JPWO2008053903A1 - 摺動部材とその製造方法およびこれを用いたメカニカルシールリングならびにメカニカルシール - Google Patents

Abstract

炭化珪素を主成分とする主相と、該主相とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体から成る摺動面を有し、該摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である気孔の比率が６０％以上である摺動部材。これにより、長期間使用を続けても良好なシール性を維持することができる。前記炭化珪素質焼結体における前記副相は複数の前記主相間に点在する粒状の結晶相であるのがよい。これにより、潤滑液の保持性能に優れるとともに熱伝導性や耐熱衝撃性に優れたものになる。

Description

本発明は、生け簀用ポンプ、自動車冷却水ポンプ、冷凍機等のメカニカルシール（軸封装置）に用いられるメカニカルシールリングを始めとする炭化珪素質焼結体からなる摺動部材とその製造方法、およびこれを用いたメカニカルシールリングならびにメカニカルシールに関する。

セラミック焼結体を用いた摺動部材は、その耐摩耗性を利用して、例えば流体機器のメカニカルシールに用いられるメカニカルシールリング等に応用されている。メカニカルシールは、流体の完全密封を目的として、各種機械の回転部に用いられる軸封装置の一つである。メカニカルシールリングは各種機械の回転部に摺接して、摺動面の摩耗に従い軸方向に動くことができる回転リングと動かない固定リングとからなり、相対的に回転する軸にほぼ垂直な端面において、流体の漏れを制限する働きをするものである。

ここで、メカニカルシールリングとしては、カーボン材、超硬合金、炭化珪素質焼結体、アルミナ質焼結体が主として用いられ、近年では高硬度で高耐食性を有し、摺動時の摩擦係数が小さく平滑性にも優れる（多孔質）炭化珪素質焼結体が多用されている。

特許文献１には、平均気孔径１０〜４０μｍの独立気孔が均一に分散配置されており、且つ気孔率が３〜１０％である多孔質な炭化珪素質焼結体が提案されている。図７は、特許文献１で提案された多孔質な炭化珪素質焼結体に存在する気孔を示す顕微鏡写真である。

特許文献１で提案された炭化珪素質焼結体を用いた摺動部材は、耐摩耗性にある程度の改善は見られるものの、原料粉末に気孔を形成するためのポリスチレン等の気孔形成剤を添加している。

しかしながら、前記気孔形成剤は凝集しやすい。そのため、図７からもわかるように、複数の気孔が連通した最大径の大きな長細い形状をした連通気孔の比率が高くなり、摺動特性の向上に寄与する気孔径１０μｍ以上の気孔に対して、連通気孔の比率が高くなる。その結果、前記摺動部材を長期間使用し続けると、摺動時に連通気孔を形成する輪郭の周辺部に応力が集中し、脱粒しやすくなるため、シール性が急激に低下するという問題があった。

特開２００２−１４７６１７号公報

本発明の課題は、長期間使用を続けても良好なシール性を維持することができるメカニカルシールリング等の摺動部材を提供することである。
本発明の他の課題は、潤滑液の保持性能に優れるとともに熱伝導性や耐熱衝撃性に優れたメカニカルシールリングを始めとする摺動部材を提供することにある。

本発明の摺動部材は、炭化珪素を主成分とする主相と、該主相とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体から成る摺動面を有し、該摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である気孔の比率が６０％以上であることを特徴とする。

前記炭化珪素質焼結体における前記副相は複数の前記主相間に点在する粒状の結晶相であるのが好ましい。

なお、本発明における前記「摺動面」とは、摺動部材同士が対峙して擦り合う面を意味する。該摺動面は、初期状態はもちろんのこと、摺動中、摩耗して新たに出現した面も含む。摺動面以外の部分は、摺動面と同様、炭化珪素を主成分とする主相と、硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とから形成されていてもよいが、主相や副相を形成する成分が異なっていても何等差し支えない。

本発明の摺動部材は、炭化珪素を主成分とする主相と、該主相とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体から成る摺動面を有し、該摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である気孔の比率を６０％以上とすることで、シール性を低下させる極端に大きい気孔が少なくなり、しかも連通気孔も減少するので、シール性を長期間維持しやすいという効果を有する。

特に、前記炭化珪素質焼結体における前記副相を複数の前記主相間に点在する粒状の結晶相にすると、熱伝導の担体であるフォノンの動きがほとんど制約されないため、熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上することとなり、その結果、摩擦による発熱を低下させることができ、摺動面の摩耗を低減することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる摺動部材の摺動面を示す概略説明図であり、（ｂ）は、前記摺動面における球状気孔を示す拡大概略説明図であり、（ｃ），（ｄ）は、それぞれ前記摺動面における連通気孔を示す拡大概略説明図である。 本発明の一実施形態にかかる摺動部材における炭化珪素質焼結体の気孔の様子を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は気孔率が６％、（ｂ）は気孔率が１０％の場合をそれぞれ示す。 （ａ）は、本発明の一実施形態にかかるメカニカルシールリングを用いたメカニカルシールを示す部分断面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のメカニカルシールリングを示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態にかかる摺動部材における炭化珪素質焼結体の結晶構造を示す概略説明図であり、（ｂ）は、同図（ａ）の副相を示す拡大概略説明図である。 実施例Ｉにおける試料Ｎｏ．Ｉ−１の主相のＥＤＳ測定結果を示すグラフである。 実施例Ｉにおける試料Ｎｏ．Ｉ−１の副相のＥＤＳ測定結果を示すグラフである。 従来の多孔質な炭化珪素質焼結体に存在する気孔を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態にかかる摺動部材の摺動面を示す概略説明図であり、図１（ｂ）は、前記摺動面における球状気孔を示す拡大概略説明図であり、図１（ｃ），（ｄ）は、それぞれ前記摺動面における連通気孔を示す拡大概略説明図である。図２は、本実施形態にかかる摺動部材における炭化珪素質焼結体の気孔の様子を示す顕微鏡写真であり、図２（ａ）は気孔率が６％、図２（ｂ）は気孔率が１０％の場合をそれぞれ示す。図３（ａ）は、本実施形態にかかるメカニカルシールリングを用いたメカニカルシールを示す部分断面図であり、図３（ｂ）は、同図（ａ）のメカニカルシールリングを示す斜視図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の摺動部材は、炭化珪素を主成分とする主相２と、該主相２とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相３とを有する炭化珪素質焼結体１から成る摺動面を有し、該摺動面には気孔４が存在する。

主相２とは、珪素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）との比率（原子％）が、Ｓｉ：Ｃ＝３５：６５〜６５：３５である相を意味する。副相３とは、ＳｉとＣとの比率（原子％）が、Ｓｉ：Ｃ＝０：１００〜３４：６６である相を意味する。前記ＳｉおよびＣの比率（原子％）は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で前記摺動面を組織観察してエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）により測定することができる。測定箇所は５箇所とし、その平均値をＳｉおよびＣの比率とする。具体例を挙げると、後述する実施例Ｉにおける試料Ｎｏ．Ｉ−１において、主相のＥＤＳ測定結果は、図５のようになり、Ｓｉ：Ｃ＝４４：５６であり、副相のＥＤＳ測定結果は、図６のようになり、Ｓｉ：Ｃ＝７：９３である。

上記のような主相２および副相３は、各色相で判別することができる。即ち、主相２は、黒色相であり、副相３は、金属光沢を示す色相である。各色相は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の反射電子像を使用して判別することができる。

ここで、副相３とは、主相２とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成り、例えば、これら各元素が単独で存在したり、珪素（Ｓｉ）と硼素（Ｂ）が化合してＳｉＢ₄，ＳｉＢ₆等の珪化物や炭化珪素として存在したりするものである。副相３は、複数の主相２で囲まれた領域にのみ存在する粒状の相である。この副相３が複数の主相２にまたがって存在する柱状の相あるいは針状の相であると、熱伝導の担体であるフォノンの動きが大きな制約を受ける。ここで、前記した非特許文献１では、炭化珪素質焼結体４０を得るための焼成温度や焼成時間は開示されておらず、焼成温度や焼成時間によっては炭化珪素質焼結体４０における副相４２は柱状となり、さらに副相４２が高い比率で含まれることから、フォノンの動きが妨げられる。そのために炭化珪素質焼結体４０は熱伝導が低く、耐熱衝撃性が不足すると考えられる。

本実施形態では、副相３が複数の主相２間に点在する粒状の相であることから、フォノンの動きがほとんど制約されないため、熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上することとなり、その結果、摩擦による発熱を低下させることができ、摺動面の摩耗を低減することができる。

粒状の相と、柱状または針状の相との区別は、アスペクト比によって区別することができる。具体的には、粒状の相のアスペクト比は１以上４未満であり、柱状または針状の相のアスペクト比は４以上である。

また、副相３は、隣接する主相２の粒径よりも小さいのが好ましい。これにより、熱伝導性の低い副相３によりフォノンの動きが制約を受けるのを抑制することができるので、熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上することとなり、その結果、摩擦による発熱を低下させることができ、摺動面の摩耗を低減することができる。副相３が、隣接する主相２の粒径よりも小さいか否かは、走査型電子顕微鏡で前記摺動面を観察して判定することができる。

炭化珪素質焼結体１における主相２および副相３の各比率は、主相２が９９〜９９．８体積％、副相３が０．２〜１体積％であることが好適である。この比率は、例えば蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分析法、炭素分析法等を用いて測定することができる。

気孔４は、２種類の気孔を有している。具体的には、焼結の過程で消滅することなく、粒界に沿って残留した気孔、即ち残留気孔と、気孔形成剤が加熱により焼失または熱分解することによって生じた気孔、即ち焼失性気孔である。これら２種類の気孔は、摺動部材の摺動面に存在する気孔の気孔径で区別される。残留気孔は気孔径が１０μｍ未満の気孔であり、焼失性気孔は気孔径が１０μｍ以上の気孔である。なお、前記気孔径は後述する式（２）により算出することができる。

残留気孔は気孔径が１０μｍ未満と小さいため、摺動特性やシール性にほとんど影響することはない。これに対し、焼失性気孔は気孔径が１０μｍ以上と大きいため、摺動面上に存在する焼失性気孔の形状や分布は、摺動部材の摺動特性やシール性に与える影響が大きい。

前記焼失性気孔は、図１（ｂ）に示す真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔４ａと、図１（ｃ），（ｄ）に示す複数の気孔が連結または凝集して存在する連通気孔４ｂとに分類される。なお、図２（ａ），（ｂ）に示す摺動面に存在する気孔を示す顕微鏡写真から、本実施形態にかかる摺動面は、球状気孔４ａ、連通気孔４ｂ、残留気孔４ｃを有することが判る。

球状気孔４ａは、他の気孔と連通することなく、独立に存在する独立気孔により主に構成される。該球状気孔４ａは、摺動面を平面視したときに、略円形になる。

ここで、実施形態の摺動部材では、摺動面における気孔径１０μｍ以上の全ての気孔（焼失性気孔）に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔４ａの比率が６０％以上となっている。

球状気孔４ａの比率を６０％以上に特定することで、摺動面において対峙する摺動部材のシール性を高いものに保持でき、摺動特性の向上に寄与する球状気孔４ａの比率を高くできるため、高い摺動特性を得ることができる。

球状気孔４ａにおいて、その真円度を６μｍ以下としたのは、摺動面におけるシール性を高いものに保持できるからである。即ち、真円度を６μｍ以下とすることによって、潤滑液を必要以上に漏えいさせず、脱粒しづらいのでシール性を高くすることができる。前記真円度は後述する式（１）により算出することができる。

また、気孔径を１０μｍ以上６０μｍ以下としたのは、摺動面における摺動特性とシール性を兼ね備えたものにできるからである。特に、球状気孔４ａの比率は７５％以上にすることがより好ましく、これにより摺動面におけるシール性をさらに高いものにすることができる。球状気孔４ａの比率は１００％にすることがシール性や摺動特性の向上にとって最も効果的であるが、製造コスト、生産効率からその比率は９０％以下にすることが好ましい。

一方、真円度が６μｍを超える気孔や、気孔径が６０μｍを超える気孔の比率が高くなるとシール性が低下する。また、気孔径１０μｍ未満の気孔の比率が高くなると摺動特性の向上に寄与しない気孔が増えるため、摺動特性が低下する。

前記真円度は以下の式（１）のように定義される。

前記気孔径（φ）については、以下の式（２）のように定義される。

前記式（１）より気孔の真円度は、真円に近づくほど小さくなり、真円では０となるものであり、気孔の最大径と最小径の差が大きいほど大きな値となる。式（１）で示される真円度、式（２）で示される気孔径（φ）および球状気孔４ａの比率の測定は、摺動部材の摺動面となる面を平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨して得られる面を工業顕微鏡を用いて観察することより求めることができる。

より具体的には、工業顕微鏡を用い、倍率を１００倍とし、前記摺動面から１箇所当たりの測定面積を１２３５μｍ×９２６μｍに設定した範囲を５箇所抜き取って解析することにより求めることができる。気孔の最大値、最小値とは、気孔を囲繞する最小の外接円の径が最大値、気孔に囲繞される最大の内接円の径が最小値となる。したがって、図１（ｂ）に示すように、気孔径の最大値（ａ）は、気孔（球状気孔４ａ）を囲繞する最小の外接円Ｃ１の径ａであり、気孔径の最小値（ｂ）は、気孔（球状気孔４ａ）に囲繞される最大の内接円Ｃ２の径ｂである。

なお、倍率１００倍では連通気孔４ｂを形成する輪郭には少なくとも１個の変曲点４ｄが観察され、球状気孔４ａを形成する輪郭には変曲点は観察されない。

本実施形態の摺動部材では、摺動面における前記球状気孔４ａの分散性もシール性に影響を及ぼす。球状気孔４ａの分散性が高いほど、シール性が高くなり、分散性が低い、即ち凝集性が高いほど、シール性は低くなる。本実施形態では、摺動面における球状気孔４ａの分散密度を６０個／ｍｍ²以上とすることが好ましい。これにより、摺動面上で気孔がほとんど凝集することなく、適正な分散状態になるので、さらにシール性を向上させることができる。即ち、摺動面上での球状気孔４ａの分散状態が、シール性を高いものに保持できる分散状態となる。特に、前記分散密度を９５個／ｍｍ²以上とすることがより好ましい。分散密度は、摺動面における球状気孔４ａの比率を求めたときと同様、摺動面から１箇所当たりの測定面積を１２３５μｍ×９２６μｍに設定した範囲を５箇所抜き取って、工業顕微鏡を用いて倍率１００倍で解析することにより求めることができる。

球状気孔４ａは、摺動面を平面視した場合、気孔の空間を形成する輪郭部が連続した曲線であることが好ましい。

本実施形態の摺動部材では、摺動面における気孔の最大径によってもシール性が異なる。気孔の最大径とは、例えば、図１（ｂ）に示すような球状気孔４ａの場合には、気孔径の最大値ａである。図１（ｃ）に示すような連通気孔４ｂの場合には、最大径はＬ１であり、図１（ｄ）に示すように凝集した連通気孔４ｂの場合には、最大径はＬ２である。なお、図１（ｃ）に示すような連通気孔４ｂにおける気孔の最小値はＬ３であり、図１（ｄ）に示すような連通気孔４ｂの場合における気孔の最小値はＬ４である。

これら各気孔の最大径は、１００μｍ以下とすることが好ましい。これにより、シール性を低下させる極端な形状を成す凝集性が高い連通気孔や、極端に径の大きい球状気孔を有することがなく、シール性をより高いものにすることができる。

なお、気孔の最大径についても、摺動面から１箇所当たりの測定面積を１２３５μｍ×９２６μｍに設定した範囲を５箇所抜き取って、工業顕微鏡を用いて倍率１００倍で解析することにより求めることができる。

本実施形態の摺動部材では、摺動面を成す炭化珪素質焼結体１の気孔率を２．５％以上１２％以下とすることが好ましい。これにより、潤滑液の保持性能が優れたものになるので摺動特性が良好になり、機械的特性も維持し易くなる。

即ち、炭化珪素質焼結体１の気孔率は、摺動部材のシール性、摺動特性に加え、機械的特性にも影響を及ぼす。気孔率が高いと摺動特性は向上するが、シール性と機械的特性は、低下する。一方、気孔率が低いと、摺動部材のシール性と機械的特性は向上するが、摺動特性が低下する。気孔率を２．５％以上１２％以下とすることで、摺動面上にある気孔が摺動面以外の面にある気孔と連通する比率が低くなる。これにより、摺動面に供給された潤滑液が連通した気孔を伝わり外部に漏れなくなり、気孔内に保持されていた潤滑液は摺動面に連続した流体膜を形成しやすくなって、高い摺動特性や、例えばメカニカルシールリングで要求される高いシール性を得ることができる。

特に、気孔率を３％以上８％以下とすることがより好ましい。なお、炭化珪素質焼結体１の気孔率は、アルキメデス法に準拠して測定することができる。

次に、前記で説明した一実施形態にかかる摺動部材の製造方法を説明する。
前記摺動部材を得る工程は、調合工程と、成形工程と、焼成工程とを含む。以下、各工程について順に説明する。

先ず、調合工程では、主成分を成す炭化珪素粉末に、炭化硼素粉末、フェノール樹脂等の焼結助剤、気孔形成剤、該気孔形成剤を分散させるための気孔分散剤と、さらに水等を添加混合してスラリー（原料）を得る。

前記気孔形成剤としては、例えばシリコーンビーズ、ポリスチレン、フェノール樹脂およびアクリル−スチレン共重合体の少なくとも１種からなる懸濁重合された非架橋性の樹脂ビーズ等を用いればよい。これら樹脂ビーズは、その圧縮強度が１．２ＭＰａ以下と低いために、成形工程で加圧方向に容易に塑性変形して、弾性回復に伴って発生しやすいマイクロクラックを低減することができるからである。前記気孔形成剤は熱分解または消失することにより、摺動面上に潤滑剤を供給することができる気孔（焼失性気孔）を形成する。

ここで、本実施形態では気孔分散剤を用いている。即ち、得られた摺動部材の摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔４ａを得るには、前記気孔形成剤として真円度４μｍ以下、且つ直径１２μｍ以上７５μｍ以下のものを用いればよい。しかしながら、この気孔形成剤は、疎水性物質のため水を添加したスラリーに分散できず、凝集しやすい。このため、摺動面上で形成された気孔同士が連結するおそれが高く、場合によってはシール性を低下させてしまう。そのため、気孔形成剤を分散させなければならず、この気孔形成剤を分散させる作用を成す気孔分散剤を添加する。添加された気孔分散剤は気孔形成剤に吸着し、これにより気孔形成剤はスラリー中に容易に湿潤、浸透し、気孔形成剤の再凝集が抑制されるため、気孔形成剤はスラリー中に凝集することなく分散する。この場合、気孔形成剤１００質量％に対し、前記気孔分散剤を０．１質量％以上添加すればよい。これにより、気孔形成剤の種類に係わらず、気孔形成剤を十分に、容易に分散でき、製造効率を向上させることができる。

前記気孔分散剤としては、例えばポリカルボン酸ナトリウム等のカルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩等のアニオン界面活性剤が好ましい。アニオン界面活性剤は、気孔形成剤をスラリーに湿潤、浸透させる効果が高い。アニオン界面活性剤が気孔形成剤に吸着することで気孔形成剤はスラリー中に容易に湿潤、浸透する。さらにアニオン界面活性剤が有する親水基の電荷反発により、気孔形成剤の再凝集がさらに抑制されるため、気孔形成剤をスラリー中に凝集させることなく十分に分散させ易い。また、主成分である炭化珪素粉末を水と混合してスラリーを作製する際、炭化珪素粉末の凝集を抑制するために炭化珪素スラリーをアルカリ性にしているが、アニオン界面活性剤を用いることでアルカリ性スラリー中でも炭化珪素粉末や気孔形成剤の凝集を抑制することができる。このようにスラリー中の気孔形成剤が分散されることで、得られる摺動部材の摺動面における気孔は独立した状態の球状気孔４ａとして存在する比率が高くなるとともに、シール性を低下させる極端に大きい気孔も少ないため、シール性を長期間維持することができる。

成形工程では、得られたスラリーに成形用バインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥することで顆粒を得、一部の顆粒が前記気孔形成剤に内包された状態の成形用原料を得る。

なお、得られた摺動部材の摺動面における前記球状気孔４ａの分散密度を上げるには、気孔分散剤の含有量を多くすればよい。例えば分散密度を６０個／ｍｍ²以上にするには、気孔形成剤１００質量％に対し、分散剤を１質量％以上添加すればよい。

同様に、得られた摺動部材の摺動面における気孔の最大径を１００μｍ以下とするには、気孔分散剤の含有量を多くするとともに、直径が短い気孔形成剤を用いればよい。具体例を挙げると、気孔形成剤１００質量％に対し、分散剤を１質量％以上添加し、かつ直径４０μｍ以下の気孔形成剤を用いればよい。

摺動部材を構成する炭化珪素質焼結体１の気孔率の調整については、例えば、前記気孔形成剤の比率で調整すればよい。具体例を挙げると、気孔率を２．５％以上とするには、気孔形成剤の比率を炭化珪素および炭化硼素の混合粉末１００質量％に対して、１質量％以上とすればよく、気孔率を１２％以下とするには、気孔形成剤の比率を５質量％以下とすればよい。

前記成形用原料の顆粒を所定の成形型に充填し、成形圧力４９〜１４７ＭＰａの範囲で適宜選択される成形圧力で成形して成形体を得る。

焼成工程では、成形体を窒素雰囲気中、温度４５０〜６５０℃、保持時間２〜１０時間で脱脂して、脱脂体とする。この脱脂体を焼成炉に入れ、不活性ガスの減圧雰囲気中、温度１８００〜２１００℃、保持時間３〜５時間で保持し、焼成することで炭化珪素質焼結体１を得る。このような調合工程、成形工程および焼成工程を含むことによって、気孔形成剤が均一に分散されるため、シール性を低下させる極端に大きい気孔が少なくなり、しかも連通気孔も減少するので、シール性を長期間維持し易い。なお、前記不活性ガスについては特に限定されるものではないが、入手や取り扱いが容易であることから、アルゴンガスを用いることが好適である。

得られた焼結体は、必要に応じて加圧面に研削、研磨等の加工を施してもよい。例えば、両頭研削盤や平面研削盤等で加圧面を平面とし、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いてアルミナ製のラップ盤で粗加工した後、平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫製のラップ盤で算術平均高さＲａが０．９８μｍ以下となるように鏡面加工して摺動面としてもよい。算術平均高さＲａを０．９８μｍ以下とすれば、シール性を維持し易くなる。

算術平均高さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１（対応ISO 4287:1997）に準拠して測定すればよい。即ち、測定長さおよびカットオフ値をそれぞれ５ｍｍおよび０．８ｍｍとし、触針式の表面粗さ計を用いて測定する場合であれば、例えば、摺動部材の摺動面に、触針先端半径が２μｍの触針を当て、触針の走査速度は０．５ｍｍ／秒とすればよい。

このように焼結体の表面を研磨することで、メカニカルシールリングとすることができる。上述のような製造方法によれば、潤滑液の保持性能に優れるとともに熱伝導性や耐熱衝撃性に優れたメカニカルシールリングを始めとする摺動部材を安価に得ることができる。

次に、前記で説明した一実施形態にかかる摺動部材を用いたメカニカルシールリングおよびメカニカルシールについて説明する。

図３（ａ）に示すように、このメカニカルシールは、環状体である固定リング５ａの摺動面１５ａ上で、凸状部を有する環状体である回転リング５ｂの摺動面１５ｂを摺動させてシール作用を及ぼすメカニカルシールリング５を用いた装置である。メカニカルシールリング５は、駆動機構（不図示）による駆動力を伝達させる回転軸６と、この回転軸６を回転可動に支承するケーシング７との間に取り付けられ、固定リング５ａと回転リング５ｂとの互いの摺動面１５ａ，１５ｂが回転軸６に対して垂直面を形成するように設置されている。

メカニカルシールリング５は、潤滑液を介して互いの摺動面１５ａ，１５ｂを当接し摺動させる固定リング５ａと回転リング５ｂとからなり、これら固定リング５ａおよび回転リング５ｂの少なくとも一方が一実施形態にかかる摺動部材からなる。該摺動部材は、前記した通り、シール性および潤滑液の保持性能に優れている。そのため、該摺動部材を用いたメカニカルシールリング５およびメカニカルシールは長期信頼性が高い。

回転リング５ｂはパッキング８によって緩衝的に支持されている。このパッキング８の回転リング５ｂと相対する側には回転軸６を巻回するようにコイルスプリング９が設置されている。このコイルスプリング９の弾発力（予め設定されたコイルスプリング９の力）により、パッキング８を押圧することによって、回転リング５ｂの摺動面１５ｂが固定リング５ａの摺動面１５ａに押圧されて摺動するようにしてある。また、コイルスプリング９がパッキング８を押圧する側と相対する側には、カラー１０がセットスクリュー１１により回転軸６に固定され、コイルスプリング９のストッパーとして設置されている。

回転リング５ｂの摺動面１５ｂと摺動面１５ａを介して接する固定リング５ａは緩衝ゴム１２によって支持されている。緩衝ゴム１２はこのメカニカルシールの外枠となるケーシング７の内側に取り付けられて固定リング５ａを支持するようにしてある。そして、回転軸６が回転するとカラー１０がともに回転し、コイルスプリング９の弾発力によって押圧されるパッキング８と、このパッキング８によって支持されている回転リング５ｂの摺動面１５ｂとが押圧されながら回転することによって、固定リング５ａの摺動面１５ａとの間でシール作用が働くようにしてある。このようなメカニカルシールを流体機器（不図示）に取り付ける場合には、メカニカルシールリング５に対してカラー１０の側の延長上に、流体機器が配置されるように取り付けて用いられる。

このとき、流体は、メカニカルシールのケーシング７で囲まれた内部にまで浸入するが、パッキング８と回転軸６との間に設けられたオー（Ｏ）リング１３によるシール作用と、メカニカルシールリング５の摺動面１５ａ，１５ｂのシール作用によって、流体がメカニカルシールより外部に漏洩することを低減している。なお、このときメカニカルシールによって密封された流体を、密封流体１４と称し、その一部がメカニカルシールリング５の摺動面１５ａ，１５ｂの間に入り込み潤滑液として作用する。一方、回転リング５ｂはパッキング８によって緩衝的に支持され、緩衝ゴム１２およびパッキング８は回転軸６の回転で発生する振動を吸収する機能も有する。

回転リング５ｂが摺動を開始すると、摺動面１５ａ，１５ｂで空気の流れによる動圧が先ず発生し、続いて前記球状気孔４ａ上ではその動圧より低い負圧が球状気孔４ａ内で保持されていた潤滑液に対し働く。この球状気孔４ａ上で発生する負圧によって球状気孔４ａ内に保持されていた潤滑液を摺動面１５ａ，１５ｂに適切に供給することができるので、高強度で摺動特性の高いメカニカルシールリング５とすることができる。

なお、図３（ａ）に示すメカニカルシールでは、固定リング５ａを環状体、回転リング５ｂを凸状部を有する環状体としたが、これとは逆に固定リング５ａを凸状部を有する環状体とし、回転リング５ｂを環状体とすることもできる。

次に、本発明の他の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４（ａ）は、本実施形態にかかる摺動部材における炭化珪素質焼結体の結晶構造を示す概略説明図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の副相を示す拡大概略説明図である。

図４（ａ）に示すように、本実施形態の摺動部材は、炭化珪素を主成分とする主相１７と、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相１８とを有する炭化珪素質焼結体１６からなる摺動面を有し、副相１８は複数の主相１７間に独立して点在する粒状の結晶相であることを特徴とする。

即ち、本実施形態にかかる副相１８は、複数の主相１７で囲まれた領域にのみ存在する粒状の相である。この副相１８が複数の主相１７にまたがって存在する柱状の相あるいは針状の相であると、熱伝導の担体であるフォノンの動きが大きな制約を受ける。本実施形態では、副相１８が複数の主相１７間に点在する粒状の相であることから、フォノンの動きがほとんど制約されないため、熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上することとなり、その結果、摩擦による発熱を低下させることができ、摺動面の摩耗を低減することができる。

特に、隣り合う副相１８間の距離ｄを３μｍ以上とすることが好ましい。これにより、さらにフォノンの動きが制約を受けずらくなる。

副相１８が複数の主相１７間に点在する状態および距離ｄは、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用い、倍率を３０００〜１００００倍にして炭化珪素質焼結体１６の断面または摺動面を観察することによって確認することができる。

なお、副相１８は硼素、珪素および炭素以外の不可避不純物であるナトリウム（Ｎａ），マグネシウム（Ｍｇ），鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ）およびカルシウム（Ｃａ）等が含まれていても何等差し支えない。機械的特性を維持するという観点から炭化珪素質焼結体１６に対し、これら不可避不純物はその合計が０．１体積％以下であることが好適である。

また、摺動部材の熱伝導性や耐熱衝撃性は、副相１８の形状、即ちアスペクト比の影響を受けやすい。図４（ｂ）に示すように、副相１８のアスペクト比とは、短軸αに対する長軸βの比率（即ち、長軸β／短軸α）である。この比率が小さくなるほど、フォノンの動きが制約されにくくなるため、摺動部材の熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上する。

本実施形態では、副相１８のアスペクト比を２．５以下（但し、０を除く）とすることが好適である。これにより、フォノンの動きがさらに制約されにくくなるため、摺動部材の熱伝導性、耐熱衝撃性ともさらに向上させることができる。その結果、摩擦による発熱を低下させることができ、摺動面の摩耗をさらに低減することができる。

なお、副相１８のアスペクト比は、炭化珪素質焼結体１６の断面または摺動面を透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用い、倍率３０００〜１００００倍で得られた画像より求めることができる。

また、上述のように副相１８は、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成るが、副相中の珪素や炭素は、詳細を後述するように、本発明の摺動部材を成す炭化珪素質焼結体の製造方法において、炭化珪素粉末に炭化硼素粉末等を混合して得られる原料粉末を成形、焼成して得られるものであるため、炭化珪素質焼結体中の副相として含有されるものである。特に、本実施形態では副相１８に含まれる硼素が重要な作用を成し、摺動部材の機械的特性や熱伝導性に影響を及ぼす。硼素の含有量が低過ぎると、炭化珪素の結晶粒子を十分結合することができないため、機械的特性と熱伝導性が低下する。一方、硼素の含有量が高過ぎると、アスペクト比の高い副相が析出する結果、フォノンの動きが制約され易くなり、熱伝導性が低下する。本実施形態の摺動部材では、前記硼素の含有量を前記炭化珪素質焼結体１００質量％に対し、０．２質量％以上０．３質量％以下とすることが好適である。硼素の含有量をこの範囲にすることで、硼素は焼結助剤として作用するため、高い機械的特性と熱伝導性を兼ね備えた摺動部材とすることができる。

硼素の含有量は、蛍光Ｘ線分析法やＩＣＰ発光分析法を用いて測定することができる。なお、硼素の大部分は珪素、炭素とともに副相１８を形成するが、炭化珪素の結晶粒子内に一部の硼素が分散しても何等差し支えない。

また、本実施形態においても、前記した一実施形態と同様の理由から、炭化珪素質焼結体１６の気孔率は２．５％以上１２％以下が好適であり、３％以上８％以下がより好適である。

次に、本実施形態にかかる摺動部材の製造方法を説明する。
先ず、炭化珪素粉末に水、分散剤および炭化硼素粉末、フェノール樹脂等の焼結助剤、気孔形成剤および気孔分散剤を加え、ボールミルで混合、粉砕してスラリーを得る（調合工程）。このスラリーにバインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥して炭化珪素の顆粒を得、この顆粒を成形して成形体を得る（成形工程）。

炭化珪素質焼結体１６に対する硼素の含有量は、添加する炭化硼素粉末の影響を受ける。炭化珪素質焼結体１００質量％に対し、硼素の含有量を０．２質量％以上０．３質量％以下とするには、炭化硼素粉末の含有量を炭化珪素粉末に対して、１質量％以上３質量％以下とすればよい。

炭化珪素質燒結体１６の気孔率を２．５％以上１２％以下とするには、脱脂工程または焼成工程において焼失または熱分解する気孔形成剤として予め粉砕した樹脂ビーズを顆粒に対して０．５〜１０質量％添加、混合して混合原料とした後、この混合原料を成形型に充填し、加圧、成形して所定形状の成形体とすればよい。前記樹脂ビーズとしては、前記一実施形態において例示した樹脂ビーズと同じものが例示される。

得られた成形体は必要に応じて、窒素雰囲気中、１０〜４０時間で昇温し、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持後、自然冷却して脱脂すればよい。そして、脱脂した成形体を、たとえば、不活性ガスの減圧雰囲気下、温度１８００〜２１００℃で、３〜５時間保持し焼成することで炭化珪素質焼結体１６を得る（焼成工程）。

特に、副相１８のアスペクト比は、焼成温度の影響を受けやすく、焼成温度を高くすると、その値が大きくなり、焼成温度を低くすると、その値が小さくなる。副相１８のアスペクト比を２．５以下（但し、０を除く）とするには、焼成温度を１８００〜２０００℃とすればよい。

また、隣り合う副相１８間の距離ｄは、焼成時間の影響を受けやすく、焼成時間を長くすると、その値が大きくなり、焼成時間を短くすると、その値が小さくなる。隣り合う副相１８間の距離ｄを３μｍ以上とするには、焼成時間を４．５〜５時間とすればよい。

上述のような製造方法によれば、潤滑液の保持性能に優れるとともに熱伝導性や耐熱衝撃性に優れたメカニカルシールリングを始めとする摺動部材を安価に得ることができる。

次に、本実施形態にかかる摺動部材を用いたメカニカルシールリングおよびメカニカルシールについて説明する。本実施形態にかかるメカニカルシールリングおよびメカニカルシールは、固定リング５ａおよび回転リング５ｂの少なくとも一方が本実施形態にかかる摺動部材からなる（図３参照）。

該摺動部材は、前記した通り、熱伝導性および耐熱衝撃性に優れている。したがって、本実施形態にかかるメカニカルシールリングおよびメカニカルシールは、摺動開始時に瞬間的に高温の摩擦熱が発生して、熱衝撃を受けやすい過酷な使用状況下であっても、好適に使用することができる。
なお、その他の構成は、前記した一実施形態と同様であるので、説明を省略する。

以上、本発明にかかるいくつかの実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。例えば、本発明は、各実施形態にかかるそれぞれの摺動部材に限定されるものではなく、例えば一実施形態にかかる摺動部材と、他の実施形態にかかる摺動部材とを組み合わせた実施形態にかかる摺動部材であってもよい。

本発明にかかる気孔の形状は、摺動面において真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である限りにおいては、前記した球状気孔４ａ以外に、柱状であってもよい。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

［実施例Ｉ］
＜試料の作製＞
先ず、主成分を成す炭化珪素粉末に所定量の炭化硼素粉末を添加し、気孔形成剤として表１に示す如く最大径を有するフェノール樹脂およびポリスチレンからなる懸濁重合された非架橋性の樹脂ビーズを添加した。なお、前記気孔形成剤はいずれの試料も真円度４μｍ以下、且つ直径１２μｍ以上７５μｍ以下のものを用いた。この気孔形成剤を炭化珪素および炭化硼素の混合粉末１００質量％に対して表１に示す如く比率で添加した。さらに、気孔分散剤としてポリカルボン酸ナトリウムを気孔形成剤１００質量％に対して表１に示す如く比率として添加混合して原料を得た。

得られた原料をボールミルに投入した後、４８時間混合してスラリー化した。このスラリーに成形助剤としてバインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥することにより平均粒径８０μｍの炭化珪素の顆粒からなる成形用原料を得た。

次に、この成形用原料を成形型に充填し、厚み方向に９８ＭＰａの圧力で加圧、成形してリング形状の成形体とした。得られた成形体は窒素雰囲気中、２０時間で昇温し、６００℃で５時間保持後、自然冷却して脱脂し、脱脂体とした。

最後に、脱脂体を約２０００℃にて４時間保持して焼成し、炭化珪素の主相と、硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体を作製した。

得られた各炭化珪素質焼結体の表面を平面研削盤にて研削加工し、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いたアルミナ製のラップ盤にて粗加工した後、同じく平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いた錫製のラップ盤にて算術平均高さが（Ｒａ）０．９８μｍ以下となるように研磨加工して摺動面とし、外径２６ｍｍ、内径１９ｍｍのメカニカルシールリングである試料Ｎｏ．Ｉ−１〜１８を作製した。各試料はいずれも図３に示す固定リング５ａである。

得られた各試料の摺動面を工業顕微鏡を用いて、倍率を１００倍とし、各試料の摺動面から１箇所当たりの測定面積を１２３５μｍ×９２６μｍに設定した範囲を５箇所抜き取って解析することにより、摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔の比率、前記球状気孔の分散密度および前記各摺動面における気孔の最大径を求めた。このとき、主相および副相の面積比率も併せて求めた。その結果、主相および副相の合計面積１００質量％に対して、主相が９５面積％、副相が５面積％であった。

主相および副相におけるＳｉおよびＣの比率（原子％）は、ＴＥＭで前記摺動面を組織観察してエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）により測定した。測定箇所は５箇所とし、その平均値をＳｉおよびＣの比率とした。そして、ＳｉおよびＣの比率が、主相においては、Ｓｉ：Ｃ＝３５：６５〜６５：３５の範囲内にあるか否か、副相においては、Ｓｉ：Ｃ＝０：１００〜３４：６６の範囲内にあるか否かをそれぞれ評価した。エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）による測定結果の一例として、試料Ｎｏ．Ｉ−１における主相の測定結果を図５に、副相の測定結果を図６にそれぞれ示す。なお、試料Ｎｏ．Ｉ−１における主相は、Ｓｉ：Ｃ＝４４：５６であり、副相は、Ｓｉ：Ｃ＝７：９３であった。
各試料を構成する炭化珪素質焼結体の気孔率については、アルキメデス法に準拠して測定した。

＜特性評価＞
外径２４ｍｍ、内径２１ｍｍの凸状部を有する外径２６ｍｍ、内径１９ｍｍの環状体であって、炭素からなる回転リング５ｂを準備した。この回転リング５ｂと、固定リング５ａ（試料Ｎｏ．Ｉ−１〜１８）とを回転軸６を通して摺動面１５ａ，１５ｂで当接させ、以下の摺動条件で摺動させ、シール性を示す摺動面１５ａ，１５ｂからの漏れ量および摺動特性を示す摩擦係数を測定した。

（摺動条件）
・相対速度：８ｍ／ｓ
・面圧 ：５００ｋＰａ
・潤滑液 ：水
・摺動時間：１００時間

なお、相対速度は、回転軸の中心を基準として外周側に向かい、１１．２５ｍｍ離れた位置（以下、位置Ｐという。）における固定リング５ａに対する回転リング５ｂの回転速度である。面圧は、固定リング５ａに対する回転リング５ｂの単位面積当たりの圧力であり、固定リング５ａと回転リング５ｂとを当接させるのに予め設定された加圧力Ｆを回転リング５ｂの摺動面１５ｂの面積で除すことで求められ、面積は、寸法測定用のゲージを備えた金属顕微鏡を用い、倍率５０倍で回転リング５ｂの凸状部の外径および内径をゲージで測定し、算出した。

摩擦係数μについては、トルクメーターを用いて摺動中の回転リング５ｂの位置Ｐにおける回転トルクＴを測定し、この回転トルクＴを、摺動面１５ｂの面積に面圧を掛けることで得られる加圧力Ｆおよび回転軸の中心から位置Ｐまでの距離１１．２５ｍｍで除した値とした。即ち摩擦係数μは、式：μ＝Ｔ／１１．２５Ｆで算出される値とし、その値を表１に示した。

機械的特性を示す４点曲げ強度については、抗折試験片からなる試料を別途作製し、ＪＩＳ Ｒ １６０１−１９９５（対応ISO 14704: 2000またはICS 81.060.30）に準拠して測定し、その値を表１に示した。

なお、表１では、摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔の比率および前記球状気孔の分散密度は、簡便のため、単に球状気孔の比率、球状気孔の分散密度とした。

表１から明らかなように、気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である球状気孔の比率が６０％以上である本発明の試料（Ｎｏ．Ｉ−４〜２０）は、球状気孔の比率が６０％未満である試料（Ｎｏ．Ｉ−１〜３）に比べて摺動面１５ａ，１５ｂ間より発生する漏れ量が１２０ｍｌ以下と少なく、シール性が高いものであった。特に、前記球状気孔の比率が７５％である試料（Ｎｏ．Ｉ−７〜１９）は、摺動面における漏れ量が６５ｍｌ以下とシール性がより高いものであった。

球状気孔の比率が７５％である試料（Ｎｏ．Ｉ−７〜１９）において、摺動面における前記球状気孔の分散密度、気孔の最大径、炭化珪素質焼結体の気孔率をそれぞれ変化させた試料を比較した場合は以下の結果となった。

即ち、摺動面における前記球状気孔の分散密度が６０個／ｍｍ²以上である試料（Ｎｏ．Ｉ−８〜１９）は、いずれも分散密度が６０個／ｍｍ²未満である試料（Ｎｏ．Ｉ−７）より漏れ量が５４ｍｌ以下と少なくシール性がより高いことがわかる。摺動面における前記球状気孔の分散密度が６０個／ｍｍ²以上である試料（Ｎｏ．Ｉ−８〜１９）を比較した場合、各気孔の最大径が１００μｍ以下である試料（Ｎｏ．Ｉ−８，１０〜１９）は、いずれも各気孔の最大径が１００μｍを超える試料（Ｎｏ．Ｉ−９）より、漏れ量が３５ｍｌ以下と少なくシール性がより高いことがわかる。

炭化珪素質焼結体の気孔率が２．５％以上１２％以下である試料（Ｎｏ．Ｉ−８〜１１，１３〜１６，１８，１９）は、摩擦係数が０．０４以下と低く、しかも４点曲げ強度が２０１ＭＰａ以上と高いものであった。これに対し、前記気孔率が２．５％未満である試料（Ｎｏ．Ｉ−１２）は摩擦係数が０．０８と高く、一方、気孔率が１２％を超える試料（Ｎｏ．Ｉ−１７）は摩擦係数が低いものの、４点曲げ強度が１９０ＭＰａと低いものであった。

［実施例II］
＜試料の作製＞
先ず、炭化珪素粉末に表２に示す添加量の炭化硼素粉末、気孔形成剤、気孔分散剤および水を加えボールミルに投入した後、４８時間混合してスラリー化した。このスラリーに成形助剤としてバインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥することにより平均粒径８０μｍの炭化珪素の顆粒を得た。

なお、前記気孔形成剤としては、真円度４μｍ以下、且つ直径１２μｍ以上７５μｍ以下であり、表２に示す如く最大径を有する予め粉砕されたポリスチレンからなる懸濁重合された非架橋性の樹脂ビーズを用いた。また、前記気孔分散剤としては、ポリカルボン酸ナトリウムを用いた。

次に、この混合原料を成形型に充填し、厚み方向に９８ＭＰａの圧力で加圧、成形して所定形状の成形体とした。得られた成形体は窒素雰囲気中、２０時間で昇温し、６００℃で５時間保持した後、自然冷却して脱脂して脱脂体とした。

そして、前記で得た脱脂体を表２に示す焼成温度で４時間保持し焼成し、炭化珪素の主相と、硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体である試料Ｎｏ. II−１〜１０を作製した。

得られた各試料について、ＩＣＰ発光分析法を用いて各試料の焼結体を１００質量％としたときの硼素の含有量を測定し、その測定値を表２に示した。なお、本実施例では硼素は全て副相中に含有されるものである。

また、上記各試料の表面を平面研削盤で研削して平面とし、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いてアルミナ製のラップ盤で粗加工した後、同じく平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫製のラップ盤で算術平均高さＲａが０．９８μｍ以下となるように鏡面加工して摺動面とした。この摺動面を、走査型電子顕微鏡を用い倍率５０００倍で副相の形状およびアスペクト比を観察して測定し、その測定値を表２に示した。

また、前記実施例Iと同様にして、球状気孔の比率、主相および副相におけるＳｉおよびＣの比率（原子％）を測定した。その測定値および測定結果を表２に示した。

＜評価＞
別途各試料の３点曲げ強度、ポアソン比、ヤング率、４０〜４００℃における熱膨張係数および熱伝導率を測定した。具体的には、３点曲げ強度（Ｓ）はＪＩＳ Ｒ １６０１−１９９５（対応ISO 14704: 2000またはICS 81.060.30）、ポアソン比（ν）およびヤング率（Ｅ）は、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５（対応ISO 17561: 2002）、４０〜４００℃における熱膨張係数（α）はＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２（対応ISO 17562: 2001）、熱伝導率（ｋ）はＪＩＳ Ｒ １６１１−１９９７にそれぞれ準拠して測定した。

そして、測定して得られた３点曲げ強度（Ｓ）、ポアソン比（ν）、ヤング率（Ｅ）および４０〜４００℃における熱膨張係数（α）をそれぞれ以下の式（３）に当てはめて熱衝撃抵抗係数Ｒを算出した。ついで、算出された熱衝撃抵抗係数Ｒと、前記で測定して得られた熱伝導率（ｋ）とを以下の式（４）に当てはめて熱衝撃抵抗係数Ｒ’算出した。

ここで、熱衝撃抵抗係数Ｒは加熱後、急冷した場合の耐熱衝撃性の指標となる係数である。熱衝撃抵抗係数Ｒ’は、加熱後、比較的緩やかに冷却した場合の耐熱衝撃性の指標となる係数である。いずれの係数も高いほど、耐熱衝撃性が高いと言える。
熱伝導率ｋ、熱衝撃抵抗係数Ｒ’の測定結果は、それぞれ表２に示す通りである。

各試料を構成する炭化珪素質焼結体の気孔率については、アルキメデス法に準拠して測定した。

また、別途リング形状をなす成形体を作製した後、脱脂、焼成を行って焼結体とし、表面を平面研削盤で研削して平面とした後、アルミナ製のラップ盤で粗加工し、錫製のラップ盤で算術平均高さＲａが０．９８μｍ以下となるように鏡面加工して、外径２６ｍｍ、内径１９ｍｍの環状体である試料Ｎｏ．II−１〜１０を得た。これらの試料はいずれも固定リング５ａである。

ついで、上記実施例Ｉで準備した回転リング５ｂと、上記で得た固定リング５ａ（試料Ｎｏ．II−１〜１０）とを回転軸６を通して摺動面１５ａ，１５ｂで当接させ、これらを上記実施例Ｉと同様の摺動条件で摺動させて摩擦係数を測定し、その値を表２に示した。

表２から明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．II−２〜１０は、その副相が粒状であって、アスペクト比も高いことから、熱伝導率、熱衝撃抵抗係数Ｒ’とも高く、熱伝導性および耐熱衝撃性は高いものであった。

特に、アスペクト比が２．５以下である試料Ｎｏ．II−３〜７，９，１０は、その熱伝導率および熱衝撃抵抗係数Ｒ’はさらに高いものであった。

また、硼素の含有量が異なる試料Ｎｏ．II−４〜８を比べると、硼素の含有量が０．２質量％以上０．３質量％である試料Ｎｏ．II−５〜７は、この範囲外である試料Ｎｏ．II−４，８よりもその熱伝導率、熱衝撃抵抗係数Ｒ’ともに高いものであった。

これに対し、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．II−１は、本願の副相の組成から外れた異相が発生して柱状となっており、このような異相はアスペクト比がさらに高いことから、熱伝導率、熱衝撃抵抗係数Ｒ’とも低く、熱伝導性および耐熱衝撃性は低いものであった。

［実施例III］
＜試料の作製＞
まず、炭化珪素粉末に２．５質量％の炭化硼素粉末と、表３に示す添加量の気孔形成剤、気孔分散剤および水を加えボールミルに投入した後、４８時間混合してスラリー化した。このスラリーに成形助剤としてバインダーを添加、混合した後、噴霧乾燥することにより平均粒径８０μｍの炭化珪素の顆粒を準備した。

なお、前記気孔形成剤としては、真円度４μｍ以下、且つ直径１２μｍ以上７５μｍ以下であり、表３に示す如く最大径を有する予め粉砕されたポリスチレンからなる懸濁重合された非架橋性の樹脂ビーズを用いた。また、前記気孔分散剤としては、ポリカルボン酸ナトリウムを用いた。
次に、この混合原料を成形型に充填し、厚み方向に９８ＭＰａの圧力で加圧、成形して所定形状の成形体とした。

得られた成形体を窒素雰囲気中、２０時間で昇温し、６００℃で５時間保持後、自然冷却して脱脂し、脱脂体とした。そして、脱脂体を２０００℃で、４時間保持して焼成し、焼結体である試料Ｎｏ．III−１〜６を得た。

その後、上記各試料の表面を平面研削盤で研削して平面とし、平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いてアルミナ製のラップ盤で粗加工した後、同じく平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫製のラップ盤で算術平均高さＲａが０．９８μｍ以下となるように鏡面加工して摺動面とした。この摺動面を、走査型電子顕微鏡を用い倍率５０００倍で副相の形状を観察した結果、いずれの試料も柱状の副相は観察されず、粒状の副相のみが観察された。

また、前記実施例Iと同様にして、球状気孔の比率、主相および副相におけるＳｉおよびＣの比率（原子％）を測定した。その測定値および測定結果を表３に示した。また、各試料の気孔率は、アルキメデス法に準拠して求めた。

各試料の３点曲げ強度、ポアソン比、ヤング率、４０〜４００℃における熱膨張係数および熱伝導率については、実施例IIに示した方法と同様の方法で測定し、式（４）で規定される熱衝撃抵抗係数Ｒ’を求めた。

また、別途リング形状をなす成形体を作製した後、脱脂、焼成を行って焼結体とし、表面を平面研削盤で研削して平面とした後、アルミナ製のラップ盤で粗加工し、錫製のラップ盤で算術平均高さＲａが０．９８μｍ以下となるように鏡面加工して、外径２６ｍｍ、内径１９ｍｍの環状体である試料を得た。この試料はいずれも固定リング５ａである。

その後、実施例IIで示した条件と同じ条件で摺動させ、摺動中の摩擦係数を測定し、その値を表３に示した。

表３から明らかなように、気孔率が２．５％未満の試料Ｎｏ．III−１は、熱伝導率、耐熱衝撃抵抗係数Ｒ’がともに高く、良好であるが、摩擦係数が高い。また、気孔率が１５％を超える試料Ｎｏ．III−６は摩擦係数が低く、良好であるが、熱伝導率、耐熱衝撃抵抗係数Ｒ’とも低い。

一方、気孔率が２．５％以上１２％以下である試料Ｎｏ．III−２〜５は熱伝導率、耐熱衝撃抵抗係数Ｒ’および摩擦係数のバランスがよく、好適であるといえる。

Claims (13)

1. 炭化珪素を主成分とする主相と、
   該主相とは異なる組成で、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成る副相とを有する炭化珪素質焼結体から成る摺動面を有し、
   該摺動面における気孔径１０μｍ以上の全気孔に対する、真円度６μｍ以下、且つ気孔径１０μｍ以上６０μｍ以下である気孔の比率が６０％以上であることを特徴とする摺動部材。
2. 前記摺動面における前記気孔の比率が７５％以上である請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記摺動面における前記気孔の分散密度が６０個／ｍｍ²以上である請求項１に記載の摺動部材。
4. 前記炭化珪素質焼結体の気孔率は、２．５％以上１２％以下である請求項１に記載の摺動部材。
5. 前記摺動面における各気孔の最大径が１００μｍ以下である請求項１に記載の摺動部材。
6. 前記炭化珪素質焼結体における前記副相は、隣接する主相の粒径よりも小さい請求項１に記載の摺動部材。
7. 前記炭化珪素質焼結体における前記副相は、複数の前記主相間に点在する粒状の結晶相である請求項１に記載の摺動部材。
8. 前記副相のアスペクト比が２．５以下（但し、０を除く）である請求項７に記載の摺動部材。
9. 前記硼素の含有量が前記炭化珪素質焼結体１００質量％に対し、０．２質量％以上０．３質量％以下である請求項７に記載の摺動部材。
10. 請求項１に記載の摺動部材の製造方法であって、
    主成分を成す炭化珪素粉末に、気孔形成剤、該気孔形成剤を分散させる気孔分散剤を添加混合して原料を得る調合工程と、
    前記原料にバインダーを添加して成形用原料を得、該成形用原料を所定形状に成形し成形体を得る成形工程と、
    前記成形体を焼成して炭化珪素質焼結体を得る焼成工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
11. 前記気孔分散剤は、アニオン界面活性剤である請求項１０に記載の摺動部材の製造方法。
12. 請求項１に記載の摺動部材を用いたことを特徴とするメカニカルシールリング。
13. 請求項１２に記載のメカニカルシールリングを用いたことを特徴とするメカニカルシール。

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