JP4121694B2 - 焼結体Ni基サーメットおよびそれを用いたプラスチック成形機用およびダイカスト機用の部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、靭性および耐摩耗性に優れたNi基サーメットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から極めて高度な耐摩耗性を要求される機械材料には、炭化物、窒化物、硼化物等の硬質相を、Fe,Co,Niなどの合金によって結合した合金、いわゆるサーメットが使用されてきている。例えば超硬合金として知られているWC−Co合金もその一つである。また、TiC−Ni合金も実用化されている。
【0003】
また最近では、Ni−B−Mo系合金や、Ni−B−Co系合金が開発されている(例えば本件出願人による特開平8−134569号参照)。これらのサーメットは、いずれも微細な硬質物、具体的には数μmあるいは1μm以下の硬質粒子を金属の結合相によって結合した合金である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このようなサーメットを機械部品の材料として使用する場合には、耐摩耗性と同時に靭性が求められる場合が多くある。しかし、上記従来のサーメットは、耐摩耗性の向上を目的として硬質物の含有量を増加させると合金の靭性が低下し、その一方で靭性の確保を目的として金属質の含有量を増加させると(すなわち硬質物の含有量を減少させると)耐摩耗性が低下するという特性を有している。このため、靭性と耐摩耗性を両立させるのが困難であるという問題がある。
【0005】
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、靭性と耐摩耗性を高いレベルで両立させたNi基サーメットを提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明では、材料組織の改良により、靭性と耐摩耗性を高いレベルで両立させることとした。
【0007】
一般に、材料中に含まれる硬質物の含有量が同一であるならば、微細な硬質物が結合相中に均一分散している場合より、球状または塊状の比較的大きな硬質物が点在する組織の場合の方が、優れた耐摩耗性を示す。しかし、その一方で、大きな硬質粒子が点在する合金は靭性が劣る。このことは特に合金工具鋼(SKD11)等にて確認されている。この靭性の低下は、硬質物と金属質との弾性係数の差、熱膨張係数の差に起因しているものと考えられる。このような合金において靭性の改善を図るには前述したようにサーメット中の硬質物の量を減少させればよいのであるが、それでは耐摩耗性が低下してしまい本発明の目的を達成することができない。
【0008】
そこで本発明では、上記の比較的大きな硬質粒子を、球状または塊状に集合した微細な硬質粒子の集合体に置換し、その周囲を靭性に優れた金属質で結合することにより、耐摩耗性を低下させることなく靭性の向上を図ることとした。本発明によるNi基サーメットは、従来型の微細な硬質物を結合相中に均一分散させたサーメットに比べ、優れた耐摩耗性を示す。本発明によるNi基サーメット(本発明合金)は、靭性の向上を目的としてサーメット中の金属質の含有比率を増加させた場合でも、耐摩耗性能の低下が少ないという優れた特性を示す。
【0009】
本発明合金は、具体的には、全体の合金組織が、Ni−Si−Mo合金またはNi−Si合金からなる結合相(a)と、前記結合相(a)中に分散した球状または塊状の硬質物集合体(b)とを含んでなり、前記硬質物集合体(b)の金属組織が、Ni−Si−Mo合金またはNi−Si合金からなる結合相(c)と、この結合相(c)中に分散した前記硬質物集合体(b)の大きさより小さい粒径のNi−Mo硼化物からなる分散相(d)とを含んでなる。
【0010】
本発明合金を製造するにあたっては、アトマイズ法により得られたNi−Mo硼化物を原料として用いるとともに、真空焼結法および熱間静水加圧法のいずれかにより成形を行うことが好適である。
【0011】
本発明合金においては、硬質物集合体(b)の大きさは、30〜300μmとすることが好適である。その理由は、硬質物集合体(b)の大きさを30μm以下とすることは工業的には困難であり、その一方で300μm以上とすると硬質物集合体(b)同士間の距離が大きくなるため、素地部すなわち結合相(a)部分の選択的摩耗が生じやすくなり合金全体の耐摩耗性が低下したり、この選択的摩耗の結果として硬質物集合体(b)の部分が凸状態となり相手材の摩耗を促進させるからである。
【0012】
本発明合金の組成は、重量%で、B:0.6〜3.2%、Si:0.5〜8%、Mo:5〜24%、残部Niおよび不可避的不純物とすることが好適である。なお、上記組成にC:0.01〜0.5%を添加することが好ましい。また、Ni−Mo硼化物からなる分散相(d)の含有量は、重量%で、7〜34%とすることが好適である。なお、以下、本明細書において、組成および含有量を表示するパーセンテージは、特にことわり書きのない限り全て重量%を意味する。
【0013】
以下に、上記の成分規定および分散相(d)の含有量の規定を行った理由について説明する。
【0014】
まず、Bは、合金の焼結温度を低下させると共に、NiおよびMoと硼化物を形成し、合金の耐摩耗性を高める。B含有量は高くても低くても抗折力を低下させるので、0.6〜3.2%とした。なお、B含有量は、1.0〜3.1%とすることがより好ましい。
【0015】
次に、Siは、Bと同様、焼結温度を低下させるので、鉄鋼材との複合化を焼結と同時に行うことに効果があるとともに、合金の抗折力を増大させる効果がある。焼結温度が低いと鋼材を劣化させずに焼結と複合化を同時に行うことが出来るので経済的に有利である。Si量の増加と共に焼結温度は低下するが、8%を超えると急激に抗折力が低下する。Si量が少ない場合も抗折力の低下と焼結温度の上昇をきたすので、下限を0.5%とする。従って、Si含有量は0.5〜8%とした。なお、Si含有量は2.5〜7%とすることがより好ましい。
【0016】
次に、Mo含有量(5〜24%)およびNi−Mo硼化物分散相(d)の含有量(合金全体の7〜34%)の規定を行った理由について説明する。Moは、Bと硼化物(Ni−Mo硼化物)を形成し、耐摩耗性を高めると共にNiを主とする結合相の耐食性を改善する効果がある。また、合金の結晶粒を微細化し、かつ強度、抗折力を著しく高める効果を有する。ここで、合金の耐摩耗性はNi−Mo硼化物の含有量に依存し、それが7%以下では十分な耐摩耗性を得ることができない。このため、Ni−Mo硼化物含有量の下限は7%とした。また、Ni−Mo硼化物の含有量を7%確保するためには、Mo含有量は5%以上必要である。このため、Mo含有量の下限は5%とした。一方、Mo含有量およびNi−Mo硼化物分散相(d)の含有量の上限は、工業的な生産性に基づいて決定している。すなわち、Mo含有量が増大してゆくに従って、合金の融点が上昇するとともに、溶湯噴霧を行う際に溶湯の湯流れが悪化してゆく。そして、Mo含有量が24%以上となると、原料粉末の製造が事実上不可能となる。このMo含有量に対応するNi−Mo硼化物分散相(d)の含有量が34%である。このため、Mo含有量の上限は24%、Ni−Mo硼化物分散相(d)の含有量の上限は34%とした。
【0017】
Cは、焼結温度を下げること、焼結性の向上により、焼結体中の空孔数および空孔径を減少させること、さらに耐熱衝撃性を向上させること、の目的で0.01〜0.5%添加することが好ましい。
【0018】
本発明合金は、プラスチック成形機の溶融プラスチックに接触する部品、例えばバレルやスクリュ、並びにAlまたはMg用のダイカスト機の溶湯に接触する部品、例えばプランジャスリーブに好適に適用することができる。なお、この場合には、コスト的な観点から、部品の基材部分を鉄鋼材料により形成し、溶融プラスチックまたは溶湯に接触する部位をNi基サーメットにより形成することが好ましい。
【0019】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【0020】
[第1の実施例]
下表1に示すように、比較例(従来品)として材料▲1▼▲2▼、実施例(発明品)として材料▲3▼▲4▼の試料を作成した。
【0021】
【表1】
比較例(従来品)である材料▲1▼▲2▼については、まず、NiB,Si,Mo,Niの各粉末を表1の▲1▼▲2▼の項に示す組成となるように秤量、配合し、回転ボールミルによってエチルアルコール中で48時間混合粉砕し、これを乾燥することにより原料粉を得た。このようにして得られた原料粉を、プレス成形した後、真空中で焼結し、φ50×llmmの焼結体を得た。
【0022】
実施例(発明品)である材料▲3▼▲4▼については、まず、NiB,Si,Mo,Niの各粉末を溶解し、溶湯噴霧法により、表1の▲1▼▲2▼の項に示す組成の粉末を作成した。次いで、この粉末から30〜300μmの粒径のもののみを所定メッシュの篩いにより篩い分けして、これを原料粉とした。次いで、この原料粉をφ63×14mmの鉄製の容器に充填し、焼結してφ50×l1mmの焼結体を得た。
【0023】
なお、表1において、硬質物であるNi−Mo硼化物(Mo2NiB2)の含有量の計算は、Mo2NiB2における各元素の原子量比率がMo2:Ni:B2=1:0.306:0.112であることに基づいて計算している。すなわち材料▲1▼を例にとれば、硬質物含有量(wt%)=20(Mo2)+20×0.306(Ni)+20×0.112(B2)である。
【0024】
材料▲1▼(従来品)および材料▲3▼(発明品)の焼結体の顕微鏡組織を図1(a)および図1(b)にそれぞれ示す。なお、材料▲3▼(発明品)の組織を模式的に示したものが図2である。図1(b)および図2に示すように、材料▲3▼(発明品)の組織は、Ni−Si−Mo合金またはNi−Si合金からなる結合相(a)と、結合相(a)中に分散した粒状または塊状の硬質物集合体(b)とを含んでなり、硬質物集合体(b)の金属組織が、Ni−Si−Mo合金またはNi−Si合金からなる結合相(c)と、この結合相(c)中に分散した硬質物集合体(b)の大きさより小さい粒径のNi−Mo硼化物からなる分散相(d)とを含んでいる。
【0025】
一方、材料▲1▼(従来品)の組織は、図1(a)に示すように、硬質物(Ni−Mo硼化物)が結合相中に均一分散した組織になっている。
【0026】
なお、材料▲2▼(従来品)は材料▲1▼(従来品)の顕微鏡組織に近似しており、材料▲4▼(発明品)は材料▲3▼(発明品)に近似しているので写真の掲載は省略した。
【0027】
上記4種の材料▲1▼▲2▼▲3▼▲4▼を所定の寸法に加工し、大越式迅速摩耗試験機により耐摩耗性を測定した。また、JIS R1607により破壊靭性値を測定した。なお、大越式迅速摩耗試験の条件は、次の通りである。
【0028】
摩擦速度 2m/sec
最終荷重 18.6kgf
摩擦距離 600m/sec
相手材料 SKD11(HRC58)
試験結果を表1及び図3のグラフに示す。これら図表より理解できるように、硬質物含有量の等しい材料▲1▼と▲3▼を比較すれば、耐摩耗性は、材料▲3▼(発明品)の方が優れている。破壊靭性値は、実質的に変わらない。また同様に材料▲2▼と▲4▼を比較すれば、耐摩耗性は、材料▲4▼(発明品)の方が優れている。破壊靭性値は、実質的に変わらない。さらに、硬質物含有量が低い材料▲4▼(発明品)と硬質物含有量が高い材料▲1▼(従来品)とを比較した場合でも、耐摩耗性は、発明品である材料▲4▼の方が優れている。
【0029】
以上の試験結果より、微細な硬質物を球状または塊状に集合させその周囲をNi合金で結合した本発明によるNi基サーメットは、硬質物が均一に分散している従来のNi基サーメットより耐摩耗性に優れ、かつ靭性は従来品と同一のレベルを確保できることがわかった。
【0030】
[第2の実施例]
本発明合金によりAlまたはMg用のダイカスト機の溶湯に接触する部品の一例であるダイカスト機用プランジャスリーブを製造した例について、図4を参照して説明する。
【0031】
まず、図4(a)に示すような形状の鉄鋼材料(S48C)製のスリーブ基材1と、図4(b)に示すような形状の鉄鋼材料(S48C)製の中子2とをそれぞれ機械加工により作成した。中子2の外周面に離型剤としてアルミナを塗布した後、両者を図4(c)に示すように組み立てて、溶接3により結合した。
【0032】
次に、溶湯噴霧法により製造されたNi−3.1%B−4.6%Si−20%Mo合金粉末4(平均粒径100μm)を、中子2の外周面2aと基材1の内周面1aとの間の空間に充填した後、1040℃で真空焼結した。この時の充填密度は約60%であった。この焼結によって、基材1の内周面1a上にNi基サーメット層4’が形成された。なお、Ni基サーメット層4’と基材1との界面は強固に金属結合していた。
【0033】
焼結後、溶接部を削除して中子2を取り外した後、所定の機械加工をして、図4(d)に示すプランジャスリーブ5を完成させた。
【0034】
本プランジャスリーブ5をダイカストマシンに取り付け実機稼働したところ、46万ショットの耐久性を示した。この値は、従来スリーブ(SKD61の窒化品)の寿命である約10万ショットの4.5倍であり優れた結果を示した。
【0035】
なお、プラスチック成形機の溶融プラスチックに接触する部品、例えば射出バレルも上記と同様の製法により得ることができる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、靭性と耐摩耗性を高いレベルで両立させたNi基サーメットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明合金(図1(b))と従来合金(図1(a))の組織を比較して示す写真。
【図2】本発明合金の組織を模式的に示す説明図。
【図3】本発明合金と従来合金の耐摩耗性を比較して示すグラフ。
【図4】本発明合金がライニングされたプランジャスリーブの製造工程を説明する図。
Claims (3)
- NiB,Si,Mo,Niを溶解し、溶湯噴霧法により、重量%で、B:0 . 6〜3 . 2%、Si:0 . 5〜8%、Mo:5〜24%を含み、残部Niおよび不可避的不純物である組成の粉末を作成し、次いで、この粉末から30〜300μmの粒径のもののみを所定メッシュの篩いにより篩い分けして、これを原料粉とし、次いで、この原料粉を、焼結して得た焼結体Ni基サーメット。
- 請求項1に記載の焼結体Ni基サーメットにより少なくともその一部が形成されていることを特徴とする、プラスチック成形機の溶融プラスチックに接触する部品。
- 請求項1に記載の焼結体Ni基サーメットにより少なくともその一部が形成されていることを特徴とする、AlまたはMg用のダイカスト機の溶湯に接触する部品。
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