JPH11141690A

JPH11141690A - 密封装置

Info

Publication number: JPH11141690A
Application number: JP32390897A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsumoto; 謙司松本
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-05-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高負荷あるいは無潤滑条件でも低摩擦・低摩
耗状態が維持され、かつ密封性能に優れた密封装置を提
供する。【解決手段】黒鉛を含有するカーボン焼成体からなる
一方の摺動材を相手摺動材に摺接させる。前記一方の摺
動材の摺動面から発生した黒鉛又はカーボンの摩耗粉
が、摺動によってのし潰されて結晶構造が破壊され、他
方の摺動材の摺動面又は前記一方の摺動材の摺動面に存
在するカーボン組織と結合することによって継続的にＤ
ＬＣ皮膜が生成され、しかもＤＬＣ皮膜は高温雰囲気ほ
ど生成されやすく、真空中や不活性ガス雰囲気でも生成
されるため、このような条件における摺動面の低摩擦・
低摩耗が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メカニカルシール
等のように摺動によって密封を行う密封装置に関し、特
に、高負荷の摺動条件や潤滑液が摺動面に供給されにく
い条件でも低摩擦及び低摩耗状態に維持するための技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転機器の密封装置であるメカニカルシ
ールは、回転軸側に取り付けられてこの回転軸と共に回
転する回転側摺動材（例えばシールリング）と、非回転
のハウジング側に取り付けられた静止側摺動材（例えば
メイティングリング）とが軸心と直交する端面同士で密
接摺動することによって、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
潤滑特性が要求される。このため、回転側摺動材と静止
側摺動材の組み合わせとしては、例えば自己潤滑性に優
れたカーボン焼成体と、耐摩耗性に優れた超硬合金、炭
化珪素、アルミナ等の硬質材との組み合わせが好適に採
用される。また一般に、液体を密封対象とするメカニカ
ルシールにおいては、密封対象液の一部が静止側摺動材
と回転側摺動材の互いの摺動面間に介入して潤滑液膜が
形成されることにより、液体潤滑がなされる。

【０００３】しかし、高温、高圧、高速回転等による高
負荷条件でメカニカルシールが使用される場合は、密封
対象液の一部が摺動面間に介入されることによる良好な
潤滑液膜が形成されにくく、摺動面同士が固体接触に近
い状態になる。そしてこのような摺動状態では摺動発熱
量が大きくなり、その結果、更に潤滑液膜が形成されに
くくなってますます摺動発熱量が増大することになるた
め、クーリングやフラッシング機構等による冷却を効果
的に行わないと、摺動材が著しく高温になり、この摺動
材ばかりでなく、隣接するエラストマ部材等の材質が熱
により劣化し、摺動面に異常摩耗やクラックが発生して
シール寿命が著しく低下してしまう。また、摺動材が高
温になることによって、空気や密封対象液と接触してい
る表面で酸化や化学反応が起こりやすくなり、腐食が発
生する恐れがある。

【０００４】上述のように、摺動材が固体接触に近い状
態で摺動される高負荷条件や、冷却を十分に行うことが
困難な条件で使用されるメカニカルシールの場合は、摺
動面の摩擦係数をできるだけ低下させることが、摺動発
熱量の増大を抑制してシール寿命を延ばし、トルク損失
を低く抑えるのに有効である。摺動面の摩擦係数を低く
するための従来技術としては、次のようなものがある。 (1) カーボン側の摺動面に低摩擦係数の硬質材料からな
る皮膜を定着する。 (2) 流体の動圧効果等を利用して、摺動面同士を非接触
又は非接触に近い状態とする。 (3) 固体潤滑材を配合した材料からなる摺動材を用い
る。 (4) 摺動面に達する溝又は孔を通じて油脂類等の潤滑液
を強制的に供給可能な構造とする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、それぞれ次のような問題が指摘され
ている。 (1) の方法比較的低温条件で有効な低摩擦係数の硬質皮膜は種々あ
るが、いずれも極めて薄く、しかも密着力が小さいため
に剥れやすい。このため、高負荷の摺動条件では短時間
で摩滅したり剥離しやすく、長期間にわたって低摩擦で
の摺動状態を維持することが困難である。 (2) の方法低速回転時には動圧効果が小さいので、起動時や停止直
前には摺動面が固体接触になることは避けられず、通常
回転時でも、軸振動やその他の僅かな挙動変化によって
固体接触となることが多い。 (3) の方法あらゆる条件で使用可能な固体潤滑材は開発されておら
ず、真空中や高温大気中で使用できる固体潤滑材も少な
い。また、一般に固体潤滑材は耐摩耗性が乏しいため、
摺動材中の固体潤滑材が選択的に摩耗されてしまい、低
摩擦状態を継続的に維持することが困難である。 (4) の方法油等による強制的な潤滑は比較的低負荷の条件では有効
であるが、高負荷の場合は潤滑油が固化してしまい、却
って摩耗を促進してしまいやすい。しかも、固化物の介
在によって摺動面間に面開きが起こり、漏れを生じるこ
とがある。

【０００６】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、高温条
件、真空あるいは無潤滑等の過酷な条件でも低摩擦・低
摩耗状態が維持され、かつ密封性能に優れた密封装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するための手段として、本発明は、黒鉛を含有
するカーボン焼成体からなる一方の摺動材を相手摺動材
に摺接させることによりその摺動面間で流体の密封を行
う密封装置であって、前記一方の摺動材の摺動面から発
生した黒鉛又はカーボンの摩耗粉を前記相手摺動材の摺
動面又は前記一方の摺動材の摺動面に移着してＤＬＣ皮
膜を生成させるものである。なお、本発明でいう「ＤＬ
Ｃ」とはダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like C
arbon ）の略称であって、黒鉛を含むカーボン焼成体と
ダイヤモンド皮膜の中間の特性を持つ全ての炭素系材料
を包含するものである。すなわち、本発明でいうＤＬＣ
をラマンスペクトル分析により定義すれば、次のとおり
である。

【０００８】炭素系試料の表面にアルゴンレーザビーム
を照射し、この試料表面からのラマン散乱光のスペクト
ルを分光器で測定することによって得られるラマンスペ
クトルは、単結晶の黒鉛の場合は1680cm^-1付近のグラフ
ァイトバンド（以下、Ｇバンドという）のみに鋭いピー
クが現れ、一般のシール摺動材として用いられる黒鉛を
含むカーボン焼成体の場合は前記Ｇバンドと1370cm^-1付
近のダイヤモンドバンド（以下、Ｄバンドという）の双
方に鋭いピークが現れる。これに対し、ダイヤモンド皮
膜の場合は前記Ｄバンドのみに鋭いピークが現れる。

【０００９】また、水素を多量に含有するａ−ＣＨとも
呼ばれる非結晶質グラファイト皮膜（以下軟質ＤＬＣ皮
膜という）や、ダイヤモンド組織を含む硬質皮膜（硬質
ＤＬＣ皮膜という）はＧバンド及びＤバンドの双方にピ
ークを有し、そのうち一方又は双方が、単結晶の黒鉛、
黒鉛を含むカーボン焼成体あるいはダイヤモンド皮膜の
スペクトルピークに比べて著しくブロードであり、かつ
両ピーク間のスペクトル強度が全体に大きくなってい
る。そして本発明でいうＤＬＣとは、このようなスペク
トルパターンを有する全ての非結晶質の炭素系皮膜を含
むものであって、黒鉛を含むカーボン焼成体とダイヤモ
ンド皮膜の中間の性質（組織）を持ち、したがって黒鉛
を含むカーボン焼成体より相対的に硬質で、しかも平滑
性にも優れている。このためＤＬＣ皮膜が生成された摺
動面は、摩耗が抑えられると共に摩擦係数が低下する。

【００１０】ところで、カーボン摺動材が低摩擦特性を
発揮するのはガス吸着による効果であることが解明され
ているが、例えば350 ℃を超えるような高温雰囲気で摺
動させた場合は、吸着ガスの離脱による影響と思われる
摩擦係数の上昇が起こり、真空中での摺動においても、
ガス吸着が行われないので摩擦係数の上昇が起こり、こ
のため高温雰囲気や真空中ではカーボン焼成体からなる
摺動材は適さないといわれる。しかし本発明において
は、黒鉛を含有するカーボン焼成体からなる一方の摺動
材側の摺動面から、他方の摺動材との摺動過程で発生し
た黒鉛又はカーボンの摩耗粉が、摺動によってのし潰さ
れて結晶構造が破壊され、他方の摺動材の摺動面又は前
記一方の摺動材の摺動面に存在するカーボン組織と結合
することによって継続的にＤＬＣ皮膜が生成され、しか
もＤＬＣ皮膜は高温雰囲気ほど生成されやすく、真空中
や不活性ガス雰囲気でも生成されるため、このような条
件における摺動面の低摩擦・低摩耗が実現される。

【００１１】また、プラズマＣＶＤやスパッタリングに
よって予め摺動面に定着されたＤＬＣ皮膜は、高負荷・
高速摺動させると、起動段階で基材から剥離してしまう
が、本発明においては、いったん生成されたＤＬＣ皮膜
が徐々に摩耗しても、これを補うように、黒鉛又はカー
ボンの摩耗粉の供給によって新たなＤＬＣ皮膜が生成さ
れ続けるので、常に摺動材の低摩擦・低摩耗が維持され
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、典型的にはメカニカル
シールに適用される。メカニカルシールは先の従来技術
の説明のとおり、例えば回転軸側に設けられて回転する
シールリングと、前記回転軸の軸周を包囲するハウジン
グ側に設けられた非回転のメイティングリングとを有
し、背面をバネで軸方向に押圧されたシールリングがメ
イティングリングに押し付けられて、軸心と直交する端
面同士で密接摺動することによって、軸周における流体
の漏洩を阻止するものである。一方の摺動材であるシー
ルリングは黒鉛を含有するカーボン焼成体からなるもの
とし、この場合のカーボン焼成体は、黒鉛化の進んだ高
純度カーボンであることが望ましい。これは、高純度カ
ーボンは不純物が少ないので高温での酸化が起こりにく
く、しかもその摩耗粉がＤＬＣ皮膜を生成しやすいから
である。

【００１３】ＤＬＣ皮膜の生成は温度が高くなるほど起
こりやすくなるが、 350℃を超える高温大気中では、黒
鉛又はカーボンの摩耗粉や、生成されたＤＬＣ皮膜が酸
化によって消滅してしまう。このため、本発明の一層好
ましい実施形態においては、黒鉛を含有するカーボン焼
成体からなるシールリング中には酸化防止剤を含有させ
る。この場合の酸化防止剤には、例えばリン酸アルミニ
ウム系のものが好適に用いられる。

【００１４】また、先に述べたように、ＤＬＣ皮膜は、
摺動面に存在するカーボン組織を核として、黒鉛又はカ
ーボンの摩耗粉が移着し結合することによって生成され
るため、一層好ましい他の実施形態においては、相手摺
動材であるメイティングリングの摺動面に予めカーボン
粒子又はＤＬＣ皮膜を定着しておく。このようにすれ
ば、使用初期から、黒鉛又はカーボンの摩耗粉の移着に
よるがＤＬＣ皮膜の成長が良好に行われる。

【００１５】また、シールリングとメイティングリング
が真空中又は不活性ガス雰囲気中で摺動されるような条
件では、黒鉛を含有するカーボン焼成体からなるシール
リングが高温条件で活性となるので、ＤＬＣ皮膜は、シ
ールリングの摺動面に生成される。

【００１６】また、更に一層好ましい他の実施形態にお
いては、黒鉛を含有するカーボン焼成体からなるシール
リングは多数の微小気孔を有し、その気孔内に高分子系
又はセラミック系の接着剤が含浸される。すなわち、メ
イティングリング摺動面へのＤＬＣ皮膜の生成は、シー
ルリングから発生した黒鉛又はカーボンの摩耗粉の供給
によって行われるので、この摩耗粉に接着剤が含まれて
いることによって初期の密着性を向上させることができ
る。そして実験によると、この接着剤には、金属物質
（りん、アルミニウム、マグネシウム、リチウムあるい
はカルシウム等）を含有することがより好ましい。

【００１７】

【実施例】実施例１高純度高強度黒鉛配合カーボン焼成体に酸化防止剤とし
てリン酸アルミニウムを含浸処理した材料からなるシー
ルリング及び摺動面に炭化クロムコーティングのみを施
した超硬合金からなるメイティングリングを有する実施
例１のメカニカルシールと、通常のカーボン焼成体から
なるシールリング及び超硬合金からなるメイティングリ
ングを有する比較例１のメカニカルシールとを用いて、
次の条件で大気中での摺動試験を行い、摺動面の摩擦係
数及び摩耗量を測定した。試験条件摺動面圧・・・・・・・・・・ 1.5kgf/cm² 雰囲気温度・・・・・・・・ 200 ℃ 摺動速度（周速）・・・ 50m/s.

【００１８】上記試験の結果を図１に示すように、200
℃の雰囲気温度では実施例１及び比較例１は双方とも低
摩擦係数を示すが、摩耗量は、実施例１が比較例１より
も著しく少ないことがわかる。また、試験後に実施例１
のメイティングリング摺動面を顕微ラマン分光器でラマ
ンスペクトル測定を行ったところ、摺動面に軟質ＤＬＣ
皮膜が生成されているのが検出された。

【００１９】実施例２高純度高強度黒鉛配合カーボンからなるシールリング及
び摺動面にプラズマＣＶＤ方式により硬質ＤＬＣ皮膜を
施した超硬合金からなるメイティングリングを有する実
施例２のメカニカルシールと、通常のカーボン製シール
リング及び超硬合金製メイティングリングを有する比較
例２のメカニカルシールを用いて、次の条件で真空中で
の摺動試験を行い、摺動面の摩擦係数及び摩耗量を測定
した。試験条件摺動面圧・・・・・・・・・・ 1.5kgf/cm² 雰囲気温度・・・・・・・・ 400 ℃ 摺動速度（周速）・・・ 0.68m/s. 真空度・・・・・・・・・・・・ 2.0 ×10^-2Pa 試験時間・・・・・・・・・・ 3 時間真空中でのカーボン摺動材の潤滑性は劣悪と言われてい
るが、上記試験の結果を図２に示すように、400 ℃の高
温条件では、メイティングリング摺動面に硬質ＤＬＣ皮
膜を施した実施例２も施さない比較例２も共に摩擦係数
が0.3 以下の低い値を示すが、実施例２の方がより低摩
擦であることがわかる。また、試験後に顕微ラマン分光
器で実施例２におけるシールリングのラマンスペクトル
測定を行ったところ、カーボンシールリングの摺動面に
ＤＬＣ皮膜が生成されているのが確認された。

【００２０】実施例３及び実施例４高純度高強度黒鉛配合カーボンからなるシールリング
に、摺動面に下地としての炭化クロムコーティング（以
下、ＬＣ−１Ｃという）のみを施したメイティングリン
グを摺接させたメカニカルシール（比較例３）、前記下
地ＬＣ−１Ｃの表面に硬質ＤＬＣ皮膜を施したメイティ
ングリングを摺接させたメカニカルシール（実施例
３）、前記下地ＬＣ−１Ｃの表面に実施例１の試験によ
り軟質ＤＬＣ皮膜を形成したメイティングリングを摺接
させたメカニカルシール（実施例４）を用いて、次の条
件で摺動試験を行い、摺動面の摩擦係数及び比摩耗量を
測定した。試験条件摺動面における垂直荷重・・・・ 27N 摺動速度（周速）・・・・・・・・・・・ 0.68m/s. 雰囲気温度・・・・・・・・・・・・・・・・室温及び400 ℃ 図３は、大気中で上記摺動試験を行い、雰囲気温度が室
温の場合と400 ℃の場合の摺動試験終了直前の摩擦係数
を示すものであり、図４は比摩耗量を示すものであり、
図５は実施例３におけるメイティングリング摺動面の試
験終了後の観察結果を示すものである。

【００２１】図３を参照すると、室温では、メイティン
グリング摺動面に下地ＬＣ−１Ｃのコーティングのみを
施した比較例３及び硬質ＤＬＣ皮膜を施した実施例３は
共に摩擦係数が0.3 程度であるが、軟質ＤＬＣ皮膜を施
した実施例４は摩擦係数が0.18程度の低い値を示した。
400 ℃では下地ＬＣ−１Ｃのみの比較例３は摩擦係数が
高く、0.6 近い値を示すが、実施例３及び実施例４は共
に摩擦係数が0.1 以下の低い値を示した。比摩耗量は、
図４に示すように室温の場合及び400 ℃の場合共に低い
値を示した。

【００２２】図５を参照すると、実施例３のメカニカル
シールを室温で摺動させた場合は、メイティングリング
の摺動面全体を被覆していた硬質ＤＬＣ皮膜が摺動過程
で消滅し、下地のＬＣ−１Ｃが完全に露出しているのが
わかる。このため、ＬＣ−１Ｃとシールリング（カーボ
ン）との摺動となり、ＬＣ−１Ｃの摩擦係数に近い値を
示したものと推察される。また、400 ℃で摺動させた場
合は摺動方向に沿って摺動痕が見られるが、硬質ＤＬＣ
皮膜の自己生成による健全な領域が多く存在しているた
めに低摩擦を示したものと推察される。

【００２３】図６は、真空（1.0 ×10^-2Pa）中で上記摺
動試験を行い、雰囲気温度が室温の場合と400 ℃の場合
の摺動試験終了直前の摩擦係数を示すものであり、図７
は同じく比摩耗量を示すものであり、図８は予め硬質Ｄ
ＬＣ皮膜を施したメイティングリング摺動面及び軟質Ｄ
ＬＣ皮膜を施したメイティングリング摺動面の、摺動試
験（雰囲気温度400 ℃）終了後の観察結果を示すもので
ある。

【００２４】図６を参照すると、室温では、比較例３、
実施例３及び実施例４のいずれも摩擦係数が0.5 以上と
なり、大気中での摺動に比較して２倍程度に摩擦係数が
上昇した。400 ℃では、メイティングリング摺動面に硬
質ＤＬＣ皮膜を施した実施例３は比較例３よりも摩擦係
数がやや高い値を示すが、メイティングリング摺動面に
軟質ＤＬＣ皮膜を施した実施例４は摩擦係数が0.1 以下
の低い値を示した。また図７を参照すると、比摩耗量
は、室温ではメイティングリング摺動面に硬質ＤＬＣ皮
膜を施した実施例３は軟質ＤＬＣ皮膜を施した実施例４
及び下地ＬＣ−１Ｃのみの比較例３に比較して２倍程度
の高い値を示すが、400 ℃では実施例３及び実施例４の
比摩耗量が顕著に減少し、メイティングリング摺動面に
軟質ＤＬＣ皮膜を施した実施例４が特に低い値を示し
た。

【００２５】図８を参照すると、実施例３の場合は、メ
イティングリングの摺動面全体を被覆していた硬質ＤＬ
Ｃ皮膜が一部残存しているものの、下地ＬＣ−１Ｃが広
範囲で露出しているのがわかる。これに対し、実施例４
の場合は、メイティングリングの摺動面全体を被覆して
いた軟質ＤＬＣ皮膜が、摺動試験終了後も50μｍ程度の
大きさで摺動面全体に密集的に分布しており、このため
に、顕著な低摩擦・低摩耗を示したものと推察される。

【００２６】

【発明の効果】本発明に係る密封装置によると、摺動面
に、摺動過程ＤＬＣ皮膜が継続的に生成されるので、低
摩擦・低摩耗が実現され、しかもこの低摩擦・低摩耗状
態が維持される。特に、従来、潤滑性が著しく低下する
とされていた真空条件や高温条件において上記効果が顕
著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】摺動試験による実施例１及び比較例１の摩擦係
数及び摩耗量の推移を示す説明図である。

【図２】摺動試験による実施例２及び比較例２の摩擦係
数の推移を示す説明図である。

【図３】大気中での摺動試験による比較例３、実施例３
及び実施例４の試験終了直前の摩擦係数を示す説明図で
ある。

【図４】大気中での摺動試験による比較例３、実施例３
及び実施例４の比摩耗量を示す説明図である。

【図５】大気中での室温及び400 ℃雰囲気での摺動試験
において、実施例３のメイティングリング摺動面の試験
終了後の性状を示す説明図である。

【図６】真空中での摺動試験による比較例３、実施例３
及び実施例４の試験終了直前の摩擦係数を示す説明図で
ある。

【図７】真空中での摺動試験による比較例３、実施例３
及び実施例４の比摩耗量を示す説明図である。

【図８】真空中での摺動試験において、実施例３のメイ
ティングリング摺動面及び実施例４のメイティングリン
グ摺動面の試験終了後の性状を示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛を含有するカーボン焼成体からなる
一方の摺動材を相手摺動材に摺接させることによりその
摺動面間で流体の密封を行う密封装置であって、前記一方の摺動材の摺動面から発生した黒鉛又はカーボ
ンの摩耗粉を前記相手摺動材の摺動面又は前記一方の摺
動材の摺動面に移着してＤＬＣ皮膜を生成させることを
特徴とする密封装置。
【請求項２】請求項１の記載において、一方の摺動材中に酸化防止剤を含有することを特徴とす
る密封装置。
【請求項３】請求項１又は２の記載において、相手摺動材の摺動面に予めカーボン粒子又はＤＬＣ皮膜
が定着されていることを特徴とする密封装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかの記載におい
て、一方の摺動材は多数の微小気孔を有し、その気孔内に高
分子系又はセラミック系の接着剤が含浸されていること
を特徴とする密封装置。
【請求項５】請求項４の記載において、接着剤に金属物質を含有することを特徴とする密封装
置。