JPH01120486A - メカニカルシール用摺動リング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、窒化珪素セラミックス製のメカニカルシール
用摺動リングに関する。

し従来の技術］ メカニカルシールは、回転軸に取付けられた一方の摺動
リングとしての回転リングとケーシングに取付けられた
他方の１！動リングとしての固定リングとを軸に直角な
面で向き合わせ′、回転リングを固定リングにばねで押
しっりて摺動させながら軸が回転する構造であり、精密
に製作されＩＦシ＜取付けられたものでは、シール部の
漏れはほとんどない。固定リングと回転リングとの材質
の組合せとしては、耐摩耗性に優れた硬質材料と自己潤
沿性を有する軟質材料との組合せが用いられ、従来、硬
質材料としては超硬合金（タングステンカーバイド）、
アルミナ質セラミックス又は炭化珪素質セラミックス、
軟質材料としてはカーボンが用いられている。

［発明が解決しようと覆る問題点１ しかし、従来の硬質材のうち、タングステンカーバイド
は摩擦熱に対する耐熱性が劣り、アルミナ質セラミック
ス及び炭化珪″ＩＡ買セラミックスは脆く、装着時及び
運転等において亀裂が発生し易い。

本発明は、耐摩耗性及び耐熱性に優れたメカニカルシー
ル用ＦＩｌＩＪリングを促供することを目的とする。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、萌記目的は、外周部が窒化珪素セラミ
ックスからなることを特徴とするメカニカルシール用摺
動リングによって達成される。

本発明のメカニカルシール用摺動リングによれば、メカ
ニカルシールの！ｌａ！耗性及び耐熱性を向上し得る。

本発明の摺動リングによる窒化珪素セラミックスとしで
は、密度が３．２．ビッカース硬度が１７００〜２７０
０．常温下における三点曲げ強さが６０Ｋｇ／−である
のが好ましい。

また、本発明の摺動リングによる窒化珪素セラミックス
としては、結晶相がα、密度が３．１７〜３．２．ｔレ
グ率が３６０Ｇ　Ｐ　ａ、ビッカース硬度が２４００〜
３１００．常温下における三点曲げ強さが６０〜１２０
ＭＰａである窒化珪素結晶層からなってもよい。

また、当該被服層の厚さは１ミクロン〜２０００ミクロ
ンであるのが好ましい。

更に、本発明のＰ！勤クリングよる窒化珪素セラミック
スとしては、マトリックスが除かれていると共に針状晶
の窒化珪素結晶のみが三次元的に絡み合った第１の層と
、結晶相がα、密度が３，１７〜３．２．ヤング率が２
４００〜３１００．ビッカース硬度が２４００〜３１０
０．常温下における三点曲げ強さが６０〜１２０ＭＰａ
の窒化珪素からなり、前記第１の層上に被覆された第２
の層とからなってもよい。また、当該第１の層の厚さは
２００ミクロン、当該第２の層の厚さは、数百ミクロン
〜数ミリメートル、特に約１ミリメートルであるのが好
ましい。

本発明によるＩ！Ｉｊ！ｌＪリングは、ケーシングに固
定して設けられる固定リングにも適用し得る一方、ケー
シングに対して回転自在に設けられる回転リングにも適
用し得るが固定リングに適用する方が好ましい。

［具体例］ 以下、添付図面を参照して本発明の具体例について説明
する。第１図において、回転軸１はケーシング２を貫通
しており、ケーシング２にはフランジ３が固定されてい
る。軸１．ケーシング２及びフランジ３とで環状スベー
４を規定している。

スペース４内において、硬質材料としてのセラミック材
料製の固定リング５がＯ−リング６を介してフランジ３
に取付けられていると共に、カーボン製の回転リング７
をＶ、装したリテーナ８が０−リング９を介して軸１に
軸１の軸方向に移動自在に取付けられている。リング５
とリング７とは互いに液密的にｍ動自在に接している。

軸１にはストッパ１０が固定されており、リテーナ８と
ストッパ１０との間には、リング８をリング５に向がっ
て付勢するためのばね１１が設けられている。

［実施例〕 本発明の具体例において、常圧焼結法及びホットプレス
法によって製造した窒化珪素セラミックスによってリン
グ５を構成した場合の第１の実施例について以Ｆに述べ
る。

常圧焼結法及びホットプレス法によって製造した窒化珪
素セラミックスは、硬度、靭性、熱間特性等の物理特性
が擾れてしいるばかりでなく、化学的特性も従来のタン
グステンカーバイドを上回る特性を有している。

参考として、表１に常圧焼結法によって製造した窒化珪
素セラミックスと、タングステンカーバイドとの特性比
較を示す。

表１ 液温１００℃の濃塩酸液に対するシールとして、本発明
の第１実施例のメカニカルシールと、回転リングとして
カーボン、固定リングとしてタングステンカーバイドを
使用した従来のメカニカルシールとを夫々５００時間運
転した後の双方の固定リングの材質の変化を以下に比較
する。Ｖなわち、耐食性については、従来のメカニカル
シールは濃塩酸に対してかなり反応するのに対し、本発
明の第１実施例のメカニカルシールは濃塩酸に対して耐
食性がある。また、摩耗σについては、従来のメカニカ
ルシールにおいては最大０．５ｍｍであるのに対）ノ、
第１の実施例のメカニカルシールにおいては！？耗しな
い。

次に、本発明の具体例において、表面がＣＶＤ法により
直接合成される窒化Ｐ１索で所定の厚さにコーティング
された硬質材料（窒化珪素セラミックス又は炭化珪素セ
ラミックス）によって固定リング５（第２図）を構成し
た場合の第２の実１／Ｍ＠について以下に述べる。

ＣＶＤ法による窒化珪素コーティング層１２の特性とし
ては、結晶相がα、密度が３，１γ〜３．２０（７／　
ｄ　）　、ヤング率が３６０ＧＰａ、ビッカース硬度が
２４００〜３１００．常温における三点曲げ強さが６０
〜１２０　Ｍ　Ｐａ　テアル。

ＣＶＤ法による窒化珪素コーティング層１２は、α相の
みからなると共に囲気孔を含まないｍ密膜であるので、
第２の実施例のメカニカルシールは濃塩酸に対して耐腐
蝕性、対摩耗性を有する。因みに、ＣＶＤによる窒化珪
素コーティング層１２は、密度は３．１７〜３．２０と
ほぼ理論密度に達しており、メカニカルシールの特性と
して重要な硬度はビッカース硬度で２４００〜３１００
を示し、超硬合金、セラミックスの中でも優れた特性を
有する。しかも、当該窒化珪素コーティング層は、助剤
を含まないが故に、耐薬品についても室温から高温域ま
で非常に安定である。

さらに、本発明の具体例において、表面がエツチング処
理された俊、この表面がＣＶＤ法により直接合成される
窒化珪素で所定の厚さにコーティングされた硬質材料（
窒化珪素セラミックス又は炭化珪素セラミックス）によ
って固定リング５（第３図）を構成した場合の第３の実
施例について以下に述べる。

硬質材料の表面にＣＶＤによる非酸化物系セラミックス
を被服する場合、互いの剥離を回避するために互いの熱
膨張係数を同じか近い値とづるのが好ましい。

そこで、焼結助剤を含み常圧焼結による窒化珪素からな
る固定リング５を液温８０℃の濃塩酸３０％液テ２４時
［沸し、Ｙ２ｏ３−Ａ　Ｉ２　ｏ３からなる焼結助剤を
含むマトリックス部を深さ２００ミクロンにわたってエ
ツチング処理を行ないエツチング層１３を形成する。こ
の時、エツチング層１３の面をＳＥＭ観察するとマトリ
ックスが溶出していると共に針状晶の窒化珪本結晶のみ
が三次元的に絡み合っており、エツチング層１３の面が
凹凸状になっている。

硬質材料の表面にエツチング処理を行なった後、第２の
実施例と同様のＣＶＤによる窒化珪素コーティング層１
２を約１ミリメートルの厚みにコーティングする。

第３の実施例の硬質材料と、エツチング処理−を施さな
いでＣＶＤによる窒化珪素をコーティングした硬質材料
とについて、８００℃において５００時間の摩耗試験を
実施すると、前者につい工はコニティング層の剥離が生
じなかつ１＝が、後者についてはコーティング層の剥離
が発生する。

し本発明の効果］ 本発明のメカニカルシール用摺動リングによれば、メカ
ニカルシールの耐摩耗性および耐熱性を向上し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の摺動リングの第１の実施例を装着し
たメカニカルシールの縦断面図、第２図は本発明の摺動
リングの第２の実施例の縦断面図、第３図は本発明の摺
動リングの第３の実施例の縦断面図である。 １・・・・・・回転軸、　　　　　２・・・・・・ケー
シング５・・・・・・固定リング、　　　　７・・・・
・・回転リング、１０・・・・・・ストッパ、１１・・
・・・・ばね、１２・・・・・・コーティング層、１３
・・・・・・エツチング層。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）外周部が窒化珪素セラミックスからなることを特
   徴とするメカニカルシール用摺動リング。
2. （２）前記窒化珪素セラミックスは、密度が３．２，ビ
   ッカース硬度が１７００〜２７００，常温下における三
   点曲げ強さ６０Ｋｇ／ｍｍ＾２であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の摺動リング。
3. （３）前記窒化珪素セラミックスは、結晶相がα，密度
   が３．１７〜３．２，ヤング率が３６０ＧＰａ，ビッカ
   ース硬度が２４００〜３１００，常温下における三点曲
   げ強さが６０〜１２０ＭＰａである窒化珪素被覆層から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の摺
   動リング。
4. （４）前記被履層の厚さが１ミクロン〜２０００ミクロ
   ンであることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
   の摺動リング。
5. （５）前記窒化珪素セラミックスは、マトリックスが除
   かれていると共に針状晶の窒化珪素結晶のみが三次元的
   に絡み合つた第１の層と、結晶相がα、密度が３．１７
   〜３．２，ヤング率が２４００〜３１００，ビッカース
   硬度が２４００〜３１００，常温下における三点曲げ強
   さが６０〜１２０ＭＰａの窒化珪素からなり、前記第１
   の層上に被覆された第２の層とからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の摺動リング。
6. （６）前記第１の層の厚さが約２００ミクロン、前記第
   ２の層の厚さが約１ミリメートルであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載の摺動リング。
7. （７）固定リングであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第６項のいずれか１項に記載の摺動リング
   。