JP3723874B2 - マグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダに関するもので、特に、アルミニウムを含むマグネシウム合金に対する耐溶損性に優れるとともに、高温使用下でも優れた耐久性を有する射出成形用シリンダに適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家電、自動車等の分野では、樹脂成形品が多く用いられてきたが、最近では、マグネシウムに微量のアルミニウムやマンガン、亜鉛などを加えたマグネシウム合金が使用されつつある。このマグネシウム合金は、比重がアルミニウムの約２／３程度で軽量であり、しかも高強度で剛性が高く、耐熱性、放熱性にも優れるため、家電、自動車をはじめ多くの製品への適用が期待されている。
ところで、従来、樹脂成形品の製造では、簡便で、大量の精密成形品を得られる射出成形法が主流となっているが、上記したマグネシウム合金においても同方法の適用の研究が進められ、ニヤネット・シェープで複雑形状のマグネシウム合金製品が樹脂製品並に手軽に得られるようになり、にわかに脚光を浴びてきた。
【０００３】
上記製造に用いられるマグネシウム合金射出成形機の構成は、基本的には樹脂射出成形機と変わらないものであり、ホッパーから原材料となるマグネシウム合金チップおよび必要に応じた混合物を、加熱されたシリンダの内部に導入する。原材料は所定温度まで加熱されながらシリンダ内で回転するスクリュウにより撹拌、混練され、前方に押し出されて行く。そして、高圧で金型に圧入して成形を行うものである。ここで樹脂射出成形機との大きな違いは、材料の溶解温度が異なることである。原材料として一般的な実用マグネシウム合金系であれば固液共存温度である５８０〜６４０℃まで上げて溶解する必要があり、最近のエンジニアプラスチックの４５０℃程度と比べても、かなり高い温度である。よって原材料をこの温度にまで加温するためのシリンダ材料には、耐クリープ性に優れる高Ｎｉ耐熱鋼やＮｉ基超合金が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、溶解したマグネシウム合金は活性が高く、反応性に富むため、シリンダ材と強く反応する溶損現象が起こるおそれがある。これを防止するためには、（１）溶損の少ないシリンダ材への成分組成の改良、（２）溶損の予想される部分を耐溶損性に優れる材料でライニング加工する、２通りが考えられる。しかし、（１）に示された手法はシリンダ材の高温強度との両面から解決していかなければならず、（２）に示された手法が現実的である。
【０００５】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、マグネシウムまたはマグネシウム合金に対する耐溶損性に優れ、しかも高温使用下において優れた耐久性を有する射出成形用シリンダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダのうち第１の発明は、重量％で、Ｃ：０．８〜４．０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｗ：５．０〜１５．０％、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｂ：１．０〜３．５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなるライニングを有することを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明の成分に加え、重量％で、Ｓｉ：２．０〜５．０％を含有することを特徴とする。
第３の発明は、第１または第２の発明の成分に加え、重量％で、Ｆｅ：１．５〜３．５％を含有することを特徴とする。
【０００８】
次に、本発明を完成するに至る経緯を説明する。
まず、各種純金属単元素の試験片を溶融マグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ；Ａｌ９．０％、Ｍｎ０．６％、Ｚｎ０．１３％、残Ｍｇ）中でピン・オン・ディスク型の摩耗試験を行い、その重量変化を測定した。
その結果、ニッケルが最も激しく摩耗し、逆にタングステンやモリブテン、クロム、コバルトといった高融点の材料はマグネシウム合金との反応が少ないことが分かった。さらに、試験片の表面をＸ線、走査電子顕微鏡などで分析したところ、融点２０００℃を超えるタングステン、モリブテンなどと、融点がそれらより低いクロム、コバルトなどとでは、マグネシウム合金からの保護機構に違いがあることが分かった。すなわち、前者は表面に何ら化合物を生じず、かつ反応もないが、後者は表面にマグネシウム合金中に含まれるアルミニウムとの化合物を形成し、この安定した保護膜の作用により内部保護が行われることが分かった。そのため、摩耗試験のピンの圧力を増して、より厳しい摩耗条件とすると、後者の金属では皮膜が壊れ急激に摩耗が進むことが観察された。
【０００９】
さて、先述のように材料溶解の使用温度を考えると、シリンダ材には耐クリープ性などの観点から、析出強化型の耐熱性に優れる高ニッケルの材料の使用が望ましい。しかし、溶損試験の結果から見るようにニッケルのマグネシウムに対する溶損は激しく、問題が予想される。事実、上記摩耗試験をＡ２８６材（Ｎｉ：２４〜２７％、Ｃｒ：１３．５〜１６．０％、Ｍｏ：１．０〜１．５％、Ｖ：０．１〜０．５％、Ｔｉ：１．９〜２．３５％、その他Ａｌ、Ｃ、残：Ｆｅ）で行ったところ、鋼材中のＮｉのみが選択的にマグネシウム合金中に溶出するという現象が見られた。この点からもマグネシウム合金と直接に接するシリンダの内面部分には耐溶損性に優れるライニングを付することが絶対必要となる。同様のライニング機構を持つ樹脂用射出成形機のシリンダではハステロイ（商標）のようなニッケル系の耐腐食性合金ライニングを用いている例などがあるが、当然、本発明の目的には使用できない。
【００１０】
また、ライニングの付されたシリンダを施工する方法としてはＨＩＰが多く用いられている。このＨＩＰ法では、シリンダ材とライニング材を一つの真空カプセルに組みあげ、圧力チャンバー内で温度を上げて静水圧を負荷し、ライニング層とシリンダを拡散接合させ、その後中心部をボーリングするものである。ここで、高温プロセスであるＨＩＰの温度が高いとシリンダ材には熱ダメージが生じ、低すぎるとシリンダ−ライニングとの界面に十分な拡散接合が得られないということがある。ＨＩＰの条件はライニング材の組成によって決まるため、考慮が必要である。
【００１１】
まず、シリンダに対するＨＩＰ時の熱ダメージの影響として、
（１）結晶粒の粗大化による靭性などの機械的性質の低下
（２）非金属介在物の析出による機械的強度の低下
などが挙げられる。
（１）の結晶粒の成長は、例えばＡ２８６材であれば、１１００℃あたりを境に急激に進むため、これ以下の温度でＨＩＰを行えるライニング材の開発が必要となる。
（２）については、ＨＩＰ後に溶体化処理を行うことで解決できるが、接合したライニングとシリンダ材の間の熱膨張率の差のため、溶体化処理時に急冷ができず、一度溶解した炭化物が再び冷却時に析出してしまう。つまり溶体化処理を行わないで、ＨＩＰ時になるべく炭化物が析出しないようなＨＩＰ条件を選ばねばならないことになる。ところが、通常の析出硬化型合金で炭化物が析出する温度以下で焼結できるライニング材も存在はするが、ほぼ使用環境温度に近似しているため信頼性に欠ける。一方、仮に炭化物が析出してもＨＩＰ温度はその炭化物の溶解温度以上となるのが通常である。そこで、問題はいわゆるＴＴＰ（Time-Temperature-Precipitation）図上で、炭化物析出温度帯域をいかにすばやく通過させられるかでる。よって、ライニング開発上の問題点ではないことになる。そこで（１）のみを勘案し、１１００℃以下で焼結ができることが満たされればよい。
【００１２】
溶損性に優れる高融点材料は、単体純金属のままではＨＩＰ温度を非常に高温にしないと焼結できない。よって純金属で比較的融点の低いものの組合せのコバルト、タングステン、クロム系を考え、他の元素を添加し、前記１１００℃以下のＨＩＰで焼結できる合金組成を求めた。また、さらに高温での耐摩耗性を付与する必要性から硬度を上げること、先述の拡散接合性を上げることの２点についても加えて最終的な添加元素を決めた。
具体的には、各種添加元素の成分比を変えた合金をアルゴン中で溶解して平板を作製し、（１）先述のピン・オン・ディスク型の溶損試験、（２）示差熱分析装置（ＤＴＡ）にて融点測定、（３）ホットプレスで拡散接合性試験を行った。（３）の試験は、シリンダ材候補であるＡ２８６材と前記合金板を一方向に圧縮しながら温度を上げ、冷却後、その界面を観察する方法である。
【００１３】
本発明は、上記観点を踏まえてなされたものであり、以下に、各成分の選定理由をより具体的に説明する。
（１）Ｃ：０．８〜４．０％
シリンダはスクリュウとの摩擦で摩耗しないように適度な硬度を有することが必要であり、シリンダ等の耐摩耗性を上げるために、ライニングにも適当な硬度が必要とされる。そして、Ｃは、マトリックスに固溶または他の元素と炭化物を形成してライニング材の硬度を上げる作用があり、０．８％以上含有させる。しかし、４．０％を越えて含有させると極端に脆くなり、ＨＩＰ時の割れなどが起きやすくなるため、上限を４．０％に定めた。なお、同様の理由で、下限を０．８％、上限を１．５％とするのが望ましい。
【００１４】
（２）Ｃｒ：１５〜３０％
Ｃｒは、炭化物を生成し、焼結により硬度を増す。この作用を十分に得るためには１５％以上の含有が必要である。一方で、３０％を越える添加では急激に靭性が低下し、ＨＩＰ後の割れが発生しやすくなる。よってＣｒの含有量を上記範囲に定めた。なお、同様の理由で、上限を２０％とするのが望ましい。
【００１５】
（３）Ｗ：５．０〜１５％
Ｗは、高温強度を上昇させるため、５．０％以上の含有が必要であるが、一方で、多くの含有は融点を上昇させるため、１５％を上限とする。なお、同様の理由で、上限を１０％とするのが望ましい。
【００１６】
（４）Ｂ：１．０〜３．５％
ボロンの添加は融点を下げ、シリンダ材への熱影響を低減する効果がある。１．０％以上のＢ含有により、融点は約１００℃以上下がり、１１５０℃以下になる。ＨＩＰは融点以下の温度でも焼結が可能であるため、Ｂの含有によりシリンダ材の結晶粒の粗大化が懸念される１１００℃以下でも焼結が可能となった。なお、Ｃｏ−Ｂ２元系状態図上に見られるようにＢが約３．５％で最も融点が下がるため、３．５％を越えてＢを含有させても無駄であり、しかも、Ｂを多く含有させると、炭素同様、靭性を損なうため、Ｂ含有量の上限を３．５％に定めた。なお、同様の理由で下限を１．５％、上限を２．０％とするのが望ましい。
【００１７】
（５）Ｎｉ：１０〜１５％
ＨＩＰ温度の低下により、拡散接合性が悪くなることは先述したが、Ｎｉの添加によりこれが改善された。この作用を十分に得るためには１０％以上の含有が必要であるが、マグネシウム合金中での摩耗試験の結果に見られるように、Ｎｉはマグネシウム合金と反応しやすく、過剰の含有はライニングの損傷を招くため、上限を１５％に定めた。なお、同様の理由で上限を１３％とするのが望ましい。
【００１８】
さらに、副次的に溶損に対して以下の元素の効果が認められた。
（６）Ｓｉ：２．０〜５．０％
マグネシウム合金中での摩耗試験ではＳｉを含むことで溶損特性の向上が見られた。これは摩耗試験でみられた表面保護膜の生成を促進させる役割があるためであり、この作用を得るために２．０％以上のＳｉを含有させるのが望ましい。しかし、多くのＳｉ含有では表面保護膜の厚さが急激に増加し、機械的に剥離しやすく、結果内部の保護に有効に働かないので、上限を５．０％に定める。よって、あくまでも副次的な要素として、例えばフィラーなどを分散した複合合金を射出する場合など、溶損に対して厳しい条件のシリンダでは含有させるのが望ましい。なお、同様の理由で、下限を２．５％、上限を３．０％とするのが望ましい。
【００１９】
（７）Ｆｅ：１．５〜３．５％
Ｆｅは少量の含有により溶損特性を向上させ、表面保護膜の安定性に寄与するので、所望により１．５％以上含有させる。一方、３．５％を越えて含有させると、拡散したＦｅによる密着界面の脆化という問題があるため、上限は３．５％に定める。なお、Ｆｅの含有は、あくまでも副次的な要素であり、Ｓｉ同様、機械的条件に厳しいシリンダにおいて添加することが望ましい。なお、同様の理由で下限を２．５％、上限を３．０％とするのが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
上記組成を有するライニング材は、常法により溶製することができ、ＨＩＰ等により、シリンダ内面等にライニングされる。
なお、ライニング対象としては、シリンダが最も代表的であるが、マグネシウムまたはマグネシウム合金による溶損を避けるために射出成形機のその他の部位にライニングすることも可能である。
【００２１】
なお、上記シリンダ等にライニング材をライニングする方法については種々の方法があり、本発明としては特定の方法に限定されないが、シリンダ等にダメージを与えることなく強固にライニングできるという点で上記ＨＩＰが適している。 ＨＩＰ法の一例を示すと、所定の組成のライニング材を粒径１０〜５０μｍの粉末とし、これをシリンダの内面に付着させ、１００ＭＰａの圧力、９５０〜１１００℃の加熱温度、最高温保持１〜３時間の処理時間によって熱間静水圧成形を行う。
なお、ライニング量、ライニング厚さ、ライニング箇所等は適宜定めることができる。
上記ライニング材を被覆したシリンダ等は、射出成形機に組み込んでマグネシウムまたはマグネシウム合金の射出成形に用いることができる。
【００２２】
なお、本発明の成形対象のうちマグネシウム合金については、例えばアルミニウムを含むＡＺ系合金を挙げられるが、本発明としては特定のマグネシウム合金に限定されるものではなく、各種のマグネシウム合金を対象とすることができる。また、シリンダ等の被ライニング材としても高温特性を配慮した材料選定がされればよく、本発明として特定の材料に限定されるものではない。
そして、本発明のライニング材を被覆したシリンダ等は、マグネシウムまたはマグネシウム合金に対し優れた耐溶損性を示し、これら材料の射出成形において優れた耐久性を発揮する。
【００２３】
【実施例】
表１に示す組成のガスアトマイズ粉末（粒径５０μｍ）を供試材として作製し、各供試材について、示差熱分析（ＤＴＡ）で融点を調べたところ、いずれも１０６０℃付近から液相が出現することが判明した。
次いで各供試材を、Ａ２８６材（先に示した成分）でつくられた円筒に入れて脱気後、ＨＩＰを行った。ＨＩＰ条件は、いずれも１００ＭＰａで１０００、１０５０、１１００℃の各温度で２時間の焼結を行った。
その結果、すべての試料で完全密度まで焼結されており、硬度は粉末の種類によらずＨＩＰ温度のみに依存しており、ＨＩＰ温度１０００℃と１０５０℃ではＨｖ４８０から５００程度であったが、ＨＩＰ温度１１００℃ではＨｖ４３０と若干低めの値を示した。また、Ａ２８６材の結晶粒度は、ほとんど変化していなかった。しかし、曲げ試験を行ったところ、Ｎｏ．１の試料ではＨＩＰ条件に関わらずライニング材−Ａ２８６材との界面が剥離するように割れを生じ、拡散接合が十分に進んでいないことが分かった。他の試験片については、割れは界面をはずれて生じていたことから、十分な拡散接合性が確認された。さらに、ライニング材の焼結状態は、１１００℃では液相が生じたと思えるデンドライト状の粗大粒が観察され、これが硬度の低下につながったと考えられる。
【００２４】
【表１】

【００２５】
次に、上記Ｎｏ．２、３の粉末を用いて、図１に示すようにＡ２８６材からなる全長５００ｍｍ、内面径（ライニング施工後）２０ｍｍ、外径５５ｍｍのシリンダ１にＨＩＰによりライニング２を施した。ＨＩＰは、１００ＭＰａで１０５０℃、２時間にて行った。このライニング２済みのシリンダ１を実機に搭載し、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金（前述組成）を射出成形する試験を行った。８０００時間の使用において、Ｎｏ．２の供試材を用いてライニングを施したシリンダでは、外見上の問題はなかった。この後、切断調査を行ったところ、マグネシウム合金による溶損を原因とするライニング径の広がりはほとんどなく、補修部品であるスクリュウ方の摩耗の方が大きく、良好な結果を示した。また、シリンダ−ライニング界面の剥離なども観察されなかった。
一方、Ｎｏ．３の供試材を用いてライニングを施したシリンダでは、上記、同条件の使用を４２００時間続けたところで射出圧力が得られなくなった。そこで解体したところ、スクリュウ先端にはめ込まれている逆流防止リングが摺動する部分で、シリンダ内部が所々で腐食したように削り取られていた。破損形態は溶損の典型であった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダは、重量％で、Ｃ：０．８〜４．０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｗ：５．０〜１５．０％、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｂ：１．０〜３．５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなるライニングを有するので、ＨＩＰ等によるライニングの際に、シリンダに良好に接合することができる。そして、このライニングが施されたシリンダでは、マグネシウムまたはマグネシウム合金に対する耐溶損性が向上し、優れた耐久性を発揮する。
さらに、上記ライニングの成分として、さらに、Ｓｉ：２．０〜５．０％、Ｆｅ：１．５〜３．５％の少なくとも一方を含有させれば、耐溶損性を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例におけるライニングシリンダの模式図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ライニング

Claims (3)

1. 重量％で、Ｃ：０．８〜４．０％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｗ：５．０〜１５．０％、Ｎｉ：１０〜１５％、Ｂ：１．０〜３．５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなるライニングを有することを特徴とするマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダ。
2. 請求項１の成分に加え、重量％で、Ｓｉ：２．０〜５．０％を含有するライニングを有することを特徴とするマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダ。
3. 請求項１または２の成分に加え、重量％で、Ｆｅ：１．５〜３．５％を含有するライニングを有することを特徴とするマグネシウムまたはマグネシウム合金射出成形用シリンダ。

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