KR101318428B1

KR101318428B1 - 메카니컬 실링장치, 슬라이딩부품 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101318428B1
Application number: KR1020077024122A
Authority: KR
Inventors: 마사미 미야자와
Original assignee: 이글 고오교 가부시키가이샤
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2013-10-15
Also published as: CN100567779C; US8440295B2; JPWO2006115118A1; EP1873429B1; EP1873429A4; US20090022973A1; WO2006115118A1; JP5107702B2; EP1873429A1; CN101163910A; KR20080015394A

Abstract

슬라이딩면을 가지는 슬라이딩부품으로서, 상기 슬라이딩면으로 이루어진 기재상에는 수지층이 형성되어 있으며, 상기 수지층은 그 표면에 복수의 기공부를 가짐과 동시에 상기 기공부 내에는 불소화 오일이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩부품. 바람직하기로는 상기 수지층은 제1수지와, 상기 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 함유하며, 상기 수지층의 기공부는 상기 수지층을 상기 제1수지의 융점 이상, 상기 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열함으로써 형성되는 기공부로서, 또한 상기 수지층을 연마함으로써 상기 수지층의 표면으로 노출된 기공부이다.

Description

메카니컬 실링장치, 슬라이딩부품 및 그 제조방법{MECHANICAL SEAL DEVICE, SLIDING PART, AND METHOD OF PRODUCING THE SLIDING PART}

본 발명은 슬라이딩부품 및 그 제조방법, 및 이 슬라이딩부품을 가지는 메카니컬 실링장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 내부식성을 가지며 내마모성이 우수하고 건조 윤활 조건하에서도 슬라이딩시의 울림 발생 및 슬라이딩면의 마모를 유효하게 방지할 수 있는 슬라이딩부품 및 그 제조방법, 및 이 슬라이딩부품을 가지는 메카니컬 실링장치에 관한 것이다.

메카니컬 실링장치는 한쌍의 슬라이딩부품이 각각의 실링면을 통해 밀접 슬라이딩함으로써 유체를 밀봉하는 것이다. 그 때문에 이 메카니컬 실링장치에 이용되는 슬라이딩부품으로서는 저마찰성 및 내마모성이 우수한 재료가 선택되고 있다. 특히 슬라이딩면 사이에 유체윤활막이 공급되지 않는 무윤활상태에서 슬라이딩되는 슬라이딩부품에는 우수한 자기윤활성 및 내마모성이 요구되고 있다. 이러한 무윤활상태에서 슬라이딩되는 슬라이딩부품으로서는 종래로부터 예를 들어 카본재료나 각종 재료(예를 들어 흑연, 유리섬유, 탄소섬유, 금속분말 등)를 골재로서 배합한 4불화에틸렌수지재료가 이용되고 있다.

한편, 상기 슬라이딩부품을 구성하는 재료로서 카본재료를 사용한 경우에는 진공 중, 환원가스 중, 혹은 노점온도가 낮은 건조공기 중 등의 분위기에서는 카본의 윤활성이 상실되어 버리므로 현저히 마모되어 버리는 경우가 있다.

또한 상기 슬라이딩부품을 구성하는 재료로서는 골재를 배합한 4불화에틸렌수지재료를 사용한 경우라도 카본재료와 비교하여 상기 각 분위기에 따른 영향은 비교적 작기는 하지만 여전히 마모가 발생되어 버린다.

특히 식품이나 의약품의 제조과정에서 사용되는 교반기 등에 있어서는 위생면이나 제품의특성에 대한 영향이라는 관점에서 이물질의 침입을 극력 방지할 필요가 있다. 그 때문에 이러한 교반기 등에 사용되는 메카니컬 실링장치에는 제품에의 마모가루(이물질)의 혼입을 극력 방지하기 위해, 무윤활 상태에서도 슬라이딩부품의 마모를 극히 작게 하는 것이 요구되고 있다.

그 때문에 마모가루의 발생을 적게 하기 위해 이러한 골재를 배합한 4불화에틸렌수지로이루어지는 슬라이딩부품에 있어서 배합할 골재의 종류나 배합비율에 관해 여러 검토가 거듭되어 내마모성의 향상이 시도되고 있다(예를 들어 특허문헌 1).

그러나 골재를 배합한 4불화에틸렌수지 슬라이딩재료에 있어서는 그 윤활성을 유지하기 위해서는 내마모성이 낮은 4불화에틸렌수지의 함유량을 70% 미만으로 하는 것은 곤란하며, 따라서 내마모성의 향상에는 한계가 있었다. 그 때문에 상기와 같은 식품이나 의약품 등의 제조과정에서 사용되는 각종 기기의 슬라이딩부품으로서 사용할 수 없었다.

한편 근래에는 카본 등의 자기윤활물질을 배합한 세라믹이나 금속재를 무윤활에서의 슬라이딩부품으로서 사용하는 경우도 있는데, 진공상태, 가압상태라는 조건이 반복되는 경우에는 슬라이딩면의 "긁힘(galling)"이나 윤활불량에 기인하는 울림음 등이 발생하고, 또한 마모가루의 발생도 일어나고 있었다. 그 때문에 슬라이딩면에 홈을 마련함으로써 슬라이딩시에 있어서 슬라이딩면 사이에 기체막이 형성되도록 하여, 슬라이딩부품의 부담을 경감하는 시도도 이루어져 있다(예를 들어 특허문헌 2). 그러나 이와 같이 슬라이딩면에 홈을 마련한 경우에 있어서도 저속 회전 조건이나 상술한 바와 같이 진공상태, 가압상태가 반복되는 조건에서는 충분한 효과가 발휘되지 않았다.

특허문헌 1 : 특허공개2001-26792호 공보

특허문헌 2 : 특허공개평 5-60247호 공보

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 내부식성을 가지며 윤활유 또는 액체가 존재하지 않는 분위기나 윤활성을 기대할 수 없는 건조 윤활 조건하에서도 슬라이딩시의 울림 발생을 유효하게 방지할 수 있으며, 게다가 내마모성이 우수하며 마모가루의 발생이 극히 적은 슬라이딩부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 그리고 본 발명은 이러한 슬라이딩부품을 가지며, 건조 윤활 조건하에서도 바람직하게 사용가능한 메카니컬 실링장치를 제공하는 것도 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 슬라이딩부품은,

슬라이딩면을 가지는 슬라이딩부품으로서,

상기 슬라이딩면이 되는 기재(基材)상에는 수지층이 형성되어 있으며,

상기 수지층은 그 표면에 복수의 기공부를 가짐과 동시에 상기 기공부 내에는 불소화 오일이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 슬라이딩부품에 있어서, 바람직하기로는 상기 수지층은 제1수지와, 상기 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 함유한다.

본 발명의 슬라이딩부품에 있어서, 바람직하기로는 상기 수지층의 기공부는 상기 수지층을 상기 제1수지의 융점 이상, 상기 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열함으로써 형성되는 기공부로서,

또한 상기 수지층을 연마함으로써 상기 수지층의 표면으로 노출된 기공부이다.

본 발명의 슬라이딩부품에 있어서, 바람직하기로는

상기 제1수지가 4불화에틸렌수지 및/또는 그 변성물(變性物) 이며, 상기 제2수지가 폴리아미드이미드수지 및/또는 폴리이미드수지이며,

상기 수지층 전체 100중량%에 대한 상기 제1수지의 함유량이 5~55중량%이다.

본 발명의 슬라이딩부품에 있어서, 바람직하기로는 상기 불소화 오일이 탄소원자, 불소원자, 산소원자로 이루어지는 퍼플루오로폴리에테르 및/또는 그 변성물이다.

본 발명의 슬라이딩부품에 있어서, 바람직하기로는 상기 기재가 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종이다.

본 발명의 슬라이딩부품의 제조방법은,

기재상의 슬라이딩면이 되는 부분에 제1수지와 상기 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 함유하는 수지층을 형성하는 공정과,

상기 수지층을 상기 제1수지층의 융점 이상, 상기 제2수지층의 융점 미만의 온도로 가열하고 상기 제1수지를 용융시킴으로써, 수지의 수축 및 약간의 유동이 발생하여 주로 상기 제1수지와 제2수지의 계면(界面) 및 상기 수지층 내에 복수의 기공부를 형성하는 공정과,

상기 수지층의 표면을 연마하여 복수의 상기 기공부 중 적어도 일부를 표면에 노출시키는 공정과,

상기 노출된 기공부에 불소화 오일을 함유시키는 공정을 가진다.

본 발명의 슬라이딩부품의 제조방법에 있어서, 바람직하기로는

상기 제1수지가 4불화에틸렌수지 및/또는 그 변성물이며, 상기 제2수지가 폴리아미드이미드수지 및/또는 폴리이미드수지이며,

상기 불소화 오일이 탄소원자, 불소원자, 산소원자로 이루어진 퍼플루오로폴리에테르 및/또는 그 변성물이다.

상기 기재가 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종이다.

본 발명의 메카니컬 실링장치는,

한쌍의 슬라이딩부품을 맞대어 실링하는 메카니컬 실링장치로서,

상기 각 슬라이딩부품이 상기 본 발명의 슬라이딩부품 또는 상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 슬라이딩부품으로 구성된다.

본 발명의 슬라이딩부품에 따르면, 슬라이딩면을 복수의 기공부를 가지는 수지층으로 형성함과 동시에, 이 기공부에는 윤활유로서의 불소화 오일이 함유(含油)되어 있다. 그 때문에 건조 윤활 조건하에서도 슬라이딩면의 마모를 유효하게 방지할 수 있음과 동시에, 마모가루의 발생도 극히 적게 할 수 있으며, 이러한 건조 윤활 조건에서 사용되는 메카니컬 실링장치용의 슬라이딩부품으로서 바람직하게 이용할 수 있다.

상기 기공부에 함유되는 불소화 오일은 내식성이 우수한 오일이므로, 이러한 불소화 오일을 슬라이딩면에 함유시킴으로써 슬라이딩면의 내부식성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 슬라이딩부품에 있어서는 바람직하기로는 수지층을 제1수지와 이 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지로 구성하고, 게다가 이 수지층을 제1수지의 융점 이상, 제2수지의 융점 미만으로 가열함으로써, 상기 기공부를 형성한다. 그 때문에 제2수지를 고체상태로 한 채 제1수지만을 용융시킬 수 있으며, 이 제1수지를 용융시킴으로써 제1수지와 제2수지의 계면을 중심으로 치밀한 기공부를 복수 형성할 수 있다(제1수지의 용융은 무부하이므로 큰 유동은 발생하지 않는다).

그리고 본 발명에 있어서는 수지층 내에 치밀한 기공부를 형성한 후에 수지층을 연마하고, 이 치밀한 기공부를 수지층 표면으로 노출시켜, 노출된 기공부에 상기 불소화 오일을 함유시킨다. 그리고 이 함유된 불소화 오일은 미세한 기공부에 함유되어 있으므로, 이 기공부 내에 장기간 흡착시켜 둘 수 있다. 그 때문에 본 발명의 슬라이딩부품을 건조 윤활 조건에서 사용한 경우에 있어서도 함유된 불소화 오일이 기공부로부터 유출되지 않고 장기간에 걸쳐 안정적인 사용이 가능해진다.

또한 본 발명의 메카니컬 실링장치는 슬라이딩부품으로서 상기 특성을 가지는 본 발명의 슬라이딩부품을 가지므로 건조 윤활 조건하에서도 바람직하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시형태에 따라 설명한다.

메카니컬 실링장치 1

본 발명의 일 실시형태에 따른 메카니컬 실링장치(1)는 회전환인 실링링(2)과 고정환인 플로팅시트(3)가 각각의 슬라이딩면을 통해 서로 맞대진 구조로 되어 있다. 즉 실링링(2)과 플로팅시트(3)는 실링링(2)의 슬라이딩면(2a)과 플로팅시트(3)의 슬라이딩면(3a)을 통해 서로 압접(壓接)되어 있으며, 양 슬라이딩면(2a), (3a)사이가 회전축(20)의 회전시, 비회전시에 상관없이 실링되는 구성으로 되어 있다.

회전환인 실링링(2)은 패킹(24)을 통해 회전축(20)에 직접 장착된 컴프레션링(21)에 의해 플로팅시트(3)의 방향으로 압압(押壓)되는 구성으로 되어 있다. 그리고 이 컴프레션링(21)의 압압력에 의해 실링링(2)은 회전축(20)의 회전에 따라 회전가능하게 되어 있음과 동시에, 그 실링면(2a)을 통해 플로팅시트(3)의 실링면(3a)과 압접되도록 되어 있다. 그리고 이 컴프레션링(21)의 압압력은 지지링(23)에 지지되어 있는 스프링(22)의 탄성력에 의해 조정가능하게 되어 있다.

한편 고정환인 플로팅시트(3)는 패킹(31)을 통해 하우징(30)에 고정된 구조로 되어 있으며, 상술한 컴프레션링(21)에 의해 압압된 실링링(2)과 슬라이딩면(3a)을 통해 압접되도록 하는 구조로 되어 있다.

실링링 (2), 플로팅시트 (3)

본 실시형태의 메카니컬 실링장치(1)에 있어서, 회전측의 실링링(2), 및 고정측의 플로팅실트(3)는 모두 본 발명의 슬라이딩부품으로 구성된다. 즉 실링링(2) 및 플로팅시트(3)는 소정 재료로 구성되는 기재를 함유함과 동시에, 각각의 실링면(2a), (3a)에는 불소화 오일이 함유된 수지층이 형성되어 있다.

기재

본 실시형태에 있어서 실링링(2) 및 플로팅시트(3)을 구성하는 기재는 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하다.

이들 재료는 경질성(硬質性) 및 열전도성이 높고 열팽창계수가 낮으며, 게다가 수지층에 함유되는 불소화 오일과의 섞임이 좋다는 점으로부터 특히 바람직하다. 구체적으로는 이들 재료는 높은 경질성을 가지므로, 슬라이딩시의 부하에 따른 변형이 적어 슬라이딩면(2a),(3a)에 형성된 수지층의 변형을 억제하는 효과를 가지며, 슬라이딩면(2a),(3a)을 평활한 상태로 유지할 수 있다. 그 때문에 슬라이딩시에 있어서의 마모를 유효하게 방지할 수 있다. 그리고 이들 재료는 높은 열전도성을 가지므로 슬라이딩시에 있어서의 발열을 신속히 확산시킬 수 있으며, 흔적이 남는 등의 단점을 유효하게 방지할 수 있다.

상기 카본재료로서는 탄소질, 흑연질의 어느 것이라도 좋으며, 또한 그 조성은 특별히 한정되지 않고 목적에 따라 탄소질, 흑연질을 구분하여 이용할 수 있다. 구체적으로는 천연흑연, 인조흑연, 메조페이스(mesophase), 카본블랙 등의 골재와, 콜타르 피치, 합성수지 등의 결합재를 주성분으로 하여, 혼합, 혼련(混練) , 성형공정을 거쳐 1000~3000℃에서 소성함으로써 얻을 수 있다.

상기 기재를 탄화규소로 구성할 경우에는, 예를 들어 탄화규소분말에 필요에 따라 용매나 바인더 등을 첨가하여 소정 형상으로 성형한 후에 소결함으로써 얻을 수 있다.

상기 기재를 카본과 탄화규소의 복합재료로 구성할 경우에는, 예를 들어 카본 기재를 소정형상으로 가공한 후 Si와 고온에서 반응시킴으로써 카본 기공 중에 Si를 함침시키고 반응시켜 SiC화시킴으로써 제조할 수 있다(반응소결법). 혹은 Si가스와 반응시켜 SiC화시키는 컨버전법(기상전환법)에 의해서도 제조할 수 있다.

또한 상기 기재를 세라믹재료로 구성할 경우에는, 예를 들어 산화알루미늄, Si₃N₄(질화규소)등의 세라믹가루 중 1종 이상을 사용하고, 필요에 따라 용매나 바인더 등을 첨가하여 소정형상으로 성형한 후에 소결함으로써 얻을 수 있다.

그리고 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 구성하는 기재의 표면 중 적어도 슬라이딩면이 되는 부분에는 수지층과의 밀착성을 높인다는 관점에서 요철을 부여해 두는 것이 바람직하다.

수지층 및 불소화 오일

실링링(2) 및 플로팅시트(3)의 각각의 슬라이딩면(2a),(3a)에는 그 표면에 복수의 기공부를 가지는 수지층이 형성되어 있으며, 또한 이 수지층의 기공부에는 불소화 오일이 함유되어 있다.

본 실시형태에 있어서는 상기 수지층은 제1수지와 이 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 수지층의 기공부는 상기 수지층을 제1수지의 융점 이상, 동시에 제2수지의 융점 미만으로 가열함으로써 제1수지가 용융하여 형성되는 치밀한 기공부인 것이 바람직하다. 그리고 본 실시형태에 있어서는 이 기공부 내에 불소화 오일을 함유시키므로 수지층을 연마하여 이 치밀한 기공부를 수지층 표면으로 노출시킨다.

상기 제1수지로서는 4불화에틸렌수지(PTFE:poly tetra fluoro ethylene)나, 이 4불화에틸렌수지의 변성물인 4불화에틸렌퍼플루오로알콕시비닐에테르공중합체(PFA: tetra fluoro ethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer)나 불소화에틸렌-프로필렌공중합체(FEP: fluorinated ethylene propylene copolymer)등을 들 수 있다. 이들 중에서도 조막성(造膜性) 이나 강도의 관점에서 4불화에틸렌수지가 특히 바람직하다.

상기 제2수지로서는 제1수지로서 바람직하게 이용되는 4불화에틸렌수지보다 높은 융점을 가지는 수지라면 무방하지만, 특히 폴리아미드이미드수지 또는 폴리이미드수지가 바람직하다. 폴리아미드이미드수지나 폴리이미드수지는 4불화에틸렌수지의 융점(327℃ 정도)보다도 높은 온도로 가열된 경우에서도 내열성, 결합력, 및 조막성을 유지할 수 있으며, 게다가 이들 수지가 내마모성이 우수하다는 성질을 가지는 점 때문에 가장 바람직하다.

상기 수지층 중에 있어서의 제1수지의 함유량은 수지층 전체 100중량%에 대해서 5~55중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하기로는 30~40중량%이다. 제1수지의 함유량이 너무 적으면 상기 기공부가 형성되기 어려워지는 경향이 있다. 한편 너무 많으면 수지층의 강도가 저하되어 버리는 경향이 있다.

또한 수지층 중에는 상기 제1수지 및 제2수지 이외에 각종 첨가물이 함유되어 있어도 좋다. 이러한 첨가물로서는 메카니컬 실링장치(1)의 사용되는 환경에 따라 적절히 선택하면 되지만, 예를 들어 2황화몰리브덴이나 흑연 등을 들 수 있다. 이러한 첨가물을 사용하는 경우에는 그 함유량은 수지층 전체 100중량%에 대해서 바람직하기로는 3~15중량%, 보다 바람직하기로는 5~10중량%로 한다.

수지층의 두께는 특별히 한정되지 않지만 바람직하기로는 10~30μm이다.

수지층의 표면에 형성되는 기공부는 치밀한 기공부인 것이 바람직하다.

또한 수지층의 표면 전체 100%에 대한 기공부의 존재비율(기공율)은 면적비로 바람직하기로는 1~10%, 보다 바람직하기로는 2~5%이다. 기공부의 존재비율(기공율)이 너무 낮으면 본 발명의 효과가 얻어지지 않는 경향이 있다. 한편 너무 많으면 전체의 밀착력(코팅밀착력)이 저하되어 버리는 경향이 있다.

본 실시형태에 있어서는 상기 수지층은 그 표면에 복수의 기공부를 가지고 있으며, 이 기공부 내에는 불소화 오일이 함유되어 있다.

이러한 불소화 오일로서는 특별히 한정되지 않지만, 탄소원자, 불소원자, 산소원자로 이루어지는 퍼플루오로에테르나, 이 퍼플루오로폴리에테르의 변성물이 바람직하다. 상기 퍼플루오로폴리에테르의 변성물로서는 예를 들어 퍼플루오로폴리에테르에 수산기나 염소기, 카르복실기 등의 각종 관능기를 도입한 것을 사용할 수 있다. 이들 퍼플루오로폴리에테르나 그 변성물은 윤활성, 내열화성 및 내약품성이 우수하며, 특히 수지층의 기공부 내에 장기간 흡착하여 슬라이딩면(2a),(3a)의 마모를 저감하는 효과를 가진다.

본 실시형태에 있어서 상기 기공부에 함유되는 불소화 오일의 분자량이나 점도는 특별히 한정되지 않으며 그 사용 조건에 따라 선택하면 되지만, 고온 조건하나 진공 조건하에서 사용되는 메카니컬 실링장치에 이용하는 경우에는 분자량이 크고 잘 휘발되지 않는 것을 선택하는 것이 바람직하다.

실링링 (2), 플로팅시트(3)의 제조방법

이어서 본 실시형태의 실링링(2) 및 플로팅시트(3)의 제조방법에 대해 설명한다.

우선 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 구성하는 것으로 되는 기재를 제조한다. 기재는 상술한 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종이면 되며, 이들 원료를 필요에 따라 바인더 등을 사용하여 소정형상으로 성형하고, 그 후 소결함으로써 제조할 수 있다.

그리고 본 실시형태에 있어서 기재를 소결한 후에 적어도 슬라이딩면(2a),(3a)이 되는 부분에 요철 처리를 행하는 것이 바람직하다. 요철 처리를 행함으로써 나중에 형성할 수지층과 기재와의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

이어서 이 기재 중 슬라이딩면(2a),(3a)이 되는 부분에 수지층을 형성한다. 구체적으로는 우선 상술한 제1수지와 제2수지가 용매 중에 분산 혹은 용해된 수지층 형성용 용액을 사용하고, 이 수지층 형성용 용액을 슬라이딩면(2a),(3a)이 되는 부분에 스프레이나 브러쉬에 의해 도포 혹은 침지 등의 방법에 의해 코팅한다. 그리고 이 코팅된 수지층 형성용 용액에 함유되어 있던 용매를 제거함으로써 가열 전의 수지층을 얻는다.

그리고 상기 제1수지로서 4불화에틸렌수지를 사용할 경우에는, 4불화에틸렌수지는 일반적으로 용매에 잘 녹지 않으므로 일정 입도를 가지는 입자 상태로 하여 용매에 분산시킴으로써 상기 수지층 형성용 용액을 조제한다. 이 경우의 4불화에틸렌수지입자의 입도는 최대입자경이 10μm정도이고, 3~7μm부근에서 정규 분포로 되어 있는 것이 바람직하다. 또한 4불화에틸렌수지로서 일단 융점(약 327℃)이상의 온도로 가열한 것을 사용하면 본 발명의 효과가 작아져 버리므로, 이러한 열이력(熱履歷)을 받고 있지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 수지층 형성용 용액에는 상기 수지층을 형성하게 되는 성분으로서 상기 제1수지 및 제2수지 이외의 첨가물을 필요에 따라 함유시켜도 좋다. 이러한 첨가물로서는 예를 들어 2황화몰리브덴이나 흑연 등을 들 수 있다.

상기 제1수지로서 4불화에틸렌수지를, 상기 제2수지로서 폴리아미드이미드수지 또는 폴리이미드수지를 사용한 경우에는 상기 수지층 형성용 용액의 용매로서는 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 용매의 함유량은 고형분(즉 제1수지, 제2수지 및 필요에 따라 사용되는 첨가물) 전체 100중량부에 대해서 통상 30중량부 이하이다. 용매가 너무 적으면 슬라이딩면(2a),(3a)이 되는 부분으로의 도포가 곤란해지는 경향이 있다. 한편 너무 많으면 원하는 기공율이 얻어지지 않는 경우가 있다.

이어서 슬라이딩면(2a),(3a)이 되는 부분에 형성한 가열 전의 수치층을 제1수지의 융점 이상, 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열하여 제1수지를 용융시킨다. 본 실시형태에 있어서는 수지층을 제1수지의 융점 이상, 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열하므로 제2수지를 고체상태로 한 채 제1수지만을 용융시킬 수 있다. 그리고 이와 같이 제1수지를 선택적으로 용융시킴으로써 용융된 제1수지와 고체상태의 제2수지 사이에 치밀한 기공부를 발생시킬 수 있다. 그리고 이 치밀한 기공부는 수지층 내부 전체에 걸쳐 복수 형성되게 된다.

상기 가열온도는 제1수지의 융점보다 높고, 게다가 제2수지의 융점보다도 낮은 온도라면 무방하며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 제1수지로서 4불화에틸렌수지를 사용한 경우에는 상기 가열온도는 이 4불화에틸렌수지의 융점보다 높은 327℃이상으로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하기로는 340~350℃로 하고, 가열시간은 바람직하기로는 20~30분으로 한다. 가열온도를 너무 낮게 하면 4불화에틸렌수지의 용융이 불충분해져 버리는 경우가 있다. 한편 가열온도가 너무 높으면 제2수지가 열화되어 버릴 우려가 있다.

이어서 수지층을 가열함으로써 형성된 복수의 기공부를 수지층 표면에 노출시키기 위해 가열 후의 수지층에 대해서 표면 연마를 행한다. 본 실시형태에 있어서는 수지층의 가열에 의해 형성되는 상기 기공부는 주로 수지층 내부에 형성되어 있다. 그 때문에 가열 후에 수지층의 표면 연마를 행함으로써 기공부를 표면으로 노출시킬 필요가 있다. 수지층을 연마하는 방법으로서는 특별히 한정되지 않으며 공지의 방법에 의해 연마하면 된다. 또한 연마 깊이는 바람직하기로는 2~5μm로 한다. 연마 깊이가 너무 작으면 상기 기공부의 표면으로의 노출이 불충분해져 버리는 경우가 있다. 한편 너무 크면 수지층을 구성하는 재료의 손실이 커져 생산성이 저하되어 버린다.

이어서 수지층의 표면으로 노출시킨 기공부에 불소화 오일을 함침시켜 본 실시형태의 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 얻는다.

기공부에 불소화 오일을 함침시키는 방법으로서는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하기로는 수지층을 50~100℃로 가온한 상태에서 불소화 오일을 도포하는 방법을 채용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 가온한 상태로 함으로써 불소화 오일의 점도를 저하시킬 수 있으므로 불소화 오일의 함침을 양호하게 행할 수 있다.

이러한 방법에 의해 제조되는 본 실시형태의 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 가지는 메카니컬 실링장치(1)는 각종 교반기나 고액분리, 세정 및 건조 기능을 구비한 다기능 노건조기, 진공건조기, 로타리피더실링, 로타리조인트 등의 건조 윤활 용도에 바람직하게 이용할 수 있다.

그리고 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 여러가지로 개변할 수 있다.

도1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 메카니컬 실링장치의 개략도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 있어서의 슬라이딩부품의 슬라이딩면의 현미경사진이다.

도3A는 본 발명의 실시예의 슬라이딩부품의 마모 상태를 나타낸 도면이다.

도3B는 비교예의 슬라이딩부품의 마모 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 더 상세한 실시예에 따라 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1

기재로서 탄화규소(비중 3.05이상)를 사용하여 도1에 도시한 회전측의 실링링(2) 및 고정측의 플로팅시트(3)가 되는 소결체를 준비하였다. 본 실시예에 있어서는 회전측의 실링링(2)의 슬라이딩면(2a)을 내경 Φ56.5mm, 외경 Φ75mm(실링링(2)자체의 크기는 내경 Φ56.5mm, 외경 Φ77mm, 높이 26.5mm)로 하고, 고정측의 플로팅시트(3)의 슬라이딩면(3a)을 내경 Φ58.6mm, 외경 66.1mm (플로팅시트(3) 자체의 크기는 내경 Φ56mm, 외경 Φ81mm, 높이 27mm)로 하였다.

그리고 실링링(2) 및 플로팅시트(3)의 각각의 슬라이딩면(2a),(3a)에 대해서 연마래핑을 행하고 표면거칠기(Ra)를 0.05μm로 하였다. 이어서 연마래핑을 행한 슬라이딩면(2a),(3a)에 대해서 9μm의 다이아몬드페이퍼를 사용하여 표면을 거칠게 하고, 그 후 3μm의 다이아몬드분산액을 사용하여 폴리싱을 행하며, 표면을 거칠게 하여 형성된 요철의 볼록부를 정점을 평행으로 커트하여 슬라이딩면(2a),(3a)의 표면거칠기(Ra)가 0.30~0.35μm가 되도록 조정하였다.

이어서 상기에서 표면거칠기를 조정한 슬라이딩면(2a),(3a)상에 수지층을 형성하였다. 수지층은 수지층 형성용 용액으로서 폴리아미드이미드수지와 4불화에틸렌수지와 용매로서의 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)을 함유하는 용액을 사용하며, 이 용액을 브러쉬에 의해 슬라이딩면(2a),(3a)상에 도포하고 그 후 건조하여 건조 후의 막두께가 25~30μm가 되도록 형성하였다. 그리고 상기 수지층 형성용 용액에 있어서는 고형분 전체 100중량%에 대한 폴리아미드이미드수지의 함유량을 60중량%, 4불화에틸렌수지의 함유량을 40중량%로 하였다. 또한 4불화에틸렌수지로서는 평균 입자경이 5~7μm범위의 것을 사용하였다.

이어서 슬라이딩면(2a),(3a)에 형성한 수지층을 온도 340℃, 시간 30분의 조건으로 가열함으로써 4불화에틸렌수지를 용융시켜 수지층 내에 기공부를 형성하였다. 그 후 슬라이딩면(2a), (3a)을 상온까지 냉각하고, 6μm의 다이아몬드분산액을 사용하여 수지층을 5μm의 깊이까지 연마하여 수지층의 표면으로 기공부를 노출시켰다. 연마 후의 슬라이딩면(2a)의 현미경사진을 도2에 나타낸다.

이어서, 슬라이딩면(2a),(3a)의 연마후의 수지층의 기공부에 퍼플루오로폴리에테르를 함유시킴으로써 슬라이딩면에 퍼플루오로폴리에테르를 함유한 기공부를 가지는 수지층이 형성된 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 얻었다.

그리고 상기 퍼플루오로폴리에테르로서는 평균분자량 8400의 퍼플루오로폴리에테르(다이킨공업㈜제품, DEMUNUM S-200)를 사용하였다. 또한 퍼플루오로폴리에테르의 함유는 수지층을 80℃로 가온하고, 이 수지층의 표면에 퍼플루오로폴리에테르를 도포한 후 자연 침투시킴으로써 함유시켰다.

그리고 상기에서 얻어진 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 각각의 슬라이딩면(2a),(3a)을 통해 조합하여 메카니컬 실링장치로 하여 회전슬라이딩 시험을 행하였다. 회전슬라이딩시험은 회전수:300rpm(회전속도 : 1m/s), 시험분위기 : 질소분 위기, 시험압력 : 0.8MPa, 시험시간:100시간으로 하였다. 100시간의 시험후에 있어서의 회전측의 슬라이딩면(2a) 및 고정측의 슬라이딩면(3a)의 마모량과 시험시의 울림의 유무를 표1에 나타낸다. 또한 도3A에 100시간의 시험 후에 있어서의 회전측의 슬라이딩면(2a)의 마모 상태를 나타낸다.

비교예 1~3

수지층의 열처리 온도를 각각 300℃(비교예 1), 260℃(비교예 2), 220℃(비교예 3)으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 결과를 표1에 나타낸다.

비교예 4

수지층의 기공부에 퍼플루오로폴리에테르를 함유시키지 않았던 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 결과를 표1에 나타낸다.

[표1]

	수지층(중량%)		열처리온도(℃)	함유성분	마모량(μm)		울림
	PTFE	PAI	열처리온도(℃)	함유성분	회전측	고정측	울림
실시예1	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.1	0	무
비교예1	40	60	300	DEMUNUM S-200	1.9	1.5	무
비교예2	40	60	260	DEMUNUM S-200	1.5	1	무
비교예3	40	60	220	DEMUNUM S-200	1.8	1.5	무
비교예4	40	60	340	-	1.5	1	유

그리고 표1에 있어서 PTFE는 4불화에틸렌수지를, PAI는 폴리아미드이미드수지를 각각 의미한다 (이하 표2~표5에 있어서 마찬가지).

평가 1

실시예 1 및 비교예 1~4의 회전슬라이딩시험의 결과를 종합한 표1로부터 다음의 것을 확인할 수 있다.

즉 수지층을 4불화에틸렌수지 및 폴리아미드이미드수지로 형성하고, 4불화에틸렌수지의 융점보다도 높은 온도인 340℃에서 가열 처리한 실시예 1에 있어서는 수지층에 치밀한 기공부가 형성되어 있었다. 그 때문에 이 기공부 내에 퍼플루오로폴리에테르를 함유시킬 수 있으며, 100시간 후에 있어서도 회전측 및 고정측의 어느 것이나 마모량이 적어 양호한 결과였다. 그리고 이 실시예 1에 있어서는 회전슬라이딩 중에 울림음이 발생하는 일도 없었다.

한편 수지층의 가열온도를 4불화에틸렌수지의 융점보다도 낮은 온도인 300℃, 260℃, 220℃로 한 비교예 1~3은 어느 것이나 수지층에 기공부가 형성되어 있지 않았다. 그 때문에 퍼플루오로폴리에테르를 수지층에 함유시킬 수 없으며, 회전슬라이딩시험에 있어서 마모량이 많아지는 결과가 되었다. 또한 퍼플루오로폴리에테르를 함유시키지 않았던 비교예 4에 있어서는 마모량이 많아짐과 동시에 회전슬라이딩시험 중에 울림음이 발생하는 결과가 되었다.

그리고 도3A에 실시예 1의 회전측의 슬라이딩면의 마모상태를, 도3B에 비교예 3의 회전측의 슬라이딩면의 마모 상태를 각각 나타낸다.

이들 결과로부터 슬라이딩면을 구성하는 수지층의 표면에 기공부를 형성하고, 이 기공부내에 블소화 오일을 함유시킴으로써 건조 조건하에서도 슬라이딩면의 마모 및 슬라이딩에 의한 울림음의 발생을 유효하게 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

폴리이미드아미드수지를 폴리이미드수지로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 결과를 표2에 나타낸다.

비교예 5~7

수지층의 열처리 온도를 각각 300℃(비교예 5), 260℃(비교예 6). 220℃(비교예 7)로 변경한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 결과를 표2에 나타낸다.

[표2]

	수지층(중량%)		열처리온도(℃)	함유성분	마모량(μm)		울림
	PTFE	PI	열처리온도(℃)	함유성분	회전측	고정측	울림
실시예2	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.3	0	무
비교예5	40	60	300	DEMUNUM S-200	2	1.5	무
비교예6	40	60	260	DEMUNUM S-200	2.1	1.5	무
비교예7	40	60	220	DEMUNUM S-200	2.2	1.5	무

그리고 표2에 있어서 PI는 폴리이미드수지를 의미한다.

평가 2

수지층을 구성하는 수지로서 폴리아미드이미드수지 대신에 폴리이미드수지를 사용한 경우에도 마찬가지의 경향이 얻어짐을 확인할 수 있다.

실시예 3~6

수지층에 함유되는 4불화에틸렌수지 중 일부를 표3에 나타낸 바와 같이 흑연가루로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 결과를 표3에 나타낸다.

[표3]

	수지량(중량%)			열처리 온도(℃)	함유성분	마모량(μm)		울림
	PTFE	PAI	흑연가루	열처리 온도(℃)	함유성분	회전측	고정측	울림
실시예3	35	60	5	340	DEMUNUM S-200	0.2	0	무
실시예4	25	60	15	340	DEMUNUM S-200	0.4	0	무
실시예5	15	60	25	340	DEMUNUM S-200	0.6	0.1	무
실시예6	5	60	35	340	DEMUNUM S-200	0.7	0.2	무

평가 3

표3으로부터 수지층 중에 흑연가루를 함유시킨 경우에도 본 발명의 효과가 얻어짐을 확인할 수 있다. 그리고 이 표3으로부터 4불화에틸렌수지의 함유량이 줄어가면 약간 마모량이 증가하는 경향이 있는 것도 확인할 수 있다.

실시예 7~9

기재를 카본(실시예 7), 산화알루미세라믹(실시예 8) 및 탄화규소와 카본의 복합재료(실시예 9)로 각각 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실링링(2) 및 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 그리고 실시예 9에 있어서는 탄화규소와 카본과의 혼합비율은 중량비로 40:60으로 하였다. 결과를 표4에 나타낸다.

[표4]

	기재	수지층(중량%)		열처리 온도(℃)	함유성분	마모량(μm)		울림
	기재	PTFE	PAI	열처리 온도(℃)	함유성분	회전측	고정측	울림
실시예7	카본	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.2	0	무
실시예8	산화알루미세라믹	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.1	0	무
실시예9	SiC 40% 카본 60%	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.1	0	무

평가 4

표4로부터 기재를 카본, 산화알루미세라믹 및 탄화규소와 카본의 복합재료로 각각 변경한경우에도 본 발명의 효과가 얻어짐을 확인할 수 있다.

실시예 10, 11

수지층의 기공부에 함유시킨 퍼플루오로폴리에테르의 종류를 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 실링링(2)과 플로팅시트(3)를 제조하여 회전슬라이딩시험을 행하였다. 그리고 실시예 10에 있어서는 평균분자량 6250의 퍼플루오로폴리에테르(AUSIMONT사 제품 FOMBLIN YR)를, 실시예 11에 있어서는 평균분자량 7500의 퍼플루오로폴리에테르(NOK크류버㈜제품 BARRIER TA J400)를 각각 사용하였다. 결과를 표5에 나타낸다.

[표5]

	수지층(중량%)		열처리온도(℃)	함유성분	마모량(μm)		울림
	PTFE	PAI	열처리온도(℃)	함유성분	회전측	고정측	울림
실시예1	40	60	340	DEMUNUM S-200	0.1	0	무
실시예10	40	60	340	FONBLIN YR	0.1	0	무
실시예11	40	60	340	BARRIERTA J400	0.1	0	무

표5로부터 분자량이 다른 퍼플루오로폴리에테르를 사용한 경우에도 본 발명의 효과가 얻어짐을 확인할 수 있다.

Claims

한쌍의 슬라이딩부품을 맞대어 실링하는 메카니칼 실링장치에 있어서,

각 슬라이딩부품이 슬라이딩면을 가지는 슬라이딩부품으로서,

상기 슬라이딩면이 되는 기재 상에는 수지층이 형성되고,

상기 수지층은 제1수지와 상기 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 함유하고,

상기 수지층은 그 표면에 복수의 기공부를 갖고 상기 기공부 내부에는 불소화 오일이 함유되고,

상기 수지층의 기공부는 상기 수지층을 상기 제1수지의 융점 이상, 상기 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열함에 의해 형성된 기공부로서, 또한 상기 수지층을 연마하는 것에 의해 상기 수지층의 표면으로 노출된 기공부이고,

상기 제1수지가 4불화에틸렌수지와 그 변성물의 양자 또는 그중의 하나이고, 상기 제2수지가 폴리아미드이미드수지와 폴리아미드수지의 양자 또는 그중의 하나이며,

상기 수지층 전체 100중량%에 대하여 상기 제1수지의 함유량이 5~55 중량%이고, 상기 수지층의 표면전체 100%에 대하여 기공부의 존재비율인 기공율이 면적비로 1~10%인 것을 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
제1항에 있어서, 상기 제1수지로서 4불화에틸렌수지를 사용하는 경우에, 4불화에틸렌수지는 일정 입도를 가지는 입자 상태로 하여 용매에 분산시키는 것에 의해 수지층형성용 용액을 제조하고,

상기 수지층형성용 용액을 상기 슬라이딩면이 되는 부분에 코팅하고 그 코팅한 수지층형성용 용액을 함유되어 있던 용매를 제거하는 것에 의해 가열전의 상기 수지층을 얻고,

상기 수지층을 가열하는 것으로서 상기 제1수지를 선택적으로 용융시키는 것에 의해 용융된 제1수지와 고체상태의 제2수지의 사이에 기공부를 발생시키고, 상기 기공부를 상기 수지층 내부 전체에 걸쳐 복수 형성하는 것을 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수지층의 두께는 10~30μm인 것을 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재의 표면 중 적어도 슬라이딩면이 되는 부분에는 요철을 형성하는 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불소화오일이 탄소원자, 불소원자, 산소원자로 이루어지는 퍼플루오로폴리에테르와 그 변성물의 양자 또는 그 중의 하나인 것을 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재가 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 메카니칼 실링장치.
기재상의 슬라이딩면이 되는 부분에 제1수지와 상기 제1수지보다 높은 융점을 가지는 제2수지를 함유하는 수지층을 형성하는 공정과,

상기 수지층을 상기 제1수지의 융점 이상, 상기 제2수지의 융점 미만의 온도로 가열하여 상기 제1수지를 용융시켜 상기 수지층 내에 복수의 기공부를 형성하는 공정과,

상기 수지층의 표면을 연마하여 복수의 상기 기공부 중 적어도 일부를 표면으로 노출시키는 공정과,

상기 노출된 기공부에 불소화 오일을 함유시키는 공정을 구비하고,

상기 제1수지가 4불화에틸렌수지와 그 변성물의 양자 또는 그중의 하나이고, 상기 제2수지가 폴리아미드이미드수지와 폴리아미드수지의 양자 또는 그중의 하나이며,

상기 수지층 전체 100중량%에 대하여 상기 제1수지의 함유량이 5~55 중량%이고, 상기 수지층의 표면전체 100%에 대하여 기공부의 존재비율인 기공율이 면적비로 1~10%인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부품의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 불소화 오일이 탄소원자, 불소원자, 산소원자로 이루어진 퍼플루오로폴리에테르와 그 변성물의 양자 또는 그 중의 하나인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부품의 제조방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 기재가 카본, 탄화규소, 카본과 탄화규소의 복합재료, 및 세라믹재료로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 슬라이딩부품의 제조방법.
삭제
삭제