JP2017008393A - 鉄基焼結合金及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂押出機の適用対象に合わせて耐食性、耐摩耗性、機械加工性又は機械的強度において選りすぐれた特性を有する鉄基焼結合金、特に樹脂押出機のペレタイザー用のダイスとカッター刃材として対になって好適に使用される鉄基焼結合金及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る鉄基焼結合金の製造方法は、摺動する部材に対で使用され、組成が質量％で、Ti：18.4〜24.6％、Mo：2.8〜6.6％、C：4.7〜7.0％、Cr：7.5〜10.0％、Ni：4.5〜6.5％、Co：1.5〜4.5％、Al：0.6〜1.0％、残部がFe及び不可避不純物からなる鉄基焼結合金の製造方法であって、硬質粒子は基地中に島状に分散した組織を有し、その面積率を一定にしつつ最大円相当径を40〜10μmの所定値に調整することにより実施される。【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂押出機のペレタイザー用のダイス材とカッター刃材として対になって好適に使用される鉄基焼結合金及びその製造方法に関する。
樹脂押出機のペレタイザー用のカッター刃等は、腐蝕環境で激しい摩耗を受けるため優れた耐食性と耐摩耗性が要求される。そして、樹脂押出機用カッター刃等に使用される工具材料は、優れた耐食性と耐摩耗性を有するばかりでなく、カッター刃等に加工するための機械加工性をも有するものが望ましい。
このような要請に対し、例えば特許文献１に、高強度ステンレス鋼に、適量の炭化物を分散させることにより、機械加工が可能で、かつ硬さが所定のレベルにあって優れた耐摩耗性を有し、さらに耐食性に優れた材料が提案されている。すなわち、TiおよびMoの炭化物をマトリックスに分散させた炭化物分散材料において、重量比で、炭化物として、Ti；18.3〜24％、Mo；2.8〜6.6％、C；4.7〜7％を含有し、マトリックスとして、Cr；7.5〜10％、Ni；4.5〜6.5％、Co；1.5〜4.5％と、0.6〜1％のAl、TiまたはNbの１種以上とを含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる高耐食性炭化物分散材料が提案されている。
また、特許文献２に、TiおよびMoの炭化物をマトリックスに分散させた炭化物分散材料において、重量比で、炭化物として、Ti；18.3〜24％、Mo；2.8〜6.6％、C；4.7〜7％を含有し、マトリックスとして、Cr；7.5〜10％、Ni；4.5〜6.5％、Cu：1〜4.5％、Co；0〜4.5％と、0.6〜1％のAl、TiまたはNbの１種以上とを含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる高耐食性炭化物分散材料が提案されている。この高耐食性炭化物分散材料は、実施例によると、焼結後の硬さが46.0〜49.8HRCで機械加工が可能であり、時効処理後の硬さが58.0〜63.5HRC、抗折力が126〜155kgf/mm2であるとされる。
特開平11-92870号公報 特開2000-256799号公報
しかしながら、樹脂押出機に使用される樹脂原料は種々の材質に亘るとともにその適用範囲が拡大しており、ペレタイザー用のカッター刃等に使用される工具材料は、さらに高い耐食性、耐摩耗性、機械加工性又は機械的強度が求められている。このような要求に対し、特許文献１または２に提案された高耐食性炭化物分散材料は、必ずしも十分に対応できないという問題を有する。
本発明は、樹脂押出機の適用対象に合わせて耐食性、耐摩耗性、機械加工性又は機械的強度において選りすぐれた特性を有する鉄基焼結合金、特に樹脂押出機のペレタイザー用のダイスとカッター刃材として対になって好適に使用される鉄基焼結合金及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る鉄基焼結合金の製造方法は、摺動する部材に対で使用され、組成が質量％で、Ti：18.4〜24.6％、Mo：2.8〜6.6％、C：4.7〜7.0％、Cr：7.5〜10.0％、Ni：4.5〜6.5％、Co：1.5〜4.5％、Al：0.6〜1.0％、残部がFe及び不可避不純物からなる鉄基焼結合金の製造方法であって、硬質粒子は基地中に島状に分散した組織を有し、その面積率を一定にしつつ最大円相当径を40〜10μmの所定値に調整することにより実施される。
この発明は、硬質粒子の面積率は38〜41％、その標準偏差が2.5〜3.5に調整され、均質な硬質粒子が形成される鉄基焼結合金を得ることができる。この鉄基焼結合金の硬質粒子を成形するTi、Mo及びC成分は、TiC粉末とMo粉末により供給するのがよい。
また、上記発明において、対で使用される部材は、ダイスとカッター刃に使用される部材に好適に使用することができる。
本発明に係る鉄基焼結合金は、樹脂押出機のペレタイザー用のダイスとカッター刃に使用され、組成が質量％で、Ti：18.4〜24.6％、Mo：2.8〜6.6％、C：4.7〜7.0％、Cr：7.5〜10.0％、Ni：4.5〜6.5％、Co：1.5〜4.5％、Al：0.6〜1.0％、残部がFeおよび不可避不純物からなり、硬質粒子が基地中に島状に分散した組織を有する鉄基焼結合金であって、ダイス及びカッター刃を模したカッター刃オンディスク法による水中摩擦試験において、なじみ段階経過後の摩擦係数が0.1以下である。
本発明に係る鉄基焼結合金は、耐食性、耐摩耗性、機械加工性又は機械的強度において選りすぐれた特性を有し、焼結後の硬度が比較的低く、時効処理後の抗折力が高い。そして、本発明に係る鉄基焼結合金は、特に樹脂押出機に設けられるペレタイザーのダイスとカッター刃に加工され対になって使用される場合に高い耐摩耗性を有する。
本発明に係る鉄基焼結合金のSEM写真である。 比較例の素材のSEM写真である。 本発明に係る鉄基焼結合金に係る最大円相当径及び面積率と、焼結後のロックウェル硬さを示すグラフである。 図３に示す最大円相当径と面積率の標準偏差を示すグラフである。 摩耗試験の試料片形状及びこれを装着した摩耗試験機部分を示す模式図である。 摩耗試験後のカッタ刃の摩耗重量を示すグラフである。 摩耗試験中の摩擦係数の変化状態を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明に係る鉄基焼結合金の組織を示す走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。図２は、ペレタイザー用のカッター刃や抜き型のパンチ等に広く使用されている市販の炭化物分散鉄基合金材（比較例の素材）の組織を示すSEM写真である。図１、２において、マトリックス中に島状に点在する黒色部分が、チタン炭化物、モリブデン炭化物、またはチタンとモリブデンの複合炭化物であり、高い硬度を有する粒子（硬質粒子）部分である。本発明に係る鉄基焼結合金は、図１に示すように、硬質粒子が微細で比較的均一な形状をし、マトリックス全体に均一に分散しているのが特徴である。
本鉄基焼結合金は、所定の粉末を湿式ボールミルで混合した混合粉を冷間等方圧加圧（CIP）法により成形し、成形された成形体を所定の温度で真空焼結、溶体化処理及び時効処理を行って作製される。本鉄基焼結合金は、図３に示すように、マトリックス中に占める硬質粒子の面積率を一定にしつつ（変えないで）、最大円相当径（投影面積円相当径による）を所定値にするように作製することができるのが特徴である。図３において、横軸は真空焼結における焼結温度、縦軸は時効処理を行った後の硬質粒子の最大円相当径（相当径）又は面積率、および真空焼結後のロックウェル硬さ（硬さ）を示す。なお、図３は、各点における試験数5点の平均を示す。
図３に示すように、1360〜1400℃の焼結温度において、硬質粒子の面積率（星印）は38〜41％（約40％）で一定であり、硬質粒子の最大円相当径（●印）は焼結温度に逆比例して小さくなっている。本鉄基焼結合金においては、あたかもその焼結温度で存在することができる硬質粒子の最大径が存在するかのように大径の硬質粒子から次第に崩壊して形成された組織のように観察される。このことは、図４に示す硬質粒子の面積率及び最大円相当径のバラツキ（標準偏差）の小さいことからも理解される。図４において、横軸は焼結温度、縦軸は硬質粒子の面積率及び最大円相当径の標準偏差を示す。図４によると、焼結温度が1360〜1400℃において、面積率の標準偏差は約2％（2.5〜3.5％）で一定である。最大円相当径は、焼結温度が1360〜1370℃において、標準偏差が12〜4μmであるが、焼結温度が1360〜1370℃においてやや大きく、1370〜1400℃において小さくなっている。焼結温度が1380〜1400℃において、最大円相当径の標準偏差は6〜4μmで非常に小さくなっている。
図３及び図４によると、焼結温度1350℃、または1350〜1360℃において、最大円相当径の平均及び標準偏差に特異な様子が観察される。下記表１は、各焼結温度における最大円相当径の平均、標準偏差及び変異係数を示しているが、焼結温度1350〜1400℃において、焼結温度1350℃における変異係数（標準偏差/平均）に特異な点が観察される。これによると、焼結温度が1350℃の場合は、焼結温度が1360〜1400℃における焼結と組織的に異なるように解される。
Figure 2017008393
また、図３によると、本鉄基焼結合金の焼結後のロックウェル硬さ（▲印）は、焼結温度が1350〜1380℃まで焼結温度に比例して高くなっており（31〜46HRC）、焼結温度が1380℃を越えると硬度は一定値になるか低下するように観察される。しかしながら、最も硬度が高いものが焼結温度1380℃における46HRCであり、本鉄基焼結合金は十分な機械加工性を有している。
本発明に係る鉄基焼結合金を作製し、この素材から５つのディスク及びカッター刃を切り出してカッター刃オンディスク法による水中摩耗試験を行った。摩耗試験に使用したディスク及びカッター刃の形状をそれぞれ図５（ｂ）及び（ｃ）に示す。このディスク及びカッター刃を図５（ａ）に示す摩耗試験機に組み込んで摩耗試験を行った。ディスク及びカッター刃の硬さは、ともに時効処理後の硬さで57HRCであった。摩耗試験は、接触面圧が5.8kg/cm2、周速が5.2m/secで行い、試験時間は10時間であった。なお、比較例の素材から切り出したディスク及びカッター刃により上記と同様な摩耗試験を行った。
本鉄基焼結合金は、以下に示すようにして作製した。すなわち、表２に示す粉末の配合粉をボールミルで混合を行い、生成された混合粉をφ100×50の空間を有するゴムモールドに充填・封してCIP法により成形し、得られた成形体を真空下において1380℃×5時間で加熱して真空焼結を行った。そして、溶体化処理を行った後、時効処理を行った。作製された鉄基焼結合金の組織の最大円相当径及び面積率を表３に示す（発明例）。表３に示すように、発明例（本鉄基焼結合金）は、硬質粒子の最大円相当径が約16μmで比較例の1/2以下の大きさで、最大円相当径の標準偏差が約2μmで比較例の1/4以下である。発明例は、硬質粒子の面積率が40％で比較例の場合（43％）と同様であるが、面積率の標準偏差が1.2％で比較例の場合（4.5％）より相当小さい。すなわち、発明例は、比較例に対して、小さな硬質粒子が全体的に均一に分散していることが特徴である。
本発明においては、炭化物は、TiCのみを粉末で供給し、その他は個々の金属粉末、例えばMo粉末などで供給するのがよい。TiC粉末は、市販の粒度1〜2μmのものを使用した。なお、比較例の素材について、表２にミルシート、表３に組織の最大円相当径、面積率も合わせて示す。
Figure 2017008393
Figure 2017008393
図６に摩耗試験による10時間経過後のカッター刃の摩耗重量を示し、図７に摩耗試験中の摩擦係数の変化状態を示す。図６によると、発明例の摩耗重量は、比較例の1/5以下である。図７によると、発明例の摩擦係数は、試験開始後1時間まで次第に増加し（0.25〜0.50）、その後やや減少して2.1時間後急激に減少した後4.2時間まで0.15〜0.45の範囲で振動し、4.2時間以降はほとんど０に近い（0.05以下）になっている。すなわち、本鉄基焼結合金は、水中摩耗試験において、一定のなじみ段階を経過すると、摩擦係数がほとんど０に近くなる。これに対し、比較例の摩擦係数は、試験時間において一定範囲で振動している（0.3〜0.6）。

Claims (5)

  1. 摺動する部材に対で使用され、組成が質量％で、Ti：18.4〜24.6％、Mo：2.8〜6.6％、C：4.7〜7.0％、Cr：7.5〜10.0％、Ni：4.5〜6.5％、Co：1.5〜4.5％、Al：0.6〜1.0％、残部がFe及び不可避不純物からなる鉄基焼結合金の製造方法であって、
    硬質粒子は基地中に島状に分散した組織を有し、その面積率を一定にしつつ最大円相当径を40〜10μmの所定値に調整する鉄基焼結合金の製造方法。
  2. 硬質粒子の面積率は38〜41％、その標準偏差が2.5〜3.5である請求項１に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
  3. 硬質粒子を形成するTi、Mo及びCは、TiC粉末とMo粉末により供給される請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
  4. 対で使用される部材は、ダイスとカッター刃に使用される部材である請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
  5. 樹脂押出機のペレタイザー用のダイスとカッター刃に使用され、組成が質量％で、Ti：18.4〜24.6％、Mo：2.8〜6.6％、C：4.7〜7.0％、Cr：7.5〜10.0％、Ni：4.5〜6.5％、Co：1.5〜4.5％、Al：0.6〜1.0％、残部がFeおよび不可避不純物からなり、硬質粒子が基地中に島状に分散した組織を有する鉄基焼結合金であって、
    ダイス及びカッター刃を模したカッター刃オンディスク法による水中摩擦試験において、なじみ段階経過後の摩擦係数が0.1以下である鉄基焼結合金。
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