JP5637513B2 - Sliding material 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材料と、これを用いたメカニカルシールに関し、さらに詳しくは、密封性能を有しながら、更に潤滑性能を向上できる摺動材料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 material suitable for use in a mechanical seal and the like, and a mechanical seal using the same, and more specifically, a sliding material capable of further improving lubrication performance while having sealing performance, and the same. Regarding mechanical seals.

従来、メカニカルシールで炭化珪素同士を組み合わせて摺動させると自己潤滑性が乏しいために、摺動面が摩耗したり、摩擦係数が変動し急激な温度上昇が起こることにより熱応力割れが発生するなど、その優れた材料特性を発揮させることが困難であった。これは高硬度である炭化珪素の場合、なじみができ難く、また摺動面に適正なうねりができにくいため、比較的早い時期に炭化珪素同士が直接接触し、摺動面が損傷に至る場合がある。   Conventionally, when silicon carbide is slid in combination with a mechanical seal, the self-lubricating property is poor, so the sliding surface wears or the friction coefficient fluctuates and a rapid temperature rise occurs, causing thermal stress cracking. It was difficult to exhibit the excellent material characteristics. This is because, in the case of silicon carbide with high hardness, it is difficult to fit in and it is difficult to properly swell the sliding surface, so that silicon carbide comes into direct contact at a relatively early time and the sliding surface is damaged. There is.

従って炭化珪素をメカニカルシールの摺動材料に使用する場合は、摺動面の潤滑性能を向上させることが不可欠である。炭化珪素摺動面の潤滑性を向上させる方法の一つとして、従来から摺動面に気孔を形成し、それを密封流体の液溜まりにして潤滑性能を向上させることが挙げられる。一方で、メカニカルシールの摺動面では漏れを抑止しなければならず、密封流体の連続流体膜を遮断する必要がある。   Therefore, when silicon carbide is used as a sliding material for a mechanical seal, it is essential to improve the lubrication performance of the sliding surface. One method for improving the lubricity of the silicon carbide sliding surface is to conventionally form pores in the sliding surface and use it as a reservoir for a sealing fluid to improve the lubrication performance. On the other hand, leakage must be suppressed on the sliding surface of the mechanical seal, and it is necessary to block the continuous fluid film of the sealing fluid.

このように相互に矛盾する効果を、摺動面上で同時に成立させる為には、摺動面の回転円周方向、及び径方向に、不連続な流体膜を形成させなければならない。このようにメカニカルシール用摺動材料には、他の摺動材料に無い密封性能を保持することが要求されており、単純に摺動面に気孔を形成させても、気孔を透過して漏れ経路ができてしまう場合が多い。   In order to simultaneously establish mutually contradictory effects on the sliding surface, it is necessary to form discontinuous fluid films in the rotational circumferential direction and the radial direction of the sliding surface. Thus, the sliding material for mechanical seals is required to maintain a sealing performance that is not found in other sliding materials, and even if pores are simply formed on the sliding surface, the pores can penetrate and leak. There are many cases where a route is made.

特許文献1では、粒子径20μmから300μmのカーボン粒子を炭化珪素粉末に混合し燒結体を作り、それに摺動面を設け、カーボン粒子が露出している摺動面のみカーボン粒子を燃焼除去することで、カーボン粒子の表面に凹を形成しようとするものである。   In Patent Document 1, carbon particles having a particle size of 20 μm to 300 μm are mixed with silicon carbide powder to form a sintered body, which is provided with a sliding surface, and the carbon particles are burned and removed only on the sliding surface where the carbon particles are exposed. Thus, it is intended to form a recess on the surface of the carbon particles.

しかしながら、そのカーボン粒子の粒径は、20μmから300μmと幅があり、一様に凹みの底にカーボンを残存させるように燃焼除去するのは非常に難しいことが容易に想像され、実際にはカーボン粒子が全て酸化して無くなるか、残ったとしても酸化されて強度が無くなっている可能性が高い。   However, the particle size of the carbon particles has a width of 20 μm to 300 μm, and it is easily imagined that it is very difficult to burn and remove so that the carbon remains uniformly in the bottom of the dent. There is a high possibility that all particles are oxidized and lost, or even if they remain, they are oxidized and lost strength.

また、燒結体表面のカーボン粒子どうしがいくつか連結している箇所を燃焼除去すると、そこが漏れ経路になり密封性能を低下させてしまう。更に、カーボン粒子を囲む炭化珪素周縁部が破損防止のために、炭化珪素周縁部にカーボンを残そうとしているが、燃焼する際は表面に近いほど温度が高いため除去され易く、カーボンが残存したとしても脆く脱落し易い。   In addition, if a portion where several carbon particles on the surface of the sintered body are connected to each other is burned and removed, this becomes a leakage path and the sealing performance is deteriorated. Furthermore, in order to prevent breakage of the silicon carbide peripheral portion surrounding the carbon particles, carbon is left in the silicon carbide peripheral portion. However, when it burns, the temperature is higher as it is closer to the surface. However, it is brittle and easy to fall off.

このように、特許文献1に記載された、摺動面のカーボンを燃焼除去し、カーボン表面に凹みをつける造孔方法には問題があり、メカニカルシールの機能を向上させる技術として十分とは言えない。   As described above, there is a problem with the hole making method described in Patent Document 1 for burning and removing carbon on the sliding surface to make a dent on the carbon surface, which is sufficient as a technique for improving the function of the mechanical seal. Absent.

また、中空を有するカーボンビーズを含有した炭化珪素焼結体を摺動部材に用いたメカニカルシールに関する従来技術として、特許文献2がある。しかしながら、カーボンビーズは化学結合様式や結晶構造などが多種多様であり、その性状によってはプレス成形時に球状カーボンが強度不足になるといった問題が発生する可能性がある。   Moreover, there exists patent document 2 as a prior art regarding the mechanical seal which used the silicon carbide sintered compact containing the carbon bead which has a hollow for a sliding member. However, carbon beads have a wide variety of chemical bonding modes, crystal structures, and the like, and depending on their properties, there may be a problem that spherical carbon has insufficient strength during press molding.

また、単純に球状カーボンを炭化珪素組織中に分散させただけでは、炭化珪素とカーボン粒子間の結合が不十分なため、摺動面上に形成された球状カーボンが脱落する問題がある。   Further, simply dispersing spherical carbon in the silicon carbide structure causes a problem that the bonding between silicon carbide and carbon particles is insufficient and the spherical carbon formed on the sliding surface falls off.

このように、メカニカルシール用摺動材料では、気孔の形成と密封性能を両立させるのは技術的に難しい課題とされており、潤滑効果を有する気孔分散摺動材料で、かつ密封性能を有するメカニカル用摺動材料が要求されている。   As described above, in the sliding material for mechanical seal, it is technically difficult to achieve both the formation of pores and the sealing performance, and it is a pore-dispersed sliding material having a lubricating effect and a mechanical device having sealing performance. There is a need for sliding materials.

特開2004−116587号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-116587 特開2001−139376号公報JP 2001-139376 A

たとえば、炭化珪素の摺動面を鏡面仕上げにすると微小なうねりがとれて回転させても動的な圧力が発生せず、そのために固体どうしの強い接触が起こる。しかしながら、摺動面上にできる動的な圧力は、うねりや粗さが大きくなり過ぎると減少し、摺動面どうしがうねりの凸部で接触するようになる。   For example, when the sliding surface of silicon carbide is mirror-finished, even if it is rotated with a slight undulation, no dynamic pressure is generated, and strong contact between solids occurs. However, the dynamic pressure generated on the sliding surface decreases when the undulation and roughness become too large, and the sliding surfaces come into contact with each other on the undulating convex portion.

このように動的な圧力が発生し、しかも漏洩しないためには、摺動面にサブミクロンの極微小なうねりが必要であるが、メカニカルシールでは、摺動面に形成されたサブミクロンの極微小なうねりが、摺動性能と密封性能に大きく影響を与える。   In order for such dynamic pressure to be generated and not to leak, submicron waviness on the sliding surface is necessary. Small waviness greatly affects sliding performance and sealing performance.

従来のカーボン摺動材料では、この極微小なうねりが容易にできるため動圧とキャビテーションが発生し、密封性能が保持されたまま良好な潤滑性能が得られていた。ところが炭化珪素の場合は安定したサブミクロンの極微小なうねりができ難いため、漏れ発生や摺動面どうしが接触し破損に至ってしまう。   In the conventional carbon sliding material, this minute undulation can be easily performed, so that dynamic pressure and cavitation are generated, and good lubricating performance is obtained while maintaining sealing performance. However, in the case of silicon carbide, since it is difficult to produce a stable submicron extremely small undulation, leakage occurs and sliding surfaces come into contact with each other, resulting in damage.

従来から、炭化珪素摺動材料は自己潤滑性が乏しいことについては言及されてきたが、それとは別に、炭化珪素摺動材料で密封性能と潤滑性能が良好に維持できないのは、適正なうねりが摺動面に形成されないために起きていることについて見逃されてきた。   Conventionally, it has been mentioned that silicon carbide sliding materials have poor self-lubricating properties, but apart from that, it is not possible to maintain good sealing performance and lubricating performance with silicon carbide sliding materials. What has happened because it is not formed on the sliding surface has been overlooked.

本発明は、従来見逃されていた上記の知見に基づき、自己潤滑性が乏しいとされる炭化珪素同士を摺動させるメカニカルシールにおいて、密封性能を有しながら、更に潤滑性能を向上させることができる新しい技術として、摺動面にピーク気孔径(頻度が最大となる気孔径/以下、同様)が異なる複数の気孔群を形成した炭化珪素摺動材料を新たに提案する。
The present invention is a mechanical seal that slides silicon carbides that are said to have poor self-lubricating properties based on the above-mentioned knowledge that has been overlooked so far, and can further improve the lubricating performance while having sealing performance. As a new technique, a silicon carbide sliding material in which a plurality of pore groups having different peak pore diameters (the pore diameter having the highest frequency / hereinafter the same) is formed on the sliding surface is newly proposed.

上記目的を達成するために、本発明に係る摺動材料は、
摺動面上に気孔が形成された摺動材料であって、
頻度が最大となる気孔径が0.05〜0.1mmの範囲にある気孔の集合をマクロドメインとし、頻度が最大となる気孔径が前記マクロドメインの頻度が最大となる気孔径を示す値の0.2〜0.5倍である気孔の集合をミクロドメインとしたとき、
前記マクロドメインが前記摺動面上に占める面積の割合を示すマクロドメイン面積率が2.0〜10.0%であり、
前記ミクロドメインが前記摺動面上に占める面積の割合を示すミクロドメイン面積率が、前記マクロドメイン面積率の0.5〜3倍である。
In order to achieve the above object, the sliding material according to the present invention comprises:
A sliding material having pores formed on the sliding surface,
Frequency pore diameter becomes maximum is the macro domain a set of pores in the range of 0.05 to 0.1 mm, the frequency of the pore diameter the frequency is maximized is the macro domain value indicating pore diameter at the maximum When a set of pores that is 0.2 to 0.5 times a micro domain,
The macrodomain area ratio indicating the ratio of the area occupied by the macrodomain on the sliding surface is 2.0 to 10.0%,
The microdomain area ratio indicating the ratio of the area occupied by the microdomains on the sliding surface is 0.5 to 3 times the macrodomain area ratio.

好ましくは、前記摺動面上において、前記マクロドメインおよび前記ミクロドメインに属する気孔の全周囲が、前記摺動材料を構成する材質よりも軟質な材質で覆われている。   Preferably, on the sliding surface, the entire perimeter of the pores belonging to the macro domain and the micro domain is covered with a material softer than the material constituting the sliding material.

好ましくは、前記摺動材料を構成する材質が炭化珪素を含む。   Preferably, the material constituting the sliding material includes silicon carbide.

好ましくは、前記軟質な材質が炭素質を含む。   Preferably, the soft material includes carbonaceous material.

本発明では、摺動面上に形成された気孔は、ピーク気孔径を積極的に変えた複数の気孔群であるマクロドメイン、及びミクロドメインから成る。そして、相対的に気孔断面の面積が大きいマクロドメインに保持された密封液が、軸に固定されたシール回転環の回転により摺動面に発生する動的圧力により負荷容量が得られると同時に、気孔外の摺動面に流出して潤滑状態を良化させる効果を発生させる。   In the present invention, the pores formed on the sliding surface are composed of a macro domain and a micro domain which are a plurality of pore groups whose peak pore diameter is positively changed. The sealing liquid held in the macro domain having a relatively large pore cross-sectional area can obtain a load capacity by dynamic pressure generated on the sliding surface by rotation of the seal rotating ring fixed to the shaft, It flows out to the sliding surface outside the pores and generates an effect of improving the lubrication state.

したがって、メカニカルシール摺動面のマクロドメインに保持されていた密封液は、動的圧力の発生と共に気孔内から押し出され、相対的に気孔径が小さいミクロドメインに吸収されて密封液が機外側へ漏れるのを防ぐ働きをする。   Therefore, the sealing liquid held in the macro domain of the sliding surface of the mechanical seal is pushed out of the pores along with the generation of dynamic pressure, and is absorbed by the micro domain having a relatively small pore diameter, so that the sealing liquid moves to the outside of the machine. It works to prevent leakage.

その結果、マクロドメインとミクロドメイン間を双方向に移動する際、密封流体が摺動面上に存在し液体膜を形成して潤滑効果を成し、空の気孔内ではキャビテーションが発生することにより液体膜は遮断されるため密封効果が得られる。   As a result, when moving between the macro domain and the micro domain bi-directionally, the sealing fluid exists on the sliding surface and forms a liquid film to achieve a lubrication effect, and cavitation occurs in the empty pores. Since the liquid film is blocked, a sealing effect is obtained.

また、自己潤滑性が乏しい摺動材料、特に炭化珪素摺動材料のどちらか片方の摺動面上に、難黒鉛炭素から成る外殻により外部から遮断され内部に一つの気孔を有する中空球状炭素質粒子の切断面にできる半球を、上記の気孔とすることが好ましい。   Also, a hollow spherical carbon having one pore inside that is blocked from the outside by an outer shell made of non-graphite carbon on one sliding surface of a sliding material with poor self-lubricating property, particularly a silicon carbide sliding material. The hemisphere formed on the cut surface of the particle is preferably the above-mentioned pore.

本発明では、このように同一摺動面上において相矛盾する潤滑性能の向上と、長期間安定したシール性能の維持を可能にしたものである。その特徴は、炭化珪素焼結体中に偶然出来上がる気孔ではなく、気孔の大きさや分布を制御して目的の気孔を定量的に作ることにあり、その結果として良好な摺動性能と、密封性能の維持を可能にした。   The present invention makes it possible to improve contradictory lubrication performance on the same sliding surface and maintain stable sealing performance for a long period of time. The feature is that the desired pores are made quantitatively by controlling the size and distribution of the pores, not the pores that are accidentally formed in the silicon carbide sintered body. As a result, good sliding performance and sealing performance It was possible to maintain.

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材料を、固定用密封環および/または回転用密封環として有する。このようにすることで、密封性および摺動性に優れたメカニカルシールを得ることができる。なお、本発明に係るメカニカルシールにおいては、本発明の摺動材料を、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。   The mechanical seal which concerns on this invention has the sliding material in any one of said as a sealing ring for fixation and / or a sealing ring for rotation. By doing in this way, the mechanical seal excellent in sealing performance and slidability can be obtained. In the mechanical seal according to the present invention, the sliding material 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 may be used as a sealing ring for rotation.

図1は、本発明の一実施形態に係る摺動材料の摺動面近傍の断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in the vicinity of a sliding surface of a sliding material according to an embodiment of the present invention. 図2(A)〜(C)は、摺動面上に存在する流体の摺動時の挙動を説明するための摺動面の断面模式図である。2A to 2C are schematic cross-sectional views of the sliding surface for explaining the behavior of the fluid existing on the sliding surface during sliding. 図3(A)および(B)は、図2の続きを示す摺動面の断面模式図である。FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views of the sliding surface showing the continuation of FIG. 図4(A)および(B)は、マクロドメインおよびミクロドメインの気孔径の分布を示す模式図である。FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing the pore size distribution of the macro domain and the micro domain. 図5は、マクロドメインおよびミクロドメインに属する気孔の全周囲が炭素質の材料で覆われている摺動材料の摺動面の断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a sliding surface of a sliding material in which the entire periphery of pores belonging to the macro domain and the micro domain is covered with a carbonaceous material. 図6は、本発明の一実施形態に係る摺動材料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. 6 is a schematic cross-sectional view of a mechanical seal using a sliding material according to an embodiment of the present invention and a test apparatus therefor. 図7は、実施例1〜3、比較例1〜3および7の摺動リングを用いたメカニカルシールおよびその性能試験装置の概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a mechanical seal using the sliding rings of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 and 7 and its performance test apparatus. 図8(A)は、実施例1〜3の摺動リングを密封回転環として用いたメカニカルシール性能試験において、摺動面の比摩耗量と、G値と、の関係を示すグラフであり、図8(B)は、比較例1〜3および7の摺動リングを密封回転環として用いたメカニカルシール性能試験において、摺動面の比摩耗量と、G値と、の関係を示すグラフである。FIG. 8A is a graph showing the relationship between the specific wear amount of the sliding surface and the G value in a mechanical seal performance test using the sliding rings of Examples 1 to 3 as a sealing rotary ring. FIG. 8B is a graph showing the relationship between the specific wear amount of the sliding surface and the G value in the mechanical seal performance test using the sliding rings of Comparative Examples 1 to 3 and 7 as the sealing rotary ring. is there.

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.

摺動材料
本実施形態の摺動材料は、摺動面上に特定の気孔径を有する気孔が特定の割合で形成されたものである。
Sliding material The sliding material of the present embodiment is formed by forming pores having a specific pore diameter on a sliding surface at a specific ratio.

本実施形態の摺動材料を構成する材料としては、特に制限されないが、たとえば、アルミナ(Al)、炭化珪素(SiC)、超硬合金等の硬質な材料であることが好ましい。本実施形態では、摺動材料は炭化珪素で構成される。 The material constituting the sliding material of the present embodiment is not particularly limited, for example, alumina (Al 2 O 3), silicon carbide (SiC), is preferably a hard material such as cemented carbide. In the present embodiment, the sliding material is made of silicon carbide.

先ず、図1に示すように、摺動材料(炭化珪素)において、単位面積あたりの摺動面50に形成された気孔(マクロ気孔61、ミクロ気孔62)に着目する。図2(B)および(C)に示すように、マクロ気孔61の中にある密封液体80は、摺動面50の回転により動的な圧力が発生して正の圧力になることにより、マクロ気孔61の外へ放出される。そうすると、マクロ気孔内は密封液体が減ったため負圧になり、気孔内にキャビテーションが発生する。しかし、マクロ気孔内が飽和蒸気圧以下になると、図2(A)および図3(B)に示すように、周囲からの密封流体80の流れ込みによりキャビテーションは消滅し、マクロ気孔61内は再び密封液体80で満たされる。   First, as shown in FIG. 1, attention is paid to pores (macropores 61 and micropores 62) formed on the sliding surface 50 per unit area in the sliding material (silicon carbide). As shown in FIGS. 2B and 2C, the sealing liquid 80 in the macropores 61 generates a positive pressure by generating a dynamic pressure by the rotation of the sliding surface 50. It is discharged out of the pores 61. If it does so, since the sealing liquid will reduce in a macropore, it will become a negative pressure and a cavitation will generate | occur | produce in a pore. However, when the inside of the macropores becomes equal to or lower than the saturated vapor pressure, the cavitation disappears due to the flow of the sealing fluid 80 from the surroundings and the inside of the macropores 61 is sealed again as shown in FIGS. 2 (A) and 3 (B). Filled with liquid 80.

一方、マクロ気孔61から放出された密封液体80は、図2(C)および図3(A)に示すように、回転方向に引きずられながら負圧になっている周囲のミクロ気孔62に吸い込まれる。このときマクロ気孔61から放出された密封流体80は摺動面間に液膜として存在して移動するため、摺動面間で潤滑効果の働きをするため摩擦係数を低下させる。また、マクロ気孔61内が正の圧力になった瞬間、圧力上昇により負荷容量が上昇するため固体どうしの接触を緩和させる。更に、気孔を摺動面上に配置することにより、上述したメカニカルシールの密封性能の維持に不可欠なキャビテーションが積極的に発生する。   On the other hand, as shown in FIGS. 2C and 3A, the sealing liquid 80 discharged from the macropores 61 is sucked into the surrounding micropores 62 that are in a negative pressure while being dragged in the rotation direction. . At this time, since the sealing fluid 80 discharged from the macropores 61 exists and moves as a liquid film between the sliding surfaces, the friction coefficient is reduced because the lubricating effect is exerted between the sliding surfaces. Moreover, since the load capacity increases due to the pressure increase at the moment when the inside of the macropores 61 becomes a positive pressure, the contact between the solids is relaxed. Furthermore, by arranging the pores on the sliding surface, cavitation indispensable for maintaining the sealing performance of the mechanical seal described above is positively generated.

平均気孔径が異なることの幾何学的な意味を説明すると、例えばマクロ気孔の半径が1/2に減じると、気孔内の体積は1/8に減る。マクロ気孔とそれを取り囲む近傍のミクロ気孔に限ると、両方の気孔から押し出される流量は同じであるが、体積が小さいミクロ気孔の方が早く枯渇する。すなわちこの作用によってマクロ気孔とミクロ気孔間のサイクルモードに時間差を持たせることが可能になる。   Explaining the geometrical meaning of different mean pore diameters, for example, when the macropore radius is reduced to 1/2, the volume in the pores is reduced to 1/8. When the macropores and the neighboring micropores surrounding the macropores are limited, the flow rate pushed out from both pores is the same, but the micropores having a small volume are depleted earlier. That is, by this action, it becomes possible to give a time difference to the cycle mode between macropores and micropores.

積極的にピーク気孔径が異なる気孔群を同一摺動面に形成することで、以下のような効果が得られる。マクロ気孔に密封流体が流れ込み、それを放出し、再度取り込む一連のサイクルモードに時間差を発生させることにある。相対的に見て気孔体積が大きいマクロドメインよりも、相対的に気孔体積が小さいミクロドメインの方が応答は速い。   The following effects can be obtained by positively forming pore groups having different peak pore diameters on the same sliding surface. The sealing fluid flows into the macropores, discharges them, and creates a time difference in a series of cycle modes. The response of the micro domain having a relatively small pore volume is faster than that of the macro domain having a relatively large pore volume.

したがって、マクロ気孔61に動的な圧力が発生し正圧になったとき、マクロ気孔61近傍のミクロ気孔62では、一足早く負圧となりキャビテーションが起っており、図2(C)に示すように、マクロ気孔61から放出された密封流体80を吸収するため機外へ漏洩するのを防ぐ働きをする。   Therefore, when dynamic pressure is generated in the macropores 61 and becomes positive pressure, the micropores 62 in the vicinity of the macropores 61 become negative pressure quickly and cavitation occurs, as shown in FIG. In addition, it acts to prevent leakage of the sealing fluid 80 released from the macropores 61 to the outside of the machine.

図3(A)および図3(B)に示すように、そしてミクロ気孔62が吸収した密封流体が動的な圧力により流出するのもマクロ気孔61よりも早く発生し、密封流体80はミクロ気孔62から、キャビテーションが起きているマクロ気孔61へと流れ込む。このように密封流体80がマクロ気孔61から近傍のミクロ気孔62へ、そしてミクロ気孔62から近傍のマクロ気孔61へと摺動面上を移動するとき、摺動面上に液膜を形成するため潤滑効果が得られることになる。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the sealing fluid absorbed by the micropores 62 flows out faster than the macropores 61 due to dynamic pressure, and the sealing fluid 80 is microporous. From 62, it flows into the macropores 61 where cavitation occurs. Thus, when the sealing fluid 80 moves on the sliding surface from the macropore 61 to the neighboring micropore 62 and from the micropore 62 to the neighboring macropore 61, a liquid film is formed on the sliding surface. A lubricating effect will be obtained.

しかしながら、従来技術のように、頻度が最大となる気孔径(ピーク気孔径)が単一の気孔を摺動面に形成すると、密封流体が近くの気孔に流れ込んで止まってしまい、摺動面上に広がらず潤滑効果が期待できないか、または、流出した密封流体が摺動面に広がり過ぎて機外に漏洩する懸念がある。例えば気孔径が0.2mm の気孔に満たされている密封流体が全て摺動面に放出されて広がったとすると約10mm2 にも達する。したがって従来の単一のピーク気孔径を有する摺動面では、摺動面の回転で発生する動的な圧力上昇による負荷容量を増加するために気孔面積を単純に増やしてしまうと、上記のように摺動面上に密封流体膜が大きく広がり、摺動面に漏れ経路ができて機外へ漏洩する。
However, as in the prior art, when a pore having the largest frequency (peak pore size) is formed on the sliding surface, the sealing fluid flows into the nearby pore and stops, so that Therefore, there is a concern that the lubricating effect cannot be expected without spreading, or the leaked sealing fluid spreads too much on the sliding surface and leaks out of the machine. For example, if all the sealing fluid filled in the pores having a pore diameter of 0.2 mm is discharged to the sliding surface and spreads, it reaches about 10 mm 2 . Therefore, in the conventional sliding surface having a single peak pore diameter, if the pore area is simply increased in order to increase the load capacity due to the dynamic pressure rise generated by the rotation of the sliding surface, In addition, the sealing fluid film spreads greatly on the sliding surface, and a leakage path is formed on the sliding surface to leak out of the machine.

一方、比較的小さな気孔を摺動面全体に形成すると、機外への漏洩は無くなるものの、気孔から排出される密封流体が少な過ぎて摺動面上で潤滑効果が得られない問題がある。   On the other hand, when relatively small pores are formed on the entire sliding surface, there is no leakage to the outside of the machine, but there is a problem that the sealing fluid discharged from the pores is too small to obtain a lubricating effect on the sliding surface.

本実施形態では、積極的にピーク気孔径を変えて気孔を形成した炭化珪素摺動面は、気孔径が異なる気孔群同士の間の比率が重要になる。マクロ気孔とミクロ気孔の比率は、ミクロ気孔径をマクロ気孔径の1/2から1/5の範囲とし、更に気孔面積の比を0.5から2.0にすることで、マクロ気孔に対し、前述の気孔径の範囲にあるミクロ気孔を摺動面に生成すると、潤滑性能と密封性能の両方が維持できる範囲である。   In the present embodiment, the ratio between pore groups having different pore diameters is important for the silicon carbide sliding surface in which pores are formed by actively changing the peak pore diameter. The ratio of macropores to micropores is such that the micropore diameter is in the range of 1/2 to 1/5 of the macropore diameter and the ratio of the pore area is 0.5 to 2.0. When micropores in the range of the pore diameter are generated on the sliding surface, both the lubrication performance and the sealing performance can be maintained.

また、図4(A)に示すように、ピーク気孔径が0.05〜0.1mmの範囲にある気孔の集合がマクロドメインであり(マクロ気孔群)、ピーク気孔径がマクロドメインのピーク気孔径を示す値の0.2〜0.5倍の範囲にある気孔の集合がミクロドメインである(ミクロ気孔群)。
Further, as shown in FIG. 4 (A), a macro domain set of pores in the range peak pore diameter of 0.05 to 0.1 mm (macro pore group), a peak gas peak pore diameter of the macro domain A set of pores in the range of 0.2 to 0.5 times the value indicating the pore diameter is a microdomain (micropore group).

すなわち、ピーク気孔径が0.05mmのマクロドメインが存在する場合、本実施形態では、ミクロドメインの気孔径のピークは0.01〜0.025mmの範囲にあり、ピーク気孔径が0.1mmのマクロドメインが存在する場合、本実施形態では、ミクロドメインの気孔径のピークは0.02〜0.05mmの範囲にある。
That is, when a macro domain having a peak pore diameter of 0.05 mm exists, in this embodiment, the peak of the micro domain pore diameter is in the range of 0.01 to 0.025 mm, and the peak pore diameter is 0.1 mm. In the present embodiment, the microdomain has a pore size peak in the range of 0.02 to 0.05 mm.

なお、マクロドメインの気孔径の分布と、ミクロドメインの気孔径の分布と、が重なっている場合には、図4(B)に示すように、分布と分布との境界部分で分ける。   When the pore size distribution of the macro domain and the pore size distribution of the micro domain overlap, as shown in FIG. 4B, the distribution is divided at the boundary between the distributions.

さらに、このマクロドメインが摺動面上に占める面積の割合(マクロドメイン面積率)は、2.0〜10.0%、好ましくは3.0〜7.0%である。また、ミクロドメインが摺動面上に占める面積の割合(ミクロドメイン面積率)は、マクロドメイン面積率の0.5〜3倍、好ましくは0.7〜1.5倍である。   Furthermore, the ratio of the area occupied by the macro domain on the sliding surface (macro domain area ratio) is 2.0 to 10.0%, preferably 3.0 to 7.0%. The ratio of the area occupied by the microdomains on the sliding surface (microdomain area ratio) is 0.5 to 3 times, preferably 0.7 to 1.5 times the macrodomain area ratio.

また、従来技術では気孔をそのまま炭化珪素摺動面に形成しているため、気孔の淵が鋭利にできあがり、この部分にせん断応力により欠ける事がある。欠けて脱落した炭化珪素の微細なかけらが摺動面にそのまま残留し、摺動面を摩耗させ損傷させる場合があるが、これを防ぐ最良の方法は、炭化珪素どうしの摺動面に微細な炭化珪素のかけらが生じさせないことが大事である。   Further, in the prior art, since the pores are directly formed on the silicon carbide sliding surface, the pores are sharply formed, and this portion may be lost due to shear stress. Fine pieces of silicon carbide that have been chipped off may remain on the sliding surface, and the sliding surface may be worn out and damaged. The best way to prevent this is to finely adhere the sliding surfaces between the silicon carbides. It is important not to generate silicon carbide fragments.

そこで、本実施形態では、図5に示すように、摺動時に炭化珪素摺動面50に形成された気孔61,62の淵は中空球状炭素質粒子70で覆われていて、応力集中が起きない構造にしているため、炭化珪素片の脱落を防止することができる。そして更に、各気孔は中空球状炭素質粒子70から成る気孔の中央にあるため、気孔どうしは最短でも炭素外殻で隔てられており、そのため摺動面には独立した気孔が形成され、気孔どうしがつながって漏れ経路が形成されることが無い大きな利点がある。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the pores 61 and 62 formed in the silicon carbide sliding surface 50 during the sliding are covered with the hollow spherical carbonaceous particles 70, and stress concentration occurs. Since the structure is not provided, it is possible to prevent the silicon carbide pieces from falling off. Furthermore, since the pores are in the center of the pores composed of the hollow spherical carbonaceous particles 70, the pores are separated by the carbon outer shell at the shortest, so that independent pores are formed on the sliding surface. There is a great advantage that the leakage path is not formed by connecting.

また、メカニカルシール用の摺動材料の気孔の場合、密封性能を保持するために気孔どうしが独立し連通していないことが大変重要である。更に、摺動面に形成された気孔の周囲が欠けて微小炭化珪素片が離脱し炭化珪素摺動面を損傷することがある。この微小炭化珪素片は摺動面から排出させるのは難しく、摺動面に入り込むとアブレシブ摩耗を引き起こすが、そもそも破壊靭性値が小さい炭化珪素の場合には摺動面を局所的に強く接触させない事と、応力集中が起き易い鋭利な角を作らないようにする必要がある。   Further, in the case of pores of a sliding material for mechanical seal, it is very important that the pores are not independent and communicated with each other in order to maintain the sealing performance. Further, the periphery of the pores formed on the sliding surface may be chipped, and the fine silicon carbide pieces may be detached and damage the silicon carbide sliding surface. This small silicon carbide piece is difficult to be discharged from the sliding surface, and when it enters the sliding surface, it causes abrasive wear. In addition, it is necessary not to create a sharp corner where stress concentration easily occurs.

メカニカルシール
メカニカルシールの構造を限定するものではないが、一般産業用ポンプに装着されるメカニカルシール100の半断面を図6に示す。図6において、密封回転環110は、回転軸1にセットスクリュー112で締結固定されたシールケース113に組み込まれ、軸と一体で回転し、その片側端面にシール面52を有し、密封回転環110の内周段部で軸1との間に二次シール2を組み込むことにより液漏れを封止する。
Although the structure of a mechanical seal mechanical seal is not limited, the half cross section of the mechanical seal 100 with which a general industrial pump is mounted | worn is shown in FIG. In FIG. 6, a sealed rotary ring 110 is incorporated in a seal case 113 fastened and fixed to the rotary shaft 1 with a set screw 112, rotates integrally with the shaft, has a seal surface 52 on one end face thereof, and has a sealed rotary ring. Liquid leakage is sealed by incorporating a secondary seal 2 between the shaft 1 and the inner peripheral step portion 110.

更に密封回転環110は、シールケース113によって軸線方向の移動が制限され、かつ軸線方向に押し付け力を付与するばね115の弾発力が、押えリング117を介して軸方向に移動可能である密封回転環110を、非回転の固定密封環120方向に押し付けるように構成されている。   Further, the sealed rotating ring 110 is sealed so that the axial movement is restricted by the seal case 113 and the elastic force of the spring 115 that applies a pressing force in the axial direction is movable in the axial direction via the presser ring 117. The rotating ring 110 is configured to be pressed toward the non-rotating fixed sealing ring 120.

そして、密封回転環110に対面する位置にある固定密封環120の片側端面のシール面53が、密封回転環シール面52に接触しながら回転摺動する。固定密封環120の外周段部とポンプケーシング5との間に、二次シール3を装着し液漏れを封止する。固定密封環120は、ポンプケーシング5の内周に設けた回り止め防止の固定ピン6を介して回転を拘束される。   Then, the sealing surface 53 on one end face of the fixed sealing ring 120 at the position facing the sealing rotary ring 110 rotates and slides while contacting the sealed rotary ring seal surface 52. A secondary seal 3 is mounted between the outer peripheral step of the fixed seal ring 120 and the pump casing 5 to seal liquid leakage. The fixed seal ring 120 is constrained to rotate via a fixed pin 6 for preventing rotation, provided on the inner periphery of the pump casing 5.

このように構成されたメカニカルシール100は、密封回転環110と、固定密封環120が回転しながら回転摺動し、高圧側被密封流体P1を封止する作用を有するものである。   The mechanical seal 100 configured in this way has an action of sealingly sealing the high-pressure side sealed fluid P1 by rotating and sliding while the sealing rotary ring 110 and the fixed sealing ring 120 rotate.

本実施形態では、密封回転環110及び、固定密封環120が炭化珪素で構成されるか、または、密封回転環110、固定密封環120のどちらか片方が、炭素、黒鉛、炭素黒鉛混合など軟質摺動材料で形成され、密封回転環110のシール面52、または、固定密封環120のシール面53のどちらか片方に気孔を生成する。   In the present embodiment, the sealed rotating ring 110 and the fixed sealing ring 120 are made of silicon carbide, or one of the sealed rotating ring 110 and the fixed sealing ring 120 is soft such as carbon, graphite, carbon graphite mixed, etc. It is made of a sliding material, and pores are generated in either one of the sealing surface 52 of the sealed rotating ring 110 or the sealing surface 53 of the fixed sealing ring 120.

摺動材料の製造方法
本実施形態に係る摺動材料を製造する方法としては特に制限されないが、たとえば以下に示す方法により製造すればよい。
Manufacturing method of sliding material Although it does not restrict | limit especially as a method to manufacture the sliding material which concerns on this embodiment, What is necessary is just to manufacture by the method shown below, for example.

原料としては、炭化珪素粉末を準備する。   Silicon carbide powder is prepared as a raw material.

摺動面に気孔を形成するための造孔材としては、球状炭素質粒子を準備する。この球状炭素質粒子は、入手可能な既存のものを使用すればよく、フエノール樹脂、コールタールピッチなども入手できるが、本実施形態では、カーボンブラックを原料とする中空球状炭素質粒子を用いる。   Spherical carbonaceous particles are prepared as a pore former for forming pores on the sliding surface. As the spherical carbonaceous particles, available existing ones may be used, and phenol resin, coal tar pitch, and the like can be obtained. In this embodiment, hollow spherical carbonaceous particles using carbon black as a raw material are used.

本実施形態において、中空球状炭素質粒子を造孔材に用いる理由は、1.中空球状炭素質粒子が鋭利な角ができ易い摺動面上にある気孔周辺の淵を炭素粒子で覆うことで炭化珪素片の脱落を防げる。また、2.中空球状炭素質粒子の外周にある炭素の殻によってそれぞれの気孔が隔てられるため、気孔どうしが連通することなく独立気孔が形成され、3.樹脂ビーズを使用した場合に比べて、焼成過程で生じる分解ガスが極めて少ないため、セラミックス部材の強度を低下させるような亀裂の発生を回避できるからである。   In the present embodiment, the reason for using the hollow spherical carbonaceous particles as the pore former is as follows. Covering the soot around the pores on the sliding surface where the hollow spherical carbonaceous particles can easily form a sharp angle with the carbon particles can prevent the silicon carbide pieces from falling off. In addition, 2. 2. Since the pores are separated by the carbon shell on the outer periphery of the hollow spherical carbonaceous particle, independent pores are formed without the pores communicating with each other; This is because cracks that reduce the strength of the ceramic member can be avoided because the decomposition gas generated in the firing process is extremely small compared to the case of using resin beads.

一方、中空造孔材に要求される好ましい物理化学的性質として、1.融点が焼結温度よりも高く、焼結温度においても強度が低下せず安定であること、2.中空を有する球形状を保持したままで、かつ摩擦係数を低下させる効果があること、3.炭化珪素の焼結を妨げないこと、4.摺動時に脱落しないため炭化珪素と強固に結合すること、 5.耐食性があること、そして、6.熱膨張率が炭化珪素と同じであることが挙げられる。   On the other hand, preferable physicochemical properties required for the hollow pore former are: 1. The melting point is higher than the sintering temperature, and the strength does not decrease even at the sintering temperature and is stable. 2. It has the effect of reducing the coefficient of friction while maintaining the hollow spherical shape; 3. Do not hinder the sintering of silicon carbide. 4. Bond firmly with silicon carbide so that it will not fall off when sliding. 5. Corrosion resistance and The coefficient of thermal expansion is the same as that of silicon carbide.

これらの条件をほぼ満たし安価で入手可能な材料としてカーボンと黒鉛がある。黒鉛は優れた自己潤滑性を有するが、黒鉛を中空球状粒子にした場合次のような欠点がある。先ず、黒鉛の機械的性質が異方性材料であるため圧縮率が層状方向で異なっており均等に圧縮せず、炭化珪素燒結中に仮に周囲から均等に圧縮力を受けたとしても中空を保持したまま球形を維持するのは難しい。   Carbon and graphite are materials that satisfy these conditions and are available at low cost. Graphite has excellent self-lubricating properties, but there are the following disadvantages when graphite is made into hollow spherical particles. First, because the mechanical properties of graphite are anisotropic materials, the compressibility is different in the laminar direction and it does not compress evenly, and even if it receives compressive force evenly from the surroundings during silicon carbide sintering, it retains the hollow It is difficult to maintain a spherical shape.

また、黒鉛は強度が低く容易にへき開し易く、また黒鉛は結晶性が高い炭素六方網面であるため炭化珪素と強い結合ができにくく、摺動中に中空黒鉛粒子が脱落する恐れがある。カーボンと黒鉛の材料強度を比較すると、ヤング率はカーボンが約2倍、曲げ強さと圧縮強さもカーボンの方が約1.5倍大きく黒鉛よりも勝っている。また、黒鉛は炭素に比べ焼結中において炭化珪素粒子の粒成長を抑制する効果が小さい。以上の理由により、本実施形態では炭素を使った中空球状炭素質粒子とする。   In addition, graphite is low in strength and easily cleaved, and graphite is a carbon hexagonal network surface with high crystallinity, so that strong bonding with silicon carbide is difficult, and hollow graphite particles may fall off during sliding. Comparing the material strength of carbon and graphite, the Young's modulus is about twice that of carbon, and the bending strength and compressive strength of carbon are about 1.5 times greater than graphite. Graphite has a smaller effect of suppressing the grain growth of silicon carbide particles during sintering than carbon. For the above reason, in this embodiment, the hollow spherical carbonaceous particles using carbon are used.

なお、中空球状炭素質粒子が炭化珪素の焼結過程において黒鉛化する可能性がある。しかしながら、黒鉛化の主要因子は圧力と加熱温度であり、常圧下では約2500℃以上の高温熱処理が必要であると言われている。また、いかなるカーボンでも加熱することにより黒鉛化するのではなく、カーボンの性状により難黒鉛化性(GC)のものと、易黒鉛性カーボンとがある。   The hollow spherical carbonaceous particles may be graphitized during the sintering process of silicon carbide. However, the main factors of graphitization are pressure and heating temperature, and it is said that high temperature heat treatment at about 2500 ° C. or higher is required under normal pressure. Further, any carbon is not graphitized by heating, but there are non-graphitizable (GC) and graphitizable carbon depending on the properties of carbon.

易黒鉛化カーボンとしては、メゾフェースカーボン、コークス、熱分解炭素などが知られている。一方、難黒鉛化性カーボンは、カーボンブラック、またはフエノール樹脂やフラン樹脂を1000℃付近で熱処理すると難黒鉛化性カーボンの生成が可能である。   As graphitizable carbon, mesophase carbon, coke, pyrolytic carbon and the like are known. On the other hand, non-graphitizable carbon can produce non-graphitizable carbon by heat treatment of carbon black or phenol resin or furan resin at around 1000 ° C.

これら難黒鉛化性カーボンにつき検討した結果、中空球状炭素質粒子材として熱処理しても炭素層面の発達が制約されるために難黒鉛化性を強く有するカーボンブラックが好ましいことが分かり、本実施形態では、カーボンブラックを原料とする中空球状炭素質粒子とする。   As a result of examining these non-graphitizable carbons, it was found that carbon black having strong non-graphitability is preferable because the development of the carbon layer surface is restricted even when heat-treated as a hollow spherical carbonaceous particle material. Then, it is set as the hollow spherical carbonaceous particle which uses carbon black as a raw material.

また、摺動材料の原料として、炭化珪素粉末に加え、焼結助剤として硼素微粉末、あるいは炭化珪素の粒成長を抑え微細でち密な組織を生成させるための炭素粉末やカーボンブラック微粉末を添加してもよい。この場合、炭素微粉末やカーボンブラック微粉末は焼結助剤として働き、炭化珪素粉末中にあるSiO2被覆を還元除去し、炭化珪素粉末粒子間の原子拡散を増長させる効果がある。 In addition to silicon carbide powder as a raw material for the sliding material, boron fine powder as a sintering aid, or carbon powder and carbon black fine powder for suppressing the grain growth of silicon carbide and generating a fine and dense structure. It may be added. In this case, the fine carbon powder or fine carbon black powder acts as a sintering aid, and has the effect of reducing and removing the SiO 2 coating in the silicon carbide powder and increasing atomic diffusion between the silicon carbide powder particles.

一方、硼素は焼結過程の初期に炭化珪素粉末の表面に拡散し、炭化珪素粉末の表面エネルギーを低下させて炭化珪素の蒸発、および表面拡散を抑制し、炭化珪素の緻密化を促進させる効果がある。本実施形態では、焼結助剤としてB4Cを0.10重量%〜1.0重量%加えることが好ましい。 On the other hand, boron diffuses to the surface of the silicon carbide powder in the early stage of the sintering process, lowers the surface energy of the silicon carbide powder, suppresses the evaporation of the silicon carbide, and the surface diffusion, and promotes the densification of the silicon carbide. There is. In the present embodiment, it is preferable to add B 4 C 0.10 wt% to 1.0 wt% as a sintering aid.

また、気孔形成材として入れたカーボンブラック粉末から作った中空球状炭素質粒子は、炭化珪素の結晶粒の粗大化を抑制する働きを持つ。これは、中空球状炭素質粒子を炭化珪素の粒界に分散させておくと、焼結が進み炭化珪素粒子が成長して中空球状炭素質粒子に衝突すると、そこで成長が抑制されるため異常粒成長を抑制する。この効果により、中空球状炭素質粒子の周りには緻密な炭化珪素粒子が形成されるようになり、焼結の進行に伴い均一な圧縮力を受けて強固に結合される。   Moreover, the hollow spherical carbonaceous particles made from the carbon black powder put in as a pore forming material have a function of suppressing the coarsening of silicon carbide crystal grains. This is because if the hollow spherical carbonaceous particles are dispersed in the grain boundaries of silicon carbide, the sintering progresses and the silicon carbide particles grow and collide with the hollow spherical carbonaceous particles. Suppress growth. Due to this effect, dense silicon carbide particles are formed around the hollow spherical carbonaceous particles and are firmly bonded by receiving a uniform compressive force as the sintering proceeds.

中空球状炭素質粒子が内包する1つの気孔径と、中空球状炭素質粒子の外径間には相関があるので、中空球状炭素質粒子を投入する前に、スクリーニングを行うことにより目的とする範囲の粒径分布が得られる。   Since there is a correlation between the pore diameter contained in the hollow spherical carbonaceous particles and the outer diameter of the hollow spherical carbonaceous particles, the target range can be obtained by screening before introducing the hollow spherical carbonaceous particles. The particle size distribution is obtained.

さらに、本実施形態では、炭化珪素粉末100重量%に対し、平均粒子径が1.0×10-2μmから3.0×10-1μmの微細炭化珪素粉末を1.0重量%から8.0重量%添加することが好ましい。球形に近い粒子の比表面積(表面積/体積)は粒子径に反比例し、粒子径が小さくなるほど比表面積が大きくなり、粒子表面での吸着や反応が活発化して焼結助剤が多く付着するため、炭化珪素の焼結を進行させる効果がある。 Furthermore, in the present embodiment, a fine silicon carbide powder having an average particle diameter of 1.0 × 10 −2 μm to 3.0 × 10 −1 μm may be added to 1.0 wt% to 8.0 wt% with respect to 100 wt% of silicon carbide powder. preferable. The specific surface area (surface area / volume) of particles close to a sphere is inversely proportional to the particle diameter, and the smaller the particle diameter, the larger the specific surface area. There is an effect to advance the sintering of silicon carbide.

この微細炭化珪素粉末を添加分散させると、反応性が高い微細炭化珪素粉末と隣り合う炭化珪素粒子の表面エネルギーを低下させ、焼結を進み易くし高密度の炭化珪素焼結体が得られ易くなる。本実施形態では、炭化珪素燒結体の組織に中空球状炭素質粒子を分散させているため、強度を維持するために密度を高くする必要がある。更に中空球状炭素質粒子が炭化珪素組織から脱落しないように物理的に強固に結合させる必要もある。   When this fine silicon carbide powder is added and dispersed, the surface energy of the silicon carbide particles adjacent to the highly reactive fine silicon carbide powder is reduced, so that the sintering can proceed easily and a high-density silicon carbide sintered body can be easily obtained. Become. In this embodiment, since hollow spherical carbonaceous particles are dispersed in the structure of the silicon carbide sintered body, it is necessary to increase the density in order to maintain the strength. Furthermore, it is necessary to bond the hollow spherical carbonaceous particles physically and firmly so that they do not fall out of the silicon carbide structure.

微細炭化珪素粉末を添加分散させると高密度の炭化珪素焼結体が得られ、中空球状炭素質粒子は周囲の炭化珪素粒子が焼結に伴う収縮力を受け、炭化珪素粒子との境界で固体力学的な収縮力により強固に結合される。   When fine silicon carbide powder is added and dispersed, a high-density silicon carbide sintered body is obtained, and the hollow spherical carbonaceous particles are solid at the boundary with the silicon carbide particles because the surrounding silicon carbide particles are subjected to shrinkage due to the sintering. It is firmly bonded by mechanical contraction force.

ここで微細炭化珪素粉末の平均粒子径を1.0×10-2μm以上とするのが好ましいのは、粒径が細かくなるほど凝集してしまい、微粒子のまま添加するのが難しくなるためで、平均粒子径をこれ以下にすると、分散材として例えば濃厚コロイド系を使用しても一次粒子かそれに近い粒径まで分散させることが困難となる傾向にある。 Here, it is preferable that the average particle diameter of the fine silicon carbide powder is 1.0 × 10 −2 μm or more because the smaller the particle diameter is, the more the particles are aggregated and it is difficult to add fine particles. If the diameter is made smaller than this, even if a concentrated colloidal system is used as the dispersing material, it tends to be difficult to disperse to primary particles or a particle size close thereto.

また、微細炭化珪素粉末の平均粒子径の上限を3.0×10-1μmとするのが好ましいのは、これより大きい微細炭化珪素粉末を添加すると分散性は格段に良くなるが、中空球状炭素質粒子と周囲を取り囲む炭化珪素粒子近傍を観察で結晶密度の良化があまり見られなかったことによる。 Further, the upper limit of the average particle diameter of the fine silicon carbide powder is preferably 3.0 × 10 −1 μm. When a fine silicon carbide powder larger than this is added, the dispersibility is remarkably improved. This is because the crystal density was not so much improved by observing the vicinity of the silicon carbide particles surrounding the particles and the periphery.

上述した炭化珪素粉末、微細炭化珪素粉末および焼結助剤(BC等)に対し、結合剤として有機系の樹脂、例えばアクリル樹脂、フェノール樹脂、コールタールピッチ、ポリイミド、エポキシ樹脂のうちの1種類を、2.0重量%から5.0重量%添加することが好ましい。これら有機物質は有機溶媒中に溶けるが、環境配慮から水溶性フェノール樹脂が好ましく、150℃以下の加熱で硬化することが望ましい。 Of the above-mentioned silicon carbide powder, fine silicon carbide powder and sintering aid (B 4 C, etc.), organic binders such as acrylic resin, phenol resin, coal tar pitch, polyimide, epoxy resin as a binder One type is preferably added in an amount of 2.0 to 5.0% by weight. These organic substances are soluble in an organic solvent, but a water-soluble phenol resin is preferable in consideration of the environment, and it is desirable to cure by heating at 150 ° C. or lower.

更に、水溶性ポリビニルアルコールを好ましくは1.5重量%から3.0重量%と、中空球状炭素質粒子、それにイオン交換水を加えその中に界面活性剤を加えてスラリーを作る。スラリーをボールミルで十分攪拌した後、スプレードライヤでスラリーを乾燥させて顆粒化する。   Furthermore, water-soluble polyvinyl alcohol, preferably 1.5% to 3.0% by weight, hollow spherical carbonaceous particles and ion-exchanged water are added thereto, and a surfactant is added therein to form a slurry. After sufficiently stirring the slurry with a ball mill, the slurry is dried with a spray dryer and granulated.

この顆粒をメカニカルシール形状にほぼ近い金属金型プレス、またはラバープレスで圧縮成形し、更に結合剤を硬化させるために、120℃付近で1〜2時間成形体を加熱し硬化を完了させる。これをメカニカルシールの部品寸法に機械加工する。焼成は、無加圧下でアルゴン、または真空雰囲気中で好ましくは2050℃〜2150℃で行えばよい。   The granules are compression-molded with a metal mold press or rubber press almost similar to a mechanical seal shape, and further, the molded body is heated at 120 ° C. for 1 to 2 hours to complete the curing in order to cure the binder. This is machined to the mechanical seal part dimensions. Firing may be performed at 2050 ° C. to 2150 ° C. in an argon or vacuum atmosphere without pressure.

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
まず平均粒子径1μmに粉砕した炭化珪素粉末100重量%に対し、以下の成分を混合しスラリーにした。0.3μm以下の微細炭化珪素粉末を4.0重量%添加し、焼結中に起きる炭化珪素の結晶成長を抑えるために3重量%のカーボンブラックを添加し、焼結助剤としてB4Cを0.15重量%添加した。更に結合剤として水溶性フェノール樹脂を4.0重量%、ポリビニルアルコールを2.5重量%添加した。
Example 1
First, 100 weight% of silicon carbide powder pulverized to an average particle diameter of 1 μm was mixed with the following components to form a slurry. 4.0% by weight of fine silicon carbide powder of 0.3 μm or less is added, 3% by weight of carbon black is added to suppress silicon carbide crystal growth that occurs during sintering, and 0.15% by weight of B 4 C is used as a sintering aid. % Was added. Further, 4.0% by weight of water-soluble phenol resin and 2.5% by weight of polyvinyl alcohol were added as binders.

中空球状炭素質粒子は、中空部分の平均気孔径が0.1mmのものを1.1重量%と、中空部分の平均気孔径が0.02mmのものを0.2重量%とを用い、これにイオン交換水を加え濃度40%のスラリーにし、次に中空球状炭素質粒子をスラリー中に均一に分散させるためにボールミルで20時間混合攪拌し、スプレードライヤにより噴霧乾燥して顆粒体にした。   The hollow spherical carbonaceous particles are 1.1% by weight when the average pore diameter of the hollow part is 0.1 mm and 0.2% by weight when the average pore diameter of the hollow part is 0.02 mm, and ion-exchanged water is added to this. The slurry was made into a slurry having a concentration of 40%, and then, in order to uniformly disperse the hollow spherical carbonaceous particles in the slurry, they were mixed and stirred for 20 hours by a ball mill, and spray dried by a spray dryer to form granules.

この顆粒体を金属型に充填し100MPaで加圧成形し、更に結合剤を硬化させるために、120℃付近で1〜2時間成形体を加熱し硬化を完了させたあと、試験用摺動リングの寸法に機械加工し、アルゴン雰囲気中にて2150℃で焼結した。   After filling this granule into a metal mold, press molding at 100 MPa, and further curing the binder, the molded body is heated at around 120 ° C for 1 to 2 hours to complete the curing, and then a test sliding ring And sintered at 2150 ° C. in an argon atmosphere.

焼結摺動リング組織の確認は、研摩・ラップ後の摺動面を光学顕微鏡、またはデジタルマイクロスコープで、50倍から100倍の範囲で撮影した摺動面写真を画像解析専用のソフトウェアに取り込み、計測領域の指定、画質改善フィルターによる補正と、画素長を1.000μm/dotに設定し、気孔径、気孔面積を測定した。   To confirm the sintered sliding ring structure, the sliding surface after polishing and lapping is taken with an optical microscope or digital microscope, and the sliding surface photograph taken in the range of 50 to 100 times is imported into software dedicated to image analysis. Designation of measurement area, correction by image quality improvement filter, pixel length was set to 1.000 μm / dot, and pore diameter and pore area were measured.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.086mmで、その標準偏差が0.026mmである気孔群、そしてピーク気孔径が0.018mmで標準偏差が0.008mmである気孔群が存在しており、全体の面積気孔率は11.7%であった。また、ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をM01とし、JIS R 1601に従う曲げ強さ試験用の抗折試験片をT01とする。 The measurement results are as follows: in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 , a pore group having a peak pore diameter of 0.086 mm and a standard deviation of 0.026 mm, and a pore group having a peak pore diameter of 0.018 mm and a standard deviation of 0.008 mm The total area porosity was 11.7%. The sliding surface finish roughness Ra after lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is M01, and the bending test piece for bending strength test according to JIS R 1601 is T01.

実施例2
中空球状炭素質粒子として、中空部分の平均気孔径が0.1mmのものを1.1重量%と、中空部分の平均気孔径が0.05mmのものを1.0重量%とを添加した以外は、実施例1と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Example 2
As hollow spherical carbonaceous particles, Example 1 except that 1.1% by weight of the hollow part having an average pore diameter of 0.1 mm and 1.0% by weight of the hollow part having an average pore diameter of 0.05 mm were added. Similarly, a sintered sliding ring was produced. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.092mmで、その標準偏差が0.023mmである気孔群、そしてピーク気孔径が0.053mmで標準偏差が0.02mmである気孔群が存在しており、全体の面積気孔率は22.8%であった。また、ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をM02とし、JIS R 1601に従う曲げ強さ試験用の抗折試験片をT02とする。 The measurement results are as follows: pore group with a peak pore diameter of 0.092 mm and standard deviation of 0.023 mm, and pore group with a peak pore diameter of 0.053 mm and standard deviation of 0.02 mm in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 The total area porosity was 22.8%. The sliding surface finish roughness Ra after lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is M02, and the bending test piece for bending strength test according to JIS R 1601 is T02.

実施例3
中空球状炭素質粒子として、中空部分の平均気孔径が0.05mmのものを3.3重量%と、中空部分の平均気孔径が0.01mmのものを3.3重量%とを添加した以外は、実施例1と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Example 3
As hollow spherical carbonaceous particles, Example 1 with the exception that 3.3% by weight of the hollow part having an average pore diameter of 0.05 mm and 3.3% by weight of the hollow part having an average pore diameter of 0.01 mm were added. Similarly, a sintered sliding ring was produced. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.050mmで、その標準偏差が0.015mmである気孔群、そしてピーク気孔径が0.009mmで、標準偏差が0.003mmである気孔群が存在しており、全体の面積気孔率が7.7%であった。また、ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をM03とし、JIS R 1601に従う曲げ強さ試験用の抗折試験片をT03とする。 The measurement results were as follows: in a sliding area of 10 mm 2 , a pore group having a peak pore diameter of 0.050 mm and a standard deviation of 0.015 mm, and a pore group having a peak pore diameter of 0.009 mm and a standard deviation of 0.003 mm The total area porosity was 7.7%. The sliding surface finish roughness Ra after lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is M03, and the bending test piece for bending strength test according to JIS R 1601 is T03.

比較例1
中空球状炭素質粒子として、中空部分の平均気孔径が0.1mmのものを7.2重量%添加した以外は、実施例1と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 1
A sintered sliding ring was produced in the same manner as in Example 1, except that 7.2% by weight of hollow spherical carbonaceous particles having an average pore diameter of 0.1 mm in the hollow portion was added. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中に、ピーク気孔径が0.098mm、その標準偏差が0.019mmであり、面積気孔率が8.8%であった。また、研摩・ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をS01とする。 As a result of measurement, the peak pore diameter was 0.098 mm, the standard deviation was 0.019 mm, and the area porosity was 8.8% in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 . The sliding surface finish roughness Ra after polishing and lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is designated as S01.

比較例2
中空球状炭素質粒子として、中空部分の平均気孔径が0.05mmのものを13.0重量%添加した以外は、実施例1と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 2
A sintered sliding ring was produced in the same manner as in Example 1 except that 13.0% by weight of hollow spherical carbonaceous particles having an average pore diameter of 0.05 mm was added. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.052mm、その標準偏差が0.018mmであり、面積気孔率が19.0%であった。研摩・ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をS02とする。 As a result of measurement, in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 , the peak pore diameter was 0.052 mm, the standard deviation was 0.018 mm, and the area porosity was 19.0%. Sliding surface finish roughness Ra after polishing and lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is designated as S02.

比較例3
中空球状炭素質粒子として、中空部分の平均気孔径が0.05mmのものを7.3重量%添加した以外は、実施例1と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 3
A sintered sliding ring was produced in the same manner as in Example 1 except that 7.3 wt% of hollow spherical carbonaceous particles having an average pore diameter of 0.05 mm in the hollow portion were added. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.046mm、その標準偏差が0.017mmであり、面積気孔率が8.4%であった。また、研摩・ラップ後の摺動面仕上げ粗さRaは0.03〜0.05μmであった。上記炭化珪素密封摺動環をS03とする。 As a result of measurement, in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 , the peak pore diameter was 0.046 mm, its standard deviation was 0.017 mm, and the area porosity was 8.4%. The sliding surface finish roughness Ra after polishing and lapping was 0.03 to 0.05 μm. The silicon carbide sealed sliding ring is designated as S03.

比較例4
平均粒子径1μmに粉砕した炭化珪素粉末100重量%に対し、0.3μm以下の微細炭化珪素粉末を3.0重量%添加し、3重量%のカーボンブラックを添加した。更に焼結助剤としてB4Cを0.15重量%添加した。更に結合剤として水溶性のフェノール樹脂を4.0重量%添加した。
Comparative Example 4
To 100% by weight of silicon carbide powder ground to an average particle size of 1 μm, 3.0% by weight of fine silicon carbide powder of 0.3 μm or less was added, and 3% by weight of carbon black was added. Further, 0.15% by weight of B 4 C was added as a sintering aid. Furthermore, 4.0% by weight of a water-soluble phenol resin was added as a binder.

次に、平均気孔径が0.01mmの市販のポリスチレンビーズを1.8重量%と、イオン交換水とを加え濃度40%のスラリーにし、次にポリスチレンビーズをスラリー中に均一に分散させるためにボールミルで24時間混合攪拌し、スプレードライヤで噴霧乾燥して顆粒体にした。この顆粒体を金属型に充填し加圧成形し、試験用摺動リングの寸法に機械加工したあと、アルゴン雰囲気中にて2150℃で焼結した。   Next, 1.8% by weight of commercially available polystyrene beads having an average pore diameter of 0.01 mm and ion-exchanged water are added to form a slurry with a concentration of 40%. Next, a ball mill is used to uniformly disperse the polystyrene beads in the slurry. The mixture was stirred for a period of time and spray dried with a spray dryer to form granules. The granules were filled into a metal mold, pressure-molded, machined to the dimensions of a test sliding ring, and then sintered at 2150 ° C. in an argon atmosphere.

焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.01mm、標準偏差が0.006mmで、面積気孔率が5.6%であった。上記炭化珪素密封摺動環をS04とする。 The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1. Measurements, during any sliding area 10 mm 2, the peak pore diameter of 0.01 mm, standard deviation at 0.006 mm, an area porosity of 5.6%. The silicon carbide sealed sliding ring is designated as S04.

比較例5
0.3μm以下の微細炭化珪素粉末を4.0重量%添加し、平均気孔径が0.01mmの市販のポリスチレンビーズを23重量%添加した以外は、比較例4と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 5
A sintered sliding ring was prepared in the same manner as in Comparative Example 4 except that 4.0% by weight of fine silicon carbide powder of 0.3 μm or less was added and 23% by weight of commercially available polystyrene beads having an average pore diameter of 0.01 mm were added. did. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.009mm、標準偏差が0.004mmで、面積気孔率が20.5%であった。上記炭化珪素密封摺動環をS05とする。 As a result of measurement, the peak pore diameter was 0.009 mm, the standard deviation was 0.004 mm, and the area porosity was 20.5% in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 . The silicon carbide sealed sliding ring is designated as S05.

比較例6
0.3μm以下の微細炭化珪素粉末を4.0重量%添加し、平均気孔径が0.20mmの市販のポリスチレンビーズを0.7重量%添加した以外は、比較例4と同様にして、焼結摺動リングを作製した。また、焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 6
A sintered sliding ring was prepared in the same manner as in Comparative Example 4 except that 4.0% by weight of fine silicon carbide powder of 0.3 μm or less was added and 0.7% by weight of commercially available polystyrene beads having an average pore diameter of 0.20 mm were added. did. The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1.

測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.196mm、標準偏差が0.028mmで、面積気孔率が4.6%であった。上記炭化珪素密封回転環をS06とする。 As a result of measurement, the peak pore diameter was 0.196 mm, the standard deviation was 0.028 mm, and the area porosity was 4.6% in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 . The silicon carbide sealed rotating ring is designated as S06.

比較例7
0.3μm以下の微細炭化珪素粉末を4.0重量%添加し、造孔材を添加しなかった以外は、比較例4と同様にして、焼結摺動リングを作製した。得られた摺動環の摺動面を研摩・ラップし、表面粗さ(Ra)を0.02μm〜0.05μmに仕上げた。上記の炭化珪素密封回転環をS07とする。
Comparative Example 7
A sintered sliding ring was produced in the same manner as in Comparative Example 4 except that 4.0% by weight of fine silicon carbide powder of 0.3 μm or less was added and no pore former was added. The sliding surface of the obtained sliding ring was polished and lapped to finish the surface roughness (Ra) to 0.02 μm to 0.05 μm. The silicon carbide sealed rotating ring is referred to as S07.

比較例8
まず平均粒子径を1μmに粉砕した炭化珪素微粉末100重量%に対し、3重量%のカーボンブラックを添加し、焼結助剤としてB4Cを0.15重量%添加し、更に水溶性のフェノール樹脂を4.0重量%、ポリビニルアルコールを2.5重量%添加した。さらに、中空部分の平均気孔径が0.01mmの中空球状炭素質粒子を17.0重量%と、イオン交換水を加え濃度40%のスラリーにし、次に中空球状炭素質粒子がスラリー中に均一に分散させるためにボールミルで20時間混合攪拌し、スプレードライヤで噴霧乾燥して顆粒体にした。この顆粒体を金属型に充填し100MPaで加圧成形し、試験用摺動リングの寸法に機械加工したあと、アルゴン雰囲気中にて2150℃で焼結した。
Comparative Example 8
First, 3% by weight of carbon black is added to 100% by weight of silicon carbide fine powder pulverized to an average particle size of 1 μm, 0.15% by weight of B 4 C is added as a sintering aid, and a water-soluble phenol resin is added. 4.0 wt% and polyvinyl alcohol 2.5 wt%. Further, hollow spherical carbonaceous particles having an average pore diameter of 0.01 mm in hollow portions are 17.0% by weight, and ion-exchange water is added to form a slurry having a concentration of 40%, and then the hollow spherical carbonaceous particles are uniformly dispersed in the slurry. Therefore, the mixture was mixed and stirred for 20 hours with a ball mill, and spray dried with a spray dryer to form granules. The granules were filled into a metal mold, pressure-formed at 100 MPa, machined to the dimensions of a test sliding ring, and then sintered at 2150 ° C. in an argon atmosphere.

焼結摺動リングの組織の確認は、実施例1と同様にした。測定結果は、任意の摺動面積10mm2中において、ピーク気孔径が0.009mm、標準偏差が0.003mmで、面積気孔率が18.0%であった。JIS R 1601に基づく曲げ強さ試験用の試験片をT08とする。 The structure of the sintered sliding ring was confirmed in the same manner as in Example 1. As a result of measurement, the peak pore diameter was 0.009 mm, the standard deviation was 0.003 mm, and the area porosity was 18.0% in an arbitrary sliding area of 10 mm 2 . The specimen for bending strength test based on JIS R 1601 is designated as T08.

Figure 0005637513
Figure 0005637513

Figure 0005637513
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表1より、平均粒子径が異なる中空球状炭素質粒子を用いることにより、ピーク気孔径が異なる摺動材料が得られることが確認できた。   From Table 1, it was confirmed that sliding materials having different peak pore diameters can be obtained by using hollow spherical carbonaceous particles having different average particle diameters.

また、表2より、微細炭化珪素粉末を用いることで、気孔の形成に起因する焼結体強度の低下を抑制できることが確認できた。これに対し、微細炭化珪素粉末を用いなかった比較例8の焼結体は曲げ強度が大きく低下していることが確認できた。   Further, from Table 2, it was confirmed that the use of the fine silicon carbide powder can suppress the decrease in the strength of the sintered body due to the formation of pores. On the other hand, it was confirmed that the bending strength of the sintered body of Comparative Example 8 that did not use the fine silicon carbide powder was greatly reduced.

メカニカルシール静止試験
図7に示すように試験機の組み込まれたメカニカルシールの密封固定環210に上述の炭化珪素固定環を装着し、対向する回転環にM01〜M06、及びS01〜S03を装着し、静止(非回転)時の漏れ試験をおこなった。試験方法は、図7に示すメカニカルシール試験機を回転させず静止状態にし、ハンドポンプにより7MPaに昇圧させた水を機内側50に供給し、そのまま30分間放置し大気側60への漏れの有無を目視で確認した。試験結果は、摺動面に気孔を有するM01〜M06、及びS01〜S03の供試回転環において漏れは確認されず、静止静圧状態で良好な密封性能を保持していることが確認された。
Mechanical seal static test As shown in FIG. 7, the above-mentioned silicon carbide fixed ring is mounted on the sealing fixed ring 210 of the mechanical seal in which the testing machine is incorporated, and M01 to M06 and S01 to S03 are mounted on the opposing rotating ring. A leak test was performed when stationary (non-rotating). The test method is that the mechanical seal tester shown in FIG. 7 is kept stationary without rotating, and water pressurized to 7 MPa by a hand pump is supplied to the machine inner side 50 and left as it is for 30 minutes. Was confirmed visually. As a result of the test, no leakage was confirmed in the test rotating rings of M01 to M06 and S01 to S03 having pores on the sliding surface, and it was confirmed that good sealing performance was maintained in a static static pressure state. .

全ての試料(実施例1〜3および比較例1〜3、7)について、大気側への漏れが確認できず、良好な密封性能を示すことが確認できた。   For all samples (Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 and 7), leakage to the atmosphere side could not be confirmed, and good sealing performance was confirmed.

メカニカルシール性能試験
図7に示すメカニカルの密封固定環210に、上述の炭化珪素固定環を装着し、対向する回転環100に実施例1〜3の供試摺動環M01〜M03を装着し、以下に示す条件で回転試験をおこない摺動性能とシール性能の確認をおこなった。
Mechanical seal performance test The above-mentioned silicon carbide fixed ring is mounted on the mechanical sealing fixed ring 210 shown in FIG. 7, and the test slide rings M01 to M03 of Examples 1 to 3 are mounted on the opposed rotating ring 100, A rotation test was performed under the following conditions to confirm sliding performance and sealing performance.

密封液は水道水、タービン油VG32、及びVG46を使用し、供給側入り口温度を20℃〜80℃、プロセス圧力を0.2MPa〜3MPa、回転数を500r/min〜3600r/minの範囲で調整し、試験中の回転側、及び静止側摺動面温度を摺動面直下1mm以下の位置に熱電対を挿入して計測を行い、この温度から密封液の粘度を求めた。   The sealing liquid uses tap water, turbine oil VG32 and VG46, and the supply side inlet temperature is adjusted to 20 to 80 ° C, the process pressure to 0.2MPa to 3MPa, and the rotation speed to 500r / min to 3600r / min. The temperature of the rotating and stationary sliding surfaces under test was measured by inserting a thermocouple at a position of 1 mm or less directly below the sliding surface, and the viscosity of the sealing liquid was determined from this temperature.

試験結果を図8(A)および(B)に示す。図8中に示す各点の試験試時間は、72時間〜100時間で、試験終了後に摩耗深さを測定し、そのあと再研摩・ラップして再使用した。試験後の摺動面2箇所を表面粗さ計で半径方向に5000倍でトレースして摩耗深さを求め、それを基に摩耗体積を算出し、荷重と摺動距離から比摩耗量を算出した。   The test results are shown in FIGS. 8 (A) and (B). The test time for each point shown in FIG. 8 was 72 to 100 hours. After the test was completed, the wear depth was measured, and then re-polishing, lapping and reused. Trace the two sliding surfaces after the test with a surface roughness meter at a magnification of 5000 times in the radial direction to obtain the wear depth, calculate the wear volume based on that, and calculate the specific wear amount from the load and sliding distance did.

メカニカルシールの漏れ性能試験の評価を、無次元特性数G値と摩擦係数fとの関係で表すf-Gグラフを用いて行う。このグラフでは、試験で漏れた点と漏れなかった点との間には明確に境界線(密封限界線)ができることを見つけ、その境界線は摩擦係数fに対し右肩上がりを示し、その境界線より上では漏れは無く、その境界線より下では漏れが認められることになる。上記のGは、以下の式1で与えられる。
G=(ZVb)/W …式1
ここで、G:無次元特性数、Z:摺動部近傍の流体の粘性係数、Vは速度、bはしゅう動面幅、wは荷重である。
Evaluation of the leakage performance test of the mechanical seal is performed using an fG graph that represents the relationship between the dimensionless characteristic number G value and the friction coefficient f. In this graph, it was found that there was a clear boundary line (sealing limit line) between the points that did not leak and the points that did not leak in the test. There will be no leakage above the line and leakage will be observed below the boundary. The above G is given by Equation 1 below.
G = (ZVb) / W Equation 1
Here, G is the dimensionless characteristic number, Z is the viscosity coefficient of the fluid in the vicinity of the sliding portion, V is the speed, b is the sliding surface width, and w is the load.

一方、f-Gの関係を以下の式2に示すが、f-Gグラフの中において密封と漏れの境界線上の値Ψcが存在し、密封の限界はこのΨcによって決まる。メカニカルシールでは、f−Gグラフ中のΨが右肩上がりになると、流体潤滑領域である流体膜が形成されていることを示す。
Ψ=f/√G …式2
On the other hand, the relationship of fG is shown in the following equation 2. In the fG graph, there is a value Ψc on the boundary between sealing and leakage, and the limit of sealing is determined by this Ψc. In the mechanical seal, when Ψ in the f-G graph rises to the right, it indicates that a fluid film that is a fluid lubrication region is formed.
Ψ = f / √G Equation 2

実施例1〜3の摺動性能試験の結果を図8(A)に示すが、全ての点で漏れは無かった。図8(A)および(B)に示すグラフは、縦軸に比摩耗量(fに比例)を、横軸に式1で定義される無次元特性数G値をとったものである。このG値の定性的な見方を表3に示すが、G値は荷重(W)が大きくなると小さくなり、温度上昇により粘度(Z)が下がると小さくなり、速度(V)が下がると小さくなる無次元数で、したがって、摺動条件が厳しくなるほどGは小さな値となる。   Although the result of the sliding performance test of Examples 1-3 is shown to FIG. 8 (A), there was no leak in all the points. In the graphs shown in FIGS. 8A and 8B, the vertical axis represents the specific wear amount (proportional to f), and the horizontal axis represents the dimensionless characteristic number G value defined by Equation 1. Table 3 shows the qualitative view of the G value. The G value decreases as the load (W) increases, decreases as the viscosity (Z) decreases due to temperature rise, and decreases as the speed (V) decreases. It is a dimensionless number. Therefore, G becomes smaller as the sliding condition becomes more severe.

Figure 0005637513
Figure 0005637513

メカニカルシール材料として、漏れが極微量でしかもG値がとる領域が広く、そしてG値が小さい領域であっても摩耗量が少ない摺動材料が最良となる。試験摺動リングの優劣の評価は、G値が下がり摩耗量が増加し始める限界のG値でおこなう。   As the mechanical seal material, a sliding material that has a very small amount of leakage and has a wide range of G value, and has a small amount of wear even in a region where the G value is small is the best. Evaluation of the superiority or inferiority of the test sliding ring is performed at the limit G value at which the G value decreases and the wear amount starts to increase.

図8(A)(実施例1〜3)の限界G値と、図8(B)(比較例1〜3)の限界G値を比較すると、明らかに図8(A)に示す実施例1〜3の限界G値の方が、図8(B)に示す比較例1〜3よりも小さい。すなわち、図8(A)に示す実施例1〜3は、図8(B)の比較例1〜3よりも厳しい摺動条件でも摩耗量が少なく、メカニカルシール摺動材料として優れた摺動性能を有していることが言える。   When the limit G value of FIG. 8A (Examples 1 to 3) is compared with the limit G value of FIG. 8B (Comparative Examples 1 to 3), Example 1 clearly shown in FIG. The limit G value of ˜3 is smaller than Comparative Examples 1 to 3 shown in FIG. That is, Examples 1 to 3 shown in FIG. 8 (A) have less wear amount even under severer sliding conditions than Comparative Examples 1 to 3 in FIG. 8 (B), and excellent sliding performance as a mechanical seal sliding material. It can be said that it has.

そして、マクロドメインとミクロドメインから成る気孔を形成した摺動面は、単一のピーク気孔径を有する摺動面よりも、より厳しい摺動条件でも良好な摺動性能と密封性能を有することも証明された。   The sliding surface formed with macrodomain and microdomain pores may have better sliding performance and sealing performance even under more severe sliding conditions than a sliding surface having a single peak pore diameter. Proven.

また、図8(B)中に示す比較例7(気孔無し)は、G値が大きい領域、すなわち摺動条件が厳しくない領域では、比摩耗量が小さく良好な摺動性能を示すが、G値を下げていくと(摺動条件が厳しくなると)、急激に摩耗量が増え始めた。このように、気孔が無い炭化珪素摺動面は、G値が大きい領域であれば摺動性能に問題は無いが、摺動条件が厳しくなると途端に摺動性能が悪くなり摩耗を引き起こし漏れが発生する。   Further, Comparative Example 7 (no pores) shown in FIG. 8B shows good sliding performance with a small specific wear amount in a region where the G value is large, that is, a region where the sliding conditions are not strict. As the value was lowered (sliding conditions became severe), the amount of wear began to increase rapidly. As described above, the silicon carbide sliding surface without pores has no problem in sliding performance as long as the G value is large. However, when the sliding condition becomes severe, the sliding performance deteriorates as soon as the sliding condition becomes severe, causing leakage and leakage. Will occur.

1…メカニカルシール
2…回転用密封環
3…固定用密封環
50…摺動面
61…マクロ気孔
62…ミクロ気孔
80…流体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mechanical seal 2 ... Sealing ring for rotation 3 ... Sealing ring for fixation 50 ... Sliding surface 61 ... Macropore 62 ... Micropore 80 ... Fluid

Claims (5)

摺動面上に気孔が形成された摺動材料であって、
頻度が最大となる気孔径が0.05〜0.1mmの範囲にある気孔の集合をマクロドメインとし、頻度が最大となる気孔径が前記マクロドメインの頻度が最大となる気孔径を示す値の0.2〜0.5倍である気孔の集合をミクロドメインとしたとき、
前記マクロドメインが前記摺動面上に占める面積の割合を示すマクロドメイン面積率が2.0〜10.0%であり、
前記ミクロドメインが前記摺動面上に占める面積の割合を示すミクロドメイン面積率が、前記マクロドメイン面積率の0.5〜3倍である摺動材料。
A sliding material having pores formed on the sliding surface,
Frequency pore diameter becomes maximum is the macro domain a set of pores in the range of 0.05 to 0.1 mm, the frequency of the pore diameter the frequency is maximized is the macro domain value indicating pore diameter at the maximum When a set of pores that is 0.2 to 0.5 times a micro domain,
The macrodomain area ratio indicating the ratio of the area occupied by the macrodomain on the sliding surface is 2.0 to 10.0%,
The sliding material whose micro domain area ratio which shows the ratio of the area which the said micro domain occupies on the said sliding surface is 0.5 to 3 times the said macro domain area ratio.
前記摺動面上において、前記マクロドメインおよび前記ミクロドメインに属する気孔の全周囲が、前記摺動材料を構成する材質よりも軟質な材質で覆われている請求項1に記載の摺動材料。   2. The sliding material according to claim 1, wherein, on the sliding surface, the entire perimeter of pores belonging to the macro domain and the micro domain is covered with a material softer than a material constituting the sliding material. 前記摺動材料を構成する材質が炭化珪素を含む請求項1または2に記載の摺動材料。   The sliding material according to claim 1 or 2, wherein a material constituting the sliding material contains silicon carbide. 前記軟質な材質が炭素質を含む請求項2または3に記載の摺動材料。   The sliding material according to claim 2 or 3, wherein the soft material includes carbonaceous material. 請求項1〜4のいずれかに記載の摺動材料を、固定用密封環および/または回転用密封環として有するメカニカルシール。   The mechanical seal which has the sliding material in any one of Claims 1-4 as a sealing ring for fixation and / or a sealing ring for rotation.
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