WO2000015982A1

WO2000015982A1 - Mechanical seal member

Info

Publication number: WO2000015982A1
Application number: PCT/JP1999/004965
Authority: WO
Inventors: Takashi Matsumoto; Toshiomi Fukuda; Shin-Ichi Ozaki; Yuji Takimoto
Original assignee: Toyo Tanso Co., Ltd.
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2000-03-23
Also published as: JP2000088111A; KR100475258B1; KR20010086364A; US6716528B1; JP4024946B2; EP1111278A4; EP1111278A1

Description

明細書メカニカルシール部材技術分野

本発明は、耐摩耗性及び不浸透性に優れ、長時間安定して摺動封止効杲を保持することを可能とする、冷蔵庫用、自動車ウォーターポンプ等の汎用ポンプ用のメカニカルシール都材に関する。背景技術

近年、冷蔵庫用、自動車ウォーターポンプ等の汎用ポンプ用の量産型小型メカニカルシール部材として黒給質炭素材が広く使用されている一方で、さらなる耐スラリ一性、高周速、長寿命、耐ブリスター性等の特性向上が望まれている。

そこで、これらの要求に則した材料として、炭素基材の摺動面を含む表面層にシリコンペ一ストを塗布し、炭化ケィ素質に転化しメカニカルシール部材とする技術（特開平 1 0— 5 3 4 8 0号公報）が開示されている。

しかしながら、シリコンは炭素に対して、気孔半径が Ι μ πι以下であると、内部への浸透が困難である。そのため、毛細管現象によって浸透していくにも限度があり、深くても表面から 1〜 2 mm程度しか浸透せず、熱処理後形成されうる炭素一炭化ケィ素複合層の厚みも 2 mm程度が限度であった。さらに、内部への浸透も均一でなく、形成される炭素一炭化ケィ素複合層の厚みにバラツキが生じるという問題があった。このため、形成される複合層の厚みが部分的に異なるために、炭素基材との熱膨張係数の違いなどから、製品が歪むこともあり、炭素一炭化ケィ素複合層形成後、製品寸法への機械加工が必要であった。発明の要約

本発明は製品全面に、表面から深く、略均一に炭素—炭化ケィ素複合層を形成させ、摺動封止特性、耐ブリスタ一特性等に優れ、摺動面の最終研磨加工を除き、製品寸法への機械加工が不要となる小型汎用ポンプ用のメ力二カルシ一ル部材を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るメカニカルシール部材は、炭化ホウ素を加えることにより、何らかの触媒作用が付与され、全面を炭素一炭化ケィ素複合層に転ィ匕したものである。すなわち、平均細孔半径が 1 . 0 μ m以上である中空円筒状または円筒状の炭素材を機械加工で切り出して製品形状に加工された炭素材の全面に、炭化ホウ素粉末とケィ素粉末を混合分散したスラリーを塗布し、焼成することにより、前記製品形状の表面の全面から内部に向かって炭素一炭化ケィ素複合材を形成させ、その表面に炭化ケィ素と炭化ホウ素を主成分とする厚み 3〜 3 0 πιの薄い被覆膜が形成させて、メカニカルシール材としたものである。また、中心軸に平行な断面が 7 X 7 mm以下の小型であるため、表面から内部に向かって炭素—炭化ケィ素複合材が深さ方向にほぼ均一に形成され、前記断面のほぼ中心部まで炭素—炭化ケィ素複合材となつている。そして、その炭素一炭化ゲイ素複合材の表面のゲイ化率が面積比率で 3 0〜5 5 %でとなっている。また、使用する炭素基材密度は 1 . 7 g Z c m³ 以上であり、ケィ化後の密度が 2 . 0〜2 . 5 g / c m ³ である。また、この炭素一炭化ケィ素複合材の気孔に金属又は樹脂を含浸させてメカニカルシール材とすることもできる。図面の簡単な説明図 1は、炭化ホウ素を添加して作製した炭素—炭化ケィ素複合材によるメカニカルシール部材の断面の写真を示す図である。

図 2は、シリコンのみを使用して作製した炭素一炭化ケィ素複合材によるメカニカルシール部材の断面の写真を示す図である。

図 3は、摺動面表面の構成成分の概略比率を示す表である。

図 4は、耐摩耗試験の結果をまとめた表であ発明の開示

炭化ホウ素を加えることで、何らかの触媒作用が付与され、シリコンが炭素基材の内部深くまで浸透していき、表面から内部深くに至る。そのため、汎用形小型メカニカルシール部材程度の断面積であれば、十分に内部まで、略均一に炭素一炭化ケィ素複合材が形成できる。炭化ケィ素が形成されている部分の硬度、即ち、耐摩耗度は炭素基材に比較すると高くなり、炭化ケィ素部分が僅かではあるが、凸状となり、摺動面粗さが大きくなり、摺動時に密封対象流体を巻き込み流体潤滑状態を維持する。また、凸状であり面積比率が 3 0〜 5 5 %の耐摩耗度の高い炭化ケィ素が相手材と密着し、封止特性を維持する事が可能であり、従来の黒鉛製のメ力二カルシール材の使用されていた条件下全てでの使用が可能となる。

また、表面から内部に至る前記炭化ケィ素化率が略均一であるため、最終形状に加工後、炭化ケィ素化しても全面に炭化ケィ素が形成されるため、歪むことなく、寸法、形状が確保される。また、機械的強度も向上する。元々、密度が 1 . 7 g Z c m ³ 以上の一般的に高密度、高強度炭素材と呼ばれる炭素基材を用いており、これによりメカニカルシール部材として十分な強度となる。

ケィ化処理後、表面には厚さ 3〜 2 0 μ ιηの硬質な被覆膜が残るが、これは容易に取り除くことが可能である。また、 3〜20 /imと非常に薄いため、製品寸法に影響がほとんど無く、そのため、特に取り除く必要もない。また、表面にこの炭化ケィ素、炭化ホウ素を主成分とする薄膜が形成された状態のままであるということは、すなわち、ケィ化処理後、最終製品寸法への機械加工が不要であるということにもなる。このことから、炭化ケィ素化処理を行なう前に、あらかじめ、炭素基材の段階で、所定製品寸法形状に全自動で加工する。これは従来の黒鉛質炭素材のメカニカルシール材の加工と同様であり、 NC旋盤等の 24時間操業が可能な全自動の工作機械を使用することができるため、従来の CV D法等による炭素一炭化ケィ素複合材に比較すると機械加工に要する時間及びコストが大幅に低滅できる。ここでいう、最終機械加工とは、摺動面の鏡面研磨加工を除いた機械加工のことである。

また、金属若しくは榭脂を含浸する事により、不浸透特性をより一層確実なものとし、高圧下、低粘性またガス化しやすい流体の場合にもメ力二カルシール部材としての適用が可能となる。

水銀圧入法によって求められる平均細孔半径は 1. 0 μπι以上好ましくは 2. 0 m以下のときに、 30〜 55%の所定の炭化ケィ素化率が形成できる。このケィ素化される面は、この平均細孔半径に影響を受けるとともに、炭素基材の表面の細孔分布、すなわち炭素基材の密度にも影響を受けることから、炭素基材の密度は少なくとも、 1. T gZcin ³ 以上であることが望まれる。更には、平均細孔径半径が 1. Ομπι以下の場合、金属シリコンが内部にまで浸透しきれず、 30%〜55%という所定の炭化ケィ素化率を形成させることができなくなる。また、ケィ化処理後の密度が 2. 0〜2. 5 _gZ cm³ の範囲、特に好ましくは 2. 1 g/cm³ 以上であることによって、内部の炭化ケィ素化率が 3 0〜 55 %であることが確認できる。本発明におけるメカニカルシール部材は、まず、炭素基材をメカ二力ルシールの最終形状に加工する。加工には従来の量産型炭素質メカ二力ルシール材と同様の N C旋盤等の全自動工作機械により加工を行い、炭化ケィ素層の基となるスラリーを全面に塗布する。該スラリーは、平均粒径が約 3 0〜5 0 μ πιのケィ素粉末と平均粒径が約 4〜 2 0 inの炭化ホウ表粉 *と樹脂とを渙合分散して作製する _u 使用する榭脂は，一般に造膜性が高く、力残炭率が低い樹脂を使用し、例えばポリアミドィミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド榭脂の内より選ばれたものが特に好ましい。中でもポリアミドイミドが更に望ましく、ジメチルァセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキサイド、 Nメチル一 2ピロリドン等の溶媒に溶解させて使用する。

ケィ素粉末と炭化ホウ素粉末を榭脂で混合する場合、ケィ素粉末 9 5 〜5 0重量％に対して炭化ホウ素粉末が 5〜5 0重量。/。が望ましい。さらにいえば、ケィ素粉末 8 0重量％に対して炭化ホウ素粉末 2 0重量％が好ましい。炭化ホウ素粉末が 5重量％未満では、炭化ホウ素粉末の混合による効果が少ないからである。具体的には、高温下の真空炉内で処理した場合、溶融 iが黒紿の気孔中に完全には浸透せず、冷却後黒鉛の表面に金属 S i となって固着した状態で残ってしまい、しかもこの固着物は取り除くことが非常に困難となるからである。一方、炭化ホウ素粉末を少なくとも 5重量％以上含有させた場合は、触媒としての効果を発揮する。すなわち、シリコンと炭素の反応が促進され、炭化ケィ素化が進み、シリコンとの濡れ性が改善され、シリコンが炭素の気孔中に深くまで浸透し、炭素との反応が進み炭化ケィ素化され、炭化ケィ素層が形成されると推測される。即ち、炭化ホウ素が何らかの触媒作用を付与することにより、シリコンと炭素の反応が促進されたものであり、炭化ホウ素粉末を少なくとも 5重量％以上含有させておくことで、初めてか力機能を有効に発揮させ、表面から内部にかけて均一に炭化ケィ素層を形成することが可能となる。

上記のように調製されたスラリ一中に小型メカニカルシール用に加工した炭素基材を浸すか、ま t 'よ、その全面に該スラーリを塗布する。この後約 3 0 0でで 2時間乾燥することにより、溶媒は揮散し、榭脂は完全に硬化する。その後、 1 O T o r r以下の不活性ガス雰囲気中で高温熱処理する。昇温速度は約 4 0 0でノ時間とし、約 1 5 5 0〜 1 6 0 0 でに達した後 3 0分間保持する。加熱手段は特に限定されるものではなく、適当な手段で行えばよい。この操作によって、ケィ素成分は溶融し、榭脂の炭化層を通って炭素基材の細孔を塞ぐ様に表面から 2 mm以上の深さまで侵入し、炭素と反応して炭化ケィ素化する。そのため、細孔中に炭化ケィ素が形成され、炭素基材の細孔は、炭化ケィ素によって塞がれたような状態となり、炭素基材の 3 0〜 5 5 %がケィ化され、ガス、液体等の流体の不浸透性が向上する。

このあと、表面に残留する炭化ホウ素、炭化ケィ素、金属シリコン等を除去するために、砂等とともに混練する。その後、不浸透性を確実なものとするために、金属や熱硬化性樹脂を含浸し、最終製品とする。このように、製品全体に炭化ケィ素層が形成されるため、製品形状に炭素基材を加工したあとで、炭化ケィ素を形成させる処理を施しても、炭化ケィ素に転化した際に発生する残留応力による歪みもほどんどなく、処理後の機械加工を不要とすることができる。また、黒 0の表面には金属 S i としての残留物は存在せず、使用した樹脂の炭化物、炭化ケィ素、炭化ホウ素の成分の残留物が残るが、容易に取り除くことができるため、特に問題となることはない。また、添カ卩した炭化ホウ素は、炭化ケィ素の共有結合度を高める働きをし、表面の硬度、即ち耐摩耗度を向上させていると推測できる。また、機械加工が、炭化ケィ素化処理前の炭表材の ¾階で、仝白動で行なう： - ができ、搮 «ιϋの研磨.机理等の精密加工を除く最終機械加工が不要になることで、従来の炭素一炭化ケィ素複合材に比較すると、製造コストの大幅な低減、製造時間の短縮の効果が得られる。発明を実施するための最良の形態

以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明する。

(実施例 1 )

炭素基材として、密度が 1. 77 g/cm³ 、平均細孔半径が 1. 5 μπι、曲げ強度が 40 O k g f /cm² の等方性黒鉛（東洋炭素（株）製）を断面積が 0. 3 cm² の試験用小型メカニカルシールの製品形状に加工した。なお、平均細孔半径は、水銀圧入法による測定値（水銀と試料との接触角 141. 3° 、最大圧力 l O O O k gZcm³ のときの累積気孔容積の半分の値）を採用した。ケィ素粉末（和光純薬工業製、平均粒度 40 μπι) と炭化ホウ素粉末（電気化学工業製、品種 AF I平均粒度 5 / m) を重量比で 80 ： 20の比率に混合し、分散媒としてポリビニールアルコール 8%溶液を加え、混合分散させてスラリーとした。このスラリー中に試験品を浸し、 1時間程度常温下で放置後、乾燥機の中で 80^DCから 200でで溶媒を蒸発させ、さらに 1 OTo r rの窒素ガス雰囲気下、誘導加熱炉において 1800でまで 5時間で昇温し、 30分間保持した後、冷却して取り出した。冷却後、表面の残留物を除去した。次に、密度、表面のケィ化率を測定した。摺動面表面のケィ化率は走査電子顕微鏡（日立製 S— 2400) を用いて、二次電子像を撮影した。次に画像解析装置（カールツァイス社製 I BAS) にて 2点の S i Cノ黒鈴 (C) の面積比率を求め、これらを平均して面積比率とした。さらに、摺動面部表面の構成元素を ESCA (S SX- 100 M o d e 1 206， Su r f a c e S c i e n c e I n s t r u me n t s製）を使用し、ワイドスキャン測定を行い定性分析を行った

(比較例 1 )

実施例 1と同質の炭素基材を使用して、ケィ素粉末のみを用いて、実施例 1と同様にして、ポリビニールアルコール 8%溶液を加え、混合分散させてスラリーとした。このスラリー中に試験品を浸し、 1時間程度常温下で放置後、乾燥機の中で 80でから 200でで溶媒を蒸発させ、さらに l OTo r rの窒素ガス雰囲気下、誘導加熱炉において 1 800 °Cまで 5時間で昇温し、 30分間保持した後、冷却して取り出した。冷却後、表面の残留物を除去した。次に、製品の断面を観察した。

図 1に炭化ホウ素を添加して作製した本発明に係るメカニカルシール部材の断面全体図を示す。図中の白い部分はケィ素部、黒い部分は炭素部を示す。内部にまで均一にケィ化されているのが判る。ケィ化率は 3 8%、密度は 2. 18 g/cm³ であった。

図 2にはシリコンのみを使用して炭化ケィ素を形成させたメカニカルシール部材の断面全体図を示す。図中の白い部分はケィ素部、黒い部分は炭素部を示す。図 1と異なり、内部にまで均等にケィ素が浸透せず、ケィ素化されているところにバラツキがあることが観察できる。

図 3には、摺動面表面の構成成分の概略比率を示す。この結果によるとケィ化率は 38%であり、図 1に示す面積比率とほぼ同等であることがわかる。

(耐摩耗試験）

耐縻耗試験としてケィ化率が 30 %、 35%、 55 %の供試体を作製し、摺動試験を行った。摺動試験は、試験片をステンレス金具に固定し、摺動試験面を鏡面仕上げを行い以下の条件でメカニカルシール材としての耐摩耗試験を行なった。

面圧力 0. 1 96MP a

平均周速 7000 r pm

流体水（80で）

試験時間 100時間

(試験例 1 )

炭素基材として、密度が 1. S S gZcm³ 、平均細孔半径が 1. 0 μιη、曲げ強度が 800 k g f /cm² の等方性黒鉛（東洋炭素（株）製）を実施例 1同様に断面積が 0. 3 cm² の試験用小型メカ二カルシールの製品形状に加工した。その後、実施例 1と同手順でケィ素粉末（和光純薬工業製、平均粒度 40 _{μ Ι}η) と炭化ホウ素粉末（電気化学工業製、品種 AF I平均粒度 5 Mm) を重量比で 80 ： 20の比率に混合し、分散媒としてポリビニールアルコール 8%溶液を加え、混合分散させてスラリーとした。このスラリー中に試験品を浸し、 1時問程度常温下で放置後、乾燥機の中で 80でから 200でで溶媒を蒸発させ、さらに 10 T o r rの窒素ガス雰囲気下、誘導加熱炉において 1 800°Cまで 5時間で昇温し、 30分問保持した後、冷却して取り出した。冷却後、表面の残留物を除去した。さらに実施例 1同様にケィ素化率と密度を測定した。ケィ素比率は 30%、密度は 2. 15 g/cm³ であった。次に不浸透化処理を目的として常温にて試験品を含浸装置に入れて、真空下にてフエノール榭脂を注入し、続けて 2 O k g/cm² の圧力で 2時問加圧した。含浸処理後、乾燥機に入れて常温から 200°Cまで昇温し榭脂を硬化した。 (試験例 2)

炭素基材として、密度が 1. 8 2 gZ _C ni³ 、平均細孔半径が 1. 2 πι、曲げ強度が 7 8 0 k g f Z c m² の等方性黒鈴（東洋炭素（株）製）を使用し、実施例 1と同様の手法にて炭素一炭化ケィ素複合材の試験用小型メカニカルシールを作製した。ケィ素比率は 3 8°/₀、密度は 2 . 1 8 g/c m³ であった。その後、試験例 2と同様、フエノール柑月旨を含浸し、供試体とした。

(試験例 3 )

炭素基材として、密度が 1. 7 0 gZc m³ 、平均細孔半径が 2. 0 μ m、曲げ強度が 3 7 0 k g f ノ c m² の等方性黒鉛（東洋炭素（株）製）を使用し、試験例 1と同様の手法にて炭素一炭化ケィ素複合材の試験用小型メカニカルシールを作製した。ケィ素比率は 5 5%、密度は 2 . 4 0 g/cm³ であった。その後、アンチモン（S b) を含浸し、供試体とした。図 4に耐摩耗試験の結果を示す。

図 3の結果から、内部まで略均等に炭素一炭化ケィ素複合材がケィ化率 3 0〜5 5 5%の比率で形成された本発明に係る炭素一炭化ケィ素複合材は+分にメカニカルシール部材としての機能を備えていると言える

産業上の利用可能性

本発明にかかるメカニカルシール部材によると、低速回転、高圧力下の条件でも、これまで使用されていた黒船製のメ力二カルシール材以上の摺動封止効果が得られ、あわせて、予め基材の段階で最終製品寸法への機械加工が可能となることから、製造コストの低減が可能となり、大量生産した場合は、従来の黒鉛製のメ力二カルシール材と比較してもそれほど差がなくなり、非常に経済的にかつ容易に小型汎用形ポンプ用メ力二カルシール部材が提供できるようになる。

Claims

請求の範囲

1. 炭素基材のメカニカルシール部材であって、製品形状に加工された炭素基材の全部の表面から内部に向かって炭素一炭化ケィ素複合材になっており、その表面には被覆膜が形成されており、前記被覆膜は炭化ケィ素と炭化ホウ素を主成分とする薄膜であるメ力二カルシ一ル部材。

2. 中心軸に平行な断面が 7 X 7mm以下の小型であって、表面から内部に向かって炭素一炭化ケィ素複合材が深さ方向にほぼ均一に形成され、前記断面のほぼ中心部まで炭素—炭化ケィ素複合材であるメカ二力ノレシール部材。

3. 前記炭素一炭化ケィ素複合材の表面のケィ化率が面積比率で 30 〜 55 %である請求項 1又は 2記載のメ力二カルシール部材。

4. 前記炭素基材密度が 1. 7 cm³ 以上であり、ケィ化後の密度が 2. 0〜2. 5 gZcni³ である請求項 1又は 2記載のメカニカルシール部材₆

5. 前記炭化ケィ素と炭化ホウ素を主成分とする被覆膜の厚みが 3〜 20 mの範囲である請求項 1又は 2記載のメカニカルシール部材。

6. 前記炭素一炭化ケィ素複合材の気孔に金属又は榭脂を含浸させてなる請求項 1又は 2記載のメ力二カルシール部材。

7. 製品形状に加工され、平均細孔半径が 1. Ο μχη以上である炭素材の全面に、炭化ホウ素粉末とケィ素粉末を混合分散したスラリーを塗布し、焼成することにより、前記製品形状の表面の全面から内部に向かつて炭素一炭化ケィ素複合材が形成されてなるメカ二カルシール部材。

8. 製品形状に加工された前記炭素材は、中空円筒状または円筒状の炭素材を機械加工で切り出して製作される請求項 7記載のメカ二カルシール部材。

9 . 前記炭素一炭化ケィ素複合材の気孔に金属又は榭脂を含浸させてなる請求項 7記載のメ力二カルシール部材。