JPH02186168A - メカニカルシール用摺動材料とその製造方法 - 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、メカニカルシール用の炭素系の摺動材料およ
びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 現在、メカニカルシールは、はとんどが一般に高密度炭
素と言われる炭素材と超高合金の組合せで使用されてい
る。しかしメカニカルシールに使用されている炭素材は
、潤滑性を上げるための高温処理をすると強度が弱くな
るという問題がある。

またシール性向上のための工夫の一つとして、シール部
摺動材料の摺動画に渦巻状または渦巻の一部である形状
の浅い溝を形成したりし、それにより生じる遠心力また
はポンプ作用によりシール面に流入して漏洩しようとす
る密封流体を逆流させる方法がある（実開昭５６−２１
６５３号公報、特開昭５７−１６１３８号公報等）。

しかしながら、溝を設ける方法は摺動面が摩耗するにつ
れて溝が浅くなるため、その効果が安定しないし摩耗の
影響を受けないほど大きな溝を設けることはシール性能
を悪くするばかりか、摺動面の寿命短縮と回転トルクの
上昇を招くという問題がある。

（発明が解決しようとする課題） 即ち、本発明は、メカニカルシール用摺動材料における
従来のシール材が上述のような欠点を持つものであった
ことに鑑み、高温、高圧等でも使用できる高強度かつ安
定したシール性能を示す炭素系のメカニカルシール用摺
動材料とその製造方法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 即ち、本発明は、炭素繊維強化炭素材を用いるメカニカ
ルシール用摺動材料であって、補強材として炭素繊維を
含有し、黒鉛化度を示すｄ００２が０　、３４ｎｍ以下
の炭素材マトリックスから”なり、表層部に樹脂含浸層
を有することを特徴とするメカニカルシール用摺動材料
である。

また前記補強材の炭素繊維が、連続繊維でかつ円周方向
に配向されているメカニカルシール用摺動材料である。

加えて、補強材として炭素繊維を含有した炭素質成形体
を炭化処理し、得られた炭素材を非酸化性ガス雰囲気下
、２０００〜３０００℃で熱処理して黒鉛化度を示すｄ
００２が０．３４ｎ…以下の炭素材マトリックスを形成
させ、その後樹脂含浸処理を施すことを特徴とするメカ
ニカルシール用摺動材料の製造方法である。

また前記補強材の炭素繊維が、連続繊維でかつ円周方向
に配向させるメカニカルシール用摺動材料の製造方法で
ある。

次に本発明の内容をさらに詳細に説明する。

本発明に用いられる補強用の炭素繊維は、ポリアクリロ
ニトリル（ＰへＮ）系、レーヨン系、ピッチ系のいずれ
であってもよく、また炭素質、黒鉛質のいずれであって
もよい。炭素繊維の形態は、長さ０．０５〜５Ｑｍｍ程
度の短繊維であっても連続繊維であっても使用できる。

またクロスやフェルト、マットなどシート状等の炭素繊
維構造物となった形態であってもよい。上記炭素繊維は
、マトリックス中にそのままの状態でまたは解繊された
状態で全くランダムな方向を向いてもよいし、任意の特
定の方向に向けて配向せしめられていてもよい。

第二の発明においては、フィラメントワインディング法
により、円周方向に連続繊維を配向させる。これは、シ
ール時の回転における摺動特性をよくするためである。

またマトリックスとなる炭素材の原料は、熱硬化性のフ
ェノール樹脂、フラン樹脂でも、熱可塑性のピッチ等で
もよい。

かかる原料をプレス成形等あるいは、第二の発明におい
ては連続状の炭素繊維を円周方向に配向させるためにフ
ィラメントワインディング法によって炭素質成形体とす
る。

前記成形体において、炭素繊維または炭素繊維構造物は
、２０〜９０重量％、好ましくは４６〜８０重１％含有
されることが望ましい。炭素繊維が２０重量％未満では
、得られる炭素繊維強化炭素材の補強繊維が少なすぎる
為、強度が低くなる。一方９０重量％を越えた場合には
、マ）　ＩＪフックス含有量が少なすぎる為、層間に右
けるせん断強度が低下し、炭素繊維の補強効果が充分に
発揮されない。

この成形体を、窒素、アルゴン等の非酸化性ガス雰囲気
中で炭化する。炭化処理の際の温度としては６００℃以
上、１０００℃以下が用いられる。この場合、炭化時の
昇温速度が早すぎるとマトリックス材料の熱分解による
収縮と、ガス発生が激しくなり大きな亀裂が発生しやす
くなる。そのため昇温速度は、通常１００℃／ｈｒ以下
、好ましくは２０℃／ｈｒ以下とすることが望ましい。

このようにして炭化処理されて得られた最初の中間体は
、いまだ気孔率が大きく、高密度、高強度の炭素繊維強
化炭素材を得るためにさらにこの中間体にピッチまたは
炭化可能な樹脂を含浸処理を施し、ふたたび窒素、アル
ゴン等の非酸化性ガス雰囲気中で炭化処理を施す。この
ときの温度は、１ｏｏｏ℃以下が好ましい。含浸処理、
炭化処理は、炭素繊維強化炭素材の細孔がつまり、密度
がはぼ一定になるまで繰り返すことが望ましい。そして
、最終的に炭素の組織を均一にし物性を決定する熱処理
を窒素、アルゴン等の非酸化性ガス雰囲気中で２０００
℃〜３０（１０℃で行い最終の炭素ｉａ維強化炭素材き
する。熱処理時間は、特性を安定させるために所定温度
で３０分以上好ましくは１時間以上とする。

上記熱処理によって得られた炭素繊維強化炭素材は、黒
鉛化度を示すｄ００２が０．３４ｎｍ以下となり、超硬
合金と組合せた対象材との摺動面に黒鉛層ができるため
に、潤滑性がでて摩耗量が減少し良好な摩擦特性を示す
ものとなる。熱処理温度が２０００℃未満の場合には、
硬度が高く、相手材である超硬合金を削るため、耐シー
ル材としては不適当である。また、３０００℃超の温度
は、現在工業的に実施することは困難であるし、炭素の
昇華が生ずるため好ましいものではない。最終熱処理の
際の、昇温速度は、多量のガス発生を伴わないため、通
常２０℃／制ｎ以下好ましくは５℃／＋ｎｉｎ以下とす
ることで充分である。

その後メカニカルシールの形状に切削加工した後に、シ
ール時液体が漏洩しないように常法に従って樹脂含浸を
施してＲ終製品とする。

以下、実施例に従って、本発明を説明する。

（実施例、比較例） フェノール樹脂をマトリックスとしてフィラメントワイ
ンディング法により、ＰＡＮ系炭素炭素繊維続繊維をマ
ンドレルに巻き付ける。このとき炭素繊維の割合が６０
重量％になるようにマ）　ＩＪフックス調整した。得ら
れた成形体は、外径６０ｍｍ。

内径４９ｍｍの円筒状をしている。硬化後この成形体を
窒素雰囲気中１０℃／ｈｒの昇温速度で１１００℃まで
昇温し炭化処理した。さらに、この炭化した最初の中間
体に含浸用ピッチを真空下、２００℃で含浸した後、こ
の含浸体を窒素雰囲気下にて１０℃／ｈｒの昇温速度で
１０００℃まで昇温し含浸したピッチを完全に炭化させ
た。続いて、上記含浸、炭化工程をさらに３回繰り返し
て中間体を得た。

得られた中間体をアルゴン雰囲気中１１００℃（比較例
１）、２０００℃（実施例１）の各温度までｌＯ℃／制
ｎの昇温速度で昇温して前記温度にて１時間保持する熱
処理を行い最終炭Ｓ繊維強化炭素材製品を得た。

市販のメカニカルシール焼結カーボン（比較例２）も比
較のために摺動試験をあわせて行った。

得られた摺動材料の物性値は、第１表のとおりであった
。

第１表 次いで上記摺動ｊＡ料に気密性保持のため合成樹脂含浸
を施したものについて、メカニカルシール試験機を用い
て下記条件による性能評価試験を行った。

（試験条件） シール流体：浄水　　　　　温度＝６０℃シール圧カニ
　１３．５ｋｇ／ｃｍ２　　　回転数：　３０００ｒｐ
ｍ時間：１００時間 ＰＶ値：　１０７ｋｇ／ｃｍ　−ｍ／ｓｅｃテストピー
スの寸法：内径４１ｍｍｘ外径５ｆｉｍｍ　Ｘ長さ２６
ｍｍ 相手摺動材；超硬合金 試験結果を第２表に示す。

第２表　メカニカルシール試験結果 ＊測定方法：粉末Ｘ線により、回折角を測定し算出する
。

炭素繊維強化炭素材においては、熱処理温度が１１００
℃（比較例１）は、２０００℃（実施例１）にくらベト
ルク値は低いものの、相手材をけするためにシール材と
しては好ましくない。それにだいして２０００℃（実施
例１）は、摺動材（自己）、相手材共摩耗が少ない。ま
た、市販のメカニカルシール焼結カーボン（比較例２）
に比べて炭素繊維強化炭素材は、曲げ強度、衝撃強度も
高く、トルク値が低いため安定した摺動材料特性を示す
。

（発明の効果） 本発明の慴動材は、炭素繊維強化炭素材を使用すること
により機械特性に優れ、低いトルクで優れたメカニカル
シール特性をしめす。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維強化炭素材を用いるメカニカルシール用
   摺動材料であって、補強材として炭素繊維を含有し、黒
   鉛化度を示すｄ００２が０．３４ｎｍ以下の炭素材マト
   リックスからなり、表層部に樹脂含浸層を有することを
   特徴とするメカニカルシール用摺動材料。
2. （２）補強材の炭素繊維が、連続繊維でかつ円周方向に
   配向されている請求項１記載のメカニカルシール用摺動
   材料。
3. （３）補強材として炭素繊維を含有した炭素質成形体を
   炭化処理し、得られた炭素材を非酸化性ガス雰囲気下、
   ２０００〜３０００℃で熱処理して黒鉛化度を示すｄ０
   ０２が０．３４ｎｍ以下の炭素材マトリックスを形成さ
   せ、さらに樹脂含浸処理を施すことを特徴とするメカニ
   カルシール用摺動材料の製造方法。
4. （４）補強材の炭素繊維が、連続繊維でかつ円周方向に
   配向させる請求項３記載のメカニカルシール用慴動材料
   の製造方法。