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技術 シール材

出願人 NOK株式会社
発明者 北川敦沙比鈴木祐一
出願日 2018年2月8日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2018-531273
公開日 2019年2月21日 (1年0ヶ月経過) 公開番号 WO2018-151016
状態 未査定
技術分野 密封装置 ガスケットシール
主要キーワード 内周部材 シール用材料 シーリングシステム 建設用機械 ポリテトラフルオロエチレン樹脂製 シールリテーナ バックヘッド 密閉装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年2月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題・解決手段

機械的強度を保持しつつ、過酷な条件下で使用される建設機械においても使用可能な耐摩耗性を有したシール材を提供する。下記(1)および(2)を含有し、さらに(3)または(4)を含有するフッ素樹脂組成物からなるシール材である。(1)フッ素樹脂、(2)ブロンズ、(3)四酸化三コバルト、(4)コバルトおよびアルミニウムを含有し、さらにクロムチタンマグネシウムカルシウムリチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属を含有する複合金属酸化物。前記フッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。また、前記シール材は、建設機械に使用することができるものである。

概要

背景

油圧ブレーカーは、油圧ショベルアタッチメントとして装着され、チゼルロッド、のみ)を連続的に打撃させることにより、舗装路面コンクリート構造物解体岩塊の小割、岩盤掘削等に用いられている。図1に、油圧ショベル1のアタッチメントとして、油圧ブレーカー2が取り付けられている状況を示した。

油圧ブレーカー2は、シリンダピストンを備えており、ピストンとシリンダが高速で相対的な往復移動を行い、ピストンの先に取り付けられたチゼルを高速で往復運動させる。油圧ブレーカー2内のピストンとシリンダの間の環状隙間には、オイル等を封止するシールが設置されている。

図2に、油圧ブレーカー2の内部構造の概略図を示した。油圧ブレーカー2は、軸孔を有する筒状のシリンダ10と、このシリンダ10の軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランス微小隙間)を有するように挿入されるピストン11とを備えている。ピストン11の先端には、コンクリートや岩盤を粉砕するためのチゼル12が取り付けられている。

シリンダ10の後端側には有底筒状バックヘッド同軸的に固定されている。このバックヘッドには、オイルの取出口やガス吸気弁が組み込まれており、内部には窒素ガス充填されている。

油圧ブレーカー2のシリンダ10に設けられた軸孔とピストン11との間の環状隙間を封止するために、後端側と先端側にそれぞれ第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3が設けられ、シールが設置されている。第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3との間には、オイルが封じ込められている。第1シーリングシステム4は、このオイルの漏れを防止するとともに、上記した窒素ガスの漏れを防止する役割を担っている。また、第2シーリングシステム3は、オイルの漏れを防止すると共に、外部からのダスト侵入を防止する役割を担っている。シールリテーナ5は、第1シーリングシステム4において、シールを固定するために設けられている。

以上のように構成された油圧ブレーカー2においては、油圧ガス圧により、ピストン11と共に杭状のチゼル12を軸方向に高速で往復移動6させて、チゼル12の先端を破壊対象(コンクリートや岩盤など)に打ち付けることで、破壊対象を粉砕することができる。

上記の油圧ブレーカー2内の第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3に設置されるシールは、厳しいダスト環境下で高圧かつ高速の激しい往復運動に曝されるため、シールの破損や摩耗等は相当に厳しいものである。

従来から、通常の建設用機械シール材としては、ブロンズカーボンブラック等を充填したフッ素樹脂組成物が使用されてきた。当該フッ素樹脂組成物は、通常の建設機械用途であれば、十分に強度と耐摩耗性を有するものである。しかし、上記のような油圧ブレーカー用シール材等の用途では、シール材は通常の建設機械用途と比べて極めて過酷な条件(高圧かつ高速の作動条件)に曝されるため、耐摩耗性のさらなる向上が要望されていた。

例えば、特許文献1には、建築機械等の油圧駆動用シリンダに使用される密閉装置ピストンパッキン)が開示されている。当該密閉装置は、ピストンの外周面に当接する環状部材内周部材)と、シリンダの内周面に当接する環状部材(外周部材)とによって構成される二層環状構造を有している。そして、環状部材の一方はポリテトラフルオロエチレンよりも硬質な成分を含む充填剤を含んだポリテトラフルオロエチレン樹脂製環状部材であり、他方はゴム製環状部材である。

概要

機械的強度を保持しつつ、過酷な条件下で使用される建設機械においても使用可能な耐摩耗性を有したシール材を提供する。下記(1)および(2)を含有し、さらに(3)または(4)を含有するフッ素樹脂組成物からなるシール材である。(1)フッ素樹脂、(2)ブロンズ、(3)四酸化三コバルト、(4)コバルトおよびアルミニウムを含有し、さらにクロムチタンマグネシウムカルシウムリチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属を含有する複合金属酸化物。前記フッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。また、前記シール材は、建設機械に使用することができるものである。

目的

本発明の課題は、機械的強度を保持しつつ、過酷な条件下で使用される建設機械においても使用可能な耐摩耗性を有したシール材を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

下記(1)および(2)を含有し、さらに(3)または(4)を含有するフッ素樹脂組成物からなるシール材。(1)フッ素樹脂(2)ブロンズ(3)四酸化三コバルト(4)コバルトおよびアルミニウムを含有し、さらにクロムチタンマグネシウムカルシウムリチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属を含有する複合金属酸化物

請求項2

前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンである請求項1に記載のシール材。

請求項3

建設機械用である請求項1または請求項2に記載のシール材。

技術分野

0001

本発明は、シール材に関するものである。

背景技術

0002

油圧ブレーカーは、油圧ショベルアタッチメントとして装着され、チゼルロッド、のみ)を連続的に打撃させることにより、舗装路面コンクリート構造物解体岩塊の小割、岩盤掘削等に用いられている。図1に、油圧ショベル1のアタッチメントとして、油圧ブレーカー2が取り付けられている状況を示した。

0003

油圧ブレーカー2は、シリンダピストンを備えており、ピストンとシリンダが高速で相対的な往復移動を行い、ピストンの先に取り付けられたチゼルを高速で往復運動させる。油圧ブレーカー2内のピストンとシリンダの間の環状隙間には、オイル等を封止するシールが設置されている。

0004

図2に、油圧ブレーカー2の内部構造の概略図を示した。油圧ブレーカー2は、軸孔を有する筒状のシリンダ10と、このシリンダ10の軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランス微小隙間)を有するように挿入されるピストン11とを備えている。ピストン11の先端には、コンクリートや岩盤を粉砕するためのチゼル12が取り付けられている。

0005

シリンダ10の後端側には有底筒状バックヘッド同軸的に固定されている。このバックヘッドには、オイルの取出口やガス吸気弁が組み込まれており、内部には窒素ガス充填されている。

0006

油圧ブレーカー2のシリンダ10に設けられた軸孔とピストン11との間の環状隙間を封止するために、後端側と先端側にそれぞれ第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3が設けられ、シールが設置されている。第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3との間には、オイルが封じ込められている。第1シーリングシステム4は、このオイルの漏れを防止するとともに、上記した窒素ガスの漏れを防止する役割を担っている。また、第2シーリングシステム3は、オイルの漏れを防止すると共に、外部からのダスト侵入を防止する役割を担っている。シールリテーナ5は、第1シーリングシステム4において、シールを固定するために設けられている。

0007

以上のように構成された油圧ブレーカー2においては、油圧ガス圧により、ピストン11と共に杭状のチゼル12を軸方向に高速で往復移動6させて、チゼル12の先端を破壊対象(コンクリートや岩盤など)に打ち付けることで、破壊対象を粉砕することができる。

0008

上記の油圧ブレーカー2内の第1シーリングシステム4と第2シーリングシステム3に設置されるシールは、厳しいダスト環境下で高圧かつ高速の激しい往復運動に曝されるため、シールの破損や摩耗等は相当に厳しいものである。

0009

従来から、通常の建設用機械のシール材としては、ブロンズカーボンブラック等を充填したフッ素樹脂組成物が使用されてきた。当該フッ素樹脂組成物は、通常の建設機械用途であれば、十分に強度と耐摩耗性を有するものである。しかし、上記のような油圧ブレーカー用シール材等の用途では、シール材は通常の建設機械用途と比べて極めて過酷な条件(高圧かつ高速の作動条件)に曝されるため、耐摩耗性のさらなる向上が要望されていた。

0010

例えば、特許文献1には、建築機械等の油圧駆動用シリンダに使用される密閉装置ピストンパッキン)が開示されている。当該密閉装置は、ピストンの外周面に当接する環状部材内周部材)と、シリンダの内周面に当接する環状部材(外周部材)とによって構成される二層環状構造を有している。そして、環状部材の一方はポリテトラフルオロエチレンよりも硬質な成分を含む充填剤を含んだポリテトラフルオロエチレン樹脂製環状部材であり、他方はゴム製環状部材である。

先行技術

0011

特許第4894107号公報

発明が解決しようとする課題

0012

しかしながら、特許文献1に記載の密閉装置は、上記目的に対して十分な耐摩耗性を備えているとは言えず、さらに改良の余地を有するものであった。

0013

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、機械的強度を保持しつつ、過酷な条件下で使用される建設機械においても使用可能な耐摩耗性を有したシール材を提供することである。

課題を解決するための手段

0014

本発明者らは、フッ素樹脂ベース樹脂として、ブロンズを含有し、さらに耐摩耗性を向上させるための成分について検討を重ねた。その結果、コバルト系の特定の金属酸化物またはコバルトアルミニウムを含有する特定の複合金属酸化物が機械的強度を保持しつつ、優れた耐摩耗性向上効果を有することを見出して、本発明に到達することができた。

0015

すなわち、本発明は、下記(1)および(2)を含有し、さらに(3)または(4)を含有するフッ素樹脂組成物からなるシール材である。
(1)フッ素樹脂、(2)ブロンズ、(3)四酸化三コバルト、(4)コバルトおよびアルミニウムを含有し、さらにクロムチタンマグネシウムカルシウムリチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属を含有する複合金属酸化物。
また、前記フッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。また、本発明のシール材は、建設機械用に使用することが可能なものである。
以下、「コバルトおよびアルミニウムを含有し、さらにクロム、チタン、マグネシウム、カルシウム、リチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属を含有する複合金属酸化物」を「コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物」と記載する。

発明の効果

0016

本発明のシール材は、機械的強度を保持しつつ、過酷な条件下で使用される建設機械においても使用可能な耐摩耗性を有している。

図面の簡単な説明

0017

油圧ブレーカーが取り付けられた油圧ショベルを示す模式的見取図である。
油圧ブレーカーの内部構造の概略図である。
実施例と比較例の摩耗量を示すグラフである。

0018

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、以下に説明する実施形態に限定されるわけではない。

0019

本発明のシール材は、フッ素樹脂をベース樹脂として、ブロンズと、四酸化三コバルトまたはコバルト・アルミニウム系複合金属酸化物とを含有している。

0020

フッ素樹脂は、耐熱性、耐摩耗性、自己潤滑性、機械的強度に優れており、シール用材料としての基本的特性を有している。フッ素樹脂には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、ポリビニリデンフルオライドPVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体(ECTFE)等の種類がある。これらの中では、耐熱性、自己潤滑性により優れていることから、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体が好ましく、ポリテトラフルオロエチレンが最も好ましい。

0021

ブロンズは、銅と錫との合金であり、青銅ともいう。ブロンズは、展延性に優れているため、その微粒子をフッ素樹脂に添加することにより、フッ素樹脂に耐摩耗性、摺動特性、耐熱性を付与することができる。ブロンズは、フッ素樹脂に対して10〜70質量%添加するのが好ましく、より好ましくは30〜50質量%である。ブロンズは微粒子として添加される。ブロンズの平均粒径は、5〜80μmが好ましく、20〜60μmがより好ましい。なお、平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置等によって測定することができる。

0022

本発明者らは、フッ素樹脂とブロンズとからなる組成物に添加することによって、機械的強度を保持しつつ、耐摩耗性を向上させることができる添加剤として、金属酸化物系の微粒子に絞って検討を進めた。その結果、四酸化三コバルトおよびコバルト・アルミニウム系複合金属酸化物が優れた耐摩耗性向上効果を有していることを見出した。四酸化三コバルトおよびコバルト・アルミニウム系複合金属酸化物は、それぞれ単独で添加してもよいし、両者を共に添加してもよい。

0023

四酸化三コバルトは、2価のコバルト(II)と3価のコバルト(III)の両方を含む混合原子価化合物である。四酸化三コバルトの微粒子がブロンズの微粒子とともにフッ素樹脂中に分散して、耐摩耗性と摺動特性の向上に寄与するものと推定している。四酸化三コバルトは、フッ素樹脂に対して0.1〜5.0質量%添加するのが好ましく、より好ましくは0.5〜2.0質量%である。四酸化三コバルトは微粒子として添加される。四酸化三コバルトの平均粒径は、0.1〜10μmが好ましい。

0024

コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物は、コバルトとアルミニウムとを必須の金属元素として、さらに、クロム、チタン、マグネシウム、カルシウム、リチウムなる群から選択されるいずれか1種以上の金属元素を含有する複合金属酸化物である。当該金属酸化物の微粒子がブロンズの微粒子とともにフッ素樹脂中に分散して、耐摩耗性と摺動特性の向上に寄与するものと推定している。コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物は、フッ素樹脂に対して0.1〜5.0質量%添加するのが好ましく、より好ましくは0.5〜2.0質量%である。コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物は微粒子として添加される。コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物の平均粒径は、0.1〜10μmが好ましい。

0025

フッ素樹脂にブロンズの微粒子と四酸化三コバルトの微粒子またはコバルト・アルミニウム系複合金属酸化物の微粒子を添加してフッ素樹脂組成物を製造する方法は、特に限定されず、公知の混合方法を適用することができる。また、フッ素樹脂組成物には、さらに必要に応じて、無機充填材有機充填材分散剤酸化防止剤熱安定剤等の従来公知の各種添加剤を本発明の目的を損なわない範囲で適宜配合することができる。

0026

ブロンズおよび四酸化三コバルトまたはコバルト・アルミニウム系複合金属酸化物を含有するフッ素樹脂組成物をシール形状成形する方法は、特に限定されず、公知の成形方法を適用することができる。

0027

以下に実施例を示して説明するが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。実施例、比較例に用いた原材料は以下のとおりである。
(1)ポリテトラフルオロエチレン:旭硝子(株)製 Fuluon G-163
(2)ブロンズ:福田金属箔粉工業(株)製 Bro-At-200、平均粒径35μm
(3)添加剤:
(i)四酸化三コバルト:伊勢化学工業(株)製、四三酸化コバルト
(ii)CoAl2O4/Co(Al、Cr)2O4:Ferro社製、PS22−5095PK、Ti、Mg、Caを少量含有する。
(iii)CoAl2O4/Li2O/TiO2:東罐マテリアルテクノロジー(株)製、42−211A
(iv)Co(Al、Cr)2O4:東罐マテリアル・テクノロジー(株)製、42−204A
(v)CoAl2O4:東罐マテリアル・テクノロジー(株)製、42−250A
(vi)CoCO3:日本化学産業(株)製、炭酸コバルト
(vii)Al2O3:住友化学(株)製、AL−41−01
(viii)カーボンブラック:三菱化学(株)製、#20

0028

(実施例1〜4、比較例1〜4)
ポリテトラフルオロエチレン、ブロンズ、添加剤を、ポリテトラフルオロエチレン/ブロンズ/添加剤=59.5/40.0/0.5(質量%)の比率で、表1に記載した各種粉体成分ヘンシェルミキサーを用いて混合して、各種粉体混合物を作製した。得られた粉体混合物を、100tプレス機(圧力69MPa、保圧時間135秒)を用いて圧縮成形し、その後、375℃で3.0〜3.5時間焼成して、各種フッ素樹脂組成物のシート(厚さ2mm)を作製した

0029

得られたフッ素樹脂組成物シートを用いて、以下に記載する項目を評価した。
(引張強さ、破断伸び
JIS K 6891:1995に準拠して、引張強さ、破断伸びを測定した。

0030

(摩耗量)
JIS K 7218:1986に準拠して、摩耗量を測定した。
面圧:6MPa、周速:2m/s、温度:R.T.、試験時間:8hr、
相手材炭素鋼S45C(表面の十点平均粗さRz:1.5μm)+クロムメッキ、無潤滑

0031

0032

表1に評価結果を示した。図3は、表1に記載された実施例1〜4と比較例1〜4の摩耗量を示すグラフである。
比較例4は、建設機械に実際に使用されているシール材に相当するフッ素樹脂組成物である。実施例1〜4、比較例1〜4の結果より、カーボンブラックに代えて、金属化合物を添加することによって、摩耗量が低下し、耐摩耗性が向上する傾向が見られた。金属化合物の中の比較では、比較例3に示されるように、アルミニウムの金属酸化物だけでは耐摩耗性改良効果がやや劣るものであった。

0033

また、比較例2に示されるように、コバルト金属であっても炭酸コバルトでは、機械的強度が低下した。これは、焼成中に炭酸コバルトが分解・脱炭酸することにより材料内にボイドが多く発生し、機械的強度の保持に十分寄与しなかったためと考えられる。また、比較例1のCoAl2O4では、耐摩耗性は向上したが、機械的強度の低下が見られた。

実施例

0034

一方、実施例2〜4は、コバルト・アルミニウム系複合金属酸化物を添加することによって、機械的強度を保持しつつ、耐摩耗性が改良されることが確認された。また、実施例1に示されるように、四酸化三コバルトを添加することによって、機械的強度を保持しつつ、特異的に大幅な耐摩耗性改良効果が確認された。

0035

1油圧ショベル
2 油圧ブレーカー

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