高速回転シールの材料比較

高速回転シールの材料比較
シール選定、トライボロジー試験、カスタムシール開発における数十年にわたる現場経験に基づき、高速回転シールに使用される材料を比較検討します。この記事では、材料特性、シール設計、シャフト仕上げ、潤滑油の相互作用が、高表面速度における性能を左右する仕組みを解説します。また、材料（PTFE、充填PTFE、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKM）の選定、PV限界値の解釈、熱および摩耗管理を考慮した設計、検証試験の計画に役立つ実用的なガイダンスを提供します。検証のために、SKF、ISO、材料技術資料などの信頼できる情報源へのリンクも掲載しています。

回転シールアプリケーションにおける主要なパフォーマンス要因

速度、PV、摩擦：シールの本当の限界

回転シールの問題を評価する際に、私が最初に尋ねる数値は、軸表面速度（m/s）、想定される差圧、温度、そして流体膜または潤滑の有無です。エンジニアがよく使う略語はPV限界です。これは圧力（P）と摺動速度（V）の積で、接触シールにかかる熱応力と摩耗応力を近似値で表します。エラストマーおよびPTFEベースのシールの場合、PV挙動は材料限界の実用的なガイドとなります。トライボロジーの概念に関する参考レベルの背景情報については、以下をご覧ください。トライボロジー（Wikipedia）。

表面仕上げ、振れ、マイクロキャビテーション

シャフト表面仕上げ（Ra、Rz）と形状振れは、シールが薄い潤滑膜上を滑るか境界潤滑するかを決定します。私の経験では、高速回転シールでは、表面仕上げ（材質にもよりますが、Ra 0.2～0.8µm程度）と偏芯量の最小化が効果的です。そうでないと、局所的な発熱、はみ出し、摩耗の加速につながります。シャフト表面の仕様に関するガイダンスは、主要なシールベンダーやベアリングサプライヤー（例えば、SKF。

潤滑、媒体、温度管理

シールが油、グリース、プロセス流体、あるいは乾燥雰囲気に接触するかどうかによって、許容される材料は大きく変わります。境界潤滑や混合潤滑を行う液体は、許容される回転速度の限界を引き上げます。ドライ運転には、充填PTFEや特殊コーティングなどの低摩擦材料が必要です。ハウジングへの熱伝導と油冷の可用性も重要です。ISO規格および業界のデータシートには、一般的なエラストマーの温度範囲が示されています。詳細は以下をご覧ください。ISO標準のコンテキスト用。

材料ごとの比較

材料を比較する方法

私は、典型的な動作速度範囲、連続使用温度範囲、摩擦係数（定性的）、耐摩耗性、耐薬品性、および典型的な用途に基づいて材料を評価します。以下の表は実用的なガイダンスをまとめたものです。値はベンダーのデータ、技術文献、および私のフィールドテスト経験から得られた典型的な範囲です。ポリマー化学の詳細については、以下をご覧ください。PTFE、NBR、FKMおよび一般的な資料の参照。

表の注記：速度範囲は実用的なエンジニアリングガイドラインであり、潤滑、シール形状、シャフト仕上げに大きく依存します。ポリマー特性の基準については、前述のリンク先のPTFEおよびエラストマーの参考資料、およびベンダーの技術データシート（例：SKF製品資料を参照）。

PTFE vs エラストマー：私が注目するトレードオフ

多くの高速回転設計において、主な選択肢はPTFE（または充填PTFE）とエラストマーリップシールのどちらかになります。PTFEベースのシールは、適切なバックアップリングとハウジングでサポートされた場合、最も低い摩擦と最高の速度性能を提供します。ただし、精密なボア/シャフトが必要であり、ミスアライメントに対する許容度が低くなります。エラストマーは、シール弾性、取り付け容易性、低速時の動的シール性に優れていますが、一般的に摩耗が早く、高速回転時には摩擦損失が大きくなります。私は、シャフトにPTFEスライディングリングとエラストマーエナジャイザーを組み合わせたもの、またはPTFE摺動面と面荷重用のエラストマースプリングを組み合わせた複合シールなど、ハイブリッドソリューションを推奨しています。

テスト、選択、設計の考慮事項

私が頼りにしている実験室でのテストと現場での検証

優れた選定プロセスには、ラボレベルのPV試験、摩擦／摩耗ベンチ試験、そして理想的には加速フィールド試験が常に含まれています。試験設計においては、(1) 乾燥状態および潤滑状態におけるPVランプによる故障までの試験、(2) 現実的なシール圧力下での温度上昇試験、(3) 膨潤／適合性試験のための化学物質曝露試験、(4) 軸／振れ公差スイープ試験を実施します。標準的な試験方法と業界ガイダンスは、ベンダーのホワイトペーパーや標準化団体を通じて入手できます。詳細は以下をご覧ください。ISOおよび材料メーカーのテストレポート。

静的シールと動的シール、およびバックアップリングの使用

高速回転シールでは、はみ出しを防止し、圧力下でPTFEを支えるためにバックアップリングが必要になる場合があります。バックアップリング（多くの場合、PTFEブレンドまたは硬質ポリマー製）は、リップシールが圧力差にさらされる箇所に不可欠です。私は常にシールのはみ出しギャップをチェックし、圧力×温度条件が材料限界に近づく場合は、はみ出し防止リングの設置を検討しています。

取り付け、シャフト仕上げ、ハウジングの許容差

取り付け手順は重要です。シールリップの小さな傷や不適切なグランド幅は、寿命を大幅に短縮します。PTFEと接触する場合、シャフトの硬度はHRC 35～45以上、または同等の表面処理を推奨します。また、仕上げと同心度の許容範囲は図面注記に明記します。メカニカルシールの取り付けに関するガイダンスについては、メーカーの技術マニュアル（例：SKF）。

なぜPolypacなのか - 機能とソリューションの活用方法

Polypac の概要と技術資格

ポリパックは、シール製造、シール材開発、そして特殊な作動条件に対応するカスタマイズされたシールソリューションを専門とする、科学技術に裏付けされた油圧シールメーカーおよびオイルシールサプライヤーです。ポリパックのカスタムゴムリングおよびOリング工場は、10,000平方メートルを超える敷地面積を誇り、工場敷地面積は8,000平方メートルです。同社の生産設備および試験設備は、業界最先端の水準を誇ります。中国最大級のシール製造・開発専門企業として、ポリパックは国内外の数多くの大学や研究機関と長年にわたる連携・協力関係を維持しています。

製品の幅広さ - 私がポリパックに求めるもの

2008年に設立されたPolypacは、ブロンズ充填PTFE、カーボン充填PTFE、グラファイトPTFE、MoS₂充填PTFE、ガラス充填PTFEなどの充填PTFEシールの製造からスタートしました。現在では、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKMなど、様々な材質のOリングも製造しています。私がプロジェクトで担当したPolypacの主要製品には、Oリング、ロッドシール、ピストンシール、エンドフェイススプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリングなどがあります。

競争上の差別化要因とユースケース

私のコンサルティング経験から、Polypacの特徴は、(1)充填PTFE配合における早期からの高い専門性（高速回転用途に不可欠）、(2)特定の媒体やPV条件に合わせた化合物のカスタマイズを可能にする社内材料開発能力、(3)カスタムプロトタイプやスケールアップを可能にする充実した生産・試験能力です。最適化された充填PTFE走行面とエラストマー製二次シールの組み合わせが求められる用途や、高温耐薬品性のために標準的なエラストマーが使用できない場合に、私はPolypacに依頼することがよくあります。Polypacは研究機関と連携しているため、既製品に頼るのではなく、実証済みのソリューションを共同開発することができます。

クライアントに使う実用的な選択チェックリスト

ステップ1 - 動作範囲を定義する

• シャフト表面速度 (m/s)、差圧、温度範囲を記録します。
• 流体/媒体を識別し、潤滑が継続的に行われているかどうかを確認します。

ステップ2 - 候補材料の選択

• 潤滑を伴う高速の場合: 低摩擦の充填 PTFE 候補から始めます。
• 温度/化学的性質によりエラストマーが有利な場合は、より高い T と耐薬品性を求めて FKM または FFKM を検討してください。

ステップ3 - PVと互換性テストで検証する

• 代表的な住宅条件下で PV ランプ、摩擦、温度上昇のテストを実行します。
• 取り付け許容範囲とシャフト仕上げを確認してください。圧力や押し出しの危険がある場合は、バックアップ リングを含めてください。

よくある質問

Q1: PTFE ロータリーシールの最大表面速度はどれくらいですか?

A1: 実用的には、充填剤入りPTFEシールは、良好な潤滑状態と適切なサポート/バックアップリングの使用下で、最大20～30 m/sの表面速度に耐えることができます。バージンPTFEは、充填剤が入っていない場合、摩耗寿命が短くなる可能性があります。正確な限界値はPV、潤滑状態、シャフト仕上げによって異なります。設計マージンについては、ベンダーのPVデータを参照してください。PTFEの特性については、以下をご覧ください。PTFE（ウィキペディア）。

Q2: 回転シールに PTFE ではなく FKM を選択すべきなのはどのような場合ですか?

A2: 中程度の速度（通常10 m/s以下）で、エラストマーシール（柔軟性、シンプルなリップシール）と高温耐性、耐炭化水素性を兼ね備える必要がある場合は、FKMをお選びください。摩擦を最小限に抑え、最高速度が必要な場合は、通常、PTFEまたは充填剤入りPTFEの方が適しています。

Q3: 充填された PTFE シールは研磨液と互換性がありますか?

A3: 充填PTFEコンパウンド（ブロンズ、カーボン、ガラス、MoS₂）はバージンPTFEと比較して耐摩耗性が向上しますが、研磨粒子は依然として摩耗を加速させます。研磨媒体を使用する場合は、ろ過、犠牲ライナー、または硬化シャフト表面の設置を推奨します。また、代表的な汚染レベルにおけるベンチ摩耗試験で検証することをお勧めします。

Q4: シャフトの表面仕上げはどの程度重要ですか?

A4: 非常に重要です。PTFE摺動面の場合、通常は研磨/ホーニング仕上げを推奨します。Raは材質と潤滑剤によって異なりますが、通常は0.2～0.8µmです。粗すぎると摩耗が増加し、滑らかすぎる（鏡面）と潤滑剤の保持力が低下する可能性があります。仕上げは、必ず材料ベンダーの推奨値に従ってください。

Q5: シールサプライヤーにどのようなテストを依頼すればよいですか?

A5: PV試験データ、摩擦（トルク）対速度曲線、動作圧力における温度上昇、耐薬品性／膨潤データ、加速寿命試験の結果をご提出ください。安全性が極めて重要な用途の場合は、代表的な試験装置を用いた第三者機関による試験または立会いによる試験を要求してください。

Q6: 回転シールをエラストマーから PTFE に改造できますか?

A6: 場合によっては可能ですが、違いを考慮する必要があります。PTFEの場合は、より精密なグランドが必要になり、バックアップリングが必要になる場合があり、シャフトの表面と硬度も適切でなければなりません。熱膨張を評価し、ハウジングが必要なサポートを提供できることを確認してください。

高速回転シールの仕様選定にご支援が必要な場合は、材料選定、PV試験計画、詳細な図面作成をサポートいたします。カスタム製造や高度な充填PTFEコンパウンドについては、Polypac社へのお問い合わせをお勧めします。Polypac社は、試作から大量生産まで、豊富な経験と生産能力を備えています。Oリング、ロッドシール、ピストンシール、エンドフェイススプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリングなど、Polypac社の製品ラインをご覧いただき、お客様のアプリケーションに適したテスト済みサンプルをご請求ください。

お問い合わせ / 見積もり依頼
材料選定のサポート、または検証用のサンプル／テストユニットが必要な場合は、当社の技術チームまでお問い合わせいただくか、Polypac製品情報およびカスタム開発サポートをご依頼ください。速度、圧力、温度、媒体の詳細をご提供いただければ、PVテストプランと材料候補リストを作成いたします。

参考文献および参考文献:
- トライボロジーの概要:https://en.wikipedia.org/wiki/トライボロジー
- ポリテトラフルオロエチレンの特性:https://en.wikipedia.org/wiki/ポリテトラフルオロエチレン
- ニトリルゴムおよびフッ素エラストマーの参考文献:NBR、FKM
- 業界向け製品およびアプリケーションガイダンス:SKF
- 標準化団体:ISO