JPH07268524A

JPH07268524A - 高耐食耐摩耗性複合材料

Info

Publication number: JPH07268524A
Application number: JP8530394A
Authority: JP
Inventors: Hideo Oyabu; 英雄大薮; Satoshi Shimada; 聡嶋田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】耐食性、耐摩耗性ともに優れた特性を有
し、樹脂加工機械用のシリンダ、スクリュなどに好適な
複合材料を提供する。【構成】炭化物およびほう化物を主体とする硬質
相がＮｉ基マトリックスで結合された複合材料であっ
て、Ｂ：２〜６％、Ｃｒ：２１〜３８％、Ｍｏ：８〜２
２％、Ｗ：０．５〜８％、Ｆｅ：３〜６％、Ｃ：０．４
〜３％、Ｃｕ：０〜２％を含有し、さらに、所望により
Ｖ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａの１種以上を合計量で６〜２
５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からな
る。【効果】耐食性、耐摩耗性ともに優れた特性が得ら
れ、過酷な環境下で使用される樹脂加工機械用の構成摺
動材料として優れた耐久性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高耐食性、高耐摩性
のほう化物と炭化物とを主体とする硬質相を、Ｎｉ基マ
トリックスで結合した高耐食耐摩耗複合材料に関するも
のである。例えば、腐食性の強いプラスチックやゴム等
の可塑物を対象とする樹脂加工機械用のシリンダ材やス
クリュ材に適しており、特に、塩酸、弗化水素酸に対す
る耐食性を必要とし、かつ、耐摩耗性を要求されるコン
パウンド用樹脂加工機械用の耐食耐摩耗材に好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】樹脂加工機械における押出機や射出機の
シリンダ、スクリュ材は、加工対象物による摩耗を受け
たり、金属間の接触摩耗を受け易いので、耐摩耗性に優
れた材料で構成する必要がある。このため従来は、上記
材料に、耐摩耗性に優れた自溶性耐摩耗Ｎｉ基合金やＮ
ｉ基自溶性合金にＷＣのような硬質粒子を添加した複合
材料が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近の成形
材料の高機能化により、樹脂加工機械が使用される環境
はより過酷になっており、例えば、高温条件下での成形
作業において、樹脂加工機械は、樹脂から発生する腐食
ガスにさらされ、腐食を受け易い状態になる。したがっ
て、従来のように、樹脂加工機械用の材料についても、
耐摩耗性だけを重視することはできず、耐食性について
も優れた特性が要求されている。しかし、前記した自溶
性耐摩耗Ｎｉ基合金、ＷＣ添加複合材料は、耐摩耗性は
良好であるが、耐食性は十分でない。これに対し、耐
食性に優れた材料としては、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金が知
られており、実際に、樹脂加工機械への使用例もある。
しかし、この材料は、耐摩耗性が十分ではなく、例え
ば、部材同士の接触による凝着やカジリを生じ易いとい
う欠点がある。以上のように、従来材においては、耐
食性に優れた材料は耐摩耗性が十分でなく、また、耐摩
耗性に優れた材料は耐食性が不十分である。このため最
近では、耐摩耗性、耐食性のいずれにも優れた特性を有
する材料の開発が進められているが、両方の優れた特性
を十分に合わせもつ材料の実現は達成されていない。こ
の発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、
使用される条件の厳しい樹脂加工機械における高腐食環
境下での使用にも耐え得る高耐食耐摩耗性複合材料を提
供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願発明者らはＭｏ−Ｃｒ−Ｎｉ系のほう化物を主体と
する硬質相と、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏなど
の炭化物を分散させた硬質の合金に着目した。さらに、
本発明者らは、耐食性を具備した耐摩耗材料の開発過程
において、このほう化物が高い硬さを持つだけでなく、
優れた耐食性を有することを見いだし、上記したほう化
物、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏの炭化物、Ｎｉ
基合金の組合わせにより、耐食性、耐摩耗性ともに優れ
た本発明の複合材料を得たものである。

【０００５】すなわち、本願発明の高耐食耐摩耗性複合
材料のうち、第一の発明は、炭化物およびほう化物を主
体とする硬質相がＮｉ基マトリックスで結合された複合
材料であって、前記硬質相およびマトリックスは、総量
でＢ：２〜６重量％、Ｃｒ：２１〜３１重量％、Ｍｏ：
８〜１７重量％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６
重量％、Ｃ：０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を
含有し、さらに、Ｖ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａの１種以上
を合計量で６〜２５重量％含有し、残部がＮｉおよび不
可避的不純物からなることを特徴とするものである。

【０００６】次に、第二の発明は、炭化物およびほう化
物を主体とする硬質相がＮｉ基マトリックスであって、
前記硬質相およびマトリックスは、総量でＢ：２〜６重
量％、Ｃｒ：３０〜３８重量％、Ｍｏ：８〜１７重量
％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６重量％、Ｃ：
０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を含有し、残部
がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする
ものである。

【０００７】さらに第三の発明は、炭化物およびほう化
物を主体とする硬質相がＮｉ基マトリックスであって、
前記硬質相およびマトリックスは、総量でＢ：２〜６重
量％、Ｃｒ：２１〜３１重量％、Ｍｏ：１７〜２２重量
％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６重量％、Ｃ：
０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を含有し、残部
がＮｉおよび不可避的不純物からなるなることを特徴と
するものである。

【０００８】上記硬質相では、添加合金のままの炭化
物、ほう化物、または含有成分と反応した炭化物、ほう
化物が主体となっており、ほう化物の多くは複ほう化物
からなる。また、炭化物においても、複炭化物が生成さ
れる場合がある。なお、本発明における組成物は粉末と
して提供し、これを焼結する粉末冶金法により製造する
のが望ましく、この方法によれば、硬質物が均一に分散
した複合材料が得られる。さらに、ＨＩＰ法を用いるこ
とにより、より高強度、高靱性の複合材料が得られる。

【０００９】上記粉末冶金において、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏの全部または一部をＺｒＣ等の炭化物
粉末として提供し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂの全部または一部を
ＣｒＢ、ＭｏＢ粉末として提供することができる。これ
ら粉末を用いた場合に、母合金粉末は、発明の範囲内に
おいて必要に応じた組成を有するものが使用される。例
えば、Ｃｒ：１５〜１６％、Ｍｏ：１５〜１７％、Ｗ：
３〜４％のもので残部が実質的にＮｉからなる母合金が
使用される。上記母合金粉末は、焼結性、組織の均一性
のためにアトマイズ法で製造するのが望ましい。炭化物
粉末、ほう化物粉末、母合金粉末は、ボールミルなどに
よって所定量を混合し、この混合粉を成形した後、焼結
する。例えば液相焼結によって行う場合には、１０００
〜１３００℃で１０〜１２０分間焼結する。なお、焼結
方法はこれに限定されるものではなく、普通焼結法の他
に熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）、ホットプレス法などの
他の焼結法を採用することも可能である。なお、焼結温
度を高くして、例えば１１００℃以上で焼結する場合に
はＶＣおよびＣｒＢは、他の成分と相互に反応してそれ
ぞれ複炭化物および複ほう化物を生成する。また、熱力
学的に安定なＺｒＣなどは反応せずに単体で組織中に分
散する。また、ＮｂＣのように部分的に反応する炭化物
が存在し、それぞれの特性を示す。

【００１０】

【作用】すなわち、本願発明の複合材料によれば、各種
実験の結果、摺動時にほう化物（主として複ほう化物）
が潤滑材の役割を果たし、相手材に対する攻撃性を緩和
する。また、複ほう化物は、適度な耐摩耗性を発揮する
とともに、耐食性を向上させる。さらに、複ほう化物に
Ｚｒ等の炭化物を組み合わせることにより、金属同士の
凝着摩耗を軽減し、かつ高硬度である炭化物のもつ自身
の耐摩耗性によりアブレシブ摩耗に対しても有効に作用
する。したがって、本願発明により、耐食性、耐摩耗性
の両特性が十分に優れている材料が得られる。次いで、
本発明の成分の作用および含有量（重量％）の限定理由
を述べる。

【００１１】Ｂは、硬質相となるＭ₃Ｂ₂型の複ほう化物
（電子線マイクロアナライザーによる面分析、Ｘ線回折
による調査で結果確認）を形成するために、必要不可欠
な元素である。ただし、Ｂ含有量が２％未満になると耐
摩耗性が悪くなり、一方、６％を越えると硬質相の量が
過多となり、強度の低下が生じるため、含有量を２〜６
％とする。

【００１２】Ｃｒは、焼結時に反応して炭化物を生成し
たり、ほう化物として硬質相を構成するだけでなく、結
合相にも固溶して、耐食性、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化
性を向上させる働きを持つ。その含有量が２１％未満で
は、耐食性が不十分であり、また、３８％を越えると、
含有量に見合った耐食性の向上が認められず、また、靱
性も低下するため２１〜３８％に限定する必要がある。
ただし、第１、第３の発明では、非Ｃｒ系の炭化物添加
を意図しているので、上限を３１％にして、含有量を２
１〜３１％に限定した。また、第２の発明ではＣｒ系の
炭化物添加を意図しているので、下限を３０％にして、
含有量を３０〜３８％に限定した。

【００１３】Ｍｏは、Ｂと反応して複ほう化物を生成
し、弗化水素酸などの還元性雰囲気に対する腐食抵抗を
増大させる作用がある。ただし、十分な耐食性を確保す
るために、８％以上の含有が必要である。しかし、２２
％を越えると、脆弱な金属間化合物を形成し、耐摩耗性
の低下をもたらすので、８〜２２％に限定する。ただ
し、第１、第２の発明では、耐摩耗性を重視しており、
高度な耐食性を必要としないので上限に１７％として、
含有量を８〜１７％に限定した。また第３の発明では、
耐食性を重視するので下限を１７％にして、含有量を１
７〜２２％に限定した。

【００１４】Ｗは、Ｎｉ基合金に分散させる硬質相を構
成させたり、耐熱性を付与するもので、他成分との反応
によって複ほう化物を構成する。その含有量は、０．５
％未満では耐摩耗性の付与が不十分となり、また、８％
を越えると、材料強度が低下したり、合金の比重が大き
くなって高重量化につながり、部材の構成上不利である
ので、０．５〜８％の範囲とする。

【００１５】Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａは、Ｎｉ基合金に分
散させる硬質相を構成させるもので、Ｖは他成分との反
応によって複炭化物や複ほう化物を生成して、耐摩耗性
を向上させ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａは、他成分とあまり反応
せずに、硬質炭化物として残存し、耐摩耗性、特に耐ア
ブレシブ摩耗性を向上させる。これら成分の合計含有量
は、６％未満では耐摩耗性の付与が不十分となり、ま
た、２５％を越えると、材料強度が劣化するため、合計
で６〜２５％に限定した。なお、同様の理由で、さら
に、８〜２０％に限定するのが望ましく、１０〜１５％
に限定するのが一層望ましい。

【００１６】Ｃは、Ｚｒ等の炭化物と同様にＮｉ基合金
に分散させる硬質相を構成させるもので、Ｃｒ、Ｖ等と
反応して炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。
その含有量は、０．４％未満では耐摩耗性向上が不十分
であり、一方、３％を越えると、炭化物が過度となり、
相手材攻撃性が増すとともに機械的特性を損なうので、
０．４〜３％に限定する。

【００１７】Ｆｅは、低温における強度を向上させるた
めに添加する。ただし、３％未満では、その作用は不十
分であり、また、６％を越えると、耐食性が低下するの
で、３〜６％に限定する。

【００１８】Ｃｕは、Ｎｉ−Ｃｕ合金であるモネル合金
（商標名）に代表されるように、Ｎｉ基合金の耐食性の
向上に寄与するので、所望により含有させる。ただし、
十分な耐食性を得るためには０．５％以上の含有が望ま
しい。一方、添加量が多くなると合金が軟化して耐摩耗
性が悪くなるので、含有量は２％以下とした。なお、耐
摩耗性を重視する場合には無添加とする。

【００１９】Ｎｉは、耐食性の向上に効果のある元素で
あり、Ｂとともに硬質のほう化物を形成して耐摩耗性を
向上させる効果があるので、残部をＮｉとした。なお、
残部のＮｉには不可避的不純物が存在するが、それら
は、本発明の効果を損なわない範囲内で許容される。

【００２０】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、比較例（従来
例）と比較しつつ説明する。なお、以下の説明では、成
分量はすべて重量％で示す。まず、表１に示す組成のＮ
ｉ基合金を原料粉末の一部として用意し、さらに表２に
示す成分比で各粉末を秤量して配合し、試験用混合粉末
をそれぞれ調製した。なお、各原料粉末の粒径は以下に
示すとおりである。（粒径）合金Ａ：１０〜４４μｍＣｒＢ：９μｍ
（平均粒径）Ｃｕ：４４μｍ以下ＶＣ：１．６
μｍ（平均粒径）ＺｒＣ：２．３μｍ（平均粒径）ＮｂＣ：１μｍ
（平均粒径）ＴａＣ：２μｍ（平均粒径）Ｃｒ₃Ｃ₂：２μｍ
（平均粒径）Ｍｏ₂Ｃ：１．４μｍ（平均粒径）

【００２１】各混合粉末には、さらにパラフィン等のバ
インダを所定量加え、有機溶媒中でボールミルによって
２４時間湿式混合した後、乾燥して２５０〜５００μｍ
の粒径に造粒した。この造粒粉をＣＩＰ等で成形した。
得られた成形体を不活性ガス雰囲気下において、３５０
〜５００℃で２〜４時間加熱して脱脂を行った。そして
脱脂後の成形体を、真空雰囲気下で焼結した。具体的に
は、１０^-3Ｔｏｒｒ以下の雰囲気下において、１０００
℃で１時間保持し、さらに、１１８０〜１３５０℃で３
０〜１２０分保持して本発明の焼結体を得た。さらに、
この焼結体を切断加工して、所定形状の試験片（実施例
１〜１５）を製作した。また、比較のために従来材から
なる試験片（比較例１、２）を用意した。比較材１は、
市販のＮｉ基耐食合金からなり、比較例２はＮｉ基自溶
性合金からなるものである。なお、実施例１〜１５及び
比較例１、２の成分の総量を表３に示す。上記試験片の
うち、実施例３について、ＥＰＭＡによって面分析組織
観察を行ったところ図１の写真に示すように、マトリッ
クスとしてＮｉ−Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃｒの組成物が形成され
ており、硬質相としてはＮｂ−Ｍｏ−Ｂ−Ｃよりなる複
炭化物、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ−Ｂよりなる複炭化物が生成さ
れていた。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】次ぎに、各試験片の特性評価を行うため
に、それぞれの硬さを測定するとともに、腐食試験およ
び摩耗試験を行った。腐食試験は、室温で、５％弗化水
素酸に３０時間浸漬し、腐食減量を測定して耐食性を評
価した。また、摩耗試験は、金属同士の凝着摩耗をシミ
ュレートするため、大越式迅速摩耗試験機を用い、相手
材にＳＫＤ１１相当材（ＨＲＣ６１）を使用し、最終荷
重１８．９ｋｇｆ、摩擦速度２．３７ｍ／ｓ、摩擦距離
２００ｍ、室温、無潤滑の条件下で試験を行い、摩耗量
を測定して耐摩耗性を評価した。さらに、樹脂中の硬質
添加剤による摩耗をシミュレートするためにアブレシブ
摩耗試験を行った。具体的には、相手材に３２０番のＳ
ｉＣ研磨紙を用いて荷重２ｋｇｆ、速度３．６ｍ／ｓ
（６０往復／分）で試験を行った。なお摩耗量は、４０
０回毎の摩耗減量の平均値とした。

【００２６】これらの試験結果を表４に示す。その結
果、比較例１（Ｎｉ基耐食合金）は耐食性には優れてい
るものの耐摩耗性に劣っており、例えば、樹脂にガラス
繊維などを添加した複合材料の成形に対しては好適な材
料ではない。また、比較例２（Ｎｉ基自溶性合金）は、
耐摩耗性は十分とはいえないものの、ある程度の特性は
確保されている。しかし、耐食性の点では明らかに劣っ
ている。

【０００２７】これに対し、実施例１〜１５の試験片
は、Ｚｒ、Ｎｂ等の炭化物によって耐アブレシブ摩耗性
が向上しており、例えば、樹脂中の硬質添加剤による摩
耗を防止する。また、複ほう化物が潤滑剤としての効
力を発揮しており、大越式摩耗試験では、自身（固定試
験片）および相手材（回転試験片）のいずれの摩耗量も
小さく、構成部材の金属同士の接触により生じる摩耗に
おいて、相手材に対する攻撃性をやわらげ、かつ金属同
士の凝着摩耗をやわらげている。さらに、腐食試験にお
ける腐食量も少なく、例えば、樹脂中から発生するガス
による高腐食環境下でも、高ＣｒのＮｉマトリックスと
複ほう化物が高い耐食性を示す。以上のように、本発明
の複合材料は、比較材と異なり、耐摩耗性および耐食性
のいずれにおいても優れた結果が得られた。なお、表中
で回転試験片の摩耗量が負の値を示しているものは、凝
着により固定試験片の材料が回転試験片に付着したため
である。

【００２８】

【表４】

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明の複合材
料によれば、ほう化物と炭化物を主体とする硬質相をＮ
ｉ基合金で結合したので、高耐食性だけでなく、耐凝
着、耐アブレシブ摩耗の両特性具備する耐摩耗材料とし
て優れた特性が得られる効果がある。したがって、過酷
な成形条件下で使用される樹脂加工機械用のシリンダ、
スクリュ、摩擦リング、逆防リングなどの構成摺動材料
として最適な複合材料が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施例焼結体の一つの金属組織写真（倍
率２０００倍）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化物およびほう化物を主体とする硬質
相がＮｉ基マトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量でＢ：２〜
６重量％、Ｃｒ：２１〜３１重量％、Ｍｏ：８〜１７重
量％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６重量％、
Ｃ：０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を含有し、
さらに、Ｖ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａの１種以上を合計量
で６〜２５重量％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的
不純物からなることを特徴とする高耐食耐摩耗性複合材
料
【請求項２】炭化物およびほう化物を主体とする硬質
相がＮｉ基マトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量でＢ：２〜
６重量％、Ｃｒ：３０〜３８重量％、Ｍｏ：８〜１７重
量％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６重量％、
Ｃ：０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を含有し、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴と
する高耐食耐摩耗性複合材料
【請求項３】炭化物およびほう化物を主体とする硬質
相がＮｉ基マトリックスで結合された複合材料であっ
て、前記硬質相およびマトリックスは、総量でＢ：２〜
６重量％、Ｃｒ：２１〜３１重量％、Ｍｏ：１７〜２２
重量％、Ｗ：０．５〜８重量％、Ｆｅ：３〜６重量％、
Ｃ：０．４〜３重量％、Ｃｕ：０〜２重量％を含有し、
残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴と
する高耐食耐摩耗性複合材料