(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に化学蒸着による炭化珪素膜を形成してなる炭化珪素コーティング部材であって、当該炭化珪素膜の表面を相手密封環との摺動面とする端面接触型のメカニカルシール用の密封環として使用されるものにおいて、基体が炭化珪素材で構成されており、炭化珪素膜が、その膜厚方向において膜表面に向かうに従って炭素成分が増大する傾斜状組成をなすものであって、表面層が炭素リッチ組成をなし且つ基体への接着層が珪素リッチ組成をなしているものであることを特徴とする炭化珪素コーティング部材。
【請求項２】
炭化珪素膜の表面をカーボン製若しくは炭化珪素焼結材製の相手密封環又は請求項１に記載する炭化珪素コーティング部材である相手密封環との摺動面とする端面接触型のメカニカルシール用の密封環であることを特徴とする請求項１に記載する炭化珪素コーティング材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、端面接触型のメカニカルシールの密封環として好適に使用される炭化珪素コーティング部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素やカーボン等で構成される基体の表面に化学蒸着による炭化珪素膜を被覆形成してなる炭化珪素コーティング部材は、炭化珪素膜が高硬度性，耐摩耗性，耐熱性，耐薬品性，導電性等に優れるものであることから、特に、表面に物理的，化学的，電気・電子的な耐久性が要求される各種製品や部品として好適に使用しうるものであり、従来からも多くの分野で実用されている。
【０００３】
例えば、従来、カメラレンズ等を製作するには、ガラス材を所定形状に型成形する工程の他、その成形物の形状，精度を確保するための下地研磨工程やその研磨物の表面を仕上げる仕上研磨工程等、多くの工程が必要であった。したがって、かかる伝統的な製作方法によれば、レンズ等を安価且つ大量に製作することができず、また非球面形状のものを得ることが困難であった。そこで、近時、ＣＤピックアップレンズ等の汎用光学素子のみならず、光ファイバーのカプラー部への非球面マイクロレンズ等の高精度光学素子についても、精密プレス型によりワンモールド成形することが行われているが、かかるワンモールド成形に使用するガラス光学素子用の成形型として炭化珪素コーティング部材からなるものが知られている。すなわち、この成形型（以下「従来型」という）は、炭化珪素焼結材からなる型本体の型部表面に化学蒸着により炭化珪素膜を形成し、その膜表面を研磨して成形面としたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来型は、耐熱性，耐久性等に優れるものであるが、離型性に問題があり、光学素子材料たるガラスが炭化珪素膜の表面（成形面）に付着，残留し易く、安定した成形を行なうことができないといった問題があった。
【０００５】
このような問題は炭化珪素膜に起因して生じるものであるが、かかる炭化珪素膜の性状が原因となる問題は、ガラス製光学素子用の成形型のみならず、炭化珪素コーティング部材を使用する各種製品，機器にあって指摘されているところであり、従来の炭化珪素コーティング部材は、それが使用される製品，機器の用途，機能によっては必ずしも満足できるものではないのが実情である。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、端面接触型のメカニカルシール用の密封環として使用した場合において、それが有していた炭化珪素膜に起因する問題を排除することができる実用的な炭化珪素コーティング部材を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基体の表面に化学蒸着による炭化珪素膜を形成してなる炭化珪素コーティング部材であって、当該炭化珪素膜の表面を相手密封環との摺動面とする端面接触型のメカニカルシール用の密封環として使用されるものにおいて、上記した目的を達成すべく、特に、基体を炭化珪素材で構成しておくこと、及び炭化珪素膜を、その膜厚方向において膜表面に向かうに従って炭素成分が増大する傾斜状組成をなすものであって、表面層が炭素リッチ組成をなし且つ基体への接着層が珪素リッチ組成をなしているものとしておくことを提案するものである。すなわち、炭化珪素膜を、その膜厚方向において、膜表面に近づくにつれて炭素成分が漸次増加すると共に珪素成分が漸次減少するような傾斜状組成をなすものとしておくことを提案するものである。本発明の密封環は、例えば、カーボン製若しくは炭化珪素焼結材製の密封環又は本発明の炭化珪素コーティング部材である密封環を相手密封環とする端面接触型のメカニカルシール用の密封環として使用される。
【０００８】
具体的には、炭化珪素膜の表面層が炭素リッチ組成をなすようにしておく。ここに、炭素リッチ組成とは、炭素成分が化学当量比をなす化学量論組成より多くなる（一方、珪素成分については化学量論組成より少なくなる）組成であり、グラッシカーボン（Ｇｌａｓｓｙ Ｃａｒｂｏｎ，無定形炭素）組成，パイロリテックカーボン（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ，熱分解炭素）組成等のアモルファスカーボン組成を含むものである。このような炭素リッチ組成をなす膜表面においては、化学量論組成をなす一般的な炭化珪素膜の表面に比して、炭素的性質がより強く現われることになると共に珪素的性質が抑制されることになる。したがって、かかる炭化珪素膜を基体表面に形成した炭化珪素コーティング部材は、メカニカルシール用の密封環の構成部材として好適に使用することができる。すなわち、膜表面を密封端面とするメカニカルシール用の密封環にあっては、その密封端面が炭素的性質である自己潤滑性を有するものとなり、相手密封環との摺動性が大幅に向上することになる。
【０００９】
一方、珪素成分については、膜厚方向において膜表面に近づくにつれて漸次減少することになるが、特に、基体が炭化珪素材（例えば、炭化珪素焼結材）で構成されている場合には、炭化珪素膜における基体への接着層を、珪素成分が化学量論組成より多い珪素リッチ組成をなすようにしておくことにより、炭化珪素材で構成される基体と炭化珪素膜との密着性が、炭化珪素膜を化学量論組成とした場合に比して、大幅に向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１１】
図１及び図２は参考例を示しており、この参考例にあっては本発明に係る炭化珪素コーティング部材を使用してガラス製光学素子の成形型１が構成されている。
【００１２】
すなわち、成形型１は、図１に示す如く、型本体２を所定形状に成形し（Ａ図）、この型本体２の型部２ａの表面に化学蒸着により炭化珪素膜３を形成し（Ｂ図）、さらに炭化珪素膜３を表面研磨して、その研磨面を成形面３ａとなしたものである（Ｃ図）。
【００１３】
型本体２は、図１（Ａ）に示す如く、例えば、無加圧焼結，ホットプレス焼結，ホットアイソスタティックプレス等の手法により得られたβ型炭化珪素（又はα型炭化珪素）の焼結体（例えば、嵩密度３．０以上）を所定形状に研削加工してなるものである。なお、型部２ａの形状は、炭化珪素膜３をコーティングすることによって得られる最終的な形状に応じたものとされている。
【００１４】
炭化珪素膜３は、図１（Ｂ）に示す如く、非酸化雰囲気において純粋のβ型炭化珪素（又はα型炭化珪素）を減圧ＣＶＤ法等により化学蒸着することによって、型本体２の型部２ａの表面に被覆形成されるが、蒸着条件を制御することにより、特に反応ガスにおけるＳｉ源（ＳｉＣｌ4等）及びＣ源（Ｃ3Ｈ8等）の流量，モル比及びキャリアガスであるＨ2との還元比をマスフローコントローラにより制御して、成膜の進行に伴って膜組成における珪素成分量が漸次減少し且つ炭素成分量が漸次増加するように調整することによって、図２に示す如く、膜厚方向において膜表面に向かうに従って炭素成分が増大する傾斜状組成をなすものに成膜される。
【００１５】
まず、成膜の初期段階（第１段階）においては、炭化珪素の化学当量比より多量の珪素成分を含む珪素リッチ組成の第１層３１が基体たる型本体２の表面（型部２ａの表面）に形成される。第２段階においては、第１層３１上に、これより珪素成分が減少すると共に炭素成分が増加する化学量論組成をなす第２層３２が形成される。そして、第３段階においては、珪素成分の減少と炭素成分の増加とが更に行なわれて、第２層３２上に炭素リッチ組成（例えば、グラッシカーボン組成，パイロリテックカーボン組成等のアモルファスカーボン組成）をなす第３層３３が形成され、成膜が終了する。なお、図２においては、便宜上、各層３１，３２，３３間の境界が示されているが、かかる境界は明瞭に現われるものでないことは勿論である。
【００１６】
ところで、炭素リッチ組成の化学量論組成に対する炭素増量は、Ｘ線回折装置では検出できない程度に僅かであるが、レーザラマン分光装置等によるラマンスペクトル分光法によれば炭素リッチ組成の確認を容易に行うことができる。例えば、図５及び図６に示す如く、グラッシカーボン組成及び化学量論組成のラマンスペクトルは明瞭に異なる。すなわち、図５に示すグラッシカーボン組成のラマンスペクトルでは、炭化珪素のラマン線ピークａ，ｂの他、グラッシカーボンのラマン線ピークｃ（１３６０ｃｍ−１付近），ｄ（１５９０ｃｍ−１付近）が顕著に現れている。一方、図６に示す化学量論組成のラマンスペクトルでは、炭化珪素のピークｅ，ｆ，ｇ，ｈのみが現れている。
【００１７】
炭化珪素膜３の表面層たる第３層３３は、図１（Ｃ）に示す如く、適宜の機械的加工法により所望の超平滑面（例えば、表面粗度：１ｎｍＲＭＳ程度，形状精度：λ／４以下）３ａに表面研磨される。かかる表面研磨は、例えば、炭化珪素膜３の表面をダイヤモンド砥粒による粗形状出しを行った上、更にダイヤモンド砥粒による精密研磨を施すことによって行なわれる。なお、上記した成形型１は上型であるが、下型についても同一の工程を経て製作される。
【００１８】
而して、かかる成形型１は、研磨された膜表面たる成形面３ａがグラッシカーボン組成，パイロリテックカーボン組成等の炭素リッチ組成とされていることから、成形時におけるガラス付着を生じることのない離型性に優れたものであり、光学素子を良好且つ高精度に大量生産することができる。すなわち、成形面３ａは、ガラスとの反応を阻害する炭素成分を多量に含み且つ当該反応を阻害しない珪素成分が微量であることから、ガラスが付着することがない。
【００１９】
一方、第１層たる接着層３１が珪素リッチ組成をなしていることから、化学量論組成をなす場合に比して、炭化珪素焼結材である型本体２との密着性が向上し、成形型１の耐久性が向上する。
【００２０】
また、図３及び図４は本発明の実施の形態を示しており、この実施の形態にあっては、密封環として本発明に係る炭化珪素コーティング部材を使用している。
【００２１】
すなわち、図３に示すメカニカルシールは、シールケース４に固定保持された密封環（以下「固定環」という）５と、回転軸６に軸線方向移動可能に且つ相対回転不能に保持された密封環（以下「回転環」という）７と、回転軸６に固定されたスプリングリテーナ８と回転環７との間に介装されて回転環７を固定環５へと押圧附勢するスプリング９とからなり、両密封環５，７の対向端面たる密封端面５ａ，７ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外周側領域たる機内領域Ａとその内周側領域たる機外領域（大気領域）Ｂとをシールするように構成された端面接触型のものである。
【００２２】
かかるメカニカルシールにあっては、回転環７を炭化珪素焼結材で構成すると共に、固定環５を本発明に係る炭化珪素コーティング材で構成してある。すなわち、固定環５は、図４に示す如く、炭化珪素焼結材で構成された基体１０の表面（密封端面５ａを形成すべき部分の表面）に、化学蒸着により炭化珪素膜１１を形成して、その膜表面を研磨して密封端面５ａとしたものである。炭化珪素膜１１は、前記した成形型１と同様組成をなすものであり、図４に示す如く、基体１０の表面上に珪素リッチ組成をなす第１層１１１を形成し、第１層１１１上に化学量論組成をなす第２層１１２を形成し、第２層１１２上に炭素リッチ組成（例えば、グラッシカーボン組成，パイロリテックカーボン組成等のアモルファスカーボン組成）をなす第３層１１３を形成したものであり、表面層たる第３層１１３の表面は密封端面５ａに研磨されている。
【００２３】
ところで、端面接触型メカニカルシールとして、一般に、相対回転摺接する２つの密封環の一方を炭化珪素で構成すると共に他方の密封環をカーボンで構成するもの（以下「Ｃ／ＳｉＣシール」という）と、両密封環を共に炭化珪素で構成するもの（以下「ＳｉＣ／ＳｉＣシール」という）とが周知であるが、Ｃ／ＳｉＣシールでは、炭化珪素に比して軟質であるカーボン製の密封環が摩耗し易く、特に、固形成分を含むスラリ流体については良好にシールできない。一方、ＳｉＣ／ＳｉＣシールでは、炭化珪素が硬質で耐摩耗性に優れるものであり、熱的，化学的，機械的特性にも優れたものであることから、被密封流体が固形成分を含むスラリ流体である等の過酷なシール条件下においても、良好なシール機能が発揮される。しかし、炭化珪素はカーボンのような自己潤滑性を有しないものであり、相手密封環との摺動性（潤滑性）に劣るものであるから、ＳｉＣ／ＳｉＣシールでは、密封端面間に所謂鳴きと称する騒音が生じたり、密封端面同士の固着（焼付）現象が生じる虞れがある。
【００２４】
これに対して、上記したメカニカルシールでは、固定環５の密封端面５ａが、炭素的性質（特に自己潤滑性）が強く現われる炭素リッチ組成をなしていることから、一般的な化学量論組成をなす炭化珪素製の密封環と異なって、炭化珪素製の相手密封環７との摺動性が高くなり、ＳｉＣ／ＳｉＣシールのような問題は生じない。勿論、Ｃ／ＳｉＣシールにおける問題もなく、固形成分を含有するスラリー流体に対しても良好なシール機能を発揮できる。
【００２５】
なお、Ｃ／ＳｉＣシールが好適に使用されるシール条件下においては、相手密封環７をカーボン製のものとできるが、この場合にも、両密封環５，７間の摺動性能が大幅に向上し、カーボン製密封環の摩耗やプリスタ現象をより効果的に防止することができる。また、両密封環５，７を共に本発明に係る炭化珪素コーティング部材で構成しておくこともできる。
【００２６】
本発明は、上記した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、適宜に改良，変更することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の炭化珪素コーティング部材によれば、基体上に形成される炭化珪素膜を、その膜厚方向において膜表面に向かうに従って炭素成分が増大する傾斜状組成をなすもの（一種の傾斜機能材料）としたから、化学量論組成をなす一般的な炭化珪素膜では得ることのできない特性（例えば、メカニカルシール用の密封環における相手密封環との摺動性向上等）を発揮させることができ、密封環における炭化珪素膜に起因する問題を解決して、その性能を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明をガラス製光学素子用の成形型に適用した参考例を示すもので、当該成形型の製作工程図である。
【図２】  図１の要部（炭化珪素膜）を拡大して示す詳細図である。
【図３】  本発明を密封環に適用した例を示すもので、当該密封環を使用するメカニカルシールの一例を示す要部の断面図である。
【図４】  図３の要部（固定環の密封端面）を拡大して示す詳細図である。
【図５】  炭素リッチ組成（グラッシカーボン組成）をなす炭化珪素膜のラマンスペクトル図である。
【図６】  化学量論組成をなす炭化珪素膜のラマンスペクトル図である。
【符号の説明】
１…成形型、２…型本体（基体）、２ａ…型部、３，１１…炭化珪素膜、３ａ…成形面、５…固定環（密封環）、５ａ…密封端面、７…回転環（相手密封環）、７ａ…密封端面、１０…基体、３１，１１１…珪素リッチ組成をなす第１層（接着層）、３２，１１２…化学量論組成をなす第２層、３３，１１３…炭素リッチ組成をなす第３層（表面層）。
【図１】
0003787084.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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