(57)【要約】【課題】摺動面における化学反応を抑制することにより強度の低下を防止し、電機的特性（抵抗）を管理することによって、磨耗の軽減すなわち寿命の延長を図る。【解決手段】シールリング２を炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下とし、摺動面２ａにおいて磁場と回転運動による影響で電流が発生しても、その摩擦熱を抑制し磨耗を軽減させる。【選択図】図１
2004293712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするシールリング。
【請求項２】
少なくとも一方の端面の表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のシールリング。
【請求項３】
少なくとも一方の端面の平面度が０．０１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のシールリング。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載のシールリングの製造方法であって、炭化珪素を主成分とする原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を最高温度１９００〜２３００℃、該最高温度までの時間を１２〜２５時間として焼成することを特徴とするシールリングの製造方法。
【請求項５】
回転軸に請求項１乃至３の何れかに記載のシールリングを嵌合するとともに、その一方の端面を摺動面とし、該摺動面に接触摺動する環状部材を回転軸に嵌合したことを特徴とするメカニカルシール。
【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を構成するシールリングに係り、特に、シールリングと密封摺動する環状部材との摺動面における磨耗を軽減させたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水力機械などにおいてその回転軸や往復動軸などがケーシングを貫く部分において軸の周囲にシールボックスなどの円筒状の部分を設けこの円筒状の部分と軸との間にシール要素を入れてケージング内の流体が外へ漏れでたりするのを防止する軸封装置等の漏れを防ぐ部分にメカニカルシールが用いられており、ポンプ用部品などで使用されていた。
【０００３】
このメカニカルシールは、図１（ａ）に示すように、回転軸６の周囲にスプリングリテーナー６で固定されたスプリングにより回転軸６の軸方向に押圧されたシールリング２とこのシールリング２に対向摺接する環状部材１とを備え、これらシールリング２及び環状部材１の内一方はハウジング８により支持され他方を軸とともに回転させて使用していた。また、シールリング２はリテーナー３に固定されており、環状部材１はＯリング４を介してフランジ７に固定されている。
【０００４】
また、図１（ｂ）は上記シールリング２を示す斜視図であり、このシールリングは、強度、硬度、耐磨耗性、摺動性の特性が優れていることから炭化珪素質セラミックス（ＳｉＣ）が多用されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、これら炭化珪素質セラミックスからなるシールリングは、炭化珪素粉末に焼結助剤を混ぜた原料粉末を所定のゴム型に充填し冷間プレス成形によりセラミック成形体を得、該セラミック成形体を最高温度２１００℃、該最高温度までの時間を６〜７時間程度で焼成し、得られた焼結体に研磨加工を施して作製されていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３３３０６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の炭化珪素質セラミックスからなるシールリングは、流体の漏れを防ぐ構造として用いられた場合、その摺動面においてシールリングを構成する炭化珪素のＳｉと水との反応によりＳｉ＋２Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２＋２Ｈ２の化学反応が生じ、この化学反応の進行にともなって強度が低下し磨耗が進みやすく、長期間の使用に供することができないという問題を有していた。
【０００８】
これは、シールリングの抵抗値に起因するものと考えられるが、従来のシールリングでは、この抵抗値と化学反応との関係が判明していなかったため、体積固有抵抗は１０４Ω・ｃｍ以上と高いものであった。
【０００９】
そのため、摺動面の表面に磁場と回転運動の影響により電流が発生するが、電気抵抗が大きいと電流が流れた場合、炭化珪素の結晶が発熱し結晶と粒界などの界面から熱摩擦により剥離などが進み一部の界面強度が小さくなり磨耗が進展し、長期間の使用に供することができないという問題を有していた。
【００１０】
本発明はこのような問題点に基づいてなされたもので、その目的は、摺動面における化学反応を抑制することにより強度の低下を防止し、電機的特性を管理することによって、磨耗の軽減すなわち寿命の延長を図ることができるシールリングを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のシールリングによれば、炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のシールリングによれば、少なくとも一方の端面の表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のシールリングによれば、少なくとも一方の端面の平面度が０．０１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
またさらに、本発明のシールリングの製造方法によれば、炭化珪素を主成分とする原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度１９００〜２３００℃、該最高温度までの時間を１２〜２５時間として焼成することを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明のシールリングを用いたメカニカルシールは、回転軸に上記シールリングを嵌合するとともに、その一方の端面を摺動面とし、該摺動面に接触摺動する環状部材を回転軸に嵌合したことを特徴とする。
【００１６】
本発明のシールリングによれば、炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下であることから、摺動面において磁場と回転運動による影響で電流が発生するが、この電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００１７】
また、本発明のシールリングによれば、表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であることから、摺動面の摩擦を抑制させ寿命を長くすることができる。
【００１８】
さらに、本発明のシールリングによれば、平面度が０．０１ｍｍ以下であることから、摩擦面を摺動面全体で受けることにより耐磨耗性を向上することができる。
【００１９】
またさらに、本発明のシールリングの製造方法によれば、炭化珪素を主成分とする原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度１９００〜２３００℃、該最高温度までの時間を１２〜２５時間焼成することから、その体積固有抵抗値を１０３Ω・ｃｍ以下とすることができ、抵抗値が小さいために電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗が軽減させることができる。
【００２０】
さらに、上記シールリングをメカニカルシールに用いることから、計点軸に嵌合し、その摺動面に接触摺動する環状部材を上記回転軸に嵌合する構造とし、環状部材との摩擦を低減させ長期間に使用に供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
本発明のシールリングは、図１（ａ）に示すようなメカニカルシールに用いられ、このメカニカルシールは、回転軸６の周囲にスプリングリテーナーで固定されたスプリング５により、リテーナー３を介して回転軸６の軸方向に押圧されたシールリング２と、このシールリング２の一方の端面を摺動面２ａとし、該摺動面２ａに対向摺接し、Ｏリング４によって固定した環状部材１とを備え、これらシールリング２及び環状部材１のうち、どちらか一方はハウジング８により支持され、他方は回転軸６とともに回転させて使用していた。
【００２３】
図１（ｂ）は、上記メカニカルシールにおけるシールリング２を示す斜視図であり、本発明ではこのシールリング２が、炭化珪素質セラミックスからなり、体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下とすることが重要である。
【００２４】
これにより、環状部材１と接触摺動する摺動面２ａは磁場と回転運動による影響で電流が発生するが、抵抗値が小さいために電流が流れても発熱が小さくなり、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００２５】
一方、体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍより大きくなると、摺動面２ａの表面は磁場と回転運動による影響で電流が発生した時に、この電流が流れることにより抵抗が高くなり発熱し、熱摩擦を活性化させてしまい磨耗が増幅させられ長期間の使用に供することができない。
【００２６】
なお、上記シールリング２の体積固有抵抗値を１０３Ω・ｃｍ以下とするには、焼成時の焼成温度を高いものとし、且つ焼結スピードを遅くすることにより、炭化珪素の結晶化の際に析出する炭化珪素以外の不純物を炭化珪素の結晶の周りに配置するように焼成が進み、焼結助材として添加したカーボン、ホウ素、また不純物である鉄、アルミ、クロム等が炭化珪素の結晶中に混在せず、結晶の周りに存在することになる。つまり、抵抗値が高く電流が流れにくい炭化珪素の結晶の周りに電流が流れやすく、抵抗値の小さい上記各材質が存在する構造になり、シールリング自体の体積固有抵抗値を１０３Ω・ｃｍ以下と低いものにすることができる。
【００２７】
また、上記シールリング２の体積固有抵抗値はＪＩＳ−Ｃ２１４１に準拠して、３端子法もしくは４端子法を使い、超絶縁抵抗計によって測定する。
【００２８】
具体的には、炭化珪素粉末に焼結助材としてカーボン、ホウ素、不純物の鉄、アルミニウム、クロム等を０．１〜０．４重量％含有してなる原料粉末を所定形状に成形した後、得られた成形体を最高温度１９００〜２３００℃、該最高温度に達するまでの時間を１２〜２５時間にて焼成することで得ることができる。
【００２９】
また、一定温度に保持するキープ時間を長くすることにより、炭化珪素の結晶化の際に析出する炭化珪素以外の不純物を炭化珪素の結晶の周りに配置するように焼成を進め、焼結助材として添加したカーボン、ホウ素、また不純物である鉄、アルミ、クロム等が炭化珪素の結晶中に混在せず、結晶の周りに存在することになる。つまり、抵抗値が高く電流が流れにくい炭化珪素の結晶の周りに電流が流れやすく、抵抗値の小さい上記各材質が存在する構造になり、シールリング自体の体積固有抵抗値を１０３Ω・ｃｍ以下と低いものにすることができる。
【００３０】
さらに、最高温度に達するまでに昇温速度を最初を約１００〜３００℃／ｈｒ、中間を約１００〜４００℃／ｈｒ、最終付近を約１０〜２００℃／ｈｒで焼成し、
その最高温度を１９００〜２３００℃に設定し、該最高温度までに達する時間をを１２時間〜２５時間にて焼成することが好ましい。
【００３１】
また、シールリング２の摺動面２ａは、その面粗さがＲａ０．４μｍ以下とすることが好ましく、摺動面２ａの表面摩擦を抑制させることができ寿命を長くすることができる。摺動面２ａは摩擦を繰り返すため、面粗さが小さくすることにより、表面の摩擦係数が小さくなり摩擦熱も小さくなり、熱が加わった表面磨耗が軽減されるものである。
【００３２】
一方、シールリング２の摺動面２ａの面粗さがＲａ０．４μｍを超えると、摺動面２ａは摩擦係数が大きくなり摩擦熱が発生し、これにより表面磨耗が進展することとなる。
【００３３】
なお、シールリング２の面粗さをＲａ０．４μｍ以下にするには、焼成後の炭化珪素焼結体の摺動面２ａとなる面にダイヤモンドの砥石を使用し研磨ラップ加工を行うことにより得ることができる。
【００３４】
また、上記面粗さＲａは、面粗さ計を使って測定された粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値であり、Ｒａ＝１／ｌ∫１０｜ｆ（ｘ）｜で求めた値である。
【００３５】
さらに、上記シールリング２の摺動面２ａにおける平面度は０．０１以下にすることが好ましく、摩擦面を面全体で受けることにより耐磨耗性を向上できる。
【００３６】
なお、シールリング２の摺動面２ａにおける平面度を０．０１ｍｍ以下とするには、得られた炭化珪素焼結体に精度管理した研磨定盤を使用して研磨ラップ加工を施すことで得ることができる。
【００３７】
上記平面度は、基準定盤上に、電気マイクロメーターを固定し、基準定盤と電気マイクロマーターの触針にシールリング２を挟み、触針に摺動面２ａを接触させながらシールリング２を回転させ測定する。
【００３８】
さらに、上記シールリング２の摺動面２ａの気孔率を２〜１０％とすることが好ましく、環状部材１との接触面積を低減させるとともに、摩擦によって発生する磨耗紛が気孔に入り込み、摩耗粉による摩擦を低減させることができる。一方、気孔率が１０％を越えると、強度的に弱くなり破損の可能性が出てくる。
【００３９】
このようにして得られたシールリング２は、メカニカルシールとして好適に用いることができ、その摺動面２ａにおいて環状部材１と摺動を繰り返しても、磁場と回転運動による影響で電流が発生しても熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００４０】
なお、本発明のシールリング２およびこれを用いたメカニカルシールは、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４１】
【実施例】
次いで、本発明の実施例を説明する。
【００４２】
（実施例１）
図１（ｂ）に示すようなシールリングを得るため、炭化珪素粉末に焼結助材としてホウ素（Ｂ）とカーボン（Ｃ）を炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）としておおよそ０．８重量％添加・混合し、得られた原料粉末をゴム型に投入して水槽に入れ約１トンでの加圧によって成形し、その後、表１に示す如く焼成条件で焼成した。得られた焼結体の摺動面になる面にラップ加工を施して表面粗さをＲａ０．２μｍ、平面度を０．００８ｍｍとした。
【００４３】
そして、各シールリング試料を図１（ａ）に示すようなメカニカルシールに組み込み、シールリング試料が回転軸に回転可能に嵌合し、タングステンカーバイト（ＷＣ）からなり、摺動面側の端面を面粗さＲａ０．２μｍとする環状部材を回転軸に固定する。
【００４４】
次いで、各シールリング試料を組み込んだメカニカルシールを液温７０℃、濃度２０％の濃硝酸中で５００時間連続運転を行い、シールリングの磨耗量を磨耗体積を計算することによって測定した。
【００４５】
その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
2004293712.tif 000003
【００４７】
表１から明らかなように、焼成における最高温度が低い場合や最高温度までの時間が短いために体積固有抵抗値が９．３×１０３Ω・ｃｍを越える試料（Ｎｏ．１、２）は、面状態が悪く、磨耗体積も大きいため比磨耗量が２．４％以上と大きなものであった。
【００４８】
これに対し、体積固有抵抗値が８．５×１０２Ω・ｃｍ以下の試料（Ｎｏ．３〜９）は、比磨耗量が０．６％以下と摩耗量が大きく低減していることが判った。
【００４９】
特に、これら試料のうち焼成における最高温度を１９００〜２３００℃、最高温度までの時間を１２〜２５時間とした試料（Ｎｏ．５〜８）は、体積固有抵抗値を８．５×１０２Ω・ｃｍ以下とすることができ、耐摩耗性を０．４％以下とさらに低減することができた。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のシールリングによれば、炭化珪素質セラミックスからなり、その体積固有抵抗値が１０３Ω・ｃｍ以下であることから、摺動面において磁場と回転運動による影響で電流が発生するが、この電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗を軽減させることができる。
【００５１】
また、本発明のシールリングによれば、表面粗さがＲａ０．４μｍ以下であることから、摺動面の摩擦を抑制させ寿命を長くすることができる。
【００５２】
さらに、本発明のシールリングによれば、平面度が０．０１ｍｍ以下であることから、摩擦面を摺動面全体で受けることにより耐磨耗性を向上することができる。
【００５３】
またさらに、本発明のシールリングの製造方法によれば、炭化珪素を主成分とする原料粉末を所定の形状に成形してセラミック成形体を得、該セラミック成形体を、最高温度１９００〜２３００℃、該最高温度までの時間を１２〜２５時間として焼成することから、その体積固有抵抗値を１０３Ω・ｃｍ以下とすることができ、抵抗値が小さいために電流が流れても発熱が小さく、熱摩擦を抑制し磨耗が軽減させることができる。
【００５４】
さらに、上記シールリングをメカニカルシールに用いることから、計点軸に嵌合し、その摺動面に接触摺動する環状部材を上記回転軸に嵌合する構造とし、環状部材との摩擦を低減させ長期間に使用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のシールリングを用いたメカニカルシールの一実施形態を示すの部分断面図、（ｂ）は本発明のシールリングの一実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：環状部材
２：シールリング
２ａ：摺動面
３：リテーナー
４：Ｏリング
５：スプリング
６：回転軸
７：フランジ
８：ハウジング
【図１】
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