ロックスドリルカップシールの材質は何ですか？ ポリウレタンおよびFKMについて解説

ロックスリルの カップシール カップシールは、エラストマー部品としては珍しい役割を担っています。すなわち、回転・打撃を同時に行うシャンクアダプターに押し当てられながら、洗浄水の逆流を防がねばならないのです。この部品は、交換まで数千時間に及ぶ運用を想定して設計されています。その材質は、運動・圧力・水への暴露という過酷な条件の下でどれだけ長持ちするかに直接影響します。本稿では、ロックスリル用カップシールに最も多く用いられる材料と、なぜこの特定の用途にそれらが選ばれたのか、またそれが実際の使用における性能にどのような意味を持つのかについて解説します。

ロックスリル用カップシールはどのような素材で作られているか？

ロックスリル用カップシールは、同機械上の他の油圧シールで広く使われる汎用ニトリルゴム（NBR）ではなく、ポリウレタン（PU）またはフッロカーボンゴム（FKM）で成形されることがほとんどです。メーカーによっては、同一部品を「カップシール」「洗浄シール」あるいは「フロントヘッドシール」と呼ぶ場合がありますが、いずれもウォーターボックス内にシャンクアダプター周囲に装着されるシール要素を指します。

カップシールの材質が、見た目以上に重要である理由とは？

ロータリードリル用の油圧シールの多くは、油・温度・圧力という3つの条件に対応できれば十分です。しかし、カップシールはこれらに加え、淡水・鉱物質を含む水・多くの鉱山や採石場で見られる弱塩性または弱酸性の水といった「水そのもの」への耐性も求められます。さらに、シールが接触する面の連続回転、そして洗浄回路に inevitably 混入する微細な研磨性岩石粉塵にも耐えなければなりません。これらの条件のいずれか一つに対して不適切な材質を選択すると、すぐに問題が顕在化します。たとえば、水分吸収による膨潤や軟化、耐摩耗性の不足による早期摩耗、現場の水質（化学組成）による化学的劣化による寿命短縮などです。

写真1：カップシールアセンブリの断面図

ポリウレタン（PU）とは何か、そしてなぜカップシールに広く用いられるのか？

ポリウレタンは、一般的に従来型の加硫ゴムではなく、ウレタン結合を基盤とするキャストまたは成形されたエラストマー系高分子です。その特筆すべき特性は、ほとんどのゴム配合材を大きく上回る耐摩耗性および耐ちぎれ性です。この特性は、カップシールが実際に求められる性能と非常に合致します。すなわち、単に水を遮断するだけでなく、常に動き続ける、ときに微細な粒子を含む表面に押し付けられた状態でその機能を果たさねばならないのです。そして、 inevitably シール部に到達する微細な岩石粒子は、低速で作用する研磨材のように振る舞います。

ポリウレタン（PU）製カップシールは、常温および通常の作動温度下における新鮮水または中程度の鉱物成分を含む洗浄水に対して、コストパフォーマンスに優れた標準的な選択肢となる傾向があります。一方、主な制約点として、FKMに比べて連続使用時の上限温度が低く、極寒条件下では柔軟性もやや劣ることから、現場の条件によってはこれらの点が重要となる場合があります。

写真2 ：ポリウレタン（PU）製カップシールの成形リップ形状

FKMとは何か、またポリウレタンよりもFKMが好まれるケースとは？

FKM（フルオロエラストマー）は、ポリウレタンよりも広範な化学薬品耐性を有しており、特に攻撃性の強い洗浄水や化学処理済みの洗浄水に対しても優れた耐性を示します。また、連続使用可能な最高温度も高くなっています。現場の洗浄水が酸性である場合、化学添加剤を含む場合、あるいは長時間にわたりドリルの温度が高くなる場合などには、FKMの方が一般的に耐久性に優れています。

ただし、その代償としてコストが高くなるほか、一部の配合では、高品質なポリウレタン（PU）化合物と比べて摩耗抵抗性がやや劣るという点があります。そのため、両材料は、多くのロックスドリルモデルにおいて、同一のカップシール位置で互いに代替可能な選択肢として共存しており、単純に一方が他方を置き換える関係にはなっていません。どちらを選ぶかは、現場ごとの洗浄水の化学組成や温度条件によって決まり、両者の間に絶対的な優劣があるわけではありません。

写真3：横方向 ‑著者： ‑fKM製およびPU製カップシール試料の横方向からの視覚比較

他の油圧シールで使われている標準的なNBR（アクリロニトリル・ブタジエンゴム）ではなぜ不十分なのですか？

NBRは、鉱物油系の作動油に対する優れた耐性を有することから、多くの油圧シール材として標準的に採用されています。しかし、この耐性は長時間の水接触やカップシールが受けるような摩耗負荷に対しては十分に発揮されません。NBR配合材は、長期間の水吸収により膨潤しやすく、また、洗浄水に混入する粉塵や異物が多量に存在するような過酷な条件下では、ポリウレタン（PU）に比べて一般的に耐摩耗性が劣ります。このため、カップシール自体にはNBRが指定されることはほとんどなく、一方でドリル本体の油側シール（アキュムレータを含む）については、依然として標準的な選択肢となっています。 ダイアフラム .

注目に値するのは、NBRが純水への暴露においてさえ最も優れた耐性を示すゴムでないという点である。給排水配管用ゴムシールの多因子耐久性試験によると、EPDMおよびシリコーンゴム（SR）は、NBRやHNBRと比べて、長時間の水接触および熱酸化劣化に対してより優れた耐性を示すことが確認されている。この試験では、温度を70°Cに引き上げたところ、HNBRおよびNBRの圧縮永久ひずみが15％を超え、反発率が85％を下回ったのに対し、EPDMおよびシリコーンゴムは、下水に類似した試験媒体中で変形の増加がはるかに小さかった。しかし、岩石掘削機のカップシールにEPDMやシリコーンゴムが採用されていない理由は、水に対する耐性ではなく、油との適合性にある。これら2種類のゴムは鉱物系油圧油中で著しく膨潤するため、掘削機の潤滑機構に近接して配置されるカップシールにとっては、油との適合性が単なる例外的な要件ではなく、実用上不可欠な要件となる。これは、部品が実際に曝されるすべての環境要因を総合的に考慮したうえで、「単体で最も優れた」材料が必ずしも最適な選択とは限らないという重要な教訓を示している。

これらの材料を並べて比較するとどうなるか？

以下の表は、上記で説明した一般的なトレードオフをまとめたものです。実際の性能は、各メーカーが採用する具体的な配合組成によって異なります。

写真4：PU製とFKM製の交換用カップシールの実物比較

水の化学的性質（淡水・塩水・酸性水）は、材料選定にどのような影響を与えるか？

フラッシング用水の水質は現場によって大きく異なります。通常の採石場作業で使用される地表の淡水は、PUおよびFKMのいずれにとっても比較的穏やかな環境です。一方、沿岸部や乾燥地域の一部では、鉱化した地下水が存在するため塩水がよく見られますが、これはシャンクアダプターのシール面の腐食を促進し、耐塩水性がやや劣るシール材の寿命を短縮させる可能性があります。また、鉱山排水や特定のプロセス環境で見られる酸性水または化学処理水の場合、標準的なPUよりも広範な耐薬品性を有するFKMが明確に優れています。

洗浄水の性質は現場ごとに大きく異なるため、同一のロッカードリルモデルでも、作業現場によって適切なカップシール材が異なります。したがって、機械に最初から付属していた材質を無条件に使用するよりも、実際に現場で使用される洗浄水の水質に応じてシール材を選定することが、はるかに重要です。

回転・往復運動は摩耗寿命にどのような影響を与えますか？

静止しているものとは異なり オーリング 、カップシールはシャンクアダプターに対して絶えず相対運動をしています。すなわち、連続して回転するとともに、各衝撃サイクルごとに軸方向にわずかに往復運動します。この運動により、シールの摩耗寿命は、シール唇部とアダプター表面の間に形成される薄い潤滑水膜（または水・空気混合膜）の維持に大きく依存します。この水膜が、洗浄圧力の不足、不純物の混入、あるいはアダプター表面の傷などによって破綻すると、シールは実質的に乾燥状態で金属面と接触することになり、材質を問わず、摩耗と発熱が急激に進行します。

これは、カップシールの摩耗寿命が単純に材料の問題ではない理由の一つです。相手側の接触面の状態やフラッシング圧力の安定性は、たとえ最も適合したシール材を選んでも、その実際の寿命に影響を与えます。

温度はカップシール材の性能にどのように影響しますか？

カップシールが曝される温度は、アキュムレータダイアフラムなどの油側シールと比べて一般に穏やかです。これは、フラッシング水がフロントヘッド部を流れる際に熱を運び去るためです。ただし、高温気候下で高負荷率で運用されるドリルや、フラッシング流量が低下している場合には、シール位置での温度上昇が見られることがあります。ポリウレタン（PU）は連続使用可能な上限温度が比較的低いため、この温度上昇に対してFKMよりも敏感です。そのため、水質だけではFKMを指定する必要がない場合でも、長時間の高温運用が予想される場合は、FKMを指定する理由として最も一般的なものの一つとなります。

一方、極端に寒い環境では、どちらの材料もやや硬くなる可能性がありますが、ポリウレタン（PU）はフッカーエラストマー（FKM）の公称耐寒範囲の下限よりも広い実用的な温度範囲で、使い続けられる柔軟性を維持します。

現場の条件に合った材料をどう選べばよいですか？

カップシールの材料選定は、現場固有の要因——水質、磨耗性物質の含有量、周囲および作動温度、使用頻度——に大きく依存します。そのため、交換部品の供給元に対してこれらの条件を正確に伝えることが、最も確実な方法です。元々使われていた材料が自動的に最適とは限りません。ある現場で繰り返し早期劣化が発生しているシールについては、同じ材料を再び使うのではなく、材料そのものを変更した方が、より効果的な対策となる場合があります。

記録や部品カタログが入手可能な場合、通常は当初装着されていた材料が明記されています。それらが入手できない場合は、当該ロックスドリルの機種に詳しいサプライヤーに相談すれば、標準仕様を確認でき、現場の水質条件に応じて異なる材料を選定する必要があるかどうかもアドバイスしてもらえます。

写真5：材料選定のためのシールおよび給水点検

1. 胡X.「多因子連成条件下における建築給排水用ゴム製シール材の圧縮反発性および耐久性」『粉炭総合利用』、2026年、第4号、pp.155–161。
2. 周B、趙Y、張H、劉F、朱W.「洗浄が機械式シールの性能に及ぼす影響の分析」『機械・電気工学技術』、2023年、第52巻第5号、pp.269–272。