JP3017794B2

JP3017794B2 - 耐食耐摩耗性焼結合金からなるライニング層を有する複合シリンダ

Info

Publication number: JP3017794B2
Application number: JP2315112A
Authority: JP
Inventors: 賢二丸田; 正則天野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 2000-03-13
Anticipated expiration: 2015-03-13
Also published as: JPH04187746A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、プラスチック成形機等に用いる複合シリン
ダに関し、詳しくは耐摩耗性、耐食性に優れた複合シリ
ンダに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

プラスチック等の射出成形あるいは押出成形に使用さ
れる成形機用のシリンダには、加熱成形中の樹脂または
樹脂に加えた添加剤等による腐食あるいは摩耗を防止す
るため、鋼材からなる中空円筒状のシリンダ母材の内面
に、耐摩耗性と耐食性とを有する合金材料を遠心鋳造法
によりライニングする構造のものが用いられている。

しかしながら、上述のような成形機用の複合シリンダ
を遠心鋳造法により作製する場合は、溶着反応時にライ
ニング層を形成する合金材料にシリンダ母材を形成する
鋼材のFeが侵入する。このFeの侵入はライニング層とシ
リンダ母材との溶着を遂行するために必要であるが、Fe
はライニング層の硬度を低下させ、また耐食性を劣化さ
せてしまうという問題がある。

また近年プラスチックは、用途が多種多様化し、様々
な特殊樹脂を用いたり、様々な添加剤を混合するように
なってきているため、成形機用の複合シリンダ内ライニ
ング層の耐摩耗性及び耐食性を、さらに向上させるべき
要求が高まってきている。このためには合金成分を多量
に配合したり、耐摩耗成分を多量に添加したりする必要
があるが、遠心鋳造法では、偏析や分散性等の問題のた
め、必ずしもこれらの要求を満足させることができな
い。

従って本発明の目的は、ライニング層が、シリンダ母
材から侵入するFeを有することなく被覆されており、か
つ優れた耐摩耗性及び耐食性を有するような組成とする
ことができる複合シリンダを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ライニ
ング層を形成する合金材料の組成を最適化するととも
に、その合金材料をHIPプロセスによりシリンダ母材の
内面上で加圧焼結することにより、ライニング層のFeが
侵入せず、かつライニング層は優れた耐摩耗性及び耐食
性を有することを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のライニング層とシリンダ母材層と
からなる複合シリンダは、前記ライニング層が、Cr10.0
〜30.0重量％、B1.5〜4.0重量％、Si2.0重量％以下、Mn
2.0重量％以下、C0.2〜0.7重量％、Fe5.0重量％以下、
残部実質的にCo及び不可避的不純物からなる合金のアト
マイズ粉末を、HIPプロセスにより前記シリンダ母材内
面上で加圧焼結してなることを特徴とする。

〔実施例及び作用〕まず本実施例に用いる耐摩耗性及び耐食性を有するラ
イニング層を構成する合金成分について説明する。

Crの含有率は10.0〜30.0重量％であり、好ましいCrの
含有率は11.0〜23.0重量％である。

Crは10.0重量％未満であると、本実施例の合金が硫化
した場合、硫化スケールはCo₂S₄からなるマトリックス
中にCr₂S₃が分散した組織を成し、このスケールは硫化
反応を抑制しない。Crが10.0重量％を超えると硫化スケ
ールはCr₂S₃からなるマトリックス中にCo₂S₄が分散した
組織を成し、このスケールは硫化反応を抑制する。しか
しながらCrが30.0重量％を超えると耐硫化性は向上する
が、合金の靱性が低下してしまう。また11.0〜23.0重量
％であると硫化反応抑制作用が特に顕著である。

Ｂの含有量は1.5〜4.0重量％である。

Ｂは組織中に高硬度のほう化物を析出させ、合金の硬
度を向上させる作用を有するが、1.5重量％未満ではそ
の効果が十分ではなく、4.0重量％を超えると脆性を増
してしまう。

Siは脱酸材としての作用をするが、その効果から含有
率は2.0重量％以下とする。

Mnは脱酸材としての作用をするが、その効果から含有
率は2.0重量％以下とする。

Ｃの含有率は0.2〜0.7重量％である。

Ｃは基地の硬さと強度を向上させる作用を有するが、
0.2重量％未満であると、硬さが不足し、耐摩耗性が低
下する。また0.7重量％を超えると脆くなり、強度が低
下してしまう。

Feの含有率は5.0重量％以下である。

Feは理想的には含まれないのが好ましい。含まれるFe
の量が５％以上に増加すると硬さが低下するとともに、
酸に対する耐食性を低下させるのでその影響が無視でき
なくなる。

CoはCr及びＢと化合して合金の高硬度特性と耐食性を
向上させるため、基合金として残重量％とする。

また本実施例においては、上述した成分組成の原料を
溶解し、ガスアトマイズ法により粉末化する。上記原料
は融点が余り高くなく、また溶湯の粘度が低いため、ガ
スアトマイズ法による粉末化に適する。ガスアトマイズ
法は、Arガス等を用い、通常の方法により行うことがで
きる。アトマイズ粉末の粒径は、HIPが可能である限
り、特に限定されないが、組成の均一性を高めるため
に、５〜100μｍ程度であるのが好ましい。

さらに本実施例においては、上述の合金粉末に、周期
律表のIV a族、V a族あるいはVI a族に属する元素の炭
化物からなる微粒子を均一に分散させることにより、耐
摩耗性をさらに向上することができる。

上記炭化物からなる微粒子を含有する場合、含有率
は、ライニング層を形成する合金材料100重量部当り、
５〜60重量部であるのが好ましい。５重量部未満である
と耐摩耗性の向上が少ないし、60重量部を超えると機械
的強さの低下が大きいため好ましくない。

またこの場合は、前記炭化物からなる微粒子の粒径が
５〜100μｍであるのが好ましい。５μｍ未満であると
均一に分散せず、また100μｍを超えるとライニング層
の強度が低下するため好ましくない。

次に本発明の複合シリンダについて、その製造方法の
一例を説明する。

第１図はシリンダ母材内にライニング層形成用の芯金
を挿入した状態を示す概略断面図であり、合金粉末充填
前の状態を示すものである。

第１図に示すように、ホッパー用開口部41を有し、高
強度鋼材等からなるシリンダ母材１の内側に、複合シリ
ンダのシリンダ部を形成するための芯金２を挿入するこ
とにより、シリンダ母材１と芯金２との間に環状の中空
部３を形成する。芯金２の両端及びシリンダ母材１の両
端をともに、蓋４、５を溶接等で接合することによりシ
ールする。この場合、ライニング用の合金粉末は開口部
41より入れることになるが、場合によっては、蓋４、５
の一方を合金粉末充填後にシールするようにしてもよ
い。合金粉末の充填はシリンダ母材に振動を適当に与え
ることにより行うのが好ましい。最後にホッパー用開口
部41も、蓋８によりシールする。

なお芯金２及び蓋４、５は軟鋼等により作製すること
ができる。また芯金２は図のように中空である必要はな
く中実であってもよい。

第２図は、このようにして合金粉末3aが充填された状
態のシリンダを示す概略断面図である。

合金粉末が密封充填されたシリンダは、第３図に示す
ような構造のHIP装置７内に、装填され、HIP処理が行わ
れるが、通常のHIP処理条件は、温度1,000〜1,150℃、
圧力1,000〜1,500atmであり、アルゴン等の不活性ガス
雰囲気中で１〜５時間行う。なお第３図における白抜矢
印は、接合体６に加わる圧力の方向を概略的に示してい
る。

HIP処理を行った後の接合体６については、切削加工
等により蓋４、蓋５を除去する。次いで、芯金２を除去
し、シリンダ内面の仕上げを行う。

以上により作製される複合シリンダは、ライニング層
がHIPプロセスにより形成されるため、Feがシリンダ母
材から侵入することがなく、優れた硬度及び耐食性を有
する構造になっている。またライニング層は、上述した
耐食性、耐摩耗性合金材料により形成されているため、
さらに優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になって
いる。

なお上述した本実施例の複合シリンダに、適当な熱処
理を施し、シリンダ母材を所望の組織にすることによ
り、シリンダ母材の強度を向上させ、ライニング層の耐
クラック性を向上させることも可能である。

このような熱処理を施す場合に最適なシリンダ母材に
ついて説明する。

シリンダ母材として、亜共析または共析の合金鋼を用
いることが好ましい。。

合金鋼として、Cr−Mo鋼を用いる場合、化学成分の含
有率はC0.3〜0.5重量％、Si0.15〜0.35重量％、Mn0.3〜
1.5重量％、P0.03重量％以下、S0.03重量％以下、Cr0.7
〜1.5重量％、Mo0.1〜0.5重量％とするのが強度上好ま
しい。日本工業規格（JIS G 4105）に規定されるSCM44
0、SCM445相当のCr−Mo鋼が、強度上特に好ましい。

合金鋼として、Ni−Cr−Mo鋼を用いる場合、化学成分
の含有率はC0.3〜0.5重量％、Si0.15〜0.35重量％、Mn
0.3〜1.5重量％、P0.03重量％以下、S0.03重量％以下、
Ni3.0重量％以下、Cr0.7〜1.5重量％、Mo0.1〜0.5重量
％とするのが強度上好ましい。日本工業規格（JIS G 41
03）に規定されるSNCM439相当のNi−Cr−Mo鋼が、強度
上特に好ましい。

また本実施例においては、上述したようなシリンダ母
材に適当な熱処理を施すことにより、その組織を強度上
有利な構成にするが、この場合、組織の20％以上をベイ
ナイトにより形成し、残部をソルバイトにより形成する
のが好ましい。組織のベイナイトが20％未満であると十
分な強度が得られず好ましくない。

以上に示す組織構成とするために、本実施例において
は、上述した複合シリンダに熱処理を施すが、この熱処
理方法を第４図に示す熱処理パターンにより、以下に説
明する。

ここで、第４図の横軸は時間、縦軸は温度を示してお
り、また熱処理パターン上のＡは焼入加熱工程、Ｂは冷
却工程、Ｃは保持工程、Ｄは焼戻し加熱工程、Ｅはアニ
ール工程、Ｆは室温までの冷却工程を示している。

本実施例においては、Ａに示す加熱の後Ｂに示す冷却
工程において、ベイナイト変態を起こす温度領域まで冷
却するが、この時の冷却速度は40〜100℃／分である。
冷却速度が40℃／分未満であると、トルースタイトを生
じ、また100℃／分を超えると、ライニング層の内面に
割れが生じやすくなる。

次いでＣに示すように保持工程において、ベイナイト
変態を起こす領域は300〜550℃である。ベイナイト変態
を起こす領域が300℃未満であると低温でのシリンダ母
材の変態膨張によりライニング層の内面に割れが生じや
すくなり、また550℃を超えるとパーライトが生じる。

また保持工程における保持時間は10分以上である。保
持時間が、10分未満であると、シリンダ母材のベイナイ
ト量が20％未満となり、十分な強度が得られなくなる。

次いでＤに示すようにアニール温度まで加熱を行う
が、この時、加熱速度は１〜10℃／分である。加熱速度
が１℃／分未満であると、シリンダ母材のベイナイト量
が過多となり、ライニング層の内面に割れを発生しやす
くなる。また10℃／分を超えると、逆にベイナイト量が
不足して強度が得られなくなる。

次いでＥに示すようにアニールを行うが、この時、ア
ニール温度は550〜650℃である。アニール温度が550℃
未満であると残留応力除去というアニールの目的を果た
ず、また650℃を超えると金属組織に影響をおよぼす。

またアニール時間は１〜５時間である。アニール時間
が１時間未満であると十分に残留応力を除去できず、ま
た５時間を超えても、その効果に著しい変化はない。

最後にＦに示すように室温まで冷却する。

以上により形成される本実施例における複合シリンダ
は、シリンダ母材の強度が著しく向上するため、ライニ
ング層が優れた疲労強度、特に耐クラック性を有する構
造になる。

以下の具体的実施例により本発明を詳細に説明する。

実施例１第２図に示す構造の接合体を上述の方法により作製し
たが、ライニング層を形成する合金材料として、Cr18重
量％、B3.2重量％、Si1.0重量％、Mn0.82量％、C0.2重
量％、Fe0.6重量％、残部実質的にCo及び不可避的不純
物からなる合金のアトマイズ粉末を用い、またシリンダ
母材としてSCM440を用いた。

また、上記接合体を第３図に示すような構造のHIP装
置内において、HIP処理を施したが、この時のHIP処理条
件は、Arガス雰囲気中、温度1,080℃、圧力1,000atm、
４時間とし、複合シリンダを得た。

実施例２実施例１と同様に、接合体を作製したが、ライニング
層を形成する合金材料として、Cr22重量％、B3.0重量
％、Si1.0重量％、Mn0.50重量％、C0.15重量％、Fe1.0
重量％、残部実質的にCo及び不可避的不純物からなる合
金のアトマイズ粉末に、さらにWCからなる粒径５〜30μ
ｍの微粒子をアトマイズ粉末100重量部当り、20重量部
均一に分散させた。またシリンダ母材としてSNCM439を
用いた。

次いで、アトマイズ粉末が密封された上記接合体を第
３図に示すような構造のHIP装置内に、装填し、HIP処理
を施した。この時のHIP処理条件は、温度1,100℃、圧力
1,000atmであり、Arの不活性ガス雰囲気中で４時間行う
ことにより複合シリンダを得た。

実施例３実施例１と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施し
た。

この時の熱処理条件は、加熱温度900℃（第４図に示
すＡ）、冷却速度80℃／分（第４図に示すＢ）、ベイナ
イト変態を起こす温度500℃、保持時間20分間（第４図
に示すＣ）、加熱速度５℃／分（第４図に示すＤ）、ア
ニール温度630℃、保持時間５時間（第４図に示すＥ）
であった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の
組織は、約50％のベイナイトと約50％のソルバイトとか
らなっていた。

実施例４実施例２と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施し
た。

この時の熱処理条件は、加熱温度900℃（第４図に示
すＡ）、冷却速度50℃／分（第４図に示すＢ）、ベイナ
イト変態を起こす温度450℃、保持時間20分間（第４図
に示すＣ）、加熱速度５℃／分（第４図に示すＤ）、ア
ニール温度600℃、保持時間５時間（第４図に示すＥ）
であった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の
組織は、約60％のベイナイトと約40％のソルバイトとか
らなっていた。

上述した本実施例の複合シリンダについて、ライニン
グ層の耐摩耗性、耐食性、及びシリンダ母材の強度を測
定した。

耐摩耗性については、成形機用シリンダから、10mm×
15mm×10mmの大きさの試料を作成し、＃400の研磨紙
に、荷重2.0Kgで押圧し、480mの距離を摺動させた後に
ライニング材の摩耗量を調べた。この結果を、後述する
比較例の結果を10とした時の相対値によって表し、耐摩
耗性を評価した。

耐食性については、成形機用シリンダから試料を作成
し、50℃の10％HCl水溶液中に24時間浸漬した後に、ラ
イニング材の腐食原料量率を調べた。この結果を、後述
する比較例の結果を10とした時の相対値によって表し、
腐食性を評価した。

シリンダ母材の強度については、母材から引張試験試
料を作成し、引張試験を行い、母材強度として最も重要
な0.2％耐力を計測した。

これらの結果を第１表に示す。

第１表から明らかなように、実施例１、２の複合シリ
ンダにおいては、ライニング層が優れた耐摩耗性及び耐
食性を有していた。

また実施例３、４の複合シリンダにおいては、適当な
熱処理が施されているために、シリンダ母材の強度が著
しく向上していることがわかる。そのため、ライニング
層にかかる歪みが小さくなり、疲労強度及び耐クラック
性が向上すると考えられる。

なお本実施例においては、単軸の複合シリンダを例に
とり説明したが、複数軸の複合シリンダとすることも可
能であり、この場合も良好な効果を発揮することは勿論
である。

また本実施例においては、複合シリンダの芯金を中空
構造のものを用いた例について説明したが、中実構造の
ものを用いても良好な効果を発揮することは勿論であ
る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の複合シリンダにおいて
は、ライニング層を、上述した耐食性、耐摩耗性を付加
するのに最適な成分組成の合金材料により形成し、かつ
その合金材料がHIPプロセスによりシリンダ母材に加圧
焼結された構造になっている。このため、ライニング層
が、シリンダ母材から侵入するFeを有することなく被覆
され、優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になって
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリンダ母材内に芯金を挿入した状態を示す概
略断面図であり、第２図はシリンダ内にライニング用合金粉末を充填した
状態を示す概略断面図であり、第３図は本発明の複合シリンダを製造するためのHIP装
置を示す概略断面図であり、第４図は本発明の一実施例により複合シリンダの熱処理
パターン図である。１……シリンダ母材２……芯金３……中空部 3a……合金粉末４、５、８……蓋７……HIP装置 31、32……端部 41……ホッパー用開口部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00 - 7/08 C22C 38/00 B29C 45/62,47/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ライニング層とシリンダ母材層とを有する
複合シリンダにおいて、前記ライニング層が、Cr10.0〜
30.0重量％、B1.5〜4.0重量％、Si2.0重量％以下、Mn2.
0重量％以下、C0.2〜0.7重量％、Fe5.0重量％以下、残
部実質的にCo及び不可避的不純物からなる合金のアトマ
イズ粉末を、HIPプロセスにより前記シリンダ母材内面
上で加圧焼結してなることを特徴とする複合シリンダ。
【請求項２】請求項１に記載の複合シリンダにおいて、
前記ライニング層が、前記アトマイズ粉末100重量部当
りIV a族、V a族あるいはVI a族に属する元素の炭化物
の微粒子５〜60重量部を均一に分散させてなることを特
徴とする複合シリンダ。
【請求項３】請求項２に記載の複合シリンダにおいて、
前記炭化物からなる微粒子の粒径が５〜100μｍである
ことを特徴とする複合シリンダ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の複合シ
リンダにおいて、前記シリンダ母材の組織は、ベイナイ
ト20％以上、残部ソルバイトからなることを特徴とする
複合シリンダ。
【請求項５】請求項４に記載の複合シリンダにおいて、
前記シリンダ母材は、C0.3〜0.5重量％、Si0.15〜0.35
重量％、Mn0.3〜1.5重量％、P0.03重量％以下、S0.03重
量％以下、Cr0.7〜1.5重量％、Mo0.1〜0.5重量％、残部
実質的にFe及び不可避的不純物からなるCr−Mo鋼である
ことを特徴とする複合シリンダ。
【請求項６】請求項４に記載の複合シリンダにおいて、
前記シリンダ母材は、C0.3〜0.5重量％、Si0.15〜0.35
重量％、Mn0.3〜1.5重量％、P0.03重量％以下、S0.03重
量％以下、Ni3.0重量％以下、Cr0.7〜0.5重量％、Mo0.1
〜0.5重量％、残部実質的にFe及び不可避的不純物から
なるNi−Cr−Mo鋼であることを特徴とする複合シリン
ダ。