrate into, Ru can improve the sealing ability of the sealing fluid .
[0014]
Those sliding element of the present invention relating to claim 2, concave that depth to the bottom surface of the concave form the dish shape is formed from 2 × 10 -6 ^m in the range of 15 × 10 ^-6 m It is.
[0015]
The sliding component of the present invention relating to the Claim 2, when a shallow concave bottom in the carbon particles of the sliding surface, with the load capacity for the heavy weight is increased, the peripheral edge which binds to the carbon particles of silicon carbide It is possible to effectively prevent the portion from being damaged. Further, by containing a lubricating fluid to the micropores of the carbon particles, even if the lubricating liquid pooled in the concave is small, the Rukoto stored in the fine pores portion formed near the sliding surface, with the sliding It is possible to flow out of the fine pores .
Further, the concave surface and the fine pores in the sliding surface of the sliding component lower the friction coefficient of the sliding surface, and even if silicon carbide worn powder is generated, the carbon particles are within the concave surface. It effectively prevents it from entering and directly interposing on the sliding surface.
[0016]
Method for producing a sliding component of the present invention relating to Claim 3, 1 00 relative to the silicon carbide fine powder of parts, from 1 carbon particles having a particle size of 20 × ^{10 -6} m from 300 × ^{10 -6} m 12 parts by weight are mixed, the mixed powder is formed into a sintered body by molding and sintering , the sintered body is processed to provide a sliding surface on the surface, and the sintered body is heat treated in a gas atmosphere. and, to form the porous fine pores portion in the surface layer to burn off the surface of the carbon particles is obtained by forming a concave surface on the inner peripheral side of the surface of the carbon particles.
[0017]
The sliding component of the manufacturing method of the present invention according to claim 3 and in no way to mold the pores of the resin particles to dissipate with sublimated by high temperature at the sintering step, a sintering furnace by resin sublimation gas The inside can be effectively prevented from being damaged or contaminated at high temperature . For the purpose of this pollution prevention, etc., it can be made unnecessary capital investment and repair of high cost.
Furthermore, porous microporous portion of the carbon particles of the sliding surface is only heated several minutes to several tens of minutes at a low temperature of 800 ° C from 500 ° C in the atmosphere, the surface layer is microporous and recesses formed Therefore , the heating cost such as electric power of the combustion furnace is low , and the production cost of the sliding parts can be reduced.
Further, the material of the carbon particles is low-cost, and the combustion gas for forming porous fine pores and recesses in the surface layer of the carbon particles is the atmosphere, and the combustion furnace is an inexpensive facility such as a sintering furnace. Production costs can be reduced.
And since the depth of the concave surface of carbon particles is what burns the surface of a carbon particle gradually, the depth of a concave surface can be managed with heating temperature and time. For this reason, the concave surface can be easily designed. Moreover, since the surface layer of the carbon particles is changed to the fine pore portion by combustion is heated, Ru can be formed in excellent shape adsorption of the lubricating fluid.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a sliding part according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention, and is a partial cross-sectional view showing a state during a polishing process for forming a sliding surface on a sintered body. FIG. 2 is a cross-sectional view of a sliding component in which pores are formed on the sliding surface by heating the sintered body of FIG. 1 and 2 are drawn on the basis of micrographs. Further, FIG. 3 is a half sectional view of a testing machine for testing the sliding component shown in FIG.
[0019]
1 and 2, first, a method for manufacturing the sliding component 1 according to the first embodiment will be described.
The first stage of the manufacturing method of the sliding component 1 is a particle size of 35 × 10 ^{−6 with} respect to 100 parts by weight of silicon carbide powder having a particle size of 0.4 × 10 ^{−6 to} 0.8 × 10 ⁻⁶ m. 5 parts by weight of carbon particles 10 having a size of about 45 × 10 ⁻⁶ m are mixed, and 0.3 part by weight of boron carbide powder and 0.8 part by weight of carbon black are mixed as a sintering aid. Furthermore, 3 parts by weight of polyvinyl alcohol is added as a molding binder. And it is comprised in the slurry state of a 40% density | concentration, adding water.
What is important in this process is the shape and amount of carbon particles 10 added. The size of the carbon particles 10 may be in the range of 20 × 10 ^{−6 to} 300 × 10 ⁻⁶ m, and the shape is preferably spherical. However, the carbon particles 10 are not limited to the spherical shape, and the effects are exhibited in other shapes as well as the spherical shape. In addition, the amount of carbon particles 10 added is preferably 1 to 12 parts by weight. Furthermore, the carbon particles 10 can be increased to 0.6 to 15 parts by weight. However, if the carbon particles 10 are excessively increased to 15 parts by weight or more, there is a problem in terms of strength as the sliding component 1.
[0020]
Next, this slurry is kneaded for 12 hours in a ball mill, and formed into a granule for molding having an average diameter of 80 × 10 ⁻⁶ m by a spray dryer. The granule for sintering is filled in a molding die and compression molded at a pressure of 120 MPa.
Further, the compact is sintered in an argon gas atmosphere at a temperature of about 2100 ° C. for 2 hours. By sintering for about 2 hours, the carbon particles 10 can be dispersed and contained in the silicon carbide structure to obtain a dense sintered body of silicon carbide.
[0021]
Further, the sintered body of silicon carbide is polished to form a processed surface 3A corresponding to the sliding surface 3 as shown in FIG. The processed surface 3A may be polished or lapped.
As shown in FIG. 1, the sintered body 2 of silicon carbide has a large number of carbon particles 10 scattered therein. However, the carbon particles 10 are processed by polishing finish to form a processed surface on a semicircular upper surface as shown in FIG. 3A is formed. It is further preferable that when the sintered body 2 is polished, the surface of the carbon is recessed by a minute dimension due to the hardness difference between the silicon carbide and the carbon material.
[0022]
The polished sintered body 2 is put into a preheating furnace, and the temperature of the sintered body 2 is increased at a rate of 360 ° C./h in an air atmosphere containing oxygen in the furnace. The temperature is raised to 700 ° C and heated at that temperature for about 6 minutes. Thereafter, the sintered body 2 is gradually cooled in the furnace. The cooled sintered body 2 becomes the sliding component 1. FIG. 2 shows a cross section of one carbon particle 10 of the sliding component 1.
[0023]
In FIG. 2, a large number of carbon particles 10 are scattered in the sintered body 2 of silicon carbide. FIG. 2 shows a cross section of one of the carbon particles 10. When the carbon particles 10 are heated in a gas atmosphere containing oxygen from the state of the sintered body 2 in FIG. 1 at a temperature in the range of 500 ° C. to 800 ° C., the processed surface 3A of the carbon particles 10 burns. A concave surface as shown in FIG. 2 (hereinafter, the concave surface is a pore that is recessed as small as the shape shown in FIG. 2 and is simply referred to as a pore) 11 is formed on the surface . The size of the pore 11 is such that the length dimension of the bottom plane is in the range of 20 × 10 ⁻⁶ to 300 × 10 ⁻⁶ m, and the depth H is 2 × 10 ⁻⁶ to 15 × 10 ⁻⁶ m. good.
[0024]
The depth H of the pores 11 is determined by managing the combustion time under a constant combustion condition. For example, when the depth H of the pores 11 is heated for 6 minutes in an air atmosphere at a temperature of 700 ° C., the pores 10 having a depth of 3 × 10 ⁻⁶ to 5 × 10 ⁻⁶ m are formed. The depth H of the pores 11 should not be so deep (22 × 10 ⁻⁶ m or more), and is at least smaller than the size of the planar dimensions of the pores 11. Furthermore, the fact that the pore depth H is shallow means that the burning time of the carbon particles is short, so that the combustion cost can be reduced. In addition, since the atmosphere of the gas in the furnace is sufficient in the atmosphere, the cost is low, the gas generation is small in a short time, the environment in the furnace is not deteriorated, and the life of the furnace is not reduced.
[0025]
At the same time, the fine pore portion 10 A is provided by forming a large number of fine pores due to oxidation on the upper surface of the carbon particles 10 (the surface layer). In the carbon particles 10, pores (concave surfaces ) 11 are formed by burning carbon with oxygen, and many fine pores are formed in the carbon particles 10 in the surface layer close to the pores 11 as a reaction step before combustion. Or microscopically by combustion of the processed surface 3A of the sintered body 2 also oxygen silicon carbide, the very fine pores or it is considered that carbon and combustion is formed. The fine pores in the surface layer of the carbon particles 10 refer to foams (porous) that are smaller than the pores.
By forming the pores 11 and the fine pore portions 10A on the sliding surface 3 side of the carbon particles 10, it becomes possible to impregnate the fine pore portions 10A with the lubricating liquid. Moreover, since the fine pores and carbon are also formed on the sliding surface 3 of silicon carbide, it is considered that the lubricity is improved by the moisturizing effect. Note that coupled during sintering in an atmosphere sintering integral surface 2A is not oxidized, for example in a vacuum, the temperature of 1900 from 2400 ° C in an argon gas atmosphere of carbon particles 10 and the sintered body 2 of silicon carbide .
[0026]
The sliding component 1 is manufactured as described above. The sliding component 1 can be used, for example, for a sealing ring of a mechanical seal, a sliding surface of a bearing portion of a bearing, or a sealing surface.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the sliding surface 3 in which the sliding component 1 is a sealing ring. A large number of carbon particles 10 are integrally scattered on the sliding surface 3. The carbon particles 10 are formed with pores 11 having a recessed depth H. The depth H dimension of the pores 11 is formed smaller than the planar width dimension of the pores 11. At the bottom of the pores 11 of the carbon particles 10, fine pores are scattered in a certain thickness range to form the fine pores 10 </ b> A.
The carbon particles 10 and the silicon carbide sintered body 2 are strongly integrated by sintering on the sintered integrated surface 2A.
[0027]
When the lubricating liquid is present on the sliding surface 3, the lubricating liquid is first stored in the pores 11. At the same time, the lubricant is impregnated in the fine pores 10A. Then, the lubricating liquid is supplied from the pores 11 when sliding. Further, when the lubricating liquid in the pores 11 is reduced, the lubricating liquid is supplied from the fine pore portion 10A, so that the sliding surface 3 is prevented from being worn by the lubricating effect.
Even if the sliding surface 3 is in a high load state, the sintered body 2 of silicon carbide and the carbon particles 10 are bonded to each other by the sintered integrated surface 2A and bonded to the carbon particles 10 of silicon carbide. The edges of the pores 11 are held by the carbon particles 10. Furthermore, since the edges of the pores 11 of the carbon particles 10 first intervene as wear particles before the edges of the silicon carbide pores 11 are damaged and interposed in the sliding surface 3, they are slid by the wear particles having lubricity. The friction of the moving surface 3 is reduced, and wear and damage of the sliding surface 3 are prevented.
[0028]
Next, the test piece of the sliding component 1 shown in FIG. 2 was tested with the sliding tester shown in FIG.
FIG. 3 is a half cross-sectional view of a sliding tester for testing the test piece. A casing 23 of the sliding tester is formed in an empty chamber so that a sealed fluid S, which is a test solution, can be placed therein. A rotating shaft 24 having one end fitted therein is provided in the empty chamber. A flange is provided at one end of the rotary shaft 24, and the test rotary sliding component 25 is elastically pressed through a spring 27 attached to the flange. A packing 26 is provided so that the sealed fluid W does not leak from the mounting surface of the test rotary sliding component 25.
On the other hand, the casing 23 is provided with a test fixed sliding component 21 at a position facing the test rotary sliding component 25. The test sliding member 21 is also provided with a gasket 22 so that the sealed fluid S does not leak from the mounting surface.
The test fixed sliding component 21 and the test rotary sliding component 25 are manufactured by processing the sliding component 1 shown in FIG. 2 of the present invention.
[0029]
Next, a silicon carbide sliding part of a comparative example will be described.
The method for manufacturing a sliding component, particle size ^{^{0.4 × 10 -6 ~0.8 × 10 -6}} m of the silicon carbide powder 100 parts by weight of particle size with respect to the 35 × ¹⁰ -6 ~45 × ¹⁰ ^{- While} mixing 5 parts by weight of ⁶ m polystyrene beads, 0.3 part by weight of boron carbide powder and 0.8 part by weight of carbon black are mixed as a sintering aid. Furthermore, 3 parts by weight of polyvinyl alcohol is added as a molding binder. And it is comprised in the slurry state of a 40% density | concentration, adding water.
Next, this slurry is kneaded for 12 hours in a ball mill, and formed into a granule for molding having an average diameter of 80 × 10 ⁻⁶ m by a spray dryer. The granule for sintering is filled in a molding die and compression molded at a pressure of 120 MPa.
This molded body is sintered to form a sintered body in the next step, and the polystyrene beads are decomposed and sublimated to form spherical pores during temporary sintering during the sintering process. The sintered body is polished to obtain a test sliding part having pores on the sliding surface. The pores on this sliding surface are dotted with a number of spherical shapes obtained by arbitrarily cutting the spherical particles of FIG.
In order to use this silicon carbide sintered sliding part as a comparative example, it was fabricated into a test sliding sliding part and a testing rotary sliding part.
[0030]
The test fixed sliding part 21 and the test rotary sliding part 25 of the present invention were attached to the sliding tester shown in FIG. This test condition is
1) Fluid to be sealed: water 2) Peripheral speed of sliding surface: 6.3 m / s
3) Sliding time: 70 hours 4) Temperature of sealed fluid: 80 ° C
5) Sliding surface pressure: 0.8 MPa.
[0031]
By this experiment, the amount of wear on the sliding surface of the sliding component was tested. The results are as follows.
A. The test result of the sliding component of this invention.
The test fixed sliding part 21 of the present invention has a wear amount of 0.2 × ^{10 −6} m.
The test rotary sliding component 25 of the present invention has a wear amount of 0.3 × ^{10 −6} m.
B. The test result of the sliding part of a comparative example.
The test fixed sliding component 21 of the comparative example has a wear amount of 0.4 × ^{10 −6} m.
The test rotary sliding component 25 of the comparative example has a wear amount of 0.4 × ^{10 −6} m.
In particular, under high load conditions, the amount of wear of the sliding component 1 of the present invention does not increase, whereas the amount of wear of the sliding component 1 of the comparative example tends to increase.
And the sliding component 1 of this invention has a small friction coefficient in high load, and the flatness of a sliding surface is hold | maintained. As a result, it is possible to obtain an excellent effect in terms of sealing ability when used for a mechanical seal or the like.
[0032]
【The invention's effect】
According to the sliding component according to the present invention, the upper surface of the carbon particles on the sliding surface is formed into pores by combustion in an oxygen atmosphere and the fine pores are formed in the carbon particles. As the lubricating liquid present in the pores of the sliding surface decreases, the lubricating liquid impregnated in the carbon particles slides and oozes out from the impregnated sponge so as to blow out from the impregnated sponge. We can expect effect to show.
[0033]
In addition, carbon powder with worn carbon particles close to the sliding surface is interposed in the sliding surface to reduce the friction coefficient of the sliding surface, and the pores bonded to the silicon carbide carbon particles by being held by the carbon particles. As a result, the effect of preventing wear of the sliding surface is exhibited.
At the same time, the edge of the pores is protected from being damaged by sliding under heavy load by the carbon particles adhered to the edge of the pores, and the friction coefficient of the sliding surface is reduced by the carbon powder generated from the carbon particles.
[0034]
Furthermore, according to the method for manufacturing a sliding component according to the present invention, the resin particles are not sublimated and dissipated by high-temperature heat in the sintering process to form pores. It is possible to effectively prevent contamination. In addition, since the capital investment is unnecessary for preventing the contamination, the cost of the capital investment can be reduced.
Furthermore, since the pores in the carbon particles on the sliding surface can be formed only by heating for several minutes to several tens of minutes in the atmosphere, the production cost can be reduced.
Furthermore, the carbon particle material is low-cost, and the equipment for forming the pores can reuse the sintering furnace, so that the equipment investment is unnecessary and the production cost can be reduced.
And since the pore depth of the carbon particles gradually oxidizes the surface of the carbon particles and burns away, the pore depth can be determined by managing the heating time, so the pore design is easy. It can be expected that the sliding resistance can be reduced as designed by the depth of the pores.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment according to the present invention and showing a part of a processed surface obtained by polishing a sintered body in an intermediate process.
FIG. 2 shows a first embodiment according to the present invention and is a partial cross-sectional view showing a sliding surface of a sliding component.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sliding part testing machine according to the present invention.
FIG. 4 is a front view of a sliding surface of a conventional sliding component.
[Explanation of symbols]
1 Sliding parts
2 Sintered body
2A Sintered integrated surface
3 Sliding surface
3A machined surface
10 Carbon particles
10A fine pores
11 concave surface ( pores )
21 Fixed sliding parts for testing
22 Gasket
23 Casing
24 Rotating shaft
25 Rotating sliding parts for testing
26 Packing
27 Spring
S Sealed fluid

Claims

A sliding part for a mechanical seal of a sintered body of silicon carbide whose sliding surfaces slide relative to each other , the sliding part having carbon particles scattered on the sliding surface by sintering , has the sliding surface side concave surface recessed from said sliding surface which is formed by heat treatment in the inner peripheral portion of the surface of the carbon particles, and porous only in the surface layer of the sliding surface of the carbon particles Sliding parts with fine pores.

2. The slide according to claim 1, wherein the concave surface has a dish shape and a depth to the bottom surface of the concave surface is in a range of 2 × 10 ⁻⁶ m to 15 × 10 ⁻⁶ m. Moving parts.

1 to 12 parts by weight of carbon particles having a particle size of 20 × 10 ⁻⁶ m to 300 × 10 ⁻⁶ m are mixed with 100 parts by weight of silicon carbide fine powder , and the mixed powder is molded and sintered. by the sintering to form a sintered body, a sliding surface provided on the surface by processing the sintered body, the sintered body was heat-treated in a gas atmosphere, the surface was burned off the surface of the carbon particles A manufacturing method of a sliding component , wherein a porous fine pore portion is formed in a layer and a concave surface is formed on an inner peripheral side of the surface of the carbon particles .