JP4141778B2 - Sliding parts and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メカニカルシールの密封環、軸受、ピストンリング等の摺動面の潤滑性を改善した摺動部品に関する。特に、摺動面の摩擦係数を小さくして摩耗量を低減した高荷重用の摺動部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明に係わる摺動部品の先行技術として、特公平5−69066号公報が存在する。
この公報に記載の摺動部品は、多孔質炭化珪素焼結製品であってメカニカルシールの一方又は両方のシールリングとして取り付けられるものである。そして、メカニカルシールは、ポンプ又は冷凍機などに用いられて水などの液体をシールする。
【0003】
このメカニカルシールは、摺動部品をシールリングとして用いると共に、固定リングは炭化珪素又はカーボン材製を用いている。そして、このシールリングと固定リングとの密接により高圧P1側と低圧P2側とをシールする。
このシールリングは、平均気孔径が10×10−6mから40×10−6mの球状の気孔を結晶組織内に点在して摺動特性を改良した炭化珪素焼結体である。
【0004】
この炭化珪素焼結体の摺動面に形成された気孔は、焼結前にポリスチレンビーズを添加し、仮焼結時に分解・昇華して気孔を形成するものである。その結果は、炭化珪素焼結体は、結晶粒内に気孔が連鎖するごとく点在して炭化珪素粒子間の結合力を低下させる。叉、圧縮成形時にポリスチレンビーズが圧縮されるために平均気孔径を設定通りに形成することが困難である。そして、負荷容量が低下するために過酷な摺動条件では摩耗量が大きくなる。
又、この炭化珪素焼結体における気孔は、炭化珪素のみの焼結体であるから保湿性が無く、摺動面の発熱と共に気孔内が乾燥状態になりやすい。この為に、高荷重用に対して摩擦係数を低下させることが期待できない。
この製造法は、焼結時にポリスチレンビーズを熱で昇華放散させるものであるから、ビーズの昇華ガスが焼結炉内に、或いは通路内に凝着して汚染を誘発する。 この問題を解決するために種々の改善が成されていが技術的な問題やコストの問題で効果的なものが見いだせない。
【0005】
叉、シールリングの摺動面に点在する気孔が炭化珪素材製の固定リングと過酷な条件で摺動すると、シールリングの気孔の周りから破壊し、その粉末が摺動面に介在するので、摺動面の摩耗を促進することになる。又、固定リングがカーボン材の場合には、シールリングの気孔によりカーボン材の摺動面が摺動中に削る取られるようになり、摺動面の摩耗促進と共に、被密封流体をシールする固定リングの摺動面の平面度が悪化する。
【0006】
次に、上述の摺動部品の強度の低下及び被密封流体の漏れ量を改善したものとして本発明に関連する図3に示すようなメカニカルシールの密封環が存在する。このメカニカルシールは、上述のメカニカルシールと同様に構成されている。そして、ハウジングに保持された固定リングと回転軸に固定された図3に示す従動リング100との摺動面が密接して被密封流体をシールする。
【0007】
この従動リング100の摺動面101には、凹部105が多数形成されている。この凹部105は摺動面101の回転方向に対して傾斜するように形成されている。この為に、凹部105は、焼結体に形成した後に摺動面にサンドブラスト等の微細加工により形成する。この凹部105の深さは、平面から見た凹部105の大きさに対して数分の1と極めて浅く形成されている。この摺動面に形成した凹部105は、機械加工等により形成するものであるから、硬質材に形成することが困難である。叉、凹部105は、焼結工程で形成するような微細な大きさに加工することも困難であるし、更には、凹部105の平均径に対して深さを深くすることも機械加工現状から困難である。更に、凹部105は、摺動面に応力を加えて加工するために、摺動中に凹部105の縁から破損する問題が存する。
【0008】
叉、摺動面105の用途として、この凹部105は、従動リング100の摺動面101と固定リングの摺動面間に浸入した流体により潤滑しようとするものである。従動リング100の外周側から浸入した流体は内周端側へ至る前に外周側の凹部105に補足されて、この補足された流体は、その粘性作用と従動リング100の回転方向によって凹部105の外周方向へ移動される。このように摺動面105が回転中に流体を外方へ押し出すので摺動摩擦と共に発熱が発生する。
【0009】
このように凹部105は、凹部105のポンピング作用により被密封流体を外方に押し出す効果を目的にした構成あるから、摺動面に潤滑液が存在しなくなる。更に、凹部105は深さを深くすることが困難であるから、凹部105の底面に潤滑液の保持作用が無く、潤滑液を摺動面に長期間保持することは困難である。この為、摺動面は発熱するから、鳴き現象が生じやすい。
そして、この摺動面における潤滑液の消滅は、摺動面の発熱と共に、摩耗を促進し、ついには凹部105の縁を破壊することになる。この凹部105の縁の破壊が始まると、その粉末が摺動面に介在して両摺動面を急速に摩耗させることになる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、摺動面に潤滑液を保持して潤滑作用を成し、摩擦係数を低減することである。更に、硬質材に摺動面を鏡面状にし、しかも、潤滑液を保持する気孔の形状と摺動面に対する気孔面積割合を容易に得ることにある。更に、高荷重、過酷な摺動条件に於いて、摺動面の摩耗、破損を防止して摺動面の耐久能力を向上させることである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その解決するための手段は、以下のように構成されている。
【0012】
請求項1に係わる本発明の摺動部品は、シール用の摺動面を有する摺動部品であって、
焼結して基材となる炭化珪素粉末と、前記炭化珪素粉末より形状が大きくてカーボン粒子の大きさが20×10−6mから300×10−6mの範囲から成るとともに前記炭化珪素粉末100重量部に対して1から15重量部の複数のカーボン粒子と、前記各カーボン粒子と炭化珪素粉末との間を結合する珪素(Si)とカーボン(C)とを反応させて変換した炭化珪素固体および反応せずに残留する前記珪素固体との焼結組織を有する焼結体に前記摺動面を有し、前記焼結体を熱処理して前記カーボン粒子の前記摺動面に形成した凹部状の気孔を有するものである。
【0013】
この請求項1に係わる本発明の摺動部品では、熱処理により焼結体中の炭素を溶融Siと反応させて変換した炭化珪素固体と、反応せずに残留するSi固体(珪素金属)との組織による薄い層により、大きい粒子の各カーボン粒子と各炭化珪素粉末との境堺相を強力に結合しているので摺動面の強靱性が発揮できる。その結果、カーボン粒子は20×10 −6 mから300×10 −6 mの範囲に大きくできるので、カーボン粒子による潤滑能力が向上する。
なお、この炭化珪素固体とSi固体との反応焼結体は、カーボン粒子より硬質で、しかも、強度を有する材質である故に、結合力が強い。同時に、炭化珪素固体とSi固体の焼結組織層は、炭化珪素よりは、硬度は低いが、弾性率が大きい上に強度を有するので、破損しにくい。
又、従来の常圧焼結炭化珪素体は、気孔を形成するときに2000℃以上の温度で焼結しなければならないから、全体が14%から17%も収縮すると言われている。
一方、本発明の炭化珪素固体とSi固体(珪素金属)との焼結組織は、炭化珪素粉末とカーボン粒子とを造粒時に被覆した薄い被覆層を変換した反応炭化珪素固体とSi固体との組織層で結合しているので、密封環のシール面として必須要件とする収縮や変形が小さく、結合力も強力である。
また、炭化珪素粉末とカーボン粒子とを直接結合する炭化珪素固体とSi固体との緻密な組織層によって摺動面を鏡面状に形成することが可能である。この為に、摺動面に点在するカーボン粒子による潤滑と、大きいカーボン粒子に設けた凹部状の気孔に介在する潤滑液による潤滑は、更なる摺動面の摺動抵抗を低減することが可能になる。さらに、気孔の平面寸法を大きくしても、深さを深くしても炭化珪素固体とSi固体との焼結組織は、カーボン粒子との結合力が良いから、気孔の縁から損傷するのを効果的に防止できる。
【0014】
請求項2に係わる本発明の摺動部品は、前記気孔は前記摺動面の平面寸法が20×10 −6 mから300×10 −6 mの長さで、且つ前記摺動面からの深さ寸法が20×10 −6 m以上で前記気孔の底面が前記カーボン粒子により形成されているものである。
【0015】
この請求項2に係わる本発明の摺動部品では、摺動面のカーボン粒子の表面から燃焼させて気孔に形成しているので、平面寸法の大きい気孔ができるとともに、カーボン粒子を完全に燃焼して除去させていないようにすれば、気孔の周面層に燃焼に応じて微少な気孔もできる。そして、20×10 −6 m以上の気孔内に存在する十分な潤滑液が減少してもカーボン粒子の周面層に含まれた潤滑液がはみ出して摺動面の摺動と共に潤滑作用をする。叉、摺動面の気孔はカーボン粒子を燃焼させて形成するから、気孔の内周面に気孔よりも更に微細な気孔を形成することも可能であり、湿潤性に優れる。
そして、カーボン粒子はコストが安価で、更に、カーボン粒子に気孔を形成するための製作コストも安くできる。更に叉、従来のように成形中にポリスチレンビーズが圧縮されて気孔が小さくなることもなく、燃焼時間に応じて設計通りの気孔の大きさに形成できる。
【0016】
請求項3に係わる本発明の摺動部品の製造方法は、炭化珪素粉末100重量部を含む焼結粉末に対して、大きさが20×10−6mから300×10−6mのカーボン粒子を1から15重量部と、8から20重量%の高炭化率の樹脂を溶解して溶解樹脂にし、前記溶解樹脂を前記炭化珪素粉末と前記カーボン粒子との外周に付着させるとともに造粒に形成し、その造粒粉を成形して成形体にし、前記成形体を真空叉は不活性雰囲気中で昇温させて含有する前記樹脂を炭素に変化させるとともに焼結体を形成し、次に熱処理により前記焼結体中の炭素を溶融Siと反応させて変換した炭化珪素固体と残留するSi固体により前記カーボン粒子と前記炭化珪素粉末との間を結合させた反応焼結体を形成し、前記反応焼結体を加工して摺動面を形成した後に、気体雰囲気中で加熱し、カーボン粒子の摺動面の内周を燃焼除去して凹部の気孔に形成したものである。
【0017】
請求項3に係わる本発明の摺動部品の製造方法では、焼結体に含有させたカーボン粒子を燃焼させて除去し、気孔を形成するものであるから、従来のように焼結工程に於いて樹脂粒子(ポリスチレンビーズ)を高温度の熱により昇華放散して気孔を成形するものとは異なり、生産コストを安価にして、気孔の機能を向上させることができる。しかも、樹脂昇華ガスにより焼結炉内外が汚染されて公害になるのを効果的に防止できる。この汚染防止のためのコストを低減できる。
更に、摺動面にけるカーボン粒子の燃焼による気孔は、大気中で500°Cから800°Cの低温で数分から数十分加熱するだけで形成できるから、電力等の加熱費用が低く、生産コストが低減できる。
更に、カーボン粒子は、低コストであり、気孔を成形のための燃焼ガスは大気を利用できるので、生産コストを低減できる。
しかも、溶融Siとカーボン粒子/SiC粉末との濡れ性は極めて良好なために、焼結体に強靱性があり、且つ摺動面は鏡面状に形成することが可能であるので、潤滑をすれば摺動抵抗の低減と共に、摺動面のシール能力も向上する。
そして、カーボン粒子の気孔の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に燃焼させるものであるから、加熱温度と時間で気孔の深さを管理できる。この為に、気孔の設計が容易である。その上、気孔の底部のカーボン粒子は加熱されて燃焼により微細気孔部に変化しているから、潤滑液の吸着性に優れた形状に形成できる。そして、摺動面の摩擦係数を小さくして摩耗量を低減した高荷重用の摺動部品を得ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態に係わる摺動部品を詳述する。
図1は、本発明に係わる第1実施の形態を示すものであって、焼結体の摺動面を加熱してカーボン粒子に気孔を形成した摺動面の光学顕微鏡の拡大写真である。更に、図2は図1に示す摺動部品を試験した試験機の半断面図である。
【0019】
図1に於ける摺動部品1の製造方法を説明する。
この摺動部品1の製造方法の第1段階は、粒子径が4×10−6の炭化珪素粉末を25重量部と、粒子径が8×10−6mの炭化珪素粉末を75重量部に対して炭化率55%のフェノール樹脂を12重量部と、粒子径が40×10−6〜60×10−6mのカーボン粒子を5重量部とを混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末0.3重量部と、カーボンブラック0.8重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール3重量部を添加する。そして、水を加えながら40%の濃度のスラリー状態にしてから、造粒した。 このカーボン粒子の大きさは、粒子径が20×10−6〜300×10−6mの範囲にすると良く、形状は球形状にすることが好ましい。しかし、カーボン粒子は、球状に限らず、その他の形状でも効果は球状と同様に発揮する。叉、前記のカーボン粒子の添加量は、3から15重量部とすることが好ましい。さらに、前記のカーボン粒子の添加量は、1から15重量部までの範囲にしても良い。更には、カーボン粒子10を1〜18重量部まで高めることもできる。しかし、カーボン粒子を18重量部以上に高めすぎると摺動部品1としての強度の点で問題になる。
【0020】
次に、このスラリーをボールミルの内で12時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が80×10−6mの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、120MPaの圧力で圧縮成形する。
更に、この成形体を真空雰囲気中で昇温し1000°Cまでに樹脂などを炭化させ、続いて1500°Cで溶融Si接触させて反応焼結を開始させると共に、2時間持続させて焼結する。この2時間前後焼結することにより、カーボン粒子は炭化珪素の組織内に分散含有して緻密な反応焼結炭化珪素体を得ることができる。
【0021】
次に、反応焼結体の摺動面2に相当する加工面を形成する。この加工面は、研磨叉はラップ仕上げ加工により行うと良い。
この炭化珪素5の焼結体の摺動面には、カーボン粒子(図1においてカーボン粒子に気孔10を形成しているために、符号は省略するが同じ位置を示す)が多数点在するが、研磨仕上げによりカーボン粒子も加工されて摺動面の一部となる。
【0022】
この研磨加工した焼結体を加熱炉に投入し、焼結体を大気雰囲気中で360°C/Hの速度で昇温する。昇温して800°Cの温度に達した後に略30分間その温度で加熱する。その後、この焼結体を炉内で徐々に冷却する。この冷却した焼結体は摺動部品1となる。図1は、この摺動部品1の一部を示す摺動面2を光学顕微鏡で写真にしたものである。
この図1に於いて、炭化珪素5の摺動面2に分布するカーボン粒子に気孔10を形成する。叉、Si固体20は、炭素と反応せずに残留した(金属)Siの組織である。このSi20は、加熱中に溶融Si20にされて一部が樹脂を炭化した炭素と反応して炭化珪素固体5になるが、残りのSi固体20は炭化珪素(SiC)5およびカーボン粒子との濡れ性が良好なために、図1に示すように反応した炭化珪素固体5とともに、炭化珪素5とカーボン粒子との周囲の隙間を埋め尽くすことになる。その結果、摺動面に気孔径(気孔長さ)が40×10−6mから60×10−6mの範囲の気孔10を分散したものが後工程で容易に得られる。この摺動面の面積割合に対する気孔率は6%である。なお、摺動面の面積割合に対する気孔率は3%から15%の範囲である。そして、摺動面2は炭化珪素固体5とSi固体20が炭化珪素5とカーボン粒子の境堺相に含有して強靱であり、この摺動面を研磨すると鏡面状の平面となる。
【0023】
図1示すように、炭化珪素5の焼結体1には、多数のカーボン粒子に設けた気孔10が点在している。この気孔10は、焼結体の状態から酸素を含む気体雰囲気中で500°Cから800°Cの範囲の温度で加熱すると、図1に示すように、カーボン粒子の加工面(摺動面2)が燃焼して凹部状の気孔10に形成される。又、気孔10の周面におけるカーボン粒子には燃焼によって微細な気孔が形成される。この気孔10の大きさは、カーボン粒子の内周で平面寸法が20×10−6から300×10−6mの範囲であり、深さHは20×10−6以上にすると良い。
【0024】
この気孔10の深さは、一定の燃焼条件で、燃焼時間を管理することにより決められる。例えば、気孔10の深さは、700°Cの温度の大気中の雰囲気で6分間加熱すると、3×10−6から5×10−6mの深さの気孔10が形成される。この燃焼割合から摺動面2に気孔の深さを形成することができる。更に、気孔10内にカーボン微粒子を介在させることも可能である。その結果、カーボン粒子等による潤滑効果が発揮できる。また、気孔10を形成する燃焼時間を短時間することができるから、摺動部品1の製造コストも低減できる。叉、炉内の気体雰囲気は大気で十分であるから、ガスのコストも安くなり、更には、燃焼時間が短時間であるから、公害となる燃焼ガスの発生も少なくできる。そして、従来のように炉内の環境を悪化させて高価な炉の寿命が短くなるのを、炉内の大気雰囲気による燃焼処理により防止できる。
【0025】
カーボン粒子の摺動面2を燃焼させて気孔10を形成することにより潤滑液を気孔10の内部に含有させることが可能になる。叉、炭化珪素5粉末の摺動面2における境堺相も図1に示すように反応した炭化珪素固体とSi固体20が介在した組織により強靱であると共に、摺動面2を鏡面状にすることが可能になる。その上、カーボン粒子内の保湿効果により潤滑性が発揮される。
【0026】
摺動部品1は上述のようにして製造される。摺動部品1は、例えば、メカニカルシールの密封環、軸受けの軸受部、ピストンリング等の摺動面叉はシール面に利用することが可能になる。
【0027】
この摺動面2に潤滑液が介在すると、先ず気孔10に潤滑液が蓄えられる。そして、摺動時に気孔10から潤滑液が供給される。この為に、摺動面3は潤滑効果により摩耗するのが防止される。
叉、摺動面2が高負荷状態になっても、炭化珪素5の焼結体とカーボン粒子とは焼結時に結合していると共に、反応した炭化珪素固体とSi固体20により炭化珪素5およびカーボン粒子間は強力に結合しているので、気孔10の周縁は損傷から保護される。そして、気孔10による潤滑効果とともに、鏡面状の摺動面2により摩擦を低減し、摺動面2の摩耗や損傷を防止する。
【0028】
次に、図1に示す摺動部品1の試験片を図2に示す摺動試験機により実験した。
図2は、この試験片を試験した摺動試験機の半断面図である。摺動試験機のケーシング23には、試験液である被密封流体Sが入れられるように空室に形成されている。この空室内に一端側が嵌挿された回転軸24が設けられている。回転軸24の一端にはフランジが設けられており、このフランジに取り付けられたばね27を介して試験用回転摺動部品25が弾発に押圧されている。この試験用回転摺動部品25の取付面から被密封流体Wが漏洩しないようにパッキン26が設けられている。
一方、ケーシング23には、試験用回転摺動部品25に対向する位置に試験用固定摺動部品21が設けられている。この試験用固定摺動部品21も取付面から被密封流体Sが漏洩しないようにガスケット22が設けられている。
この試験用固定摺動部品21と試験用回転摺動部品25は本発明の図2に示す摺動部品1を加工して製作したものである。
【0029】
次に、比較例の炭化珪素摺動部品について述べる。
この摺動部品の製造方法は、粒子径0.4×10−6〜0.8×10−6mの炭化珪素粉末100重量部に対して粒子径が35×10−6〜45×10−6mのポリスチレンビーズを5重量部を混合すると共に、焼結助剤として炭化硼素粉末0.3重量部と、カーボンブラック0.8重量部とを混合する。更に、成形バインダーとしてポリビニルアルコール3重量部を添加する。そして、水を加えながら40%の濃度のスラリー状態に構成する。
次に、このスラリーをボールミルの内で12時間に渡り混練し、スプレイドライヤにより平均径が80×10−6mの成形用顆粒体に形成する。この焼結用の顆粒体を成形金型に充填し、120MPaの圧力で圧縮成形する。
この成形体を次の工程で焼結して焼結体に形成するが、焼結工程中の仮焼結時にポリスチレンビーズを分解・昇華して球状の気孔に形成する。この焼結体を研磨加工して摺動面に気孔を設けた試験用摺動部品を得る。この摺動面の気孔は図1のカーボン粒子が消滅したような球状を任意に切断したものが多数点在する。この炭化珪素焼結摺動部品を比較例として用いるために試験用固定摺動部品と試験用回転摺動部品に製作した。
【0030】
図2の摺動試験機に、本発明の試験用固定摺動部品21と試験用回転摺動部品25を取り付けて試験した。この試験条件は、
1)被密封流体 ・・・水
2)摺動面の周速 ・・・6.3m/s
3)摺動時間 ・・・70時間
4)被密封流体の温度・・・80℃
5)摺動面圧 ・・・0.8MPaである。
【0031】
この実験により摺動部品の摺動面の摩耗量を試験した。その結果は以下の通りである。
A.本発明の摺動部品の試験結果。
本発明の試験用固定摺動部品21は、0.3×10−6mの摩耗量である。
本発明の試験用回転摺動部品25は、0.3×10−6mの摩耗量である。
B.比較例の摺動部品の試験結果。
比較例の試験用固定摺動部品21は、0.5×10−6mの摩耗量である。
比較例の試験用回転摺動部品25は、0.6×10−6mの摩耗量である。
特に、高負荷条件になると、本発明の摺動部品1の摩耗量が増加しないのに対し、比較例の摺動部品1の摩耗量が増加すると共に、摺動面のシール能力が低下する傾向にある。
そして、本発明の摺動部品1は、高負荷に於いて摩擦係数が小さく、且つ摺動面の平面度が保持される。その結果、メカニカルシール等に利用してシール能力の点でも優れた効果が得られる。
【0032】
【発明の効果】
本発明に係わる摺動部品によれば、請求項1から2に記載した構成により、摺動面のカーボン粒子の上面を酸素雰囲気中の燃焼により気孔に形成しているので、摺動面の気孔内に存在する潤滑液が摺動面に介在して潤滑作用を発揮する効果が期待できる。更に、焼結体の製造工程はコストが安いから、焼結部品を安価にすることが可能になる。
【0033】
更に、摺動面に微小なカーボン粉末が介在して摺動面の摩擦係数を低減させると共に、溶融Siとカーボン/SiCとの漏れ性が極めて良好なために炭化珪素間には不用な間隙が形成されず、強靱性が発揮されると共に、摺動面は鏡面状に形成されて摺動面の摩耗を防止する効果が発揮される。更に、摺動面のシール能力が向上する。
同時に、摺動面の強靱化は、気孔の縁が重負荷の摺動時に破損するのを保護する効果を奏する。
【0034】
更に、本発明に係わる摺動部品の製造方法によれば、摺動面の気孔はカーボンを大気で燃焼させて形成するものであり、従来のように焼結工程に於いて樹脂粒子を高温熱により昇華放散して気孔を成形するものではないから、樹脂昇華ガスにより焼結炉内が汚染されるのを効果的に防止できる。叉、この汚染防止のための製造コストを低減できる効果を奏する。
更に、摺動面のカーボン粒子における気孔は大気中で数分から数十分加熱するだけで気孔が形成できるから生産コストが低減できる効果を奏する。
更に、カーボン粒子の材料は低コストであり、気孔を成形のためのカーボンもSiの添加により結合力が強化され、更に、カーボンの燃焼温度も低温であるから、生産コストを低減できる。
そして、カーボン粒子の気孔の深さは、カーボン粒子の表面を徐々に酸化させて焼失するものであるから、加熱時間の管理で気孔の深さを決定できるので、気孔の設計が容易であり、気孔の深さにより摺動抵抗を設計通りに低減可能になる効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる1実施の形態を示すものであって、摺動部品の摺動面を示す一部の顕微鏡写真である。
【図2】本発明に係わる摺動部品の試験機の断面図である。
【図3】従来例の摺動部品の摺動面の正面図である。
【符号の説明】
1 摺動部品
2 摺動面
5 炭化珪素
10 気孔
20 Si
21 試験用固定摺動部品
22 ガスケット
23 ケーシング
24 回転軸
25 試験用回転摺動部品
26 パッキン
27 ばね
S 被密封流体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sliding component having improved lubricity of sliding surfaces such as a seal ring of a mechanical seal, a bearing, and a piston ring. In particular, the present invention relates to a high-load sliding component in which the friction coefficient of the sliding surface is reduced to reduce the amount of wear.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Publication No. 5-69066 exists as a prior art of sliding parts according to the present invention.
The sliding component described in this publication is a sintered product of porous silicon carbide, and is attached as one or both seal rings of a mechanical seal. The mechanical seal is used for a pump or a refrigerator to seal a liquid such as water.
[0003]
In this mechanical seal, a sliding part is used as a seal ring, and a fixing ring is made of silicon carbide or carbon material. The high pressure P1 side and the low pressure P2 side are sealed by the close contact between the seal ring and the fixing ring.
This seal ring is a silicon carbide sintered body in which spherical pores having an average pore diameter of 10 × 10 −6 m to 40 × 10 −6 m are scattered in the crystal structure to improve sliding characteristics.
[0004]
The pores formed on the sliding surface of the silicon carbide sintered body are those in which polystyrene beads are added before sintering, and the pores are formed by decomposition and sublimation during temporary sintering. As a result, the silicon carbide sintered body is interspersed as the pores are chained in the crystal grains to reduce the bonding force between the silicon carbide particles. Furthermore, since polystyrene beads are compressed during compression molding, it is difficult to form the average pore diameter as set. Since the load capacity decreases, the amount of wear increases under severe sliding conditions.
Further, since the pores in this silicon carbide sintered body are a sintered body made of only silicon carbide, there is no moisture retention, and the inside of the pores tends to become dry as the sliding surface generates heat. For this reason, it cannot be expected that the friction coefficient is reduced for high loads.
In this manufacturing method, polystyrene beads are sublimated and diffused by heat during sintering, and the sublimation gas of the beads adheres in the sintering furnace or in the passage to induce contamination. Various improvements have been made to solve this problem, but no effective technical and cost problems can be found.
[0005]
In addition, if the pores scattered on the sliding surface of the seal ring slide under severe conditions with the fixed ring made of silicon carbide material, it will break from around the pores of the seal ring, and the powder will intervene on the sliding surface. This will promote wear of the sliding surface. In addition, when the fixing ring is made of carbon material, the sliding surface of the carbon material can be scraped off during sliding due to the pores of the seal ring. The flatness of the sliding surface of the ring deteriorates.
[0006]
Next, there exists a sealing ring of a mechanical seal as shown in FIG. 3 relating to the present invention as an improvement in the above-described reduction in strength of the sliding component and leakage of the sealed fluid. This mechanical seal is configured in the same manner as the above-described mechanical seal. The sliding surfaces of the fixed ring held by the housing and the driven
[0007]
A large number of
[0008]
As an application of the
[0009]
As described above, the
The disappearance of the lubricating liquid on the sliding surface promotes wear as well as heat generation on the sliding surface, and eventually destroys the edge of the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the problem to be solved by the invention is to retain a lubricating liquid on a sliding surface to achieve a lubricating action and to reduce a friction coefficient. That is. Furthermore, the sliding surface of the hard material is mirror-like, and the shape of the pores for retaining the lubricating liquid and the pore area ratio with respect to the sliding surface are easily obtained. Furthermore, the durability of the sliding surface is improved by preventing the sliding surface from being worn and damaged under high load and severe sliding conditions.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the technical problems as described above, and means for solving the technical problems are configured as follows.
[0012]
The sliding component of the present invention according to
Sintered silicon carbide powder as a base material, and a silicon carbide powder having a shape larger than that of the silicon carbide powder and having a carbon particle size ranging from 20 × 10 −6 m to 300 × 10 −6 m. 1 to 15 parts by weight of a plurality of carbon particles with respect to 100 parts by weight, and silicon carbide converted by reacting silicon (Si) and carbon (C) for bonding between the carbon particles and the silicon carbide powder. A recess formed on the sliding surface of the carbon particles by having the sliding surface on a sintered body having a sintered structure with the solid and the silicon solid remaining without reacting and heat-treating the sintered body It has a shape-like pore .
[0013]
In the sliding component according to the first aspect of the present invention, a silicon carbide solid converted by reacting carbon in the sintered body with molten Si by heat treatment and a Si solid (silicon metal) remaining without reaction. The thin layer of the structure strongly bonds the boundary phase between each carbon particle of a large particle and each silicon carbide powder, so that the toughness of the sliding surface can be exhibited. As a result, the carbon particles can be enlarged in the range of 20 × 10 −6 m to 300 × 10 −6 m, so that the lubricating ability by the carbon particles is improved.
The reaction sintered body of the silicon carbide solid and the Si solid is harder than the carbon particles and has a high bonding strength because it is a material having strength. At the same time, the sintered structure layer of the silicon carbide solid and the Si solid has a lower hardness than silicon carbide, but has a high elastic modulus and strength, and is not easily damaged.
Further, the conventional atmospheric pressure sintered silicon carbide body is said to shrink by 14% to 17% as a whole because it must be sintered at a temperature of 2000 ° C. or higher when pores are formed.
On the other hand, the sintered structure of the silicon carbide solid and the Si solid (silicon metal) of the present invention is obtained by reacting the silicon carbide powder and the carbon particles with a thin coating layer formed during granulation. Since it is bonded with the tissue layer, the shrinkage and deformation required as a sealing surface of the sealing ring are small, and the bonding force is also strong.
In addition, the sliding surface can be formed into a mirror surface by a dense structure layer of silicon carbide solid and Si solid that directly bonds silicon carbide powder and carbon particles . For this reason, lubrication by the carbon particles scattered on the sliding surface and lubrication by the lubricating liquid interposed in the concave-shaped pores provided on the large carbon particles can further reduce the sliding resistance of the sliding surface. It becomes possible. Further, even by increasing the planar dimensions of the pores, even if deep depth sintering tissue silicon carbide solids and Si solid, because bonding force between carbon particles is good, from being damaged from the edge of the pore It can be effectively prevented.
[0014]
The sliding component of the present invention according to claim 2 is characterized in that the pores have a plane dimension of 20 × 10 −6 m to 300 × 10 −6 m and a depth from the sliding surface. The size is 20 × 10 −6 m or more, and the bottom surfaces of the pores are formed by the carbon particles .
[0015]
The sliding component of the present invention relating to the Claim 2, since the formed pores by burning the surface of the carbon particles of the sliding surface, it is a large pore planar dimensions, completely burning the carbon particles if so not to remove Te may fine pores according to the combustion on the peripheral surface layer of the pores. Then, the lubricating action with sliding of 20 × 10 -6 sliding surface lubricant contained in the peripheral surface layer is extrusion of the carbon particles be sufficient lubricating liquid is reduced existing in more pores m . Or, because the pores of the sliding surface is formed by burning the carbon particles, it is also possible to form a finer air pores than the pores on the inner peripheral surface of the pores, excellent wettability.
The carbon particles are cost inexpensive, furthermore, Ahn also manufacturing cost for forming the pores in the carbon particles Kudekiru. Furthermore, the pores in the polystyrene beads during molding as in the prior art is compressed is smaller rather than be formed on the pore size as designed in accordance with the burning time.
[0016]
Method for producing a sliding component of the present invention relating to claim 3, carbide the sintered powder silicofluoride including
[0017]
In the method of manufacturing the sliding component of the present invention according to
Furthermore, the pores by combustion of the carbon particles to kick the sliding surface, since it is formed only by heating several minutes to several tens of minutes at a low temperature of 800 ° C from 500 ° C in air, it has a low heating costs such as electric power, production Cost can be reduced.
Furthermore, the carbon particles are low in cost, and the combustion gas for forming the pores can use the atmosphere, so that the production cost can be reduced.
Moreover, since very wettability with molten Si and carbon particles / SiC powder good, there is a toughness in the sintered body, because and sliding surfaces is possible that form the mirror surface, the lubricant This reduces the sliding resistance and improves the sealing performance of the sliding surface.
And since the depth of the pores of the carbon particles gradually burns the surface of the carbon particles, the depth of the pores can be managed by the heating temperature and time. For this reason, the pore design is easy. Moreover, since the carbon particles at the bottom of the pore is changed to the fine pore portion by combustion is heated, Ru can be formed in excellent shape adsorption of the lubricating fluid. And the sliding component for heavy loads which reduced the friction coefficient of the sliding surface and reduced the amount of wear can be obtained.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the sliding component according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention, and is an enlarged photograph of an optical microscope of a sliding surface in which pores are formed in carbon particles by heating the sliding surface of a sintered body. Further, FIG. 2 is a half sectional view of a testing machine for testing the sliding component shown in FIG.
[0019]
A method for manufacturing the sliding
The first stage of the manufacturing method of the sliding
[0020]
Next, this slurry is kneaded for 12 hours in a ball mill, and formed into a granule for molding having an average diameter of 80 × 10 −6 m by a spray dryer. The granule for sintering is filled in a molding die and compression molded at a pressure of 120 MPa.
Further, this molded body is heated in a vacuum atmosphere to carbonize resin up to 1000 ° C, and then contacted with molten Si at 1500 ° C to start reaction sintering and continue for 2 hours to sinter. To do. By sintering for about 2 hours, the carbon particles can be dispersed and contained in the silicon carbide structure to obtain a dense reaction sintered silicon carbide body.
[0021]
Next, form a working surface corresponding to a sliding surface 2 of the anti応焼sintered. This processed surface may be polished or lapped.
The sliding surface of the sintered body of
[0022]
This polished sintered body is put into a heating furnace, and the temperature of the sintered body is increased at a rate of 360 ° C./H in the air atmosphere. After raising the temperature to reach a temperature of 800 ° C., heating is performed at that temperature for about 30 minutes. Thereafter, the sintered body is gradually cooled in the furnace. This cooled sintered body becomes the sliding
In FIG. 1, pores 10 are formed in the carbon particles distributed on the sliding surface 2 of the
[0023]
As shown FIG. 1, the
[0024]
The depth of the
[0025]
It is possible to be contained in the interior of the
[0026]
The sliding
[0027]
When the lubricating liquid is present on the sliding surface 2, the lubricating liquid is first stored in the
Even if the sliding surface 2 is in a high load state, the sintered body of the
[0028]
Next, the test piece of the sliding
FIG. 2 is a half cross-sectional view of a sliding tester for testing the test piece. A
On the other hand, the
The test fixed sliding
[0029]
Next, a silicon carbide sliding part of a comparative example will be described.
The method for manufacturing a sliding component, particle size 0.4 × 10 -6 ~0.8 × 10 -6 m of the
Next, this slurry is kneaded for 12 hours in a ball mill, and formed into a granule for molding having an average diameter of 80 × 10 −6 m by a spray dryer. The granule for sintering is filled in a molding die and compression molded at a pressure of 120 MPa.
This molded body is sintered to form a sintered body in the next step, and the polystyrene beads are decomposed and sublimated to form spherical pores during temporary sintering during the sintering process. The sintered body is polished to obtain a test sliding part having pores on the sliding surface. The pores on this sliding surface are dotted with a number of spherical shapes obtained by arbitrarily cutting the spherical particles of FIG. In order to use this silicon carbide sintered sliding part as a comparative example, it was fabricated into a test sliding sliding part and a testing rotary sliding part.
[0030]
The test fixed sliding
1) Fluid to be sealed: water 2) Peripheral speed of sliding surface: 6.3 m / s
3) Sliding time: 70 hours 4) Temperature of sealed fluid: 80 ° C
5) Sliding surface pressure: 0.8 MPa.
[0031]
By this experiment, the amount of wear on the sliding surface of the sliding component was tested. The results are as follows.
A. The test result of the sliding component of this invention.
The test fixed sliding
The test
B. The test result of the sliding part of a comparative example.
The test fixed sliding
The test
In particular, under high load conditions, the amount of wear of the sliding
And the sliding
[0032]
【The invention's effect】
According to the sliding component according to the present invention, since the upper surface of the carbon particles on the sliding surface is formed in the pores by combustion in an oxygen atmosphere with the configuration described in
[0033]
In addition, a minute carbon powder is interposed on the sliding surface to reduce the friction coefficient of the sliding surface, and since the leakage between molten Si and carbon / SiC is extremely good, there is an unnecessary gap between silicon carbide. Not formed, toughness is exhibited, and the sliding surface is formed in a mirror shape, and the effect of preventing wear of the sliding surface is exhibited. Furthermore, the sealing ability of the sliding surface is improved.
At the same time, the toughening of the sliding surface has the effect of protecting the edges of the pores from being damaged during heavy load sliding.
[0034]
Furthermore, according to the method for manufacturing a sliding component according to the present invention, the pores on the sliding surface are formed by burning carbon in the atmosphere. Therefore, the inside of the sintering furnace can be effectively prevented from being contaminated by the resin sublimation gas. In addition, the manufacturing cost for preventing the contamination can be reduced.
Furthermore, since the pores in the carbon particles on the sliding surface can be formed only by heating for several minutes to several tens of minutes in the atmosphere, the production cost can be reduced.
Furthermore, the carbon particle material is low-cost, carbon for forming pores is strengthened by the addition of Si, and the carbon combustion temperature is also low, so the production cost can be reduced.
And since the pore depth of the carbon particles gradually oxidizes the surface of the carbon particles and burns away, the pore depth can be determined by managing the heating time, so the pore design is easy. It can be expected that the sliding resistance can be reduced as designed by the depth of the pores.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial micrograph showing a sliding surface of a sliding part according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a sliding part testing machine according to the present invention.
FIG. 3 is a front view of a sliding surface of a sliding component of a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
21 Fixed sliding part for
S Sealed fluid
Claims (3)
焼結して基材となる炭化珪素粉末と、
前記炭化珪素粉末より形状が大きくてカーボン粒子の大きさが20×10−6mから300×10−6mの範囲から成るとともに前記炭化珪素粉末100重量部に対して1から15重量部の複数のカーボン粒子と、
前記各カーボン粒子と炭化珪素粉末との間を結合する珪素(Si)とカーボン(C)とを反応させて変換した炭化珪素固体および反応せずに残留する前記珪素固体との焼結組織を有する焼結体に前記摺動面を有し、前記焼結体を熱処理して前記カーボン粒子の前記摺動面に形成した凹部状の気孔を有することを特徴とする摺動部品。A sliding component having a sliding surface for sealing ,
Silicon carbide powder to be sintered and used as a base material;
A plurality of 1 to 15 parts by weight based on said silicon carbide powder 100 parts by weight with the size of the carbon particles larger shape than the silicon carbide powder consists of a range of 20 × 10 -6 m of 300 × 10 -6 m Carbon particles,
It has a sintered structure of silicon carbide solid converted by reacting silicon (Si) and carbon (C) which binds between each carbon particle and silicon carbide powder, and the silicon solid remaining without reacting. has the sliding surface on the sintered body, said having a concave-shaped pores formed on the sliding surface sliding element, characterized in Rukoto of the carbon particles by heat-treating the sintered body.
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