- ▸「カーボン」とは、黒鉛化を伴わず1000～1400℃で焼成された材料で、高硬度・高耐摩耗性を持つが潤滑性は低いものを指します。
- ▸「グラファイト」とは、2400～3000℃で黒鉛化された材料で、自己潤滑性が良く摩擦係数が低いものを指します。
- ▸「カーボングラファイト」は部分的に黒鉛化された中間材料で、硬度と潤滑性のバランスが取れており、シール用途の主流です。
- ▸性能：カーボン硬度 HS 70-100、摩擦係数 0.15-0.30；グラファイト硬度 HS 40-70、摩擦係数 0.04-0.15
- ▸選定原則：高荷重・高摩耗 → カーボンまたは硬質カーボン；乾摩擦・無油 → グラファイトまたはカーボングラファイト；腐食性媒体 → 含浸カーボングラファイト
1. 用語の混乱の理由
産業分野では、「カーボングラファイト」「グラファイト」「硬質カーボン」「電気黒鉛」などの用語が混用され、調達担当者や技術者の選定に混乱を招いています。その根本原因は、これらがすべてカーボン系のエンジニアリング材料であり、熱処理温度や結晶転換度合いが異なるためです。
- カーボン：1000～1400℃で焼成され、炭素原子は主に非晶質で完全な黒鉛結晶は形成されていません。
- グラファイト：2400～3000℃で黒鉛化され、炭素原子が規則的な層状黒鉛結晶に再配列されています。
- カーボングラファイト：部分的に黒鉛化され、カーボンとグラファイトの中間の結晶転換度を持ちます。
- 電気黒鉛：電気炉で完全に黒鉛化され、最も高い結晶転換度を持ちます。
英語の用語も同様の階層構造を持ち、Hard Carbon → Carbon Graphite → Electrographite の順に黒鉛化度が高くなります。
2. 基本的な結晶構造の違い
根本的な違いはX線回折における(002)ピークの鋭さ、すなわち黒鉛化度にあります。
| 材料 | 焼成温度 | 黒鉛化度 | d₀₀₂間隔 | 結晶特徴 |
|------|----------|----------|----------|----------|
| カーボン（硬質） | 1000～1400℃ | <30% | 3.44～3.70 Å | 主に非晶質 |
| カーボングラファイト | 2000～2400℃ | 30%～80% | 3.36～3.44 Å | 部分的に規則的 |
| 電気黒鉛 | 2400～3000℃ | >80% | 3.35～3.36 Å | 高度に規則的 |
黒鉛化度が高いほど層状構造が完全になり、層間のファンデルワールス力が弱くなり自己潤滑性が向上しますが、硬度は低下し耐摩耗性も減少します。これが材料選定における核心的なトレードオフです。
3. 性能比較
3.1 機械的特性
- カーボン（硬質）：ショア硬度 HS 70-100、圧縮強度 200-400 MPa、優れた耐摩耗性だが脆性が高い
- カーボングラファイト：ショア硬度 HS 40-90、圧縮強度 150-340 MPa、硬度と靭性のバランスが良い
- 電気黒鉛：ショア硬度 HS 30-60、圧縮強度 100-200 MPa、最も靭性が高いが硬度は最低
3.2 摩擦特性
- カーボン：乾摩擦係数 0.15-0.30、自己潤滑性が低く、柔らかい対向面または外部潤滑が必要
- カーボングラファイト：乾摩擦係数 0.04-0.15、良好な自己潤滑性、主流のシール材料
- 電気黒鉛：乾摩擦係数 0.04-0.10、最高の自己潤滑性だがカーボングラファイトより耐摩耗性は低い
3.3 熱的・化学的特性
3種とも熱伝導率は70～150 W/(m·K)と高く、エンジニアリングプラスチックを大きく上回ります。耐熱性は非酸化性媒体で600℃以上に達します。化学的にはカーボンとカーボングラファイトはほとんどの酸・アルカリ・塩に耐性がありますが、多孔質のため含浸処理が必要です。電気黒鉛は多孔率が低いものの、シール用途では含浸が求められます。
4. シール選定の推奨事項
4.1 高荷重・重摩耗条件
鉱山用破砕機のベアリングや重機のブッシュには、高硬度かつ耐摩耗性に優れたカーボンまたは硬質カーボンを選択してください。カーボンは脆いため、衝撃荷重には適しませんのでご注意ください。
4.2 乾式摩擦・無油条件
食品機械、真空装置、潜水ポンプには、低摩擦かつ自己潤滑性を持ち、媒体の汚染を防ぐためにグラファイトまたはカーボングラファイトを選択します。一般的にPTFEまたはフェノール樹脂含浸が用いられます。
4.3 高温油ポンプ
400℃以上の耐熱性と荷重能力が求められる場合は、アンチモン含浸カーボングラファイトを選択してください。一般的にM106Kグレードが使用されます。
4.4 高腐食性化学用途
強酸・強アルカリに耐えるためにはフラン樹脂含浸カーボングラファイトを選択します。特にフッ化水素酸にはPTFE含浸が必要です。
4.5 高速・軽荷重シール（メカニカルシールリング）
軟質面としてカーボングラファイトが主流で、硬質面にはシリコンカーバイドまたは硬質合金が組み合わされます。硬度と自己潤滑性のバランスにより、安定した流体膜と耐摩耗性を実現します。
5. 調達の推奨事項
材料選定ミスを避けるため、以下をサプライヤーに必ず確認してください。
1.材料種別：カーボン／カーボングラファイト／電気黒鉛（黒鉛化度）
2.含浸種別：樹脂含浸／金属含浸／無含浸
3.性能指標：硬度、圧縮強度、気孔率、摩擦係数
4.使用条件：温度、圧力、媒体、回転速度
5.業界規格準拠（例：API 682）、メーカー資料によるグレードと含浸種別の対応
Huahao Sealing Co., Ltd.は、M106K、M120K、M140K、M106Dなどのグレードでカーボングラファイト製シールリング、ブッシュ、分割リングを供給しており、図面またはサンプルからのカスタム加工および材料試験成績書の提供も行っています。