JP7404352B2 - 摺動部品 - Google Patents

Description

本発明は、相対摺動する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野の回転機械の回転軸を軸封する軸封装置に用いられる摺動部品、または自動車、一般産業機械、あるいはその他の軸受分野の機械の軸受に用いられる摺動部品に関する。

被密封流体の漏れを防止する軸封装置として、例えばメカニカルシールは相対回転し摺動面同士が摺動する一対の環状の摺動部品を備えている。例えば、特許文献１に示される摺動部品は、摺動面がダイヤモンドライクカーボン被膜（以下、ＤＬＣ被膜と表記することもある。）により被覆されている。ＤＬＣ被膜は、ＳｉＣ等の硬質材からなる摺動部品の摺動面に比べて摩擦係数が遥かに小さく、例えば摺動面間に被密封流体である液体を介在させた潤滑環境下においてＤＬＣ被膜同士を相対摺動させることによりメカニカルシールの使用可能条件である摺動面の小さな摩擦係数を発現させ、摺動面間の低摩擦化を実現している。

ところで、メカニカルシールを摺動面間に液体を介在させない無潤滑環境下（ドライ環境下）で使用する形態もあるが、大気中におけるＤＬＣ被膜の摩擦係数は一般に０．１～０．３程度であることから、メカニカルシールの使用可能条件を満たす低摩擦効果を得るためには、例えばＤＬＣ被膜の水素含有量を増大させるとともに相対摺動する相手側の摺動部材の素材として触媒作用を有する酸化物セラミックスや金属を選定し、さらに運転条件として狭い範囲のＰＶ値を選定することにより、摺動によるＤＬＣ被膜の摩耗粉を相手側の摺動部材の摺動面に移着させることによる移着膜の形成および移着膜の変質により摺動面間に低摩擦界面を形成することにより実現していた。

特開２００４－２２５７２５号公報（第６頁、第２図）

しかしながら、無潤滑環境下において摺動面間に移着膜による低摩擦界面を形成するために必要なＤＬＣ被膜の水素含有量や高ＰＶ値条件等の設定が煩雑であるだけでなく、摺動中における移着膜の均一性を維持することが困難であることから、摺動面間における低摩擦界面が不安定な状態となって摺動面の摩擦が変動してしまう虞があり、安定した低摩擦効果を得ることが難しいという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、無潤滑環境下においても安定して低摩擦効果を得ることができる摺動部品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、本発明の摺動部品は、
摺動面が相対摺動する摺動部品であって、
前記摺動面には、ポリマー構造が分散された炭素膜が形成されており、当該炭素膜は分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域で消衰係数０．２以下、屈折率１．５～２．０を満たす割合のポリマー構造が分散されている。
これによれば、摺動部材の摺動面に形成される炭素膜が分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域で消衰係数０．２以下、屈折率１．５～２．０を満たす割合のポリマー構造が分散されたものであることにより、炭素膜の硬度が比較的低く相手側の摺動面との摩擦による欠削粒が小さくなるとともに、π電子が少なく化学反応性が低く摩耗粉や欠削粒が互いに結合し難くなるため、摺動面間に発生する摩耗粉や欠削粒が微細な状態に維持され、結合により大きな粒が生成されることがなく、摺動面間から表面の凹みや外部に排出されることで摩擦への影響が抑えられ、低摩擦効果を得ることができる。このように、摺動による炭素膜の摩耗粉や欠削粒を相手側の摺動面に移着させて移着膜を形成する必要がないことから、無潤滑環境下において安定して低摩擦効果を得ることができる。

前記炭素膜は、ビッカース硬さが２５００ＨＶ以下であってもよい。
これによれば、炭素膜が摩耗し難くなるため、長期間にわたり低摩擦効果を得ることができる。

前記摺動面と摺動する相手側摺動部品の摺動面が窒化珪素により形成されていてもよい。
これによれば、摩擦による炭素膜の摩耗粉や欠削粒が相手側の摺動面に移着し難い。

前記炭素膜の表面における算術平均粗さＲａは０．００５～０．１μｍであってもよい。
これによれば、炭素膜の表面における凹みに摺動面間に発生する摩耗粉や欠削粒が捕集されやすくなるため、摺動面間から摩耗粉や欠削粒が排出され低摩擦効果がより得られやすくなる。

前記摺動部品は、メカニカルシールの密封環であってもよい。
これによれば、無潤滑環境下においてメカニカルシールの使用可能条件を満たす低摩擦効果を得ることができる。

本発明の実施例におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 実施例における炭素膜が形成された静止密封環の摺動面を示す断面図である。 実施例における炭素膜が形成される静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面とが接触した状態を示す断面図である。 実施例における炭素膜の変形例を示す拡大断面図である。 実施例における炭素膜が形成される静止密封環の摺動面におけるＰＶ値に対する低摩擦効果の発現を示すグラフである。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る摺動部品につき、図１から図５を参照して説明する。尚、本実施例においては、摺動部品がメカニカルシールである形態を例に挙げ説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の内径側を漏れ側としての大気Ａ側（低圧側）、外径側を被密封流体側としての被密封気体Ｆ側（高圧側）として説明する。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシールは、摺動面間に液体を介在させない無潤滑環境下（ドライ環境下）において摺動面の外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封気体Ｆを密封するインサイド形のものであって、回転軸１にスリーブ２を介して回転軸１と共に回転可能な状態で設けられた摺動部品としての円環状の回転密封環２０と、被取付機器のハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた摺動部品としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成され、スプリング７によって静止密封環１０が軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。

本実施例における静止密封環１０はＳｉＣ（炭化珪素）から形成され、回転密封環２０は窒化珪素から形成されている。尚、回転密封環２０は、少なくとも摺動面２１が窒化珪素により形成されるものであればよい。

図２に示されるように、静止密封環１０は、摺動面１１に炭素膜３０が形成されている。すなわち、静止密封環１０における実質的な摺動面１１は、炭素膜３０の表面３０ａにより構成されている。尚、本実施例において、炭素膜３０とは、広義でのダイヤモンドライクカーボン被膜の一種でグラファイトとダイヤモンドの両方の炭素結合を併せ持つ炭素を主成分としたアモルファス構造の薄膜の総称である。また、本実施例において、回転密封環２０の摺動面２１には炭素膜が形成されないものとする。

炭素膜３０は、プラズマＣＶＤ（化学蒸着法）やイオンビーム蒸着法等により、静止密封環１０を構成するＳｉＣ基材１２の軸方向の一方の端面部１２ａを被覆するように形成されている。尚、本実施例における炭素膜３０の厚さは、好ましくは０．０１×１０^－６ｍ～８×１０^－６ｍの範囲、さらに好ましくは０．０５×１０^－６ｍ～２×１０^－６ｍの範囲に形成されることにより、炭素膜３０の摩耗および剥離が抑制される。

また、炭素膜３０は、ＳｉＣ基材１２の端面部１２ａに略均一な厚さで形成されている。すなわち、炭素膜３０は、ＳｉＣ基材１２の端面部１２ａにおけるうねりや微細な凹凸に略沿った形状となることから、炭素膜３０の表面３０ａには微細な凹み３０ｂが無数に形成される（図２の拡大部分参照）。尚、炭素膜３０の表面３０ａにおける算術平均粗さＲａを一般的なメカニカルシールの使用範囲である０．００５～０．１μｍの範囲において比較的粗く形成されることにより、微細な凹み３０ｂが形成されやすくしてもよい。

また、炭素膜３０は、ビッカース硬さが２５００ＨＶ以下かつ回転密封環２０の摺動面２１よりもビッカース硬さの数値が大きい。尚、回転密封環２０の摺動面２１を構成する窒化珪素のビッカース硬さが１４００ＨＶ程度であることから、炭素膜３０のビッカース硬さは、好ましくは１４００ＨＶ～２５００ＨＶの範囲に形成されることにより、炭素膜３０の摩耗が抑制される。

また、炭素膜３０は、ポリマー構造を分散させたものである。尚、炭素膜におけるポリマー構造の分散度合は、分光エリプソメトリにより炭素膜の消衰係数ｋおよび屈折率ｎを分析することにより判別することができる。

次いで、本実施例における炭素膜３０が形成された静止密封環１０（サンプルＡ～Ｇ）を作成し、次の条件でＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験を行った結果について説明する。尚、静止密封環１０の炭素膜３０は、厚さが０．４×１０^－６ｍに統一された状態で形成されるものとする。また、回転密封環２０は、上述したように炭素膜が形成されず、少なくとも摺動面２１が窒化珪素により形成されるものとする。

静止密封環の摺動面の面圧＝０．０３ＭＰａ
回転密封環の回転数＝７５ｒｐｍ
ＰＶ値＝０．００２ＭＰａ．ｍ／ｓｅｃ
試験時間＝摺動距離２００ｍに達するまで
被密封流体＝窒素ガス

また、本実施例における静止密封環１０（サンプルＡ～Ｇ）の炭素膜３０について、分光エリプソメータ（Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製計測装置（ＲＣ２））を用いて、分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域により炭素膜３０の消衰係数ｋおよび屈折率ｎを分析した。

本実施例における静止密封環１０（サンプルＡ～Ｇ）の炭素膜３０の消衰係数ｋおよび屈折率ｎの分析結果とＲｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験の試験結果は表１のとおりであった。尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験については、メカニカルシールの使用可能条件である摺動面の摩擦係数０．０５以下が発現されたか否かに基づき使用可否の判定を行った。さらに尚、Ｒｉｎｇ‐ｏｎ‐Ｒｉｎｇ摩擦・摩耗試験後に回転密封環２０の摺動面２１への移着膜形成の有無を確認した。移着膜形成の有無を確認については、回転密封環２０の摺動面２１に対するエア吹き付けで付着物を除き、光学顕微鏡５倍の倍率において、移着膜が接触範囲内の面積率で５％以下であれば、回転密封環２０の摺動面２１への移着膜形成がないものとして判定を行った。

メカニカルシールの使用可能条件である摺動面の摩擦係数０．０５以下が発現され、かつ回転密封環２０の摺動面２１への移着膜形成がない静止密封環１０（サンプルＤ，Ｅ，Ｆ，Ｇ）については、分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域で消衰係数０．２以下、屈折率１．５～２．０のポリマー構造の分散度合を有していることが判明した。

以上のように、本発明に係わる静止密封環１０の摺動面１１は、ポリマー構造が分散された炭素膜３０が形成されており、当該炭素膜３０は分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域で屈折率１．５～２．０であって特開２０１０－２８１９２８に定義されるｔａ‐Ｃの領域に分類される高硬度のＤＬＣ被膜と比較して硬度が低く、かつ消衰係数０．２以下であってπ電子が少ない特性となっている。硬度が比較的低いことから、相手側である回転密封環２０の摺動面２１との摩擦によって生じる摩耗粉Ｐ３０や欠削粒Ｐ３１（図３における黒色の粒子）が小さくなるとともに、π電子が少なく化学反応性が低いことから摩耗粉Ｐ３０や欠削粒Ｐ３１が互いに結合し難くなるため、摺動面１１，２１間に発生する炭素膜３０由来の摩耗粉Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１が微細な状態に維持され、結合により大きな粒が生成されることがなく、摺動面１１，２１間から表面の凹み（例えば炭素膜３０の表面３０ａに形成される凹み３０ｂ）や大気Ａ側に排出されることで摩擦への影響が抑えられ、低摩擦効果を得ることができる。尚、摺動面１１，２１間に発生する回転密封環２０の摺動面２１由来の摩耗粉Ｐ２０（図３における白色の粒子）についても、炭素膜３０由来の摩耗粉Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１と結合し難くなるため、摩耗粉Ｐ２０，Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１が微細な状態に維持されやすい。

このように、摺動による炭素膜３０の摩耗粉Ｐ３０を回転密封環２０の摺動面２１に移着させて移着膜を形成する必要がないことから、無潤滑環境下において安定して低摩擦効果を得ることができる。

また、回転密封環２０の摺動面２１が低摩擦かつ非磁性の窒化珪素により形成されているため、摩擦による炭素膜３０由来の摩耗粉Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１が摺動面２１に移着し難い。尚、回転密封環２０の摺動面２１の材質としては、窒化珪素に限らず、低摩擦化されたＳＵＳ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｔｉまたはチタン系合金等であってもよい。

炭素膜３０の表面３０ａは、算術平均粗さＲａ０．００５～０．１μｍの範囲において比較的粗く形成されることにより、微細な凹み３０ｂが無数に形成されやすくなることから、摺動面１１，２１間に発生する摩耗粉Ｐ２０，Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１が捕集されやすくなるため、大気Ａ側から離れた被密封気体Ｆ側においても摺動面１１，２１間から摩耗粉Ｐ２０，Ｐ３０および欠削粒Ｐ３１が排出され低摩擦効果がより得られやすくなる。

尚、図４に示されるように、炭素膜３０の変形例として、プラズマＣＶＤやイオンビーム蒸着法等により形成された炭素膜３０の表面３０ａに対してレーザ加工により所定サイズの凹み１３０ｂを複数形成してもよい。また、回転密封環２０についても、例えばポーラスＳｉＣにより構成されることにより摺動面２１における凹みが多い構造としてもよい。

また、炭素膜３０は、ビッカース硬さが２５００ＨＶ以下であることから摩耗し難くなるため、長期間にわたり低摩擦効果を得ることができる。

また、図５に示されるように、本実施例の炭素膜３０は、摺動面の接触面圧と周速の積から導かれるＰＶ値に対する摩擦係数０．０１以下の発現が、点線で表記される従来のＤＬＣ被膜よりも広範囲（ハッチングで表される範囲）となるため、メカニカルシールにおける使用可能範囲を拡大することができ、ＰＶ値の設定が容易となることから安定して低摩擦効果を得ることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、摺動部品として、一般産業機械用のメカニカルシールを例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。また、メカニカルシールに限られず、すべり軸受などメカニカルシール以外の摺動部品であってもよい。

また、前記実施例では、摺動部品が適用されるメカニカルシールは、無潤滑環境下で使用されるものとして説明したが、これに限らず、摺動面間に被密封流体である液体を介在させた潤滑環境下で使用されてもよい。

また、前記実施例では、炭素膜３０を静止密封環１０にのみ設ける例について説明したが、炭素膜３０を回転密封環２０にのみ設けてもよく、回転密封環２０と静止密封環１０の両方に設けてもよい。

また、前記実施例では、静止密封環１０はＳｉＣから形成され、回転密封環２０は窒化珪素から形成されるものとして説明したが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ等であってもよい。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、複合材料等も適用可能である。

１０ 静止密封環（摺動部品）
１１ 摺動面
１２ ＳｉＣ基材
１２ａ 端面部
２０ 回転密封環（摺動部品）
２１ 摺動面
３０ 炭素膜
３０ａ 表面
３０ｂ 凹み
１３０ｂ 凹み
Ｐ２０，Ｐ３０ 摩耗粉
Ｐ３１ 欠削粒

Claims (4)

1. メカニカルシールの密封環として摺動面が相対摺動する摺動部品であって、
   前記摺動面には、ポリマー構造が分散された炭素膜が形成されており、当該炭素膜は分光エリプソメトリの５５０ｎｍの波長域で消衰係数０．２以下、屈折率１．５～２．０を満たす割合のポリマー構造が分散されている摺動部品。
2. 前記炭素膜は、ビッカース硬さが２５００ＨＶ以下である請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記摺動面と摺動する相手側摺動部品の摺動面が窒化珪素により形成されている請求項１または２に記載の摺動部品。
4. 前記炭素膜の表面における算術平均粗さＲａは０．００５～０．１μｍである請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。

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