(57)【要約】 【課題】  メカニカルシールにおいて、締め付け力による変形が小さく、また破損することもなく、繰り返し使用可能で、なおかつ耐摩耗性に優れているメカニカルシールを提供する。【解決手段】  金属−セラミックス複合材料からなるメカニカルシールを採用する。特に、強化材がＳｉＣであり、マトリックスがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、該強化材の含有率が複合材料全体の４０〜８０体積％である金属−セラミックス複合材料からなるメカニカルシールを採用することが好適である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記金属−セラミックス複合材料が、強化材がＳｉＣであり、マトリックスがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、該強化材の含有率が全体の４０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦性と低摩耗性とが両立している摺動材料、特に、ポンプ等に用いるメカニカルシールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のアルミニウム合金製のメカニカルシールは、アルミニウム合金でできたメカニカルシールのシール部分の表面に硬質被膜を形成し、耐摩耗性を改善したものが知られている。
【０００３】
しかしながら、アルミニウム合金製のメカニカルシールは、シール部分の表面だけしか硬質化されていないため、シールの締め付け力が大きいと、硬質化されていない部分のアルミニウム合金が変形してしまうことがある。また、メカニカルシールの締め付けを一旦解除してしまうと、再度締め付けるとき、挟圧することができなくなり、繰り返してシールできない場合もあった。
【０００４】
こうした課題に対してセラミックス製のメカニカルシールが提案されている。セラミックス製のメカニカルシールは、耐摩耗性に優れているため、低摩擦にした材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、セラミックス特有の脆性のため、摩耗が早かったり、シールの締め付け力が大きいと破損する場合すらあった。
【特許文献１】特開２００５−１１２７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、軽量で剛性が高く、かつ耐摩耗性に優れたメカニカルシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、メカニカルシールにおいて、金属−セラミックス複合材料を用いることにより部材の高剛性化と耐摩耗性向上が同時に達成できることを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、以下の（１）、（２）を提供する。
（１）金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とするメカニカルシール。
（２）上記（１）において、金属−セラミックス複合材料が、強化材がＳｉＣであり、マトリックスがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、該強化材の含有率が全体の４０〜８０体積％であることを特徴とするメカニカルシール。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メカニカルシールおいて、金属−セラミックス複合材料を用いることにより部材の高剛性化と耐摩耗性向上が同時に達成でき、締め付けによる変形や破損などの問題がないメカニカルシールを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明では金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とするメカニカルシールを提案する。（請求項１）
【００１０】
金属−セラミックス複合材料は、金属材料が有する靭性とセラミックス材料が有する剛性を併せ持つ材料である。金属材料とセラミックス材料の配合割合を調整することで、さまざまな要求性能に合せ、メカニカルシールを設計することが可能となる。
【００１１】
例えば、マトリックス部分がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、ＳｉＣ粉末を複合化してなる金属−セラミックス複合材料で形成したメカニカルシールを考えると、アルミニウム合金のみからなるメカニカルシールと比べて、充填材部分に、より剛性が高く耐摩耗性に優れるＳｉＣを用いるため全体としての高剛性化、耐摩耗性向上が実現する。また、これらを複合化することにより、締め付け力に対する変形を防止することが可能となる。また、靭性の面でも金属質物質のみからなるものと比べても現実の使用において問題はない。このようなメカニカルシールは、嵩密度が小さく剛性の高いＳｉＣ粉末と、軽量であるアルミニウム合金とを複合化した複合材料からなるため、軽量で、かつ剛性の高いメカニカルシールとなる。
【００１２】
また、本発明では前記金属−セラミックス複合材料が、強化材がＳｉＣであり、マトリックスがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、該強化材の含有率が全体の４０〜８０体積％であることを特徴とするメカニカルシールを提案する。（請求項２）
【００１３】
金属−セラミックス複合材料として、金属材料とセラミックス材料の組み合わせは多数あるが、メカニカルシールに要求される性能を考えた場合、金属材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、セラミックス材料がＳｉＣである複合材料が好適である。
【００１４】
その理由として、複合材料の剛性の大きさとしては高い方が好ましいが、従来のアルミニウム合金の剛性がヤング率で概ね７０ＧＰａ程度であるので、それと同等以上のヤング率を有していればよく、ＳｉＣとアルミニウム合金との複合材料の場合には、ＳｉＣ粉末の含有率が３０体積％以上で１２５ＧＰａ以上となるからである。
【００１５】
ここでＳｉＣ粉末の複合材料中の含有率は、４０〜８０体積％が好適である。ＳｉＣ粉末含有率が４０体積％より低いと複合材料の剛性が低下し、８０体積％より高いと複合材料の製造が困難となるからである。
【００１６】
本発明のメカニカルシールの製造方法を述べると、先ずＳｉＣ粉末と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用意する。次に、用意したＳｉＣ粉末で４０〜８０体積％の充填率を有するプリフォームを形成する。プリフォームの形成方法としては、ＳｉＣ粉末に有機バインダーを添加し、プレスにより形成する方法や、ＳｉＣ粉末に水などの溶媒を加え、フィルタープレスにより形成する方法などが挙げられる。
【００１７】
次いで、得られたプリフォームを大気中、７００〜８００℃の温度で加熱し、溶湯加圧装置内に入れる。また予め用意しておいた７５０〜９００℃の溶融アルミニウムまたは溶融アルミニウム合金を溶湯加圧装置内に入れ高圧鋳造法を実行する。すなわち、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａの圧力でプレス機によって加圧し、溶融アルミニウム系材料をプリフォームに浸透させ、複合化させる。その後、余分なアルミニウム系材料の部分を加工により除去し、金属−セラミックス複合材料製メカニカルシールを得る。
【００１８】
以上の方法でメカニカルシールを作製すれば、剛性が高く耐摩耗性に優れたメカニカルシールとすることができるようになる。また、高圧鋳造法により作製することで、ポアが少なく気密性に優れた金属−セラミックス複合材料製メカニカルシールを得ることができる。
【実施例】
【００１９】
次に、本発明の実施例と比較例について説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００２０】
（実施例１の複合材料の作製）
市販のＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）１００重量部に、有機バインダーとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）５重量部とコロイダルシリカ５重量部を添加し、これをプレスして２００×２００×２０ｍｍで５０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。得られたプリフォームに高圧鋳造法により溶融アルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＣ４Ｃ）を浸透、複合化させ、冷却して複合材料を作製した。
【００２１】
（実施例２の複合材料の作製）
ＳｉＣ粉末として平均粒径６０μｍのもの７０重量部と平均粒径１０μｍのもの３０重量部を用い、６０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した他は実施例１と同様に複合材料を作製した。
【００２２】
（実施例３の複合材料の作製）
実施例１の複合材料の作製において、プレス圧を低くして３０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した他は実施例１と同様に複合材料を作製した。
【００２３】
（比較例）
メカニカルシール用の材料として、アルミニウム合金（ＪＩＳ  ＡＣ４Ｃ  鋳造品）を準備した。
【００２４】
（評価）
得られた複合材料およびアルミニウム合金の嵩密度をＪＩＳ  Ｒ  １６３４記載の方法で求めた。また、得られた複合材料およびアルミニウム合金から３×４×４０ｍｍの試験片を切り出し、その試験片を用い共振法によりヤング率を求めた。それらの結果を表１に示す。また、実施例１と比較例については、耐摩耗性の目安として硬度（ＨＲＢ；ロックウェルＢスケール）を測定した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から明らかなように、実施例は比較例と比べ嵩密度はほぼ同等であるもののヤング率が高く、軽量高剛性を示した。また、耐摩耗性の目安となる硬度（ＨＲＢ）についても、実施例は比較例よりも高い値を示した。このことは、この複合材料を用いてメカニカルシールを作製すれば、軽量で剛性が高く、かつ耐摩耗性に優れたメカニカルシールが得られることを示している。これに対して比較例では、ヤング率が低く剛性が劣っており、耐摩耗性にも劣ることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のメカニカルシールは、軽量・高剛性であり、耐摩耗性に優れているため、ポンプ等に用いるメカニカルシールでの使用に好適である。