WO2009087995A1 - メカニカルシール摺動材及びメカニカルシール - Google Patents

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WO2009087995A1
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sliding
mechanical seal
grating
sliding material
sliding surface
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PCT/JP2009/050038
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French (fr)
Inventor
Yoshihiro Teshima
Hiroshi Sawada
Original Assignee
Eagle Industry Co., Ltd.
Canon Machinery Inc.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3424—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with microcavities

Definitions

  • the present invention relates to a sliding material for a mechanical seal used, for example, in a pump or the like, and in particular, can improve lubricity such as reduction or stabilization of a friction coefficient and a sliding surface temperature without causing excessive leakage.
  • the present invention relates to a mechanical seal sliding material. Moreover, it is related with the mechanical seal which comprises such a mechanical seal sliding material.
  • a silicon carbide sintered body, a carbon material, a cemented carbide, an alumina sintered body, or the like is used in various combinations.
  • the PV value can be used up to a high limit value, and the performance and size of the device can be improved.
  • a combination of silicon carbides is often used when particle wear becomes a problem as in a slurry liquid.
  • a combination of a cemented carbide and a carbon material or a cemented carbide and a cemented carbide is also used.
  • the sliding material is a combination of silicon carbide
  • carbon blisters in which blisters (spots), minute cracks, worm-eaten defects, etc. occur on the sliding surface of the carbon material may occur.
  • a combination of cemented carbide and carbon material is used in a refrigerator, etc., a high PV value is required, and a large thermal shock is applied at startup to repeat rotation and stop, and heat is applied to the sliding surface. Cracks may occur and bumps may occur on the sliding surface on the carbon side.
  • the silicon carbide sintered body contains pores having a predetermined diameter at a predetermined ratio, and by causing the pores to act as an oil reservoir, the frictional heat at the start-up
  • a seal sliding material in which permeated liquid oozes out to form a lubricating film
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Publication No. 5-69066
  • One possible cause of the problem that hinders the improvement of the lubricity of the sliding surface of the mechanical seal is that the thickness of the fluid lubricating film between the sliding surfaces is not sufficiently thick. That is, the fluid lubrication film becomes extremely thin, or in some cases, the fluid lubrication film partially breaks and solid contact occurs, resulting in an increase in friction coefficient and sliding surface temperature. It is thought to contribute to the problem.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and the object thereof is to provide a stable and favorable state by enabling the introduction and holding of a sealed fluid between sliding surfaces to be performed satisfactorily.
  • a mechanical seal sliding material that can improve lubricity such as reduction of friction coefficient and sliding surface temperature and stabilization without generating excessive leakage, that is, without causing excessive leakage.
  • Another object of the present invention is to provide a mechanical seal having such a mechanical seal sliding material and having stable and good lubricity and sealing performance.
  • the present inventor irradiates a material surface with a linearly polarized femtosecond laser with an irradiation energy in the vicinity of a processing threshold, and has a periodic interval similar to the wavelength of the laser, and an uneven depth of less than half. It has been found that a fine periodic structure having a thickness can be formed in a self-organized manner, and such a periodic structure can improve lubricity under lubrication.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention is such that the sliding material for stationary and the sliding material for rotation cause the respective sliding surfaces opposed to each other to rotate relative to each other and slide in the radial direction.
  • a mechanical seal that seals a sealed fluid that is present on the side and is a mechanical seal sliding material that is used as the stationary sliding material or the rotating sliding material, and is parallel to the sliding surface.
  • a plurality of grating portions (lattice portions) in which a plurality of linear concavo-convex portions are formed in a predetermined section at a predetermined pitch are separately formed, and the linear concavo-convex portions of the plurality of grating portions are formed. The portion is formed such that the direction of the uneven portion is inclined at a predetermined angle with respect to the sliding direction of the sliding surface.
  • a mechanical seal sliding material it is sealed by a structure formed as a grating portion, that is, by a grating-like periodic structure in which a plurality of linear concavo-convex portions parallel to each other are formed at a predetermined pitch. Fluid can be introduced between the sliding surfaces and retained. Therefore, lubricity can be improved without causing excessive leakage.
  • a plurality of grating portions are formed along the sliding direction of the sliding surface, and the direction of the linear concavo-convex portion of the adjacent grating portions is the sliding surface. It is formed so that it may become sequentially symmetrical with respect to the sliding direction of the moving surface.
  • the periodic structure of the grating portion is formed so as to have two kinds of directions that are symmetric in the sliding direction. Lubricity can be improved without causing excessive leakage.
  • the direction of the linear uneven portion of the grating portion forms an inclination angle of 10 ° to 80 ° with respect to the sliding direction of the sliding surface. Further, more preferably, it is formed to have an inclination angle of 15 ° to 45 °.
  • the plurality of grating portions are a first grating portion and a second grating portion in which the direction of the linear uneven portion is symmetric with respect to the sliding direction.
  • the direction of the linear concavo-convex part of the first grating part has an inclination angle of + 10 ° to + 80 °, more preferably an inclination angle of + 15 ° to + 45 ° with respect to the sliding direction
  • the direction of the linear uneven portion of the second grating portion has an inclination angle of ⁇ 10 ° to ⁇ 80 °, more preferably an inclination angle of ⁇ 15 ° to ⁇ 45 ° with respect to the sliding direction.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention is characterized in that a land portion is provided between adjacent grating portions along the sliding direction.
  • a grating-like periodic structure comprising a plurality of projections and depressions extending along the direction orthogonal to the sliding direction on the surface of the land portion.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention is characterized in that the grating portion is formed of silicon-based ceramics.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention is characterized in that the grating portion has an uneven pitch of 10 ⁇ m or less.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention is characterized in that the unevenness depth of the grating portion is 1 ⁇ m or less.
  • the sealed fluid can be introduced more suitably between the sliding surfaces, and this can be retained, improving the lubricity without causing excessive leakage.
  • a mechanical seal sliding material can be provided.
  • the grating portion is irradiated with linearly polarized laser light with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold, and the irradiated portion is scanned while being overlapped. It is characterized by being organized.
  • the formation of the grating portion (periodic structure) on the sliding material of the mechanical seal is performed by the following procedure by using, for example, a femtosecond laser.
  • the substrate is irradiated with linearly polarized laser at an energy density near the ablation threshold value on the sliding surface of the rotating mechanical seal sliding material.
  • Interference between incident light and scattered light or plasma waves along the surface of the substrate occurs.
  • a grating-like periodic structure having a wavelength order pitch and groove depth is formed in a self-organizing manner perpendicular to the polarization direction.
  • the mechanical seal of the present invention is such that the stationary sliding material and the rotating sliding material cause the respective sliding surfaces opposed to each other to rotate relative to each other, and the relative sliding diameter of the sliding surface.
  • the fluid to be sealed is placed between the sliding surfaces by a structure formed as a grating portion on the sliding surface of either the sliding material for stationary or the sliding material for rotation. It can be properly introduced and retained. Therefore, it is possible to realize a mechanical seal with improved lubricity without causing excessive leakage.
  • FIG. 1 is a diagram showing a sliding surface of a mechanical seal sliding material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the concavo-convex portion of the grating portion formed on the sliding surface shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a testing machine for performing tests such as measurement of characteristics of the mechanical seal sliding material according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a photograph of a sample of the sliding surface of the stationary sliding material of Example 1 of the mechanical seal sliding material according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a photomicrograph of the grating portion of the sliding surface shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 shows a photograph of a sample of the sliding surface of the stationary sliding material of Example 2 of the mechanical seal sliding material according to the present invention.
  • FIG. 7A shows a photomicrograph of the grating portion of the sliding surface shown in FIG.
  • FIG. 7B shows a photomicrograph of the grating portion of the sliding surface shown in FIG. 6 as in FIG. 7A.
  • FIG. 1 is a front view showing a sliding surface of the mechanical seal sliding material of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the concavo-convex portion of the grating portion formed on the sliding surface shown in FIG.
  • a mechanical seal sliding member 1 having a sliding surface 2 shown in FIG. 1 is a stationary ring (stationary) in a mechanical seal that prevents leakage of fluid from between a housing and a rotary shaft passing through the housing in a pump, a refrigerator, or the like.
  • the mechanical seal sliding material 1 having the sliding surface 2 is the other sliding material having a sliding surface that is mirror-finished flat by lapping or the like in a sealing device mounted between the housing and the rotary shaft ( The rotating ring or the fixed ring) and the sliding surfaces are placed in close proximity to each other. Then, with the rotation of the rotating shaft, the sliding surface is relatively rotated while holding the lubricating oil between the sliding surfaces, and the sealed fluid existing on the outer diameter side or inner diameter side of the sliding surface is removed. Seal.
  • the mechanical seal sliding material 1 is a sliding component used for a mechanical seal as a stationary ring, and a sealed fluid is present on the outer diameter side thereof.
  • the sliding surface 2 of the mechanical seal sliding member (fixed ring) 1 is an annular sliding surface having an inner diameter R1 and an outer diameter R4. Rotate and slide along the circumferential direction.
  • a plurality of grating portions 5 are arranged in the range of the radius R2 to R3 of the sliding surface 2 along the circumferential direction.
  • the width of each grating portion 5 is equal to the width of the region in which the grating portion 5 is disposed, and is R3-R2.
  • Each grating portion 5 is formed in a circumferential length of a predetermined angular range a, and between each grating portion 5 is formed in a land 6 of a circumferential length in a predetermined angular range b.
  • the grating portion 5 is on the atmosphere side (in this embodiment, the inner diameter side of the mechanical seal sliding material 1). By forming so as not to be applied to the boundary portion of the sliding portion, it is possible to further reduce the amount of leakage of the sealed fluid to the atmosphere side.
  • Each of the grating portions 5 is formed with a plurality of linear concavo-convex portions (periodic structures) parallel to each other and having a constant pitch.
  • the concavo-convex portion is a fine structure formed by a femtosecond laser, and the pitch is 10 ⁇ m or less and the depth of the concavo-convex portion is 1 ⁇ m or less.
  • the linear uneven portion (groove) formed in the grating portion 5 is formed so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the sliding direction of the sliding surface 2, in other words, the rotational tangential direction of the sliding surface 2.
  • the predetermined angle is preferably in the range of 10 ° to 80 ° in both the inner diameter direction and the outer diameter direction with respect to the rotational tangent of the sliding surface 2.
  • the inclination angles of the concavo-convex portions with respect to the rotational tangent of each of the plurality of grating portions 5 may all be the same, or may be different for each grating portion 5. However, since the sliding characteristics of the sliding surface are affected according to this inclination angle, the unevenness of each grating portion 5 is set to an appropriate specific inclination angle according to the required lubricity, sliding conditions, etc. Unifying the tilt angle is effective for obtaining stable sliding characteristics.
  • the inclination angle with respect to the rotational tangent of the concavo-convex portion in each of the plurality of grating portions 5 is defined as an optimum specific angle.
  • the sliding surface 2 when the sliding direction of the sliding surface 2 is both forward and reverse directions, the sliding surface 2 has a concavo-convex portion that is inclined with respect to the rotational tangent at a first angle that provides appropriate sliding characteristics when rotating in one direction.
  • the first grating portion 3 and the second grating portion 4 having a concavo-convex portion inclined with respect to the rotational tangent at a second angle that provides appropriate sliding characteristics when rotating in the opposite direction are mixed. It is desirable. With such a configuration, appropriate sliding characteristics can be obtained when the sliding surface 2 rotates in both forward and reverse directions.
  • the inclination angles of the concave and convex portions of the first grating portion 3 and the second grating portion 4 are symmetrical with respect to the rotation tangent. It is preferable to form such an angle. Further, it is preferable that the first grating portion 3 and the second grating portion 4 are formed so as to be alternately arranged along the circumferential direction of the sliding surface 2.
  • the sliding surface 2 shown in FIG.1 and FIG.2 is a structure of the sliding surface 2 suitable when such a sliding surface 2 rotates to both directions. That is, as shown in FIG. 1, on the sliding surface 2, the first grating portions 3 and the second grating portions 4 are alternately arranged along the circumferential direction. Further, as shown in FIG. 2, the uneven portion of the first grating portion 3 is formed in the direction of D1 that forms an angle ⁇ with respect to the rotational tangent of the sliding surface 2 indicated by the alternate long and short dash line in the drawing.
  • the concavo-convex portion of the grating portion 4 is formed in the direction of D2 forming an angle ⁇ with respect to the rotational tangent of the sliding surface 2 indicated by a one-dot chain line in the drawing. That is, the first grating portion 3 and the second grating portion 4 are configured so that the inclination angle of the concavo-convex portion is symmetrical with respect to the rotation tangent.
  • the region other than the grating portion 5 on the sliding surface 2 is a surface that is mirror-finished by a normal lapping process.
  • the grating portion 5 which is a structure (periodic structure) in which a plurality of fine and straight line-shaped uneven portions parallel to each other are accurately arranged at a predetermined pitch in a grating shape is strictly positioned in a predetermined region of the sliding surface 2.
  • the conventional processing method including the lapping process it is difficult for the conventional processing method including the lapping process to form the sections by accurately controlling the direction of the uneven portions in each section.
  • the grating portion 5 (3, 4) having the above-described configuration is formed by using a femtosecond laser.
  • a linearly polarized laser beam is irradiated onto the substrate with an irradiation intensity near the processing threshold, it has a pitch and groove depth on the order of wavelength due to interference between incident light and scattered light or plasma waves along the surface of the substrate.
  • a grating-like periodic structure is formed in a self-organizing manner orthogonal to the polarization direction. At this time, the periodic structure pattern can be formed on the surface by performing the operation while overlapping the femtosecond lasers.
  • a desired periodic structure is divided into discrete small sections. Can be formed. That is, if this method is used while rotating the sliding surface of the annular mechanical seal sliding material, a fine periodic pattern can be selectively formed on the sliding surface. Further, in the processing method using the femtosecond laser, it is possible to form uneven portions (grooves) having a depth of submicron order effective for improving the lubricity of the mechanical seal and reducing leakage.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a mechanical seal type testing machine that tests the mechanical seal sliding material according to the present invention.
  • the sliding material testing machine 10 is provided with a cylindrical housing 20 that is rotatable at the center.
  • a stationary sliding member 11 is fitted on the mounting surface provided in the sealed fluid chamber 20A in the housing 20 via an O-ring.
  • the holding device 13 fixed to the rotating shaft 15 holds the rotating sliding member 12 elastically by a spring so as to be movable in the axial direction.
  • the sealing surface of the rotating sliding member 12 is in close contact with the opposing sealing surface of the stationary sliding member 11, and sealing is performed so that the sealed fluid in the sealed fluid chamber 20A does not leak to the outside.
  • the outer peripheral side of the stationary sliding member 11 and the rotating sliding member 12 is in contact with the sealed fluid, and the inner peripheral side is in contact with the atmosphere.
  • the rotary shaft 15 is rotated by a motor 16.
  • the rotation speed of the motor 16 is controlled by an inverter not shown.
  • the motor 16 can rotate in both directions.
  • a flow passage 15A is provided in the axial center of the rotary shaft 15, and a pipe 14 is disposed through the flow passage 15A.
  • a sealed fluid such as oil is introduced from the pipe 14 and flows into the sealed fluid chamber 20A and flows out from the flow passage 15A.
  • the flow passage 15A and the end of the pipe 14 communicate with an oil circulation unit (not shown), and the fluid to be sealed is controlled to a predetermined pressure and a predetermined temperature by a pump device connected to the pipe. It is configured to circulate between the chamber 20A and the oil circulation unit.
  • the housing 20 holding the stationary sliding material 11 is fixed to a shaft 19 that is rotatably held by a bearing 18. And it is set as the structure which can be rotated by the frictional force (sliding resistance) at the time of rotation with the sliding material 11 for stationary, and the sliding material 12 for rotation.
  • This testing machine 10 is an internal flow / unbalanced type and presses the sealing surface by the pressure of the fluid to be sealed and the spring force of the spring.
  • the pressure of the sealed fluid is 0, the sliding surface is pressed only by the spring of the holding device 13, and the pressing pressure against the sliding surface increases due to the increase in the pressure of the sealed fluid.
  • the characteristics of the mechanical seal sliding material as an example of the present invention and the mechanical seal sliding material as a comparative example are measured.
  • the measurement items during the test are sliding torque, temperature near the sliding surface, and the temperature of the sealed fluid. After the test, the amount of leakage from the sliding surface is measured, and the coefficient of friction is calculated.
  • a load cell 21 is provided on the support base that supports the shaft 19 so that the sliding torque M can be detected via the cantilever 22, and the sliding torque M is detected thereby.
  • thermocouple connected to a thermoelectric thermometer into a hole with a diameter of 2 mm provided at a position 1 mm directly below the sliding surface of the stationary sliding material, and bonding and fixing.
  • thermocouple a platinum rhodium-platinum thermocouple or an alumel-chromel thermocouple is used.
  • the temperature of the sealed fluid is measured by inserting a thermocouple (JIS-TYPE-K) not shown in the sealed fluid.
  • the leakage amount is obtained by soaking the sealed fluid leaked into the filter paper whose weight has been measured in advance and then measuring the weight again and taking the difference in weight as the leakage amount.
  • the friction coefficient f is calculated from the value of the sliding torque M by the following equation (1).
  • the conditions for processing and manufacturing the mechanical seal sliding materials of the examples and comparative examples of the present invention, and the conditions for measurement such as the characteristics thereof are as follows.
  • Femtosecond laser specimen processing conditions (1) Angle of periodic structure: ⁇ 45 ° (2) Laser: Titanium sapphire laser (pulse width 120 fs, center wavelength 800 nm, repetition frequency 1 kHz)
  • Example 1 As Example 1, the sliding material for rotation has a mechanical seal sliding material having a mirror-finished sliding surface, and the stationary sliding material has a mirror-finished surface and is then subjected to a plurality of linear uneven portions by a femtosecond laser.
  • the mechanical seal sliding material which has the sliding surface which provided the grating part (periodic structure) which becomes this in the some division was used.
  • a plurality of gratings of the stationary sliding material were provided so as to be separated from each other along the circumferential direction within a range that does not reach the inner diameter of the sliding surface.
  • the radial range is in the range of ⁇ 37.5 to ⁇ 41.5
  • the circumferential range is 12 ° in the angular range of the grating portion
  • the angular range of the non-machined portion that is the gap between the grating portions is 3 °.
  • a grating portion was formed so that The direction of the linear uneven portion of the grating portion was formed so as to be inclined at + 45 ° with respect to the rotation direction (rotation tangential direction).
  • FIG. 4 A sample photograph of the sliding surface of the stationary sliding member of Example 1 is shown in FIG. 4, and a micrograph of the grating portion is shown in FIG. As shown in FIG. 5, it can be seen that a large number of fine grooves are formed on the surface of the grating portion.
  • the interval between the grooves (uneven portions) was about 0.7 ⁇ m
  • the amplitude (depth of the uneven portions) was about 0.15 ⁇ m.
  • Example 2 As in Example 2, as in Example 1, a mechanical seal sliding material having a mirror-finished sliding surface is used for the sliding material for rotation, and a femtosecond laser is applied to the stationary sliding material after mirror-finishing.
  • a plurality of gratings of the sliding material for stationary were provided so as to be separated from each other along the circumferential direction within a range not to reach the inner diameter of the sliding surface.
  • the radial range is ⁇ 37.5 to ⁇ 41.5
  • the circumferential range is 12 ° in the angular range of the grating portion
  • the angular range of the non-processed portion that is the gap between the grating portions is 3 °.
  • a grating portion was formed so that
  • Example 2 the direction of the linear uneven portion of the grating part is different from that of Example 1.
  • the grating portion is inclined at + 45 ° with respect to the rotation direction (rotation tangential direction) and inclined at ⁇ 45 ° with respect to the rotation direction (rotation tangential direction). In other words, it is formed so as to be alternately arranged along the circumferential direction so that the grating portion on which the concavo-convex portion is formed is adjacent.
  • FIG. 6 A photograph of a sample of the sliding surface of the stationary sliding material of Example 2 is shown in FIG. 6, and micrographs of the grating portion are shown in FIGS. 7A and 7B.
  • FIGS. 7A and 7B are micrographs of the grating portion in which the direction of the concavo-convex portion is + 45 ° and ⁇ 45 ° with respect to the rotation direction, respectively, and it can be seen that the direction of the concavo-convex portion is actually different.
  • the interval between the grooves (uneven portions) was about 0.7 ⁇ m and the amplitude (uneven depth) was about 0.15 ⁇ m.
  • Comparative Example As a comparative example, a seal sliding material having a sliding surface finished in the lapping process was used for both the rotating sliding material and the stationary sliding material.
  • Table 1 is a table showing the friction coefficient for each sealed fluid pressure and rotational peripheral speed under the conditions of Example 1, and Table 2 is for each sealed fluid pressure and rotational peripheral speed under the conditions of Example 2. It is a table
  • Table 3 is a table
  • Table 4 is a table
  • Table 5 is for every to-be-sealed fluid pressure and rotation peripheral speed. It is a table
  • the friction coefficient of Example 1 is in the range of 0.23 to 0.45.
  • the friction coefficient was in the range of 0.34 to 0.79. In any case, it was found that the friction coefficient can be reduced by forming a grating portion on the sliding surface. It was also found that a low friction coefficient can be obtained particularly at low speeds where the lubrication state tends to deteriorate.
  • the mechanical seal sliding material of the present invention since a plurality of fine linear concavo-convex portions (grating portions) are formed on the sliding surface, when configured as a mechanical seal, the sliding It is possible to satisfactorily introduce and hold the sealed fluid between the moving surfaces, and to obtain stable and good lubricity. That is, according to the present invention, there is provided a mechanical seal sliding material capable of improving lubricity such as reduction and stabilization of a friction coefficient and a sliding surface temperature without causing excessive leakage. .
  • the grating part is formed by irradiating the material surface with linearly polarized femtosecond laser with irradiation energy near the processing threshold, fine linear irregularities are formed on the surface of the sliding surface at a constant pitch. In many cases, it can be easily formed under desired conditions.
  • the shape and arrangement of the grating portions formed on the sliding surface, the number of the concavo-convex portions formed as the grating portions, the pitch, the concavo-convex shape, etc. are not limited to the above-described examples, and may be arbitrarily formed.
  • the present invention is characterized in that the grating portion is formed on the sliding surface of the mechanical seal sliding material, and the material of the mechanical seal sliding material itself is not limited at all.
  • the mechanical seal sliding material and the mechanical seal of the present invention are effective when applied to shaft seal devices such as pumps and refrigerators, and other arbitrary seal devices.

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Abstract

　本発明は、過大な漏洩を発生させることなく摩擦係数や摺動面温度の低減や安定化が改善された潤滑性の高いメカニカルシール摺動材を提供する。本発明のメカニカルシール摺動材においては、摺動面２に、相互に平行な複数の直線状の凹凸部が所定のピッチで所定の区画内に形成されたグレーティング部５を、各々分離して複数形成する。各グレーティング部の凹凸部は、摺動面２の摺動方向に対して所定の角度を成して傾斜するように形成する。このような周期構造は潤滑下で潤滑性を向上できる。このような周期構造は、直線偏光のフェムト秒レーザーを加工しきい値近傍の照射エネルギーで材料表面に照射することにより、レーザーの波長と同程度の周期間隔、半分以下の凹凸深さに自己組織的に形成される。

Description

メカニカルシール摺動材及びメカニカルシール
　本発明は、例えばポンプ等に用いられるメカニカルシールの摺動材に関し、特に、過大な漏洩を発生させることなく、摩擦係数や摺動面温度の低減や安定化といった潤滑性の向上を図ることのできるメカニカルシール摺動材に関する。また、そのようなメカニカルシール摺動材を具備するメカニカルシールに関する。
　メカニカルシールの摺動材としては、炭化珪素焼結体、カーボン材、超硬合金あるいはアルミナ焼結体等が種々の組み合わせで使用されている。
　例えば、炭化珪素同士の組み合わせではＰＶ値を高い限界値まで使用できて機器の高性能化や小型化が可能となる。また、スラリー状液体のように粒子摩耗が問題となる時には炭化珪素同士の組み合わせを用いる場合が多い。また、ＰＶ値の大きい用途では、他に、超硬合金とカーボン材、あるいは超硬合金と超硬合金等の組み合わせも使用されている。
　一方、摺動材を炭化珪素同士の組み合わせとすると始動時の鳴きやリンキング（固着）が生じやすいという課題がある。また、カーボン材と炭化珪素との組み合わせにおいては、カーボン材の摺動面にブリスター（斑点）、微小クラックさらには虫食い状欠損等が発生するカーボンブリスターが生じる可能性がある。また、超硬合金とカーボン材の組み合わせが冷凍機等に使用されると、高いＰＶ値を要求される上に、回転と停止を繰り返すために起動時に大きな熱衝撃が加わり、摺動面にヒートクラックを生じたり、カーボン側の摺動面に隆起が生じる可能性がある。
　このような問題に対処するために、例えば、炭化珪素焼結体に所定の径の気孔を所定の割合で含有させておき、この気孔を油溜りとして作用させることにより、起動時の摩擦熱により浸透した液が滲み出て潤滑膜を形成するようにしたシール摺動材が提案されている（日本国特許出願公告平５－６９０６６号公報（特許文献１）参照）。
　また、形状等を厳密に規定したポアを全体に分散させたポア分散材でシール面及びその近傍を形成し、潤滑性を向上させるとともに強度を維持したメカニカルシールが提案されている（日本国特許出願公告平７－８８９０９号公報（特許文献２）参照）。
日本国特許出願公告平５－６９０６６号公報 日本国特許出願公告平７－８８９０９号公報　　しかしながら、近年、メカニカルシールの摺動条件はますます過酷になってきており、一層潤滑性能の高いメカニカルシール摺動材が要望されている。
　メカニカルシールの摺動面の潤滑性の向上を阻害する問題の一因として、摺動面間の流体潤滑膜の厚みが十分に厚くなっていないことが考えられる。つまり、流体潤滑膜が極めて薄くなったり、場合によっては流体潤滑膜が部分的に破断し固体接触等も生じた結果、摩擦係数や摺動面温度が上昇することが、上述したような種々の課題を引き起こす一因になると考えられる。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、摺動面間への被封止流体の導入及びその保持を良好に行えるようにすることで、安定的かつ良好な潤滑性を得ることができる、すなわち、過大な漏洩を発生させることなく、摩擦係数や摺動面温度の低減や安定化といった潤滑性の向上をすることのできるメカニカルシール摺動材を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、そのようなメカニカルシール摺動材を具備し、安定的かつ良好な潤滑性及び封止性能を有するメカニカルシールを提供することにある。
　前記課題を解決するために、本願発明者は、直線偏光のフェムト秒レーザーを加工しきい値近傍の照射エネルギーで材料表面に照射すると、レーザーの波長と同程度の周期間隔、半分以下の凹凸深さを持った微細な周期構造を自己組織的に形成可能であり、このような周期構造は潤滑下で潤滑性を向上できることを見出した。そして、さらに検討を行った結果、フェムト秒レーザーを照射し摺動面に周期構造を形成した摺動材をメカニカルシールに適用することで、過大な漏洩を発生することなく潤滑性の向上つまり摩擦係数、摺動面温度の低下と安定化が可能であることを解明し、本発明に至った。
　本発明のメカニカルシール摺動材は、静止用摺動材と回転用摺動材とが、対向する各摺動面を相対回転摺動させて当該相対回転摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被封止流体をシールするメカニカルシールにおいて、前記静止用摺動材又は前記回転用摺動材として使用されるメカニカルシール摺動材であって、前記摺動面に、相互に平行な複数の直線状の凹凸部が所定のピッチで所定の区画内に形成されたグレーティング部（格子部）が、各々分離して複数形成されており、前記複数のグレーティング部の前記直線状の凹凸部は、当該凹凸部の方向が当該摺動面の摺動方向に対して所定の角度を成して傾斜するように形成されていることを特徴とする。
　なお、このような相互に平行な複数の直線状の凹凸部を所定のピッチで形成したグレーティング状の周期構造は、フェムト秒レーザー以外の従来の方法、すなわちラッピング工程を含めた従来の加工方法によっては、形成することは困難である。従って、このような構成のメカニカルシール摺動材は、過去には存在し得なかったものである。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、グレーティング部として形成した構造により、すなわち、相互に平行な複数の直線状の凹凸部を所定のピッチで形成したグレーティング状の周期構造により、被封止流体を摺動面間に導入し、これを保持することができる。従って、過大な漏洩を発生せずに潤滑性を向上することができる。
　好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、複数のグレーティング部が前記摺動面の摺動方向に沿って形成され、隣り合う当該グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向が当該摺動面の摺動方向に対して順次対称となるように形成されていることを特徴とする。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、グレーティング部の周期構造を摺動方向に対称となる２種類の方向性を持つように形成したことで一方向の回転だけでなく、両回転で、過大な漏洩を発生することなく潤滑性の向上ができる。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向が、前記摺動面の摺動方向に対して１０°～８０°の傾斜角を成すように、また、より好ましくは１５°～４５°の傾斜角を成すように形成されていることを特徴とする。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、適切に被封止流体を摺動面間に導入し、これを保持することができるグレーティング部を形成することができる。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記複数のグレーティング部が、前記直線状の凹凸部の方向が前記摺動方向に対して対称となる第１グレーティング部と第２グレーティング部とを備え、前記第１グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向が前記摺動方向に対して＋１０°～＋８０°の傾斜角、より好ましくは＋１５°～＋４５°の傾斜角を有し、前記第２グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向が前記摺動方向に対して－１０°～－８０°の傾斜角、より好ましくは－１５°～－４５°の傾斜角を有することを特徴とする。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、摺動面の両方向への回転について、適切に被封止流体を摺動面間に導入してこれを保持することができるグレーティング部を形成することができる。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部間にランド部を設けたことを特徴とする。
　本発明のメカニカルシール摺動材においては、このランド部の表面に、摺動方向に直交する方向に沿って延びる複数の凹凸からなるグレーティング状の周期構造を設けるのも好適である。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記グレーティング部が、シリコン系セラミックスで形成されることを特徴とする。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記グレーティング部の凹凸ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記グレーティング部の凹凸深さが１μｍ以下であることを特徴とする。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、より一層好適に被封止流体を摺動面間に導入し、これを保持することができ、過大な漏洩を発生せずに潤滑性を向上させたメカニカルシール摺動材を提供することができる。
　また好適には、本発明のメカニカルシール摺動材は、前記グレーティング部が、加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザーを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特微とする。
　メカニカルシール摺動材へのグレーティング部（周期構造）の形成は、具体的には、例えばフェムト秒レーザーを利用することにより、次のような手順で行われる。
　（１）回転するメカニカルシール摺動材の摺動面に対してアブレーションしきい値近傍のエネルギー密度で直線偏光のレーザーを基材に照射する。
　（２）入射光と基材の表面に沿った散乱光又はプラズマ波の干渉が発生する。
　（３）波長オーダーのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。
　このようなメカニカルシール摺動材によれば、微細な複数の直線状の凹凸部を有するグレーティング部を容易かつ高精度に形成することができる。
　また好適には、本発明のメカニカルシールは、静止用摺動材と回転用摺動材とが、対向する各摺動面を相対回転摺動させて当該相対回転摺動する摺動面の径方向一方側に存在する被封止流体をシールするメカニカルシールであって、上述したいずれかのメカニカルシール摺動材を前記静止用摺動材又は前記回転用摺動材として使用するものである。
　このようなメカニカルシールによれば、静止用摺動材又は回転用摺動材のいずれかの摺動材の摺動面にグレーティング部として形成した構造により、被封止流体を摺動面間に適切に導入しこれを保持することができる。従って、過大な漏洩を発生せずに潤滑性を向上させたメカニカルシールを実現することができる。
図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール摺動材の摺動面を示す図である。 図２は、図１に示す摺動面に形成されるグレーティング部の凹凸部の構成を示す平面図である。 図３は、本発明に係るメカニカルシール摺動材の特性の測定等の試験を行う試験機の断面図である。 図４は、本発明に係るメカニカルシール摺動材の実施例１の静止用摺動材の摺動面のサンプルの写真を示す。 図５は、図４に示した摺動面のグレーティング部の顕微鏡写真を示す。 図６は、本発明に係るメカニカルシール摺動材の実施例２の静止用摺動材の摺動面のサンプルの写真を示す。 図７Ａは、図６に示した摺動面のグレーティング部の顕微鏡写真を示す。 図７Ｂは、図７Ａと同じく図６に示した摺動面のグレーティング部の顕微鏡写真を示す。
　本発明の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
　図１は、本実施形態のメカニカルシール摺動材の摺動面を示す正面図である。
　図２は、図１に示す摺動面に形成されるグレーティング部の凹凸部の構成を示す平面図である。
　図１に示す摺動面２を有するメカニカルシール摺動材１は、ポンプや冷凍機等においてハウジングとこれを貫通する回転軸との間からの流体の漏洩を防止するメカニカルシールにおいて固定環（静止用摺動材）又は回転環（回転用摺動材）の一方として使用される摺動部品である。
　摺動面２を有するメカニカルシール摺動材１は、ハウジングと回転軸との間に装着されたシール装置内において、ラッピング等により平坦に鏡面仕上げされた摺動面を有する他方の摺動材（回転環又は固定環）と摺動面同士を近接に対向させて設置される。そして、回転軸の回転に伴って摺動面間に潤滑油を保持しながら摺動面を相対的に回転摺動させ、摺動面の外径側あるいは内径側に存在する被封止流体を封止する。
　本実施形態においては、一例として、メカニカルシール摺動材１は固定環としてメカニカルシールに使用される摺動部品であり、その外径側に被封止流体が存在するものとする。
　メカニカルシール摺動材（固定環）１の摺動面２は、図１に示すように、内径Ｒ１で外径Ｒ４の円環形状の摺動面であり、対向する回転環の摺動面と当該円周方向に沿って回転摺動する。
　摺動面２の半径Ｒ２～Ｒ３の範囲には、周方向に沿って、複数のグレーティング部５が配列されている。各グレーティング部５の幅は、グレーティング部５が配設される領域の幅に等しく、Ｒ３－Ｒ２である。
　個々のグレーティング部５は、所定の角度範囲ａの周方向長さに形成されており、各グレーティング部５の間は、所定の角度範囲ｂの周方向長さのランド６に形成されている。なお、本実施形態においては、ａ＝１２°であり、ｂ＝３°である。
　なお、グレーティング部５を摺動面２の半径Ｒ２～Ｒ３の範囲に形成することにより、換言すれば、グレーティング部５を大気側（本実施形態では、メカニカルシール摺動材１の内径側）の摺動部の境界部分に掛からないように形成することで、被封止流体の大気側への漏れ量をさらに低減することが可能となる。
　グレーティング部５の各々には、相互に平行で一定のピッチの複数の直線状の凹凸部（周期構造）が形成される。この凹凸部は、後述するようにフェムト秒レーザーにより形成される微細な構造であり、そのピッチは１０μｍ以下、その凹凸の深さは１μｍ以下に形成される。
　グレーティング部５に形成される直線状の凹凸部（溝）は、摺動面２の摺動方向、換言すれば摺動面２の回転接線方向に対して所定の角度で傾斜するように形成される。所定の角度とは、摺動面２の回転接線に対して内径方向及び外径方向の両方向において各々１０°～８０°の範囲であることが好ましい。
　複数のグレーティング部５の各々における凹凸部の回転接線に対する傾斜角度は、全て同じであってもよいし、グレーティング部５ごとに異なっていてもよい。しかし、この傾斜角度に応じて摺動面の摺動特性が影響を受けるので、要求される潤滑性や摺動条件等に応じて、適切な特定な傾斜角度に各グレーティング部５の凹凸部の傾斜角度を統一するのが安定した摺動特性を得るために有効である。
　従って、摺動面２の回転摺動方向が一方向であれば、複数のグレーティング部５の各々における凹凸部の回転接線に対する傾斜角度は、最適な特定の角度に規定される。
　また、摺動面２の回転摺動方向が正逆両方向であれば、一方の方向の回転の際に適切な摺動特性となる第１の角度で回転接線に対して傾斜する凹凸部を有する第１のグレーティング部３と、それとは反対方向の回転の際に適切な摺動特性となる第２の角度で回転接線に対して傾斜する凹凸部を有する第２のグレーティング部４とを混在させることが望ましい。そのような構成であれば、摺動面２が正逆両方向に回転する際に、各々適切な摺動特性を得ることができる。
　さらに具体的には、摺動面２が正逆両方向に回転する場合には、第１のグレーティング部３と第２のグレーティング部４の各凹凸部の傾斜角度は、回転接線に対して対称となるような角度となるように形成しておくのが好適である。
　また、第１のグレーティング部３と第２のグレーティング部４とは、摺動面２の周方向に沿って交互に配置されるように形成するのが好適である。
　図１及び図２に示す摺動面２は、そのような摺動面２が両方向へ回転する場合に好適な摺動面２の構成である。
　すなわち、図１に示すように、摺動面２には、周方向に沿って第１のグレーティング部３と第２のグレーティング部４とが交互に配設されている。
　また、図２に示すように、第１のグレーティング部３の凹凸部は図中一点鎖線で示す摺動面２の回転接線に対して角度αを成すＤ１の方向に形成されており、第２のグレーティング部４の凹凸部は図中一点鎖線で示す摺動面２の回転接線に対して角度－αを成すＤ２の方向に形成されている。すなわち、第１のグレーティング部３と第２のグレーティング部４とは、その凹凸部の傾斜角度が回転接線に対して対称に構成されている。
　なお、摺動面２のグレーティング部５以外の領域は、通常のラッピング工程により鏡面仕上げされた面となる。
　ここで、相互に平行で微細な複数の直線状の凹凸部を精度よく所定のピッチでグレーティング状に配置した構造（周期構造）であるグレーティング部５を、摺動面２の所定の領域に厳密に区画分けし、さらに各区画において凹凸部の方向を精度よくコントロールして形成することは、ラッピング工程を含めた従来の加工方法では困難である。
　しかし本実施形態においては、フェムト秒レーザーを用いることにより、前述したような構成のグレーティング部５（３、４）を形成している。
　すなわち、加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザーを基板に照射した場合、入射光と基板の表面に沿った散乱光又はプラズマ波の干渉により、波長オーダーのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。この時、フェムト秒レーザーをオーバーラップさせながら操作を行うことにより、その周期構造パターンを表面に形成することができる。
　このようなフェムト秒レーザーを利用した周期構造では、その方向性の制御が可能であり、加工位置の制御も可能であるため、離散的な小区画に分けて各区画ごとに所望の周期構造の形成ができる。すなわち、円環状のメカニカルシール摺動材の摺動面を回転させながらこの方法を用いれば、摺動面に選択的に微細な周期パターンを形成することができる。
　そしてまたフェムト秒レーザーを利用した加工方法では、メカニカルシールの潤滑性向上及び漏洩低減に有効なサブミクロンオーダーの深さの凹凸部（溝）の形成が可能である。
　以下に、本発明の実施例としてのメカニカルシール摺動材の具体例、及び、そのメカニカルシール摺動材における摩擦係数等の特性の測定結果を示す。
　まず、ここでメカニカルシール摺動材の特性の測定に用いる試験機について説明する。
　図３は、本発明に係るメカニカルシール摺動材をテストしたメカニカルシール型試験機の断面図である。
　図３に示すように、摺動材用の試験機１０には、中心部に回転可能な円筒状のハウジング２０が設けられている。このハウジング２０内の被封止流体室２０Ａに設けられた取付面には静止用摺動材１１がＯリングを介して封止に嵌着されている。また、回転軸１５に固着された保持装置１３には、回転用摺動材１２が軸方向へ移動自在にスプリングにより弾発に保持されている。これにより回転用摺動材１２のシール面が静止用摺動材１１の対向シール面に密接して、被封止流体室２０Ａ内の被封止流体が外部へ漏洩しないようにシールしている。静止用摺動材１１と回転用摺動材１２の外周側は被封止流体、内周側は大気に接触している。
　回転軸１５は、モータ１６により回転される。モータ１６は、図示されていないインバータにより回転数が制御される。なお、モータ１６は両方向に回転可能である。
　回転軸１５の軸心には流通路１５Ａが設けられており、この流通路１５Ａにはパイプ１４が貫通して配置されている。このパイプ１４から、例えば油等の被封止流体が導入されて被封止流体室２０Ａ内に流入されとともに、流通路１５Ａから流出される。この流通路１５Ａとパイプ１４の端部は図示省略の油循環ユニットに連通しており、このパイプに接続したポンプ装置により、所定圧力、所定温度に制御された被封止流体が被封止流体室２０Ａと油循環ユニットとの間を循環するように構成されている。
　静止用摺動材１１を保持したハウジング２０は、ベアリング１８に回転可能に保持された軸１９に固着されている。そして、静止用摺動材１１と回転用摺動材１２との回転時の摩擦力（摺動抵抗）により回転可能な構造とされている。
　本試験機１０は、内流・アンバランス型であり、被封止流体の圧力とスプリングの弾発力によりシール面を押圧する。被封止流体の圧力が０の時は、保持装置１３のスプリングのみにより摺動面が押圧され、被封止流体の圧力増加により摺動面への押し付け圧力が増加する。
　このような構成の試験機１０を用いて、本発明の実施例としてのメカニカルシール摺動材及び比較例としてのメカニカルシール摺動材についてその特性を測定する。
　試験中の測定項目は摺動トルク、摺動面近傍温度及び被封止流体温度であり、試験終了後に摺動面からの漏洩量を測定し、さらに摩擦係数を算出する。
　軸１９を支持する支持台にはロードセル２１が設けられており、カンチレバー２２を介して摺動トルクＭを検出できるように成されており、摺動トルクＭはこれにより検出する。
　摺動面近傍温度は、静止用摺動材の摺動面直下１ｍｍの位置に設けられた直径２ｍｍの穴に熱電温度計に接続された熱電対を挿入し、接着固定して測定する。熱電対としては、白金ロジウム－白金熱電対、又は、アルメル－クロメル熱電対を用いる。
　被封止流体温度は、被封止流体中に図示していない熱電対（ＪＩＳ－ＴＹＰＥ－Ｋ）を入れ測定する。
　漏洩量は、予め重量を測定したろ紙に漏洩した被封止流体を染み込ませた後、再度重量を測定し、重量の差を漏洩量とすることにより求める。
　そして摩擦係数ｆは、摺動トルクＭの値から次式（１）により算出する。
　ｆ＝Ｍ／（Ｗ×ｒｍ　）　　…（１）
　　　但し、Ｗ＝荷重、
　　　　　　ｒｍ　＝摺動面平均半径
　　　である。
　本発明の実施例及び比較例のメカニカルシール摺動材を加工製作する際の条件、及び、その特性等の測定の条件は以下の通りである。
１．フェムト秒レーザー試験片加工条件
　（１）周期構造の角度：±４５°
　（２）レーザー：チタンサファイアレーザー
　　　　　　　(パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）
２．実験条件
　（１）摺動材：回転用摺動材：炭化珪素材料（φ２５×φ４４×ｔ１２）
　　　　　　　　静止用摺動材：炭化珪素材料（φ２８×φ５０×ｔ１４）
　　　　　　　　摺動部形状（φ３２×φ４０）
　（２）表面粗さ：Ｒａ０．０２μｍ以下
　　　　　　　　　　　（フェムト秒レーザー照射前鏡面仕上げ表面粗さ)
　　　　　　　　　Ｒａ０．０５～０．１０μｍ
　　　　　　　　　　　（ラッピング工程後の表面粗さ）
　（３）平坦度：１バンド（ヘリウムライト）以下
　（４）被封止流体：出光興産製スーバーマルチオイル１０
　（５）試験時間：０．５（ｈ）
　（６）被封止流体温度：３０（℃）
　（７）被封止流体圧力：０、０．０７、０．１５、０．３（ＭＰａ）
　（８）周速：１、２、５（ｍ／ｓ）
　（９）スプリング荷重：２０（Ｎ）
　本実施例における実施例１、２及び比較例の具体的な構成は次の通りである。
１．実施例１
　実施例１として、回転用摺動材には鏡面仕上げした摺動面を有するメカニカルシール摺動材、静止用摺動材には鏡面仕上げした後にフェムト秒レーザーにて複数の直線状の凹凸部からなるグレーティング部（周期構造）を複数の区画に設けた摺動面を有するメカニカルシール摺動材を用いた。
　静止用摺動材のグレーティングは、摺動面内径に掛からない範囲で、周方向に沿って相互に分離するように複数設けた。具体的には、半径方向の範囲はφ３７．５～φ４１．５の範囲で、周方向の範囲はグレーティング部の角度範囲が１２°、グレーティング部の間隔となる非加工部の角度範囲が３°となるように、グレーティング部を形成した。
　また、グレーティング部の直線状凹凸部の方向は、回転方向（回転接線方向）に対して＋４５°で傾斜するように形成した。
　このような実施例１の静止用摺動材の摺動面のサンプルの写真を図４に、また、グレーティング部の顕微鏡写真を図５に示す。
　図５に示すように、グレーティング部には表面に多数の微細溝が形成されていることが判る。なお、この例において溝（凹凸部）の凹凸の間隔は約０．７μｍ、振幅（凹凸の深さ）は約０．１５μｍとなった。
２．実施例２
　実施例２としても、実施例１と同様に、回転用摺動材には鏡面仕上げした摺動面を有するメカニカルシール摺動材、静止用摺動材には鏡面仕上げした後にフェムト秒レーザーにて複数の直線状の凹凸部からなるグレーティング部（周期構造）を複数の区画に設けた摺動面を有するメカニカルシール摺動材を用いた。
　また、実施例１と同様に、静止用摺動材のグレーティングは、摺動面内径に掛からない範囲で、周方向に沿って相互に分離するように複数設けた。具体的には、半径方向の範囲はφ３７．５～φ４１．５の範囲で、周方向の範囲はグレーティング部の角度範囲が１２°、グレーティング部の間隔となる非加工部の角度範囲が３°となるように、グレーティング部を形成した。
　実施例２においては、グレーティング部の直線状凹凸部の方向が実施例１とは異なる。実施例２においてはグレーティング部は、回転方向（回転接線方向）に対して＋４５°で傾斜するよう凹凸部が形成されたグレーティング部と、回転方向（回転接線方向）に対して－４５°で傾斜するよう凹凸部が形成されたグレーティング部とが隣接するように、換言すれば周方向に沿って交互に配置されるように形成されている。
　このような実施例２の静止用摺動材の摺動面のサンプルの写真を図６に、また、グレーティング部の顕微鏡写真を図７Ａ及び図７Ｂに示す。
　図６に示すように、実施例２に示すメカニカルシール摺動材の摺動面においては、グレーティング部の外観が交互に異なっており、形成されている微細な凹凸部が交互に異なっていることが判る。
　また、図７Ａ及び図７Ｂは各々、凹凸部の方向が回転方向に対して＋４５°及び－４５°のグレーティング部の顕微鏡写真であり、凹凸部の方向が実際に異なっていることが判る。
　なお、図７Ａ及び図７Ｂに示す例においては、ともに溝（凹凸部）の凹凸の間隔は約０．７μｍ、振幅（凹凸の深さ）は約０．１５μｍとなった。
３．比較例
　比較例として、回転用摺動材、静止用摺動材ともにラッピング工程で摺動面を仕上げたシール摺動材を用いた。
　そして、このような実施例１、２及び比較例に対する摩擦係数の検出結果は、次の表１～表５の通りである。
　表１は、実施例１の条件における被封止流体圧力及び回転周速ごとの摩擦係数を示す表であり、表２は、実施例２の条件における被封止流体圧力及び回転周速ごとの摩擦係数を示す表であり、表３は、比較例の条件における被封止流体圧力及び回転周速ごとの摩擦係数を示す表である。
　また、表４は、被封止流体圧力及び回転周速ごとの実施例１と比較例との摩擦係数の比を示す表であり、表５は、被封止流体圧力及び回転周速ごとの実施例２と比較例との摩擦係数の比を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
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　表４及び表５に示すように、本実施例の条件の範囲では、比較例の摩擦係数を１とした場合、実施例１の摩擦係数は０．２３～０．４５の範囲、実施例２の摩擦係数は０．３４～０．７９の範囲となり、いずれの場合も、摺動面にグレーティング部を形成することにより、摩擦係数を低減できることが判った。また、潤滑状態が悪化しやすい低速において特に低摩擦係数が得られることが判った。
　なお、本結果は回転用封止環を右回転させて得られた結果であるが、比較例、実施例２では逆回転においても同様な結果となることは確認を行った。
　また、漏洩量は図示しないが、今回の条件の範囲では全て０．５ｃｃ／ｈ以下の微量であった。
　以上説明したように、本発明のメカニカルシール摺動材においては、摺動面に微細な複数の直線状の凹凸部（グレーティング部）を形成しているので、メカニカルシールとして構成した場合に、摺動面間への被封止流体の導入及びその保持を良好に行え、安定的かつ良好な潤滑性を得ることができる。すなわち、本発明によれば、過大な漏洩を発生させることなく、摩擦係数や摺動面温度の低減や安定化といった潤滑性の向上をすることのできるメカニカルシール摺動材を提供することにある。
　また、直線偏光のフェムト秒レーザーを、加工しきい値近傍の照射エネルギーで材料表面に照射することによりグレーティング部を形成しているので、摺動面の表面に微細な直線状凹凸部を定ピッチで多数、簡単に、所望の条件で形成することができる。
　なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。
　例えば、摺動面に形成するグレーティング部の形状、配置、グレーティング部として形成する凹凸部の数、ピッチ、凹凸形状等は、前述した例に限定されるものではなく任意に形成してよい。
　また、本発明はメカニカルシール摺動材の摺動面にグレーティング部を形成することを特徴とするものであって、そのメカニカルシール摺動材の材料自体が何ら限定されるものではない。
　また、前述した例においては、メカニカルシール摺動材の摺動面にグレーティング部を形成するためにフェムト秒レーザーを用いる方法を記載したが、これは好適な一例であってこれに限定されるものではない。同様の微細な凹凸部が形成できる方法であれば、任意の方法を用いてよい。
産業上の利用分野
　本発明のメカニカルシール摺動材及びメカニカルシールは、ポンプや冷凍機等の軸封装置、及び、その他任意のシール装置に適用して有効である。

Claims (10)

  1. 　静止用摺動材と回転用摺動材とが対向する各摺動面を相対回転摺動させて、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向一方側に存在する被封止流体をシールするメカニカルシールにおいて、前記静止用摺動材又は前記回転用摺動材として使用されるメカニカルシール摺動材であって、
    　前記摺動面に、相互に平行な複数の直線状の凹凸部が所定のピッチで所定の区画内に形成されたグレーティング部が、各々分離して複数形成されており、
    　前記複数のグレーティング部の前記直線状の凹凸部は、当該凹凸部の方向が当該摺動面の摺動方向に対して所定の角度を成して傾斜するように形成されている
    　ことを特徴とするメカニカルシール摺動材。
  2. 　前記複数のグレーティング部は、前記摺動面の摺動方向に沿って形成され、隣り合う当該グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向が当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール摺動材。
  3. 　前記グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向は、前記摺動面の摺動方向に対して１０°～８０°の傾斜角を成すように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール摺動材。
  4. 　前記複数のグレーティング部は、前記直線状の凹凸部の方向が前記摺動面の摺動方向に対して対称となる第１グレーティング部と第２グレーティング部とを備え、前記第１グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向は前記摺動方向に対して＋１０°～＋８０°の傾斜角を有し、前記第２グレーティング部の前記直線状の凹凸部の方向は前記摺動方向に対して－１０°～－８０°の傾斜角を有することを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール摺動材。
  5. 　前記摺動方向に沿って隣り合う前記グレーティング部間にランド部を設けたことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材。
  6. 　前記グレーティング部はシリコン系セラミックスで形成されることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材。
  7. 　前記グレーティング部の凹凸ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材。
  8. 　前記グレーティング部の凹凸深さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材。
  9. 　前記グレーティング部は、加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザーを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して自己組織的に形成されていることを特微とする請求項１～８のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材。
  10. 　静止用摺動材と回転用摺動材とが対向する各摺動面を相対回転摺動させて、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向一方側に存在する被封止流体をシールするメカニカルシールであって、請求項１～９のいずれかに記載のメカニカルシール摺動材を前記静止用摺動材又は前記回転用摺動材として使用するメカニカルシール。
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047428A (ja) * 2009-08-25 2011-03-10 Canon Machinery Inc 摺動面
WO2011115073A1 (ja) 2010-03-15 2011-09-22 イーグル工業株式会社 摺動部材
JP2012002295A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Canon Machinery Inc 平面摺動機構
WO2013021839A1 (ja) * 2011-08-05 2013-02-14 イーグル工業株式会社 メカニカルシール
WO2013031530A1 (ja) 2011-09-03 2013-03-07 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2013035503A1 (ja) * 2011-09-10 2013-03-14 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2013035502A1 (ja) * 2011-09-10 2013-03-14 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2014042045A1 (ja) * 2012-09-11 2014-03-20 イーグル工業株式会社 摺動部品
JPWO2013031529A1 (ja) * 2011-09-03 2015-03-23 イーグル工業株式会社 摺動部品
US20150300497A1 (en) * 2012-02-15 2015-10-22 Eagle Industry Co., Ltd. Shaft seal device
US9234594B2 (en) 2012-05-21 2016-01-12 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
JPWO2014061544A1 (ja) * 2012-10-18 2016-09-05 イーグル工業株式会社 摺動部品
US9512923B2 (en) 2012-05-21 2016-12-06 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
US9964216B2 (en) 2012-05-21 2018-05-08 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
US10612666B2 (en) 2012-09-11 2020-04-07 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013035501A1 (ja) * 2011-09-06 2013-03-14 イーグル工業株式会社 軸封装置
CN104736904B (zh) * 2013-01-16 2017-04-05 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
FR3009125B1 (fr) * 2013-07-24 2019-06-28 Areva Np Glace pour garniture d'etancheite pour systeme d'etancheite d'arbre
FR3009124A1 (fr) * 2013-07-24 2015-01-30 Areva Np Glace pour garniture d'etancheite pour systeme d'etancheite d'arbre
EP3039317B1 (en) * 2013-08-27 2020-02-26 Eaton Corporation Seal ring composite for improved hydrodynamic seal performance
US9353865B2 (en) * 2014-06-03 2016-05-31 Thermo King Corporation Mechanical face seal
US9682441B2 (en) 2015-06-01 2017-06-20 Caterpillar Inc. Laser polishing system and method for metal face seal
FR3050266B1 (fr) * 2016-04-15 2021-02-12 Somfy Sas Procede de controle de conformite d'un ressort, procede de fabrication d'un tel ressort et ressort ainsi controle
US11125334B2 (en) 2016-12-21 2021-09-21 Eaton Intelligent Power Limited Hydrodynamic sealing component and assembly
US11608897B2 (en) 2018-08-01 2023-03-21 Eagle Industry Co., Ltd. Slide component
EP3842673A4 (en) 2018-08-24 2022-05-04 Eagle Industry Co., Ltd. SLIDING ELEMENT
WO2020110922A1 (ja) 2018-11-30 2020-06-04 イーグル工業株式会社 摺動部品
EP3901497A4 (en) 2018-12-21 2022-09-14 Eagle Industry Co., Ltd. SLIDING ELEMENT
CN113490796A (zh) 2019-02-14 2021-10-08 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
KR102616659B1 (ko) 2019-04-24 2023-12-21 이구루코교 가부시기가이샤 슬라이딩 부품
IT201900010977A1 (it) * 2019-07-05 2021-01-05 Ml Engraving S R L Guarnizione, stampo, macchina laser, metodo per realizzare detto stampo, metodo per realizzare detta guarnizione
CN114127430A (zh) 2019-07-26 2022-03-01 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0569066A (ja) 1991-09-10 1993-03-23 Toyo Seikan Kaisha Ltd 容易開口罐蓋
JPH0788909A (ja) 1993-09-28 1995-04-04 Nissei Plastics Ind Co 射出スクリュ
JP2000088112A (ja) * 1998-09-09 2000-03-31 Ebara Corp メカニカルシール
JP2004360012A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho 金属密着面表面処理方法及びその装置
JP2007263374A (ja) * 2000-07-12 2007-10-11 Perkinelmer Fluid Sciences 回転面漏止め装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1599308A (ja) * 1968-06-08 1970-07-15
US5501470A (en) * 1992-12-11 1996-03-26 Nippon Pillar Packing Co., Ltd. Non-contacting shaft sealing device with grooved face pattern
JP2639883B2 (ja) * 1993-07-22 1997-08-13 日本ピラー工業株式会社 非接触形軸封装置
JP2563081B2 (ja) * 1994-03-22 1996-12-11 日本ピラー工業株式会社 非接触形軸封装置
JPH09329247A (ja) * 1996-06-11 1997-12-22 Ebara Corp 非接触端面シール
US6213473B1 (en) * 1999-03-06 2001-04-10 Utex Industries, Inc. Double gas seal with coplanar pad faces
US6189896B1 (en) * 1999-04-08 2001-02-20 Caterpillar Inc. Controlled leakage rotating seal ring with elements for receiving and holding a lubricant on a face thereof
JP4205910B2 (ja) 2002-04-02 2009-01-07 イーグル工業株式会社 摺動部品

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0569066A (ja) 1991-09-10 1993-03-23 Toyo Seikan Kaisha Ltd 容易開口罐蓋
JPH0788909A (ja) 1993-09-28 1995-04-04 Nissei Plastics Ind Co 射出スクリュ
JP2000088112A (ja) * 1998-09-09 2000-03-31 Ebara Corp メカニカルシール
JP2007263374A (ja) * 2000-07-12 2007-10-11 Perkinelmer Fluid Sciences 回転面漏止め装置
JP2004360012A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho 金属密着面表面処理方法及びその装置

Cited By (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047428A (ja) * 2009-08-25 2011-03-10 Canon Machinery Inc 摺動面
US9228660B2 (en) 2010-03-15 2016-01-05 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding member
WO2011115073A1 (ja) 2010-03-15 2011-09-22 イーグル工業株式会社 摺動部材
JP2012002295A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Canon Machinery Inc 平面摺動機構
JP2016014482A (ja) * 2011-08-05 2016-01-28 イーグル工業株式会社 メカニカルシール
US9982784B2 (en) 2011-08-05 2018-05-29 Eagle Industry Co., Ltd. Mechanical seal
CN103620277A (zh) * 2011-08-05 2014-03-05 伊格尔工业股份有限公司 机械密封件
WO2013021839A1 (ja) * 2011-08-05 2013-02-14 イーグル工業株式会社 メカニカルシール
US9494239B2 (en) 2011-09-03 2016-11-15 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding parts
US9447884B2 (en) 2011-09-03 2016-09-20 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding parts
JPWO2013031529A1 (ja) * 2011-09-03 2015-03-23 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2013031530A1 (ja) 2011-09-03 2013-03-07 イーグル工業株式会社 摺動部品
JPWO2013031530A1 (ja) * 2011-09-03 2015-03-23 イーグル工業株式会社 摺動部品
JPWO2013035502A1 (ja) * 2011-09-10 2015-03-23 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2013035502A1 (ja) * 2011-09-10 2013-03-14 イーグル工業株式会社 摺動部品
WO2013035503A1 (ja) * 2011-09-10 2013-03-14 イーグル工業株式会社 摺動部品
US9151390B2 (en) 2011-09-10 2015-10-06 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding parts
CN103765060A (zh) * 2011-09-10 2014-04-30 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
CN103765060B (zh) * 2011-09-10 2017-02-15 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
CN103732958A (zh) * 2011-09-10 2014-04-16 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
US9371912B2 (en) 2011-09-10 2016-06-21 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding parts
US20150300497A1 (en) * 2012-02-15 2015-10-22 Eagle Industry Co., Ltd. Shaft seal device
US9512923B2 (en) 2012-05-21 2016-12-06 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
US9234594B2 (en) 2012-05-21 2016-01-12 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
US9964216B2 (en) 2012-05-21 2018-05-08 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
WO2014042045A1 (ja) * 2012-09-11 2014-03-20 イーグル工業株式会社 摺動部品
JPWO2014042045A1 (ja) * 2012-09-11 2016-08-18 イーグル工業株式会社 摺動部品
CN104321568A (zh) * 2012-09-11 2015-01-28 伊格尔工业股份有限公司 滑动部件
US20150115540A1 (en) * 2012-09-11 2015-04-30 Eagle Industry Co. Ltd Sliding component
US10612666B2 (en) 2012-09-11 2020-04-07 Eagle Industry Co., Ltd. Sliding component
JPWO2014061544A1 (ja) * 2012-10-18 2016-09-05 イーグル工業株式会社 摺動部品

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JP5278970B2 (ja) 2013-09-04
EP2230425B1 (en) 2014-04-02

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