(57)【要約】【課題】シールリング等の摺動部材として必要強度を保持し、且つ摺動特性に優れ、クラックやカケの無い高品位の摺動部材用各種製品を容易に提供する。【解決手段】炭化珪素を主成分とし、１１重量％以下のアルミニウム化合物と、１５重量％以下の希土類元素化合物と、８重量％以下の珪素酸化物とを含有し、平均気孔径２０〜４０μｍ、気孔率が１３〜１８体積％として摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素を主成分とし、１１重量％以下のアルミニウム化合物と、１５重量％以下の希土類元素化合物と、８重量％以下の珪素酸化物とを含有し、平均気孔径２０〜４０μｍ、気孔率が１３〜１８体積％であることを特徴とする摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法であって、上記各成分と、気孔を形成するための有機物と、成形助剤を添加混合した原料を所定形状に成形し、脱脂工程により残炭率を０．５〜３．０％の範囲に調整した後、焼成することを特徴とする摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ、冷凍機等の軸封装置として用いられるメカニカルシールにおけるシールリング等の摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体の一例として、メカニカルシールに用いられるシールリングが用いられている。
【０００３】
メカニカルシールとは、各種機械の回転部の流体完全密封を目的とした流体機器の軸封装置の一つであり、密封端面の摩耗に従い軸方向に動くことができる従動リングと動かないシートリングからなり、振動を緩衝する機構を有し、相対敵意回転する軸にほぼ垂直な密封端面において、流体の漏れを制限する働きをするものである。
【０００４】
図１にその基本構造を示すように、回転軸１とケーシング２との間に取り付けられ、シール作用のおよぶ密封端面３は静止部材であるシートリング５と回転部材である従動リング６との対接面で軸に対して垂直面を形成してシール作用をしている。従動リング６はパッキング７によって緩衝的に支持されており、回転軸１には接触していない。
【０００５】
カラー９は回転軸１にはめ、セットスクリュー１０によって回転軸１に固定してある。このカラー９とパッキング７との間にはコイルスプリング８が介在している。従動リング６とカラー９とはかみ合うようにしてこれらの間の相対回転は防止し、従動リング６の軸方向の動きが可能になる。
【０００６】
シートリング５の側端面と従動リングの側端面とはいずれも回転軸１の軸線に対して、ほぼ垂直なものとし、これらの面はラッピングによって表面粗さを小さくし、平面度を高度に保たせて密封端面３を構成している。
【０００７】
密封流体はこの密封端面３の外周に、大気は内周に接している。この密封端面はコイルスプリング８の弾発力によって接触圧力の強さを強められている。緩衝ゴム４はシートリング５を緩衝的に支持するとともに、この従動リング６と回転軸１との間の漏れを防止する。密封端面３はシートリング５と従動リング６との各端面の漏れを防止する。回転軸１が回転すると、カラー９はこれとともに回転する。このカラー９は従動リング６を回転させる。パッキング７、コイルスプリング８もともに回転する。
【０００８】
シートリング５は回転しないので、密封端面３は相対的に回転する面の会合面となって回転軸１の回転中も密封流体の漏れを防止する。密封端面３が摩擦によって摩耗するに従い、従動リング６はシートリング５の方へ押し進められ密封端面３の密着は保たれる。密封端面３に対する回転軸１の振動の伝達の緩和は緩衝ゴム４とパッキング５とが行う。
【０００９】
以上の構造によりメカニカルシールが成り立っているが、一般的に前述のシートリング５と従動リング６がシールリングと呼ばれている。
【００１０】
ここで使用されているシールリング用部材としては、カーボン材、超硬合金、炭化珪素質焼結体、アルミナ質焼結体が主として用いられ、近年では高硬度で高耐食性を有し、摺動時の摩擦係数が小さく平滑性も優れた炭化珪素質焼結体を用いるケースが増加している。
【００１１】
また、この炭化珪素質焼結体の中でも更に摺動特性を向上させる為に緻密質炭化珪素質焼結体の製造工程中で平均気孔径１０〜４０μｍないし、５０〜５００μｍの独立気孔を気孔率として１３体積％以下の範囲とする多孔質炭化珪素質焼結体をシールリング用部材として用いることが開示されているが、それらは炭化珪素質焼結体を得るための焼結助剤として、炭化硼素及びカーボンを使用した主として固相焼結によるものである。
【００１２】
また、この多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法としては、球状をしたポリスチレンビーズ等の高分子有機化合物を原料中に添加し、これらが焼成段階で分解することにより、気孔を生成させること等が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第５８３４３８７号明細書
【００１４】
【特許文献２】
特公平０５−６９０６６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術として知られている前述の多孔質炭化珪素質焼結体は、メカニカルシールにおけるシールリング用部材としての必要強度を確保する意味で、実製品としては炭化珪素質焼結体中の気孔率が１３体積％以下に設定されているものが殆どであるが、シールリング用部材として更に摺動特性を向上させるには、炭化珪素質焼結体中の気孔率を高く設定すること等が望まれる。
【００１６】
しかしながら、固相焼結を主体とする炭化珪素質焼結体において気孔率を高く設定した場合、強度低下が顕著に確認されるため、結果として気孔率１３体積％を超える炭化珪素質焼結体は、実用的でないと考えられている。従って、炭化珪素質焼結体中の気孔率が１３体積％を超えるシールリング用部材を実質的に製造する方法は見出されていない。
【００１７】
また、多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法としては、球状をしたポリスチレンビーズ等の高分子有機化合物を原料中に添加し、これらが焼成段階で分解することにより、気孔を生成させること等が知られているが、炭化珪素質焼結体中に気孔率１３体積％を超える気孔を生成させるためには、相当の高分子有機化合物を添加する必要があり、これらが焼成時に分解する際、製品にクラックが生じ、実質的に製品価値がなくなるという問題があった。
【００１８】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであってその目的は、シールリング等の摺動部材としての必要強度を維持し、且つ摺動特性に優れ、クラックやカケの無い高品位の摺動部材用炭化珪素質焼結体を容易に提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭化珪素を主成分とし、１１重量％以下のアルミニウム化合物と、１５重量％以下の希土類元素化合物と、８重量％以下の珪素酸化物とを含有し、平均気孔径２０〜４０μｍ、気孔率が１３〜１８体積％として摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体を構成したことを特徴とする。
【００２０】
又、上記摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法として、上記各成分と、気孔を形成するための有機物と、成形助剤を添加混合した原料を所定形状に成形し、脱脂工程により残炭率を０．５〜３．０％の範囲に調整した後、焼成することを特徴とする。
【００２１】
以上のことにより、メカニカルシールにおけるシールリング等の摺動部材として必要な強度を保持しつつ、摺動特性に優れたものであり、且つ、製品ハンドリング時のカケや焼成クラックの無い高品位の多孔質炭化珪素質焼結体を供給することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は各種機械の回転部の流体完全密封を目的とした流体機器の軸封装置の一つであるメカニカルシールの基本構造を示したものであり、このメカニカルシールの心臓部は、従来技術で説明したシートリング５と従動リング６で構成され、両者を併せてシールリングと呼んでいる。
【００２４】
本発明では、このシールリングにおける前述の課題を解決すべく種々検討を行った結果、シールリングをなす炭化珪素質焼結体として炭化珪素を主成分とし、アルミニウム化合物１１重量％以下、希土類元素化合物１５重量％以下、珪素酸化物８重量％以下を含有させ、気孔の平均気孔径が２０〜４０μｍの範囲と設定することで、気孔率１３体積％を超える炭化珪素質焼結体においても、シールリングとしての必要強度目安である２００ＭＰａを維持できることが判った。
【００２５】
これは、炭化珪素の焼結助剤として前述のものを用いることにより、主として液相焼結となり、焼結温度の低下が図れ、強度向上の効果が生じることを利用したものである。
【００２６】
この強度向上効果と平均気孔径を２０〜４０μｍの範囲とすることにより、気孔率１３体積％を越える高い気孔率を設定することが可能となり、同時にシールリング摺動時の摩擦力低減と潤滑液の潤滑効果が促進され、摺動特性の向上につながることになる。
【００２７】
例えば、炭化珪素質焼結体を得るための焼結助剤として用いるアルミニウム化合物、希土類元素化合物、珪素酸化物が前述の範囲を越えた場合は、焼結段階で液相の生成が多く、分解蒸発が激しくなるため、微細気孔の発生による強度低下や、成形された形状を保つことができなくなるという問題が発生する。
【００２８】
逆に前述の成分が非常に少ないと、液相の生成が十分でなく、緻密化が損なわれるため、強度低下へつながることになる。
【００２９】
従って、焼結助剤としては、アルミニウム化合物１〜６重量％、希土類元素化合物１〜１０重量％、珪素酸化物０．１〜５．０重量％の範囲とすることが好ましい。
【００３０】
そして、これら成分以外の不純物としては、鉄、チタン等の金属又はその化合物やカーボン等が上げられるが、これらの不純物は緻密化の阻害と強度低下を招くため、２重量％以下とするのが好ましい。
【００３１】
気孔については、その平均気孔径が２０μｍ未満となると、潤滑液の潤滑効果が小さくなってしまい、４０μｍを超えると、必要強度を保持できなくなる。
【００３２】
また、気孔率においては、１３体積％以下となると、その摺動特性は劣っていく方向となり、１８体積％以上では強度低下を招く恐れがあり、１４〜１７体積％の範囲であることが好ましい。
【００３３】
ここで説明した平均気孔径は、焼結体鏡面加工面の金属顕微鏡写真又はＳＥＭ写真を撮影後、その写真上で有機物分解による気孔を特定後、各気孔の直径を測定し平均値を算出したものであり、気孔率は前述の焼結体組成における理論密度と得られた焼結体の嵩密度の割合を算出することにより求めたものである。
【００３４】
一方、気孔率が１３体積％を超える炭化珪素質焼結体を得るためには、ポア材やバインダー等の有機物を添加した炭化珪素粉末を作る必要があり、この粉末を単純に成形、焼成すると、製品にクラックやカケが生じ、実質的に製品価値が無くなるという問題があった。
【００３５】
この問題の解決には、ポア材やバインダー等の有機物を添加した炭化珪素粉末を成形後、脱脂工程を追加し、その脱脂工程で得られた粉末成形体の残炭率を０．５〜３．０重量％の範囲に調整してから焼成することにより、気孔率１３体積％を超えつつも摺動部材としての必要強度を保持し、摺動特性に優れた焼結体で、且つ、製品ハンドリング時のカケや焼成クラックの無い多孔質炭化珪素質焼結体が得られることを見出した。
【００３６】
よって、粉末成形体を焼成する工程の前に脱脂工程を追加し、その脱脂工程を経た粉末成形体の残炭率を０．５〜３．０重量％の範囲に調整して焼成することも重要な特徴であり、残炭率を上記範囲に設定すると、粉末成形体の形状を維持する最低の強度を保持しつつも、脱脂工程で分解される有機物のガス化による急激な体積膨張を防ぐ効果が得られ、クラックやカケの無い高品位の摺動部材を容易に提供できることになる。
【００３７】
残炭率を前述の範囲に調整するための手段としては、粉末成形体の脱脂条件として、最高保持温度と最高保持温度までの昇温時間及び炉内雰囲気を規定することが有効である。
【００３８】
例えば、脱脂工程を得た粉末成形体の残炭率が０．５重量％未満であった場合、粉末成形体の強度が低くなることで製品形状を保持できなかったり、ハンドリング時にカケを生じたりする可能性が高い。
【００３９】
また、残炭率が３．０重量％を超えた場合は、その後の焼成工程で、添加された有機物が分解される際に、ガス化による急激な体積膨張によるクラックが生じ、前述同様、製品歩留りを大きく下げることにつながる。
【００４０】
ここで説明した残炭率は前述の多孔質炭化珪素質焼結体を得るために作製した粉末成形体の重量から脱脂後の重量を差し引いた重量減比率を算出し、これを粉末成形体中に含まれるバインダー及び気孔形成のための有機化合物の添加比率から差し引いた値である。
【００４１】
以下、本発明の摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体の製造方法について説明する。
【００４２】
まず、出発原料として微量のシリカを含んだ炭化珪素粉末にアルミナ粉末及びイットリア粉末と水とを混合してスラリー化し、このスラリーにバインダーとポア材として微小アクリルビーズを添加、混合後、噴霧乾燥することで造粒粉を作製する。
【００４３】
この造粒粉を所定形状に成形し、真空脱脂炉に入炉後、窒素雰囲気下で４５０〜６５０℃までを１０〜４０時間で昇温し、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持後、自然冷却する。
【００４４】
ここで残炭率０．５〜３．０重量％の範囲に調整された粉末成形体を更に真空炉内アルゴン雰囲気にて１８００〜１９００℃の温度で焼成し、得られた焼結体を所定形状に加工することで、シールリング等の摺動部材を作製する。
【００４５】
以上の製造方法にて作製された摺動部材は、気孔率１３体積％を超え、必要強度目安である２００ＭＰａを保持し、且つ、製品にクラックやカケも無く摺動特性に優れた高品位のものとなり得る。
【００４６】
【実施例】
（実験例１）
１重量％のシリカを含んだ炭化珪素粉末１００重量％に対し、表１に示す割合のアルミナ粉末、イットリア粉末と、１２２重量％の水、分散剤として０．３重量％のアンモニア水及び８４重量％のウレタンボールとをボールミルに投入後、４８時間混合してスラリー化した。このスラリーにアクリル樹脂を主成分とするバインダー８重量％と、ポア材として平均粒径２３μｍと３８μｍと６９μｍのアクリルビーズを表１に示す割合で添加、混合後、噴霧乾燥することにより造粒粉を作製した。この造粒粉を１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で所定形状に成形し、真空脱脂炉内窒素雰囲気下にて４５０〜６５０℃までを５〜６０時間で昇温後、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持し、その後、自然冷却とする条件で脱脂後、重量減少量を測定することにより残炭率を算出した。次に脱脂された粉末成形体を真空炉内アルゴン雰囲気にて１８００〜１９００℃の温度で焼成することにより得られた焼結体の気孔率、平均気孔径、抗折強度及びクラックやカケ、変形等の外観を評価した。結果は表１に示し、焼結助剤として炭化硼素とカーボンを用いた固相焼結体の比較例も同時に表１へ示す。
【００４７】
表１より、まず、１３体積％を越える気孔率を得るためには、ポア材として用いたアクリルビーズを８重量％以上添加する必要があるのと同時に、添加量が１０重量％以下の範囲ではシールリング用部材としての必要強度である２００ＭＰａを超えていることが判る。
【００４８】
逆にアクリルビーズの添加量が１２重量％を超えてくると気孔率の増加とともに強度低下が顕著に確認され、比較例で示している試料Ｎｏ．１９の固相焼結体同様に、シールリング製品としての必要強度を保持できなくなることが判る。
【００４９】
平均気孔径においても上記同様、４０μｍを超える範囲では強度低下が確認される。
【００５０】
また、焼結助剤成分であるアルミニウム化合物及び希土類元素化合物が本発明の範囲外となっている試料Ｎｏ．１７及び１８では微細気孔の発生に伴う強度低下と液相成分の分解蒸発に伴う変形が発生し、シールリング製品としての実用価値が無くなっていることが判る。
【００５１】
一方、試料Ｎｏ．１〜１６において、残炭率と外観との関係を見た場合、残炭率０．５％を下回る範囲では、粉末成形体として形状を保持できる最低強度が確保できないため、カケ等の外観異常が確認される。また、残炭率３．０％を超える範囲では、有機物分解時のガス化による急激な体積膨張に伴うクラック等の外観異常が確認される。
【００５２】
以上の通り、焼結助剤としてアルミニウム化合物１１重量％以下、希土類元素化合物１５重量％以下、珪素酸化物８重量％以下を含有した炭化珪素原料に、平均粒径３８μｍのアクリルビーズを８〜１０重量％添加した粉末成形体を作製し、その粉末成形体を脱脂して、残炭率０．５〜３．０％に調整後、焼成することにより、平均気孔径が２０〜４０μｍの範囲で、気孔率が１３体積％を超えつつも２００ＭＰａ以上の強度を保持し、且つ、摺動特性に優れ、クラックやカケ等の無い高品位の多孔質炭化珪素質焼結体が得られることが確認できた。
【００５３】
【表１】
2005015246.tif 000003
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、炭化珪素を主成分とし、１１重量％以下のアルミニウム化合物と、１５重量％以下の希土類元素化合物と、８重量％以下の珪素酸化物とを含有し、平均気孔径２０〜４０μｍ、気孔率が１３〜１８体積％である多孔質炭化珪素質焼結体とすることにより、シールリング等の摺動部材としての必要強度を保持し、且つ、摺動特性に優れた摺動部材用各種製品を提供することができる。
【００５５】
又、上記製品の製造工程において、粉末成形体を焼成する工程の前に脱脂工程を追加し、その脱脂工程を経た粉末成形体の残炭率を０．５％〜３．０％の範囲に調整して焼成することにより、上記の特性を確保しつつも、クラックやカケの無い高品位の摺動部材用各種製品を容易に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摺動部材用多孔質炭化珪素質焼結体を用いたメカニカルシールの基本構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１：回転軸
２：ケーシング
３：密封端面
４：緩衝ゴム
５：シートリング
６：従動リング
７：パッキング
８：コイルスプリング
９：カラー
１０：セットスクリュー
【図１】
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