JPH0255273A - メカニカルシール用炭化珪素焼結体およびそれを用いたメカニカルシール - 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〕 本発明はポンプ、冷凍機等の軸封装置として用いられる
メカニカルシールに関し、更に詳しくは特定の気孔を有
する炭化珪素焼結体を用いて摺動特性を改良したメカニ
カルシールに関する。

（従来の技術） メカニカルシールの摺動材として用いられる材料として
はカーボン材、超硬合金、炭化珪素焼結体、アルミナ焼
結体か主として用いられるが、炭化珪素とカーボン材と
の組合せや、炭化珪素と炭化珪素との組合せで使用され
ることか増えている。これは炭化珪素を用いると摺動面
圧と回転の周速度との積であるＰｖ値が高い限界値まて
使用でき、機器の高性能化、小型化か可能になる。スラ
リー状液体の様に、粒子摩耗が問題になる場合には炭化
珪素と炭化珪素との組合せを用いる場合が多い。炭化珪
素は、高硬度、高耐食性を有する材料で、カーボンや六
方晶窒化硼素の様な自己潤滑性はないが、その結晶組織
は、ガラス質の結晶粒界をほとんど含まず、平滑性か優
れているため、摺動時の摩擦係数か小さいという特長か
ある。

しかし、鏡面であるかために炭化珪素と炭化珪素との組
合せに於ては、始動時の鳴きやリンキンク（固着）の問
題を起こし易い。自己潤滑性を有するカーボン材と炭化
珪素との組合せに於ては鳴きや固着の問題はないか、カ
ーボンブリスターという厄介な問題を起こす場合かある
。

この現象は、カーボン材の摺動面でブリスター（斑点）
に始まり、微少クラックから虫食い状の欠損に至る現象
で、液漏れにつながるものたけにメカニカルシールては
重要な問題となっている。

この現象は、カーボン材と炭化珪素との組合せたけに発
生するものではないが、始動時に発生する摩擦熱に起因
しているものだけに高い摺動面圧で使用することの多い
カーボン材と炭化珪素との組合せの場合には特に解決を
求められている重要な問題か発生している。即ち、始動
時発生する摩擦熱に起因して、カーボン表面に生ずるｍ
Ｉｉ！、収縮の繰り返しや熱応力によって起こる疲労破
壊等が考えられている。カーボン材中の含浸樹脂の熱分
解とかカーボン材の気孔中に残留している油分の摩擦熱
による爆裂反応とか様々の現象か考えられ解決を求めら
れている。

この対策としてカーボンの材質を高強度にしたり、メカ
ニカルシールの取付は精度を改良し、而当りを均一にし
たり、ダノルシールを採用し、低粘度液のフラッシング
をしたり、スチームクエンチを行って摺動面の温度を上
げて密封液の低粘度化を計る方法等がとられているか、
完全なものとはなっていない。また、カーボン材を使わ
ずに例えば炭化珪素と炭化珪素の様な硬質材同志の組合
せに変える方法もあるが、この場合には高硬度のために
、接触の馴染か少いため、カーボン材使用と比べ機器精
度、部品精度、取付精度等を厳しくすることか要求され
る。

いずれにせよ始動時の摩擦熱を少なくすることが問題解
決の木質であり、そのために金属シリコンを残留する反
応焼結炭化珪素を用いる方法や特開昭５２−１４８３８
４　、同６２−２７０４８１　、同６３−７９７７５に
開示されている様に多孔質炭化珪素の気孔中に種々の固
体潤滑材を含浸させる方法か考案されている。

また特開昭６２−１７６９７０には、メカニカルシール
の摺動面に於て潤滑油膜切れを生じ、一般に鳴きと称さ
れる異音な全く発生することかないメカニカルシール材
として、気孔率か８％以上１３％未満の範囲に於ては気
孔の平均径が５０〜５００弘ｌであり、気孔率１３〜１
６％の範囲に於ては気孔の平均径か２５〜５００　ｐｍ
であるメカニカルシール用窒化珪素焼結体環か開示され
ている。

（発明か解決しようとする課題） カーボン材と炭化珪素および炭化珪素と炭化珪素の摺動
材料の組合せにおいて、シール性を落とすことなく、始
動時の固着やかじり、異音の発生、カーボン材のツリス
ター現象を抑えるために、上記した様な手段が講じられ
ているが、金属シリコンを含浸する反応焼結炭化珪素は
かじりや鳴きか常圧焼結炭化珪素より少ないが、耐食性
の点で劣り、汎用的に使用出来るものてはない。また、
多孔質炭化珪素焼結体を製造し、それにフロンオイル、
二硫化モリブデン、グラファイト、窒化硼素等の固体あ
るいは液体の潤滑剤を後含浸させる方法は真空引き含浸
の工程を数回繰り返す必要かあり、生産のコストアップ
となる。また５０ｇ１１以上の気孔径てないと短時間内
には含浸されず、この様に気孔の大きいものではけ材の
強度か低下し、＃摩耗性の点て汎用的に使用できない。

本発明は、耐摩耗性、耐食性に優れ、強度をある程度維
持し、固着、かじり、異音の発生、ブリスター現象を抑
えた炭化珪素焼結体を用いたメカニカルシールを目的と
しだものである。

（課題を解決するための手段） 緻密質炭化珪素焼結体の製造工程中で各種の方法によっ
て気孔を生成させ、それを油溜りとして利用し、摺動時
のかじり、鳴きを防止するとともにカーボン材にブリス
ター現象か起こらないために要求される気孔の特性をい
ろいろ検討した結果、本発明に至ったもので、その要旨
は平均気孔径１０〜４０μｍの独立気孔を気孔率として
３〜１３ｖｏ１％含有することを特徴とするメカニカル
シール用炭化珪素焼結体てあり、および、それを固定環
や回転環等の摺動材として用いるメカニカルシールであ
り、更に他方にカーボン材、緻密質炭化珪素焼結体、鋳
鉄、アルミナ焼結体または超硬合金の摺動材を用いるも
のである。

炭化珪素焼結体の原料はα型でもβ型でも本発明には使
用できる。

また、上記の緻密質炭化珪素焼結体とは、理論密度の９
５％以上の焼結体をいう。

本発明について更に詳しく述べると、気孔径に関しては
油溜りとして作用し得る範囲、すなわち浸透した液か起
動時の摩擦熱で容易に湾み出て油膜を形成する径以上で
あり、液か短時間て流出せず油溜りとして継続的に作用
し、相手材の摩耗、いわゆる下し全現象を引き起こさな
い範囲の気孔径である必要かあり、平均気孔径が１０〜
４０ｇｍが好ましいことを見出した。モ均気孔径が１０
Ｂｍ未満では、起動時に気孔中に浸透した液が短時間で
は表面に現れず、また４０４ｍを越えるとシール漏れか
ある上に、相手材かカーボンの場合にはその摩耗を極度
に促進してしまう。

なお、気孔径の測定は破断面の走査電顕観察により平均
気孔径値を求めた。

次に、気孔率に関しては、油溜りとしての作用か認めら
れる程度の大きく、連続気孔になってない独立気孔とし
て存在する範囲であることか必要て、全気孔率は３〜１
３　ｖｏ１％か好ましい範囲てあり、　３ｖｏ１％未満
では油溜りの潤滑効果が見られず、１３　ｖｏ１％を越
えると強度の大幅な低下を来たすとともに液漏れの原因
となる連続気孔になる可能性が強くなる。

全気孔率は炭化珪素の真比重より求めた全開気孔および
全閉気孔の和である。

前述の特開昭６２−１７６９７０に開示されている窒化
珪素焼結体の場合の最適な気孔径と気孔率の範囲か炭化
珪素焼結体の場合と異なることになる。また、気孔の形
状に関しては、母材の炭化珪素焼結体か典型的な硬質材
料であり、応力集中を避けるために丸みを持つものであ
ることか必要である。

ここていう丸みとは応力が一ケ所に集中する様なエツジ
を持たず、滑らかな曲率を持った気孔の形状をいう。

炭化珪素焼結体中に気孔を導入する方法としては大別し
て焼結原料配合物中に球状有機物を添加し、仮焼工程中
て、分解、昇草により気孔を生成させる方法と、焼結の
諸条件の変更により緻密化を阻害して気孔を残存させる
方法とかある。後者の方法としては、例えば、粗粒の焼
結原料の混入、焼結助剤の減量、昇温速度の増減、最高
保持温度の低下、最高保持時間の減少等があるか、この
方法により造られる気孔の形状は、一般に丸みか少なく
、連続気孔になり易く適切な方法とは言えない。

前者の方法の方か丸みかでき易く、その場合に用いる有
機物としては、初期の形状が丸みを持ったものであれば
良い、炭化珪素質メカニカルシール摺動材の製造方法と
して最も汎用性かある工程、即ち、水媒体による原料配
合物のボールミル混合、噴霧乾燥による顆粒化、冷間静
水圧プレスあるいは金型ブレスの工程を考慮すれば、添
加する有機物は水に溶解せず、噴霧乾燥時に軟化流動し
ない程度の耐熱性か必要であり、合成あるいは天然の高
分子量化合物か適当であり、例を挙げれば乳化重合によ
るポリスチレンビーズ、球状澱粉粒、パルプ質球体か好
ましい。

（実施例） 以下、本発明を実施例にて詳細に説明する。

実施例１〜２ 平均粒子径か０．４５ｇｔａのα型炭化珪素粉末１００
重量部に対し、炭化硼素粉末０．８重量部、カーボンブ
ラック粉末２．５重量部、ポリビニルアルコール２．５
重量部、２０ｇｍ径のポリスチレンビーズな７重量部お
よび１１重量部添加し、水を加え４０％濃度のスラリー
を造り、ボールミル中て１０時間混合し、スプレードラ
イヤーにて顆粒化した。

この顆粒を成形型に充填し、　１．５ｔｏｎ　／　ｃ　
ｒｎ’の圧力で加圧成形し、２０５０℃のアルゴン雰囲
気中で焼結し１表１のテストピースを得た。嵩比重は水
置換法、全気孔率は、炭化珪素の理論密度を３．２１ｇ
／Ｃｍ′とじて計算により求めた。外径３０ｆｌ１ｍφ
、内径２４ｍｍφ、厚さ８Ｉ１ｍに研削加工し、片面を
ラップ仕上げてＲ＝０．０５ｇｍとし、摺動試験用テＩ
ＢａＸ　。

ストピースとした。

比較例１〜４ ポリスチレンビーズな添加しないものおよび５ＪＬＩＩ
Ｉ径および５０ｇｍ径のポリスチレンビーズを１１１重
部添加するものまた、２０ｇｍ径のポリスチレンピース
を２６重量部を添加するものをポリスチレンピースの添
加に関する点を除いては、実施例１〜２と同様な方法に
より、表１に示す特性を持つテストピースを製造した。

（以下余白） 実施例３ 実施例１〜２および比較例１〜４のテストピースを第１
図に示す湿式摩擦係数測定装置の上部試料１に設置し、
下部試料２にカーボン材（フラン樹脂含浸）、緻密質炭
化珪素焼結体（比較例１）および多孔質炭化珪素焼結体
（実施例２）にそれぞれを設置し、摺動面圧６ｋｇ／ｃ
ｍ’、周速度５ｃｍ／ｓｅｃ、水中１７°Ｃにて摺動試
験を行ない、　５トルク検出器の読みから摩擦係数を算
出し、表２の結果を得た。

実施例４ メカニカルシールの摺動材として、フラン樹脂含浸カー
ボン材と実施例１の炭化珪素焼結体とを使用した場合と
、フラン樹脂含浸カーボン材と比較例１の炭化珪素焼結
体とを使用した場合とで、ブリスターの発生の有無の試
験を行なった。試験条件としては、Ｃｉ油を圧力１０ｋ
ｇ／　ｃ　ｒｎ′にて循環するポンプ式の試験機に於て
、軸径４０ｎｕ＊φ、摺動回転数Ｎ　＝　３０００ｒ、
ｐ、＠て１５分稼動し、　５分停止する断続運転にて試
験した。

フリスターは、高粘度流体て稼動、停止の断続回数か多
い運転て、Ｐｖ値か高いものては、比較的短い時間に発
生するのが普通であるか、実施例■の焼結体を使用した
ちのては、　１００時間、即ち３００回のＩ！ｌＴ統回
数てもツリスターは発生しなかった。

一方、比較例１の焼結体を使用したちのては、５時間後
、即ち１５回の断続回数て漏れか発生したので、試験機
の摺動材部を解体してみると、カーボン材の摺動面に５
個のツリスターか発生していた。

すなわち、本発明品は、ブリスターの発生防止効果が優
れていることかわかる。

（以下余白） （発明の効果） 本発明によれば、炭化珪素とカーボン材、炭化珪素と炭
化珪素との組合せによるメカニカルシールに於て高いＰ
ｖ値で使用でき、鳴き、固着、かじりおよびブリスター
現象を起こすことなく使用できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は湿式摩擦係数測定装置の概略図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均気孔径１０〜４０μｍの独立気孔を、気孔率
   として３〜１３ｖｏｌ％含有することを特徴とするメカ
   ニカルシール用炭化珪素焼結体。
2. （２）第１項記載の焼結体を固定環および回転環として
   用いることを特徴とするメカニカルシール。
3. （３）第１項記載の焼結体を一方の固定環あるいは回転
   環とし、他方にカーボン材のものを用いることを特徴と
   するメカニカルシール。
4. （４）第１項記載の焼結体を一方の固定環あるいは回転
   環とし、他方に緻密質炭化珪素焼結体を用いることを特
   徴とするメカニカルシール。
5. （５）第１項記載の焼結体を一方の固定環あるいは回転
   環とし、他方に鋳鉄、アルミナ焼結体、超硬合金の摺動
   材を用いることを特徴とするメカニカルシール。