JP5267912B2

JP5267912B2 - 成形機用プランジャ

Info

Publication number: JP5267912B2
Application number: JP2008109122A
Authority: JP
Inventors: 真継内田; 正志寺山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: JP2009255454A

Description

本発明は、主としてプラスチックの成形機に用いられ、鋼製軸材の外周面にライニング層を形成した複合構造のプランジャに関するものである。

プラスチック製品等の成形に用いられる成形機用プランジャは、樹脂または樹脂に加えられた添加剤による腐食および摩耗に加え、射出シリンダとの摺動により摩滅する。そのためプランジャが摩滅すると、安定した射出圧力を得られず、成形不良が発生する。特にプラスチック射出成形機用プランジャは、シリンダとのクリアランスが極めて小さく、プランジャの耐摩耗性に乏しいと、シリンダとの摺動によりカジリが発生する。

成形機用プランジャの材質としては、Ｓ４５ＣやＳＣＭ４４０といった炭素鋼や構造用鋼、またＳＫＤ６１といった工具鋼の他、ステンレス鋼が用いられる。通常、これらの鋼系材料に例えば窒化やＰＶＤ、ＣＶＤなどの表面処理が施されることが一般的である。また、更に過酷な用途には、プランジャ表面に耐摩耗性材料を溶射コーティングされる。

プラスチック成形機用プランジャの表面処理として、例えば特許文献１には、マルチプランジャ型モールド装置のプランジャにおいて、少なくとも樹脂を押圧する押圧面及び該押圧面に連なる先端部外周面に、マイクロビッカース硬度が１５００以上で厚さが０．５乃至１０μｍの皮膜をイオンプレーティング法で形成したことが開示されている。さらに、前記皮膜が、窒化チタン、炭化チタン、乃至はこれらの積層構造で構成されていることが開示されている。

特許文献２には、プランジャー母材の先端加圧面に硬質クロムメッキを施し、側部摺動面を粉体肉盛溶接により、耐摩耗・耐食性を有するＦｅ基合金，Ｎｉ基合金、若しくはＣｏ基合金、またはこれらの合金からなる基地に硬質粒子を分散保持した肉盛層としたトランスファー成形機用プランジャーが開示されている。

特許文献３には、トランスファーモールド装置に設置されるプランジャにおいて、該プランジャの少なくとも溶融樹脂材と接触する先端部が周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，ホウ化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種でなる硬質相７０〜９８重量％と、残りがＮｉもしくはＮｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏの中の少なくとも２種を主成分とする結合相と不可避不純物とからなることが開示されている。また、前記硬質相は、主成分が炭化タングステン又はチタンを含む炭窒化物でなり、前記結合相は、Ｎｉ及び／又はＣｏとＣｒ、もしくはＮｉ及び／又はＣｏとＣｒとＭｏとでなることが記述されている。さらに、このプランジャは、少なくとも上記先端部が０．１μｍ以下の表面粗さであることも示されている。

特開昭６１−５８７０８号公報特開昭６３−１４４０２３号公報特開平５−１６９４８２号公報

前述のように、ガラス繊維などを多量に添加した樹脂などを成形する射出成形機に装着されるプランジャには、高い耐摩耗性と耐食性が要求される。そのため、プランジャは前述のように、鋼系軸材に表面処理を施したものが使用されるが、近年の成形樹脂へのガラスなどの添加剤の増加や成形条件の過酷化により、十分な効果を発揮していないのが現状である。

特許文献１は、プランジャ外周面にイオンプレーティング法で硬質皮膜を形成しており、長期間継続して使用できるという利点があるが、プランジャ軸材に対する皮膜の膜厚が不均一になりやすく、皮膜の剥離による軸材の摩耗、さらに剥離によって軸材の腐食が発生する問題がある。

特許文献２は、プランジャ軸材の先端加圧面に硬質クロムメッキを施し、側部摺動面を粉体肉盛溶接した、耐摩耗・耐食性を付与したプランジャであるが、メッキや粉体肉盛部にはピンホール欠陥やピット欠陥が発生するという問題がある。

特許文献３は、プランジャの少なくとも溶融樹脂材と接触する先端部が、炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，ホウ化物を含む合金を粉末冶金法で焼結した後、プランジャ本体に取り付けている。しかしながら、樹脂材と接触する部分を合金単体で形成すると、加熱使用時にプランジャとシリンダの熱膨張の差で両者のクリアランスが拡がり好ましくない。また、熱膨張差を考慮に入れたクリアランスを設定した場合でも、室温における組立時にクリアランスが過度に小さくなり、組み付けが困難になる。また、前記炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物、ホウ化物を含む合金を、鋼製のプランジャ材にライニング層として被覆させることも困難である。これは、炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物、ホウ化物を含む合金は熱膨張係数が低いため、鋼製のプランジャ材との熱膨張の差によって、その境界部半径方向に過大な引張残留応力が発生し、ライニング層が剥離するからである。

本発明は、前記課題を背景としてなされたものであり、耐食性、耐摩耗性に優れ、安定して高品位な成形が可能な成形機用プランジャを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記目的に鑑み、耐摩耗性、耐食性に優れた成形機用プランジャを提供するために、プランジャ軸材外周面に安定的かつ強固なライニング層を形成するための検討を行なった結果、下記の知見を得て本発明に想到した。

１．成形機用プランジャ軸材の外周面に、適正な量の炭化タングステンを分散させた合金層（ライニング層）を形成することで、耐摩耗性と耐食性を向上できる。

２．前記軸材およびライニング層の熱膨張係数を適正な範囲に制御することで、使用中にライニング層の剥離を防止することができる。また、鋼製の軸材がライニング層形成時にベイナイト変態またはマルテンサイト変態のいずれかを発生させることにより、軸材を膨張させることで軸材とライニング層を安定かつ強固に接合させることができる。

すなわち、本発明の成形機用プランジャは、鋼製軸材の外周面の少なくとも溶融樹脂と接触する部分に、コバルトまたはニッケルを主体とする基地中に体積率で５〜４０％の炭化タングステンを分散させたライニング層を金属結合してなり、前記軸材の室温から４００℃までの熱膨張係数が１０〜１５×１０ ^-6 ／℃、前記ライニング層の室温から４００℃までの熱膨張係数が７〜１３×１０ ^-6 ／℃であり、前記軸材の金属組織はベイナイトまたはマルテンサイトもしくはその両組織を面積率で２０％以上含むことを特徴とする。

本発明の成形機用シリンダについて以下に詳述する。

［１］プランジャの構造
本発明の成形機用プランジャは、鋼製軸材の外周面の少なくとも溶融樹脂と接触する部分に、コバルトまたはニッケルを含む基地中に炭化タングステンを含む耐摩耗性と耐食性に優れる合金からなるライニング層を金属結合し一体化してなる。鋼製軸材を使用することにより、必要な強度や剛性を確保し、長期の使用においても破損や変形することなく安定した成形が可能となる。

また、前記ライニング層を軸材の外周面に形成することにより、プランジャの損傷が最も著しい部位であるシリンダとの摺動面の損傷を効果的に抑制することができる。なお、前記ライニング層は、プランジャの外周面全面に形成してもよい。

さらに、炭化タングステンを含む耐摩耗耐食性合金は熱膨張係数が含有量に応じ小さくなり、前述のクリアランスの問題が発生する可能性があるが、内部に鋼製軸材を用いることで、複合構造のプランジャ全体として径方向の熱膨張量をシリンダと同程度とし、温度が変化した際でもプランジャとシリンダのクリアランスをほぼ一定とすることが可能となる。

［２］ライニング層の組成
（１）体積率で５〜４０％の炭化タングステン
炭化タングステンはＨｖ２０００〜３０００と高硬度であり、耐摩耗性向上に寄与する。炭化タングステンの含有量が体積率で５％未満の場合、耐摩耗性が不足する。一方、炭化タングステンの含有量が体積率で４０％を越える場合、熱膨張係数が低下し残留応力が過大となりやすい他、鋼製軸材との接合強度が低下する。

（２）コバルトまたはニッケルを含む基地
本発明の成形機用プランジャに用いるライニング層の基地成分は、例えばニッケルを多量に含むものや、コバルトを多量に含むものが腐食を効果的に抑制し好ましい。なお、ニッケルとコバルトの両者を含む基地でもかまわない。

［３］構成要素の熱膨張係数
（１）鋼製軸材の室温から４００℃までの熱膨張係数が１０〜１５×１０^−６／℃
プランジャの外周に包囲して使用されるシリンダは、主として円筒状の鋼系材料の内面の一部にシリンダライニング層を形成したものであるが、この鋼系材料の熱膨張係数は１０〜１５×１０^−６／℃程度である。プランジャ軸材の熱膨張係数が１０×１０^−６／℃未満もしくは１５×１０^−６／℃を越えると、プランジャとシリンダの熱膨張係数の差が大きくなり、安定したクリアランスが得にくくなる。プランジャ軸材の熱膨張係数のより好ましい範囲は、１２〜１４×１０^−６／℃である。なお、成形機使用時の温度は４００℃近傍である。

（２）ライニング層の室温から４００℃までの熱膨張係数が７〜１３×１０^−６／℃
ライニング層の熱膨張係数が７×１０^−６／℃未満の場合、ライニング層接合部の残留応力が過大となりやすく、安定した金属接合が困難となる。また、ライニング層の熱膨張係数が１３×１０^−６／℃を越える場合、ライニング層表面に引張残留応力が発生しやすく、成形使用時に亀裂が発生しやすく好ましくない。ライニング層の熱膨張係数のより好ましい範囲は、８〜１２×１０^−６／℃である。

［４］プランジャ組織
（１）軸材
鋼製の軸材がライニング層形成時にベイナイト変態またはマルテンサイト変態のいずれかを発生させることにより、軸材を膨張させることで軸材とライニング層を安定かつ強固に接合させた複合一体化したプランジャを得ることができる。その際、鋼製軸材の金属組織はベイナイトまたはマルテンサイトもしくはその両組織を含む。これらの組織は、全体の金属組織のうち面積率で２０％以上を構成していることが好ましく、より好ましくは５０％以上である。残部組織は、パーライト、フェライト、オーステナイトの他、炭化物や不可避的不純物が含まれていてもかまわない。また、軸材として、例えばＳＮＣＭ４３９といったいわゆる焼入性に優れる材料を選定すれば、ベイナイトもしくはマルテンサイトを容易に得ることが可能となり好ましい。

（２）ライニング層
ライニング層は、コバルトまたはニッケルを主体とする基地中に体積率で５〜４０％の炭化タングステンが含有されている。このライニング層の軸材との接合形成方法として、例えば熱間等方圧成形法（ＨＩＰ）を用いれば、ライニング層のピンホール欠陥やピット欠陥といった微細空孔欠陥の発生を抑制でき好ましい。

［５］ライニング層の残留応力
ライニング層に圧縮残留応力を付与することにより、４００℃近傍の使用時の温度に加え、摺動による発熱・冷却によるヒートクラックの発生もしくは進展を抑制し、長期にわたり安定して使用することが可能となり好ましい。本発明のライニング層が形成された円周方向圧縮残留応力は、ライニング層表面における半径方向で０〜−５０ｋｇｆ／ｍｍ^２が好ましく、より好ましい範囲は、−１０〜−３０ｋｇｆ／ｍｍ^２である。なお、この圧縮残留応力は、鋼製の軸材およびライニング層の材質の選定、ライニング層に含まれる炭化タングステンの量、焼入熱処理や焼戻し熱処理温度の調整やこれに伴う軸材のベイナイトおよびマルテンサイトの量およびライニング層の厚さの設定などにより適宣制御する。

本発明の成形機用プランジャは、鋼製軸材の外周面の少なくとも溶融樹脂と接触する部分に、コバルトまたはニッケルを主体とする基地中に体積率で５〜４０％の炭化タングステンを含む合金からなるライニング層を金属結合し、鋼製軸材とライニング層を適切な範囲の熱膨張係数を選択することで、優れた耐摩耗性及び耐食性を発揮する。

本発明を以下の実施例により詳細に説明する。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。

所定の組成に調整したライニング層の基地用合金を溶解し、ガスアトマイズ法によりアトマイズ処理を行った後、＃３５０メッシュのふるいにかけ、粒径５０μｍ以下の基地合金粉末を得た。また、別途準備した平均粒径５０μｍ以下の炭化タングステン粉末を前記基地合金粉末と混錬機にて混合しライニング層粉末を得た。

図１に本発明に係るＨＩＰ素材の概略断面図を示す。図1において、外径φ３０ｍｍ×内径φ２０ｍｍ×長さ２２０ｍｍの軟鋼製の筒を用意しＨＩＰ処理用の外筒１とした。また外径φ２０ｍｍ×長さ２００ｍｍの鋼材を準備し、鋼材先端から４０ｍｍを外径φ１０ｍｍに加工して、鋼製軸材２とした。前記外筒１に鋼製軸材を装入し、後端部に軟鋼製の下蓋３を溶接した。先端部の外筒１と軸材２からなる空隙に前記作成したライニング層粉末４を充填し、脱気パイプ５の付いた上蓋６を溶接してＨＩＰ素材とした。

前記ＨＩＰ素材を脱気炉中で７５０℃に加熱しながら脱気パイプ５より脱気を行った。このＨＩＰ素材の脱気パイプ５を封止した後、このＨＩＰ素材のＨＩＰ処理を行なった。ＨＩＰ処理は、温度９００℃〜１０００℃、圧力１０００気圧で行なった。

ＨＩＰ処理後、ＨＩＰ素材の上下蓋と外筒１を加工除去しプランジャ素材とした。プランジャ素材を、さらに外径φ１２ｍｍ×長さ１７０ｍｍに仕上げ加工を行い、本発明のプランジャ材とした。なお、本実施例でのプランジャのライニング層７の長さは２０ｍｍ、ライニング層７の厚さは１ｍｍである。図２に本発明のプランジャ材の実施形態の概略断面図を示す。

表１に本発明のライニング層の基地合金成分、炭化タングステン含有量、熱膨張係数を示す。また、軸材の材質、熱膨張係数、金属組織も示す。さらに、本発明の成形機用プランジャの使用結果も合わせて示す。

表１の実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４はコバルトを主体とする基地中に炭化タングステンを分散させたものである。いずれの使用結果も良好な耐摩耗性と耐腐食性を発揮し、従来の窒化鋼からなるプランジャ対比５倍以上の長期間使用できた。また、カジリ等の事故も発生しなかった。

表１の実施例Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８はニッケルを主体とする基地中に炭化タングステンを分散させたものである。いずれの使用結果も良好な耐摩耗性と耐腐食性を発揮し、従来の窒化鋼からなるプランジャ対比５倍以上の長期間使用できた。また、カジリ等の事故も発生しなかった。

表１の比較例Ｎｏ．９は、コバルトを主体とするライニング層であり、炭化タングステンを分散させていないものである。そのため、本比較例は耐摩耗性に劣り、早期摩耗が発生した。

表１の比較例Ｎｏ．１０は、コバルトを主体とする基地中に炭化タングステンを極めて多量に分散させたものである。そのため、ライニング層の熱膨張係数が５．５×１０^−６／℃と極めて低く、ＨＩＰ処理中に軸材の熱膨張に追随できずに軸材とライニング層の境界部より割れが発生した。

表１の比較例Ｎｏ．１１は、軸材の熱膨張係数が１８×１０^−６／℃と極めて高いため、ＨＩＰ処理中にライニング層が軸材の熱膨張に追随できずに軸材とライニング層の境界部より割れが発生した。

表１の比較例Ｎｏ．１２は、軸材がＳ４５Ｃであり、軸材の組織がフェライトおよびパーライトである。そのため、軸材の強度が不足し、使用中に軸材が変形しライニング層中に割れが発生した。

本発明の成形機用プランジャは、鋼製軸材の外周面に、コバルトまたはニッケルを主体とする基地中に、体積率で５〜４０％の炭化タングステンを含む合金からなるライニング層を金属結合し、鋼製軸材とライニング層を適切な範囲の熱膨張係数を選択することで、優れた耐摩耗性及び耐食性を発揮する。

本発明に係るＨＩＰ素材の概略断面図である。本発明のプランジャ材の実施形態の概略断面図である。

符号の説明

１ＨＩＰ管外筒、２鋼製軸材、３ＨＩＰ管下蓋、４ライニング層粉末、
５脱気パイプ、６ＨＩＰ管上蓋、７ライニング層

Claims

鋼製軸材の外周面の少なくとも溶融樹脂と接触する部分に、コバルトまたはニッケルを主体とする基地中に体積率で５〜４０％の炭化タングステンを分散させたライニング層を金属結合してなり、前記軸材の室温から４００℃までの熱膨張係数が１０〜１５×１０ ^-6 ／℃、前記ライニング層の室温から４００℃までの熱膨張係数が７〜１３×１０ ^-6 ／℃であり、前記軸材の金属組織はベイナイトまたはマルテンサイトもしくはその両組織を面積率で２０％以上含むことを特徴とする成形機用プランジャ。