JP2000170768A - 摺動材 - Google Patents
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Abstract
つ安価な摺動材を提供する。 【解決手段】 ステンレス鋼、耐熱鋼、銅、銅合金、ア
ルミニウム、アルミニウム合金等から選択された原料金
属粉末を粉末冶金により焼結して多数の分散気孔11b
を有する下地材11を製作する。下地材11の表面11
aには、分散気孔11bの一部からなる多数の下地ディ
ンプル11b’がランダムに形成される。前記下地材1
1の表面11aには、アモルファスカーボン、ダイヤモ
ンドライクカーボン、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタ
ン、炭窒化チタン、窒化珪素等から選択された材料を蒸
着することによって硬質皮膜12を成膜し、その表面
(摺動面10a)に、下地ディンプル11bと対応する
ディンプル10bが形成される。
Description
流体を密封するメカニカルシール等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。
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り、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。
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。
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。
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
珪素焼結体からなる気孔分散摺動材が、特公平5−69
066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
た気孔による多数の凹部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。
技術によれば、炭化珪素焼結体は高価であり、しかも、
炭化珪素の焼結過程でその内部に気孔を形成するために
焼結材料中に添加する合成樹脂粉末が、加熱によって分
解されるので、焼結炉が汚染されるといった問題が指摘
される。また、炭化珪素焼結体は破壊靭性値が小さく、
すなわち脆性が高いので衝撃によってクラックを生じや
すく、内部に気孔を形成することによってますます強度
低下を来したり、気孔により形成された凹部の縁が切り
立った形状になると、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おそれもある。
る摺動材について述べているが、炭化チタン、窒化チタ
ン、炭窒化チタン、窒化珪素等の焼結体についても同様
の問題が指摘される。また近年、発明者らは、焼成カー
ボン等の摺動材に比較して著しく硬質で固体潤滑性及び
耐摩耗性に優れた、例えばアモルファスカーボンやダイ
ヤモンドライクカーボン等を摺動材料として用いること
を研究してきたが、これらの材料は焼結が極めて困難で
あり、その表面に凹部を加工することも困難である。
れたもので、その主な技術的課題とするところは、潤滑
性、耐摩耗性及び機械的強度に優れると共に安価な摺動
材を提供することにある。
効に解決するため、本発明に係る摺動材は、金属粉末を
焼結した材料からなり内部に多数の気孔が分散して存在
する下地材の表面に、硬質皮膜を蒸着した摺動面を形成
することによって、この摺動面に多数のディンプルを有
する構成としたものである。すなわち、摺動面を硬質皮
膜で形成することによって、耐摩耗性の向上を図ると共
に、前記下地材の表面に現れた気孔による凹部と対応し
たディンプルが潤滑液溜まりとして機能することによっ
て液体潤滑性の向上を図り、下地材は金属粉末を焼結し
たものとすることによって破壊靭性値を大きくしてい
る。
ステンレス鋼、耐熱鋼、銅、銅合金、アルミニウム、ア
ルミニウム合金等から選択される。粉末冶金法による焼
結過程では、金属粒子同士が固体のまま結合されること
によって必然的に分散気孔が形成されるので、予め合成
樹脂粉末等の混合等によって意図的に気孔形成操作を行
う必要がなく、このため熱分解した合成樹脂による焼結
炉の汚染を防止することができる。また、前記粉末冶金
法により形成される分散気孔は、一般的には平均気孔径
が5〜100μmで、気孔率は3〜20%となるが、摺
動材の使用条件等を考慮して決められる。
ン、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、炭化チタ
ン、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化珪素等の硬質材料
から摺動条件や密封対象流体の特性、温度等を考慮して
選択された材料を、下地材にCVD又はPVDにより蒸
着して形成する。また、その膜厚は、摺動条件、目標寿
命、下地材の金属材料との接合性等を考慮して決められ
るが、一般的には数μm〜数十μmとする。なお、ダイ
ヤモンドライクカーボンとは、黒鉛を含む高純度の焼成
カーボンとダイヤモンドの中間の性質(組織)を持つも
のの総称であり、通常の摺動材料として用いられるカー
ボン材料等に比較して著しく硬いものである。
の摺動面と相手材の摺動面との間に流体力学的な潤滑液
膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安
定化させる機能を有する。このディンプルは、下地材で
ある焼結金属の表面に現れた気孔の一部からなる多数の
凹部に対応して、その上に蒸着された硬質皮膜の表面に
形成されたものである。このため、下地材における前記
凹部の縁が鋭く立ち上がっていても、硬質皮膜の蒸着に
よって最終的に摺動面に形成されるディンプルの縁部は
湾曲面となるので、相手摺動材に対する攻撃性(おろし
金作用)が少なくなる。
実施形態を示す摺動面付近の概略的な拡大断面斜視図で
ある。この摺動材10は、メカニカルシールの摺動環と
しての形状を呈する下地材11と、摺動面10a対応す
る下地材11の端面に形成された硬質皮膜12とからな
り、前記摺動面10aには多数のディンプル10bがラ
ンダムに形成されている。
図である。すなわち、まずステップS1においては、ス
テンレス鋼、耐熱鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アル
ミニウム合金等から選択された原料金属粉末を混合し、
次のステップS2において、前記原料金属粉末を、圧縮
成形金型装置の円環状の成形空間内に充填し、所定の圧
力で圧縮成形する。これによって、メカニカルシールの
摺動環の形状を呈する粉末成形体が予備成形される。
型装置から取り出した上記粉末成形体を、焼結炉により
原料金属の融解温度より低い所定の焼結温度で所定の時
間加熱することによって、下地材11を焼結する。そし
てステップS4においては、焼結された下地材11の寸
法精度を高めると共に金属粒子の結合強度を高めるため
に、再圧縮成形を行い、更にステップ5においては、摺
動面10aとなる下地材11の端面11aを研摩等によ
って平坦に機械加工する。先に説明したように、金属粉
末の焼結により得られる下地材11は、内部に多数の分
散気孔11bを有する多孔質の焼結体であるため、機械
加工された表面11aには、前記分散気孔11bの一部
が露出することによって、多数の下地ディンプル11
b’がランダムに存在している。
た下地材11の表面11aに、アモルファスカーボン、
ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、炭化チタン、
窒化チタン、炭窒化チタン、窒化珪素等から選択された
材料をプラズマCVD又はPVDにより蒸着することに
よって、硬質皮膜を成膜する。この硬質皮膜は、前記表
面に存在する下地ディンプル11bの内面にも蒸着され
るため、成膜された硬質皮膜12の表面(摺動面10
a)には、下地ディンプル11bと対応して、それより
も小径で浅いディンプル10bが形成される。
ることによって、平均気孔径50μm、気孔率8%で気
孔を有する気孔分散材からなる下地材の摺動面となる表
面に、CVD法にて厚さ30μmの炭化珪素皮膜を形成
した摺動材を、メカニカルシール試験機に組み込んで、
摺動試験を実施した。相手摺動材は高強度カーボン材か
らなるものであってディンプルの存在しない平坦な摺動
面を形成したものを用い、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 高粘度油 (2) 摺動速度 15m/s (3) 摺動面の面圧 0.35MPa (4) 密封対象液の温度 −10℃ (5) 摺動時間 2時間
たところ、カーボン損傷の形態であるブリスタの発生は
皆無であった。したがって本発明の摺動材によれば優れ
た潤滑性を得られることが確認された。
されたディンプルによって潤滑液膜の厚さ及び密封対象
液の漏洩量の適切な制御機能をもたせ、摺動面に硬質皮
膜を被着したことによって耐摩耗性を得るものであるた
め、全体が前記硬質皮膜と同材質の硬質材料で製作され
た摺動材と同等の摺動特性が得られ、しかも前記硬質材
料が焼結不可能な材質であっても、これを摺動材料とし
て用いることができる。また、下地材が粉末冶金による
焼結金属からなるため、下地材をセラミックスで製作し
た場合に比較して破壊靭性値が高まる。
程で形成された気孔による凹部が存在するため、硬質皮
膜からなる摺動面にディンプルを形成するための下地デ
ィンプルの加工を行う必要がない。また、前記気孔は、
焼結過程で必然的に形成されるものであり、原料金属粉
末に気孔形成のための合成樹脂粉末を添加する必要がな
い。しかも金属粉末材料自体がセラミックス材料よりも
安価であり、したがって原料及び加工費が低減されて安
価な製品を提供することができ、しかも焼結炉の汚染を
来さない。
大断面斜視図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 金属粉末を焼結した材料からなり内部に
多数の気孔(11b)が分散して存在する下地材(1
1)の表面(11a)に、硬質皮膜(12)を蒸着した
摺動面(10a)を形成することによって、この摺動面
(10a)に多数のディンプル(10b)を有すること
を特徴とする摺動材。 - 【請求項2】 請求項1に記載された下地材(11)
が、粉末冶金により焼結したステンレス鋼、耐熱鋼、
銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等から選
択されたものであることを特徴とする摺動材。 - 【請求項3】 請求項1に記載された硬質皮膜(12)
が、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボ
ン、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタ
ン、窒化珪素等の硬質材料から選択され、CVD又はP
VDにより形成されたものであることを特徴とする摺動
材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34499198A JP2000170768A (ja) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | 摺動材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34499198A JP2000170768A (ja) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | 摺動材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP34499198A Pending JP2000170768A (ja) | 1998-12-04 | 1998-12-04 | 摺動材 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2000170768A (ja) |
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-
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- 1998-12-04 JP JP34499198A patent/JP2000170768A/ja active Pending
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