WO2022209966A1 - 摺動部品 - Google Patents

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WO2022209966A1
WO2022209966A1 PCT/JP2022/012343 JP2022012343W WO2022209966A1 WO 2022209966 A1 WO2022209966 A1 WO 2022209966A1 JP 2022012343 W JP2022012343 W JP 2022012343W WO 2022209966 A1 WO2022209966 A1 WO 2022209966A1
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thin film
sliding
sliding surface
seal ring
filler
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峰洋 荒井
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イーグル工業株式会社
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    • F16C33/201—Composition of the plastic

Definitions

  • the present invention relates to a sliding part that slides relative to each other.
  • the present invention relates to sliding parts used in bearings of machines or other machines in the field of bearings.
  • the sliding part has a sliding surface that slides relative to the mating sliding surface, and constitutes a bearing that supports a rotating or reciprocating shaft, etc., and a shaft seal device that prevents leakage of the sealed fluid. used as parts.
  • a shaft sealing device for preventing leakage of a sealed fluid for example, a mechanical seal has a pair of annular sliding parts that rotate relative to each other and slide on their sliding surfaces.
  • the sliding part shown in Patent Document 1 includes a base material formed of SiC, an adhesive layer on the sliding surface side of the base material, and a vitreous carbon sheet attached to the base material via the adhesive layer.
  • the present invention has been made by paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide a sliding component capable of suppressing the temperature rise of the sliding surface.
  • the sliding component of the present invention is A sliding component having a sliding surface that slides relative to each other, A thin film mainly composed of vitreous carbon is directly coated on the substrate of the sliding component, and the sliding surface is made of the thin film.
  • a thin film mainly composed of vitreous carbon is directly coated on the base material of the sliding part, so that frictional heat generated by relative sliding with the mating sliding surface is transferred from the thin film to the base material. Since the heat is directly transferred, the temperature rise of the sliding surface can be suppressed.
  • the thin film is mainly composed of vitreous carbon, it has excellent wear resistance and is difficult to seize even in poorly lubricated conditions.
  • the thin film may be mainly composed of the vitreous carbon and may be mixed with graphite. According to this, part of the graphite mixed in the thin film that is directly coated on the base material penetrates into the unevenness of the surface of the base material, so that the adhesion of the thin film to the base material can be enhanced.
  • the thin film may contain a filler having dimensions equal to or smaller than the film thickness of the thin film. According to this, the function of the filler is added to the sliding surface, and even if the film is a thin film, the filler does not easily fall off, and the protruding of the filler from the sliding surface can be suppressed. It is difficult to damage the side sliding surface.
  • the thin film may contain a highly thermally conductive filler having a higher thermal conductivity than the vitreous carbon forming the thin film. According to this, since the thin film mainly composed of vitreous carbon contains the high thermal conductive filler, the thermal conductivity of the sliding surface can be improved, so that the frictional heat is more easily transferred from the thin film to the base material. .
  • the thin film may contain a low-friction filler having a smaller friction coefficient than the vitreous carbon forming the thin film. According to this, since the thin film mainly composed of glassy carbon contains the low-friction filler, the lubricity of the sliding surface can be enhanced.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the sliding surface of the rotary seal ring before use on which a thin film is formed in the example.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing how fillers are dispersed in a thin film in an example.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which sheared chunks of graphite are generated due to sliding between the sliding surface of the rotary seal ring on which the thin film is formed and the sliding surface of the stationary seal ring in the example.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a state after sliding between the sliding surface of the rotary seal ring on which the thin film is formed and the sliding surface of the stationary seal ring in the example.
  • FIG. 1 A sliding component according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 a form in which the sliding part is a mechanical seal will be described as an example.
  • the inner diameter side of the sliding part constituting the mechanical seal will be described as a low-pressure fluid side as a leakage side, and the outer diameter side as a high-pressure fluid side (sealed gas side) as a sealed fluid side.
  • the mechanical seal for general industrial machinery shown in FIG. 1 tends to leak from the outer diameter side to the inner diameter side of the sliding surface in a non-lubricated environment where liquid does not intervene between the sliding surfaces, that is, in a dry environment. It is an inside type that seals the gas to be sealed.
  • a mechanical seal is mainly composed of a rotary seal ring 20 as a sliding component and a stationary seal ring 10 as a sliding component.
  • the rotary seal ring 20 has an annular shape and is provided on the rotary shaft 1 through the sleeve 2 so as to be rotatable together with the rotary shaft 1 .
  • the stationary seal ring 10 has an annular shape and is provided in a non-rotatable and axially movable state on a seal cover 5 fixed to a housing 4 of a device to which it is attached.
  • the stationary seal ring 10 is urged in the axial direction by the spring 6 so that the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 and the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 closely slide against each other.
  • a gasket 7 seals between the rotary seal ring 20 and the sleeve 2
  • an O-ring 8 seals between the stationary seal ring 10 and the seal cover 5 .
  • the stationary seal ring 10 and the rotary seal ring 20 in this embodiment are made of SiC (silicon carbide).
  • the stationary seal ring 10 and the rotary seal ring 20 are not limited to being made of the same material, and may be made of different materials.
  • the rotary seal ring 20 is constructed by directly coating a thin film 30 on a SiC base material 22 as a base material. That is, the substantial sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 is formed by the surface 30a of the thin film 30. As shown in FIG. In this embodiment, a thin film is not formed on the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 as the mating sliding surface (see FIG. 4).
  • the thickness of the thin film 30 is thicker than the surface roughness of the SiC base material 22 as will be described later, and the entire surface of one end surface 22a of the SiC base material 22 in the axial direction is covered with the thin film 30.
  • the sliding surface 21 is a part of the end surface portion 22a of the SiC substrate 22, for example, the top of the mountain on the surface may be exposed without being covered by the thin film 30 .
  • the thin film 30 is directly coated on the SiC substrate 22, there is no need to form an intermediate layer, and there are no restrictions on the conditions of use for the intermediate layer, compared to the case where there is an intermediate layer.
  • Thin in the thin film means thinner than the base material.
  • the thin film 30 has a structure in which a skeleton structure of carbon atoms whose main component is glassy carbon is used as a base material. Friction filler 41 is included.
  • Glassy carbon is mainly composed of carbon atoms, is a kind of non-graphitized carbon of carbon materials, and is a substance that can be analyzed by Raman spectroscopic analysis or the like.
  • the thin film 30 of the present embodiment is a thin film mainly composed of glassy carbon, that is, a thin film exhibiting a composition in which the characteristics of the glassy carbon component of the skeleton structure of carbon atoms on the surface remarkably appear. Part of the carbon atoms in the skeleton structure may form a region composed of graphitized carbon.
  • the thin film 30 is a SiC base material that constitutes the rotary seal ring 20 using a polyamic acid varnish, which is a precursor solution obtained by dissolving polyimide resin, which is a thermosetting resin, in an organic solvent, using a coating device such as a bar coater or a spin coater. 22 is directly coated so as to cover one end surface 22a in the axial direction, imidized by drying and curing treatment, then cured by heating at a temperature of 1200° C. or less in an inert atmosphere, and further baked. A glassy carbonized skeleton is formed. That is, the skeleton structure of carbon atoms in the thin film 30 is derived from polyamic acid.
  • a polyamic acid varnish which is a precursor solution obtained by dissolving polyimide resin, which is a thermosetting resin, in an organic solvent, using a coating device such as a bar coater or a spin coater. 22 is directly coated so as to cover one end surface 22a in the axial direction, imidized by drying
  • the thin film 30 By forming the thin film 30 to have a thickness within a predetermined range, it is possible to prevent the film from being broken, and to convert the thermosetting resin into glass-like carbon by firing at a relatively low temperature. can be done. Furthermore, the thin film 30 before initial use may be formed to have a thickness of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. If the film thickness is less than the above value, peeling will occur between the SiC substrate 22, and if the film thickness is greater than the above value, cracks will occur during film formation. Also, the film thickness of the thin film 30 is preferably set to an optimum value according to the particle size of the filler or additive dispersed in the film.
  • the end surface portion 22a of the SiC base material 22 covered with the thin film 30 has an arithmetic mean roughness Ra of 0.1 ⁇ m or more on the surface thereof, and the thin film 30 is formed from the fine concave portions 22b of the end surface portion 22a of the SiC base material 22. A part of the thin film 30 is formed inside.
  • the hardness measurement of the thin film 30 and the SiC base material 12 was tested using a nanoindenter, and it was confirmed that the SiC base material 12 showed a harder value than the thin film 30.
  • the thin film 30 of the present embodiment is mainly formed with a vitreous carbon region on the surface by baking polyimide resin, which is a thermosetting resin, at a temperature of 1200° C. or lower.
  • the film composition of the thin film 30 can be determined by analyzing the film composition by, for example, XRD, Raman spectroscopic analysis, or thermal analysis.
  • the thin film 30 is preferably formed by baking polyimide resin, which is a thermosetting resin, at a temperature of 800° C. to 1200° C. or less.
  • granular high thermal conductivity fillers 40 and low friction fillers 41 having dimensions equal to or less than the film thickness of the thin film 30 are dispersed substantially uniformly in the film.
  • the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41 are illustrated with the same particle size.
  • the filler may also be a nanofiller.
  • the high thermal conductive filler 40 natural graphite, which has a higher thermal conductivity than the vitreous carbon forming the thin film 30, is used.
  • fillers such as artificial graphite and carbon black (C.B.) may be used as the high thermal conductivity filler 40 .
  • the thin film 30 is preferably adjusted so that the content of the high thermal conductive filler 40 in the film is 1 to 50% by weight.
  • kaolin clay which has a smaller coefficient of friction than the vitreous carbon forming the thin film 30, was used as the low-friction filler 41.
  • fillers such as natural graphite, artificial graphite, molybdenum disulfide, etc. may be used.
  • the thermal conductivity of the thin film 30 mainly made of vitreous carbon is increased, and by adding a small amount of a low friction filler 41, The coefficient of friction on the surface of thin film 30 can be reduced.
  • kaolin clay as the low-friction filler 41, it is possible to reduce the coefficient of friction particularly in a dry environment.
  • the total content of the fillers contained in the thin film 30 is preferably 75% by weight or less in order to exhibit the abrasion resistance of the vitreous carbon.
  • the type, number, and content ratio of fillers contained in the film may be freely changed according to the properties required for the sliding surface 21.
  • cerium oxide as a filler in addition to the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41 described above, silicate deposits caused by long life coolant (LLC) can be removed.
  • LLC long life coolant
  • natural graphite, artificial graphite, or metal powder (or metal oxide) with high crystallinity it is possible to impart electrical properties to the thin film.
  • the degree of graphitization of the surface of the thin film 30 was analyzed using a spectroscopic analyzer manufactured by Nanophoton Co., Ltd., and measured at a center wavenumber of 2082.24 cm ⁇ 1 , an excitation wavelength of 532.36 nm, and a laser intensity of 0.8 mW.
  • IG is the intensity of the G peak appearing at the center wavenumber of 1574 to 1576 cm ⁇ 1 .
  • ID is the intensity of the D peak appearing at the center wavenumber of 1344 to 1348 cm ⁇ 1 . Multiple points in a specific region are measured in the sample, and the intensity ratio ID/IG is calculated from the G and D peak intensities of the averaged spectrum. If the value is greater than 1, it represents glassy carbon in the present invention. .
  • the stationary seal ring 10 is not formed with a thin film as described above, and at least the sliding surface 11 is formed of SiC.
  • Table 1 shows the results of forming the thin film 30 of the rotary seal ring 20 (Samples F to M) and the test results of the Ring-on-Ring friction/wear test in this example.
  • the applicability was determined based on whether or not seizure of the sliding surface occurred in a non-lubricated environment.
  • the presence or absence of peeling of the thin film 30 from the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 and the presence or absence of cracks were confirmed.
  • the confirmation of the presence or absence of peeling of the thin film air is blown against the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 to remove deposits.
  • the thin film 30 of the rotary seal ring 20 which had no seizing of the sliding surface, no peeling of the thin film 30 from the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20, and no cracks, had a thickness of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • Samples F, G, H, I, K were included in a non-lubricating environment.
  • the rotary seal ring 20 on which the thin film 30 was formed in this example was prepared by changing the content (% by weight) of the high thermal conductive filler 40 in the film, and ring-on-ring friction and friction were performed under the following conditions.
  • the result of the abrasion test will be explained.
  • the thin film 30 of the rotary seal ring 20 is formed with a uniform thickness of 20 ⁇ m.
  • the thin film 30 is formed in a state in which the content of the low-friction filler 41 in the film is unified to 5% by weight.
  • the stationary seal ring 10 is not formed with a thin film as described above, and at least the sliding surface 11 is formed of SiC.
  • Table 2 shows the test results of the ring-on-ring friction/wear test of the rotary seal ring 20 (samples N to S) in this example.
  • the applicability was determined based on whether or not seizure of the sliding surface occurred in a non-lubricated environment.
  • the ring-on-ring friction/wear test as in Table 1, the presence or absence of cracks in the thin film 30 of the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 was confirmed.
  • the thin film 30 of the rotary seal ring 20 which had no seizing of the sliding surface due to an increase in the coefficient of friction due to an increase in the temperature of the sliding surface and no cracks, had a high thermal conductivity filler 40. is 10% by weight or more, and the total content of the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41 is 30% by weight or less (Samples O, P, Q, R).
  • the stationary seal ring 10 which is a counterpart of the sliding surface 21 on which the thin film 30 is not formed, is made of carbon, which is a soft material
  • foreign matter entering between the sliding surfaces 11 and 21 may cause the soft material to become soft.
  • Foreign matter gets caught in the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, which is made of carbon, and the sliding surface 11 is scraped, resulting in surface roughness and loss of smoothness of the sliding surface, which adversely affects the coefficient of friction. give.
  • the sliding surface of the sliding part made of carbon has a problem of foreign matter resistance.
  • the rotary seal ring 20 is constructed by coating a hard SiC base material 22 with a thin film 30, and the mating stationary seal ring 10 is also made of SiC, which is a hard material. Therefore, when foreign matter enters between the sliding surfaces 11 and 21, the graphite region that is softer than the vitreous carbon that mainly constitutes the thin film 30 is scraped preferentially. The surface roughness of the SiC substrates 12 and 22 that adversely affects the coefficient of friction is less likely to occur.
  • the SiC base material 22 of the rotary seal ring 20 according to the present invention is directly coated with the thin film 30 mainly composed of vitreous carbon and containing the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41, thereby achieving static sealing. Since the frictional heat generated by the relative sliding of the ring 10 with the sliding surface 11 is directly transferred from the thin film 30 to the SiC substrate 22, the temperature rise of the sliding surface 21 can be suppressed. In addition, the SiC base material 22 is difficult to retain heat due to heat dissipation and heat transfer to the seal cover 5 (see FIG. 1) due to facing the fluid such as the fluid to be sealed. In addition, since the thin film 30 is mainly made of vitreous carbon, it has excellent wear resistance and is difficult to galling even in a poorly lubricated state.
  • the thin film 30 is mainly made of vitreous carbon and may be easily peeled off when directly coated on the SiC substrate 22.
  • part of the graphite region is SiC.
  • the adhesion of the thin film 30 to the SiC substrate 22 can be enhanced by entering the unevenness of the surface of the substrate 22 .
  • the friction between the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 and the graphite region of the thin film 30 constituting the sliding surface 21 is sheared between the graphite layers bonded by a weak van der Waals force (Fig. 4).
  • the sliding surfaces 11 and 21 are pressed in the axial direction due to the pressure contact force between them, and part of the thin film 30 enters and remains in the fine recesses 22b of the end surface portion 22a of the SiC substrate 22, leaving the sliding surface 21 is smoothed (see enlarged portion of FIG. 5).
  • the thin film 30 remaining in the fine recesses 22b can exert the self-lubricating property of graphite on the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, so that the lubrication can be performed in a fluid lubrication region, a boundary lubrication region, and a non-lubrication environment. It is possible to stably obtain a low friction effect under a wide range of usage conditions such as.
  • Glassy carbon also has self-lubricating properties, but graphite is superior to glassy carbon in self-lubricating properties.
  • the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20 covered with the thin film 30 is added with the function of the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41 having dimensions equal to or smaller than the film thickness of the thin film 30, and the film thickness is thin. Even if it is a thin film 30, the high thermal conductivity filler 40 and the low friction filler 41 are difficult to fall off, and in particular, the high thermal conductivity filler 40 can be suppressed from protruding from the sliding surface 21, so that the stationary seal ring 10 slides due to friction. The surface 11 is hard to be damaged.
  • the thin film 30 containing the filler is coated on the SiC base material 22 by firing, part of the filler enters the irregularities on the surface of the SiC base material 22, thereby improving the adhesion of the thin film 30 to the SiC base material 22. can be enhanced.
  • the thin film 30 contains a high thermal conductivity filler 40 having a higher thermal conductivity than the vitreous carbon constituting the thin film 30, so that the sliding surface 21 composed of the thin film 30 mainly made of vitreous carbon is improved.
  • Thermal conductivity can be enhanced, and frictional heat generated by relative sliding between the stationary seal ring 10 and the sliding surface 11 is more easily transferred from the thin film 30 to the SiC substrate 22 .
  • the high thermal conductivity filler 40 is softer than the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, so that the mating sliding surface 11 is less likely to be damaged by friction.
  • the thin film 30 can increase the lubricity of the sliding surface 21 by including the low-friction filler 41 having a smaller friction coefficient than the vitreous carbon forming the thin film 30 .
  • the thin film 30 is formed only on the sliding surface 21 of the rotary seal ring 20, sheared lumps P30 of graphite originating from the thin film 30 and generated between the sliding surfaces 11 and 21 (see the enlarged portion of FIG. 4). is pushed in the axial direction by the pressure contact force between the sliding surfaces 11 and 21, and enters and transfers into the minute recesses 12b of the end surface portion 12a of the SiC base material 12 that constitutes the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10.
  • the transfer film 31 the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 is also smoothed (see the enlarged portion of FIG. 5).
  • the ratio of sliding portions between SiC and graphite, vitreous carbon and graphite, or between graphite and graphite increases, so that a better low-friction effect can be obtained.
  • the thin film 30 is formed by directly applying polyamic acid varnish, which is a precursor solution obtained by dissolving a polyimide resin, which is a thermosetting resin, in an organic solvent to the end surface portion 22a of the SiC substrate 22, and baking the varnish. Therefore, the adhesion of the thin film 30 to the SiC base material 22 is high by entering into the minute recesses 22b of the end surface portion 22a of the SiC base material 22 .
  • the viscosity of the polyamic acid varnish which is a precursor solution of polyimide resin with excellent film-forming properties, to an arbitrary viscosity and applying it to form a film, it is possible to suitably shrink in the surface direction and thickness direction and improve adhesion. can be done. Therefore, the film formation area of the thin film 30 is not limited.
  • the thin film 30 of the present invention can be formed by applying a thin layer of polyamic acid varnish and baking it at a relatively low temperature of 800° C. to 1200° C. or less, the thin film 30 does not peel off or break due to heat shrinkage. It is difficult to generate, has excellent workability, and can exhibit excellent wear resistance due to glassy carbon as the sliding surface 21 .
  • the thin film 30 is formed as thin as 1 ⁇ m to 100 ⁇ m in thickness, and contains a filler having a size equal to or less than the film thickness of the thin film 30, so that the gas generated inside the thin film 30 during firing can easily escape. , the occurrence of cracks can be prevented.
  • the thin film 30 is smaller than the hardness of the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, that is, the hardness of the SiC base material 12, the thin film 30 is softer than the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, and friction causes friction.
  • the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 is hardly damaged.
  • the hardness of the thin film 30 is lower than the hardness of the SiC base material 22 of the rotary seal ring 20, when foreign matter enters between the sliding surfaces 11 and 21, the graphite region of the thin film 30, which is particularly soft, preferentially This shearing promotes the smoothing of the sliding surface 21, and the exposed end face portion 22a of the hard SiC base material 22 and the vitreous carbon region can improve foreign matter resistance, so that the sliding surface 11, 21, both the self-lubricating property of graphite and the resistance to foreign matter can be achieved.
  • the base material of the rotary seal ring 20 is made of SiC, which is a ceramic, and since the SiC base material 22 is porous, there are many fine recesses 22b into which a part of the thin film 30 enters the end surface portion 22a. , the thin film 30 is easily fixed to the surface of the base material because the surface roughness is more likely to occur than that of metal. Furthermore, since the end face portion 22a of the SiC substrate 22 on which the thin film 30 is formed has an arithmetic mean roughness Ra of 0.1 ⁇ m or more, the thin film 30 is partially formed in the minute recesses 22b of the end face portion 22a. Therefore, even if the graphite region of the thin film 30 is sheared by friction with the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10, a part of the thin film 30 is held in the fine recesses 22b, It is hard to fall out of 21 rooms.
  • the entire surface of the end surface portion 22a of the SiC substrate 22 is covered with the thin film 30. In other words, the surface of the substrate is not exposed. Since the graphite region of the thin film 30 is sheared, the sliding surface 21 is likely to be smoothed.
  • the thickness of the thin film 30 is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, it is possible to prevent the thin film 30 from peeling off from the end face portion 22a of the SiC substrate 22 and the thin film 30 from cracking. can be used as a film of
  • the thickness of the thin film 30 is greater than the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the end face portion 22a of the SiC substrate 22, that is, the thickness of the thin film 30 is greater than the unevenness of the surface of the end face portion 22a of the SiC substrate 22. Since the thin film 30 is large, part of the thin film 30 is likely to enter the fine recesses 22b of the SiC substrate 22, and friction with the sliding surface 11 of the stationary seal ring 10 reliably shears the graphite region of the thin film 30. A part of the thin film 30 tends to remain in 22b, and the low-friction effect tends to be exhibited.
  • the base material of the rotary seal ring 20 and the sliding surface can be made of different materials, the thin film 30 of the sliding surface 21 can be formed while the base material has the rigidity and high thermal conductivity of ceramics such as SiC. It is possible to impart the self-lubricating property and wear resistance of glassy carbon, the self-lubricating property of graphite, and the functions of various fillers. Furthermore, by changing the base material to an inexpensive material, the cost of the sliding parts can be reduced.
  • the thin film 30 is mainly made of vitreous carbon, it is highly rigid and has excellent wear resistance. In particular, it has excellent resistance to foreign matter when sliding in slurry. As for the foreign matter resistance of the thin film 30, even in a dry environment or under boundary lubrication, seizure of the sliding surface does not occur due to high friction such as sliding between SiC layers.
  • mechanical seals for general industrial machinery were used as sliding parts, but other mechanical seals for automobiles, water pumps, etc. may also be used.
  • it is not limited to mechanical seals, and sliding parts other than mechanical seals, such as slide bearings, may be used.
  • the thin film 30 can be formed on the inner peripheral surface of the bearing, it can also be applied to sliding parts constituting radial bearings and the like.
  • the mechanical seal to which the sliding parts are applied has been described as being used in an unlubricated environment. It may also be used in a smooth hydrodynamic lubrication zone or a boundary lubrication zone.
  • the thin film 30 is provided only on the rotary seal ring 20.
  • the thin film 30 may be provided only on the stationary seal ring 10, or may be provided on both the rotary seal ring 20 and the stationary seal ring 10. may
  • the thin film 30 was described as being derived from polyamic acid, which is a precursor solution obtained by dissolving polyimide resin in an organic solvent.
  • polyamic acid which is a precursor solution obtained by dissolving polyimide resin in an organic solvent.
  • urea resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, silicone resin, diallyl phthalate resin, polyimide resin, polyurethane resin, etc. may be derived from the precursor solution.
  • the filler is not limited to be granular, and may be, for example, fibrous.
  • the thin film 30 may not contain the low-friction filler 41 as long as the sliding surface 21 can be sufficiently lubricated by the self-lubricating property of graphite.
  • the thin film 30 is changed in the firing temperature range from 800° C. to 1200° C. or less and fired in a nitrogen atmosphere for 30 minutes to form a vitreous carbon.
  • the firing temperature may be set to the same temperature within the range of 800° C. to 1200° C. or less, and the firing time may be changed.
  • the end surface portion 22a of the SiC substrate 22 covered with the thin film 30 may have an arithmetic mean roughness Ra of 0.1 ⁇ m or less depending on the thickness of the thin film 30 .
  • the stationary seal ring 10 and the rotary seal ring 20 are made of SiC.
  • SiC include sintered bodies using boron, aluminum, carbon, etc. as sintering aids, and materials composed of two or more phases with different components and compositions, such as SiC and SiC in which graphite particles are dispersed. Reaction sintered SiC or the like made of Si may be used.
  • ceramics such as alumina, zirconia, silicon nitride (Si3N4), metal materials, resin materials, composite materials, and the like are also applicable.

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Abstract

摺動面の温度上昇を抑制することができる摺動部品を提供する。　相対摺動する摺動面１１，２１を有する摺動部品１０，２０であって、摺動部品２０の基材２２にはガラス状炭素を主とする薄膜３０が直接被膜されており、摺動面２１は薄膜３０からなる。

Description

摺動部品
　本発明は、相対摺動する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野の回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。
　摺動部品は、相手側の摺動面と相対摺動する摺動面を有しており、回転または往復運動する軸等を支持する軸受や被密封流体の漏れを防止する軸封装置の構成部品として用いられている。被密封流体の漏れを防止する軸封装置として、例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。例えば、特許文献１に示される摺動部品は、ＳｉＣから形成される基材と、基材の摺動面側に接着層と、接着層を介して基材に貼り付けられるガラス状炭素のシート状部材とを備えることにより、摺動部品の摺動面に存在するガラス状炭素によって耐摩耗性が得られるようになっている。
国際公開第２０１８／０３４１９７号（第７頁、第２図）
　しかしながら、特許文献１のような摺動部品は、相手側の摺動面との相対摺動により生じた摩擦熱が熱伝導性の低い接着層とこの接着層よりも摺動面側のガラス状炭素のシート状部材とに留まり放熱され難く、摺動面の温度が上昇して摩擦係数の増加や亀裂の発生の原因となるという問題がある。
　本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面の温度上昇を抑制することができる摺動部品を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明の摺動部品は、
　相対摺動する摺動面を有する摺動部品であって、
　前記摺動部品の基材にはガラス状炭素を主とする薄膜が直接被膜されており、前記摺動面は前記薄膜からなる。
　これによれば、摺動部品の基材にガラス状炭素を主とする薄膜が直接被膜されることにより、相手側の摺動面との相対摺動により生じた摩擦熱が薄膜から基材に直接伝熱されるため、摺動面の温度上昇を抑制することができる。また、薄膜はガラス状炭素を主としていることから、耐摩耗性に優れつつ、かつ貧潤滑状態においてもかじり難くなっている。
　前記薄膜は、前記ガラス状炭素を主とし黒鉛が混在していてもよい。
　これによれば、基材に直接被膜される薄膜に混在する黒鉛の一部が基材の表面の凹凸に入り込むことにより、基材に対する薄膜の密着性を高めることができる。
　前記薄膜は、当該薄膜の膜厚以下の寸法のフィラーを含んでいてもよい。
　これによれば、摺動面はフィラーによる機能が付加されるとともに、膜厚の薄い薄膜であってもフィラーが脱落し難く、フィラーが摺動面から突出することも抑制できるため、摩擦により相手側の摺動面を傷つけ難い。
　前記薄膜は、当該薄膜を構成する前記ガラス状炭素よりも熱伝導率が高い高熱伝導性フィラーを含んでいてもよい。
　これによれば、ガラス状炭素を主とする薄膜が高熱伝導性フィラーを含むことにより、摺動面の熱伝導性を高めることができるため、摩擦熱が薄膜から基材にさらに伝熱されやすい。
　前記薄膜は、当該薄膜を構成する前記ガラス状炭素よりも摩擦係数が小さい低摩擦フィラーを含んでいてもよい。
　これによれば、ガラス状炭素を主とする薄膜が低摩擦フィラーを含むことにより摺動面の潤滑性を高めることができる。
本発明の実施例におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 実施例における薄膜が形成された使用前の回転密封環の摺動面を示す拡大断面図である。 実施例における薄膜の膜中にフィラーが分散された様子を示す断面模式図である。 実施例における薄膜が形成される回転密封環の摺動面と静止密封環の摺動面との摺動により黒鉛のせん断塊が生じた状態を示す拡大断面図である。 実施例における薄膜が形成される回転密封環の摺動面と静止密封環の摺動面との摺動後の状態を示す拡大断面図である。
　本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。
　実施例に係る摺動部品につき、図１から図５を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の内径側を漏れ側としての低圧流体側、外径側を被密封流体側としての高圧流体側（被密封気体側）として説明する。
　図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面間に液体を介在させない無潤滑環境下、すなわちドライ環境下において摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封気体を密封するインサイド形のものである。
　メカニカルシールは、摺動部品としての回転密封環２０と、摺動部品としての静止密封環１０と、から主に構成されている。回転密封環２０は円環状をなし、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と共に回転可能な状態で設けられている。静止密封環１０は円環状をなし、被取付機器のハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向に移動可能な状態で設けられている。スプリング６によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。また、回転密封環２０とスリーブ２との間はガスケット７によりシールされており、静止密封環１０とシールカバー５との間はＯリング８によりシールされている。
　本実施例における静止密封環１０および回転密封環２０はＳｉＣ（炭化珪素）から形成されている。尚、静止密封環１０および回転密封環２０は、同一素材から構成されるものに限らず、異なる素材から構成されていてもよい。
　図２に示されるように、回転密封環２０は、基材としてのＳｉＣ基材２２に薄膜３０が直接被覆されて構成されている。すなわち、回転密封環２０における実質的な摺動面２１は、薄膜３０の表面３０ａにより構成されている。尚、本実施例において、相手側の摺動面としての静止密封環１０の摺動面１１には薄膜が形成されないものとする（図４参照）。
　尚、本実施例の摺動面２１は後述するように薄膜３０の厚さがＳｉＣ基材２２の表面粗さよりも厚く、ＳｉＣ基材２２の軸方向の一方の端面部２２ａの全面が薄膜３０により被覆される態様について説明するが、これに限らず、例えば薄膜３０の厚さを薄く形成することで摺動面２１はＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの一部、例えば表面の山の頂部が薄膜３０により被覆されず露出していてもよい。
　また、薄膜３０はＳｉＣ基材２２に直接被覆されることにより、中間層などがある場合に比べ、中間層を形成する手間が無く、また、中間層に合わせた使用条件の制限が無い。
　尚、薄膜の「薄」とは、基材よりも薄いことを意味する。
　また、本実施例において、薄膜３０は、ガラス状炭素を主成分とする炭素原子の骨格構造を母材とする構造を有するものであり、膜中にはフィラーとしての高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１が含まれている。
　尚、ガラス状炭素は、炭素原子から主に構成され、炭素材料の一種の非黒鉛化炭素であり、ラマン分光分析等により解析される物質である。
　詳しくは、本実施例の薄膜３０は、ガラス状炭素を主とする薄膜、すなわち表面における炭素原子の骨格構造のガラス状炭素成分の特徴が顕著に表れる組成を示す薄膜である。尚、骨格構造における炭素原子の一部は、黒鉛化炭素から構成される領域を形成していてもよい。
　薄膜３０は、熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂を有機溶媒に溶解させて得た前駆体溶液であるポリアミック酸ワニスをバーコータやスピンコータ等の塗布装置を用いて回転密封環２０を構成するＳｉＣ基材２２の軸方向の一方の端面部２２ａを被覆するように直接塗布し、乾燥・硬化処理によりイミド化させた後、不活性雰囲気中で１２００℃以下の温度で加熱硬化し、さらに焼成することによりガラス状炭素化した骨格が形成されている。すなわち、薄膜３０における炭素原子の骨格構造は、ポリアミック酸由来である。
　尚、薄膜３０は、所定の範囲の厚さの薄膜に形成されることにより、膜の破れを防止することができるとともに、比較的低温での焼成により熱硬化性樹脂をガラス状炭素化させることができる。さらに尚、初期の使用前における薄膜３０は、厚みが１μｍ～１００μｍとなるように形成されていてもよい。膜厚が上記値より薄いとＳｉＣ基材２２との間に剥がれが生じ、膜厚が上記値より厚いと膜形成時に亀裂が生じる。また、薄膜３０の膜厚は、膜中に分散されるフィラーや添加剤の粒径に応じて最適値を設定するとよい。
　また、薄膜３０により被覆されるＳｉＣ基材２２の端面部２２ａは、その表面における算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であり、薄膜３０は、ＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部が入り込んだ状態で形成される。
　また、薄膜３０とＳｉＣ基材１２の硬度測定はナノインデンターにより試験を行い、薄膜３０よりもＳｉＣ基材１２が硬い値を示したことを確認した。
　上述したように、本実施例の薄膜３０は、熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂を１２００℃以下の温度で焼成することにより表面にガラス状炭素領域を主として形成されるものである。尚、薄膜３０における膜の組成は、例えばＸＲＤ、ラマン分光分析、熱分析により膜の組成を分析することにより判別することができる。
　また、薄膜３０は、熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂を８００℃～１２００℃以下の温度で焼成することにより形成されることが好ましい。
　図３に示されるように、薄膜３０は、膜中に当該薄膜３０の膜厚以下の寸法の粒状の高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１が略均一に分散されている。尚、図３においては、説明の便宜上、高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１を同一の粒径により図示している。また、フィラーは、ナノフィラーであってもよい。
　本実施例においては、高熱伝導性フィラー４０として、薄膜３０を構成するガラス状炭素よりも熱伝導性の高い天然黒鉛を用いた。尚、高熱伝導性フィラー４０としては、天然黒鉛以外にも例えば人造黒鉛、カーボンブラック（Ｃ．Ｂ．）等のフィラーが用いられてもよい。
　また、薄膜３０は、膜中における高熱伝導性フィラー４０の含有率が１～５０重量％に調整されることが好ましい。
　また、本実施例においては、低摩擦フィラー４１として薄膜３０を構成するガラス状炭素よりも摩擦係数が小さいカオリンクレーを用いた。尚、低摩擦フィラー４１としては、カオリンクレー以外にも例えば天然黒鉛、人造黒鉛、二硫化モリブデン等のフィラーが用いられてもよい。
　本実施例の薄膜３０は、メインフィラーとして高熱伝導性フィラー４０を添加することにより、ガラス状炭素を主とする薄膜３０の熱伝導性を高めるとともに、低摩擦フィラー４１を少量添加することにより、薄膜３０の表面の摩擦係数を低減することができる。尚、低摩擦フィラー４１としてカオリンクレーを用いることにより、特にドライ環境下における摩擦係数を低減することができる。
　また、薄膜３０に含まれるフィラーの含有率の合計は７５重量％以下であることがガラス状炭素の耐摩耗性を発揮させる上で好ましい。
　また、薄膜３０は、摺動面２１に求められる特性に応じて膜中に含まれるフィラーの種類や数、含有割合が自由に変更されてよい。例えば、上述した高熱伝導性フィラー４０や低摩擦フィラー４１以外にも酸化セリウムをフィラーとして添加することにより、ロング・ライフ・クーラント（ＬＬＣ）起因によるシリケート堆積物を除去することができる。また、結晶性の高い天然黒鉛や人造黒鉛，金属粉（又は金属酸化物）をフィラーとして添加することにより、薄膜に電気的特性を付与することができる。
　尚、薄膜３０の表面の黒鉛化度の分析には、ナノフォトン社製の分光分析装置を使用し、中心波数２０８２．２４ｃｍ－１、励起波長５３２．３６ｎｍ、レーザー強度０．８ｍＷで測定した。ＩＧは中心波数１５７４～１５７６ｃｍ－１に現れるＧピークの強度である。ＩＤは中心波数１３４４～１３４８ｃｍ－１に現れるＤピークの強度である。試料において特定の領域の複数点を測定し、平均化スペクトルのＧ、Ｄピーク強度より、強度比ＩＤ／ＩＧを計算し、その値が１より大きければ、本発明におけるガラス状炭素を表している。
　次いで、薄膜３０が形成された回転密封環２０について、次の条件でＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験を行った結果について説明する。また、静止密封環１０は、上述したように薄膜が形成されず、少なくとも摺動面１１がＳｉＣにより形成されるものとする。
　　　荷重＝１０Ｎ
　　　静止密封環の摺動面の面圧＝０．２５ＭＰａ
　　　回転密封環の回転数＝７４ｒｐｍ
　　　ＰＶ値＝０．００８ＭＰａ．ｍ／ｓｅｃ
　　　試験時間＝摺動距離１０００ｍに達するまで
　　　被密封流体＝大気
　本実施例における回転密封環２０（サンプルＦ～Ｍ）の薄膜３０の形成結果とＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験の試験結果は表１のとおりであった。尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験については、無潤滑環境下において、摺動面の焼き付きが発現されたか否かに基づき使用可否の判定を行った。さらに尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験後に回転密封環２０の摺動面２１からの薄膜３０の剥がれの有無と亀裂の有無を確認した。薄膜の剥がれの有無の確認については、回転密封環２０の摺動面２１に対するエア吹き付けで付着物を除き、光学顕微鏡５倍の倍率において、端面部２２ａの微細凹部２２ｂにおける薄膜３０の残留が接触範囲内の面積率で８０％以下であれば、回転密封環２０の摺動面２１からの剥がれがあるものとして判定を行った。薄膜の亀裂の有無の確認については、回転密封環２０の摺動面２１に対するエア吹き付けで付着物を除き、亀裂の有無を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　無潤滑環境下において、摺動面の焼き付きが無く、かつ回転密封環２０の摺動面２１からの薄膜３０の剥がれ、亀裂がなかった回転密封環２０の薄膜３０については、厚み１μｍ～１００μｍであることが判明した（サンプルＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｋ）。
　次いで、本実施例における薄膜３０が形成された回転密封環２０について、膜中における高熱伝導性フィラー４０の含有率（重量％）を変えて作成し、次の条件でＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験を行った結果について説明する。尚、回転密封環２０の薄膜３０は、厚さが２０μｍに統一された状態で形成されるものとする。また、薄膜３０は、膜中における低摩擦フィラー４１の含有率が５重量％に統一された状態で形成されるものとする。また、静止密封環１０は、上述したように薄膜が形成されず、少なくとも摺動面１１がＳｉＣにより形成されるものとする。
　　　荷重＝１０Ｎ
　　　静止密封環の摺動面の面圧＝０．２５ＭＰａ
　　　回転密封環の回転数＝７４ｒｐｍ
　　　ＰＶ値＝０．００８ＭＰａ．ｍ／ｓｅｃ
　　　試験時間＝摺動距離１０００ｍに達するまで
　　　被密封流体＝大気
　本実施例における回転密封環２０（サンプルＮ～Ｓ）のＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験の試験結果は表２のとおりであった。尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験については、無潤滑環境下において、摺動面の焼き付きが発現されたか否かに基づき使用可否の判定を行った。さらに尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験後に、表１と同様に、回転密封環２０の摺動面２１の薄膜３０における亀裂の有無を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　無潤滑環境下において、特に摺動面の温度上昇に伴う摩擦係数の増加に起因する摺動面の焼き付きが無く、かつ亀裂がなかった回転密封環２０の薄膜３０については、高熱伝導性フィラー４０の含有率が１０重量％以上、かつ高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１の合計含有率が３０重量％以下であることが判明した（サンプルＯ，Ｐ，Ｑ，Ｒ）。
　尚、薄膜３０が形成されない摺動面２１に対して、相手側である静止密封環１０が軟質材であるカーボンから形成される場合、摺動面１１，２１間への異物の侵入により、軟質なカーボンから形成される静止密封環１０の摺動面１１に異物が噛み込み、摺動面１１が削られることにより表面荒れが生じ、摺動面の平滑性が失われて摩擦係数に悪影響を与える。このように、カーボンから形成される摺動部品の摺動面は耐異物性に問題がある。これに対し、本実施例において、回転密封環２０は、硬質なＳｉＣ基材２２に薄膜３０が被覆されて構成されるとともに、相手側である静止密封環１０も硬質材であるＳｉＣから形成されているため、摺動面１１，２１間への異物の侵入に対しては、薄膜３０を主に構成するガラス状炭素よりも軟質な黒鉛領域が優先的に削られることとなり、摺動面の摩擦係数に悪影響を与えるようなＳｉＣ基材１２，２２の表面荒れが生じ難くなっている。
　以上のように、本発明に係わる回転密封環２０のＳｉＣ基材２２がガラス状炭素を主とし高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１が含まれる薄膜３０により直接被覆されることにより、静止密封環１０の摺動面１１との相対摺動により生じた摩擦熱が薄膜３０からＳｉＣ基材２２に直接伝熱されるため、摺動面２１の温度上昇を抑制することができる。また、ＳｉＣ基材２２は、被密封流体等の流体と面していることによる放熱やシールカバー５（図１参照）への伝熱等により熱が留まり難い。また、薄膜３０は、ガラス状炭素を主としていることから、耐摩耗性に優れつつ、かつ貧潤滑状態においてもかじり難くなっている。
　また、薄膜３０は、ガラス状炭素を主としＳｉＣ基材２２に直接被膜した場合に剥離しやすくなることがあるが、薄膜３０には黒鉛が混在しているため、黒鉛領域の一部がＳｉＣ基材２２の表面の凹凸に入り込むことにより、ＳｉＣ基材２２に対する薄膜３０の密着性を高めることができる。さらに、静止密封環１０の摺動面１１との摩擦によって摺動面２１を構成する薄膜３０の黒鉛領域が弱いファンデルワールス力で結合している黒鉛層の層間でせん断されるとともに（図４の拡大部分参照）、摺動面１１，２１同士の圧接力により軸方向に押し込まれ、ＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部が入り込み残ることで摺動面２１が平滑化される（図５の拡大部分参照）。これにより、微細凹部２２ｂ内に残った薄膜３０が静止密封環１０の摺動面１１に対して黒鉛の自己潤滑性を発揮することができるため、流体潤滑域、境界潤滑域、無潤滑環境下等の広い使用条件において安定して低摩擦効果を得ることができる。尚、ガラス状炭素も自己潤滑性を有しているが、ガラス状炭素よりも黒鉛の方が自己潤滑性に優れる。
　また、薄膜３０により被覆される回転密封環２０の摺動面２１は、薄膜３０の膜厚以下の寸法の高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１による機能が付加されるとともに、膜厚の薄い薄膜３０であっても高熱伝導性フィラー４０および低摩擦フィラー４１が脱落し難く、特に高熱伝導性フィラー４０が摺動面２１から突出することも抑制できるため、摩擦により静止密封環１０の摺動面１１を傷つけ難い。さらに、フィラー入りの薄膜３０をＳｉＣ基材２２に焼成により被膜しているので、フィラーの一部がＳｉＣ基材２２の表面の凹凸に入り込むことにより、ＳｉＣ基材２２に対する薄膜３０の密着性を高めることができる。
　また、薄膜３０は、当該薄膜３０を構成するガラス状炭素よりも熱伝導性が高い高熱伝導性フィラー４０を含むことにより、ガラス状炭素を主とする薄膜３０により構成される摺動面２１の熱伝導性を高めることができ、静止密封環１０の摺動面１１との相対摺動により生じた摩擦熱が薄膜３０からＳｉＣ基材２２にさらに伝熱されやすい。尚、高熱伝導性フィラー４０は、静止密封環１０の摺動面１１よりも軟質なものを用いることにより、摩擦により相手側の摺動面１１を傷つけ難い。
　また、薄膜３０は、当該薄膜３０を構成するガラス状炭素よりも摩擦係数が小さい低摩擦フィラー４１を含むことにより摺動面２１の潤滑性を高めることができる。
　さらに、薄膜３０は、回転密封環２０の摺動面２１のみに形成されることにより、摺動面１１，２１間に発生する薄膜３０由来の黒鉛のせん断塊Ｐ３０（図４の拡大部分参照）は、摺動面１１，２１同士の圧接力により軸方向に押し込まれ、静止密封環１０の摺動面１１を構成するＳｉＣ基材１２の端面部１２ａの微細凹部１２ｂ内に入り込んで移着し、移着膜３１を形成することにより、静止密封環１０の摺動面１１も平滑化される（図５の拡大部分参照）。これにより、摺動面１１，２１間において、ＳｉＣと黒鉛、ガラス状炭素と黒鉛または黒鉛同士の摺動部分の割合が多くなるため、より良好な低摩擦効果を得ることができる。
　また、薄膜３０は、熱硬化性樹脂であるポリイミド樹脂を有機溶媒に溶解させて得た前駆体溶液であるポリアミック酸ワニスをＳｉＣ基材２２の端面部２２ａに直接塗布し、焼成することにより形成するため、ＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの微細凹部２２ｂに入り込むことでＳｉＣ基材２２に対する薄膜３０の密着性が高い。尚、造膜性に優れるポリイミド樹脂の前駆体溶液であるポリアミック酸ワニスを任意の粘度に調整し塗布、成膜することにより、面方向、厚み方向に好適に収縮し、密着力を向上させることができる。そのため、薄膜３０は成膜面積に制限がない。
　また、本発明の薄膜３０は、ポリアミック酸ワニスを薄く塗布し、８００℃～１２００℃以下の比較的低温で焼成することにより作成できるため、熱による収縮に起因する薄膜３０の剥がれや破れ等が発生し難く、加工性に優れ、摺動面２１としてガラス状炭素による優れた耐摩耗性を発揮することができる。また、薄膜３０は、厚みが１μｍ～１００μｍと薄く形成されるとともに、薄膜３０の膜厚以下の寸法のフィラーが含まれることにより、焼成時に薄膜３０の内部に発生するガスが逃げやすくなっており、亀裂の発生を防止することができる。
　また、薄膜３０の硬度は、静止密封環１０の摺動面１１、すなわちＳｉＣ基材１２の硬度よりも小さいことにより、薄膜３０が静止密封環１０の摺動面１１よりも軟質となり、摩擦により静止密封環１０の摺動面１１を傷つけ難い。さらに、薄膜３０の硬度は、回転密封環２０のＳｉＣ基材２２の硬度よりも小さいことにより、摺動面１１，２１間に異物が侵入した場合、特に軟質な薄膜３０の黒鉛領域が優先的にせん断されることにより摺動面２１の平滑化が促進され、露出した硬質なＳｉＣ基材２２の端面部２２ａやガラス状炭素領域により耐異物性を高めることができるため、摺動面１１，２１間において黒鉛の自己潤滑性と耐異物性とを両立することができる。
　また、回転密封環２０の基材は、セラミックスであるＳｉＣから形成されており、ＳｉＣ基材２２が多孔質であることから端面部２２ａに薄膜３０の一部が入り込む微細凹部２２ｂが多く存在し、金属よりも表面粗さが出やすいため、薄膜３０が基材表面に定着しやすい。さらに、薄膜３０が形成されるＳｉＣ基材２２の端面部２２ａは、その表面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上であることにより、端面部２２ａの微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部がより入り込みやすくなるため、静止密封環１０の摺動面１１との摩擦によって薄膜３０の黒鉛領域がせん断されても、微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部が保持され、摺動面１１，２１間から脱落し難い。
　また、ＳｉＣ基材２２の端面部２２ａは、薄膜３０により全面が被覆される、言い換えれば、基材表面が露出しないことにより、端面部２２ａにおける全ての微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部が入り込んだ状態となるため、薄膜３０の黒鉛領域がせん断されることにより摺動面２１が平滑化されやすい。
　また、薄膜３０は、厚さが１μｍ～１００μｍであることにより、ＳｉＣ基材２２の端面部２２ａからの薄膜３０の剥がれや薄膜３０に亀裂が生じることを防止することができるため、摺動部品の膜として用いることができる。
　さらに、薄膜３０は、厚さがＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの表面における算術平均粗さＲａよりも大きい、すなわち薄膜３０の厚さがＳｉＣ基材２２の端面部２２ａの表面の凹凸よりも大きいことにより、薄膜３０の一部がＳｉＣ基材２２の微細凹部２２ｂに入り込みやすく、静止密封環１０の摺動面１１との摩擦により薄膜３０の黒鉛領域が確実にせん断されるため、微細凹部２２ｂ内に薄膜３０の一部が残りやすく、低摩擦効果を発揮しやすい。
　また、回転密封環２０の基材と摺動面とを別素材により形成することができるため、基材にＳｉＣ等のセラミックスの剛性、高熱伝導性を持たせつつ、摺動面２１の薄膜３０によりガラス状炭素の自己潤滑性および耐摩耗性、黒鉛の自己潤滑性や各種フィラーによる機能を持たせることができる。さらに、基材を安価な材料に変更することで摺動部品のコストを削減することができる。
　また、薄膜３０は、ガラス状炭素を主とするため、高硬質であり、耐摩耗性にも優れる。特に、スラリー中における摺動において、耐異物性に非常に優れる。尚、薄膜３０の耐異物性については、ドライ環境下や境界潤滑下においてもＳｉＣ同士の摺動のように高摩擦となることで摺動面の焼き付きが発生することがない。
　以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
　例えば、前記実施例では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。さらに、薄膜３０は、軸受の内周面にも形成可能であるため、ラジアル軸受等を構成する摺動部品にも適用することができる。
　また、前記実施例では、摺動部品が適用されるメカニカルシールは、無潤滑環境下で使用されるものとして説明したが、これに限らず、摺動面間に被密封流体である液体を介在させた流体潤滑域や境界潤滑域で使用されてもよい。
　また、前記実施例では、薄膜３０を回転密封環２０にのみ設ける例について説明したが、薄膜３０を静止密封環１０にのみ設けてもよく、回転密封環２０と静止密封環１０の両方に設けてもよい。
　また、前記実施例では、薄膜３０は、ポリイミド樹脂を有機溶媒に溶解させて得た前駆体溶液であるポリアミック酸由来のものとして説明したが、これに限らず、薄膜は、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂等の中から選択される１種類または２種類以上の熱硬化性樹脂を有機溶媒に溶解させて得た前駆体溶液由来のものであってもよい。
　また、フィラーは粒状のものに限らず、例えば繊維状のものであってもよい。
　また、薄膜３０は、黒鉛の自己潤滑性により摺動面２１に十分な潤滑性が得られるものであれば、低摩擦フィラー４１は含まれなくてもよい。
　また、前記実施例では、薄膜３０は、焼成温度を８００℃～１２００℃以下の範囲で変更し窒素雰囲気中において３０分間焼成することにより、ガラス状炭素化させる態様について説明したが、これに限らず、焼成温度を８００℃～１２００℃以下の範囲で同じ温度に設定し、焼成時間を変更させてもよい。
　また、薄膜３０により被覆されるＳｉＣ基材２２の端面部２２ａは、その表面における算術平均粗さＲａが薄膜３０の膜厚によっては０．１μｍ以下であってもよい。
　また、前記実施例では、静止密封環１０および回転密封環２０はＳｉＣから形成されるものとして説明したが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ等であってもよい。また、上記摺動材料以外では、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックス、金属材料、樹脂材料、複合材料等も適用可能である。
１０　　　　　　　静止密封環（摺動部品）
１１　　　　　　　摺動面
１２　　　　　　　ＳｉＣ基材（基材）
１２ａ　　　　　　端面部
１２ｂ　　　　　　微細凹部
２０　　　　　　　回転密封環（摺動部品）
２１　　　　　　　摺動面
２２　　　　　　　ＳｉＣ基材（基材）
２２ａ　　　　　　端面部
２２ｂ　　　　　　微細凹部
３０　　　　　　　薄膜
３０ａ　　　　　　表面
３１　　　　　　　移着膜
４０　　　　　　　高熱伝導性フィラー（フィラー）
４１　　　　　　　低摩擦フィラー（フィラー）
Ｐ３０　　　　　　せん断塊

Claims (5)

  1. 　相対摺動する摺動面を有する摺動部品であって、
    　前記摺動部品の基材にはガラス状炭素を主とする薄膜が直接被膜されており、前記摺動面は前記薄膜からなる摺動部品。
  2. 　前記薄膜は、前記ガラス状炭素を主とし黒鉛が混在している請求項１に記載の摺動部品。
  3. 　前記薄膜は、当該薄膜の膜厚以下の寸法のフィラーを含んでいる請求項１または２に記載の摺動部品。
  4. 　前記薄膜は、当該薄膜を構成する前記ガラス状炭素よりも熱伝導率が高い高熱伝導性フィラーを含んでいる請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
  5. 　前記薄膜は、当該薄膜を構成する前記ガラス状炭素よりも摩擦係数が小さい低摩擦フィラーを含んでいる請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
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