專利名稱：密封用滑動元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于機(jī)械密封等的密封用滑動元件及其制造方法，特別涉及潤滑性優(yōu)異的密封用滑動元件及其制造方法，該滑動元件能防止0密封流體時產(chǎn)生的粘附和發(fā)熱膠著等引起的磨損和起泡之類的滑動面的表面損傷。
背景技術(shù)：
碳滑動元件通常被廣泛應(yīng)用為密封流體的機(jī)械密封等的密封環(huán)。這種碳滑動元件除具有固體潤滑性以外，在滑動面上還具有適度的凹凸，所以可在與配套滑動元件的密封滑動面之間保持密封流體形成的液膜并發(fā)揮優(yōu)良的潤滑性。
但在高負(fù)荷條件下使用機(jī)械密封時，碳滑動元件雖發(fā)揮了優(yōu)異的固體潤滑性，但密封滑動面成為邊界潤滑的狀態(tài)，密封滑動面間部分固體接觸后會產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，摩擦系數(shù)明顯升高，因磨損而使其壽命縮短。另外，滑動面鏡面化并發(fā)生作為起泡現(xiàn)象的“表皮膨脹”，密封功能受到損害，有時會有密封流體泄漏。
針對上述問題，采用以碳化硅為代表的硬質(zhì)材料作為高硬度、高強(qiáng)度材料來代替碳滑動元件，作為配套滑動的材料，也采用以碳化硅為代表的硬質(zhì)材料并且是分散有氣孔的材料，將它們相組合用于機(jī)械密封上。但這些機(jī)械密封存在如下問題。
首先，碳化硅非常硬且耐磨性好，但缺乏固體潤滑性，將碳化硅元件間組合并放在高負(fù)荷條件下進(jìn)行滑動時，滑動面馬上鏡面化，滑動停止時滑動面間的潤滑膜被消耗掉的情況下，鏡面化的密封滑動面間牢固附著，滑動啟動時的摩擦系數(shù)異常升高，會產(chǎn)生發(fā)熱粘結(jié)。
另外，通過分散氣孔在碳化硅基體(matrix)中，使密封流體浸入到滑動面中，會產(chǎn)生集液效果和滑動時的流體動力效果，從而減少滑動轉(zhuǎn)矩的異常和發(fā)熱粘結(jié)。但是在因某種原因在短時間內(nèi)出現(xiàn)密封滑動面附近無密封流體存在的狀態(tài)的情況下、或在相對運(yùn)動的密封滑動面不處在流體潤滑狀態(tài)而啟動或停止時，滑動面彼此間處于固體接觸狀態(tài)，出現(xiàn)和上述相同的狀態(tài)。
若產(chǎn)生如上所述的固體接觸狀態(tài)，滑動會引起急速發(fā)熱，橡膠墊等二次密封部受到熱損傷，不能維持密封功能的穩(wěn)定性，或者在滑動面間有溶解于密封流體中的物質(zhì)析出·堆積而不能維持密封功能的穩(wěn)定性。
另一方面，還有將分散有氣孔的碳化硅滑動材料和碳材料組合用作為機(jī)械密封的情況。該情況和碳化硅滑動元件間進(jìn)行組合的情況相比，雖可利用碳滑動材料所具有的固體潤滑性而使上述問題得到減輕，但此時，使軟于有獨(dú)立氣孔和凹部的硬質(zhì)材料的碳材料滑動，或者經(jīng)滑動而使碳材料產(chǎn)生劃痕都會使轉(zhuǎn)矩上升，并引起碳滑動元件的磨損。另外，在碳化硅滑動面的氣孔(凹部)中堵塞有碳磨損粉末而不能維持由存在于滑動面中的氣孔所獲得的穩(wěn)定的流體潤滑效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種固體潤滑性及流體潤滑性都優(yōu)異的密封用滑動元件及其制造方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供以25-75重量％的碳骨材和20-50重量％的熱固性合成樹脂粘結(jié)料為主成分，孔徑1-100μm氣孔獨(dú)立分散于其中的密封用滑動元件。上述氣孔較好為球形，其氣孔徑為2-100μm。另外，平均孔徑較好為3-70μm，更好為5-70μm。
在本發(fā)明中，氣孔的氣孔面積率為1-20％，較好為2-20％，更好為3-15％。
本發(fā)明中的氣孔分散型碳滑動元件的制造方法為在以石墨、碳、中間相等碳骨材25-75重量％和合成樹脂粘結(jié)料20-50重量％為主成分的原材料中，摻入1-30重量％的球形樹脂，經(jīng)混合，混煉和成形工序，于規(guī)定溫度(800-3000℃)焙燒，揮發(fā)存在于碳基體中的球形樹脂而使球形氣孔獨(dú)立分散于碳基體中而成。
在本發(fā)明中，在碳基體中獨(dú)立分散球形氣孔可在碳滑動面上形成凹部。這樣，本發(fā)明的氣孔分散型碳滑動元件可在滑動面間同時具有固體潤滑性和流體潤滑性，即使在高負(fù)荷條件下，也能維持良好的滑動性能，是高性能機(jī)械密封用滑動材料。
即，本發(fā)明的密封用滑動元件具有如下特征(1)因密封流體浸入到碳基體中所分散的氣孔部分中而使氣孔部分的密封流體具有集的效果(密封流體浸入到氣孔中并作為滑動面間的潤滑液的效果)及流體動力效果(在密封的滑動面上存在有凹部，通過旋轉(zhuǎn)，該凹部和流體壓力一起產(chǎn)生潤滑的效果)以保持液膜，所以可維持對滑動材料小負(fù)荷的流體潤滑狀態(tài)。
(2)通過碳滑動材料所具有的固體潤滑性來減少無流體潤滑狀態(tài)的機(jī)械密封啟動及停止時的摩擦系數(shù)。
(3)區(qū)別于分散有氣孔的硬質(zhì)材料，將氣孔分散于軟質(zhì)碳滑動元件中的碳材料無明顯磨損而能通過氣孔部分來穩(wěn)定維持流體潤滑性。
由于有如上所述特征，可減少用碳化硅材料所產(chǎn)生的、無潤滑狀態(tài)下的粘附、滑動發(fā)熱所產(chǎn)生的粘結(jié)等滑動面的損傷和密封流體溶解成分在滑動面析出·堆積的現(xiàn)象，還可抑制·防止碳滑動元件的異常磨損·起泡現(xiàn)象和防止因滑動發(fā)熱所產(chǎn)生的橡皮墊等二次密封部位的損傷，從而防止密封流體的泄漏。
通過球形氣孔獨(dú)立分散于碳基體中可使表觀比重在1.55以下從而使其輕量化，作為機(jī)械密封也可輕量化，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封工作和移動的節(jié)能化。但要維持滑動材料的強(qiáng)度，必須控制氣孔分散用的球形樹脂的大小及摻入量使肖氏硬度在70以上。
若肖氏硬度過高，會存在和以往分散有氣泡的碳化硅滑動元件相同的問題，所以肖氏硬度最好在130以下。
為滿足上述內(nèi)容，球形樹脂的摻入比較好占整個原材料的1-30重量％。而球形樹脂的平均粒徑較好在3-50μm的范圍內(nèi)，粒度分布較好在1-100μm的范圍內(nèi)。若球形樹脂的摻入比超過該范圍時，或球形樹脂的平均粒徑及粒度分布超過該范圍內(nèi)時，會出現(xiàn)強(qiáng)度上的問題，和氣孔相互連接引起流體的異常泄漏等，會影響滑動元件的密封性。若球形樹脂的摻入比低于該范圍內(nèi)或球形樹脂的平均粒徑及粒度分布小于該范圍內(nèi)時，摻入球形樹脂的效果減弱。
雖不特別苛求本發(fā)明球形樹脂的組成，但其軟化點(diǎn)、熔點(diǎn)和揮發(fā)的開始溫度要高于成形工序時的成形溫度，并且不因成形壓力而使球形變形，球形樹脂必須獨(dú)立分散于成形體碳基體中。在燒成工序中，90重量％的球形樹脂成分要因焙燒熱負(fù)荷而揮發(fā)掉，并必須維持和存在于成形工序后的成形體碳基體中的球形樹脂幾乎相同的粒徑和摻入比并使其獨(dú)立分散。但因焙燒碳基體發(fā)生收縮時，即使因該收縮而使碳基體中的氣孔也收縮的話也沒關(guān)系。作為滿足上述條件的樹脂，可用聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯、尼龍6等合成樹脂，這些樹脂也可以是交聯(lián)型樹脂。本發(fā)明中，可將這些樹脂的1種或2種以上進(jìn)行混合而使用。
雖對作為粘結(jié)料被摻入的合成樹脂的組成無特別限制，但要求該合成樹脂在混煉工序中，和碳骨材表面有良好的浸濕性，在成形工序中，有良好的流動于金屬模具內(nèi)的流動性。作為滿足上述條件的樹脂，可用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、聚酯樹脂、萘樹脂等合成樹脂。在本發(fā)明中，可選定其中的1種或2種以上的樹脂進(jìn)行摻入，于120-200℃溫度下，模壓成形。粘結(jié)料的摻入比較好占整個原材料的20-50重量％，少于該范圍時，和骨材結(jié)合不足；而若多于該范圍時，因燒成揮發(fā)而形成的氣孔增多，很難通過所需球形樹脂的摻入來控制氣孔。


圖1為摩擦特性的評價結(jié)果的f-G線圖。
圖2顯示比較例3的接合環(huán)表面的電子顯微鏡照片。
圖3的上圖為固體潤滑性評價結(jié)果的發(fā)熱圖，下圖為表示滑動面形狀的曲線圖。
圖4為表示流體潤滑性評價結(jié)果的滑動面形狀的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下利用實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。
實(shí)施例1將71重量％的非石墨性碳、25重量％的酚醛樹脂粘合劑、4重量％的交聯(lián)型聚甲基丙烯酸甲酯微珠(平均粒徑為40μm)配合、混合、捏合機(jī)混煉及粉碎后，利用壓制工序，于160℃成形為水泵用機(jī)械密封的密封環(huán)的形狀，再在氮?dú)鈿夥罩?，于最高溫度約為1200℃下焙燒，制得密封環(huán)。測定該密封環(huán)的氣孔面積率、表觀比重及肖氏硬度，如表1所示。
在實(shí)施例1中，測定氣孔孔徑時發(fā)現(xiàn)該孔徑在5-70μm的范圍。再算出其平均孔徑，為30μm。氣孔被確認(rèn)幾乎全為球形。
氣孔孔徑是對在所拍攝的密封環(huán)截面照片中的500μm×500μm范圍內(nèi)的全部氣孔進(jìn)行測定得到的結(jié)果。而氣孔面積率是由截面照片中的500μm×500μm范圍內(nèi)的氣孔的面積比率算出的。
實(shí)施例2除了用平均粒徑為20μm的交聯(lián)型聚甲基丙烯酸甲酯微珠以外，其余均與實(shí)施例1相同來制得密封環(huán)。測定該密封環(huán)的氣孔面積率、表觀比重及肖氏硬度。如表1所示。
在實(shí)施例2中，測定氣孔孔徑時發(fā)現(xiàn)該孔徑在3-25μm的范圍內(nèi)。算出該氣孔的平均孔徑為15μm。氣孔被確認(rèn)幾乎全為球形。
比較例1不摻入本發(fā)明的球形樹脂，即混合75重量％的非石墨性碳、25重量％酚醛樹脂粘合劑，混合、捏合機(jī)混煉及粉碎后，利用壓制工序，用水泵于160℃成形為機(jī)械密封的密封環(huán)的形狀，再在氮?dú)鈿夥罩校谧罡邷囟燃s為1200℃下焙燒，制得密封環(huán)。測定該密封環(huán)的氣孔面積率、表觀比重及肖氏硬度，如表1所示。
在比較例1中，測定氣孔孔徑時發(fā)現(xiàn)該孔徑在2μm以下。算出該氣孔的平均孔徑為0.3μm。
表1

摩擦特性的評價作為材料的摩擦特性的評價，用水泵用機(jī)械密封并變化負(fù)荷和旋轉(zhuǎn)速度，測定滑動轉(zhuǎn)矩，其結(jié)果如圖1所示。圖1中，縱軸為摩擦系數(shù)f，橫軸為軸承的特性數(shù)G(＝zvb/w；z＝滑動面附近的溫度，v＝滑動部分的平均周速度、b＝滑動幅寬、w＝全部負(fù)荷)。
作為配套的滑動材料的接合環(huán)，可用常壓燒結(jié)的組織致密的碳化硅A和在該基材中分散有氣孔孔徑為1-150μm、平均孔徑為35-65μm、氣孔率為4-6體積％的氣孔的碳化硅B。碳化硅A及碳化硅B的肖氏硬度分別為125及123。
摩擦特性的評價是在以下條件下進(jìn)行的采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，用80℃的自來水作為密封流體，將旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整到500-8000分-1，將流體密封壓力設(shè)定為大氣壓(開放)，在滑動面間的流體液膜容易消失而得到氣液邊界潤滑的環(huán)境下進(jìn)行。
滑動元件的組合如表2所示，作為評價結(jié)果的f-G線圖如圖1所示。將上述的實(shí)施例1的密封環(huán)和由碳化硅A構(gòu)成的接合環(huán)的組合作為實(shí)施例3，將實(shí)施例2的密封環(huán)和碳化硅A制的接合環(huán)的組合作為實(shí)施例4，將比較例1的密封環(huán)和碳化硅A制的接合環(huán)的組合作為比較例2，將比較例1的密封環(huán)和碳化硅B制的接合環(huán)的組合作為比較例3。
表2

由圖1的f-G線圖中可知(1)在比較例2中，因是無氣孔分散的碳滑動元件和同樣無氣孔的碳化硅的組合，所以摩擦系數(shù)f整體較高，另外隨著軸承特性數(shù)G變小，即隨著氣液邊界潤滑環(huán)境增強(qiáng)，摩擦系數(shù)f存在變高的趨勢(參考圖的記號◆)。
(2)在比較例3中，因是具有分散氣孔的碳化硅和無氣孔的碳滑動元件的組合，所以摩擦系數(shù)f整體較高，另外，隨著軸承特性數(shù)G變小，即隨著氣液相界潤滑環(huán)境的增強(qiáng)，摩擦系數(shù)f存在增高的趨勢(參考圖1的記號□)。另外，如圖2所示，確認(rèn)了碳化硅元件氣孔中存在碳滑動元件的磨損粉的地方。
這被認(rèn)為碳化硅元件氣孔的液膜保持效果被軟質(zhì)碳滑動元件的變形抵銷，結(jié)果是不能使摩擦系數(shù)降低。
(3)在實(shí)施例3和實(shí)施例4中，因是具有分散球形氣孔的碳滑動材料和無氣孔的碳化硅組合，軸承特性數(shù)G即使變小，摩擦系數(shù)f的上升也不顯著(參考圖1的記號△、▲)。這是因?yàn)?，即使氣液邊界潤滑環(huán)境變強(qiáng)，還存在留在碳基體中氣孔內(nèi)的流體的液膜保持效果和碳滑動元件所具有的固體潤滑性。
(4)從實(shí)施例3、4及比較例3的結(jié)果可知?dú)庖哼吔鐫櫥瑮l件下的密封滑動時，與使氣孔分散于硬質(zhì)的碳化硅材料中相比，使氣孔分散于具有固體潤滑性的軟質(zhì)碳材料中可降低摩擦系數(shù)f，防止缺乏固體潤滑性的碳化硅所產(chǎn)生的鏡面化、滑動發(fā)熱所引起的上述粘附、燒結(jié)和橡膠墊的損傷等。
固體潤滑性的評價材料固體潤滑性的評價是用水泵用機(jī)械密封并將旋轉(zhuǎn)速度恒定時測定滑動面附近的發(fā)熱溫度來進(jìn)行的。作為評價試樣，采用了用于上述摩擦特性評價的材料。用于評價的材料組合的內(nèi)容如表3所示。將上述實(shí)施例2的密封環(huán)和由碳化硅A構(gòu)成的接合環(huán)的組合作為實(shí)施例5，將碳化硅B制的密封環(huán)和碳化硅A制的接合環(huán)的組合作為比較例4。
表3

固體潤滑性的評價是在如下條件下進(jìn)行的采用機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)，將旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整到5000分-1，將密封壓力設(shè)定為大氣壓(開放)，在干燥環(huán)境下(機(jī)械密封的周圍不存在流體的狀態(tài))滑動1小時。作為評價結(jié)果，在密封環(huán)附近裝上熱電偶，測定發(fā)熱溫度，同時計測評價后的試樣滑動面的形狀。發(fā)熱圖及評價后的試樣滑動面的形狀如圖3所示。從圖3的發(fā)熱圖及評價后的試樣滑動面的形狀可知(1)用比較例4的具有分散氣孔的碳化硅的滑動元件，開始滑動后馬上達(dá)到約為380℃的最高溫度，與此相反，用實(shí)施例5的具有分散氣孔的碳滑動元件，在1小時滑動快要結(jié)束時的最高溫度止于200℃左右。
(2)比較例4中，認(rèn)定具有分散氣孔的碳化硅滑動元件的滑動面上有粘附磨損，而與此相對實(shí)施例5的具有分散氣孔的碳滑動元件無粘附磨損，維持了良好的滑動面狀態(tài)。
(3)用比較例4的具有分散氣孔的碳化硅滑動元件，橡膠墊部分產(chǎn)生滑動發(fā)熱引起的燒結(jié)。
(4)從上可知，即使都具有氣孔分散，機(jī)械密封的滑動狀態(tài)在干燥環(huán)境下，有固體潤滑性的碳材料比缺乏固體潤滑性的碳化硅優(yōu)異。
流體潤滑性的評價近似于流體潤滑環(huán)境下的材料滑動特性的評價是通過用水泵用機(jī)械密封并將旋轉(zhuǎn)速度恒定的條件下測定泄漏量來進(jìn)行的。使用的滑動材料和上述評價固體潤滑性一樣，用于評價的滑動材料的組合如表4所示。上述實(shí)施例2的密封環(huán)和碳化硅A制的接合環(huán)的組合作為實(shí)施例6，碳化硅B制的密封環(huán)和碳化硅A制的接合環(huán)的組合作為比較例5。
表4

流體潤滑性的評價是在如下條件進(jìn)行的用機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)，用LIC(長效防凍液long life coolant)的90℃的50％水溶液作為密封流體，將旋轉(zhuǎn)速度定為4000分-1，將流體密封壓力設(shè)定為0.2MPa，試驗(yàn)時間為1000小時的條件下進(jìn)行密封性能的評價。作為評價結(jié)果，1000小時(試驗(yàn)時間)的總泄漏量及評價后的滑動面形狀如圖4所示。
從圖中的泄漏量及評價后的滑動面形狀可知(1)用比較例5的具有分散氣孔的碳化硅滑動元件，密封泄漏量少，滑動面狀態(tài)也良好。
(2)即使用實(shí)施例6的具有分散氣孔的碳滑動元件，密封泄漏量也少，滑動面狀態(tài)也良好。
(3)在近似于流體潤滑的環(huán)境下，只要是具有分散氣孔的滑動元件，無論使用碳化硅材料還是碳材料，密封性能無顯著差異。
本發(fā)明的效果如下所述根據(jù)本發(fā)明，可提供固體潤滑性及流體潤滑性都優(yōu)異的密封用滑動元件及其制造方法。
以上說明的實(shí)施例是為了便于理解本發(fā)明而記載的，不是為了限制本發(fā)明的，因此，實(shí)施例所公開的上述各要素在本發(fā)明技術(shù)的范圍內(nèi)都可以進(jìn)行變化并也包含同等物。
權(quán)利要求
1.密封用滑動元件，它以25-75重量％的碳骨材和20-50重量％的熱固性合成樹脂粘結(jié)料為主成分，其特征在于，有孔徑為1-100μm的氣孔獨(dú)立分散于其中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封用滑動元件，其特征在于，上述氣孔為球形，平均孔徑為2-100μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封用滑動元件，其特征在于，上述氣孔的氣孔面積率為1-20％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封用滑動元件，其特征在于，肖氏硬度在70以上、表觀比重在1.55以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的密封用滑動元件，其特征在于，肖氏硬度在130以下。
6.密封組件，其特征在于，由權(quán)利要求1所述的密封用滑動元件和由硬于上述密封用滑動元件的材料構(gòu)成的配套滑動元件組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的密封組件，其特征在于，上述配套滑動元件由碳化硅構(gòu)成。
8.密封用滑動元件的制造方法，其特征在于，在主要含有25-75重量％的碳骨材和20-50重量％的熱固性合成樹脂粘結(jié)料的原材料中，摻入1-30重量％的球形樹脂并將其混合、混煉及成形后，以規(guī)定溫度焙燒而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密封用滑動元件的制造方法，其特征在于，上述球形樹脂的粒徑為1-100μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密封用滑動元件的制造方法，其特征在于，上述球形樹脂由選自聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯或尼龍6中的1種或2種以上的樹脂構(gòu)成，該樹脂的軟化點(diǎn)、熔點(diǎn)及揮發(fā)開始溫度高于上述成形溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密封用滑動元件的制造方法，其特征在于，上述熱固性合成樹脂粘結(jié)料由選自酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、聚酯樹脂及萘樹脂中的1種或2種以上的樹脂構(gòu)成，上述成形溫度為120-200℃，上述焙燒溫度為800-3000℃。
全文摘要
本發(fā)明提供固體潤滑性及流體潤滑性兩特性都優(yōu)異的密封用滑動元件及其制造方法。該密封用滑動元件是以25－75重量％的碳骨材和20－50重量％的熱固性合成樹脂粘結(jié)料為主成分并有孔徑1－100μm的球形氣孔獨(dú)立分散于其中。
文檔編號C04B35/52GK1514152SQ20031012395
公開日2004年7月21日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者塔本英樹, 細(xì)江猛 申請人:伊格爾工業(yè)股份有限公司