JP2001020003A - 摺動材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 潤滑性、耐摩耗性及び機械的強度に優れ、か
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１１ａ
を有する環状の焼結金属１１を製作する。焼結金属１１
の摺動面となる端面１０ａには、分散気孔１１ａの一部
が露出した多数の凹部１０ｂがランダムに存在し、窒化
処理、炭化処理、イオン注入処理から選択された硬化処
理方法により、硬化層１２が形成される。

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。

【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。

【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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
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
低下を来す。

【０００７】なお、上述の問題は炭化珪素焼結体からな
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。

【０００８】本発明は、上記のような問題に鑑みてなさ
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。

【０００９】

【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、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焼結金属からなり、摺動面と
なる端面の表層部に硬化処理による硬化層を形成したも
のである。すなわち、摺動面が硬化層からなることによ
って、耐摩耗性の向上を図ると共に、前記摺動面に現れ
た気孔による凹部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、焼結金属からなるもの
とすることによって破壊靭性値を大きくしている。

【００１０】焼結金属としては、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、
アルミニウム合金から選択される。粉末冶金による焼結
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。

【００１１】硬化層を形成するための硬化処理は、窒化
処理、炭化処理及びイオン注入処理方法から、焼結金属
の種類、摺動条件や密封対象流体の特性、温度等を考慮
して選択される。また、その層厚は、摺動条件、目標寿
命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。このようにして形成された硬化層は、別物
質からなる硬質の層をコーティングした場合のような剥
離のおそれがなく、しかも硬化処理による元素分布が層
厚方向へ連続的に変化する一種の傾斜機能材となってい
るため、耐熱衝撃にも優れたものとなる。

【００１２】焼結金属の表面では、気孔は凹部として現
れる。摺動面に現れた多数の凹部は、この摺動面と相手
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。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る摺動材の一
実施形態を示す摺動面付近の概略的な拡大断面図であ
る。この摺動材１０は、メカニカルシールの摺動環とし
ての形状を呈する焼結金属１１からなり、相手材との摺
動面となる端面１０ａの表層部に、硬化層１２を形成し
たもので、前記端面１０ａには多数の凹部１０ｂがラン
ダムに形成されている。

【００１４】図２は、摺動材１０の製造工程を示す流れ
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。

【００１５】次にステップＳ３においては、圧縮成形金
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、環状の焼結金属１１を焼結す
る。そしてステップＳ４においては、焼結された環状焼
結金属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
Ｓ５においては、摺動面となる端面１０ａを研磨等によ
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焼結金属１１は、内部に多数の
分散気孔１１ａを有する多孔質の焼結金属であるため、
機械加工された端面１０ａには、前記分散気孔１１ａの
一部が露出することによって、多数の凹部１０ｂがラン
ダムに存在している。

【００１６】次にステップＳ６においては、機械加工さ
れた焼結金属１１の端面表層部に、窒化処理、炭化処理
及びイオン注入処理から選択された方法で硬化層１２を
形成する。図３は、窒化処理により焼結金属の表層部に
硬化層を形成した場合の、表面からの深さと窒素濃度及
び硬度との関係を示すものである。本発明でいう「硬化
層」とは、焼結金属本来の硬度に対してある程度の硬化
が認められる範囲（図中ａで示される領域）のことであ
る。

【００１７】

【実施例】図４は、ＳＵＳ３１６のステンレス鋼粉末を
粉末冶金法で焼結することによって、平均気孔径５０μ
ｍ、気孔率８％で気孔を有する気孔分散焼結金属からな
る環状体を成形し、その摺動面となる端面表層部に、窒
化処理によって硬化層を形成した摺動材について、ビッ
カース硬度Ｈｖを実際に測定した結果を、比較例とし
て、前記窒化処理前の前記気孔分散焼結金属について測
定した結果と併せて示すものである。

【００１８】この測定結果から明らかなように、比較例
では、表層部に、切削や研磨による加工硬化と考えられ
る若干の硬度上昇が認められるが、顕著ではない。これ
に対し、窒化処理後のものでは、表層部に著しい硬度上
昇が認められる。

【００１９】［摺動試験１］上記実施例による摺動材に
ついて、メカニカルシール試験機により摺動試験を実施
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、意図的に凹部を設けていない、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

【００２０】２時間の摺動後、相手材のカーボン摺動面
を観察したところ、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。したがってこの実施例の摺動材
によれば優れた潤滑性が得られることが確認された。

【００２１】［摺動試験２］次に、上記実施例による摺
動材及び窒化処理を施さない、気孔分散焼結金属からな
る比較例の摺動材について、メカニカルシール試験機に
より摺動試験を実施した。回転側に配置した相手摺動材
は高強度カーボン材からなるものであって、意図的に凹
部を設けていない、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 水 (2) 摺動速度 ４．５ｍ／ｓ (3) 密封圧力 ０．５ＭＰａ (4) 密封対象液の温度 ８０℃ (5) 摺動時間 １００時間 (6) 試験前の摺動面粗さ 実施例及び比較例共、凹部以外で０．１μｍ 相手摺動材（カーボン） ０．２μｍ

【００２２】上記摺動試験によれば、窒化処理しない比
較例の摺動材の場合は、試験開始後４０分を経過した時
点から密封対象液（水）の漏洩が認められ、１００時間
までの総漏洩量は２５ｃｃに達した。また、比較例の摺
動材における摺動面の摩耗量は１４μｍ、面粗さは１．
２μｍ、相手摺動材の摺動面摩耗量は２１μｍ、面粗さ
は１．８μｍであった。

【００２３】これに対し、実施例の摺動材の場合は、試
験終了まで全く漏洩の発生が認められなかった。また、
実施例の摺動材における摺動面の摩耗量は０．２μｍ、
面粗さは０．３μｍ、相手摺動材の摺動面摩耗量は５μ
ｍ、面粗さは０．５μｍであった。すなわち、窒化処理
による硬化層を形成しない気孔分散焼結金属からなる比
較例の摺動材を用いた場合と比較して、摩耗量及び面荒
れが著しく少なく、しかも優れた密封性能を実現できる
ことが確認された。

【００２４】

【発明の効果】本発明の摺動材によると、摺動面に形成
された凹部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、摺動面表層部に硬化層
を形成したことによって耐摩耗性に優れた摺動材とな
る。また母材が粉末冶金による焼結金属からなるため、
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。

【００２５】また、この摺動材の表面には焼結過程で形
成された分散気孔による多数の凹部が存在するため、摺
動面に凹部を形成するための加工を行う必要がない。そ
して前記気孔は、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、したがって原料費及び加
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摺動材の摺動面付近の概略的な拡
大断面斜視図である。

【図２】上記摺動材の製造工程を示す流れ図である。

【図３】本発明における硬化層の物性の例を示す説明図
である。

【図４】実施例及び比較例の摺動材についてビッカース
硬度を測定した結果を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 摺動材 １０ａ 摺動面となる端面 １０ｂ 凹部 １１ 焼結金属 １１ａ 気孔 １２ 硬化層

Claims (3)

【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焼
   結金属からなり、摺動面となる端面の表層部にに硬化処
   理による硬化層を形成したことを特徴とする摺動材。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された焼結金属が、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、アルミニウム合金から選択されるこ
   とを特徴とする摺動材。
3. 【請求項３】 請求項１に記載された硬化処理が、窒化
   処理、炭化処理、イオン注入処理から選択されることを
   特徴とする摺動材。