JPH05269812A

JPH05269812A - 高温高圧成形用複合シリンダ

Info

Publication number: JPH05269812A
Application number: JP4100568A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maruta; 賢二丸田; Masanori Amano; 正則天野; Shinichi Sagara; 心一相良
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1993-10-19
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JP3301441B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性及び耐食性を有するライニング層を
有し、シリンダ母材を高強度の耐熱鋼により形成した高
温高圧成形用複合シリンダを提供する。【構成】シリンダ母材層とライニング層とを有する高
温高圧成形用複合シリンダにおいて、シリンダ母材層
は、0.10〜0.40重量％のＣ、0.30〜1.50重量％のSi、0.
30〜1.50重量％のMn、0.030 重量％以下のＰ、0.030 重
量％以下のＳ、7.0 〜 17.0 重量％のCr、0.30〜2.0 重
量％のMo及び残部実質的にFe及び不可避的不純物からな
るマルテンサイト系耐熱鋼からなり、ライニング層は、
耐摩耗性及び耐食性を有するCo基合金のアトマイズ粉末
を、ＨＩＰプロセスによりシリンダ母材内面上で加圧焼
結してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラスチックの高温高
圧成形用複合シリンダに関し、特に耐摩耗性、耐食性に
優れているとともに高温高圧の使用条件下でも優れた耐
久性を有する高温高圧成形用複合シリンダに関する。

【０００２】

【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、
中空円筒状のシリンダ母材の内面に、耐摩耗性と耐食性
とを有する合金層を形成することが行われている。特に
最近では、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等
のスーパーエンジニアリングプラスチックやふっ素樹脂
等の射出成形も行われるようになり、450 ℃を越える成
形温度で高温高圧の射出成形が行われるようになった。
さらに射出成形能力向上のため、成形シリンダ内の内圧
が益々高まってきている。そのため、シリンダ母材層の
高温高圧での耐久性が問題となるようになった。

【０００３】さらに、シリンダ母材のうち、特に高温高
強度を要求される部分（押出しオリフィス直前の部分）
とそうでない部分（フィード部分等）とで、要求される
強度レベルが異なるため、特に前者の部分を補強するこ
とも行われている。例えば、シリンダ母材層全体をSCM4
40のような材料で形成し、シリンダの高温高圧部に耐熱
鋼からなる管状部材を焼きばめすることにより、バック
アップする構造としたものが提案されている。しかしな
がら、焼きばめ構造であると、高温下では熱膨張率の差
によりバックアップの耐熱鋼部材がゆるんでくるという
問題がある。そこで耐熱鋼からなるシリンダ母材層の内
面に直接ライニング層を形成した構造の高温高圧成形用
複合シリンダが望まれている。

【０００４】ところで、このような構造の高温高圧成形
用複合シリンダを、従来のように遠心鋳造法により作製
しようとすると、シリンダ母材層内面に酸化皮膜ができ
てライニング層とシリンダ母材との溶着が不十分である
という問題があることがわかった。

【０００５】またライニング層の耐摩耗性及び耐食性を
向上させるためには、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があるが、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ができない。

【０００６】従って本発明の目的は、耐摩耗性及び耐食
性を有するライニング層を有するとともに、シリンダ母
材を高強度の耐熱鋼により形成し、かつ前記ライニング
層をＨＩＰにより形成した高温高圧成形用複合シリンダ
を提供することである。

【０００７】

【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、ＨＩＰによりライニング層を形成
するとともに、シリンダ母材層をマルテンサイト系耐熱
鋼により形成することにより、優れた耐摩耗性及び耐食
性を有するライニング層と高温高圧に対する耐久性が良
好なシリンダ母材層とを有する複合シリンダが得られる
ことを発見し、本発明に想到した。

【０００８】すなわち、本発明の高温高圧成形用複合シ
リンダは、シリンダ母材層とライニング層とを有するも
ので、前記シリンダ母材層は、0.10〜0.40重量％のＣ、
0.30〜1.50重量％のSi、0.30〜1.50重量％のMn、0.030
重量％以下のＰ、0.030 重量％以下のＳ、7.0 〜 17.0
重量％のCr、0.30〜2.0 重量％のMo及び残部実質的にFe
及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系耐熱鋼か
らなり、前記ライニング層は、耐摩耗性及び耐食性を有
するCo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。

【０００９】

【実施例及び作用】シリンダ母材層の組成は以下の通り
である。Ｃ：0.10〜0.40重量％ Si：0.30〜1.50重量％ Mn：0.30〜1.50重量％Ｐ：0.030 重量％以下Ｓ：0.030 重量％以下 Cr：7.0 〜 17.0 重量％ Mo：0.30〜2.0 重量％ Fe及び不可避的不純物：残部

【００１０】以下に各元素の含有量（重量比）の特定理
由を述べる。 (a) Ｃ：0.10〜0.40重量％ 0.10重量％未満では高温耐力を維持するために必要なマ
ルテンサイト組織が不安定となり、フェライト相を析出
し好ましくない。0.40重量％を越えるとCr炭化物を晶出
し、脆くなり、靭性不足となる。好ましいＣの含有量は
0.13〜0.30重量％である。

【００１１】(b) Si：0.30〜1.50重量％脱酸性、鋳造性を維持するには0.30重量％以上のSiが必
要である。また、1.50重量％を越えると脆くなり、高温
の靭性が不足する。好ましいSiの含有量は0.30〜 0.70
重量％である。

【００１２】(c) Mn：0.50〜1.50重量％脱酸、鋳造性を維持するには0.50重量％以上のMnが必要
である。また、1.50重量％を越えると靭性不足をきた
し、かつ、マルテンサイト組織が不安定となる。好まし
いMnの含有量は0.50〜1.0 重量％である。

【００１３】(d) Ｐ：0.030 重量％以下不純物として混入するＰが0.030 重量％を越えると、靭
性低下と所定の温間耐力の不足をきたし、好ましくな
い。

【００１４】(e) Ｓ：0.030 重量％以下不純物として混入するＳも0.030 重量％を越えると温性
脆性を無視できなくなり、所定の温間耐力の不足をきた
し、好ましくない。

【００１５】(f) Cr：7.0 〜17.0重量％ Crが7.0 重量％未満では、450 ℃での0.2 ％耐力が必要
なレベル(50kg ／mm²) にならない。また、Crが17.0重
量％を越えるとマルテンサイト相が不安定となりフェラ
イト相を晶出し、耐力も不足してくる。好ましいCrの含
有量は10.0〜13.0重量％である。

【００１６】(g) Mo：0.30〜2.0 重量％温間での耐力向上には0.30重量％以上のMoを要するが、
Moが2.0 重量％を越えると経済効果が低下し、またMo炭
化物を生成し靭性が不足する。好ましいMoの含有量は0.
50〜0.70重量％である。

【００１７】次に、本発明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。

【００１８】(イ) Cr：10.0〜30.0重量％ Crは10.0重量％未満であると、本実施例の合金が硫化し
た場合、硫化スケールはCo₂S ₄からなるマトリックス
中にCr₂S ₃が分散した組織を成し、このスケールは硫
化反応を抑制しない。Crが10.0重量％を超えると硫化ス
ケールはCr₂S₃からなるマトリックス中にCo₂ S₄が
分散した組織を成し、このスケールは硫化反応を抑制す
る。しかしながらCrが30.0重量％を超えると耐硫化性は
向上するが、合金の靭性が低下してしまう。11.0〜23.0
重量％であると硫化反応抑制作用が特に顕著であるのが
好ましい。

【００１９】(ロ) Ｂ： 1.5〜4.0 重量％Ｂは組織中に高硬度のほう化物を析出させ、合金の硬度
を向上させる作用を有するが、 1.5重量％未満ではその
効果が十分ではなく、 4.0重量％を超えると脆性を増し
てしまう。好ましいＢの含有率は2.50〜 3.00 重量％で
ある。

【００２０】(ハ) Si： 2.0重量％以下 Siは脱酸剤としての作用を有するが、 2.0重量％を超え
ると共晶度が高くなって、機械的強度が低くなり、所定
の抗折力が得られなくなる。好ましいSiの含有量は0.50
〜1.50重量％である。

【００２１】(ニ) Mn： 2.0重量％以下 Mnは脱酸剤としての作用を有するが、 2.0重量％を超え
ると機械的強度が低下して脆くなる。好ましいMnの含有
率は 0.7〜1.0 重量％である。

【００２２】(ホ) Ｃ： 0.2〜0.7 重量％Ｃは基地の硬さと強度を向上させる作用を有するが、
0.2重量％未満であると、硬さが不足し、耐摩耗性が低
下する。また 0.7重量％を超えると脆くなり、強度が低
下してしまう。好ましいＣの含有率は0.20〜0.40重量％
である。

【００２３】(ヘ) Fe： 5.0重量％以下 Feは理想的には含まれないのが好ましい。含まれるFeの
量が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るのでその影響が無視できな
くなる。

【００２４】(ト) Co及び不可避的不純物：残部 CoはCr及びＢと化合して合金の高硬度特性と耐食性を向
上させるため、合金のマトリックス相とする。

【００２５】上記Co基合金はアトマイズ粉として用い
る。そのために、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のが好ましい。上記原
料は融点が余り高くなく、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が可能である
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〜 100μｍ程度であるのが好ましい。

【００２６】さらに、上述の合金粉末に、周期律表のIV
a 族、Ｖa 族あるいはVIa 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。

【００２７】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重量部であるのが好ましい。５重量部
未満であると耐摩耗性の向上が少ないし、60重量部を超
えると機械的強さの低下が大きいため好ましくない。

【００２８】またこの場合は、前記炭化物からなる微粒
子の粒径が 5〜100 μｍ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。

【００２９】次に本発明の高温高圧成形用複合シリンダ
の構造を添付図面を参照して説明する。図１に示す例で
は、複合シリンダ１はマルテンサイト系耐熱鋼からなる
シリンダ母材層２とライニング層３とからなる。

【００３０】次に本発明の高温高圧成形用の製造方法の
一例を説明する。図２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。

【００３１】図２に示すように、ホッパー用開口部21を
有するシリンダ母材２の内側に、複合シリンダのライニ
ング層を形成するための芯金４を挿入することにより、
シリンダ母材２と芯金４との間に環状の中空部５を形成
する。芯金４の両端及びシリンダ母材２の両端をとも
に、蓋６、７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21より
入れることになるが、場合によっては、蓋６、７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２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21
も、蓋８（図３参照）によりシールする。

【００３２】なお芯金４及び蓋６、７は軟鋼等により作
製することができる。また芯金４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。

【００３３】図３は、このようにして合金粉末3aが充填
され、蓋８が溶接接合された状態のシリンダを示す概略
断面図である。

【００３４】合金粉末が密封充填されたシリンダは、図
４に示すような構造のＨＩＰ装置10内に装填され、ＨＩ
Ｐ処理が行われるが、通常のＨＩＰ処理条件は、温度
1,000〜1,150 ℃、圧力 1,000〜1,500atm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。なお図
４における白抜矢印は、複合シリンダに加わる圧力の方
向を概略的に示している。

【００３５】ＨＩＰ処理を行った後の複合シリンダにつ
いては、切削加工等により蓋６、７を除去する。次い
で、芯金４を除去し、シリンダ内面の仕上げを行う。

【００３６】以上により作製される複合シリンダは、ラ
イニング層がＨＩＰプロセスにより形成されるため、シ
リンダ母材層２（マルテンサイト系耐熱鋼）との接合が
良好であり、またFeが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、優れた耐摩耗性及び
耐食性を有する構造になっている。

【００３７】なお上述した本実施例の複合シリンダに施
す熱処理としては、焼戻しだけで十分である。焼戻し
は、 650〜700 ℃で2 〜5 時間加熱し、その後炉中冷却
することにより行う。

【００３８】以下の具体的実施例により本発明を詳細に
説明する。実施例１図１に示す構造の複合シリンダを作製するため、ライニ
ング層を形成する合金材料として、Cr18重量％、Ｂ 3.2
重量％、Si 1.0重量％、Mn0.82重量％、Ｃ 0.2重量％、
Fe 0.6重量％、残部実質的にCo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た。またシリンダ母材
をC 0.16 重量％、Si 0.50 重量％、Mn0.75 重量％、P
0.020 重量％、S 0.010 重量％、Cr 11.5 重量％、Mo
0.60 重量％、残部実質的にFe及び不可避的不純物から
なるからなるマルテンサイト系耐熱鋼により形成した。

【００３９】また、上記複合シリンダを図４に示すよう
な構造のＨＩＰ装置内において、ＨＩＰ処理を施した
が、この時のＨＩＰ処理条件は、Arガス雰囲気中、温度
1,080℃、圧力 1,000atm 、４時間とした。

【００４０】実施例２実施例１と同様に、複合シリンダを作製するために、ラ
イニング層を形成する合金材料として、Cr22重量％、Ｂ
3.0重量％、Si 1.0重量％、Mn0.50重量％、Ｃ0.15重量
％、Fe 1.0重量％、残部実質的にCo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の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ものを用いた。またシリ
ンダ母材としては実施例１と同じとした。

【００４１】次いで、アトマイズ粉末が密封された上記
複合シリンダを図４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 1,100℃、圧力 1,000atm 、Arの不活性ガス雰
囲気中、４時間とした。

【００４２】上述した実施例の複合シリンダについて、
それぞれ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。

【００４３】耐摩耗性については、成形機用シリンダの
ライニング層から、10mm×15mm×10mmの大きさの試料を
作成し、#400の研磨紙に、荷重 2.0kgで押圧し、480mの
距離を摺動させた後にライニング層の摩耗量を調べた。
この結果を、窒化鋼を10とした時の相対値によって表
し、耐摩耗性を評価した。

【００４４】耐食性については、成形機用シリンダのラ
イニング層から試料を作成し、50℃の10％ HCl水溶液中
に24時間浸漬した後に、ライニング層の腐食減量率を調
べた。この結果を、窒化鋼を10とした時の相対値によっ
て表し、腐食性を評価した。

【００４５】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450 ℃における 0.2％耐力を計測した。こ
れらの結果を表１に示す。

【００４６】表１ライニング磨耗率腐食減量率シリンダ母材の層の硬さ（窒化鋼を（窒化鋼を 0.2 ％耐力(450℃) 実施例No. （ＨＲＣ） 10とする) 10とする) (kgf/mm²) 実施例１ 57 1.0 0.7 59 実施例２ 65 0.1 0.6 57

【００４７】表１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、ライニング層が優れた耐摩耗
性及び耐食性を有していた。また、シリンダ母材の強度
が著しく向上していることがわかる。

【００４８】なお本実施例においては、単軸の複合シリ
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。

【００４９】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が、
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。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の高温高圧
成形用複合シリンダにおいては、シリンダ母材層をマル
テンサイト系耐熱鋼により形成し、かつライニング層を
耐食性、耐摩耗性を有するCo基合金の粉末をＨＩＰプロ
セスにより加圧焼結することにより形成している。この
ため、高温高圧条件下でもシリンダ母材層の歪みがな
く、それによってライニング層のクラックが防止され、
複合シリンダの寿命が向上している。またライニング層
が優れた耐摩耗性及び耐食性を有するという点でも、複
合シリンダの寿命は向上している。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリンダ母材及びライニング層からなる本発明
の複合シリンダを示す部分断面図である。

【図２】シリンダ母材内に芯金を挿入した状態を示す概
略断面図である。

【図３】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る。

【図４】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る。

【符号の説明】

１・・・高温高圧成形用複合シリンダ２・・・シリンダ母材３・・・ライニング層 3a・・・合金粉末４・・・芯金５・・・中空部６、７、８・・・蓋 10・・・ＨＩＰ装置 21・・・ホッパー用開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ母材層とライニング層とを有す
る高温高圧成形用複合シリンダにおいて、前記シリンダ
母材層は、0.10〜0.40重量％のＣ、0.30〜1.50重量％の
Si、0.30〜1.50重量％のMn、0.030 重量％以下のＰ、0.
030 重量％以下のＳ、7.0 〜 17.0 重量％のCr、0.30〜
2.0 重量％のMo及び残部実質的にFe及び不可避的不純物
からなるマルテンサイト系耐熱鋼からなり、前記ライニ
ング層は、耐摩耗性及び耐食性を有するCo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高温高圧成
形用複合シリンダ。
【請求項２】請求項１に記載の高温高圧成形用複合シ
リンダにおいて、前記ライニング層が、Cr10.0〜30.0重
量％、Ｂ 1.5〜4.0 重量％、Si 2.0重量％以下、Mn 2.0
重量％以下、Ｃ 0.2〜0.7 重量％、Fe 5.0重量％以下、
残部実質的にCo及び不可避的不純物からなるCo基合金か
らなることを特徴とする高温高圧成形用複合シリンダ。
【請求項３】請求項１又は２に記載の高温高圧成形用
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VI
a 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高温高圧成形用複合
シリンダ。
【請求項４】請求項３に記載の高温高圧成形用複合シ
リンダにおいて、前記炭化物からなる微粒子の粒径が 5
〜100 μｍであることを特徴とする高温高圧成形用複合
シリンダ。