JPH0478380A

JPH0478380A - メカニカルシール

Info

Publication number: JPH0478380A
Application number: JP2189163A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fuwa; 良雄不破; Hirobumi Michioka; 博文道岡; Hirohisa Miura; 三浦　宏久; Yoshiteru Nakagawa; 喜照中川
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1992-03-12

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に関する［従来の技術］メカニカルシールは、ポンプハウジングの軸孔を封止す
る装置であって、相対！門動回転自在に密接する密封端
面を各々有するシートリング及び従動リングを有してい
る。これらシートリング及び従動リングの一方が回転軸
とともに回転し、他方がポンプハウジングに保持されて
回転を規制される。従動リングは軸方向に変位可能とな
っていてばねがこれら両者の密封端面を密接方向に常時
押圧付勢して、摩耗による蜜月端面間隙の液漏れをシー
ルする。すなわちメカニカルシールでは、上記両密封端
面の相対１占動回転により軸封を行うとともに従動リン
グの摩耗によるシール機能低下を、ばねによる従動リン
グのシートリング方向への変位で防止している。

例えば、自動車エンジンのウォーターポンプに用いられ
るメカニカルシールに高耐摩耗性のセラミックか、従動リングに力ボン系の
低摩擦材料が用いられている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、このような従動リングは苛酷な運転条件
下で運転される場合があり、更に優れた耐摩耗性が期待
されている。

また、シートリングにアルミナや炭化珪素などのセラミ
ックを、従動リングにカーボン系の低摩擦材料を用いた
場合、液漏れ、耐摩耗性、スティックスリップによる異
音発生の低減などの性能を全て満足することは容易では
ない。

本弁明の目的は、新しい摺動材料をこの従動リングに用
いることにより従来に比べ格段に性能向上が可能なメカ
ニカルシールを提供することにある。

［課題を解決するための手段］第１発明のメカニカルシールは、相対摺動回転自在に密
接する密封端面を各々有するシートリング及び従動リン
グと、軸方向変位可能な前記従動リングを前記シートリ
ング方向に付勢するばねとを備えるメカニカルシールに
おいて、前記従動リングは、炭素マトリックス中に炭素
繊維かあるいは炭素繊維及び無機微小体が一体的に埋設
された組織を有し、該炭素マトリックスは偏光顕微鏡で
児て光学異方性の微粒子が均一に密集したモザイク構造
をもち、該炭素繊維と該炭素マトリックスとの間の界面
で剥離している界面の割合が全界面に対して１０％以下
でおり、かつ密度が１．６５以上である炭素繊維強化炭
素焼結体を用いて構成されていることを特徴としている
。

第２発明のメカニカルシールは、相対摺動回転自在に密
接する密封端面を各々有するシートリング及び従動リン
グと、軸方向変位可能な前記従動リングを前記シートリ
ング方向に付勢するばねとを備えるメカニカルシールに
おいて、前記従動リングは、未炭化炭素質繊維をあるい
は未炭化炭素質ｔＭｗＬ及び無機微小体を埋設した自己
焼結性を有する炭素質粉末からなる複合体を焼結して得
られる炭素繊維強化炭素焼結体を用いて構成されている
ことを特徴としている。

メカニカルシールには、従動リングが静止する静止型式
と、従動リングが回転する回転型式とがあるが、本発明
のメカニカルシールはそのどちらにも適用できる。

この炭素繊維強化炭素焼結体は、炭素マトリックス中に
炭素＄１ｉｌがあるいは炭素縁Ｎおよび無機微小体が一
体的に埋設された組織構造を有している。無機微小体は
金属またはセラミックスで構成される。炭素マトリック
スは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に密
集したモザイク構造をもち、炭素１１１ｉ維と炭素マト
リックスとの間の全界面面積に対する剥離している界面
の割合は１０％以下とされている。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維は、焼
結体の強度を確保するためのもので、偏光顕微鏡で見て
、異方性を示すものでも等方性を示すものでもよい。炭
素繊維は、切断された短繊維でも、長繊維でもよい。ま
た、炭素ｇｉＭはマトリックス中に一定方向に配向して
いるものでも逆にランダムに配向しているものでもよい
。炭素繊維強化炭素焼結体中における炭素繊維の配合割
合は２〜５０重量％、より好ましくは１０〜４０％がよ
い。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成成分となりうる無機微小
体としては、微小な金属やセラミックスで構成できる。

これら無機微小体の形状は、粉末状、ウィスカ等の繊維
状、箔片状等でもよい。炭素繊維強化炭素焼結体におけ
る無機微小体の配合割合は３〜２３重猷％程度が好まし
い。

炭素繊維強化炭素焼結体の構成部分である炭素マトリッ
クスは偏光顕微鏡で見て光学的異方性の微粒子が均一に
密集したモザイク構造をもつ。偏光顕微鏡で見て光学的
異方性をもつとは、炭素が一定方向に規則的に配列した
組織をもつものと考えられる。即ち、この炭素マトリッ
クスは、光学的異方性をもつ炭素粒子が密集した状態で
押し固められた状態にある。均一に密集したとは、炭素
粒子が流動して形成される流れ線等の模様が無いことを
意味する。偏光顕微鏡下でモザイク状に観察される炭素
粒子の大きさは３０μｍ以下が好ましい。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維と炭素
マトリックスとの間の全界面面積に対する剥離している
界面の割合は、１０％以下である必要がある。炭素マト
リックスと炭素繊維とが剥離していると炭素繊維の補強
効果が充分でない。

このため界面の面積は全界面の１０％以下より好ましく
は５％以下がよい。

この炭素繊維と炭素マトリックスとの剥離は走査型電子
顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する。〉で観察測定できる。

また、この炭素繊維強化炭素焼結体の気孔率は１０％以
下であるのか好ましい。この焼結体の気孔は偏光顕微鏡
で観察すると黒い点として観察される。従って観察して
いる面積に占める黒い点の面積より気孔率が計算できる
。

本発明にかかる炭素繊維強化炭素焼結体の密度か１．６
５以上とは、炭素マトリックスの緻密性、気孔が少なく
かつ炭素繊維と炭素マトリックスとの界面か剥離してい
ない等が総合された特性である。従って、これらマトリ
ックスの緻密性が欠けたり、気孔率か高すぎたり、繊維
とマトリックスとの間の剥離が多いと、比重は１．６５
以下となる。

この炭素繊維強化炭素焼結体を構成する炭素繊維の配合
割合、無機微小体の材質および配合割合、炭素繊維と炭
素マトリックスとの間の剥離面積の割合、気孔率は、直
接にこの炭素繊維強化炭素焼結体の機械的強度に影響す
る。この炭素ＩＩ強化炭素焼結体の機械的特性を曲げ強
度で規定すると、この焼結体の曲げ強度、は６００ｋｑ
／ｃｍ２以上であるのが好ましい。

本発明の炭素ｉ維強化炭素焼結体としては、未炭化炭素
質ＨＭをあるいは未炭化炭素質繊維および無機微小体を
埋設した自己焼結性炭素質粉末とからなる複合体を焼結
して得られる焼結体を採用できる。

ここで、未炭化炭素質繊維とは、通常の炭化処理の施さ
れていない状態の炭素質繊維をいう。換言すれば、ざら
に熱処理をすることにより、ざらに炭化する余地を有す
る炭素質粉末をいう。具体的には、原料ピッチを使用し
た場合には、紡糸したままの繊維または紡糸後に表面処
理された繊維を５５０″Ｃを越えない温度で不融化した
繊維をいう。ＰＡＮ　（ポリアクリロニトリル）系、レ
ーヨン系などの高分子系の繊維では分解工程を終えた黒
鉛化処理前の繊維をいう。この種の炭素質繊維としては
、例えば、石炭系または石油系の原料ピッチを紡糸して
得たピッチ繊維またはこれを不融化して得た不融化ＩＩ
ｉ維などがある。

この原料ピッチの紡糸および不融化は常法に従って行え
ばよく、条件などは特に限定されない。

通常、ピッチ繊維は、原料ピッチを紡糸ノズルに供給し
、３００〜４００’Ｃ程度に加熱した状態で不活性ガス
による加圧下にて紡糸ノズルから押出して得ることがで
きる。また、このようなピッチ繊維をざらに酸化性雰囲
気中１５０〜５００℃程度で０．５〜５時間時間像持し
て不融化繊維とすることができる。なあ、この原料ピッ
チは、光学的等方性のものでも、光学的異方性のもので
もよい。

未炭化炭素質繊維の繊維長さは、短ｌｌｉ維、長繊維に
限らない。しかし、短繊維の場合には０．０１〜５Ｑｍ
ｍのものを使用することができる。特に、０．０３〜’
ｌＱｍｍのものが混合のしやすさ、アスペクト比の関係
から好ましい。長ずぎては繊維同士が絡みあい分散性が
低下し、ひいては製品特性の等方性に劣り、また０、０
１ｍｍより短くては製品の強度が急激に低下して好まし
くない。

また、繊維径としては、５〜２５μｍ程度のものが好ま
しい。さらに、これらの繊維からなる不織布またはコー
ティング布として使用することもできる。

未炭化炭素質繊維は、ざらにタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料で表面処理し、結合材
とのなじみ性を向上させることが好ましい。この表面処
理は、炭素質繊ｌｆｔ１００重量部に１００〜１０００
０重量部程度の上記粘結成分含有材料を加えて撹拌し、
有機溶媒により洗浄後、乾燥して行うことができる。

この表面処理に使用するタール、ピッチは、石炭系およ
び石油系のいずれであってもよい。ピッチを使用する場
合には、撹拌時に１４０〜１７０℃程度の加熱が必要と
なるので、粘結成分含有材料としてはタールの方がより
好ましく、また後続の炭化おにび黒鉛化工程での炭化歩
留りの点からは、石炭系のものがより好ましい。

この表面処理に使用する有機高分子として、フェノール
樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどを挙
げることができる。

この表面処理中の洗浄において使用する有機溶媒には、
トルエン、キシレンなどの芳香族系溶媒を使用すること
ができる。未炭化炭素質１１１ｉ紺と粘結成分含有材料
との混合物１００重量部に対して上記溶媒を１００〜１
０００重量部程度を加え、撹拌洗浄する。この洗浄によ
り、揮発成分が多く含まれる軽質油分が除去される。洗
浄を終えた未炭化炭素質繊維は、たとえば、窒素、アル
ゴンなどの非酸化性雰囲気中で、加熱および／または減
圧などの条件下で乾燥処理される。しかし、乾燥処理は
洗浄に使用した有機溶媒が除去される限り、これらの方
法に限定されるものではない。

さらに、乾燥を終え表面処理された未炭化炭素質繊維は
、必要に応じて分散処理される。すなわち、乾燥させた
繊維が、塊状化または凝集していることかあるので、こ
のような場合には、通常の粉体ミル、アトマイザ−、バ
ルバライザーなどの任意の手段により分散を行う。

無機微小体は未炭化炭素質繊維とともに、本発明の炭素
繊維強化炭素焼結体の原料となる。この無機微小体は、
目的とするメカニカルシールの用途に応じて、従動リン
グの摩擦係数μを低く安定したものとしたり、比較的高
い値の摩擦係数μであっても高耐摩耗性を付与したりす
るために、添加するものでおる。この無機微小体は、融
点１０ｏｏ’ｃ以上で炭素と反応しないもの、より好ま
しくはＨＶ１０００以上のものがよい。

かかる無機微小体として、無機酸化物、無機炭化物、無
機窒化物、無機ホウ化物などを用いることができる。無
機酸化物として、たとえばＡｆＪ２０３、Ｔｉ０ｚ、Ｚ
ｒＯ２、ＭＱＯなどを挙げることができる。無機炭化物
として、たとえばＢ４Ｃ，Ｔ　ｒ　ｃ、ｒａｃ、ｚｒｃ
などを挙げることができる。無機窒化物として、たとえ
ばａＮ、ｒｒＮ、Ｃｒ２　Ｎ、ＴａＮ、Ａ、ｌｌ　Ｎ、
Ｚｒ”Ｎなどを挙げることができる。無機ホウ化物とし
て、たとえばＴｌＢ２、ＺｒＢ２、Ｂ４Ｃ，Ｎｉｐ、Ｃ
ｏＢ、ＢＮ、ＴａＢ２などを挙げることができる。さら
に、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｖ。

ｒｉ、ｗなどの無機物も使用することができる。

なお、これらの無機物は、金属の状態で添加することも
可能である。また、＝ｍ微小体としては、微粒子状のも
ののほかウィスカ、セラミックス繊組が含まれる。

前記した無機微小体のうちから、適切なものを選択する
ことによって、メカニカルシールの用途に応じて、その
摩擦係数μ、耐摩耗特性、耐焼付き特性などを好適な特
性に管理することができる。

特に、１門動特性を好適なものとするため、ずなわら、
メカニカルシールの従動リングを高強度で耐摩耗性に優
れ、かつ焼付き荷重が２００１１ｆ以上であって、摩擦
係数が０．１５以下を示すものとするために、無機微小
体としてホウ素化合物を使用することができる。

かかるホウ素化合物として、焼結温度以下で分解または
融解しないものが好ましいが、ＭｇＢ２、ＣｏＢのよう
に焼結温度で分解するが、分解したホウ素が炭素と反応
して炭化ホウ素を形成するものである場合には、焼結温
度で分解するものも使用できる。このようなホウ素化合
物として、炭化ホウ素、窒化ホウ素の他、Ｏｒ、Ｔｉ、
丁ａ、Ｚｒ、Ａ、ｌ！　、Ｎ　ｉ　、Ｍにｌ、Ｎｂ、Ｍ
ｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｗなどのホウ化物を挙げることができる
。なお、これらの添加物は、金属の状態で添加するこも
可能である。

無機微小体として無機粉末を使用した場合は、マトリッ
クス材とのなじみ性、分散性あＪ：びでき上った焼結体
の強度と耐摩耗性を考慮して、粒径０．１〜５μｍのも
のが好ましく、より好ましくは０．２〜４μｍである。

また、無機微小体として無機繊維を使用した場合は、マ
トリックス材とのなじみ性、分散性、出来上った焼結体
の強度と耐摩耗性および繊維の離脱を考慮して、直径０
．７〜４０μｍ、長さ０゜０１〜Ｂｍｍのものが好まし
く、より好ましくは直径１〜１５μｍ、長さ０．０５〜
３ｍｍである。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の粒径は０．１〜１０μｍが好ましく、より好ましく
は０．３〜５μｍである。

粒径が０．１μｍより小さいと、均一混合が難しく、粒
径が１０ｕｍより大きいと、異常（アグレッシブ）摩耗
を起こづ可能性が増す。

炭素質粉末は、本発明の炭素繊維強化炭素焼結体の結合
材を構成するものである。この炭素質粉末は自己焼結性
を有し、未炭化、または完全に炭化されていないもので
ある。この自己焼結性炭素質粉末としては、石油系およ
び石炭系のいずれであってもよく、具体的には、メソカ
ーボンマイクロビーズ、バルクメソフェーズ粉砕品、低
温か焼］−クス粉砕品などを挙げることができる。これ
らの中では、粒径および組成の均一性、安定性などの観
点から、石油系および石炭系のメソカーボンマイクロビ
ーズが好ましく、炭化歩留りの観点から石炭系のものが
より好ましい。自己焼結性炭素質粉末としては、粒径３
０μｍ以下、β−レジン量が３〜５０％程度のものが好
ましい。なあ、このβ−レジン量は、より好ましくは６
〜３０％、さらに好ましくは８〜２５％である。

本発明の焼結体は、たとえば第１図に示すような乾式混
合、乾式成形および焼成という簡単な工程で製造できる
。

未炭化炭素質繊維と、無機微小体（無機粉末または無機
繊維）と、自己焼結性炭素質粉末とは、混合、成形され
て複合体を構成する。このときの混合手段は特に限定さ
れないが、強度および耐摩耗性を等５的にするためには
、前記した原料を均一に混合することが好ましい。また
、自己焼結性炭素質粉末と未炭化炭素質繊維との配合割
合は、前者’１００重量部に対して、後者２〜７０重量
部程度であり、より好ましくは前者１００重最部に対し
て後者１０〜５０重量部程度である。また、無機微小体
の添加量は、全体を１００重足％としたとき３〜３０重
量％が好ましく、より好ましくは５〜１０重量％である
。

特に、摺動特性を好適なものとするために、無機微小体
としてホウ素化合物を使用した場合は、ホウ素化合物粉
末の添加量は、全体を１００重量％としたとき１〜５０
重量％が好ましく、より好ましくは３〜３５重量％であ
る。ホウ素化合物粉末の添加量が５０ｆｆｌ量％を超え
ると焼結体の切削加工性が不良となり、かつ強度が若干
低下する。

本発明にかかる焼結体の成形は、常法によって行うこと
ができ、通常１〜１ＱｔＯｎ／Ｃｍ２程度の加圧下に所
定の形状に成形すればよい。または、ＣＩＰ法、ＨＩＰ
法、ホットプレス法などによって成形を行ってもよい。

成形は、常温でまたは不活性雰囲気下５００℃程度まで
の加熱下に行うことができる。

複合体は、焼結されて本発明にかかる焼結体となる。な
お、ここで焼結とは、常圧で７００〜１５００’Ｃ程度
に焼成して未炭化炭素質繊維および自己焼結性炭素質粉
末を炭化固結させることをいう。なお、必要に応じてこ
の炭化された複合体を黒鉛化炉で焼結温度以上に加熱し
て黒鉛化させてもよい。炭化の条件は、特に限定されな
いが、通常非酸化性雰囲気中０．１〜ｂの速度で常温から１５００’Ｃ程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待して行えばよい。

なお、焼結時においてより高温で焼結することにより複
合体の一部は炭化の後、黒鉛化する。

また、黒鉛化の条件も、特に限定されず、非酸化性雰囲
気中で焼結時の温度から０．１〜５００’Ｃ／時間程度
の速度で１５００〜３０００℃程度の温度まで昇温し、
０．５〜１０時間程時間待すればよい。黒鉛化を行った
場合には、黒鉛結晶が十分に成長するとともに秩序正し
く配向し、これにより製品の密度、強度および耐摩耗性
などがさらに向上する。

この特殊な炭素Ｉ！維強化炭素焼結体は、焼結前の複合
体を、未炭化炭素質繊維および無機微小体（無機粉末ま
たは照機繊Ｍ）と、この無機微小体を埋設した自己焼結
性氷炭化炭素質粉末とで構成したものである。したがっ
て、複合体を焼結する場合、強化材としての炭素質粉末
が未炭化、または完全に炭化されていないものであるた
め、この未炭化炭素質繊維と自己焼結性を有する未炭化
炭素質繊維とは、炭化される際に同程度の物理的性質（
強度、収縮率など〉をもつ。このため、これら炭素質繊
維と炭素質粉末との界面密着性が向上し、したがって、
高強度あＪ：び優れた耐摩耗性を得ることができる。要
するに、複合体を焼結する場合、未炭化同士の炭素質繊
維と炭素質粉末とが同程度に収縮して結合するので、こ
れらの界面密着↑１が高まり、摺動部材の強度および耐
摩耗性が向上する。

また、無機粉末または無機繊維を添加した炭素［１［強
化炭素焼結体で作られた部品は、相手材との間に機械的
な抵抗力が動き、これにより摩擦係数μか高く、安定し
たものとなる。すなわち、添加された無機粉末または無
機繊維が、相手材に対して機械的な抵抗力を及ぼすので
、１占動部材の摩擦係数μが高く、安定したものとなる
。

たとえば、無機粉末を添加した場合には、粉末状である
ため荷重の増加に伴い炭素マトリックス部から離脱しや
すくなり、この無機粉末の離脱と炭素マトリックス部の
凝着とがつり合うことにより、荷車の変動に対して摩擦
係数μが安定したものとなる。また、無機繊維を添加し
た場合には、荷重が増加しても繊維状であるため炭素マ
トリックス部から離脱しにくく、このため摩擦係数μが
高い値となる。

また、前記したように結合材としての自己焼結性炭素質
粉末は、液状炭素質材料からなる従来の結合材の使用を
不要とする。したがって、液状結合材の使用により発生
する気孔を充填するために、含浸、焼成を繰返す必要が
なく、本発明にかかる特殊炭素繊維強化炭素焼結体は、
前記したように第１図に示す乾式混合、乾式成形、焼成
という簡単な工程などで、安価に製造することができる
。

なお、適切な無機粉末または無機繊維を選択することに
よって、炭素繊維強化炭素焼結体で作られた部品の摩擦
係数μを、その用途に応じた好適な値に管理することが
できる。特に、無機粉末としてホウ素化合物を添加した
場合、このホウ素化合物粉末が、高荷重すなわち高温に
ざらされると熱分解し、その液相が生じる。この液相に
よって、摺動部材の耐焼付き性が向上し、かつその摩擦
係数μを低く押えることができるものと考えられる。

たとえば、無機粉末を無機ホウ化物とした場合、摺動部
品の摩擦係数μを０．０５〜０．２の範囲に管理するこ
とができ、無機粉末を無機炭化物とした場合、１言動部
品の摩擦係数μを０．１５〜０゜３５の範囲に管理する
ことができ、無機粉末を無機窒化物とした場合、摺動部
品の摩擦係数μを０゜１〜０．３５の範囲に管理するこ
とができ、そして無機粉末を無機酸化物とした場合、摺
動部品の摩擦係数μを０．２５〜０．５の範囲に管理す
ることができる。

なお、添加する無機粉末または無機繊維によって囲動部
品の摩擦係数μが大きく変化するのは、摺動に伴う発熱
により、無機粉末または無機繊維の状態が変化するため
と考えられている。たとえば、酸化物は耐熱性が高いた
め、摺動時にもその粒子とか繊維の形状を残し、このた
め、高い摩擦係数μを示すものと考えられている。また
、ホウ化物は、酸化物とは逆に摺動時の熱により、分解
し液相を形成し、摩擦係数μを低下させていると考えら
れている。

さらに、未炭化炭素質繊維をタール、ピッチ、有機高分
子などの粘結成分を含有する材料により表面処理した場
合には、炭素質繊維の界面の濡れ性が高まり、これによ
り結合材としての炭素質粉末とのなじみ性が高まるので
、これら炭素質繊維と炭素質粉末との界面密着性がざら
に向上する。

本発明のメカニカルシールでは、従動リングが前記した
炭素ｌＡｌ１維強化炭素焼結体で作られている。

なおこの従動リングは、成形後に焼結しても、焼結体か
ら機械加工してもよい。

従動リングに対し相対摺動回転するシートリングには、
アルミナ、ＳｉＣなどのセラミックスや、５ＵＳ４２０
Ｊ２といった金属材を用いることができる。

更に、シートリングとして、従動リングと同系の炭素ｉ
雑強化炭素焼結体を採用することもできる。ただしこの
場合には、シートリング側の炭素繊維強化炭素焼結体に
耐摩耗性の無機微小体をより多く混入してその耐摩耗性
を向上させることが好ましい。

［実施例］以下、本発明の一実施例を説明する。

この実施例のメカニカルシールを第２図に示ツー。

このメカニカルシールは、静止型式で市って、ポンプハ
ウジング２０の軸孔２ａの内側間口端部には、メカニカ
ルシール３０か嵌入されており、このメカニカルシール
３０の中央孔３ａにはポンプの回転軸４が嵌入されてい
る。

メカニカルシール３０は、ケース３１、シートリング３
２、従動リング３３、ゴムベローズ３４、ばね３５、ホ
ルダ３６を備えている。

ケース３１は、金属薄板製であって、ポンプハウジング
２０の軸孔２ａの内側開口端部に圧入されている。ケー
ス３１は、回転軸４に対して小隙を保って嵌着される輪
状底付きの二重円筒構造を有している。ケース３１の内
筒部の開口部には従動リング３３が軸方向変位可能に嵌
着されてａ５す、従動リング３３の図中、左端面はゴム
ベローズ３４の右端面に接している。ゴムベローズ３４
はケス３１の内筒部に被せられており、ゴムベローズ３
４とケース３１の外筒部との間にばね３５が収容されて
いる。ばね３５の一端はゴムベローズ３４を介してケー
ス３１の輪状底部に担持されており、ばね３５の細端は
ホルダ３６及びゴムベローズ３４を介して従動リング３
３の左端を右方に付勢するとともに、ゴムベローズ３４
と従動リング３３との界面をシールしている。

一方、回転軸４に固定されたインペラ６はポンプの液室
７内にある。インペラ６の図中左端側の径小部分に設け
られたリング状の＠６１には、ガスケット５が挿入され
、ガスケット５にはシートリング３２が固定されている
。

ここで、シートリング３２の左端面８０と従動リング３
３のも端面８１とは、ばね３５の付勢により常に密接し
ており、したがって、回転軸４が回転すると、シートリ
ング３２の左端面８０は、非回転の従動リング３３の右
端面８１上を摺動回転して、液室７からこの左端面８０
と右端面８１との間を通じて生じる液漏れを防止する。

以下、この実施例の特徴部分を説明する。

この実施例の従動リング３３は、後述する粗しい炭素ｌ
Ａｌ１雑強化炭素焼結体を用いて形成されてあり、そし
て、シートリング３２はセラミックまたは金属で形成さ
れる。

以下、この従動リング３３の製造方法を説明する。

（実施剥型１の製造方法）まず、従動リング３３の実施側型１用に次の方法で炭素
繊維強化炭素焼結体（炭素焼結体１）を製作した。

石炭系の光学的等方性ピッチから常法により紡糸して得
られた、糸径１５μｍ、糸長さが３ｍｍの不融化繊維か
らなる未炭化炭素’＜５ｉｕｔｔを準備した。この未炭
化炭素室繊維を強化材としてこの未炭化炭素室繊維１０
０手ｍ部に、中心粒径７μｍのコールタール系メソカー
ホンマイクロビーズからなる自己焼結性炭素質粉末９０
０重量部を加えた後、均一に混合し、得られた混合物を
２ｔｏｎ／ｃａｒの成形圧力で成形して複合体とした。

次に、この複合体を非酸化性雰囲気中、１５０℃／時間
の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１時間保持し
て焼成して、未炭化炭素至繊維及び自己焼結性炭素質粉
末を炭化固結させた。そして、ぎらに非酸化性雰囲気中
、５００℃／時間の速度で２８００℃まで加熱し、２０
分間保持して黒鉛化した。

このようにして得られた炭素繊維強化炭素焼結体く炭素
焼結体１）を機械加工して、従動リング３３を製造した
〈実施剥型１．５Ｔ３０ともいう）なお、この炭素繊維
強化炭素焼結体の一部を用いて、偏光顕微鏡による表面
観察、走査型電子顕微鏡によるマトリックスと強化繊維
の界面状態の観察、密度および曲げ強度を測定した。偏
光顕微鏡による観察では、マトリックスが焼結した炭素
粒子が互いに密着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモ
ザイク状に観察され、繊維はこのマトリットクス中に点
在した一様の色をもつ島状に観察された。また、気孔を
示す黒い点が所々に観察された。これら黒い点の面積は
、全体の面積を１００面積％としたとき約３面積％であ
った。走査型電子顕微鏡で観察したマトリックスと強化
繊維の界面状態は両者か一体的に結合された状態が観察
され、マトリックスと強化繊維とが剥離している状態は
観察されなかった。また、この炭素繊維強化炭素焼結体
の密度は１．７６（７／ｃｍ３、曲げ強度は９．３ｋｇ
／ｍｍ２であった。

（実施剥型２の製造方法）更に、従動リング３３の実施測量２用に次の方法で炭素
繊維強化炭素焼結体（炭素焼結体２）を製作した。

炭素焼結体２を製造するに当たり、まず、石炭系の光学
的等方性ピッチを紡糸ノズルに供給し、３４０℃に加熱
した状態で不活性ガスによる加圧下で紡糸ノズルから押
出して得られたピッチ繊維を、更に酸化性雰囲気中３５
０°Ｃで２時間保持して不融化し、繊維径１５μｍ、繊
維長さ０．５ｍｍの不融化未決化炭素質繊維３０重量％
と、自己焼結性炭素質粉末としての中心粒径７μｍのコ
ールタール系メソカーボンマイクロビーズ７０重但％と
を混合したちの９５重量％に対し、粒径４゜０μｍのア
ルミナ粉末（無機微小体）を５重量％加えて均一に混合
し、得られた混合物を２ｔｏｎ／ｄ　の成形圧力で成形
して複合体を得た。

次に、この複合体を常圧の非酸化性雰囲気中で、’１５
０℃／時間の速度で１０００℃まで昇温し、同温度で１
時間保持して焼成して、未炭化炭素貿繊維及び自己焼結
性炭素質粉末を炭化固結させた。

そして、ざらに非酸化性雰囲気中、５００’Ｃ／時間の
速度で２０００’Ｃまで加熱し、２０分間保持してさら
に焼結した。得られた炭素ｍ維強化炭素焼結体（炭素焼
結体２）を機械加工して、従動リング３３を製造した（
実施剥型２．５Ｔ３０Ｃともいう）。

なお、この炭素繊維強化炭素焼結体の一部を用いて、実
施例１と同様に、偏光顕微鏡による表面観察、走査型電
子顕微鏡によるマトリックスと強化繊維の界面状態の観
察、密度および曲げ強度を測定した。偏光顕微鏡による
観察では、マトリックスが焼結した炭素粒子が互いに密
着し個々の粒子が異なる色模様に輝くモザイク状に観察
され、繊維はこのマトリットクス中に点在した一様の色
をもつ島状に観察され、また、アルミナ粒子は白い点状
にモ１１察された。また、気孔を示す黒い点が所々に観
察された。これら黒い点の面積は、全体の面積を１００
而積％としたとき約３面積％であった。走査型電子顕微
鏡で観察したマトリックスと強化繊維の界面状態は両者
が一体的に結合された状態が観察され、マトリックスと
強化１！ｌｉｆ’［とが剥離している状態は観察されな
かった。また、この炭素繊維強化炭素焼結体の密度は１
．７６ｇ／Ｃｒｒｕ　、曲げ強度は８．５ｋｑ／ｍｍ２
であった。

これら実施剥型１．２を第３図に示す自動車用ウォータ
ーポンプに組込んで、摺動トルク、異音発生、耐摩耗性
、水漏れの各項目について試験した。ただし、異音発生
は５０Ｏｒｐｍで調べ、耐摩耗性は１９５０ｒｐｍで９
６時間運転し、異物として鋳砂１００メツシュ０．３ｗ
ｔ％の存在下で摩耗量を調べた。水漏れは、液を清水と
し液温８０℃液圧２　ｋ　（７／　ｃｒＡで７ｏｏｏｒ
ｐｍ、８時間運転して累積蒸気にじみ量（ＣＣ）を調べ
た。

更に比較測量として、カーボングラファイト製の従来の
従動リング（グラフアイト６０ｗ↑％、フェノール３３
ｗ↑％、クレー５ｗｔ％、シリコンオイル２ｗｔ％）も
試験した。シートリング３２には、アルミナ製、炭化珪
素、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）を用いた。シー
トリング３２の表面粗さは１．５μＲＺ、従動リング３
３の表面粗さは１．０μＲｚ、従動リング３３の面のた
わみは±０．５μｍとした。

その結果を第２表及び第３図に示す。

第３図から、比較測量の摩擦係数μが高くかつμｍ■特
性が仁王がりの傾向が顕著で、鳴きが発生しやすいこと
がわかる。

耐摩耗性は、第２表かられかるように、実施測量１．２
とも比較測量の１／４以下であり、また耐摩耗性が良好
であるので摩耗量を抑止しつつ水漏れを半減することが
できた。特にセラミック性のシートリングに対して耐摩
耗性が向上している。

次にこれら従動リングの摺動特性を定量化する目的で、
本発明に係る炭素焼結体１．２．３と、従来使用されて
いる合金とを摩擦摩耗試験機にかけて試験した。

なお、炭素焼結体３は、無機微小体として、粒径１．４
μｍ（日本新金属製）、粒径５．０μｍ（共立窯業（株
）製）のホウ化チタンを使用したこと以外ＩＪ、上述の
炭素焼結体２と同様の方法により作った。

摩耗試験は、機械試験新式摩擦摩耗試験機により無潤滑
下の摩擦係数及び焼付荷重、そしてＬＦＷ摩擦摩耗試験
機による油ｆ、］滑下での１５分及び６０分間の摩耗量
を測定した。これらの値を第１表に示す。

なお、機械試験新式摩擦摩耗試験機による試験は、試験
片を３Ｑｍｍ角、厚さ５ｍｍの板状とし、この試験片の
上面に外径２５．６ｍｍ、内径２０゜０ｍｍ、高さ１７
ｍｍの５ＵＪ２製の円筒状加圧体の下面を押圧し、１０
ｋｑｆの押圧力をか（プて試験片を無潤滑下で１６０回
転／分で２分回転し、焼イ」の有無を測定するものであ
る。そして焼付が生じない場合は次ぎ次ぎに１０ｋｃｈ
ｆの押圧力を追加して同じ条件で試験し、焼付が生じた
荷重を第１表測定するものである。

また、ＬＦＷ摩掠摩耗摩耗試験機る試験は、相手材とし
て外径３５ｒｒ１ｍ、内径３１ｍｍ、Ｎ方向の長さ８．
７ｍｍのリングを使用し、稍滑油としてＳＡＥ規格の５
Ｗ−３０ベースオイルを使用し、回転速度１６０回転／
分で、相手材の外周面に縦１５．７ｍｍ、横５．３ｍｍ
、高２Ｖ１０ｍｍの試験片を荷重１５ｋＣＩｆで加圧し
、１５分及び６０分１を動させ、その時の摩擦係数およ
び摩耗量を測定した。なお、相手材としては第１表に示
す合金鋼（クロムモリブデン合金鋼）、アルミニウム合
金（Ｊ　ｌ５６０６１　）　、実施例で使用した炭素繊
維強化炭素焼結体（炭素焼結体１として示す）を使用し
た。

更に、炭素焼結体２に混入する無機微小体としてのセラ
ミックの種類及び添加量を種々変更して、ＬＦＷ摩擦摩
耗試験機による試験を実施した。相手材として外径３５
ｍｍ、内径３１　ｍｍ、軸方向の長さ８．７ｍｍの５Ｕ
Ｊ２製のリングを使用し、詑滑油としてＳＡＥ規格の５
Ｗ−３０ベースオイルを使用し、回転速度１６０回転／
分で、相手材の外周面に縦１５．７ｍｍ、横５．３ｍｍ
、高さ１Ｑｍｍの試験片を荷重１５ｋｇｆで加圧し、１
５分摺動させ、その時の摩耗量を測定した。その結果を
第４図に示す。

摩耗量の点からＺｒＯ２、ＢＮは問題があるか、その他
の無機微小体を含有する炭素焼結体２と合金鋼との組合
せは優れていることがわかる。

なお、上記実施例では添加する無機微小体を一種類とし
たが、例えば摩擦係数低減に優れたものと、耐摩性に優
れたものを適切な比率で混合ずれば更によい特性が得ら
れるでおろう。

［発明の効果］以上説明したように、本発明のメカニカルシルは、従動
リングを新しい炭素繊維強化炭素焼結体を用いて製造し
ている。

この従動リングは、安定した摩擦係数をもつので鳴きが
発生しにくく、耐摩耗性に優れ、水漏れも大幅に低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる従動リングの製法を示す工程図
、第２図は実施例のメカニカルシールの構造を示す一部
断面図、第３図はこの実施例のメカニカルシールの摺動
トルクと回転数との関係を示す線図である。第４図（ａ
）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）は無機微小体の種類を代え
た場合の摩耗量を示す図である。２０・・・ポンプハウジング４・・・回転軸３０・・・メカニカルシール３２・・・シートリング３３・・・従動リング３５・・・ばね第１図特許出願人　　トヨタ自動車株式会社同　　　　大阪瓦斯株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相対摺動回転自在に密接する密封端面を各々有す
るシートリング及び従動リングと、軸方向変位可能な前
記従動リングを前記シートリング方向に付勢するばねと
を備えるメカニカルシールにおいて、前記従動リングは、炭素マトリックス中に炭素繊維があるいは炭素繊維及び
無機微小体が一体的に埋設された組織を有し、該炭素マ
トリックスは偏光顕微鏡で見て光学異方性の微粒子が均
一に密集したモザイク構造をもち、該炭素繊維と該炭素
マトリックスとの間の界面で剥離している界面の割合が
全界面に対して１０％以下であり、かつ密度が１．６５
以上である炭素繊維強化炭素焼結体を用いて構成されて
いることを特徴とするメカニカルシール。
（２）相対摺動回転自在に密接する密封端面を各々有す
るシートリング及び従動リングと、軸方向変位可能な前
記従動リングを前記シートリング方向に付勢するばねと
を備えるメカニカルシールにおいて、前記従動リングは、未炭化炭素質繊維をあるいは未炭化炭素質繊維及び無機
微小体を埋設した自己焼結性を有する炭素質粉末からな
る複合体を焼結して得られる炭素繊維強化炭素焼結体を
用いて構成されていることを特徴とするメカニカルシー
ル。