JPH04224641A

JPH04224641A - 焼結された排気ガス用シール

Info

Publication number: JPH04224641A
Application number: JP4492691A
Authority: JP
Inventors: Peter P Usher; ピーター・ピー・ウーシャー
Original assignee: METEX CORP
Current assignee: METEX CORP
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 1992-08-13
Also published as: EP0453068A3; EP0453068A2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シール用リング、殊に
関節式の高温度で使用される管接合部をシールするのに
有用なシール用リングに関する。

【０００２】

【従来の技術】関節式の排気系は、自動車の排気マニホ
ルドと排気ヘッダとの間にシールを維持するのに有用で
ある（米国特許第４１８８７８４号参照）。エンジンは
弾性マウントによって取り付けられ、そして排気マニホ
ルドは高温排気ガスを送らなければならないので、関節
式接合は、高温及び高摩擦条件下でさえも良好なシール
を維持するものと期待される。関節式排気系のためのシ
ール様式は米国特許第４４６２６０３号明細書に記載さ
れており、この記載事項はここに参考として引用される
。上記米国特許第４４６２６０３号明細書に記載されて
いるように、シールは環状であり、内側径及び外側球状
シール表面を有している。マニホルド管はそのシールに
外側球状シール表面で接しており、その線接触表面に沿
って可成りの摩擦を発生させる。

【０００３】グラファイトは良好な潤滑性を有するので
関節式接合シールにおいて一般的に用いられる成分であ
る。しかしながら、マニホルド管表面がシールからのグ
ラファイトによって覆われ、そして摩り表面がステック
・スリップ（ｓｔｉｃｋ−ｓｌｉｐ）サイクルを受ける
ときしみが生じる。

【０００４】また関節式接合部用シールは、一般に薄い
耐火物シート、ワイヤ・メッシュ構造体、あるいは微細
金属繊維の形の補強用繊維を含んでいる。これらの繊維
は、ある種の滑剤として混合され、ダイス中で１平方イ
ンチ（６．４５ｃｍ２　）当り約１３〜３５トンの圧力
で圧縮されて、適当な機械的強度及び安定性が与えられ
る。微細繊維を含むシールは「パウダー」シールと称さ
れ、そしてシートまたはメッシュ構造体を含むシールは
「メッシュ」シールと称されている。

【０００５】いずれのシールも「きしみ」を完全に除く
ことはできないが「パウダー」及び「メッシュ」シール
は、それぞれ、きしみ音の可聴レベルを、そのシールを
用いている自動車の室内の可聴のレベル以下にまで低減
するための改善を受けなければならないかも知れないと
いうある性能制限がある。「パウダー」シールは自動車
排気系において遭遇する高温に長期曝された後に脆くな
ることがある。そのような脆化は、エンジンが動いてい
るときに、比較的高いきしみ度となって表われる熱老化
をもたらす。メッシュ・シールはしばしばきしみ音を生
じることがあり、また金属繊維が露出されてくるとマニ
ホルドに促進された摩耗を起こすことがある。非金属繊
維は、金属繊維によって引き起こされる摩擦及び摩耗を
軽減しうるが、非金属繊維は熱的損傷のために、可成り
長期の寿命を示さない。望ましいシールはマニホルドの
摩耗を促進せず、そして自動車の室内で聴えない低レベ
ルのきしみ音を示すものであろう。多くの人々がそのよ
うなシールを得ることを試みてきている。

【０００６】米国特許第４５５４０８４号明細書には微
細金属繊維及び滑り剤を含む関節式シールが記載されて
いる。その金属繊維は構造体に構造的団結性を加えるこ
とを意図されており、また滑り剤はマニホルド管とシー
ルの斜辺との間の潤滑剤として作用する。この米国特許
第４５５４０８４号明細書には、さらに０．２５〜１０
重量％のアルカリ金属塩化物、硫化物、炭酸塩、ホウ酸
塩またはリン酸塩；ケイ酸塩またはリン酸塩ガラス；チ
オ化合物；有機系の塩素、硫黄、リンまたはヒ素化合物
；炭化ホウ素；ホウフッ化カリウム；あるいはその化の
ホウ素含有物質；を、エンジン作動中に金属繊維を覆っ
てマニホルドと繊維との間の滑動停止を防ぐ目的で使用
することも記載している。

【０００７】しかし、繊維が被覆されるかあるいは均一
被覆されるかは、主としてエンジンの熱及び被覆用添加
剤の分布によって左右される。通常の内燃式エンジンは
、負荷及び速度に応じて３００〜１６００°Ｆ（１４９
〜８７１℃）の排気ガスを生じるが、さらに一般的な排
気ガス温度は５００〜１２００°Ｆ（２６０〜６４９℃
）の範囲である〔マークス著「スタンダード・ハンドブ
ック・オブ・フォ・メカニカル・エンジニヤース」第９
−１０８〜９−１０９頁、第８版（１９７８年）参照〕
。従って、被覆の形成及びその化学的性質は、マニホル
ドガスの温度に完全に左右される。ある条件下（例えば
寒冷気候あるいは短時間運転）では、温度は、繊維上に
有効な被覆を形成して摩耗の問題を防ぎまたシールがき
しむ状況を防止するのには不充分である。

【０００８】米国特許第４６０１４７６号明細書には、
樹脂バインダーを含むシールを炭化させるのに熱硬化を
用いることが記載されている。炭化物は、種々の金属及
び非金属性のシール成分の間の結合を増強する作用をな
す。その加熱工程中に金属繊維上に低摩擦の耐摩耗性被
覆を形成するための努力は開示されていない。

【０００９】高い構造強度を有し、熱老化に耐える、関
節式接合部用シールが得られることは有用であろう。

【００１０】エンジン排気ガスによってもたらされる温
度にもかかわらずマニホルド上に過度の摩耗を生じるこ
となく長期間にわたりシールを維持する、関節式接合部
用シールが得られることも望ましいであろう。

【００１１】さらには、広い条件範囲にわたってきしみ
音をほとんど発生しないシールが得られることも望まし
いであろう。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、高
い構造強度を有しそして熱老化に耐える、関節式接合部
用シールを提供することにある。

【００１３】本発明の別の一目的は、エンジン排気ガス
からもたらされる温度にもかかわらずマニホルド上に過
度の摩耗を生じることなく長期間にわたりシールを維持
する、関節式接合部用シールを提供することにある。

【００１４】本発明のさらに別の一目的は、還元性環境
中でシールを加熱することにより作られる低摩擦性、耐
熱性被覆付き金属繊維からなるシールを提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】これらの目的及びこの明
細書における開示から明らかになるその他の目的によっ
て、本発明は、少なくとも１種の滑剤；金属繊維；及び
クロム、ホウ素及び炭素を含み、金属繊維よりも低い融
点を示す粉末状金属合金；の焼結混合物からなるシール
を提供する。

【００１６】本発明は別の態様において、本発明による
シールは、微細金属繊維；少なくとも１種の滑剤；及び
クロム、ホウ素及び炭素を含みそして金属繊維よりも低
い融点を示す金属合金；からなる混合物を圧力下に成形
して、関節式接合部用シールとなし、そして還元雰囲気
中で合金の融点以下でそのシールを焼結する、ことから
なる方法によって製造される。

【００１７】本発明は、長期間にわたりわずか低レベル
のきしみを示すにすぎず、高強度及び高耐摩耗性を示す
シールを提供する。焼結工程中に金属繊維と相対的に低
融点の合金との間に結合が形成され、これによってシー
ルの種々の要素成分が一緒に締結されて強い構造となる
。また化学的相互作用も最終のシールの耐酸化性を向上
させる。

【００１８】本発明によるシールは、三つの主要な成分
、すなわち、滑剤；微細金属繊維；及び粉末状金属合金
；を含む。適当な滑剤の例としては、グラファイト（フ
レーク状のものが特に好ましい）、フッ化カルシウム、
窒化ホウ素、二硫化モリブデン、雲母、炭化タングステ
ン、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、その他の公知滑り
用滑剤、及びそれらの混合物がある。フレーク状グラフ
ァイト自体、及びそれとフッ化カルシウムとの組合せは
殊に好ましい固体滑剤である。滑剤はフレーク状でも粉
末状であってもよく、そしてシールの合計重量に基づき
５０重量％（滑剤合計）までの量でシール中に存在しう
るが、これよりも多い量であっても、所望により、使用
できる。

【００１９】金属繊維は、約１９００°Ｆ（１０３８℃
）　以上の融点を有する多くの硬質、耐火性金属から選
択しうる。好ましい金属繊維は、炭素鋼またはステンレ
ス鋼の切断（　チョップド）　スチール・ウールである
。

【００２０】粉末合金は、殊にクロム、ホウ素及び炭素
を、一またはそれ以上の結合または非結合の形態で含み
、残部はニッケルのような硬質金属と、より少量のタン
グステン、鉄及びケイ素等からなる。好ましくは合金は
、これらの元素を表１に示したような概略の重量比で含
む。合金はシール中にシール全重量基準で約３０重量％
以下の量で存在する。

【００２１】

【００２２】合金粉末は、良好な充填をなしうるように
充分に小さい寸法（粒子）であるべきであり、好ましい
寸法は、１４０メッシュ（０．１０５ｍｍ）以下である
が、好ましくは約３２５メッシュよりも大きい。以下こ
のような寸法のものを「−１４０／＋３５０」粉末と表
すことがある。

【００２３】本発明において殊に好ましい合金は、商標
「Ｃｏｌｍｏｎｏｙ６」、「Ｃｏｌｍｏｎｏｙ８」及び
「Ａｍｅｔｅｋ８０」で市販されているものがある。「Ｃｏｌｍｏｎｏｙ６」は、約１３．５重量％のクロム
、約３重量％のホウ素及び約０．６５重量％の炭素を含
み、残部は、ニッケル、ケイ素及び鉄であり、この合金
は市販納入される状態でホウ化クロム結晶を含んでいる
。「Ｃｏｌｍｏｎｏｙ８」及び「Ａｍｅｔｅｋ８０」は
、約２６重量％のクロム、約３．１重量％のホウ素及び
約０．９重量％の炭素、そして残部のニッケル、ケイ素
及び鉄を含んでいる。

【００２４】合金は金属繊維の融点よりも低い融点を有
すべきであり、好ましくは約２１００°Ｆ（１１４９℃
）以下、最も好ましくは約２０００°Ｆ（１０９３℃）
以下の融点を有する。「Ｃｏｌｍｏｎｏｙ６」は約１９
００°Ｆ（１０３８℃）の融点を有し、「Ｃｏｌｍｏｎ
ｏｙ８」及び「Ａｍｅｔｅｋ８０」の両者は約１９７５
°Ｆ（１０７９℃）の融点を有する。

【００２５】焼結のときに、合金中のクロム、ホウ素及
び炭素は、種々のホウ化物及び炭化物を作る。ホウ化物
及び炭化物は、低い摩擦係数をもつ非常に硬い物質であ
る。これらの物質は、シール全体にわたって均一に分散
されるようになるので、それらのホウ化物及び炭化物は
、金属繊維の表面を、低摩擦係数をもつ硬質、耐摩耗性
保護被覆でカバーする。さらには、種々のホウ化物及び
炭化物がシール内の個々別々の位置で生成するので、そ
れにより多数の均一に分布された耐摩耗性サイト（部位
）が発生することになる。繊維に対する被覆と個々別々
のサイトとの組合せによって、実質的にきしみを生じな
いシールがもたらされる。さらには、生成される炭化物
及びホウ化物は、マニホルド上の滑剤の付着物の形成を
防ぎ、これによっても実質的にきしみのないエンジン運
転が保たれるものと考えられる。本発明のシールを形成
するために用いられる物理的方法は複雑ではない。金属
繊維、滑剤及び粉末状金属合金を均一に混合し、そして
関節式接合シール用の適切な形状のダイス中に入れ、圧
縮しそして焼結する。典型的な圧縮圧力は約１５〜３５
トン／１平方インチ（６．４５ｃｍ２　）程度である。少量、例えば約０．１重量％以下、の有機系混合助剤を
所望により、混合工程中に使用し、そして焼結工程前ま
たは焼結工程中にシールから除去しうる。グリセロール
は、本発明のための有用な混合助剤である。

【００２６】適当な加熱条件としては、合金粉の融点未
満の温度、例えば少なくとも約１６００°Ｆ（８７１℃
）で、選定温度値に応じて約５〜約４５分間である（よ
り高い温度では短い時間が必要とされる）。好ましい加
熱条件としては、約１８７５〜約２０５０°Ｆ（１０２
４〜１１２１℃）の温度があり、約１０〜約２０分の時
間については約１９００〜約１９５０°Ｆ（１０３８〜
１０６６℃）の温度が殊に好ましい。

【００２７】シールは、金属酸化を回避するため、及び
金属結合の形成を促進するために還元性雰囲気中で焼結
される。好ましい還元性雰囲気は高割合の水素を含む。最も好ましい還元雰囲気は、約７５％の水素及び２５％
の窒素の解離されたアンモニア、あるいは純粋、すなわ
ち１００％、水素である。

【００２８】所望により、１種またはそれ以上の補強材
をシールの内径周囲で用いてその構造強度を高めること
ができる。補強材の例としては、米国特許第４６０１４
６７号明細書に記載されているような内径の周囲に設け
られる編成メッシュワイヤの環状体、及び非孔または穿
孔された金属円筒体がある。金属円筒体は、シールに極
めて高い強度が必要とされる場合、殊に有用である。補
強材は、圧縮成形前にダイスに入れられるのが好ましい
。

【００２９】

【実施例】以下の実施例は本発明のいくつかの具体例を
例示するためのものである。

【００３０】実施例１．下記の材料を一緒に混合し、そ
の混合物を環状シールに成形することにより、本発明に
よるシールを製造した。一般に、各成分をオフセットコ
ーン式混合機に投入し、約３０分間混合した。少量のグ
リセロールを用いて低融点合金の沈降または偏離を防止
した。シールは約２２トン／１平方インチ（６．４５ｃ
ｍ２　）までの圧力を用いて適切な型中で成形した。焼
結は解離アンモニアまたは１００％水素の還元性雰囲気
中で約１９００〜２０５０°Ｆ（１０３８〜１１２１℃
）　で約１０〜約３０分間実施した。下記の配合割合は
、特に指示した例外を除き、焼成シールの全重量を基準
にしたもの（重量％）である。グリセロールは重量比の
中に算入されていない（グリセロールは焼結工程中に除
去されてしまうからである）。

【００３１】

【００３２】得られたシールを解離アンモニア雰囲気中
で２０５０プラス／マイナス２５°Ｆ（１１２１プラス
／マイナス１３．９℃）で１５分間焼結した。

【００３３】さらに約１９５０°Ｆ（１０６６℃）のよ
り低い温度で焼結した別の試験でも良好なシールが得ら
れた。

【００３４】実施例２．下記の材料を混合、成形するこ
とによりシールを製造した。

【００３５】

【００３６】成形されたシールを解離アンモニア雰囲気
中で１９００°Ｆ（１０３８℃）で２０分間焼結した。

【００３７】実施例３．フッ化カルシウムを高温滑剤と
して、グラファイトと組合せて用いたことを除いて実施
例２のようにして、本発明による別のシールを製造した
。

【００３８】

【００３９】成形されたシールを解離アンモニアの雰囲
気中で２０分間１９００°Ｆ（１０３８℃）で焼結した
。

【００４０】上記の実施例は本発明の理解を促進するた
めの例示にすぎないことは了解されよう。示された材料
及びその割合は、本発明の範囲に限定を与えるためのも
のではない。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）　滑剤、（ロ）金属繊維、及び（ハ）クロム、ホウ素及び炭素を含み、上記金属繊維よ
りも低い融点を示す粉末状の金属合金の焼結された混合
物からなる、関節式管接合部用の焼結シール。
【請求項２】　　滑剤が、グラファイト、フッ化カルシ
ウム、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、雲母、炭化タン
グステン、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及びそれらの
混合物からなる群より選択される請求項１のシール。
【請求項３】　　滑剤がグラファイトからなる請求項２
のシール。
【請求項４】　　滑剤がグラファイトとフッ化カルシウ
ムとの混合物からなる請求項２のシール。
【請求項５】　　金属繊維が切断スチールウールよりな
る請求項１のシール。
【請求項６】　　スチールウールがステンレス鋼よりな
る請求項５のシール。
【請求項７】　　スチールウールが炭素鋼よりなる請求
項５のシール。
【請求項８】　　合金が約１０〜約３５重量％のクロム
、約２〜約４重量％のホウ素、及び約０．２５〜約１．
２重量％の炭素を含む請求項１のシール。
【請求項９】　　合金が約１２〜約３０重量％のクロム
、約２．５〜約３．５重量％のホウ素及び約０．５〜約
１重量％の炭素を含む請求項８のシール。
【請求項１０】　　合金が約１３〜約２８重量％のクロ
ム、約２．９〜約３．２重量％のホウ素及び約０．６〜
約０．９５重量％の炭素を含む請求項９のシール。
【請求項１１】　　合金が約１３．５重量％のクロム、
約３重量％のホウ素及び約０．６５重量％の炭素を含む
請求項１０のシール。
【請求項１２】　　合金が約２６重量％のクロム、約３
．１重量％のホウ素及び約０．９重量％の炭素を含む請
求項１０のシール。
【請求項１３】　　環状の形であり、そしてシールの内
径の周囲に補強材としてワイヤメッシュをさらに含む請
求項１のシール。
【請求項１４】　　環状の形であり、そしてシールの内
径の周囲に補強材として円筒状金属スリーブをさらに含
む請求項１のシール。
【請求項１５】　　滑剤；金属繊維；及びクロム、ホウ
素及び炭素を含み、上記金属繊維よりも低い融点を示す
粉末状の金属合金；の焼結された混合物からなる、関節
式管接合部用のシールであって、還元性雰囲気中で上記
合金の融点より低い温度でそのシールを焼結することか
らなる方法によりそのシールが製造されたものであるこ
とを特徴とする上記シール。
【請求項１６】　　滑剤；金属繊維；及びその金属繊維
よりも低い融点を示すクロム含有粉末合金；からなる、
関節式管接合部用のシールであって、約５〜約４５分間
還元性雰囲気中で約１０２４℃（１８７５°Ｆ）〜約１
１２１℃（２０５０°Ｆ）の範囲内の温でそのシールを
加熱することからなる方法によりそのシールが製造され
たことを特徴とする上記シール。
【請求項１７】　　微細金属繊維；滑剤；及びクロム、
ホウ素及び炭素からなり、上記金属繊維よりも低い融点
を示す粉末金属合金；からなる混合物を加圧下に成形し
てシールの形となし：そして還元性雰囲気中で合金の融
点よりも低い温度においてそのシールを焼結する：こと
からなる関節式管接合用シールを製造する方法。
【請求項１８】　　成形工程は、切断スチールウール；
グラファイト；及び約１０〜約３５重量％のクロム、約
２〜約４重量％のホウ素及び約０．２５〜約１．２重量
％の炭素を含む粉末金属合金；からなる混合物を、関節
式管結合部用シールとして使用するのに適当な形状に、
加圧下に成形することからなる請求項１７の方法。
【請求項１９】　　成形工程は、切断スチールウール；
グラファイト；フッ化カルシウム；及び約１０〜約３５
重量％のクロム、約２〜約４重量％のホウ素、及び約０
．２５〜約１．２重量％の炭素を含む粉末金属合金；か
らなる混合物を、関節式管接合部用シールとして使用す
るのに適当な形状に、加圧下に成形することからなる請
求項１７の方法。
【請求項２０】　　成形工程は、編成メッシュワイヤの
環の周囲に該混合物を成形することからなる請求項１７
の方法。
【請求項２１】　　成形工程は、金属円筒の周囲に該混
合物を成形することからなる請求項１７の方法。
【請求項２２】　　焼結工程は、水素または解離アンモ
ニアからなる雰囲気中で約１０２４℃（１８７５°Ｆ）
〜約１１２１℃（２０５０°Ｆ）の範囲内の温度におい
て約５〜約４５分間シールを加熱することからなる請求
項１７の方法。
【請求項２３】　　焼結工程は、水素または解離アンモ
ニアからなる雰囲気中で約１０３８℃（１９００°Ｆ）
〜約１０６５℃（１９５０°Ｆ）の範囲内の温度におい
て約１０〜約２０分間シールを加熱することからなる請
求項１７の方法。