ロータリードリル回転モーターのシャフトシールはどのような材質で作られていますか？NBR、FKM、PUについて解説

回転モータのシャフトシールは、ドリル作動中、シャフトが絶えず回転し続けている状態で、柔軟なリップが常にシャフトに押し付けられたまま、その寿命全体を過ごします。この絶え間ないスライド接触に加え、モータケース内のオイルや実際の使用時に達するモータの温度への暴露が重なるため、シール材の選択は、その実際の寿命に大きく影響します。本稿では、回転モータ用シャフトシールに最もよく用いられる材料と、それぞれの適用条件について解説します。

回転モータのシャフトシールはどのような素材でできているか？

回転モータのシャフトシールは、通常、アクリロニトリル・ブタジエンゴム（NBR）、フッ素系エラストマー（FKM）、またはポリウレタン（PU）を成形して製造され、シールの形状を保持する金属またはプラスチック製のケースと、シールリップをシャフトに押し付ける接触力を維持するガーターばねを備えています。この3種類の材料から選ぶ際の主な判断基準は、ケース内オイルの使用温度と、シールに求められる作動サイクル（負荷条件）です。

連続回転シールにおけるシャフトシール材の重要性とは？

シリンダーのように、ごくたまにしか動かないシールとは異なり ロッドシール 回転モーターのシャフトシールは、ドリルが作動している間ほぼ常に、対向面とスライド接触を続けます。この連続的な接触により、シールリップ部では、ケースオイル自体の温度に加えて、持続的な摩擦熱が発生します。また、シール材は、比較的少ない往復運動ではなく、非常に多数のシャフト回転に対して、その密封性能を維持しなければなりません。

こうした条件に不適切な材料は、よく知られた症状でその不適合さを示します。たとえば、持続的な熱によってリップ部が硬化し、接触力を失う、あるいは予想より速くシャフト表面に目立つ溝を摩耗させる、あるいは使用中のケースオイルとの相性が悪く、膨潤や軟化を起こすなどです。

NBRとは何か？ そしてなぜシャフトシールの標準的なデフォルト材料なのですか？

NBRは、鉱物油系油圧システムにおける回転軸用シールの汎用材として広く採用されています。これは、他の多くの油圧シールでも標準材とされる理由と同じで、鉱物油系の油圧油および潤滑油に対する優れた耐性、広い温度範囲での適度な柔軟性、そして比較的低コストという特長を備えているためです。ケース温度が特に高くない回転モーターでは、通常NBRが標準仕様となります。

連続使用時の上限温度は、配合によって若干異なりますが、一般的に約100～120°Cとされています。この温度限界が、最終的に設計を他の材料へと切り替える主な要因となります。なぜなら、連続回転するリップ部では摩擦熱が発生し、局所的な温度がケース内の油温単体では想定しがたいほど高くなることがあるからです。

NBR内においても、化合物に組み込まれた抗酸化システムは、その耐熱温度クラスが経時的にどの程度維持されるかという点で、明確に測定可能な効果を発揮します。従来型NBRと、抗酸化剤を単なる添加剤として配合するのではなく、ゴムの分子鎖に直接コポリマー化したNBRを比較した試験では、後者の改質品が、複数の抗酸化剤組み合わせにおいて、より優れた耐熱・耐酸素劣化性を示しました。その理由は単純です。従来の混合型抗酸化剤は、ゴムから徐々に移行し、油や溶剤、あるいは継続的な加熱によって溶出・流出してしまうのに対し、ポリマー鎖に化学結合した抗酸化剤は、部品の寿命中、その位置に留まり続けます。シャフトシールは、この違いによる恩恵を最も受けやすい部品の一つです。なぜなら、使用中は常にケースオイルと接触しており、かつ局所的に高温となる環境下で連続運転されるため、まさに従来型抗酸化剤が最も速く溶出・流出してしまう条件にさらされるからです。

FKMとは何か、およびシャフトシールへの採用が推奨される場面

FKMは、NBRと比較して連続使用時の上限温度が大幅に高く、一般的には最大200°Cまで耐えられるとされています。また、耐薬品性も広範囲にわたります。高負荷率での運転、高温地域での使用、あるいは熱管理が十分でないケースドレイン回路などにより、モーターの温度が上昇しやすい状況では、FKMの余裕ある耐熱性が、シャフトシールの設計寿命を確保できるかどうかの分かれ目となることがあります。

一方で、コストが高くなるほか、一部の配合ではNBRと比べて低温での柔軟性が低下するというデメリットがあります。そのため、FKMは、あくまで実際の使用温度や流体との適合性が明確に要求される場合にのみ、シャフトシールの材質として採用され、単なる「標準的なアップグレード」として無条件に選ばれることはありません。

シャフトシールにおけるポリウレタンの使い道は？

ポリウレタンの耐摩耗性および耐ち裂性は、ダストシールやウォーターシールと比べて、シャフトシールではそれほど重要ではありません。というのも、シャフトシールの主な摩耗メカニズムは、研磨粒子による損傷ではなく、連続的な滑り接触であるためです。ただし、切り傷や取付時の損傷に対する追加的な耐性が重視される場合など、一部のロータリーシャフトシール設計では、依然としてポリウレタン（PU）が用いられています。とはいえ、この用途ではNBRやFKMに比べて、第一選択となることはあまりありません。

なお、標準的な選択肢ではなく、あくまで特殊用途向けではありますが、従来のエラストマー製シールリップに代えて、改質PTFE製のシールリップを採用するという第4の選択肢も知っておくとよいでしょう。軟化処理された改質PTFEについての比較ベンチテスト 回転シール 標準的なエラストマー製リップシールと比較して、意図的に潤滑が不十分な状態および軽度の腐食性環境下で試験したところ、シール部の作動温度が低く（潤滑不良時で最大約3.6°C低下）、同一シャフト回転速度における摩擦トルクも小さかった。このような特定の条件——すなわち潤滑がぎりぎりの状態、あるいはケース内流体が軽度に腐食性を有する場合——では、PTFE製リップを採用した設計が従来のゴム製リップ（例：NBRやFKM）よりも長寿命となる可能性がある。ただし、これは一般に、標準的なNBRまたはFKMリップが実績として不十分な性能を示す用途に限定して採用される、より専門的かつ高コストの選択肢である。

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、この3種類の材料の一般的な位置付けをまとめたものである。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大きく依存する。

ガーターばねの材質はシール寿命にどのような影響を与えるか？

エルラストマー製のリップは、ロータリーシャフトシールが機能するための半分にすぎません。リップをシャフトに押し付ける役割を果たすガーター・スプリングこそが、リップが徐々に摩耗しても密封力を維持する要です。ガーター・スプリングは通常、耐食性金属で作られており、その状態はエルラストマーと同様に重要です。取り付け中に張力が失われたり、腐食したり、位置がずれたりしたスプリングは、たとえリップ自体が良好な状態であっても、シールの漏れを引き起こします。

そのため、シャフトシールは、スプリングだけを個別に修理するのではなく、通常はユニット全体を交換します。スプリングとリップは互いにマッチングされた部品であり、使用済みのスプリングと新品のリップ、あるいはその逆の組み合わせでは、完全交換によって解消されるはずの不確実性が再び生じてしまいます。

シャフト表面の状態は、シール材とどのように相互作用するか？

シャフトの表面が損傷している場合、どんなシール材でも完全に補償することはできません。シール接触部における腐食、ピッティング、あるいは摩耗溝は、たとえ適切な材質・サイズのシールを選定したとしても、シールが密閉すべき表面を不均一または小さくしてしまい、これが交換直後に新たなシールから漏れが生じる一般的な原因です。

以前のシールによってシャフト表面に目に見える摩耗溝が確認される場合は、通常、摩耗部に薄型の修復スリーブを取り付けるか、あるいはより複雑なケースではシャフトを再研削するか交換するといった対応が検討されます。これらの判断はモーターの種類に応じて異なり、メーカーのサービスマニュアルを確認し、勝手な推測で決定しないよう注意が必要です。

温度および運転サイクルは、シール材の選定にどのように影響しますか？

ドリル作業のサイクル間に冷却時間を確保できる間欠運転モーターは、高負荷率で連続運転するモーターと比べて、シャフトシールにかかる持続的な熱応力が小さくなります。周囲の気候もこの影響を増幅させます。たとえば、同じモーター設計でも、温暖な気候ではNBRの耐熱範囲内で快適に動作する一方、砂漠地帯や地下など高温が長時間続く環境では、油温が上昇しすぎて、NBRではなくFKMを採用する必要が生じる場合があります。

シールリップ部における摩擦熱がケース内の潤滑油自体が持ち込む熱と重なるため、シールの実効的な使用温度は、単に潤滑油のバルク温度だけから推定される値よりもやや高くなるのが一般的です。したがって、ケース内の油温が正常範囲内であるにもかかわらず、シールが熱による劣化で故障しているように見える場合には、この点を念頭に置いておくことが重要です。

ご用途に最適な材料をどう選べばよいですか？

右側シャフトシールの材質は、運転温度、ケース内のオイル種類、および作動サイクルの3つが複合的に影響するため、汎用的な交換用シールを材質に関係なく使用しても同様の性能が得られると想定するのではなく、モーターの実際の運転条件をシールメーカーに詳細に伝えることが最も確実な方法です。既存のシールの部品番号やモーターのサービスマニュアルが入手可能な場合は、通常、当初装着されていた材質が明記されています。

そのような情報が得られない場合には、モーターの用途に詳しいメーカーであれば、提示された作動条件に基づいて適切な材質を概ね推奨できます。また、リップ部の材質だけでなく、エラストマー全体とガータースプリングの状態を併せて確認することで、より包括的な評価が可能になります。

1. 張 B.、高 Z.、劉 X.、張 L.、馮 X.「ニトリルゴムANBR3305およびNBR3305Eの耐熱性に関する研究」『ゴム・プラスチック技術と装置』、2026年、第52巻第9号、pp.55–59。
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