JPH08105447A - シール又は軸受 - Google Patents

シール又は軸受

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JPH08105447A
JPH08105447A JP12840895A JP12840895A JPH08105447A JP H08105447 A JPH08105447 A JP H08105447A JP 12840895 A JP12840895 A JP 12840895A JP 12840895 A JP12840895 A JP 12840895A JP H08105447 A JPH08105447 A JP H08105447A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】摩擦係数を軽減化し、しかも耐摩耗性を向上さ
せたシール及び又は軸受を提供すること。 【構成】可動部材と静止部材との組み合わせからなり、
該可動部材又は静止部材のいずれか一方が低熱膨張材料
の金属材料又は超硬合金又はセラミックスからなり、他
方がカーボンを含む材料からなるシール又は軸受におい
て、金属材料又は超硬合金又はセラミックスからなる可
動部材又は静止部材の摺動面に、チタンの真空蒸着と同
時に窒素イオンを主体とするイオンビーム照射し、該摺
動面に窒化チタン薄膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、低い摩擦係
数が要求されるシール又は軸受に関し、特にポンプ、タ
ービン、コンプレッサー等の流体機械に好適なシール又
は軸受に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来から、ポンプ、タービン、コンプレッ
サー等の流体機械用のシール又は軸受として、超硬合
金、セラミックスのいずれかを基材とする可動部材とカ
ーボンを主体とする静止部材とを組み合わせた構成のも
のが多く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】最近、これら流体機械
の小型、高速、大容量化のニーズに伴い、シール及び軸
受の使用条件は、高速、大荷重へとますます苛酷なもの
になってきている。そのためシール及び軸受用に従来か
ら使用されている超硬合金などの材料では、固体間の滑
り接触による摩擦熱の繰返しによる熱衝撃破壊や熱疲労
割れの発生等の問題点が指摘されている。
【０００４】一方、SICなどのセラミックスは摺動によ
る熱応力に対しては、超硬合金より優れているが、高速
回転体として利用した場合、耐衝撃性等の機械的性質が
劣る欠点を有している。また、金属材料の表面に、浸
炭、窒化処理などの硬化処理を施して摺動部材に用いて
いるが、これらの表面処理では、改質層自体の硬度、処
理後の基材変形などの点で、十分満足できる摺動面が得
られていない。
【０００５】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、摩擦係数を低減し、しかも耐摩耗性を向上させたシ
ール又は軸受及びその製造方法を提供することを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、可動部材と静止部材との組み合わせからな
り、該可動部材又は静止部材のいずれか一方が低熱膨張
材料からなり、他方がカーボンを含む材料からなるシー
ル又は軸受において、前記低熱膨張材料からなる可動部
材又は静止部材の摺動面に窒化チタン薄膜を形成したこ
とを特徴とする。
【０００７】また、前記カーボンを含む材料が、カーボ
ンを主体とする材料またはカーボンを含浸する材料から
なることを特徴とする。
【０００８】さらに、前記カーボンを含む材料が、カー
ボン系複合材料、炭素鋼、鋳鉄、炭化物、カーボン系コ
ーティング材料のいずれかであることを特徴とする。
【０００８】また、前記窒化チタン薄膜を低熱膨張材料
からなる可動部材又は静止部材の摺動面に、チタンの真
空蒸着と同時に窒素イオンを主体とするイオンビーム照
射することにより形成したことを特徴とする。
【００１０】また、前記窒素イオンビームの投与エネル
ギーを0．1Ｗ/ｃｍ2乃至６Ｗ/ｃｍ2の範囲内としたこと
を特徴とする。
【００１１】前記低熱膨張材料の熱膨張係数は、１０×
１０−6／°Ｃ以下であることが望ましい。低熱膨張材
料としては、耐熱インバー合金、超硬合金、ステンレス
鋼またはセラミックスなどがある。
【００１２】前記窒化チタン薄膜のビッカース硬さは２
５００以上、前記窒化チタン薄膜と低熱膨張材料との密
着力が２．８ＧＰａ以上であることが望ましい。
【００１３】また、前記窒化チタン薄膜の膜厚が２μｍ
以上、前記窒化チタン薄膜の摺動面の表面粗さが０．５
μｍ以下であることが望ましい。
【００１４】
【作用】上記のようにシール又は軸受の可動部材又は静
止部材の摺動面に、チタンの真空蒸着と同時に窒素イオ
ンを主体とするイオンビームを照射し、該摺動面に窒化
チタン薄膜を形成すると、該窒化チタン薄膜はカーボン
を主体とする静止部材又は可動部材の摺動部材に対し
て、後に詳述するように小さい摩擦係数及び良好な耐摩
耗性を有するから、摩擦係数及び摩耗量の小さい優れた
摩擦特性のシール又は軸受を提供できる。この際、窒化
チタン薄膜を形成する可動部材又は静止部材に低熱膨張
材料を使用すると、加工時および使用時における変形量
が小さいためシールの漏れ量および軸受の摩耗量を小さ
くすることができる。
【００１５】とくに、窒化チタン薄膜を形成した可動部
材又は静止部材を鋳鉄からなる静止部材又は可動部材と
組み合わせると、該窒化チタン薄膜は鋳鉄からなる摺動
部材に対して、後述するように大きな限界面圧を発揮す
ることができるから、耐摩耗性、耐かじり性に優れ、か
つ良好な摩擦摩耗特性を有するシールまたは軸受を提供
することができる。
【００１６】さらに、上記窒素イオンビームの投与エネ
ルギーを０．１Ｗ/ｃｍ2乃至６Ｗ/ｃｍ2の範囲内にする
ことにより、可動部材又は静止部材の摺動面に膜自体の
ビッカース硬さが2500以上、更に膜と基材材料との密着
力がスクラッチ試験によるせん断応力2.8GPa以上と硬
さ、密着力共に優れた窒化チタン薄膜を形成できる。膜
のビッカース硬さが2500以上であるか或いは膜と基材材
料との密着力が2.8Gpa以上であると、相手材の比摩耗量
が著しく小さい。
【００１７】また、窒化チタン薄膜の膜厚が２μｍ以上
であると、当該窒化チタン薄膜および相手側摺動部材の
比摩耗量を著しく小さくすることができる。さらに、窒
化チタン薄膜の最大表面粗さが０．５μｍ以下である
と、相手側摺動部材の比摩耗量を著しく小さくすること
ができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明のシール又は軸受において、可動部
材の摺動面に窒化チタン薄膜を形成するための概念図で
ある。窒化チタン薄膜を形成する基材2は、回転軸5の先
端に固定され水冷された銅製ホルダ1に固定して配置さ
れる。この基材2に対向して蒸発源3及びイオン源4が配
置され、蒸発源3からのチタン蒸気7を基材2に向けて発
し、イオン源4から窒素イオンを主体とするイオンビー
ム6を基材2に向けて照射することにより、窒化チタン薄
膜が形成される。この窒化チタン薄膜の形成方法をダイ
ナミックミキシング法という。
【００１９】窒素イオンを主体とするイオンビームの加
速電圧と電流密度をそれぞれ横軸と縦軸にとつて、前記
イオンビームの投与エネルギー０．１Ｗ/ｃｍ2と６Ｗ/
ｃｍ2の関係を描くと、図2に示すようになる。前記イオ
ンビームの投与エネルギ―が６Ｗ／ｃｍ2以上では、基
材2に及ぼす熱的影響(基材2の材料自体の変質・基材の変
形等)が著しくなるので好ましくない。また、前記イオ
ンビームの投与エネルギーが０．１Ｗ/ｃｍ2以下では、
窒化チタン薄膜の硬度、密着力が乏しくなるので、やは
り好ましくない。従って、前記イオンビームの投与エネ
ルギーを０．１Ｗ/ｃｍ2乃至６Ｗ/ｃｍ2の範囲内にする
ことが望ましく、こうすることによって膜自体のビッカ
ース硬さを2500以上、膜と基材2との密着力を2.8GPa以
上(スクラッチ試験による剪断応力)にすることができ
る。
【００２０】なお、膜と基材との密着力は、ロックウェ
ルＣのダイヤモンドコーン（半径０．２ｍｍ、コーン角
度１２０°）に荷重をかけて移動し、窒化チタン薄膜が
基材からはがされたときの臨界荷重Ｌを求めるスクラッ
チ試験にて求めることができる。具体的には、図3に示
すよう、Benjamin & Weaverによるせん断応力の仮説を
用いて求めることができる。該方法は、ダイヤモンドコ
ーンが膜にめり込んだ部分の膜と基材との界面にせん断
応力が働いて、そこから膜がはがれるとする考えによ
る。密着力（＝臨界せん断応力）Ｆは次式によってもと
められる。 Ｈ＝Ｌ／πＡ2 Ｆ＝Ｈ×Ａ／（Ｒ2−Ａ2）1/2 ここで、Ｌは剥離に必要な臨界荷重、Ａはスクラッチ痕
の溝幅、Ｒはダイヤモンドコーンの半径、Ｈは基材のブ
リネルかたさである。
【００２１】以下、具体的事例について説明する。基材
2の材料としてステンレス鋼(SUS420J2)を用い、該ステ
ンレス鋼を所定のリング形状に加工した後、焼入(1050
℃、1時問保持後油冷)、焼戻(650℃、2時間保持後炉冷)
した後、膜を形成する面を表面粗さがRmax=0.１μm以内
となるまでラッピング仕上げした。なお、基材2の相手
側、即ちシール又は軸受の静止部材となるものとして、
市販の樹脂含浸硬質カーボンを用い、その摺動面をラツ
ピング仕上げしたものを用いる。
【００２２】前記基材2のラッピング仕上げした表面に
窒素イオンビームを45°の入射角度で3分間照射(加速電
圧:10kV、電流密度:O.2mA/cm2)することによって、該表
面をスパッタークリーニングした。その後、チタンの蒸
着速度がO.5―5.0nm/sとなるようにチタンを蒸発させる
と共に、前記表面に45°の入射角度で窒素イオンビーム
(加速電圧:１５ｋV、電流密度：0．2mA/ｃｍ2)を照射
し、膜厚が3μmになるまで窒化チタン膜を形成した。
【００２３】図4は上記基材2の硬質カーボンに対する摩
擦摩耗試験を行なう試験機の概略構成を示す図である。
上記表面に窒化チタン薄膜8を形成した基材2は回転軸9
の先端に固定され、該回転軸9を中心に回転する。基材2
の窒化チタン薄膜8の面に対向して、硬質カーボンから
なる静止リング10を配置している。ここで基材2は円形
状で、その直径が50mm、静止リング10はりング状で外径
が60mm、内径が40mmである。
【００２４】上記構成の摩擦摩耗試験機を用いた試験は
室温、空気中で行ない、基材2の窒化チタン膜面に加わ
る面圧を0.5MPa、周速を2.4m/S及び走行距離を5000mと
し、この条件の下に摩擦係数、摩耗量を調べた結果を図
5及び図6に示す。図5及び図6において、実施例は基材2
にステンレス鋼(SUS42OJ2)を用いその表面に窒化チタン
薄膜をダイナミックミキシング法で形成したものであ
り、比較例1は基材2に超硬合金を用いたものであり、比
較例2は基材2にSICを用いたものである。
【００２５】図5及び図6から明らかなように、本発明の
ものは摩擦係数、比摩耗量共に従来例(比較例1、比較例
2)に比べて低減しており、従来例より優れた摩擦特性を
有するシール又は軸受を実現できる。
【００２６】図7よび図8は、さらに窒化チタン薄膜の膜
厚を変えた場合の、膜厚と相手側摺動部材であるカーボ
ンの比摩耗量との関係、および膜厚と当該窒化チタン薄
膜の比摩耗量との関係をそれぞれ測定したものである。
該測定結果より明らかなように、窒化チタン薄膜の膜厚
が２μｍ以上であると、相手側摺動部材および当該窒化
チタン薄膜の比摩耗量を著しく小さくすることができる
ことがわかる。
【００２７】また、図9は、窒化チタン薄膜の最大表面
粗さとカーボンの比摩耗量との関係を求めたものであ
る。これから、窒化チタン薄膜の表面粗さが０．５μｍ
以下であると、相手側摺動部材の比摩耗量を著しく小さ
くすることができることがわかる。
【００２８】さらに、図10は、 窒化チタン薄膜のビッカ
ース硬さと相手側摺動部材であるカーボンの比摩耗量と
の関係を求めたものである。 これから、窒化チタン薄膜のビッカース硬さが2500以上
であると、カーボンの比摩耗量を著しく小さくすること
ができることがわかる。
【００２９】表1.は、窒化チタン薄膜の密着力とカーボ
ンの比摩耗量との関係を求めたものである。
【表１】 表 1. 面圧: 0.5 Mpa 周速: 2.4m/s スクラッチ試験 摩擦摩耗試験 臨界荷重(N) 密着力(GPa) カーボンの比摩耗量(mm3/kg.m) 本発明 96 2.84 0.2 × 10-5 比較例 47 1.35 1.1 × 10-5 なお、本発明の実例はダイナミックミキシング法により
窒化チタン薄膜を形成したものであり、比較例はイオン
プレーティング法により窒化チタン薄膜を形成したもの
であ。 これから明らかなように、ダイナミックミキシング法に
よる窒化チタン薄膜ではイオンプレーティング法による
密着力の2倍以上の密着力が得られ、また密着力が2.8Gpa
以上である場合には、カーボンの比摩耗量が著しく小さ
いことがわかる。
【００３０】次に、本発明を遠心圧縮機用メイティング
リングヘ適用した具体的事例を説明する。図11は遠心圧
縮機の非接触端面シールの構成例を示す図である。同図
において、シールハウジング21に収容された回転軸22に
は軸スリーブ23が設けられている。そして、軸スリーブ
23はキー24、24を介して回転環25、25(メイティングリ
ング)を保持している。各回転環25に対向して固定環26
を設けている。回転環25の基材にはステンレス鋼(SUS42
OJ2)を用い、その摺動面に上記と同様、窒化チタン薄膜
をダイナミックミキシング法で形成する。また、図示は
省略するが、回転環25の摺動面には高圧側Ｈから低圧側
Ｌに向けてスパイラル溝が形成されている。
【００３１】各固定環26はピン27を介してシールリング
リテーナ28に接続されており、該シールリングリテーナ
28とシールハウジング21との間にはスプリング29を介装
している。そしてスプリング29及びシールリングリテー
ナ28を介して各固定環26は回転環25に押し付けられてい
る。なお、30はロックプレート、31はシエアリングキー
である。
【００３２】上記構成の非接触端面シールにおいて、回
転軸22が回転することにより、回転環25と固定環26とが
相対運動し、これにより、回転環25に形成したスパイラル
溝が高圧側Ｈの流体を巻き込んで、密封面に流体膜を形
成する。この流体膜により密封面は非接触状態となり、
回転環25と固定環26との間の密封面間にわずかな隙間が
形成される。
【００３３】上記回転環25(メイティングリング)の摺動
面に窒化チタン薄膜を形成し、カーボン製の固定環26
(静止リング)と組み合わせ、摺動回転したときの起動ト
ルクの測定結果を図12に示す。同図において、曲線Aは
本発明の実施例を曲線Cはメイティングリングに超硬合
金を用いた比較例を示し、共に密封差圧が3MPaの場合を
示す。また、曲線Bは本発明の実施例を曲線Dはメイティ
ングリングに超硬合金を用いた比較例を示し、共に密封
差圧が2MPaの場合を示す。
【００３４】図12から明らかなように、多数回の起動繰
返しに対して、本発明の実施例(曲線A、B)では回転リン
グの起動トルクが、比較例(曲線C、D)と比べて小さく、
優れた摺動特性を有する。
【００３５】図13および図14は、上記回転環２５の基板
に用いられる各種材料の熱膨張係数と基板変形量および
漏れ量との関係を示すデータである。ただし、図13の基
板変形量は、各種材料から形成された基板が図15に示す
寸法を有し、この基板上に図16に示す形状のスパイラル
溝（深さ５±１μｍ）を有し(図中黒い部分が溝)、この
基板の表裏に摺動過熱による温度差が１０°Ｃある場合
の変形量を熱解析プログラムによる数値計算から求めた
結果である。
【００３６】また、図14の漏れ量は、実際に図15の寸法
および図16のスパイラル溝を有する基板を形成し、これ
に窒化チタン薄膜をダイナミックミキシング法により膜
厚が３μｍになるまで形成し、これを硬質カーボンから
なる固定リング（静止リング）とともに図11の遠心圧縮
機に組み込み、密封差厚を３ＭＰａ、回転速度を１２０
００ｒｐｍとしたときの高圧側から低圧側への流体の漏
れ量を測定したものである。
【００３７】窒化チタン薄膜は上述と同様の条件で形成
される。すなわち、基板材料を所定のリング形状に加工
した後（図15）、焼き入れ（１０５０°Ｃ、1時間保持
後油冷）、焼戻し（６５０°Ｃ、２時間保持後炉冷）し
た後、膜を形成する面を表面粗さがＲｍａｘ＝０．１μ
ｍ以内及び変形量 t=0.5μm 以内となるまでラッピング
仕上げした。静止部材として、市販の樹脂含浸硬質カー
ボンを用い、その摺動面をラッピング仕上げしたものを
用いる。前記基板のラッピング仕上げした表面に窒素イ
オンビームを４５°の入射角度で３分間照射（加速電
圧：１０ｋＶ、電流密度：０．２ｍＡ／ｃｍ2）するこ
とによって、該表面をスパッタークリーニングした。そ
の後、チタンの蒸着速度が０．５〜５．０ｎｍ／ｓとな
るようにチタンを蒸発させるとともに、前記表面に４５
°の入射角度で窒素イオンビーム（加速電圧：１５ｋ
Ｖ、電流密度：０．２／ｃｍ2）を照射し、膜厚が３μ
ｍになるまで窒化チタン薄膜を形成した。
【００３８】図13および図14より明らかなように、基板
材料として超硬合金、耐熱インバー合金、SUS420J2等の
低熱膨張材料を用いたとき、変形量および漏れ量ともに
小さく、優れたシール効果および耐摩耗性が得られるこ
とがわかる。なお、低熱膨張材料としては、これらの材料
に限らず熱膨張係数が１０×１０−6／°Ｃ以下のもの
であれば、チタン合金等他の材料であってもよい。
【００３９】図17はシールまたは軸受に用いられる各種
硬質材料と鋳鉄(ＦＣ３０相当)との組み合わせにおける
摩擦摩耗試験の結果を示すグラフである。上記回転環の
材質として、SUS420J2の表面にダイナミックミキシング
法で窒化チタン薄膜を被覆したものを用いた。SUS420J2
は６５０°Cで焼戻しをおこなった後、所定のリング形状
に加工し、摺動面を表面粗さＲｍａｘ＝０．０５μｍ以
内となるまでラッピング仕上げした。相手材としての固
定環は、鋳鉄を用い、摺動面をラッピング仕上（Ｒｍａ
ｘ＝１μｍ程度）げした。ダイナミックミキシング法に
より回転環の摺動面に窒化チタン薄膜が３μｍになるま
で成膜した。成膜条件は上記と同様にし、Ｈｖ３５００
となるようにした。
【００４０】摩擦摩耗試験は、リング形状の試験片同し
を一定のすべり速度、押し付け面圧のもとで互いに摺動
することによって行った。摩擦摩耗試験の概略図と試験
条件をそれぞれ図18、表2に示す。押し付け面圧を０．
６Ｍｐａから開始し、０．３Ｍｐａずつ段階的に最大
５．５Ｍｐａまで増加させ、トルクが急激に立ち上がる
か、あるいは変動が激しくなるところを限界面圧とし
た。摺動試験後、摺動面の損傷状況を光学顕微鏡、触針
式表面粗さ計で観察、測定した。
【００４１】
【表２】 表 2． 面圧 ： ０．６〜５．５ＭＰａ （実機の推定平均面圧：０．６ＭＰａ） 周速 ： １．２ｍ／ｓ 起動、停止の回数 ： １０回 （運転時間：５ｓ、停止時間：２０ｓ） 試験油 ： ＤＨＰ５Ｅ（高精度製鉱油系） 試験温度 ： １９５±５°Ｃ
【００４２】図17は窒化チタン薄膜被覆材と鋳鉄との組
み合わせにおける限界面圧を他の硬化処理材の場合と比
べて示す。窒化鋼ＳＡＣＭ６４５およびイオン窒化処理
したSUS420J2の限界面圧は、それぞれ１．２，０．９Ｍ
Ｐａしかない。一方、ダイナミックミキシング法で形成
した窒化チタン薄膜は限界面圧が５．５Ｍｐａ以上と大
幅に向上する。また、摩擦摩耗試験後の摺動面の損傷状
況を観察した結果、ダイナミックミキシング法で形成し
た窒化チタン薄膜の摺動面は摩耗損傷を受けた形跡が認
められず、相手材の鋳鉄の損傷も極軽微なものであっ
た。一方、イオン窒化処理したSUS420Ｊ2の場合、凝着摩
耗の損傷形態を呈し、相手材の鋳鉄は著しく損傷してい
た。
【００４３】これらの結果から、ダイナミックミキシン
グ法による窒化チタン薄膜は、従来の材料と比較して、耐
摩耗性、耐かじり性に優れ、良好な摩擦摩耗特性を示すこ
とがわかる。
【００４４】図19は本発明をマグネットポンプのスラス
ト軸受に適用した構成を示す図である。図において、40
は隔壁板であり、該隔壁板40にはスラスト軸受を構成す
る静止部材41を固定し、該静止部材41に対向して羽根車
44に固定されたスラスト軸受を構成する可動部材42を設
けている。また、隔壁板40を介在させてマグネットカッ
プリング43に固定された永久磁石46と羽根車44に固定さ
れた永久磁石45が対向している。マグネットカップリン
グ43を回転させることにより、該回転力は永久磁石46と
永久磁石45の問に作用する磁気吸引力又は磁気反発力で
羽根車44に伝達され、羽根車44はスラスト方向をスラス
ト軸受に支持されて回転する。
【００４５】上記スラスト軸受を構成する可動部材42の
摺動面に上記窒化チタン薄膜をダイナミックミキシング
法で形成する。そして静止部材41をカーボンを主体とす
る材料で構成する。スラスト軸受をこのように構成する
ことにより、摩擦係数及びカーボンの比摩耗量が小さい
優れた摩擦特性のスラスト軸受が構成できる。また、図
示は省略するが、ラジアル軸受の可動部材の摺動面に窒
化チタン薄膜を形成し、静止部材をカーボンを主体とす
る材料で構成することにより、同様な特徴を有するラジ
アル軸受が構成できる。
【００４６】なお、上記実施例では、基材に金属材料を
用いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、超
硬合金、セラミックスを用いた場合でも全く同様な効果
を奏することを確認している。
【００４７】また、上記例では軸受の可動部材を金属材
料又は超硬合金又はセラミックで構成し、その摺動面に
窒化チタン薄膜を形成する例を示したが、反対に静止部
材を金属材料又は超硬合金又はセラミックで構成し、そ
の摺動面に窒化チタン薄膜を形成し、可動部材をカーボ
ンを主体する材料で構成してもよい。
【００４８】また、上記例では窒化チタン薄膜を形成し
た摺動部材と組み合わせる相手側の部材の材料として、
樹脂含浸硬質カーボンまたは硬質カーボンを用いたが、
相手側の材料材料としてはこれに限定されるものではな
く、カーボンを主体とする材料またはカーボンを含浸さ
せた材料をも含んで、広くカーボンを含む材料を使用す
ることができる。カーボンを含む材料としては、例えば、
カーボン系複合材料(カーボン繊維強化型複合材料、カー
ボン複合材料等)、炭素鋼、鋳鉄、炭化物(SiC、Cr3C4、TiC
等)、カーボン系コーティング材料(DLC〔ダイヤモンドラ
イクカーボン〕膜、TiC膜)などを含む。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記のような優れた効果が得られる。 (l)低熱膨張材料からなる可動部材又は静止部材の摺動
面に窒化チタン薄膜を形成し、これをカーボンをを含む
材料からなる静止部材又は可動部材と組み合わせること
により、変形量、漏れ量が少なく、優れたシール性を有
し、かつ低い摩擦係数と優れた耐摩耗性を有するシール
又は軸受を提供できる。
【００５０】（2) とくに、窒化チタン薄膜を形成した可
動部材又は静止部材と、鋳鉄からなる静止部材又は可動
部材と組み合わせることにより、耐摩耗性、耐かじり性
に優れ、良好な摩擦摩耗特性を有するシールまたは軸受
を提供できる。
【００５１】(3)さらに、窒素イオンビームの投与エネ
ルギーを0.1ｗ/ｃｍ2乃至６Ｗ/ｃｍ2の範囲内にするこ
とにより、可動部材の摺動面に膜自体のビッカース硬さ
が2500以上、更に膜と基材材料との密着力がスクラッチ
試験による剪断応力2．8GPa以上と硬さ、密着力共に優
れた窒化チタン薄膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシール又は軸受の可動部材の摺動面に
窒化チタン薄膜を形成するための概念図である。
【図２】窒素を主体とするイオンビームの加速電圧とそ
の電流密度との関係を示す図である。
【図３】密着力をもとめるためのBenjamin & Weaverの
モデル概念図を示す。
【図４】基材表面に形成した窒化チタン薄膜の硬質カー
ボンに対する摩擦摩耗試験を行なう試験機の概略構成を
示す図である。
【図５】各種回転リングと硬質カーボンの静止リングと
の組み合わせにおける摩擦係数の比較結果を示す図であ
る。
【図６】各種回転リングと硬質カーボンの静止リングと
の組み合わせにおける硬質カーボンの比摩耗量の比較結
果を示す図である。
【図７】窒化チタン薄膜の膜厚とカーボンの比摩耗量と
の関係を示す図である。
【図８】窒化チタン薄膜の膜厚と当該窒化チタン薄膜の
比摩耗量との関係を示す図である。
【図９】窒化チタン薄膜の表面粗さとカーボンの比摩耗
量との関係を示す図である。
【図１０】窒化チタン薄膜のビッカース硬さとカーボン
の比摩耗量との関係を示す図である。
【図１１】本発明を適用する遠心圧縮機の非接触端面シ
ールの構成例を示す図である。
【図１２】各種回転リングと硬質カーボンの静止リング
との組み合わせにおける起動回転数と起動トルクの測定
結果を示す図である。
【図１３】各種回転リングの熱膨張係数と変形量との関
係を示す図である。
【図１４】各種回転リングの熱膨張係数と漏れ量との関
係を示す図である。
【図１５】変形量、漏れ量を求めるための回転リングの
寸法を示す図である。
【図１６】回転リングの摺動面に形成されるスパイラル
溝の形状を示す図である。
【図１７】各種硬質材料と鋳鉄との組み合わせにおける
摩擦摩耗試験の結果を示す図である。
【図１８】摩擦摩耗試験に使用される装置構成の概略を
示す図である。
【図１９】本発明を適用するマグネットポンプのスラス
ト軸受けの構成例を示す図である。
【符号の説明】
1 銅製ホルダ 2 基材 3 蒸発源 4 イオン源 5 回転軸 6 窒素イオンビーム 7 チタン蒸気 8 窒化チタン薄膜 10 静止リング 21 シールハウジング 22 回転軸 23 軸スリーブ 24 キー 25 回転環(メイティングリング) 26 固定環 27 ピン 28 シールリングリテーナ 29 スプリング 30 ロックプレート 31 シェアリングキー 40 隔壁板 41 スラスト軸受の静止部材 42 スラスト軸受の可動部材 43 マグネットカップリング 44 羽根車 45 永久磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木内 正人 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 長坂 浩志 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 木村 芳一 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 土屋 直樹 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可動部材と静止部材との組み合わせか
    らなり、該可動部材又は静止部材のいずれか一方が低熱
    膨張材料からなり、他方がカーボンを含む材料からなる
    シール又は軸受において、前記低熱膨張材料からなる可
    動部材又は静止部材の摺動面に窒化チタン薄膜を形成し
    たことを特徴とするシール又は軸受。
  2. 【請求項２】 前記カーボンを含む材料が、カーボン
    を主体とする材料またはカーボンを含浸する材料からな
    ることを特徴とする請求項１に記載のシールまたは軸
    受。
  3. 【請求項３】 前記カーボンを含む材料が、カーボン
    系複合材料、炭素鋼、鋳鉄、炭化物、カーボン系コーテ
    ィング材料、高分子材料のいずれかであることを特徴と
    する請求項１のシールまたは軸受。
  4. 【請求項４】 前記窒化チタン薄膜を低熱膨張材料か
    らなる可動部材又は静止部材の摺動面に、チタンの真空
    蒸着と同時に窒素イオンを主体とするイオンビーム照射
    することにより形成したことを特徴とする請求項１乃至
    ３のいずれかによるシール又は軸受。
  5. 【請求項５】 前記窒素イオンビームの投与エネルギ
    ーを0．1Ｗ/ｃｍ2乃至６Ｗ/ｃｍ2の範囲内としたことを
    特徴とする請求項４に記載のシール又は軸受。
  6. 【請求項６】 前記低熱膨張材料の熱膨張係数が、１
    ０×１０−6／°Ｃ以下であることを特徴とする請求項
    １乃至３のいずれかによるシールまたは軸受。
  7. 【請求項７】 前記低熱膨張材料は、耐熱インバー合
    金、超硬合金、ステンレス鋼またはセラミックスからな
    ることを特徴とする請求項６によるシールまたは軸受。
  8. 【請求項８】 前記窒化チタン薄膜のビッカース硬さ
    が２５００以上であることを特徴とする請求項１乃至７
    のいずれかによるシールまたは軸受。
  9. 【請求項９】 前記窒化チタン薄膜の膜厚が２μｍ以
    上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに
    よるシールまたは軸受。
  10. 【請求項１０】 前記窒化チタン薄膜と低熱膨張材料と
    の密着力が２．８ＧＰａ以上であることを特徴とする請
    求項１乃至９のいずれかによるシールまたは軸受。
  11. 【請求項１１】 前記窒化チタン薄膜の摺動面の最大表
    面粗さが０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項
    １乃至１０のいずれかによるシールまたは軸受。
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