JP5631740B2 - メカニカルシールアセンブリのシールリング - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の形式のシールリングアセンブリのシールリングに関する。

ドイツ実用新案第２０ ２００６ ００６ ５２５号から、本体がＳｉＣ材料で形成されていて、本体のフェース面がダイアモンド材料で作られた層で覆われているシールリングアセンブリのシールリングが、すでに知られている。さらに、この文献には、ダイアモンドコーティングを、いわゆるＣＶＤ成膜法（高温フィラメント化学気相成長法）によって該当のフェース面にその場で直接適用できることが開示されている。このプロセスの際に、本体が大きな熱応力に曝される。ＳｉＣなどのセラミック材料で製作され、微結晶のダイアモンドコーティングを有している三次元の物体（シールリングであってよい）が、さらにドイツ特許公開第１９９ ２２ ６６５号から知られている。さらに、この文献には、ＣＶＤ成膜法およびＣＶＤ成膜法に関するパラメータに関係する詳しい情報が開示されている。

上述の形式の公知のシールリングは、いずれも、実際にダイアモンドコーティングが、熱に起因する応力に対して天然の高い強度を特徴としており、高い温度および急激な温度変化ならびに無造作な動作における高い機械的応力に同時にさらされても、ダイアモンドコーティングに内部的な破損または亀裂を生じることがない。しかしながら、現実には、本体の炭化物材料（特には、ＳｉＣ）が、そのような動作条件のもとではるかに繊細に反応することが明らかになっている。したがって、ダイアモンドコーティングの下の本体において亀裂および破損が生じ、結果として、本体の内部の結合が多少なりとも破壊されるだけでなく、本体とダイアモンドコーティングとの間の分離が、局所的に生じる可能性もある。ダイアモンドコーティング自身が依然として無傷であるにもかかわらず、本体に亀裂または破損が生じることで、シールリングの速やかな交換が必要になる。他方で、これらは、一般的にきわめて高価な部品である。

ドイツ実用新案第２０ ２００６ ００６ ５２５号 ドイツ特許公開第１９９ ２２ ６６５号

ダイアモンドでコートされ、炭化物材料からなる公知の本体に関する問題に照らし、本発明の目的は、一般的な形式のシールリングであって、高い温度（特には、急激に変化する温度）および／または機械的応力において高い動作信頼性を示すシールリングを提供することにある。

この目的は請求項１の特徴によって達成される。

本発明によれば、本体が、公知のシールリングアセンブリに対して、２成分の材料で構成される。この材料は、ＳｉＣまたはＷＣなどの炭化物材料を、おそらくは個々の炭化物粒子の間にＳｉまたはＮｉ部分を取り入れつつ含んでおり、さらに適切なダイアモンド材料からなる本体の断面に分布させられた微粒子部分または粒子を含んでいる。好ましくは、このダイアモンド材料が、コーティングを形成するダイアモンド材料に対応する。ダイアモンド材料の間に化学−物理−構造の適合性が存在するのであれば、コーティングを形成するダイアモンド材料と異なるダイアモンド材料であってもよい。ダイアモンドの微粒子または粒子が、本体において１０〜９０％の体積割合をとるべきであることが、明らかになっている。

本発明の２成分の本体は、熱的および機械的な応力によって引き起こされる内部の張力のもとでの亀裂または破損に対して、顕著に向上した強度ゆえに傑出している。特には、ダイアモンドコーティングが本体のダイアモンド粒子に堅固に固定されるため、コーティングのダイアモンド材料と本体との間の結合が、はるかにより安定であることが確認されている。加えて、ダイアモンド材料が、ＳｉＣまたはＷＣに比べて大幅に高い熱伝導性を有するという事実ゆえに、環境への熱の放散が促進され、内部に高温ゾーンが生じることがなく、あるいは内部の高温ゾーンを短時間で和らげることができる。２成分の材料からなる本体を設けることのさらなる利点は、ダイアモンドコーティングによる摩耗からの保護がない本体の表面領域の耐摩耗性の向上である。

本体のダイアモンド材料の微粒子は、０．０１〜１．０ｍｍの範囲の粒子サイズを有するべきであり、０．０２〜０．２ｍｍの粒子サイズが好ましい。一般に、ダイアモンド材料の粒子は、ふぞろいな空間的外形の構成を有している。したがって、用語「粒子サイズ」は、ふぞろいな粒子において最大の差し渡し寸法が存在する位置の寸法を指す。本体におけるダイアモンド微粒子の分布は、規則的であってよく、所望であれば、例えばダイアモンドコーティングの付近の断面領域においてダイアモンド微粒子の濃度を高くするなど、不規則であってもよい。

すでに述べたように、２成分の材料におけるダイアモンド材料の割合は、１０〜９０体積％の間の範囲にあるべきである。好ましくは、この割合が４０〜７０体積％の間の範囲にあり、５０〜６０体積％の割合が特に好ましい。やはりすでに述べたように、本体におけるケイ素分を、主にＳｉＣ（炭化ケイ素）によって形成することができるが、ＳｉＣをＳｉ（ケイ素）と組み合わせて含んでもよい。炭化物材料としてのＷＣ（炭化タングステン）の場合には、ＷＣが他の物質を混ぜない形態で存在できるが、例えば６体積％のＮｉ（ニッケル）分が追加されてもよい。

本発明の２成分の本体を製造するための好ましい方法は、どちらも遊離微粒子の形態の炭化物材料およびダイアモンド材料を混合し、その後に焼結によって強固な複合材料を形成することを含む。適切な焼結方法は、当業者にとって公知であるため、この文脈において詳細な説明は不要である。

２成分の本体を形成した後に、ダイアモンドコーティングを、適切なダイアモンド成膜方法によってその場で本体へと適用することができる。ダイアモンドコーティングの自由表面が、高い摩擦摩耗の摺動面またはシール面をもたらし、高い熱的、機械的、および化学的強度をさらに特徴とする。好ましくは、いわゆる高温フィラメントＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法が使用される。これらの方法は、観察されるべきすべての関連の処理パラメータおよび条件を含めて、当業者にとって公知であり、したがって本明細書において詳しく説明される必要はない。高温フィラメントＣＶＤ法の基本原理は、例えばＢｕｓｍａｎｎ，Ｈ−Ｇ．およびＨｅｒｔｅｌ，Ｉ．Ｖ．の「Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｆｉｌｍｓ」、Ｃａｒｂｏｎ ３６（４）、１９９８年に開示されている。さらに、高温フィラメントＣＶＤ法に関する処理の手引きが、すでに冒頭で言及したドイツ特許第１９９ ２２ ６６５号に含まれている。プラズマＣＶＤ法に関しては、例えばＪｏｎｅｓ，Ｇ．Ａ．の「Ｏｎ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ ｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｄｒｙ ｌｉｎｅ ｃｏｎｔａｃｔ」、Ｗｅａｒ ２５６（３−４）、２００４年を参照することができる。

本発明に従ってもたらされるシールリングは、動作時に高い温度および圧力にさらされるメカニカルシールアセンブリにおいて好ましく使用される。好ましくは、協働するペアの両方のシールリングを、本発明のやり方で形成することができるが、一方のシールリングのみを本発明のやり方で形成し、他方のシールリングを別の適切な材料で構成してもよい。メカニカルシールアセンブリの全体的な構造は、当業者にとって公知であり、詳細な説明は不要である。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの炭化物材料を含んでいる材料からなる本体と、
   ダイアモンド材料で構成され、前記本体に設けられて摺動面を生成するコーティングと、
   を備えているメカニカルシールアセンブリのシールリングであって、
   前記本体が、前記コーティングのダイアモンド材料に適合するダイアモンド材料で作られた微粒子部を少なくとも１つの炭化物材料を含んでいる前記材料へ入れることによる２成分の材料で形成されていることを特徴とするシールリング。
2. 前記コーティングおよび前記本体のダイアモンド材料が、同一であること、または異なることを特徴とする請求項１に記載のシールリング。
3. 前記微粒子部が、０．０１〜１．０ｍｍの範囲の粒子サイズを有するダイアモンド材料で作られていることを特徴とする請求項１または２に記載のシールリング。
4. 前記２成分の材料におけるダイアモンド材料の割合が、１０〜９０体積％の間の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシールリング。
5. 前記本体が、微粒子の炭化物材料およびダイアモンド材料を焼結することによって形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシールリング。
6. 前記炭化物材料が、ＳｉＣおよびＷＣを含む材料を含むグループのうちの１つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシールリング。