JP5808648B2 - スクリューの製造方法およびスクリュー - Google Patents

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Description

本発明は、スクリューの製造方法およびスクリューに関する。
一般に、射出成形機の射出装置は、加熱シリンダ内で加熱され、溶融した成形材料（樹脂等）を射出ノズルから射出し、金型装置のキャビティ空間に充填するように構成される。
通常の射出装置のスクリューは、スクリューヘッド、スクリュー本体、スクリューヘッドの径方向外側に配置された逆止リング、およびスクリュー本体とスクリューヘッドの間に配設されたシールリング等で構成される（例えば特許文献１）。スクリューは、加熱シリンダ内で回転可能で、かつ進退可能となるように配設される。逆止リングは、加熱シリンダ内を軸方向に移動可能であるとともに、シールリングと接離可能となるように配設される。逆止リングおよびシールリングは、成形材料を射出する工程において、射出ノズルから成形材料を射出するためスクリューが前進した際に、スクリューヘッドよりも前方に存在する成形材料の一部が後方に逆流することを抑制する役割を有する。
特開２００７−２９０２８４号公報
前述のように構成される射出成形機において、該射出成形機の稼働中、スクリューヘッド、逆止リング、およびシールリング等の部材は、絶えず、相互に摺動および／または当接を繰り返している。このため、射出成形機を長時間稼働した後などにおいて、これらの部材の摩耗や当接による消耗が問題となる場合がある。
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、構成部材の摩耗や当接による消耗を有意に抑制することが可能な、スクリューの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明では、そのような特徴を有するスクリューを提供することを目的とする。
本発明では、スクリューヘッド、スクリュー本体、前記スクリューヘッドと前記スクリュー本体の間に設置されたシールリング、ならびに前端および後端を有し、前記前端が前記スクリューヘッドの側となり、前記後端が前記シールリングの側となるように配置された逆止リングであって、軸方向に移動可能な逆止リングを有するスクリューの製造方法であって、
（ｉ）重量比で、５〜９％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程と、
（ｉｉ）金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程と、
（ｉｉｉ）前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程と、
（ｉｖ）前記スクリューヘッド、前記逆止リング、および前記シールリングのうちの少なくとも一つの部材に、前記溶射粉末を用いて溶射を行い、前記いずれか一つの部材の少なくとも一部に溶射膜を形成する工程と、
（ｖ）前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を形成する工程と、
を有することを特徴とする製造方法が提供される。
本発明による製造方法において、前記第１の粉末の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
前記第２の粉末の粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であっても良い。
また、本発明による製造方法において、前記溶射膜は、前記スクリューヘッドの前記逆止リングの前端との当接位置、前記逆止リングの前記前端の前記スクリューヘッドとの当接位置、前記逆止リングの前記後端の前記シールリングとの当接位置、および前記シールリングの前記逆止リングの後端との当接位置の少なくとも一つの箇所に設置されていても良い。
さらに、本発明では、スクリューヘッド、スクリュー本体、前記スクリューヘッドと前記スクリュー本体の間に設置されたシールリング、ならびに前端および後端を有し、前記前端が前記スクリューヘッドの側となり、前記後端が前記シールリングの側となるように配置された逆止リングであって、軸方向に移動可能な逆止リングを有するスクリューであって、
前記スクリューヘッドの前記逆止リングの前端との当接位置、前記逆止リングの前記前端の前記スクリューヘッドとの当接位置、前記逆止リングの前記後端の前記シールリングとの当接位置、および前記シールリングの前記逆止リングの後端との当接位置の少なくとも一つの箇所には、溶射膜が設置され、
該溶射膜は、ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を含み（ただし、Ｍは、モリブデンおよび／またはタングステンである）、ホウ素Ｂの量は、５ｗｔ％〜９ｗｔ％の範囲であることを特徴とするスクリューが提供される。
本発明では、構成部材の摩耗や当接による消耗を有意に抑制することが可能な、スクリューの製造方法を提供することができる。また、本発明では、そのような特徴を有するスクリューを提供することができる。
本発明に係る製造方法により製造されたスクリューを備える射出装置の一例を概略的に示した図である。 本発明に係るスクリューの製造方法の一例を概略的に示した図である。 耐摩耗性評価試験装置の構成を概略的に示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を説明する。
図１には、本発明に係る製造方法により製造されたスクリューを備える射出装置の一例の断面図を概略的に示す。
図１に示すように、本発明に係る製造方法により製造されたスクリューを備える射出装置１００は、加熱シリンダ１１１内にスクリュー１１２を備える。加熱シリンダ１１１は、延伸軸Ｌ１１を有するシリンダ部材で構成され、ホッパ（図示されていない）から成形材料（例えば樹脂）が供給される。また、スクリュー１１２は、前記延伸軸Ｌ１１に沿って、加熱シリンダ１１１内を進退可能に、および回転可能に配設される。
スクリュー１１２は、スクリュー本体１１３と、スクリューヘッド１３１と、逆止リング１４０と、シールリング１４５とを有する。スクリュー本体１１３は、径方向外側に突出し螺旋状に形成されたフライト１４８に沿った、螺旋状の溝１４９を有する。スクリューヘッド１３１は、シールリング１４５の前端に取り付けられ、先端部１３２と、縮径部１３９とを有する。スクリューヘッド１３１の先端部１３２には、延伸軸Ｌ１１と平行な水平溝（図示されていない）が複数形成されている。逆止リング１４０は、スクリューヘッド１３１の縮径部１３９の径方向外側に、加熱シリンダ１１１の軸Ｌ１１方向に移動可能に配設される。シールリング１４５は、スクリュー本体１１３とスクリューヘッド１３１の縮径部１３９との間（スクリュー本体１１３と逆止リング１４０との間でもある）に配置される。
射出装置１００の動作の際には、前記スクリュー１１２がモータ（図示されていない）の駆動により回転される。これにより、ホッパ（図示されていない）から加熱シリンダ１１１内に供給された成形材料は、螺旋溝１４９内を図１の矢印１６０の方向に前進する。成形材料は、加熱シリンダ１１１内を前進中に溶融し、混練される。
また、成形材料の圧力により、逆止リング１４０の前端は、スクリューヘッド１３１の先端部１３２の後端に当接する。このため、成形材料は、逆止リング１４０とスクリューヘッド１３１の縮径部１３９の間の隙間１４２を通り、さらに、先端部１３２の水平溝を通過する。成形材料は、スクリューヘッド１３１の先端部１３２の前方に蓄えられ、蓄えられた成形材料によってスクリュー１１２が後進する。
そして、モータ（図示されていない）を駆動させると、スクリュー１１２が矢印１６０の方向に前進する。それに伴って、スクリューヘッド１３１の前方に蓄えられた成形材料が、射出ノズル（図示されていない）から射出され、金型装置（図示されていない）のキャビティ空間に充填される。成形材料は、その後、キャビティ空間において冷却固化され、成形品が形成される。
ところで、スクリュー１１２を前進させ、射出ノズル（図示されていない）から成形材料を射出する際に、スクリューヘッド１３１より前方に蓄えられた成形材料の一部が後方に逆流しようとする。
しかしながら、この場合、成形材料の逆流の圧力により、逆止リング１４０は、後端がシールリング１４５の前端に押し付けられる。従って、シールリング１４５と逆止リング１４０の当接部よりも前方側と後方側とが密閉され、加熱シリンダ１１１内で成形材料が後方に逆流することが回避される。なお、スクリュー１１２が後退した際に、逆止リング１４０がスクリュー１１２から抜けないようにするため、逆止リング１４０の内径は、スクリューヘッド１３１の先端部１３２の最大外径よりも小さくなるように構成される。
ここで、通常の射出成形機では、該射出成形機の稼働中、スクリューヘッドの先端部、逆止リング、およびシールリング等の部材は、絶えず、相互に摺動および／または当接を繰り返すことになる。このため、射出成形機を長時間稼働した後などにおいて、これらの部材の摩耗や当接による消耗が問題となる場合がある。
しかしながら、本発明によるスクリュー１１２では、スクリューヘッド１３１の先端部１３２、逆止リング１４０、およびシールリング１４５のうちの少なくとも一つの部材の少なくとも当接部に、溶射膜が設置されているという特徴を有する。
例えば図１の例では、スクリューヘッド１３１の先端部１３２において、逆止リング１４０と当接する領域Ａ、逆止リング１４０において、スクリューヘッド１３１の先端部１３２と当接する領域Ｂ１およびシールリング１４５と当接する領域Ｃ、ならびにシールリング１４５の逆止リング１４０と当接する領域Ｄに溶射膜が設置されている。さらに、図１の例では、逆止リング１４０の前端側において、スクリューヘッド１３１の先端部１３２と直接当接しない領域Ｂ２にも、溶射膜が設置されている。
また、この溶射膜は、金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を含んでおり、後に詳しく説明するように、良好な耐摩耗性およびじん性を有する。
このため、本発明によるスクリュー１１２では、構成部材の摩耗や当接による消耗を有意に抑制することが可能となる。また、これにより、各構成部材の交換頻度が減少し、射出成形機１００の寿命を改善することが可能となる。
（本発明による射出成形機の製造方法）
次に、図２を参照して、本発明によるスクリュー１１２の製造方法の一例について説明する。
図２には、本発明による射出成形機の製造方法の一例を概略的に示す。
図２に示すように、本発明による方法は、重量比で、５〜９％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびベース材としてＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程（ステップＳ１１０）と、金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程（ステップＳ１２０）と、前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程（ステップＳ１３０）と、スクリューヘッド、逆止リング、およびシールリングのうちの少なくとも一つの部材に、前記溶射粉末を用いて溶射を行い、前記いずれか一つの部材の少なくとも一部に溶射膜を形成する工程（ステップＳ１４０）と、前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を形成する工程（ステップＳ１５０）と、を有する。以下、各ステップについて、詳しく説明する。
（ステップＳ１１０）
まず、第１の粉末が準備される。第１の粉末は、重量比で、５〜９％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、および４〜５％のＳｉ（ケイ素）を含むＮｉ（ニッケル）合金である。
第１の粉末の粒径は、特に限られないが、例えば粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であっても良い。このような粒径範囲内の粉末は、篩いによる篩い分けにより、容易に得ることができる。
（ステップＳ１２０）
次に、金属元素Ｍを含む第２の粉末が準備される。金属元素Ｍは、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である。
第２の粉末の粒径は、特に限られないが、例えば粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であっても良い。このような粒径範囲内の粉末は、篩いによる篩い分けにより、容易に得ることができる。
（ステップＳ１３０）
次に、第１の粉末と第２の粉末が混合され、溶射粉末が調製される。第２の粉末は、第１の粉末に対して、金属元素Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合されることが好ましい。
混合の方法は、特に限られない。
（ステップＳ１４０）
次に、ステップＳ１３０で調製された溶射粉末を用いて、対象部材の表面に溶射膜が設置される。
対象部材は、スクリューヘッド１３１、逆止リング１４０、およびシールリング１４５のうちの少なくとも一つである。また、溶射施工箇所は、スクリューヘッド１３１の場合は、先端部１３２の逆止リング１４０との当接位置（図１のＡ参照）であり、逆止リング１４０の場合は、スクリューヘッド１３１の先端部１３２との当接部および／またはシールリング１４５との当接部（それぞれ、図１のＢ１およびＣ参照）であり、シールリング１４５の場合、逆止リング１４０との当接位置（図１のＤ参照）である。ただし、以上の表記は、最小の溶射施工領域であり、さらに、他の位置に溶射することも可能である。例えば、逆止リング１４０の前端側であって、スクリューヘッド１３１の先端部１３２とは当接しない領域（図１のＢ２参照）、逆止リング１４０のスクリューヘッド１３１の縮径部１３９と対向する面、および／または逆止リング１４０の加熱シリンダ１１１の内面と対向する面等に、溶射膜を設置しても良い。
溶射の方法は、特に限られず、溶射は、プラズマ溶射、フレーム溶射、または爆発溶射等であっても良い。また、溶射条件は、特に限られず、溶射は、従来の一般的な条件で行われても良い。なお、溶射の前に、対象部材の表面に対して、ブラスト処理等の前処理を実施しても良い。
なお、本願において、各箇所に溶射された溶射膜中に含まれる各元素、特にＢ（ホウ素）、Ｗ（タングステン）、およびＭｏ（モリブデン）の濃度は、以下の方法で測定することができる。
まず、測定対象の溶射膜を施工箇所から剥離し、粉砕する。次に、粉砕された溶射膜サンプルを秤量して、酸溶液中に溶解する。
この溶射膜サンプルが溶解した溶液中に含まれる所望の元素の濃度を、誘導結合プラズマ発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＩＣＰ−ＡＥＳ）により分析する。
（ステップＳ１５０）
次に、溶射膜が熱処理される。
溶射膜の熱処理は、溶射膜中のホウ素と金属元素Ｍとを反応させて、金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を生成させるために実施される。
溶射膜の熱処理条件は、特に限られず、熱処理は、従来の一般的な条件で行われても良い。例えば、熱処理は、溶射膜を真空中、１２００℃以上の温度に保持することにより行われても良い。
これにより、溶射膜中に金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）が形成される。この金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）は、溶射膜の耐摩耗性の向上に寄与する。特に、本発明では、溶射合金に、金属Ｗ（タングステン）および／または金属Ｍｏ（モリブデン）を添加している。これらの金属は、熱力学的にＢ（ホウ素）と結びつきやすい元素であり、このため、本発明では、金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を比較的容易に生成させることができる。
なお、これまで、溶射膜の耐摩耗性を高めるためには、溶射合金中のホウ素、および該ホウ素との間で金属ホウ化物を形成する金属元素Ｍは、できる限り多く含有させることが望ましいと考えられてきた。
しかしながら、本願発明者らは、溶射膜に含まれる金属ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）が逆に多くなりすぎると、溶射膜の引張強度が低下し、じん性が低下する危険性があることを見出している。従って、本発明では、Ｎｉ−Ｂ系合金に含まれるＢの量が６ｗｔ％〜８ｗｔ％に抑制されている。これにより、溶射膜のじん性をあまり低下させずに、高い耐摩耗性を発現させることができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
以下の方法で、溶射合金を調製した。
まず、粒径が４５μｍ〜９０μｍの範囲にあるＮｉ−Ｂ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末（第１の粉末：純度９９．８％）と、粒径が１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲にあるタングステン粉末（第２の粉末：純度９９．８％）とを準備した。第１の粉末の組成は、Ｎｉ−６ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。
次に、ミキサーに、第１の粉末および第２の粉末を入れ、これらを混合した。第１および第２の粉末は、混合物中のタングステンとホウ素のモル比（Ｗ：Ｂ）が１：１となるように添加した。
次に、得られた混合合金粉末を用いて、基材上にプラズマ溶射を行った。基材には、ＳＣＭ４４０材（Ｃｒ−Ｍｏ綱）を使用した。溶射前に、基材の被溶射面にブラスト処理を行った。
プラズマ溶射は、以下のような一般的な条件で実施した：
電流；５００Ａ、
電圧；６５Ｖ、
キャリアガス（アルゴンガス）流量；１８．５ＳＣＦＨ、
燃料供給用水素流量；１５ＳＣＦＨ。
溶射膜の厚さは、１ｍｍを目標とした。
次に、得られた溶射膜を高温（１２００℃以上）の真空中に保持し、熱処理を行った。熱処理後には、溶射膜中のタングステンとホウ素が反応し、ホウ化物（ＷＢ）が生じていることが確認された。
以上の方法で得られた溶射試料を、実施例１に係る試料と称する。
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、実施例２に係る試料を作製した。ただし、実施例２では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ−８ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。
（比較例１）
実施例１と同様の方法により、比較例１に係る試料を作製した。ただし、比較例１では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ−３ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。
（比較例２）
実施例１と同様の方法により、比較例２に係る試料を作製した。ただし、比較例２では、第１の粉末の組成は、Ｎｉ−１０ｗｔ％Ｂ−１０ｗｔ％Ｃｒ−４．５ｗｔ％とした。その他の作製条件は、実施例１と同様である。
（評価）
次に、得られた各試料を用いて、耐摩耗性の評価試験を行った。
耐摩耗性の評価は、比摩耗量Ｓを指標とし、以下に示す方法により実施した。
図３には、試験装置３００の構成を概略的に示す。図３に示すように、試験装置３００は、試料３１０の上部に配置されたリング３２０で構成される。
この試験装置３００を用いて、試料３１０の上から、加重ｗでリング３２０を押し付けた状態で、リング３２０を２．４ｍ／秒の回転速度で回転させる。所定の時間後に、リング３２０の回転を停止し、試料３１０の損耗体積Ｖを測定する。
損耗体積Ｖを用いて、以下の（１）式から、比摩耗量Ｓを算出する：

Ｓ＝Ｖ／ｗ・Ｌ （１）式

ここで、Ｌは、リング３２０の摺動距離（すなわち試料３１０とリング３２０とが摺動した距離）であり、試験時間から算出することができる。
（１）式から、比摩耗量Ｓは、耐摩耗性の指標となり、比摩耗量Ｓが小さいほど、試料３１０の耐摩耗性が優れることになる。
なお、試験の際に、潤滑剤は、使用していない。
結果を表１に示す。
Figure 0005808648
 この耐摩耗性の評価試験結果から、実施例１および実施例２に係る試料は、比較例２に係る試料とほぼ同等の耐摩耗性を有することがわかる。一方、比較例１に係る試料は、他の試料に比べて、耐摩耗性が劣ることがわかった。比較例１に係る試料は、溶射合金中に含まれるホウ素Ｂの量が３ｗｔ％と少なくなっている。このことから、比較例１に係る試料では、熱処理によって生成するタングステンホウ化物の量が少なく、十分な耐摩耗性向上効果が得られなかったものと考えられる。
次に、得られた各試料を用いて、じん性の評価試験を行った。
じん性の評価は、３点曲げ試験により実施した。すなわち、試料の上から、クロスヘッド移動速度１ｍｍ／分で、試料に荷重を加えて行き、試料が破壊した際の荷重と試料の断面積から、破壊応力（抗折力）を求めた。支点間距離は、２０ｍｍとした。なお、抗折力は、４本以上の同一試料における平均値として算出した。
結果を前述の表１に示す。
このじん性の評価試験結果から、実施例１および実施例２に係る試料では、比較例１および比較例２に係る試料に比べて、抗折力が有意に向上していることがわかる。これは、比較例２に係る試料では、熱処理によって金属ホウ化物が多量に生成されたためであると考えられる。これに対して、実施例１および実施例２に係る試料では、金属ホウ化物の過剰な生成が回避され、じん性の低下が有意に抑制されたものと考えられる。
このように、本発明による溶射合金を使用することにより、耐摩耗性とじん性がともに良好な溶射膜を得ることができることが確認された。
本発明は、射出成形機等に適用することができる。
１００ 射出装置
１１１ 加熱シリンダ
１１２ スクリュー
１１３ スクリュー本体
１３１ スクリューヘッド
１３２ 先端部
１３９ 縮径部
１４０ 逆止リング
１４２ 隙間
１４５ シールリング
１４８ フライト
１４９ 螺旋状の溝
３００ 試験装置
３１０ 試料
３２０ リング
Ｌ１１ 延伸軸。

Claims (3)

  1. スクリューヘッド、スクリュー本体、前記スクリューヘッドと前記スクリュー本体の間に設置されたシールリング、ならびに前端および後端を有し、前記前端が前記スクリューヘッドの側となり、前記後端が前記シールリングの側となるように配置された逆止リングであって、軸方向に移動可能な逆止リングを有するスクリューの製造方法であって、
    （ｉ）重量比で、５〜６％のＢ（ホウ素）、９〜１１％のＣｒ（クロム）、４〜５％のＳｉ（ケイ素）、およびＮｉ（ニッケル）を含む第１の粉末を準備する工程と、
    （ｉｉ）金属元素Ｍを含む第２の粉末を準備する工程であって、第２の粉末は、Ｗ（タングステン）および／またはＭｏ（モリブデン）である、工程と、
    （ｉｉｉ）前記第１および第２の粉末を混合して、溶射粉末を得る工程であって、前記第２の粉末は、前記第１の粉末に対して、Ｍ：Ｂ（ホウ素）がモル比で、０．７５：１〜１：１となるように混合される、工程と、
    （ｉｖ）前記スクリューヘッド、前記逆止リング、および前記シールリングのうちの少なくとも一つの部材に、前記溶射粉末を用いて溶射を行い、前記いずれか一つの部材の少なくとも一部に溶射膜を形成する工程と、
    （ｖ）前記溶射膜を熱処理して、ホウ化物Ｎｉ（ＭｘＢｙ）を形成する工程と、
    を有することを特徴とする製造方法。
  2. 前記第１の粉末の粒径は、４５μｍ〜９０μｍの範囲であり、および／または
    前記第２の粉末の粒径は、１３．５μｍ〜１７．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記溶射膜は、前記スクリューヘッドの前記逆止リングの前端との当接位置、前記逆止リングの前記前端の前記スクリューヘッドとの当接位置、前記逆止リングの前記後端の前記シールリングとの当接位置、および前記シールリングの前記逆止リングの後端との当接位置の少なくとも一つの箇所に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
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