JP2003342708A - 二軸シリンダーの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的径の大きなシリンダーであっても、シ
リンダー内面に緻密で接合力の高い被覆層を容易に形成
することが可能な二軸シリンダーの製造方法を提案す
る。 【解決手段】 本発明に係る二軸シリンダーの製造方法
は、シリンダー用基材１の長手方向両端に開口部を有す
るシリンダー孔２内に少なくとも一方の開口から加熱装
置を挿入してシリンダー内面を予熱する工程と、予熱さ
れた前記シリンダー孔２の内部に前記開口から溶射機３
を挿入して合金粉末を溶射法で前記シリンダー内面に被
覆形成する工程と、溶射皮膜が形成された前記シリンダ
ー用基材１を真空再溶融処理してシリンダー内面に溶射
皮膜を拡散接合する工程と、を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラスチック
材料あるいは、ゴム系組成物の押出機などに使用される
二軸シリンダーの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記二軸シリンダーの内面は、このなか
で成形中の材料または材料に添加されたフィラーなどが
処理加工されるので、摩耗履歴を受ける。これらによる
摩耗を防止するために耐摩耗性が要求される。かかる要
求を満たすために、シリンダー内面部を硬質化する目的
で、従来から種々の提案及び実用があり、異種部材を挿
入することのほか、表面に耐摩耗性を有した被覆層を設
けることが実用になっている。後者では、プラズマアー
クにより粉体金属を肉盛溶接することで、硬質合金層を
形成するプラズマ粉体肉盛溶接法（ＰＴＡ）や、ガス粉
末式溶射により被覆層を形成する方法などが提案されて
いる。

【０００３】例えば、特開昭６３−３１２９０２号公報
には、シリンダー内に中子部材を装着し、シリンダー内
径と中子外周の間隙に硬質耐摩耗性の金属粉末を充填し
て熱間等方圧加圧したのち、中子を除去する方法が開示
されている。また、特開平５−９８３１３号公報には、
短尺薄肉管の内面に溶射ガンで溶射皮膜を形成したあ
と、複数個のこれらを一体構造のシリンダーの内面に焼
嵌め嵌挿することが開示されている。

【０００４】硬質耐摩耗性の合金材料としては、Ｃｒ，
Ｓｉ，およびＢを含むＮｉ基合金あるいは、Ｃｒ，Ｗ，
Ｃを含むＣｏ基合金が知られているが、これらを十分な
耐摩耗性を発揮するための厚さで、割れ欠陥なしに銅基
材などに溶着させるのは一般に困難であって、具体的用
途に応じて溶着条件が試行錯誤で求められているのが現
状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】プラズマ粉体肉盛溶接
法や溶射法によって１ｍｍ級厚さ以上の硬質合金溶着層
を形成させる湯合、積層・被覆層が基材に高信頼性をも
って溶着するためには、ＰＴＡ法の場合、基材を高温、
例えば約６００℃以上の高温に予熱するのが効果的であ
ることが経験的に知られている。例えば、直径が３０〜
６０ｍｍ級のシリンダーでは専用の予熱装置を用いて予
熱後、プラズマ粉体肉盛溶接法による硬質合金溶着が行
われてきた。

【０００６】しかしながら、シリンダー直径が１００か
ら２００ｍｍ級になった場合、シリンダー内面側から約
６００℃以上の温度域に加熱することは、入熱を与える
手段上きわめて困難である。一方、シリンダーの外部か
らの加熱はその熱容量上、内面の温度を十分に高温域に
加熱するには多大な熱量を必要とし、きわめて非効率で
ある上、シリンダー自体が変形する危険性が大きく、生
産技術上実施できないのがこれまでの状況であった。

【０００７】また、ガス粉末式溶射法では基材予熱温度
を例えば３００℃程度にして、合金皮膜形成したあと、
火炎等で加熱して再溶融処理を施して皮膜性状を改善す
る。この方法では、再溶融処理時の溶融特性を考慮し
て、例えば１２０〜４５μｍ級の粒度範囲の材料粉末を
用いるが、溶皮膜形成時の溶射角度によっては十分な衝
突エネルギーを得ることができず、気孔欠陥が多く発生
する湯合があることから、シリンダーの内面径に対して
は皮膜被覆加工を良好に行うことができず、最終的に健
全な溶着層が得られないことがしばしばであった。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑み、比較的
径の大きなシリンダーであっても、シリンダー内面に緻
密で接合力の高い被覆層を容易に形成することが可能な
二軸シリンダーの製造方法を提案するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基材温度を１
００〜３００℃の比較的低温域にとどめたうえで、２ｍ
ｍ級厚さの健全な硬質耐摩耗性に優れた被覆層を溶射法
によって形成するようにしたものである。このとき、二
つの円筒部分が中央で交わる二軸シリンダー型であっ
て、二つの円筒の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当た
り、一方のシリンダー孔の中心軸を回転中心として、シ
リンダー基材の該シリンダー孔側に質量を平衡させるた
めの重錘を設置して回転させるとともに、溶射ガンが該
シリンダー孔の中心軸に平行に移動して溶射被覆動作を
行う。その後，基材とともに真空フュージングを施して
被覆層と基材を拡散接合するとともに、被覆層の健全密
着を図るものである。溶射法は、プラズマ溶射法あるい
は、高速ガス炎溶射法がよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明による皮膜形成各工程の作
用機構について具体的に説明する。本発明は基材温度１
００〜３００℃での温間域で、３０〜５０ＭＰａの密着
力の得られる溶射法を用いて基本的な被覆加工を実行し
たのち、その皮膜の再溶融処理によって密着力７０ＭＰ
ａ以上の拡散層を得るよう、工程を分割したものであ
る。

【００１１】プラズマ溶射法あるいは高速ガス炎溶射法
による合金皮膜は、被覆基材温度を１００〜３００℃域
にすることによって３０〜６０ＭＰａの密着力が安定し
て得られるとともに、形成皮膜内の気孔欠陥も少ない。
大気中で溶射を実行するとき、基材温度の管理は重要
で、１００℃より低いと大気中の水分の付着で被溶射面
の活性度が低下する恐れがある。

【００１２】また、高温域（例えば６００℃）では基材
が炭素鋼などの場合、表面に剥離性の酸化物薄膜が生成
することがあり、溶射皮膜の健全な付着形成が阻害され
ることがしばしば起こる。直径１００ｍｍを超えるよう
なシリンダー孔を有する二軸シリンダー部材は基材その
ものの形状寸法も大きくなり、被覆対象面であるシリン
ダー孔内面部分だけを大気中で均等に高温域まで予熱す
ることは困難である。大型基材の予熱工程からみても、
３００℃までの基材予熱条件で密着力および気孔率の点
で健全な皮膜を形成できるプラズマ溶射法あるいは高速
ガス炎溶射法の特徴が有効である。

【００１３】溶射ガンは、溶射材料を供給しないで動作
させるとき、溶射火炎をそのまま、加熱手段として利用
できる。プラズマ溶射機、高速ガス炎溶射機では、それ
ぞれ、直流プラズマジェット、酸素／炭化水素燃焼炎が
加熱源となって、シリンダー内面を１００〜３００℃域
であれば予熱することができる。これによって、基材の
予熱と被覆層の形成を連続工程として実施することがで
きる。さらにこの予熱温度域であればシリンダー基材の
熱ひずみは、実用上ほとんど無視できる程度である。

【００１４】ガス粉末式で用いる例えば、３０〜１０６
μｍ級の粉末を用いたとき、プラズマ溶射では粉末の飛
行速度が大きいのでより小さな気孔率の皮膜を形成する
ことができる。図１は金属製の二軸シリンダー用基材１
の一例を示す。このシリンダー用基材１には、二つの円
筒状のシリンダー孔２が中央部で連通するめがね孔形状
の内孔が加工されている。シリンダー基材１は、Ｓ２５
Ｃなどの鋼材単体で構成されるほか、めがね孔付近が鋼
材で、その周りを鋳鉄によって包みこむように構成され
ていてもよい。さらに必要により、冷媒等を流通させる
ための管を同時に鋳包むようにしてもよい。

【００１５】図２は本発明の方法にかかる工程説明図で
ある。Ｓ０は前処理工程であり、シリンダー基材１の脱
脂、洗浄、ブラスト処理がおこなわれる。Ｓ１は予熱工
程であり、シリンダー孔２の内部から溶射ガンを用いた
加熱手段によりシリンダー内面の予熱が行われる。Ｓ２
は溶射皮膜形成工程であり、予熱されたシリンダー孔２
の内部に挿入された溶射ガン３によって、合金粉末を溶
射し皮膜の形成が行われる。Ｓ３は再溶融処理による皮
膜の拡散接合工程であり、シリンダーを真空炉内で加熱
保持することによって、シリンダー内面に緻密で接合性
に優れた皮膜を有した二軸シリンダーを製造することが
できる。

【００１６】図３（ａ）及び（ｂ）は、予熱工程あるい
は皮膜形成工程の説明図である。図３（ａ）に示すよう
に、予熱工程では、溶射ガン３をシリンダー軸線２Ａに
そって移動させつつ、溶射ガン３をシリンダー１の孔２
内に挿入し、その溶射火炎３Ａにより予熱を行うもので
ある。溶射ガン３は必要に応じ、バーナーに代替しても
よい。皮膜形成工程では、２軸のシリンダーそれぞれに
対し個別に溶射被覆を行うものである。

【００１７】溶射ガン３を一方のシリンダー孔２に挿入
し、溶射ガン３をシリンダー孔２の軸線２Ａに沿って移
動させるとともに、シリンダー基材１自体をこの軸線２
Ａを回転中心として回転させる。このとき基材１の大き
さに応じて回転の平衡を保つために、溶射対象のシリン
ダー孔２側には重錘を設置する。この重錘の質量は２軸
シリンダーの大きさに対し、あらかじめ算出するもので
ある。重錘はシリンダー基材１を搭載して回転運動を司
る回転台上に設置してもよいし、シリンダー本体に装着
してもよい。重錘の設置によって、振れ、振動などを抑
制でき、低速、高速時とも安定した回転動作を行わせる
ことができる。その結果、皮膜の被覆形成が安定する。

【００１８】図４は一方が溶射被覆加工中のとき、他方
のシリンダー孔２に被覆加工防止のためのマスキングを
施す要領について示したものである。当該内孔における
２つのシリンダー内孔２が連通する連通部近傍にマスキ
ングを施さない非マスキング部Ｗを設ける。この部分Ｗ
の長さはシリンダー径にもよるが通常、５〜１０ｍｍで
ある。交差部まで直接マスキング材を設けた条件で、２
つのシリンダーへの皮膜被覆を独立して形成させると、
交差部は皮膜の連続性が不完全で、結果的に不連続面が
生じ割れ欠陥となった。

【００１９】一方のシリンダー孔２を溶射被覆すると
き、他方のシリンダー孔２の交差部近傍Ｗを非マスキン
グ状態にしておくと、一方のシリンダー孔２の溶射時に
おいて、他方のシリンダー孔２の非マスキング部は溶射
ガンの溶射角度が垂直方向から斜めの方向に変化するた
め、粉末の付着効率も変化し、皮膜積層速度が垂直方向
溶射に仕べて約３０〜６０％となる。このような皮膜積
層を両シリンダー孔２で行うと、両者の溶射形成が重畳
して連続した皮膜積層が可能となる。これにより，連通
部近傍における溶射被覆の未接合部あるいはわれ欠陥の
発生を抑制することができる。

【００２０】図５は，フュージング処理で皮膜の拡散接
合を図る工程における熱処理、雰囲気温度−時間の関係
を示すグラフである。被覆形成した合金のフュージング
（再溶融）処理は公知のものである。被加熱体の均熱性
を高めるため，Ｔ１まで昇温した後、その温度で所定時
間保持、その後Ｔ２まで昇温した後、その温度で所定時
間保持、さらにＴ３まで昇温したのち、均熱保持する段
階的な昇温パターンとしている。

【００２１】この昇温パターンはシリンダーの寸法や形
成皮膜材料に応じて適宜変更することができる。Ｔ３は
皮膜材料固相線温度より数℃高い温度である。被覆して
皮膜化する材料は、硬質耐摩耗合金材料として供給され
る粉末が基本的に使用できる。すなわち、Ｃｒ，Ｓｉ，
およびＢを含むＮｉ基合金あるいは、Ｃｒ，Ｓｉおよび
Ｂを含むＣｏ基合金、さらには、ＷＣ（タングステンカ
ーバイド）を含む自溶合金が適用できる。〔表１〕に
は、本発明で適用できる合金化学組成のいくつかの例を
示した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【実施例】実施例１：この実施例では，二軸押出機のシ
リンダーの製造を行った。シリンダー基材としてＳ２５
Ｃ（機械構造用炭素鋼鋼材）で、内径１４０ｍｍの２つ
の孔が中央部で連通しためがね孔状のものを使用し、皮
膜形成材料として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃ−Ｂ合金粉末を用い
た。粉末の粒度範囲は１０６〜３０μｍのものとした。
シリンダー基材の材質および皮膜形成材料は、機械的強
度や耐摩雑性・耐食性の要求に応じて機械構造用炭素
鋼、クロムモリブデン鋼、各種自溶合金に適宜変更可能
である。

【００２４】シリンダー基材は、前処理として溶剤によ
る脱脂・洗浄およびプラスト処理をおこなった。このシ
リンダー用基材を溶射用回転装置上に設置した。このと
き、先行して溶射するほうのシリンダー孔軸心が回転中
心となるように位置決めを行い、重錘を設置し、続いて
後で溶射加工する方のシリンダーに被覆防止加工のため
のマスキングを施した。マスキング範囲は、２つの円筒
が交わった部分の近傍１０ｍｍを除く部分である。

【００２５】次に、シリンダーを回転させながらシリン
ダー孔内にプラズマ溶射ガンを挿入し、ガンのプラズマ
ジェットを用いて大気中で予熱を施した。予熱温度は２
００℃とした。温度管理として、シリンダー内面におけ
る複数測定点の温度を設置した熱電対で観測した。続い
て、プラズマ溶射被覆加工を実行し、ガンの繰り返し走
行動作によって、厚さ約１７００μｍの皮膜を形成させ
た。同様の手順で他方のシリンダー内孔にも被覆形成を
行い、２軸シリンダー孔全体に溶射皮膜を形成させた。
２つの円筒が交わった部分の近傍１０ｍｍ部分は厚さ１
５００μｍであったが、割れは認められず、健全な皮膜
であった。

【００２６】次に、このシリンダーを真空熱処理炉に両
開口部が上下となるように設置し、真空フュージングを
施した。真空フューズ後の皮膜の表面状態は健全で、割
れ、剥離などの欠陥は認められなかった。同時に作製し
た試験片を切断して、皮膜断面を顕微鏡観察したとこ
ろ、皮膜内気孔はほとんど認められず、また、基材と皮
膜の界面には３０μｍ程度の拡散層が観察され、接合も
良好であることがわかった。なお、本実施例では予熱を
溶射ガンで行ったが、バーナーで行ってもよい。

【００２７】実施例２：この実施例では、実施例１で用
いたプラズマ溶射機に変えて、高速ガス炎溶射機（ＨＶ
ＯＦ）を用いて同様にシリンダー内面の被覆加工を行っ
た。用いた合金粉末材料の粒度範囲は５３〜１５μｍと
した他は、プラズマ溶射法の場合と同様の工法とした。
真空フューズも同様の温度条件で実施した。皮膜を調べ
たところ、皮膜内気孔はほとんど認められず、また、基
材と皮膜の界面には30μｍ程度の拡散層が観察され、接
合も良好であることがわかった。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリンダー孔の内部にプラズマ溶射などの溶射ガンを設
置、動作させ、１００〜３００℃の温間温度域で予熱を
行うとともに、続いて溶射操作によってシリンダー孔内
に溶射皮膜を形成し、溶射皮膜が形成されたシリンダー
を真空炉内で再溶融処理してシリンダー内面に溶射皮膜
を拡散接合するものであるため、皮膜形成が容易であ
り、かつ比較的大きなシリンダーであっても、シリンダ
ー内面に緻密で基材への接合性にすぐれた皮膜を形成す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はシリンダー用基材の横断面図（（ｂ）
のＡ−Ａ線断面図）であり、（ｂ）は同基材の側面図で
ある。

【図２】本発明方法の工程説明図である。

【図３】（ａ）は予熱工程と皮膜形成工程を説明するた
めのシリンダー用基材の斜視図であり、（ｂ）は同基材
の横断面図である。

【図４】加工防止用マスキング範囲を示すためのシリン
ダー孔内部の断面図である。

【図５】再溶融処理の温度履歴を示すグラフである。

【符号の説明】

１ シリンダー用基材 ２ シリンダー孔 ３ 溶射ガン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹村 尚 兵庫県明石市二見町南二見14−１ トーカ ロ株式会社明石工場内 (72)発明者 大原 敦奈 兵庫県明石市二見町南二見14−１ トーカ ロ株式会社明石工場内 Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AA08 AB02 AB08 BA07 CB18 CB21 CB22 CB23 CB28 CB29 CB30 CB45 DA01 DA04 EA01 EA03 EA05 FA02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダー用基材の長手方向両端に開口
   部を有するシリンダー孔内に少なくとも一方の開口から
   加熱装置を挿入してシリンダー内面を予熱する工程と、 予熱された前記シリンダー孔の内部に前記開口から溶射
   機を挿入して合金粉末を溶射法で前記シリンダー内面に
   被覆形成する工程と、 溶射皮膜が形成された前記シリンダー用基材を真空再溶
   融処理してシリンダー内面に溶射皮膜を拡散接合する工
   程と、 を含むことを特徴とする二軸シリンダーの製造方法。
2. 【請求項２】 シリンダー用基材内面の予熱温度が１０
   ０〜３００℃であることを特徴とする請求項１に記載の
   二軸シリンダーの製造方法。
3. 【請求項３】 予熱を溶射機の溶射熱源で行い、続い
   て、その溶射機で合金粉末の溶射被覆形成を行うことを
   特徴とする請求項１または２に記載の二軸シリンダーの
   製造方法。
4. 【請求項４】 シリンダー孔は二つの円筒部分が中央で
   連通する二軸シリンダー型であって、この二つの円筒部
   分の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当たり、当該二つ
   の円筒部分が中央で交わった部分の近傍を除いて溶射被
   覆を行わない方の孔内面をマスキングすることによって
   皮膜形成加工を防止することを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載の二軸シリンダーの製造方法。
5. 【請求項５】 シリンダー孔は二つの円筒部分が中央で
   連通する二軸シリンダー型であって、この二つの円筒部
   分の一方ごとに溶射皮膜を形成するに当たり、一方のシ
   リンダー孔の中心軸を回転中心として、シリンダー基材
   の該シリンダー孔側に質量を平衡させるための重錘を設
   置して回転させるとともに、溶射ガンが該シリンダー孔
   の中心軸に平行に移動して溶射被覆動作を行うことを特
   徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二軸シリンダ
   ーの製造方法。
6. 【請求項６】 シリンダー孔の両開口が上下方向となる
   ように真空加熱炉内に配置してシリンダー用基材を真空
   再溶融処理することを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   かに記載の二軸シリンダーの製造方法。
7. 【請求項７】 皮膜を被覆形成する工法が、プラズマ溶
   射、高速ガス炎溶射のいずれかを用いた溶射法であるこ
   とを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の二軸シ
   リンダーの製造方法。