JPH06122137A

JPH06122137A - プラスチック成形機用複合シリンダ

Info

Publication number: JPH06122137A
Application number: JP4274116A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maruta; 賢二丸田; Masanori Amano; 正則天野; Shinichi Sagara; 心一相良; Satoshi Fukui; 福井　　聡
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】 Cr、Ｗ等の硬質硼化物が均一に分布した耐摩
耗性、耐食性焼結合金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を提供する。【構成】化学成分が重量比でCr 10〜30％、Ｂ 1.5〜4
％、Si 2％以下、Mn 2％以下、Ｃ 0.5％以下、Fe 5％以
下、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 100重量部当り、ＷＢ粉末 3〜50重量部
を分散してなる焼結合金のライニング層と、重量比でＣ
0.3〜0.5％、Si 0.15〜0.35％、Mn 0.3〜1.5％、Ｐ 0.
03％以下、Ｓ 0.03％以下、Cr 0.7〜1.5％、Mo 0.1〜0.
5％、残部実質的にFe及び不可避的不純物からなるCr−M
o鋼、又はさらにNi 3.0％以下を加えたNi−Cr−Mo鋼の
母材とからなる複合シリンダ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラスチック成形機等
に用いる耐摩耗性、耐食性に優れた複合シリンダに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック等の射出成形或いは押出成
形に使用される成形機用のシリンダには、加熱成形中の
樹脂又は樹脂に加えた添加剤等による腐食或いは摩耗を
防止するため、例えば特開昭53−85712号公報に示され
るように、鋼材からなる中空円筒上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成のものが用いられている。

【０００３】しかし上述の成形機用複合シリンダを遠心
鋳造法により作製する場合には、溶着反応時に、ライニ
ング層を形成する合金材料へシリンダ母材を形成する鋼
材のFeが侵入する。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が、Feは
ライニング層の硬さを低下させ、また耐食性を劣化させ
てしまうという問題がある。またライニング層を形成す
る合金材料として、母材からのFeの侵入を防ぎ、ライニ
ング層の硬さと耐食性を確保するため、特開平4−18774
6号公報に示されるように、合金材料をＨＩＰ(熱間等方
圧加圧)プロセスによりシリンダ母材の内面上で加圧焼
結したものが用いられている。

【０００４】しかし近年、プラスチックは用途が多種多
様化し、様々な添加剤を混合するようになってきている
ため、成形機用複合シリンダの内側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要求が高まってきて
いる。このため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、必ずしも上記の要求
を満足させることができない。またＨＩＰプロセスによ
りシリンダ母材の内面上で加圧焼結したものでも、上記
要求を満足させることができない場合が生じてきた。こ
れらの問題を解決するために、前記特開平4−187746号
公報では、ライニング層を形成する合金材料に、硬質粒
子であるＷＣを5〜60重量％添加して、耐摩耗性を向上
させている。しかし耐摩耗性向上のためにＷＣを多量に
添加すると、ライニング層の強度の低下が著しく大きく
なるという問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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、優れた耐摩耗性及び耐食性を有し、
同時に優れた強度を有する組成にすることができる複合
シリンダを提供することである。

【０００６】

【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
(熱間等方圧加圧)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、か
つ強度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、ライニング層は、Cr 10.0〜30.0重
量％、Ｂ 1.5〜4.0 重量％、Si 2.0重量％以下、Mn 2.0
重量％以下、Ｃ 0.5重量％以下、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合金のアトマ
イズ粉末 100重量部当り、ＷＢ粉末を3〜50重量部分散
させた粉末を焼結し、ＨＩＰプロセスによりシリンダ母
材内面上に加圧焼結してなることを特徴とする。

【０００７】

【作用】以下に各元素の含有量（重量比）の特定理由を
述べる。 (a) Cr：10.0〜30.0％ Crは10.0重量％未満であると、本実施例の合金が樹脂中
のＳにより硫化した場合、硫化スケ−ルはCo₂Ｓ₄からな
るマトリックス中にCr₂Ｓ₃が分散した組織をなし、この
スケ−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−ルはCr₂Ｓ₃のマトリックス中にCo₂Ｓ₄
が分散した組織をなし、このスケ−ルは硫化反応を抑制
する。しかしCrが30.0重量％を超えると耐硫化性は向上
するが、合金の靭性が低下する。なおCrが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り、好
ましい。 (b) Ｂ：1.5〜4.0％Ｂは組織中に高硬さの硼化物を析出させ、合金の硬さを
向上させる作用をするが、1.5重量％未満ではその効果
が十分ではなく、4.0重量％を超えると脆性が増加し強
度が低下する。

【０００８】(c) Si：2.0％以下 Siは脱酸剤の作用をするが、その効果から含有量は2.0
重量％以下とする。 (d) Ｃ：0.5％以下Ｃは基地の硬さと強度を向上させる作用をするが、0.7
重量％を超えると脆くなり、強度が低下する。 (e) Fe：5.0％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5.0重量％を超え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。 (f) Co：残り CoはCr及びＢと化合して合金の硬さ特性と耐食性を向上
させるため、合金の基礎元素として残重量％とする。

【０００９】本発明においては、上述した組成の合金を
溶融し、ガスアトマイズ法により粉末化する。上記合金
は融点があまり高くなく、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。アトマイ
ズ粉末の粒径は、ＨＩＰ処理が可能な限り特に限定され
ないが、組成の均一性を高めるために5〜100μmである
のが好ましい。

【００１０】(g) ＷＢ：3〜50重量部本発明においては、上述の合金粉末にさらにＷＢの粉末
を均一に分散させて耐摩耗性を向上させる。ＷＢの硬さ
はHv 3700kg/mm²であり、ＷＣのHv 1800kg/mm²に比べて
著しく高い。このため耐摩耗性の向上は前記特開平4−1
87746号公報のＷＣ添加の場合よりも一層顕著である。
その含有量は、合金粉末 100重量部当り、3〜50重量部
であるのが好ましい。3重量部未満であると耐摩耗性の
向上が少ないし、50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。なおＷＢ粉末の代わりとし
て、周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族あるいはＶＩａ族に属
するＷ以外の硼化物の粉末も用いることができる。

【００１１】またＷＢ等上記硼化物の粉末の粒径は5〜1
00μmであるのが好ましい。5μm未満であると均一に分
散せず、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。

【００１２】図１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。図１に示すように、ホッパ−
用開口部41を有し、高強度鋼材等からなるシリンダ母材
１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−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−ル
するようにしても良い。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−用開口部41も、蓋８によりシ−ルする。な
お芯金２及び蓋４、５は軟鋼等により作製する。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
も良い。

【００１３】図２は、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、図３に示すような構造のＨＩＰ装置７
内に装填され、ＨＩＰ処理が行なわれるが、通常のＨＩ
Ｐ処理条件は温度 1000〜1150℃、圧力 1000〜1500atm
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３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は、切削加工等により蓋４、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、ライニング層が
ＨＩＰプロセスにより焼結形成されるため、Feがシリン
ダ母材から侵入することがなく、優れた硬さ及び耐食性
を有する。

【００１４】上述した本発明の複合シリンダには適切な
熱処理を施し、シリンダ母材を強度上有利な金属組織の
構成にすることにより、シリンダ母材の強度を向上さ
せ、ライニング層の耐クラック性を向上させうる。この
ため、その金属組織の20％以上をベイナイトにし、残部
をソルバイトにより形成するのが好ましい。ベイナイト
が20％未満であると、十分な強度が得られず好ましくな
い。

【００１５】このような熱処理を施す場合に最適なシリ
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、
化学成分の含有量はＣ 0.3〜0.5重量％、Si 0.15〜0.35
重量％、Mn 0.3〜1.5重量％、Ｐ 0.03重量％以下、Ｓ
0.03重量％以下、Cr 0.7〜1.5重量％、Mo 0.1〜0.5重量
％とするのが強度上好ましい。日本工業規格(JIS G 410
5)に規定されるSCM440、SCM445相当のCr−Mo鋼が強度上
特に好ましい。

【００１６】合金鋼として、Ni−Cr−Mo鋼を用いる場
合、化学成分の含有量はＣ 0.3〜0.5重量％、Si 0.15〜
0.35重量％、Mn 0.3〜1.5重量％、Ｐ 0.03重量％以下、
Ｓ 0.03重量％以下、Ni 3.0重量％以下、Cr 0.7〜1.5重
量％、Mo 0.1〜0.5重量％とするのが強度上好ましい。
日本工業規格(JIS G 4103)に規定されるSNCM439相当のN
i−Cr−Mo鋼が強度上特に好ましい。

【００１７】本発明では、母材を上述の金属組織の構成
とするため、複合シリンダに熱処理を施すが、この熱処
理方法を図４の熱処理パタ−ンにより説明する。ここで
図４の横軸は時間、縦軸は温度を示し、熱処理パタ−ン
上のＡは焼入加熱工程、Ｂは冷却工程、Ｃは保持工程、
Ｄは焼戻し加熱工程を示している。本発明においては、
Ａに示す850〜950℃加熱工程の後、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40〜100℃／分である。冷却速
度が40℃／分未満であるとトル−スタイトを生じ、100
℃／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300〜550℃の保持工程によりベ
イナイト変態を起こさせる。ベイナイト変態を起こさせ
る領域が300℃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が生じやすく
なり、550℃を超えるとパ−ライト変態が生じて母材に
強度が付与されない。保持工程Ｃ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が20％未満となり、十分な強度が得
られなくなる。次いでＥに示す550〜650℃の温度でアニ
−ルを行う。アニ−ル温度が550℃未満であると残留応
力除去というアニ−ルの目的を果たせず、650℃を超え
ると金属組織に影響を及ぼし母材の強度が低下する。ア
ニ−ル時間は1〜5時間である。アニ−ル時間が1時間未
満であると十分に残留応力を除去できず、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。以上により作製される本発明の複
合シリンダは、シリンダ母材の強度が著しく向上するた
めライニング層にかかる歪が小さくなり、ライニング層
はさらに優れた疲労強度、特に耐クラック性を有するよ
うになる。

【００１８】

【実施例】

実施例１図２に示す構造の接合体を上述の方法により作製した。
ライニング層を形成する合金材料として、Cr 22.0重量
％、Ｂ 3.0重量％、Si 1.0重量％、Mn 0.50重量％、Ｃ
0.15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100重量部当
り、粒径 5〜30μmのＷＢ粉末 20重量部を均一に分散さ
せた。シリンダ母材にはSCM440を用いた。次いで、粉末
が密封された上記接合体を図３に示すような構造のＨＩ
Ｐ装置内に充填し、ＨＩＰ処理を施した。この時のＨＩ
Ｐ処理条件は、温度 1100℃、圧力 1000atmであり、Ar
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。

【００１９】実施例２実施例１と同様に接合体を作製した。ライニング層を形
成する合金材料として、実施例１と同様、Cr 22.0重量
％、Ｂ 3.0重量％、Si 1.0重量％、Mn 0.50重量％、Ｃ
0.15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 100重量部当
り、粒径 5〜30μmのＷＢ粉末 20重量部を均一に分散さ
せた。ここで用いたシリンダ母材はSNCM439である。次
いで、粉末が密封された上記接合体に前記実施例１と同
様のＨＩＰ処理を施し、複合シリンダを得た。

【００２０】実施例３実施例１、２と同様に得た複合シリンダに熱処理を施し
た。この時の熱処理条件は、加熱温度 900℃（図４に示
すＡ）、冷却速度 50℃／分（図４に示すＢ）、ベイナ
イト変態を起こす温度 450℃及び保持時間 20分（図４
に示すＣ）、加熱速度 5℃／分（図４に示すＤ）、アニ
−ル温度 600℃及び保持時間 5時間（図４に示すＥ）と
した。以上により形成された複合シリンダの母材の金属
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。

【００２１】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、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
ダから大きさ 10mm×15mm×10mmの試料を採取し、#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、ライニング材の摩耗量を調べた。この結果を、
比較例として従来の窒化鋼製シリンダの結果を10とした
時の相対値により表わし、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大きさ 4mm×1.5mm
×10mmの試料を採取し、50℃の10％ＨCl水溶液中に24時
間浸漬した後に、ライニング材の腐食減量率を調べた。
この結果を、比較例として従来の窒化鋼製シリンダの結
果を10とした時の相対値により表わし、耐食性を評価し
た。シリンダ母材の強度については、母材から引張試験
試料を採取し、母材強度として最も重要な0.2％耐力を
計測した。これらの結果をまとめて表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】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、ライニング層は従来の窒化鋼製
シリンダに比べて優れた耐摩耗性及び耐食性を有してい
る。実施例３の複合シリンダにおいては、適切な熱処理
が施されているため、シリンダ母材の強度が著しく向上
している。このため、ライニング層にかかる歪が小さく
なり、ライニング層の疲労強度及び耐クラック性が向上
する。なお本実施例においては、単軸の複合シリンダを
例にとって述べたが、複数軸の複合シリンダにすること
も可能であり、この場合も良好な結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。

【００２４】

【発明の効果】本発明の複合シリンダは、耐摩耗性と耐
食性を有するのに最適な成分組成の合金によりライニン
グ層を形成し、かつその合金がＨＩＰプロセスによりシ
リンダ母材に加圧焼結された構成になっている。このた
め、ライニング層がシリンダ母材から侵入するFeを含む
ことなく被覆され、優れた耐摩耗性及び耐食性を有して
いる。また適切な熱処理により、シリンダ母材の強度が
著しく向上するため、ライニング層にかかる歪が小さく
なり、ライニング層の疲労強度及び耐クラック性が向上
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】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３】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。

【図４】本発明の一実施例による複合シリンダの熱処理
パタ−ン図である。

【符号の説明】

１：シリンダ母材、２：芯金、３：中空部、 3a：
合金粉末、４，５，８：蓋、６：接合体、７：Ｈ
ＩＰ装置、 31，32：端部、 41：ホッパ−用開口部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福井聡北九州市若松区北浜一丁目９番１号日立金属株式会社若松工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ライニング層とシリンダ母材とを有する
複合シリンダにおいて、ライニング層はCr 10.0〜30.0
重量％、Ｂ 1.5〜4.0重量％、Si 2.0重量％以下、Mn 2.
0重量％以下、Ｃ 0.5重量％以下、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合金のアト
マイズ粉末 100重量部当り、ＷＢ粉末 3〜50重量部を均
一に分散させた粉末を焼結してなることを特徴とするプ
ラスチック成形機用複合シリンダ。
【請求項２】請求項１に記載の複合シリンダにおい
て、シリンダの母材の金属組織はベイナイト 20％以
上、残部ソルバイトからなることを特徴とするプラスチ
ック成形機用複合シリンダ。
【請求項３】請求項２に記載の複合シリンダにおい
て、シリンダ母材はＣ0.3〜0.5重量％、Si 0.15〜0.35
重量％、Mn 0.3〜1.5重量％、Ｐ 0.03重量％以下、Ｓ
0.03重量％以下、Cr 0.7〜1.5重量％、Mo 0.1〜0.5重量
％、残部実質的にFe及び不可避的不純物からなるCr−Mo
鋼であることを特徴とするプラスチック成形機用複合シ
リンダ。
【請求項４】請求項２に記載の複合シリンダにおい
て、シリンダ母材はＣ0.3〜0.5重量％、Si 0.15〜0.35
重量％、Mn 0.3〜1.5重量％、Ｐ 0.03重量％以下、Ｓ
0.03重量％以下、Ni 3.0重量％以下、Cr 0.7〜1.5重量
％、Mo 0.1〜0.5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プ
ラスチック成形機用複合シリンダ。