JP2011088410A

JP2011088410A - 成形用超硬部材と該部材搭載の成形機

Info

Publication number: JP2011088410A
Application number: JP2009245726A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Takami; 千秋高見
Original assignee: SILVER ROI KK
Current assignee: SILVER ROI KK
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP5259549B2

Abstract

【課題】耐磨耗性を大幅に向上でき、長時間にわたって連続使用できるようにした成形機とその製造方法とを提供する。
【解決手段】円筒状又は外周に螺旋羽根部１４ｂが形成され、隣接する螺旋羽根部１４ｂ同士が連続する状態として円柱状の超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…を複数にて軸方向に接続一体化した成形用超硬部材であって、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…の接合面において、一方の超硬焼結分割体の接合面２３に突設された接合突部２４が他方の分割体の接合面２３に凹設された接合凹部２６内に嵌め込まれて焼結一体化していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明はゴムやプラスチックは勿論、セラミック粉末を含むような高摩耗性混練物の混練・成形等にも用いることが出来る高耐磨耗性成形用超硬部材（超硬シリンダ及び超硬スクリュー）と該部材搭載の押出成形機に関する。

筒状のシリンダと、前記シリンダ内に装着され、前記シリンダ内の成形材料を混練しながら混練物を前方へと押し出すスクリューと、前記スクリューによって押し出された成形材料の混練物を所定の形状にして吐出するダイスとを有する押出成形機は、ゴム(エラストマー)成形や各種プラスチック成形などの成形分野において幅広く用いられている。

又、近年では単なる成形加工機械としてだけではなく、一種の化学反応機としても利用されるように成ってきており、例えば、リアクティブ・プロセシングによるポリマーブレンドやポリマーアロイ化のための界面反応などにも活用されるようになっている。同様のことは射出成形機にも当てはまる。

このように従来の成形用途からその用途が拡大を続けている押出成形機或いは射出成形機において、例えばセラミック粉末を含む高磨耗性混練物をスクリューで混合して吐出或いは射出する用途の場合、通常の押出成形機や射出成形機では、スクリューの表面やシリンダの内壁面がセラミック粉末によって磨耗し、短期間のうちにスクリューやシリンダを取り替えなければならないという問題があった。

このような問題を解決する最善の方法はスクリューやシリンダ全体を超硬焼結体で形成すればよいということになるが、スクリューやシリンダは長尺物であり、スクリューのような特に細長い超硬合金粉末材料の圧粉体を予備焼結するとどうしても曲がりが発生するし、シリンダのような筒体は変形が発生するので、全体を１つの焼結体で製造することは非常に困難であった。

そこで、このような問題を解決し得る次善の技術として、焼入鋼製のスクリューの表面やシリンダの内壁面にタングステンカーバイドを含む超硬合金材料の溶射皮膜からなる高硬度被覆層を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１３２７５２号公報

しかしながら、上述のような高硬度被覆層を形成しても、単にタングステンカーバイドを含む超硬合金材料の溶けた液滴を噴き付けるだけであるから、該液滴が付着して堆積した層は堆積物の間に多量の気泡を巻き込んだ低密度の層にしかならない。このため、期待したほどの耐久性が得られず、このような溶射処理をした押出成形機や射出成形機を長時間に亘って連続使用すると、溶射スクリューの表面や溶射シリンダの内壁面がすぐに磨耗してしまうというのが実情であった。

それ故に、本発明の主たる課題は、耐磨耗性を大幅に向上でき、長時間にわたって連続使用できるように成形用部材であるスクリュー及びシリンダ全体を超硬で構成することができるようにすることにあり、従たる課題として成形機を高磨耗性混練物にも対応できるようにすることにある。

請求項１に記載の発明は、
円筒状の超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は外周に螺旋羽根部１４ｂが形成され、隣接する螺旋羽根部１４ｂ同士が連続する状態として円柱状の超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…を複数にて軸方向に接続一体化した成形用超硬部材であって、
超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…の接合面２３において、一方の超硬焼結分割体の接合面２３に突設された接合突部２４が他方の超硬焼結分割体の接合面２３に凹設された接合凹部２６内に嵌め込まれて接合面２３同士が焼結一体化していることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載した成形用超硬部材を搭載した成形機１０で、
超硬シリンダ１２と、前記超硬シリンダ１２内に装着され、前記超硬シリンダ１２内の成形材料を混練しながら前方へと押し出す或いは混練した成形材料を前方へと射出する超硬スクリュー１４とを有する成形機１０であって、
前記超硬シリンダ１２及び前記超硬スクリュー１４が請求項１に記載の成形用超硬部材であることを特徴とする。

これらの発明では成形用部材である超硬シリンダ１２及び超硬スクリュー１４全体が超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…の一体接合品であるので、超硬合金材料の溶射被覆層に比べてその表面を含め全体が緻密且つ高強度であり、前記成形用部材の耐磨耗性を大幅に向上できてセラミック粉末を含むような高摩耗性混練用途であっても長時間に亘る連続使用が可能となる。しかもこれら成形用部材は超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…の軸方向に接続一体化したものであるから、どのような長尺物でも曲がりや変形などの問題を生じることなく製造できる。更に、各超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…又は１４Ａ、１４Ｂ…は、その接合面２３において、一方の接合面２３に突設された接合突部２４が他方の分割体の接合面２３に凹設された接合凹部２６内に嵌め込まれてしているので、同軸組み立てを容易にするだけでなく、接合面２３の接合面積を大とすることが出来て接合部分の強度を非接合部分の強度と殆ど同じにすることが出来、接合部分の強度不足というような懸念も解消することができる。

これにより本発明の超硬スクリューや超硬シリンダである成形用部材の耐磨耗性を大幅に向上でき、高摩耗性混練用途に対しても長時間にわたって連続使用できるようになり、該部材搭載により成形機の性能を大幅に向上させることができた。

本発明の一実施例の押出成形機を模式的に示す部分切欠正面図である。超硬シリンダの製造プロセスの一例を示す説明図である。超硬スクリューの製造プロセスの一例を示す説明図である。

以下、本発明を図面に従って詳述する。図１は本発明の一実施例の押出成形機１０を模式的に示す部分切欠正面図である。この図が示すように、本実施例の押出成形機１０は、大略、超硬シリンダ１２、超硬スクリュー１４、ヒーター１６、ホッパー１８及び駆動装置２０で構成されたスクリュー式押出機(単軸押出機)である。射出成形機は前記スクリュー式押出機とほぼ同じような構造であるため煩雑化を避けるため図示しないし、押出成形機１０の説明の大半を射出成形機に援用するものとする。

超硬シリンダ１２は、その内部に超硬スクリュー１４が収容される筒状の部材である。この超硬シリンダ１２は、後述するように超硬合金材料の金属粉の焼結体（即ち、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…の軸方向に接続一体化した成形用超硬部材）を用いて構成されており、軸方向一端側(上流端側)には、該超硬シリンダ１２内部にゴムやプラスチックその他例えばセラミック粉末を含む混練物のような高磨耗性混練物などの成形材料を投入するための材料投入口１２ａが設けられており、軸方向他端側(下流端側)には、図示しないダイスが取り付けられ、超硬シリンダ１２内で溶融・混練した成形材料をこのダイスに向けて吐出する材料吐出口１２ｂが設けられている。なお、ダイスは材料吐出口１２ｂから吐出された成形材料を所定の形状に成形して吐出するもの(口金)である。なお、射出成形機の場合は、ダイスに代えて射出ノズルが装備される。

また、この超硬シリンダ１２には、外周を囲繞するように、バンドヒーター或いはシーズ線アルミ鋳込みヒーターなどからなるヒーター１６が巻着されており、このヒーター１６で超硬シリンダ１２を加熱するようになっている。なお、図１中の符号２２は、このヒーター１６で加熱した超硬シリンダ１２を、稼動後に冷却するためのブロアである。

この超硬シリンダ１２は、図２(b)に示すように、超硬合金材料の金属粉からなる複数にて超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…（接続個数は必要に応じて繋げられるので、その意味から符号の後に「…」を使用して超硬焼結分割体が更に接続される可能性があることを示す。従って、図２(b)はその一部を示すことになる。この点はこの明細書全体において共通する。）を前述のように軸方向相互に接合・一体化させて製造されている。

具体的には、超硬合金材料粉を適当な金型を用いて圧縮して超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…に対応するブロック状、例えば立方体状又は円筒状の圧粉体を製作し、これを予備焼結した後、この予備焼結体を成形加工して超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…を製作する。その場合、本焼結において接合面２３同士が確実に接合するように接合突部２４と接合凹部２６の嵌め合いを適正にすることが重要である。

そして、これを軸方向に直列に組み立てて図示しない加熱炉に入れ、軸方向に加圧しつつ接合一体化して長尺の超硬シリンダ１２の粗形状を得る。続いて必要に応じて熱間静水圧成形『略称ＨＩＰ；高温［最高温度：１５００℃］・高圧［最高圧力：１５００Ｋｇｆ／ｃｍ²］のアルゴンガスを媒体として、被処理物を等方的に圧縮して緻密化する技術』を施し、焼結品を更に圧縮・緻密化し、組織の緻密化と機械的性質や表面硬度、焼結品中の残留気孔排除による面粗度の大幅改善などを図り、或いはＨＩＰ処理無しで得られた粗形状品の内外両表面(とりわけ内表面)をダイヤモンド研磨することによって超硬シリンダ１２が完成する。

ここで、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…を製作する超硬合金材料としては、例えば主成分をＷＣ(タングステンカーバイド)とし、結合相にＣｏを使用したものが用いられる。なお、かかる超硬合金材料の耐蝕性、耐酸化性或いは磁気特性の向上を目的として結合相の一部又は全部をＮｉに置換しても良い。また、使用目的に応じてＴｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＭｏそれぞれの炭化物、窒化物、炭窒化物或いはホウ化物などから選ばれる少なくとも１種類以上を添加物として含有させることもできる。さらに、超硬合金材料の質量を抑えたい場合には、主成分をＴｉの炭化物、窒化物或いは炭窒化物とし、これに上記結合相及び(必要に応じて)上記添加物を加えてなるサーメットを用いるようにしてもよい。

また、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…を製作する際の条件(具体的には、金属粉の粒径、圧縮に用いる加圧力、焼結温度、焼結時間などの条件)は、用いる超硬合金材料によって公知の条件を適宜選択することができる。

本発明の超硬シリンダ１２は、形状的には超硬スクリュー１４が摺接するその横断面の内周円が真円且つその縦断面の内面が長手方向において直線でなければならず、更に内周面の耐磨耗性にも関係するが、接合部分における接合強度が非接合部分と同程度の強度を示し、全体として均一な強度・耐磨耗性を持つことが必要であるところから、本発明では、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…を製作する際に、図２(a)に示すように、その軸方向一端側に当該超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…の外径が縮径した形状の接合突部２４を形成すると共に、軸方向他端側に当該超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…の内径が拡径して前記接合突部２４と係合する接合凹部２６を設けるようにするのが好ましい。図示しないが、勿論、前記接合突部２４、接合凹部２６に代えて接合面２３を挿入深さ及び奥行きの浅いテーパー状或いはその他の嵌め合い形状にすることも可能である。

そして、超硬焼結分割体同士のどのような接合面２３における接合においても軸方向の加圧により接合面２３の全面焼結がなされる。

図２のように接合突部２４及び接合凹部２６を接合面２３において僅かな隙間嵌め状態とすることによって（勿論、これに限られずテーパー状その他の嵌め合いでもよい。）、超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…を超硬シリンダ１２の形状に軸方向に直列に軸を合わせながら簡単に組立てることができるのに加えて、超硬シリンダ形状に組立てた超硬焼結分割体１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…同士の接合面積を多くすることができ、接合面２３における接合強度を向上させることができる。この点は次に述べる超硬スクリュー１４でも基本的には当てはまる。

超硬スクリュー１４は、超硬シリンダ１２内に収容され、材料投入口１２ａから該超硬シリンダ１２内に投入された成形材料を混練しながら材料吐出口１２ｂに向けて押し出す部材で、図３(b)に示すように、長尺のシャフト部１４ａとその外周にスパイラル状に設けられた螺旋羽根部１４ｂとで大略構成されている。

この超硬スクリュー１４は、上述した超硬シリンダ１２と同様、図３に示すように、超硬合金材料の金属粉からなる超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…を複数にて相互に軸方向に直列に且つ軸方向に加圧しつつ接合・一体化させて製造されている。

具体的には、前記超硬シリンダ１２と同じで、超硬合金材料粉を適当な金型を用いて圧縮して超硬焼結分割体全体が内包される大きさのブロック状、例えば立方体状又は円柱状
（或いは外周に螺旋羽根部１４ｂが突設された超硬スクリューの分割体で、予備焼結痩せや成形加工代などの余裕代を持った大きさ）の圧粉体を製作する。これを予備焼結した後、後工程の焼結痩せや加工代を見込んだ粗形状にこの予備焼結体を成形加工して超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…を製作する。そしてそれ以下のダイヤモンド研磨工程までは前記超硬シリンダ１２と同じである。使用する材料も前記超硬シリンダ１２と同じである。

ここで前記超硬シリンダ１２と同様の理由で超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…同士の接合面２３は、図３(a)に示すように、その軸方向一端側に当該超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…の軸方向に突出した接合突部２８を形成すると共に、軸方向他端側に連結する超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…の前記接合突部２８が嵌合する嵌合穴３０を設けるようにするのが好ましい。接合突部２８と嵌合穴３０の嵌め合いは、超硬シリンダ１２と同じである。このような接合突部２８及び嵌合穴３０を設けることによって、超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…を超硬スクリュー１４の形状に簡単に同軸に組立てることができるのに加えて、スクリュー形状に組立てた超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…同士の接合面積を多くすることができ、これらの接合強度を向上させることができるからである。なお、接合突部２８及びこれが嵌合する嵌合穴３０の形状は、超硬焼結分割体１４Ａ、１４Ｂ…同士を軸ずれなく簡単に組み立てることができ、しかも接合面積を多くして接合強度を向上できるのであれば、如何なる形状であってもよく、例えば円錐又は円錐台溝型や凹凸溝型、或いはアリ溝型などにしても良い。

ホッパー１８は、成形材料をストックし、且つストックした成形材料を超硬シリンダ１２の材料投入口１２ａに安定して供給するための漏斗型の容器で、用途や目的に応じて、振動ホッパー、強制フィーダー付ホッパー、真空ホッパー及び窒素置換ホッパーなど種々の形態のものを採用することができる。

駆動装置２０は、超硬スクリュー１４を回転駆動させるための動力装置で、超硬スクリュー１４の基部に接続された減速機２０ａやモーター２０ｂなどで構成されている。

以上説明した各部材を組み付けると共に、所定の配線等を行なうことによって押出成形機１０が完成する。

本実施例の押出成形機１０によれば、超硬シリンダ１２及び超硬スクリュー１４が超硬合金材料の金属粉の焼結体を用いて構成されているので、これらの部材の表面に超硬合金材料を溶射して高硬度被覆層を形成する場合に比べて緻密な表面を構成することができる。その結果、溶射によって超硬スクリュー１４の表面や超硬シリンダ１２の内壁面に高硬度被覆層を形成する場合に比べて、これらの部材表面の耐磨耗性を大幅に向上でき、長時間にわたる連続使用が可能となる。ここで、少なくとも超硬シリンダ１２の内壁面及び超硬スクリュー１４の表面を超硬合金材料の金属粉の焼結体で構成すればよいが、上述したような実際の製造工程を考慮すると、超硬シリンダ１２及び超硬スクリュー１４の全体を前記焼結体で構成するのが好ましい。

なお、図示実施例では、押出成形機１０としてノーベント式の単軸押出機を例に説明をしたが、押出成形機の形状としてはこれに限定されるものではなく、ベント式の単軸押出機であってもよいし、超硬シリンダ内に２本の超硬スクリューが収納された二軸超硬スクリュー式押出機などであってもよい。なお、押出機と射出成形機との相違は、成形ダイスと射出ノズル、スクリューの動きが異なるだけで基本的には同じであるから、上記記載は射出成形機にも適用される。

１０…押出成形機
１２…超硬シリンダ
１２Ａ,１２Ｂ,１２Ｃ…超硬焼結分割体
１４…超硬スクリュー
１４Ａ,１４Ｂ…超硬焼結分割体
１６…ヒーター
１８…ホッパー
２０…駆動装置
２０ａ…減速機
２０ｂ…モーター
２２…ブロア
２３…接合面
２４…接合突部
２６…接合凹部
２８…接合突部
３０…嵌合穴

Claims

円筒状の超硬焼結分割体又は外周に螺旋羽根部が形成され、隣接する螺旋羽根部同士が連続する状態として円柱状の超硬焼結分割体を複数にて軸方向に接続一体化した成形用超硬部材であって、
超硬焼結分割体の接合面において、一方の超硬焼結分割体の接合面に突設された接合突部が他方の超硬焼結分割体の接合面に凹設された接合凹部内に嵌め込まれて接合面同士が焼結一体化していることを特徴とする成形用超硬部材。
超硬シリンダと、前記超硬シリンダ内に装着され、前記超硬シリンダ内の成形材料を混練しながら前方へと押し出す或いは混練した成形材料を前方へと射出する超硬スクリューとを有する成形機であって、
前記超硬シリンダ及び前記超硬スクリューが請求項１に記載の成形用超硬部材であることを特徴とする成形機。