CN1111608C - 筒体用高韧性内表面固化材料 - Google Patents

筒体用高韧性内表面固化材料 Download PDF

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Abstract

一种筒体用高韧性内表面固化材料是由按重量Cr：18-24%、B：2.8-3.5%、Si：1.0-4.0%、Mo：0.5-3.0%、Cu：0.5-3.0%、W：1.0-5.0%，Al：0.05-0.15%、其余为Co及不可避免的杂质所构成。这种固化材料利用离心镀覆法可熔敷在塑料等的注塑成型机用筒体上成为镀覆层可极大的提高筒体的耐久性。

Description

筒体用高韧性内表面固化材料
本发明涉及一种表面固化材料，这种表面固化材料是用离心镀覆(衬里)法被熔敷在塑料等的注塑成型机用的筒体内。
在塑料等的成型机用的筒体的内表面上，为了防止由于树脂或添加到树脂中的添加材料等的摩耗及腐蚀，利用离心镀覆法熔融兼具有耐摩耗性和耐腐蚀性的合金。
在这种离心镀覆中所使用内表面固化材料，迄今有很多合金，作为其中一例，如本发明者们在特公平3-56300号中所公开的一种筒体用Co基内表面固化材料的组成，该组成由按重量Cr：18-24％、B：3.0-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-5.0％、Cu：0.5-5.0％、W：5％以下、Ni：3.0％以下、Fe：2.0％以下、C：0.5％，其余为Co及不可避免的杂质所构成。这种镀覆层的耐耗性和耐腐蚀性都优良。
但是，近年来，随着塑料材料的高性能化，塑料的注塑成型在约350℃、成型压力约245Mpa(2500kgf/cm2)的所谓更高温且高压力下运转的情况变多。在这样的高温高压下所使用的注塑成型机用筒体内表面的离心镀覆层，根据情况有在短时间运转中发生镀覆层内裂纹的缺点。
因此，本发明的目的是提供筒体用内表面固化材料，这种固化材料除具有在所述特公平3-56300号所公开的筒体用Co基内表面固化材料的耐摩耗性和耐腐蚀性以及离心镀覆性之外，能经受在更高温和高压下使用。
为了实现上述目的需要解决的是尽可能提高内表面固化材料在高温中韧性的问题。
这样作有下述二个理由。第一个理由是在使用注塑成型机时的成型温度范围内，若内表面固化材料的韧性低，则由该合金所形成的离心镀覆层的韧性也同样地降低，并且离心镀覆层发生裂纹的几率变高。因此，尽可能地提高高温时的韧性是理想的。
第二个理由是为了提高筒体主体的强度。筒体的主体通常使用铬钼钢(JIS SCM 440)，在进行离心镀覆时，将其加热到1050℃-1200℃的规定温度，离心镀覆后，逐渐冷却或炉冷却由约900℃到室温。由于在这样的冷却条件下，筒体主体成退火状态，其强度作为在高温高压下所使用的筒体主体是不充分的。为了提高筒体的强度，在离心镀覆处理后，若能从约900℃用强制空气冷却等冷却筒体主体，则能实现其目的。
但是，在这种情况的筒体与镀覆层层之间产生由于温度差而形成的热收缩差，在镀覆层内产生应力。如果镀覆层耐受不了这种应力，则在镀覆层产生裂纹。因此，为了提高镀覆层主体的强度，尽可能地提高内表面固化材料在高温时的韧性是理想的。
本发明者们从上述观点出发对提高筒体用Co基内表面固化材料在高温时的韧性进行了各种研究，结果发现，通过极力地降低在该筒体用Co基内表面固体材料中所含的Ni量和添加微量的Al，能显著地提高该合金在高温时的韧性。基于这种发现，得到了即使在高温高压下使用中，也能形成不产生裂纹的离心镀覆层的筒体用高韧性内表面固化材料。
本发明的筒体用高韧性内表面固化材料，其特征在于按重量由Cr：18-24％、B：2.8-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％、Ni：0％或0-0.1％、Al：0.05-0.15％、C：0％或0-0.5％、Fe：0％或0-2.0％、[O]：0％或0-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
以下对附图作简单说明。
图1为表示本发明合金的Ni含量与恰贝冲击值的关系图。
图2为表示本发明合金的Al含量与恰贝冲击值的关系。
实施例
下面，就本发明的筒体用高韧性内表面硬化材料的合金组成(重量％)的限定理由进行说明。
Cr(18-24％)
Cr固熔在以Co为主体的基体中并提高合金的耐腐蚀性。通过增加Cr添加量，提高对硝酸的耐腐蚀性，但是，在不到18％时其效果少。另外，当添加量超过24％时，铬硼化物的晶体析出量变大，合金的固液共存区域变宽，进行离心镀覆时是不理想的。因此其含量定为18-24％。
B(2.8-3.5％)
B形成以Co和Cr为主体的高硬度的硼化物，提高合金的硬度、并提高耐摩耗性。另外，由于该硼化物与Co固熔体的共晶反应，有降低合金熔点的作用。在B不到2.8％时，合金的硬度不足及形成亚共晶组成，合金的固液共存区变宽是不理想的。另外，当超过3.5％时，合金的硬度过于升高，韧性降低和形成过共晶组成，合金的固液共存域变宽是不理想的。因此，其含量定为2.8-3.5％。
Si(1.0-4.0％)
Si固熔在Co中提高合金的硬度，在提高耐摩耗性的同时也提高耐腐蚀性。Si不到1.0％时，其效果不充分，但当超过4.0％时，则由于合金的硬度变高，而韧性降低，所以是不理想的。因此，其含量定为1.0-4.0％。
Mo(0.5-3.0％)、Cu(0.5-3.0％)
Mo、Cu都固熔在Co中使合金的耐腐蚀性，特别是对盐酸的耐腐性提高。在Mo、Cu都不到0.5％时，改善对盐酸的耐腐性效果不明显，但是当超过3.0％时，也看不出因添加量的比例(增加)改善效果，而且合金的固液共存区变宽是不理想的。因此，其含量都定为0.5-3.0％。
W(1.0-5.0％)
W固熔在Co中提高合金的强度，也有利于提高耐腐蚀性及耐摩耗性。在W不到1.0％时，其效果不明显，而当超过5.0％时，形成以W为主体的硼化物，使合金的韧性降低是不理想的。因此，其含量定为1.0-5.0％。
Ni(0％或0-0.1％)
Ni在Co中含有少量的情况多，因此研究了Ni的影响。在图1中示出将具有Cr 21％、B 3.0％、Si 2.0％、Mo 1.0％、Cu 1.0％、W 4.0％、C 0.08％、Fe 1.5％、其余为Co组成的Co基合金与在该合金中含少量Ni的合金加热到1200℃熔融进行铸造所得的试样的恰贝冲击值。
由图1可知，由Ni0％的合金所得的试样与由含有Ni的合金相比恰贝冲击值高、并且随温度增高其冲击值增加。而由含有Ni的合金所得的试样随Ni含量变多，其冲击值降低，并且也看不到在高温下的冲击值增加。
可以认为含Ni的冲击值降低是由于在合金中形成以Ni为主体的硼化物，这种硼化物脆，因此，使合金的韧性降低。这样，Ni阻碍合金的韧性。所以Ni含量为0％，是最理想的。
但是，也考虑到作为这种合金原料的Co的纯度等因素，在Ni为0％或0-0.1％范围内是能允许作为实质上不影响其韧性的范围。因此，其含量定为0％或0-0.1％。
Al(0.05-0.15％)
Al在离心镀覆处理工艺中熔融合金时，起脱氧材料的作用，有利于镀覆层的韧性提高。
在图2中示出将具有Cr 21％、B 3.0％、Si 2.0％、Mo 1.0％、Cu 1.0％、W 4.0％、C 0.08％、Fe 1.5％其余为Co组成的Co基合金与在其中含有Al 0.10％的合金加热到1200℃熔融进行铸造所得试样的恰贝冲击值。由图2可知，由含Al的合金所得的试样与不含Al的试样相比恰贝冲击值高，并且偏差也小。
这可以被认为，在制作试样的熔融时，由于Al的脱氧作用能除去熔融合金中的微细的夹杂物，所以提高了试样的韧性。当Al不到0.05％时，其效果不明显。而当超过0.15％时，由于过剩的Al引起合金氧化在离心镀覆处理工序中妨碍熔融是不理想的。因此，其含量定为0.05-0.15％。
C(0％或0-0.5％)、F(0％或0-2.0％)
在合金中即使都不含C、Fe，也能发挥作为本发明合金的性能。但是，由于在原料或熔解时可能作为杂质混入，所以研究C、Fe的影响。
其结果表示，当C超过0.5％时，则具有合金的硬度上升而韧性降低的倾向，另外，当Fe超过2.0％时，则具有降低耐腐蚀性的倾向。
但是，在C为0％或0-0.5％、Fe为0％或0-2.0％的范围可认为没有特别的影响。因此，其含量定为C 0％或0-0.5％、Fe 0％或0-2.0％。
[O](0％或0-0.15％)
在合金中即使不含[O]，也能发挥作为本发明合金的性能。
然而，在离心镀覆处理工序中使用这种合金时，由于成粉末状或粒状等形状，因此在其表面含有作为不可避免的氧化物的[O]。于是研究[O]的影响。其结果表明，当[O]超过0.15％时，则在离心镀覆处理工序中表现阻碍合金的熔融的倾向。
但是，在[O]为0-0.15％的范围可以为没有特别的影响。因此，其含量定为0％或0-0.15％。
本发明的筒体用高韧性内表面固化材料、可在上述所定的合金组成范围内任意地组合成各种合金。作为实例可列举的在本发明适宜的合金组成范围如下。
(1)按重量由Cr：18-20％、B：2.8-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％，Al：0.05-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
(2)按重量由Cr：20-22％、B：2.8-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％，Al：0.05-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
(3)按重量由Cr：22-24％、B：2.8-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％，Al：0.05-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
(4)按重量由Cr：18-24％、B：2.8以上不到3％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％，Al：0.05-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
在上述任何一种情况下，也可含C 0.5以下及Fe 2.0％以下的任何一种或两种，但不含Ni的情况是理想的。
实施例及比较例
首先，如表1所示，对本发明的合金(试样No.1-4)及作为比较例的公知Co基合金(试样No.5-7)和公知Ni基合金(试样No.8)进行恰贝冲击试验(400℃及600℃)和离心镀覆后的急冷裂纹试验。
各试样在原料中用Co、Cr、Co-B、Si、Mo、Cu、W、Ni、Al、Fe、Mn、Cr-C按表1的组成进行配合，用高频熔解炉在Ar气氛中加热到1450℃熔解，用N2气雾化法作成粉末。并且在试样No 1-6中所用的原料Co、Co-B用高纯度原料。另外，试样No 1-4及6的Al在雾化前的合金熔液中按规定量添加。另外，表1的合金组成中的Al和[O]为所得的粉末的分析值，其它为配合值。用所得到的粉末制作恰贝冲击试验片。
将各试样的粉末150g在Ar气气氛炉中加热到比其液相线温度高30℃熔融，在12mm×12mm×75mm的壳铸模中进行铸造，并将其铸造片加工成10mm×10mm×55mm的带U型切口的JIS 3号试验片。试验片在保持400℃及600℃下的电炉中均热后，进行恰贝冲击试验。
由表2可知，本发明的合金与比较例的合金比具有恰贝冲击值高、并且在600℃时的冲击值比400℃时的高的特点。
在外径100mm、内径24mm、长为200mm的铬钼钢(JIS SCM440)的管内加入各试样粉末250g，并在其两端焊接钢制盖后作成离心镀覆用试验材料。另外，在该试验材料的一个盖的中心开直径6mm的孔。将该试验材料在炉中加热升温到比试样粉末的液相线温度高30℃。在加热升温中，从在试验材料盖所设的孔通入Ar气防止其内部氧化。
然后，将试验材料安装到高速旋转机上，以约2000rpm的速度使之旋转，进行离心镀覆。从离心镀覆温度到约900℃冷却进行放置冷却，然后通过鼓风机强制空气冷却其外部并冷却到500℃，再进行放置冷却。
这样，将离心镀覆完成后试验材料切断，了解镀覆层中的发生裂纹情况。由表2可知，在本发明的合金中，完全没有发生裂纹，但是在比较例的合金中，虽然裂纹数的多少有不同但在任一试验材料中均发生了裂纹。因此，由于本发明的合金在高温时的韧性优良，可以确认将筒体主体的钢管较快进行冷却时能充分承受所产生的应力。
其次，用本发明的合金试样No.1，制作实际注塑成型机用筒体进行实机试验。
作筒体主体的钢管用外径120mm、内径32mm、长1000mm的铬钼钢(JIS SCM440)。在该管内加入试样No 1的粉末4.5kg，在管的两端焊接钢制的盖，制作离心镀覆用原管。另外，在该盖的一个的中心上开直径6mm的孔。离心镀覆处理这样所得的离心镀覆用原管。
用与上述相同的条件进行了离心镀覆。完成离心镀覆的原管经机械加工，加工成外径106mm、内径28mm、长807mm。通过空白检查内表面的镀层没有裂纹，并用内视镜观察进行确认。用这样加工成的筒体进行注塑成型实机试验。
对成型材料使用的PPS树脂中混入了50％玻璃纤维的原料，在成型温度350℃、成型压力245Mpa(2500kgf/cm2)的条件下进行成型。经约30万次注塑后检查筒体的情况的结果没有见到镀层上裂纹，而且筒体主体的形状也没见到异常。另外，镀覆层表面的摩耗即使最大部分为15μm以下，在使用上也没问题，并且完全没有见到被腐蚀。
这种结果表明与在以往公知的Co基及Ni基内表面固化材料的离心镀层上经几万次或几万次以下注塑发生裂纹的情况相比，本发明能大幅度提高耐久性。
                                                        表1
  试样No                                                           合金组成(重量％)   液相线温度(℃)
Cr B Si Mo Cu W Ni Al C Fe [O] Mn Co
  本发明   1234   21182421     3.03.53.02.8   2.01.03.52.0    1.03.01.02.0     1.03.01.02.0     4.01.03.04.5     0.00.00.10.1     0.100.050.150.10     0.080.20.40.05     1.50.52.01.5     0.150.050.100.05     ---- 其余其余其余其余   1140114011501130
  比较例   5678   21217.014     3.03.04.03.2   2.02.01.04.7    1.01.0--     1.01.0--     4.04.--     0.53.0-其余     0.000.15--     0.080.080.30.7     1.51.53.03.0     0.150.15--     --1.0- 其余其余其余-   1140114011201020
(-)表示没有分析及配合的组成
                               表2
试样No     恰贝冲击值(×9.8J/cm2)   离心镀覆后冷却时裂纹
    400℃     600℃
本发明   1234     1.501.401.451.65     1.901.751.852.05   无无无无
比较例   5678     0.750.500.750.10     0.800.500.750.15   稍有有稍有大量
如上所述，本发明的合金特别是在高温的韧性优良，并且对摩耗性和耐腐蚀性方面也优良。
因此，用本发明的合金并在内表面形成离心镀覆层的注塑成型机用筒体在高温高压下使用时，其耐久性极大地提高，其经济效果也极大。
另外，用本发明的合金粉末通过HIP法也可形成内表面固化层。

Claims (1)

1.一种筒体用高韧性内表面固化材料，是由按重量Cr：18-24％、B：2.8-3.5％、Si：1.0-4.0％、Mo：0.5-3.0％、Cu：0.5-3.0％、W：1.0-5.0％，Ni：0％或0-0.1％、Al：0.05-0.15％、C：0-0.5％、Fe：或0-2.0％、[O]：0-0.15％、其余为Co及不可避免的杂质所构成。
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