JP2006289772A

JP2006289772A - 成形機用複合シリンダ

Info

Publication number: JP2006289772A
Application number: JP2005113294A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hirakawa; 茂平川; Kenichiro Shimizu; 健一郎清水; Hidefumi Hisanabe; 英史久鍋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】熱硬化性の樹脂、ミネラルやガラス繊維を多く含有した樹脂を成形しても、シリンダの耐用寿命が十分長い耐摩耗性に優れた成形機用複合シリンダを提供する。
【解決手段】鋼製材料からなる外筒２の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層３を形成した成形機用複合シリンダ１であって、該被覆層３が質量％で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ≦４．５％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．１〜９．０％、Ｖ：４．０〜１０．０％、Ｗ≦１０．０％を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチックなどの射出または押出成形に用いられ、シリンダ外筒の内面に耐摩耗耐食性合金を被覆した成形機用複合シリンダに関するものである。

射出成形法は、プラスチック製品を高速、高精度に成形することができる方法であり、自動車製品、家電製品等の各種構成部材の製造に広く利用されている。成形機用複合シリンダは、射出成形機や押出成形機の射出装置を構成するもので、成形樹脂に対して腐食や摩耗せず、また、プランジャおよびスクリュの摺動に対して摩耗しない性能が要求される。

従来の成形機用複合シリンダとしては、窒化鋼からなるものや中空円筒状の鋼製材料からなる外筒の内面に、Ｃｏ基合金やＮｉ基合金、Ｆｅ基合金をライニングしたものがある。近年、補強材、添加剤を含有する成形樹脂材料が増加しているため、さらなる耐食性・耐摩耗性を有する成形機用複合シリンダが要求されている。

例えば、特許文献１には、鋼製材料からなるシリンダ外筒の内面に、重量％でＣ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：２．０〜７．０％、Ｃｒ：１．０〜２０％、Ｍｏ：１．０〜７．０％、Ｂ：１．０〜４．０％、Ｖ：０．０１〜３．０％を含むＦｅ基合金を遠心鋳造によって内張りした成形機用シリンダが開示されている。このＦｅ基合金は特定の成分コントロールにより、従来初晶部の組織を硬さが高く耐食性に優れる炭化物、硼化物を初晶として晶出させることにより耐食性、耐摩耗性を向上させたものである。

また、特許文献２には、重量比でＣ０．０１〜０．５％、Ｓｉ２．５〜１０．０、Ｍｎ０．５〜１・５％、Ｃｒ５．０〜１０．０％、Ｂ２．０〜６．０％、Ｃｏ５．０〜３５．０％、Ｆｅ２５．５％以下を含み、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなり、析出物により析出強化されたＮｉ基合金が、シリンダ母材内面に被覆されてなる成形機用シリンダが開示されている。これはシリンダ内面に、Ｎｉ基合金を遠心鋳造にて被覆した後、熱処理することにより析出物を析出させ、Ｃｏの含有量を低減しても耐磨耗性と耐食性を劣化させずに、安価に製造できるものである。

特開２００１−２７９３６９号公報特開平９−１０４０４７号公報

従来の窒化鋼からなる成形機用シリンダでは、射出圧力に対するシリンダの強度が十分でなく、また添加剤などを含む樹脂を成形する場合、シリンダの耐食性・耐摩耗性が十分でないため、短期間の内にシリンダ内面が劣化し、シリンダとして使用できなくなるという問題点があった。

このため、シリンダの内面に耐食性、耐摩耗性を有するＣｏ基合金やＮｉ基合金、Ｆｅ基合金を、遠心鋳造法やHIP法によりライニングしたものがある。

しかしながら近年、熱硬化性の樹脂、ミネラルやガラス繊維を多く含有した樹脂を成形する場合、従来のＣｏ基合金やＮｉ基合金、Ｆｅ基合金では、シリンダの寿命が十分でないという問題が生じた。

本発明の目的は、前記の課題に鑑みて、熱硬化性の樹脂、ミネラルやガラス繊維を多く含有した樹脂を成形しても、シリンダの耐用寿命が十分長い耐摩耗性に優れた成形機用複合シリンダを提供することである。

本発明者らは、成形機用シリンダ外筒の内面に、主にＭＣ炭化物を均一に分散させた被覆層を形成させることにより、シリンダの耐用寿命が十分長い耐摩耗性に優れた成形機用複合シリンダを見出した。

すなわち、本発明の中空円筒状の成形機用複合シリンダは、鋼製材料からなる外筒の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層を形成した成形機用複合シリンダであって、該被覆層が質量％で、
Ｃ：１．０〜３．０％Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％Ｎｉ≦４．５％
Ｃｒ：３．０〜１０．０％Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｖ：４．０〜１０．０％Ｗ≦１０．０％
を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする。

前記本発明において、被覆層がさらに質量％で、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％のいずれか一種以上を含有することを特徴とする。

さらに、前記被覆層が遠心鋳造法で形成されることを特徴とする。

本発明の成形機用複合シリンダは、鋼製材料からなる外筒との内面に被覆層を形成した複合構造であって、主にＭＣ炭化物を均一に分散させた被覆層を形成させることにより、耐食性、耐摩耗性を向上させた。本発明の成形機用複合シリンダの内面に形成される被覆層の各元素の含有範囲（質量％）の限定理由について説明する。

Ｃ：１．０〜３．０％
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性に優れるＭＣ炭化物を形成する。また他の硬質炭化物として、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₄Ｃ₃、Ｍ_２３Ｃ_６系炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満であると耐摩耗性を向上させるために有効な炭化物の晶出が少なく、さらに、基地に固溶するＣが不足し、焼入れによっても十分な基地硬さが得られなくなると同時に高合金化が難しくなる。一方、３．０％を超えると炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり被覆層として必要な靭性が劣化するため上限を３．０％とした。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ₆Ｃ炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．１％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、２．０％を超えると脆化が生じやすい。

Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．１％未満では脱酸性に乏しい。また、２．０％を超えると残留オーステナイトが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できない。

Ｎｉ≦４．５％
Ｎｉは焼入性を向上させ高硬度化させる効果を有する。Ｎｉの下限は０％である。４．５％を超えると残留オーステナイトが過剰となりかえって高硬度が得られなくなるためその上限を４．５％とした。より好ましいＮｉ含有量は２．０％以下である。

Ｃｒ：３．０〜１０．０％
ＣｒはＣと結合し炭化物を晶出生成し、また基地に固溶し基地硬さをあげることで、耐摩耗性を向上させる。Ｃｒが３．０％未満ではその効果が小さい。また、１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ₇Ｃ₃やＭ₂₃Ｃ₆系炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。しかしながら、添加量が少ないとその効果が十分確保できず、多すぎると炭化物が粗大化し靱性が低下する。そこで最適な範囲は３．０％〜１０．０％とした。

Ｍｏ：０．１〜９．０％
ＭｏはＣｒと同様に硬質の炭化物が得られ、また高温で焼戻しを行う場合、その二次硬化に強く寄与する元素である。ＭｏはＣと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成する。Ｍｏが０．１％未満ではその効果が小さい。また、９．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいてＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物が多く晶出しすぎ、靭性が低下するため、その適切な範囲を０．１％〜９．０％とした。より好ましいＭｏ含有量は１．０〜８．０％である。

Ｖ：４．０〜１０．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣを形成する。Ｖが４．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が劣化する。Ｖが１０．０％を超えると、Ｃ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、成形機用複合シリンダとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃の凝集偏析が脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。より好ましいＶの含有量は、４．０〜８．０％である。

Ｗ≦１０．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性の向上と基地の高温硬さを得るために必要である。また、ＷはＣｒやＭｏと同様に硬い炭化物を生成する為これらの元素に置換して添加することも有効である。さらに、基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成する。Ｗの下限は０％である。また、１０．０％を超えると、Ｍ₆Ｃ系炭化物が粗大化し脆性が劣化するため、その適切な範囲を１０．０％以下とした。より好ましいＷの含有量は１．０〜８．０％である。

Ｃｏ≦１０．０％
Ｃｏは炭化物の生成とは無関係に基地に固溶し、強靭性を増すとともに高温硬さと耐摩耗性を向上する効果がある。Ｃｏの下限は０％である。Ｃｏが１０．０％を超えるとその効果が飽和し、かつ高価になるのでその上限を１０．０％以下とした。

Ｎｂ≦１０．０％
ＮｂはＶと同様に、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣを形成する。Ｎｂの下限は０％である。Ｎｂが１０．０％を超えると、靭性の低下とともにＣ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、成形機用複合シリンダとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃の凝集偏析が脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。

また、シリンダ内面の被覆層中にある炭化物面積率の総和が２５％以下とすることにより、耐摩耗性を格段に向上させることができる。また、炭化物面積の総和が２５％を超えると、脆性が劣化する。さらに、硬さを確保するために、特に硬質であるＭＣ系炭化物およびＭ₂Ｃ系炭化物の面積率の総和は１０％以上が好ましい。また、針状やネットワーク状の共晶炭化物量が過多になると必要な機械的特性、特に靭性が確保できなくなるが、ＭＣ系炭化物を適切に晶出させることで、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃系炭化物のネットワークを分断し靭性を確保できる。

さらに本発明の成形機用複合シリンダは、外筒の内面に被覆層を、遠心鋳造法にて金属接合したものである。遠心鋳造法を行うことによって、該被覆層は、微細均一な組織および均一な厚さで外筒内面に接合できる。

また、耐食性を一層向上させるために、形成した被覆層の表面に窒化処理を施し窒化処理層を形成したり、さらに、金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬処理を行い、窒化処理層表面に、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成させてもよい。

本発明の成形機用複合シリンダの実施例について以下に説明する。図１に、鋼製の外筒の内面にＦｅ基合金被覆層を接合した本発明の成形機用複合シリンダの概略断面図を示す。図１において、成形機用複合シリンダ１は、鋼製の外筒２の内面にＦｅ基合金からなる被覆層３が溶着して構成される。

外筒２は中空円筒状であり、一般構造用鋼で製作した。外筒２は外径１２０ｍｍ、内径３９ｍｍ、長さ８５０ｍｍである。外筒２の後端側に鉄板を溶接して塞ぎ、この後端側を下にして外筒２を長手鉛直方向に立て、加熱炉内へセットした後、１１００℃に加熱した。

被覆層は、質量％で、Ｃ：１．９％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：４．７％、Ｍｏ：５．７％、Ｖ：６．５％の成分を持つインゴットを１５４０℃で溶解し、前述の１１００℃に加熱した外筒２の射出口側から溶湯を鋳込んだ。そして素早く射出口側の穴に栓を打ち込み、遠心鋳造機に移動させた。遠心鋳造機には、長手方向が水平になるようにセットした。遠心鋳造機を作動させ、１０００ｒｐｍで回転させ、外筒２の外表面温度が、６００℃に達したら回転を停止させ、徐冷炉へ入れた。

回転を停止した後、所定の温度まで空冷し焼入れを行った。その後、歪取り焼鈍および焼きなましを４００〜６００℃で３回行うことで成形機用複合シリンダ素材を得た。

このようにして得られたシリンダ素材を調査したところ、外筒２の内面に金属接合した被覆層３の硬さはＨｓ８３であり、炭化物は主にＭＣ系炭化物が面積率で１３％、Ｍ_２Ｃ系炭化物が５％であった。

次いで、シリンダ素材の外周面、端面および内面を所定の寸法に仕上加工を行った。

このようにして製造した本発明の成形機用複合シリンダを、実機の射出成形機に装備し、ガラス繊維を多く含む樹脂の射出成形に供したところ、従来のＣｏ基合金やＮｉ基合金、Ｆｅ基合金をシリンダ内面に被覆したシリンダに比べ、耐摩耗性に優れ、長期間安定に使用することができた。

本発明の成形機用複合シリンダによれば、従来のＣｏ基合金やＮｉ基合金、Ｆｅ基合金をシリンダ内面に被覆したシリンダに比べ、耐摩耗性に優れた成形機用複合シリンダを提供することができた。

本発明の実施例に係る成形機用複合シリンダを示す断面図である。

符号の説明

１成形機用複合シリンダ、２外筒、３被覆層

Claims

中空円筒状の鋼製材料からなる外筒の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層を形成した成形機用複合シリンダであって、該被覆層が質量％で、
Ｃ：１．０〜３．０％Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％Ｎｉ≦４．５％
Ｃｒ：３．０〜１０．０％Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｖ：４．０〜１０．０％Ｗ≦１０．０％
を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
前記被覆層がさらに質量％で、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％のいずれか一種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の成形機用複合シリンダ。
前記被覆層が遠心鋳造法で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の成形機用複合シリンダ。