JP4330157B2

JP4330157B2 - 射出成形機用スクリューおよびその組立部品

Info

Publication number: JP4330157B2
Application number: JP2005101069A
Authority: JP
Inventors: 吉男宮田; 直純吉田; 伸之船平; 正就吉田
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006283056A

Description

本発明は、耐摩耗性と耐食性、さらに高靭性が要求される射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品に関する。

近年の成形樹脂の高機能化や超高速高圧射出による超薄肉成形、複合層射出成形のような新たな射出成形法が次々開発されるにともない、高温の腐食環境下において、より一層の耐磨耗性と靭性が要求されるようになってきた。成形材においても、硬質のフィラーを多量に添加し、耐熱性を高めた、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックも実用化されている。また、金属粉末やセラミック粉末のような硬質粒子の成形も盛んに行われるようになってきている。従来より、射出成形機の部品材料には、耐食耐摩耗用として合金鋼であるＪＩＳＳＫＤ１１の改良材が用いられてきた。これらの改良材としては、特許文献１や特許文献２に記載の材料が使用されてきた。特許文献１〜３のものは価格の高いCoが添加されており、経済性に劣るという課題があった。また、耐摩耗性や靭性を補う材料として粉末鋼も使用されているが、価格の点でも課題があった。
特公平２−３９５８２号公報特許第２５６４６５７号公報特許第２７４６８８４号公報

しかしながら、近年の耐熱樹脂等の射出成形においては、従来のＳＫＤ１１の改良鋼では、高温における耐食、耐摩耗性や靭性等の不足により、短時間で寿命に至ってしまうという問題点がある。
高温における耐食、耐磨耗性、靭性を改善する方法としては、合金粉末を熱間静水圧プレスする製造法により、添加合金元素量を増した合金鋼を製造する方法がある。粉末合金鋼は、その炭化物の微細さから高硬度と高靱性が同時に得られるものの、炭化物が微細であるがゆえにアブレッシブ摩耗に弱く、射出成形機用部品の早期摩耗をもたらす。

本発明の課題は、経済的にも優位な溶製合金鋼において、ＭＣ型炭化物を制御することにより、高温における耐食性、耐摩耗性、靭性を有し、かつ価格の高いCo、粉末鋼を使用することがなく経済性がよい合金鋼及びかかる合金鋼を用いた、射出成形機用のスクリューおよびその組立部品を提供することである。

本発明は、重量％で、C ：0.9 〜1.5 ％、Si：0.1 〜2 ％、Mn：0.1 〜1 ％、Cr：3 〜14％、Mo：0.1 〜7 ％、W ： 0.1〜7 ％、V ： 1〜5 ％、Ｎｂ： 0.1〜0.2 ％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製合金鋼を素材として製造された射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品において、成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面、又は前記部品に平行な切断面表面に存在するＭＣ型炭化物のうち、最大粒子の等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径）が 4〜15μｍの範囲にあって、かつ、等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする射出成形機用スクリューおよびその組立部品によって上記の本発明の課題を解決した。

本発明では、かかる合金鋼の組成及び合金鋼中のＭＣ型炭化物のサイズ、形態、面積率を制御して新しい溶製合金鋼を射出成形機用スクリューおよびその組立部品に適用することにより、比較的球状の粒子からなることを特徴とする溶製合金鋼から製造された部品は、過酷な成形条件下で高温における耐食性、耐摩耗性、靭性を有し、従来の合金鋼の部品では達成できない長寿命でかつ価格の高いCo、粉末鋼を使用することがなく経済性がよい部品を提供するものとなった。なお、ＭＣ型炭化物の面積率は、光学画像測定マイクロスコープのスクリーンに現れる、等価円直径が 4μｍ以上の各ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を全部加算した値を、スクリーン自身の面積で割った値となる。

好ましくは、部品が成形材と接触する面の表層部すなわち金型表面、又は前記部品表面に平行な切断表面に存在する等価円直径が4 μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面（丸鋼の軸方向すなわち長手方向に沿って切断した粒子断面）での面積率が 0.5〜5 ％であることを特徴とするスクリューおよび組立部品としてもよく、さらに、前記部品の成形材と接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有もしくはクロム含有のセラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜を施すことにより、より耐食性、耐磨耗性が向上した射出成形機用スクリューおよび組立部品としてもよい。
さらに好ましくは、前記合金鋼は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるO2、N2を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解速度を 100〜800 kg/h、鋼塊外径を電極外径で割った比率を 1.2〜1.7 に保持し、前記ＭＣ型炭化物のサイズ、形態を制御して製造された前記合金鋼から製作されてもよい。

好ましくは、重量％で、C ： 1.0〜1.5 ％、Si：0.4 〜 1.1％、Mn：0.3 〜0.5 ％、Cr：4 〜10％、Mo：2 〜5 ％、W ： 0.2〜6 ％、V ： 1.8〜5 ％、Ｎｂ： 0.1〜0.15％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製合金鋼を素材として製造された射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品において、成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面、又は前記部品に平行な切断面表面に存在するＭＣ型炭化物のうち、最大粒子の等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径）が 4〜12μｍの範囲にあって、かつ、等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物のうち48〜63％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなることがより望ましい。

以下に、合金鋼の成分範囲についてその限定理由を述べる。それぞれ重量％で、
ＣはＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を改善する。しかし、Ｃの量があまりに多いと靱性が低下するので、Ｃの重量％でＣ：0.9 〜1.5 ％に限定した。Ｓi 及びＭn は脱酸剤として添加するが、Ｓi 及びＭn の量があまりに多いと靱性が低下する。そこで、Ｓi 及びＭn の重量比をＳｉ：0.1 〜2 ％、Ｍn ：0.1 〜1 ％に限定した。Ｃr はＣと結合してM7C3炭化物を形成して耐摩耗性を向上し、さらに基地に固溶して耐食性を向上することから、耐食性を確保するため添加されるが、Ｃr が3 ％より少ないと上記効果が少ないし、14％を超えると全体の靭性を低下させるので、Ｃr ： 3〜14％に限定した。Ｍo 及びＷはＭ6 Ｃ型炭化物を形成し耐摩耗性を改善するが、それぞれ0.1 ％未満では効果が小さく、Ｍo 及びＷの量があまりに多いと靱性が低下するのでＭo ：0.1 〜7 ％以下、Ｗ：0.1 〜７％以下に限定した。ＶはＭＣ型炭化物を形成し耐摩耗性を著しく高めるが、あまりに多いと靱性と被研削性の低下を招くためＶ：1 〜5 ％とした。ＮｂはＭＣ炭化物を形成し、焼入加熱による基地への溶解量が少なく、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する成分であり、0.1 ％未満では効果が小さく、0.2 ％を越えると効果の向上が小さいのでその範囲をＮｂ： 0.1〜0.2 ％とした。

続いて、本発明のポイントである、スクリューおよび組立部品が成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面又は前記部品表面に平行な切断面表面（以下部品表層部とする）における合金鋼中のＭＣ型炭化物のうち、最大の粒子の等価円直径、鍛造、圧延軸と平行する断面（丸鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面）でのＭＣ型炭化物の面積率および長径短径比を上記に限定した理由を述べる。部品表層部に存在する合金鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が 4μｍ未満の粉末合金鋼を用いた部品では、アブレッシブ摩耗によりＭＣ型炭化物が素地と共に除去されやすいため摩耗しやすく、部品寿命が短い。一方、部品表層部に存在する合金鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径が15μｍを超え、また、金型表層部に存在する鋼中の等価円直径が 4μｍ以上のＭＣ型炭化物の面積率が 5％を超えると、非常に脆くなり、ＭＣ型炭化物を破壊起点とした割れを起こしやすくなる。特に、ＭＣ型炭化物のうち45％を超える粒子の形状が、長径短径比で 0.5未満の粗大で細長い角形を呈する場合は、研削加工し難い上に、さらに割れを起こしやすくなり、部品早期破損の原因となる。一方、ＭＣ型炭化物の面積率が 0.5％未満の場合は非常に摩耗しやすくなり、部品寿命が短くなるので、部品表層部の合金鋼中のＭＣ型炭化物の最大等価円直径を 4〜15μｍとし、等価円直径が 4μｍ以上のＭＣ型炭化物の鍛造、圧延軸と平行する断面での面積率を 0.5〜5 ％に限定し、かつ等価円直径が 4μｍ以上のＭＣ型炭化物のうち、長径短径比が 0.5以上の粒子が全体の45％以上を占める条件に限定した。

本発明者等は、以前、高速度工具鋼中のＭＣ型炭化物のサイズ、形態、面積率を制御し、新しい溶製高速度工具鋼から製造した特許第３２４９４９３号公報に開示する切削工具を発明した。今回、合金鋼中のＭＣ型炭化物のサイズ、形態、面積率を制御した新しい溶製合金鋼を射出成形機用スクリューおよびその組立部品に適用するべく、鋭意研究を重ねたところ、ＭＣ型炭化物を限られた範囲に制御した場合、従来の合金鋼では達成できない長寿命の射出成形機用部品が得られることを知得した。
本発明を実施するための最良の形態は、重量％で、C ：0.9 〜1.5 ％、Si：0.1 〜2 ％、Mn：0.1 〜1 ％、Cr：3 〜14％、Mo：0.1 〜7 ％、W ： 0.1〜7 ％、V ： 1〜5 ％、Ｎｂ： 0.1〜0.2 ％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製合金鋼を素材として製造された射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品において、成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面、又は前記部品に平行な切断面表面に存在するＭＣ型炭化物のうち、最大粒子の等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径）が 4〜15μｍの範囲にあって、かつ、等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなる。

次に本発明の実施例１について説明する。表１は本発明鋼 1、 2、 3、 4、 5、比較鋼 6、 7、8 にて製作した試験片の鋼中の化学成分及び部品表層部すなわち部品表面又は前記部品表面に平行な切断面表面（いかなる平行な切断表面についても同じ。以下部品表層部と総称する）に存在するＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（最大のＭＣ型炭化物について測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径（μｍ））、等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径） 4μｍ以上の面積率（鍛造、圧延軸と平行する断面、即ち丸鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面での面積率％）、等価円直径が 4μｍ以上のＭＣ型炭化物の長径短径比0.5 以上の粒子の構成率をそれぞれ示したものである。実際の光学画像測定マイクロスコープでは、ＭＣ型炭化物の面積率は、光学画像測定マイクロスコープのスクリーンに現れる、等価円直径が 4μｍ以上の各ＭＣ型炭化物の粒子断面の面積を全部加算した値を、スクリーン自身の面積で割った値とし、ＭＣ型炭化物の、最大等価円直径（μｍ）、面積率及び長径短径比を光学画像測定マイクロスコープの顕微鏡画像で測定した。ＭＣ炭化物の観測対象は等価円直径で0.15μｍ以上とした。ＭＣ型炭化物は部品表層部から切り出した試験片を、10％クロム酸で電解腐食し、光学画像測定マイクロスコープにて測定した。

また、本発明合金鋼は、エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるＯ2 、Ｎ2 を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解条件：溶解速度：100 〜800kg/h 、鋼塊外径を電極外径で割った比率を 1.2〜1.7 、に保持し、前記ＭＣ型炭化物粒のサイズ、長径短径比を制御して鋼塊を製造した。鋼塊は、鍛造および圧延の熱間加工により直径30mmの棒鋼とした。試験片はこの直径30mmの棒鋼から製造されたもので、焼入焼戻しにより60HRC に熱処理されたものである。

表２は、本発明鋼 1、 2、 3、 4、 5、比較鋼 6、 7、8 にて製作した試験片をＰＰＳ樹脂中で試験片に圧力をかけながら100 時間回転させたときの腐食摩耗減量を指数表示したものである。試験条件は、試験温度 300℃、回転速度 200 rpm、押し付け圧力10Mpa ／mm2 である
表３は、射出成形機での実機テストの結果を一覧表に示したものである。
表３に示すように、従来鋼のスクリュー及びノズルでは３ヶ月で摩耗が発生したのに対し、本発明鋼のスクリュー及びノズル部品では６ヶ月経過しても摩耗の発生がなく２倍以上の寿命が確保された。また、従来鋼のチェックリングは１ヶ月で割れが発生したのに対し、本発明鋼のチェックリングは、２ヶ月経過後も割れもなく良好な結果が得られている。また、本発明鋼にCrN コーティンク゛したものにおいても、従来鋼の２倍以上の寿命が得られ、より寿命向上がはかられている。

Claims

重量％で、C ：0.9 〜1.5 ％、Si：0.1 〜2 ％、Mn：0.1 〜1 ％、Cr：3 〜14％、Mo：0.1 〜7 ％、W ： 0.1〜7 ％、V ： 1〜5 ％、Ｎｂ： 0.1〜0.2 ％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製合金鋼を素材として製造された射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品において、成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面、又は前記部品に平行な切断面表面に存在するＭＣ型炭化物のうち、最大粒子の等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径）が 4〜15μｍの範囲にあって、かつ、等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物のうち45％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が 0.5以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする射出成形機用スクリューおよびその組立部品。
射出成形機用スクリューおよびその組立部品が成形材と接触する面の表層部すなわちスクリューおよび組立部品表面、又は前記部品表面に平行な切断面表面に存在する等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面、即ち丸鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面での面積率が0.5 〜5 ％であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機用スクリューおよびその組立部品。
重量％で、C ： 1.0〜1.5 ％、Si：0.4 〜 1.1％、Mn：0.3 〜0.5 ％、Cr：4 〜10％、Mo：2 〜5 ％、W ： 0.2〜6 ％、V ： 1.8〜5 ％、Ｎｂ： 0.1〜0.15％を含み、残余がFe及び不可避不純物よりなる溶製合金鋼を素材として製造された射出成形機用スクリューおよびその組立部品であるスクリューヘッド、チェックリング、シート、ノズルを含む射出成形機用スクリューおよびその組立部品において、成形材と接触する面の表層部すなわち部品表面、又は前記部品に平行な切断面表面に存在するＭＣ型炭化物のうち、最大粒子の等価円直径（測定した粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の円の直径である等価円直径）が 4〜12μｍの範囲にあって、かつ、等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物のうち48〜63％以上の粒子が粒子断面の長径短径比が0.5 以上となる比較的球状の粒子からなることを特徴とする射出成形機用スクリューおよびその組立部品。
射出成形機用スクリューおよびその組立部品が成形材と接触する面の表層部すなわちスクリューおよび組立部品表面、又は前記部品表面に平行な切断面表面に存在する等価円直径が 4μｍ以上の前記ＭＣ型炭化物について、鍛造、圧延軸と平行する粒子断面、即ち丸鋼の軸方向即ち長手方向に沿って切断した粒子断面での面積率が 0.7〜 4.9％であることを特徴とする請求項３に記載の射出成形機用スクリューおよびその組立部品。
前記射出成形機用スクリューおよびその組立部品の成形材と接触する表面に、ＰＶＤによるチタン含有もしくはクロム含有のセラミックコーティングの一種または二種以上の複合膜が施されていることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の射出成形機用スクリューおよびその組立部品。
エレクトロスラグ再溶解法により、不活性雰囲気によるO₂、N₂を含むガス成分の溶鋼への侵入を防止し、かつ溶解速度を100 〜800 kg/h、鋼塊外径を電極外径で割った比率を1.2 〜1.7 に保持し、前記ＭＣ型炭化物のサイズと形態を制御して製造された前記溶製合金鋼から製造されたことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の射出成形機用スクリューおよびその組立部品。