(57)【要約】      （修正有）【課題】固体潤滑特性及び流体潤滑特性の両特性に優れたシール用摺動部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】２５〜７５重量％のカーボン骨材と、２０〜５０重量％の熱硬化性合成樹脂結合材とを主成分とするシール用摺動部材であって、１〜１００μｍの気孔径の球状気孔が独立分散している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２５〜７５重量％のカーボン骨材と、２０〜５０重量％の熱硬化性合成樹脂結合材とを主成分とするシール用摺動部材であって、１〜１００μｍの気孔径の球状気孔が独立分散しているシール用摺動部材。
【請求項２】
ショア硬さが７０以上、見掛け比重が１．５５以下である請求項１記載のシール用摺動部材。
【請求項３】
２５〜７５重量％のカーボン骨材と、２０〜５０重量％の熱硬化性合成樹脂結合材とを主成分とする原材料に、１〜３０重量％の球状樹脂を配合し、これを混合、混練及び成形したのち、所定温度で焼成するシール用摺動部材の製造方法。
【請求項４】
前記球状樹脂の粒径が１〜１００μｍである請求項３記載のシール用摺動部材の製造方法。
【請求項５】
前記球状樹脂は、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリアクリル酸エステル、ポリエチレン又はナイロン６であり、当該樹脂の軟化点、融点及び揮発開始温度が、前記成形温度より高い請求項３又は４記載のシール用摺動部材の製造方法。
【請求項６】
前記熱硬化性合成樹脂結合材は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリエステル樹脂及びナフタレン樹脂から選ばれる１種又は２種以上の樹脂からなり、前記成形温度が１２０〜２００℃、前記焼成温度が８００〜３０００℃である請求項３〜５の何れかに記載のシール用摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メカニカルシールなどに用いられるシール用摺動部材及びその製造方法に関し、流体を密封する際に生じる凝着や焼き付きなどによる摩耗やブリスターといった摺動面の表面損傷を防止することができる潤滑特性に優れたシール用摺動部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、流体を密封するメカニカルシールなどのシールリングとして、カーボン摺動部材が広く用いられている。この種のカーボン摺動部材は、固体潤滑性に加えて摺動面に適度な凹凸を有することから、相手側摺動部材のシール摺動面との間に密封流体による液膜を保持することができ、優れた潤滑特性を発揮する。
【０００３】
しかしながら、メカニカルシールを高負荷条件で使用すると、カーボン摺動部材は優れた固体潤滑性を発揮するものの、シール摺動面が境界潤滑状態となり、部分的にシール摺動面同士の固体接触による凝着現象が発生し、摩擦係数が顕著に高くなって摩耗により短命化することがある。また、摺動面が鏡面化してブリスター現象として“皮ぶくれ”が生じ、シール機能が損なわれて密封流体の漏洩に至る場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの問題に対し、カーボン摺動部材に代えて高硬度・高強度材料として炭化珪素を代表とする硬質材料を採用し、相手側摺動材料としても炭化珪素を代表とする硬質材料で気孔を分散した材料を組み合わせたメカニカルシールが使用されることがある。しかし、これらのメカニカルシールは下記のような問題点を有する。
【０００５】
まず、炭化珪素は非常に硬く耐摩耗性に優れているが、固体潤滑性に乏しく、炭化珪素部材同士の組み合わせにて高負荷条件下で摺動すると、摺動面がすぐに鏡面化し、摺動停止時に摺動面間の潤滑膜が切れた場合には、鏡面化したシール摺動面同士が固着して、摺動起動時の摩擦係数が異常に上昇し、焼き付きを生じたりする場合がある。
【０００６】
また、炭化珪素マトリックス中に気孔を分散させることにより、密封流体の摺動面への浸入で、液溜まり効果や摺動時のハイドロダイナミック効果が発生し、摺動トルクの異常や焼き付きを軽減することができる。しかし、何らかの理由で短時間であってもシール摺動面近傍に密封流体が存在しない状態が生じた場合や、相対運動するシール摺動面が流体潤滑状態を期待できない起動時もしくは停止時には、摺動面間は固体接触状態となり、上記と同様の状態となってしまう。
【０００７】
このような固体接触状態が生じると、急激な摺動発熱が発生し、ゴムパッキン等の二次シール部が熱により損傷してシール機能を安定して維持することができない状態になったり、摺動面間に密封流体に溶解した物質が析出・堆積してシール機能を安定して維持することができない状態になったりすることがある。
【０００８】
一方、気孔が分散した炭化珪素摺動材料をカーボン材料と組み合わせてメカニカルシールに採用する場合がある。この場合は炭化珪素摺動部材同士の組み合わせに比較し、カーボン摺動材料の有する固体潤滑性により前記の不具合は軽減される。しかし、この場合、独立気孔で凹を有した硬質材料に比較的軟らかいカーボン材料を摺動させる形となり、摺動によってカーボン材料を引っ掻く形となり、トルクの上昇、さらにはカーボン摺動部材の摩耗につながってしまうことがある。また、炭化珪素摺動面の気孔（凹）には、カーボンの摩耗粉が詰まってしまい、摺動面に存在する気孔による安定した流体潤滑の効果を維持することができなくなってしまうことがある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体潤滑特性及び流体潤滑特性の両特性に優れたシール用摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明によれば、２５〜７５重量％のカーボン骨材と、２０〜５０重量％の熱硬化性合成樹脂結合材とを主成分とするシール用摺動部材であって、１〜１００μｍの気孔径の球状気孔が独立分散しているシール用摺動部材が提供される。
【００１１】
本発明に係る気孔分散型カーボン摺動部材は、黒鉛、炭素、メソフェース等のカーボン骨材２５〜７５重量％と、合成樹脂結合材２０〜５０重量％を主成分とする原材料に、球状の樹脂を１〜３０重量％配合し、これらを混合、混練、成形の工程を経て、所定の温度（８００〜３０００℃）で焼成することにより、カーボンマトリックス中に存在する球状樹脂を揮発させ、カーボンマトリックス中に球状の気孔を独立分散させるものである。
【００１２】
本発明において、カーボンマトリックス中には球状の気孔が独立分散し、カーボン摺動面に凹部が形成される。このことにより、本発明に係る気孔分散型カーボン摺動部材は、摺動面間で固体潤滑性と流体潤滑性を兼ね備えた、高負荷条件下においても良好な摺動性能が維持できる高性能メカニカルシール用摺動材料である。
【００１３】
すなわち、本発明に係るシール用摺動部材は下記の特徴を有する。
（１）カーボンマトリックス中に分散した気孔部に密封流体が浸入し、気孔部の密封流体が液溜まり効果（気孔に密封流体が浸入して摺動面間に潤滑液として供給する効果をいう。）およびハイドロダイナミック効果（シールの摺動面に凹部が存在し、回転によりその凹部が動流体圧力と潤滑の場を作る効果をいう。）により液膜を保持するために、摺動材料に対して負荷の小さい流体潤滑状態を維持することができる。
（２）カーボン摺動材料が有する固体潤滑性により、流体潤滑状態が期待できないメカニカルシールの起動時および停止時の摩擦係数が軽減される。
（３）軟質なカーボン摺動部材に気孔が分散することにより、硬質材料に気孔が分散した材料と異なり、カーボン材料の著しい摩耗もなく、気孔部による流体潤滑特性が安定して維持される。
【００１４】
上記の特徴により、炭化珪素材料で発生した、貧潤滑状態での凝着や摺動発熱による焼き付き等の摺動面の損傷や摺動面での密封流体溶解成分の析出・堆積現象は軽減し、更にはカーボン摺動部材の異常摩耗・ブリスター現象の抑制・防止や摺動発熱によるゴムパッキン等の二次シール部位の損傷も防止して、密封流体の漏洩が防止できることになる。
【００１５】
また、カーボンマトリックス中に球状の気孔が独立分散することとなり、見掛け比重を１．５５以下に軽量化することができ、メカニカルシールとしても軽量化が図れ、メカニカルシールの作動や移動に対し省エネルギー化を図ることができる。ただし、摺動材料としての強度を維持するには、気孔分散用の球状樹脂の大きさおよび配合量を制御してショア硬さ７０以上の材料とすることが必要である。
【００１６】
上記の内容を満足するために、球状樹脂の配合比は、全原材料の１〜３０重量％の範囲にあれば良い。また、球状樹脂の平均粒径は３〜５０μｍの範囲であれば良く、粒度分布は１〜１００μｍの範囲であれば良い。球状樹脂の配合比がこの範囲より高い場合や球状樹脂の平均粒径及び粒度分布がこの範囲より大きい場合は、強度的に問題を生じたり、気孔が連続してつながり流体の異常漏れを起こしたりするなど、摺動部材としての密封性に影響を与えるからである。また、球状樹脂の配合比がこの範囲より低い場合や球状樹脂の平均粒径及び粒度分布がこの範囲より小さい場合は、球状樹脂を配合した効果が薄れるからである。
【００１７】
本発明に係る球状樹脂は特にその組成を問うものではないが、成形工程での成形温度に対し軟化点や融点や揮発の開始温度が高く、また成形圧力に対しても球状が変形せずに、成形体カーボンマトリックス中に独立分散することを必要とする。また焼成工程において、球状樹脂の成分が焼成の熱負荷により９０重量％以上揮発飛散し、成形工程後の成形体カーボンマトリックス中に存在する球状樹脂とほぼ同等の粒径ならびに配合比を維持し、独立分散することを必要とする。ただし、焼成によるカーボンマトリックスの収縮が発生した場合は、この収縮にならってカーボンマトリックス中の気孔も収縮しても構わない。このような条件を満足する樹脂として、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリアクリル酸エステル、ポリエチレン、ナイロン６等の合成樹脂が挙げられる。これらは架橋型であってもよい。本発明では、これらの樹脂を１種類または２種類以上混合して使用することができる。
【００１８】
結合材として配合される合成樹脂は特にその組成を問うものではないが、混練工程において、カーボン骨材の表面と濡れ性がよく、成形工程において、金型の内の流動性が良いことを必要とする。このような条件を満足する樹脂として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、ナフタレン樹脂等の合成樹脂が挙げられる。本発明では、これらの樹脂を１種類又は２種類以上選定し、配合して用い、１２０〜２００℃の温度でモールディングして成形することができる。結合材の配合比は、全原材料の２０〜５０重量％の範囲にあればよい。これより少ないと骨材の結合不足となる一方で、これより多いと焼成揮散による気孔が多くなり、目的とする球状樹脂の配合による気孔のコントロールが困難となる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００２０】
実施例１
７１重量％の難黒鉛性黒鉛と、２５重量％のフェノール樹脂バインダーと、４重量％の架橋型ポリメタクリル酸メチルビーズ（平均粒径が４０μｍ）とを配合設定し、混合、ニーダー混練および粉砕したのち、プレス工程にて、ウォーターポンプ用メカニカルシールのシールリング形状に１６０℃で成形し、さらに窒素ガス雰囲気中にて最高温度約１２００℃で焼成し、シールリングを得た。このシールリングの気孔面積率、見掛け比重およびショア硬さを測定した。これを表１に示す。
【００２１】
実施例２
平均粒径が２０μｍの架橋型ポリメタクリル酸メチルビーズを用いたこと以外は実施例１と同じ条件でシールリングを製造した。このシールリングの気孔面積率、見掛け比重およびショア硬さを測定した。これを表１に示す。
【００２２】
比較例１
本発明に係る球状樹脂を配合せず、すなわち７５重量％の難黒鉛性黒鉛と、２５重量％のフェノール樹脂バインダーとを配合設定し、混合、ニーダー混練および粉砕したのち、プレス工程にて、ウォーターポンプ用メカニカルシールのシールリング形状に１６０℃で成形し、さらに窒素ガス雰囲気中にて最高温度約１２００℃で焼成し、シールリングを得た。このシールリングの気孔面積率、見掛け比重およびショア硬さを測定した。これを表１に示す。
【００２３】
【表１】
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摩擦特性の評価
材料の摩擦特性の評価として、ウォーターポンプ用メカニカルシールを用いて荷重と回転速度を変化させて摺動トルクを計測し、その結果を縦軸に摩擦係数ｆ、横軸に軸受け特性数Ｇ（＝ＺＶｂ／Ｗ；Ｚ＝摺動面近傍温度、Ｖ＝摺動部の平均周速度、ｂ＝摺動幅、Ｗ＝全荷重）にまとめて議論した。
【００２４】
なお、相手摺動材料となるメイティングリングとして、緻密な組織を呈した常圧燒結の炭化珪素Ａならびにその基材に気孔径１〜１５０μｍ、平均径３５〜６５μｍ、気孔率４〜６体積％の気孔が分散した炭化珪素Ｂを使用した。
【００２５】
摩擦特性の評価は、摩擦摩耗試験機により、密封流体に８０℃の水道水を用い、回転速度を５００〜８０００ｍｉｎ−１に、流体密封圧力を大気圧（開放）に設定し、摺動面間の流体液膜が切れやすく気液境界潤滑の環境下になり得る条件にて実施した。摺動部材の組み合わせを表２に、評価結果としてのｆ−Ｇ線図を図１に示す。上述した実施例１のシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングの組み合わせを実施例３、実施例２のシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングの組み合わせを実施例４、比較例１のシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングの組み合わせを比較例２、比較例１のシールリングと炭化珪素Ｂからなるメイティングリングの組み合わせを比較例３とした。
【００２６】
【表２】
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同図のｆ−Ｇ線図から以下のことがいえる。
（１）比較例２の、分散気孔を有しないカーボン摺動部材と同じく気孔を有しない炭化珪素との組み合わせでは、摩擦係数ｆが全体に高く、また軸受け特性数Ｇが小さくなるにしたがって、すなわち、気液境界潤滑の環境が強くなるにしたがって摩擦係数ｆが高くなる傾向にある（図１の記号◆参照）。
（２）比較例３の、分散気孔を有する炭化珪素と気孔を有しないカーボン摺動部材との組み合わせでは、摩擦係数ｆが全体に高く、また軸受け特性数Ｇが小さくなるにしたがって、すなわち、気液境界潤滑の環境が強くなるにしたがって摩擦係数ｆが高くなる傾向にある（図１の記号□参照）。また、図２に示すように炭化珪素部材中の気孔にカーボン摺動部材の摩擦粉の溜まっている箇所が認められる。
【００２７】
これらより、炭化珪素部材中の気孔による液膜保持の効果が軟質なカーボン摺動部材の変形による引っ掛かりで相殺され、結果として摩擦係数の低減が得られなかったと考えられる。
（３）実施例３及び４の、分散球状気孔を有するカーボン摺動材料と気孔を有しない炭化珪素との組み合わせでは、軸受け特性数Ｇが小さくなっても摩擦係数ｆの上昇が明らかに低い（図１の記号△、▲参照）。これは、気液境界潤滑の環境が強くなっても、カーボンマトリックス中の気孔内に溜まった流体による液膜保持の効果やカーボン摺動部材の有する固体潤滑性によると考えられる。
（４）実施例３，４及び比較例３の結果から、気液境界潤滑条件下のシール摺動においては、硬質な炭化珪素材料に気孔を分散させるより、固体潤滑性を有する軟質なカーボン材料に気孔を分散させる方が、摩擦係数ｆを低減することができ、固体潤滑性に乏しい炭化珪素で発生する鏡面化、摺動発熱による前記の様な凝着、焼き付きやゴムパッキンの損傷等を防止することができると考えられる。
【００２８】
固体潤滑特性の評価
材料の固体潤滑特性の評価として、ウォーターポンプ用メカニカルシールを用いて回転速度を一定にしたまま摺動面近傍の発熱温度を計測した。なお、評価試料として、上述した摩擦特性の評価に使用した材料を採用した。評価に使用した材料組み合わせの内容を表３に示す。上述した実施例２のシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングとの組み合わせを実施例５、炭化珪素Ｂからなるシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングとの組み合わせを比較例４とした。
【００２９】
【表３】
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固体潤滑特性の評価は、メカニカルシール実機試験機にて、回転速度を５０００ｍｉｎ−１に、密封圧力を大気圧（開放）に設定し、ドライ環境下（メカニカルシールの周囲に流体が存在しない状態）で１時間、摺動させた。評価結果として、シールリング近傍に熱電対を装着し、発熱温度を計測するとともに評価後の資料の摺動面の形状を計測した。発熱チャートおよび評価後の試料の摺動面形状を図３に示す。
【００３０】
同図に示す発熱チャートおよび評価後の試料の摺動面形状から以下のことがいえる。
（１）比較例４の分散気孔を有する炭化珪素の摺動部材では、摺動を開始してすぐに最高温度が約３８０℃に達したのに対し、実施例５の分散気孔を有するカーボン摺動部材では、１時間摺動終了直前で最高温度が約２６０℃に留まっている。
（２）比較例４の分散気孔を有する炭化珪素摺動部材は、摺動面に凝着摩耗が認められる。これに対し、実施例５の分散気孔を有するカーボン摺動部材は、凝着摩耗もなく、良好な摺動面状態が維持されている。
（３）比較例４の分散気孔を有する炭化珪素摺動部材では、ゴムパッキン部が摺動発熱により焼けを生じている。
（４）以上のことから、たとえ気孔分散を有していても、メカニカルシールの摺動状態がドライ環境下では、固体潤滑性のあるカーボン材料の方が、固体潤滑性に乏しい炭化珪素より優位であるといえる。
【００３１】
流体潤滑特性の評価
流体潤滑に近い環境下での材料の摺動特性の評価として、ウォーターポンプ用メカニカルシールを用いて回転速度を一定の条件下で漏れ量を計測した。なお、使用した摺動材料は、上述した固体潤滑特性の評価と同様であり、評価に使用した摺動材料の組み合わせを表４に示す。上述した実施例２のシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングとの組み合わせを実施例６、炭化珪素Ｂからなるシールリングと炭化珪素Ａからなるメイティングリングとの組み合わせを比較例５とした。
【００３２】
【表４】
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流体潤滑特性の評価は、メカニカルシール実機試験機にて、密封流体にＬＬＣ（ロングライフクーラント）５０％水溶液：９０℃、回転速度を４０００ｍｉｎ−１に、流体密封圧力を０．２ＭＰａに設定し、試験時間を１０００時間の条件でシール性能評価を実施した。評価結果として、１０００時間（試験時間）の総漏れ量および評価後の摺動面形状を図４に示す。
【００３３】
同図に示す漏れ量および評価後の摺動面形状から以下のことがいえる。
（１）比較例５の分散気孔を有する炭化珪素摺動部材では、シール漏れ量が少なく、摺動面状態も良好である。
（２）実施例６の分散気孔を有するカーボン摺動部材でも、シール漏れ量が少なく、摺動面状態も良好である。
（３）よって、流体潤滑に近い環境下では、分散気孔を有する摺動部材であれば、炭化珪素材料でもカーボン材料でもシール性能において顕著な差異を生じないものと考えられる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、固体潤滑特性及び流体潤滑特性の両特性に優れたシール用摺動部材及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦特性の評価結果を示すｆ−Ｇ線図である。
【図２】比較例３のメイティングリングの表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図３】固体潤滑特性の評価結果である発熱チャート（上図）及び摺動面形状を示すグラフ（下図）である。
【図４】流体潤滑特性の評価結果である摺動面形状を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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