JPS62180005A - 複合中空部材の製造方法 - 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、各種プラスチック材の射出酸形成は細巾−′
ｒＬ＜忙＋＋／ホ田七も７　嗅人耕孔γＶふ４麻汀、（
←ハ優れたシリンダ、その他ノズルや複合金属管等の複
合中空部材の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 上記の様なプラスチック材の射出又は押出成形はかなり
の高温条件下で行なわれる為、一部原料の熱分解は回避
しきれず多少の腐食性ガスが生成することは当然視され
ている向きもある。特に難燃化を期してハロゲン含有化
合物を配合した場合には大量のハロゲン含有ガスが発生
する。その後シリンダ内部は常時腐食環境に曝らされる
こととなり、シリンダには高レベルの耐食性が要求され
る。しかし成形時に負荷される圧力は相当高く、且つ強
度向上の為に配合されることの多い無機質充填材は非常
の高強度である為シリンダには高レベルの耐摩耗性も要
求される。

この様な要求特性を一応備えるものとして従来はＳＡＣ
ＭやＳＣＭ等の窒化シリンダが汎用されており、この素
材は低順で製造が容易であるといった特徴も有している
。しかしながら窒化による硬化層が０．１ｍｍＫｕ度と
極めて薄い為、必ずしも十分な耐食性及び耐摩耗性を発
揮しているとは言えない。そこで上記の様な過酷な使用
条件に耐え得るシリンダとして遠心鋳造によるパイメタ
リックシリンダが開発され、これは従来のシリンダに比
べて格段に優れた性能を有しているところから、需要が
急激に増大してきている。ところがこのパイメタリック
シリンダにも問題点がない訳ではなく、下記の様な種々
の問題点が残されている。

■遠心鋳造法では製法上の制約からライニング合金の融
点に限界があり、１０００〜１１００℃以下の融点を有
する成分に限定される。

■遠心鋳造法では耐摩耗性改善の為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
クス成分に比べて比重が大きい為ライニング層の内部へ
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
くる為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十分に遠心力が得られない為、シ
リンダ本体に対するライニング材の接合性を十分に高め
ることができない。

■遠心鋳造により形成されるライニング合金層は鋳造組
織である為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。その為ライニング層の強度及び靭性は
良好とは言えず、耐食性や対摩耗性も不均一である。

［発明が解決しようとする問題点コ 一方、バックメタル内周面に硬化層を形成してシリンダ
ーを製造する一手法として、従来から焼ばめ法が知られ
ている。しかしながら該方法では、特にセラミックスを
硬化層（内筒）に用いた場合には下記に示す問題がある
。

■焼ばめを行なう為の許容値は１／１０００〜１５／１
０００程度であるので、セラミックス内筒の外周面の仕
上研削にはより一層高精度が要求される。

■例えば内筒外径寸法が１０ｍｍ＋程度の小径材を製造
するときには、焼ばめ代が小さくなり焼ばめ法を実施す
ることが困難である。これは焼ばめ代の絶対量が小さい
こと及びセラミックスの耐熱衝撃が小さいこと等の為、
外筒（バックメタル）の温度をあまり上げることができ
ない（通常最大温度６００℃）からである。

上述した従来技術の問題点を解決し得る一つの方法とし
て第２図及び第３図に示す様な技術が提案されている。

図面を参照しつつ当該技術を説明する。

第２図に示す如く鋼製シリンダ本体を構成するバックメ
タル１の内周面側に、略同芯状の環状中空部２を形成し
つつ円筒状のインナバイブ３を配設し、脱気用を兼ねた
粉末充填用バイブ４を設けた上Ｍ５で環状中空部２の上
部を密封し、一方下部は下蓋６で密封する。次いでリー
クテストを行なって密封状態を確認した後、粉末充填工
程にろる。即ち粒度調整を終えた原料粉末（金属粉末又
はセラミックス粉末）８を充填用バイブ４から環状中空
部２内へ万逼なく充填する。充填完了後、加熱下に真空
引きし、環状中空部２内部を完全に脱気した後真空状態
で密封する。こうして原料粉末８の充填と脱気・密封を
終えた組立体を第３図に示す如＜ＨＩＰ装置９内へ装入
しＨＩＰ処理を行なう。

上述の様にしてＨＩＰ処理を行なった後で上端及び下端
を切断除去し、更に周面をＢＴＡ処理及びホーニング等
の仕上げに付してからインナーバイブ３を除去すること
により、バックメタル１内面に強固な強化層の形成され
たプラスチック成形装置用シリンダが得られるのである
。

しかしながら上記の方法においても若干の問題が残され
ている。即ち原料粉末８によって形成される内筒の内周
面を規制する部材として円筒状のインナーバイブ３を使
用した場合には、ＨＩＰ処理を施したときにインナーバ
イブ３の内・外径が膨張し、しかもその寸法変化（膨張
による）の度合いが周方向に不均一であることから、最
終製品における寸法変動の予想が困難である。

又最終機械加工においても、上記寸法変化に起因してイ
ンナーパイプ３の除去後に内面粗加工を行なうことが必
要であり歩留が悪い。この傾向は原料粉末に難加工性の
セラミックス微粉末を使用した場合特に顕著なものとし
て現われる。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであっ
て、その目的は製造時における寸法精度をより高精度の
ものとし、それによって生産性向上を実現し得る様な複
合中空部材の製造方法を提供しようとするものである。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明に係る複合中空部材の製造方法とは、バックメタ
ルを構成する金属管内に中空部を形成する為の中実金属
中子を挿入して両者間に環状中空部を形成し、該環状中
空部に原料粉末を充填した後、当該充填部を脱気、密封
後ＨＩＰ成形する点に要旨を有するものである。

［作用］ 本発明の作用を、図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明方法に従って製造される鋼製シリンダの
概略説明図である。第１図に示した構成は基本的には第
２図に示した構成と類似し、対応する部分には同一の参
照符号を付す。

まず第１図に示す如くバックメタル１を構成する金属管
の内周面側に、中空部を形成する為の中実金属中子（以
下インナーメタルと言う）３ａを挿入してバックメタル
１及びインナーメタル３ａの両者間に環状中空部２を形
成する。環状中空部２の上部及び下部は、脱気用を兼ね
た原料粉末充填用パイプ４を設けた上Ｍ５及び下蓋６に
よって夫々密封される。

バックメタル１としてはＳＣＭ４４０　、ＳＮＣＭ４３
９　、　Ｓ　Ｕ　５３０４　、　Ｓ　ＬＩ　５３１Ｂ等
の高強度鋼材を使用するのがよく、インナーメタル３ａ
、上蓋５、下Ｍ６等は安価な軟鋼で十分である。尚これ
らの各部材は、環状中空部２に面する側を十分に脱脂、
清浄化した後ＴＩＧ溶接等により組付ければよい。

次いで原料粉末充填工程に移るが、その前にリークテス
トを行なって密封状態を確認しておくのがよい。リーク
量が多い場合は補修溶接を行なう必要がある。

リークテストを終えた後は、粒度調整を終えた原料粉末
を充填用パイプ４から環状中空部２内へ万遍なく充填す
る。充填に当たっては組立体に適度の振動を加えること
により充填の均一度を向上することができる。充填完了
後は加熱しながら真空引きし、環状中空部２のガスを完
全に除去した後真空状態で密封する。

こうして原料粉末の充填と脱気・密封を終えた組立体を
第４図に示す如＜ＨＩＰ装置９内へ装入しＨＩＰ処理を
行なう。

この様にしてＨＩＰ処理を行なった後は上端及び下端を
切断除去し、更に内周面をＢＴＡ処理及びホーニング等
の仕上げ加工に付してインナーメタル３ａを除去するこ
とにより、内面に強固な強化層が形成されたプラスチッ
ク成形装置用シリンダーを得ることができる。

に示す様な従来技術における円筒状のインナーパイプ３
の代りに中空金属中子（インナーメタル）３ａを使用す
ることによって、下記の利益を得ることができるもので
ある。

（１）中実のインナーメタル３ａを使用することによっ
て、ＨＩＰ処理による寸法変化はバックメタル１の内・
外径の収縮だけとなり、インナーメタル３ａの外径寸法
の変化はほとんどないので、最終製品形状に現れる強化
層寸法変化の予想を容易且つ高精度に行なうことができ
る。

（２）インナーメタル３ａの外径を内面粗加工仕上げの
寸法になる様に設定しておけば、最終内面機械加工にお
ける粗加工としてはインナーメタル３ａの除去たけで十
分であり、ライニング強化層の加工量が減少し、機械加
工性が向上する。

（３）寸法精度が高くなるので、原料粉末８として特に
セラミックスを用いた場合であっても、ＨＩＰ処理後の
研削加工は極めてわずかで良く、場合によっては省略す
ることも可能であるので、生産性が著しく向卜する〜 本発明は上記趣旨から明らかな如く、原料粉末８として
金属粉末又はセラミックス粉末のいずれを使用した場合
でありでも有効であるが、夫々の場合における各要件を
挙げると下記の如くである。

本発明で用いられる金属粉末の組成は全く制限されない
が下記に示す化学成分からなる耐食・耐摩耗耗性合金粉
末を一例として挙げることができる。

Ｃ：０．１〜２．０％（重量％、以下同じ）Ｓ　ｉ　：
　０．５〜３．０％ Ｂ　　：０．５〜３．０％ Ｃｒ：１０〜４０％ Ｗ　　：１０〜３０％ Ｃｕ　：　０．５〜３．０％ 残部：Ｎｉ　：及び／若しくはＣＯ 上記化学成分範囲は耐食・耐摩耗性を考慮したものであ
るが、夫々成分範囲の理由は下記の通りである。

Ｃ：　０．１〜２．０％ ＣはＣｒ及びＷと炭化物を形成し耐摩耗性を高めるうえ
で欠くことのできない元素であり、０．１％未満では上
記の効果が有効に発揮されない。但しＣが犬過ぎると耐
食性及び靭性が乏しくなるので２．０％以下に抑えなけ
ればならない。Ｃのより好ましい含有率は０．５〜１．
５％である。

Ｓｉ：０．５〜３．０％ 本発明に係るシリンダの作製は、後述する如く所定化学
成分の合金溶湯からアトマイズ法によって合金粉を得た
後、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）等により所定の寸法・
形状に成形することによって行なわれるが、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
を均一化する為の必須元素であり、０．５％未満ではこ
うした効果が有効に発揮されない。しかじ大過ぎると靭
性に顕著な悪影響を及ぼすので３．０％以下に抑えなけ
ればならない。Ｓｉのより好ましい範囲は１．０〜２．
０％である。

Ｂ：０．５〜３．０％ ＢはＣｒやＷと硼化物を形成し耐食性及び耐摩耗性の向
上に寄与すると共にＮｉ又はＣｏマトリックスの硬さを
高める作用があり、これらの作用を有効に発揮される為
には０．５％以上含有させなければならない。しかし３
．０％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アトマイズ作業及びＨＩＰ作
業が困難になる。Ｂのより好ましい含有率は１．０〜２
．０％である。

Ｃｒ：１０〜４０％ ＣｒはＢ及びＣと硼化物及び炭化物を形成すると共にＮ
ｉ又はＣｏ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元素であり、１０％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。しかし多過ぎると合金の靭性が低くなるの
で４０％以下に抑えなければならない。

Ｗ：１０〜３０％ ＷはＢ及びＣと硼化物及び炭化物を形成し耐食性及び耐
摩耗性を高める作用があり、１０％未満ではそれらの効
果が十分に９４１されない６しかし３０％を超えると合
金が過度に硬質化し靭性が劣悪になる。

Ｃｕ　：　０．５〜３．０％ ＣｕはＮｉ又はＣｏマトリックス中に固溶し、特に耐塩
酸腐食性の向上に寄与する。０．５％未満ではその効果
が有効に発揮されず、一方３．０％を超えると合金の靭
性が劣悪になる。

残部成分二Ｎｉ及び／若しくはＣＯ 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
確保する為、残部成分はＮｉ及び／若しくはＣｏとする
。尚ＮｉやＣｏ或は上記必須合金成分の配合に伴ない不
可避不純物としてＰ、Ｓ。

Ｆｅ、Ｍｎ、Ａ１等が微量混入してくることがあるが、
これらは何れも不純物量（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。

一方セラミックス粉末としても何ら限定されるものでは
ないが、Ａｌ１０３やＰＳＺ等の酸化物基のものを例示
することができる。

［実施例］ 実施例Ｉ ＣＩ　１．０％、Ｓ　ｉ　：　３．２　％、Ｂ　：　３
．０８％、Ｎ　ｉ　：　１３．７５％、Ｃｒ　：　２５
．１％、Ｗ　：　１６．７％、Ｃｕ　：　１．２２％、
残部が実質的にＣＯの組成で粒度が１４７μｍ以下のア
トマイズ金属粉末を用い、第１図及び第４図に示した本
発明方法にて複合中空部材を製造した。又比較の為に、
上記金属粉末を用いて第２図及び第３図に示した従来方
法に準じて複合中空部材を製造した。尚夫々の金属粉末
の環状中空部２への充填に際しては、３００℃で、１Ｏ
−５Ｔ　ｏ　ｒ　ｒの真空中で１時間脱気した金属粉末
を真空下で環状中空部２内へ充填した。金属粉末充填後
に真空密封し、夫々の組立体を第３図及び第４図に示し
た様な１（ＩＰ装置９内へ装入し、９３０℃、１０００
　ｋｇ／　ｃｍ２で３時間のＨＩＰ処理を行なった。

その結果、金属粉末充填層は１００％の密度で固まって
完全に拡散接合し、バックメタル１の内面に薄肉の耐食
性金属層が形成された。この場合におけるバックメタル
１、インナーバイブ３（従来技術）及びインナーメタル
３ａ（本発明方法）の寸法変化を下記第１表に示す。尚
寸法測定箇所は第５図（１）　、　（２）　　（横断面
図）に示す通りである。

第１表の結果から下記の様に考察することができる。イ
ンナーバイブ３を使用した場合にはバックメタル１の寸
法変化は認められないが、インナーバイブ３の内外径は
２５．０．２７．０ｍｍφの２種類ともに大きく変化し
、夫々２ｍｍ以上もの変化量となっている。又インナー
バイブ３の外径の変化に伴なって金属層の変化量も大き
なものとなり、最終寸法を予想して金属層の寸法を調整
することは極めて困難である。特に前記寸法変化は金属
粉末の充填密度と密接な関係にあり、該充填密度が低い
と寸法変化量も当然大きくなる。通常プラスチック射出
成形用シリンダーの様に長尺物の場合には、シリンダー
の上部と下部では同一金属粉末を充填してもその充填密
度が不均一になることは避けられない。その為インナー
バイブ３を用いた従来技術では、安全性を考慮して金属
粉末の充填層を比較的大きく設計しておき、充填率が低
い場合でも必要最小寸法を超えない様にしている。

従って充填率が十分な健全部分では相当大きな厚みの全
屈強化層が強固に形成され、該強化層を研削する必要が
生じ、多大な労力及び余分な金属粉末が必要となり不経
済である。

これに対しインナーメタル３ａを使用した本発明方法で
は、第１表から明らかな様にバックメタル１の外径は０
．７〜０．８ｍｍ収縮する傾向を示すが金属強化層の内
径に相当するインナーメタル３ａの外径はＨＩＰ処理前
後で寸法変化を生じない。

従って軟らかいインナーメタル３ａのみを機械加工工程
で除去するだけで希望する最終製品を得ることができる
。即ち金属強化層はほとんど研削する必要がない。尚バ
ックメタル１の外径が若干収縮するが、この点に関して
は通常の鍛造手段或は圧延機による粗加工を行なうこと
ができるので最終仕上げのときに寸法調整ができる様に
少し大きめに寸法を設定しておけば何ら問題は生じない
。

実施例２ 次に原料粉末８としてセラミックス粉末を使用した場合
の実施例について説明する。尚説明の便宜上第６〜８図
を用いて説明するが、基本的な構成は第１図及び第４図
に示した構成と何ら変ることはなく、対応する部分には
同一の参考符号を付す。

使用した各部材の材質は下記の如くである。

バックメタル１：５４５Ｃ［外径５６ｍｍψ、内径３６
ｍｍや、１７０ｍｍρコ インナーメタル３ａ　：５ＬＩＳ３０４　［外径３０ｍ
ｍφ］ 上ｉｉ５　　　　　　：５４５Ｃ セラミックス粉末：　３　モｊｌｚＹ２０３−　Ｚ　ｒ
　０２（ｐｓｚ） 上記の様な材料を用い、第６図に示す様に有底筒状のバ
ックメタル１内にインナーメタル３ａを挿入し、バック
メタル１とインナーメタル３ａとによって形成された環
状中空部２内にセラミックス粉末を充填し、脱気用を兼
ねた充填用パイプ４を設けた上蓋５によって充填部分（
環状中空部２）の上部を覆い、脱気・密封する。第７図
には組立体を密封した状態を示しており、第７図中１０
は溶接部分である。

第７図に示した状態の組立体を前記第４図（又は第３図
）に示した様なＨＩＰ装置９内に挿入し、１３００℃、
１５００　ａｔｍ（Ａ　ｒ）で１時間のＨＩＰ、１理を
行なった。その後バックメタル１の外周部を旋削加工す
ると共に両端部を切断してインナーメタル３ａを除去す
ることによって、第８図に示す様なバックメタル１の内
周側にセラミックス強化層１１が形成された金属−セラ
ミックスの複合構造管を得た。

セラミックス強化層１１は、特に研削加工仕上げを行な
ったわけではないが、３０±０．１ｍｍψ程度の精度を
得ることができ、且つ表面粗度もＩＳが得られた。これ
はインナーメタル３ａの表面仕上げ精度にほぼ対応した
ものである。

この様にして形成されたセラミックス強化層１１はその
密度が８．１０ｇ／ｃｍ３であり、これは充填密度（相
対密度）１００％に相当する。

尚セラミックス粉末としてＳｉＣとバイコールガラスの
混合体を用いて、上記実施例と同様の条度９９％以上の
優れたセラミックス強化層１１を有する金属−セラミッ
クス複合構造管が得られた。

本発明によれば金属−セラミックス複合構造管を高精度
に製造することができるので、難加工性のセラミックス
を硬化層とする場合には最終仕上げ加工を極力避けるこ
とができ、特に有益である。又本発明によれば、インナ
ーメタル３ａの形状を種々変更することにより、希望す
る形状の金属セラミックス複合構造管を製造することが
できる。例えば第９図に示す様な形状のインナーメタル
３ｂを使用することによって、第１０図に示す様なノズ
ル１２を得ることができる。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、既述の構成を採用する
ことによって各種複合中空部材の製造時における寸法精
度をより高精度にすることが可能となり、よって生産性
向上に大いに寄与し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に従って構成される銅製シリンダー
の概略説明図、第２図は従来技術を示す概略説明図、第
３図は第２図に示した従来技術のＨＩＰ処理を行なう状
態を示す概略説明図、第４図は本発明方法にてＨＩＰ処
理を行なう状態を示す概略説明図、第５図（１）　、　
　（２）は寸法測定箇所を示す横断面図、第６図は原料
粉末にセラミックス粉末を用いた場合の製造工程を示す
概略説明図、第７図は第６図に示した組立体を溶接密封
した状態を示す断面図、第８図は金属−セラミックス複
合構造管を示す断面図、第９図はインナーメタル３ｂの
形状を示す側面図、第１０図はノズル１２を示す断面図
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）バックメタルを構成する金属管内に中空部を形成
   する為の中実金属中子を挿入して両者間に環状中空部を
   形成し、該環状中空部に原料粉末を充填した後、当該充
   填部を脱気、密封後ＨＩＰ成形することを特徴とする複
   合中空部材の製造方法。
2. （２）原料粉末がアトマイズ金属粉末である特許請求の
   範囲第１項に記載の複合中空部材の製造方法。
3. （３）原料粉末がセラミックス粉末である特許請求の範
   囲第１項に記載の複合中空部材の製造方法。