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

Abstract

【課題】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有する耐摩耗部材を提供する。【解決手段】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、耐摩耗部材である。【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗部材に関する。より詳細には、メカニカルシールに好適に用いられる耐摩耗部材に関する。

ポンプ等の回転流体機器の回転軸とケーシングとの間の環状隙間を密封するために、メカニカルシールを備える密封装置が知られている。メカニカルシールは、ケーシング側に固定された固定環と、回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転環とを備えており、固定環に形成された固定側密封端面と回転環に形成された回転側密封端面とが摺動自在に接触することにより、流体の漏れを防いでいる。

メカニカルシールの固定環および回転環（固定環および回転環について、単にシールリングと称することがある）の材料としては、それぞれ耐摩耗性の高いものが選定されており、従来より、固定環および回転環に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたものが知られている。

近年では、メカニカルシールの高温環境下での使用および非水冷化を目的として、高温下でも高負荷に耐えられる耐摩耗性の高い材料が求められている。このような材料として、ＤＬＣ（Diamond-Like Carbon、ダイヤモンドライクカーボン）膜と呼ばれる炭素系硬質膜が注目されている。ＤＬＣ膜は、高い硬度を持ち、低い摩擦係数と優れた耐摩耗性とを両立するという優れた特性を持つことが知られており（非特許文献１）、ＤＬＣ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材が知られている。

川口・清水・梶山・渡邊・森河・湯川：DLC膜の海洋中への適用、独立行政法人、東京都立産業技術研究センター 研究報告、第4号、（2009）44-47

しかし、上述したような、ＤＬＣ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は、１２０℃以上の高温環境で、摺動部の摩擦係数が急増し、耐摩耗性が低下し、シールの密封性が低下する虞があった。

そこで、本発明の１つの実施形態では、高温環境においても、摺動部の摩擦係数が十分に低減しており、かつ耐摩耗性に優れた耐摩耗部材を提供することを目的とする。

本発明の態様１は、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である。

本発明の態様２は、前記第１表面層が、０質量％超５０質量％以下のＯを含有する、態様１に記載の耐摩耗部材である。

本発明の態様３は、前記第１表面層がＳｉＯ_２を含有する、態様１または２に記載の耐摩耗部材である。

本発明の態様４は、前記炭素系硬質膜が、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、態様１〜３のいずれかに記載の耐摩耗部材である。

本発明の態様５は、態様１〜４のいずれか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である。

本発明の１つの実施形態によれば、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有する耐摩耗部材を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材を示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材を用いたメカニカルシールである。 図３は、実施例における、平均摩擦係数と摩擦面温度との関係を示す図である。 図４は、実施例における、摩擦係数および摩擦面温度と、滑り距離Ｌとの関係を示す図である。 図５は、実施例における、摩擦係数および摩擦面温度と、滑り距離Ｌとの関係を示す図である。 図６は、実施例における、セラミックス相手材ｂの温度と、水素含有ＤＬＣ膜の摩耗部分のＯ／Ｃ比率との関係を示す図である。

本発明者らは、ＤＬＣ膜のような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従来のメカニカルシールでは、炭素系硬質膜に含まれる炭素と、炭化ケイ素に含まれるケイ素との結合が容易であるため、高温環境では、炭化ケイ素と炭素系硬質膜との間で化学的な結合が形成され強固な凝着が発生し、そのため摺動部の摩擦係数が急増していることに着眼した。
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。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであり、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではないことに留意されたい。１つの実施形態において説明する構成は、特段の断りがない限り、他の実施形態にも適用可能である。以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。
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。

１．耐摩耗部材
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＞
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。

本発明の実施形態に係る第１基材２２は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成される。炭化ケイ素は共有結合が強く、そのため高い硬度を有し、また耐食性にも優れるためである。また、第１基材２２を、高い硬度を有する炭化ケイ素で構成することにより、本実施形態に係る耐摩耗部材１０を使用した際に、使用に伴う第１基材２２の変形を抑制することができる。そのため、第１基材２２の変形に起因する第１表面層２４の剥離を抑制することができる。また、後述するように、第１基材２２を炭化ケイ素で構成することにより、第１基材２２を焼結して表面を酸化させることにより、ＳｉおよびＯを含有する第１表面層２４を容易に形成することができる。

本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、第１部材２０が有する第１表面層２４が、ＳｉおよびＯを含有する。第１部材２０がこのような第１表面層２４を有することにより、高温環境において第１表面層２４と第２表面層３４とを摺動させた際に、第１表面層２４に含まれる酸素が炭素系硬質膜である第２表面層３４に供給され、第２表面層がグラファイト化される。それにより、摺動部の摩擦係数の増加を抑制することができ、耐摩耗性を向上することができる。

第１表面層２４は、Ｏを０質量％超５０質量％以下含むことが好ましい。第１表面層２４は、Ｏを１０質量％以上含有することが好ましく、２０質量％以上含有することがより好ましい。第１表面層２４が含有するＯがこのような範囲であれば、安定して第２表面層３４のグラファイト化を起こすことができ、高温環境下で、より低摩擦かつ優れた耐摩耗性を発揮することができる。第１表面層２４に含まれるＳｉおよびＯは、好ましくは、ＳｉＯ_２の形態で存在する。
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１表面層２４は、第１基材２２の表面の少なくとも一部を覆うように形成されてもよく、また第１基材２２の表面の全部を覆うように形成されてもよい。いずれの構成であっても、ＳｉおよびＯを含有する第１表面層２４と、炭素系硬質膜である第２表面層３４とが接触して摺動部を構成することにより、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、高温環境において、摺動部の摩擦係数が十分に低減され、かつ優れた耐摩耗性を提供することができる。

第１部材２０を作成する場合、まず、常圧焼結法、反応焼結法などの通常の方法によりＳｉＣからなる焼結材を作成する。次いで、得られた焼結材を、大気中加熱炉によって、２００℃以上２５００℃以下、好ましくは７００℃以上２５００℃以下の温度で加熱し、表面を酸化させる。これにより、ＳｉＣからなる第１基材２２と、ＳｉおよびＯ、好ましくはＳｉＯ_２を含有する第１表面層２４と、を有する第１部材２０を得ることができる。

＜第２部材＞
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。

第２基材３２を構成する材料は特に限定されない。例えば、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等の、セラミックスを主成分とする材料、超硬合金、ステンレス等の、金属を主成分とする材料等により、第２基材３２を構成してもよい。また、第２基材３２を構成する材料として金属を主成分とする材料を用いる場合は、第２基材３２と炭素系硬質膜である第２表面層３４との密着強度を高めるために、第２基材３２と第２表面層３４との間に中間層を設けることが好ましい。また、第２基材３２を構成する材料としてＳｉＣを用いる場合は、ＳｉＣである第２基材３２と、炭素系硬質膜である第２表面層３４との密着力が強いため、第２基材３２と第２表面層３４との間に中間層を設けることなく、第２表面層３４を第２基材３２の表面に設ける（成膜する）ことができる。

本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、第２部材３０が有する第２表面層３４が、炭素系硬質膜である。炭素系硬質膜は、高い硬度を有しており、第１表面層２４との摺動部の摩擦係数を低くし、かつ耐摩耗性を向上することができる。また、第２部材３０がこのような第２表面層３４を有することにより、高温環境において、第１表面層２４と第２表面層３４とが接触して摺動した際に、第１表面層２４が含有するＯが、炭素系硬質膜である第２表面層３４内に供給される。それにより炭素系硬質膜である第２表面層３４のグラファイト化が促進される。そのため、高温環境下、とくに１２０℃以上の高温環境においても、第１表面層２４との摺動部の摩擦係数の急増を抑制でき、かつ優れた耐摩耗性を有することができる。

第２表面層３４を形成する炭素系硬質膜は、水素フリーＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜、水素含有ＤＬＣ（ａ−Ｃ：Ｈ）膜およびダイヤモンド皮膜から選択される１つであることが好ましく、とりわけ、水素含有ＤＬＣ膜であることが好ましい。第２表面層３４が水素含有ＤＬＣであれば、高温環境において、第１表面層２４と第２表面層３４とが接触して摺動した際に、ＤＬＣ内に存在する水素により、第２表面層３４のグラファイト化がより促進され、摩擦係数の急増をより抑制でき、より優れた耐摩耗性を発揮することができる。

第２表面層３４が水素含有ＤＬＣ膜である場合、水素含有ＤＬＣ膜は、５ａｔ％以上の水素を含有していることが好ましく、３０ａｔ％以上の水素を含有することがより好ましい。

第２表面層３４は、第２基材３２の表面の少なくとも一部に形成されてよく、第２基材３２の表面の全部に形成されてもよい。
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。

第２部材３０は、第２基材３２の表面と第２表面層３４との間に中間層を有してもよい。第２基材３２の表面に中間層を形成し、当該中間層の上に第２表面層３４を設けることで、第２表面層３４の密着性を向上することができ、第２表面層３４の剥離を抑制することができる。このような中間層としては、ＳｉまたはＣｒを主成分とする層が好ましい。中間層は、１層で形成されていてもよく、また異なる２層以上の組み合わせにより形成されていてもよい。

上述したように、本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、使用時に、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とが摺動部を構成するように接触することにより、高温環境においても、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。このような摺動部は、第１表面層２４と第２表面層３４の１点以上の点接触により構成されてもよく、また第１表面層２４と第２表面層３４の面接触により構成されてもよい。

本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、高温環境下において高い耐摩耗特性が求められる種々の機器に適用することができる。例えば、プロセスポンプ、ブロワ、圧縮機、タービン、攪拌機等の回転機器、気体軸受、転がり軸受、すべり軸受等の摺動部品全般に、用いることができる。本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０は、とりわけ、ポンプのメカニカルシールに好適に用いられる。以下に、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の例を説明する。

２．メカニカルシール
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。

図２に示すように、メカニカルシール１００は、流体機械のケーシング２００に固定され、流体機械の回転軸３００を貫通させたハウジング１１０と、回転軸３００と一体に回転するように、ハウジング１１０の内側に回転可能に配置された回転環１２０と、ハウジング１１０の内側に回転不可能に配置され、回転環１２０と接触して摺動面を形成する固定環１３０と、回転環１２０を固定環１３０に対して付勢するように設けられたリング１４０と、リング１４０を介して回転環１２０を固定環１３０に対して付勢するスプリング１５０と、を有する。

本発明の実施形態に係る耐摩耗部材１０を、メカニカルシール１００の回転環１２０および固定環１３０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。そのため、高温環境においても優れた密封性を有するメカニカルシールを提供することができる。

耐摩耗部材１０の第１部材２０を固定環１３０に適用し、かつ耐摩耗部材１０の第２部材３０を回転環１２０に適用することにより、メカニカルシール１００を構成してもよい。また、耐摩耗部材１０の第１部材２０を回転環１２０に適用し、かつ耐摩耗部材１０の第２部材３０を固定環１３０に適用することにより、メカニカルシール１００を構成してもよい。
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。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

１．準備
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、Ｒ_ｚ＝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。

２．摩擦摩耗特性評価
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。

また、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。

３．結果
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。

３−２．大気中昇温・降温摩擦試験
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。

３−３．水素含有ＤＬＣ膜の摩耗痕内のＡＥＳ分析
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ＳｉＯ_２との間で化学反応が起き、ＤＬＣ膜にＳｉＯ_２から酸素が供給されたためである。

１０ 耐摩耗部材
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)

1. 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。
2. 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。
3. 前記第１表面層はＳｉＯ_２を含有する、請求項１または２に記載の耐摩耗部材。
4. 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。
5. 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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