【発明の名称】メカニカルシール
【特許請求の範囲】
【請求項１】摺動面間に流体による潤滑膜が形成されない無潤滑状態で摺動する静止側密封要素及び回転側密封要素を有し、
前記静止側密封要素及び回転側密封要素はそれぞれ、基材及びその表面にコーティングされた摺動皮膜を有する摺動材料よりなり、
前記摺動皮膜は、結合材に適量の固体潤滑材料を配合したものであることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】請求項１のメカニカルシールにおいて、
上記基材は、セラミックスまたはカーボンであることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項３】請求項１のメカニカルシールにおいて、
上記基材の表面は、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように微細凹部を残して研磨されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項４】請求項１のメカニカルシールにおいて、
上記結合材は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂であることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項５】請求項１のメカニカルシールにおいて、
上記固体潤滑材料は、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステンまたはフッ化黒鉛よりなる自己潤滑物質の中から一種類以上が選択されることを特徴とするメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動面間に流体による潤滑膜が形成されない無潤滑状態で摺動する静止側密封要素及び回転側密封要素を有するメカニカルシール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摺動材（回転側密封要素）と、非回転のハウジング側に設けられた静止側の摺動材（静止側密封要素）とが軸心と直交する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、前記摺動材には低摩擦性及び耐摩耗性に優れた材料が選択される。特に、摺動面間に流体潤滑膜が供給されない無潤滑状態で摺動される摺動材には、優れた自己潤滑性及び耐摩耗性が求められ、従来から、例えばカーボン材料、黒鉛、ガラス繊維、炭素繊維、金属粉等を主原料とする骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂からなる材料が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボン材料の場合は、真空中、還元ガス中、あるいは露点温度の低い乾燥空気中等の雰囲気においては、カーボンの潤滑性が失われて著しい摩耗を発生する場合がある。
【０００４】
また、骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂摺動材料においては、上記雰囲気による影響を比較的受けにくいが、僅かな摩耗は発生する。特に、食品や医薬品の製造過程で使用される撹拌機等では、衛生面や製品の特性上から異物の侵入を極力防止する必要があり、したがってこのような機器に使用されるメカニカルシールも、製造される食品等への摩耗粉の混入を極力防止するため、無潤滑の状態においても摺動材の摩耗による摩耗粉の発生を全くなくすか、極めて微量にする必要がある。そしてこのような観点から、四フッ化エチレン樹脂摺動材料では、配合する骨材の種類や配合比率に関してさまざまな検討が加えられ、耐摩耗性の向上が図られている。
【０００５】
しかしながら、四フッ化エチレン樹脂摺動材料は、潤滑性はあるが耐摩耗性に乏しい四フッ化エチレン樹脂が７０％程度を占めることから、耐摩耗性の向上には限界があり、使用可能な範囲が限られたものとなっている。近年では、カーボン等の自己潤滑物質を配合したセラミックスや、自己潤滑物質を配合した金属材を、無潤滑での摺動材として使用する場合もあるが、真空状態、加圧状態といった条件が繰り返される場合は、摺動面の「かじり」や潤滑不良に起因する「鳴き」等が発生し、摩耗粉の発生が起こる。設計的には、摺動面に溝を設けることによって摺動時に摺動面間に気体膜が形成されるようにし、摺動材の負担を軽減することも試みられているが、低速回転条件や、上述のように真空状態、加圧状態といった条件が繰り返される場合は、十分な効果が発揮されない。
【０００６】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その主な技術的課題とするところは、潤滑油や液体の存在しない雰囲気や、流体による潤滑の期待できない環境条件において、優れた摺動性及び耐摩耗性を発揮することのできる摺動材料を有するメカニカルシールを提供することにある。
【０００７】
【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、本発明に係るメカニカルシールは、摺動面間に流体による潤滑膜が形成されない無潤滑状態で摺動する静止側密封要素及び回転側密封要素を有し、前記静止側密封要素及び回転側密封要素はそれぞれ、基材及びその表面にコーティングされた摺動皮膜を有する摺動材料よりなり、前記摺動皮膜は、結合材に適量の固体潤滑材料を配合したものであることを特徴とするものである。この場合、好ましくは、前記基材としては、セラミックスまたはカーボンが選択され、基材の表面は、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように微細凹部を残して研磨される。また、結合材としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂が選択され、固体潤滑材料としては、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステンまたはフッ化黒鉛よりなる自己潤滑物質の中から一種類以上が選択される。
【０００８】
すなわち本発明において、基材として使用されるセラミックスやカーボンは耐蝕性に優れると共に弾性変形しにくく、熱伝導性にも優れ、それ自体も所要の自己潤滑性を有するものである。その選定の根拠は、第一に、コーティングされる摺動皮膜との接合界面の腐食による摺動皮膜を防止することにある。第二に、使用雰囲気の圧力等の負荷による変形を受けにくくすることにあり、これによって、摺動皮膜の初期の表面粗さが維持されやすく、摩擦係数の変化を少なくすることにある。第三に、熱伝導性が良いことによって、摺動により発生する熱が放熱されやすく、摺動皮膜の熱負荷を軽減できることにあり、また第四に、摺動皮膜が経時的に摩耗して薄くなった場合も、摩耗によって摺動面に露出した基材によって潤滑性を著しく損ねることがなく、摺動皮膜の残存部分で基材表面における潤滑性を補助する摺動状態にできることにある。
【０００９】
また、摺動皮膜を構成する固体潤滑材料及び結合材は、それぞれ摩擦係数は低いが耐摩耗性に乏しいため、単独では摺動材料としては適さず、通常は潤滑補助材や単なる結合剤としてのみ用いられるが、発明者の研究によれば、このような固体潤滑材料と結合材との混合物は、硬質で変形しにくく、かつ熱伝導性の良いセラミックスやカーボン等からなる基材の表面にコーティングすることによって著しい耐摩耗性の向上が実現できた。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、摺動皮膜を構成する固体潤滑材料及び結合材が本来有さない硬さや熱伝導性を、基材が補償する結果、耐摩耗性を向上させることができるものである。なお後述のように、摺動皮膜は優れた耐摩耗性によって摩耗の進行が著しく抑えられるので、その膜厚は１０〜３０μｍで十分である。
【００１１】
基材表面に対する摺動皮膜の接合性を良好にするためには、基材表面にある程度の表面粗さが必要であるが、その微細凹凸における突端が鋸歯状である場合は、摺動皮膜の摩耗の進行によって鋸歯状の硬質基材の突端が摺動面に露出すると、相手摺動面を削り取って損耗を早めてしまうおそれがある。本発明においては、コーティングしようとする基材の表面が、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように研磨されるので、摺動皮膜の摩耗の進行によって硬質基材の微細凸部が露出しても相手材に対する攻撃性が少ないものとなり、微細凹部を残して研磨されるので、摺動皮膜との良好な接合性も確保される。
【００１２】
また、本発明に係るメカニカルシールは、静止側密封要素及びこれに摺接する回転側密封要素の双方が、上記摺動材からなるものである。これによって、流体潤滑膜が形成されない乾燥潤滑雰囲気においても、静止側密封要素と回転側密封要素の著しい耐摩耗性の向上が図られ、摩耗粉の発生を有効に抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る好ましい実施形態としては、基材には、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、ジルコニア、サイアロン等のセラミックス、あるいはカーボンが使用可能である。熱伝導性、耐蝕性、コーティング面の表面粗さ、硬度等によってはこの限りではないが、炭化珪素はこれらの点に鑑みて特に好ましい材料である。
【００１４】
摺動面を形成する基材の表面は、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように、予め微細凹凸を付与すると共にラップ等による研磨を施すことによって平面度を確保する。微細凹凸の形成には、基材がセラミックス等である場合はこのセラミックスにそれより軟質の物質を配合し、この軟質部分がサンドブラスト等によって優先的に削り取られるようにする方法や、あるいは微細孔を有するマスキングを施してサンドブラストを行う方法や、ダイヤモンド粗粒によって研磨する方法等が採用される。また、球形又は不定形の無数の微細気孔を有する気孔分散型のセラミックスは、表面に露出した気孔によって適切な表面粗さが付与されるので好ましい。
【００１５】
カーボンからなる基材の場合は、表面粗さが粗くなる傾向があるので、必要以上に粗くならないように注意する。表面粗さが粗過ぎると、コーティングされる摺動皮膜の膜厚が薄くなってしまうからである。金属材料からなる基材に表面粗さを付与する方法としては、セラミック砥粒によるサンドブラストが有効であるが、この場合も表面粗さが粗くならないように注意する。
【００１６】
基材の表面にコーティングされる摺動皮膜は、結合材に固体潤滑材料を配合した材質からなるものである。前記固体潤滑材料としては、典型的には、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛等など、よく知られた自己潤滑物質から一種類以上選択されるが、自己潤滑性に優れていることや、雰囲気流体による影響を受けにくい点からは、四フッ化エチレン樹脂が最も好ましい。
【００１７】
また、上記固体潤滑材料の粒子を摺動皮膜として結合すると共に基材の表面に定着する結合材には、耐熱性、結合力、造膜性及び耐摩耗性に優れていることが求められる。典型的には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂から選択され、適当な溶剤等の媒体に溶解又は分散して使用する。この結合材の選定や、固体潤滑材料との配合比率は、熱的条件や密封対象流体の種類等、使用条件のほか、前記固体潤滑材料の種類を考慮して適切に決められる。
【００１８】
摺動皮膜を基材の表面にコーティングする方法としては、特に規定するものではなく、スプレーによる吹き付けや刷毛による塗布、あるいは上述した固体潤滑材料と結合材との混合液中に浸漬するといった種々の方法が採用可能である。このようにして基材の表面に膜状に付着したコーティング層は、熱処理等を含む硬化処理によって硬化し、摺動皮膜となる。
【００１９】
上記構成の摺動材は、摺動皮膜が、優れた自己潤滑性を有すること及び基材による硬度補償によって優れた耐摩耗性を有するので、例えば撹拌機における撹拌羽根の駆動軸や、一台で固液分離、洗浄、乾燥を行う多機能濾過乾燥機等の軸封部に装着されるメカニカルシールの、静止側密封要素及び回転側密封要素の双方に用いることによって、乾燥潤滑雰囲気中でも著しい耐摩耗性の向上が実現され、摩耗粉の発生が有効に抑制される。
【００２０】
図１は、以下に説明する摺動試験に用いたメカニカルシール１を概略的に示すものである。このメカニカルシール１は、回転軸３の外周側を包囲するハウジング２の内周にＯリング１２を介して保持されると共に、係合手段１３を介して回り止めされる、試料としての静止側密封要素１１と、前記回転軸３の外周にパッキン１５を介して軸方向移動自在に配置されると共に前記静止側密封要素１１と軸方向に対向される回転側密封要素１４と、この回転側密封要素１４を静止側密封要素１１に押し付けて摺動面１１ａ，１４ａ間に適当な密接荷重を付与するコイルスプリング１６と、このコイルスプリング１６と回転側密封要素１４の間に配置された中間リング１７と、前記コイルスプリング１６を支持すると共に前記中間リング１７を介して回転軸３の回転力を回転側密封要素１４に伝達するカラー１８とからなる。
【００２１】
すなわちこのメカニカルシール１は、ハウジング２に保持された非回転の静止側密封要素１１の摺動面１１ａに対して、回転軸３と共に回転される回転側密封要素１４の摺動面１４ａが密接摺動し、これによって気体を密封対象とする軸封機能を奏するものである。
【００２２】
上述のメカニカルシール１に、静止側密封要素１１及び回転側密封要素１４として後述する実施例１〜５の摺動材を組み込んだ場合と、比較例１，２の摺動材を組み込んだ場合とを、下記の条件によって摺動試験を行い、その結果を比較した。
［試験条件］
摺動面の周速：１ｍ／ｓ
摺動面の面圧：０．７ｋｇｆ／ｃｍ２
雰囲気 ：Ｎ２ガス ２ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ
試験時間 ：１００時間
【００２３】
［実施例１］
炭化珪素焼結体（比重３．１０）を用いて、摺動面１１ａを形成する環状凸部の内径φ１＝５８．６ｍｍ、前記環状凸部の外径φ２＝６６．１ｍｍ、リング内径φ３＝５６ｍｍ、リング外径φ４＝８１ｍｍ、軸方向長さＬ１＝２７ｍｍの、静止側密封要素１１用の環状体を製作した。また、これと同材料で、摺動面１４ａとなる部分の内径（リング内径）φ５＝５６．５ｍｍ、前記摺動面１４ａとなる部分の外径φ６＝７５ｍｍ、リング外径φ７＝７７ｍｍ、軸方向長さＬ２＝２６．５ｍｍの、回転側密封要素１４用の環状体を製作した。次に、双方の環状体における摺動面１１ａ，１４ａとなる端面を研磨ラップすることにより、前記端面の表面粗さを０．０５μｍＲａとし、その後、９μｍダイヤモンドペーパによって面荒らしを行い、更に３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面の微細凸部の頂部を平坦にカットし、表面粗さを０．３μｍＲａとした。次に、平均粒度５μｍの四フッ化エチレン樹脂を４０ｗｔ％含んだエナメル状のエポキシ樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、１８０℃で３０分の硬化処理を行った。更に、摺動面の平坦度を出すために３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約１５μｍであった。
【００２４】
［実施例２］
静止側密封要素１１用の環状体及び回転側密封要素１４用の環状体を実施例１と同形状に製作した。次に、双方の環状体における摺動面１１ａ，１４ａとなる端面に、９μｍダイヤモンド砥粒によって面荒らしを行い、その後、３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面の微細凸部の頂部を平坦にカットし、表面粗さを０．３μｍＲａとした。次に、平均粒度５μｍの四フッ化エチレン樹脂を３０ｗｔ％含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、２６０℃で３０分の硬化処理を行った。次に、摺動面の平坦度を出すために３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約２０μｍであった。
【００２５】
［実施例３］
平均粒度１５μｍのカーボン粉を３ｗｔ％含み、更に、不定形の気孔（平均径２０μｍ）が表面に露出した炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素１１用の環状体及び回転側密封要素１４用の環状体を実施例１と同形状に製作した。そして、双方の環状体における摺動面１１ａ，１４ａとなる端面に、３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを０．０８μｍＲａとした。その後、平均粒度５μｍの四フッ化エチレン樹脂を３０ｗｔ％含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、２６０℃で３０分の硬化処理を行った。その後、摺動面の平坦度を出すために３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約２０μｍであった。
【００２６】
［実施例４］
平均粒度１５μｍのカーボン粉を３ｗｔ％含み、更に、不定形の気孔（平均径２０μｍ）が表面に露出した炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素１１用の環状体及び回転側密封要素１４用の環状体を実施例１と同形状に製作した。そして、双方の環状体における摺動面１１ａ，１４ａとなる端面に、３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを０．０８μｍＲａとした。その後、平均粒度５μｍの四フッ化エチレン樹脂を３０ｗｔ％含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、２６０℃で３０分の硬化処理を行った。その後、このようにして形成された膜厚約２０μｍの皮膜を、平均粒度３μｍのダイヤモンド分散液で削り落として、不定形気孔による微細凹部にのみ皮膜の一部を残存させ、これによって、摺動面全体の約１０％に摺動皮膜が分散的に形成された状態とし、試験試料とした。
【００２７】
［実施例５］
硬度１１０の硬質炭素材料を用いて、静止側密封要素１１用の環状体を実施例１と同形状に製作した。そしてこの環状体における摺動面１１ａとなる端面に、６μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを０．２０μｍＲａとした。その後、平均粒度５μｍの四フッ化エチレン樹脂を４０ｗｔ％含んだエナメル状のエポキシ樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、１８０℃で３０分の硬化処理を行った。その後、摺動面の平坦度を出すために３μｍのダイヤモンド分散液で摺動面のポリシングを行い、静止側の試験試料とした。回転側の試験試料については、実施例３と同様に製作した。
【００２８】
［比較例１］
平均粒度１５μｍのカーボン粉を３ｗｔ％含み、更に、不定形の気孔（平均径２０μｍ）が表面に露出した、実施例３，４で使用したのと同様の炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素１１用の環状体及び回転側密封要素１４用の環状体を実施例１と同形状に製作した。双方の環状体の摺動面１１ａ，１４ａとなる端面にはコーティングを施さず、摺動面の平坦度を出すために３μｍのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。
【００２９】
［比較例２］
カーボンファイバー（平均太さ１０μｍ，平均長さ１００μｍの短繊維）を１５ｗｔ％含んだ四フッ化エチレン樹脂摺動材によって、静止側密封要素１１用の環状体を実施例１と同形状に製作し、摺動面１１ａに通常の面仕上を行い、静止側の試験試料とした。回転側の試験試料は、純度９９．５％のアルミナ焼結体で実施例１と同形状に製作し、摺動面１４ａに通常の面仕上を行った。
【００３０】
下の表１は上記摺動試験の結果を示すものである。この表１から明らかなように、実施例１〜５では、１００時間の摺動後における摺動面の摩耗量が０か、又は極めて微量であり、摺動に伴う発熱による摺動面の温度も比較例１，２よりも著しく低く抑えられることが確認された。しかも、不定形気孔による微細凹部によって摺動面全体の約１０％程度に摺動皮膜が残存した状態とした実施例４においても、摩耗量は０であり、したがって摺動皮膜の大部分が摩滅した後も効果が持続されることが確認された。これに対し、摺動皮膜を形成しない比較例では、ある程度の摩耗が発生していることに加え、摺動面の温度が高く、比較例１では潤滑不足に起因する「鳴き」と呼ばれる摩擦音の発生があった。
【表１】
【００３１】
【発明の効果】
上記試験結果からも明らかなように、本発明によると、結合材に固体潤滑材料を配合した摺動皮膜を、硬質で変形しにくく熱伝導性の良い基材の表面にコーティングすることによって、液体潤滑膜が形成されない乾燥摺動条件でも優れた潤滑性を発揮すると共に、著しい耐摩耗性の向上が実現できる。しかも、摺動皮膜の大部分が摩滅した場合でも上記効果が持続されるので、特に、摩耗粉等による異物の発生を極力防止する必要のある機器において、乾燥状態で摺動されるメカニカルシールとして、優れた効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摺動材の評価を行うための摺動試験に用いたメカニカルシールをハウジング及び回転軸と共に軸心を通る平面で切断して示す断面図である。
【符号の説明】
１１ 静止側密封要素
１１ａ，１４ａ 摺動面
１４ 回転側密封要素Patent application title: MECHANICAL SEAL
1. A stationary side sealing element and a rotary side sealing element which slide in a non-lubricated state in which a lubricating film is not formed by a fluid between sliding surfaces ;
The stationary side sealing element and the rotary side sealing element each comprise a sliding material having a substrate and a sliding coating coated on the surface thereof
A mechanical seal characterized in that the sliding film is a bonding material mixed with an appropriate amount of solid lubricating material.
2. The mechanical seal according to claim 1
The mechanical seal characterized in that the base material is ceramic or carbon.
3. The mechanical seal according to claim 1
A mechanical seal characterized in that the surface of the substrate is polished leaving fine recesses so that the tips of the fine protrusions in the surface roughness become flat.
4. The mechanical seal according to claim 1
The mechanical seal characterized in that the binder is an epoxy resin, a polyimide resin or a polyamideimide resin.
5. The mechanical seal according to claim 1
One or more kinds of solid lubricating materials are selected from self-lubricating substances consisting of tetrafluoroethylene resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide or graphite fluoride.
Detailed Description of the Invention
[0001]
Field of the Invention
The present invention relates to a mechanical seal having a stationary side sealing element and a rotary side sealing element which slide in a non-lubricated state in which a lubricating film is not formed by a fluid between sliding surfaces .
[0002]
[Prior Art]
The mechanical seal is provided on the rotary shaft side and rotates with the rotary shaft ( sliding side sealing element), and the stationary side sliding member (stationary side sealing element) provided on the non-rotational housing side A material which is excellent in low friction and wear resistance is selected as the sliding material, since it prevents the fluid from leaking around the shaft circumference by closely sliding between the end faces orthogonal to the axial center. Ru. In particular, excellent self-lubricity and wear resistance are required for sliding materials to be slid in a non-lubricated state in which a fluid lubricating film is not supplied between the sliding surfaces, and conventionally, for example, carbon materials, graphite, glass The material which consists of tetrafluoroethylene resin which mix | blended the aggregate which uses a fiber, carbon fiber, metal powder etc. as a main raw material is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a carbon material, in an atmosphere such as in a vacuum, in a reducing gas, or in a dry air with a low dew point temperature, the lubricity of carbon may be lost and significant abrasion may occur.
[0004]
In addition, in the tetrafluoroethylene resin sliding material containing an aggregate, although it is relatively insensitive to the influence of the above atmosphere, slight wear occurs. In particular, in agitators and the like used in the manufacturing process of food and medicines, it is necessary to prevent the entry of foreign matter as much as possible from the viewpoint of hygiene and the characteristics of the product. Therefore, mechanical seals used in such equipment are also manufactured. It is necessary to completely eliminate the generation of wear powder due to the wear of the sliding material even in a non-lubricated state or to make the amount extremely small in order to prevent the mixing of wear powder into food products etc. as much as possible. From such a point of view, with the tetrafluoroethylene resin sliding material, various studies have been made on the type and blending ratio of the aggregate to be blended, and the abrasion resistance has been improved.
[0005]
However, as the tetrafluoroethylene resin sliding material has about 70% of tetrafluoroethylene resin having lubricity but poor wear resistance, there is a limit to improvement in the wear resistance, and it can be used The range is limited. In recent years, ceramics containing self-lubricating substances such as carbon and metal materials containing self-lubricating substances may be used as sliding materials without lubrication, but conditions such as vacuum state and pressure state are repeated. In such cases, "squeal" on the sliding surface or "squeal" due to poor lubrication may occur, resulting in generation of wear powder. In terms of design, it has been tried to reduce the burden on the sliding material by providing a groove on the sliding surface so that a gas film is formed between the sliding surfaces at the time of sliding. Or, when the conditions such as the vacuum state and the pressure state are repeated as described above, a sufficient effect is not exhibited.
[0006]
The present invention has been made in view of the problems as described above, and the main technical problems are excellent in an atmosphere where there is no lubricating oil or liquid, or in an environmental condition where lubrication by a fluid can not be expected. It is an object of the present invention to provide a mechanical seal having a sliding material which can exhibit sliding properties and wear resistance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to effectively solve the technical problems described above, the mechanical seal according to the present invention has a stationary side sealing element and a rotating side sealing element that slide in a non-lubricated state in which no lubricating film is formed between the sliding surfaces. The stationary side sealing element and the rotary side sealing element are respectively made of a sliding material having a substrate and a sliding film coated on the surface thereof, the sliding film comprising a bonding material and a suitable amount of solid lubricating material It is characterized in that it is blended . In this case, preferably, ceramic or carbon is selected as the base material, and the surface of the base material is polished leaving fine recesses so that the tips of the fine protrusions in the surface roughness become flat. Also, an epoxy resin, a polyimide resin or a polyamideimide resin is selected as the binder, and a solid lubricant material is a self-lubricating substance comprising tetrafluoroethylene resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide or fluorinated graphite One or more of them are selected.
[0008]
That is, in the present invention, ceramics and carbon used as a base material are excellent in corrosion resistance, are not easily deformed elastically, are also excellent in thermal conductivity, and have self-lubricity as required. The basis of the selection is to prevent the sliding film due to the corrosion of the bonding interface with the sliding film to be coated. Secondly, it is intended to be less susceptible to deformation due to a load such as the pressure of the working atmosphere, whereby the initial surface roughness of the sliding film is easily maintained, and the change in the coefficient of friction is reduced. Thirdly, the heat conductivity is good, the heat generated by sliding is easily dissipated, and the thermal load of the sliding film can be reduced. Fourthly, the sliding film is worn away with time Also in the case of thinning, the base material exposed to the sliding surface does not significantly impair the lubricity due to wear, and a sliding state can be made to assist the base surface to lubricate the remaining portion of the sliding film.
[0009]
In addition, the solid lubricant material and the binder that make up the sliding film are low in friction coefficient but poor in wear resistance, so they are not suitable alone as a sliding material, and are usually only used as a lubricant aid or a simple binder. Although it is used, according to the inventor's research, such a mixture of a solid lubricating material and a binder is coated on the surface of a substrate made of a ceramic, carbon or the like which is hard and hard to deform and which is excellent in thermal conductivity. As a result, significant improvement in wear resistance was realized.
[0010]
That is, according to the present invention, as a result of the base material compensating for the hardness and the thermal conductivity which the solid lubricating material and the bonding material which originally constitute the sliding film originally do not have, the wear resistance can be improved. is there. As described later, since the sliding film can remarkably suppress the progress of wear due to the excellent wear resistance, a film thickness of 10 to 30 μm is sufficient.
[0011]
In order to improve the bondability of the sliding film to the surface of the substrate, the surface of the substrate needs to have a certain degree of surface roughness. If the end of the serrated hard base is exposed to the sliding surface as the wear progresses, the mating sliding surface may be scraped off to accelerate wear. In the present invention, since the surface of the substrate to be coated is polished so that the tips of the fine projections in the surface roughness become flat, the progress of the wear of the sliding film causes the fine projections of the hard substrate to be polished. Even if the portion is exposed, the aggressivity against the mating material is reduced, and the fine concave portion is left to be polished, so that a good bonding property with the sliding film is also secured.
[0012]
Further, in the mechanical seal according to the present invention, both the stationary side sealing element and the rotary side sealing element in sliding contact with the stationary side sealing element are made of the above-mentioned sliding material . By this, even in a dry lubricating atmosphere in which a fluid lubricating film is not formed, the wear resistance of the stationary side sealing element and the rotary side sealing element can be remarkably improved, and the generation of wear powder can be effectively suppressed.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a preferred embodiment according to the present invention, a ceramic such as silicon carbide, alumina, silicon nitride, zirconia, sialon or carbon can be used for the base material. Although this is not the case depending on thermal conductivity, corrosion resistance, surface roughness of the coating surface, hardness and the like, silicon carbide is a particularly preferable material in view of these points.
[0014]
The surface of the base material forming the sliding surface secures flatness by applying fine asperities in advance and polishing with a lap or the like so that the tips of the fine projections in the surface roughness become flat. In the case of forming the fine irregularities, if the base material is a ceramic or the like, a method of mixing a softer substance into the ceramic, and allowing the soft portion to be scraped off preferentially by sand blast or the like, or A method of sandblasting with masking, a method of polishing with diamond coarse particles, or the like is employed. Further, a pore-dispersed ceramic having spherical or indeterminate innumerable micropores is preferable because pores exposed on the surface impart an appropriate surface roughness.
[0015]
In the case of a substrate made of carbon, since the surface roughness tends to be rough, care should be taken not to make the surface rougher than necessary. If the surface roughness is too rough, the film thickness of the sliding film to be coated is reduced. Although sandblasting with ceramic abrasives is effective as a method of imparting surface roughness to a substrate made of a metal material, in this case too, care should be taken so that the surface roughness does not become rough.
[0016]
The sliding film to be coated on the surface of the substrate is made of a material in which a solid lubricating material is blended with a binder . The solid lubricating material is typically selected from one or more well-known self-lubricating substances such as tetrafluoroethylene resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide, graphite fluoride, etc. The tetrafluoroethylene resin is most preferable from the viewpoint of excellent self-lubricity and less influence by the atmosphere fluid.
[0017]
Further, the binder to be fixed on the surface of a substrate while binding the particles of the solid lubricant material as slide film, heat resistance, bond strength, it has excellent film-forming properties and abrasion resistance are required. Typically, it is selected from epoxy resins, polyimide resins or polyamideimide resins, and is used by dissolving or dispersing in a medium such as a suitable solvent. The selection of the binder and the compounding ratio with the solid lubricating material can be appropriately determined in consideration of the type of the solid lubricating material as well as the operating conditions such as the thermal condition and the type of fluid to be sealed.
[0018]
The method for coating the sliding film on the surface of the substrate is not particularly limited, and various methods such as spraying with a spray, application with a brush, or immersion in a mixture of the solid lubricating material and the binder described above are used. The method is adoptable. Thus, the coating layer deposited in a film form on the surface of the substrate is cured by a curing process including heat treatment and the like to form a sliding film.
[0019]
The sliding material having the above-mentioned structure has excellent self-lubricity and excellent abrasion resistance due to hardness compensation by the base material. The mechanical seal attached to the shaft seal part such as multi-functional filtration dryer that performs solid-liquid separation, washing, and drying is used for both the stationary side sealing element and the rotating side sealing element of the mechanical seal. The improvement of the wear resistance is realized, and the generation of wear powder is effectively suppressed.
[0020]
FIG. 1 schematically shows a mechanical seal 1 used in a sliding test described below. The mechanical seal 1 is held on the inner periphery of the housing 2 surrounding the outer peripheral side of the rotary shaft 3 via an O-ring 12 and is rotationally fixed via the engagement means 13 as a stationary side seal as a sample An element 11, a rotary side sealing element 14 axially movably disposed on the outer periphery of the rotary shaft 3 via a packing 15 and axially opposed to the stationary side sealing element 11, and the rotary side sealing element A coil spring 16 for pressing the stationary member 14 against the stationary sealing element 11 to apply an appropriate close load between the sliding surfaces 11a and 14a; and an intermediate ring 17 disposed between the coil spring 16 and the rotary sealing element 14; And a collar 18 for supporting the coil spring 16 and transmitting the rotational force of the rotary shaft 3 to the rotary sealing element 14 via the intermediate ring 17.
[0021]
That is, in the mechanical seal 1, the sliding surface 14 a of the rotating sealing element 14 rotated with the rotating shaft 3 is in close contact with the sliding surface 11 a of the non-rotating stationary sealing element 11 held by the housing 2. Thus, it has a shaft sealing function to seal the gas.
[0022]
When the sliding members of Examples 1 to 5 described later are incorporated as the stationary sealing element 11 and the rotating sealing element 14 into the above-described mechanical seal 1 and when the sliding members of Comparative Examples 1 and 2 are incorporated. The sliding test was performed under the following conditions, and the results were compared.
[Test conditions]
Sliding surface circumferential speed: 1 m / s
Contact pressure on sliding surface: 0.7 kgf / cm 2
Atmosphere: N 2 gas 2 kgf / cm 2 G
Test time: 100 hours
Example 1
Using a silicon carbide sintered body (specific gravity 3.10), the inner diameter φ1 of the annular convex portion forming the sliding surface 11a is 58.6 mm, the outer diameter φ2 of the annular convex portion is 66.1 mm, and the ring inner diameter φ3 = An annular body for the stationary-side sealing element 11 was produced with a 56 mm ring outer diameter φ4 = 81 mm and an axial length L1 = 27 mm. The same material as this, the inner diameter (ring inner diameter) φ5 = 56.5 mm of the portion to be the sliding surface 14a, the outer diameter φ6 = 75 mm of the portion to be the sliding surface 14a, the ring outer diameter φ7 = 77 mm, the shaft An annulus for the rotating sealing element 14 was produced with a directional length L2 = 26.5 mm. Next, the end faces of both annular bodies to be the sliding surfaces 11a and 14a are polished and lapped to make the end faces have a surface roughness of 0.05 μm Ra, and then surface roughened with 9 μm diamond paper, and further 3 μm By polishing with a diamond dispersion, the tops of the fine convex portions on the surface were cut flat, and the surface roughness was set to 0.3 μm Ra. Next, an enamel-like epoxy resin containing 40 wt% of tetrafluoroethylene resin having an average particle size of 5 μm was applied to the end face by air spray, dried, and then cured at 180 ° C. for 30 minutes. Furthermore, polishing was performed with a 3 μm diamond dispersion to obtain flatness of the sliding surface, and used as a test sample. The film thickness was about 15 μm.
[0024]
Example 2
An annular body for the stationary side sealing element 11 and an annular body for the rotating side sealing element 14 were manufactured in the same shape as in Example 1. Next, the end faces of both annular bodies to be the sliding surfaces 11a and 14a are roughened with 9 μm diamond abrasive grains and then polished with a 3 μm diamond dispersion to obtain the tops of the fine convexities on the surface. Was cut to a surface roughness of 0.3 μm Ra. Next, an enamel-like polyamideimide resin containing 30 wt% of tetrafluoroethylene resin having an average particle size of 5 μm was applied to the end face by air spray, dried, and then cured at 260 ° C. for 30 minutes. Next, polishing was performed with a 3 μm diamond dispersion to obtain flatness of the sliding surface, and used as a test sample. The film thickness was about 20 μm.
[0025]
[Example 3]
An annular body for stationary side sealing element 11 and rotating side sealing element 14 by a silicon carbide sintered body containing 3 wt% of carbon powder having an average particle size of 15 μm and further having irregular shaped pores (average diameter 20 μm) exposed on the surface An annular body of the same shape as in Example 1 was manufactured. And the surface roughness was made into 0.08 micrometer Ra by polishing with the diamond dispersion liquid of 3 micrometers at the end surface used as sliding face 11a, 14a in both annular bodies. Thereafter, an enamel-like polyamideimide resin containing 30 wt% of tetrafluoroethylene resin having an average particle size of 5 μm was applied to the end face by air spray, dried, and then cured at 260 ° C. for 30 minutes. Thereafter, polishing was performed with a 3 μm diamond dispersion to obtain flatness of the sliding surface, and used as a test sample. The film thickness was about 20 μm.
[0026]
Example 4
An annular body for stationary side sealing element 11 and rotating side sealing element 14 by a silicon carbide sintered body containing 3 wt% of carbon powder having an average particle size of 15 μm and further having irregular shaped pores (average diameter 20 μm) exposed on the surface An annular body of the same shape as in Example 1 was manufactured. And the surface roughness was made into 0.08 micrometer Ra by polishing with the diamond dispersion liquid of 3 micrometers at the end surface used as sliding face 11a, 14a in both annular bodies. Thereafter, an enamel-like polyamideimide resin containing 30 wt% of tetrafluoroethylene resin having an average particle size of 5 μm was applied to the end face by air spray, dried, and then cured at 260 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the film of about 20 μm thickness formed in this way is scraped off with a diamond dispersion having an average particle size of 3 μm, leaving a part of the film only in the fine recesses due to the irregular pores. A sliding film was dispersively formed on about 10% of the entire surface, and used as a test sample.
[0027]
[Example 5]
Using a hard carbon material having a hardness of 110, an annular body for stationary side sealing element 11 was manufactured in the same shape as in Example 1. The end surface of the annular body, which is to be the sliding surface 11a, is polished with a 6 μm diamond dispersion to obtain a surface roughness of 0.20 μm Ra. Thereafter, an enamel-like epoxy resin containing 40 wt% of tetrafluoroethylene resin having an average particle size of 5 μm was applied to the end face by air spraying, dried, and then cured at 180 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the sliding surface was polished with a 3 μm diamond dispersion to obtain flatness of the sliding surface, and used as a stationary test sample. The test sample on the rotating side was manufactured in the same manner as in Example 3.
[0028]
Comparative Example 1
Sealed on the stationary side by a silicon carbide sintered body similar to that used in Examples 3 and 4 containing 3 wt% of carbon powder having an average particle size of 15 μm and further exposing irregularly shaped pores (average diameter 20 μm) to the surface An annulus for the element 11 and an annulus for the rotary sealing element 14 were produced in the same form as in example 1. The end faces of the two annular bodies to be the sliding surfaces 11a and 14a were not coated, and were polished with a 3 μm diamond dispersion to obtain flatness of the sliding surfaces, and used as test samples.
[0029]
Comparative Example 2
An annular body for stationary side sealing element 11 was manufactured in the same shape as in Example 1 by a tetrafluoroethylene resin sliding material containing 15 wt% of carbon fiber (short fiber of average thickness 10 μm, average length 100 μm) The sliding surface 11a was subjected to a normal surface finish to obtain a test sample on the stationary side. The test sample on the rotating side was manufactured in the same shape as that of Example 1 from an alumina sintered body having a purity of 99.5%, and the sliding surface 14a was subjected to a normal surface finish.
[0030]
Table 1 below shows the results of the above-mentioned sliding test. As is apparent from Table 1, in Examples 1 to 5, the amount of wear of the sliding surface after sliding for 100 hours is 0 or extremely small, and the temperature of the sliding surface due to heat generation associated with the sliding. It was also confirmed that the temperature was suppressed significantly lower than Comparative Examples 1 and 2. Moreover, even in Example 4 in which the sliding film remained in about 10% of the entire sliding surface due to the minute depressions due to irregular pores, the amount of wear is 0, and therefore the sliding film is mostly worn away. It was confirmed that the effect is sustained after On the other hand, in the comparative example in which the sliding film is not formed, in addition to the occurrence of a certain degree of wear, the temperature of the sliding surface is high, and in the comparative example 1, the friction noise called "squeal" caused by the insufficient lubrication. There was an outbreak.
[Table 1]
[0031]
【Effect of the invention】
As apparent from the above test results, according to the present invention, a liquid is formed by coating the surface of a hard, hard-to-deform, hard-to-heat-conductive substrate with a sliding film containing a solid lubricating material as a binder. Excellent lubricity can be exhibited even under dry sliding conditions in which a lubricating film is not formed, and significant improvement in wear resistance can be realized. In addition, since the above effect is maintained even when most of the sliding film is worn out, the mechanical seal can be slid in a dry state particularly in an apparatus that needs to prevent the generation of foreign substances such as wear powder as much as possible. , it is possible to realize an excellent effect.
Brief Description of the Drawings
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mechanical seal used in a sliding test for evaluating a sliding material according to the present invention, cut along a plane passing through an axial center together with a housing and a rotating shaft.
[Description of the code]
11 stationary side sealing element 11a, 14a sliding surface 14 rotary side sealing element
