カーボングラファイトシール表面処理工程の詳細解説：含浸からコーティングまでの技術的手法

グラファイトシールの表面処理は、その性能向上における重要な工程です。適切な表面処理により、グラファイトシールの耐摩耗性、耐食性、熱伝導率および自己潤滑性を大幅に改善できます。霍邱县华豪密封件有限公司（Huahao Sealing）は長年のプロセス研究開発により、完全な表面処理プロセス体系を確立しています。本記事では、各種表面処理プロセスの原理、パラメータおよび応用について体系的に紹介します。

1. 含浸工程

1.1 金属含浸

金属含浸は、真空または加圧下で溶融金属をカーボングラファイトの孔隙に導入し、冷却して金属充填材を形成することで、密度、強度、熱伝導率を向上させる工程です。

#### 1.1.1 アンチモン含浸工程

アンチモン（Sb）はカーボングラファイトシールで最も一般的に使用される金属含浸材で、融点は630℃、密度は6.68 g/cm³です。工程パラメータは以下の通りです：

• 予熱温度：400～450℃（脱ガス）
• 含浸温度：650～700℃（アンチモン融解）
• 含浸圧力：0.5～2.0 MPa（加圧含浸）
• 保持時間：2～4時間
• 冷却方法：炉冷で200℃まで冷却後、空冷

含浸後の性能：

• 密度は1.70 g/cm³から2.3～2.4 g/cm³に増加
• 含浸率（孔隙充填率）≥85%
• 圧縮強度は120 MPaから200～280 MPaに向上
• 熱伝導率は70 W/(m·K)から110 W/(m·K)に向上

#### 1.1.2 銅含浸工程

銅（Cu）は融点1083℃、密度8.96 g/cm³です。銅含浸グラファイトは熱伝導率が高い一方でコストが高くなります。工程パラメータは以下の通りです：

• 含浸温度：1100～1150℃
• 含浸圧力：1.0～3.0 MPa
• 保持時間：3～5時間

含浸後の熱伝導率は140～160 W/(m·K)に達しますが、銅は空気中で酸化しやすいため、使用温度は400℃以下に制限されます。

#### 1.1.3 バビット合金含浸

バビット合金は錫系または鉛系の合金で、融点は240～400℃です。バビット含浸グラファイトは優れた追従性と埋込み性を持ち、低速・重負荷条件に適しています。

1.2 樹脂含浸

樹脂含浸は、真空下で液状樹脂をグラファイトの孔隙に導入し、その後加熱して硬化させる工程です。

#### 1.2.1 フェノール樹脂含浸

フェノール樹脂は最も経済的な樹脂含浸材料で、硬化温度は150～180℃です。

• 含浸温度：常温
• 真空度：≤-0.09 MPa
• 含浸時間：30～60分
• 硬化温度：150～180℃ × 4～6時間
• 含浸後の耐熱温度：200℃

#### 1.2.2 フラン樹脂含浸

フラン樹脂はフェノール樹脂より耐腐食性に優れ、硬化温度は160～200℃です。含浸後の耐熱温度は220℃に達し、ほとんどの有機酸および無機酸に耐えます。

#### 1.2.3 PTFE含浸

PTFE含浸は懸濁液含浸と焼結により実施され、焼結温度は360～380℃です。含浸後は優れた化学的不活性を持ちますが、熱伝導率は50～55 W/(m·K)に低下します。

2. 表面コーティング工程

2.1 PVDダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティング

DLCコーティングは、物理蒸着法（PVD）によりグラファイトシールリング表面に1〜5μmの非晶質カーボン-水素膜を形成します。工程パラメータは以下の通りです：

• 蒸着温度：200〜300℃
• 蒸着時間：4〜8時間
• コーティング厚さ：1〜5μm
• コーティング硬度：HV 3000〜5000
• 摩擦係数：0.05〜0.08（油潤滑時）
• 耐摩耗性：無コーティングの10倍

DLCコーティングは低摩擦を必要とする高PV値条件に適していますが、薄膜のため衝撃荷重には耐えられません。

2.2 プラズマスプレーセラミックコーティング

プラズマスプレーにより、グラファイトシールリング表面に50〜200μmのアルミナ（Al₂O₃）またはクロム酸化物（Cr₂O₃）コーティングを形成します。コーティング硬度はHV 1000〜1500に達し、耐摩耗性を大幅に向上させますが、グラファイトへの付着力が弱く、剥離のリスクがあります。

2.3 無電解ニッケルめっき

無電解ニッケルめっきは、グラファイトシールリング表面に10〜30μmのニッケル-リン合金層を析出させ、硬度はHV 500〜700で耐摩耗性と耐食性を向上させます。工程温度は85〜95℃で、グラファイト基材への熱影響はありません。

3. 硫化処理

3.1 工程原理

硫化処理は化学反応によりグラファイトシールリング表面に二硫化モリブデン（MoS₂）の転写膜を形成します。MoS₂は層状構造で層間結合が弱く、優れた自己潤滑性を提供します。

3.2 工程方法

1.グラファイトシールを硫黄を含むモリブデート溶液に浸漬

2.150〜200℃に加熱し、2〜4時間保持

3.表面に1〜5μmのMoS₂膜が形成される

3.3 性能効果

• 乾摩擦係数が0.20から0.05〜0.10に低減
• 真空、低温など無潤滑条件に適合
• 長期使用温度は300℃以下（MoS₂は300℃以上で酸化開始）

4. レーザー表面処理

4.1 レーザークラッディング

高エネルギーレーザー光線で金属粉末（ニッケル系、コバルト系合金など）をグラファイト表面に溶融付着させ、100〜500μmのクラッディング層を形成します。クラッディング層の硬度はHV 600〜1000に達し、プラズマスプレーより強固な付着力を持ちます。

4.2 レーザーテクスチャリング

パルスレーザーでシール面に規則的な微小ピット配列（直径50〜200μm、深さ20〜50μm）を形成し、油保持ポケットとして機能させ、油膜保持を改善し摩擦係数を20〜30%低減します。

5. 工程選択ガイド

| 工程 | 性能向上 | 適用シナリオ | コスト |

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

| アンチモン含浸 | 強度＋熱伝導率 | 一般、高温 | 中 |

| 銅含浸 | 熱伝導率 | 高速重負荷 | 高 |

| 樹脂含浸 | 耐食性 | 化学、酸・アルカリ | 低 |

| PTFE含浸 | 化学的惰性 | 強腐食 | 中 |

| DLCコーティング | 耐摩耗＋低摩擦 | 高速精密 | 高 |

| 硫化処理 | 自己潤滑性 | 真空、低温 | 低 |

結論

グラファイトシールの表面処理工程は、その総合性能を向上させる重要な手段です。Huahao Sealing Co., Ltd.は完全な表面処理工程システムを有し、お客様の運転条件に応じたカスタマイズされた工程ソリューションを提供可能です。技術チームまでお問い合わせください。専門的な工程技術に基づき、最適なシール表面処理サービスをご提供いたします。