JP2746884B2 - 高温成形用耐食、耐摩スクリュー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スーパーエンプラ（エンジニアリングプラ
スチックス）など、350℃以上の温度で成形される射出
成形機または押出成形機に使用される耐食性、耐摩耗
性、高温強度に優れた粉末冶金を利用したスクリューに
関するものである。 〔従来の技術〕 プラスチックスなどの射出成形機や押出成形機用スク
リューは、従来、アルミ窒化鋼や構造用合金鋼に硬質ク
ロムメッキを施工したものが使用されてきた。しかし、
難燃性樹脂、ガラスファイバー入り等の強化樹脂等にお
いてはそれぞれ塩素ガス等強腐食性熱分解ガス、強化材
料等により腐食、摩耗が促進され、短時間に寿命に至っ
ていた。 このため最近では、例えば高Ｃ、高Cr系冷間ダイス鋼
や高Ｃステンレス鋼が使用されてきた。 また、近年、鉱物質、金属粉末その他の充填材を多量
に添加し、耐熱性を高めた、いわゆるスーパーエンプラ
が開発され、実用に供されつつある。これらスーパーエ
ンプラの成形においては、従来のプラスチックスと比較
し、350℃以上、場合によっては500℃を越える成形温度
が要求されるため、従来のスクリューでは成形温度によ
る高温軟化が生じ、強度低下や耐食、耐摩耗性が低下
し、短時間で寿命に至ってしまうという問題があった。 なお、一部フッ素樹脂の成形においては、従来から40
0℃近辺の温度で成形されているが、これに使用される
スクリューには、ハステロイ系の材料が採用されてき
た。このハステロイ系のスクリューは、主にフッ素ガス
に対する耐食性を目的としたものであり、強化材料が含
有された場合には、耐摩耗性に劣るため、実用に供され
ていない。 〔発明が解決しようとする問題点〕 以上説明したように、耐熱樹脂等のスーパーエンプラ
の成形においては、使用中に高温軟化が生じ、耐食、耐
摩耗性、強度などの不足により、要求される高寿命が得
られないという問題点があり、実用化までに至っていな
い。 本発明は、高温軟化抵抗、高温強度および耐食、耐摩
耗性に優れる高温成形用スクリューを提供することを目
的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、重量％でC1.66〜3.5％、Si2.0％以下、Mn
2.0％以下、Cr8.0〜17.0％、Mo＋1/2W0.3〜8.0％。Ｖ＋
Nb1.5％を越え14.0％以下、または上記成分の他にNi0.2
〜5.0％、Co1.0〜8.0％、Cu0.2〜5.0％のうち、いずれ
か１種または２種以上を含むFe基合金粉末を熱間静水圧
プレスにより圧密化し、熱間加工、機械加工により所定
の形状に成形した後、目標の硬さに焼入れ、焼もどしを
施すことによって、炭化物の面積率を20％以上35％以下
にすることにより前記目的を達成するものである。さら
に、上述のようにして製造したスクリューの使用面表層
部に、物理蒸着法、化学蒸着法などによって、TiN、Ti
C、VC、WCなどの硬質物質を被覆し、表層部の耐摩耗性
の向上をはかるのも有効である。 〔作用〕 本発明のスクリューは、高温軟化抵抗、高温強度およ
び耐食、耐摩耗性が最も有効に発揮されるように、炭化
物の組成、粒度を調整した粉末ダイス鋼を使用してい
る。炭化物の晶出形態は、合金元素間のバランスによっ
て大きく変化してくるので、成分決定はこの点を考慮し
て決められねばならない。 各成分の範囲とその限定理由は次に述べるとおりであ
る。 ＣはCr、Mo、Ｖ等と結合して炭化物を形成せしめ、残
りは基地を強化するが、1.66％未満では、炭化物の量が
少ないために耐摩耗性が不足し、3.5％を越えると逆に
炭化物の量が多くなりすぎ、機械的性質が劣化するので
1.66〜3.5％とする。 Siは脱酸剤として添加するが、2.0％を越えると機械
的性質が劣化するので2.0％以下とする。 MnはSiと同じく脱酸剤として用いられると同時に焼入
性向上にも効果があるが、２％を越えると変態温度も下
げ焼なまし硬さが下がりにくく、熱間加工性も低下する
ので上限を2.0％とした。 Crは基地に固溶して、耐食性と焼入性を増大させると
ともに、焼もどし軟化抵抗を上げ、残部は炭化物を形成
して耐摩耗性向上に寄与する。含有量8.0％未満では、
炭化物が減少し、耐摩耗性が低下し、また焼入性、耐食
性が低下するので、下限量を8.0％とした。また17％を
越えると、むしろ焼もどし硬さが減少し、ネットワーク
状の炭化物が晶出し始め、Ｖの添加による炭化物の粒状
化効果が減少する。あわせて熱間加工性も低下するので
17.0％を上限とする。 MoとＷは、基地と炭化物に分配され、基地中ではパー
ライト変態温度を長時間側に移行させ、焼入性向上に有
効な元素である。また焼もどし軟化抵抗を上げ、高温強
度の向上に寄与する。MoとＷはそれぞれ単独または複合
で添加することができ、Mo＋1/2Wが0.3％未満では、こ
の効果はほとんどなく、8.0％を越えると熱間加工性が
低下するのでMo＋1/2Wは0.3〜8.0％とした。 ＶとNbはそれぞれ単独または複合で添加することがで
き、鋼中で極めて硬質の炭化物を形成し、耐摩耗性向上
に大きく寄与する。Ｃ量および他の炭化物生成元素との
バランスから下限を１種または２種以上で1.5％を越え
ることとした。また、同じく14.0％を越えると熱間加工
が不可能となるので上限を14.0％とする。 Niは炭化物は作らず、基地に固溶して耐食性向上、な
らびに耐熱性向上に寄与すう。Niが0.2％未満では、こ
の効果がほとんどないため下限を0.2％とした。また、
5.0％を越えると焼入れ、焼もどし時の硬さが得られな
くなるため上限を5.0％とする。 Coは基地に固溶して耐食性向上、ならびに耐熱性向上
に寄与する。Coが1.0％未満では、この効果がほとんど
ないため、下限を1.0％とした。また、8.0％を越えると
焼入れ、焼もどし時の硬さが得られなくなるため上限を
8.0％とする。 CuもNi、Coと同様に基地に固溶して耐食性向上に寄与
するが、0.2％未満では、その効果がほとんどなく、ま
た5.0％を越えると焼入れ、焼もどし時の硬さが低下す
るため、Cuは0.2〜5.0％とした。 粉末法で製造した場合、均一微細な炭化物を多量に分
布させることができる。 耐摩耗性の点からは、より多量の炭化物が望ましい
が、過度になると炭化物粒子間が近接しすぎてクラック
進展が生じ易くなり、靱性等の機械的性質を劣化させる
結果となる。したがって、適正な炭化物量の上限が決ま
ってくる。本発明において種々検討の結果、プラスチッ
クスに含有される硬質物質に対し、十分な耐摩耗性を示
すためには、少なくとも炭化物面積率として20％以上必
要であるため、これを下限とし、また機械的性質や機械
加工性の点から、炭化物面積率が35％を越えると、靱性
等の性質が次第に劣化するため、これを上限とした。 次に、スクリューの製造法について述べる。本材質を
溶製材で製造する場合には、巨大な一次炭化物が形成さ
れるため、熱間での延性がほとんどないので、溶解、鋳
造後、圧延材の熱間加工は不可能である。そのため、本
発明のスクリューは、ガスアトマイズ処理等公知の方法
により、粉末を製造し、20メッシュ以下に粒度調整した
後、熱間静水圧プレスにより圧密化し、この後熱間加工
により製造した棒材を所定の形状に機械加工を施した
後、所定の焼入れ、焼もどしを行なったものである。上
記製造法では、巨大炭化物の晶出は見られず、ほぼ10μ
ｍ以下の炭化物が均一に分布するので、耐摩耗性が向上
し、また熱間加工が可能となり、かつ強度、靱性も向上
する。また硬さについては、耐摩耗性の点からは高けれ
ば高いほど有利であるが、スクリューはその機能から曲
げ、捩り引張、圧縮などの応力がくり返し、あるいは衝
撃的に働くため、強度、靱性ともに配慮する必要があ
る。 本用途の場合には、ＨRC59〜63程度が望ましい。 〔実施例〕 次に実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。 第１表に示す組成のスクリュー材を粉末法により製造
し、高温軟化抵抗、回転曲げ疲労試験、耐摩耗性および
耐食性のテストを行ない、さらに実際に成形機に組み込
んで寿命テストを実施した。 第２表に本発明におけるスクリュー材の硬さ、500℃
における平滑試験片および第１図に示す形状の切欠き試
験片による回転曲げ疲労試験結果、ならびに常温および
500℃でのアルミナ粉末に対する耐摩耗性、各種酸に対
する耐食性を従来のSKD11と比較した結果を示す。これ
らの諸性質はSKD11溶製材のレベルを100として指数で示
したが、第２表から本発明のスクリュー用材料はSKD11
に比べ、500℃における疲労強度が格段に優れているこ
とがわかる。一方、耐摩耗性についても、本発明のスク
リュー用材料は、常温および500℃において、ともにSKD
11に比べ、格段に優れた耐摩耗性を示している。また耐
食性についても、本発明のスクリュー用材料は、SKD11
に比べ格段に優れている。 第２図に、本発明におけるスクリュー材の高温軟化抵
抗を従来のSKD11と比較した結果を示す。ここで横軸の
焼もどしパラメーターＰは、Ｐ＝Ｔ（20＋logt）×10^-3
で表わされ、式において、T:テストピースの加熱温度
（Ｋ）、t:前記加熱温度で保持された時間（Hr）によっ
て求められるパラメーターである。なお、わかりやすく
するために、横軸に500℃の加熱温度と保持時間の関係
もあわせて記載した。第２図から、500℃×10,000Hrの
状態で、本発明のスクリュー材はいずれも硬さがＨRC4
7.5以上であるのに対し、従来材のSKD11は同じ時点でＨ
RC40であり、本発明のスクリュー材が、従来材のSKD11
に比べ、格段の高温軟化抵抗を有していることがわか
る。 第３表に成形機に組み込んで寿命テストを行なった結
果を示す。 ここで寿命は、従来のSKD11溶製材を同じ成形条件で
使用したときの寿命を100とした指数で示す。 第３表から比較材であるSKD11溶製材に比べ、本発明
のスクリューはいずれも格段に長寿命化していることが
わかる。 〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明の高温成形用耐食、耐摩ス
クリューは、粉末冷間ダイス鋼を使用したもので、特に
高温軟化抵抗、強度、耐摩耗性、耐食性を高めた材質で
あり、大幅な工具寿命の向上が達成でき、その工業的価
値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は、500℃回転曲げ疲労試験に使用した切欠き疲
労試験片の概略図、1aは上記の切欠き部の詳細図を示
す。また第２図は、本発明の各実施例と従来材であるSK
D11の高温焼もどし軟化抵抗のグラフを示す。 1:切欠き疲労試験片、1a:切欠き形状詳細

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−215470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−259052（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−183430（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−42729（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−16952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−33344（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．重量％でC1.66〜3.5％、Si2.0％以下、Mn2.0％以
   下、Cr8.0〜17.0％、Mo＋1/2W0.3〜8.0％。Ｖ＋Nb1.5％
   を越え14.0％以下を含むFe基合金粉末を熱間静水圧プレ
   スにより圧密化した後、熱間加工、機械加工を施し、さ
   らに所定の硬さに焼入れ、焼もどしを行なうことによ
   り、炭化物の面積率を20％以上35％以下にしたことを特
   徴とする高温成形用耐食、耐摩スクリュー。 ２．重量％でC1.66〜3.5％、Si2.0％以下、Mn2.0％以
   下、Cr8.0〜17.0％、Mo＋1/2W0.3〜8.0％、Ｖ＋Nb1.5％
   を越え14.0％以下の他に、Ni0.2〜5.0％、Co1.0〜8.0
   ％、Cu0.2〜5.0％のうち、いずれか１種または２種以上
   を含むFe基合金粉末を熱間静水圧プレスにより圧密化し
   た後、熱間加工、機械加工を施し、さらに所定の硬さに
   焼入れ、焼もどしを行なうことにより、炭化物の面積率
   を20％以上35％以下にしたことを特徴とする高温成形用
   耐食、耐摩スクリュー。