(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結用炭化珪素粉末に焼結助剤と合成樹脂繊維又は有機物繊維の細片とを混合し、焼結時に前記繊維を昇華させることによって、内部に繊維状を呈する多数の細長い気孔が分散して存在する硬質材料からなり、この気孔が摺動面で繊維状の開放気孔をなす多孔質摺動材であって、
前記繊維状の気孔は、その長手方向と直交する断面が直径２０μｍの略円形であって長さ６０μｍのものが２％の気孔率、長手方向と直交する断面が直径４０μｍの略円形であって長さ８０μｍのものが２％の気孔率で含まれていることを特徴とする多孔質摺動材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機器の回転軸周で流体を密封するメカニカルシールにおいて回転軸側の密封要素もしくはこれに摺接する静止側の密封要素として用いられる摺動材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メカニカルシールは、回転軸側に設けられてこの回転軸と共に回転する密封要素と、非回転のハウジング側に設けられた静止側の密封要素とが軸心に対して垂直な端面同士で密接摺動することにより、軸周における流体の漏洩を阻止するものであるため、前記密封要素として用いられる摺動材には、優れた耐摩耗性や摺動特性が要求される。このため、摺動材の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化珪素あるいは自己潤滑性に優れたカーボン等が用いられる。
【０００３】
液体を密封対象とするメカニカルシールの場合、静止側の摺動材と回転側の摺動材の互いの摺動面間には、摺動時の種々の要因により生じた摺動面の微小なうねりや、表面粗さ等によって、微量の密封対象液が介入して液体潤滑膜が形成される。しかし、摺動中は、前記うねりや表面粗さは摩擦熱等によって変化し、この変化に伴う潤滑液膜の厚さの変化によって、摺動面における摩擦係数や発熱量も変化するため、摺動材をＰＶ値等の著しく高い過酷な条件で使用すると、摩擦係数の平均値や最大値及び摺動発熱量が著しく増大して、摺動面の微小な変質や破壊等が進展する。
【０００４】
例えば、炭化珪素等の硬質摺動材は、自己潤滑性を有するカーボンからなる摺動材と組み合わせて使用した場合に、摩擦熱によってカーボン側の摺動面にブリスタと呼ばれる火膨れによる虫食い状の異常損耗がしばしば発生することが知られている。このような摺動面の破壊は、摺動面間の液体潤滑膜が完全に消滅したために発生するものであり、多量の液漏れを来すという問題がある。
【０００５】
そこで近年は、摺動特性の向上を図るために気孔分散摺動材が開発されており、その典型的な例が、例えば特公平５−６９０６６号公報に開示されている。この公報によれば、炭化珪素からなる摺動材の内部に多数の独立気孔が形成されており、この独立気孔は丸みを持つ必要があり、すなわち基本的には球状をなすものとされている。したがってこの摺動材を用いたメカニカルシールにおいては、摺動面に露出した多数の気孔がほぼ円形の開放気孔を形成しており、この円形開放気孔に保持された潤滑液が、起動時の摩擦熱による熱膨張と粘度低下によって滲み出して液体潤滑膜の形成に寄与するため、平坦な摺動面では潤滑膜切れが起こりやすくなるような摺動条件でも液体潤滑膜の安定化が図られ、摺動面の潤滑及び冷却が促されるので、上述した摺動面でのブリスタ等の発生を防止するのに有効であるとされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載された考え方によれば、強度を保持するためには気孔は基本的には滑らかな曲率を持った丸みのある形状であることが必要とされる。しかしながら発明者らの研究によると、摺動面に分布した開放気孔は必ずしも丸い必要はなく、むしろ開放気孔を細長い形状とした場合の方が、優れた液体潤滑効果を得られる場合があることが判明した。
【０００７】
したがって本発明の主な技術的課題とするところは、摺動材中に分布させた気孔が摺動面に露出して形成される開放気孔による液体潤滑作用を、一層向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る多孔質摺動材は、焼結用炭化珪素粉末に焼結助剤と合成樹脂繊維又は有機物繊維の細片とを混合し、焼結時に前記繊維を昇華させることによって、内部に繊維状を呈する多数の細長い気孔が分散して存在する硬質材料からなり、この気孔が摺動面で繊維状の開放気孔をなす多孔質摺動材であって、前記繊維状の気孔は、その長手方向と直交する断面が直径２０μｍの略円形であって長さ６０μｍのものが２％の気孔率、長手方向と直交する断面が直径４０μｍの略円形であって長さ８０μｍのものが２％の気孔率で含まれているものである。
【０００９】
この多孔質摺動材は、摺動面に存在する多数の開放気孔が、相手材の摺動面との間に流体力学的な潤滑膜として介入する液体を保持する潤滑液溜りとして機能し、各開放気孔に保持された液体が、起動時の摺動熱によって摺動面に直ちに滲み出して安定した潤滑液膜が形成される。また摺動面が徐々に摩耗すると、これに伴って摺動面上の一部の開放気孔が消滅しても、これを補充するように、摺動材内部の繊維状気孔が現れることによる新たな開放気孔が形成されるので、潤滑液溜りによる潤滑性が損なわれない。前記気孔（開放気孔）を繊維状とした理由は、次のとおりである。
【００１０】
摺動状態においては、摺動面上の各開放気孔は、それぞれ図１（Ａ）に示すようなレイリーステップを構成するものとみなすことができる。すなわちこの図１（Ａ）において、一方の摺動面１には開放気孔３によるレイリーステップ３ａが形成されており、他方の摺動面２は平坦に形成されている。摺動面１，２がレイリーステップ３ａと垂直な方向に相対移動し、すなわち摺動面１が矢印Ｖ１方向へ移動するか、又は摺動面２が矢印Ｖ２方向へ移動すると、両摺動面１，２間に介在する流体がその粘性によって摺動面１又は２の移動方向へ追随移動しようとするので、その際にレイリーステップ３ａの堰き止め作用によって液体潤滑膜の形成に必要な圧力（動圧）を発生する。発生した動圧は摺動方向と直交する方向（図示の断面と直交する方向）に逃げるが、図１（Ｂ）に示すように、この動圧はレイリーステップ３ａと対応する部分で最も大きくなる。また、摺動方向と、レイリーステップ３ａにおける図示の断面と直交する方向での動圧の総和が、潤滑における負荷容量に相当するものであり、したがって潤滑性の向上を図るには、前記動圧の総和を増大させることによって負荷容量も増大させることが有効であることがわかる。
【００１１】
ここで、摺動面１，２の相対摺動速度とレイリーステップ３ａの深さｄが一定であれば、レイリーステップ３ａの数すなわち摺動面１における気孔による開放気孔３の数が多いほど、また個々の開放気孔３における摺動方向Ｖ１又はＶ２と直交する方向への長さが長いほど、そのレイリーステップ効果により得られる動圧の総和すなわち負荷容量が増大する。
【００１２】
図２は、気孔率が一定、言い換えれば摺動面における開放気孔の面積の総和が一定である場合の、開放気孔の形状等による摺動方向と直交する方向のステップ長さの相違について説明したものである。すなわち図２（Ａ）において、参照符号３１は球状の気孔が摺動面に現れることによって形成された、開口形状が円形の開放気孔であり、参照符号３２は直方体状の気孔が摺動面に現れることによって形成された、開口形状が長方形の開放気孔である。各開放気孔３１，３２においてレイリーステップ効果を発揮するのに有効な長さは、摺動方向Ｖと直交する線への投影線の長さとして求められる。
【００１３】
開放気孔３１，３２の開口面積が同一である場合、開口形状が円形の開放気孔３１は、その半径をｒとすると、この円形開放気孔３１には方向性がないから、投影線Ｌ１の長さは２ｒで一定である。これに対して開口形状が長方形の開放気孔３２は、長辺をｈ、短辺をｗとすると、この開放気孔３２を長辺ｈが摺動方向Ｖと平行な方向から直交する方向へ９０°（π／２）回転させた場合、図２（Ｂ）に示すように、前記長辺ｈの投影線Ｌ２の長さｙはｈ・sin θであるから、その平均値は、
【数１】
0004464492.tif 000002
となる。開放気孔３１，３２の開口面積は同一、すなわちｗｈ＝πｒ２であるから、長方形開放気孔３２の投影線Ｌ２の平均長さ（２／π）ｈと、円形開放気孔３１の投影線Ｌ１の長さ２ｒとの比をとると、
（２／π）ｈ÷２ｒ＝ｈ／（πｒ）＝ｒ／ｗ
であって、１より大きくなり、すなわち長方形開放気孔３２の投影線Ｌ２の長さの平均値は円形開放気孔３１の投影線Ｌ１より長くなるため、そのレイリーステップ効果による負荷容量が増大する。
【００１４】
本発明において好ましくは、繊維状の気孔を、その長手方向と直交する断面が直径を２０〜５０μｍとする略円形であって長さが前記直径より２０〜５０μｍ長いもの、あるいは長手方向と直交する断面が一辺を２０〜５０μｍとする略正方形であって長さが前記直径より２０〜５０μｍ長いものとする。ここで、円形又は正方形の断面の最小寸法を２０μｍと規定したのは、図２（Ａ）において開放気孔３２の長辺ｈが摺動方向Ｖと平行な状態にある時には、投影線Ｌ２が前記開放気孔３２の短辺Ｗの長さと等しく、その長さが２０μｍ未満では、摺動面１又は２がレイリーステップ３ａと直交方向に移動することによって発生した流体軸受圧力が前記摺動方向Ｖと直交する方向へ逃げてしまい、十分な負荷容量が確保されないからである。また、前記気孔の最大長さは、前記円形又は正方形の断面寸法の最大寸法＋５０μｍ＝１００μｍと規定されるが、これは、１００μｍを超える長さでは、摺動密封要素として用いた場合に摺動面間からの密封対象液の漏れ量が、許容される限界値を超えてしまうからである。
【００１５】
また、本発明において一層好ましくは、繊維状の気孔は、その長手方向と直交する断面が直径２０μｍの略円形であって長さ６０μｍのものが２％の気孔率、長手方向と直交する断面が直径４０μｍの略円形であって長さ８０μｍのものが２％の気孔率で含まれるものとする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明に係る多孔質摺動材の実施形態を示すものである。この多孔質摺動材１０は、例えば焼結用炭化珪素粉末材料に適量の焼結助剤と、合成樹脂繊維又は天然の有機物繊維の細片を混合し、焼結時の熱で前記繊維を昇華させることによって、内部に繊維状の気孔を例えば５％の気孔率で形成した炭化珪素焼結体からなり、その平面状の摺動面１０ａには、前記気孔の一部によって、開口形状が略長方形状をなす繊維状の開放気孔１１が形成されている。この開放気孔１１は、長手方向と直交する断面が一辺約３０μｍの正方形状で長さが約６０μｍであり、ランダムな向きで配置されている。
【００１７】
【実施例】
以下に説明する実施例を、メカニカルシール試験機を用いて、後述の試験条件により摺動試験を行った。メカニカルシール試験機は、図４に示すように、試料である固定環２１をガスケット２２を介して非回転状態に支持するケーシング２３と、このケーシング２３の内周に回転自在に挿通された回転軸２４と、この回転軸２４の外周にパッキン２６を介して軸方向移動自在に支持され前記固定環２１と軸方向に対向される回転環２５と、この回転環２５を軸方向に付勢してその摺動面を前記固定環２１の摺動面に密接させるバネ２７とを備え、固定環２１、ガスケット２２、ケーシング２３、回転軸２４、回転環２５及びパッキン２６で囲まれた密封空間には密封対象液Ｓが封入される。
【００１８】
固定環２１は、参考例１としては、図１の構成を有する多孔質炭化珪素焼結体で形成したものを用い、すなわち摺動面に断面が一辺約３０μｍの正方形状で長さが約６０μｍの繊維状気孔からなる開放気孔を有し、気孔率を５％とした。また、参考例２としては、直径４５μｍの球状気孔を同じく気孔率５％で形成した多孔質炭化珪素焼結体からなるものを用いた。一方、回転環２５は樹脂含浸焼成カーボンからなり摺動面を平滑に形成した。それ以外の条件は下記のとおりである。
試験条件
(1) 密封対象液Ｓ        非粘質中性油
(2) 摺動面の周速        ３．１ｍ／ｓ
(3) 摺動面の面圧        ２．５ＭＰａ
(4) 密封対象液Ｓの温度  ２９０Ｋ
【００１９】
この試験において、固定環２１と回転環２５の摺動時の摩擦係数を計測したところ、参考例１における摩擦係数は０．０６、参考例２における摩擦係数は０．０９であった。また試験終了後、相手摺動面すなわち樹脂含浸焼成カーボンからなる回転環２５の摺動面の性状を観察したところ、参考例２においては同心円状の多数の摺動痕が認められたのに対し、参考例１においては全く摺動痕が認められなかった。したがって、円形の開放気孔よりも繊維状の開放気孔のほうが負荷容量が大きく、固定環２１の摺動面に繊維状開放気孔を有する参考例１のほうが潤滑性に優れることが確認された。
【００２０】
図５は、実際に製作した本発明の多孔質摺動材の表面を光学顕微鏡で撮影したものである。この摺動材は、内部に繊維状の気孔を形成するため、原料混合時に、直径が２０μｍ、長さが６０μｍの円柱状の繊維を気孔率換算で２％、直径が４０μｍ、長さが８０μｍの円柱状の繊維を気孔率換算で２％配合して焼結したもので、更に著しい摺動性及び潤滑性を実現することができる。
【００２１】
図５において細長い黒色に表れている部分は、円柱状の気孔がそのほぼ長手方向に切断された部分であり、黒い円あるいは楕円形状に表れている部分は、円柱状の気孔がその長手方向と直交あるいは斜交する方向に切断された部分である。面積の大きな黒色部は直径４０μｍ、長さ８０μｍの繊維により形成された気孔であり、面積の小さな黒色部は直径２０μｍ、長さ６０μｍの繊維により形成された気孔である。また、「く」の字形に折れ曲がったものが少数認められるが、これは２個以上の繊維が重なった状態で形成された気孔であり、直径が数μｍ以下の多数の黒い点として表れている部分は、繊維の配合によって意図的に形成したものではなく、常圧焼結によって自然に形成された微細気孔である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る多孔質摺動材は、焼結用炭化珪素粉末に焼結助剤と合成樹脂繊維又は有機物繊維の細片とを混合し、焼結時に前記繊維を昇華させることによって、内部に繊維状を呈する多数の細長い気孔が分散して存在する硬質材料からなり、この気孔が摺動面で繊維状の開放気孔をなす多孔質摺動材であって、前記繊維状の気孔は、その長手方向と直交する断面が直径２０μｍの略円形であって長さ６０μｍのものが２％の気孔率、長手方向と直交する断面が直径４０μｍの略円形であって長さ８０μｍのものが２％の気孔率で含まれていることを特徴とするもので、摺動材中に分布させた気孔が摺動面に露出することによる開放気孔を繊維状としたことによって、この開放気孔のレイリーステップ効果による負荷容量が向上するため、従来の円形の開放気孔によるものよりも過酷な摺動条件での使用が可能になる。また、気孔率を低くしても円形の開放気孔によるものと同等の負荷容量を得ることができるので、摺動材の強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多孔質摺動材の摺動面に形成された開放気孔の作用を示す説明図である。
【図２】本発明と従来技術による開放気孔の投影線の長さを比較した説明図である。
【図３】本発明の摺動材の一実施形態を拡大して示す一部断面を表す斜視図である。
【図４】摺動試験に用いるメカニカルシール試験機を軸心を通る平面で切断した概略的な半断面図である。
【図５】実際に製作した本発明の多孔質摺動材の表面を光学顕微鏡で撮影した説明図である。
【符号の説明】
１０  多孔質摺動材
１０ａ  摺動面
１１  開放気孔
【図１】
0004464492.tif 000003
【図２】
0004464492.tif 000004
【図３】
0004464492.tif 000005
【図４】
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【図５】
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