JPH11230364A - 摺動材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摺動面に安定した潤滑液膜を形成して摺動性
を向上させる。 【解決手段】 内部に多数の気孔ｂが分散して存在する
炭化珪素等の硬質材料ａの摺動面ｃの全域に、直径が５
０μｍ以上１，０００μｍ以下の略円形又は幅が５０μ
ｍ以上１，０００μｍ以下かつ長さが２，０００μｍ以
下であって略一定の断面形状を有する略楕円形又は略長
方形の多数の細長いディンプルｄを、規則的な配列パタ
ーンで形成することによって、摺動面ｃに、ディンプル
ｄと、一部が露出した気孔ｂからなり前記ディンプルｄ
よりも狭い間隔で潤滑液溜りｂ’が存在する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機器の回転軸周で
流体を密封するメカニカルシールにおいて回転軸側の密
封要素もしくはこれに摺接する静止側の密封要素として
用いられる摺動材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と、非回転のハウ
ジング側に設けられた静止側の摺動材とが軸心と直交す
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、その摺動材には、
優れた耐摩耗性や摺動特性が要求される。このため、摺
動材の材料としては、耐摩耗性に優れた炭化珪素、アル
ミナ等の硬質材あるいは自己潤滑性に優れたカーボン等
が用いられる。

【０００３】等温非圧縮性流体による潤滑下で平面同士
を摺動させた場合、前記平面が極めて平滑であれば、摺
動面間には理論的には定常状態において潤滑液膜は形成
されないが、実際のメカニカルシールでは、摺動面上に
生じた微小なうねりや、表面粗さ等の要因によって、潤
滑液膜が形成される。しかし、摺動中は、前記うねりや
表面粗さは摩擦熱等によって変化しており、この変化に
伴う潤滑液膜の厚さの変動によって、摺動面における摩
擦係数や発熱量も変動するため、摺動材をＰＶ値等の著
しく高い過酷な条件で使用すると、摩擦係数の平均値や
最大値及び摺動発熱量が増大して、摺動面の微小な変質
や破壊等が進展する。

【０００４】例えば、炭化珪素等の硬質摺動材は、自己
潤滑性を有するカーボンからなる摺動材と組み合わせて
使用した場合に、摩擦熱によってカーボン側の摺動面に
ブリスタと呼ばれる火膨れによる虫食い状の異常損耗が
しばしば発生することが知られている。このような摺動
面の破壊は、摺動面間の液体潤滑膜が完全に消滅したた
めに発生するものである。

【０００５】そこで近年は、摺動特性の向上を図るため
に、所定の割合で多数の気孔を有する気孔分散摺動材が
開発されている。その典型的な例としては、例えば炭化
珪素からなる気孔分散摺動材は特公平５−６９０６６号
公報等に開示されている。この種の気孔分散摺動材によ
れば、上述した摺動面でのブリスタ等の発生を有効に防
止することができる。これは、摺動面に露出した多数の
気孔が潤滑液溜りとして機能することによって、潤滑液
膜が消滅しやすい過酷な摺動条件でも潤滑液膜の安定化
が図られ、摺動面の潤滑及び冷却が促されるからであ
る。

【０００６】また、気孔分散摺動材によらず、摺動面に
多数のディンプルを規則的な配列パターンで形成した摺
動材も開発されている。この場合は、前記ディンプルを
例えばスパイラル状の方向性をもって形成することによ
って、摺動面間に介入する潤滑液に対するポンプ作用を
与えられるため、潤滑液膜の厚さ及び密封対象液の漏洩
量を適切に制御することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来技
術によれば、気孔分散摺動材は、内部に多数の気孔が存
在することによって強度低下を起こす問題があり、しか
も密封対象流体の浸透による漏洩を防止するためには、
摺動材内部の各気孔が互いに独立（分散）して存在して
いる必要があり、したがって気孔率を高めることによる
潤滑液膜の安定化には限界がある。

【０００８】また、気孔分散摺動材によらず摺動面に多
数のディンプルを規則的な配列パターンで形成する場
合、通常は、加工形状の制御可能な最小径が５０μｍ程
度である。極めて過酷な摺動条件においては、良好な潤
滑液膜を維持するためには、潤滑液膜の消滅しそうな部
分が発生しても、この部分又は近傍の潤滑液溜りから瞬
時に潤滑液を供給できる状態にあることが必要である
が、摺動面に加工したディンプルで潤滑液溜りとするも
のは、上述のようにディンプルを５０μｍ以下の大きさ
に加工することは技術的に困難であり、しかも摺動面に
対するディンプル部分の面積の割合にも限度があるた
め、ディンプルによる潤滑液溜りを狭い間隔で形成する
ことが困難であった。

【０００９】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、過酷な摺
動条件でも摺動面に安定した潤滑液膜を維持することに
よる摺動性の向上を図ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するための手段として、本発明に係る摺動材
は、内部に多数の気孔が分散して存在する硬質材料の摺
動面全域に、方向性のあるディンプルを形成することに
よって、ディンプルによる潤滑液膜の厚さ及び密封対象
液の漏洩量の適切な制御と、摺動面に現れた気孔による
微小な潤滑液溜りによる局所的な潤滑液膜の破壊防止と
の複合効果を実現するものである。すなわち、摺動面の
外周寄りの領域に存在するディンプル群は、外周から摺
動面間への密封対象液の侵入を増大させる作用があるの
に対し、内周寄りの領域に存在するディンプル群は、侵
入した密封対象液を外周側へ排除する作用があるため、
この双方の作用によって、摺動面間に流体力学的な潤滑
液膜として介入する液体（密封対象液）を保持して潤滑
液膜を安定化させる。また、摺動面に現れた気孔は、デ
ィンプルの間隔よりも狭い間隔で存在する小さい潤滑液
溜りとして機能し、潤滑液膜の消滅しそうな部分に瞬時
に潤滑液を供給して潤滑液膜の形成を補償するものであ
る。

【００１１】この摺動材は、炭化珪素、炭化チタン、炭
化タングステン等の炭化物、又は窒化珪素、窒化チタン
等の窒化物、又はアルミナ、ジルコニア等の酸化物であ
って内部に多数の気孔を分散形成した硬質材料を用意
し、その摺動面全域に、幅が５０μｍ以上１，０００μ
ｍ以下かつ長手方向の長さが２，０００μｍ以下であっ
て略一定の断面形状を有する略楕円形又は略長方形の多
数の細長いディンプルを、規則的な配列パターンで形成
したものである。

【００１２】気孔は、摺動面で潤滑液溜りとして有効に
作用し得るためには、気孔径の平均を０．５〜５０μｍ
とすることが好ましいことがわかった。すなわち、平均
気孔径が０．５μｍ未満では、気孔中に浸透した液が短
時間で摺動面に現れないので、著しい潤滑液膜補償作用
が得られず、５０μｍを超える大きさでは、ディンプル
の大きさと同程度となり、ディンプルによる潤滑作用を
補完する役割が消失する。また、気孔率は２〜１５容量
％とすることが好ましい。これは、２容量％未満では、
潤滑液膜の消滅しそうな部分に潤滑液を供給するといっ
た潤滑液溜りとしての潤滑液膜補償機能が認められず、
１５容量％を超える気孔率では摺動材に相当な強度低下
を来すからである。

【００１３】ディンプルは、幅を５０μｍ以上と規定し
たのは、加工形状の制御可能な最小径が５０μｍ程度で
あり、幅を１，０００μｍ以下、長さを２，０００μｍ
以下と規定したのは、幅が１，０００μｍを超え長さが
２，０００μｍを超えるディンプルを設けた場合は、前
記摺動面間に潤滑液膜として介入した密封対象液の漏洩
が許容量以上になり、メカニカルシールの静止時（非摺
動時）にもこれらのディンプルを経由して漏洩しやすく
なるからである。しかも、大きなディンプルの場合は、
その開口縁が切り立った形状になり、相手摺動面に対す
る攻撃性が高くなって、摩耗量の増大を来すことも判明
しており、これらの理由からディンプルの大きさの上限
を上記のように規定した。

【００１４】ディンプルの配列パターンとしては、例え
ば摺動方向に対して傾斜したスパイラル状の方向性をも
って形成することによって、摺動面間に介入する潤滑液
に対するポンプ作用を奏するため、潤滑液膜の厚さ及び
密封対象液の漏洩量を適切に制御することができる。

【００１５】また、他の解決手段としては、上述の気孔
の代わりに、硬質材料中に固体潤滑剤からなる多数の粒
子を分散させることも有効である。すなわちこの場合
は、ディンプルによる潤滑液膜が部分的に破壊されて
も、摺動面に分散的に露出した多数の固体潤滑剤による
潤滑膜によって良好な潤滑性を補償するものである。固
体潤滑剤としては、例えばカーボン又は窒化ボロンが用
いられる。また、その配合率は２〜１５容量％とするこ
とが好ましい。これは、摺動面に露出した固体潤滑剤に
よる潤滑効果が認められるのは２容量％以上においてで
あり、１５容量％を超えると強度低下を来す恐れがある
からである。また、固体潤滑剤の平均粒径は０．５〜１
００μｍとすることが好ましい。これは、平均粒径が
０．５μｍ未満では固体潤滑剤が短時間で摺動面に現れ
ないばかりか、摺動面から脱落しやすく、１００μｍを
超える大きなものでは摺動面における固体潤滑膜の分布
が不均一になることがわかったからである。

【００１６】

【発明の実施の形態】摺動面へのディンプルの形成は、
公知のサンドブラスト用感光フィルムを保護マスクとし
て用いたサンドブラスト加工によって行うことができ
る。すなわち、まず炭化珪素、炭化チタン、炭化タング
ステン等の炭化物、又は窒化珪素、窒化チタン等の窒化
物、又はアルミナ、ジルコニア等の酸化物より選択した
硬質材料中に、平均気孔径０．５〜５０μｍの多数の気
孔を２〜１５容量％の気孔率で分散形成した材料、又は
平均粒径０．５〜１００μｍのカーボン等からなる固体
潤滑剤を２〜１５容量％配合して分散させた材料によっ
て、環状の摺動材を成形し、平滑に仕上げたその被加工
面（摺動面）全域にサンドブラスト用感光フィルムを貼
着し、その上に前記ディンプルのパターンと対応して配
列した多数の楕円形又は略長方形の転写パターンが描画
されたフォトマスク（ポジフィルム）を密着させ、露光
して現像するといった手法によって、前記サンドブラス
ト用感光フィルムに、前記転写パターンによる感光部及
び非感光部に対応したマスクパターンを形成する。そし
て、このサンドブラスト用感光フィルムの上から微細砥
粒を噴射するサンドブラスト加工を施すことによって、
前記被加工面のうちマスクパターンによる露出部分が前
記砥粒で侵食されるので、このマスクパターンと対応し
たディンプルが形成される。

【００１７】また、炭化珪素や窒化珪素等からなる摺動
材の場合は、ディンプルの形成方法として、特開平４−
１９８０７８号公報、特開平４−３２５４７９号公報あ
るいは特開平４−３２５４８０号公報に開示された方法
も採用することができる。すなわちこの方法において
は、被加工面にステンレス鋼等の金属薄膜を貼り付け、
熱によりこの金属薄膜と炭化珪素あるいは窒化珪素等と
を化学反応させ、冷却後、その反応生成物を軽い衝撃を
与えて前記被加工面から除去することによって、前記金
属薄膜のパターンと対応するディンプルを形成するもの
である。金属薄膜としては、金属箔からなるものや、蒸
着、電着あるいは金属粉末の塗布によって形成する方法
が適用でき、また、そのパターン化には、エッチングに
よる方法等が適用できる。

【００１８】図１及び図２は、上述のようにして得られ
た摺動材の摺動面付近を拡大して示すもので、このうち
図１に示す摺動材は、硬質材料ａ中に多数の気孔ｂを有
し、摺動面ｃには上記方法で形成されたディンプルｄ
と、このディンプルｄよりも狭い間隔（高密度）で一部
が露出した前記気孔ｂからなる潤滑液溜りｂ’とを有す
るものである。また図２に示す摺動材は、硬質材料ａ中
に多数の固体潤滑剤ｅを有し、摺動面ｃにはディンプル
ｄよりも狭い間隔（高密度）で前記固体潤滑剤ｅの一部
ｅ’が露出している。また、図３はディンプルｄを略円
形として格子点状の配列パターンで形成したものであ
り、図４はディンプルｄを略楕円形として摺動方向（円
周方向）に対して傾斜した配列パターンとしたものであ
る。

【００１９】

【実施例】図５は、以下に説明する摺動試験を行うメカ
ニカルシール試験機を概略的に示すものである。すなわ
ちこのメカニカルシール試験機は、試料である固定環１
をガスケット１２を介して非回転状態に支持するケーシ
ング１１と、このケーシング１１の内周に回転自在に挿
通された回転軸１３と、この回転軸１３の外周にパッキ
ン１４を介して軸方向移動自在に支持され前記固定環１
と軸方向に対向される回転環１５と、この回転環１５を
軸方向に付勢してその摺動面を前記固定環１の摺動面に
密接させるバネ１６とを備え、ケーシング１１〜回転環
１５による密封空間には密封対象液Ｗが封入される。

【００２０】上述のメカニカルシール試験機に、固定環
１０として下記の実施例１の摺動材を組み込んだ場合と
比較例１又は２の摺動材を組み込んだ場合の摺動試験を
行い、その結果を比較した。 実施例１ 固定環１として、炭化珪素に気孔率３容量％、平均気孔
径８μｍで気孔を分散形成した材料からなり、摺動面に
短径（幅）６０μｍ、長径１２０μｍの略楕円形であっ
て、長径を摺動方向（固定環１の円周方向）に対して４
５°傾斜させたディンプルを、摺動面の面積に対し５％
の面積率で形成したものを用いた。 比較例１ 固定環１として、炭化珪素に気孔率８容量％、平均気孔
径８μｍで気孔を分散形成した材料からなり、摺動面に
ディンプルを形成しないものを用いた。 比較例２ 固定環１として、内部に気孔が殆ど存在しない緻密質の
炭化珪素からなり、摺動面に短径（幅）６０μｍ、長径
１２０μｍの略楕円形であって、長径を摺動方向（固定
環１の円周方向）に対して４５°傾斜させたディンプル
を、摺動面の面積に対し８％の面積率で形成したものを
用いた。

【００２１】この摺動試験においては、相手摺動材であ
る回転環１５として高強度カーボン材を用い、それ以外
の条件は下記のとおりとした。 試験条件 (1) 密封対象液Ｗ 高粘度油 (2) 摺動面の周速 １０ｍ／ｓ (3) 摺動時間 １ｈｒ． (4) 密封対象液Ｗの温度 −１０℃ (5) 摺動面の面圧 ０．３ＭＰａ

【００２２】すなわち、実施例１、比較例１，２のいず
れも、気孔率とディンプル面積率とを合わせた値すなわ
ち何らかの形で摺動面に形成されている窪みの面積率は
一定の８％に維持されている。試験の評価は、相手摺動
材である回転環１５のカーボン摺動面でのブリスタの発
生個数で行った。その結果、実施例１の試料との組み合
わせでは相手摺動材のブリスタの発生がなかったのに対
し、比較例１の試料との組み合わせでは５個、比較例２
で２個のブリスタの発生が認められ、実施例の優位性が
確認された。

【００２３】また、上述の摺動試験とは別に、メカニカ
ルシール試験機に、固定環１０として下記の実施例２の
摺動材を組み込んだ場合と比較例３，４の摺動材を組み
込んだ場合の摺動試験を行い、その結果を比較した。 実施例２ 固定環１０として、炭化珪素に、６容量％の配合率で、
固体潤滑剤として平均粒径１０μｍのカーボンを分散さ
せた材料からなり、摺動面に短径（幅）６０μｍ、長径
１２０μｍの略楕円形であって、長径を摺動方向（固定
環１０の円周方向）に対して４５°傾斜させたディンプ
ルを、摺動面の面積に対し５％の面積率で形成したもの
を用いた。 比較例３ 固定環１０として、炭化珪素に、６容量％の配合率で、
固体潤滑剤として平均粒径１０μｍのカーボンを分散さ
せた材料からなり、摺動面にディンプルを形成しないも
のを用いた。 比較例４ 固定環１０として、緻密質の炭化珪素からなり、摺動面
に短径（幅）６０μｍ、長径１２０μｍの略楕円形であ
って、長径を摺動方向（固定環１０の円周方向）に対し
て４５°傾斜させたディンプルを、摺動面の面積に対し
８％の面積率で形成したものを用いた。

【００２４】この摺動試験においても、試験条件は先に
説明した摺動試験と同様に設定し、試験の評価は、回転
環１５のカーボン摺動面でのブリスタの発生個数で行っ
た。その結果、実施例２との組み合わせでは回転環１５
の摺動面にブリスタの発生がなかったのに対し、比較例
３との組み合わせでは６個、比較例４との組み合わせで
は２個のブリスタ発生が認められ、実施例の優位性が確
認された。

【００２５】

【発明の効果】本発明の摺動材によると、摺動面に形成
したディンプルによって流体力学的に安定した潤滑液膜
が形成され、しかも潤滑液膜の消滅しそうな部分が発生
しても前記ディンプルよりも狭い間隔で摺動面に現れた
気孔による潤滑液溜りからの潤滑液の供給によって潤滑
液膜の形成が補償され、あるいは前記ディンプルよりも
狭い間隔で摺動面に現れた固体潤滑剤によって潤滑性が
補償されるため、極めて過酷な摺動条件でもブリスタ等
の損傷を発生することなく潤滑液膜による良好な摺動状
態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態として気孔を分散した摺動材
を示す摺動面付近の概略的な拡大断面図である。

【図２】本発明の実施形態として固体潤滑剤を分散した
摺動材を示す摺動面付近の概略的な拡大断面図である。

【図３】本発明においてディンプルを略円形とした実施
形態を示す摺動面の部分的な平面図である。

【図４】本発明においてディンプルを略楕円形とした実
施形態を示す摺動面の部分的な平面図である。

【図５】摺動材の摺動試験に用いるメカニカルシール試
験機を軸心を通る平面で切断した概略的な半断面図であ
る。

【符号の説明】

ａ 硬質材料 ｂ 気孔 ｂ’潤滑液溜り ｃ 摺動面 ｄ ディンプル ｅ 固体潤滑剤

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に多数の気孔が分散して存在する硬
   質材料からなり、摺動面全域に、直径が５０μｍ以上
   １，０００μｍ以下の略円形であって略一定の断面形状
   を有する多数のディンプルが規則的な配列パターンで形
   成されたことを特徴とする摺動材。
2. 【請求項２】 内部に多数の気孔が分散して存在する硬
   質材料からなり、摺動面全域に、幅が５０μｍ以上１，
   ０００μｍ以下かつ長さが２，０００μｍ以下の略長方
   形であって略一定の断面形状を有する多数の細長いディ
   ンプルが規則的な配列パターンで形成されたことを特徴
   とする摺動材。
3. 【請求項３】 内部に固体潤滑剤からなる多数の粒子が
   分散して存在する硬質材料からなり、摺動面全域に、直
   径が５０μｍ以上１，０００μｍ以下の略円形であって
   略一定の断面形状を有する多数のディンプルが規則的な
   配列パターンで形成されたことを特徴とする摺動材。
4. 【請求項４】 内部に固体潤滑剤からなる多数の粒子が
   分散して存在する硬質材料からなり、摺動面全域に、幅
   が５０μｍ以上１，０００μｍ以下かつ長さが２，００
   ０μｍ以下の細長い形状であって略一定の断面形状を有
   する多数のディンプルが規則的な配列パターンで形成さ
   れたことを特徴とする摺動材。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載された
   硬質材料が、炭化珪素、炭化チタン、炭化タングステン
   等の炭化物、又は窒化珪素、窒化チタン等の窒化物、又
   はアルミナ、ジルコニア等の酸化物より選択されたもの
   であることを特徴とする摺動材。
6. 【請求項６】 請求項１又は２に記載された気孔が、２
   〜１５容量％の気孔率で分散形成され、気孔径の平均が
   ０．５〜５０μｍであることを特徴とする摺動材。
7. 【請求項７】 請求項２又は４に記載されたディンプル
   が、その長手方向を摺動方向前方へ傾斜したスパイラル
   状の仮想線に沿うように整列していることを特徴とする
   摺動材。
8. 【請求項８】 請求項３又は４に記載された固体潤滑剤
   が、２〜１５容量％で分散され、その平均粒径が０．５
   〜１００μｍであることを特徴とする摺動材。
9. 【請求項９】 請求項３又は４に記載された固体潤滑剤
   が、カーボン又は窒化ボロンから選択されたことを特徴
   とする摺動材。