JP4121694B2

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

Info

Publication number: JP4121694B2
Application number: JP2000261052A
Authority: JP
Inventors: 橋栄高; 瀬泰志深; 間周平本
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2002069562A

Description

【０００１】
【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（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）の含有量の計算は、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２における各元素の原子量比率がＭｏ_２：Ｎｉ：Ｂ_２＝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（Ｍｏ_２）＋２０×０.３０６（Ｎｉ）＋２０×０.１１２（Ｂ_２）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、ＪＩＳＲ１６０７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

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。