シール材の選択は、アプリケーションの品質、寿命、性能を決定づけ、将来の問題発生リスクを軽減する上で重要な役割を果たすため、非常に重要です。ここでは、環境がシール材の選定にどのような影響を与えるか、そして最も一般的なシール材と、それらがどのような用途に最も適しているかについて見ていきます。
環境要因
シールがさらされる環境は、設計と材料を選定する際に非常に重要です。シール材には、安定したシール面の形成、熱伝導性、耐薬品性、優れた耐摩耗性など、あらゆる環境において求められる重要な特性がいくつかあります。
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としては、硬度、剛性、熱膨張、耐摩耗性、耐薬品性などがあります。これらを念頭に置くことで、シールに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ります。研磨性が高く過酷な環境では、材料にそれらの条件に耐える十分な強度が求められるため、シールのコストが高くなる可能性があります。
このような環境では、高品質のシールにお金をかけると、低品質のシールによって発生するコストのかかる停止、修理、シールの改修または交換を防ぐのに役立つため、時間が経つにつれて元が取れます。ただし、潤滑特性のある非常にきれいな流体を使用するポンプ用途では、より高品質のベアリングではなく、より安価なシールを購入することもできます。
一般的なシール材料
炭素
シール面に使用されるカーボンは、アモルファスカーボンとグラファイトの混合物であり、それぞれの配合割合によって最終的なカーボングレードの物理的特性が決まります。カーボンは不活性で安定した材料であり、自己潤滑性を有します。
メカニカルシールの一対の端面の一方として広く使用されているほか、乾燥潤滑または少量潤滑下でのセグメント型円周シールやピストンリングにも広く使用されています。この炭素/グラファイト混合物は、他の材料を含浸させることで、気孔率の低減、耐摩耗性の向上、強度の向上など、様々な特性を付与することも可能です。
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に使用されています。ほとんどの樹脂含浸カーボンは、強塩基から強酸まで、幅広い化学物質で動作可能です。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します。この材料は、水、冷却剤、燃料、油、軽質化学溶液、食品・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により優れた性能を発揮することが実証されており、より強度と剛性の高い材料が求められる高圧用途に適しています。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も、ブリスター発生に対する耐性が高く、多くの製油所用途の標準グレードとなっています。
カーボンには、乾式運転、極低温、真空用途向けのフッ化物などのフィルム形成剤、または、800 フィート/秒、約 537°C (1,000°F) までの高温、高速、タービン用途向けのリン酸塩などの酸化防止剤を含浸させることもできます。
セラミック
セラミックスは、天然または合成化合物、特に酸化アルミニウムまたはアルミナから作られた無機非金属材料です。高い融点、高い硬度、優れた耐摩耗性、優れた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広く使用されています。
優れた誘電特性も備えており、電気絶縁体、耐摩耗部品、研削媒体、高温部品などに広く使用されています。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に使用されています。しかし、アルミナは熱衝撃を受けると容易に破損するため、これ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、過酷な環境でも優れた耐摩耗性を発揮します。
また、再ラッピングや研磨も可能なため、シールの寿命期間中に複数回再生が可能です。優れた耐薬品性、高強度、高硬度、優れた耐摩耗性、低い摩擦係数、そして高温耐性を備えているため、一般的にはメカニカルシールなどの機械用途に使用されます。
メカニカルシール面にシリコンカーバイドを使用すると、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、ランニングコストの削減につながります。シリコンカーバイドは、製造方法によって異なる特性を持ちます。反応結合シリコンカーバイドは、反応プロセスによってシリコンカーバイド粒子を互いに結合させることで形成されます。
このプロセスは、材料の物理的特性および熱的特性のほとんどに大きな影響を与えませんが、耐薬品性には制限があります。問題となる最も一般的な化学物質は、苛性剤（およびその他の高pH化学物質）と強酸であるため、反応結合型シリコンカーバイドはこれらの用途には使用しないでください。
自己焼結型炭化ケイ素は、非酸化物系焼結助剤を用いて炭化ケイ素粒子を不活性雰囲気下、2,000℃以上の温度で直接焼結させることで製造されます。二次材料（シリコンなど）が不要なため、直接焼結された材料は、遠心ポンプで発生する可能性のあるほぼあらゆる流体およびプロセス条件に対して化学的耐性を備えています。
タングステンカーバイドはシリコンカーバイドと同様に汎用性の高い材料ですが、弾性率が高いためわずかに曲がり、面の歪みを防ぐことができ、高圧用途に適しています。シリコンカーバイドと同様に、再ラッピングや研磨が可能です。
タングステンカーバイドはほとんどの場合、セメントカーバイドとして製造されるため、タングステンカーバイド自体を結合させることはありません。タングステンカーバイド粒子を結合または接合するために二次金属が添加され、その結果、タングステンカーバイドと金属バインダーの両方の特性を備えた材料が生まれます。
これは、タングステンカーバイド単体では得られない高い靭性と衝撃強度を実現できるという利点を活かして活用されてきました。焼結タングステンの弱点の一つは、その高い密度です。かつてはコバルト結合タングステンカーバイドが使用されていましたが、産業用途で求められる幅広い化学的適合性を満たしていなかったため、徐々にニッケル結合タングステンカーバイドに置き換えられていきました。
ニッケル結合タングステンは、高強度および高靭性が求められるシール面に広く使用されており、一般に遊離ニッケルによって制限される良好な化学的適合性を備えています。
GFPTFE
GFPTFEは耐薬品性に優れ、ガラスを添加することで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。シールを要件や環境に合わせて最適化し、全体的な性能を向上させるためのサブバリエーションもご用意しています。
ブナ
ブナ（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。優れた機械的特性で知られており、油性、石油化学、化学用途で優れた性能を発揮します。また、その硬さから、原油、水、各種アルコール、シリコーングリース、油圧作動油などの用途にも広く使用されています。
ブナは合成ゴムコポリマーであるため、金属接着や耐摩耗性が求められる用途で優れた性能を発揮します。この化学的特性はシーラント用途にも最適です。さらに、耐酸性および耐アルカリ性（弱）に設計されているため、低温にも耐えることができます。
ブナは、高温、天候、日光、蒸気耐性などの極端な要因がある用途には制限されており、酸や過酸化物を含む定置洗浄（CIP）消毒剤には適していません。
EPDM
EPDMは、自動車、建設、機械用途において、シール、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、耐候性、機械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は弾性と接着性を備えているため、一度伸ばしても温度に関わらず元の形状に戻ります。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。
ヴィトン
バイトンは、長寿命で高性能なフッ素化炭化水素ゴム製品で、Oリングやシール材に最もよく使用されています。他のゴム素材よりも高価ですが、最も困難で要求の厳しいシーリングニーズに最適な選択肢です。
オゾン、酸化、および極端な気象条件に対する耐性があり、脂肪族および芳香族炭化水素、ハロゲン化流体、強酸性物質などの材料にも耐えられるため、最も堅牢なフッ素エラストマーの 1 つです。
シーリングに適した材料を選択することは、アプリケーションの成功にとって重要です。多くのシール材は類似していますが、それぞれが様々な用途に使用され、特定のニーズに対応しています。
投稿日時: 2023年7月12日