滑动部件的制作方法

1.本发明涉及一种相对滑动的滑动部件，例如涉及汽车、一般工业机械或其他密封领域的对旋转机械的旋转轴进行轴封的轴封装置中使用的滑动部件、或者汽车、一般工业机械或其他轴承领域的机械的轴承中使用的滑动部件。


背景技术：

2.滑动部件具有与对方侧的滑动面相对滑动的滑动面，作为支承旋转或往复运动的轴等的轴承、防止被密封流体的泄漏的轴封装置的构成部件来使用。作为防止被密封流体的泄漏的轴封装置，例如，机械密封件具备一对相对旋转且滑动面彼此滑动的环状的密封部件。例如，专利文献1所示的滑动部件由软质材料碳形成，从而利用碳的自润滑性得到低摩擦效果，但在滑动面之间侵入了异物的情况下，由碳形成的滑动部件的滑动面容易被刮擦，在耐异物性方面存在问题。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2011-58517号公报(第6页、图1)
6.专利文献2：日本特开2004-225725号公报(第6页、图2)


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.通过由硬质材料sic形成滑动部件(例如专利文献2)，能够提高耐异物性，但是，例如在滑动面之间不存在液体的无润滑环境下(干燥环境下)使用机械密封件的情况下，由于大气中的sic的摩擦系数较大，因此根据使用条件，在滑动面上可能会产生粘着。另外，在专利文献2中，滑动部件的滑动面被类金刚石碳覆膜(以下，有时也标记为dlc覆膜)覆盖，例如在无润滑环境下使用的情况下，由于dlc覆膜为高硬度，因此根据使用条件，在对方侧的滑动面上可能会产生粘着，为了获得低摩擦效果，需要根据使用条件对dlc覆膜的氢含量等进行变更等复杂的条件设定，缺乏通用性。
9.本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够在广泛的使用条件下获得稳定的低摩擦效果的滑动部件。
10.用于解决课题的手段
11.为了解决上述课题，本发明的滑动部件，
12.其具有相对滑动的滑动面，其中，
13.在所述滑动部件的基材上覆盖有石墨膜，所述滑动面由所述石墨膜构成。
14.据此，滑动部件的基材被石墨膜覆盖，由此，构成滑动面的石墨膜会通过与对方侧的滑动面的摩擦而在以范德华力结合的石墨层的层间被剪切，石墨膜的一部分残留在基材表面的微细凹部内，从而滑动面会被平滑化，并且能够对对方侧的滑动面发挥石墨的自润滑性，因此能够在流体润滑区域、边界润滑区域、无润滑环境下等广泛的使用条件下稳定地
获得低摩擦效果。
15.也可以是，所述石墨膜的硬度小于对方侧的滑动面的硬度。
16.据此，石墨膜比对方侧的滑动面软，因此不易因摩擦而损伤对方侧的滑动面。
17.也可以是，所述石墨膜的硬度小于所述基材的硬度。
18.据此，被石墨膜覆盖的基材比石墨膜硬，由此，在滑动面之间侵入了异物的情况下，软质的石墨膜优先被刮擦，从而促进滑动面的平滑化，能够通过露出的基材表面提高耐异物性，因此能够在滑动面之间同时实现石墨的自润滑性和耐异物性。
19.也可以是，所述石墨膜的厚度大于基材的表面的算术平均粗糙度ra。
20.据此，石墨膜的厚度大于基材表面的凹凸，因此石墨膜的一部分容易进入基材的微细凹部，容易发挥低摩擦效果。
21.也可以是，所述基材由陶瓷形成。
22.据此，多孔质的陶瓷与金属相比容易产生表面粗糙度，因此石墨膜容易固定在基材上。
23.也可以是，所述基材的表面的算术平均粗糙度ra为0.1μm以上。
24.据此，石墨膜容易进入基材表面的微细凹部内，因此即使石墨膜通过与对方侧的滑动面的摩擦而被剪切，石墨膜的一部分也会被保持在微细凹部内而不易脱落。
25.也可以是，所述基材的表面全部被所述石墨膜覆盖。
26.据此，成为石墨膜的基材侧的一部分进入基材表面的所有微细凹部的状态，因此通过石墨膜被剪切，滑动面容易被平滑化。
27.也可以是，所述石墨膜仅形成在所述相对滑动的滑动面中的一个滑动面上。
28.据此，被剪切的石墨膜的块会转移到对方侧的滑动面的表面的凹凸处，从而对方侧的滑动面也会被平滑化，因此能够获得更好的低摩擦效果。
附图说明
29.图1是示出本发明的实施例中的机械密封件的一个示例的纵向剖视图；
30.图2是示出实施例中的形成有石墨膜的使用前的旋转密封环的滑动面的放大剖视图；
31.图3是示出实施例中的通过形成有石墨膜的旋转密封环的滑动面与静止密封环的滑动面的滑动而产生了剪切块的状态的放大剖视图；
32.图4是示出实施例中的形成有石墨膜的旋转密封环的滑动面与静止密封环的滑动面的滑动后的状态的放大剖视图。
具体实施方式
33.以下，基于实施例对用于实施本发明的滑动部件的方式进行说明。
34.实施例
35.参照图1至图4对实施例的滑动部件进行说明。此外，在本实施例中，以滑动部件为机械密封件的方式为例进行说明。另外，将构成机械密封件的滑动部件的内径侧设定为作为泄漏侧的、将外径侧设定为作为被密封流体侧的进行说明。
36.图1所示的一般工业机械用的机械密封件是在滑动面之间不存在液体的无润滑环
境下、即在干燥环境下对将要从滑动面的外径侧朝向内径侧泄漏的被密封气体进行密封的内部型的密封件，主要由以下部分构成：作为滑动部件的圆环状的旋转密封环20，其经由套筒2以能够与旋转轴1一起旋转的状态设置在旋转轴1上；以及作为滑动部件的圆环状的静止密封环10，其以非旋转状态和能够沿轴向移动的状态设置于固定在被安装设备的壳体4上的密封盖5，其中，通过由弹簧6沿轴向对静止密封环10施力，静止密封环10的滑动面11和旋转密封环20的滑动面21相互紧密接触滑动。另外，旋转密封环20与套筒2之间通过衬垫7密封，静止密封环10与密封盖5之间通过o型圈8密封。
37.本实施例中的静止密封环10和旋转密封环20由sic(碳化硅)形成。此外，静止密封环10和旋转密封环20不限于由相同材料构成，也可以由不同材料构成。
38.如图2所示，旋转密封环20通过在作为基材的sic基材22上覆盖石墨膜30而构成。即，旋转密封环20的实质的滑动面21由石墨膜30的表面30a构成。此外，对于本实施例的滑动面21，如后所述，将对石墨膜30的厚度比sic基材22的表面粗糙度更厚、且sic基材22的轴向的一个端面部22a全部被石墨膜30覆盖的方式进行说明，但不限于此，例如滑动面21也可以为，通过将石墨膜30的厚度形成得较薄，sic基材22的端面部22a的一部分、例如表面的峰的顶部不被石墨膜30覆盖而露出。另外，石墨膜30可以直接覆盖在sic基材22上，由此，与具有中间层等的情况相比，无需形成中间层，另外，不存在与中间层配合的使用条件的限制。
39.另外，在本实施例中，石墨膜30具有以往公知的碳的层状结构，主要由碳原子构成，是碳材料的一种，主要具有六方晶系的晶体结构，是通过拉曼光谱分析等分析的物质的薄膜的总称。另外，在本实施例中，在静止密封环10的滑动面11上不形成石墨膜(参照图3)。
40.详细而言，本实施例的石墨膜30是示出表面中的石墨成分的特征表现显著的区域的比率为50％～100％的组成的薄膜。在石墨膜30中，碳原子彼此通过共价键构成排列成六方晶系的片状晶体结构，薄的片状晶体结构通过范德华力结合为层状，由此形成石墨层。此外，碳原子的一部分也可以形成由未结晶的无定形碳构成的玻璃状碳区域。
41.石墨膜30通过如下方式形成：将使选自酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂等中的一种或两种以上的热固性树脂溶解于有机溶剂而得到的前驱体溶液以覆盖构成旋转密封环20的sic基材22的轴向的一个端面部22a的方式直接涂布，在干燥并固化处理后，在800℃以上、优选1200℃以上的温度下加热固化，再进行烧成。此外，石墨膜30通过形成为规定范围的厚度的薄膜，能够防止膜的破损，并且能够通过比较低温下的烧成使热固性树脂石墨化。另外，初期使用前的石墨膜30也可以形成为厚度为1μm～100μm。如果膜厚比上述值薄，则与sic基材22之间产生剥离，如果膜厚比上述值厚，则在膜形成时会产生龟裂。
42.另外，被石墨膜30覆盖的sic基材22的端面部22a的表面的算术平均粗糙度ra为0.1μm以上，石墨膜30以石墨膜30的一部分进入sic基材22的端面部22a的微细凹部22b内的状态形成。
43.另外，石墨膜30和sic基材12的硬度测定通过纳米压痕仪进行试验，确认了sic基材12表现出比石墨膜30更硬的值。
44.如上所述，本实施例的石墨膜30通过对热固性树脂进行烧成而形成石墨层。此外，石墨膜30中的膜的组成可以通过例如xrd、拉曼光谱分析、热分析来分析膜的组成而进行判别。
45.接着，关于本实施例中的形成有石墨膜30的旋转密封环20，对改变石墨化度来制成并在以下条件下进行了ring-on-ring摩擦/磨损试验的结果进行说明。此外，旋转密封环20的石墨膜30在厚度统一为20μm的状态下形成。另外，静止密封环10如上所述不形成石墨膜，至少滑动面11由sic形成。
46.载荷＝10n
47.静止密封环的滑动面的表面压力＝0.25mpa
48.旋转密封环的转速＝74rpm
49.pv值＝0.008mpa.m/sec
50.试验时间＝直至滑动距离达到1000m
51.被密封流体＝大气
52.另外，关于本实施例中的旋转密封环20的石墨膜30，通过拉曼光谱分析对表面的石墨化的面积区域进行分析。另外，在石墨膜30的表面的石墨化度的分析中，使用纳米光子公司制造的光谱分析装置，在中心波数2082.24cm-1
、激发波长532.36nm、激光强度0.8mw下进行测定。ig为中心波数1574～1576cm-1
时出现的g峰的强度。id为中心波数1344～1348cm-1
时出现的d峰的强度。在试样中测定特定区域的多个点，根据平均光谱的g、d峰的强度计算强度比id/ig，并进行是否为石墨的判定。
53.本实施例中的旋转密封环20的石墨膜30表面的石墨化度(面积％)的分析结果和ring-on-ring摩擦/磨损试验的试验结果如表1所示。此外，关于ring-on-ring摩擦/磨损试验，基于在无润滑环境下是否发现滑动面的咬粘(未产生咬粘的情况为〇)来进行能否使用的判定。进而，在ring-on-ring摩擦/磨损试验后，确认在静止密封环10的滑动面11上有无形成转移膜。关于确认有无形成转移膜，通过对静止密封环10的滑动面11的空气吹送来除去附着物，在光学显微镜5倍的倍率下，如果转移膜以接触范围内的面积率计为5％以下，则判定为在静止密封环10的滑动面11上没有形成转移膜。
54.[表1]
[0055]
样品石墨化度(面积％)能否使用形成转移膜a90
○
有b70
○
有c50
○
有d30
×
有e10
×
没有
[0056]
关于在无润滑环境下没有滑动面的咬粘、且在静止密封环10的滑动面11上形成有转移膜的旋转密封环20的石墨膜30，判明了表面的石墨化度为50％以上(样品a、b、c)。
[0057]
接着，关于形成有石墨化度70％的石墨膜30的旋转密封环20，对在以下条件下进行ring-on-ring摩擦/磨损试验的结果进行说明。另外，静止密封环10如上所述不形成石墨膜，至少滑动面11由sic形成。
[0058]
载荷＝10n
[0059]
静止密封环的滑动面的表面压力＝0.25mpa
[0060]
旋转密封环的转速＝74rpm
[0061]
pv值＝0.008mpa.m/sec
[0062]
试验时间＝直至滑动距离达到1000m
[0063]
被密封流体＝大气
[0064]
本实施例中的旋转密封环20(样品f～g)的石墨膜30的膜的形成结果和ring-on-ring摩擦/磨损试验的试验结果如表2所示。此外，关于ring-on-ring摩擦/磨损试验，与表1同样地，基于在无润滑环境下是否发现滑动面的咬粘来进行能否使用的判定。进而，在ring-on-ring摩擦/磨损试验后，确认有无石墨膜30从旋转密封环20的滑动面21剥离和有无龟裂。关于有无石墨膜剥离的确认，通过对旋转密封环20的滑动面21的空气吹送来除去附着物，在光学显微镜5倍的倍率下，如果端面部22a的微细凹部22b中的石墨膜30的残留以接触范围内的面积率计为80％以下，则判定为存在从旋转密封环20的滑动面21的剥离。关于有无石墨膜龟裂的确认，通过对旋转密封环20的滑动面21的空气吹送来除去附着物，确认有无龟裂。
[0065]
[表2]
[0066]
样品膜厚(μm)能否使用剥离龟裂f1
○
没有没有g10
○
没有没有h20
○
没有没有i50
○
没有没有k100
○
没有没有l0.5—有没有m120—没有有
[0067]
关于在无润滑环境下没有滑动面的咬粘、且石墨膜30没有从旋转密封环20的滑动面21剥离、龟裂的旋转密封环20的石墨膜30，判明了厚度为1μm～100μm(样品f、g、h、i、k)。
[0068]
另外，相对于如上述样品k的旋转密封环20那样不形成石墨膜30的滑动面21，在作为对方侧的静止密封环10由软质材料碳形成的情况下，由于异物向滑动面11、21之间的侵入，异物会咬入由软质的碳形成的静止密封环10的滑动面11，滑动面11被刮擦，由此产生表面粗糙，滑动面的平滑性丧失，对摩擦系数造成不良影响。这样，由碳形成的滑动部件的滑动面在耐异物性方面存在问题。相对于此，在本实施例中，旋转密封环20构成为在硬质的sic基材22上覆盖石墨膜30，并且作为对方侧的静止密封环10也由硬质材料sic形成，因此，对于异物向滑动面11、21之间的侵入，软质的石墨膜30优先被刮擦，不易产生对滑动面的摩擦系数造成不良影响的sic基材12、22的表面粗糙。
[0069]
如上所述，本发明的旋转密封环20的sic基材22被石墨膜30覆盖，由此，构成滑动面21的石墨膜30通过与静止密封环10的滑动面11的摩擦而在以较弱范德华力结合的石墨层的层间被剪切(参照图3的放大部分)，并且通过滑动面11、21彼此的压接力沿轴向被压入，石墨膜30的一部分进入并残留在sic基材22的端面部22a的微细凹部22b内，由此，滑动面21被平滑化(参照图4的放大部分)。由此，残留在微细凹部22b内的石墨膜30能够对静止密封环10的滑动面11发挥石墨的自润滑性，因此能够在流体润滑区域、边界润滑区域、无润滑环境下等广泛的使用条件下稳定地获得低摩擦效果。而且，石墨膜30仅形成在旋转密封环20的滑动面21上，由此，在滑动面11、21之间产生的来自石墨膜30的剪切块p30(参照图3的放大部分)通过滑动面11、21彼此的压接力沿轴向被压入，进入并转移到构成静止密封环
10的滑动面11的sic基材12的端面部12a的微细凹部12b内，形成转移膜31，由此，静止密封环10的滑动面11也被平滑化(参照图4的放大部分)。由此，在滑动面11、21之间，sic与石墨或石墨彼此的滑动部分的比例变多，因此能够得到更好的低摩擦效果。
[0070]
另外，石墨膜30的硬度小于静止密封环10的滑动面11、即sic基材12的硬度，由此，石墨膜30比静止密封环10的滑动面11软，不易因摩擦而损伤静止密封环10的滑动面11。而且，石墨膜30的硬度小于旋转密封环20的sic基材22的硬度，由此，在滑动面11、21之间侵入了异物的情况下，软质的石墨膜30优先被剪切，从而促进滑动面21的平滑化，通过露出的硬质的sic基材22的端面部22a能够提高耐异物性，因此能够在滑动面11、21之间同时实现石墨的自润滑性和耐异物性。
[0071]
另外，旋转密封环20的基材由作为陶瓷的sic形成，sic基材22为多孔质，因此在端面部22a上存在许多供石墨膜30的一部分进入的微细凹部22b，与金属相比表面粗糙度更容易出现，因此石墨膜30容易固定在基材表面上。而且，形成石墨膜30的sic基材22的端面部22a的表面的算术平均粗糙度ra为0.1μm以上，由此，石墨膜30的一部分更容易进入端面部22a的微细凹部22b内，因此，即使石墨膜30通过与静止密封环10的滑动面11的摩擦而被剪切，石墨膜30的一部分也会被保持在微细凹部22b内，不易从滑动面11、21之间脱落。
[0072]
另外，sic基材22的端面部22a全部被石墨膜30覆盖，换言之，基材表面不露出，由此，成为石墨膜30的一部分进入端面部22a的所有微细凹部22b内的状态，因此通过石墨膜30被剪切，滑动面21容易被平滑化。
[0073]
另外，石墨膜30的厚度为1μm～100μm，由此能够防止石墨膜30从sic基材22的端面部22a剥离、防止石墨膜30产生龟裂，因此能够作为滑动部件的膜使用。
[0074]
而且，石墨膜30的厚度大于sic基材22的端面部22a的表面的算术平均粗糙度ra，即石墨膜30的厚度大于sic基材22的端面部22a的表面的凹凸，由此，石墨膜30的一部分容易进入sic基材22的微细凹部22b内，石墨膜30通过与静止密封环10的滑动面11的摩擦而被可靠地剪切，因此石墨膜30的一部分容易残留在微细凹部22b内，容易发挥低摩擦效果。
[0075]
另外，石墨膜30在一部分上含有玻璃状碳区域，由此，因石墨膜30的剪切而产生的剪切块p30容易变小，该剪切块p30容易进入构成作为对方侧的静止密封环10的sic基材12的微细凹部12b内的深处，因此容易在静止密封环10的滑动面11上形成转移膜31。此外，石墨膜30即使在一部分上含有玻璃状碳区域也是以由石墨层构成的石墨区域为主，由此，能够通过与静止密封环10的滑动面11的摩擦来发挥石墨的自润滑性。
[0076]
另外，石墨膜30直接形成在sic基材22的端面部22a上，由此，与sic基材22的端面部22a的密合性低，因此，与例如石墨膜30经由粘接剂接合的情况相比，石墨膜30容易通过与静止密封环10的滑动面11的摩擦而产生剪切，由此，能够防止石墨膜30的剥离。
[0077]
另外，能够由不同的材料形成旋转密封环20的基材和滑动面，因此能够使基材具有sic等陶瓷的刚性，并且能够通过滑动面21的石墨膜30使其具有自润滑性。而且，通过将基材变更为廉价的材料，能够削减滑动部件的成本。
[0078]
以上，通过附图对本发明的实施例进行了说明，但是具体的结构不限于这些实施例，即便在不脱离本发明主旨的范围内进行变更、追加，也包含在本发明中。
[0079]
例如，在上述实施例中，作为滑动部件，以一般工业机械用的机械密封件为例进行了说明，但也可以是汽车、水泵等用的其他机械密封件。另外，不限于机械密封件，也可以是
滑动轴承等机械密封件以外的滑动部件。而且，石墨膜30也能够形成在轴承的内周面上，因此也能够应用于构成径向轴承等的滑动部件。
[0080]
另外，在上述实施例中，对应用滑动部件的机械密封件在无润滑环境下使用的情况进行了说明，但不限于此，也可以在滑动面之间存在作为被密封流体的液体的流体润滑区域、边界润滑区域中使用。
[0081]
另外，在上述实施例中，对将石墨膜30仅设置在旋转密封环20上的例子进行了说明，但也可以将石墨膜30仅设置在静止密封环10上，还可以设置在旋转密封环20和静止密封环10这两者上。
[0082]
另外，在上述实施例中，对静止密封环10和旋转密封环20由sic形成的情况进行了说明，但不限于此，只要滑动材料作为机械密封件用滑动材料使用即可应用。此外，作为sic，可以是以将硼、铝、碳等作为烧结助剂而得到的烧结体为代表的、由成分、组成不同的两种以上的相构成的材料，例如分散有石墨颗粒的sic、由sic和si构成的反应烧结sic等。另外，除了上述滑动材料以外，还能够应用氧化铝、氧化锆、氮化硅(si3n4)等其他陶瓷、金属材料、树脂材料、复合材料等。
[0083]
符号说明
[0084]
10：静止密封环(滑动部件)；11：滑动面；12：sic基材(基材)；12a：端面部；12b：微细凹部；20：旋转密封环(滑动部件)；21：滑动面；22：sic基材(基材)；22a：端面部；22b：微细凹部；30：石墨膜；30a：表面；31：转移膜；p30：剪切块。