JPS61294268A - メカニカルシ−ル用摺動材料 - 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】 産呈上Ω月里匁野 本発明は、メカニカルシール用の摺動材料に関するもの
である。

従来の技術 メカニカルシールにおけるシール性向上のための工夫の
一つとして、シール部摺動材料の摺動面に渦巻き状また
は渦巻きの一部である形状の浅い溝を形成したり他材料
を埋設し、それにより生じる遠心力またはポンプ作用に
より、シール面に流入して漏洩しようとする密封流体を
逆流させる方法がある（実開昭５６−２１６５３号、特
開昭５１−１６１３８号等）。

しかしながら、溝を設ける方法は摺動面が摩耗するにつ
れて溝が浅くなるからその効果が安定しないし、摩耗の
影響を受けないほど大きな溝を設けることは、摺動面面
積を減らして静圧でのシール性能を悪くするぽかりか、
摺動面の潤滑に必要な流体膜を過度に破断して摺動面の
寿命短縮と回転トルクの上昇を招くという問題がある。

また他材料を埋設する方法によるものは、製作−二手間
がかかるだけでなく、摺動発熱に基づく熱膨張の差によ
り他材料が剥離したり亀裂を生じたりしてシール性能が
悪化し易いという問題がある。

明が解決しようとす　間　点 本発明は、メカニカルシール用摺動材料における従来の
シール性向上手段が上述のような欠点を持つものであっ
たことに鑑み、使用の全期間を通じて高度かつ安定した
シール性能を示し、製作も容易なメカニカルシール用摺
動材料を提供しようとするものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記従来の方法のいずれとも異なる手段によ
り上記課題を解決することに成功したものであって、下
記４種類のメカニカルシール用摺動材料を提供するもの
である。

第一発明；回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に
伸び且つ摺動面に垂直である帯状の低密度領域を有する
ことを特徴とするもの。

第二発明：回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に
伸び且つ摺動面に垂直である帯状の低密度領域および該
帯状の低密度領域と平行な方向に配向したｈ＆維錐状し
くは鱗片状の充填材を均一分散状態で含有することを特
徴とするもの。

第三発明：回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に
伸び且つ摺動面に垂直である帯状の高密度領域を有する
ことを特徴とするもの。

第四発明：回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻外状に
伸び且つ摺動面に垂直である帯状の高密度領域および該
帯状の高密度領域と平行な方向に配向した繊維状もしく
は鱗片状の充填材を均一分散状態で含有することを特徴
とするもの。

上記各発明において、「低密度領域」おより「高密度領
域」とは、摺動材料の大部分を占める他の領域との比較
において低密度または高密度である領域を意味し、密度
の絶対値を問題にするわけではない。またこれらの領域
は、単に密度が異なるだけでよく、その材質のいかんを
問わない。しかしながら、摺動材料全体の機械的強度に
対する影響を考慮すると、材質はおいては他の領域と実
質的に同一のものとするのが有利であり、異ならせると
しても同系の材料とすることが望ましい。蜜度差だけで
材質−二大きな差異がないとき、「低密度領域」は「低
硬度領域」でもあり、「高密度領域］は「高硬度領域」
でもある。これらの領域と他の相対的に高密度または低
密度である領域との間には、密度が不連続的に変化する
明確な境界が存在する必要はなく、密度変化は連続的で
あって差支えない。

帯状に分布する“低密度領域”または“高密度領域”の
厚さは特に限定されるものではないが、約２〜５關であ
る。本発明の摺動材料の材質にも制限はなく、炭素質の
もの（黒鉛質のものを含む）、熱硬化性樹脂をマ）　Ｉ
Ｊツク又とし炭素質微粉末等を骨材として含有する樹脂
質のもの、炭化ケイ素質のものなど、いずれであっても
よいが、炭素質のものが最も製造容易であり、好ましい
。

第二発明および第四発明ｔこおいて摺動材料全体に配向
状態で分散させる繊維状もしくは鱗片状充填材の具体例
としては、炭素繊維、金属繊維、炭化ケイ素繊維、ボロ
ン繊維、針状コークス、鱗片状黒鉛などがある。

第１図および第２図は第一発明による摺動材料の一例を
示し、図中、１が摺動面、２が回転軸挿通孔、３が低密
度領域である。第三発明の摺動材料は、第１．２図にお
ける低密度領域３が高密度領域に変った構造のものであ
る。

第３図および第４図は第二発明による摺動材料の一例を
示し、図中、４が摺動面、５が回転軸挿通孔、６が低密
度領域、７が炭素繊維である。第四発明の摺動材料は、
第３，４図における低密度領域６が高密度領域に変った
構造のものである。

上述のような本発明の摺動材料の代表的な製造法を、炭
素質摺動材料の場合について次に説明する。

まず黒鉛、カーボンブラック等、炭素質摺動材料の製造
原料として通常使われるものと同様の炭素質材料を、（
第二発明および第四発明の場合はあらかじめ約１０〜２
０％量の繊錐状もしくは鱗片状の充填材と混合してから
）結合剤と混合するが、本発明の摺動材料を製造するた
めには、結合剤として、硬化した成形体を得るのに必要
な熱硬化性樹脂やタール、ピッチなどのほかに、原料混
合物を可塑化してシート状に圧延可能にするための結合
剤を用いる。このために使うことのできる結合剤の例と
しては、各種合成樹脂たとえばポリビニルブチラール、
ブタジェン〜７クリロニトリル共重合体、ポリビニルア
ルコール等の高粘度溶液、あるいは乳化重合により得ら
れた四７ツ化エチレン樹脂の水性分散液がある。四７ツ
化エチレン樹脂の分散液は、粘性はほとんど示さないが
樹脂粒子がわずかな圧縮せん断力によりフィブリル化す
るので、粉体原料に加えて混練するとフィブリル化した
樹脂が粉体に絡みつき、パテ状の可塑化物を与える。こ
れらシート化に必要な結合剤樹脂の好ましい使用量は、
溶液として使用するものの場合で約１０〜４０％、四７
ツ化エチレン樹脂の場合で約３〜１０％である（いずれ
も炭素質原料に対する重量％）６次に、得られた可塑化
原料混合物をローラーで圧延して一定幅の長いシートに
する（繊維状もしくは鱗片状の充填材は、この圧延の過
程でシートの長さ方向に配向する）、得られたシートは
第５図に示したような金型のコア１ｏに巻きつけ、第６
図の状態とする。１１は巻きつけられた原料混合物のシ
ートである。この後、またはここまでの任意の段階で、
可塑化原料混合物のシートをできるだけ乾燥することが
望ましい（下記プレス工程後に多量の溶剤または水が除
去されると、製品に亀裂や気孔を生じ易い、）０次いで
、グイ１２および加圧板１３を第７図に示した所定の位
置に配置し、約１４０〜１８０℃に加熱しながら、加圧
板１３の上から好ましくは１００Ｋｇ／ｃ論２以上の圧
力で数分間プレスすると、圧縮され且つ熱硬化性樹脂が
硬化することにより、全体が緻密な組織になって硬化す
るとともにシート同士が接着され、リング状成形物が形
成される。この成形物を、必要に応じて乾燥した後、真
空中または不活性雰囲気で約８００℃以上に加熱すれば
、結合剤として加えられた有機物が炭化して炭素質摺動
材料が得られる。最後に、成形時のプレス面（またはそ
の反対側面）が平滑な摺動面となるように切削加工およ
び研磨を施して、本発明の摺動材料を得る。

上述の製法によれば、シート化のための結合剤として溶
液型のものを用いた場合はプレス工程において巻上げ状
態にあるシーシ同士の間に結合剤が浸出する傾向がある
ため、この部分が特にｍ密な“高密度領域”になり、し
たがって第三発明または第四発明の摺動材料が得られる
。また結合剤として四フッ化エチレン樹脂を用いた場合
は、溶液型結合剤のような移動は全く起こらず、焼成時
の結合剤の炭化にともなうシートの厚さ方向収縮がシー
ト接合面部分の組織を低密度にするから、第一発明また
は第二発明の摺動材料が得られる。

熱硬化性樹脂を炭化させない樹脂質摺動材料の場合にも
、上記炭素質摺動材料の場合と同様、原料可塑化のため
の結合剤を選択することにより、各発明の摺動材料を製
造することができる。

上述のような原理ではシート巻上げ体のシート間に密度
差を生じ難い材料の場合は、最終的に密度の異なる硬化
体が得られるよう配合を異ならせた２種類の原料混合物
を可塑化して別々にシート化し、それらを重ね合わせた
ものを上記方法と同様にして成形し、熱処理すればよい
。

本発明による摺動材料は、メカニカルシールにおける回
転軸に固定されて回転軸とともに回転する回転側密封要
素として使用するときその特長を最もよく発揮するが、
ハウジングの軸孔内周に担持される固定側密封要素とし
て使用することもできる。

昨里二力迷 渦巻き状の低密度領域または高密度領域を有する本発明
の摺動材料は、メカニカルシールに使用した場合、摺動
面における相対的に低密度（すなわち低硬度）の領域が
相対的に高密度（すなわち高硬度）の領域よりも摩耗し
易いため、渦巻き状の、ごく浅い凹溝を摺動面に生じる
。した゛がって、この凹溝に流入した密封流体に漏れの
方向とは逆の方向の力が回転する渦巻き状凹溝の壁面に
より生じる遠心力もしくは求心力の形で作用するように
、使用態様に応じて回転方向と４渦”の向きとの組合せ
を選べば、漏洩しようとする密封流体を逆流させて高度
のシール状態を保つことができる。ａｍ状もしくは鱗片
状の充填材を含有する場合におけるこれら充填材は、摺
動面に現われているものが基材との摩耗性の相違により
早（摩耗して微細な凹溝を形成するか摺動面に突出する
こと、およびそれらが低密度領域または高密度領域と平
行な方向に配向していることにより、上記凹溝と同様に
作用してシール性能を一層向上させる。上述のような摺
動面の凹溝および突起は、その生成原理から明らかなよ
うに摺動面の摩耗の進行に応じて更新され、常にほぼ一
定の形状と大きさを保つから、本発明の摺動材料は長期
間使用した後も初期のシール性能をよ（維持している。

本発明の摺動材料の上述のような流体漏れ防止機構は、
メカニカルシールが高速で回転したときでも密封流体を
過度に逆流させて摺動面における流体膜切れ（つまり潤
滑切れ）を生じさせることがな（、低速回転から高速回
転まで、はぼ一様なトルクでの回転を可能にする。

天箋倒 以下実施例を示して本発明を説明する。なお実施例中「
部」とあるのは重量部を意味し、「Ｈ８」はショア硬度
単位をあられす。

実施例　１ 天然黒鉛２０％、石油コークス３０％、タールピッチ４
０％、７エ／−ル樹脂１０％からなる原料混合物１００
部に四７ツ化エチレン樹脂５部および水５０部を加えて
混疎し、更にロールで圧延して、幅８ｃ１１１、厚さ２
ＩＩＩＩ１１の長尺シート状に成形した。次いで得られ
たシートを、＃＋５図の金型な用いる前述の方法により
成形した。この場合、金型は１５０℃に加熱し、プレス
圧力は１ｔ／ｃ１１１２とした。得られた成形体を真空
中で１２００°Ｃに加熱して焼成したのち、プレス面が
摺動面になるように切削加工して、第１，２図に示した
例と同様の、渦巻き状の薄い低密度領域（硬度７３　Ｈ
ｓ）を有するメカニカルシール用炭素質摺動材料Ａを得
た。なお低密度領域以外の部分の硬度は８１Ｈｓであっ
た。

また、鱗片状黒鉛１０部を更に加えたほかは上記と同様
にして、メカニカルシール用炭素質摺動材料Ｂを製造し
た。摺動材料Ｂは、第３．４図に示した例と同様、渦巻
き状の薄い低密度領域（硬度７０８ｓ）を有し、且つ鹸
合された鱗片状黒鉛が低密度領域に平行に配置されたも
のであった。なお低密度領域以外の部分の硬度は７９８
ｓであった。

また、摺動材料Ａの場合と同様の原料混合物（四７ツ化
エチレン樹脂を含まない）を上記巻上げ法によらない通
常の方法により成形したのち焼成することにより、摺動
面全体にわたり一様な硬度８２８ｓを有する摺動材料Ｘ
（比較例）を得た。

上記三つの摺動材料について、プロセス用メカニカルシ
ール試験機を用いて次のような条件で摺動試験を行なっ
た。

回転数：　１０００，２０００．３０００ｒｐｍ　（回
転方向は、渦巻き状の低密度領域により生じる遠心力が
摺動面に流入する密封流体を逆流させる方向に作用する
ように選定）密封流体：タービン油＃３２（温度４０”
（：’）圧力変化：　Ｌ　　Ｓｖ　　１０ｔ　２０　Ｋ
ｇ／ｃＩ１１２密封流量：８ｅ／Ｈｒ 運転時間：圧力２　Ｋｇ／ｃｍ２で１１０００ｒｐ、２
００　Ｏｒｐｍ。

３０００ｒｐｆｆｌと１０分ごとに回転数を上げ、以下
同様にして圧力および回転数を上げて２０　Ｋ８／ｃＩ
１２Ｘ　３０００ｒｐｍＸ　１０分までの運転を行う。

トルク測定：荷重変換器を用いて測定 その結果、摺動材料ＡおよびＢは、前者が２０　Ｋｇ／
ｃＩＩｌ”Ｘ３００Ｏｒｐｍの試験条件でにじみ程度の
漏れを生じたほかは全く漏れを生じなかったのに対し、
摺動材料Ｘは、試験条件２０にｇ／ｃｍ２Ｘ　２０００
　ｒｐＨ１＋同３０００ｒｐｍで５〜８　ｃｃ／ｌＪｒ
の漏れを生じた。運転中のトルク測定結果は第８図〜第
１０図に示したとおりで、本発明にょる摺動材料（特に
第二発明による摺動材料Ｂ）は高速回転時にもトルク上
昇がほとんどないか、あってもきわめて僅がであり、摺
動面に安定した流体膜が形成されることがわかる。

実施例　２ 天然黒鉛２５％、石油コークス３０％、タールピッチ４
５％からなる原料混合物１００部にポリビニルブチラー
ル１５部および混合溶剤（トリクロルエチレン７０％、
テトラクロルエチレン１０％、ｎ−ブタノール２０％）
６０部を加え、更にブタノエン−アクリロニトリル共重
合体５部、ジブチル７タレート５部および７ラン樹脂１
０部を加えて混練し、更にロールで圧延して、幅８ｃＩ
１１１厚ｉ！−３關の長尺シート状に成形した。次いで
、得られたシートを第５図の金型を用いる前述の方法に
より成形した。この場合、金型は１５０℃に加熱し、プ
レス圧力は１　、５　ｔ／ｃｍ２とした。得られた成形
体を不活性ガス中で１２００℃に加熱して焼成したのち
、プレス面が摺動面になるように切削加工して、第１，
２図に示した例と同様の、渦巻き状の薄い高密度領域（
硬度８　Ｓ　Ｈｓ）を有するメカニカルシール用炭素質
摺動材料を得た。なお高密度領域以外の部分の硬度は７
３Ｈｓであった６ 実施例　３ 人造黒鉛７５％およびフェノール樹脂２５％からなる原
料を混練し、その１００部に対してポリ四７ツ化エチレ
ン樹脂２０部および水８０部を加えて充分混練した後、
ロールで圧延して、幅ｌ５ｃｍ、・厚さ３■の長尺シー
ト状に成形した。次いで、得られたシートを、６０°Ｃ
の乾燥炉中で１５時間乾燥したの後、第５圀の金型を用
いる前述の方法により成形した。

この場合、金型温度は１８０℃、プレス圧力は０　、７
　ｔ／ａｍ”、プレス時間は５分間とした。得られた成
形体を３００℃で２時間加熱してフェノール樹脂の硬化
を完結させたのち、プレス面が摺動面になるように切削
加工して、第１，２図に示した例と同様の、渦巻き状の
薄い低密度領域（硬度６０　Ｈｓ）を有するメカニカル
シール用炭素質摺動材料を得た。なお低密度領域以外の
部分の硬度は７５であった。

実施例　４ 人造黒鉛６５％、炭素繊維（平均直径１０μ、平均ｍ雑
役０．１ｖｏ）１０％およびフェノール樹脂２５％を混
練し、その１００部に対してポリ四フフ化エチレン樹脂
３０部および水８０部を加えて充分混練した後、実施例
３と同様に処理して、メカニカルシール用炭素質摺動材
料を製造した。得られた摺動材料は、第３，４図に示し
た例と同様、渦巻き状の薄い低密度領域（硬度５７Ｈｓ
）を有し、且つ配合された炭素繊維が低密度領域に平行
に配置されたものであった。なお低密度領域以外の部分
の硬度は７０８ｓであった。

上記実施例２〜４の摺動材料について、プロセス用メカ
ニカルシール試験機を用い下記の条件で摺動試験を行な
った。゛回転数：２００Ｏｒｐｍ　　　　　　圧カニ　
５　Ｋｇ／ｃ＋＋＋２密封流体：温水（６０℃）　　　
時間：１００時間なお試験は、第１図もしくは＠３図の
配置で左回り（漏れが防止される回転方向）となる場合
と右回り（漏れが促進される回転方向）となる場合とに
ついて行なった。試験結果を

【図面の簡単な説明】

第１図：第一発明の摺動材料の平面図 第２図：第１図の摺動材料の断面図 第３図：第二発明の摺動材料の平面図 第４図：第３図の摺動材料の断面図 第５図〜第７図：本発明の摺動材料の製造法の説明図第
８図〜第１０図：実施例１の摺動材料の摺動試験におけ
るトルク測定結果を示すグラフ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）　メカニカルシール用摺動材料において、該摺動
   材料が、回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に伸
   び且つ摺動面に垂直である帯状の低密度領域を有するこ
   とを特徴とするメカニカルシール用摺動材料。
2. （２）　摺動材料が炭素質のものである特許請求の範囲
   第１項記載のメカニカルシール用摺動材料。
3. （３）　メカニカルシール用摺動材料において、該摺動
   材料が、回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に伸
   び且つ摺動面に垂直である帯状の低密度領域および該帯
   状の低密度領域と平行な方向に配向した繊維状もしくは
   鱗片状の充填材を均一分散状態で含有することを特徴と
   するメカニカルシール用摺動材料。
4. （４）　摺動材料が炭素質のものである特許請求の範囲
   第３項記載のメカニカルシール用摺動材料。
5. （５）　繊維状もしくは鱗片状の充填材が炭素繊維また
   は鱗片状黒鉛である特許請求の範囲第３項記載のメカニ
   カルシール用摺動材料。
6. （６）　メカニカルシール用摺動材料において、該摺動
   材料が、回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に伸
   び且つ摺動面に垂直である帯状の高密度領域を有するこ
   とを特徴とするメカニカルシール用摺動材料。
7. （７）　摺動材料が炭素質のものである特許請求の範囲
   第６項記載のメカニカルシール用摺動材料。
8. （８）　メカニカルシール用摺動材料において、該摺動
   材料が、回転軸挿通孔付近から外周方向に渦巻き状に伸
   び且つ摺動面に垂直である帯状の高密度領域および該帯
   状の高密度領域と平行な方向に配向した繊維状もしくは
   鱗片状の充填材を均一分散状態で含有することを特徴と
   するメカニカルシール用摺動材料。
9. （９）　摺動材料が炭素質のものである特許請求の範囲
   第８項記載のメカニカルシール用摺動材料。
10. （１０）　繊維状もしくは鱗片状の充填材が炭素繊維ま
    たは鱗片状黒鉛である特許請求の範囲第８項記載のメカ
    ニカルシール用摺動材料。