JPH02133539A - プラスチック成形装置用複合シリンダとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラスチック射出成形、混練押出成形機等の
シリンダ内周面、ホッパロ内周面、ベントロ内周面など
に耐食、耐摩耗合金をライニングしたプラスチック成形
装置用複合シリンダ並びにその製造方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来から、プラスチック射出押出成形機シリンダとして
、ＳＡＣＭやＳＣＭ等の窒化シリンダが汎用さ九ている
。

しかし、強化プラスチックや難燃性プラスチノり、或い
はふっ素樹脂等の成形用として用いる場合には、上記材
料では耐食性、耐摩耗性が不充分であるので、遠心鋳造
法によりシリンダ内面に耐食、耐摩耗合金をライニング
した複合シリンダが使用されてきている。

しかし乍ら、遠心鋳造法による複合シリンダの製造法で
は以下■〜■のような問題がある６■　遠心鋳造法では
製造上の制約からライニング合金の融点に限界があり、
１０００〜１１０゜°Ｃ以下の融点を有する成分系に限
定される。

■　遠心鋳造法では耐摩耗性改善のためＷＣ等の高硬度
物質を強化材として添加するが、これらの強化材はマト
リックス層の内部へ偏析し易く。

摺動面となる内周表面側の存在量は極めて僅かである。

■　遠心鋳造工程で溶融した合金は当然のことながらバ
ックメタル（シリンダ本体を構成する鋼材）と接触する
が、合金層にはバックメタルから相当量の鉄分が混入し
てくるため、期待されるほどの耐食性は得られない。

■　小径のシリンダでは充分な遠心力が得られないため
、シリンダ本体に対するライニング材の接合性を充分に
高めることができない。

■　遠心鋳造工程では母材も１２００℃程度の高温に加
熱されるため、母材の機械的性質が損なわれることがあ
る。

■　遠心鋳造法により形成されるライニング合金層は鋳
造組織であるため、成分偏析が著しく、且つ金属間化合
物はかなり粗大化している。そのためライニング層の強
度及び靭性は良好とは云えず、耐食性や耐摩耗性み不均
一である。

そこで、これらの問題点を解決するため、本出願人は、
耐食、耐摩耗合金を熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ法）など
により内周面に形成したプラスチック成形装置用複合シ
リンダを開発し、先に特開昭６１−１４３５４７号にて
提案した。

（発明が解決しようとする課題） しかし、このような複合シリンダにおいても、以下の問
題点があることが本発明者らのその後の研究により判明
した。

すなわち、上記複合シリンダにおけるバックメタルとし
て、一般に３４５Ｃ，３０Ｍ４４０等が使用される。し
かし、ＨＩＰ法により耐食、耐摩耗合金をシリンダ内面
に同相接合した後、ＨＩＰ冷却中にライニング合金と線
膨張係数値の差によリライニング合金に応力が残留する
。一般的に従来のシリンダ用耐食、耐摩耗合金の線膨張
係数は１２．０−１３．ＯＸ　Ｉ　Ｏ−’／℃（０℃〜
６００℃）である。特に、大型、複雑形状のシリンダの
場合、線膨張係数の差により、ＨＩＰ冷却後、ライニン
グ合金に過大な残留応力がかかり、ライニング合金にク
ラックが入ったり、或いは仕上加工中の応力解放時にラ
イニング合金が割れる場合がある６本発明は、これらの
問題点を解決するためになされたものであって、内周面
に耐食、耐摩耗性に優れた合金をライニングし、且つク
ラック発生等の−ない高品質のプラスチック成形装置用
複合シリンダを提供し、またその製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、本発明者らは、ライニング合
金の線膨張係数が鋼と近似し、且つ耐食。

耐摩耗性に優れた合金を開発することにより、大型、複
雑形状のプラスチック成形装置用複合シリンダであって
も容易に製造できる技術を見い出すべく鋭意研究を重ね
、ここに本発明をなしたものである。

すなわち５本発明は、内周面を耐食、耐摩耗性合金で形
成した複合シリンダにおいて、該合金が、Ｃ：０．５〜
１．５％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｂ：０゜５〜２．
５％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｗ：
１０〜２０％、Ｃｕ　：　０　、５〜２　、０％及びＭ
ｎニア〜１５％を含み、残部がＣＯ及び不可避的不純物
からなる組成を有し、かつ、０℃〜６００℃での平均線
膨張係数が１３．５〜１５．ＯＸ１０”−’／’Ｃの耐
食、耐摩耗性合金であることを特徴とするプラスチック
成形装置用複合シリンダを要旨とするものである。

また、その製造方法に係る本発明は、シリンダ内周面を
耐食、耐摩耗性合金で形成した複合シリンダを製造する
方法において、該合金として、Ｃ：０．５〜１．５％、
５ｉｌｌ、。０〜２．０％、Ｂ：０．５〜２．５％、Ｎ
ｉ：１０〜２０％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｗ：１０〜２
０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％及びＭｎ：７〜１５％を
含み、残部がＣＯ及び不可避的不純物からなる組成を有
し、かつ、０℃〜６００℃での平均線膨張係数が１３．
５〜１．５．０ＸＩＦ”／”Ｃの耐食、ｊシ１摩耗性合
金を用い、ＨＩ　Ｐ法によってシリンダ内周面を形成す
ることを特徴とするものである。

以ドに本発明を更に詳細に説明する。

（作用） まず、本発明における複合シリンダの内周面の形成に用
いる合金の化学成分等の限定理由を説明する。

Ｃ： ＣはＣｒ及びＷと炭化物を形成して耐摩耗性を高めるう
えで欠くことのできない成分である。しかし、０．５％
未満ではその効果が有効に発揮できず、また１、５％を
超えて多すぎると耐食性及び靭性が乏しくなる。したが
って、Ｃ斌は０．５〜１．５％の範囲とし、０．８〜１
．２％が好ましい。

Ｓｉ： 本発明に係る複合シリンダの作製は、例えば後述するよ
うに、所定の化学成分を有する合金溶湯からアトマイズ
法によって合金粉を得た後、ｆ（ＩＰ等により所定の寸
法形状に成形する方法によるが、Ｓｉはアトマイズ処理
時における合金溶湯の流動性を高め、粉末粒径を均一化
するために必須の成分である。しかし、１．０％末、１
２）ではこのような効果が有効に発揮できず、また２、
０％を超えて多すぎると靭性に悪影響を及ぼすことにな
る。

したがって、Ｓｉ量は１．０〜２．０％の範囲とし、１
．３〜１．７％が好ましい。

Ｂ： ＢはＣｒやＷと硼化物を形成して耐食性及び耐摩耗性の
向上に寄与すると共にＯｏ７トリツタスの硬さを高める
作用がある。これらの作用を有効に発揮させるためには
０．５％以上を含有させる必要がある。しかし、２．５
％を超えると合金の靭性が低下するばかりでなく、合金
の融点が過度に低下してアトマイズ作業及び１１　Ｉ　
Ｐ作業が回連になる。したがって、Ｂｆｆｌは０．５〜
２．５％の範囲とし２．１．０〜２．０％が好ましい。

Ｎｉ： Ｎ１はＣｏマトリックス中に固溶してＩＥｆ食性及び靭
性を高めろ作用がある。そのためには１０％以上を含有
させる必要がある。しかし、２０％を超えるとＣｏマト
リックスの硬度が低ドして耐摩耗性が悪くなるほか、耐
硝酸腐食性ｉｉ乏しくなる。

したがって、ＮｉＦ＃は１０〜２０％の範囲とし、１１
１〜１８％が好ましい。

Ｃｒ： ＣｒはＢ及びＣと硼化物及び炭化物を形成すると共にＣ
ｏマトリックス中に固溶し、耐食性及び耐摩耗性を高め
るうえで不可欠の成分である。しかし、２０％未満では
これらの効果が有効に発揮されず、特に耐硝酸腐食性が
劣悪になる。また３０％を超える合金の靭性が低くなる
。したがって、Ｃｒ’ｊ＆は２０〜３０％の範囲とする
。

Ｗ　： ＷはＢ及びＣと硼化物及び炭化物を形成して＋’ｉＪ食
性及び耐摩耗性を高める作用がある。しかし、１０％未
満ではそれらの効果が充分に発揮さすしず、また２０％
を超えると合金が過度に硬質化し靭性が劣ｊ獣になる。

したがって、Ｗ量は１０〜２０％の範囲とする。

Ｃｕ： ＣｕはＣｏマトリックス中に固溶し、特に耐塩酸耐食性
の向上に寄与する９しかし、Ｑ　、　５％木β、ｊでは
その効果が有効に発揮されず、また２、　０　＋Ｘ。

を超えると合金の靭性が劣悪になる。したがって、ＣＩ
Ｊ　Ａは０．５〜２．０％の範囲とする。

Ｍｎ： ＭｎはＣｏマトリック中に固溶し、特に線膨張係数を大
きくするのに寄ケする成分である。しかし、７％未満で
は線膨張係数が１３．５　Ｘ　Ｉ　Ｏ−Ｇ／’Ｃ（０°
Ｃ〜６００’Ｃ）未満となり、応力緩和に効果がない。

また１５％を超えると耐摩耗性、耐食性が劣る。したが
って、Ｍｎ量は７〜１５％の範囲とする。

残部： マトリックス成分として最低限の耐食性及び耐摩耗性を
確保するため、残部成分はＣｏとする。

なお、Ｃｏ或いは上記必須合金成分の配合に伴い不可避
的不純物としてＰ、Ｓ、Ｆｅ、ＡＱ等が微量混入してく
ることがあるが、これらはいずれも不純物１（１，０％
程度以下）である限り、格別の悪影響を及ぼすことはな
い。

線膨張係数： 更に、上記合金は、０℃〜６００℃での平均線膨張係数
が１３．５〜１５．ＯＸ　１０−”／”Ｃのものである
必要がある。

すなわち、まず、０℃〜６００℃の平均線膨張係数と規
定した理由は、５４５Ｃ，ＳＣＭ４４０等のバックメタ
ル材は６００℃以上の高温ではバックメタルとライニン
グ合金の線膨張係数の違いによる応力発生に対し、バッ
クメタルが容易に塑性変形され、ライニング合金への応
力残留は少ないので、Ｏ℃〜６００℃でのバックメタル
材の弾性変形部としたためである。しかし、Ｏ℃〜６０
０℃での平均線膨張係数が１３．５　Ｘ　１０″″６／
℃未満では、Ｉ−Ｉ　Ｉ　Ｐ冷却後、ライニング合金に
過大な圧縮応力が残留し、ライニング合金にクラックが
入る。またＨ　Ｉ　Ｐ冷却後、クラックが入らなくても
仕上加工時の急激な応力解放によりライニング合金にク
ラックが入る。一方、０℃〜６００℃での平均線膨張係
数が１５．ＯＸ　１０”−’／’Ｃを超えると、バンク
メタルより線膨張係数が大きくなり、ＨＩＰ冷却時にバ
ックメタル内面とライニング合金外面の接合部が剥離す
る。以上の理由から、０℃〜６００℃での平均線膨張係
数が１３．５〜１５、ＯＸ　Ｉ　Ｏ−’／Ｔ：（０℃〜
６００℃）のものとする。

本発明においては、シリンダの少なくとも内周面側を上
記合金で構成するものであり、例えば。

シリンダ全体を上記合金で形成することもできる。

しかし、該合金でシリンダ全体を作製しようとすると、 （ａ）　　射出時のシリンダ内圧は２０００気圧にも及
ぶことがあり、特に靭性不足となる恐れがある。

（ｂ）　　例えば、内径３０ｍｍφのシリンダでも外ｆ
ｕ９０ｍｍφ程度と極めて厚肉にしなければならないた
め、高価な上記合金だけではシリンダを作製することは
得策とは云えない。

（ｃ）　　上記合金は極めて高強度であるため、外面側
の機械加工が困難である。

等の難点があるので、最も好ましいのはＳ　ＣＭ　４４
０、ＳＮＣＭ４３９．５ＵＳ３０４、ＳＵＳ　３１６等
の高強度鋼材をバックメタル（シリンダ本体）とし、そ
の内周面に上記の１１・１食、耐摩耗性合金層を形成す
るのがよい。

次に、バックメタルの内周面に上記合金ライニング層を
形成する方法について説明する９該方法としては、特に
限定されないが、粉末冶金法を利用したＩ（Ｉ　Ｐ法が
好ましい。

ＨＩＰ法の場合、例えば、まず、上記合金を真空溶解炉
等で溶解し、アトマイズ装置（通常はＡｒガス使用）を
用いて微細な合金粉末を得る。勿論、合金の粉末化はア
トマイズ法に限定されないことは云うまでもなく、他の
方法も採用できる。

その後、この合金粉末を分級（例、１ｏＯメツシユ以下
に粒度調″りＬ、該合金粉末を鋼製バックメタルとカプ
セルとの間に刃傷なく充填し、適度の温度（３００’ｃ
前後）に加温しつつ真空密閉する。

次いで、Ｉ（ＩＰ法を適用してバックメタルの内周面に
合金ライニング層を形成する。この場合の好ましいＨＩ
Ｐ処理条件は以下のとおりである。

温　　　度＝　９３０〜１０５０℃ 圧　　　カニ　　９００〜１１００ｋｇ／ｃｍ２保持時
間：１〜４時間 なお、温度が９３０℃未満では合金粉末充填層の圧密化
が不充分で且つ拡散接合状態が悪くなり。

合金ライニング層の靭性劣化や剥離が生じ易くなる。一
方、１０５０℃を超えるとバックメタルの結晶粒が粗大
化して機械的性質が悪化する傾向が生ずる。また、圧力
が９００ｋｃ／ｃｎ＋２未満では圧密化が不充分どなっ
て合金ライニング層の靭性が乏しくなり、　　１１００
ｋｇ／ｃｍ”を超えても密度比はそれ以北に向上しない
ので、経済性を考慮すると１１００　ｋｇ／　ｃＩｌｌ
”以下に抑えるのがよい。また、保持時間が１時間未満
では圧密化が不充分で且つ拡散接合状態も不充分となり
、合金ライニング層の靭性劣化及び剥離が生じ易くなる
８しかし、保持時間が長ずざるとバックメタルの結晶粒
が粗大化して機械的性質に悪影響が現われてくるので、
４時間以内とする。

勿論１本発明は種々の形式、構造の複合シリンダに適用
できることは云うまでもない。

（実施例） 次に本発明の実施例を示す。

尖脆Ｍ−↓− 第１表に示す化学成分の粉末をガス７１−マイズした後
、得られた合金粉末を用いて、外径２７゜２１１１１１
１φ×内径２１．４ｏ＋ｍφ×長さ１００■の軟鋼製パ
イプに充填し、脱気した後、９６０℃×１０００　ｋｇ
／　ａｍ”　Ｘ　３　ｈｒの条件でＨＩ　Ｐ処理を行っ
た。

耐摩耗性試験、耐食性試験及び線膨張係数ａ１す定試験
を行った結果を第２表に示す。

なお、各試験は以下の要領で行った。

（百・１摩耗性試９） 耐摩耗性試験は以下の条件の人減式摩耗試験により行っ
た。

固定試験片：合金Ｎｏ　１〜Ｎａ　８ 回転試験片：　ＳＵＪ　２（ＩＩＲＣ４５）摩擦速度　
：　０．９８ｍ／ｓｅｃ 摩擦距離　：４００ｍ 最終荷重　：６．３ｋｇ ｄ１１定雰囲気：室温、乾燥状態 （耐食性試験） ６　、５　ｍＯ１φＸ１０１１１１１１の試験片を、１
５％塩酸、１５％硫酸の各４０℃）容液に９］１ｒ浸漬
し、ｍ食による減量を測定した。

（線膨張係数測定試験） ５ＩＩｌｌｌφＸ２０ｍｍＱの試験片を、真空理工製熱
膨張ｄ１り定装置Ｄ　Ｌ　−１５００型を用い、０°Ｃ
〜６００℃の平均線膨張係数を■す定した。

第２表より、Ｍｎを７〜１５％の範囲で添加したライニ
ング合金を用いた本発明例の場合はいずれも、先の提案
に係る特開昭６１−１４３５４７８に開示したライニン
グ合金の場合（従来例Ｎｏ１〜Ｎｎ２）に比べて、耐食
性及び耐摩耗性は同等であり５かつ、０℃〜６００℃の
平均線膨張係数は１３．５−１５．ＯＸ　１０−’／　
’Ｃ（７）ｌｕＬＩＩＮ、−入ル、ニドを確認した。な
お、比較例Ｎａ　３はＭｎを過度に添加したうイニング
合金を用いた例であり、耐食性及び耐摩耗性が劣−）で
いる。

【以下余白１ 害−施１［礼 次に、１軸シリンダ、２軸シリンダ等の各種形式１寸法
のシリンダ用カプセルを用い、ライニング合金として実
施例１に用いた合金例の一部（Ｎｕｌ、Ｎα４、Ｎ（１
７）を用いて、実施例１と同様の条件でＨＩ　Ｐ処理し
、ＨＩＰ後の割れの有無及び残留応力の発生を調査した
。その結果を第３表に示す。

なお、１軸シリンダの場合、カプセルとしては第１図に
示すものを用い、バックメタルとしてＳＣＭ４４０、内
芯として３１５Ｃを用いた。また２軸シリンダの場合、
カプセルとしては第２図に示すものを用い、バックメタ
ルとしてＳＣＭ４４０、内芯として５１５Ｃを用いた。

図中、１はバックメタル、２は脱気管、３は上蓋、４は
底蓋、５は充填粉末、６は内芯を示している。

第３表より、以下の如く考岱される。

（Ｄ　小物シリンダは、Ｉ−Ｉ　Ｉ　Ｐ冷却後、或いは
仕上加工後、従来合金を用いてもライニング部にクラッ
クの発生はない。

■　しかし、複雑、大型形状のシリンダでは、ＨＩＰ冷
却後、或いは仕上加工中、ライニング部にクラック発生
が認められる。

上記の理由としては、ライニング合金のＯ℃〜６００℃
での平均線膨張係数を１３．５〜１５．０ＸＩＯ−’／
”Ｃの範囲にすることにより、第３表に示すように、Ｈ
ＩＰ冷却後の残留応力を従来の約１７３〜１１５に減少
することができ、ライニング合金のクラック発生を皆無
にすることができたものと考えられる。

【以下余白１ （発明の効果） 以−Ｉ―詳述したように、本発明によれば、複合シリン
ダの内周面に、先の提案に係る合金を改良して、特に適
量のＭｎを添加し線膨張係数を調整した耐食、耐１９耗
合金を用いたので、耐食性及び耐Ｊ？！耗性に優れるこ
とは勿論のこと、更にはクラック発生等のないプラスチ
ック成形装置用ぬ合シリンダを得ることができる。殊に
大型、複雑形状のシリンダであっても高品質のものを容
易に製造可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１軸シリンダ用カプセルを示す断面図、第２図
及び第３図は２軸シリンダ用カプセルを示す図で、第２
図は断面図５第３図は第２図のΔ−Ａ線横線面断面図る
。 ■・・・バックメタル、２・・脱気管、３・・上蓋、４
底蓋、５・・・充填粉末、６・・・内芯。 特許出願人　　株式会社神戸Ｈｉｌｌ所同　　　　　日
木高周波鋼業株式会社 代理人弁理士　中　　村　　　尚

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内周面を耐食、耐摩耗性合金で形成した複合シリ
   ンダにおいて、該合金が、重量％で（以下、同じ）、Ｃ
   ：０．５〜１．５％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｂ：０
   ．５〜２．５％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｒ：２０〜３
   ０％、Ｗ：１．０〜２０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％及
   びＭｎ：７〜１５％を含み、残部がＣｏ及び不可避的不
   純物からなる組成を有し、かつ、０℃〜６００℃での平
   均線膨張係数が１３．５〜１５．０×１０＾−＾６／℃
   の耐食、耐摩耗性合金であることを特徴とするプラスチ
   ック成形装置用複合シリンダ。
2. （２）シリンダ内周面を耐食、耐摩耗性合金で形成した
   複合シリンダを製造する方法において、該合金として、
   Ｃ：０．５〜１．５％、Ｓｉ：１．０〜Ｃｒ：２０〜３
   ０％、Ｗ：１０〜２０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％及び
   Ｍｎ：７〜１５％を含み、残部がＣｏ及び不可避的不純
   物からなる組成を有し、かつ、０℃〜６００℃での平均
   線膨張係数が１３．５〜１５．０×１０＾−＾６／℃の
   耐食、耐摩耗性合金を用い、熱間静水圧加圧法によって
   シリンダ内周面を形成することを特徴とするプラスチッ
   ク成形装置用複合シリンダの製造方法。