JPH04185415A

JPH04185415A - 耐食耐摩耗性焼結合金からなるライニング層を有する複合シリンダ

Info

Publication number: JPH04185415A
Application number: JP2315111A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maruta; 丸田　賢二; Masanori Amano; 天野　正則
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1992-07-02

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、プラスチック成形機等に用いる複合シリンダ
に関し、詳しくは耐摩耗性、耐食性に優れた複合シリン
ダに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕プラス
チック等の射出成形あるいは押出成形に使用される成形
機用のシリンダには、加熱成形中の樹脂または樹脂に加
えた添加剤等による腐食あるいは摩耗を防止するため、
鋼材からなる中空円箭状のシリンダ母材の内面に、耐摩
耗性と耐食性とを有する合金材料を遠心鋳造法によりラ
イニングする構造のものが用いられている。

しかしながら、上述のような成形機用の複合シリンダを
遠心鋳造法により作製する場合は、溶着反応時にライニ
ング層を形成する合金材料にシリンダ母材を形成する鋼
材のＦｅか侵入する。このＦｅの侵入はライニング層と
シリンダ母材との溶着を遂行するために必要であるか、
Ｆｅはライニング層の硬度を低下させ、また耐食性を劣
化させてしまうという問題かある。

また近年プラスチックは、用途が多種多様化し、様々な
特殊樹脂を用いたり、様々な添加剤を混合するようにな
ってきているため、成形機用の複合シリンダ内ライニン
グ層の耐摩耗性及び耐食性を、さらに向上させるべき要
求が高まってきている。

このためには合金成分を多量に配合したり、耐摩耗成分
を多量に添加したりする必要かあるが、遠心鋳造法では
、偏析や分散性等の問題のため、必ずしもこれらの要求
を満足させることかできない。

従って本発明の目的は、ライニング層が、シリンダ母材
から侵入するＦｅを有することなく被覆されており、か
つ優れた耐摩耗性及び耐食性を有するような組成とする
ことかできる複合シリンダを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、ライニン
グ層を形成する合金材料の組成を最適化するとともに、
その合金材料をＨＩＰプロセスによりシリンダ母材の内
面上で加圧焼結することにより、ライニング層にＦｅが
侵入せず、かつライニング層は優れた耐摩耗性及び耐食
性を有することを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のライニング層とシリンダ母材層とか
らなる複合シリンダは、前記ライニング層が、Ｂｏ、５
〜４．０重量％、Ｃ００７重量％以下、Ｓｉ０．６〜６
．０重量％、Ｍｎ２．０重量％以下、Ｃｒ２０．０重量
％以下、Ｆｅ５．０重量％以下、Ｃｕ　７．０〜４０．
０重量％、残部実質的にＮｉ及び不可避的不純物からな
るＮｉ基合金のアトマイズ粉末を、ＨＩＰプロセスによ
り前記シリンダ母材内面上で加圧焼結してなることを特
徴とする。

〔実施例及び作用〕

まず本実施例に用いる耐摩耗性及び耐食性を有するライ
ニング層を構成する合金成分について説明する。

Ｂの含有率は０．５〜４．０重量％である。

Ｂは組織中に高硬度のほう化物を形成し、合金の耐摩耗
性及び耐食性を向上させる作用を有するが、０．５１ｉ
量％未満ではその効果が得られず、また４、０重量％を
超えると合金の強度を劣化させてしまう。

Ｃの含有率は０．７重量％以下である。

ＣはＣｒと炭化物を形成し、基地の硬さと強度を増大さ
せ、耐摩耗性を向上させる作用を有するが、０．７重量
％を超えると合金の硬さ及び強度を低下させてしまう。

Ｓｉの含有率は０．６〜６．０重量％である。

Ｓｉは、耐摩耗性を向上させる作用を有するとともに、
アトマイズ処理により合金粉末を得る際に粉末粒径を均
一化する作用を有するが、０．６重量％未満ではその効
果が得られず、また６、０重量％を超えると合金の靭性
を損なってしまう。

Ｍｎの含有率は２．０重量％以下である。

Ｍｎは、脱酸材として作用するとともに、不純物として
混入するＳによる影響を防止する作用を有するか、２．
０重量％を超えると合金の靭性及び耐食性を損なってし
まう。

Ｃｒの含有率は２０．０重量％以下である。

ＣｒはＣ，Ｂと結合して炭化物、はう化物を形成し、耐
摩耗性を向上させる作用を有するか、２０．０重量％を
超えると合金の靭性を低下させてしまう。

Ｆｅの含有率は５．０重量％以下である。

Ｆｅは理想的には含まないのが好ましい。Ｆｅか含有さ
れる量は５％以上に増加すると硬さが低下するとともに
、酸に対する耐食性を低下させてしまう。

Ｃｕの含有率は７．０〜４０．０重量％である。

Ｃｕは酸に対する耐食性を向上させる作用を有するか、
７．０重量％未満ではその効果か得られず、また４０．
０重量％を超えると合金の硬さを著しく低下させてしま
う。

また本実施例においては、Ｍｏを含有することも可能で
あり、この場合Ｍｏの含有率は０．３〜３．０重量％で
ある。

ＭＯは、特に塩酸に対する耐食性を向上させる作用を有
するが、０．３重量％未満ではその作用が不十分であり
、また３、０重量％を超えるとその作用が飽和し、合金
の経済性を損なう。

また本実施例においては、上述した成分組成の原料を溶
融し、ガスアトマイズ法により粉末化する。上記原料は
融点か余り高くなく、また溶湯の粘度が低いため、ガス
アトマイズ法による粉末化に適する。ガスアトマイズ法
は、Ａｒガス等を用い、通常の方法により行うことがで
きる。アトマイズ粉末の粒径は、ＨＩＰか可能である限
り、特に限定されないが、組成の均一性を高めるために
、５〜１０μｍ程度であるのが好ましい。

さらに本実施例においては、上述の合金粉末に、周期律
表のＷａ族、Ｖａ族あるいはＷａ族に属する元素の炭化
物からなる微粒子を均一に分散させることにより、耐摩
耗性をさらに向上することができる。

上記炭化物からなる微粒子を含有する場合、含有率は、
ライニング層を形成する合金材料１００重量部当り、５
〜６０重量部であるのか好ましい。５重量部未満である
と耐摩耗性の向上か少ないし、６０重量部を超えると機
械的強度の低下が大きいため好ましくない。

またこの場合は、前記炭化物からなる微粒子の粒径が５
〜１００μｍであるのが好ましい。５μｍ未満であると
均一に分散せず、また１００μｍを超えるとライニング
層の強度が低下するため好ましくない。

次に本発明の複合シリンダについて、その製造方法の一
例を説明する。

第１図はシリンダ母材内にライニング層形成用の芯金を
挿入した状態を示す概略断面図であり、合金粉末充填前
の状態を示すものである。

第１図に示すように、ホッパー用開口部４１を有し、高
強度鋼材等からなるシリンダ母材ｌの内側に、複合シリ
ンダのシリンダ部を形成するための芯金２を挿入するこ
とにより、シリンダ母材１と芯金２との間に環状の中空
部３を形成する。芯金２の両端及びシリンダ母材１の両
端をともに、蓋４．５を溶接等で接合することによりシ
ールする。

この場合、ライニング用の合金粉末は開口部４１より入
れることになるが、場合によっては、蓋４．５の一方を
合金粉末充填後にシールするようにしてもよい。合金粉
末の充填はシリンダ母材に振動を適当に与えることによ
り行うのが好ましい。最後にホッパー用開口部４１も、
蓋８によりシールする。

なお芯金２及び蓋４．５は軟鋼等により作製することが
できる。また芯金２は図のように中空である必要はなく
中実であってもよい。

第２図は、このようにして合金粉末３ａが充填された状
態のシリンダを示す概略断面図である。

合金粉末が密封充填されたシリンダは、第３図に示すよ
うな構造のＨＩＰ装置７内に、装填され、ＨＩＰ処理が
行われるが、通常のＨＩＰ処理条件は、温度９００〜１
．０５０℃、圧力１．０００〜１．５０００ｔｍであり
、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で１〜５時間行う。

なお第３図における白抜矢印は、接　゛合体６に加わる
圧力の方向を概略的に示している。

ＨＩＰ処理を行った後の接合体６については、切削加工
等により蓋４、蓋５を除去する。次いで、芯金２を除去
し、シリンダ内面の仕上げを行う。

以上により作製される複合シリンダは、ライニング層か
ＨＩＰプロセスにより形成されるため、Ｆｅかシリンダ
母材から侵入することがなく、優れた硬度及び耐食性を
有する構造になっている。またライニング層は、上述し
た耐食性、耐摩耗性合金材料により形成されているため
、さらに優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になっ
ている。

なお上述した本実施例の複合シリンダに、適当な熱処理
を施し、シリンダ母材を所望の組織にすることにより、
シリンダ母材の強度を向上させ、ライニング層の耐クラ
ツク性を向上させることも可能である。

このような熱処理を施す場合に最適なシリンダ母材につ
いて説明する。

シリンダ母材として、亜共析または共析の合金鋼を用い
ることが好ましい。。

合金鋼として、Ｃｒ−Ｍｏ鋼を用いる場合、化学成分の
含有率はＣ０，３〜０．５重量％、Ｓｉ０．１５〜０．
３５重量％、Ｍｎ０．３〜１．５重量％、Ｐ　０．０３
重量％以下、Ｓ　０．０３重量％以下、Ｃｒ　０．７〜
１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０．５重量％とするのか強
度上好ましい。日本工業規格（ＪＩＳ　Ｇ　４１０５）
に規定されるＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５相当のＣｒ−
Ｍｏ鋼が、強度上特に好ましい。

合金鋼として、Ｎｉ　−Ｃｒ　−Ｍｏ鋼を用いる場合、
化学成分の含有率はＣ０１３〜０゜５重量％、Ｓｉ０．
１５〜０．３５重量％、Ｍｎ　０．３”Ｌｌ、５重量％
、Ｐ　０．０３重量％以下、Ｓ　０．０３重量％以下、
Ｎｉ３．０重量％以下、Ｃｒ０１７〜１．５重量％、Ｍ
ｏ０．１〜０．５重量％とするのか強度上好ましい。日
本工業規格（ＪＩＳ　Ｇ　４１０３）に規定されるＳＮ
ＣＭ４３９相当のＮｉ　−Ｃｒ　−Ｍｏ鋼が、強度上特
に好ましい。

また本実施例においては、上述したようなシリンダ母材
に適当な熱処理を施すことにより、その組織を強度上有
利な構成にするが、この場合、組織の２０％以上をベイ
ナイトにより形成し、残部をソルバイトにより形成する
のか好ましい。組織のベイナイトが２０％未満であると
十分な強度か得らず好ましくない。

以上に示す組織構成とするために、本実施例においては
、上述した複合シリンダに熱処理を施すが、この熱処理
方法を第４図に示す熱処理パターンにより、以下に説明
する。

ここで、第４図の横軸は時間、縦軸は温度を示しており
、また熱処理パターン上のＡは焼入加熱工程、Ｂは冷却
工程、Ｃは保持工程、Ｄは焼戻し加熱工程、Ｅはアニー
ル工程、Ｆは室温までの冷却工程を示している。

本実施例においては、Ａに示す焼入加熱工程により、複
合シリンダを形成し、その後Ｂに示す冷却工程において
、ベイナイト変態を起こす温度領域まで冷却するが、こ
の時の冷却速度は４０〜ｂトルースタイトを生じ、また
１００″Ｃ／分を超えると、ライニング層の内面に割れ
が生じやすくなる。

次いでＣに示すように保持工程において、ベイナイト変
態を起こす領域は３００〜５５０℃である。

ベイナイト変態を起こす領域が３００°Ｃ未満であると
低温でのシリンダ母材の変態膨張によりライニング層の
内面に割れか生じやすくなり、また５５０℃を超えると
パーライトが生じる。

また保持工程における保持時間は１０分以上である。保
持時間が、１０分未満であると、シリンダ母材のベイナ
イト量か２０％未満となり、十分な強度が得られなくな
る。

次いでＤに示すようにアニール温度まで加熱を行うが、
この時、加熱速度は１〜１０　　℃／分である。加熱速
度が１℃／分未満であると、シリンダ母材のベイナイト
量か過多となり、ライニング層の内面に割れを発生しや
すくなる。またｌＯ°Ｃ／分を超えると、逆にベイナイ
ト量が不足して強度が得られなくなる。

次いでＥに示すようにアニールを行うが、この時、アニ
ール温度は５５０〜６５０°Ｃである。アニール温度が
５５０°Ｃ未満であると残留応力除去というアニールの
目的を果たす、また６５０℃を超えると金属組織に影響
をおよぼす。

またアニール時間は１〜５時間である。アニール時間か
１時間未満であると十分に残留応力を除去できず、また
５時間を超えても、その効果に著しい変化はない。

最後にＦに示すように室温まで冷却する。

以上により形成される本実施例における複合シリンダは
、シリンダ母材の強度か著しく向上するため、ライニン
グ層か優れた疲労強度、特に耐クラツク性を存する構造
になる。

以下の具体的実施例により本発明の詳細な説明する。

実施例１第２図に示す構造の接合体を上述の方法により作製した
か、ライニング層を形成する合金材料として、８　１．
５重量％、ＣＯ１２重量％、Ｓｉ３．５重量％、Ｍｎ　
１．０重量％、Ｃｒ１３重量％、Ｆｅ０．５重量％、Ｃ
ｕ２７重量％、Ｍｏ　１．０重量％、残部実質的にＮｉ
及び不可避的不純物からなる合金のアトマイズ粉末を用
い、またシリンダ母材としてＳＣＭ４４０を用いた。

また、上記接合体を第３図に示すような構造のＨＩＰ装
置内において、ＨＩＰ処理を施したか、この時のＨＩＰ
処理条件は、Ａｒガス雰囲気中、温度９５０°Ｃ１圧力
１．０００ａｔｍ、４時間とし、複合シリンダを得た。

実施例２実施例１と同様に、接合体を作製したか、ライニング層
を形成する合金材料として、８　１．５重量％、Ｃ０１
３重量％、Ｓｉ３．５重量％、Ｍｎ　１．０重量％、Ｃ
ｒ１３重量％、Ｆｅ　１．０重量％、Ｃｕ２７重量％、
Ｍｏ　１．０重量％、残部実質的にＮｉ及び不可避的不
純物からなる合金のアトマイズ粉末に、さらにＷＣから
なる粒径５〜３０μｍ微粒子をアトマイズ粉末１００重
量部当り、２０重量部均一に分散させた。またシリンダ
母材としてＳＮＣＭ４３９を用いた。

次いで、アトマイズ粉末か密封された上記接合体を第３
図に示すような構造のＨＩＰ装置内に、装填し、ＨＩＰ
処理を施した。この時のＨＩＰ処理条件は、温度９５０
°Ｃ１圧力１．　ｏｏｏａｔｍであり、Ａｒの不活性ガ
ス雰囲気中で４時間行うことにより複合シリンダを得た
。

実施例３実施例１と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施した
。

この時の熱処理条件は、加熱温度９００°Ｃ（第４図に
示すＡ）、冷却速度８０°Ｃ／分（第４図に示すＢ）、
ベイナイト変態を起こす温度５００°Ｃ１保持時間２０
分（第４図に示すＣ）、加熱速度５°Ｃ／分（第４図に
示すＤ）、アニール温度６３０°Ｃ１保持時間５時間（
第４図に示すＥ）であった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の組
織は、約５０％のベイナイトと約５０％のソルバイトと
からなっていた。

実施例４実施例２と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施した
。

この時の熱処理条件は、加熱温度８７０°Ｃ（第４図に
示すＡ）、冷却速度５０°Ｃ／分（第４図に示すＢ）、
ベイナイト変態を起こす温度４５０°Ｃ１保持時間２０
分（第４図に示すＣ）、加熱速度５°Ｃ／分（第４図に
示すＤ）、アニール温度６００°Ｃ１保持時間５時間（
第４図に示すＥ）であった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の組
織は、約６０％のベイナイトと約４０％のソルバイトと
からなっていた。

上述した本実施例の複合シリンダについて、ライニング
層の耐摩耗性、耐食性、及びシリンダ母材の強度を測定
した。

耐摩耗性については、成形機用シリンダから、１０ｍｍ
Ｘ　１５ｍｍＸ　１０ｍｍの大きさの試料を作成し、＃
４００の研磨紙に、荷重２．０Ｋｇで抑圧し、４８０ｍ
の距離を摺動させた後にライニング材の摩耗量を調べた
。

この結果を、後述する比較例の結果を１０とした時の相
対値によって表し、耐摩耗性を評価した。

耐食性については、成形機用シリンダから試料を作成し
、５０°Ｃの１０％ＨＦ水溶液中に２４時間浸漬した後
に、ライニング材の腐食原料量率を調べた。

この結果を、後述する比較例の結果をＩＯとした時の相
対値によって表し、腐食性を評価した。

シリンダ母材の強度については、母材から引張試験試料
を作成し、引張試験を行い、母材強度として最も重要な
０．２％耐力を計測した。

これらの結果を第１表に示す。

第１表から明らかなように、実施例１．２の複合シリン
ダにおいては、ライニング層か優れた耐摩耗性及び耐食
性を有していた。

また実施例３．４の複合シリンダにおいては、適当な熱
処理か施されているために、シリンダ母材の強度か著し
く向上していることかわかる。そのため、ライニング層
にかかる歪みか小さくなり、疲労強度及び耐クラツク性
か向上すると考えられる。

なお本実施例においては、車軸の複合シリンダを例にと
り説明したが、複数軸の複合シリンダとすることも可能
であり、この場合も良好な効果を発揮することは勿論で
ある。

また本実施例においては、複合シリンダの芯金を中空構
造のものを用いた例について説明したか、中実構造のも
のを用いても良好な効果を発揮することは勿論である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の複合シリンダにおいては
、ライニング層を、上述した耐食性、耐摩耗性を付加す
るのに最適な成分組成の合金材料により形成し、かつそ
の合金材料かＨＩＰプロセスによりシリンダ母材に加圧
焼結された構造になっている。このため、ライニング層
が、シリンダ母材から侵入するＦｅを有することなく被
覆され、優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリンダ母材内に芯金を挿入した状態を示す概
略断面図であり、第２図はシリンダ内にライニング用合金粉末を充填した
状態を示す概略断面図であり、第３図は本発明の複合シ
リンダを製造するためのＨＩＰ装置を示す概略断面図で
あり、第４図は本発明の一実施例による複合シリンダの
熱処理パターン図である。ｌ・・・・・・・シリンダ母材２・・・・・・・芯金３・・・・・・・中空部３ａ・・・・・・・合金粉末４．５．８・・・蓋７・・・・・・・ＨＩＰ装置３１．３２・・・・・端部４１・・・・・・・ホッパー用開口部

Claims

【特許請求の範囲】（１）ライニング層とシリンダ母材層とを有する複合シ
リンダにおいて、前記ライニング層が、Ｂ０．５〜４．
０重量％、Ｃ０．７重量％以下、Ｓｉ０．６〜６．０重
量％、Ｍｎ２．０重量％以下、Ｃｒ２０．０重量％以下
、Ｆｅ５．０重量％以下、Ｃｕ７．０〜４０．０重量％
、残部実質的にＮｉ及び不可避的不純物からなる合金の
アトマイズ粉末を、ＨＩＰプロセスにより前記シリンダ
母材内面上で加圧焼結してなることを特徴とする複合シ
リンダ。（２）請求項１に記載の複合シリンダにおいて、前記ラ
イニング層が、Ｍｏ０．３〜３．０重量％を含有するこ
とを特徴とする複合シリンダ。（３）請求項１又は２に記載の複合シリンダにおいて、
前記ライニング層が、前記アトマイズ粉末１００重量部
当り、IVａ族、Ｖａ族あるいはVIａ族に属する元素の炭
化物の微粒子５〜６０重量部を均一に分散させてなるこ
とを特徴とする複合シリンダ。（４）請求項３に記載の複合シリンダにおいて、前記炭
化物からなる微粒子の粒径が５〜１００μｍであること
を特徴とする複合シリンダ。（５）請求項１乃至４のいずれかに記載の複合シリンダ
において、前記シリンダ母材の組織は、ベイナイト２０
％以上、残部ソルバイトからなることを特徴とする複合
シリンダ。（６）請求項５に記載の複合シリンダにおい
て、前記シリンダ母材は、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｓ
ｉ０．１５〜０．３５重量％、Ｍｎ０．３〜１．５重量
％、Ｐ０．０３重量％以下、Ｓ０．０３重量％以下、Ｃ
ｒ０．７〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０．５重量％、
残部実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ−Ｍ
ｏ鋼であることを特徴とする複合シリンダ。（７）請求項５に記載の複合シリンダにおいて、前記シ
リンダ母材は、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｓｉ０．１５
〜０．３５重量％、Ｍｎ０．３〜１．５重量％、Ｐ０．
０３重量％以下、Ｓ０．０３重量％以下、Ｎｉ３．０重
量％以下、Ｃｒ０．７〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０
．５重量％、残部実質的にＦｅ及び不可避的不純物から
なるＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼であることを特徴とする複合シ
リンダ。