JP5626715B2 - Sliding member and mechanical seal - Google Patents

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Description

本発明は、メカニカルシールなどに用いて好適な摺動部材と、これを用いたメカニカルシールに関し、さらに詳しくは、基材とコーティング膜との密着性を向上させ、しかも耐摩耗性に優れた摺動部材、その製造方法およびこれを用いたメカニカルシールに関する。   The present invention relates to a sliding member suitable for use in a mechanical seal and the like, and a mechanical seal using the same. More specifically, the present invention relates to a sliding member that improves the adhesion between a substrate and a coating film and has excellent wear resistance. The present invention relates to a moving member, a manufacturing method thereof, and a mechanical seal using the same.

メカニカルシールは、各種回転機械の軸封部に使用される代表的な密封(シール)装置である。具体的には、回転軸と共に回転する摺動部材と、回転しない固定側に設けられた摺動部材とが、対面する端面同士で密接摺動することで、被密封流体の漏洩を防いでいる。   The mechanical seal is a typical sealing device used for a shaft seal portion of various rotating machines. Specifically, the sliding member that rotates together with the rotating shaft and the sliding member provided on the fixed side that does not rotate slide closely against each other at the facing end faces, thereby preventing leakage of the sealed fluid. .

たとえば、気体やミストなど雰囲気が乾燥または半乾燥条件で使用されるメカニカルシールの場合、シール液の潤滑性が期待できない。そのため、対面する二材料(回転側摺動部材および固定側摺動部材)のうち、軟質側部材の材料には、自己潤滑性、耐摩耗性等の特徴からカーボン材料や黒鉛、ガラス繊維、炭素繊維等の骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)系材料が一般的に使用されている。一方、硬質側部材の材料には、炭化珪素(SiC)やアルミナ(Al)および超硬合金(タングステンカーバイト)などを使用している。 For example, in the case of a mechanical seal in which an atmosphere such as gas or mist is used under dry or semi-dry conditions, the lubricity of the seal liquid cannot be expected. Therefore, of the two materials facing each other (rotating side sliding member and fixed side sliding member), the soft side material is made of carbon material, graphite, glass fiber, carbon, etc. due to its characteristics such as self-lubrication and wear resistance. A tetrafluoroethylene resin (PTFE resin) -based material in which aggregates such as fibers are blended is generally used. On the other hand, silicon carbide (SiC), alumina (Al 2 O 3 ), cemented carbide (tungsten carbide), or the like is used as the material of the hard side member.

しかしながら、軟質側部材の摩耗は時間と共に進み、短時間で寿命に達する場合が多く、また、摩耗時に発生した摩耗粉がシールする雰囲気を汚染する場合が見られる。このため、食品や医薬品の製造工程など異物の混入を防ぐ必要がある場合などは、その使用が制限されている問題があった。   However, the wear of the soft side member progresses with time, often reaches the end of its life in a short time, and the wear powder generated at the time of wear contaminates the sealing atmosphere. For this reason, there is a problem that its use is restricted when it is necessary to prevent contamination of foreign substances such as in the production process of foods and pharmaceuticals.

この問題を解決すべく、耐摩耗性の向上を目的として、金属材料などに合成樹脂をコーティングした摺動材料も考えられているが、この場合は、コーティングが剥がれた際にかじりが起こる等、摺動性に大きく影響を与えるなどの問題があった。   In order to solve this problem, for the purpose of improving wear resistance, a sliding material in which a synthetic resin is coated on a metal material is also considered, but in this case, galling occurs when the coating is peeled off, There were problems such as greatly affecting the slidability.

特許文献1では、摺動材として、カーボンなどの基材表面に、固体潤滑材料を含有させたコーティングを行っていることが開示されている。しかしながら、カーボンのような脆性材料の表面に、このようなコーティングを施しても、たとえば、熱水に浸漬した場合や長期間湿潤雰囲気に曝された場合、基材との密着性が劣るという問題があり、コーティング膜の剥離が起こりうると考えられる。また、このような問題を、基材の表面粗さの調整による密着性の改善で解決するには限界があった。   Patent Document 1 discloses that a coating containing a solid lubricating material is applied to the surface of a base material such as carbon as a sliding material. However, even if such a coating is applied to the surface of a brittle material such as carbon, for example, when it is immersed in hot water or exposed to a humid atmosphere for a long time, the adhesion to the substrate is poor. It is considered that the coating film can be peeled off. In addition, there is a limit to solve such a problem by improving the adhesion by adjusting the surface roughness of the substrate.

特許文献2では、摺動部材として、多孔質体に樹脂組成物を含浸させたものが開示されている。しかしながら、このような摺動部材では、摩耗時に、露出した多孔質体の凸部によりひっかき摩耗やこれに伴う摩耗粉の異常発生などの問題があった。   Patent Document 2 discloses a sliding member obtained by impregnating a porous body with a resin composition. However, in such a sliding member, there are problems such as scratching due to the exposed convex portions of the porous body and abnormal occurrence of wear powder associated therewith during wear.

特開2001−26792号公報JP 2001-26792 A 特開2004−323789号公報JP 2004-323789 A

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、基材とコーティング膜とが良好な密着性を有し、優れた耐摩耗性を示す摺動部材およびこれを用いたメカニカルシールを提供することである。また、本発明の別の目的は、基材とコーティング膜とが良好な密着性を有し、優れた耐摩耗性を示す摺動部材を製造する方法を提供することである。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a sliding member having good adhesion between a base material and a coating film and exhibiting excellent wear resistance, and a mechanical seal using the same. Is to provide. Another object of the present invention is to provide a method for producing a sliding member in which the base material and the coating film have good adhesion and exhibit excellent wear resistance.

上記目的を達成するために、本発明に係る摺動部材は、
気孔を有するカーボンを含む基材と、
前記基材の表面に形成され、合成樹脂を含むコーティング膜と、を有し、
前記基材と前記コーティング膜との界面において、前記コーティング膜と一体化するように、前記気孔内に前記コーティング膜の一部が充填されている。
In order to achieve the above object, the sliding member according to the present invention comprises:
A substrate comprising carbon having pores;
A coating film formed on the surface of the base material and containing a synthetic resin;
Part of the coating film is filled in the pores so as to be integrated with the coating film at the interface between the substrate and the coating film.

本発明においては、基材には気孔を有するカーボンが含まれ、その表面には、合成樹脂を含むコーティング膜を形成されている。そして、基材とコーティング膜との界面では、このコーティング膜の一部はカーボンの気孔に充填され、コーティング膜と気孔内に充填されたコーティング膜の一部とは一体化している。すなわち、コーティング膜は単に基材表面に形成されているだけでなく、その一部がカーボンの気孔に充填されているために、コーティング膜がカーボンに食い込むこととなり、基材とコーティング膜との間では良好なアンカー効果を奏することができる。その結果、通常は、密着しづらい基材とコーティング膜との密着性を向上させることができる。   In the present invention, the substrate contains carbon having pores, and a coating film containing a synthetic resin is formed on the surface thereof. At the interface between the substrate and the coating film, a part of the coating film is filled in carbon pores, and the coating film and a part of the coating film filled in the pores are integrated. In other words, the coating film is not only formed on the surface of the substrate, but part of the coating film is filled in the carbon pores, so that the coating film bites into the carbon, and between the substrate and the coating film. Then, a favorable anchor effect can be produced. As a result, it is possible to improve the adhesion between the substrate and the coating film that are usually difficult to adhere.

なお、合成樹脂は、樹脂特有の低熱伝導性、高熱膨張係数などの熱的特性を有しているため、本来、摺動面に好適な材料ではない。しかしながら、上記のカーボンが高い熱伝導性を有しているため、摺動面(コーティング膜)に摩擦による熱が発生したとしても、カーボンを通じて容易に放熱される。したがって、合成樹脂の低熱伝導性、高熱膨張係数などの熱的特性は特に問題とはならない。   Synthetic resins are inherently not suitable materials for sliding surfaces because they have thermal characteristics such as low thermal conductivity and high thermal expansion coefficient specific to the resin. However, since the above carbon has high thermal conductivity, even if heat is generated by friction on the sliding surface (coating film), it is easily radiated through the carbon. Therefore, the thermal characteristics such as low thermal conductivity and high thermal expansion coefficient of the synthetic resin are not particularly problematic.

好ましくは、前記合成樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂を有する。   Preferably, the synthetic resin has a polyether ether ketone (PEEK) resin.

合成樹脂がPEEK樹脂を有することで、コーティング膜を耐摩耗性および耐食性に優れたものにすることができる。そのため、たとえば、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、PEEK樹脂を含むコーティング膜を摺動面とすることにより、本発明に係る摺動部材は、コーティング膜が剥離することなく、優れた耐食性および耐摩耗性を示すことができる。   When the synthetic resin has the PEEK resin, the coating film can be made excellent in wear resistance and corrosion resistance. Therefore, for example, by using a coating film containing PEEK resin as a sliding surface even in an atmosphere of acid, alkali, etc., the sliding member according to the present invention has excellent corrosion resistance and without peeling of the coating film. Abrasion resistance can be shown.

好ましくは、前記カーボンの気孔率が0.5〜15体積%である。気孔率を上記の範囲とすることで、上記の効果をさらに高めることができる。   Preferably, the carbon has a porosity of 0.5 to 15% by volume. By making the porosity within the above range, the above effect can be further enhanced.

特に、前記気孔率が0.5体積%以上、3.0体積%未満である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.5〜1.5μmであることが好ましい。   In particular, when the porosity is 0.5 volume% or more and less than 3.0 volume%, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the coating film is formed is 0.5 to The thickness is preferably 1.5 μm.

また、前記気孔率が3体積%以上、8体積%未満である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.2〜1.3μmであることが好ましい。   Further, when the porosity is 3% by volume or more and less than 8% by volume, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the coating film is formed is 0.2 to 1.3 μm. Preferably there is.

また、前記気孔率が8体積%以上、15体積%以下である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.2〜1.0μmであることが好ましい。   Moreover, when the porosity is 8% by volume or more and 15% by volume or less, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the coating film is formed is 0.2 to 1.0 μm. Preferably there is.

上記では、カーボンの気孔率に応じて、基材の表面の表面粗さRaを特定の範囲に制御している。たとえば、気孔率が小さい場合には、基材とコーティング膜との界面において、表面粗さを大きくすることで、気孔の露出面積を大きくすることができる。このようにすることで、コーティング膜の一部が気孔内に充填されやすくなり、基材とコーティング膜との密着性を容易に確保することができる。   In the above, the surface roughness Ra of the surface of the substrate is controlled within a specific range according to the porosity of the carbon. For example, when the porosity is small, the exposed area of the pores can be increased by increasing the surface roughness at the interface between the substrate and the coating film. By doing so, part of the coating film is easily filled in the pores, and adhesion between the substrate and the coating film can be easily ensured.

好ましくは、前記基材において、前記コーティング膜の一部が充填された気孔以外の気孔が封孔されている。   Preferably, pores other than pores filled with a part of the coating film are sealed in the base material.

このようにすることにより、すでにコーティング膜の一部が充填された気孔以外の気孔も封孔される。そのため、この摺動部材を用いたメカニカルシールとしての耐圧性を確保することができる。さらには、コーティング膜が形成された部分とコーティング膜が形成されていない部分との境界部などを封孔することで、コーティング膜と基材との界面への液体等の侵入を防止することができる。その結果、コーティング膜の耐食性を向上させ、たとえば熱水による剥離を防止することができる。   By doing so, pores other than the pores already filled with a part of the coating film are also sealed. Therefore, pressure resistance as a mechanical seal using this sliding member can be secured. Furthermore, by sealing the boundary between the part where the coating film is formed and the part where the coating film is not formed, it is possible to prevent the entry of liquid or the like into the interface between the coating film and the substrate. it can. As a result, the corrosion resistance of the coating film can be improved, and for example, peeling due to hot water can be prevented.

好ましくは、前記合成樹脂が四フッ化エチレン樹脂を有する。四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)は、潤滑剤として機能するため、コーティング膜、すなわち、摺動面における滑り性を向上させ、耐摩耗性をより向上させることができる。   Preferably, the synthetic resin includes a tetrafluoroethylene resin. Since the tetrafluoroethylene resin (PTFE resin) functions as a lubricant, it can improve the slipping property on the coating film, that is, the sliding surface, and can further improve the wear resistance.

本発明に係るメカニカルシールは、上記のいずれかに記載の摺動部材を、固定用密封環および/または回転用密封環として有する。本発明の摺動部材は、上記のように、コーティング膜と基材との密着性が良好であり、耐食性および耐摩耗性に優れているため、メカニカルシールにおける密封環として好適である。したがって、本発明に係るメカニカルシールは、酸、アルカリなど耐食性が要求される雰囲気においても、摩耗粉等の異物の混入を効果的に防止することができる。なお、本発明に係るメカニカルシールにおいては、本発明の摺動部材を、固定用、回転用の双方の密封環として用いてもよい。あるいは、固定用密封環として用いてもよいし、回転用密封環として用いてもよいが、双方の密封環に本発明の摺動部材を用いることが好ましい。   The mechanical seal which concerns on this invention has the sliding member in any one of said as a sealing ring for fixation and / or a sealing ring for rotation. As described above, the sliding member of the present invention has good adhesion between the coating film and the substrate, and is excellent in corrosion resistance and wear resistance. Therefore, the sliding member is suitable as a sealing ring in a mechanical seal. Therefore, the mechanical seal according to the present invention can effectively prevent foreign substances such as wear powder from being mixed even in an atmosphere where corrosion resistance such as acid and alkali is required. In the mechanical seal according to the present invention, the sliding member of the present invention may be used as both a sealing ring and a sealing ring for rotation. Or you may use as a sealing ring for fixation, and you may use as a sealing ring for rotation, but it is preferable to use the sliding member of this invention for both sealing rings.

本発明に係る摺動部材の製造方法は、気孔を有するカーボンを含む基材と、前記基材の表面に形成され、PEEK樹脂を含むコーティング膜と、を有し、前記基材と前記コーティング膜との界面において、前記コーティング膜と一体化するように、前記気孔内に前記コーティング膜の一部が充填されている摺動部材を製造する方法であって、
前記基材の表面に、前記コーティング膜を形成する工程と、
前記コーティング膜が形成された基材を、360〜430℃で熱処理する工程と、を有する。
The sliding member manufacturing method according to the present invention includes a base material including carbon having pores, and a coating film formed on a surface of the base material and including PEEK resin. The base material and the coating film A sliding member in which the pores are partially filled with the coating film so as to be integrated with the coating film at the interface with
Forming the coating film on the surface of the substrate;
Heat-treating the base material on which the coating film is formed at 360 to 430 ° C.

基材の表面にコーティング膜を通常の方法により形成し、コーティング膜が形成された基材を、PEEK樹脂の融点よりも高い温度において熱処理することで、コーティング膜に含まれる樹脂を溶融状態にし、カーボンの表面に存在する気孔にコーティング膜の一部を充填することができる。その結果、基材表面のコーティング膜と気孔に充填されたコーティング膜の一部とを一体化することができ、基材とコーティング膜との界面において、強力なアンカー効果を生じさせ、密着性を向上させることができる。   A coating film is formed on the surface of the substrate by a normal method, and the substrate on which the coating film is formed is heat-treated at a temperature higher than the melting point of the PEEK resin, thereby bringing the resin contained in the coating film into a molten state. Part of the coating film can be filled in the pores existing on the surface of the carbon. As a result, the coating film on the surface of the base material and a part of the coating film filled in the pores can be integrated, and a strong anchoring effect is produced at the interface between the base material and the coating film, thereby improving adhesion. Can be improved.

本発明においては、基材が、気孔を有するカーボンを含み、その表面には合成樹脂を含むコーティング膜が形成されている。このコーティング膜は、基材とコーティング膜との界面において、カーボンの気孔内部に連続的に充填されているため、コーティング膜がカーボンの気孔に食い込んだ状態になっている。その結果、この界面において、アンカー効果が生じ、基材とコーティング膜との密着性を向上された摺動部材を得ることができる。   In the present invention, the base material contains carbon having pores, and a coating film containing synthetic resin is formed on the surface thereof. Since this coating film is continuously filled in the pores of carbon at the interface between the base material and the coating film, the coating film is in a state of biting into the pores of carbon. As a result, an anchor effect is produced at this interface, and a sliding member with improved adhesion between the substrate and the coating film can be obtained.

特に、合成樹脂がPEEK樹脂を有している場合、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、耐食性および耐摩耗性に優れる摺動部材を得ることができる。また、カーボンの気孔率、表面粗さなどを上記の好ましい範囲とすることで、基材とコーティング膜との密着性や耐摩耗性などをさらに高めることが可能となる。   In particular, when the synthetic resin has a PEEK resin, a sliding member having excellent corrosion resistance and wear resistance can be obtained even in an atmosphere of acid, alkali, or the like. Further, by setting the porosity, surface roughness, etc. of the carbon within the above preferred ranges, it becomes possible to further improve the adhesion between the substrate and the coating film, the wear resistance, and the like.

また、本発明によれば、上記の摺動部材を密封環として有するメカニカルシールが得られる。本発明のメカニカルシールは、基材とコーティング膜との密着性が向上している。さらには、合成樹脂がPEEK樹脂を有することで、耐食性が要求されるような雰囲気においても、コーティング膜が剥離せず、しかも耐摩耗性に優れているため、良好な密封性を示す。   Moreover, according to this invention, the mechanical seal which has said sliding member as a sealing ring is obtained. The mechanical seal of the present invention has improved adhesion between the substrate and the coating film. Furthermore, since the synthetic resin includes the PEEK resin, the coating film does not peel off and is excellent in wear resistance even in an atmosphere where corrosion resistance is required, and thus exhibits good sealing performance.

さらに、本発明によれば、基材表面に通常の方法でPEEK樹脂を含むコーティング膜を形成し、これを上記の温度範囲で熱処理することで、基材とコーティング膜との密着性が向上した摺動部材を容易に得ることができる。   Furthermore, according to the present invention, the adhesion between the substrate and the coating film is improved by forming a coating film containing PEEK resin on the surface of the substrate by an ordinary method and heat-treating the coating film in the above temperature range. A sliding member can be obtained easily.

図1は、本発明の一実施形態に係る摺動部材を用いたメカニカルシールおよびその試験装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a mechanical seal using a sliding member according to an embodiment of the present invention and a test apparatus therefor. 図2Aは、本発明の実施例に係る試料の基材とコーティング膜との界面の電子顕微鏡写真である。FIG. 2A is an electron micrograph of an interface between a sample substrate and a coating film according to an example of the present invention. 図2Bは、本発明の比較例に係る試料の基材とコーティング膜との界面の電子顕微鏡写真である。FIG. 2B is an electron micrograph of the interface between the base material of the sample and the coating film according to the comparative example of the present invention.

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.

摺動部材
本発明の摺動部材は、基材と、基材の表面に形成されたコーティング膜とを含むものである。
Sliding member The sliding member of the present invention includes a base material and a coating film formed on the surface of the base material.

基材
本発明の摺動部材を構成する基材は、気孔を有するカーボンを含む。気孔を有するカーボンとしては特に制限されないが、1000〜3000℃で焼成された材料を用いることができる。
Base material The base material constituting the sliding member of the present invention contains carbon having pores. Although it does not restrict | limit especially as carbon which has a pore, The material baked at 1000-3000 degreeC can be used.

また、本実施形態で用いるカーボン(基材)は、カーボン粉を成形・焼成して作製するため、カーボン中に存在する気孔は、連続気孔となっている割合が高い。そのため、後述する、コーティング膜形成後の封孔処理においても、封孔材として用いる樹脂が含浸しやすく、連続気孔を介して、基材とコーティング膜との界面に存在する隙間を埋めることができる。   In addition, since the carbon (base material) used in the present embodiment is produced by molding and firing carbon powder, the pores present in the carbon have a high ratio of continuous pores. Therefore, also in the sealing treatment after the formation of the coating film, which will be described later, the resin used as the sealing material is easily impregnated, and the gap existing at the interface between the substrate and the coating film can be filled through the continuous pores. .

気孔を有するカーボンの気孔率は、好ましくは0.5〜15体積%である。気孔率が小さすぎる場合には、後述するコーティング膜に含まれるPEEK樹脂が、気孔に入り込んだとしても、アンカー効果があまり得られない傾向にある。逆に、大きすぎる場合には、素材強度の低下を招いたり、コーティング樹脂の基材への吸い込みが多すぎて表面に凹凸を形成する傾向にある。
なお、気孔率は、飽水による水置換法により測定することができる。
The porosity of carbon having pores is preferably 0.5 to 15% by volume. When the porosity is too small, even if the PEEK resin contained in the coating film to be described later enters the pores, the anchor effect tends not to be obtained much. On the other hand, if it is too large, the strength of the material will be lowered, or the coating resin will be sucked into the substrate too much to form irregularities on the surface.
The porosity can be measured by a water replacement method using saturated water.

また、上記の気孔率が0.5体積%以上、3.0体積%未満の場合には、基材表面の表面粗さRaが0.5〜1.5μm、より好ましくは0.5〜1.3μmであることが好ましい。気孔率が上記の範囲にある場合には、基材とコーティング膜との界面において、露出している気孔が少ないため、溶融状態のコーティング膜が気孔に入り込むことで得られるアンカー効果が少ない。そのため、基材表面の表面粗さRaを上記の範囲にすることで、基材とコーティング膜との接触面積が増加し、界面における気孔の露出面積が大きくなり、コーティング膜が充填される気孔が増える。その結果、上記のアンカー効果が十分に得られる。   Moreover, when said porosity is 0.5 volume% or more and less than 3.0 volume%, surface roughness Ra of the base-material surface is 0.5-1.5 micrometers, More preferably, it is 0.5-1. .3 μm is preferable. When the porosity is in the above range, since there are few exposed pores at the interface between the base material and the coating film, the anchor effect obtained by the molten coating film entering the pores is small. Therefore, by making the surface roughness Ra of the substrate surface within the above range, the contact area between the substrate and the coating film increases, the exposed area of the pores at the interface increases, and the pores filled with the coating film are reduced. Increase. As a result, the anchor effect described above can be sufficiently obtained.

同様に、上記の気孔率が3体積%以上、8体積%未満の場合には、基材表面の表面粗さRaが0.2〜1.3μm、より好ましくは0.3〜1.0μmであることが好ましい。   Similarly, when the porosity is 3% by volume or more and less than 8% by volume, the surface roughness Ra of the substrate surface is 0.2 to 1.3 μm, more preferably 0.3 to 1.0 μm. Preferably there is.

さらに、上記の気孔率が8体積%以上、15体積%以下の場合には、基材表面の表面粗さRaが0.2〜1.0μm、より好ましくは0.3〜0.8μmであることが好ましい。気孔率が上記の範囲にある場合には、基材とコーティング膜との接触面積を増加させなくても、十分なアンカー効果が得られる。   Furthermore, when said porosity is 8 volume% or more and 15 volume% or less, surface roughness Ra of the base-material surface is 0.2-1.0 micrometer, More preferably, it is 0.3-0.8 micrometer. It is preferable. When the porosity is in the above range, a sufficient anchor effect can be obtained without increasing the contact area between the substrate and the coating film.

コーティング膜
本発明の摺動部材を構成するコーティング膜は、少なくとも合成樹脂を含んでいれば特に制限されないが、本実施形態では、PEEK樹脂を含んでいる。PEEK樹脂は、樹脂特有の低熱伝導性や高熱膨張係数といった熱的特性を有しているため、摺動による熱が発生する摺動面に対して用いた場合、熱の影響により摺動特性に劣るという問題を抱えている。
Coating Film The coating film constituting the sliding member of the present invention is not particularly limited as long as it contains at least a synthetic resin, but in this embodiment, it contains a PEEK resin. Since PEEK resin has thermal characteristics such as low thermal conductivity and high thermal expansion coefficient specific to the resin, when used on sliding surfaces where heat is generated by sliding, the sliding characteristics are affected by heat. I have the problem of being inferior.

しかしながら、本実施形態においては、PEEK樹脂を含むコーティング膜の一部が、カーボンの気孔に入り込み、気孔を充填している。したがって、コーティング膜と基材との接触面積が大きくなり、摺動によりコーティング膜(摺動面)に発生した摩擦熱を、基材が効果的に放熱する。そのため、熱によるコーティング膜の変形はほぼ無視できる状態となり、PEEK樹脂の熱的特性が問題になることはない。さらには、熱によるコーティング膜の軟化に伴う凝着状態での滑り性も向上され、摩耗粉の排出も改善される。   However, in this embodiment, a part of the coating film containing the PEEK resin enters the pores of carbon and fills the pores. Therefore, the contact area between the coating film and the base material increases, and the base material effectively dissipates frictional heat generated on the coating film (sliding surface) by sliding. Therefore, the deformation of the coating film due to heat becomes almost negligible, and the thermal characteristics of the PEEK resin do not become a problem. Furthermore, the slipperiness in the adhesion state accompanying the softening of the coating film by heat is improved, and the discharge of wear powder is also improved.

しかも、コーティング膜に含まれるPEEK樹脂は、耐食性および耐摩耗性に優れているため、これを用いることにより、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、良好な耐食性および耐摩耗性を有する摺動部材を得ることができる。   Moreover, since the PEEK resin contained in the coating film is excellent in corrosion resistance and wear resistance, by using this, a sliding member having good corrosion resistance and wear resistance in an atmosphere of acid, alkali or the like. Can be obtained.

また、本実施形態では、コーティング膜に、さらに、四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)が含まれていてもよい。PTFE樹脂は、固体潤滑材であり、コーティング膜に含まれていることにより、摺動面における滑り性を向上させ、耐摩耗性を向上させることができる。固体潤滑材としては、PTFE樹脂のほかに、MoS(二硫化モリブデン)、黒鉛粉などを用いてもよい。 In the present embodiment, the coating film may further contain a tetrafluoroethylene resin (PTFE resin). PTFE resin is a solid lubricant, and by being contained in the coating film, it can improve the slipperiness on the sliding surface and improve the wear resistance. As the solid lubricant, in addition to PTFE resin, MoS 2 (molybdenum disulfide), graphite powder, or the like may be used.

PTFE樹脂の含有量は、コーティング膜に含まれるPEEK樹脂100重量%に対して、好ましくは5〜25重量%、より好ましくは10〜15重量%である。含有量が少なすぎると、滑り性を向上させる効果が得られない傾向にあり、多すぎると、コーティング膜の硬度を低下させ、異物による傷が発生しやすい傾向にある。   The content of the PTFE resin is preferably 5 to 25% by weight and more preferably 10 to 15% by weight with respect to 100% by weight of the PEEK resin contained in the coating film. If the content is too small, the effect of improving the slipperiness tends not to be obtained. If the content is too large, the hardness of the coating film is lowered and scratches due to foreign matters tend to occur.

次に、PEEK樹脂を含むコーティング膜を、基材(カーボン)の表面に形成する過程を説明する。まず、基材を準備し、旋盤等で所望の形状に加工し、脱脂洗浄を行う。そして、必要であれば、この基材において、コーティング膜を形成されることとなる面の表面粗さRaを上記の範囲に調整する。表面粗さRaを調整する方法としては、特に制限されないが、所望の面粗さに応じた番手のサンドペーパーを用いる方法などが挙げられる。   Next, a process of forming a coating film containing PEEK resin on the surface of the substrate (carbon) will be described. First, a base material is prepared, processed into a desired shape with a lathe or the like, and degreased and washed. If necessary, the surface roughness Ra of the surface on which the coating film is to be formed is adjusted to the above range. The method for adjusting the surface roughness Ra is not particularly limited, and examples thereof include a method using sandpaper with a count corresponding to a desired surface roughness.

次いで、上記の面上に、PEEK樹脂を有するコーティング膜を形成する。形成する方法は特に制限されないが、たとえば、粉体塗装や、ディスパージョンなどが挙げられる。   Next, a coating film having PEEK resin is formed on the above surface. The forming method is not particularly limited, and examples thereof include powder coating and dispersion.

上記の方法により、コーティング膜を基材の表面に形成した後、熱処理を行い、コーティング膜を構成する樹脂を溶融状態にする。そうすると、基材とコーティング膜との界面においては、溶融状態の樹脂が毛細管現象により基材(カーボン)の表面に存在する気孔(貫通孔)に侵入し、気孔内部が樹脂により充填される。その後、冷却すると、気孔内部に充填された樹脂とコーティング膜とは一体化されているため、基材とコーティング膜との間で強いアンカー効果が得られる。その結果、基材とコーティング膜との密着性を向上させることができる。   After the coating film is formed on the surface of the substrate by the above method, heat treatment is performed to bring the resin constituting the coating film into a molten state. If it does so, in the interface of a base material and a coating film, resin of a molten state will penetrate | invade into the pore (through-hole) which exists in the surface of a base material (carbon) by capillary phenomenon, and the inside of a pore will be filled with resin. Thereafter, when cooled, since the resin filled in the pores and the coating film are integrated, a strong anchor effect is obtained between the substrate and the coating film. As a result, the adhesion between the substrate and the coating film can be improved.

なお、基材に存在する気孔は連続気孔となっている割合が高いため、基材表面に存在する気孔を介して、基材表面に存在していない気孔にも樹脂が含浸することがある。   In addition, since the porosity which exists in a base material has the high ratio which is a continuous pore, resin may also impregnate the pore which does not exist in the base-material surface through the pore which exists in the base-material surface.

コーティング膜が形成された基材表面に貫通孔として存在する気孔全体を100%とすると、60%以上の気孔の内部にコーティング膜の一部が充填されていることが好ましい。より好ましくは90%以上である。充填されている気孔の割合(気孔充填率)が少なすぎると、アンカー効果が得られにくくなり、基材とコーティング膜との密着性を向上させることができない傾向にある。   Assuming that the entire pores existing as through holes on the surface of the substrate on which the coating film is formed is 100%, it is preferable that 60% or more of the pores are partially filled with the coating film. More preferably, it is 90% or more. If the ratio of pores filled (pore filling rate) is too small, the anchor effect is difficult to obtain, and the adhesion between the substrate and the coating film tends not to be improved.

熱処理温度としては、コーティング膜に含まれるPEEK樹脂の融点以上の温度で行うことが好ましく、より好ましくは360℃以上、430℃以下であるが、保持時間、カーボンの気孔率、気孔径などにより変化する。熱処理温度がPEEK樹脂の融点よりも低いと、気孔に充填されず、アンカー効果を得ることができないため、基材とコーティング膜との密着性に劣る傾向にある。熱処理温度が高すぎると、カーボンやコーティング膜に含まれる樹脂の酸化が始まる傾向にある。   The heat treatment temperature is preferably higher than the melting point of the PEEK resin contained in the coating film, more preferably 360 ° C. or higher and 430 ° C. or lower. However, it varies depending on the holding time, the carbon porosity, the pore diameter, and the like. To do. When the heat treatment temperature is lower than the melting point of the PEEK resin, the pores are not filled, and the anchor effect cannot be obtained, so that the adhesion between the substrate and the coating film tends to be inferior. When the heat treatment temperature is too high, oxidation of the resin contained in the carbon and the coating film tends to start.

保持時間としては、溶融状態の樹脂が気孔内部を充填するのに必要な時間以上であればよく、熱処理温度、カーボンの気孔率、気孔径などにより変化するが、好ましくは30〜90分である。   The holding time may be longer than the time required for the molten resin to fill the pores, and varies depending on the heat treatment temperature, the porosity of the carbon, the pore diameter, etc., but is preferably 30 to 90 minutes. .

カーボンの気孔率が0.5体積%以上、3.0体積%未満である場合には、保持時間は60〜90分であることが好ましい。   When the porosity of carbon is 0.5 volume% or more and less than 3.0 volume%, the holding time is preferably 60 to 90 minutes.

また、カーボンの気孔率が3体積%以上、8体積%未満である場合には、保持時間は30〜60分であることが好ましい。   Moreover, when the porosity of carbon is 3 volume% or more and less than 8 volume%, it is preferable that holding time is 30 to 60 minutes.

また、カーボンの気孔率が8体積%以上、15体積%以下である場合には、保持時間は30〜60分であることが好ましい。   Moreover, when the porosity of carbon is 8 volume% or more and 15 volume% or less, it is preferable that holding time is 30 to 60 minutes.

なお、上記においては、コーティング膜を通常の方法により形成した後に、熱処理を行うことで、カーボンの気孔にコーティング膜の一部を充填しているが、基材表面に、直接溶融状態のコーティング膜を形成して、気孔を充填してもよい。   In the above, after forming the coating film by a normal method, a part of the coating film is filled in the pores of the carbon by performing a heat treatment, but the coating film in the molten state directly on the substrate surface May be formed to fill the pores.

コーティング膜の平均厚みは、好ましくは0.010〜0.100mmである。平均厚みの値が小さすぎると、耐摩耗性に劣る傾向にある。一方、平均厚みの値が大きすぎると、カーボンを通じた放熱が阻害され、摩耗粉の排出が悪くなり、結果として、耐摩耗性が悪化する傾向にある。   The average thickness of the coating film is preferably 0.010 to 0.100 mm. When the average thickness is too small, the wear resistance tends to be inferior. On the other hand, if the value of the average thickness is too large, heat dissipation through the carbon is hindered, and the wear powder discharge becomes worse, with the result that wear resistance tends to deteriorate.

本実施形態では、熱処理後の摺動部材(基材+コーティング膜)には、コーティング膜の一部が充填されていない気孔が存在しているため、湿潤雰囲気では、充填されていない気孔を通じて、コーティング膜の剥離を助長する薬液や水蒸気などが侵入するおそれがある。これを防ぐために、熱処理後の摺動部材に対して、基材に存在する気孔を封孔処理してもよい。具体的な封孔処理としては、たとえば、樹脂をカーボンの気孔にのみ含浸させ気孔を封孔する処理が挙げられ、用いる樹脂としては、フラン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などが好ましい。このような封孔処理を行うことにより、上記の効果に加え、摺動部材としての強度の向上および被密封流体の漏洩防止を実現することができる。   In the present embodiment, since the pores that are not filled with a part of the coating film exist in the sliding member (base material + coating film) after the heat treatment, in a wet atmosphere, through the pores that are not filled, There is a risk that chemicals, water vapor, or the like that promotes peeling of the coating film may enter. In order to prevent this, pores existing in the base material may be sealed with respect to the sliding member after the heat treatment. Specific examples of the sealing treatment include a treatment of impregnating only the pores of carbon with a resin to seal the pores, and the resin used is preferably a furan resin, a phenol resin, an epoxy resin, a polyester resin, or the like. By performing such a sealing treatment, in addition to the above effects, it is possible to improve the strength as a sliding member and prevent leakage of the sealed fluid.

メカニカルシール
次に、本発明に係るメカニカルシールを図面に基づいて、詳細に説明する。図1は、本発明の摺動部材を用いた、本実施形態に係るメカニカルシールおよびその試験装置の断面図である。
Mechanical seal Next, the mechanical seal according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a mechanical seal and its test apparatus according to this embodiment using the sliding member of the present invention.

図1において、メカニカルシール1は、回転軸20の外周側を包囲するハウジング30の内周にOリング31を介して保持されている。メカニカルシール1のシール部は、回転用密封環2と固定用密封環3とから構成されている。本実施形態では、このメカニカルシール1が有する回転用密封環2および固定用密封環3は、本発明の摺動部材により構成されている。ただし、回転用または固定用の一方の密封環が、本発明の摺動部材により構成されていてもよい。   In FIG. 1, the mechanical seal 1 is held via an O-ring 31 on the inner periphery of a housing 30 that surrounds the outer peripheral side of the rotary shaft 20. The seal portion of the mechanical seal 1 includes a rotation seal ring 2 and a fixing seal ring 3. In this embodiment, the sealing ring 2 for rotation and the sealing ring 3 for fixation which this mechanical seal 1 has are comprised by the sliding member of this invention. However, one sealing ring for rotation or fixing may be constituted by the sliding member of the present invention.

回転用密封環2は、内周面が回転軸20と摺動自在に嵌通する嵌合面に形成されている。そして、この嵌合面の一端側には、Oリング用段部が形成されている。このOリング用段部にOリング24が装着されて回転用密封環2と回転軸20との嵌合面間をシールしている。   The rotation sealing ring 2 is formed on a fitting surface whose inner peripheral surface is slidably fitted to the rotation shaft 20. An O-ring step is formed on one end of the fitting surface. An O-ring 24 is attached to the O-ring step so as to seal between the fitting surfaces of the rotary seal ring 2 and the rotary shaft 20.

さらに、回転用密封環2のOリング用段部に設けられたOリング24を一方から保持する断面L形状の中間リング21が、回転軸20に摺動自在に嵌合した状態で配置されている。この中間リング21は、Oリング24に固着されたガイドピンを軸方向自在に嵌合するとともに、周方向には、係止状態に係合している。また、中間リング21は、回転軸20の円周方向に等配に配置された複数のばね22より押圧されている。複数のばね22は、Oリング24に設けられた各ばね取付用穴に着座して他端が中間リング21を介して回転用密封環2を弾性的に押圧している。その結果、回転側摺動面2aと固定側摺動面3aとが摺動可能に密接するよう接面されている。Oリング24は、止めねじにより回転軸20に止められており、中間リング21と回転用密封環2とが回動しないように、ガイドピンおよび回転止めピンを介して保持している。   Further, an intermediate ring 21 having an L-shaped cross-section that holds an O-ring 24 provided on the O-ring step of the sealing ring 2 for rotation from one side is arranged in a state of being slidably fitted to the rotary shaft 20. Yes. The intermediate ring 21 is engaged with a guide pin fixed to the O-ring 24 in an axial direction and is engaged in a locked state in the circumferential direction. Further, the intermediate ring 21 is pressed by a plurality of springs 22 arranged at equal intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 20. The plurality of springs 22 are seated in respective spring mounting holes provided in the O-ring 24, and the other ends elastically press the rotation sealing ring 2 via the intermediate ring 21. As a result, the rotation-side sliding surface 2a and the fixed-side sliding surface 3a are in contact with each other so as to be slidable. The O-ring 24 is fixed to the rotary shaft 20 by a set screw, and is held via a guide pin and a rotation stop pin so that the intermediate ring 21 and the rotation sealing ring 2 do not rotate.

固定用密封環3には、回転軸20に嵌合する内周面が設けられているとともに、その先端に固定側摺動面3aを設けた凸部が形成されている。そして、この固定用密封環3には、ハウジング30の取付段部に嵌着状態で取り付けられる嵌着面が設けられている。さらに、固定用密封環3には、取付段部に設けられた支持面に当接して、回転用密封環2の回転側摺動面2aに摺動可能に密接している固定側摺動面3aを支持する背面が設けられている。また、ハウジング30の取付段部には、Oリング用溝が設けられているとともに、このOリング用溝にOリング31を取り付けて両者嵌合間をシールしている。   The fixing seal ring 3 is provided with an inner peripheral surface that is fitted to the rotary shaft 20, and a convex portion that is provided with a fixed-side sliding surface 3 a at the tip thereof. The fixing sealing ring 3 is provided with a fitting surface that is attached to the mounting step portion of the housing 30 in a fitted state. Further, the fixed sealing ring 3 is in contact with the support surface provided at the mounting step portion and is fixed in sliding contact with the rotating side sliding surface 2a of the rotating sealing ring 2 so as to be slidable. A back surface for supporting 3a is provided. In addition, an O-ring groove is provided in the mounting step portion of the housing 30, and an O-ring 31 is attached to the O-ring groove to seal between the two fittings.

本発明のメカニカルシール1は、回転用密封環2および/または固定用密封環3が、本発明の摺動部材により構成されていることにより、酸、アルカリ雰囲気など耐食性が要求される雰囲気においても、良好な耐摩耗性を発揮することができる。   The mechanical seal 1 according to the present invention can be used in an atmosphere where corrosion resistance is required, such as an acid or alkali atmosphere, because the rotation sealing ring 2 and / or the fixing sealing ring 3 is constituted by the sliding member of the present invention. Good wear resistance can be exhibited.

特に、回転用密封環2および固定用密封環3の双方が、本発明の摺動部材により構成されたメカニカルシール1は以下の利点を有している。すなわち、回転用および固定用密封環の双方を、本発明の摺動部材で構成することにより、どちらか一方のみが摩耗してしまう事態が起こりにくくなる。さらに、コーティング膜の成分が同一であるため、コーティング膜同士(回転側摺動面2aおよび固定側摺動面3a)の摺動によって生じる摺動痕の凹凸が噛み合った状態で摺動する。そのため、平滑な面同士が摺動する場合に比較して、密封性が向上する。また、摺動していない状態では、噛み合った面におけるコーティング膜の弾性変形とわずかな反発により、噛み合った面がより密着することとなる。   In particular, the mechanical seal 1 in which both the rotation sealing ring 2 and the fixing sealing ring 3 are constituted by the sliding member of the present invention has the following advantages. That is, by configuring both the rotating and stationary sealing rings with the sliding member of the present invention, it is difficult for only one of them to wear out. Furthermore, since the components of the coating film are the same, the coating film slides in a state in which the unevenness of the sliding trace generated by the sliding of the coating films (the rotating side sliding surface 2a and the fixed side sliding surface 3a) is engaged. Therefore, the sealing performance is improved as compared with the case where the smooth surfaces slide. Further, in a non-sliding state, the meshed surfaces are more closely adhered to each other due to the elastic deformation and slight repulsion of the coating film on the meshed surfaces.

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described based on further detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
試料1〜13
基材として、硬度が75〜80HsD、気孔率が8〜10体積%であるカーボン(以下、カーボンAという)を準備し、これを加工して、φ55×10mmのカーボン片を作製した。なお、このカーボンの表面の表面粗さRaは、0.5〜0.6μmであった。次いで、PEEK樹脂を含んだディスパージョンを水で希釈し、これを基材表面に対してスプレーコーティングし、平均厚み0.06mmのコーティング膜(摺動面)を形成し、乾燥させた。そして、コーティング膜形成後の基材を、表1に示す条件で熱処理した。これを冷却した後、以下の熱水剥離試験の試験片とした。また、試料3については、熱処理後の基材とコーティング膜との界面を電子顕微鏡により観察した。界面の電子顕微鏡写真を図2Aに示す。
Example 1
Samples 1-13
Carbon having a hardness of 75 to 80 HsD and a porosity of 8 to 10% by volume (hereinafter referred to as carbon A) was prepared as a base material, and this was processed to prepare a carbon piece of φ55 × 10 mm. The surface roughness Ra of the carbon surface was 0.5 to 0.6 μm. Next, the dispersion containing the PEEK resin was diluted with water and spray-coated on the substrate surface to form a coating film (sliding surface) having an average thickness of 0.06 mm and dried. And the base material after coating film formation was heat-processed on the conditions shown in Table 1. After cooling this, it was set as the test piece of the following hot water peeling tests. For sample 3, the interface between the heat-treated substrate and the coating film was observed with an electron microscope. An electron micrograph of the interface is shown in FIG. 2A.

熱水剥離試験
上記の試験片を切断機で中心より1/2に切断し、この切断面を0.2MPa−120℃の熱水中に1時間浸漬した。その後、40℃以下に冷却し、乾燥させた後に、目視にて、コーティング膜の剥離の有無を観察評価した。結果を表1に示す。
Hot water peeling test The above test piece was cut in half from the center with a cutting machine, and this cut surface was immersed in hot water of 0.2 MPa-120 ° C. for 1 hour. Then, after cooling to 40 ° C. or lower and drying, the presence or absence of peeling of the coating film was visually evaluated. The results are shown in Table 1.

試料14〜16
試料14〜16においては、カーボンAにコーティング膜を形成し、表1に示す条件で熱処理を行った後、さらに、フラン樹脂によりカーボンAの気孔を封孔処理した以外は、試料2または7と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表1に示す。
Samples 14-16
In Samples 14-16, a coating film was formed on carbon A, heat-treated under the conditions shown in Table 1, and then the pores of carbon A were sealed with furan resin. Similarly, a test piece was prepared and a hot water peeling test was performed. The results are shown in Table 1.

試料17〜19
試料17〜19においては、基材として、硬度が80〜85HsD、気孔率が3〜5体積%であるカーボン(以下、カーボンBという)を用いて、熱処理条件を表1に示す条件とした以外は、試料3と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表1に示す。また、試料17については、熱処理後の基材とコーティング膜との界面を電子顕微鏡により観察した。界面の電子顕微鏡写真を図2Bに示す。
Samples 17-19
In Samples 17-19, carbon having a hardness of 80-85 HsD and a porosity of 3-5% by volume (hereinafter referred to as carbon B) was used as the base material, and the heat treatment conditions were other than those shown in Table 1. Made a test piece in the same manner as Sample 3, and conducted a hot water peeling test. The results are shown in Table 1. For Sample 17, the interface between the heat-treated substrate and the coating film was observed with an electron microscope. An electron micrograph of the interface is shown in FIG. 2B.

試料20、21
試料20および21においては、基材として、硬度が55〜60HsD、気孔率が12〜15体積%であるカーボン(以下、カーボンCという)を用いて、熱処理条件を表1に示す条件とした以外は、試料3と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表1に示す。
Sample 20, 21
In Samples 20 and 21, the base material was carbon having a hardness of 55 to 60 HsD and a porosity of 12 to 15% by volume (hereinafter referred to as carbon C), and the heat treatment conditions were set to the conditions shown in Table 1. Made a test piece in the same manner as Sample 3, and conducted a hot water peeling test. The results are shown in Table 1.

試料22〜25
試料22〜25においては、基材として、硬度が105〜110HsD、気孔率が0.5〜1.0体積%であるカーボン(以下、カーボンDという)を用いて、熱処理条件を表1に示す条件とし、さらに、湿らせた状態で1200〜1500番のサンドペーパーを用いて表面粗さを表1に示す値とした以外は、試料3と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表1に示す。
Samples 22-25
In Samples 22 to 25, heat treatment conditions are shown in Table 1 using carbon having a hardness of 105 to 110 HsD and a porosity of 0.5 to 1.0% by volume as a base material (hereinafter referred to as carbon D). A test piece was prepared in the same manner as Sample 3 except that the surface roughness was changed to the value shown in Table 1 using sandpaper of No. 1200-1500 in the wet state. A test was conducted. The results are shown in Table 1.

試料26〜28
試料26〜28においては、カーボンを表1に示すカーボンとし、さらに、湿らせた状態で1200〜1500番のサンドペーパーを用いて表面粗さを表1に示す値とした以外は、試料3と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表1に示す。
Samples 26-28
In Samples 26 to 28, except that the carbon is the carbon shown in Table 1 and the surface roughness is set to the value shown in Table 1 using a 1200 to 1500 sandpaper in a wet state, Similarly, a test piece was prepared and a hot water peeling test was performed. The results are shown in Table 1.

Figure 0005626715
Figure 0005626715

試料1〜13
表1より、基材がカーボンAであって、熱処理時の保持時間が30分である場合(試料1〜5)では、熱処理温度が350℃および360℃の試料1および2について、コーティング膜の局部的な浮き上がりが観察された。これは、熱処理温度が低いため、コーティング膜を構成する樹脂がカーボンAの気孔内部に十分充填されず、基材とコーティング膜との密着性が劣っていたためである。
Samples 1-13
From Table 1, when the base material is carbon A and the holding time during heat treatment is 30 minutes (samples 1 to 5), for samples 1 and 2 having heat treatment temperatures of 350 ° C. and 360 ° C., the coating film Local lift was observed. This is because the heat treatment temperature is low, so that the resin constituting the coating film is not sufficiently filled in the pores of carbon A, and the adhesion between the substrate and the coating film is poor.

また、熱処理温度が380℃であっても、保持時間が15分である場合(試料7)には、コーティング膜を構成する樹脂がカーボンAの気孔内部に十分行き届かず、基材とコーティング膜との密着性が劣る結果になったと考えられる。なお、局部的な浮き上がりが観察された試料1、2および7では、気孔充填率は60%よりも小さかった。   Further, even when the heat treatment temperature is 380 ° C., when the holding time is 15 minutes (sample 7), the resin constituting the coating film does not sufficiently reach the inside of the pores of the carbon A, and the substrate and the coating film It is thought that the result of the poor adhesion was. In Samples 1, 2, and 7 where local lifting was observed, the pore filling rate was less than 60%.

これに対し、熱処理条件で適切である場合(試料3〜6、8〜13)では、コーティング膜を構成する樹脂がカーボンAの気孔内部に十分充填され、基材とコーティング膜との密着性が向上し、熱水試験においてもコーティング膜の剥離を生じない。これは、図2Aに示す、試料3における基材とコーティング膜との界面の写真からも視覚的に確認することができる。   On the other hand, when the heat treatment conditions are appropriate (samples 3 to 6, 8 to 13), the resin constituting the coating film is sufficiently filled in the pores of the carbon A, and the adhesion between the substrate and the coating film is improved. The coating film does not peel off even in the hot water test. This can also be visually confirmed from a photograph of the interface between the base material and the coating film in Sample 3 shown in FIG. 2A.

試料14〜16
表1より、試料2と同じ条件でコーティング膜を形成した試料14では、封孔処理を行うことにより、熱水試験においても剥離を生じないことが確認できる。また、試料7と同じ条件でコーティング膜を形成した試料16についても同様である。なお、熱処理条件が不適切な場合(試料15)では、封孔処理を行っても、熱水試験においてコーティング膜の局部的浮き上がりが見られた。この試料15の気孔充填率は60%よりも小さかった。
Samples 14-16
From Table 1, it can be confirmed that Sample 14 in which the coating film is formed under the same conditions as Sample 2 does not cause peeling even in the hot water test by performing the sealing treatment. The same applies to the sample 16 in which the coating film is formed under the same conditions as the sample 7. In the case where the heat treatment conditions were inappropriate (Sample 15), even when the sealing treatment was performed, local lifting of the coating film was observed in the hot water test. The pore filling rate of this sample 15 was smaller than 60%.

試料17〜21
表1より、基材として、気孔率等の異なるカーボン種(カーボンB、カーボンC)を用いた場合であっても、熱処理条件が適切な試料(試料18〜21)では、コーティング膜を構成する樹脂がカーボンの気孔内部に十分充填されており、熱水試験においてもコーティング膜の剥離を生じないことが確認できる。
Samples 17-21
From Table 1, even when carbon species having different porosities (carbon B, carbon C) are used as the base material, a coating film is formed in samples (samples 18 to 21) with appropriate heat treatment conditions. It can be confirmed that the resin is sufficiently filled in the pores of the carbon and the coating film does not peel off even in the hot water test.

これに対し、試料17については、図2Bに示すように、コーティング膜を構成するPEEK樹脂がカーボンの気孔内部に十分に充填されていないことが確認できる。その結果、試料17では、熱水試験においてコーティング膜の局部的浮き上がりが見られ、気孔充填率は60%よりも小さかった。   On the other hand, for sample 17, as shown in FIG. 2B, it can be confirmed that the PEEK resin constituting the coating film is not sufficiently filled in the pores of carbon. As a result, in Sample 17, local lifting of the coating film was observed in the hot water test, and the pore filling rate was smaller than 60%.

試料22〜28
基材として、気孔率が小さいカーボンDを用いた場合には、表面粗さが粗いほど、熱水試験において剥離しない傾向にあることが確認できる。また、気孔率がカーボンDよりも大きい試料については、表面粗さを小さくしても、熱水試験においてコーティング膜が剥離しない傾向にあることが確認できる。なお、局部的な浮き上がりが観察された試料22では、気孔充填率は60%よりも小さかった。
Samples 22-28
When carbon D having a low porosity is used as the substrate, it can be confirmed that the rougher the surface roughness, the more likely it is not to peel in the hot water test. Moreover, about the sample whose porosity is larger than the carbon D, even if it makes surface roughness small, it can confirm that there exists a tendency for a coating film not to peel in a hot water test. In Sample 22 where local lifting was observed, the pore filling rate was less than 60%.

試料29、30
試料29および30においては、基材を表2に示す材料とし、アルミナでショットブラストを行い、表面粗さを調整して、熱処理条件を表2に示す条件とした以外は、試料3と同様にして、試験片を作製し、熱水剥離試験を行った。結果を表2に示す。
Samples 29 and 30
Samples 29 and 30 were the same as Sample 3 except that the base material was the material shown in Table 2, shot blasting was performed with alumina, the surface roughness was adjusted, and the heat treatment conditions were as shown in Table 2. Then, a test piece was prepared and a hot water peeling test was performed. The results are shown in Table 2.

Figure 0005626715
Figure 0005626715

表2より、基材が気孔を有しないセラミック類である場合には、十分な熱処理を行っても、熱水試験において、コーティング膜の剥離または局部的浮き上がりが発生することが確認できる。   From Table 2, when the base material is ceramics having no pores, it can be confirmed that peeling of the coating film or local lifting occurs in the hydrothermal test even if sufficient heat treatment is performed.

実施例2
試料31〜37
基材として、表3に示すカーボン(カーボンAおよびカーボンD)、カーボン・SiC複合材(SiC:30%)およびSiCを準備した。次いで、PEEK樹脂を含んだディスパージョンを水で希釈し、これを基材表面に対してスプレーコーティングし、乾燥させた。得られた摺動部材のコーティング膜を表3に示す条件で熱処理した。これを冷却した後、さらにカーボン基材に対してはフラン樹脂を含浸させ封孔した。そして、コーティング膜形成後の基材を、ダイアモンドスラリーでラップし、平均厚み0.05mmのコーティング膜(摺動面)に調整し、摺動部材(回転用密封環および固定用密封環)を作製した。なお、試料34〜36においては、コーティング膜にPTFE樹脂を表3に示す割合で含有させた。
Example 2
Samples 31-37
Carbon (carbon A and carbon D), carbon / SiC composite material (SiC: 30%) and SiC shown in Table 3 were prepared as base materials. Next, the dispersion containing the PEEK resin was diluted with water, spray-coated on the substrate surface, and dried. The obtained coating film of the sliding member was heat-treated under the conditions shown in Table 3. After cooling this, the carbon substrate was further impregnated with a furan resin and sealed. Then, the base material after forming the coating film is wrapped with diamond slurry and adjusted to a coating film (sliding surface) with an average thickness of 0.05 mm to produce a sliding member (sealing ring for rotation and sealing ring for fixing). did. In Samples 34 to 36, PTFE resin was contained in the coating film at a ratio shown in Table 3.

得られた摺動部材を、図1に示すメカニカルシールの試験装置に装着して下記に示す評価を行った。なお、回転用密封環は、サイズがφ56.5×φ77×26.5mmであり、回転側摺動面がφ56.5×φ75mmの同心円状とした。また、固定用密封環は、サイズがφ56×φ81×27mmであり、固定側摺動面がφ58.6×φ66.1mmの同心円状とした。   The obtained sliding member was mounted on the mechanical seal test apparatus shown in FIG. 1 and evaluated as follows. The rotation sealing ring was concentric with a size of φ56.5 × φ77 × 26.5 mm and a rotation-side sliding surface of φ56.5 × φ75 mm. The fixing sealing ring has a concentric shape with a size of φ56 × φ81 × 27 mm and a fixed sliding surface of φ58.6 × φ66.1 mm.

摺動試験
図1に示すメカニカルシール試験装置により、回転摺動試験を行った。試験条件は回転数:300rpm、シール部の雰囲気:窒素雰囲気、シール部の圧力:0.2MPa、試験時間:100時間とした。評価は、100時間経過後の回転側摺動面および固定側摺動面の摩耗量、固定側摺動面の直下1mmの温度、摺動試験時の異音の有無、について行った。結果を表3に示す。
Sliding test A rotating sliding test was performed by the mechanical seal test apparatus shown in FIG. The test conditions were: rotation speed: 300 rpm, seal portion atmosphere: nitrogen atmosphere, seal portion pressure: 0.2 MPa, test time: 100 hours. The evaluation was performed on the amount of wear on the rotating side sliding surface and the stationary side sliding surface after 100 hours, the temperature of 1 mm immediately below the stationary side sliding surface, and the presence or absence of abnormal noise during the sliding test. The results are shown in Table 3.

Figure 0005626715
Figure 0005626715

表3より、固定用密封環および回転用密封環を、本発明の摺動部材で構成した場合には、摩耗量が低く抑えられ、摺動時の異音も発生しなかった。また、コーティング膜にPTFEが含まれている場合も同様の傾向であった。これに対し、回転用密封環を、本発明の摺動部材で構成しなかった場合(試料37)には、耐摩耗性が悪化し、5時間で試験を終了した。なお、摺動試験時に異音が発生した。   From Table 3, when the sealing ring for fixation and the sealing ring for rotation were constituted by the sliding member of the present invention, the amount of wear was kept low and no abnormal noise was generated during sliding. The same tendency was observed when PTFE was included in the coating film. On the other hand, when the rotating seal ring was not constituted by the sliding member of the present invention (sample 37), the wear resistance deteriorated and the test was completed in 5 hours. In addition, abnormal noise was generated during the sliding test.

1…メカニカルシール
2…回転用密封環
2a…回転側摺動面
3…固定用密封環
3a…固定側摺動面
10…コーティング膜(PEEK樹脂)
12…基材(カーボン)
14…コーティング膜の一部が充填された気孔
16…コーティング膜の一部が充填されていない気孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mechanical seal 2 ... Sealing ring for rotation 2a ... Sliding surface on rotation side 3 ... Sealing ring for fixing 3a ... Sliding surface on fixed side 10 ... Coating film (PEEK resin)
12 ... Base material (carbon)
14: pores partially filled with coating film 16 ... pores not partially filled with coating film

Claims (9)

気孔を有するカーボンを含む基材と、
前記基材の表面に形成され、合成樹脂を含むコーティング膜と、を有し、
前記合成樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂を有し、
前記コーティング膜の平均厚みが、0.010〜0.100mmであり、
前記基材と前記コーティング膜との界面において、前記コーティング膜と一体化するように、前記気孔内に前記コーティング膜の一部が充填された摺動部材であって、
前記コーティング膜が形成された前記基材表面に貫通孔として存在する気孔全体を100%とすると、気孔充填率が60%以上である摺動部材。
A substrate comprising carbon having pores;
A coating film formed on the surface of the base material and containing a synthetic resin;
The synthetic resin has a polyetheretherketone resin;
The average thickness of the coating film is 0.010 to 0.100 mm,
A sliding member in which a part of the coating film is filled in the pores so as to be integrated with the coating film at an interface between the base material and the coating film,
A sliding member having a pore filling rate of 60% or more, assuming that 100% of all pores existing as through holes on the surface of the substrate on which the coating film is formed.
前記カーボンの気孔率が0.5〜15体積%である請求項1に記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 1, wherein the carbon has a porosity of 0.5 to 15% by volume. 前記気孔率が0.5体積%以上、3.0体積%未満である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.5〜1.5μmである請求項2に記載の摺動部材。   When the porosity is 0.5% by volume or more and less than 3.0% by volume, the surface roughness Ra of the surface of the substrate on which the coating film is to be formed is 0.5 to 1. The sliding member according to claim 2 which is 5 micrometers. 前記気孔率が3体積%以上、8体積%未満である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.2〜1.3μmである請求項2に記載の摺動部材。   When the porosity is 3% by volume or more and less than 8% by volume, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the coating film is to be formed is 0.2 to 1.3 μm. Item 3. The sliding member according to Item 2. 前記気孔率が8体積%以上、15体積%以下である場合に、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.2〜1.0μmである請求項2に記載の摺動部材。   When the porosity is 8% by volume or more and 15% by volume or less, the surface roughness Ra of the surface of the substrate on which the coating film is to be formed is 0.2 to 1.0 μm. Item 3. The sliding member according to Item 2. 前記基材において、前記コーティング膜の一部が充填された気孔以外の気孔が封孔されている請求項1〜5のいずれかに記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 1, wherein pores other than pores filled with part of the coating film are sealed in the base material. 前記合成樹脂が、四フッ化エチレン樹脂を有する請求項1〜6のいずれかに記載の摺動部材。   The sliding member according to any one of claims 1 to 6, wherein the synthetic resin has a tetrafluoroethylene resin. 請求項1〜7のいずれかに記載の摺動部材を、固定用密封環および回転用密封環として有するメカニカルシール。 The sliding member according to claim 1, a mechanical seal having a stationary seal ring and the rotary seal ring. 請求項1に記載の摺動部材を製造する方法であって、
前記基材の表面に、前記コーティング膜を形成する工程と、
前記コーティング膜が形成された基材を、360〜430℃で熱処理する工程と、を有する摺動部材の製造方法。
A method for producing the sliding member according to claim 1,
Forming the coating film on the surface of the substrate;
And a step of heat-treating the base material on which the coating film is formed at 360 to 430 ° C.
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