JPS62176970A

JPS62176970A - メカニカルシ−ル用焼結セラミツク製スラストワツシヤ

Info

Publication number: JPS62176970A
Application number: JP61005698A
Authority: JP
Inventors: 西尾　賢一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1986-01-14
Publication date: 1987-08-03

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係り、更に詳細にはメカ
ニカルシール用焼結セラミック製スラストワッシャに係
る。

従来の技術各種のシールの一つとして一種の平行平面軸受であるメ
カニカルシールが知られており、メカニカルシールは互
いに他に対し押付けられた状態にて互いに摺動する二つ
のスラストワッシャを含んでおり、例えば自動車のエン
ジンの冷却水を循環供給するウォータポンプに組込まれ
ている。ウォータポンプに組込まれたメカニカルシール
に於ては、二つのスラストワッシャを互いに押圧する力
が小さい場合には水洩れが生じ、逆に二つのスラストワ
ッシャを押圧する力が大きすぎる場合には、二つのスラ
ストワッシャの溜動面に於て潤滑油膜切れが生じ、一般
に鳴きと称される異音が発生する。メカニカルシールに
於てはかかる相反する性質があるので、一般に、一方の
スラストワツシＰは耐摩耗性に優れたアルミナの如きセ
ラミックにて形成され、他方のスラストワッシャはシー
ル性に帰れたカーボングラフ１イトにて形成されている
。

かかる従来のメカニカルシールに於ては、そのセラミッ
ク製のスラストワッシャは気孔率が７％程庶の高密麿の
焼結セラミックにて形成されており、強度等の機械的性
質には優れているが、保油性が不十分であるため、特に
ウォータポンプの回転速度が比較的小さい領域に於て異
音が発生し易いという問題がある。

本願発明者は、従来のメカニカルシールに於ける上述の
如き問題に鑑み、焼結セラミック製スラストワッシＩＩ
について実験的研究を行った結果、気孔率は８〜１６％
の範囲にあることが好ましく、気孔率がこの範囲にある
焼結セラミックが使用Ｊされる場合に於ても、気孔の大
きさが小さすぎる場合には潤滑油が気孔に担持され難く
、逆に気孔が大きすぎる場合にはｆｌ！滑油が気孔より
容易に流出してしまい、従ってこれら何れの場合に於て
も二つのスラストワッシャ間に於て潤滑油膜切れが生じ
、その結果鳴きが生じ易くなることが判明した。

本発明は、本願発明者が行った実験的研究の結果得られ
た知見に基き、回転速度が比較的小さい領域に於ても５
？音が全く発生ずることがないよう改良されたメカニカ
ルシール用焼結セラミック製スラストワッシャを１２供
することを目的としている。

問題点を解決するための手段上述の如き目的は、本発明によれば、多数の微小な気孔
を有する気孔率８〜１６％の焼結セラミックよりなり、
気孔率が８％以上１３％未満の範囲に於ては気孔の平均
径が５０〜５００μｍであり、気孔率が１３％以上１６
％以下の範囲に於ては気孔の平均径が２５〜５００μｍ
であるメカニカルシール用焼結セラミック製スラストワ
ッシャによって達成される。

発明の作用及び効果本発明によれば、多数の微小な気孔を有する焼結セラミ
ックよりなるスラストワッシャの気孔率が８〜１６％に
設定され、気孔率が８％以上１３％未満の範囲及び１３
％以上１６％以下の範囲についてそれぞれ気孔の平均径
が５０〜５００μｍ、２５〜５００μｌｋ：設定される
ので、後に本願発明者が行った実験的研究の結果との１
３１１３１に於て詳細に説明する如く、回転速度の小さ
い領域に於ても異音が発生ずることがなく、しかもシー
ル性に優れたメカニカルシール用焼結セラミック製スラ
ストワッシャを得ることができる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、スラストワッシャ
を構成するセラミックとして窒化ケイ素が選定される。

かかるスラストワッシャによれば、窒化ケイ素はアルミ
ナに比して強度、硬度、耐摩耗性等の性質に（奢れてい
るので、従来のスラストワッシャに比して耐久性を向上
させることができる。

尚本発明のスラストワッシャは焼結セラミック製の伯の
部材の場合と同様、原料粉末としてのしラミック粉末を
リング状に圧縮成形し、これを不活性雰囲気中にて焼結
することにより形成されてよい。この場合気孔の平均径
は原料粉末に添加されるポリスチレンの如き樹脂製の粒
子の大きざを適宜に設定することにより行われてよい。

また原料粉末には優れた焼結助剤として知られているス
ピネル（ＭＯＡ　Ｉ　２０４　）やイツトリア（Ｙ２Ｏ
２）が添加されることが好ましく、気孔率は添加される
焼結助剤のａを多めに設定したり焼成温度を適宜に設定
することにより、上述の８〜１６％の範囲に制御される
ことが好ましい。また使用されるセラミック粉末の平均
粒径は０．６〜１．２μｍ程度であることが好ましい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例第１図は本発明によるスラストワッシャが採用されたメ
カニカルシールを備えた自動車用つＡ−タポンプを示す
縦断面図、第２図は第１図に示されたスラストワッシャ
を示す斜視図である。これらの図に於て、１はウォータ
ポンプを示しており、２はその本体を示している。本体
２は密封軸受３を介してシャフト４を軸線５の周りに回
転可能に支持している。シャフト４はその一端にてポン
プロータ６を担持しており、その他端にてプーリ７を担
持している。ポンプロータ６はエンジンよりの駆動力が
Ｖベルト８、プーリ７、シャフト４を経て伝達されるこ
とにより回転し、これにより第１図に於て矢印にて示さ
れている如く、冷ｔｎ水入口９より冷却水を吸引し冷却
水吐出口１０を経てエンジン内の冷却水通路へ冷却水を
供給するようになっている。

本体２とポンプロータ６との間にはメカニカルシール１
１が設けＩうれている。メカニカルシール１１は、図示
の実施例に於ては、二つのスラストワッシ１？１２及び
１３と、ゴム製のパツキン１４を介してスラストワッシ
ャ１３をスラストワッシャ１２に対し押圧するコイルス
プリング１５とを含んで４３す、スラストワッシャ１２
はクッションゴム１６を介してポンプロータ６により支
持されており、スラストワッシャ１３、パツキン１４、
コイルスプリング１５は外筒１７を介して本体２により
支持されている。図示の実施例に於ては、スラストワッ
シャ１２は多数の微小な気孔を有し、気孔率が８％以上
１３％未満であり■気孔の平均径が５０〜５００μｍで
ある窒化ケイ素の焼結体又は気孔率が１３％以上１６％
以下であり且気孔の平均径が２５〜５００μｍである窒
化ケイ素の焼結体にて形成されており、スラストワツシ
１７１・３はカーボングラファイトにて形成されている
。

図示のスラストワッシャ１２は以下の如く製造された。

まず平均粒径がそれぞれ０．８μ、１μである窒化ケイ
素粉末及びスピネル粉末を用意し、これらの粉末を所定
の比率にて配合してプラスチック類のボールミルに装入
し、しかる後エチルアルコールを少量添加して６時間に
厘り湿式混合を行った。次いでかくして得られた混合粉
末に３％のポリビニルアルコール水溶液を添加して混合
し、これをスプレードライヤにより乾燥して顆粒化した
。かくして顆粒化された混合粉末をプレス金型内に装入
し、これを圧縮してリング状の圧縮成形体を形成した。

次いで圧縮成形体をゴム袋内に封入して水中に沈め、成
形体を８　０　０　ｋｏ／♂の圧力にて均等に加圧した
。次いでかくして加圧された圧縮成形体を不活性雰囲気
中にて１７００℃に４時間加熱することにより焼結させ
た。次いで得られた焼結体の外周をダイヤモンド砥石に
て研削することにより、外径２２ａｍ、内径１　５　１
Ｌ厚さ３．５１Ｉｌｌのスラストワッシャを形成した。

またこれと同様の要領にて４Ｘ４Ｘ３０１１１１１の寸
法を有する四角柱状の曲げ試験片を形成した。この場合
スピネルの配合υ１合を種々の値に設定し、また焼成温
度を変化させることにより、気孔率が４％、６％、８％
、１０％、１２％、１４％、１６％、１８％である８種
類のスラストワッシャ及び曲げ試験片を各々２０個形成
した。尚気孔率はアルキメ１ス法にて測定された。

次いでこれらのスラストワッシャ及び曲げ試験片を用い
てそれぞれ実機による鳴き評価試験及び曲げ試験を行っ
た。尚実機による鳴き評価試験に於ては、総排気ｆｆｉ
１６００ｃｃの４気筒４サイクルガソリンエンジンに組
込まれたウォータポンプが使用され、ウォータポンプの
回転数で見て６００ｒｐｍ　Ｘ　５分、２２００ｒｐｍ
ｘ５分を１ナイクルとし、６サイクルに亙り試験を行っ
た。また曲げ試験に於ては、支点間距離２０１１Ｌ荷ｆ
ｆｌ速度０．　５１１／１ｎの条例にて試験が行われた
。この試験の結果を第３図に示す。尚第３図に於て、Δ
のプロットの曲線は鳴きが発生しない９１合（％）を表
わしており、○のプロットの曲線は曲げ強さく　ｋ（Ｊ
／ＩＩ１１２）を表わしている。また鳴きが発生しない
割合とは鳴きが発生し／２かったスラストワッシャの個
数をスラストワッシャの総ａ　（２０）で除算し、これ
を１００倍した値である。

第３図より、気孔率が１０％以上の領域に於ては鳴きが
全く発生せず、気孔率が１０％以下の領域に於ては、気
孔率の減少と共に鳴きが発生しない割合が比較的急激に
低下することが解る。かかる結果を（ｑたのは、焼結セ
ラミック中の気孔…の増大につれて、気孔に担持される
潤滑油の聞が増大し、これに伴ない二つのスラストワッ
シ１２間に於ける潤滑油膜切れが生じにくくなることに
よるものと推測される。一方曲げ強さは気孔率が４〜１
６％の範囲に於ては、気孔率の増大と共に実質的に線形
的に低下し、気孔率が１６％以−トの領域に於ては気孔
率の増大と共に急激に低下することが解る。この第３図
より、鳴きが発生しない割合と焼結セラミックの曲げ強
さとの相反する特性を勘案して、スラストワッシ１νを
構成する焼結セラミックの気孔率は８〜１６％、特に１
０〜１６％に設定されることが好ましいことが解る。

次に気孔率が８〜１６％の範囲にて気孔の平均径が種々
の値に設定されたスラストワッシャの幾つかの具体的例
について説明する。

例　　１まず平均粒径が１μｍ以下である窒化ケイ素粉末及びス
ピネル幼木を用意し、これらの粉末を９２二日のｆｆ１
ｆｆｉ比にて配合し、その混合物に所定の平均粒径のポ
リスチレン粒子を１１％添加してプラスチック類のボー
ルミルに装入し、しかる後エチルアルコールを少量添加
して６時間に亙り湿式混合を行った。次いでかくして得
られた混合粉末に３％のポリビニルアルコール水溶液を
添加して混合し、これをスプレードライヤにより乾燥し
て顆粒化した。かくして顆粒化された混合粉末をプレス
金１ｆｐ内に装入し、これを圧縮してリング状の圧縮成
形体を形成した。

次いで圧縮成形体をゴム袋内に封入して水中に沈め、成
形体を８００　ｋ（１／　μｍ２の圧力にて均等に加圧
した。次いでかくして加圧された圧縮成形体を２０℃／
ｈの加熱速度にて４５０℃まで加熱することによりポリ
スチレン粒子を熱分解により除去し、しかる後圧縮成形
体を不活性雰囲気中にて１７００℃に４時間加熱するこ
とにより焼結させた。

次いで得られた焼結体の外周をダイヤモンド砥石にて研
削することにより、外径２２＋６１１１．内径１５−量
、厚さ３．５ｎ＋ｍの寸法を有し、気孔率が８％である
スラストワッシャを形成した。この場合ポリスチレン粒
子の平均粒径を種々の値に設定することにより、気孔の
平均径が５μｍ１１０μＩｎ、２５μｍ、５０μｍ　、
１００μａ＋　１２５０μｍ　、５００ｔｔｔｐ　１７
５０μｓ＋　、１０００μｍである９梗類のスラストワ
ッシャを各々２０個形成した。尚気孔率はアルキメデス
法にて測定され、気孔の平均径は電子顕微鏡及び画像処
理装置にて測定された。

次いでこれらのスラストワッシャを用いてそれぞれ実機
による鳴き評価試験を行った。尚鳴き評価試験に於ては
、総排気量１６００ｃｃの４気筒４サイクルガソリンエ
ンジンに組込まれたウォータポンプが使用され、ウォー
タポンプの回転数で見て６００ｒｐｍｘ５分、２２００
ｒｐｍｘ５分を１サイクルとし、６ｖイクルに亙り試験
を行った。この試験の結果を下記の表１及び第４図に示
す。尚０！４図（及び侵述の第５図乃至第１０図）に於
て、横軸の気孔の平均径（μｍ）の目盛は対数目盛であ
る。

表１及び第４図より、気孔率が８％である場合には、気
孔の平均径が５０〜５００μｍの領域に於ては鳴きが全
く発生せず、気孔の平均径が５０μｍ未満及び５００μ
ｍを越える領域に於ては、イれぞれ気孔の平均径の減少
及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低下する
ことが解る。

例　　２例１に於て使用されたポリスチレン粒子の邑及び焼成温
度を変化させることにより、気孔率が１０％に設定され
た点を除き、例１の場合と同一の要領及び条件にて気孔
の平均径が種々の値である９種類のスラストワッシャを
各々２０個形成し、各スラストワッシャについて例１の
場合と同一の要領及び条件にて実機による鳴き評価試験
を行った。この試験の結果を下記の表１及び第５図に示
す。

表１及び第５図より、気孔率が１０％である場合にも、
気孔の平均径が５０〜５００μｍの領域に於ては鳴きが
全く発生ぜず、気孔の平均径が５０μｍ未満及び５００
μｍを越える領域に於ては、それぞれ気孔の平均径の減
少及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低下す
ることが解る。

例　　３例１に於て使用されたポリスチレン粒子の積を２１％に
変化させることにより、気孔率が１２％に設定された点
を除き１例１の場合と同一の要領及び条件にて気孔の平
均径が種々の値である９種類のスラストワッシャを各々
２０個形成し、各スラストワッシャについて例１の場合
と同一の要領及び条件にて実機による鳴き評価試験を行
った。

この試験の結果を下記の表１及び第６図に示す。

表１及び第６図より、気孔率が１２％である場合にも、
気孔の平均径が５０〜５００μｍの領域に於ては鳴きが
全く発生せず、気孔の平均径が５０μｍ未満及び５００
μｍを越える領域に於ては、それぞれ気孔の平均径の減
少及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低下す
ることが解る。

例　　４例１に於て使用されたポリスチレン粒子の伍及び焼成温
度を変化させることにより、気孔率が１３％に設定され
た点を除き、例１の場合と同一の要領及び条ｎにて気孔
の平均径が種々の値である９種類のスラストワッシャを
各々２０個形成し、各スラストワッシャについて例１の
場合と同一の要領及び条件にて実機による鳴き評価試験
を行った。この試験の結果を下記の表１及び第７図に示
す。

表１及び第７図Ｊ、す、気孔率が１３％である場合には
、気孔の平均径が２５〜５００μｍの領域に於ては鳴き
が全く発生せず、気孔の平均（Ｙが２５μ１未満及び５
００μｍを越える領域に於Ｃは、それぞれ気孔の平均径
の減少及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低
下することが解る。

例　　５例１に於て使用されたポリスチレン粒子の帛及び焼成温
度を変化させることにより、気孔率が１４％に設定され
た点を除き、例１の場合と同一の要領及び条件にて気孔
の平均径が種々の値である９種類のスラストワッシＶを
各々２０個形成し、各スラストワッシャについて例１の
場合と同一の要領及び条件にて実機による嗅ぎ評価試験
を行った。この試験の結果をＦ記の表１及び第８図に示
す。

表１及び第８図より、気孔率が１４％である場合にも、
気孔の平均径が２５〜５００μｍの領域に於ては鳴きが
全く発生せず、気孔の平均径が２５μｍ未満及び５００
μｍを越える領域に於ては、それぞれ気孔の平均径の減
少及び増大と共に鳴きが発生しないυ１合が徐々に低下
することが解る。

例　　６例１に於て使用されたポリスチレン粒子の吊及び焼成温
度を変化させることにより、気孔率が１５％に設定され
た点を除き、例１の場合と同一の要領及び条件にて気孔
の平均径が種々の値である゛９秤類のスラストワッシャ
を各々２０個形成し、各スラストワッシャについて例１
の場合と同一の要領及び条ｎにて実機による鳴き評価試
験を行った。この試験の結果を下記の表１及び第９図に
示す。

表１及び第９図より、気孔率が１５％である場合にも、
気孔の平均径が２５−５００μ僧の領域に於ては鳴きが
全く発生せず、気孔の平均径が２５μｍ未満及び５００
μｍを越える領域に於ては、−それぞれ気孔の平均径の
減少及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低Ｆ
することが解る。

例　　７例１に於て使用されたポリスチレン粒子の聞及び焼成温
度を変化させることにより、気孔率が１６％に設定され
た点を除ぎ、例１の場合と同一の要領及び条件にて気孔
の平均径が種々の値である９秒類のスラストワッシャを
各々２０個形成し、各スラストワッシャについて例１の
場合と同一の要領及び条件にて実機による鳴き評価試験
を行った。この試験の結果を下記の表１及び第１０図に
示す。

表１及び第１０図より、気孔率が１６％である場合にも
、気孔の平均径が２５〜５００μｍの領域に於ては鳴ぎ
が全く発生せず、気孔の平均径が２５μｍ未満及び５０
０μｍを越える領域に於ては、それぞれ気孔の平均径の
減少及び増大と共に鳴きが発生しない割合が徐々に低下
することが解る。

かくして第４図乃至第１０図に示された結果が得られた
のは、気孔率が８〜１６％の好ましい範囲にあっても、
焼結セラミック中の気孔が小さずぎる場合には潤８″１
油が気孔に担持され難く、逆に気孔が大きすぎる場合に
は潤滑油が気孔より容易に流出してしまい、従って何れ
の場合に於ても二つのスラストワラシト間に於て潤滑油
膜切れが生じ易くなって鳴きが発生し易くなることによ
るものと推測される。また第４図乃至第１０図より、鳴
きが全く発生しないよう、気孔率が８％以上１３％未満
の範囲に於ては、気孔の平均径が５０〜５００μｌに設
定され、気孔率が１３％以上１６％以下の範囲に於ては
、気孔の平均径が２５〜５００μｌに設定されることが
好ましいことが解る。

表　　１以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業右にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のメカニカルシール用焼結セラミンク製
スラストワッシャが採用されたメカニカルシールを備え
た自動車用ウォータポンプを示す縦断面図、第２図は第
１図に示されたスラストワッシャを示す斜視図、第３図
は気孔率を種々の値に設定して形成された焼結セラミッ
クよりなるスラストワッシＶ及び曲げ試験片についてそ
れぞれ行われた実機による鳴き評価試験及び曲げ試験の
結果を示すグラフ、第４図乃至第１０図はそれぞれ気孔
率を８％、１０％、１２％、１３％、１４％、１５％、
１６％に設定し、気孔の平均径を種々の値に設定して形
成された焼結セラミックよりなるスラストワッシャにつ
いて行われた実機による嗅ぎ評価試験の結果を承りグラ
フである。１・・・ウォータポンプ、２・・・本体、３・・・密封
軸受。４・・・シ１１フト、５・・・軸線、６・・・ポンプロ
ータ、７・・・プーリ、８・・・Ｖベルト、９・・・冷
却水入０．１０・・・冷却水吐出口、１１・・・メカニ
カルシール、１２．１３・・・スラストワッシ１７．１
／Ｉ・・・パツキン、１５・・・コイルスプリング、１
６・・・クッションゴム、１７・・・外筒兜　１　図第　２　図第３図気孔率（％）第　４　図気孔の平均径（ｐ、ｍ　）第　５　区気孔の平均径（Ｐｍ）第　６　図気孔の平均径（ＰＬｍ）第　７　図気孔の平均径（Ｐｍ　）第　８　口気孔の平均径（、ｕｍ）第９　図気孔の平均径（Ｐｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）多数の微小な気孔を有する気孔率８〜１６％の焼
結セラミックよりなり、気孔率が８％以上１３％未満の
範囲に於ては気孔の平均径が５０〜５００μｍであり、
気孔率が１３％以上１６％以下の範囲に於ては気孔の平
均径が２５〜５００μｍであるメカニカルシール用焼結
セラミック製スラストワッシャ。
（２）特許請求の範囲第１項のメカニカルシール用焼結
セラミック製スラストワッシャに於て、前記セラミック
は窒化ケイ素であることを特徴とするメカニカルシール
用焼結セラミック製スラストワッシャ。