シール材の選択は、製品の品質、寿命、性能を左右し、将来的なトラブルを軽減する上で非常に重要です。ここでは、環境がシール材の選択にどのように影響するか、また、最も一般的なシール材とその最適な用途について見ていきます。
環境要因
シール材の設計と材質を選ぶ際には、シールがさらされる環境が非常に重要です。シール材には、あらゆる環境において、安定したシール面を形成すること、熱伝導性、耐薬品性、優れた耐摩耗性など、多くの重要な特性が求められます。
環境によっては、これらの特性が他の環境よりも強く求められる場合があります。環境を考慮する際に考慮すべきその他の材料特性には、硬度、剛性、熱膨張率、耐摩耗性、耐薬品性などがあります。これらの点を念頭に置くことで、シール材として最適な材料を見つけることができます。
環境によって、シールのコストと品質のどちらを優先すべきかが決まる場合もあります。摩耗が激しく過酷な環境では、そのような条件に耐えられるだけの強度を持つ材料が必要となるため、シールの価格は高くなる可能性があります。
このような環境では、高品質のシールに投資することで、長期的に見て費用対効果が得られます。なぜなら、低品質のシールを使用した場合に発生する高額な操業停止、修理、改修、またはシールの交換を防ぐことができるからです。ただし、潤滑特性を持つ非常に清浄な流体を扱うポンプ用途では、より高品質のベアリングを優先して、安価なシールを購入することも可能です。
一般的なシール材
炭素
シール面に使用されるカーボンは、非晶質カーボンとグラファイトの混合物であり、それぞれの含有率によって最終的なカーボンの物性が決まります。カーボンは不活性で安定した材料であり、自己潤滑性も備えています。
メカニカルシールの両端面の一方として広く用いられており、乾燥潤滑または少量潤滑下でのセグメント型周方向シールやピストンリングの材料としても人気があります。この炭素／黒鉛混合物は、他の材料を含浸させることで、多孔性の低減、耐摩耗性の向上、強度の向上など、さまざまな特性を持たせることも可能です。
熱硬化性樹脂含浸カーボンシールは、メカニカルシールとして最も一般的であり、ほとんどの樹脂含浸カーボンは、強塩基から強酸まで幅広い化学物質に対応可能です。また、優れた摩擦特性と適切な弾性率を備えており、圧力による歪みを抑制するのに役立ちます。この材料は、水、冷却液、燃料、油、軽質化学溶液、食品および医薬品用途において、260℃（500°F）までの一般的な用途に適しています。
アンチモン含浸カーボンシールは、アンチモンの強度と弾性率の高さから、より強く剛性の高い材料が必要とされる高圧用途に適していることが実証されています。また、高粘度流体や軽質炭化水素を使用する用途において、ブリスター（膨れ）に対する耐性も高いため、多くの製油所用途で標準グレードとして採用されています。
炭素は、ドライ運転、極低温、真空用途向けにはフッ化物などの皮膜形成剤を、高温、高速、タービン用途（最大800フィート/秒、約537℃（1,000°F））向けにはリン酸塩などの酸化抑制剤を含浸させることもできる。
セラミック
セラミックスは、天然または合成化合物から作られる無機非金属材料であり、最も一般的な原料は酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムです。高い融点、高い硬度、高い耐摩耗性、耐酸化性を備えているため、機械、化学、石油、医薬品、自動車などの産業で幅広く使用されています。
アルミナは優れた誘電特性も持ち合わせており、電気絶縁体、耐摩耗部品、研削媒体、高温部品などに広く用いられています。高純度のアルミナは、一部の強酸を除くほとんどのプロセス流体に対して優れた耐薬品性を示すため、多くのメカニカルシール用途で使用されています。しかし、アルミナは熱衝撃によって容易に破損する可能性があるため、熱衝撃が問題となる用途では使用が制限されています。
炭化ケイ素は、シリカとコークスを溶融して作られます。化学的にはセラミックに似ていますが、潤滑性に優れ、硬度も高いため、過酷な環境下でも耐久性に優れた素材として利用できます。
また、再研磨や研削も可能なので、シールは耐用期間中に複数回再生できます。耐薬品性、強度、硬度、耐摩耗性、摩擦係数、耐熱性に優れているため、一般的にはメカニカルシールなどの機械用途に多く用いられます。
メカニカルシール面に炭化ケイ素を使用すると、タービン、コンプレッサー、遠心ポンプなどの回転機器の性能向上、シール寿命の延長、メンテナンスコストの削減、および運転コストの削減につながります。炭化ケイ素は、製造方法によって特性が異なります。反応結合炭化ケイ素は、炭化ケイ素粒子同士を反応プロセスで結合させることによって形成されます。
このプロセスは材料の物理的特性や熱的特性のほとんどに大きな影響を与えませんが、耐薬品性は低下させます。問題となる最も一般的な化学物質は苛性物質（およびその他の高pH化学物質）と強酸であり、そのため反応結合型炭化ケイ素はこれらの用途には使用すべきではありません。
自己焼結型炭化ケイ素は、炭化ケイ素粒子を非酸化物焼結助剤を用いて不活性雰囲気下で2,000℃以上の温度で直接焼結することによって製造されます。二次材料（シリコンなど）を使用しないため、直接焼結された材料は、遠心ポンプ内で想定されるほぼすべての流体およびプロセス条件に対して化学的に耐性があります。
炭化タングステンは炭化ケイ素と同様に汎用性の高い材料ですが、弾性が高くわずかにたわむことで表面の歪みを防ぐため、高圧用途により適しています。炭化ケイ素と同様に、再研磨や鏡面仕上げが可能です。
炭化タングステンは、多くの場合、超硬合金として製造されるため、炭化タングステン同士を結合させる試みは行われません。二次金属を添加して炭化タングステン粒子を結合または固めることで、炭化タングステンと金属結合剤の両方の特性を兼ね備えた材料が得られます。
これは、炭化タングステン単体では不可能な、より高い靭性と耐衝撃性を実現することで有利に利用されてきた。超硬タングステンの弱点の1つは、その高密度である。かつてはコバルト結合炭化タングステンが使用されていたが、産業界で求められる化学的適合性の範囲が不足しているため、徐々にニッケル結合炭化タングステンに置き換えられてきた。
ニッケル結合炭化タングステンは、高い強度と高い靭性が求められるシール面に広く使用されており、一般的に遊離ニッケルによって制限されるものの、良好な化学的適合性を有している。
GFPTFE
GFPTFEは優れた耐薬品性を持ち、添加されたガラス繊維がシール面の摩擦を低減します。比較的クリーンな用途に最適で、他の材料よりも安価です。シールの要件や環境に合わせて最適な性能を発揮できるよう、様々なバリエーションが用意されています。
ブナ
ブナゴム（ニトリルゴムとも呼ばれる）は、Oリング、シーラント、成形品などに使用されるコスト効率の高いエラストマーです。優れた機械的性能で知られ、油性、石油化学、化学薬品用途で高い性能を発揮します。また、その柔軟性の低さから、原油、水、各種アルコール、シリコーングリース、作動油などの用途にも広く使用されています。
ブナゴムは合成ゴム共重合体であるため、金属接着性や耐摩耗性が求められる用途において優れた性能を発揮します。また、その化学的特性からシーリング材としても理想的です。さらに、耐酸性および耐アルカリ性が低い設計になっているため、低温環境にも耐えることができます。
ブナゴムは、高温、天候、日光、耐蒸気性などの極端な要因を伴う用途には適しておらず、酸や過酸化物を含む定置洗浄（CIP）消毒剤との併用には適していません。
EPDM
EPDMは、自動車、建設、機械分野でシール材、Oリング、チューブ、ワッシャーなどに広く使用されている合成ゴムです。ブナゴムよりも高価ですが、高い引張強度を長期間維持できるため、様々な熱、天候、機械的特性に耐えることができます。汎用性が高く、水、塩素、漂白剤、その他のアルカリ性物質を扱う用途に最適です。
EPDMは弾性と接着性に優れているため、一度伸ばすと温度に関係なく元の形状に戻ります。ただし、石油、液体、塩素化炭化水素、炭化水素溶剤などの用途には推奨されません。
バイトン
バイトンは、耐久性と高性能を兼ね備えたフッ素系炭化水素ゴム製品で、Oリングやシール材として最も一般的に使用されています。他のゴム材料よりも高価ですが、最も過酷で要求の厳しいシール用途において最適な選択肢となっています。
オゾン、酸化、極端な気象条件、さらには脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素、ハロゲン化流体、強酸性物質などの物質に対しても耐性があり、最も堅牢なフッ素エラストマーの一つです。
適切なシーリング材を選ぶことは、用途の成功にとって重要です。多くのシーリング材は似ていますが、それぞれが様々な用途に対応し、特定のニーズを満たすように設計されています。
投稿日時：2023年7月12日