JP3620995B2

JP3620995B2 - 耐食耐摩耗部品の製造方法

Info

Publication number: JP3620995B2
Application number: JP14140399A
Authority: JP
Inventors: 瀬泰志深
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: JP2000326077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食耐摩耗性が要求される部品の製造方法に関するものであり、特に、耐食耐摩耗性の向上、強度の向上および生産性の向上を図ることができる、耐食耐摩耗部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラスチック射出成形機における逆流防止弁やスクリュヘッド等の構成部品は高温、高圧で圧送される樹脂に常に接触しているため、腐食や摩耗が発生しやすい。特に近年、エンジニアリングプラスチック等の使用拡大に伴い、エンジニアリングプラスチックの性能向上を目的として樹脂に添加される難燃材や無機フィラーに起因する、上記部品の腐食と摩耗が大きな問題となっている。また、上記エンジニアリングプラスチック製品の軽量化をねらいとした薄肉化のため、成形圧力は高圧となり構成部品の強度もより一層要求されている。
【０００３】
すなわち、図５は射出成形機のスクリュの先端部の構成を示す図であって、ケーシング１内には、外周に螺旋状に連なる突条２ａが形成されたスクリュ２が回転可能かつ軸線方向移動可能に配設されている。上記スクリュ２の先端部には、スクリュヘッド３がねじによって固着されており、そのスクリュ２とスクリュヘッド３との間にスペーサ４が介装固設されている。
【０００４】
上記スクリュヘッド３の中間部には先端部より小径の小径軸部３ａが形成されており、この小径軸部３ａにリング状の逆流防止弁５が嵌合されている。この逆流防止弁５の内面と小径軸部３ａとの間には半径方向の隙間が形成されており、スクリュヘッド３の大径部とスペーサ４との間で上記小径軸部３ａに沿って移動可能としてある。そして、上記スクリュヘッド３の大径部には軸方向の溝３ｂが形成されている。
【０００５】
このように、スクリュ２が矢印Ａ方向に回転しながら矢印Ｂ方向に後退運動を行うと、スクリュ２とシリンダ１との隙間にある樹脂が前方に移動され、スクリュヘッド３の小径軸部３ａと逆流防止弁５の内面との隙間およびスクリュヘッド３の軸方向の溝３ｂを通って、スクリュヘッド先端とシリンダ先端部との隙間に充満される。このようにして、シリンダ先端部に射出成形品の体積に見合った所要量の樹脂が充満されると、スクリュ２の回転と後退の両運動が停止される。
【０００６】
そこで、次にスクリュ２を前進させると、上記シリンダ先端部に充満されていた樹脂がノズル１ａから押し出される。一方、このとき、逆流防止弁５がスペーサ４の端面に当接し、その逆流防止弁５によって、樹脂がスクリュ２の外周面側にリークすることが防止される。
【０００７】
このように、スクリュや逆流防止弁のようなスクリュ部品は高温、高圧の樹脂と常に接触しているため、その接触面には耐摩耗性と耐食性が要求される。また、樹脂の計量蓄積時には、スクリュが回転しつつ後退するが、この間逆流防止弁はスクリュヘッドの大径部後端面に押圧されているため、逆流防止弁とスクリュヘッドの間に摩擦が生じ、両者に摩耗が発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような観点から、特開昭６４−２４７１８号公報には、スクリュヘッドや逆流防止弁、あるいはスペーサを耐食、耐摩耗性に優れたセラミックス製とした射出成形機用高性能スクリュー部品が開示されている。また、同様の観点から、特開昭６２−１３０８１８号公報には、耐摩耗性の必要な部分にセラミックスを使用することによって、耐摩耗性および強度を向上させた射出成形機が開示されている。しかしながら、これらの技術は、耐摩耗性が必要な部分にセラミックスを使用しているため、耐摩耗性には優れているものの、セラミックス本来の特性から靭性に劣るものであり、高圧下での使用にはあまり適するものではない。
【０００９】
このような問題に対し、特開平９−１５５９３８号公報には、基材に高強度ステンレス鋼を使用して部品の強度を高めた射出成形機用逆流防止装置が開示されている。しかしながら、耐摩耗性が必要とされる部分のみならず、基材についても、原料粉末の調整から成形・焼結工程までを行う必要があるため、生産性が低下し、コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
そこで、市販されている鋼材を基材として、耐摩耗性が必要とされる部分のみに、耐摩耗材料として市販されている高強度材料を接合させて使用することも考えられる。しかしながら、一般的な耐摩耗材料は粉末冶金法により製造され、部材の焼結温度は１２００℃以上と高い。このため、鋼材を耐摩耗材料の焼結と同時に接合する焼結接合は、鋼材の劣化を招くおそれがあるため難しい。
【００１１】
また、耐摩耗材料と鋼材の熱膨張係数の差が大きいため、接合界面に割れが生じることがあるという問題もある。これに対しては、ろう材やその他のインサート材料を用いて、耐摩耗材料と鋼材を接合させることにより、鋼材の劣化や割れを防止して、耐摩耗部品として使用することも考えられる。ここで、高強度の接合を目的とする場合には、入手しやすく、かつ、接合強度も１．３ＧＰａ程度と比較的高いことから、インサート材料としてＮｉろう材を用いることが一般的に知られている。しかしながら、インサート材料費および加工費がかかる点で製造コストが高くなってしまう。また、近年のプラスチック成形機用部品としては、強度の点で充分に満足するものとはいえない。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、耐食耐摩耗性の向上、強度の向上および生産性の向上を実現することができる、耐食耐摩耗部品の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量％のＳｉ、１０〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３５．０重量％のＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可避的不純物からなるＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金（以下Ｍ２０３合金という）と、鋼材とを、接合面圧力２．５〜２２．５ｋＰａ、および接合温度１０６０〜１１１０℃の条件下において、拡散によって接合させる、耐食耐摩耗部品の製造方法を提供するものである。
【００１４】
ここで、前記Ｍ２０３合金と前記鋼材の接合が、平面部同士を接合するものであるのが好ましい。
また、前記鋼材がＳＫＤ６１であり、前記接合と同時に焼き入れ処理を行うのが好ましい。
さらに、前記接合後に窒化処理を施すのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る耐食耐摩耗部品の製造方法を具体的に説明する。
【００１６】
本発明の製造方法は、耐食耐摩耗性が必要とされる部分に主として使用される耐食耐摩耗材料と、その他の基材部分に使用される鋼材を、所定条件下で拡散により接合させることにより、プラスチック成形機用部品等の耐食耐摩耗部品を製造するというものである。
【００１７】
本発明に係る耐食耐摩耗材料としては、Ｍ２０３合金を使用するが、この合金は１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量％のＳｉ、１０〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３５．０重量％のＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可避的不純物からなっていることが必要とされる。
【００１８】
このような耐食耐摩耗材料において、Ｎｉをベースとするのは、硬質粒子の結合相とするためである。また、ＢはＭｏ、Ｎｉと硼化物を形成し、強度と耐摩耗性を高めるために添加されるが、１．０重量％未満であると硼化物の形成量が少なくなるので、また３．０重量％を超えると硼化物の形成量が増加し、強度が低下する傾向があるので、好ましくない。Ｓｉは、結合相Ｎｉに固溶して合金を強化するために添加されるが、２重量％未満であると結合相中への固溶量が少なく、強度が低いので、また５重量％を超えると粗大なＮｉ−Ｓｉ化合物を形成し、強度を低下させる傾向にあるので、好ましくない。Ｍｏは、耐食性を高め、さらにＮｉ、Ｂと硼化物を形成し、強度と耐摩耗性を高めるために添加されるが、１０重量％未満であると耐食性の効果がなく、硼化物の形成量が少なくなるので、また２０重量％を超えると強度を低下させ、焼結温度を高めるので、好ましくない。ＷＣは、合金の耐摩耗性と強度を高めるために添加されるが、２５．０重量％未満であると耐摩耗性と強度の効果が少ないので、また３５．０重量％を超えると結合相量が少なくなり、強度が低下する傾向にあるので、好ましくない。
【００１９】
この合金は、上記範囲の組成とすることで、合金の強度と硬さを高める複硼化物が形成されるとともに、Ｎｉ結合相中にＳｉが固溶強化されるものと考えられ、これにより、耐食性、耐摩耗性および強度の点で優れている。しかも、本発明の所定条件下においては、インサート材料を必要とすることなく、鋼材と高強度に接合させることができる。なお、この耐食耐摩耗材料の詳細については、特開平８−６７９３７号公報を参照することができる。
【００２０】
本発明に係る鋼材としては、本発明の効果を損なわない限りにおいて、各種の鋼材が使用可能であるが、熱膨張係数がＭ２０３合金に近い９〜１３×１０^−６の鋼材を使用するのが好ましい。中でもＳＫＤ６１（ＪＩＳＧ４４０４を参照）を使用するのが特に好ましい。これは、市販されている鋼材の中でも、ｉ）焼入れ性が優れ、高い靭性値を有すること、ｉｉ）耐食耐摩耗材料との接合温度で焼入れが可能であるので、接合時に耐食耐摩耗材料が劣化するのを防止できること、およびｉｉｉ）耐食耐摩耗材料との熱膨張係数が近いので、接合界面の割れを防止できること、等の理由によるものである。
【００２１】
ここで、本発明の方法においては、このような耐食耐摩耗材料と鋼材を拡散により接合させるために、両材料の接合面に面圧を与えて、両者の密着性を高くする。
この時の接合面圧力は、２．５ｋＰａ〜２２．５ｋＰａであることを要し、好ましくは１０ｋＰａ〜２０ｋＰａである。接合面圧が高すぎると、接合面の密着性は良くなるが、熱処理時に耐食耐摩耗材料の変形が生じるので好ましくない。一方、接合面圧が低すぎると、接合界面に空孔が残留してしまい、密着性が低下するので好ましくない。
【００２２】
また、予め、接合しようとする両材料の各々に平面部を形成させておき、この平面部同士を接合させる構成とするのが、接合部位をムラの無い均一の圧力で接合させることができ、より高い密着性を確保できるので好ましい。なお、充分な密着性を確保しつつ接合できる限り、接合部位の形状は曲面であってもよい。
【００２３】
また、この時の接合温度は、１０６０℃〜１１１０℃であることを要し、好ましくは、１０７０℃〜１１００℃である。接合温度が高すぎると、母材となる鋼材の劣化が生じ、また、Ｍ２０３合金の強度も低下するため、Ｍ２０３合金より破断してしまうので好ましくない。一方、接合温度が低すぎると、抗折強度が不充分になるので好ましくない。
【００２４】
さらに、本発明の製造方法においては、両材料の接合後に窒化処理を施すことが好ましい。このような窒化処理としては、特に限定されず、公知の方法に従って行なうことができる。これにより、基材の表面硬度をより高めることができるとともに、耐食耐摩耗材料表面における化合物の生成を防止することができる。また、基材（鋼材）および耐食耐摩耗材料の変形量を極めて少なくすることができる。
【００２５】
以下、このような本発明の適用される一例である、プラスチック射出成形機用の逆流防止弁に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラスチック射出成形機用のスクリュヘッド、スペーサを始めとする、耐食耐摩耗性が要求される各種の部品に適用可能である。
【００２６】
図１に本発明に基づいて製造された、プラスチック射出成形機用の逆流防止弁５の一例を示す。同図（ａ）は逆流防止弁５の縦断側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面における矢視図である。
【００２７】
逆流防止弁５は、プラスチック射出成形機内において樹脂の逆流を防止するためのものであり、円筒状の鋼材からなる基材１０と、この鋼材の一端から同一軸心を有する円筒状に延在してなる耐食耐摩耗材料１１とを有する。この逆流防止弁５は、既に図５に基づいて詳述したように、スクリュ２の先端に位置するスクリュヘッド３とスクリュ２との間に位置し、スクリュ軸方向へ移動可能に配置されるが、樹脂の計量時に前方へ押され、回転するスクリュヘッド３と接触するため、スクリュヘッド３と逆流防止弁５の接触する面には耐摩耗性が要求される。また、逆流防止弁５は射出時には高い樹脂圧力を受けるため、高強度かつ高靭性を有することが要求される。このような観点から、図１に示されるように、逆流防止弁５の耐摩耗性が必要とされる部分には、前述したＭ２０３合金を耐食耐摩耗材料１１として用いる。
【００２８】
このような逆流防止弁５の製造方法の一例を以下に説明する。
ここで、耐摩耗性の必要とされる部分に使用する耐食耐摩耗材料として、Ｍ２０３合金、すなわちＮｉ−（１．０〜３．０）％Ｂ−（２〜５）％Ｓｉ−（１０〜２０）％Ｍｏ−（２５．０〜３５．０）％ＷＣ合金を使用した。なお、この耐食耐摩耗材料の特性を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
まず、上記組成となるように原料粉（具体的には、Ｎｉ−２．２％Ｂ−３．２％Ｓｉ−３０％ＷＣ−１５％Ｍｏ）を配合し、回転ボールミルにより混合粉砕した。その後、乾燥させて合金粉末を作製した。
【００３１】
次いで、金型を用いて一軸加圧成形法（プレス成形法）により、上記合金粉末に対して、成形を行った。なお、金型寸法は、成形体の焼結時に生じる収縮および仕上げ加工時の研削代を考慮して決定した。
【００３２】
まず、図２に示されるように、金型１２内に上記耐食耐摩耗材料粉末１１ａを充填し、金型上部に加圧用パンチ１３を挿入し、上下のパンチ１３，１３より約２３ＭＰａで加圧を行った後、金型１２から成形体１１ａを取り出した。この成形体１１ａを真空炉内へセットし、焼結温度１０７０℃、圧力４〜７Ｐａで焼結して、耐食耐摩耗材料１１を得た。焼結後、接合面とする部分を平面研削処理した。
一方、基材１０としては、ＳＫＤ６１を使用し、円筒状の逆流防止弁形状に加工した。
【００３３】
接合および焼入れ処理は真空炉内にて行った。図３に示されるように、耐食耐摩耗材料１１と基材１０を重ね、２．２ｋｇの重り１５を載せ、接合面に面圧（１７．４ｋＰａ）を与え、炉内にセットした。このとき、重り１５と耐食耐摩耗材料１１が接触する面には離型を目的としてＢＮ（ボロンナイトライド）を塗布した。１０９０℃で３０分間保持させた後、室温まで急冷し、基材（ＳＫＤ６１）の靭性を高めるため、６００℃で１８０分間保持させる焼戻し処理を２回行った。処理終了後の各部の硬度は硬質層でＨＲＡ８５、基材でＨＲＣ４８であった。図１に示されるように、外径、内径および両端面を所定の寸法（外径６０ｍｍ、長さ４０ｍｍ）に研削加工して、イオン窒化することにより窒化処理を施し、逆流防止弁を作製した。窒化処理後の基材の表面硬度はＨＶ１０５０であった。
【００３４】
このようにして作製した逆流防止弁をプラスチック射出成形機に組み込み運転を行ったところ、従来の逆流防止弁の材料であるＳＫＤ６１製（焼入れ処理のみ）のものに比べ、約５倍の寿命となった。バレルと接する外周面の摩耗量も減少した。また、接合部から割れ等の破損も生じなかった。
【００３５】
【実施例】
（実施例１〜５）
様々な接合温度において接合させて得た各試験片について、抗折強度を測定した。図４に、試験片１６の形状を示す。３５×２０×８ｍｍのＭ２０３合金（Ｎｉ−（１．０〜３．０）％Ｂ−（２〜５）％Ｓｉ−（１０〜２０）％Ｍｏ−（２５．０〜３５．０）％ＷＣ合金）の焼結体と、これと同形状のＳＫＤ６１を、表２に示される条件（接合面圧力１２ｋＰａ）のもと、３５×８ｍｍの面で接合し、８×４×２６ｍｍの抗折試験片を作製した。得られた試験片について、ＪＩＳＢ４０５３に準拠して、抗折強度を３点曲げ抗折試験により測定した。各接合条件において得られた抗折強度を、表２に示す。
【００３６】
（比較例１〜５）
表２に示されるインサート材料を用いて接合させた以外は、実施例と同様にして抗折試験片を作製し、抗折強度を測定した。各接合温度において接合させて得た各試験片についての抗折強度を、表２に示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
この結果から、以下のことが分かる。ｉ）接合温度が高すぎると母材となる鋼材の劣化が生じる。ｉｉ）インサート材料ＢＡｇ−８Ａを使用すると、低温での接合が可能であるが、抗折温度は０．７ＧＰａと低い。ｉｉｉ）インサート材料ＢＮｉ−２を使用すると、接合温度１０７０〜１０９０℃で、抗折強度１．７ＧＰａが得られる。ｉｖ）インサート材料を使用しない場合、接合温度１０５０℃以下（表に示していない）では、抗折強度が０．５ＧＰａ以下となった。５）インサート材料を使用しない場合、接合温度１０６０〜１１１０℃で、インサート材料ＢＮｉ−２を使用したものより高い抗折強度が得られた。６）インサート材料を使用しないで、Ｍ２０３合金と鋼材の接合を行ったが、熱膨張係数の差による割れ等の欠陥は生じなかった。したがって、本発明の効果は明らかである。なお、インサート材料を使用しない場合、接合温度１１２０℃以上では、抗折強度が１．６ＧＰａとなった。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る耐食耐摩耗部品の製造方法によれば、インサート材料を必要とせずに接合できるので、低コストかつ高い生産性で、耐食耐摩耗部品を製造することができる。しかも、欠陥が無く、耐食耐摩耗性および強度に非常に優れた耐食耐摩耗部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明により製造された逆流防止弁の縦断側面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面における矢視図である。
【図２】本発明における、耐食耐摩耗材料の金型成形を表す図である。
【図３】本発明における、耐食耐摩耗材料と基材を接合させる際の状態を示す図である。
【図４】（ａ）は抗折試験片の側面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図５】一般的なプラスチック射出成形機のスクリュヘッド部を示す断面図である。
【符号の説明】
２スクリュ
３スクリュヘッド
３ａ小径軸部
５逆流防止弁
１０基体
１１耐食耐摩耗材料
１１ａ耐食耐摩耗材料粉末
１２金型（ダイス）
１３パンチ
１４コアロッド
１５重り
１６試験片

Claims

１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量％のＳｉ、１０〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３５．０重量％のＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可避的不純物からなるＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金と、鋼材とを、接合面圧力２．５〜２２．５ｋＰａ、および接合温度１０６０〜１１１０℃の条件下において、拡散によって接合させることを特徴とする、耐食耐摩耗部品の製造方法。
前記Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金と前記鋼材の接合が、平面部同士を接合させるものである、請求項１に記載の耐食耐摩耗部品の製造方法。
前記鋼材がＳＫＤ６１であり、前記接合と同時に焼き入れ処理を行う、請求項１または２に記載の耐食耐摩耗部品の製造方法。
前記接合後に窒化処理を施す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐食耐摩耗部品の製造方法。