JP4977033B2 - メカニカルシールリング - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールリング、とくに、固定リングと回転リングの少なくとも何れか一方に自己潤滑物質を分散させた硬質材料からなるメカニカルシールリングに関する。

メカニカルシール自体は、特許文献１に記載のとおり古くから知られているもので、ポンプの回転軸がケーシングを貫く部分において、ケーシング内の流体が外部に漏れたり、ケーシング内へ吸気するのを防ぐ軸封装置として用いられており、しゅう動端面は膜厚の薄い流体を介した液体潤滑を行うので、固体接触が生じず、摩擦係数が小さく、かつ接面圧力も小さいため、動力の損失が少なく、メンテナンスフリーであること等の利点があることが知られている。

メカニカルシールの寿命特性や負荷能力性能は固定リングと回転リングの両シールリングのしゅう動特性によって決定される。これらシールリングとしては、特許文献２に記載のように、一方には、化学的に安定して、高い機械的強度を有し、かつ耐摩耗性の高い超硬合金やセラミックス等の硬質材が用いられ、他方にはしゅう動特性に優れたカーボンが選定される場合が多いが、封止流体中へ砂などの硬質材やスラリーが含有される場合や、流体の粘度が低いあるいは揮発性が高く流体潤滑膜が維持しにくい環境においては、硬質材料同士の組み合わせが用いられる。

メカニカルシールは流体潤滑下で使用されるが、負荷条件が高い高圧力下や流体の種類によっては、流体潤滑膜の維持に差が生じ、潤滑環境が、流体潤滑から境界混合潤滑、さらには、固体境界潤滑領域へ移行する場合がある。

そのため、シールリングのしゅう動特性、特に流体潤滑膜保持性能と高圧力（高ＰＶ値）下でのしゅう動特性を向上させるため、最適材種の選定や、表面形状などに関する様々な取り組み長年行われてきた。

たとえば、特許文献３には、シールリングの固定リングとして、炭化珪素またはカーボン材製を用い、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せしめてしゅう動特性を改良したものが示されており、さらに、特許文献４には、しゅう動面に気孔縁面にカーボン部が接着した気孔（マイクロピット）を形成したシールリングが示されている。

さらには、非特許文献１には、このメカニカルシールのしゅう動面におけるマイクロピットの存在は、流体潤滑から混合潤滑へと移行する荷重を高める効果があること、その好ましいピットのパターンは大きい面積比とより低い（深さ／直径）比にあること、また、非特許文献２には、ピットの断面形状は、矩形よりも正弦波形の方が負荷能力が高い、またマイクロピットの配置は、ｘ−方向の間隔が広い方、ｙ−方向の多い方が負荷能力が高い、さらには、ピット深さの増大に伴い、膜厚形成能力は低くなることが開示されている。
特開昭５７−１６１３６８号公報 特開２０００−１７０９２４号公報 特公平５−６９０６６号公報 特開２００４−６０７３８号公報 X. Wang, and K. Kato (2002), The Lubrication Effect of Micro-Pits on Parallel Sliding Face of SiC in Water, Tribology Transaction, Vol.45, No.3, pp294-301 日本機械学会講演論文集 Ｎｏ．０３８−１

ところが、上記それぞれの特許文献、とくに、特許文献４に開示された球状カーボンを分散させた超硬合金について述べると、分散させたカーボンが焼結時に硬質材料である炭化タングステンや結合層であるコバルトなどに固溶し、カーボンが球形状を維持することが困難であり、ポアの形成によってカーボンが消耗し、カーボンに覆われたマイクロピットが形成されないという問題がある。

また、非特許文献１では、マイクロピットを形成するために、レーザー加工を行っているが、この手法では、レーザーが均一に照射されるため、断面が矩形上の凹状のピットが形成され、レンズ状のマイクロピットを形成することはできない。また、メカニカルシールのシールリングのしゅう動面へのマイクロピットの形成は、しゅう動面を所定の光沢面表面粗さに研磨したのち化学的あるいは機械的な二次処理によって凹凸面を形成している。この二次処理による凹凸面の形成は、ピットの断面が矩形となるために上記負荷能力の高いマイクロピットを得るためには効率が悪い。

本発明が解決しようとする課題は、メカニカルシールのしゅう動面において、負荷能力が高い形態の均一に分散したマイクロピットを、具体的には、直径が５μｍ以上３０μｍ以下で、深さ／直径比が０．０１以上０．３以下の凹レンズ状のマイクロピットが均一に分散されているメカニカルシールリングを高能率で得るための手段を提供することにある。

本発明は、回転リングと固定リングの少なくとも何れか一方が、実質的に気孔を含まない自己潤滑物質を分散した硬質材料によって形成され、且つ、しゅう動面には、直径が５μｍ以上３０μｍ以下で、深さ／直径比が０．０１以上０．３以下の凹レンズ状のマイクロピットが均一に分散されているメカニカルシールリングを、二次加工を施すことなく、鏡面仕上げのみによって形成することを特徴とする。

本発明のメカニカルシールは、流体潤滑状態において、流体が平坦表面からしゅう動面に存在するマイクロピットの微細な凹みの影響により内部へ流れ入る際に、互いにしゅう動する２面間の距離が拡大されて圧力が低下するものの、マイクロピットから平坦面へと流れ出る際、再び互いにしゅう動する２面間の距離が縮小し圧力が上昇する。

通常、２面間を流れる流体は、流路拡大による圧力損失より、流路収束による圧力上昇の値が大きい。そのため、しゅう動表面に形成されたマイクロピットの形状が、流体が内部をよどみなくスムーズに流れる形状、つまり、浅く、レンズ形状をしている場合には、マイクロピットによる圧力上昇値が大きくなる。

このように、本発明のメカニカルシールは、マイクロピットによって発生した圧力により、互いにしゅう動する２面間を反発させる力が強くなるため、ＰＶ値が高くなっても２面間に安定した距離を保つことができ、安定した潤滑膜の形成を維持することができる。これに対して、従来のポア分散超硬合金の場合、形成されるピットの深さが、面積に対して深く、そのため、流体に乱流が生じ、液体を介して、２面間を反発する力が弱くなり、ＰＶ値が上がると良好な液体潤滑が維持できない。

レンズ状のマイクロピットの径は、５μｍ未満の場合は、圧力上昇効果が現れず、また、３０μｍを超えると流体に乱流が生じやすくなり、また、硬質材料の強度も低下する。したがって、レンズ状のマイクロピットの径は、５〜３０μｍにおいて、圧力上昇効果が充分に得られ、硬質材料の強度低下も少ない。

また、レンズ状のマイクロピットの深さ／直径比が０．０１未満の場合には、ピットが浅すぎて、流体の圧力上昇効果が充分発揮できない。また、０．３を超えると、流体の流れに乱流が起こり、リング間の圧力が低下する。したがって、マイクロピットの深さ／直径比が０．０１〜０．３において、レンズ状の形状と相俟って、流体を介した圧力の上昇が起き、流体膜を維持する効果が高くなる。

また、相対する２平面が、さらに高い圧力で押さえつけられ、直接接触を伴う境界潤滑においては、メカニカルシール中に分散された自己潤滑物質の作用により、トルクが急激に上昇しない。

本発明において、施される鏡面仕上げは、通常のラップ加工のような機械的手段によって、表面粗度が、Ｒａで０．００３μｍ以下になるように鏡面加工を行う。

硬質材料としては、通常の超硬合金、炭化物、窒化物、酸化物などのセラミックスを用いることができる。超硬合金の場合、炭化タングステンを基とし、コバルト、ニッケルの少なくとも１つを結合層とし、結合層が１質量％以上３０質量％以下の配合のものを使用することができ、また、炭化物、窒化物、酸化物の少なくとも１つからなるセラミックスからなる硬質材料も使用することができる。とくに、硬質材料として通常のラップ加工によって、平滑面を得るためには、Ｃｏ，Ｎｉ等の金属バインダを含まないバインダレス超硬合金が好ましい。このバインダレス超硬合金硬質材料としては、炭化タングステンを基とし、ＴｉＣ、ＴａＣの少なくとも１つと固溶合金化し、ＴｉＣあるいはＴａＣの合計が１質量％以上３０質量％以下のものが使用できる。

また、硬質材中に分散した自己潤滑物質としては、黒鉛、窒化ホウ素、二硫化タングステン、および二硫化モリブデン等であり、最終的に得られるマイクロピットの径と深さ／直径比とから、１５〜２０μｍの球形であることが好ましく、分散量は５〜３０体積％であることが望ましい。

硬質材料が、自己潤滑物質を固溶しやすい場合には、焼結時に自己潤滑物質が結合層に固溶しないよう、固溶元素量を固溶限界内になるように調整し、焼結後も上記サイズの自己潤滑物質が得られるように調整を行う。

このように、自己潤滑物質を分散した硬質材のしゅう動面に、鏡面仕上げ施すことによって、超硬合金の表面に分散して存在する自己潤滑物質は、母材より硬度が低いため選択的に研磨され、断面が凹レンズ状の所定の径と深さを有するマイクロピットが形成される。

本発明によって、シールリングの基材である硬質材料に自己潤滑物質を分散したものに、単に通常の鏡面加工を施すだけで、格別の二次加工を施すことなく流体潤滑を持続させるための理想状態に近いマイクロピットを形成することができる。

さらに、相対する２平面が直接接触する境界潤滑領域においても、トルクが急激に上昇することがない。

このようなシールリングは、ポンプに、（１）封止圧力が高くなるため、高圧での使用が可能、（２）短時間であれば、乾式での使用が可能、といった特徴を付与する。

以下、実施例によって本発明の実施の形態を説明する。

回転側試験片には、一般にシール材として用いられるＷＣ−５質量％ＴｉＣ−２質量％ＴａＣバインダレス超硬合金を適用し、固定側試験片には、以下に示す４種類を用いた。

実施例として、回転側と同じ超硬合金に直径１５−２０μｍの実質的にポアを含まない球状カーボンを１５容積％含むカーボン分散超硬合金を用いた。

比較例１として、回転側と同じ超硬合金を用いた。

比較例２として、直径１５−２０μｍの球状気孔を１５容積％含むポア分散超硬合金を用いた。

比較例３として、内部にポアを有する実施例と同じカーボン分散超硬合金を用いた。

それぞれのしゅう動面に、６００番程度研削砥石で表面粗さがＲａ１．６μｍの平坦面となるような加工を施した後、粒度が３０μｍ、９μｍ、３μｍの順にダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工によって、Ｒａ０．００３μｍ以下になるように鏡面仕上げを行った。

この結果、しゅう動面には、それぞれ、図１に示すマイクロピットを形成した。同図（ａ）は、実施例の場合を示し、所定の径と深さ／直径比を有する断面がレンズ状であって内面にカーボンの皮膜ｃを有するマイクロピットｐが均一に分散したしゅう動面を有する。

同図（ｂ）は、比較例１のしゅう動面を示し、マイクロピットは形成されていない。

同図（ｃ）は、比較例２のしゅう動面を示し、均一性に欠け、比較的深い不均一マイクロピットｐが形成されている。

さらに、同図（ｄ）は、比較例３のしゅう動面を示し、個々のマイクロピットの形態は、実施例の場合と同様に、内面にカーボンの皮膜ｃを有するマイクロピットｐが形成されているが、深く且つ均一性に欠けたものである。

それに対し、本発明のカーボン分散超硬合金のしゅう動面にあるピットは、しゅう動面に露出しているカーボン部分の面積にかかわらず、最大でも深さが２μｍ以下である。

表１に、これら供試材の機械的特性を示す。

図２に示すシール試験機によりしゅう動特性を評価した。同図において固定側試験片１は、液槽２の底部中央に取り付けられ、回転側試験片３は回転軸４に固定する。両試験片（リング形状）の中央部は、液槽２とつながっており、純水が封入されている。両試験片は、装置上部の錘５によって密着しており、回転リングは周速７．１ｍ／ｓ（６０５０ｒｐｍ）で回転する。

装置上部に載せる錘５を段階的に重くし、その際、生じるしゅう動トルクと、固定側試験片１のしゅう動面下１ｍｍの温度を測定し記録した。錘５の重さを変えることにより荷重を変え、一回の実験時間は５分とした。

図３に、それぞれの試験片のＰＶ値（速度と圧力の積）に対する最大しゅう動トルクと、しゅう動面下１ｍｍでの最大温度の挙動を示す。同図に示すように、比較例１においては、ＰＶ値が８．６ＭＰａ・ｍ／ｓのとき、比較例２においては、１４．５ＭＰａ・ｍ／ｓのときそれぞれ最大しゅう動トルクが急上昇していることが分かる。比較例３は、流体潤滑状態から混合潤滑状態に移行する際のＰＶ値は、比較例２と同様に低い値になっているものの、混合潤滑時からはカーボンによる潤滑能が有効に働いており、比較例２よりも摩擦が少なくなっている。

これに対して、本発明に係る実施例の場合は、ＰＶ値が１６．７ＭＰａ・ｍ／ｓから最大しゅう動トルクが徐々に上昇し、２６．７ＭＰａ・ｍ／ｓのとき通常超硬合金の最大しゅう動トルクとほぼ同値に達している。また、混合潤滑時においては、カーボンによる潤滑能が有効に働いており、比較例１、比較例２よりも最大トルクの上昇値が小さい。

また、図３より、温度上昇はトルク値上昇には密接な関係がある。通常、何らかの固体接触が生じた場合、しゅう動時の温度が上昇する傾向にあることが明らかになった。

実験後、各供試材のしゅう動面を観察した結果、これらから、実験後の各比較例は、実験後のしゅう動面にしゅう動痕があることが確認された。それに対し、本発明の場合、固定側試験片のしゅう動面に僅かながらしゅう動痕が確認されるものの、回転側リングのしゅう動動面には存在しなかった。

図３において、トルクもしくは温度が上昇した部分は、液体潤滑から混合潤滑へと移行した部分であると考えられる。つまり、本発明のカーボン分散超硬合金（実施例）、通常超硬合金（比較例１）、ポアを含むカーボン分散超硬合金（比較例３）およびポア分散超硬合金（比較例２）の順で、流体潤滑から混合潤滑へと移行する時のＰＶ値が高いことになる。言い換えると、上記実施例によって得られたメカニカルシールリングは、液体潤滑を荷重がかかった場合でも液体潤滑の状態を保つことができ、さらに、境界潤滑に移行してもその摩耗は緩やかに増大する。

なお、上記実施例においては、硬質材料としてバインダレス超硬合金を使用し、自己潤滑物質としてカーボンを使用した例について説明したが、それぞれ、他の超硬合金またはセラミックス、他の自己潤滑物質を使用した場合も同様の効果が得られた。

それぞれの供試材において形成されたマイクロピットの形態を示す。 しゅう動特性を評価するためのシール試験機を示す。 それぞれの供試材のＰＶ値と最大しゅう動トルクとしゅう動面下１ｍｍでの最大温度の関係を示す。

符号の説明

１ 固定側試験片
２ 液槽
３ 回転側試験片
４ 回転軸
５ 錘

Claims (6)

1. 回転リングと固定リングの少なくとも何れか一方が、自己潤滑物質を分散した硬質材料によって形成され、且つ、しゅう動面にはマイクロピットが形成されているメカニカルシールリングであって、
   前記しゅう動面に形成されたマイクロピットは、実質的に気孔を含まない自己潤滑物質を分散した硬質材料の鏡面仕上げのみによって形成されたものであって、直径が５μｍ以上３０μｍ以下で、深さ／直径比が０．０１以上０．３以下の凹レンズ状であって、且つ、均一に分散されているメカニカルシールリング。
2. 鏡面仕上げが硬質砥粒によるラップ加工であって、凹レンズ状のマイクロピットは、硬質材料に分散された自己潤滑物質が選択的に摩耗して得られたものである請求項１に記載のメカニカルシールリング。
3. 硬質材料は、炭化物、窒化物、および酸化物の中の少なくとも１種からなるセラミックスである請求項１に記載のメカニカルシールリング。
4. 硬質材料は、炭化タングステンを基とし、ＴｉＣあるいはＴａＣを合計で１質量％以上３０質量％以下含み、且つ、金属バインダを実質的に含まないバインダレス超硬合金である請求項１に記載のメカニカルシールリング。
5. 硬質材料は、ＣｏあるいはＮｉからなる結合層を１質量％以上３０質量％以下含む超硬合金である請求項１に記載のメカニカルシールリング。
6. 自己潤滑物質は黒鉛、窒化ホウ素、二硫化タングステン、および二硫化モリブデンの中の少なくとも１種からなる請求項１に記載のメカニカルシールリング。

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