JPH0218317B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は高密度炭化珪素焼結体で構成された
ハイドロダイナミツクシール用高密度炭化珪素焼
結体製摺動部材およびその摺動部材の摺動端面に
おける溝加工方法に関するものである。 〔従来の技術〕 炭化珪素の高密度焼結体（以下SiC焼結体と略
す）は、よく知られているように、耐熱性、耐摩
耗性および耐腐食性に優れた特長を有し、例えば
ガスタービン材料などのために非常に期待されて
いるセラミツク材料であり、なかでも最も早く実
用化されたのは、メカニカルシールの摺動部材と
してゞあつて、現在ではその優れた特性の故に最
高の性能を発揮する摺動部材として位置づけられ
ているところである。 また一方、技術の発達に併せて、この種のメカ
ニカルシールとしての使用環境は、日毎に厳格さ
を増してきており、これに伴なつてより一層高度
なシール性能が要求され、シール構造についても
一層複雑化を増す傾向にある。そしてこのような
折から、摺動端面での潤滑性の向上、ならびに冷
却性の促進などを意図して、同摺動端面に溝加工
を施したところの、いわゆるハイドロダイナミツ
クシールの構成が、最先端のシール設計技術とし
て注目されており、このように現時点での最高級
の摺動部材であるSiC焼結体を、ハイドロダイナ
ミツクシールに使用することは、とりも直さず最
高級のメカニカルシールを提供することにほかな
らないものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、一方、この種の一般的に使用さ
れてSiC焼結体は、極めて高硬度で耐摩耗性に優
れた材料であるが故に、その機械加工が容易では
なく、また高硬度な性状から反面、脆性材料でも
あるために、これらの性状を無視した強引な機械
加工によつては、加工傷その他の欠陥を生じて、
破壊しかねない惧れがあり、さらには耐腐食性で
あることから、化学薬品処理によるエツチング加
工なども困難、もしくは不可能に近いという問題
点を有している。 従つて、この発明は、ハイドロダイナミツクシ
ール用高密度炭化珪素焼結体製の摺動部材と、そ
の摺動部材をハイドロダイナミツクシール用にす
るために、その摺動部材の摺動端面の溝加工を精
度よくしかも容易に施すことができる方法を提供
することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、この発明は、高密
度炭化珪素焼結体製摺動部材にあつて、その摺動
端面所要部分に潤滑用の溝を形成してハイドロダ
イナミツクシール用高密度炭化珪素焼結体製摺動
部材に構成してあるものである。 また、このハイドロダイナミツクシール用高密
度炭化珪素焼結体製摺動部材の摺動端面溝加工方
法は、その摺動部材の摺動端面の被加工溝形成部
分を除く全表面に、高密度炭化珪素焼結体の分解
点より高い融点をもつ分解防止剤でコーテイング
被覆し、次いでコーテイング被覆された摺動部材
を、高密度炭化珪素焼結体の分解点より高い温度
で且つ分解防止剤の融点より低い温度で熱処理し
て、前記コーテイング被覆されていない被加工溝
形成部分を所定深さに亘り昇華分解させて溝加工
をなし、その後、酸化または薬品処理若しくは機
械処理によつて、前記コーテイング被覆を除去す
るようにしたものである。 〔実施例〕 以下、この発明に係る摺動端面溝を有するハイ
ドロダイナミツクシール用高密度SiC焼結体製摺
動部材、および同摺動部材の摺動端面溝加工方法
につき、第１図ａないしｄを参照して詳細に説明
する。 一般的に高密度SiC焼結体は、例えば、高純度
に精製された炭化珪素の微粉末原料に、焼結促進
材としての所定量のホウ素系化合物または／およ
びアルミ系化合物と、焼結助材としての所定量の
炭素とを添加混合し、かつ成形して2000℃以上の
高温で不活性雰囲気下に焼成することによつて構
成される。 そしてこのように構成される高密度SiC焼結体
を、メカニカルシールの摺動部材とする場合は、
その摺動端面をラツプ仕上げして使用するように
している。一方、この種のメカニカルシールの摺
動部材においては、高負荷における使用条件下で
所定のシール特性、すなわち高圧、高速下での
PV値、また高温下でのPVT値などを向上させる
のに、単なるシール摺動端面間での境界潤滑のみ
では不充分であつて、このために多少のシール漏
洩を許容しても、摺動端面に潤滑用の溝形成をな
すようにした、いわゆるハイドロダイナミツクシ
ール構造を採用しているが、さきにも述べたよう
に、この摺動部材としての高密度SiC焼結体は、
その焼結後の二次加工が極めて困難であり、前記
のハイドロダイナミツクシール構造のための摺動
端面への潤滑用の溝形成についても例外ではな
い。 そこで発明者はこの高密度SiC焼結体による摺
動部材をハイドロダイナミツクシール構造とする
ための溝加工形成について鋭意検討した結果、次
のような手段を見出した。 すなわち、一旦焼成後の高密度SiC焼結体は、
通常、2000℃以上で自己昇華分解を生じ、かつ真
空減圧下では1900℃位から分解し始めるから、こ
の昇華分解反応（SiC−→Si↑ ＋Ｃ）を利用し
て、摺動端面に所望の凹凸形状などの溝加工を施
すようにしたものであり、またこのように昇華分
解反応を効果的に利用するために、摺動端面の被
加工溝形成部分を除く全表面を、高密度SiC焼結
体の分解点より高い融点をもつ分解防止剤でコー
テイング被覆したのち、高密度SiC焼結体の分解
点より高い温度で且つ分解防止剤の融点より低い
温度で熱処理して、コーテイング被覆されていな
い被加工溝形成部分を、所定の深さ範囲に亘り昇
華分解して溝加工をなす新規な技術手段である。 次にこの発明の望ましい一実施例につき、第１
図ａないしｄを参照して詳細に説明する。 この実施例では、所定の摺動部材形状に成形
し、所定の焼結温度で焼成された高密度SiC焼結
体を用いる。そしてまず、第１図ａに示されてい
るように、この所定形状に成形された高密度SiC
焼結体からなる摺動部材１は、全表面、こゝでは
少なくとも摺動端面２を含む所定表面をラツプ仕
上げする。 ついで同図ｂに示されているように、前記摺動
端面２の被加工溝形成部分２ａを除い全表面に対
し、高融点を有していて、かつ焼結温度、こゝで
は例えば2000℃以下では蒸気圧が低くて昇華分解
作用を生じない物質による分解防止剤３をコーテ
イング被覆させる。こゝで分解防止剤３として
は、カーボンとかB₄C、TiCなどのような炭化
物、またはTiB₂、ZrB₂などのようなホウ化物、
さらにはタングステン、モリブデンなどを用いる
ことができ、またコーテイング方法としては、ス
プレーコーテイング法、浸漬法、印刷付着法と
か、あるいはCVD法、PVD法などであつてよ
い。 そして次に、前記コーテイング被覆処理した摺
動部材１を、真空炉中において、減圧下に1900℃
以上の温度で熱処理する。すなわち、この熱処理
によつて、同図ｃに示すように、摺動部材１のコ
ーテイング被覆処理されていない被加工溝形成部
分２ａに、昇華分解反応（SiC−→Si↑ ＋Ｃ）を
生じて、同部分２ａに凹状溝４が形成される。
こゝで前記熱処理温度としては、1900℃以上で望
ましくは同摺動部材１としての高密度SiC焼結体
の焼結温度を越えないように制御するのがよいも
ので、これは焼結温度を越える場合、同焼結体の
内部組織に変化をきたす惧れを避けるためであ
る。また前記凹状溝４の形成深さは、熱処理温度
と熱処理時間とを制御することによつて自由に調
整可能である。 その後、同図ｄに示すように、前記コーテイン
グ被覆した分解防止剤３を、酸化処理とか、薬品
によるエツチング処理、その他の機械的処理など
により除去して、目的とするところの、摺動端面
２に潤滑用の溝４を形成した摺動部材１を得るの
である。 こゝでコーテイング被覆をなす分解防止剤３と
して、カーボンを用いるのが効果的であり、この
カーボンを用いるときは、熱処理時のマスキング
作用に有効であるほかに、熱処理後の除去を酸化
処理により容易に実行でき、また必要に応じて、
摺動端面２のみの昇華分解による凹凸溝４の加工
であれば、単なるラツプ処理によつても機械的除
去処理が容易である。 またこの摺動部材１をハイドロダイナミツクシ
ールにしているが故に、シール対象流体が油系の
場合には、溝４部に潤滑油をより一層安定に保持
させるために、昇華分解によつて生ずる溝４部内
のカーボン層はこれが親油性であることから、そ
のまゝで残す方がよく、またシール対象流体が水
系の場合は、逆に昇華分解によつて生ずる溝４部
内のカーボン層が疎水性として作用し、水潤滑が
妨げられるから、分解処理後、この溝４部内のカ
ーボン層を酸化処理などによつて除去すると共
に、同溝４部内には親水性のSiO₂などの酸化膜
を形成させるようにして、水潤滑の効果を向上さ
せるのがよい。 つぎに、さらに具体的な実施例について説明す
る。 実施例 １ 平均粒子径0.7μmのα−SiC粉（1000ｇ）と、
平均粒子径0.5μmのB₄C（５ｇ）をボールミルに
とり、更に、残炭率50％のフエノール樹脂40ｇ、
PEG20ｇ、ステアリン酸10ｇをメタノール溶媒
として添加混合した。ついでスプレードライヤー
にて乾燥造粒した後、金型にて1500Kg/cm²の成形
圧力にて、70φ×50φ×10^tの成形体10ケを製作し
た。 この成形体を焼成炉にセツトした後、真空下
（10^-1Torr以下）で1600℃まで昇温した後、Arガ
スを導入し、大気圧下で2100℃に昇温、１時間保
持して焼成を終了した。冷却後、この高密度SiC
焼結体はいずれも3.15〜3.16ｇ/cm³の密度を有し
ており、約18％の線収縮率を示した。 また、この高密度SiC焼結体の内部組織は、５
〜10μmの結晶粒で構成され、特に巨大な粒成長
組織は認められなかつた。 上記高密度SiC焼結体より、54φ×41φ×7^tのシ
ールリングに研磨加工し、摺動端面は、ダイヤモ
ンドペーストでラツプ、ポリツシユ仕上げをし
た。 このようにして得られた摺動端面に、第２図で
示す摺動端面２に形成されているような溝４…を
形成すべく、ハイドロ加工用のゾスクリーンを用
いて、分解防止剤としてのカーボンペーストを摺
動端面に印刷し、他の面はハケ塗りによりカーボ
ンペーストをコーテイングした。上記の処理品を
下記表−１に示す条件で、分解熱処理した。

【表】 以上の様に、摺動端面溝加工法としての分解処
理条件は、真空下1900℃〜2000℃が好ましい。
2000℃を越えると分解が促進されコーテイング部
からも一部分解が生じ、正確な溝加工が困難にな
る。一方、1900℃以下では、ほとんど分解が抑制
され溝加工ができない。 特に、比較品３に示す様に高密度SiC焼結体の
焼成温度まで処理温度を高めると、分解が著しい
だけでなく、焼結体組織に粒成長を伴い、摺動材
としては好ましくない。 実験例 ２ 上記本発明品１、４、５に基づくシールリング
をメカニカルシール試験機に組み込み下記の条件
で回転テストした結果、下記表−２に示す如く、
いずれもモレ量が若干増したが摩擦係数が著しく
低下し、また摩耗もほとんど認められなかつた。 ［条件］ 流体（清水）、圧力（10Kg/cm²）、回転数
3600rpm（8.9m/s）、フラツシング量（３／
min）

【表】 （発明の効果） 以上のようにこの発明によれば、高密度炭化珪
素焼結体製摺動部材にあつて、その摺動端面所要
部分に潤滑用の溝を形成したから、耐熱性、耐摩
耗性および耐腐食性に優れていることは勿論のこ
と、摺動端面での潤滑性ならびに冷却性なども大
幅に向上し得、このため高負荷条件下でも好適に
使用できるハイドロダイナミツクシール用高密度
炭化珪素焼結体製摺動部材を提供できるものであ
る。また、この発明のハイドロダイナミツクシー
ル用高密度炭化珪素焼結体製摺動部材の摺動端面
の溝加工方法によれば、高密度SiC焼結体による
摺動部材において、摺動端面の被加工溝形成部分
を除く全表面を、高密度SiC焼結体の分解点より
高い融点をもつ分解防止剤でコーテイング被覆
し、次いでコーテイング被覆された摺動部材を、
高密度SiC焼結体の分解点より高い温度で且つ分
解防止剤の融点より低い温度で熱処理して、前記
コーテイング被覆されていない被加工溝形成部分
を所定深さに亘り昇華分解させて溝加工をなし、
その後、酸化または薬品処理若しくは機械的処理
によつて、前記コーテイング被覆を除去するよう
にしたから、従来、極めて困難であつた高密度炭
化珪素焼結体による摺動部材への潤滑用の溝加工
を頗る容易に行うことができ、しかも熱処理時の
温度および時間を制御することで、その加工溝深
さなどを精密に調整することができるなどの特徴
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａないしｄはこの発明に係る摺動端面溝
を有する高密度SiC焼結体製摺動部材の摺動端面
溝加工方法の一実施例を工程順に示すそれぞれ要
部の拡大断面図、第２図はハイドロダイナミツク
用摺動部材の一例を示す平面図である。 １……高密度炭化珪素焼結体製摺動部材、２…
…同摺動部材の摺動端面、２ａ……同摺動端面の
被加工溝形成部分、３……コーテイング被覆させ
た分解防止剤、４……摺動端面に形成された溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高密度炭化珪素焼結体製摺動部材にあつて、
   その摺動端面所要部分に潤滑用の溝を形成したこ
   とを特徴とするハイドロダイナミツクシール用高
   密度炭化珪素焼結体製摺動部材。 ２ 高密度炭化珪素焼結体で構成された摺動部材
   を用い、その摺動部材の摺動端面の被加工溝形成
   部分を除く全表面に、高密度炭化珪素焼結体の分
   解点より高い融点をもつ分解防止剤でコーテイン
   グ被覆し、次いでコーテイング被覆された摺動部
   材を、高密度炭化珪素焼結体の分解点より高い温
   度で且つ分解防止剤の融点より低い温度で熱処理
   して、前記コーテイング被覆されていない被加工
   溝形成部分を所定深さに亘り昇華分解させて溝加
   工をなし、その後、酸化または薬品処理若しくは
   機械処理によつて、前記コーテイング被覆を除去
   することを特徴とするハイドロダイナミツクシー
   ル用高密度炭化珪素焼結体製摺動部材の摺動端面
   溝加工方法。