JP7496809B2 - メカニカルシール摺動部材用素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は例えばシールリング、メイティングリング等のメカニカルシール摺動部材用素材の製造方法に関するものである。

このメカニカルシールは、例えば、図８の如く、回転軸ＲＡと共に回転する一方の摺動部材ＳＥ、例えば、シールリングＳＥ（ＳＲ）とハウジングＨに固定された他方の摺動部材ＳＥ、例えば、メイティングリングＳＥ（ＭＲ）とからなり、シールリングＳＥ（ＳＲ）はバネＳＰにより弾圧され、シールリングＳＥ（ＳＲ）のシール端面ＳＦとメイティングリングＳＥ（ＭＲ）のシール端面ＭＦとが弾圧接触され、一対の摺動部材ＳＥ（ＳＲ）・ＳＥ（ＭＲ）のシール端面ＳＦ・ＭＦに接面圧力を与え、シール端面ＳＦ・ＭＦ間に流体薄膜ＴＦが形成され、内部流体ＦＬの漏洩が防止されて内部流体ＦＬを密封する構造を備えており、食品加工、化粧品、薬品の製造、石油の精製、発電の分野のポンプや撹拌機、粉砕機等の各種の回転機械などに広く用いられている。

従来、この種のメカニカルシール摺動部材用素材として、下記の表１に示すような諸物性を有する、ＳｉＣ（炭化珪素）を焼結してなるＳｉＣ焼結体、超硬合金を焼結してなる超硬合金焼結体、Ｇｒ（黒鉛又はグラファイト）を焼結してなるＧｒ焼結体、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）を焼結してなるＡｌ_２Ｏ_３焼結体、Ｔｉ（チタン）を焼結してなるＴｉ焼結体などが知られている。

特許第６５７８４２７号 特開昭５５－９５６７６号 特許第３７６４０８９号

ＮＯＫ株式会社編「これでわかるシール技術」工業調査会 １９９９年 第３２頁 Ｅ・マイヤー著「改訂増補メカニカルシール」科学新聞社 １９８３年 第１０６頁 渡辺康博著「現場の即戦力よくわかるシール技術の基礎」技術評論社 ２００９年 第１７８頁

しかしながら上記従来のメカニカルシール摺動部材用素材のうち、上記Ａｌ_２Ｏ_３焼結体にあっては、熱伝導率および耐熱衝撃の点から高温高圧等の過酷な条件下での使用は困難であり、又、上記Ｔｉ焼結体についても機械強度の点から過酷な条件下では変形し易くて使用が困難であり、又、その他の焼結体にあっても、食品、化粧品や薬品の製造分野において、製品の着色、シール端面の摩耗粉等の異物の混入等が指摘されることがあるという不都合を有している。

本発明はこのような不都合を解決することが目的とするもので、本発明のうち、請求項１記載の発明は、メカニカルシール摺動部材用素材の製造方法であって、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である二硼化チタン（以下、「ＴｉＢ_２」ともいう。）粉末と純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である窒化チタン（以下、「ＴｉＮ」ともいう。）粉末とを二硼化チタン粉末５重量％以上８５重量％以下、窒化チタン粉末１５重量％以上９５重量％以下の混合割合とした混合粉末（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末」ともいう。）を、放電プラズマ焼結法（以下、「ＳＰＳ法」ともいう。）を用いて、焼結温度１，３５０℃以上１，８５０℃以下、焼結圧力１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である焼結条件で焼結された、相対密度は理論密度の９０％以上最大９８％であり、曲げ強度は１００ＭＰａ以上である二硼化チタン窒化チタン焼結体（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体」ともいう。）からなる摺動部材用素材を製造することを特徴とするメカニカルシール摺動部材用素材の製造方法にある。

又、請求項２記載の発明は、上記焼結条件下の焼結雰囲気は、真空雰囲気であることを特徴とするものであり、又、請求項３記載の発明は、上記焼結条件下の焼結雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることを特徴とするものである。

本発明は上述の如く、請求項１記載の発明にあっては、メカニカルシール摺動部材用素材を放電プラズマ焼結法を用いて製造することにより短時間焼結が可能となり、メカニカルシール摺動部材のコスト低減を図ることができ、例えば、約１，８５０℃程度の温度、約１００ＭＰａ程度の高圧の条件下で長時間に亙って使用したとしても、メカニカルシール摺動部材の変形や破損等を防ぐことができ、変形により生ずる加工製品内への処理屑の混入、液体の漏れによる製造効率の悪化を防ぐことができ、かつ、上記二硼化チタン粉末と窒化チタン粉末との混合割合を、二硼化チタン粉末５重量％以上８５重量％以下、窒化チタン粉末１５重量％以上９５重量％以下としているから、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の硬さの低下及び摩耗を防ぐことができ、ＴｉＢ_２粒子及びＴｉＮ粒子の成長による曲げ強度の低下及び摩耗を防ぐことができ、さらに、上記二硼化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下であるから、焼結体粒子の成長に伴う機械的強度の低下や不純物による高温特性の劣化を防ぐことができ、かつ、焼結速度の低下を防ぐことができ、短時間で緻密なＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができ、さらに、上記窒化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下であるから、粒子の成長を抑制し、焼結体の機械的強度の低下を防ぐことができ、さらに、上記焼結条件は、焼結温度１，３５０℃以上１，８５０℃以下、焼結圧力１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であるから、焼結反応速度の低下を防いで生産コストの低減を図ることができ、短時間で緻密なＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができ、機械的強度の低下を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができ、さらに、上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の相対密度は理論密度の９０％以上最大９８％であるから、一方の摺動部材のシール端面と他方の摺動部材のシール端面における摩擦による温度上昇及びメカ鳴きの発生を防止することができ、摩耗も防止することができ、さらに、上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の曲げ強度は１００ＭＰａ以上であるから、機械的強度を維持して加工し易いＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができる。

又、請求項２記載の発明にあっては、上記焼結条件下の焼結雰囲気は真空雰囲気としているから、酸化反応を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができ、又、請求項３記載の発明にあっては、上記焼結条件下の焼結雰囲気は、不活性ガス雰囲気としているから、酸化反応及び窒化チタンからの窒素離脱を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができる。

本発明の実施の形態例の製造工程図である。 本発明の実施の形態例の放電プラズマ焼結法の説明図である。 本発明の実施の形態例の放電プラズマ焼結法の拡大説明図である。 本発明の実施の形態例のメカニカルシール摺動部材用素材としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮのＸ線回折パターン図である。 本発明の実施の形態例のメカニカルシール摺動部材用素材としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮのＳＥＭによる組織写真である。 本発明の実施の形態例のメカニカルシール摺動部材用素材としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮの曲げ強度の組成依存性を示す図である。 本発明の実施の形態例のメカニカルシール摺動部材用素材としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮの電気抵抗率を示す図である。 メカニカルシールの構造例説明図である。

図１及至図７は本発明の実施の形態例を示し、図１の製造工程図の如く、二硼化チタン（以下、「ＴｉＢ_２」ともいう。）粉末１と窒化チタン（以下、「ＴｉＮ」ともいう。）粉末２とを混合した混合粉末（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末」ともいう。）３を、放電プラズマ焼結法（以下、「ＳＰＳ法」ともいう。）４を用いて焼結された二硼化チタン窒化チタン焼結体（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体」ともいう。）５からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗが製造されることになる。そして、この製造された摺動部材用素材Ｗを、例えば、ワイヤー放電加工等により所定形状の摺動部材ＳＥを製造することになる。

この場合、上記放電プラズマ焼結に際し、図２、図３の如く、メカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造するための焼結型Ｍが用いられ、この焼結型Ｍは、例えば、ダイＭ_１及び上下のパンチＭ_２・Ｍ_２から構成され、ダイＭ_１の穴Ｍ_ＨとパンチＭ_２・Ｍ_２により形成される空間Ｍ_Ｒに上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３を充填し、例えば、密閉構造のチャンバーＣ内に焼結型Ｍを配置し、上部電極ＰＵ、下部電極ＰＤおよび上部電極ＰＵまたは下部電極ＰＤを上下加圧作動させる加圧機構Ｋ、上部電極ＰＵおよび下部電極ＰＤ間にパルス電流を流すパルス電源ユニットＵ、制御ユニットＧ等を備えてなる通電加圧焼結機Ｔを用意し、通電加圧焼結機Ｔを用いて、焼結型Ｍ内に充填されたＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３をパンチＭ_２・Ｍ_２により圧力を加えながらパルス電流を流して焼結材料としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３及び焼結型Ｍの自己発熱効果（ジュール発熱効果）により焼結する放電プラズマ焼結法４によってメカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造することになる。尚、上記ダイＭ_１の製造にあっては、例えば、図２、図３のダイＭ_１の穴Ｍ_Ｈに図示省略の中子を装入し、上記同様に焼結してリング状の摺動部材用素材Ｗを製造することもある。

又、この場合、二硼化チタン粉末と窒化チタン粉末との混合割合として、二硼化チタン粉末５重量％以上８５重量％以下、窒化チタン粉末１５重量％以上９５重量％以下である。その理由は、二硼化チタン粉末５重量％未満になると、硬さの低下及び摩耗が生じ、あるいは、二硼化チタン粉末８５重量％を超えると、曲げ強度の低下及び摩耗が生じ、又、窒化チタン粉末１５重量％未満になると、二硼化チタンの粒子が大きく成長し、それに伴って曲げ強度の低下及び摩耗が生じ、あるいは、窒化チタン粉末９５重量％を超えると、焼結体の曲げ強度及び硬さの低下が生じ、ＴｉＮ粒子も成長し、曲げ強度の低い層状構造の焼結体ができてしまうことになる。すなわち、焼結体の硬さの低下及び摩耗を防ぐことができ、ＴｉＢ_２粒子及びＴｉＮ粒子の成長による曲げ強度の低下及び摩耗を防ぐことができ、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の硬さの低下及び摩耗を防ぐことができるからである。

この場合、上記二硼化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である。その理由は、純度９９．９％未満のものを用いると焼結体への不純物含有量が多くなり、不純物の種類によって焼結反応は促進されるが焼結体の粒子が成長してしまい、粒子の成長に伴って機械的強度の低下や不純物による高温特性の劣化が著しくなり、高温高圧の焼結条件下での利用ができず、又、平均粒子サイズ２μｍを超えるものを用いると焼結速度が遅くなってしまい、短時間で緻密な焼結体を得ることができず、又、最大粒子サイズ５μｍを超える粒子が存在すると焼結体の機械的強度が低下したり、摩耗し易くなるからである。すなわち、焼結体粒子の成長に伴う機械的強度の低下や不純物による高温特性の劣化を防ぐことができ、かつ、焼結速度の低下を防ぐことができ、短時間で緻密な焼結体を得ることができるからである。

又、この場合、上記窒化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である。その理由は、純度９９．９％未満のものを用いると焼結体への不純物含有量が多くなり、不純物の種類によって焼結反応は促進されるが焼結体粒子が成長してしまい、粒子の成長に伴って機械的強度の低下や不純物による高温特性劣化が著しくなり、高温高圧の焼結条件下での利用ができず、又、平均粒子サイズ２μｍを超えるものを用いると同じＴｉＮ添加量でもＴｉＮ粒子の数が少なくなり、ＴｉＮ粒子数が少なくると、ＴｉＢ_２粒子同士の接触粒子数が増えるのでＴｉＢ_２粒子の成長を促進する原因となり、又、最大粒子サイズが５μｍを超える粒子が存在すると機械的強度が低下したり、摩耗し易くなるからである。すなわち、ＴｉＢ_２粒子の成長を抑制し、焼結体の機械的強度の低下を防ぐことができるからである。

又、この場合、上記二硼化チタン粉末と窒化チタン粉末との混合粉末を上記放電プラズマ焼結法により焼結する際の焼結条件は、焼結温度１，３５０℃以上１，８５０℃以下、焼結圧力１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。その理由は、焼結温度が１，３５０℃未満になると焼結体の焼結速度は極端に遅くなり、製造コストが高くなってしまい、緻密な焼結体を得ることができず、焼結温度が１，８５０℃を超えると焼結速度が速くなるが焼結体の結晶粒子のサイズが大きく成長し、機械的強度が低下してしまうことになり、又、焼結圧力が１０ＭＰａ未満になると焼結体の緻密化時間が極端に長くなり、製造コストが高くなってしまい、焼結圧力が１００ＭＰａを超えると緻密化時間は短くなるものの黒鉛の型割れが生じてしまい、焼結体の生産歩留まりが非常に悪くなるからである。すなわち、焼結反応速度の低下や量産効率の悪化を防いで生産コストの低減を図ることができ、短時間で緻密な焼結体を得ることができ、機械的強度の低下を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができるからである。

又、この場合、上記放電プラズマ焼結法を用いて焼結されたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の相対密度は理論密度の９０％以上最大９８％である。その理由は、相対密度が９０％未満の焼結体（１０％以上の隙間の焼結体）にあっては、一方の摺動部材ＳＥとしてのシールリングＳＲのシール端面ＳＦと他方の摺動部材ＳＥとしてのメイティングリングＭＲのシール端面ＭＦにおける摩擦による温度上昇及びメカ鳴きの発生を防止することができ、摩耗も防止することができるからである。

又、この場合、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の曲げ強度は１００ＭＰａ以上である。その理由は、機械的強度を維持して加工し易い焼結体を得ることができるからである。

又、この場合、上記焼結条件下の焼結雰囲気は、真空雰囲気、例えば１０Ｐａ以下とされている。その理由は、真空雰囲気とすることにより、酸化反応を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができるからである。尚、上記焼結条件下の焼結雰囲気として、不活性ガス雰囲気とすることにより、酸化反応及び窒化チタンからの窒素離脱を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができる。

この実施の形態例は上記構成であるから、図１、図２、図３の如く、二硼化チタン粉末１と窒化チタン粉末２とを混合したＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３を上記焼結型ＭのダイＭ_１の穴Ｍ_ＨとパンチＭ_２・Ｍ_２により形成される空間Ｍ_Ｒに充填し、密閉構造のチャンバーＣ内に焼結型Ｍを配置し、加圧機構Ｋ、パルス電源ユニットＵ及び制御ユニットＧ等からなる通電加圧焼結機Ｔにより、上記焼結型Ｍ内に充填されたＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３をパンチＭ_２・Ｍ_２により圧力を加えながらパルス電流を流して焼結材料としてのＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末３及び焼結型Ｍの自己発熱効果（ジュール発熱効果）により焼結する放電プラズマ焼結法４によってメカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造することになるから、放電プラズマ焼結法４により製造することにより短時間焼結が可能となり、メカニカルシール摺動部材ＳＥのコスト低減を図ることができ、例えば、約１，８５０℃程度の温度、約１００ＭＰａ程度の高圧の条件下で長時間に亙って使用したとしても、メカニカルシール摺動部材ＳＥの変形や破損等を防ぐことができ、変形により生ずる加工製品内への処理屑の混入、液体の漏れによる製造効率の悪化を防ぐことができる。

ここにおいて、焼結温度１，３５０℃、圧力１０ＭＰａの低温低圧の焼結条件下で製造されたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の相対密度は理論密度の９０％となり、焼結温度１，８５０℃、圧力１００ＭＰａの高温高圧焼結条件下で製造されたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の相対密度の平均は９８％となることが確認された。この理論密度とは成形体中に全く空隙がないと仮定したときの密度をいい、結晶構造を用いて計算され、計算においては、結晶構造の大きさおよび結晶構造を構成するすべての原子の重量を利用して計算され、又、相対密度とは焼結後の成形体の密度をアルキメデス法などで密度測定方法によって測定した値を理論密度の割合として表すものである。

この場合、二硼化チタン粉末と窒化チタン粉末との混合割合として、二硼化チタン粉末５重量％以上８５重量％以下、窒化チタン粉末１５重量％以上９５重量％以下としているから、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の硬さの低下及び摩耗を防ぐことができ、ＴｉＢ_２粒子及びＴｉＮ粒子の成長による曲げ強度の低下及び摩耗を防ぐことができる。

又、この場合、上記二硼化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下としているから、焼結体粒子の成長に伴う機械的強度の低下や不純物による高温特性の劣化を防ぐことができ、かつ、焼結速度の低下を防ぐことができ、短時間で緻密なＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができ、又、この場合、上記窒化チタン粉末は、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下としているから、粒子の成長を抑制し、焼結体の機械的強度の低下を防ぐことができる。

又、この場合、上記焼結条件は焼結温度１，３５０℃以上１，８５０℃以下、焼結圧力１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下としているから、焼結反応速度の低下を防いで生産コストの低減を図ることができ、短時間で緻密なＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができ、機械的強度の低下を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができ、又、この場合、上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の相対密度は理論密度の９０％以上最大９８％であるから、一方の摺動部材ＳＥとしてのシールリングＳＥ（ＳＲ）のシール端面ＳＦと他方の摺動部材ＳＥとしてのメイティングリングＳＥ（ＭＲ）のシール端面ＭＦにおける摩擦による温度上昇及びメカ鳴きの発生を防止することができ、摩耗も防止することができ、又、この場合、上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体の曲げ強度は１００ＭＰａ以上であるから、機械的強度を維持して加工し易いＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を得ることができる。

又、この場合、上記焼結条件下の焼結雰囲気は、真空雰囲気であるから、酸化反応を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができる。なお、上記焼結条件下の焼結雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることにより、酸化反応及び窒化チタンからの窒素離脱を防ぐことができ、高品質のメカニカルシール摺動部材用素材を製造することができる。

このようにして製造された摺動部材用素材ＷとしてのＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体は、図４のＸ線回折パターン図によれば、いずれのピークもＴｉＢ_２結晶とＴｉＮ結晶に同定していることが分かり、ここに、Ｘ線回折パターンの測定にあっては、放電プラズマ焼結法を用いてＴｉＢ_２－ＴｉＮバルクサンプルを製造し、そのバルクサンプルを粉砕して結晶相同定のためのＸ線回折用サンプルとし、株式会社リガク製のＵｌｔｉｍａＩＶのＸ線回折装置を用い、回折角度（２θ）を１０°～８５°範囲で測定を行った。その結果、ＴｉＢ_２とＴｉＮの二相であることが分かった。

又、図５のメカニカルシール摺動部材用素材ＷとしてのＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体のＳＥＭによる組織写真によれば、ＴｉＮを含まないＴｉＢ_２粉末とＴｉＢ_２を含まないＴｉＮ粉末からできている焼結体に対して、上記ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からできている焼結体の結晶粒子の方が細かくなっていることが分かる。

又、図６の曲げ強度の組成依存性を示す図によれば、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合物はＴｉＢ_２またはＴｉＮの混合割合増加によって曲げ強度は、ＴｉＮを含まないＴｉＢ_２の曲げ強度１００ＭＰａ以上に高くなり、ＴｉＮと混合することにより曲げ強度は倍以上になることが分かる。この曲げ強度の組成依存性の測定にあっては、放電プラズマ焼結法を用いて製造したＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合物からなる成型体をワイヤー放電加工により長さ３６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み４ｍｍを切断してサンプルを得て、その後曲げ試験機により曲げ試験を測定した。曲げ試験機の測定にはＡ＆Ｄ製ＲＴＧ－１３１０を用いた。

又、図７の電気抵抗の組成性を示す図によれば、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材用素材Ｗは電気伝導性であることが分かり、この電気伝導性があるためワイヤー放電加工を行うことができ、さらに、摩擦による帯電を防ぐことができる。この電気抵抗の組成依存性の測定にあっては、放電プラズマ焼結法を用いて製造したＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末からなるＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体をワイヤー放電加工により長さ３０ｍｍ、直径６ｍｍに切断してサンプルを得て、その後、四端子法によりサンプルの電流と電圧の関係の組成依存性を測定した。電流と電圧の測定には、ＡＤＣＭＴ製６２４２直流電圧電流電源及びモニターを用い、各温度における電流、電圧のプロットからサンプルの電気抵抗を測定した。

上記表２は本発明のさらに具体的な実施例及び比較例を示す表である。

［実施例１及び比較例１］
（実施例１）
純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＢ_２粉末および純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＮ粉末を秤量混合し、二硼化チタン粉末７重量％、窒化チタン粉末９３重量％の混合割合のＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末を、図２及び図３の放電プラズマ焼結法を用いて、焼結温度１，５００℃、焼結圧力４０ＭＰａ、焼結雰囲気を真空雰囲気とした焼結条件下で焼結してブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造した。

このブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗの相対密度は理論密度の９５％であった。その後、製造したブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗをワイヤー放電加工により円板状のメカニカルシール摺動部材を２個製造した。この円板状のメカニカルシール摺動部材の寸法は、直径６０ｍｍ、厚さ７ｍｍである。

この摺動部材２個のうち、一方の摺動部材は性能評価用治具の回転盤側に取り付け、他方の摺動部材は性能評価用治具の固定盤側に取り付け、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材とを接触させ、さらに回転盤側に２ｋｇの錘を載せた。そして、回転盤側の一方の摺動部材を回転速度５０ｒｐｍで８時間継続して回転させた。この際、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材との摩擦接触による接触面温度の上昇及び接触面の摩耗を評価した。接触面温度の測定は性能評価用治具の固定盤側の一方の摺動部材の上面中央部に設けられている直径１．７ｍｍ、深さ５ｍｍの穴にクロメル（Ｋ）タイプの熱電対温度計を挿入して温度を測定した。摩擦による接触面の摩耗の評価に関しては、摺動部材の性能評価試験の前後の厚み減少量の変化を評価した。回転盤側の摺動部材及び固定盤側の摺動部材の摩擦によるメカ鳴き状況についても確認した。

（比較例１）
比較のため、グラファイト焼結体からなるメカニカルシール摺動部材を２個準備し、上記実施例１に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体と同様の条件で試験を行った。
その結果、上記表２の如く、上記実施例１に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体同士の摩擦による摺動面温度は５０℃～５８℃及び摩耗量は１μｍ未満だった。メカ鳴きの発生はなかった。
この比較例１のグラファイト焼結体からなるメカニカルシール摺動部材についての摺動面温度は５４．５℃、摩耗量は８．５μｍ未満であった。メカ鳴きはあったが小さかった。
したがって、上記実施例１に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の摩耗量はグラファイト焼結体からなる摺動部材より小さく、メカ鳴きもなかった。一方、接触面温度の温度上昇はグラファイト焼結体からなる摺動部材と同程度だった。この実施例及び比較例１の結果から上記実施例１に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の性能はグラファイト焼結体からなる摺動部材よりも優れていることを確認した。

［実施例２及び比較例２］
（実施例２）
純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＢ_２粉末および純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＮ粉末を秤量混合し、二硼化チタン粉末７重量％、窒化チタン粉末９３重量％の混合割合のＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末を、図２及び図３の放電プラズマ焼結法を用いて、焼結温度１，５００℃、焼結圧力４０ＭＰａ、焼結雰囲気を真空雰囲気とした焼結条件下で焼結してブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造した。

このブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗの相対密度は理論密度の９５％であった。その後、製造したブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗをワイヤー放電加工により円板状のメカニカルシール摺動部材を２個製造した。この円板状のメカニカルシール摺動部材の寸法は、直径６０ｍｍ、厚さ７ｍｍである。

この摺動部材２個のうち、一方の摺動部材は性能評価用治具の回転盤側に取り付け、他方の摺動部材は性能評価用治具の固定盤側に取り付け、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材とを接触させ、さらに回転盤側に１０ｋｇの錘を載せた。そして、回転盤側の一方の摺動部材を回転速度５００ｒｐｍで８時間継続して回転させた。この際、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材との摩擦接触による接触面温度の上昇及び接触面の摩耗を評価した。接触面温度の測定は性能評価用治具の固定盤側の一方の摺動部材の上面中央部に設けられている直径１．７ｍｍ、深さ５ｍｍの穴にクロメル（Ｋ）タイプの熱電対温度計を挿入して温度を測定した。摩擦による接触面の摩耗の評価に関しては、摺動部材の性能評価試験の前後の厚み減少量の変化を評価した。回転盤側の摺動部材及び固定盤側の摺動部材の摩擦によるメカ鳴き状況についても確認した。

（比較例２）
比較のため、超硬合金焼結体からなるメカニカルシール摺動部材を２個準備し、上記実施例２に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体と同様の条件で試験を行った。
その結果、上記表２の如く、上記実施例２に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体同士の摩擦による摺動面温度は１０７℃～１１３℃及び摩耗量は２μｍ未満だった。メカ鳴きの発生はあったが小さかった。
この比較例２の超硬合金焼結体からなるメカニカルシール摺動部材についての摺動面温度は１０３℃～１０７℃、摩耗量は３μｍ未満であった。メカ鳴きはあったが小さかった。
したがって、上記実施例２に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の摩耗量は超硬合金焼結体からなる摺動部材より小さかった。一方、接触面温度の温度上昇は超硬合金焼結体からなる摺動部材と同程度だった。
［実施例３及び比較例３］
（実施例３）
純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＢ_２粉末および純度９９．９％、平均粒子サイズ２μｍのＴｉＮ粉末を秤量混合し、二硼化チタン粉末５０重量％、窒化チタン粉末５０重量％の混合割合のＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末を、図２及び図３の放電プラズマ焼結法を用いて、焼結温度１，８００℃、焼結圧力５０ＭＰａ、焼結雰囲気を真空雰囲気とした焼結条件下で焼結してブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗを製造した。

このブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗの相対密度は理論密度の９８％であった。その後、製造したブロック状のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなるメカニカルシール摺動部材用素材Ｗをワイヤー放電加工により円板状のメカニカルシール摺動部材を２個製造した。この円板状のメカニカルシール摺動部材の寸法は、直径６０ｍｍ、厚さ７ｍｍである。

この摺動部材２個のうち、一方の摺動部材は性能評価用治具の回転盤側に取り付け、他方の摺動部材は性能評価用治具の固定盤側に取り付け、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材とを接触させ、さらに回転盤側に１０ｋｇの錘を載せた。そして、回転盤側の一方の摺動部材を回転速度５００ｒｐｍで２４時間継続して回転させた。この際、回転盤側の一方の摺動部材と固定盤側の他方の摺動部材との摩擦接触による接触面温度の上昇及び接触面の摩耗を評価した。接触面温度の測定は性能評価用治具の固定盤側の一方の摺動部材の上面中央部に設けられている直径１．７ｍｍ、深さ５ｍｍの穴にクロメル（Ｋ）タイプの熱電対温度計を挿入して温度を測定した。摩擦による接触面の摩耗の評価に関しては、摺動部材の性能評価試験の前後の厚み減少量の変化を評価した。回転盤側の摺動部材及び固定盤側の摺動部材の摩擦によるメカ鳴き状況についても確認した。

（比較例３）
比較のため、超硬合金焼結体からなるメカニカルシール摺動部材を１個準備し、上記実施例３に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体を１個準備し、すなわち、この摺動部材２個のうち、一方の摺動部材は上記超硬合金焼結体、他方の摺動部材は上記実施例３のＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体とし、上記実施例３と同様の条件で試験を行った。
その結果、上記表２の如く、上記実施例３に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体同士の摩擦による摺動面温度は５６℃及び摩耗量は１μｍ未満だった。メカ鳴きの発生はなかった。
この比較例３の超硬合金焼結体からなるメカニカルシール摺動部材及びＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の摺動面温度は５５℃、摩耗量は、超硬合金焼結体側は３μｍ未満、ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体側は１μｍ未満であった。メカ鳴きはなかった。
したがって、上記実施例３に用いたＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体からなる摺動部材の摩耗量は超硬合金焼結体より小さかった。一方、接触面温度の温度上昇は超硬合金焼結体からなる摺動部材と同程度だった。

尚、本発明は、上記実施の形態例に限られるものではなく、二硼化チタン粉末１、窒化チタン粉末２の混合割合や放電プラズマ焼結法４の構成等は適宜変更して設計される。

以上の如く、所期の目的を充分達成することができる。

Ｗ メカニカルシール摺動部材用素材
１ ＴｉＢ_２粉末
２ ＴｉＮ粉末
３ ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末
４ 放電プラズマ焼結法
５ ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体

Claims (3)

1. メカニカルシール摺動部材用素材の製造方法であって、純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である二硼化チタン（以下、「ＴｉＢ_２」ともいう。）粉末と純度９９．９％以上、平均粒子サイズ２μｍ以下、最大粒子サイズ５μｍ以下である窒化チタン（以下、「ＴｉＮ」ともいう。）粉末とを二硼化チタン粉末５重量％以上８５重量％以下、窒化チタン粉末１５重量％以上９５重量％以下の混合割合とした混合粉末（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ混合粉末」ともいう。）を、放電プラズマ焼結法（以下、「ＳＰＳ法」ともいう。）を用いて、焼結温度１，３５０℃以上１，８５０℃以下、焼結圧力１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である焼結条件で焼結された、相対密度は理論密度の９０％以上最大９８％であり、曲げ強度は１００ＭＰａ以上である二硼化チタン窒化チタン焼結体（以下、「ＴｉＢ_２－ＴｉＮ焼結体」ともいう。）からなる摺動部材用素材を製造することを特徴とするメカニカルシール摺動部材用素材の製造方法。
2. 上記焼結条件下の焼結雰囲気は、真空雰囲気であることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール摺動部材用素材の製造方法。
3. 上記焼結条件下の焼結雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール摺動部材用素材の製造方法。