JP6044737B2 - 成形機用シリンダ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
鋼製円筒形状シリンダ内に、1〜5質量%のBを含有する40〜70質量部のニッケル基合金粉末、及び60〜30質量部の炭化タングステン粉末からなるライニング層用原料を装入し、
前記シリンダを5〜30 rpmで回転させながら前記ライニング層用原料を加熱溶融させ、
前記シリンダの回転数を上げて遠心鋳造することにより、前記シリンダの内面に、外周側のライニング層と内周側の粒子欠乏層とからなる遠心鋳造層を形成し、
前記粒子欠乏層を機械加工により除去する工程を有し、
前記ライニング層用原料の加熱溶融を、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、前記第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程により行うことを特徴とする。
(A) ライニング層の組成
ライニング層4は、ニッケル基合金の基地中に炭化タングステン粒子及びタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散した組織を有するので、ライニング層4全体の組成はその基地組成と異なる。ライニング層4が機械加工時の欠けを抑えて、優れた耐摩耗性及び耐食性を発揮するには、ライニング層4の組成(基地及び硬質粒子の両方を含む平均組成)は以下の通りであるのが好ましい。
CはWと結合し、炭化タングステン粒子及びタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Cが1.5質量%未満では炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の生成量が不足し、十分な耐摩耗性が得られない。一方、Cが4質量%を超えると、ライニング層4が脆くなるため加工性が低下する。C含有量は好ましくは2〜3.5質量%である。
Bは金属硼炭化物粒子の構成元素であり、耐摩耗性の向上及び粒子欠乏層の厚さを安定化させるのに寄与する。Bが0.5質量%未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Bが3.5質量%を超えるとライニング層4は脆くなり、加工性が低下する。Bの含有量は好ましくは1〜2.5質量%である。
Wは、Cと結合して炭化タングステン粒子を生成するだけでなく、B及びCと結合してタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Wが25質量%未満では炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子の生成量が不足し、十分な耐摩耗性が得られず、粒子欠乏層の厚さを十分に安定化できない。一方、Wが60質量%を超えるとライニング層4は脆くなり、加工性が低下する。Wの含有量は好ましくは35〜50質量%である。
Niは基地を形成する主要元素である。20質量%以上のNiを含有する基地は優れた耐食性を発揮する。Ni含有量は好ましくは25質量%以上であり、より好ましくは30質量%以上である。
CoはNiと同様にライニング層4に耐食性を付与する機能を有するとともに、基地に固溶して強度を向上させる。Coが1質量%未満ではこれらの効果は十分に得られない。一方、Coが15質量%を超えても効果は飽和し、経済的でない。Coの含有量はより好ましくは2〜10質量%である。
Crは主に基地に固溶して強度を向上させるだけでなく、クロムを主体とする金属硼炭化物粒子を生成する。Crが1質量%未満では強度向上の効果が得にくい。一方、Crが10質量%を超えるとクロムを主体とする金属硼炭化物粒子が過多となり、ライニング層4が脆くなる。Cr含有量のより好ましい範囲は2〜8質量%である。クロムを主体とする金属硼炭化物粒子の生成量はライニング層4の1面積%未満であれば良い。
Feは基地に固溶し、シリンダとの接合強度の向上に寄与する。少なくとも一部のFeは遠心鋳造により溶着する鋼製シリンダから侵入する。Feが1質量%未満では、シリンダとの接合強度が十分でない。一方、Feが7.5質量%を超えると耐食性が低下する。Feの含有量のより好ましい範囲は1〜7質量%である。Feの含有量の最も好ましい上限は6質量%である。
Siはライニング層4の基地に固溶し、硬さを増すことで、耐摩耗性の向上に寄与する。Siが0.1質量%未満ではこの効果が十分に得られない。一方、Siが3質量%を超えると、ライニング層4が脆くなる。Si含有量はより好ましくは0.5〜2.5質量%である。
Mnは0.1質量%以上あれば酸化物等の異物を除去する効果を十分発揮する。しかし、Mnが2質量%超えるとライニング層4の耐食性を損なうため好ましくない。Mn含有量はより好ましくは0.2〜1質量%である。
Cuは、ライニング層4の基地に固溶して強度を向上させる効果を有するが、5質量%超えるとライニング層4の耐食性を損なう。Cu含有量はより好ましくは0〜3質量%である。
金属硼炭化物粒子が析出した後のライニング層4の基地は好ましくは50質量%以上のニッケルを含有する。基地はNi以外に、Co、Cr、Si、C、B、Mn、W、Fe、Cu等を含有しても良い。ライニング層4の基地の好ましい組成は50〜75質量%のNi、2〜30質量%のCo、2〜20質量%のCr、0.2〜5質量%のSi、0.05〜1質量%のC、0.5〜3質量%のB、1〜5質量%のW、0.2〜5質量%のMn、2〜15質量%のFe、及び0〜10質量%のCuを含有し、残部が不可避的不純物である。Feは2〜10質量%がより好ましい。
(1) 炭化タングステン粒子
ライニング層4は、ニッケル基合金基地に20〜50面積%の炭化タングステン粒子及び1〜10面積%のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散した組織を有する。1〜10面積%の金属硼炭化物粒子により炭化タングステンの凝集が抑制され、遠心鋳造層3における粒子欠乏層5を薄くできるだけでなく、粒子欠乏層5の厚さを安定的に制御することができる。そのため、遠心鋳造層3を厚めに研削する必要がなくなるため、材料歩留が向上する。
金属硼炭化物粒子は、硼化タングステン粒子(WB)より基地との親和性が良いので、基地との接合強度が高く、脱落による耐摩耗性の劣化が発生しにくい。また、金属硼炭化物粒子により炭化タングステン粒子の凝集及び偏在を抑制でき、ライニング層4の耐摩耗性の均一化に寄与する。さらに、炭化タングステン粒子の凝集及び偏在を抑えることにより、遠心鋳造層3中の粒子欠乏層5の厚さを安定して制御できる。
(A) 原料粉末
(1) 合金粉末
合金粉末は少なくとも1〜5質量%のBを含有するNi基合金からなる。Bは合金粉末の融点を下げて合金溶湯の流動性を高める作用を有するだけでなく、金属硼炭化物粒子を生成して耐摩耗性の向上及び粒子欠乏層5の厚さの安定化に寄与する。Bが1質量%未満ではこれらの効果が十分に得られない。一方、Bが5質量%を超えるとライニング層4が脆くなる。Bの含有量は好ましくは2〜4質量%である。Ni基合金中のNiの含有量は50質量%以上が好ましい。合金粉末はさらに0.01〜1質量%のC、2〜20質量%のCr、0.2〜5質量%のSi、0.2〜5質量%のMn、及び2〜30質量%のCoを含有するのが好ましい。合金粉末はさらに0〜1質量%のFe、及び0〜5質量%のCuを含有しても良い。
炭化タングステン粉末の平均粒径は1.5〜15μmが好ましい。炭化タングステン粉末の平均粒径が15μmを超えるとライニング層4に含まれる炭化タングステン粒子の粒径が大きくなりすぎ、加工時に脱落しやすくなる。一方、炭化タングステン粉末の平均粒径が1.5μm未満では、ライニング層4の耐摩耗性の向上効果が不十分である。炭化タングステン粉末の平均粒径は7〜15μmがより好ましく、7〜12μmが最も好ましい。平均粒径の測定は、レーザ回析装置(マイクロトラック)を用いて測定した。また、微細な炭化タングステン粉末は、遠心鋳造前の加熱時(後述の第一の加熱工程)において、炭化タングステン粉末の表面の一部を溶解しやすく、これが遠心鋳造の際に、金属硼炭化物の析出に寄与するので、適量含まれるのが好ましい。炭化タングステン粉末の粒度分布は、粒径6μm以下のものが0.2〜20重量%含まれるのが好ましい。
ライニング層用原料として、40〜70質量部の合金粉末と60〜30質量部の炭化タングステン粉末とを配合する。合金粉末が70質量部超(炭化タングステン粉末が30質量部未満)の場合、ライニング層4は十分な耐摩耗性を有さない。一方、合金粉末が40質量部未満(炭化タングステン粉末を60質量部超)の場合、ライニング層4の硬度が高くなりすぎる。より好ましくは、合金粉末は40〜60質量部であり、炭化タングステン粉末は60〜40質量部である。
合金粉末と炭化タングステン粉末の混合粉末(ライニング層用原料)をSCM440等の鋼材からなる円筒形状シリンダ2内に装入し、5〜30 rpmで回転させながら加熱溶融させる。ライニング層用原料の加熱工程は、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程からなる。
ライニング層用原料を1140℃超1200℃未満と比較的高温に加熱することにより、炭化タングステン粒子の表面の一部を合金溶湯に十分に溶解させる。加熱温度が1140℃以下であると、炭化タングステンの溶解が不十分であり、また1200℃以上であると鋼製シリンダの侵食量が大きくなって、ライニング層4中の鉄濃度が高くなりすぎる。第一の加熱工程の加熱温度は好ましくは1150〜1190℃である。第一の加熱工程の加熱時間は10〜60分程度で良い。なお、第一の加熱工程では加熱温度が十分に高いので、不可避的に生成した合金酸化物は溶融し、遠心鋳造時に内周面側に分離してライニング層4中に残存しない。
加熱温度を1080℃以上1140℃以下と比較的低くすることにより、シリンダ2の侵食を抑制しつつ、炭化タングステン粒子の表面の一部をさらに合金溶湯に溶解させるとともに、合金溶湯中のW、B及びCの反応を十分に起こさせてタングステンを主体とする金属硼炭化物を析出させる。第二の加熱工程で金属硼炭化物の析出を十分に起こさせるために、加熱時間を60〜120分と比較的長くする。第二の加熱工程は比較的長時間行うので、シリンダ2の侵食を抑制するために加熱温度の上限を1140℃以下とする必要がある。加熱温度の上限は好ましくは1135℃である。また、加熱温度が1080℃未満だと、合金溶湯の流動性が低下し、回転による撹拌効果が低減し、金属硼炭化物粒子が十分に得られない。加熱温度の下限は好ましくは1100℃である。
第一及び第二の加熱工程の間、シリンダ2を5〜30 rpmと比較的低速で回転させることにより、シリンダ2の内面の侵食を抑制しつつ、合金溶湯の撹拌により炭化タングステンの溶解及び金属硼炭化物の析出を促進し、かつ合金溶湯温度を均一化することにより、析出する金属硼炭化物粒子の分布を均一化する。シリンダ2の回転数が5 rpm未満では撹拌作用が不十分であり、十分な量の金属硼炭化物粒子を均一に析出させることができない。一方、シリンダ2の回転数が30 rpmを超えると撹拌作用が過剰となり、金属硼炭化物粒子が粗大化するおそれがある。シリンダ2の好ましい回転数は5〜15 rpmである。
炭化タングステン粒子の表面の一部を溶解させつつタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を析出させた後、シリンダ2を1000 rpmを超える高速(例えば、1200〜2500 rpm)で回転させることにより遠心鋳造を行う。遠心鋳造中加熱を行わないので、合金溶湯は徐々に冷却され、金属硼炭化物粒子はさらに析出する。このようにして、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子が多く分散した外層側のライニング層4と、炭化タングステン粒子及び金属硼炭化物粒子が少ない内層側の粒子欠乏層5とからなる遠心鋳造層3が形成される。
本発明の方法により形成された遠心鋳造層3では粒子欠乏層5の厚さが安定しているので、機械加工により削除する遠心鋳造層3の厚さを少なくできる。これに対して、粒子欠乏層5の厚さが不均一であると、安全を取って粒子欠乏層5を超えてライニング層4も比較的多く削除しなければならず、その結果十分な厚さのライニング層4が得られない。このようにして、ニッケル基合金基地中に20〜50面積%の炭化タングステン粒子及び1〜10面積%のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子が分散したライニング層4を有する成形機用シリンダ1が得られる。
表1に示す組成を有する合金粉末をガスアトマイズ法により製造し、篩により分級することにより、表2に示す平均粒径を有する合金粉末を得た。各合金粉末に、純度99%以上で表2に示す平均粒径を有する炭化タングステン粉末を乾式混合した。表2に、ライニング層用原料における合金粉末と炭化タングステン粉末の配合量を示す。
○:脱落及び欠けが発生しなかった。
×:脱落又は欠けが発生した。
○:重量減少率が7%未満であった。
△:重量減少率が7%以上15%未満であった。
×:重量減少率が15%以上であった。
2・・・シリンダ
3・・・遠心鋳造層
4・・・ライニング層
5・・・粒子欠乏層
6・・・中空部
11・・・サンドペーパー
12・・・試験片の母材部分
13・・・試験片のライニング層部分
Claims (8)
- 鋼製円筒形状シリンダの内面に遠心鋳造法によりライニング層を形成した成形機用シリンダであって、前記ライニング層がニッケル基合金基地中に、20〜50面積%の炭化タングステン粒子及び1〜10面積%のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、前記炭化タングステン粒子が1.5〜15μmの平均粒径を有し、前記ライニング層が1〜7.5質量%のFeを含有することを特徴とする成形機用シリンダ。
- 請求項1に記載の成形機用シリンダにおいて、前記金属硼炭化物粒子が0.5〜4質量%のC、0.5〜6質量%のB、65〜85質量%のW、及び1〜20質量%のNiを含有することを特徴とする成形機用シリンダ。
- 請求項1又は2に記載の成形機用シリンダにおいて、前記金属硼炭化物粒子が0.5〜5μmの平均粒径を有することを特徴とする成形機用シリンダ。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の成形機用シリンダにおいて、前記ライニング層が1.5〜4質量%のC、0.5〜3.5質量%のB、25〜60質量%のW、1〜10質量%のCr、1〜15質量%のCo、0.1〜3質量%のSi、0.1〜2質量%のMn、及び0〜5質量%のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする成形機用シリンダ。
- 請求項4に記載の成形機用シリンダにおいて、前記ライニング層の基地が0.05〜1質量%のC、0.5〜3質量%のB 、1〜5質量%のW、2〜20質量%のCr、2〜30質量%のCo、0.2〜5質量%のSi、0.2〜5質量%のMn、2〜15質量%のFe、及び0〜10質量%のCuを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする成形機用シリンダ。
- ニッケル基合金基地中に、20〜50面積%の炭化タングステン粒子及び1〜10面積%のタングステンを主体とする金属硼炭化物粒子を含有する組織を有し、前記炭化タングステン粒子が1.5〜15μmの平均粒径を有し、かつ1〜7.5質量%のFeを含有するライニング層が形成された成形機用シリンダを製造する方法であって、
鋼製円筒形状シリンダ内に、1〜5質量%のBを含有する40〜70質量部のニッケル基合金粉末、及び60〜30質量部の炭化タングステン粉末からなるライニング層用原料を装入し、
前記シリンダを5〜30 rpmで回転させながら前記ライニング層用原料を加熱溶融させ、
前記シリンダの回転数を上げて遠心鋳造することにより、前記シリンダの内面に、外周側のライニング層と内周側の粒子欠乏層とからなる遠心鋳造層を形成し、
前記粒子欠乏層を機械加工により除去する工程を有し、
前記ライニング層用原料の加熱溶融を、1140℃超1200℃未満で加熱する第一の加熱工程と、前記第一の加熱工程に続く1080℃以上1140℃以下で加熱する第二の加熱工程により行うことを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の成形機用シリンダの製造方法において、前記合金粉末が0.01〜1質量%のC、1〜5質量%のB、2〜20質量%のCr、0.2〜5質量%のSi、0.2〜5質量%のMn、2〜30質量%のCo、0〜5質量%のCu、及び0〜1質量%のFeを含有し、残部がニッケル及び不可避的不純物からなることを特徴とする方法。
- 請求項6又は7に記載の成形機用シリンダの製造方法において、前記合金粉末が20〜300μmの平均粒径を有することを特徴とする方法。
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