JP5938465B2

JP5938465B2 - フローティングシール

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Publication number: JP5938465B2
Application number: JP2014505309A
Authority: JP
Inventors: 正人西岡
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: KR20140070646A; US9200710B2; JPWO2014027426A1; CN103946610A; DE112012005163B4; DE112012005163T5; US20140300060A1; WO2014027426A1; CN103946610B

Description

本発明は、フローティングシールに関する。

従来、油圧ショベルやブルドーザなどの履帯式作業機械は、駆動輪、遊動輪及び上下転輪などの回転輪を備える。回転輪には、ベアリング用潤滑油の漏洩抑止と、水分及び土砂などの侵入抑止とを目的として、シール構造が設けられる。

シール構造は、通常、固定側ハウジングと回転側ハウジングとの間に設けられた一対のフローティングシール及び一対の弾性リングによって構成される。一対を成すフローティングシールは、円環状に形成されており、同一軸上で摺動自在に接している。各フローティングシールは、各フローティングシールの外周に当接される各弾性リングを介して、各ハウジングに支持される（例えば、特許文献１参照）。

このようなフローティングシールは、遠心鋳造法や砂型鋳造法などによって製造される（例えば、特許文献２〜特許文献４参照）。

特開２００５−２４００６５公報特開２００８−２２１３１１公報特開２００８−２２１３１２公報特開平１０−９９９５３公報

このフローティングシールは、耐摩耗性、及び、耐焼付き性などと共に、高強度であることが要求される。高強度化の手法としては、フローティングシールの厚肉化が考えられるが、コストが高くなる。

また、フローティングシールにおいては、耐摩耗性、及び、耐焼付き性を改善する為に、硬質な炭化物を多量に晶析出させることが一般的である。しかし、炭化物を多量に晶析出させることは、高強度化と背反する。一方、炭素量を低減させるなど、成分量を変更して炭化物量を減らすことによって、フローティングシールの強度を改善することができる。しかし、炭素量が少なくなると、湯流れ性が悪くなり、製造不良率が増加するなどの製造効率上の問題が生じる。また、炭化物量が少なくなると、耐摩耗性、及び、耐焼付き性が低下する可能性がある。

本発明の課題は、製造効率の低下を抑えながら、強度と耐熱性と耐摩耗性とを向上させることができるフローティングシールを提供することにある。

本発明の第１の態様に係るフローティングシールは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、および残部がＦｅと不可避不純物とからなるフローティングシールである。前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの含有量は、Ｃ：２．２〜３．９ｗｔ％、Ｓｉ：０．５〜３．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜４．３ｗｔ％、Ｃｒ：７．５〜２５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜８．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、Ｖ：０〜６．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、Ｂ：０．０２〜０．４ｗｔ％、である。母相中のＣｒの含有量が、２．００〜５．４１ｗｔ％である。黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３５面積％である。炭硼化物の含有量が、１９〜４０面積％である。

本発明の第２の態様に係るフローティングシールは、第１の態様のフローティングシールであって、母相中のＣｒの含有量が、２．００〜３．５０ｗｔ％である。黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３０面積％である。炭硼化物の含有量が、２５〜３５面積％である。

本発明では、フローティングシールにＢを添加することによって、母相中のＣｒの含有量と、黒鉛の含有量と、炭化物の含有量との関係を調整する。Ｂがフローティングシールに添加されると、黒鉛が析出し易くなる。これにより、炭化物の析出量が低減される。その結果、フローティングシールの強度が向上する。また、炭素量を低減させずに炭化物の析出量を低減することができるので、湯流れ性を維持することができる。これにより、製造効率の低下が抑えられる。さらに、炭化物の析出量が低減しても、析出した黒鉛によって、耐摩耗性が向上する。また、析出した黒鉛によって耐馴染み性も向上する。さらに、炭化物の析出量が低減することによって、Ｂの添加が無ければ炭化物として析出するＣｒが、母相に溶け込む。このため、母相中のＣｒの含有量が増大する。その結果、耐熱性が向上する。このように、本発明では、フローティングシールにＢを添加することによって、母相中のＣｒの含有量と、黒鉛の含有量と、炭化物の含有量とが互いに関係し合って調整される。これにより、製造効率の低下を抑えながら、強度と耐熱性と耐摩耗性とを向上させることができる。

シール構造の断面図。フローティングシールの斜視図。炭硼化物の面積％の計測方法を示す試料の表面写真。黒鉛の面積％の計測方法を示す試料の表面写真。圧壊強度の評価方法を示す図。シールテスタの構成を示す模式図。試験前後のフローティングシールの摺動面の外形の変化を示す図。試験後のフローティングシールの摺動面の外観を示す図。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（シール構造の構成）
まず、本発明の実施形態に係るフローティングシールが用いられるシール構造について説明する。図１は、シール構造の断面図である。このシール構造は、例えば、油圧ショベルやブルドーザなどの履帯式作業機械が備える終減速装置に設けられる。

シール構造は、固定側部材１１と回転側部材１２との間に設けられる。回転側部材１２は、ベアリング１３を介して、固定側部材１１に取り付けられている。回転側部材１２は、固定側部材１１に対して回転可能に設けられている。シール構造は、ベアリング１３用の潤滑油が充填される内部空間Ｎを密閉する。シール構造は、内部空間Ｎからの潤滑油の漏洩を抑止する。また、シール構造は、固定側部材１１と回転側部材１２との間の隙間Ｒからの水分及び土砂などの内部空間Ｎへの浸入を抑止する。

シール構造は、第１フローティングシール１４と、第２フローティングシール１５と、第１弾性リング１６と、第２弾性リング１７とを有する。第１フローティングシール１４と、第２フローティングシール１５とは、後述するフローティングシールである。第１弾性リング１６と第２弾性リング１７とは、例えば、二トリルゴム、シリコーンゴムなどのゴム部材製である。

図２は、第１フローティングシール１４の斜視図である。第１フローティングシール１４は、貫通孔１４１を有する環状の形状を有する。図１に示すように、第１フローティングシール１４の貫通孔１４１には、固定側部材１１の一部が挿入される。ただし、第１フローティングシール１４の内面は、固定側部材１１から離れて配置されており、固定部材に接触しない。第１フローティングシール１４は、第１弾性リング１６を介して、回転側部材１２に弾性的に支持される。

第２フローティングシール１５も第１フローティングシール１４と同様に、貫通孔１５１を有する環状の形状を有する。第２フローティングシール１５は、第１フローティングシール１４の中心軸線と同心に配置されている。第２フローティングシール１５は、中心軸線に垂直な平面について第１フローティングシール１４と対称に配置される。第２フローティングシール１５は、第２弾性リング１７を介して、固定側部材１１に弾性的に支持される。第１フローティングシール１４と第２フローティングシール１５とは、互いに対向するように配置される。第１フローティングシール１４は、回転側部材１２とともに回転することによって、第２フローティングシール１５に対して摺動する。

第１フローティングシール１４は、第１先端面１４２と、第１底面１４３と、第１側面１４４とを有する。第２フローティングシール１５は、第２先端面１５２と、第２底面１５３と、第２側面１５４とを有する。第１先端面１４２は、第１底面１４３の反対側に位置している。第２先端面１５２は、第２底面１５３の反対側に位置している。第１底面１４３と第２底面１５３とは互いに対向するように配置されている。

第１底面１４３は、第１摺動面１４５と、第１テーパ面１４６とを有する。第２底面１５３は、第２摺動面１５５と、第２テーパ面１５６とを有する。第１摺動面１４５は、第１底面１４３において第１テーパ面１４６の径方向における外側に位置する。第２摺動面１５５は、第２底面１５３において第２テーパ面１５６の径方向における外側に位置する。第１摺動面１４５と第２摺動面１５５とは互いに接触している。第１テーパ面１４６と第２テーパ面１５６とは、径方向における内方に向かって互いの間の距離が広がるように、傾斜している。

第１側面１４４は、第１弾性リング１６に接触している。第１側面１４４は、凹状の形状を有する。第１側面１４４の凹状の形状によって、第１弾性リング１６が保持される。第１側面１４４は、第１底面１４３側から第１先端面１４２側へ向かって外径が小さくなるように傾斜している。なお、回転側部材１２は、第１弾性リング１６が接触する第１接触面１２１を有する。第１接触面１２１は、第１側面１４４と同じ方向に傾斜している。第２側面１５４は、第２弾性リング１７に接触している。第２側面１５４は、凹状の形状を有する。第２側面１５４の凹状の形状によって、第２弾性リング１７が保持される。第２側面１５４は、第２底面１５３側から第２先端面１５２側へ向かって外径が小さくなるように傾斜している。なお、固定側部材１１は、第２弾性リング１７が接触する第２接触面１１１を有する。第２接触面１１１は、第２側面１５４と同じ方向に傾斜している。

第１フローティングシール１４が回転側部材１２と共に回転することにより、第１摺動面１４５が第２摺動面１５５に対して摺動する。また、第１摺動面１４５と第２摺動面１５５とは、第１弾性リング１６及び第２弾性リング１７の弾性力によって互いに押圧されている。これにより、回転側部材１２の回転時及び停止時のいずれにおいても、第１摺動面１４５と第２摺動面１５５との間が密閉される。

（フローティングシールの構成）
次に、フローティングシールの組成について説明する。本実施形態に係るフローティングシールは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、および残部がＦｅと不可避不純物とからなるフローティングシールである。Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの含有量は、Ｃ：２．２〜３．９ｗｔ％、Ｓｉ：０．５〜３．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜２．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５〜４．３ｗｔ％、Ｃｒ：７．５〜２５．０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜８．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、Ｖ：０〜６．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、Ｂ：０．０２〜０．４ｗｔ％、である。また、母相中のＣｒの含有量が、２．００〜５．４１ｗｔ％である。黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３５面積％である。炭硼化物の含有量が、１９〜４０面積％である。さらに好ましくは、母相中のＣｒの含有量が、２．００〜３．５０ｗｔ％であり、黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３０面積％であり、炭硼化物量が、２５〜３５面積％である。各成分の意義は次の通りである。

Ｃは、炭化物を形成する。また、Ｃは、母相をマルテンサイト化するために必要である。ただし、Ｃの含有量が少ないと、その効果は不十分である。また、Ｃの含有量が多いと、靭性が低下する。よって、Ｃの含有量は２．２〜３．９重量％である。

Ｓｉは、脱酸を促進するとともに湯流れ性を良くする。ただし、Ｓｉの含有量が少ないと、その効果は小さい。また、Ｓｉの含有量が多いと、靭性が低下する。よって、Ｓｉの含有量は０．５〜３．５重量％である。

Ｍｎは、脱酸、及び、脱硫のために必要な元素である。Ｍｎの含有量が少ないと、その効果は不十分である。また、Ｍｎの含有量が多いと、靭性が低下する。よって、Ｍｎの含有量は０．１〜２．０重量％である。

Ｎｉは、焼き入れ性を高め、マルテンサイト化を促進する。しかし、Ｎｉの含有量が、少ないと、その効果は小さい。また、Ｎｉの含有量が多いと、オーステナイトが安定化し過ぎて、残留オーステナイトが多量に形成されてしまう。よって、Ｎｉの含有量は０．５〜４．３重量％である。

Ｃｒは、炭化物を形成するとともに、母相の焼入れ性を高める。しかし、Ｃｒの含有量が少ないと、炭化物の含有量が少なくなることにより、耐摩耗性が低下する。また、Ｃｒの含有量が多いと、炭化物が粗大化することによって、異常摩耗を促進する。よって、その含有量は７．５〜２５重量％である。

Ｍｏは、炭化物を形成するとともに、母相に固溶して母相を強化する。しかし、Ｍｏの含有量が多いと、靭性が低下する。よって、Ｍｏの含有量は０〜８重量％である。

Ｖは、炭化物を形成し、耐摩耗性を高める。しかし、Ｖの含有量が多くなると、靭性が低下する。よって、Ｖの含有量は０〜６重量％である。

Ｂを添加することで、圧壊強度は向上する。しかし、Ｂの含有量が少ないと、その効果は小さい。また、Ｂの含有量が多いと、その効果が発揮されない。よって、その含有量は０．０２〜０．４重量％である。

母相中のＣｒは、耐熱性を向上させる。黒鉛は、耐摩耗性、及び、馴染み性を向上させる。炭硼化物は、耐摩耗性、及び、耐焼付け性を向上させる。これらの含有量は互いに関係しており、Ｂの含有量によって調整される。よって、母相中のCrの含有量は２〜５．４１重量％である。黒鉛量は０．０５〜０．３５面積％である。炭硼化物の含有量は１９〜４０面積％である。

以下、本発明の実施例について説明する。表１に、本発明の実施例の成分と、硬さと、圧壊強度とを示す。表２に、比較例の成分と、硬さと、圧壊強度とを示す。なお、母相中のＣｒ量はｗｔ％であり、黒鉛量及び炭硼化物量は、面積率である。

炭硼化物の面積％の計測方法は次の通りである。各実施例及び比較例の試料を、アルミナ砥石1μmで研磨仕上げした後、ナイタール腐食液で腐食させることにより、炭化物を浮き出させた。例として、炭化物を浮き出させた状態の実施例１３の表面写真を図３に示す。図３において他の部分よりも色の薄い部分が、炭化物である。このように得られた表面写真から画像処理により炭化物だけを識別し、全体に占める面積率を炭硼化物の面積％として求めた。

黒鉛の面積％の計測方法は次の通りである。各実施例及び比較例の試料を、アルミナ砥石1μmで研磨仕上げした後、顕微鏡にて観察した。例として、実施例２の顕微鏡写真を図４に示す。このように得られた顕微鏡写真から、黒い部分（黒鉛）の全体に占める面積率を黒鉛の面積％として求めた。

図５は、圧壊強度の評価方法を示す図である。図５に示すように、フローティングシール２１を、Oリング２２を介して架台２３上に配置する。そして、フローティングシール２１の径方向に圧縮荷重Ｆをかけ、フローティングシール２１が破断したときの荷重を測定した。

その結果、実施例１〜実施例１７のように、Ｂが０．０２%〜０．４ｗｔ％の範囲では、黒鉛が析出した。一方、比較例１，２，４〜１３のように、Ｂが０．０１％以下では、黒鉛が析出しなかった。また、比較例３のように、Ｂが０．６９％では、黒鉛が析出しなかった。さらに、表１及び表２から明らかなように、実施例１〜１７では、比較例１〜１３よりも圧壊強度が向上した。

また、フローティングシールの摺動面は、回転側部材の回転による摺動や凝着等により局所的に５００℃程度の高温にさらされることがある。このため、使用後のフローティングシールは、焼き戻しによる軟化の傾向がみられる。そこで、図６に示すシールテスタ３０にて、実施例４及び比較例４の使用前後の変化を評価した。図６に示すように、シールテスタ３０では、一対のフローティングシール３１，３２を泥水中に配置する。一方のフローティングシール３１をOリング３３にて固定する。また、他方のフローティングシール３２を、Oリング３４を介して荷重すると共に、フローティングシール３１，３２の中心軸線まわりの回転Ｒを与える。それぞれの摺動面は、互いに押圧している。摺動面の押し付け線圧（線圧＝押し付け荷重／シール外径の円周長さ）を２．５ｋｇｆ／ｃｍとし、ＥＯ＃３０のエンジンオイルを封入した条件で、３００時間の耐久試験を行った。試験後に、摩耗量、外観、硬さ変化により、耐摩耗性、耐焼付き性、及び、馴染み性を評価した。

試験前後の摺動面の変化を図７に示す。図７において破線は、試験前の摺動面近傍（図６の部分Ａ参照）の形状を示している。図７において実線は、試験前の摺動面近傍の形状を示している。図７（ａ）は、実施例４に係るフローティングシールの摺動面近傍の形状を示している。図７（ｂ）は、比較例４に係るフローティングシールの摺動面近傍の形状を示している。なお、図７では、観察の容易のために縦横の比を変更して表示している。図７から明らかなように、実施例４では、比較例４よりも、摺動面の磨耗量が少なかった。

試験後の摺動面の外観を図８に示す。図８（ａ）は、実施例４に係るフローティングシールの摺動面の拡大図である。図８（ｂ）は、比較例４に係るフローティングシールの摺動面の拡大図である。試験後の摺動面の外観観察から、実施例４に係るフローティングシールは、比較例４に係るフローティングシールよりも、焼付きが少ないこと、及び、馴染み性が良いことが確認された。

試験前後の摺動面の硬さの変化を表３に示す。表３に示されているように、試験前では、実施例４に係るフローティングシールの摺動面よりも、比較例に４係るフローティングシールの摺動面の方が硬かった。しかし、試験後では、実施例４に係るフローティングシールの摺動面の方が、比較例４に係るフローティングシールの摺動面よりも硬かった。従って、実施例４に係るフローティングシールの方が、比較例４に係るフローティングシールよりも、摺動面の焼き戻しによる軟化が抑えることが確認された。

本発明によれば、製造効率の低下を抑えながら、強度と耐熱性と耐摩耗性とを向上させることができるフローティングシールを提供することができる。

Claims

Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、および残部がＦｅと不可避不純物とからなるフローティングシールであって、前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの含有量が、
Ｃ：２．２〜３．９ｗｔ％、
Ｓｉ：０．５〜３．５ｗｔ％、
Ｍｎ：０．１〜２．０ｗｔ％、
Ｎｉ：０．５〜４．３ｗｔ％、
Ｃｒ：７．５〜２５．０ｗｔ％、
Ｍｏ：０〜８．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、
Ｖ：０〜６．０ｗｔ％（ただし、０を含まない）、
Ｂ：０．０２〜０．４ｗｔ％、
であり、
母相中のＣｒの含有量が、２．００〜５．４１ｗｔ％であり、
黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３５面積％であり、
炭硼化物の含有量が、１９〜４０面積％である、
ことを特徴とするフローティングシール。
母相中のＣｒの含有量が、２．００〜３．５ｗｔ％であり、
黒鉛の含有量が、０．０５〜０．３０面積％であり、
炭硼化物量が、２５〜３５面積ｗｔ％である、
ことを特徴とする請求項１に記載のフローティングシール。