JP2017227260A - 耐摩耗部材およびこれを用いたメカニカルシール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは鋭意検討した結果、炭素系硬質膜の表面層を有するシールリングと、炭化ケイ素からなるシールリングとの組み合わせからなるメカニカルシールにおいて、炭化ケイ素からなるシールリングの表面にSi(ケイ素)およびO(酸素)を含有する表面層を設けることにより、高温環境においても、摺動部の摩擦係数が十分に低く、かつ優れた耐摩耗性を発揮できることを見出した。
すなわち、詳細を後述するように、本発明に係る耐摩耗部材では、SiCからなるシールリングの表面にSiおよびOを含有する表面層を設けることによって、高温環境において、一方のシールリングが有する炭素系硬質膜に、他方のシールリングの表面層に含まれる酸素が供給され、それにより炭素系硬質膜のグラファイト化が促進される。そのため、高温環境において、摺動部の摩擦係数の増加を抑制でき、かつ優れた耐摩耗性を実現することができることを見出したのである。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがあることに留意されたい。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
本実施形態に係る耐摩耗部材について説明する。
図1は、本発明に係る耐摩耗部材10の概略図である。図1に示すように耐摩耗部材10は、第1部材20と第2部材30とを含む。
第1部材20は、SiCからなる第1基材22と、第1基材22の表面に配置された第1表面層24とを含み、第2部材30は、第2基材32と、第2基材32の表面に配置された第2表面層34とを含む。本発明に係る耐摩耗部材10は、使用時に、第1表面層24と第2表面層34とが接触して摺動部を構成する。
以下、各構成について説明する。
第1部材20は、第1基材22と、第1基材22の表面に配置された、SiおよびOを含有する第1表面層24とを含む。
なお、第1表面層24が含有するOの量は、オージェ電子分光法(AES)により測定することができる。
第2部材30は、第2基材32と、第2基材32の表面に配置された、炭素系硬質膜である第2表面層34とを含む。
いずれの構成であっても、使用時に第2部材30の第2表面層34と、第1部材20の第1表面層24とが摺動部を構成するように接触することにより、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材10は、高温においても、摩擦係数が急増することなく優れた耐摩耗性を発揮することができる。
図2は、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材10を用いたメカニカルシール100の全体構成を示す概略断面図である。
いずれの構成であっても、第1部材20の第1表面層24と第2部材30の第2表面層34とが対向するように、第1部材20および第2部材30を固定環130および回転環120に適用することにより、高温環境においても、回転環120および固定環130の摺動部の摩擦係数の増加が抑制され、優れた耐摩耗性を発揮することができる。
炭素系硬質膜として水素含有DLC膜(a−C:H膜)を表面に有する摩擦摩耗特性評価試験用の試験片を準備した。試験片は、直径8.0mm、Rz=30mm程度の最大高さ粗さであるSUJ2球上に、イオン化蒸着法により、膜厚が1μmとなるように水素含有DLC膜を成膜して得た。試験片に成膜した水素含有DLC膜の物性値は、表1に示すとおりである。
次いで摩擦摩耗特性評価試験の相手材である2種類のセラミックスディスクを準備した。一方は、常圧焼結法によってSiCを主成分とするセラミックスディスクを作成した(相手材a)。他方は、常圧焼結法によってSiCを主成分とする焼結体を作成した後、焼結体を加熱炉によって1000℃まで加熱し、表面を酸化させたセラミックスディスクを作成した(相手材b)。なお、摩擦摩耗特性評価試験において、表面粗さの影響を除外するため、相手材aおよびbのいずれについても、同様に研磨加工を行い、算術平均粗さをほぼ等しい値とした。相手材aおよびbの物性値および組成は、表2に示すとおりである。
摩擦摩耗特性を評価するため、ボールオンディスク型摩擦試験機により摩擦試験を行った。摩擦試験は、無潤滑下で摩擦面温度を一定に制御する大気中一定温度摩擦試験と、摩擦係数の温度依存性を確認するため、すべり距離28mまでヒーターによる基板加熱を行い、その後ヒーターを停止して自然冷却する大気中昇温・降温摩擦試験とを行った。
大気中一定温度摩擦試験は、荷重:0.49N、滑り速度:0.05m/sおよびすべり距離:100mで行った。
大気中昇温・降温摩擦試験は、荷重:0.49N、滑り速度:0.05m/sおよびすべり距離:180mで行った。
3−1.大気中一定温度摩擦試験
23℃、80℃、110℃および140℃の摩擦面温度での、大気中一定温度摩擦試験を行った。水素含有DLC膜の平均摩擦係数と摩擦面温度との関係を、図3に示す。図3に示すように、全ての摩擦面温度において、相手材a(SiC)を用いた場合の摩擦係数は、相手材b(SiC(O))を用いた場合の摩擦係数を上回った。特に、23℃および140℃の摩擦面温度において、相手材a(SiC)を用いた場合の摩擦係数が顕著に高い値を示した。
相手材aおよびbと、水素含有DLC膜を有する試験片との、大気中昇温・降温摩擦試験における摩擦係数および摩擦面温度とすべり距離との関係を、図4および5に示す。
図4に示すように、相手材a(SiC)を用いた場合、110℃以上の高温で摩擦係数が大きく増加した。一方、相手材b(SiC(O))を用いた場合、摩擦係数はどの温度でも安定して非常に低い値を示した。
相手材bを用いた摩擦試験後の、水素含有DLC膜の摩耗痕内に対してAES(オージェ電子分光法)分析を行い、O/C比を算出した結果を、図6に示す。図6に示すように、摩擦面温度の上昇に伴い、水素含有DLC膜の摩耗痕内のO/C比は上昇した。特に80℃以上で、23℃と比較して高い値を示した。セラミックス相手材b(SiC(O))の場合、80℃以上において、水素含有DLC膜とセラミックス相手材bの有するSiO2との間で化学反応が起き、DLC膜にSiO2から酸素が供給されたためである。
20 第1部材
22 第1基材
24 第1表面層
30 第2部材
32 第2基材
34 第2表面層
100 メカニカルシール
110 ハウジング
120 回転環
130 固定環
140 リング
150 スプリング
200 ケーシング
300 回転軸
Claims (5)
- SiCからなる第1基材と、前記第1基材の表面に配置された第1表面層と、を含む第1部材と、
第2基材と、前記第2基材の表面に配置された第2表面層と、を含む第2部材と、
を含む耐摩耗部材であって、
前記第1表面層はSiおよびOを含み、前記第2表面層は炭素系硬質膜であり、
使用時に前記第1表面層と前記第2表面層とが接触して摺動部を構成する、耐摩耗部材。 - 前記第1表面層は、0質量%超50質量%以下のOを含有する、請求項1に記載の耐摩耗部材。
- 前記第1表面層はSiO2を含有する、請求項1または2に記載の耐摩耗部材。
- 前記炭素系硬質膜は、水素フリーDLC膜、水素含有DLC膜およびダイヤモンド皮膜から選択される1つである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐摩耗部材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐摩耗部材を用いたメカニカルシールであって、
ハウジングと、回転環と、固定環と、スプリングとを有し、
前記回転環が、前記第1部材または前記第2部材のいずれか一方を含み、
前記固定環が、前記第1部材または前記第2部材のいずれか他方を含み、
前記第1表面層と前記第2表面層とが対向するように、前記回転環と前記固定環とが設けられていることを特徴とするメカニカルシール。
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