- ▸「硬度が高いほど耐摩耗性が良い」というのはカーボングラファイトのシール材には当てはまらず、その関係は非線形で臨界点が存在する
- ▸重要なデータ：硬度を60 HSから80 HSに上げると摩耗率は約40％減少するが、90 HSから110 HSに上げると脆さや微細な欠けにより摩耗が15％〜30％増加する
- ▸同じ80 HSのショア硬度でも、カーボングラファイト材料は配合や含浸の違いにより摩耗率が数倍異なることがあり、硬度試験の限界を示している
- ▸含浸のメカニズムは異なる：アンチモンは硬度を60から90〜110 HSに上げ、耐摩耗性を向上させる；PTFEは硬度を変えずに低摩擦により摩耗を減らす
- ▸カーボングラファイトとシリコンカーバイド（SiC）の組み合わせは摩擦対として金字塔的存在で、PV値は15〜25 MPa·m/s；0.1％以上の固形物を含む媒体は摩耗率を3〜5倍に増加させる
シール選定において「硬度が高いほど耐摩耗性が良い」というのは直感的な判断としてよくあるが、カーボングラファイト材料に関しては必ずしも正しくない。カーボングラファイトの耐摩耗性は硬度だけでなく、配合、含浸の種類、相手材、使用条件にも依存する。Huahao Sealing Co., Ltd.は長年の試験データに基づき、硬度と耐摩耗性の真の関係を体系的に分析し、誤解を正している。
1. 硬度試験方法とその意味
1.1 ショア硬度（HS）
カーボングラファイト材料で最も一般的に使用される硬度指標はショア硬度HSで、HS（G）とHS（F）のスケールがある。メカニカルシール用カーボングラファイトは通常40〜100 HSの範囲にある。ショア硬度は弾性変形能力を反映する反発型硬度であり、カーボングラファイトのような多孔質で不均質な材料に適している。
1.2 ロックウェル硬度とブリネル硬度
ロックウェル硬度（HRR、HRM）やブリネル硬度（HB）も金属含浸グラファイトに用いられるが、カーボングラファイトの不均質性によりデータのばらつきが大きく、複数回の測定値の平均を取る必要がある。当社の出荷検査ではバッチごとに最低5点の測定を行っている。
1.3 硬度試験の限界
硬度は材料の局所的な塑性変形に対する抵抗を示すものであり、全体の耐摩耗性を示すものではない点に注意が必要である。同じ80 HSショア硬度のカーボングラファイト材料でも、配合や含浸の違いにより摩耗率が数倍異なることがある。
2. 硬度と耐摩耗性の非線形関係
2.1 一般的傾向と臨界点
合理的な範囲内では、カーボングラファイトの硬度が上がるほど一般的に耐摩耗性は向上しますが、この関係には臨界点があります。硬度が約90～100 HSを超えると、脆性が著しく増加し、シール面が運転中に微細な欠けや剥離を起こしやすくなり、実際には摩耗が加速します。Huahaoの実験データによると、硬度が60 HSから80 HSに上昇すると摩耗率は約40％低下しますが、90 HSから110 HSに上昇すると逆に摩耗率が15～30％増加します。
2.2 含浸タイプの影響
異なる含浸プロセスは、異なるメカニズムで硬度と耐摩耗性に影響を与えます。アンチモン金属含浸は硬度を60 HSから90～110 HSに引き上げ、金属相の支持効果により耐摩耗性も大幅に向上します。フェノール樹脂含浸は硬度の上昇は5～15 HS程度に限られますが、気孔率を低減し界面接触を改善することで耐摩耗性は向上します。PTFE含浸は硬度変化はほとんどありませんが、低摩擦特性により摩耗率を低減します。
2.3 配合と粒径
配合中の骨材の粒径は硬度と耐摩耗性に大きく影響します。微細粒子配合（75μm以下）は硬度が高く表面仕上げも良好で、精密シールに適しています。粗粒子配合（150μm以上）は硬度はやや低いものの熱伝導率が高く、高温・重負荷条件に適しています。Huahaoは用途に応じた複数の配合システムを提供しています。
3. 相手材の適合が重要
カーボングラファイトの耐摩耗性はグラファイト単体だけでなく、摩擦対となる材料全体に依存します。一般的な相手材にはシリコンカーバイド（SiC）、タングステンカーバイド（WC）、アルミナセラミック（Al₂O₃）、および鋳鉄があります。
3.1 シリコンカーバイドの組み合わせ
SiCとカーボングラファイトの組み合わせは、現在のメカニカルシールにおけるゴールドスタンダードであり、大きな硬度差、優れた化学的適合性、PV値15～25 MPa·m/sまで対応可能、極めて低い摩耗率を誇ります。
3.2 タングステンカーバイドの組み合わせ
YG6やYG8などのタングステンカーバイドは高圧・高速条件に適していますが、セメントカーバイドの熱伝導率はSiCより低いため、シール面の温度上昇に注意が必要です。
3.3 鋳鉄の組み合わせ
鋳鉄とグラファイトの組み合わせは低コストで、低圧水ポンプなどの一般的な用途に使用されますが、相手材の摩耗が早いため定期的な交換が必要です。
4. 運転条件の影響
耐摩耗性は運転条件の関数です。媒体の粘度、固形物含有量、温度、圧力、速度などが実際の摩耗率に影響を与えます。例えば、固形物が0.1％以上含まれる媒体ではカーボングラファイトの摩耗率が3～5倍に増加します。媒体温度が200℃を超えると、樹脂含浸グラファイトの硬度が著しく低下し、耐摩耗性も減少します。
5. 結論
カーボングラファイトの硬度と耐摩耗性には非線形の関係があります。単に高硬度を追求することは適切な選択方法ではありません。エンジニアは含浸の種類、相手材質、運転条件を総合的に考慮し、体系的なマッチングを行うべきです。Huahao Sealing Co., Ltd. は、材料レベルの摩擦および摩耗試験データを提供し、お客様の最適な選定を支援いたします。