JPWO2010001762A1 - Sliding member and mechanical seal - Google Patents
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Abstract
基材とコーティング膜との密着性を向上させ、しかも、耐食性および耐摩耗性に優れる摺動部材およびこれを用いたメカニカルシールを提供すること。高い熱伝導性を有する炭化珪素52と前記炭化珪素よりも軟質なカーボン51との複合材料を含む基材50と、前記基材50の表面に形成され、合成樹脂を含むコーティング膜54と、を有する摺動部材である。To provide a sliding member having improved adhesion between a substrate and a coating film and having excellent corrosion resistance and wear resistance, and a mechanical seal using the sliding member. A base material 50 including a composite material of silicon carbide 52 having high thermal conductivity and carbon 51 softer than silicon carbide; and a coating film 54 formed on the surface of the base material 50 and including a synthetic resin. A sliding member.
Description
本発明は、メカニカルシールなどに用いて好適な摺動部材と、これを用いたメカニカルシールに関し、さらに詳しくは、基材とコーティング膜との密着性を向上させ、しかも耐摩耗性に優れた摺動部材およびこれを用いたメカニカルシールに関する。 The present invention relates to a sliding member suitable for use in a mechanical seal and the like, and a mechanical seal using the same. More specifically, the present invention relates to a sliding member that improves the adhesion between a substrate and a coating film and has excellent wear resistance. The present invention relates to a moving member and a mechanical seal using the same.
メカニカルシールは、各種回転機械の軸封部に使用される代表的な密封(シール)装置である。具体的には、回転軸と共に回転する摺動部材と、回転しない固定側に設けられた摺動部材とが、対面する端面同士で密接摺動することで、被密封流体の漏洩を防いでいる。 The mechanical seal is a typical sealing device used for a shaft seal portion of various rotating machines. Specifically, the sliding member that rotates together with the rotating shaft and the sliding member provided on the fixed side that does not rotate slide closely against each other at the facing end faces, thereby preventing leakage of the sealed fluid. .
たとえば、気体やミストなど雰囲気が乾燥または半乾燥条件で使用されるメカニカルシールの場合、シール液の潤滑性が期待できない。そのため、対面する二材料(回転側摺動部材および固定側摺動部材)のうち、軟質側部材の材料には、自己潤滑性、耐摩耗性等の特徴からカーボン材料や黒鉛、ガラス繊維、炭素繊維等の骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)系材料が一般的に使用されている。一方、硬質側部材の材料には、炭化珪素(SiC)やアルミナ(Al2O3)および超硬合金(タングステンカーバイト)などを使用している。For example, in the case of a mechanical seal in which an atmosphere such as gas or mist is used under dry or semi-dry conditions, the lubricity of the seal liquid cannot be expected. Therefore, of the two materials facing each other (rotating side sliding member and fixed side sliding member), the soft side material is made of carbon material, graphite, glass fiber, carbon, etc. due to its characteristics such as self-lubrication and wear resistance. A tetrafluoroethylene resin (PTFE resin) -based material in which aggregates such as fibers are blended is generally used. On the other hand, silicon carbide (SiC), alumina (Al 2 O 3 ), cemented carbide (tungsten carbide), or the like is used as the material of the hard side member.
しかしながら、軟質側部材の摩耗は時間と共に進み、短時間で寿命となる場合が多く、また、摩耗時に発生した摩耗粉がシールする雰囲気を汚染する場合が見られる。このため、食品や医薬品の製造工程など異物の混入を防ぐ必要がある場合などは、その使用が制限されている問題があった。 However, the wear of the soft side member progresses with time and often reaches the end of its life in a short time, and there are cases where the wear powder generated at the time of wear contaminates the sealing atmosphere. For this reason, there is a problem that its use is restricted when it is necessary to prevent contamination of foreign substances such as in the production process of foods and pharmaceuticals.
この問題を解決すべく、耐摩耗性の向上を目的として、金属材料などに合成樹脂をコーティングした摺動材料も考えられているが、この場合は、コーティングが剥がれた際にかじりが起こる等、摺動性に大きく影響を与えるなどの問題があった。 In order to solve this problem, for the purpose of improving wear resistance, a sliding material in which a synthetic resin is coated on a metal material is also considered, but in this case, galling occurs when the coating is peeled off, There were problems such as greatly affecting the slidability.
特許文献1では、摺動材としての基材表面に、固体潤滑材料を含有させたコーティングを行っていることが開示されている。しかしながら、このようなコーティングでは、基材との密着性に問題があり、コーティング膜の剥離が起こりうると考えられる。 Patent Document 1 discloses that a coating containing a solid lubricating material is performed on the surface of a base material as a sliding material. However, such a coating has a problem in adhesion to the substrate, and it is considered that the coating film can be peeled off.
特許文献2では、摺動部材として、金属製の基材の表面に、フッ素樹脂等を含む樹脂層をコーティングしたものが開示されている。しかしながら、基材として、金属を用いた場合、摺動時に異音が生じるなどの問題があった。
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、基材とコーティング膜とが良好な密着性を有する摺動部材およびこれを用いたメカニカルシールを提供することである。 This invention is made | formed in view of such an actual condition, The objective is to provide the sliding member in which a base material and a coating film have favorable adhesiveness, and a mechanical seal using the same.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、摺動部材の基材として、炭化珪素とカーボンとの複合材料を用いることで、基材表面と、その表面上に形成された、合成樹脂を含むコーティング膜との密着性を向上できることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have used a composite material of silicon carbide and carbon as the base material of the sliding member, thereby forming the base material surface and the surface thereof. As a result, it was found that the adhesion with the coating film containing a synthetic resin can be improved, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明に係る摺動部材は、
炭化珪素とカーボンとの複合材料を含む基材と、
前記基材の表面に形成され、合成樹脂を含むコーティング膜と、を有する。That is, the sliding member according to the present invention is
A substrate comprising a composite material of silicon carbide and carbon;
And a coating film formed on the surface of the base material and containing a synthetic resin.
本発明においては、基材に、炭化珪素(SiC)と、炭化珪素よりも軟質なカーボン材と、の複合材料が含まれている。このような基材の表面には、炭化珪素から構成される凸部と、カーボンから構成される凹部とが適度に形成されており、基材の表面を複雑な網目状の面とすることができる。そして、この表面に合成樹脂を含むコーティング膜を形成することで、炭化珪素から構成される凸部が、コーティング膜に食い込むこととなる。その結果、通常は、密着しづらい基材とコーティング膜との密着性を向上させることができる。 In the present invention, the base material includes a composite material of silicon carbide (SiC) and a carbon material softer than silicon carbide. On the surface of such a base material, convex portions made of silicon carbide and concave portions made of carbon are appropriately formed, and the surface of the base material can be made into a complex network surface. it can. And the convex part comprised from a silicon carbide bites into a coating film by forming the coating film containing a synthetic resin on this surface. As a result, it is possible to improve the adhesion between the substrate and the coating film that are usually difficult to adhere.
なお、合成樹脂は、一般的に、樹脂特有の低熱伝導性、高熱膨張係数などの熱的特性を有しているため、本来、摺動面に好適な材料ではない。しかしながら、上記の炭化珪素が高い熱伝導性を有しているため、摺動面(コーティング膜)に摩擦による熱が発生したとしても、コーティング膜に食い込んだ炭化珪素を通じて容易に放熱される。したがって、合成樹脂の低熱伝導性、高熱膨張係数などの熱的特性は特に問題とはならない。 Synthetic resins generally have thermal characteristics such as low thermal conductivity and high thermal expansion coefficient specific to the resin, and are not inherently suitable for the sliding surface. However, since the above silicon carbide has high thermal conductivity, even if heat is generated by friction on the sliding surface (coating film), heat is easily radiated through the silicon carbide that has bitten into the coating film. Therefore, the thermal characteristics such as low thermal conductivity and high thermal expansion coefficient of the synthetic resin are not particularly problematic.
好ましくは、前記コーティング膜が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK樹脂)を含んでいる。 Preferably, the coating film includes a polyether ether ketone resin (PEEK resin).
コーティング膜に含まれる合成樹脂をPEEK樹脂とすることで、コーティング膜を耐摩耗性および耐食性に優れたものにすることができる。そのため、たとえば、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、PEEK樹脂を含むコーティング膜を摺動面とすることにより、本発明に係る摺動部材は、コーティング膜が剥離することなく、優れた耐食性および耐摩耗性を示すことができる。 By using the PEEK resin as the synthetic resin contained in the coating film, the coating film can be made excellent in wear resistance and corrosion resistance. Therefore, for example, by using a coating film containing PEEK resin as a sliding surface even in an atmosphere of acid, alkali, etc., the sliding member according to the present invention has excellent corrosion resistance and without peeling of the coating film. Abrasion resistance can be shown.
好ましくは、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の表面粗さRaが、0.25μm以上である。 Preferably, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the coating film is to be formed is 0.25 μm or more.
基材表面の表面粗さRaを特定の範囲とすることで、基材とコーティング膜との密着性をさらに向上でき、コーティング膜の剥離を効果的に防止することができる。 By setting the surface roughness Ra of the substrate surface to a specific range, the adhesion between the substrate and the coating film can be further improved, and peeling of the coating film can be effectively prevented.
好ましくは、前記コーティング膜が形成されることとなる前記基材の表面の面積に対して、前記炭化珪素が占める面積の割合が10〜70%である。好ましくは、前記コーティング膜の平均厚みが、0.01〜0.35mmである。 Preferably, the ratio of the area occupied by the silicon carbide is 10 to 70% with respect to the area of the surface of the base material on which the coating film is to be formed. Preferably, the average thickness of the coating film is 0.01 to 0.35 mm.
基材表面の面積に対して、炭化珪素が占める面積の割合やコーティング膜の平均厚みを上記の範囲とすることで、良好な耐摩耗性を維持しつつ、基材とコーティング膜との密着性を向上させることができる。 By adjusting the ratio of the area occupied by silicon carbide to the surface area of the base material and the average thickness of the coating film within the above range, the adhesion between the base material and the coating film is maintained while maintaining good wear resistance. Can be improved.
好ましくは、前記コーティング膜が、さらに、四フッ化エチレン樹脂を含む。四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)は、潤滑剤として機能するため、コーティング膜、すなわち、摺動面における滑り性を向上させ、耐摩耗性をより向上させることができる。 Preferably, the coating film further contains a tetrafluoroethylene resin. Since the tetrafluoroethylene resin (PTFE resin) functions as a lubricant, it can improve the slipping property on the coating film, that is, the sliding surface, and can further improve the wear resistance.
本発明に係るメカニカルシールは、上記のいずれかに記載の摺動部材を、固定用密封環および回転用密封環の双方または一方として有する。本発明の摺動部材は、上記のように、コーティング膜と基材との密着性が良好であり、耐食性および耐摩耗性に優れているため、メカニカルシールにおける密封環として好適である。したがって、本発明に係るメカニカルシールは、酸、アルカリなど耐食性が要求される雰囲気においても、摩耗粉等の異物の混入を効果的に防止することができる。なお、本発明に係るメカニカルシールにおいては、本発明の摺動部材を、固定用、回転用の双方の密封環として用いてもよい。あるいは、固定用密封環として用いてもよいし、回転用密封環として用いてもよい。 The mechanical seal which concerns on this invention has the sliding member in any one of said as a sealing ring for fixation and a sealing ring for rotation. As described above, the sliding member of the present invention has good adhesion between the coating film and the substrate, and is excellent in corrosion resistance and wear resistance. Therefore, the sliding member is suitable as a sealing ring in a mechanical seal. Therefore, the mechanical seal according to the present invention can effectively prevent foreign substances such as wear powder from being mixed even in an atmosphere where corrosion resistance such as acid and alkali is required. In the mechanical seal according to the present invention, the sliding member of the present invention may be used as both a sealing ring and a sealing ring for rotation. Or you may use as a sealing ring for fixation, and may be used as a sealing ring for rotation.
本発明においては、基材が、高い熱伝導性を有する炭化珪素とカーボンとの複合材料を含み、凸部(炭化珪素)と凹部(カーボン)とが適度に形成された網目状の複雑な表面状態を有している。そのため、基材表面に合成樹脂を含むコーティング膜を形成した場合であっても、基材表面の凸部がコーティング膜に食い込み、コーティング膜との密着性が向上された摺動部材を得ることができる。 In the present invention, the base material includes a composite material of silicon carbide and carbon having high thermal conductivity, and the complex surface having a mesh shape in which convex portions (silicon carbide) and concave portions (carbon) are appropriately formed. Have a state. Therefore, even when a coating film containing a synthetic resin is formed on the surface of the base material, it is possible to obtain a sliding member in which the convex portions on the surface of the base material bite into the coating film and the adhesion with the coating film is improved. it can.
特に、コーティング膜に、合成樹脂としてのPEEK樹脂が含まれている場合には、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、耐食性および耐摩耗性に優れる摺動部材を得ることができる。さらに、基材表面の表面粗さRa、基材表面の面積における炭化珪素の占有する面積の割合、コーティング膜の平均厚みなどを上記の好ましい範囲とすることで、基材とコーティング膜との密着性や耐摩耗性などをさらに高めることが可能となる。 In particular, when the coating film contains a PEEK resin as a synthetic resin, a sliding member having excellent corrosion resistance and wear resistance can be obtained even in an atmosphere of acid, alkali, or the like. Furthermore, by making the surface roughness Ra of the substrate surface, the ratio of the area occupied by silicon carbide in the area of the substrate surface, the average thickness of the coating film, and the like within the above preferable ranges, the adhesion between the substrate and the coating film is achieved. It is possible to further improve the performance and wear resistance.
また、本発明によれば、上記の摺動部材を密封環として有するメカニカルシールが得られる。本発明のメカニカルシールは、耐食性が要求されるような雰囲気においても、コーティング膜が剥離せず、しかも耐摩耗性に優れているため、良好な密封性を示す。 Moreover, according to this invention, the mechanical seal which has said sliding member as a sealing ring is obtained. The mechanical seal of the present invention exhibits good sealing properties because the coating film does not peel off and is excellent in wear resistance even in an atmosphere where corrosion resistance is required.
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
摺動部材
本発明の摺動部材は、基材と、基材の表面に形成されたコーティング膜とを含むものである。 Sliding member The sliding member of the present invention includes a base material and a coating film formed on the surface of the base material.
基材
本発明の摺動部材を構成する基材は、高い熱伝導性を有し、かつ非常に硬い炭化珪素(SiC)と、炭化珪素よりも軟質なカーボンとの複合材料を含む。 Base Material The base material constituting the sliding member of the present invention includes a composite material of silicon carbide (SiC) having high thermal conductivity and extremely hard silicon carbide and silicon carbide.
このような炭化珪素(SiC)とカーボンとの複合材料としては、約1500℃の不活性雰囲気において、カーボンが有する複雑形状の気孔に、金属シリコンを溶融含浸させ反応させた、反応焼結型のSiC・カーボン複合材を基材として用いることが特に好ましい。 As such a composite material of silicon carbide (SiC) and carbon, a reactive sintering type in which metal silicon is melt-impregnated and reacted in pores having a complicated shape of carbon in an inert atmosphere at about 1500 ° C. It is particularly preferable to use a SiC / carbon composite as a base material.
反応焼結型SiC・カーボン複合材を基材として用いた場合、後述するように、基材表面に、非常に硬いSiCから構成される凸部と、カーボンから構成される凹部と、を形成することができる。このような凹凸部が存在することにより、基材表面が複雑な網目状となる。その結果、基材表面にコーティング膜を形成した場合には、凸部がコーティング膜に食い込み、基材とコーティング膜との密着性を向上させることができる。 When a reaction sintered SiC / carbon composite material is used as a base material, as will be described later, a convex portion made of extremely hard SiC and a concave portion made of carbon are formed on the surface of the base material. be able to. Due to the presence of such concavo-convex portions, the surface of the substrate has a complicated network shape. As a result, when the coating film is formed on the surface of the base material, the convex portion bites into the coating film, and the adhesion between the base material and the coating film can be improved.
コーティング膜
本発明の摺動部材を構成するコーティング膜は、少なくとも合成樹脂を有している。合成樹脂は、低熱伝導性や高熱膨張係数といった熱的特性を有しているため、摺動による熱が発生する摺動面に対して用いた場合、摺動特性に劣るという問題を抱えている。 Coating film The coating film which comprises the sliding member of this invention has a synthetic resin at least. Synthetic resins have thermal properties such as low thermal conductivity and a high coefficient of thermal expansion, and therefore have a problem of poor sliding properties when used on sliding surfaces where heat is generated by sliding. .
しかしながら、本発明においては、上記の凹凸部を有する基材の表面に、合成樹脂を含むコーティング膜を形成することで、摺動によりコーティング膜(摺動面)に発生した摩擦熱を、コーティング膜に食い込んだ基材表面の凸部(SiC)が効果的に放熱する。そのため、熱によるコーティング膜の変形はほぼ無視できる状態となり、合成樹脂の熱的特性が問題になることはない。さらには、熱によるコーティング膜の軟化に伴う凝着状態での滑り性も向上され、摩耗粉の排出も改善される。 However, in the present invention, by forming a coating film containing a synthetic resin on the surface of the base material having the above-described uneven portion, the frictional heat generated on the coating film (sliding surface) by sliding is applied to the coating film. The protrusions (SiC) on the surface of the base material that have penetrated into the substrate effectively radiate heat. Therefore, the deformation of the coating film due to heat becomes almost negligible, and the thermal characteristics of the synthetic resin do not become a problem. Furthermore, the slipperiness in the adhesion state accompanying the softening of the coating film by heat is improved, and the discharge of wear powder is also improved.
本実施形態では、合成樹脂としてポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK樹脂)を用いる。PEEK樹脂は、耐食性および耐摩耗性に優れているからである。PEEK樹脂を用いることにより、酸、アルカリなどの雰囲気下においても、良好な耐食性および耐摩耗性を有する摺動部材を得ることができる。 In the present embodiment, polyether ether ketone resin (PEEK resin) is used as the synthetic resin. This is because the PEEK resin is excellent in corrosion resistance and wear resistance. By using the PEEK resin, a sliding member having good corrosion resistance and wear resistance can be obtained even in an atmosphere of acid, alkali or the like.
また、本実施形態では、コーティング膜に、さらに、四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)が含まれていてもよい。PTFE樹脂は、固体潤滑材であり、コーティング膜に含まれていることにより、摺動面における滑り性を向上させ、耐摩耗性を向上させることができる。固体潤滑材としては、PTFE樹脂のほかに、MoS2(二硫化モリブデン)、黒鉛粉などを用いてもよい。In the present embodiment, the coating film may further contain a tetrafluoroethylene resin (PTFE resin). PTFE resin is a solid lubricant, and by being contained in the coating film, it can improve the slipperiness on the sliding surface and improve the wear resistance. As the solid lubricant, in addition to PTFE resin, MoS 2 (molybdenum disulfide), graphite powder, or the like may be used.
PTFE樹脂の含有量は、コーティング膜に含まれる合成樹脂100重量%に対して、好ましくは5〜25重量%、より好ましくは10〜15重量%である。含有量が少なすぎると、滑り性を向上させる効果が得られない傾向にあり、多すぎると、コーティング膜の硬度を低下させ、異物による傷が発生しやすい傾向にある。 The content of the PTFE resin is preferably 5 to 25% by weight and more preferably 10 to 15% by weight with respect to 100% by weight of the synthetic resin contained in the coating film. If the content is too small, the effect of improving the slipperiness tends not to be obtained. If the content is too large, the hardness of the coating film is lowered and scratches due to foreign matters tend to occur.
このコーティング膜を、基材(SiC・カーボン複合材)の表面に形成する過程を、図1を用いて説明する。図1(A)は、基材50の模式的な断面図である。図1(A)に示すように、基材50は、カーボン51中に複雑形状のSiC52が分散している。次に、この基材50において、コーティング膜を形成されることとなる面の表面粗さRaを調整する。
The process of forming this coating film on the surface of the substrate (SiC / carbon composite material) will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the
表面粗さRaを調整する方法としては、特に制限されないが、たとえば、油や水中にSiC粒子やアルミナ(Al2O3)粒子を分散させた研磨液によりラップする方法や、セラミック粒子を用いたショットブラストを行う方法などが挙げられる。この場合の研磨粒子は、炭化珪素より軟らかく、かつ、カーボンより硬いものが好ましい。The method for adjusting the surface roughness Ra is not particularly limited. For example, a method of lapping with a polishing liquid in which SiC particles or alumina (Al 2 O 3 ) particles are dispersed in oil or water, or ceramic particles is used. A method of performing shot blasting can be mentioned. In this case, the abrasive particles are preferably softer than silicon carbide and harder than carbon.
本実施形態では、図1(A)に示すように、点線部分まで基材50を研磨液によりラップする。そうすると、図1(B)に示すように、比較的に軟らかいカーボン51は研磨、除去され、凹部を形成する。一方、硬いSiC52はあまり研磨されず、ラップ面に鉤状の凸部を形成するように残る。このようにして、基材表面を複雑な網目状とすることができ、この凹部と凸部との大きさから、表面粗さRaを算出することができる。
In this embodiment, as shown to FIG. 1 (A), the
表面粗さRaは、好ましくは0.25μm以上、より好ましくは0.50μm以上である。また、Raの上限値としては、5μm以下であることが好ましい。Raの値が小さすぎると、基材とコーティング膜との密着性を向上させることができない傾向にある。一方、Raが大きすぎると、SiC凸部がカーボン部より脱落しやすくなり、逆に密着性が劣る傾向にある。 The surface roughness Ra is preferably 0.25 μm or more, more preferably 0.50 μm or more. Moreover, as an upper limit of Ra, it is preferable that it is 5 micrometers or less. If the value of Ra is too small, the adhesion between the substrate and the coating film tends not to be improved. On the other hand, if Ra is too large, the SiC convex portion tends to drop off from the carbon portion, and conversely, the adhesion tends to be inferior.
次いで、上記の表面粗さRaを有する面上に、PEEK樹脂を有するコーティング膜54を形成する。形成する方法は特に制限されないが、たとえば、粉体による方法や、溶液分散型(ディスパージョン)の方法などが挙げられる。図1(C)に示すように、形成されたコーティング膜54に、鉤状のSiC52(凸部)がコーティング膜に食い込むこととなる。したがって、基材50とコーティング膜54とが複雑に噛み合って接合され、基材50とコーティング膜54との密着性を向上させることができる。
Next, a
特に、基材として、上述した反応焼結型のSiC・カーボン複合体を用いると、その表面に形成される凸部のSiCをより複雑な鉤状とすることができ、凹凸部が分散して存在し、非常に複雑な網目状の面が得られる。その結果、密着性の向上が顕著となる。さらに、SiCとコーティング膜との接触面積が増えるため、放熱効果も高くなる。 In particular, when the above-described reaction sintered type SiC / carbon composite is used as the base material, the convex SiC formed on the surface can be made more complex, and the uneven portions are dispersed. It exists and a very complex mesh surface is obtained. As a result, the improvement in adhesion becomes remarkable. Furthermore, since the contact area between SiC and the coating film increases, the heat dissipation effect is also enhanced.
コーティング膜の平均厚みは、好ましくは0.01〜0.35mm、より好ましくは0.02〜0.25mmである。平均厚みの値が小さすぎると、凸部である炭化珪素がコーティング膜の表面に露出し好ましくない傾向にある。一方、平均厚みの値が大きすぎると、炭化珪素を通じた放熱が阻害され、摩耗粉の排出が悪くなり、結果として、耐摩耗性が悪化する傾向にある。 The average thickness of the coating film is preferably 0.01 to 0.35 mm, more preferably 0.02 to 0.25 mm. When the value of the average thickness is too small, silicon carbide which is a convex portion tends to be undesirably exposed on the surface of the coating film. On the other hand, if the value of the average thickness is too large, heat dissipation through silicon carbide is hindered, and wear powder discharge becomes worse, with the result that wear resistance tends to deteriorate.
メカニカルシール
次に、本発明に係るメカニカルシールを図面に基づいて、詳細に説明する。図2は、本発明の摺動部材を用いた、本実施形態に係るメカニカルシールおよびその試験装置の断面図である。 Mechanical seal Next, the mechanical seal according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view of a mechanical seal and its test apparatus according to this embodiment using the sliding member of the present invention.
図2において、メカニカルシール1は、回転軸20の外周側を包囲するハウジング30の内周にOリング31を介して保持されている。メカニカルシール1のシール部は、回転用密封環2と固定用密封環3とから構成されている。本実施形態では、このメカニカルシール1が有する回転用密封環2および固定用密封環3は、本発明の摺動部材により構成されている。ただし、回転用または固定用の一方の密封環が、本発明の摺動部材により構成されていてもよい。
In FIG. 2, the mechanical seal 1 is held via an O-
回転用密封環2は、内周面が回転軸20と摺動自在に嵌通する嵌合面に形成されている。そして、この嵌合面の一端側には、Oリング用段部が形成されている。このOリング用段部にOリング24が装着されて回転用密封環2と回転軸20との嵌合面間をシールしている。
The
さらに、回転用密封環2のOリング用段部に設けられたOリング24を一方から保持する断面L形状の中間リング21が、回転軸20に摺動自在に嵌合した状態で配置されている。この中間リング21は、Oリング24に固着されたガイドピンを軸方向自在に嵌合するとともに、周方向には、係止状態に係合している。また、中間リング21は、回転軸20の円周方向に等配に配置された複数のばね22より押圧されている。複数のばね22は、Oリング24に設けられた各ばね取付用穴に着座して他端が中間リング21を介して回転用密封環2を弾性的に押圧している。その結果、回転側摺動面2aと固定側摺動面3aとが摺動可能に密接するよう接面されている。Oリング24は、止めねじにより回転軸20に止められており、中間リング21と回転用密封環2とが回動しないように、ガイドピンおよび回転止めピンを介して保持している。
Further, an
固定用密封環3には、回転軸20に嵌合する内周面が設けられているとともに、その先端に固定側摺動面3aを設けた凸部が形成されている。そして、この固定用密封環3には、ハウジング30の取付段部に嵌着状態で取り付けられる嵌着面が設けられている。さらに、固定用密封環3には、取付段部に設けられた支持面に当接して、回転用密封環2の回転側摺動面2aに摺動可能に密接している固定側摺動面3aを支持する背面が設けられている。また、ハウジング30の取付段部には、Oリング用溝が設けられているとともに、このOリング用溝にOリング31を取り付けて両者嵌合間をシールしている。
The fixing
本発明のメカニカルシール1は、回転用密封環2および固定用密封環3の双方または一方が、本発明の摺動部材により構成されていることにより、酸、アルカリ雰囲気など耐食性が要求される雰囲気においても、良好な耐摩耗性を発揮することができる。
The mechanical seal 1 of the present invention has an atmosphere in which corrosion resistance such as an acid or alkali atmosphere is required because both or one of the sealing
特に、回転用密封環2および固定用密封環3の双方が、本発明の摺動部材により構成されたメカニカルシール1は以下の利点を有している。すなわち、回転用および固定用密封環の双方を、本発明の摺動部材で構成することにより、どちらか一方のみが摩耗してしまう事態が起こりにくくなる。さらに、コーティング膜の成分が同一であるため、コーティング膜同士(回転側摺動面2aおよび固定側摺動面3a)の摺動によって生じる摺動痕の凹凸が噛み合った状態で摺動する。そのため、平滑な面同士が摺動する場合に比較して、密封性が向上する。また、摺動していない状態では、噛み合った面におけるコーティング膜の弾性変形とわずかな反発により、噛み合った面がより密着することとなる。
In particular, the mechanical seal 1 in which both the
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described based on further detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
基材として、SiC・カーボン複合体、カーボン単体、SiC単体、SUS304を準備した。SiC・カーボン複合体は、1500℃の真空雰囲気下において、カーボンに金属シリコンを含浸反応させた反応焼結型とし、研磨後の表面(コーティング前)におけるSiCとカーボンの占める面積が表1に示す値になるように調整した。カーボンとしては、硬度105の炭素黒鉛質を用いた。SiCとしては常圧焼結させたものを用いた。 Example 1
As a base material, a SiC / carbon composite, a carbon simple substance, a SiC simple substance, and SUS304 were prepared. The SiC / carbon composite is a reaction sintered type in which carbon is impregnated with carbon in a vacuum atmosphere at 1500 ° C., and the area occupied by SiC and carbon on the polished surface (before coating) is shown in Table 1. It adjusted so that it might become a value. As the carbon, carbon graphite having a hardness of 105 was used. As the SiC, one sintered at normal pressure was used.
次いで、SiC・カーボン複合体、カーボン単体、SiC単体に対しては、その表面をGC1000のSiC粒子を含んだオイルスラリーで研磨し、表面粗さRaを調整して、脱脂後乾燥した。SUS304材については、ショットブラストにより、表面粗さRaの調整を行った。コーティング前の基材表面の表面粗さRaを表1に示す。また、図3は、試料番号3についてのRaの測定データを示している。図3より、凸部が多く形成されていることが確認できる。 Subsequently, the surface of the SiC / carbon composite, carbon simple substance, and SiC simple substance was polished with an oil slurry containing SiC particles of GC1000, the surface roughness Ra was adjusted, and after degreasing, it was dried. For the SUS304 material, the surface roughness Ra was adjusted by shot blasting. Table 1 shows the surface roughness Ra of the substrate surface before coating. FIG. 3 shows Ra measurement data for Sample No. 3. From FIG. 3, it can be confirmed that many convex portions are formed.
次いで、表面粗さRaの調整を行った面に対して、PEEK樹脂を含んだディスパージョンを用いて、スプレーコーティングし、コーティング膜(摺動面)を形成し熱処理を行った。その後、コーティング膜を、平均粒度6μmのダイアモンドスラリーでラップし平滑に仕上げて、摺動部材(回転用密封環および固定用密封環)を作製した。なお、コーティング膜の平均厚みは0.06mmとなるようにした。 Subsequently, the surface on which the surface roughness Ra was adjusted was spray-coated using a dispersion containing PEEK resin to form a coating film (sliding surface) and subjected to heat treatment. Thereafter, the coating film was lapped with a diamond slurry having an average particle size of 6 μm and finished smooth to produce a sliding member (sealing ring for rotation and sealing ring for fixing). The average thickness of the coating film was set to 0.06 mm.
得られた摺動部材を、図2に示すメカニカルシールの試験装置に装着して下記に示す評価を行った。なお、回転用密封環は、サイズがφ56.5×φ77×26.5mmであり、回転側摺動面がφ56.5×φ75mmの同心円状とした。また、固定用密封環は、サイズがφ56×φ80×27mmであり、固定側摺動面がφ58.6×φ66.1mmの同心円状とした。 The obtained sliding member was mounted on a mechanical seal test apparatus shown in FIG. 2 and evaluated as follows. The rotation sealing ring was concentric with a size of φ56.5 × φ77 × 26.5 mm and a rotation-side sliding surface of φ56.5 × φ75 mm. The fixing sealing ring has a concentric shape with a size of φ56 × φ80 × 27 mm and a fixed sliding surface of φ58.6 × φ66.1 mm.
摺動試験
図2に示すメカニカルシール試験装置により、回転摺動試験を行った。試験条件は回転数:300rpm、シール部の雰囲気:窒素雰囲気、シール部の圧力:0.2MPa、試験時間:100時間とした。評価は、100時間経過後の回転側摺動面および固定側摺動面の摩耗量、固定側摺動面の直下1mmの温度、摺動試験時の異音の有無、について行った。結果を表1に示す。 Sliding test A rotating sliding test was performed by a mechanical seal test apparatus shown in FIG. The test conditions were: rotation speed: 300 rpm, seal portion atmosphere: nitrogen atmosphere, seal portion pressure: 0.2 MPa, test time: 100 hours. The evaluation was performed for the amount of wear on the rotating side sliding surface and the stationary side sliding surface after 100 hours, the temperature of 1 mm immediately below the stationary side sliding surface, and the presence or absence of abnormal noise during the sliding test. The results are shown in Table 1.
剥離試験
上記の摺動試験後の回転用密封環を、0.2MPa−120℃の熱水中に1時間浸漬した。その後、40℃以下に冷却し、乾燥させた後に、目視にて、コーティング膜の剥離の有無を観察評価した。結果を表1に示す。 Peeling test The sealing ring for rotation after the sliding test was immersed in hot water of 0.2 MPa-120 ° C for 1 hour. Then, after cooling to 40 ° C. or lower and drying, the presence or absence of peeling of the coating film was visually evaluated. The results are shown in Table 1.
表1より、基材がカーボン単体である試料(試料番号1)、基材がSiC単体である試料(試料番号5)は、剥離試験において剥離が生じた。また、基材をSUS304材とした試料(試料番号6)は、剥離は生じなかったものの、摺動試験時に、キーキーという摺動音(異音)が発生しており、良好な結果は得られなかった。また、コーティング前の表面粗さRaが、本発明の好ましい範囲外である場合(試料番号7、8)には、剥離試験において剥離が生じた。 From Table 1, peeling occurred in the peel test in the sample (sample number 1) in which the base material is a simple carbon material and in the sample (sample number 5) in which the base material is a simple SiC material. In addition, the sample (sample No. 6) having the base material made of SUS304 did not cause peeling, but a sliding sound (abnormal noise) called a key was generated during the sliding test, and good results were obtained. There wasn't. Further, when the surface roughness Ra before coating was outside the preferred range of the present invention (Sample Nos. 7 and 8), peeling occurred in the peeling test.
実施例2
コーティング膜の平均厚みを表2に示す値とした以外は、試料番号3と同様にして、回転用密封環および固定用密封環を作製し、実施例1と同様の評価を行った(試料番号11〜16)。 Example 2
Except that the average thickness of the coating film was changed to the value shown in Table 2, a sealing ring for rotation and a sealing ring for fixing were prepared in the same manner as in Sample No. 3, and the same evaluation as in Example 1 was performed (Sample No. 11-16).
また、PEEK樹脂に平均粒径20μmの四フッ化エチレン樹脂(PTFE樹脂)を表2に示す量を配合して、ディスパージョンを作製した。そして、これを用いてコーティング膜を形成した以外は、試料番号3と同様にして、回転用密封環および固定用密封環を作製し、実施例1と同様の評価を行った(試料番号17〜19)。
Further, a dispersion was prepared by blending PEEK resin with an amount of tetrafluoroethylene resin (PTFE resin) having an average particle diameter of 20 μm shown in Table 2. And except having formed the coating film using this, it carried out similarly to sample
さらに、PEEK樹脂の代わりに、PAI(ポリアミドイミド)またはエポキシ樹脂を用い、PTFE樹脂を10%配合して、ディスパージョンを作製した。そして、これを用いてコーティング膜を形成した以外は、試料番号3と同様にして、回転用密封環および固定用密封環を作製し、実施例1と同様の評価を行った(試料番号20および21)。結果を表2に示す。なお、表2の試料番号13は、表1の試料番号3と同じである。
Furthermore, instead of PEEK resin, PAI (polyamideimide) or epoxy resin was used and 10% of PTFE resin was blended to prepare a dispersion. Then, a rotating seal ring and a fixing seal ring were produced in the same manner as in
また、表2の試料番号18、20および21については、下記に示す耐腐食性(酸性、アルカリ性)に対する剥離試験を行った。
Moreover, about the
剥離試験
試料番号18、20および21の摺動試験後の回転用密封環を、1規定−60℃の水酸化ナトリウム(NaOH)中に200時間浸漬した。また、同様に、摺動試験後の回転用密封環を、1規定−60℃の塩酸(HCl)中に200時間浸漬した。その後、40℃以下に冷却し、乾燥させた後に、目視にて、コーティング膜の剥離の有無を観察評価した。結果を表2に示す。 Peeling test The sealing ring for rotation after the sliding test of
表2より、コーティング膜の平均厚みが、本発明の好ましい範囲内である場合(試料番号11〜16)には、耐摩耗性に優れ、かつ、120℃の熱水に対する剥離試験において、剥離を生じなかった。 From Table 2, when the average thickness of the coating film is within the preferred range of the present invention (Sample Nos. 11 to 16), it is excellent in abrasion resistance and peeled off in a peeling test against 120 ° C. hot water. Did not occur.
また、潤滑性を高めるPTFE樹脂をコーティング膜に含有させることで、良好な密着性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。しかしながら、コーティング膜の硬度が低くなる傾向にあるため、試験後の摺動面においてスジ状痕が観察された。そのため、PTFE樹脂の添加量は少ない方が好ましいことが確認できた(試料番号17〜19)。 In addition, by including PTFE resin that enhances lubricity in the coating film, it is possible to improve wear resistance while maintaining good adhesion. However, since the hardness of the coating film tends to be low, streak-like marks were observed on the sliding surface after the test. Therefore, it was confirmed that the addition amount of PTFE resin is preferably small (sample numbers 17 to 19).
さらに、コーティング膜の樹脂として、PEEK樹脂の代わりに、PAIおよびエポキシ樹脂を用いた場合には、摩耗量、摺動時の温度、耐腐食性に劣る傾向にあった(試料番号18、20および21)。したがって、コーティング膜に含まれる合成樹脂としては、PEEK樹脂が好ましいことが確認できた。 Further, when PAI and epoxy resin were used as the coating film resin instead of PEEK resin, the wear amount, sliding temperature, and corrosion resistance tended to be inferior (Sample Nos. 18, 20 and 21). Therefore, it was confirmed that PEEK resin is preferable as the synthetic resin contained in the coating film.
実施例3
固定用密封環および回転用密封環を、表3に示す摺動部材により構成した以外は、実施例1と同様にして、摺動部材を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表3に示す。 Example 3
A sliding member was produced in the same manner as in Example 1 except that the fixing sealing ring and the rotating sealing ring were constituted by the sliding members shown in Table 3, and the same evaluation as in Example 1 was performed. The results are shown in Table 3.
表3より、固定用密封環および回転用密封環を、本発明の摺動部材で構成しなかった場合には、耐摩耗性が悪化した。しかも、試料23および24については、摺動試験時に異音が発生した。
From Table 3, when the sealing ring for fixing and the sealing ring for rotation were not constituted by the sliding member of the present invention, the wear resistance deteriorated. In addition,
50…基材
51…カーボン
52…SiC
54…コーティング膜50 ...
54 ... Coating film
Claims (7)
前記基材の表面に形成され、合成樹脂を含むコーティング膜と、を有する摺動部材。A substrate comprising a composite material of silicon carbide and carbon;
A sliding member having a coating film formed on the surface of the base material and containing a synthetic resin.
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