JP6794833B2 - 成形機用複合シリンダ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1に示すように、成形機用複合シリンダ1は、円筒状外層2と、その内面に遠心鋳造法により形成された内層3とを有し、内層3は中央に中空部4を有する。遠心鋳造法により形成された内層3は外層2に金属結合している。外層2の外側面には、ノズル等の部材を接合するためのネジ穴等(図示せず)が設けられている。
(A) Ni基合金の組成
(1) 必須元素
内層3を形成するNi基合金は、必須元素として質量基準で0.05〜1%のC、0.5〜6%のSi、0.1〜3%のMn、1〜20%のCr、1.5〜4%のB、1〜15%のCo、5〜40%のFe、及び0.02〜0.2%のVを含有し、残部が実質的にNi及び不可避的不純物からなる。ここで使用する用語「Ni基合金」とは、Niが最も含有量が多い元素である合金を意味する。
Cは主にCrと結合して硬質炭化物(及び炭硼化物)を形成し、Ni基合金の耐摩耗性を向上させる。また、Cの一部は基地に固溶し、基地の硬さと強度を向上させる。Cが0.05質量%未満ではCの添加効果は十分でない。一方、Cが1質量%を超えると内層3は脆くなるだけでなく、強度が低下し、割れが発生するおそれがある。C含有量の下限は0.1質量%が好ましい。また、C含有量の上限は0.5質量%が好ましい。
SiはNi基合金の融点を低下させ、遠心鋳造時においてNi基合金の流動性を高め、外層2の内面全周に均一な厚みの内層3を形成しやすくする。またSiはNiと金属間化合物を形成して基地中に析出するため、耐摩耗性を向上させる。Siが0.5質量%未満では十分な効果が得られない。一方、Siが6質量%を超えるとNi基合金の強度が低下し、内層3に割れが発生するおそれがある。Si含有量の下限は1質量%が好ましい。また、Si含有量の上限は4質量%が好ましい。
Mnは脱酸剤として作用し、内層3の凝固時に発生する酸素ガスによる鋳造欠陥を抑制する。Mnが0.1質量%未満では十分な効果が得られない。一方、3質量%超えるMnは内層3の耐食性を損なう。Mn含有量の下限は0.6質量%が好ましい。また、Mn含有量の上限は2質量%が好ましい。
CrはBと結合して硬質の硼化物を形成するとともに、C及びBと結合して硬質の炭硼化物を形成し、Ni基合金の硬さを増大させ、耐摩耗性を向上させる。このように本発明の内層用Ni基合金は硬質の硼化物及び/又は炭硼化物を含有するが、本明細書において単に「硼化物」という場合、硼化物と炭硼化物の両方を含むものとする。なお、本発明の内層用Ni基合金は炭化物を含有しても良い。
ホウ素(B)はNi基合金の融点を低下させ、遠心鋳造時においてNi基合金の流動性を高め、外層2の内面全周に均一な厚みの内層3を形成しやすくする。またBはCr、Ni、Fe、V等と結合して組織中に高硬度硼化物を形成し、内層3の硬さを増大させ、耐摩耗性を向上させる。Bが1.5質量%未満では十分な効果が得られない。一方、Bが4質量%を超えると硼化物が過多となり、内層3の強度は著しく低下し、割れが発生するおそれがある。B含有量の下限は2.2質量%が好ましく、2.6質量%がより好ましい。また、B含有量の上限は3.5質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、2.95質量%が最も好ましい。
Coは基地に固溶し、Ni基合金の耐食性及び強度を向上させる。Coが1質量%未満では十分な効果が得られない。一方、Coが15質量%を超えても効果は飽和し、製造コストが上昇するだけである。Co含有量の下限は5質量%が好ましい。また、Co含有量の上限は12質量%が好ましい。
基地に固溶するFeは内層3の熱膨張係数を低下させ、内層3内面の圧縮残留応力を増大させる。また、Feの一部は外層2との溶着反応により外層2から侵入することがある。Feが5質量%未満では、内層3内面の圧縮残留応力が不足し、内層3の割れ抑制に十分な効果が得られない。一方、Feが40質量%を超えるとNi基合金の耐食性が著しく低下するとともに、耐摩耗性が劣化する。Fe含有量の下限は10質量%が好ましく、15質量%がより好ましく、20質量%が最も好ましく、23質量%が特に好ましい。一方、Fe含有量の上限は35質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。
VはNi基合金の組織を微細化する作用を有する。遠心鋳造した内層3が凝固する際、粗大なニッケル基デンドライトの生成を抑制し、内層3を形成するNi基合金の組織を微細にし、もって内層3の強度を高める。ここで使用する用語「ニッケル基デンドライト」は、ニッケルを主体とするデンドライトを意味する。Vが0.02質量%未満の場合、Ni基合金の組織を微細化する効果が乏しく、組織中に粗大なデンドライトが生成する。内層3の内面に漏出したデンドライトは射出成形時に優先的に腐食し、破壊の起点となる凹部となり、内層3の割れが発生しやすくなる。一方、Vが0.2質量%を超えると、粗大なバナジウム硼化物が生成し、内層3を脆化させ、強度を低下させる。V含有量の下限は0.03質量%が好ましく、0.04質量%がより好ましい。また、V含有量の上限は0.1質量%が好ましい。
Niは耐摩耗性及び耐食性を与える合金の主成分である。合金中の全ての元素の中で、Niの含有量が最も多ければ良いが、優れた耐摩耗性及び耐食性を有する合金とするためには、Ni含有量は45質量%以上が好ましく、50質量%以上がより好ましい。
FeはNi基合金の熱膨張係数を低下させる作用を有するので、Fe/Ni比はNi基合金の熱膨張係数に大きく影響する。また、後述するように、内層3の熱膨張係数と外層2の熱膨張係数との関係により、内層3内面の圧縮残留応力が決まる。内層3内面に所望の圧縮残留応力を生じさせるために、内層3を形成するNi基合金におけるFe/Ni比を0.35〜0.9とするのが好ましい。Fe/Ni比が0.35未満ではNi基合金の熱膨張係数の低下作用が十分でなく、内層3内面の圧縮残留応力が不足し、内層3の割れを抑制する効果が不十分である。一方、Fe/Ni比が0.9を超えると相対的にNi含有量が低下し、Ni基合金の耐食性が低下するので好ましくない。Fe/Ni比のより好ましい下限は0.5であり、より好ましい上限は0.7である。
Fe含有量が増えるほど、相対的にNiの含有量が低下し、Ni基合金の耐食性が低下する。そこで、Coを適量含有させることにより、Ni基合金の耐食性を向上させることができる。すなわち、Co/Ni比を最適化することにより、5〜40質量%のFeを含有していても優れた耐食性を有するNi基合金を得ることができる。Co/Ni比は0.15〜0.5が好ましい。Co/Ni比が0.15未満では、Feによる耐食性低下を十分に抑制できない。一方、Co/Ni比が0.5を超えても耐食性向上効果は飽和し、高価なCoの含有によるコスト増が生じるだけである。Co/Ni比の上限はより好ましくは0.4であり、最も好ましくは0.3である。
内層3を形成するNi基合金は、任意元素として質量基準で0.1%以下のNb、0.05%以下のMo、0.1〜4%のCu、及び0.01〜5%のWからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を含有しても良い。
(a) ニオブ(Nb):0.1質量%以下
NbはVと同様にNi基合金の組織を微細化し、内層3の強度を高める効果を有する。従って、Nbを添加する場合、VとNbとの合計が0.02〜0.2質量%となるように、その量を設定するのが好ましい。しかし、Nbが0.1質量%を超えると、粗大なニオブ硼化物が生成し、内層3を脆化させるだけでなく、強度を低下する。従って、Nb含有量は0.1質量%以下が好ましい。Nb含有量は0.05質量%以下がより好ましい。
MoはVと同様にNi基合金の組織を微細化する効果を有するので、Ni基合金に0.05質量%以下のMoを添加しても良い。しかし、Moが0.05質量%を超えると、内層3が脆化するだけでなく、強度も低下する。Mo含有量は0.03質量%以下がより好ましい。
CuはNi基合金の耐食性を向上させる作用を有するので、0.1〜4質量%のCuをNi基合金に添加しても良い。しかし、Cuが4質量%を超えると、耐食性向上効果が飽和するだけでなく、内層3の強度が低下し、割れが発生しやすくなる。Cu含有量の下限は0.5質量%がより好ましく、Cu含有量の上限は2質量%がより好ましい。
WはBと結合して硼化物を形成し、Ni基合金の硬さを増大させる。また、Wの一部はCと結合して炭化物を形成する。従って、0.01〜5質量%のWをNi基合金に添加しても良い。しかし、Wが5質量%を超えると硼化物が過多となり、溶湯の流動性が低下し、鋳造欠陥が発生しやすくなる。W含有量の下限は0.1質量%がより好ましく、W含有量の上限は3質量%がより好ましい。
(3) 不可避的不純物
不可避的な不純物元素として、リン(P)、硫黄(S)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)等を合計で0.1質量%以下含んでもよい。
上記組成を有するNi基合金を円筒状外層2の内面に遠心鋳造してなる内層3は、ニッケルを主体とした基地に、硼化物が合計面積率で20〜60%分散した組織を有するのが好ましい。硼化物を構成する金属元素は主にNi、Cr、V、Fe、W等である。硼化物の合計面積率が20%未満であると、Ni基合金は十分な耐摩耗性を発揮しない。一方、硼化物の合計面積率が60%超であると、Ni基合金は硬すぎて、靱性が不足する。硼化物の合計面積率のより好ましい下限は30%であり、より好ましい上限は55%である。なお、硼化物の合計面積率は、Ni基合金のSEM写真をMedia Cybernetics社製のImage-Pro Plus ver. 7.0の画像処理ソフトを使用して二値化し、所定の黒さ以上の粒子部分を硼化物又は炭硼化物と判定することにより求めた。
内層合金の組織中に粗大なニッケル基デンドライトが生成するのを抑制するのが好ましい。粗大なニッケル基デンドライトとは、図4に示すように樹枝状の晶出物10であり、その長軸(幹)の長さDLが0.3 mm以上のものを言う。内層3を形成するNi基合金の組織中に粗大なデンドライトが生成すると、射出成形工程でデンドライトが優先的に腐食し、内層3の内面に凹部ができる。凹部に応力が集中するので、破壊の起点となりやすい。従って、内層3を形成するNi基合金の組織中に長軸長さが0.3 mm以上のニッケル基デンドライトを含まないのが望ましく、長軸長さが0.2 mm以上のデンドライトを含まないのがより望ましい。
内層3は内面に100〜300 MPaの周方向の圧縮残留応力を有するのが好ましい。内層3内面における周方向の圧縮残留応力が100 MPa未満では、成形時に内層3に割れが発生しやすい。一方、上記圧縮残留応力が300 MPaを超えると、内層3と外層2の接合境界付近で外層2に過大の周方向引張残留応力がかかり、外層2が疲労し、内層3が剥離するおそれがある。
外層2は、内層3を強固に保持するとともに成形時における内層3の割れを防止するように、高耐力の鋼により形成するのが好ましい。このような高耐力の鋼として、炭素鋼又は非調質鋼が好ましく、特に非調質鋼が好ましい。
外層2を形成する非調質鋼は、一般に0.3〜0.6質量%のC、0.01〜1%のSi、0.1〜2%のMn、及び0.05〜0.5質量%のVを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる組成を有する。非調質鋼はさらに、任意元素として、0.01〜1質量%のCr、0.01〜1質量%のCu及び0.01〜1質量%のNbからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有しても良い。
(a) C:0.3〜0.6質量%
Cは鋼基地を強化する作用を有する。C含有量が0.3質量%以上であると、十分な強化効果が認められる。一方、Cが0.6質量%を超えると、炭化物の過剰な析出を招き、非調質鋼の靭性を低下させる。
Siは基地組織に固溶し、非調質鋼を強化する作用を有する。Si含有量が0.01質量%以上であると、十分な強化効果が認められる。一方、Siが1質量%を超えると、非調質鋼の靭性は低下する。
Mnは非調質鋼を強化する元素である。Mn含有量が0.1質量%以上であると、十分な強化効果が認められる。一方、Mnが2質量%を超えると、非調質鋼の靭性は低下する。
Vは非調質鋼中に微細な炭化物として析出し、非調質鋼の耐力を向上させる。V含有量が0.05質量%以上であると、十分な耐力向上効果が認められる。一方、0.5質量%超のVを含有すると、非調質鋼の靭性は低下する。外層2の靭性が低すぎると、内層3に発生した割れが外層2に伝播しやすくなる。
(a) Cr:0.01〜1質量%
Crは非調質鋼を強化する元素である。Cr含有量が0.01質量%以上であると、十分な強化効果が認められる。一方Crが1質量%超えると、非調質鋼の靭性は低下する。
Cuは非調質鋼を強化する元素である。Cu含有量が0.01質量%以上であると、十分な強化効果が認められる。一方、Cuが1質量%を超えると、非調質鋼の靭性は低下する。
NbはVと同様に非調質鋼の耐力を向上させる作用を有する。Nb含有量が0.01質量%以上であると、十分な耐力向上効果が認められる。一方、Nbは、1質量%を超えて含ませると靭性を低下させる。外層2の靭性が低すぎると、内層3に発生した割れが外層2に伝播しやすくなる。
外層2は36〜50の硬さHSを有するのが好ましい。高硬度の外層2は優れた耐力を有する傾向がある。硬さHSが36未満では外層2の耐力が不足し、成形時に内層3の割れが発生しやすくなる。一方、硬さHSが50を超えると、外層2の被削性が低下し、ネジ加工が困難となる。
外層2は490〜790 MPaの耐力を有するのが好ましい。耐力が490 MPa未満では、外層2の疲労強度が不足し、成形時に内層3に割れが発生しやすくなる。一方、耐力が790 MPaを超えると、外層2の被削性が低下し、ネジ加工が困難となる。
外層2及び内層3の熱膨張係数の差により、遠心鋳造後に冷却する過程で外層2及び内層3の熱収縮に差が生じ、その結果内層3の内面に圧縮残留応力が生じる。内層3に所望の圧縮残留応力を付与するためには、外層2の20℃から600℃における熱膨張係数Bと、内層3の20℃から600℃における熱膨張係数Aとの差(B−A)は1×10-6/℃〜3×10-6/℃であるのが好ましい。B−Aの値を正にする(内層3の熱膨張係数Aを外層2の熱膨張係数Bより小さくする)ことにより、内層3に圧縮残留応力を付与できる。B−Aの値が1×10-6/℃未満では、内層3に十分な圧縮残留応力が付与できず、内層3の割れが発生しやすい。一方、B−Aの値が3×10-6/℃を超えると、内層3と外層2の接合境界付近で外層2の円周方向の引張残留応力が過大となり、成形時に内層3近傍の外層2が疲労変形し、内層3の剥離が発生しやすい。B−Aの値のより好ましい範囲は1.5×10-6/℃〜2.5×10-6/℃である。
Ni基合金溶湯を円筒状外層2内に直接導入するか、Ni基合金の粉末を外層2内に封入した後加熱溶融し、次いで遠心鋳造機で所定の回転数で円筒状外層2を回転させることにより、外層2の内面にNi基合金を強固に金属結合させ、内層3を形成する。
外径95 mm、内径34 mm及び長さ1000 mmの円筒状外層を炭素鋼(S45C)及び非調質鋼によりそれぞれ形成した。炭素鋼は、0.45質量%の炭素、0.25質量%のケイ素、及び0.72質量%のマンガンを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、20℃から600℃における熱膨張係数が16.0×10-6/℃であった。また非調質鋼は、0.45質量%のC、0.30質量%のSi、1.21質量%のMn及び0.12質量%のVを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、20℃から600℃における熱膨張係数が14.0×10-6/℃であった。前記炭素鋼からなる外層を実施例1及び比較例1の複合シリンダに用い、前記非調質鋼からなる外層を実施例2及び3の複合シリンダに用いた。
(2) 内層のロックウェル硬さHRC。
(3) 内層の圧縮残留応力。
(4) 外層の20℃から600℃における平均熱膨張係数(×10-6/℃)。
(5) 20℃から600℃における外層の平均熱膨張係数Bと内層の平均熱膨張係数Aとの差(×10-6/℃)。
◎:1×106回の成形でも内層に割れ及び剥離が生じなかった。
○:1×105回の成形でも内層に割れ及び剥離が生じなかったが、1×106回の成形では内層に割れ又は剥離が生じた。
×:1×105回未満の成形で内層に割れ又は剥離が生じた。
1×105回の成形を行った後に、シリンダの軸方向中央部(摩耗量が最大)における内径を測定し、内層の摩耗量(mm)を(D0−D1)/2の式(ただし、D0は成形前のシリンダの内径であり、D1は成形により摩耗した後のシリンダの内径である。)により求めた。
◎:摩耗量が0.25 mm以下であった。
○:摩耗量が0.25 mm超、0.5 mm以下であった。
×:摩耗量が0.5 mm超であった。
1×105回の成形を行った後に、シリンダの射出側先端部(腐食が最大)における内径を測定し、内層の腐食量(mm)を(D0−D2)/2の式(ただし、D0は成形前のシリンダの内径であり、D2は成形により腐食した後のシリンダの内径である。)により求めた。
◎:腐食量が0.025 mm以下であった。
○:腐食量が0.025 mm超、0.05 mm以下であった。
×:腐食量が0.05 mm超であった。
2・・・外層
3・・・内層
4・・・中空部
10・・・デンドライト
A・・・基地
B・・・硼化物
C・・・炭硼化物
Claims (12)
- 鋼製円筒状外層の内面に遠心鋳造法により内層を形成してなる成形機用複合シリンダであって、前記内層が、質量基準で0.05〜1%のC、0.5〜6%のSi、0.1〜3%のMn、1〜20%のCr、1.5〜4%のB、1〜15%のCo、5〜40%のFe、及び0.02〜0.2%のV、並びに0.02〜0.05%のMo、0.1〜4%のCu、及び0.01〜5%のWからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有し、残部がNi及び不可避的不純物からなるNi基合金により形成されており、
前記内層を形成するNi基合金の組織中に長軸長さが0.3 mm以上のニッケル基デンドライトを含まず、
前記内層は内面に100〜300 MPaの周方向の圧縮残留応力を有する
ことを特徴とする成形機用複合シリンダ。 - 請求項1に記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記Ni基合金がFe/Ni=0.35〜0.9を満足することを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1又は2に記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記Ni基合金がCo/Ni=0.15〜0.5を満足することを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記Ni基合金がさらに0.1質量%以下のNbを含有することを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記Ni基合金の組織における硼化物の合計面積率が20〜60%であることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記外層が非調質鋼からなることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項6に記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記非調質鋼が質量基準で0.3〜0.6%のC、0.01〜1%のSi、0.1〜2%のMn、及び0.05〜0.5%のVを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項7に記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記非調質鋼がさらに質量基準で0.01〜1%のCr、0.01〜1%のCu及び0.01〜1%のNbからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有することを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記外層のショア硬さがHS 36〜50であることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記外層の耐力が490〜790 MPaであることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の成形機用複合シリンダにおいて、前記内層の20℃から600℃における熱膨張係数Aと前記外層の20℃から600℃における熱膨張係数Bとの差(B−A)が1×10-6/℃〜3×10-6/℃であることを特徴とする成形機用複合シリンダ。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の成形機用複合シリンダを製造する方法であって、前記外層の内面に遠心鋳造法により前記内層を形成した後、900〜600℃の間を10〜200℃/分の平均冷却速度で冷却することを特徴とする方法。
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