(57)【要約】【課題】摺動部品の摺動面の潤滑効果を発揮させると共に、摩擦係数を低減することにある。【解決手段】摺動部品及びその製造方法であって、摺動部品１の摺動面３のカーボン粒子１０を燃焼させて気孔１１を形成すると共に、気孔１１の底部のカーボン粒子１０に微細気孔部１０Ａを有して潤滑液を含浸させたものである。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに相対摺動する焼結体の摺動部品であって、前記摺動部品の前記摺動面に点在するカーボン粒子を有すると共に前記カーボン粒子の表面に前記摺動面より凹部にされた気孔を有し、前記気孔の底面の前記カーボン粒子に微細気孔部を有する摺動部品。
【請求項２】
前記焼結体が炭化珪素であって摺動部品における前記気孔の平面の大きさが２０×１０−６ｍから３００×１０−６ｍの範囲であると共に深さが２×１０−６ｍから１５×１０−６ｍに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
【請求項３】
炭化珪素微粉末１００重量部を含む焼結粉末に対して粒子径が２０×１０−６ｍから３００×１０−６ｍのカーボン粒子を１から１２重量部を混合し、その混合した焼結粉末を成形して焼結体に形成し、前記焼結体を加工して摺動面となる加工面を設けた後に、気体雰囲気中で加熱しカーボン粒子の表面を燃焼除去して凹部の気孔に形成されていることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【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、軸受、ピストンリング等の摺動面の潤滑性を改善した摺動部品に関する。特に、摺動面の摩擦係数を小さくして摩耗量を低減した摺動部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる摺動部品の先行技術として、特公平５−６９０６６号公報が存在する。
この公報に記載の摺動部品は、多孔質炭化珪素焼結製品であってメカニカルシールの一方又は両方のシールリングとして取り付けられるものである。そして、メカニカルシールは、ポンプ又は冷凍機などに用いられて水などの液体をシールする。
【０００３】
このメカニカルシールは、摺動部品をシールリングとして用いると共に、固定リングは炭化珪素又はカーボン材製を用いている。そして、このシールリングと固定リングとの密接により高圧Ｐ１側と低圧Ｐ２側とをシールする。
このシールリングは、平均気孔径が０．０１０から０．０４０ｍｍの球状の気孔を結晶組織内に点在して摺動特性を改良した炭化珪素焼結体である。
【０００４】
この炭化珪素焼結体の摺動面に形成された気孔は、焼結前にポリスチレンビーズを添加し、仮焼結時に分解・昇華して気孔を形成するものである。この為に、炭化珪素焼結体は、結晶粒内に気孔が連鎖するごとく点在している。そして、被密封流体がこの気孔を連続に浸透して外部へ漏洩するおそれが生じる。更に、気孔は球状に形成されるために表面からの深さが深くなる。その結果、負荷容量が低下するために過酷な摺動条件では摩耗量が大きくなる。
又、この炭化珪素焼結体における気孔は、炭化珪素のみの焼結体であるから気孔内に保湿性が無く、摺動面の発熱と共に気孔内が乾燥状態になりやすい。この為に、潤滑効果の持続性が期待できないので問題がある。
この製造法は、焼結時にポリスチレンビーズを熱で昇華放散させるものであるから、ビーズの昇華ガスが焼結炉内に、或いは通路内に凝着して汚染を誘発する。　この問題を解決するために種々の改善が成されていが技術的な問題やコストの問題で効果的なものが見いだせない。
【０００５】
叉、シールリングの摺動面に点在する気孔が炭化珪素材製の固定リングと過酷な条件で摺動すると、シールリングの気孔の周りから破壊し、その粉末が摺動面に介在するので、摺動面の摩耗を促進することになる。又、固定リングがカーボン材の場合には、シールリングの気孔によりカーボン材の摺動面が摺動中に削る取られるようになり、摺動面の摩耗促進と共に、被密封流体をシールする固定リングの摺動面の平面度が悪化する。
【０００６】
次に、上述の摺動部品の強度の低下及び被密封流体の漏れ量を改善したものとして特開昭５７−１６１３６８号公報のメカニカルシールが存在する。
このメカニカルシールは、上述のメカニカルシールと同様に構成されている。そして、ハウジングに保持された固定リングと回転軸に固定された図５に示す従動リング１００との摺動面が密接して被密封流体をシールする。
【０００７】
この従動リング１００の摺動面１０１には、凹部１０５が多数形成されている。この凹部１０５は最小幅が３０×１０−６ｍから１００×１０−６ｍとし、最大幅を６０×１０−６ｍから５００×１０−６ｍとするものであって、最小幅に対して最大幅の寸法比率を２倍以上とするものである。そして、図５に示すように、凹部１０５は摺動面１０１の回転方向に対して傾斜するように形成されている。
【０００８】
この凹部１０５は従動リング１００の摺動面１０１と固定リングの摺動面間に浸入した流体により潤滑しようとするものである。従動リング１００の外周側から浸入した流体は内周端側へ至る前に凹部１０５に補足されて蓄えられる。この蓄えられた流体は、その粘性作用と従動リング１００の回転方向によって凹部１０５の外周方向へ移動する。このように順次繰り返されることにより被密封流体は、摺動面の外周端側へ戻される。
【０００９】
ところで、このような凹部１０５は、凹部１０５のポンピング作用により被密封流体を外方に押し出すので、摺動面に潤滑液を無くすことになる。更に、凹部１０５は炭化珪素により直接形成されているから、凹部１０５の底面に潤滑液の吸着作用が無く、潤滑液を摺動面に長期間保持することは困難である。
そして、この摺動面における潤滑液の消滅は、摺動面の発熱と共に、摩耗を促進し、ついには凹部１０５の縁を破壊することになる。この凹部１０５の縁の破壊が始まると、その粉末が摺動面に介在して両摺動面を急速に摩耗させることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、摺動面に潤滑液を保持して潤滑作用を成し、摩擦係数を低減すると共に、摺動面の平面精度を保持して摺動面による密封能力を向上させることにある。更に、高荷重、過酷な摺動条件に於いて、摺動面の摩耗、破損を防止すると共に、摺動面の耐久能力を向上させることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その解決するための手段は、以下のように構成されている。
【００１２】
請求項１に係わる本発明の摺動部品は、互いに相対摺動する焼結材製の摺動部品であって、摺動部品の摺動面に点在するカーボン粒子を有すると共に、摺動面のカーボン粒子の表面に凹部の気孔を有し、カーボン粒子の気孔の底面側に微細気孔部を有するものである。
【００１３】
この請求項１に係わる本発明の摺動部品では、摺動面のカーボン粒子の表面部を燃焼させて気孔に形成しているので、摺動面の気孔内に存在する潤滑液が減少するにつれてカーボン粒子の微細気孔部に蓄えられた潤滑液が摺動と共に噴き出して潤滑作用を発揮する。
更に、高負荷時に炭化珪素の気孔の縁が破損する前にカーボン粒子の摩耗したカーボン粉末を摺動面に介在させて摺動面の摩擦係数を低減させると共に、炭化珪素の気孔の縁をカーボン粒子で支持して破損を防止する。同時に、焼結体の摺動面のみに気孔を形成して焼結体の強度を向上させると共に、焼結体を被密封流体及び潤滑液が浸透して外部へ流失するのを効果的に防止する。
【００１４】
請求項２に係わる本発明の摺動部品は、前記焼結材が炭化珪素であって摺動部品における前記気孔の平面の大きさが２０×１０−６ｍから３００×１０−６ｍの範囲であると共に深さが２×１０−６ｍから１５×１０−６ｍに形成されているものである。
【００１５】
この請求項２に係わる本発明の摺動部品では、摺動面のカーボン粒子に於ける気孔の底を浅くすると、重加重に対する負荷容量が向上すると共に、炭化珪素の気孔の縁が破損するのを効果的に防止できる。更に、カーボン粒子の微細気孔部に潤滑液を含有させ、気孔に溜められた潤滑液が摺動と共に気孔から流出するのを摺動面に近くに形成された微細気孔部に蓄えることが可能になる。
そして、摺動部品の摺動面に於ける気孔と微細気孔部により、摺動面の摩擦係数を低下させると共に、炭化珪素の粉末がカーボン粒子に入り込んで摺動面に介在するのを効果的に防止する。
【００１６】
請求項３に係わる本発明の摺動部品の製造方法は、炭化珪素微粉末１００重量部を含む焼結粉末に対して粒子径が２０×１０−６ｍから３００×１０−６ｍのカーボン粒子を１から１２重量部を混合し、その混合した焼結粉末を成形して焼結体に成形し、焼結体に摺動面を加工した後に、焼結体を燃焼気体雰囲気中で加熱してカーボン粒子の表面を燃焼させながら除去して凹部状の気孔に形成するものである。
【００１７】
請求項３に係わる本発明の摺動部品の製造方法では、焼結工程に於いて樹脂粒子を高温熱により昇華放散して気孔を成形するものではないから樹脂昇華ガスにより焼結炉内が汚染されるのを効果的に防止できる。この汚染防止のためにコスト高の設備投資や修理を不用にすることができる。
更に、摺動面のカーボン粒子における気孔は大気中で５００°Ｃから８００°Ｃの低温で数分から数十分加熱するだけで気孔が形成できるから、電力等の加熱費用が低く生産コストが低減できる。
更にカーボン粒子の材料は低コストであり、気孔を成形のための燃焼ガスは大気であり、その燃焼炉は焼結炉を利用したり、安価な設備が利用できるので、生産コストを低減できる。
そして、カーボン粒子の気孔の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に燃焼させるものであるから、加熱温度と時間で気孔の深さを管理できる。この為に、気孔の設計が容易である。その上、気孔の底部のカーボン粒子は加熱されて燃焼により微細気孔部に変化しているから、潤滑液の吸着性に優れた形状に形成されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係わる摺動部品を図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、焼結体に摺動面を形成するための研磨加工した製造工程中の状態の一部の断面図である。叉、図２は、図１の焼結体を加熱して摺動面に気孔を形成した摺動部品の断面図である。この図１及び図２の断面は、顕微鏡写真を基にして描いたものである。更に叉、図３は、図２に示す摺動部品を試験した試験機の半断面図である。
【００１９】
図１及び図２に於いて、先ず、第１実施の形態を示す摺動部品１の製造方法を説明する。
この摺動部品１の製造方法の第１段階は、粒子径０．４×１０−６〜０．８×１０−６ｍの炭化珪素粉末１００重量部に対して粒子径が３５×１０−６〜４５×１０−６ｍのカーボン粒子１０を５重量部を混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末０．３重量部と、カーボンブラック０．８重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール３重量部を添加する。そして、水を加えながら４０％の濃度のスラリー状態に構成する。
この工程に於いて重要なのはカーボン粒子１０の形状及び添加量である。このカーボン粒子１０の大きさは、粒子径が２０×１０−６〜３００×１０−６ｍの範囲にすると良く、形状は球形状にすることが好ましい。しかし、カーボン粒子１０は、球状に限らず、その他の形状でも効果は球状と同様に発揮する。叉、このカーボン粒子１０の添加量は、１から１２重量部とすることが好ましい。更に、カーボン粒子１０を０．６〜１５重量部まで高めることもできる。しかし、カーボン粒子１０を１５重量部以上に高めすぎると摺動部品１としての強度の点で問題になる。
【００２０】
次に、このスラリーをボールミルの内で１２時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が８０×１０−６ｍの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、１２０ＭＰａの圧力で圧縮成形する。
更に、この成形体をアルゴンガス雰囲気中で２１００°Ｃ前後の温度で２時間に渡り焼結する。この２時間前後焼結することにより、カーボン粒子１０は炭化珪素の組織内に分散含有して緻密な炭化珪素の焼結体を得ることができる。
【００２１】
更に又、炭化珪素の焼結体を研磨加工して図１に示すような摺動面３に相当する加工面３Ａが形成される。この加工面３Ａは、研磨叉はラップ仕上げ加工により行うと良い。
この図１に示すように炭化珪素の焼結体２には、カーボン粒子１０が多数点在するが、研磨仕上げによりカーボン粒子１０が加工されて図１のように半円形状の上面に加工面３Ａが形成される。この焼結体２を研磨加工する時に炭化珪素とカーボン材との硬度差によりカーボンの表面が微小な寸法だけ凹んだようにすると更に良い。
【００２２】
この研磨加工した焼結体２を予備加熱炉に投入し、焼結体２を炉内の酸素がある大気雰囲気中で３６０°Ｃ／ｈの速度で昇温する。昇温して７００°Ｃの温度に達した後に略６分間その温度で加熱する。その後、この焼結体２を炉内で徐々に冷却する。この冷却した焼結体２は摺動部品１となる。図２は、この摺動部品１の１個のカーボン粒子１０の断面を示すものである。
【００２３】
図２に於いて、炭化珪素の焼結体２には多数のカーボン粒子１０が点在している。その１つのカーボン粒子１０を断面にしたものが図２である。このカーボン粒子１０は、図１の焼結体２の状態から酸素が含む気体雰囲気中で５００°Ｃから８００°Ｃの範囲の温度で加熱すると、カーボン粒子１０の加工面３Ａが燃焼して図２に示すような気孔１１に形成される。この気孔１１の大きさは、平面寸法が２０×１０−６から３００×１０−６ｍの範囲であり、深さＨが２×１０−６から１５×１０−６ｍにすると良い。
【００２４】
この気孔１１の深さＨは、一定の燃焼条件で、燃焼時間を管理することにより決められる。例えば、気孔１１の深さＨは、７００°Ｃの温度の大気中の雰囲気で６分間加熱すると、３×１０−６から５×１０−６ｍの深さの気孔１０が形成される。この気孔１１の深さＨは、あまり深くしない方が良く（２２×１０−６ｍ以上）、少なくとも、気孔１１の平面寸法の大きさよりは小さくされる。更に、気孔の深さＨが浅いことは、カーボン粒子の燃焼時間が短時間で済むことであるから、燃焼コストも低減できる。叉、炉内の気体雰囲気は大気で十分であるからコストも安く、更に、短時間でガス発生も少なく、炉内の環境を悪くして炉の寿命を低下させることもない。
【００２５】
同時に、カーボン粒子１０の上面部に酸化による多数の微細気孔を形成して微細気孔部１０Ａの層が設けられる。このカーボン粒子１０は、カーボンが酸素との燃焼により気孔１１が形成されると共に、気孔１１に近いカーボン粒子１０に燃焼前の反応工程として多数の微細気孔が形成される。叉、炭化珪素の焼結体２の加工面３Ａも酸素との燃焼により微視的には、微細気孔叉はカーボンが形成されるものと考えられる。尚、この微細気孔とは、気孔より更に小さな発泡状のものを言う。
この気孔１１と微細気孔部１０Ａをカーボン粒子１０の摺動面３側に形成することにより潤滑液を微細気孔部１０Ａに含浸することが可能になる。叉、炭化珪素の摺動面３も微細気孔やカーボンが形成されるので、保湿効果により潤滑性が良くなると考えられる。叉、カーボン粒子１０と炭化珪素の焼結体２との焼結一体面２Ａは酸化しない雰囲気中で、例えば真空中、アルゴンガス雰囲気中の１９００から２４００°Ｃの温度により焼結時に結合される。
【００２６】
摺動部品１は上述のようにして製造される。摺動部品１は、例えば、メカニカルシールの密封環、軸受けの軸受部等の摺動面叉はシール面に利用することが可能になる。
図２は、摺動部品１を密封環にした摺動面３の一部を示す断面図である。この摺動面３には、多数のカーボン粒子１０が一体に点在している。このカーボン粒子１０は、凹みある深さＨの気孔１１が形成されている。この気孔１１の深さＨ寸法は、気孔１１の平面広さ寸法より小さく形成される。カーボン粒子１０の気孔１１の底部には、ある厚さ範囲に微細気孔が点在して微細気孔部１０Ａに形成されている。
カーボン粒子１０と炭化珪素の焼結体２とは焼結一体面２Ａに於いて焼結により強力に一体化されている。
【００２７】
この摺動面３に潤滑液が介在すると、先ず気孔１１に潤滑液が蓄えられる。同時に、微細気孔部１０Ａに潤滑液が含浸する。そして、摺動時に気孔１１から潤滑液が供給される。更に、気孔１１内の潤滑液が減少してくると微細気孔部１０Ａから潤滑液が供給されるので、摺動面３は潤滑効果により摩耗するのを防止する。
叉、摺動面３が高負荷状態になっても、炭化珪素の焼結体２とカーボン粒子１０とは焼結一体面２Ａにより結合していると共に、炭化珪素のカーボン粒子１０と結合している気孔１１の縁はカーボン粒子１０により保持される。更に叉、炭化珪素の気孔１１の縁が損傷して摺動面３に介在する前に、カーボン粒子１０の気孔１１の縁が摩耗粒子として先ず介在するから、潤滑性のあるこの摩耗粒子により摺動面３の摩擦を低減し、摺動面３の摩耗や損傷を防止する。
【００２８】
次に、図２に示す摺動部品１の試験片を図３に示す摺動試験機により実験した。
図３は、この試験片を試験した摺動試験機の半断面図である。摺動試験機のケーシング２３には、試験液である被密封流体Ｓが入れられるように空室に形成されている。この空室内に一端側が嵌挿された回転軸２４が設けられている。回転軸２４の一端にはフランジが設けられており、このフランジに取り付けられたばね２７を介して試験用回転摺動部品２５が弾発に押圧されている。この試験用回転摺動部品２５の取付面から被密封流体Ｗが漏洩しないようにパッキン２６が設けられている。
一方、ケーシング２３には、試験用回転摺動部品２５に対向する位置に試験用固定摺動部品２１が設けられている。この試験用固定摺動部品２１も取付面から被密封流体Ｓが漏洩しないようにガスケット２２が設けられている。
この試験用固定摺動部品２１と試験用回転摺動部品２５は本発明の図２に示す摺動部品１を加工して製作したものである。
【００２９】
次に、比較例の炭化珪素摺動部品について述べる。
この摺動部品の製造方法は、粒子径０．４×１０−６〜０．８×１０−６ｍの炭化珪素粉末１００重量部に対して粒子径が３５×１０−６〜４５×１０−６ｍのポリスチレンビーズを５重量部を混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末０．３重量部と、カーボンブラック０．８重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール３重量部を添加する。そして、水を加えながら４０％の濃度のスラリー状態に構成する。
次に、このスラリーをボールミルの内で１２時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が８０×１０−６ｍの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、１２０ＭＰａの圧力で圧縮成形する。
この成形体を次の工程で焼結して焼結体に形成するが、焼結工程中の仮焼結時にポリスチレンビーズを分解・昇華して球状の気孔に形成する。この焼結体を研磨加工して摺動面に気孔を設けた試験用摺動部品を得る。この摺動面の気孔は図１のカーボン粒子が消滅したような球状を任意に切断したものが多数点在する。
この炭化珪素焼結摺動部品を比較例として用いるために試験用固定摺動部品と試験用回転摺動部品に製作した。
【００３０】
図４の摺動試験機に、本発明の試験用固定摺動部品２１と試験用回転摺動部品２５を取り付けて試験した。この試験条件は、
１）被密封流体　　　・・・水
２）摺動面の周速　　・・・６．３ｍ／ｓ
３）摺動時間　　　　・・・７０時間
４）被密封流体の温度・・・８０℃
５）摺動面圧　　　　・・・０．８ＭＰａである。
【００３１】
この実験により摺動部品の摺動面の摩耗量を試験した。その結果は以下の通りである。
Ａ．本発明の摺動部品の試験結果。
本発明の試験用固定摺動部品２１は、０．２×１０−６ｍの摩耗量である。
本発明の試験用回転摺動部品２５は、０．３×１０−６ｍの摩耗量である。
Ｂ．比較例の摺動部品の試験結果。
比較例の試験用固定摺動部品２１は、０．４×１０−６ｍの摩耗量である。
比較例の試験用回転摺動部品２５は、０．４×１０−６ｍの摩耗量である。
特に、高負荷条件になると、本発明の摺動部品１の摩耗量が増加しないのに対し、比較例の摺動部品１の摩耗量が増加する傾向にある。
そして、本発明の摺動部品１は、高負荷においての摩擦係数が小さく、且つ摺動面の平面度が保持される。その結果、メカニカルシール等に利用してシール能力の点でも優れた効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係わる摺動部品によれば、請求項１から２に記載した構成により、摺動面のカーボン粒子の上面を酸素雰囲気中の燃焼により気孔に形成すると共に、カーボン粒子に微細気孔部を形成しているので、摺動面の気孔内に存在する潤滑液が減少するにつれてカーボン粒子に含浸した潤滑液が摺動と共に、含浸したスポンジから吹き出すように摺動面に浸みだして潤滑作用を発揮する効果が期待できる。
【００３３】
更に、摺動面に近いカーボン粒子の摩耗したカーボン粉末を摺動面に介在させて摺動面の摩擦係数を低減させると共に、カーボン粒子に保持されることにより炭化珪素のカーボン粒子と結合する気孔の縁が摩耗粉末として摺動面に介在しないようになり、摺動面の摩耗を防止する効果が発揮される。
同時に、気孔の縁が重負荷の摺動時に破損するのを気孔の縁に接着するカーボン粒子により保護するとともに、カーボン粒子から生じるカーボン粉末により摺動面の摩擦係数が低減する効果を奏する。
【００３４】
更に、本発明に係わる摺動部品の製造方法によれば、焼結工程に於いて樹脂粒子を高温熱により昇華放散して気孔を成形するものではないから、樹脂昇華ガスにより焼結炉内が汚染されるのを効果的に防止できる。叉、この汚染防止のために設備投資が不用となるから設備投資のコストを低減できる。
更に、摺動面のカーボン粒子における気孔は大気中で数分から数十分加熱するだけで気孔が形成できるから生産コストが低減できる効果を奏する。
更に、カーボン粒子の材料は低コストであり、気孔を成形のための設備は焼結炉を再利用できるので設備投資を不用にし、生産コストを低減できる。
そして、カーボン粒子の気孔の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に酸化させて焼失するものであるから、加熱時間の管理で気孔の深さを決定できるので、気孔の設計が容易であり、気孔の深さにより摺動抵抗を設計通りに低減可能になる効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、途中工程の焼結体を研磨した一部の加工面を示す断面図である。
【図２】本発明に係わる第１実施の形態を示すものであって、摺動部品の摺動面を示す一部の断面図である。
【図３】本発明に係わる摺動部品の試験機の断面図である。
【図４】従来例の摺動部品の摺動面の正面図である。
【符号の説明】
１　摺動部品
２　焼結体
２Ａ　焼結一体面
３　摺動面
３Ａ　加工面
１０　カーボン粒子
１０Ａ　微細気孔部
１１　気孔
２１　試験用固定摺動部品
２２　ガスケット
２３　ケーシング
２４　回転軸
２５　試験用回転摺動部品
２６　パッキン
２７　ばね
Ｓ　被密封流体
【図１】
2004116587.tif 000003
【図２】
2004116587.tif 000004
【図３】
2004116587.tif 000005
【図４】
2004116587.tif 000006