滑动部件的制作方法

本发明涉及一种例如机械密封件、轴承、其他适合于滑动部的滑动部件。尤其，涉及一种使流体介于滑动面而减少摩擦并且需要防止流体从滑动面泄漏的密封环或轴承等滑动部件。
背景技术：
：在作为滑动部件的一例的机械密封件中，为了长期保持密封性，必须兼顾“密封”和“润滑”这种相反的条件。近年来，尤其由于环境措施等，为了实现防止被密封流体的泄漏，并且减少机械损失，对降低摩擦的要求进一步增加。作为降低摩擦的方法，试图通过对滑动面施加各种纹理来实现，例如，作为纹理的一种，已知有在滑动面排列凹痕的纹理。例如，在日本特开平11-287329号公报(以下称为“专利文献1”。)中记载的发明中，通过在滑动面上形成深度不同的多个凹痕，可获得如下效果，即，由在滑动时介于滑动面与相对滑动面之间的流体中产生的流体轴承压力引起的负荷容量即使伴随着流体温度的变化而在部分凹痕中减少，但在其他的凹痕中增加，因此负荷容量稳定，无论温度变化如何始终保持良好的滑动性。并且，日本特开2000-169266号公报(以下称为“专利文献2”。)中记载的发明中，在由烧结而成的陶瓷材料形成的基材的表面形成蒸镀了硬质皮膜的滑动面，且设为在该滑动面具有多个凹痕的结构，由此，实现耐磨性的提高，并且通过凹痕实现液体润滑性的提高。以往技术文献专利文献专利文献1：日本特开平11-287329号公报专利文献2：日本特开2000-169266号公报技术实现要素：发明要解决的技术课题然而，专利文献1中记载的发明着眼于为了无论温度变化如何都始终保持良好的滑动性而设置在滑动面的凹痕的深度，而并没有考察有关凹痕的开口直径与深度的比、及凹痕的面积率对滑动特性(降低摩擦系数)的影响。并且，专利文献2中记载的发明中，通过在滑动面上设置凹痕来实现提高液体润滑性，但与专利文献1相同地，并没有考察有关凹痕的开口直径与深度的比、及凹痕的面积率对滑动特性(降低摩擦系数)的影响。本发明的目的在于提供一种滑动部件，该滑动部件通过将设置在滑动面的凹痕的开口直径与深度的比设定在指定的范围，并且以凹痕的面积率成为指定的范围的方式进行无规则地配置，从而能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内提高滑动特性。用于解决技术课题的手段为了实现上述目的，本发明的滑动部件的第1特征在于，在一对滑动部件的彼此相对滑动的至少一侧的环状滑动面上配置有多个凹痕，所述滑动部件中，所述多个凹痕的开口直径大致相同，且与其他凹痕彼此独立地设置，凹痕的深度h与开口直径d的比设定在1/500～1/10的范围，并且被无规则地配设成所述滑动面的周向上的单位角度120°内的所述凹痕的面积率成为8％～50％的范围。根据该特征，能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内提高滑动特性。并且，多个凹痕的开口直径大致相同，因此凹痕的加工变得容易。此外，通过将滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率设定在8％～50％的范围，从而在采用sic或碳作为滑动部件的材质的情况下，能够最佳化凹痕10的面积率，并且即使采用多孔sic作为滑动部件的材质的情况下，也能够防止气孔彼此连续地连接。并且，本发明的滑动部件的第2特征在于，根据第1特征，所述凹痕的深度h与直径d的比设定在1/400～1/20的范围。根据该特征，能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内更进一步提高滑动特性。并且，本发明的滑动部件的第3特征在于，根据第1或第2特征，被无规则地配设成所述滑动面的周向上的单位角度120°内的所述凹痕的面积率成为35％～45％的范围。根据该特征，能够将在滑动部件的材质为sic或碳的情况下的泄漏抑制在最小限度。并且，本发明的滑动部件的第4特征在于，根据第1至第3中的任一特征，所述多个凹痕的深度设定为约0.5μm。根据该特征，能够提高低速下的滑动特性。并且，本发明的滑动部件的第5特征在于，根据第1至第4中的任一特征，所述多个凹痕的开口直径设定为约100μm。根据该特征，能够在轴承特性数g的值大于7.6×10-8的范围减小摩擦系数。并且，本发明的滑动部件的第6特征在于，根据第1至第5中的任一特征，通过旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承常数g(粘度×速度/荷载)的关系中，所述轴承常数g(粘度×速度/荷载)被设定在2×10-9～3×10-7的范围。根据该特征，流体润滑过渡点(gc点)进入该范围，摩擦系数减小，能够防止成为边界润滑。发明效果本发明发挥如下优异的效果。(1)多个凹痕的开口直径大致相同，且与其他凹痕彼此独立地设置，凹痕的深度h与开口直径d的比设定在1/500～1/10的范围，并且被无规则地配设成滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率成为8％～50％的范围，从而能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内提高滑动特性。并且，多个凹痕的开口直径大致相同，因此凹痕的加工变得容易。此外，通过将滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率设定在8％～50％的范围，从而在采用sic或碳作为滑动部件的材质的情况下，能够最佳化凹痕10的面积率，并且即使采用多孔sic作为滑动部件的材质的情况下，也能够防止气孔彼此连续地连接。(2)通过将凹痕的深度h与直径d的比设定在1/400～1/20的范围，能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内更进一步提高滑动特性。(3)通过被无规则地配设成滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率成为35％～45％的范围，能够将在滑动部件的材质为sic或碳的情况下的泄漏抑制在最小限度。(4)通过将多个凹痕的深度设定为约0.5μm，能够提高低速下的滑动特性。(5)通过将多个凹痕的开口直径设定为约100μm，能够在轴承特性数g的值大于7.6×10-8的范围减小摩擦系数。(6)通过旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承常数g(粘度×速度/荷载)的关系中，通过所述轴承常数g(粘度×速度/荷载)被设定在2×10-9～3×10-7的范围，从而流体润滑过渡点(gc点)进入该范围，摩擦系数减小，能够防止成为边界润滑。附图说明图1是表示本发明的实施例1所涉及的机械密封件的一例的纵剖视图。图2是用于说明本发明的实施例1所涉及的滑动部件的滑动面的一例的图，图2(a)是滑动面的俯视图，图2(b)是a-a截面的放大图，图2(c)是b-b截面的放大图。图3是说明凹痕所具有的功能的说明图。图4是本发明的实施例1所涉及的滑动部件的扩大了滑动面的一部分的俯视图。图5是对本发明的凹痕的深度进行说明的说明图。图6是表示通过旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承特性数g的关系的参考图。图7是说明本测试中使用的能够测量滑动转矩的测试仪的概略剖视图。具体实施方式以下，参考附图，并根据实施例对本发明的实施方式进行例示性的说明。但是，只要没有特别明确的记载，本发明的范围就不仅限定于该实施列中所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等。实施例参考图1至图5，对本发明的实施例1所涉及的滑动部件进行说明。另外，以下实施例中，虽然以作为滑动部件的一例的机械密封件为例子进行说明，但并不限定于此，例如也能够作为一边在圆筒状滑动面的轴向一侧密封润滑油，一边与旋转轴滑动的轴承的滑动部件来利用。另外，将构成机械密封件的滑动部件的外周侧作为高压流体侧(被密封流体侧)、将内周侧作为低压流体侧(大气侧)进行说明，但本发明并不限定于此，能够适用于高压流体侧和低压流体侧倒过来的情况。图1是表示机械密封件的一例的纵剖视图，其为对欲从滑动面的外周朝向内周向泄漏的高压流体侧的被密封流体进行密封的形式的内侧形式的密封件，在驱动高压流体侧的泵轮(省略图示)的旋转轴1侧经由轴套2设置有作为一个滑动部件的圆环状的旋转侧密封环3和作为另一个滑动部件的圆环状的固定侧密封环5，所述旋转侧密封环3设置成能够与该旋转轴1一体地旋转的状态，所述固定侧密封环5以非旋转状态且能够轴向移动的状态设置于泵的壳体4，通过对固定侧密封环5沿轴向施力的波形压缩弹簧6及波纹管7，在通过研磨等进行镜面加工的滑动面s上彼此密接滑动。即，该机械密封件防止在旋转侧密封环3与固定侧密封环5的彼此的滑动面s上，被密封流体从旋转轴1的外周向大气侧流出。另外，图1中示出了旋转侧密封环3的滑动面的宽度比固定侧密封环5的滑动面的宽度宽的情况，但并不限定于此，在倒过来的情况下，当然也能够适用于本发明。旋转侧密封环3及固定侧密封环5的材质从耐磨性优异的碳化硅(sic)及自润滑性优异的碳等中选定，例如可以是两者为sic、或者旋转侧密封环3为sic且固定侧密封环5为碳的组合。如图2所示，在进行相对滑动的旋转侧密封环3或固定侧密封环5中至少任一个的滑动面无规则地配设有凹痕10。本例子中，在固定侧密封环5的滑动面s配设有多个凹痕10。在该情况下，在旋转侧密封环3上可以设置凹痕也可以不设置凹痕。当在旋转侧密封环3上设置凹痕时，优选以与设置于固定侧密封环5的滑动面s的凹痕10成为相同(尺寸、比率)的方式设置。图示的例子中，固定侧密封环5的截面形状呈如图2(c)所示的凸形状，其上表面构成平坦的滑动面s。在该滑动面s上，如图2(a)及图2(b)所示的多个凹痕10通过台面部r(平坦的部分)被隔开且被彼此独立地设置。这些凹痕10设置于滑动面s的整个周向及径向。凹痕10可以在滑动面s的径向上与高压流体侧连通，但与低压流体侧通过平坦的密封面is被隔离。并且，本例子中示出凹痕2沿周向连续地设置的情况，但并不限定于此，也可以沿周向断续地设置。本发明中，“凹痕”是指形成于平坦的滑动面s上的凹坑，其形状并没有特别限定。例如，凹坑的平面形状包含圆形、椭圆形、长圆形、或矩形，凹坑的截面形状也包含碗状或方形等各种形状。而且，形成于滑动面s的多个凹痕10具有保持作为流体力学润滑液膜而介入于与该滑动面s进行相对滑动的相对侧滑动面之间的液体的一部分，来使润滑液膜稳定的功能。各个凹痕10能够视为构成如图3所示的瑞利台阶的凹痕。图3中，固定侧密封环5的滑动面s(r)上形成有向与图的截面正交的方向延伸的瑞利台阶10a，旋转侧密封环3的滑动面s平坦地形成。若旋转侧密封环3向以箭头表示的方向相对移动，则介于两滑动面之间的流体由于其粘性而欲向箭头方向追随移动，此时，由于瑞利台阶10a的存在而产生动压(正压)。通过动压的产生，滑动面之间的润滑液膜增大，润滑性能得到提高。通过动压效果而润滑性能得到提高的同时，可能导致泄漏量增加，若为了减少泄漏量，而减少凹痕的量以使润滑液膜变薄，则滑动面s接触而容易引起磨损。图4是图2所示的固定侧密封环5的扩大了滑动面s的一部分的俯视图。图4中，形成于滑动面的多个凹痕10与其他凹痕彼此独立地设置，开口直径大致相同的多个圆形的凹痕以无规则分布的方式配置。从滑动面的轴承特性数宽的范围内提高滑动特性的观点来看，优选为多个圆形的凹痕10开口直径大致相同，且与其他凹痕彼此独立地设置，并且凹痕的深度h与直径d的比设定在1/500～1/10的范围。优选凹痕的深度h与直径d的比为1/400～1/20的范围，更优选为凹痕的深度h与直径d的比为1/240～1/60的范围。在图4所示的凹痕的情况下，深度h为约0.5μm，开口直径d设定为约100μm。在该情况下，凹痕的深度h与开口直径d的比成为1/200。并且，例如将凹痕的深度h设定为0.5μm的情况下，若设定为h/d＝1/500，则成为d＝250μm，若进而设定为h/d＝1/10，则成为d＝5μm。上述中，约0.5μm是指0.5±10％μm的范围内的值，并且同样地，约100μm是指100±10％μm的范围内的值。将在改变凹痕的深度h与直径d的比的情况下的滑动面的蜂鸣测试及泄漏测试的评价结果示于表1。并且，将滑动部件中的一方设为碳化硅(sic)，另一方设为碳。[表1]根据表1的结果可知，凹痕的深度h与直径d的比至少在1/60～1/240的范围中时，蜂鸣及泄漏均良好。根据本申请发明的发明人的研究，确认到凹痕的深度h变得越浅则流体润滑过渡点越向低g侧位移，深度h变得越深则流体润滑过渡点越向高旋转侧位移，为了保持流体润滑需要更高的转速。另外，本发明中，凹痕的开口直径d是指沿未加工面与加工面的边界线的“最大直径部”和“最小直径部”的平均值。对于目视观察不到的未加工面与加工面的边界，将除了滑动面s的粗糙表面以外的0.05μm以上的形状向深度方向变化的位置，或除了滑动面s的粗糙表面以外的凹痕深度的最深部的1/10以上的形状向深度方向变化的位置作为未加工面与加工面的边界。并且，开口直径d大致相同是指，直径在开口直径的设计值的±10％的范围内。凹痕为除圆形以外的形状的情况下，例如，对于椭圆、长圆或矩形的情况下的开口直径，方便起见采用以下等效直径。等效直径＝4×(凹痕的截面积/凹痕的周长)例如，在1个边的长度为a的正方形的情况下，成为等效直径＝4a2/4a＝a。接着，参考图5针对凹痕10的深度h进行说明。凹痕10的截面形状为如图5所示的形状的情况下，计算距加工面的中心d/4范围内的平均位置，将该计算位置至未加工面的高度尺寸作为凹痕10的深度h。接着，参考图4针对多个凹痕10的无规则地分布进行说明。如图4所示，开口直径大致相同的多个圆形的凹痕10为以向滑动面s的周向及径向无规则分布的方式配设的凹痕，且被设定成滑动面s的周向上的单位角度120°内的凹痕10的面积率(所有凹痕的面积的合计/滑动面的面积)成为8％～50％的范围。凹痕10的面积率根据滑动面s的密封压力而设定为适当的值，例如，优选进行滑动部件的旋转测试来确认该密封压力下的泄漏量，并根据密封压力来进行设定。并且，凹痕10的面积率需要根据滑动部件的材质来进行设定。例如为多孔sic的情况下，若将凹痕10的面积率设定为10％以上，则可能导致气孔彼此连续地连接，因此8％左右是适当的。将改变凹痕10的面积率时的滑动面的泄漏(微量泄漏)测试、蜂鸣测试及转矩测试的评价结果示于表2。另外，滑动部件中的一方设为碳化硅(sic)、另一方设为碳。[表2]从表2的结果可知，从泄漏、蜂鸣及转矩的方面考虑，滑动面s的周向上的单位角度120°内的凹痕10的面积率在35～45％的范围内为良好。接着，如下对滑动面加工凹痕的方法的一例进行说明。(1)使用无规则数来确定在金属掩模中的钻孔的位置。(2)在所确定的位置通过激光加工等在金属掩模钻孔。(3)将进行了无规则钻孔的金属掩模设置于作为目标的滑动部件的滑动面上。(4)通过从金属掩模的上方照射飞秒激光，或离子蚀刻等利用金属掩模的孔在滑动面形成凹痕。在滑动面上，开口直径相同的凹痕以指定的分布统一地配置。图6是表示通过旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承特性数g的关系的参考图。用于旋转滑动测试的滑动部件的滑动面的内径为滑动面的宽度为1.8mm、凹痕面积率为40％、凹痕的深度h均为0.1μm、凹痕的开口直径d分别为3种：并且，旋转滑动测试的测试条件如下表3。[表3]滑动材料组合sic(凹痕加工)×sic(无加工)安装荷载25n圆周速度0.0m/sec→10.0m/sec压力0.15mpag(外周侧)温度60℃密封流体jisk2234llc50％水溶液并且，在本测试中，在测试期间没有发生从滑动面的泄漏。图6中可知，在测试中的转速范围内，凹痕的开口直径为的例子中，在轴承特性数g的值大于7.6×10-8的范围，凹痕的开口直径越大则越减小摩擦系数。并且可知，在各凹痕的开口直径中，存在流体润滑过渡点(以下称为“gc点”。)，的例子中，凹痕的开口直径变得越小则gc点越向低g侧位移，进而减小gc点上的摩擦系数。根据图6的测试结果，可知如下。(1)在g值大于7.6×10-8的范围，凹痕开口直径越大(h/d的比越小)，越减小摩擦系数。(2)凹痕开口直径变得越小(h/d的比变得越大)，则gc点越向低g侧位移，进而减小gc点上的摩擦系数。若参考通过该旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承常数g(粘度×速度/荷载)的关系，可知轴承常数g(粘度×速度/荷载)在2×10-9～3×10-7的范围时，摩擦系数低至0.1以下，流体润滑过渡点(gc点)进入该范围，不会成为边界润滑。接着，参考图7对本测试所使用的能够测量滑动转矩的测试仪19进行说明。测试仪19的主体部分具备：外壳13，通过弹簧12以非旋转状态支撑固定环11；旋转轴14，旋转自如地插穿于该外壳13的内周；及旋转环15，被支撑在该旋转轴14的外周，且与固定环11在轴向上相对置，由旋转环15、外壳13、旋转轴14包围的密封空间封入有密封対象液l。作为本测试仪19的特征，在两侧的轴承部分16采用静压气体轴承，能够高精度地测量机械密封件的滑动转矩。并且，通过转矩计17及基于悬臂方式的测力传感器18的这两种方法来测量转矩，通过双重检查来消除测量误差。本发明的实施例所涉及的滑动部件发挥如下特别显著的效果。(1)通过多个凹痕10与其他凹痕彼此独立地设置，凹痕的深度h与直径d的比设定在1/500～1/10的范围，并且被无规则地配设成滑动面s的周向上的单位角度120°内的凹痕10的面积率成为8％～50％的范围，从而能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内提高滑动特性。并且，多个凹痕10开口直径大致相同，因此凹痕10的加工变得容易。此外，通过将滑动面s的周向上的单位角度120°内的凹痕10的面积率设定在8％～50％的范围，从而在采用sic或碳作为滑动部件的材质的情况下，能够最佳化凹痕10的面积率，并且即使采用多孔sic作为滑动部件的材质的情况下，也能够防止气孔彼此连续地连接。(2)通过将凹痕的深度h与直径d的比设定在1/400～1/20的范围，能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内更进一步提高滑动特性。若将多个凹痕的深度设定为约0.5μm、开口直径设定为约100μm，则凹痕的深度h与直径d的比成为1/200，则能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内更进一步提高滑动特性。(3)滑动部件的材质为sic或碳的情况下，滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率在10％～45％的范围没有泄漏，并且，凹痕的面积率在35％～50％的范围没有蜂鸣，进而，凹痕的面积率在25％～50％的范围为低转矩，因此进一步优选凹痕的面积率为35～45％的范围。(4)若将多个凹痕的深度设定在约0.5μm，则能够提高低速下的滑动特性。并且，若将多个凹痕的开口直径设定在约100μm，则轴承特性数g的值在大于7.6×10-8的范围能够减小摩擦系数。并且，若设定为多个凹痕的深度为约0.5μm且开口直径为约100μm，则凹痕的深度h与直径d的比成为1/200，能够在滑动面的轴承特性数宽的范围内更进一步提高滑动特性。(5)通过旋转滑动测试获得的摩擦系数与轴承常数g(粘度×速度/荷载)的关系中，通过将轴承常数g(粘度×速度/荷载)的范围设定为2×10-9～3×10-7，从而流体润滑过渡点(gc点)进入该范围，摩擦系数减小，能够防止成为边界润滑。以上，通过实施例对本发明的实施方式进行了说明，但具体的结构并不限定于这些实施例的方式，在不脱离本发明的主旨的范围内的变更和追加也包含在本发明中。例如，上述实施例中，有关滑动部件，使用机械密封装置中的旋转用密封环及固定用密封环两者中的至少一方的例子进行了说明，但也能够作为一边在圆筒状滑动面的轴向一侧密封润滑油，一边与旋转轴滑动的轴承的滑动部件来利用。并且，例如上述述实施例中，针对在外周侧存在高压的被密封流体的情况进行了说明，但也能够适用于内周侧为高压流体的情况，该情况下，只要将凹痕与内周侧连通并进行配设即可。并且，例如上述实施例中，针对多个凹痕的深度h约为0.5μm、开口直径d约为100μm的情况进行了说明，但这些表示优选的一个例子，并不限定于此，只要将凹痕的深度h与直径d的比设定在1/500～1/10的范围即可。并且，例如上述述实施例中，从实现兼顾密封和润滑的观点考虑，针对作为多个凹痕的滑动面的周向上的单位角度120°内的面积率采用40％的情况进行了说明，但并不限定于此，只要将滑动面的周向上的单位角度120°内的凹痕的面积率设定在30％～50％的范围即可。符号说明1-旋转轴，2-套筒，3-旋转侧密封环，4-壳体，5-固定侧密封环，6-波形压缩弹簧，7-波纹管，10-凹痕，19-测试仪，11-固定环，12-弹簧，13-外壳，14-旋转轴，15-旋转环，16-轴承部分，17-转矩计，18-测力传感器，s-滑动面，r-台面部。当前第1页12