機械密封和游動環(huán)的制作方法

本發(fā)明涉及一種使用游動環(huán)的機械密封以及游動環(huán)。

背景技術：

以往，在機械密封中公知，在與轉軸一同旋轉的旋轉環(huán)和與殼體固定的固定環(huán)之間之間具有游動環(huán)(密封圈)的結構(例如，專利文獻1)。游動環(huán)在轉軸軸向端面一方與旋轉環(huán)滑動，在另一方與固定環(huán)抵接，且并未與任何一個部件固定。因此，游動環(huán)在旋轉環(huán)和固定環(huán)之間，在轉軸的軸向具有間隙，并會在軸向相對于旋轉環(huán)和固定環(huán)發(fā)生移動。在上述軸向移動作用下，游動環(huán)與旋轉環(huán)和固定環(huán)之間間隙中的密封對象流體所成的液膜被壓縮，因擠壓效果(擠入作用)而發(fā)生壓力。若該所發(fā)生的壓力大，則擠壓面打開，因此必須減少擠破液膜的量，減小擠壓面的面積。但是，減小擠壓面的面積，在作為與旋轉環(huán)滑動的游動環(huán)的滑動部材料，使用楊氏模量小的軟質材料時，則容易變形，因此，若施加于游動環(huán)、旋轉環(huán)以及固定環(huán)的壓力為高壓，則變形過大，發(fā)生流體泄漏，另外，由于強度不足，存在變形、破損的危險。

因而，作為游動環(huán)的滑動部的材料，考慮使用楊氏模量高的碳化硅(SiC)。但是，碳化硅其材質本身欠缺自身潤滑性，另外，滑動面寬小，難在表面滯留流體，進而，在滑動對方側的旋轉環(huán)的材料也是碳化硅等情形下，容易發(fā)生燒損。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1:特開2004-293766號公報

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，提高使用游動環(huán)的機械密封中游動環(huán)與旋轉環(huán)之間的密封性。

為了解決上述課題，本發(fā)明采用以下技術手段。

即，本發(fā)明的機械密封，其用于密封轉軸和殼體之間的環(huán)狀間隙，其特征在于，具有：

與所述轉軸一同旋轉的旋轉環(huán)；

與所述殼體固定的固定環(huán)；以及

在所述轉軸的軸向上設置在所述旋轉環(huán)和所述固定環(huán)之間，具有與所述旋轉環(huán)滑動的滑動部的游動環(huán)，

利用所述滑動部對密封對象流體進行密封，

所述滑動部具有多個碳纖維，和設置在所述多個碳纖維之間的碳化硅。

另外，本發(fā)明的游動環(huán)，其是在用于密封轉軸和殼體之間的環(huán)狀間隙的機械密封中所使用的游動環(huán)，其被設置在，所述轉軸的軸向上與所述轉軸一同旋轉的旋轉環(huán)，和與所述殼體固定的固定環(huán)之間，并具有與所述旋轉環(huán)滑動的滑動部，所述游動環(huán)的特征在于：

利用所述滑動部對密封對象流體進行密封，

所述滑動部具有多個碳纖維，和設置在所述多個碳纖維之間的碳化硅。

根據(jù)上述結構，在因游動環(huán)軸向移動使得旋轉環(huán)和固定環(huán)，與游動環(huán)之間接觸部位處的液膜被壓壞，從而發(fā)生壓力時，由于有了富有彈性的碳纖維，和承受碳纖維之間的荷重并與對方面接觸的碳化硅，因此碳纖維彈性變形，并增大與對方面接觸的部位，雖然表面上看面積沒有變化，但實際接觸面積增大。另外，與相同滑動面寬的其他滑動部件相比，各部位的接觸面壓均下降，因此能夠防止滑動面燒損，并防止因燒損導致的損傷。由于碳纖維本身具有良好的滑動性，因而使得游動環(huán)的滑動部處的碳纖維在滑動上得到優(yōu)異的效果。因此，能夠得到良好的滑動性，且得到充分的強度，可提高游動環(huán)和旋轉環(huán)之間的密封性。

優(yōu)選形成有作為多個碳纖維的長度方向朝向大致同方向的集合體的碳纖維束部，碳化硅形成在碳纖維束部所含的碳纖維之間。由于有集合了多個碳纖維的碳纖維束部，因此在纖維間形成具有特定長度的間隙，該間隙起到使流體滯留的功能。也就是說，即使是游動環(huán)這樣狹窄的滑動面，也可以在間隙中流入或從間隙放出密封對象流體，從而提高潤滑性。通過在碳纖維束部的碳纖維間隙中形成碳化硅，由此在接近碳纖維的位置處承受荷重，因此不易對碳化纖維施加荷重。

還優(yōu)選具有設置在一碳纖維束部和與其相鄰的另一碳纖維束部之間的非纖維碳。通過使在與碳纖維束部相鄰的碳纖維束部之間具有非纖維碳，非纖維碳自身起到自身潤滑劑的作用，可進一步提高潤滑性。在形成滑動部時進行包覆(wrap)處理，此時由于碳纖維本身的硬度或碳纖維束部中碳化硅的硬度高于非纖維碳的硬度，因此利用包覆處理，對于滑動部來說，使非纖維碳低于碳纖維束部，該部分也起到使流體滯留的功能，提高潤滑性。另外，非纖維碳處于低位置，因而在滑動部處，設置在碳纖維間的碳化硅與對方面接觸，易于增大實際接觸部分。

另外，優(yōu)選形成于所述滑動部的多個所述碳纖維束部隨機取向。通過使碳纖維束部隨機取向，即使對于游動環(huán)這樣狹窄的滑動面，也難以在滑動部中形成類似泄漏路徑那樣的路徑，易于使流體滯留在滑動部間。

另外，優(yōu)選在所述滑動部中，碳化硅的比為35％以上且不足85％。通過使碳化硅含有比為規(guī)定值以上，可確保提供接觸力的碳化硅的量，能夠支持荷重，通過使碳化硅含有比不足規(guī)定值，可確保在碳化纖維間的間隙中使流體滯留，提高潤滑性。

另外，優(yōu)選所述旋轉環(huán)中，與所述滑動部滑動的部分具有多個碳纖維，和設置在所述多個碳纖維之間的碳化硅。通過使旋轉環(huán)側的滑動部分材料與游動環(huán)的滑動部相同，可得到良好的滑動性，能夠提高游動環(huán)和旋轉環(huán)之間的密封性。

發(fā)明效果

如以上說明，根據(jù)本發(fā)明可提高在使用了游動環(huán)的機械密封中，游動環(huán)和旋轉環(huán)之間的密封性。

附圖說明

圖1是表示機械密封整體結構的示意剖視圖。

圖2是滑動部的顯微鏡照片。

圖3是圖2的放大部分照片。

圖4是利用本實施例制作的試樣的滑動部顯微鏡照片。

具體實施方式

下面結合附圖，根據(jù)實施方式詳細說明用于實施本發(fā)明的實施方式。其中，對于實施方式中所記載的構成部件的尺寸、材質、形狀及其相對配置等，除非有特別的特定記載，否則均不構成對本發(fā)明范圍的限定。

(本實施例)

＜本實施例的機械密封的結構＞

結合圖1，對本發(fā)明實施例(以下，稱為“本實施例”)的機械密封的整體結構進行說明。圖1是表示本實施例的機械密封的整體結構的示意剖視圖。在本實施例中，對使用1個機械密封的單層密封結構進行說明，但也可以將本發(fā)明應用于使用兩個機械密封的雙層密封結構。機械密封用于密封轉軸和殼體之間的環(huán)狀間隙。

如圖1所示，本實施例的機械密封100具有：與轉軸200一同旋轉的環(huán)狀的旋轉環(huán)110；與殼體300固定的環(huán)狀的固定環(huán)(靜止環(huán))120；以及設置在旋轉環(huán)110和固定環(huán)120之間的環(huán)狀的游動環(huán)(密封圈)130。機械密封100還具有環(huán)狀的套筒140，該套筒140具有內周面與轉軸200外周面固定的圓筒部141；和從圓筒部141向轉軸200的徑向外側延伸，用于保持旋轉環(huán)110的保持部142。機械密封100還具有彈簧150，其作為對固定環(huán)120向游動環(huán)130施力的施力部件。為了在周向均勻地對固定環(huán)120向游動環(huán)130施力，在周向以等間隔設置多個彈簧150。圖1是由垂直于轉軸200的軸向方向，且含彈簧150的剖面所截取的剖視圖。

旋轉環(huán)110作為轉軸200的軸向(以下，簡稱為“軸向”)一方端部，具有與游動環(huán)130滑動的滑動部111?；瑒硬?11中，與游動環(huán)130接觸的軸向上端面為滑動面111a。固定環(huán)120作為軸向一方端面，具有與游動環(huán)130抵接并擠壓的擠壓面120a。

游動環(huán)130在軸向上旋轉環(huán)110和固定環(huán)120之間，并未與其他部件固定。游動環(huán)130具有與旋轉環(huán)110的滑動部111滑動的滑動部131。滑動部131為軸向向旋轉環(huán)110突出的部分的前端部?；瑒硬?31中，與旋轉環(huán)110接觸的軸向上的端面為滑動面131a。游動環(huán)130具有與固定環(huán)120的擠壓面120a抵接并被擠壓的被擠壓部132。被擠壓部132為軸向上向固定環(huán)120突出的部分的前端部。游動環(huán)130隨著轉軸200旋轉而與旋轉的旋轉環(huán)110滑動，但被從殼體300突出設置的作為轉動限制器的銷301，限制了在轉軸200的旋轉方向上的移動。

在本實施例中，利用游動環(huán)130的滑動部131和被擠壓部132封閉密封對象流體。即，如圖1所示，殼體300內被分為密封有密封對象流體的流體側L和大氣側(非流體側)A。在本實施例中，流體側L相比滑動部131和被擠壓部132為轉軸200的徑向外側，大氣側A相比滑動部131和被擠壓部132為轉軸200的徑向內側。

＜游動環(huán)的滑動部的材料＞

下面結合圖2、圖3對本實施例的游動環(huán)的滑動部材料進行說明。圖2是滑動部的顯微鏡照片。圖3是圖2的放大部分照片。

本實施例的游動環(huán)130的滑動部131主要包括碳和碳化硅，但也可以含有硅等其他物質。如圖2所示，在游動環(huán)130的滑動部131中形成有由游動環(huán)130制造工序中所使用的碳纖維組織所形成的SiC-C纖維形狀組織。在圖2中可見SiC-C纖維形狀組織呈沿著纖維方向延伸的筋狀組織。

在圖2、圖3中，呈白色的部分為碳化硅，呈灰色的部分為碳纖維，碳纖維間的呈黑色的部分為非纖維碳。多個碳纖維形成朝向大致同方向的集合體的部分為一個碳纖維束部，碳纖維束部和處于其中的筋狀碳化硅構成SiC纖維形狀組織。非纖維碳包括：設置在一碳纖維束部和與其相鄰的另一碳纖維束部之間的形態(tài)，設置在構成一碳纖維部的碳纖維之間的形態(tài)，和設置在碳化硅之間或碳化硅與碳纖維之間的形態(tài)，非纖維碳的比例和配置可適當變更。如圖3所示，碳纖維束部沿垂直于纖維方向30的方向的寬度為數(shù)十μm～數(shù)百μm的程度。也可以有因碳化硅集中而形成為塊狀的部位。

在SiC-C纖維形狀組織中，構成碳纖維束部的碳纖維，和設置在其碳纖維之間的碳化硅沿垂直于纖維方向30(纖維的長度方向)的方向交替出現(xiàn)。SiC-C纖維形狀組織中的一碳纖維束部沿垂直于纖維方向30的方向的寬度為0.2mm～4mm的程度。在游動環(huán)130的滑動部131以彼此的纖維方向30交差的方式形成多個碳纖維束部。對于形成在游動環(huán)130的滑動部131中的各碳纖維束部的配置狀態(tài)并沒有特別的限定，也可以是在滑動部131中分散有隨機纖維方向30的碳纖維束部，還可以是多個碳纖維束部形成為類似編制形狀的規(guī)定圖案?？筛鶕?jù)SiC-C纖維形狀組織中所含的筋狀碳化硅或碳纖維的延伸方向來辨識碳纖維束部的纖維方向30。

游動環(huán)130的滑動部131中的碳化硅和碳(碳包括碳纖維和非纖維碳)的含有比率沒有特別的限定，優(yōu)選在滑動部131中，碳化硅的比為35％以上且不足85％。通過使碳化硅的含有比為35％以上，可有效降低滑動部131造成的密封對象流體泄漏，另外，通過使碳化硅的含有比為不足85％，可有效提高滑動部131的潤滑性。若碳化硅的含有比率為85％以上，則難以以高效的制造方法進行制造。

另外，游動環(huán)130的滑動部131(滑動面131a)的算數(shù)平均粗糙度Ra(JIS B 0601：2001)優(yōu)選為0.01μm以上且不足1μm。通過使滑動部131的算數(shù)平均粗糙度Ra為0.01μm以上，可有效提高滑動部131的潤滑性，通過使滑動部131的算數(shù)平均粗糙度Ra為不足1μm，可保持滑動部131的潤滑性，并防止密封對象流體泄漏?；瑒硬?31的緯斜(skewness)Psk(JIS B 0601：2001)優(yōu)選為負的范圍。通過使緯斜Psk為負的范圍，可防止形成于滑動部131的凸部頂點在密封流體時損傷對置的其他部件的問題。

優(yōu)選滑動部131中的碳纖維形成為，使得纖維方向30沿著滑動部131的平面方向，由此，可以在滑動時，不會因碳纖維的端部使對方面(旋轉環(huán)110的滑動面111a)損傷，能夠防止在密封滑動環(huán)內部形成泄漏路徑，不易使流體泄漏。在滑動部131中，除了碳化硅和碳以外，還可以含有由硅(Si)構成的硅部(在碳化硅部的內部，呈比碳化硅部偏白的塊)。

以下對游動環(huán)130的滑動部131的制造方法進行說明，游動環(huán)130的滑動部131制造方法并不限定于下述制造方法。

首先，準備作為原料的碳纖維。對于所準備的碳纖維沒有特別的限定，可以使用例如PAN系或瀝青系碳纖維，長度1mm～10mm，粗細5μm～50μm?？梢詫⒃撎祭w維配置為，使其長度方向與軸向垂直，且隨機配置于游動環(huán)130的滑動面131a全面。

再次，可以配置為，使出現(xiàn)在滑動部131中的碳纖維中，長度方向垂直于軸向(平行于旋轉環(huán)110的滑動面111a)配置的碳纖維為80％以上，并全體配置在滑動部131。也可以含有因通過制造工序而未配置為其長度方向垂直于軸向的碳纖維。對于這些碳纖維，也可以使用呈薄片狀的碳纖維。

進而，通過在1400℃～1800℃左右燒制，而使作為基材的碳的一部分轉化SiC，然后，根據(jù)最后需要對表面進行研磨，由此得到滑動部131。沒必要使游動環(huán)130整體均勻地轉化SiC，但為了不易形成泄漏路徑，優(yōu)選使所制造的游動環(huán)130的滑動部131中，距與旋轉環(huán)110的滑動部111接觸的滑動面131a至少1mm深度處，滑動部131的一部分轉化SiC。

以下示出實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，本發(fā)明并不限定于這些實施例。

在實施例中，如表1所示，準備試樣1～試樣7，其滑動部131的碳化硅的面積比率不同，將試樣用于機械密封100的游動環(huán)130，進行泄漏試驗。

[表1]

準備形成為薄片狀的碳纖維，用粘合樹脂固著并層疊薄片狀的碳纖維后，在1600℃左右浸含在溶融Si中進行燒制，然后對表面進行研磨，由此制造試樣1～試樣7。對于試樣1～試樣7，通過調整轉化SiC的條件，可改變滑動部131中碳化硅的含有比。對于所制造的試樣1～試樣7，使用激光顯微鏡對滑動部131的顯微鏡照片進行圖像解析，使用圖像處理軟件測量滑動部131中碳化硅的含有比(參考表1)。

使用實機試驗機，對具有使用了試樣1～試樣7的滑動部131的游動環(huán)130進行泄漏試驗。對于泄漏試驗的條件，作為密封對象流體使用水，PV值8MPaG·m/s，溫度為室溫，對方材料使用相同材料。所謂PV值是指，由密封對象流體施加于滑動部131的流體壓力P(MPaG)，和與滑動部131滑動的旋轉環(huán)110的滑動部111的速度V(m/s)的積。評價結果示于表1。在表1的泄漏試驗的項目中，將不足3ml/hr的泄漏量判定為“○：OK”，3ml/hr以上的泄漏量判定為“×：NG”。在泄漏試驗前，還測量各試樣滑動部131的粗糙度。

可確認到，在使用了試樣1～試樣7的滑動部131中，如圖4所示，形成有具有彼此纖維方向30交差的多個碳纖維束部的SiC-C纖維形狀組織，并且對于試樣1～試樣7的游動環(huán)130，彌補了自身潤滑性欠缺的碳化硅的問題，良好地抑制密封對象流體從滑動部131泄漏。如表1所示，尤其是對于碳化硅為35％以上且不足85％的比的試樣3～試樣7，能夠有效降低密封對象流體從滑動部131泄漏。對于上述條件下，發(fā)生泄漏的試樣1、試樣2，通過降低PV值等應用條件，也能夠確實地起到機械密封的功能。

進而，對通過在游動環(huán)130的滑動部131中使用上述說明的材料所帶來的優(yōu)點進行說明。高負荷密封的PV值的大致目標是，對鍋爐給水泵所使用的機械密封要求300MPaGm/s以上。

發(fā)明人銳意研究的結果是，在使SiC硬質材彼此滑動的結構中，極限為80MPaGm/s，但本實施例的，對滑動部131使用了碳纖維強化復合SiC(CMC)材料的結構中，明確能夠在300MPaGm/s以上使用。而且，對于相互滑動的部分，可以組合CMC和SiC，也可以都是CMC。CMC為非脆性材料，破壞韌性好，不會像SiC那樣脆性破壞，另外其耐熱和沖擊，可以說是適用于高溫、高速旋轉條件的材料。

如以上說明，本實施例的游動環(huán)130的滑動部131形成有SiC-C纖維形狀組織，該組織具有形成碳纖維束部的碳纖維，和設置在該碳纖維之間的碳化硅，因此，具有硬質且低磨損這一碳化硅的特點，并具有良好的密封特性和潤滑性。SiC-C纖維形狀組織具有細微地將碳化硅和碳纖維細微組合的結構，基于后述原因中的任一個或多個組合，這樣的SiC-C纖維狀組織給滑動部131賦予了滑動性。例如，碳纖維和碳纖維相鄰，使得在碳纖維間形成間隙，該間隙起到使流體滯留的功能，從而賦予潤滑性。進而，碳纖維本身起到潤滑材料的功能。另外，通過包覆處理，碳纖維本身的硬度，或碳纖維束部中碳化硅的硬度高于非纖維碳的硬度，因此，處于碳纖維之間的非纖維碳相對于碳纖維束部構成凹陷的凹部，由此起到使流體滯留的功能，而賦予滑動性。構成非纖維碳部的碳起到固體潤滑劑的功能，由此賦予滑動性。

另外，對于每個碳纖維部，碳纖維束部中的纖維在長度方向的方向為隨機取向，不易在滑動部131中形成泄漏流路，且能夠將流體保持在滑動部131中，從而可賦予滑動性。對于碳纖維表面等使碳纖維一部分轉化SiC而形成的SiC-C纖維狀組織，其碳纖維和碳化硅具有良好的結合性，因此能夠良好防止滑動部131發(fā)生裂口或缺口等問題。更進一步，SiC-C纖維狀組織中的碳化硅強度大，因此給游動環(huán)130的滑動部131帶來良好的耐磨損性，防止在滑動部131過多形成間隙。如上所述，游動環(huán)130能夠確保滑動部131的潤滑性和防止密封對象流體從滑動部131泄漏，即使在對于以往的游動環(huán)130來說難以應對的高溫·高壓·高速條件下，也能夠特別良好的加以使用。

在本實施例中，由于成束含有碳纖維，因此使游動環(huán)130的滑動部131彈性變形與旋轉環(huán)110的滑動面111a的接觸面積增加，局部面壓下降，抑制燒損。進而，在游動環(huán)130因流體壓力的影響而旋轉時，雖然表面上接觸面積未發(fā)生變化，但由于碳纖維的彈性變形使得實際接觸面積增加，局部面壓下降，可抑制燒損。

對于與游動環(huán)130配對使用的另一滑動部件(在本實施例中為旋轉環(huán)110)，其組成或組織可以是含金屬的，也可以是僅含碳或碳化硅的等，不同于游動環(huán)130的滑動部131組成或組織，而通過使用與本實施例的游動環(huán)130的滑動部131相同的組成或組織，可進一步提高滑動性，提供高密封性能的機械密封。

符號說明

100 機械密封

110 旋轉環(huán)

111 滑動部

111a 滑動面

120 固定環(huán)

120a 擠壓面

130 游動環(huán)

131 滑動部

131a 滑動面

132 被擠壓部

140 套筒

141 圓筒部

142 保持部

150 彈簧

200 轉軸

300 殼體

301 銷