JP4094176B2 - mechanical seal - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動面間に流体による潤滑膜が形成されない無潤滑状態で摺動する静止側密封要素及び回転側密封要素を有するメカニカルシール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(回転側密封要素)と、非回転のハウジング側に設けられた静止側の摺動材(静止側密封要素)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るため、前記摺動材には低摩擦性及び耐摩耗性に優れた材料が選択される。特に、摺動面間に流体潤滑膜が供給されない無潤滑状態で摺動される摺動材には、優れた自己潤滑性及び耐摩耗性が求められ、従来から、例えばカーボン材料、黒鉛、ガラス繊維、炭素繊維、金属粉等を主原料とする骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂からなる材料が用いられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボン材料の場合は、真空中、還元ガス中、あるいは露点温度の低い乾燥空気中等の雰囲気においては、カーボンの潤滑性が失われて著しい摩耗を発生する場合がある。
【0004】
また、骨材を配合した四フッ化エチレン樹脂摺動材料においては、上記雰囲気による影響を比較的受けにくいが、僅かな摩耗は発生する。特に、食品や医薬品の製造過程で使用される撹拌機等では、衛生面や製品の特性上から異物の侵入を極力防止する必要があり、したがってこのような機器に使用されるメカニカルシールも、製造される食品等への摩耗粉の混入を極力防止するため、無潤滑の状態においても摺動材の摩耗による摩耗粉の発生を全くなくすか、極めて微量にする必要がある。そしてこのような観点から、四フッ化エチレン樹脂摺動材料では、配合する骨材の種類や配合比率に関してさまざまな検討が加えられ、耐摩耗性の向上が図られている。
【0005】
しかしながら、四フッ化エチレン樹脂摺動材料は、潤滑性はあるが耐摩耗性に乏しい四フッ化エチレン樹脂が70%程度を占めることから、耐摩耗性の向上には限界があり、使用可能な範囲が限られたものとなっている。近年では、カーボン等の自己潤滑物質を配合したセラミックスや、自己潤滑物質を配合した金属材を、無潤滑での摺動材として使用する場合もあるが、真空状態、加圧状態といった条件が繰り返される場合は、摺動面の「かじり」や潤滑不良に起因する「鳴き」等が発生し、摩耗粉の発生が起こる。設計的には、摺動面に溝を設けることによって摺動時に摺動面間に気体膜が形成されるようにし、摺動材の負担を軽減することも試みられているが、低速回転条件や、上述のように真空状態、加圧状態といった条件が繰り返される場合は、十分な効果が発揮されない。
【0006】
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、潤滑油や液体の存在しない雰囲気や、流体による潤滑の期待できない環境条件において、優れた摺動性及び耐摩耗性を発揮することのできる摺動材料を有するメカニカルシール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、本発明に係るメカニカルシールは、摺動面間に流体による潤滑膜が形成されない無潤滑状態で摺動する静止側密封要素及び回転側密封要素を有し、前記静止側密封要素及び回転側密封要素はそれぞれ基材表面に、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン又はフッ化黒鉛よりなる自己潤滑物質の中から一種類以上が選択される固体潤滑材料と、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂である結合材と、の混合液を塗布コーティングされた摺動皮膜を有する摺動材料よりなるメカニカルシールであって、前記基材は、前記静止側密封要素及び回転側密封要素共に炭化珪素又はカーボンからなり、前記基材の摺動側端面の表面は、前記混合液のコーティング前に、ダイヤモンドペーパ又はダイヤモンド砥粒によって面荒らしを行った後、微細凹部を残して微細凸部の突端が平坦に研磨されていることを特徴とするものである。
【0008】
すなわち本発明において、基材として使用されるセラミックスやカーボンは耐蝕性に優れると共に弾性変形しにくく、熱伝導性にも優れ、それ自体も所要の自己潤滑性を有するものである。その選定の根拠は、第一に、コーティングされる摺動皮膜との接合界面の腐食による摺動皮膜を防止することにある。第二に、使用雰囲気の圧力等の負荷による変形を受けにくくすることにあり、これによって、摺動皮膜の初期の表面粗さが維持されやすく、摩擦係数の変化を少なくすることにある。第三に、熱伝導性が良いことによって、摺動により発生する熱が放熱されやすく、摺動皮膜の熱負荷を軽減できることにあり、また第四に、摺動皮膜が経時的に摩耗して薄くなった場合も、摩耗によって摺動面に露出した基材によって潤滑性を著しく損ねることがなく、摺動皮膜の残存部分で基材表面における潤滑性を補助する摺動状態にできることにある。
【0009】
また、摺動皮膜を構成する固体潤滑材料及び結合材は、それぞれ摩擦係数は低いが耐摩耗性に乏しいため、単独では摺動材料としては適さず、通常は潤滑補助材や単なる結合剤としてのみ用いられるが、発明者の研究によれば、このような固体潤滑材料と結合材との混合物は、硬質で変形しにくく、かつ熱伝導性の良いセラミックスやカーボン等からなる基材の表面にコーティングすることによって著しい耐摩耗性の向上が実現できた。
【0010】
すなわち、本発明によれば、摺動皮膜を構成する固体潤滑材料及び結合材が本来有さない硬さや熱伝導性を、基材が補償する結果、耐摩耗性を向上させることができるものである。なお後述のように、摺動皮膜は優れた耐摩耗性によって摩耗の進行が著しく抑えられるので、その膜厚は10〜30μmで十分である。
【0011】
基材表面に対する摺動皮膜の接合性を良好にするためには、基材表面にある程度の表面粗さが必要であるが、その微細凹凸における突端が鋸歯状である場合は、摺動皮膜の摩耗の進行によって鋸歯状の硬質基材の突端が摺動面に露出すると、相手摺動面を削り取って損耗を早めてしまうおそれがある。本発明においては、コーティングしようとする基材の表面が、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように研磨されるので、摺動皮膜の摩耗の進行によって硬質基材の微細凸部が露出しても相手材に対する攻撃性が少ないものとなり、微細凹部を残して研磨されるので、摺動皮膜との良好な接合性も確保される。
【0012】
また、本発明に係るメカニカルシールは、静止側密封要素及びこれに摺接する回転側密封要素の双方が、上記摺動材からなるものである。これによって、流体潤滑膜が形成されない乾燥潤滑雰囲気においても、静止側密封要素と回転側密封要素の著しい耐摩耗性の向上が図られ、摩耗粉の発生を有効に抑制することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明に係る好ましい実施形態としては、基材には、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、ジルコニア、サイアロン等のセラミックス、あるいはカーボンが使用可能である。熱伝導性、耐蝕性、コーティング面の表面粗さ、硬度等によってはこの限りではないが、炭化珪素はこれらの点に鑑みて特に好ましい材料である。
【0014】
摺動面を形成する基材の表面は、その表面粗さにおける微細凸部の突端が平坦になるように、予め微細凹凸を付与すると共にラップ等による研磨を施すことによって平面度を確保する。微細凹凸の形成には、基材がセラミックス等である場合はこのセラミックスにそれより軟質の物質を配合し、この軟質部分がサンドブラスト等によって優先的に削り取られるようにする方法や、あるいは微細孔を有するマスキングを施してサンドブラストを行う方法や、ダイヤモンド粗粒によって研磨する方法等が採用される。また、球形又は不定形の無数の微細気孔を有する気孔分散型のセラミックスは、表面に露出した気孔によって適切な表面粗さが付与されるので好ましい。
【0015】
カーボンからなる基材の場合は、表面粗さが粗くなる傾向があるので、必要以上に粗くならないように注意する。表面粗さが粗過ぎると、コーティングされる摺動皮膜の膜厚が薄くなってしまうからである。金属材料からなる基材に表面粗さを付与する方法としては、セラミック砥粒によるサンドブラストが有効であるが、この場合も表面粗さが粗くならないように注意する。
【0016】
基材の表面にコーティングされる摺動皮膜は、結合材に固体潤滑材料を配合した材質からなるものである。前記固体潤滑材料としては、典型的には、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛等など、よく知られた自己潤滑物質から一種類以上選択されるが、自己潤滑性に優れていることや、雰囲気流体による影響を受けにくい点からは、四フッ化エチレン樹脂が最も好ましい。
【0017】
また、上記固体潤滑材料の粒子を摺動皮膜として結合すると共に基材の表面に定着する結合材には、耐熱性、結合力、造膜性及び耐摩耗性に優れていることが求められる。典型的には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂から選択され、適当な溶剤等の媒体に溶解又は分散して使用する。この結合材の選定や、固体潤滑材料との配合比率は、熱的条件や密封対象流体の種類等、使用条件のほか、前記固体潤滑材料の種類を考慮して適切に決められる。
【0018】
摺動皮膜を基材の表面にコーティングする方法としては、特に規定するものではなく、スプレーによる吹き付けや刷毛による塗布、あるいは上述した固体潤滑材料と結合材との混合液中に浸漬するといった種々の方法が採用可能である。このようにして基材の表面に膜状に付着したコーティング層は、熱処理等を含む硬化処理によって硬化し、摺動皮膜となる。
【0019】
上記構成の摺動材は、摺動皮膜が、優れた自己潤滑性を有すること及び基材による硬度補償によって優れた耐摩耗性を有するので、例えば撹拌機における撹拌羽根の駆動軸や、一台で固液分離、洗浄、乾燥を行う多機能濾過乾燥機等の軸封部に装着されるメカニカルシールの、静止側密封要素及び回転側密封要素の双方に用いることによって、乾燥潤滑雰囲気中でも著しい耐摩耗性の向上が実現され、摩耗粉の発生が有効に抑制される。
【0020】
図1は、以下に説明する摺動試験に用いたメカニカルシール1を概略的に示すものである。このメカニカルシール1は、回転軸3の外周側を包囲するハウジング2の内周にOリング12を介して保持されると共に、係合手段13を介して回り止めされる、試料としての静止側密封要素11と、前記回転軸3の外周にパッキン15を介して軸方向移動自在に配置されると共に前記静止側密封要素11と軸方向に対向される回転側密封要素14と、この回転側密封要素14を静止側密封要素11に押し付けて摺動面11a,14a間に適当な密接荷重を付与するコイルスプリング16と、このコイルスプリング16と回転側密封要素14の間に配置された中間リング17と、前記コイルスプリング16を支持すると共に前記中間リング17を介して回転軸3の回転力を回転側密封要素14に伝達するカラー18とからなる。
【0021】
すなわちこのメカニカルシール1は、ハウジング2に保持された非回転の静止側密封要素11の摺動面11aに対して、回転軸3と共に回転される回転側密封要素14の摺動面14aが密接摺動し、これによって気体を密封対象とする軸封機能を奏するものである。
【0022】
上述のメカニカルシール1に、静止側密封要素11及び回転側密封要素14として後述する実施例1〜5の摺動材を組み込んだ場合と、比較例1,2の摺動材を組み込んだ場合とを、下記の条件によって摺動試験を行い、その結果を比較した。
[試験条件]
摺動面の周速:1m/s
摺動面の面圧:0.7kgf/cm2
雰囲気 :N2ガス 2kgf/cm2G
試験時間 :100時間
【0023】
[実施例1]
炭化珪素焼結体(比重3.10)を用いて、摺動面11aを形成する環状凸部の内径φ1=58.6mm、前記環状凸部の外径φ2=66.1mm、リング内径φ3=56mm、リング外径φ4=81mm、軸方向長さL1=27mmの、静止側密封要素11用の環状体を製作した。また、これと同材料で、摺動面14aとなる部分の内径(リング内径)φ5=56.5mm、前記摺動面14aとなる部分の外径φ6=75mm、リング外径φ7=77mm、軸方向長さL2=26.5mmの、回転側密封要素14用の環状体を製作した。次に、双方の環状体における摺動面11a,14aとなる端面を研磨ラップすることにより、前記端面の表面粗さを0.05μmRaとし、その後、9μmダイヤモンドペーパによって面荒らしを行い、更に3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面の微細凸部の頂部を平坦にカットし、表面粗さを0.3μmRaとした。次に、平均粒度5μmの四フッ化エチレン樹脂を40wt%含んだエナメル状のエポキシ樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、180℃で30分の硬化処理を行った。更に、摺動面の平坦度を出すために3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約15μmであった。
【0024】
[実施例2]
静止側密封要素11用の環状体及び回転側密封要素14用の環状体を実施例1と同形状に製作した。次に、双方の環状体における摺動面11a,14aとなる端面に、9μmダイヤモンド砥粒によって面荒らしを行い、その後、3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面の微細凸部の頂部を平坦にカットし、表面粗さを0.3μmRaとした。次に、平均粒度5μmの四フッ化エチレン樹脂を30wt%含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、260℃で30分の硬化処理を行った。次に、摺動面の平坦度を出すために3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約20μmであった。
【0025】
[実施例3]
平均粒度15μmのカーボン粉を3wt%含み、更に、不定形の気孔(平均径20μm)が表面に露出した炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素11用の環状体及び回転側密封要素14用の環状体を実施例1と同形状に製作した。そして、双方の環状体における摺動面11a,14aとなる端面に、3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを0.08μmRaとした。その後、平均粒度5μmの四フッ化エチレン樹脂を30wt%含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、260℃で30分の硬化処理を行った。その後、摺動面の平坦度を出すために3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。膜厚は約20μmであった。
【0026】
[実施例4]
平均粒度15μmのカーボン粉を3wt%含み、更に、不定形の気孔(平均径20μm)が表面に露出した炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素11用の環状体及び回転側密封要素14用の環状体を実施例1と同形状に製作した。そして、双方の環状体における摺動面11a,14aとなる端面に、3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを0.08μmRaとした。その後、平均粒度5μmの四フッ化エチレン樹脂を30wt%含んだエナメル状のポリアミドイミド樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、260℃で30分の硬化処理を行った。その後、このようにして形成された膜厚約20μmの皮膜を、平均粒度3μmのダイヤモンド分散液で削り落として、不定形気孔による微細凹部にのみ皮膜の一部を残存させ、これによって、摺動面全体の約10%に摺動皮膜が分散的に形成された状態とし、試験試料とした。
【0027】
[実施例5]
硬度110の硬質炭素材料を用いて、静止側密封要素11用の環状体を実施例1と同形状に製作した。そしてこの環状体における摺動面11aとなる端面に、6μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行うことによって、表面粗さを0.20μmRaとした。その後、平均粒度5μmの四フッ化エチレン樹脂を40wt%含んだエナメル状のエポキシ樹脂をエアスプレーによって前記端面に塗布し、乾燥後、180℃で30分の硬化処理を行った。その後、摺動面の平坦度を出すために3μmのダイヤモンド分散液で摺動面のポリシングを行い、静止側の試験試料とした。回転側の試験試料については、実施例3と同様に製作した。
【0028】
[比較例1]
平均粒度15μmのカーボン粉を3wt%含み、更に、不定形の気孔(平均径20μm)が表面に露出した、実施例3,4で使用したのと同様の炭化珪素焼結体によって、静止側密封要素11用の環状体及び回転側密封要素14用の環状体を実施例1と同形状に製作した。双方の環状体の摺動面11a,14aとなる端面にはコーティングを施さず、摺動面の平坦度を出すために3μmのダイヤモンド分散液でポリシングを行い、試験試料とした。
【0029】
[比較例2]
カーボンファイバー(平均太さ10μm,平均長さ100μmの短繊維)を15wt%含んだ四フッ化エチレン樹脂摺動材によって、静止側密封要素11用の環状体を実施例1と同形状に製作し、摺動面11aに通常の面仕上を行い、静止側の試験試料とした。回転側の試験試料は、純度99.5%のアルミナ焼結体で実施例1と同形状に製作し、摺動面14aに通常の面仕上を行った。
【0030】
下の表1は上記摺動試験の結果を示すものである。この表1から明らかなように、実施例1〜5では、100時間の摺動後における摺動面の摩耗量が0か、又は極めて微量であり、摺動に伴う発熱による摺動面の温度も比較例1,2よりも著しく低く抑えられることが確認された。しかも、不定形気孔による微細凹部によって摺動面全体の約10%程度に摺動皮膜が残存した状態とした実施例4においても、摩耗量は0であり、したがって摺動皮膜の大部分が摩滅した後も効果が持続されることが確認された。これに対し、摺動皮膜を形成しない比較例では、ある程度の摩耗が発生していることに加え、摺動面の温度が高く、比較例1では潤滑不足に起因する「鳴き」と呼ばれる摩擦音の発生があった。
【表1】
【0031】
【発明の効果】
上記試験結果からも明らかなように、本発明によると、結合材に固体潤滑材料を配合した摺動皮膜を、硬質で変形しにくく熱伝導性の良い基材の表面にコーティングすることによって、液体潤滑膜が形成されない乾燥摺動条件でも優れた潤滑性を発揮すると共に、著しい耐摩耗性の向上が実現できる。しかも、摺動皮膜の大部分が摩滅した場合でも上記効果が持続されるので、特に、摩耗粉等による異物の発生を極力防止する必要のある機器において、乾燥状態で摺動されるメカニカルシールとして、優れた効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る摺動材の評価を行うための摺動試験に用いたメカニカルシールをハウジング及び回転軸と共に軸心を通る平面で切断して示す断面図である。
【符号の説明】
11 静止側密封要素
11a,14a 摺動面
14 回転側密封要素[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mechanical seal having a stationary-side sealing element and a rotating-side sealing element that slide in a non-lubricated state in which a fluid film is not formed between sliding surfaces .
[0002]
[Prior art]
The mechanical seal is provided on the rotating shaft side and rotates with the rotating shaft (rotating side sealing element), and a stationary sliding material (stationary side sealing element) provided on the non-rotating housing side. Is a material that is excellent in low friction and wear resistance for the sliding material because it prevents fluid leakage around the shaft by sliding closely between the end faces orthogonal to the shaft center. The In particular, a sliding material that is slid in a non-lubricated state where no fluid lubrication film is supplied between the sliding surfaces is required to have excellent self-lubrication and wear resistance. For example, carbon materials, graphite, and glass have been conventionally used. A material made of a tetrafluoroethylene resin blended with an aggregate mainly composed of fiber, carbon fiber, metal powder or the like is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a carbon material, in an atmosphere such as a vacuum, a reducing gas, or dry air having a low dew point temperature, the lubricity of the carbon may be lost and significant wear may occur.
[0004]
Moreover, in the tetrafluoroethylene resin sliding material which mix | blended the aggregate, although it is comparatively hard to receive the influence by the said atmosphere, slight abrasion generate | occur | produces. Especially for agitators used in the production process of foods and pharmaceuticals, it is necessary to prevent foreign substances from entering as much as possible from the viewpoint of hygiene and product characteristics. Therefore, mechanical seals used in such devices are also manufactured. In order to prevent the wear powder from being mixed into the food and the like as much as possible, it is necessary to eliminate the generation of the wear powder due to the wear of the sliding material even in a non-lubricated state or to make it extremely small. From such a point of view, in the tetrafluoroethylene resin sliding material, various studies have been made on the types and blending ratios of aggregates to be blended to improve the wear resistance.
[0005]
However, the tetrafluoroethylene resin sliding material has about 70% of the tetrafluoroethylene resin that has lubricity but poor wear resistance, so there is a limit in improving the wear resistance and can be used. The range is limited. In recent years, ceramics containing a self-lubricating substance such as carbon or metal materials containing a self-lubricating substance may be used as a non-lubricated sliding material, but conditions such as vacuum and pressure are repeated. In such a case, “squealing” or the like caused by poor lubrication occurs on the sliding surface, and wear powder is generated. In terms of design, an attempt has been made to reduce the burden of the sliding material by providing a groove on the sliding surface so that a gas film is formed between the sliding surfaces during sliding. In addition, when conditions such as a vacuum state and a pressurized state are repeated as described above, sufficient effects are not exhibited.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and the main technical problem is that it is excellent in an atmosphere where there is no lubricating oil or liquid, or in environmental conditions where lubrication with a fluid cannot be expected. An object of the present invention is to provide a mechanical seal having a sliding material capable of exhibiting slidability and wear resistance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to effectively solve the technical problems described above, the mechanical seal according to the present invention has a stationary side sealing element and a rotary side sealing element that slide in a non-lubricated state in which a lubricant film is not formed between the sliding surfaces. In addition, each of the stationary side sealing element and the rotary side sealing element has at least one kind of self-lubricating material made of ethylene tetrafluoride resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide, or graphite fluoride on the surface of the substrate. A mechanical seal made of a sliding material having a sliding film coated with a mixed liquid of a solid lubricant material selected and a binder made of an epoxy resin, a polyimide resin, or a polyamide-imide resin. Both of the stationary side sealing element and the rotary side sealing element are made of silicon carbide or carbon, and the surface of the sliding side end surface of the base material is a surface of the mixed liquid. Before coating, it is characterized in that after the surface roughening by a diamond paper or diamond abrasive grains, leaving the fine recesses tip of the fine protrusions are polished flat.
[0008]
That is, in the present invention, ceramics and carbon used as a substrate are excellent in corrosion resistance, hardly elastically deformed , excellent in thermal conductivity, and themselves have a required self-lubricating property. The basis of the selection is first to prevent the sliding film due to corrosion of the joint interface with the sliding film to be coated. Secondly, it is intended to make it difficult to be deformed by a load such as a pressure of the use atmosphere, and thereby, it is easy to maintain the initial surface roughness of the sliding coating, and to reduce the change of the friction coefficient. Thirdly, because of the good thermal conductivity, the heat generated by sliding can be easily dissipated, and the thermal load of the sliding film can be reduced. Fourth, the sliding film wears over time. Even when the thickness is reduced, the base material exposed to the sliding surface due to wear does not significantly impair the lubricity, and the remaining portion of the sliding coating can be in a sliding state that assists the lubricity on the base material surface.
[0009]
In addition, the solid lubricating material and the binder constituting the sliding coating have low friction coefficients but poor wear resistance, so they are not suitable as sliding materials by themselves, and are usually only used as lubricating aids or simple binders. Although used, according to the inventor's research, such a mixture of solid lubricating material and binder is coated on the surface of a substrate made of ceramic, carbon, etc., which is hard and not easily deformed, and has good thermal conductivity. As a result, a significant improvement in wear resistance was achieved.
[0010]
That is, according to the present invention, as a result of the base material compensating for the hardness and thermal conductivity that the solid lubricating material and the binder constituting the sliding coating do not originally have, the wear resistance can be improved. is there. As will be described later, since the progress of wear is remarkably suppressed due to excellent wear resistance, a film thickness of 10 to 30 μm is sufficient.
[0011]
In order to improve the bonding property of the sliding film to the substrate surface, a certain degree of surface roughness is required on the surface of the substrate. If the tip of the saw-toothed hard base material is exposed to the sliding surface due to the progress of wear, the mating sliding surface may be scraped off and wear may be accelerated. In the present invention, the surface of the substrate to be coated is polished so that the protrusions of the fine protrusions in the surface roughness become flat. Even if the portion is exposed, it becomes less aggressive against the mating material and is polished while leaving a fine recess, so that good bondability with the sliding film is also ensured.
[0012]
In the mechanical seal according to the present invention, both the stationary- side sealing element and the rotating-side sealing element that slides on the stationary- side sealing element are made of the sliding material . As a result, even in a dry lubrication atmosphere in which no fluid lubricating film is formed, the wear resistance of the stationary side sealing element and the rotary side sealing element is significantly improved, and generation of wear powder can be effectively suppressed.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a preferred embodiment according to the present invention, ceramics such as silicon carbide, alumina, silicon nitride, zirconia, sialon, or carbon can be used for the base material. Although not limited to this depending on thermal conductivity, corrosion resistance, surface roughness of the coating surface, hardness, etc., silicon carbide is a particularly preferred material in view of these points.
[0014]
The surface of the base material forming the sliding surface is provided with fine irregularities in advance and polished by lapping or the like so that the tips of the fine convex portions in the surface roughness are flattened to ensure flatness. For the formation of fine irregularities, when the base material is ceramics or the like, a softer material is blended into the ceramics, and the soft part is preferentially scraped off by sandblasting or the like. A method of performing sand blasting by applying the masking, a method of polishing with diamond coarse grains, and the like are employed. In addition, pore-dispersed ceramics having an infinite number of spherical or irregular fine pores are preferable because appropriate surface roughness is imparted by pores exposed on the surface.
[0015]
In the case of a substrate made of carbon, the surface roughness tends to be rough, so care must be taken not to roughen it more than necessary. This is because if the surface roughness is too rough, the thickness of the sliding film to be coated becomes thin. Sandblasting with ceramic abrasive grains is effective as a method for imparting surface roughness to a base material made of a metal material, but care must be taken so that the surface roughness does not become rough.
[0016]
The sliding film coated on the surface of the substrate is made of a material obtained by blending a solid lubricant material with a binder . The solid lubricant material is typically selected from one or more well-known self-lubricating substances such as ethylene tetrafluoride resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide, graphite fluoride, etc. From the viewpoint of excellent self-lubricating property and being hardly affected by the atmospheric fluid, ethylene tetrafluoride resin is most preferable.
[0017]
Further, the binder to be fixed on the surface of a substrate while binding the particles of the solid lubricant material as slide film, heat resistance, bond strength, it has excellent film-forming properties and abrasion resistance are required. Typically, it is selected from an epoxy resin, a polyimide resin, or a polyamide-imide resin, and is used by being dissolved or dispersed in a medium such as an appropriate solvent. The selection of the binder and the blending ratio with the solid lubricant material are appropriately determined in consideration of the use conditions such as the thermal conditions and the type of fluid to be sealed, and the type of the solid lubricant material.
[0018]
The method of coating the surface of the base material with the sliding film is not particularly specified, and various methods such as spraying with a spray, application with a brush, or immersion in a mixed liquid of the above-described solid lubricating material and a binder . The method can be adopted. Thus, the coating layer adhering to the surface of the substrate in the form of a film is cured by a curing process including a heat treatment and becomes a sliding film.
[0019]
The sliding material having the above structure has a sliding film having excellent self-lubricating properties and excellent wear resistance due to hardness compensation by the base material. By using it for both stationary and rotating side sealing elements of mechanical seals mounted on shaft seals such as multi-function filter dryers that perform solid-liquid separation, washing and drying at Abrasion is improved, and generation of wear powder is effectively suppressed.
[0020]
FIG. 1 schematically shows a
[0021]
That is, in this
[0022]
In the case where the sliding material of Examples 1 to 5 which will be described later is incorporated as the stationary
[Test conditions]
Sliding surface peripheral speed: 1 m / s
Surface pressure of sliding surface: 0.7 kgf / cm 2
Atmosphere: N 2 gas 2 kgf / cm 2 G
Test time: 100 hours [0023]
[Example 1]
Using a silicon carbide sintered body (specific gravity 3.10), the inner diameter φ1 = 58.6 mm of the annular convex portion forming the sliding
[0024]
[Example 2]
An annular body for the stationary
[0025]
[Example 3]
For the annular body for the stationary
[0026]
[Example 4]
For the annular body for the stationary
[0027]
[Example 5]
Using a hard carbon material having a hardness of 110, an annular body for the stationary-
[0028]
[Comparative Example 1]
The stationary side sealing is achieved by using the same silicon carbide sintered body as used in Examples 3 and 4, which contains 3 wt% of carbon powder having an average particle size of 15 μm and further has irregular pores (average diameter of 20 μm) exposed on the surface. An annular body for the
[0029]
[Comparative Example 2]
An annular body for the stationary-
[0030]
Table 1 below shows the results of the sliding test. As is apparent from Table 1, in Examples 1 to 5, the amount of wear on the sliding surface after sliding for 100 hours is 0 or extremely small, and the temperature of the sliding surface due to heat generated by sliding is zero. Also, it was confirmed that the temperature was significantly lower than those of Comparative Examples 1 and 2. Moreover, even in Example 4 in which the sliding film remained in about 10% of the entire sliding surface due to the fine recesses due to the irregular pores, the amount of wear was 0, so that most of the sliding film was worn out. After that, it was confirmed that the effect was sustained. On the other hand, in the comparative example in which the sliding film is not formed, in addition to the occurrence of a certain amount of wear, the temperature of the sliding surface is high, and in comparative example 1, the frictional sound called “squeal” caused by insufficient lubrication is generated. There was an outbreak.
[Table 1]
[0031]
【The invention's effect】
As is apparent from the above test results, according to the present invention, a liquid coating is obtained by coating a hard and hard-to-deform surface of a base material having a good thermal conductivity with a sliding film in which a solid lubricating material is blended with a binder. While exhibiting excellent lubricity even under dry sliding conditions in which a lubricating film is not formed, a significant improvement in wear resistance can be realized. Moreover, even if most of the sliding film wears out, the above effect is maintained, so as a mechanical seal that is slid in a dry state, especially in equipment that needs to prevent the generation of foreign matter due to wear powder and the like as much as possible. , it is possible to realize an excellent effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mechanical seal used in a sliding test for evaluating a sliding member according to the present invention cut along a plane passing through an axis together with a housing and a rotating shaft.
[Explanation of symbols]
11 Static
Claims (1)
前記静止側密封要素及び回転側密封要素はそれぞれ基材表面に、四フッ化エチレン樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン又はフッ化黒鉛よりなる自己潤滑物質の中から一種類以上が選択される固体潤滑材料と、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂である結合材と、の混合液を塗布コーティングされた摺動皮膜を有する摺動材料よりなるメカニカルシールであって、
前記基材は、前記静止側密封要素及び回転側密封要素共に炭化珪素又はカーボンからなり、
前記基材の摺動側端面の表面は、前記混合液のコーティング前に、ダイヤモンドペーパ又はダイヤモンド砥粒によって面荒らしを行った後、微細凹部を残して微細凸部の突端が平坦に研磨されていることを特徴とするメカニカルシール。Having a stationary-side sealing element and a rotating-side sealing element that slide in a non-lubricated state in which a fluid film is not formed between the sliding surfaces;
The stationary side sealing element and the rotary side sealing element are each selected from one or more kinds of self-lubricating materials made of tetrafluoroethylene resin, molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide, or graphite fluoride on the substrate surface. A mechanical seal made of a sliding material having a sliding film coated with a mixed solution of a solid lubricating material and a binder that is an epoxy resin, a polyimide resin, or a polyamide-imide resin,
The substrate is made of silicon carbide or carbon for both the stationary side sealing element and the rotary side sealing element,
The surface of the sliding side end surface of the base material is subjected to surface roughening with diamond paper or diamond abrasive grains before coating with the mixed solution, and then the protruding end of the fine convex portion is polished flat, leaving a fine concave portion. A mechanical seal characterized by
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