カーボングラファイト対シリコンカーバイドシールフェース：性能、コストおよび組み合わせ選定ガイド

1. 両材料の位置付け

メカニカルシールのフェース組み合わせは通常「一方が軟、もう一方が硬」という原則に従います。軟フェースは自己潤滑性と犠牲摩耗を提供し、硬フェースは平面性を維持し高速摩擦に耐えます。カーボングラファイトとシリコンカーバイドは古典的な組み合わせです。

• カーボングラファイト：軟フェースとして（回転リングまたは固定リング）、層状構造の自己潤滑性を活かして摩擦を低減し、犠牲摩耗により硬フェースを保護
• シリコンカーバイド（SiC）：硬フェースとして、極めて高い硬度と耐摩耗性で高速摩擦下でもフェースの平面性を維持

両者は競合する材料ではなく、補完的な組み合わせ材料です。単一のシール組立体には両方が使われます。

2. 物理特性比較

| 特性 | カーボングラファイト（含浸） | 反応結合SiC | 無圧焼結SiC |

|---------|-------------------------------|---------------------|---------------------------|

| 密度 (g/cm³) | 1.80-2.20 | 3.05-3.10 | 3.10-3.21 |

| 硬度 | HS 40-90 | HV 2000-2800 | HV 2500-2800 |

| 圧縮強度 (MPa) | 150-340 | 1500-2500 | 2000-3000 |

| 曲げ強度 (MPa) | 40-100 | 350-500 | 400-550 |

| 熱伝導率 (W/m·K) | 70-150 | 80-150 | 80-120 |

| 線膨張係数 (×10⁻⁶/℃) | 2.5-5.0 | 4.0-4.5 | 4.0-4.5 |

| 最高使用温度 (℃) | 600（非酸化環境） | 1400 | 1600 |

主な結論：

1.SiCの硬度はカーボングラファイトの30～50倍で、耐摩耗性がはるかに優れる

2.熱伝導率は両者ほぼ同等で、アルミナセラミック（25-35 W/m·K）より大幅に優れる

3.カーボングラファイトは靭性に優れ、もろい破壊に強いが、SiCはもろく熱衝撃割れが起こりやすい

3. 化学耐性比較

| 媒体 | カーボングラファイト（フェノール含浸） | シリコンカーバイド |

|-------|----------------------------------------|-----------------|

| 塩酸（30%） | 良好 | 優秀 |

| 硫酸（50%） | 良好 | 優秀 |

| 硝酸（30%） | 普通 | 優秀 |

| フッ化水素酸 | 不良（PTFE含浸が必要） | 不良（SiCはHFと反応） |

| 水酸化ナトリウム（30%） | 良好 | 優秀 |

| アセトン、アルコール類 | 優秀 | 優秀 |

主な結論：

1.SiCはほぼすべての酸・アルカリ（HFを除く）に耐性があり、カーボングラファイトより化学的安定性が高い

2.カーボングラファイトの耐性は含浸タイプに依存し、強い酸化性媒体（例：濃硝酸）では劣化する

3.いずれもフッ化水素酸には適さず、PTFEまたは充填PTFEの組み合わせが必要である

4. コストと加工性の比較

• カーボングラファイトのブランク材：約30～80元/kg、良好な加工性、旋削および研削が可能
• 反応結合SiCのブランク材：約250～600元/kg、ダイヤモンドホイールが必要で加工コストが高い
• 無圧焼結SiCのブランク材：約400～900元/kg、より硬く加工が困難

SiCの単価はカーボングラファイトの3～8倍で、加工コストも高いです。しかし、SiCの耐摩耗性はカーボングラファイトをはるかに上回り、より長い寿命を提供します。固形物を含む媒体や高速・高圧の使用環境では、SiCの総合的なライフコストが低くなる場合があります。

5. 典型的な適用シナリオ

5.1 主流の使用環境：清水、弱腐食性媒体、低～中圧

• 組み合わせ：含浸カーボングラファイト＋反応結合SiC
• 使用例：遠心ポンプ、循環ポンプ、冷却水ポンプ、媒体圧力2 MPa未満、温度150℃未満
• 利点：コスト効率が良く、流体膜が安定し、寿命は8000～12000時間

5.2 固形物を含む媒体：汚水、スラリー、パルプ

• 組み合わせ：無圧焼結SiC対無圧焼結SiC（硬質対硬質）
• 使用例：固形物を含む研磨性媒体
• 注意点：粒子がカーボングラファイトの軟質面を急速に摩耗させるため、SiC対SiCが使用されるが、コストが高く流体膜の安定性は低い

5.3 強い腐食性化学薬品：塩酸、硫酸、苛性ソーダ

• 組み合わせ：フラン樹脂含浸カーボングラファイト＋反応結合SiC
• 使用例：化学ポンプ、リアクター、強酸・強アルカリ媒体
• 利点：耐腐食性とコスト効率のバランスが良い

5.4 高温熱油：熱油、アスファルト

• 組み合わせ：アンチモン含浸カーボングラファイト＋反応結合SiC
• 使用例：200～400℃の熱油ポンプ
• 利点：高温耐性と耐荷重性のバランスが良い

6. なぜ「カーボングラファイト＋SiC」が主流の組み合わせなのか

1.相補的な強み：カーボングラファイトの自己潤滑性が摩擦を低減し、SiCが面の平坦性を維持する

2.膜の安定性：カーボングラファイトの軟質面が優先的に摩耗し、微細な谷を形成して媒体を保持し膜を安定化させる

3.コストのバランス：安価なカーボングラファイトは定期的に交換され、耐摩耗性のSiCは長期間再利用される

4.熱的調和：熱伝導率が近いため双方向の熱放散が可能で、局所的な過熱を回避できる

5.故障許容性：カーボングラファイトが犠牲摩耗面として機能し、異常時に先に摩耗して高価なSiC硬質面を保護し警告を発する

これらの複合的な利点により、「カーボングラファイト＋SiC」は産業用メカニカルシールの90%以上で標準的な組み合わせとなっています。固形物を含む媒体やフッ化水素など特殊な条件下でのみ、別の組み合わせが必要となります。