JPS5943676B2

JPS5943676B2 - 超硬メカニカルシ−ルおよびその製造方法

Info

Publication number: JPS5943676B2
Application number: JP1521678A
Authority: JP
Inventors: 高義杉山; 博之仮屋; 農士黒石
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1984-10-23
Also published as: JPS54108164A

Description

【発明の詳細な説明】一般に液体ポンプ等の高速回転軸のシールにはメカニカ
ルシールが用いられる。

メカニカルシールはカーボン、合成樹脂、セラミックや
超硬焼結合金がその摺動部材として使用されるが、カー
ボンや合成樹脂は耐摩耗性、耐熱性に乏しい欠点があり
、セラミックは機械的或は熱的衝撃に弱い欠点がある為
厳しいシール条件が要求される場合には超硬焼結合金が
用いられる。

しかしながら従来の製法による超硬メカニカルシールは
耐摩耗性に富む反面性能上及び製造上神様の潜在的問題
を残している。

即ち従来の超硬メカニカルシールは超硬焼結合金単体（
ソリッド）のものもあるがこれは極めて高価である。

その為一般にはステンレス鋼等の鉄鋼材料の合金に超硬
焼結合金の摺動部材を銀ろうづけして一体化する方法が
とられている。

第１図はそのモデルで、台金１に摺動部材２を銀ろう３
でろうづけし摺動面４を形成し１こものである。

ところで、この銀ろうづけ超硬メカニカルシールには以
下に述べる問題点がある。

何）メカニカルシールはその用途上摺動摩擦熱および
流体の温度によって摺動面の発熱、温度上昇を伴い、場
合によってはその温度は３００〜４００℃にも達する。

その際、従来法によって得られるステンレス鋼と超硬焼
結合金の接合体はステンレス鋼、超硬焼結合金の夫々の
熱膨張係数が、ステンレス鋼 α、＝（１２〜１６）ＸＩＯ−６／’Ｃ
超硬焼結合金 α、−（５〜６）Ｘ１０＝／℃と異なる
為、温度変化に伴い、熱歪を生じ、その結果摺動面の有
効接触面積が減じ、シール性能が低下し、ひいては焼付
を生じる。

第２図は熱歪を生じ局部接触となつ１こ場合のモデル図
である。

（ロ）ま１こ、ステンレス鋼と超硬焼結合金の銀ろうづ
けは、通常６５０〜７５０℃の温度で、中間媒体である
銀ろうを溶解せしめ接合される。

しかるに銀ろうは上記温度で溶解する低融点合金である
１こめ、メカニカルシールの温度上昇が進むに従い、そ
の接合強度が低下する欠点がある。

即ち銀ろうづけ強度は一般的に常温では１５〜２０ｋｇ
／ＣＩ？Ｌであるが、３００〜４０００Ｃでは１０〜２
０％、５００℃では５０〜６０％の強度低下をきたしメ
カニカルシール使用中に超硬焼結合金部がはずれる原因
となる。

（ハ）銀ろうづけ作業は、熱源（例えば高周波加熱、抵
抗加熱）の温度調節、ろうづけ準備（例えばろう材や溶
剤塗布）、ろうづけ中のガス抜き、湯流れ状態の監視、
加圧の時期、捕ろう作業等作業者の判断や熟練に頼る要
素が多く、その為、機械化する事は比較的離の）しい。

（へ）ステンレス鋼と超硬焼結合金とは、前述の様に熱
膨張係数が大きく異なる。

従ってこれらを銀ろうづけする際、冷却の過程で内部応
力を生じ、脆性材料である超硬焼結合金は剪断亀裂や曲
げ亀裂を生じ易い。

又接合された複合体に反りを生じる。

その為に高価な材料である超硬焼結合金を厚み寸法にお
いて大きく設定せねばならず、価格低下の障害となる。

本発明は以上の問題を解決した超硬メカニカルシールお
よびその製造方法を供せんとするものである。

この目的を達するために本発明は、超硬焼結合金よりな
る摺動部材と、該超硬焼結合金と熱膨張係数を略等しく
する鉄系焼結合金よりなる合金とを、相対向面間に形成
した相互拡散相により接合し１ここと、および超硬焼結
合金よりなる摺動部材と、該超硬焼結合金と熱膨張係数
を略等しくする鉄系焼結合金よりなる合金とを、真空、
不活性、ま１こは還元性雰囲気中において、１２００〜
１３５０℃に加熱した状態で両者を１００ｋｇ／Ｃｒ？
Ｌ以上の加圧力で圧接して１０〜６０秒保持しアプセッ
ト量を０．１〜ＬＯｍｍに制御し、両者の圧接面に相互
拡散相を生成せしめ、相互拡散相により摺動部材と合金
とる接合せしめるようにしたこきにある。

以下にその内容と本方法によって得られた超硬メカニカ
ルシールの特性を述べる。

まず合金の材質として要求される特性は、げ）熱膨張係
数が超硬焼結合金と等しい事。

即ちα、＝（５〜６）×１Ｏ−６１０Ｃ（ロ）超硬焼結合金との接合性が良い事、（ハ）耐蝕性
がある事、（イ）必要な機械強度が維持できる事、（ホ）比較的安価に製造できる事、であり、種々検討の結果Ｆｅ−Ｎｉ系の焼結合金が最も
適している事を見出し１こ。

Ｎｉを３５％前後含有する溶解法による鉄合金は低熱膨
張係数を有するアンバー形合金として周知のものである
が、これは被削性が極めて悪く、メカニカルシールの合
金の如き比較的加工度の高い複雑形状の部品には製造費
が高価になりすぎる問題があり、又熱膨張係数を任意に
調整する事は困難である。

そこで、粉末冶金的手法を用いて、これらの複雑形状が
切削加工なしに、しかも熱膨張係数を超硬焼結合金と等
しくし、且つ接合性が良い事を見出したものが本発明で
ある。

以下にその試作例を示す。

試作例１カーボニルニッケル粉４０重量％、残りアトマイズ鉄粉
からなる混合粉末を圧力６ｔ／Ｃｒ？Ｌでプレス成形し
、アンモニア分解ガス雰囲気下において温度１２５０℃
、時間２０分で焼結し１こ。

これによって得られた焼結体の特性を表１に示す。

試作例 ■ Ｆｅ−３５重量％Ｎｉのアトマズ粉末を圧力６ｔ／ｄで
プレス成形し、アンモニア分解ガス雰囲気下において温
度１２５０℃、時間２０分で焼結した。

これによって得られ１こ焼結体の特性を表２に示す。

以上の如く、Ｎｉ２５〜５０重量％、残り主として鉄（
必要に応じてＣｏ、Ｃｕの添加も可）の組成より成る混
合粉末或はその合金粉末を所定の形状にプレス成形し、
次いて還元性雰囲気中１１００〜１３０００Ｇの湿度で
焼結する事によって熱膨張係数が超硬焼結合金と等しく
且つメカニカルシールの合金として必要な機械特性を有
する材料を比較的安価に得る事が出来る。

上記した方法によって超硬焼結合金と熱膨張係数が等し
い鉄系焼結合金を得ることができるが、次にこれと超硬
焼結合金との接合力法を述べる。

従来の銀ろうづけ法によるメカニカルシールの性能およ
び製造上の問題を前に述べたが、それらを解決する１こ
めに銀ろうのような中間媒体を介せずに合金と超硬焼結
合金とを相互拡散相により直−接する方法を試み、以下
の接合方法を確立し１こ。

鉄系焼結合金の焼結体と超硬焼結合金の焼結体を真空、
不活性或は還元性雰囲気下において、温度１２００〜１
３５０℃に加熱し、これに１００〜３００ｋｇ／ｃＩ？
Ｌの圧力で加圧、圧接し、１０〜６０秒これを保持する
。

この際、接合アップセット量を０．１〜１．Ｑｍｉに調
整するためにカーボン製又はアルミナ製等の耐熱材より
成る治具を用い、接合寸法を調整する。

その結果鉄系焼結合金中のＦｅ、Ｎｉ（或は場合によっ
ては添加物であるＣｏ。

Ｃｕ）と超硬焼結合金のＣｏ、Ｗ、Ｃとの相互の組成物
の拡散が進行し、その境界層付近に相互拡散相が生成さ
れ、メカニカルシールの実用性能を満１こす接合体が得
られる。

第３図はアップセット量が予定量となるようにする１こ
めの治具を示し１こもので、台金１と摺動部材２とを重
ねて収用しうるようにし１こ下側治具５ａと、下側治具
５ａ内に挿入し１こ台金１と摺動部材２の上に内面が接
触し、周面が下側治具５ａとの間にアップセット量６だ
けの隙間を生ずるように形成し１こ上側治具５ｂとから
なる。

上下治具５ａ、５ｂ間に矢印で示すよう加圧力Ｐを加
え、上下治具５ａ、５ｂの周縁に生じ１こ隙間がなく
なるように圧縮するものである。

以下にその実施例を説明する。

実施例Ｉ接合結果（イ）繰返し回数２０回で接合不良なし。

（ロ）超硬焼結合金は０．６龍と極めて薄いに拘らず亀
裂発生皆無。

（ハ）接合強度−２４〜３６ｋｇ／ｍ４（−Ａ接合
後、熱衝撃テスト、即ち３００℃の状態で水中に投入し
１こが、割損は発生せず、又接合はずれなし。

実施例 ■ 接合結果（イ）繰返し回数２０回で接合不良なし。

（ロ）接合強度＝２０〜２４ｋｇ／ｍｒｉ尚、実施例
１の接合条件によって接合され１こ鉄系焼結合金と超硬
焼結合金の接合部の金属組織を第４図に示す。

図中１は鉄系焼結合金からなる合金の、２は超硬焼結合
金からなる摺動部材の。

１２はその間に生成した相互拡散相の各部であって４０
０倍に拡大し１こものである。

本発明超硬メカニカルシールによれば、次の如き利点か
えられる。

（イ）台金と摺動部材の熱膨張係数が等しい為、メカニ
カルシールとして使用上湯度上昇が生じても熱歪や焼付
を生じない。

（０）接合温度が極めて高温であるが故に、メカニカル
シールとして使用上温度が３００〜４００℃或はそれ以
上となっても銀ろうづけにみられる強度低下は生じない
。

云いかえれば高温強度が高い。

又、常温強度は銀ろうづけよりも高く実用性能上充分で
ある。

（／→ 銀ろうのような中間媒体を介せず、境界腐蝕の
発生がない。

（ロ）外観が極めて美しく商品的価値が高い。

本発明の製造方法に−よれば、次の如き利点かえられる
。

（イ）本発明の製造方法は量産を狙う機械化が可能で接
合工程の製造費の削減が計れる。

（ロ）台金と摺動部材の熱膨張係数が等しい為、接合時
の熱応力による超硬焼結合金の亀裂、割損が発生しない
。

従って超硬焼結合金の厚みを極めて薄くする事によって
製造価格を削減する事が出来る。

（ハ）銀ろうづけ法のような副資材（例えば銀ろう、溶
剤）が不要である。

（勾ろうづけ準備や余りろう除去等の付帯作業が不要
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の銀ろうづけ超硬メカニカルシールのモデ
ル断面図、第２図は従来の銀ろうづけ超硬メカニカルシ
ールの温度上昇時の局部接触を生じ１こ状態モデル図、
第３図は本発明の製造方法に使用する治具の一例の断面
図、第４図は本発明の超硬メカニカルシールの接合部の
４００倍顕微鏡組織写真図である。１・・・・・・台金、２・・・・・・摺動部材、３・・
・・・・銀ろう、４・・・・・・摺動面、５ａ・・・・
・・下側治具、５ｂ・・・・・・上側治具、６・・・・
・・アップセット量（間隙）、Ｐ・・・・・・加圧力。

Claims

【特許請求の範囲】１超硬焼結合金よりなる摺動部材と、該超硬焼結合金
と熱膨張係数を略等しくする鉄系焼結合金よりなる台金
上を、相対向面間に形成し１こ相互拡散相により接合し
てなる超硬メカニカルシール。２台金がニッケル２５〜５０重量％、残りが主として
鉄からなる鉄系焼結合金よりなる特許請求の範囲１項記
載の超硬メカニカルシール。３摺動部材がＷＣの如き単一炭化物ま１こはＷＣ＋Ｔ
ｉＣ＋ＴａＣの如き複合炭化物を１５重量％以下のＮｉ
、Ｃｏの−ま１こは両者で結合し１こ超硬焼結合金から
なる特許請求の範囲１項ま１こは２項記載の超硬メカニ
カルシール。４超硬焼結合金よりなる摺動部材と、該超硬焼結合金
と熱膨張係数を略等しくする鉄系焼結合金よりなる合金
とを、真空、不活性まｆこは還元性雰囲気中において、
１２００〜１３５０°Ｃに加熱し１こ状態で両者を１０
０ｋｇ／ｄ以上の加圧力で圧接して１０〜６０秒保持し
アプセット量を０１〜１．０ｍｍに制御し、両者の圧接
面に相互拡散相を生成せしめ、相互拡散相により摺動部
材と合金とを接合せしめる超硬メカニカルシールの製造
方法。５台金がニッケル２５〜５０重量％、残りが主として
鉄力）らなる鉄系焼結合金よりなる特許請求の範囲４項
記載の超硬メカニカルシールの製造方法。６摺動部材がＷＣの如き単一炭化物ま１こはＷＣ十Ｔ
ｉＣ＋ＴａＣの如き複合炭化物を１５重量％以干−のＮ
ｉ、Ｃｏの−ま１こは両者で結合し１こ超硬合金力１ら
なる特許請求の範囲４項ま１こは５項記載の超硬メカニ
カルシールの製造方法。