JP4264219B2 - ゴム混練機用ロータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴム混練機用ロータに関し、さらに詳しくは耐摩耗及び耐食性に優れて寿命が長く、しかも製作コストの低減に寄与するゴム混練機用ロータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車用等のタイヤやコンベヤー用のベルトなどの耐摩耗性と可撓性が要求される用途の材料としては、天然ゴムや人造ゴムに珪砂（ＳｉＯ2 ）粉末等の摩耗に強い添加物や塩素を含む離型剤等を加え、混練機で十分練り込んだものを所定の形状に成形して使用している。
通常、ゴム混練機は回転する２本のロータの間に混練すべきゴムを導入し、連続的に切り返しながら混練する方式が採用され、この種のゴム混練機用ロータとしては、接線ロータや噛み合いロータあるいは両者の折衷型のＧＫ−Ｅロータ等が使用されている。
【０００３】
この種のゴム混練機用ロータには耐摩耗性の鋼材が使用されるが、摩耗性を向上させるために原料ゴム中に含まれる硬質の珪砂粉末による摩耗や、腐食性離型剤の塩化水素による腐食が起こるため、寿命が短い難点があった。この問題を解決するため、ロータの摩耗しやすい部分に、クロム（Ｃｒ）：２５〜３０wt％、コバルト（Ｃｏ）：４５〜４６wt％、タングステン（Ｗ）：１５〜２０wt％を含む硬質耐摩耗性のステライト合金を肉盛りする、局所的な表面硬化方法が使用されてきた。
さらに耐摩耗性を向上させる為に、ステライト合金の表面にクロムめっきを施す方法も試みられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステライト合金の肉盛りの際には母材の十分な余熱が必要なため、複数回肉盛り作業をするのには不適であり、１回の肉盛り作業で目標厚さ以上のステライト合金層を形成した後、研削作業をして目標とする肉厚及び形状に仕上げている。この際ステライト合金の研削性が悪く、目標厚さまでの研削に長時間を要し、ロータの製作コストが著しく高くなるという問題点がある。
【０００５】
また、耐摩耗性を向上させる目的で施したクロムめっきは、ゴム混練機の運転中に剥離し易く、剥離したクロム皮膜が異物となってゴム中に混入してしまう不具合が生じることがある。
本発明の目的は、上記問題点を解決するためになされたものであり、耐摩耗性や耐食性に優れて寿命が長く、しかも製作が容易でコストの低いゴム混練機用ロータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明のゴム混練機用ロータはロータ母材表面に耐摩耗性に優れた自溶合金を溶射被覆する方法を採用した。
即ち、本発明のゴム混練機用ロータは、表面に、質量比でクロム：１２〜２０％、ホウ素：２．５〜４．５％、珪素：２．０〜５．０％、炭素：０．４〜１．１％、鉄：５％以下、コバルト：１％以下、モリブデン：４％以下、銅：４％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金と、質量比でクロム：２．４〜１３．６％、ホウ素：０．５〜３．２％、珪素：０．７〜４．０％、炭素：０．０８〜０．７２％、鉄：４％以下、コバルト：１０％以下、モリブデン：３．２％以下、銅：３．２％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆したゴム混練機用ロータとした。
このような構成のゴム混練機用ロータとすれば、耐摩耗性及び耐食性に優れた自溶合金皮膜を母材の表面形状に倣って必要最小限に形成することができるので、製作時間やコストが大幅に引き下げられ、しかも密着性が良く耐摩耗性及び耐食性にも十分優れた性能を発揮するものとなる。また、ニッケル系自溶合金にタングステンカーバイドを含ませることにより、硬さが一層増して耐摩耗性が向上する。
また、ロータ母材と接する部分には靱性が高く密着力の強いニッケル系自溶合金を用い、ゴムと接触する表面部分には耐摩耗性がより高いタングステンカーバイドを含むサーメットを使用することにより、より寿命の長いゴム混練機用ロータとなる。
【０００７】
本発明の他のゴム混練機用ロータは、表面に、質量比でクロム：１６〜２４％、ホウ素：１．５〜４．０％、珪素：１．５〜４．５％、タングステン：１５％以下、炭素：１．５％以下、鉄：５％以下、ニッケル：３０％以下、モリブデン：７％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金と、質量比でクロム：３．２〜１６．８％、ホウ素：０．３〜３．２％、珪素：０．４〜３．６％、炭素：１．２％以下、鉄：４％以下、ニッケル：２．０〜２４％、モリブデン：５．６％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆したゴム混練機用ロータとした。
コバルト系自溶合金を使用しても、ニッケル系自溶合金を使用したときと同等の性能が得られる。
【００１０】
また、母材と接する部分には上記組成を有するニッケル系自溶合金の溶射被膜を被覆し、さらにニッケル系自溶合金の溶射被膜の上に、上記組成を有するサーメットの溶射被膜を、タングステンカーバイドの含有量が質量比で２０％から８０％の間で漸次増加する組成を有する溶射被膜として順次被覆したゴム混練機用ロータとすることもできる。タングステンカーバイド組成を漸次増加させるには、例えば複層の積層構造の被膜にすれば良い。
このような構成のゴム混練機用ロータとすれば、母材との密着力が強く、しかも表面は耐摩耗性及び耐食性に優れたゴム混練機用ロータとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のゴム混練機用ロータの母材としては、比較的硬く耐摩耗性に富んだ高炭素含有の炭素鋼を使用する。鋳鋼母材をあらかじめロータ形状に切削加工した後、表面部分に自溶合金を溶射被覆して耐摩耗性及び耐食性の向上をはかる。
（第１の実施形態）
溶射被覆する自溶合金として先ず挙げられるのは、重量比でクロム：１２〜２０％、ホウ素：２．５〜４．５％、珪素：２．０〜５．０％、炭素：０．４〜１．１％、鉄：５％以下、コバルト：１％以下、モリブデン：４％以下、銅：４％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金が挙げられる。
このニッケル系自溶合金からなる溶射皮膜は、母材である炭素鋼との密着性が良くて靱性に富み、しかも耐摩耗性や耐食性に優れた表面皮膜が得られる。
【００１２】
Ｃｒは１２％未満では耐摩耗性が十分でなく、２０％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は１２〜２０％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため、溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なく硬さの増加が小さくなり耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は２．５〜４．５％、Ｓｉの含有量は２．０〜５．０％が適する。
ＣｏとＭｏは耐摩耗性と靭性を向上させるための元素であるが、高価であるため含有量はそれぞれ１％以下、及び４％以下に留めるのが得策である。
Ｃｕは耐食性を付与するための元素であるが、４％以上含ませてもそれ以上の効果が得られないため、その含有量は４％以下とするのが適当である。
ＣはＮｉ、Ｃｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので０．４〜１．１％とするのが適当である。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＮｉとするが、靱性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
【００１３】
溶射皮膜の形成方法は、火炎溶射、プラズマ溶射等の公知の溶射方法を利用する。溶射原料の形態も混合粉、造粒粉、焼結粉あるいは合金粉等いずれの形態でも使用可能である。溶射皮膜の厚さは１．０〜１．５ｍｍが適当である。溶射皮膜を形成した後、１０００℃以上に加熱してフュージングを行い、溶射皮膜中の微細な気孔を封じておく。最後にシャフトを焼きばめし、所定の寸法形状に微量の仕上げ研磨をしてゴム混練機用のロータを得る。
【００１４】
（第２の実施形態）
もう一つの自溶合金として、重量比でクロム：１６〜２４％、ホウ素：１．５〜４．０％、珪素：１．５〜４．５％、タングステン：１５％以下、炭素：１．５％以下、鉄：５％以下、ニッケル：３０％以下、モリブデン：７％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金が挙げられる。
コバルト系自溶合金は、母材との接合力はニッケル系自溶合金よりやや劣るものの、耐摩耗性はニッケル系自溶合金よりも優れたものとなる。
【００１５】
コバルト系自溶合金の場合は、Ｃｒは１６％未満では耐摩耗性が十分でなく、２４％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は１６〜２４％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため，溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なくて硬さの増加が小さくなり、耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて、溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は１．５〜４．０％、Ｓｉの含有量は１．５〜４．５％が適する。
Ｗは強度を向上させるための元素であるが、含有量が１５％を越えると他の成分の含有量が相対的に低下してしまうことと、またＷは高価な元素であることを考慮して、含有量は１５％以下と定める。
Ｍｏは耐食性を付与するための元素であるが、含有量が７％を越えると他の成分が相対的に減少してしまうので、含有量は７％以下と定める。
ＣはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので１．５％以下とするのが適当である。
Ｎｉは母材との接合力を強化し靭性を保つための元素であるが、Ｃｏとのバランスを考慮して、Ｎｉの含有量は３０％以下に留める。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＣｏとするが、耐摩耗性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
溶射皮膜の形成方法や、ロータの加工方法は前記の場合と同様にすればよい。
【００１６】
（第３の実施形態）
第３の実施形態ではさらに耐摩耗性を向上させた長寿命のロータとするために、ニッケル系自溶合金又はコバルト系自溶合金に、さらにＷＣ（タングステンカーバイド）を２０〜８０wt％含ませたＷＣ含有サーメットを溶射被覆した表面構造とすることができる。
ＷＣ含有サーメットとは、ＷＣ粉末と金属粉末との焼結複合体である。金属粉末としては、Ｂ及びＳｉを含む低融点の自溶合金が好んで利用できる。サーメットを被覆する場合、溶射過程で焼結したものでも良く、あるいはあらかじめ焼結したものを溶射被覆したものであっても良い。
本実施形態では、硬質のＷＣを含む皮膜が有るので、耐摩耗性を一段と向上させることができる。
【００１７】
含ＷＣサーメットの一例としては、重量比でクロム：２．４〜１３．６％、ホウ素：０．５〜３．２％、珪素：０．７〜４．０％、炭素：０．０８〜０．７２％、鉄：４％以下、コバルト：１０％以下、モリブデン：３．２％以下、銅：３．２％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金を８０〜２０ｗｔ％と、タングステンカーバイドを２０〜８０ｗｔ％とを混合したサーメットが使用できる。
【００１８】
この場合、Ｃｒは２．４％未満では耐摩耗性が十分でなく、１３．６％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は２．４〜１３．６％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため、溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なく硬さの増加が小さくなり耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は０．５〜３．２％、Ｓｉの含有量は０．７〜４．０％が適する。
Ｍｏは耐摩耗性と靭性を向上させるための元素であるが、高価であるため含有量は３．２％以下に留めるのが得策である。
Ｃｕは耐食性を付与するための元素であるが、３．２％以上含ませてもそれ以上の効果が得られないため、その含有量は３．２％以下とするのが適当である。
Ｃｏは、ＷＣとバインダーの役目を担う自溶合金との混合を均一にするため、及び溶射中にＷＣが酸化されるのを防ぐために必要な元素であるが、高価であるためその含有量は１０％以下に留めることとする。
ＣはＮｉ、Ｃｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので０．０８〜０．７２％とするのが適当である。
金属部分の残部は不可避的不純物を含むＦｅとＮｉとするが、靱性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
タングステンカーバイドは２０ｗｔ％未満では顕著な効果が現れず、８０ｗｔ％を越えると脆くなる。
【００１９】
含ＷＣサーメットの他の例としては、重量比でクロム：３．２〜１６．８％、ホウ素：０．３〜３．２％、珪素：０．４〜３．６％、炭素：１．２以下、鉄：４％以下、ニッケル：２．０〜２４％、モリブデン：５．６％以下、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金８０〜２０ｗｔ％と、タングステンカーバイドを２０〜８０ｗｔ％とを混合焼結したサーメットが使用できる。
【００２０】
この場合、Ｃｒは３．２％未満では耐摩耗性が十分でなく、１６．８％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は３．２〜１６．８％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため，溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なくて硬さの増加が小さくなり、耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて、溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は０．３〜３．２％、Ｓｉの含有量は０．４〜３．６％が適する。
Ｎｉは母材との接合力を強化し靭性を保つための元素であるが、Ｃｏとのバランスを考慮して、含有量は２．０〜２４％とする。
Ｍｏは耐食性を付与するための元素であるが、含有量が５．６％を越えると他の元素の含有量が相対的に低下してしまうので、含有量は５．６％以下と定める。
ＣはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので１．２％以下とするのが適当である。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＣｏとするが、耐摩耗性を保つためにＦｅの含有量は４％以下とする。
タングステンカーバイドは２０ｗｔ％未満では顕著な効果が現れず、８０ｗｔ％を越えると脆くなる。
【００２１】
本実施形態で使用する溶射原料は、ＷＣ含有量が２０〜３０％のものは、混合粉、造粒粉、焼結粉あるいは合金粉等いずれの形態でも使用可能である。しかし、ＷＣ含有量が３０％を越える場合には、偏析の無い均質な溶射皮膜を得るために造粒粉あるいは焼結粉を使用するのが好ましい。
その他、溶射皮膜の形成方法やロータの加工方法は前記の場合と同様にすればよい。
【００２２】
（第４の実施形態）
上記のようにＷＣを含むサーメットは、硬度が高く耐摩耗性は良いものの材質がやや脆くなり、使用中に亀裂が発生して寿命を短くすることがある。そこで母材からの溶射皮膜の脱落を防止して長寿命を維持するために、母材と接触する下地層の部分には、母材との接合強度の高いＷＣを含まないニッケル系自溶合金やコバルト系自溶合金の溶射膜を形成し、ロータ表面のゴム原料と接触する表面部分には、耐摩耗性に優れたＷＣを含むサーメットからなる溶射皮膜を形成した、２層構造の表面構造とした。
本実施形態で使用するＷＣを含まないニッケル系自溶合金又はコバルト系自溶合金、あるいはＷＣを含むサーメットは、いずれも先に説明した組成の自溶合金を使用すればよい。ただし、下地層と表面層との密着性を考慮すれば、下地層と表面層とは同じニッケル系又はコバルト系の合金を使用するのが好ましい。
溶射皮膜の厚さは、下地層は０．１ｍｍ程度で表面層は０．１〜１．５ｍｍ程度、全体でも０．２〜１．６ｍｍ有ればよい。
【００２３】
（第５の実施形態）
前述の通りＷＣを含むサーメットは、ＷＣの含有量が多くなるほど高度が高く耐摩耗性が良くなるが、硬くなるに従って材質が脆くなる。そこで母材に接合する部分は母材との接合強度の高いＷＣを含まないニッケル系自溶合金を使用し、ロータ表面にいくに従ってＷＣを多く含有させて耐摩耗性を高めた構造のロータとした。すなわち、母材と接合する部分にはＷＣを含まないニッケル系自溶合金の溶射膜を厚さ０．１ｍｍ程度形成し、その上にＷＣを含むサーメットの溶射膜を形成し、その際ロータ表面にいくに従ってＷＣ含有量を漸次増加させ、最表面部ではＷＣの含有量を８０wt％にまで高くする。ＷＣ含有量は混合粉末原料を使用して連続的に変化させても良いし、組成の異なる造粒粉や焼結粉を使用して多層構造に積層溶射して形成しても良い。溶射皮膜の全厚さは０．５〜１．５ｍｍ程度とする。
その他溶射皮膜の形成方法は前述の通りでよい。
【００２４】
【作用】
本発明のゴム混練機用ロータは、炭素鋼母材からなるロータ表面に耐摩耗性・耐食性に優れた自溶合金あるいはＷＣ含有サーメットの溶射皮膜を形成し、局部的な表面加工により耐摩耗性・耐食性を向上させ、しかも短時間に安価に提供することを可能にした。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
図１は本発明のゴム混練機用ロータの形状を示す外観図である。本発明のゴム混練機用ロータ１は２本のロータ本体２に、軸３を焼きばめして構成されている。ロータ本体２は軸３の回転とともに噛み合って回転し、２本のロータ本体２の間隙に挟み込んだ原料ゴムを連続的に混練するようになっている。
本発明のゴム混練機用ロータは、上記のロータ本体２の表面に表１に示す組成のニッケル系自溶合金粉末を、厚さ１ｍｍの皮膜となるようにプラズマ溶射してある。
溶射後ロータ本体２を１０００℃×１０分間でフュージング処理をし、軸３を焼きばめしてゴム混練機用ロータとしている。
【００２６】
【表１】
【００２７】
得られたゴム混練機用ロータの性能を評価するため以下のような試験をした。
（１） 表面の溶射皮膜の断面構造
上記と同等の処理をして得た試験片の断面について、顕微鏡観察をした。その結果を模式的に図２に示す。図２に示すとおり、ロータ本体２の母材４の表面に均質なニッケル系自溶合金の溶射被膜５が形成されていた。
（２） 表面の溶射皮膜の硬さ
表面の硬さをビッカース硬度計で測定した結果、硬さはＨＶ６００程度であった。
（３） 溶射皮膜の母材との密着性
上記と同等の処理をして得た試験片について、ＪＩＳ Ｈ ８６６６に規定する方法に準じて皮膜の剥離強度を測定した。結果を表２に示す。
（４） 耐食性試験
上記と同等の処理をして得た試験片について、ＨＣｌガス１０００ｐｐｍ雰囲気中に、２００℃で２００時間暴露する腐食試験をして、重量減量を測定した。結果を表２に示す。
（５） 耐摩耗性試験
上記と同等の処理をして得た試験片について、図６に示すような摩耗試験機を使用して摩耗試験を行った。すなわち、回転するゴムホイール１３の表面に試験片１０を当てて荷重Ｐを加え、ゴムホイール１３と試験片１０との接触部分に摩耗粉ホッパー１４から摩耗粉１５を落下させて供給し、２５分間経過後の試験片の重量減を測定した。
ゴムホイール１３の外形は２５０ｍｍ、厚さは１５ｍｍ、回転数は毎分１２０回であった。また、摩耗粉１５には鋳物用の６号珪砂を使用し、落下供給量は毎分３００グラムとした。結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
（比較例）
比較のため、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接し、研磨した後クロムめっきしたゴム混練機用ロータについても、実施例１と同様の方法で密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した結果を表２に併記して示す。
【００３０】
（実施例２）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すコバルト系自溶合金を使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ４７０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３１】
（実施例３）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すＷＣ含有サーメットを使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ９００程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３２】
（実施例４）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すＷＣ含有サーメットを使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ９２０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３３】
（実施例５）
まず、母材表面に表１に示すニッケル系自溶合金を０．５ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上にさらに表１に示すＷＣ含有サーメットを、０．５ｍｍの厚さに溶射被覆した。その結果、母材４の表面に図３に模式的に示すような、ニッケル系自溶合金膜６とＷＣ粒子９が均一分散したＷＣ含有サーメット膜８の２層構造からなる溶射皮膜５を有するゴム混練機用ロータを得た。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、ニッケル系自溶合金膜６の部分ではＨV ６００程度、表面のＷＣ含有サーメット膜８の部分ではＨV ９００程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３４】
（実施例６）
まず、母材表面にニッケル系自溶合金に代えて表１に示す、コバルト系自溶合金を０．５ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上にさらに表１に示すＷＣ含有サーメットを、０．５ｍｍの厚さに溶射被覆した。その結果、母材４の表面にコバルト系自溶合金とＷＣ含有サーメットの２層構造からなる溶射皮膜を有するゴム混練機用ロータを得た。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、コバルト系自溶合金の部分ではＨV ４７０程度、表面のＷＣ含有サーメットの部分ではＨV ９２０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３５】
さらに、混練操作中の溶射皮膜の亀裂進展状況を評価するために、以下の試験を実施した。すなわち、図５に示すように溶射皮膜５が下側（引っ張り応力がかかる）となるように、２個の支点１１で試験片１０を支え、支点１１の中央部のにラム１２により荷重Ｆを加え、３点曲げ方式で繰り返し荷重をかけ、溶射被膜５の表面に亀裂が発生してから亀裂深さが進行していく様子を繰り返し回数と共に測定した。この時、試験片が弾性−塑性変形移行域に達するまで荷重をかけ、その後ほぼ荷重が０（零）となるところまで荷重を減じた。亀裂の進展状況を見易くするため、試験片の側面は鏡面仕上げにしてある。結果を図７に曲線（ａ）で示す。
なお、比較のため実施例３のＷＣ含有サーメットの溶射皮膜についても試験して、結果を図７に曲線（ｃ）で併記してある。
【００３６】
（実施例７）
まず、母材表面に表１に示すニッケル系自溶合金を０．２ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上に第２層として表１に示すＷＣを２０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、さらにその上に第３層として表１に示すＷＣを４０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、その上に第４層として表１に示すＷＣを６０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、さらにその上に第５層として表１に示すＷＣを８０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆して、厚さ１ｍｍの５層構造からなる溶射被覆を形成した。各溶射皮膜の形成には、所望の組成の焼結粉末を使用して行った。図４にこのゴム混練機用ロータの断面構造を模式的に示す。図のようにこのゴム混練機用ロータの断面構造は、ロータ表面になるに従ってＷＣの分散量が次第に多くなっている。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、ニッケル系自溶合金の部分ではＨV ６００程度、中心部のＷＣを４０wt％含有するサーメットの部分ではＨV ７９０程度、最表面のＷＣを８０wt％含有するサーメットの部分ではＨV ９００程度であった。 その他の測定結果を表２に併記する。
また、実施例６と同様に亀裂進展評価試験を行い、結果を図７に曲線（ｂ）で併記した。
【００３７】
表２の結果から、実施例１から実施例４のニッケル系自溶合金、コバルト系自溶合金、ＷＣ含有サーメットの溶射被膜は、１９３．２〜２８８．３ＭＰａの密着力を示し、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接してクロムめっきしたロータの４４．１ＭＰａの密着力と比較して、４倍以上の密着力が得られたことが判明した。
また、耐食性の試験では全ての被膜で腐食減量は１ｍｇ／ｃｍ2 程度であり、ほとんど腐食されていないことを示している。
さらに、耐摩耗性試験でも実施例１及び実施例２のニッケル系自溶合金、コバルト系自溶合金では０．５〜０．６ｇの摩耗量で、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接してクロムめっきしたロータの０．６５ｇより摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることが判る。また、実施例３及び実施例４のＷＣ含有サーメットを使用した場合には、摩耗量は０．１ｇと一段と耐摩耗性に優れていることが判る。
【００３８】
さらに、表２及び図７の結果から、実施例５〜実施例７の複数構造の溶射被膜を具備したゴム混練機用ロータは、母材と溶射皮膜との密着力が高く、しかも耐摩耗性が極めて高いことが判る。また、ＷＣ含有サーメットのみでは亀裂発生後１０６回程度の繰り返し応力で亀裂が母材まで達するが、複数構造の溶射被膜とすれば亀裂が母材まで達するまでの繰り返し応力は１４２〜１６８回と５０％以上寿命が延びることが判る。
【００３９】
また、全ての実施例のゴム混練機用ロータを製作するのに要する作業時間は約２０時間で、従来に比べて１０分の１以下に短縮されるので、製作コストを大幅に削減することが可能となった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のゴム混練機用ロータによれば、母材との密着性に優れた表面皮膜が得られ、しかも耐摩耗性の向上したロータが得られる。
しかも、ロータ製作に要する作業時間が１０分の１以下に大幅に短縮されるので、製作コストが大幅に削減されるので、寿命の延長に伴う稼働率の向上と相まって、経済的効果は極めて大きなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のゴム混練機用ロータの形状を示す外観図である。
【図２】 本発明の実施例１に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図３】 本発明の実施例３に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図４】 本発明の実施例７に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図５】 亀裂進展状況を評価する方法を説明する図である。
【図６】 摩耗試験機の概要を示す図である。
【図７】 繰り返し荷重回数と亀裂深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・ゴム混練機用ロータ、２・・・・・・ロータ本体、３・・・・・・軸、４・・・・・・母材、５・・・・・・溶射皮膜、６・・・・・・ニッケル系自溶合金膜、８・・・・・・ＷＣ含有サーメット膜、９・・・・・・ＷＣ粒子、１０・・・・・・試験片、１１・・・・・・支点、１２・・・・・・ラム、１３・・・・・・ゴムホイール、１４・・・・・・摩耗粉体ホッパー、１５・・・・・・摩耗粉
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴム混練機用ロータに関し、さらに詳しくは耐摩耗及び耐食性に優れて寿命が長く、しかも製作コストの低減に寄与するゴム混練機用ロータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車用等のタイヤやコンベヤー用のベルトなどの耐摩耗性と可撓性が要求される用途の材料としては、天然ゴムや人造ゴムに珪砂（ＳｉＯ2 ）粉末等の摩耗に強い添加物や塩素を含む離型剤等を加え、混練機で十分練り込んだものを所定の形状に成形して使用している。
通常、ゴム混練機は回転する２本のロータの間に混練すべきゴムを導入し、連続的に切り返しながら混練する方式が採用され、この種のゴム混練機用ロータとしては、接線ロータや噛み合いロータあるいは両者の折衷型のＧＫ−Ｅロータ等が使用されている。
【０００３】
この種のゴム混練機用ロータには耐摩耗性の鋼材が使用されるが、摩耗性を向上させるために原料ゴム中に含まれる硬質の珪砂粉末による摩耗や、腐食性離型剤の塩化水素による腐食が起こるため、寿命が短い難点があった。この問題を解決するため、ロータの摩耗しやすい部分に、クロム（Ｃｒ）：２５〜３０wt％、コバルト（Ｃｏ）：４５〜４６wt％、タングステン（Ｗ）：１５〜２０wt％を含む硬質耐摩耗性のステライト合金を肉盛りする、局所的な表面硬化方法が使用されてきた。
さらに耐摩耗性を向上させる為に、ステライト合金の表面にクロムめっきを施す方法も試みられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステライト合金の肉盛りの際には母材の十分な余熱が必要なため、複数回肉盛り作業をするのには不適であり、１回の肉盛り作業で目標厚さ以上のステライト合金層を形成した後、研削作業をして目標とする肉厚及び形状に仕上げている。この際ステライト合金の研削性が悪く、目標厚さまでの研削に長時間を要し、ロータの製作コストが著しく高くなるという問題点がある。
【０００５】
また、耐摩耗性を向上させる目的で施したクロムめっきは、ゴム混練機の運転中に剥離し易く、剥離したクロム皮膜が異物となってゴム中に混入してしまう不具合が生じることがある。
本発明の目的は、上記問題点を解決するためになされたものであり、耐摩耗性や耐食性に優れて寿命が長く、しかも製作が容易でコストの低いゴム混練機用ロータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明のゴム混練機用ロータはロータ母材表面に耐摩耗性に優れた自溶合金を溶射被覆する方法を採用した。
即ち、本発明のゴム混練機用ロータは、表面に、質量比でクロム：１２〜２０％、ホウ素：２．５〜４．５％、珪素：２．０〜５．０％、炭素：０．４〜１．１％、鉄：５％以下、コバルト：１％以下、モリブデン：４％以下、銅：４％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金と、質量比でクロム：２．４〜１３．６％、ホウ素：０．５〜３．２％、珪素：０．７〜４．０％、炭素：０．０８〜０．７２％、鉄：４％以下、コバルト：１０％以下、モリブデン：３．２％以下、銅：３．２％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆したゴム混練機用ロータとした。
このような構成のゴム混練機用ロータとすれば、耐摩耗性及び耐食性に優れた自溶合金皮膜を母材の表面形状に倣って必要最小限に形成することができるので、製作時間やコストが大幅に引き下げられ、しかも密着性が良く耐摩耗性及び耐食性にも十分優れた性能を発揮するものとなる。また、ニッケル系自溶合金にタングステンカーバイドを含ませることにより、硬さが一層増して耐摩耗性が向上する。
また、ロータ母材と接する部分には靱性が高く密着力の強いニッケル系自溶合金を用い、ゴムと接触する表面部分には耐摩耗性がより高いタングステンカーバイドを含むサーメットを使用することにより、より寿命の長いゴム混練機用ロータとなる。
【０００７】
本発明の他のゴム混練機用ロータは、表面に、質量比でクロム：１６〜２４％、ホウ素：１．５〜４．０％、珪素：１．５〜４．５％、タングステン：１５％以下、炭素：１．５％以下、鉄：５％以下、ニッケル：３０％以下、モリブデン：７％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金と、質量比でクロム：３．２〜１６．８％、ホウ素：０．３〜３．２％、珪素：０．４〜３．６％、炭素：１．２％以下、鉄：４％以下、ニッケル：２．０〜２４％、モリブデン：５．６％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆したゴム混練機用ロータとした。
コバルト系自溶合金を使用しても、ニッケル系自溶合金を使用したときと同等の性能が得られる。
【００１０】
また、母材と接する部分には上記組成を有するニッケル系自溶合金の溶射被膜を被覆し、さらにニッケル系自溶合金の溶射被膜の上に、上記組成を有するサーメットの溶射被膜を、タングステンカーバイドの含有量が質量比で２０％から８０％の間で漸次増加する組成を有する溶射被膜として順次被覆したゴム混練機用ロータとすることもできる。タングステンカーバイド組成を漸次増加させるには、例えば複層の積層構造の被膜にすれば良い。
このような構成のゴム混練機用ロータとすれば、母材との密着力が強く、しかも表面は耐摩耗性及び耐食性に優れたゴム混練機用ロータとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のゴム混練機用ロータの母材としては、比較的硬く耐摩耗性に富んだ高炭素含有の炭素鋼を使用する。鋳鋼母材をあらかじめロータ形状に切削加工した後、表面部分に自溶合金を溶射被覆して耐摩耗性及び耐食性の向上をはかる。
（第１の実施形態）
溶射被覆する自溶合金として先ず挙げられるのは、重量比でクロム：１２〜２０％、ホウ素：２．５〜４．５％、珪素：２．０〜５．０％、炭素：０．４〜１．１％、鉄：５％以下、コバルト：１％以下、モリブデン：４％以下、銅：４％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金が挙げられる。
このニッケル系自溶合金からなる溶射皮膜は、母材である炭素鋼との密着性が良くて靱性に富み、しかも耐摩耗性や耐食性に優れた表面皮膜が得られる。
【００１２】
Ｃｒは１２％未満では耐摩耗性が十分でなく、２０％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は１２〜２０％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため、溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なく硬さの増加が小さくなり耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は２．５〜４．５％、Ｓｉの含有量は２．０〜５．０％が適する。
ＣｏとＭｏは耐摩耗性と靭性を向上させるための元素であるが、高価であるため含有量はそれぞれ１％以下、及び４％以下に留めるのが得策である。
Ｃｕは耐食性を付与するための元素であるが、４％以上含ませてもそれ以上の効果が得られないため、その含有量は４％以下とするのが適当である。
ＣはＮｉ、Ｃｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので０．４〜１．１％とするのが適当である。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＮｉとするが、靱性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
【００１３】
溶射皮膜の形成方法は、火炎溶射、プラズマ溶射等の公知の溶射方法を利用する。溶射原料の形態も混合粉、造粒粉、焼結粉あるいは合金粉等いずれの形態でも使用可能である。溶射皮膜の厚さは１．０〜１．５ｍｍが適当である。溶射皮膜を形成した後、１０００℃以上に加熱してフュージングを行い、溶射皮膜中の微細な気孔を封じておく。最後にシャフトを焼きばめし、所定の寸法形状に微量の仕上げ研磨をしてゴム混練機用のロータを得る。
【００１４】
（第２の実施形態）
もう一つの自溶合金として、重量比でクロム：１６〜２４％、ホウ素：１．５〜４．０％、珪素：１．５〜４．５％、タングステン：１５％以下、炭素：１．５％以下、鉄：５％以下、ニッケル：３０％以下、モリブデン：７％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金が挙げられる。
コバルト系自溶合金は、母材との接合力はニッケル系自溶合金よりやや劣るものの、耐摩耗性はニッケル系自溶合金よりも優れたものとなる。
【００１５】
コバルト系自溶合金の場合は、Ｃｒは１６％未満では耐摩耗性が十分でなく、２４％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は１６〜２４％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため，溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なくて硬さの増加が小さくなり、耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて、溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は１．５〜４．０％、Ｓｉの含有量は１．５〜４．５％が適する。
Ｗは強度を向上させるための元素であるが、含有量が１５％を越えると他の成分の含有量が相対的に低下してしまうことと、またＷは高価な元素であることを考慮して、含有量は１５％以下と定める。
Ｍｏは耐食性を付与するための元素であるが、含有量が７％を越えると他の成分が相対的に減少してしまうので、含有量は７％以下と定める。
ＣはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので１．５％以下とするのが適当である。
Ｎｉは母材との接合力を強化し靭性を保つための元素であるが、Ｃｏとのバランスを考慮して、Ｎｉの含有量は３０％以下に留める。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＣｏとするが、耐摩耗性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
溶射皮膜の形成方法や、ロータの加工方法は前記の場合と同様にすればよい。
【００１６】
（第３の実施形態）
第３の実施形態ではさらに耐摩耗性を向上させた長寿命のロータとするために、ニッケル系自溶合金又はコバルト系自溶合金に、さらにＷＣ（タングステンカーバイド）を２０〜８０wt％含ませたＷＣ含有サーメットを溶射被覆した表面構造とすることができる。
ＷＣ含有サーメットとは、ＷＣ粉末と金属粉末との焼結複合体である。金属粉末としては、Ｂ及びＳｉを含む低融点の自溶合金が好んで利用できる。サーメットを被覆する場合、溶射過程で焼結したものでも良く、あるいはあらかじめ焼結したものを溶射被覆したものであっても良い。
本実施形態では、硬質のＷＣを含む皮膜が有るので、耐摩耗性を一段と向上させることができる。
【００１７】
含ＷＣサーメットの一例としては、重量比でクロム：２．４〜１３．６％、ホウ素：０．５〜３．２％、珪素：０．７〜４．０％、炭素：０．０８〜０．７２％、鉄：４％以下、コバルト：１０％以下、モリブデン：３．２％以下、銅：３．２％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金を８０〜２０ｗｔ％と、タングステンカーバイドを２０〜８０ｗｔ％とを混合したサーメットが使用できる。
【００１８】
この場合、Ｃｒは２．４％未満では耐摩耗性が十分でなく、１３．６％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は２．４〜１３．６％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため、溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なく硬さの増加が小さくなり耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は０．５〜３．２％、Ｓｉの含有量は０．７〜４．０％が適する。
Ｍｏは耐摩耗性と靭性を向上させるための元素であるが、高価であるため含有量は３．２％以下に留めるのが得策である。
Ｃｕは耐食性を付与するための元素であるが、３．２％以上含ませてもそれ以上の効果が得られないため、その含有量は３．２％以下とするのが適当である。
Ｃｏは、ＷＣとバインダーの役目を担う自溶合金との混合を均一にするため、及び溶射中にＷＣが酸化されるのを防ぐために必要な元素であるが、高価であるためその含有量は１０％以下に留めることとする。
ＣはＮｉ、Ｃｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので０．０８〜０．７２％とするのが適当である。
金属部分の残部は不可避的不純物を含むＦｅとＮｉとするが、靱性を保つためにＦｅの含有量は５％以下とする。
タングステンカーバイドは２０ｗｔ％未満では顕著な効果が現れず、８０ｗｔ％を越えると脆くなる。
【００１９】
含ＷＣサーメットの他の例としては、重量比でクロム：３．２〜１６．８％、ホウ素：０．３〜３．２％、珪素：０．４〜３．６％、炭素：１．２以下、鉄：４％以下、ニッケル：２．０〜２４％、モリブデン：５．６％以下、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金８０〜２０ｗｔ％と、タングステンカーバイドを２０〜８０ｗｔ％とを混合焼結したサーメットが使用できる。
【００２０】
この場合、Ｃｒは３．２％未満では耐摩耗性が十分でなく、１６．８％を越えると硬くなりすぎてかえって脆くなる。従ってＣｒの含有量は３．２〜１６．８％が適当である。
Ｂ及びＳｉはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった金属の融点を低下させることができるため，溶射後のフュージング過程で溶射皮膜を溶け易くし、溶射皮膜中の気孔を封じる働きをする。このことにより、溶射皮膜の密着性及び耐食性が高くなる。また、ＢはＮｉ、ＣｏなどとＢ化合物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをし、Ｓｉはフラックスとしての働きをする。ＢやＳｉの含有量が少ないと溶射皮膜中の気孔を十分に封じることができず密着性及び耐食性向上が図れないとともに、Ｂ化合物の形成が少なくて硬さの増加が小さくなり、耐摩耗性向上が見込めない。逆に、ＢやＳｉの含有量が多いと、フュージング過程で溶射皮膜の流動性がよくなりすぎて、溶射皮膜が流れてしまうとともに、Ｂ化合物が多く形成されすぎて、溶射皮膜を脆くしてしまう。従って、Ｂの含有量は０．３〜３．２％、Ｓｉの含有量は０．４〜３．６％が適する。
Ｎｉは母材との接合力を強化し靭性を保つための元素であるが、Ｃｏとのバランスを考慮して、含有量は２．０〜２４％とする。
Ｍｏは耐食性を付与するための元素であるが、含有量が５．６％を越えると他の元素の含有量が相対的に低下してしまうので、含有量は５．６％以下と定める。
ＣはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏなどと炭化物を形成し、溶射皮膜の硬さを増加させ耐摩耗性を向上させる働きをするが、あまり多くなりすぎると脆くなるので１．２％以下とするのが適当である。
残部は不可避的不純物を含むＦｅとＣｏとするが、耐摩耗性を保つためにＦｅの含有量は４％以下とする。
タングステンカーバイドは２０ｗｔ％未満では顕著な効果が現れず、８０ｗｔ％を越えると脆くなる。
【００２１】
本実施形態で使用する溶射原料は、ＷＣ含有量が２０〜３０％のものは、混合粉、造粒粉、焼結粉あるいは合金粉等いずれの形態でも使用可能である。しかし、ＷＣ含有量が３０％を越える場合には、偏析の無い均質な溶射皮膜を得るために造粒粉あるいは焼結粉を使用するのが好ましい。
その他、溶射皮膜の形成方法やロータの加工方法は前記の場合と同様にすればよい。
【００２２】
（第４の実施形態）
上記のようにＷＣを含むサーメットは、硬度が高く耐摩耗性は良いものの材質がやや脆くなり、使用中に亀裂が発生して寿命を短くすることがある。そこで母材からの溶射皮膜の脱落を防止して長寿命を維持するために、母材と接触する下地層の部分には、母材との接合強度の高いＷＣを含まないニッケル系自溶合金やコバルト系自溶合金の溶射膜を形成し、ロータ表面のゴム原料と接触する表面部分には、耐摩耗性に優れたＷＣを含むサーメットからなる溶射皮膜を形成した、２層構造の表面構造とした。
本実施形態で使用するＷＣを含まないニッケル系自溶合金又はコバルト系自溶合金、あるいはＷＣを含むサーメットは、いずれも先に説明した組成の自溶合金を使用すればよい。ただし、下地層と表面層との密着性を考慮すれば、下地層と表面層とは同じニッケル系又はコバルト系の合金を使用するのが好ましい。
溶射皮膜の厚さは、下地層は０．１ｍｍ程度で表面層は０．１〜１．５ｍｍ程度、全体でも０．２〜１．６ｍｍ有ればよい。
【００２３】
（第５の実施形態）
前述の通りＷＣを含むサーメットは、ＷＣの含有量が多くなるほど高度が高く耐摩耗性が良くなるが、硬くなるに従って材質が脆くなる。そこで母材に接合する部分は母材との接合強度の高いＷＣを含まないニッケル系自溶合金を使用し、ロータ表面にいくに従ってＷＣを多く含有させて耐摩耗性を高めた構造のロータとした。すなわち、母材と接合する部分にはＷＣを含まないニッケル系自溶合金の溶射膜を厚さ０．１ｍｍ程度形成し、その上にＷＣを含むサーメットの溶射膜を形成し、その際ロータ表面にいくに従ってＷＣ含有量を漸次増加させ、最表面部ではＷＣの含有量を８０wt％にまで高くする。ＷＣ含有量は混合粉末原料を使用して連続的に変化させても良いし、組成の異なる造粒粉や焼結粉を使用して多層構造に積層溶射して形成しても良い。溶射皮膜の全厚さは０．５〜１．５ｍｍ程度とする。
その他溶射皮膜の形成方法は前述の通りでよい。
【００２４】
【作用】
本発明のゴム混練機用ロータは、炭素鋼母材からなるロータ表面に耐摩耗性・耐食性に優れた自溶合金あるいはＷＣ含有サーメットの溶射皮膜を形成し、局部的な表面加工により耐摩耗性・耐食性を向上させ、しかも短時間に安価に提供することを可能にした。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
図１は本発明のゴム混練機用ロータの形状を示す外観図である。本発明のゴム混練機用ロータ１は２本のロータ本体２に、軸３を焼きばめして構成されている。ロータ本体２は軸３の回転とともに噛み合って回転し、２本のロータ本体２の間隙に挟み込んだ原料ゴムを連続的に混練するようになっている。
本発明のゴム混練機用ロータは、上記のロータ本体２の表面に表１に示す組成のニッケル系自溶合金粉末を、厚さ１ｍｍの皮膜となるようにプラズマ溶射してある。
溶射後ロータ本体２を１０００℃×１０分間でフュージング処理をし、軸３を焼きばめしてゴム混練機用ロータとしている。
【００２６】
【表１】
得られたゴム混練機用ロータの性能を評価するため以下のような試験をした。
（１） 表面の溶射皮膜の断面構造
上記と同等の処理をして得た試験片の断面について、顕微鏡観察をした。その結果を模式的に図２に示す。図２に示すとおり、ロータ本体２の母材４の表面に均質なニッケル系自溶合金の溶射被膜５が形成されていた。
（２） 表面の溶射皮膜の硬さ
表面の硬さをビッカース硬度計で測定した結果、硬さはＨＶ６００程度であった。
（３） 溶射皮膜の母材との密着性
上記と同等の処理をして得た試験片について、ＪＩＳ Ｈ ８６６６に規定する方法に準じて皮膜の剥離強度を測定した。結果を表２に示す。
（４） 耐食性試験
上記と同等の処理をして得た試験片について、ＨＣｌガス１０００ｐｐｍ雰囲気中に、２００℃で２００時間暴露する腐食試験をして、重量減量を測定した。結果を表２に示す。
（５） 耐摩耗性試験
上記と同等の処理をして得た試験片について、図６に示すような摩耗試験機を使用して摩耗試験を行った。すなわち、回転するゴムホイール１３の表面に試験片１０を当てて荷重Ｐを加え、ゴムホイール１３と試験片１０との接触部分に摩耗粉ホッパー１４から摩耗粉１５を落下させて供給し、２５分間経過後の試験片の重量減を測定した。
ゴムホイール１３の外形は２５０ｍｍ、厚さは１５ｍｍ、回転数は毎分１２０回であった。また、摩耗粉１５には鋳物用の６号珪砂を使用し、落下供給量は毎分３００グラムとした。結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
（比較例）
比較のため、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接し、研磨した後クロムめっきしたゴム混練機用ロータについても、実施例１と同様の方法で密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した結果を表２に併記して示す。
【００３０】
（実施例２）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すコバルト系自溶合金を使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ４７０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３１】
（実施例３）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すＷＣ含有サーメットを使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ９００程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３２】
（実施例４）
ニッケル系自溶合金に代えて、表１に示すＷＣ含有サーメットを使用した以外は、実施例１と同様にしてゴム混練機用ロータ及び試験片を作製した。そして実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さはＨV ９２０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３３】
（実施例５）
まず、母材表面に表１に示すニッケル系自溶合金を０．５ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上にさらに表１に示すＷＣ含有サーメットを、０．５ｍｍの厚さに溶射被覆した。その結果、母材４の表面に図３に模式的に示すような、ニッケル系自溶合金膜６とＷＣ粒子９が均一分散したＷＣ含有サーメット膜８の２層構造からなる溶射皮膜５を有するゴム混練機用ロータを得た。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、ニッケル系自溶合金膜６の部分ではＨV ６００程度、表面のＷＣ含有サーメット膜８の部分ではＨV ９００程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３４】
（実施例６）
まず、母材表面にニッケル系自溶合金に代えて表１に示す、コバルト系自溶合金を０．５ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上にさらに表１に示すＷＣ含有サーメットを、０．５ｍｍの厚さに溶射被覆した。その結果、母材４の表面にコバルト系自溶合金とＷＣ含有サーメットの２層構造からなる溶射皮膜を有するゴム混練機用ロータを得た。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、コバルト系自溶合金の部分ではＨV ４７０程度、表面のＷＣ含有サーメットの部分ではＨV ９２０程度であった。その他の測定結果を表２に併記する。
【００３５】
さらに、混練操作中の溶射皮膜の亀裂進展状況を評価するために、以下の試験を実施した。すなわち、図５に示すように溶射皮膜５が下側（引っ張り応力がかかる）となるように、２個の支点１１で試験片１０を支え、支点１１の中央部のにラム１２により荷重Ｆを加え、３点曲げ方式で繰り返し荷重をかけ、溶射被膜５の表面に亀裂が発生してから亀裂深さが進行していく様子を繰り返し回数と共に測定した。この時、試験片が弾性−塑性変形移行域に達するまで荷重をかけ、その後ほぼ荷重が０（零）となるところまで荷重を減じた。亀裂の進展状況を見易くするため、試験片の側面は鏡面仕上げにしてある。結果を図７に曲線（ａ）で示す。
なお、比較のため実施例３のＷＣ含有サーメットの溶射皮膜についても試験して、結果を図７に曲線（ｃ）で併記してある。
【００３６】
（実施例７）
まず、母材表面に表１に示すニッケル系自溶合金を０．２ｍｍの厚さに溶射した後、その溶射皮膜の上に第２層として表１に示すＷＣを２０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、さらにその上に第３層として表１に示すＷＣを４０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、その上に第４層として表１に示すＷＣを６０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆し、さらにその上に第５層として表１に示すＷＣを８０wt％含むＷＣ含有サーメットを、０．２ｍｍの厚さに溶射被覆して、厚さ１ｍｍの５層構造からなる溶射被覆を形成した。各溶射皮膜の形成には、所望の組成の焼結粉末を使用して行った。図４にこのゴム混練機用ロータの断面構造を模式的に示す。図のようにこのゴム混練機用ロータの断面構造は、ロータ表面になるに従ってＷＣの分散量が次第に多くなっている。ゴム混練機用ロータと全く同様の処理をした試験片を作製し、実施例１と同様に表面の溶射皮膜の硬さ、溶射皮膜の母材との密着性、耐食性及び耐摩耗性を評価した。その結果、表面の溶射皮膜の硬さは、ニッケル系自溶合金の部分ではＨV ６００程度、中心部のＷＣを４０wt％含有するサーメットの部分ではＨV ７９０程度、最表面のＷＣを８０wt％含有するサーメットの部分ではＨV ９００程度であった。 その他の測定結果を表２に併記する。
また、実施例６と同様に亀裂進展評価試験を行い、結果を図７に曲線（ｂ）で併記した。
【００３７】
表２の結果から、実施例１から実施例４のニッケル系自溶合金、コバルト系自溶合金、ＷＣ含有サーメットの溶射被膜は、１９３．２〜２８８．３ＭＰａの密着力を示し、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接してクロムめっきしたロータの４４．１ＭＰａの密着力と比較して、４倍以上の密着力が得られたことが判明した。
また、耐食性の試験では全ての被膜で腐食減量は１ｍｇ／ｃｍ2 程度であり、ほとんど腐食されていないことを示している。
さらに、耐摩耗性試験でも実施例１及び実施例２のニッケル系自溶合金、コバルト系自溶合金では０．５〜０．６ｇの摩耗量で、従来のステライトＮｏ．６を肉盛り溶接してクロムめっきしたロータの０．６５ｇより摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることが判る。また、実施例３及び実施例４のＷＣ含有サーメットを使用した場合には、摩耗量は０．１ｇと一段と耐摩耗性に優れていることが判る。
【００３８】
さらに、表２及び図７の結果から、実施例５〜実施例７の複数構造の溶射被膜を具備したゴム混練機用ロータは、母材と溶射皮膜との密着力が高く、しかも耐摩耗性が極めて高いことが判る。また、ＷＣ含有サーメットのみでは亀裂発生後１０６回程度の繰り返し応力で亀裂が母材まで達するが、複数構造の溶射被膜とすれば亀裂が母材まで達するまでの繰り返し応力は１４２〜１６８回と５０％以上寿命が延びることが判る。
【００３９】
また、全ての実施例のゴム混練機用ロータを製作するのに要する作業時間は約２０時間で、従来に比べて１０分の１以下に短縮されるので、製作コストを大幅に削減することが可能となった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のゴム混練機用ロータによれば、母材との密着性に優れた表面皮膜が得られ、しかも耐摩耗性の向上したロータが得られる。
しかも、ロータ製作に要する作業時間が１０分の１以下に大幅に短縮されるので、製作コストが大幅に削減されるので、寿命の延長に伴う稼働率の向上と相まって、経済的効果は極めて大きなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のゴム混練機用ロータの形状を示す外観図である。
【図２】 本発明の実施例１に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図３】 本発明の実施例３に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図４】 本発明の実施例７に於けるゴム混練機用ロータの断面を示す模式図である。
【図５】 亀裂進展状況を評価する方法を説明する図である。
【図６】 摩耗試験機の概要を示す図である。
【図７】 繰り返し荷重回数と亀裂深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・ゴム混練機用ロータ、２・・・・・・ロータ本体、３・・・・・・軸、４・・・・・・母材、５・・・・・・溶射皮膜、６・・・・・・ニッケル系自溶合金膜、８・・・・・・ＷＣ含有サーメット膜、９・・・・・・ＷＣ粒子、１０・・・・・・試験片、１１・・・・・・支点、１２・・・・・・ラム、１３・・・・・・ゴムホイール、１４・・・・・・摩耗粉体ホッパー、１５・・・・・・摩耗粉
Claims (4)
- 表面に、質量比でクロム：１２〜２０％、ホウ素：２．５〜４．５％、珪素：２．０〜５．０％、炭素：０．４〜１．１％、鉄：５％以下、コバルト：１％以下、モリブデン：４％以下、銅：４％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有する、ニッケル系自溶合金と、質量比でクロム：２．４〜１３．６％、ホウ素：０．５〜３．２％、珪素：０．７〜４．０％、炭素：０．０８〜０．７２％、鉄：４％以下、コバルト：１０％以下、モリブデン：３．２％以下、銅：３．２％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むニッケルからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆してなることを特徴とするゴム混練機用ロータ。
- 表面に、質量比でクロム：１６〜２４％、ホウ素：１．５〜４．０％、珪素：１．５〜４．５％、タングステン：１５％以下、炭素：１．５％以下、鉄：５％以下、ニッケル：３０％以下、モリブデン：７％以下を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するコバルト系自溶合金と、質量比でクロム：３．２〜１６．８％、ホウ素：０．３〜３．２％、珪素：０．４〜３．６％、炭素：１．２％以下、鉄：４％以下、ニッケル：２．０〜２４％、モリブデン：５．６％以下、タングステンカーバイド：２０〜８０％を含み、残部が不可避的不純物を含むコバルトからなる組成を有するサーメットの、２層の溶射被膜を順次積層被覆してなることを特徴とするゴム混練機用ロータ。
- 表面に請求項１に記載のニッケル系自溶合金の溶射被膜を被覆し、さらに該ニッケル系自溶合金の溶射被膜の上に、請求項１に記載のサーメットの溶射被膜を、前記タングステンカーバイドの含有量が質量比で２０％から８０％の間で漸次増加する組成を有する溶射被膜として順次被覆してなることを特徴とするゴム混練機用ロータ。
- 前記タングステンカーバイドを含むサーメットの溶射被膜が複層の積層構造をなしていることを特徴とする請求項３に記載のゴム混練機用ロータ。
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