JPS6230819A - 高力バイメタルシリンダの製造方法 - Google Patents

高力バイメタルシリンダの製造方法

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JPS6230819A
JPS6230819A JP61105067A JP10506786A JPS6230819A JP S6230819 A JPS6230819 A JP S6230819A JP 61105067 A JP61105067 A JP 61105067A JP 10506786 A JP10506786 A JP 10506786A JP S6230819 A JPS6230819 A JP S6230819A
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liner
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manufacturing
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JP61105067A
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ウッドロウ ディー マッディ
ギリ ラジェンドラン
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ZAROI Inc
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    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
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    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D9/08Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
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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、特に、射出成形とが、押出工程に使用さtb
る高力バイメタルシリンダの製造方法に関する。
〔従来の技術〕
射出成形法は、加熱溶融されたプラスチックを、加圧状
態の下で、成形用キャビティに導入し。このキャビティ
の形や大きさに合わせて硬化させることにより、プラス
チックからいろいろな製品を形成する方法である。
成形用キャビティに射出されるべきプラスチック充填物
は、射出する前に、加熱及び加圧し、それによって、出
発プラスチック紮、スクリューを有する中空円筒の中へ
送給することができるようにする。
スクリューが回転すると、プラスチックは、スクリュー
の頭部におけるチェックリング前方のシリンダ加熱部の
中へ導入されるため、予め決められた量の加熱及び加圧
されたプラスチックが、シリンダ内部のスクリューおよ
びチェックリングの前進運動によって、成形用キャビテ
ィの中へ0次次と射出されて行く。
射出成形の採算性は1機械の運転寿命の長短にカカわっ
ているので、シリンダの内側ライニングが、加熱プラス
チックによりもたらされる摩擦と腐食に対して、優れた
耐性を有していることが大切である。
もし、シリンダの内側が摩耗しC、シリンダの内径が大
きくなると、チェックリングとスクリューとの間に隙間
ができ、また、もし、シリンダの内壁が摩耗し、プラス
チックが、加圧部から逆洩れしたりすれば、射出成形に
必要な圧力が得られなくなってしまう。
そんな時には、シリンダを補修するとか、交換しなけれ
ばならず、また場合によっては、より大きい直径のチェ
ックリングを用いなければならなくなり、いずれにして
も、経済的な生産工程に支障をきたす。
シリンダに、優れた耐摩耗性と耐腐食性のある内側ライ
ニングを施すとと′もに、高張力と靭性を有する外面部
を形成するために、現在使用されている一つの方法は、
窒化処理である。
この方法は、鋼製シリンダの内側に窒化処理を施すため
、シリンダの内壁を、アンモニアのような含窒素ガスと
ともに高温度で加熱するものである・この処理により、
シリンダの内面には、相当に薄い層、つまり、 0.1
3+m乃至0.51mm(0,005乃至0.020イ
ンチ)の硬化層が形成される。
硬度は、深さ方向に低下して行く!辷め、材料が摩耗す
るのに応じて、摩耗率は加速する。そのため、窒化処理
は、射出成形や押出工程用の装置に不可避の耐摩耗性が
要求されるような処理には、不適当であると考えられる
7 シリンダに、改良された耐摩耗性を有するライニングを
施す別の方法として、遠心注型法がある。
この方法では、シリンダ内部に内側層を形成させるのに
、適当な組成物を、予め加工されている円筒状外側鋼製
ハウジングに充填する。
端部を密閉してから、ハウジングを、内層は溶かすが、
ハウジングの方は溶かさない程度の十分に高い温度にな
っている炉に入れ、次に、溶融組成物がハウジングの内
側に対し、均一な層になって分散されるよう、円筒状ハ
ウジングを、その軸の周りに高速回転させる。
冷却したら、直ちに、この内層部を、円筒状外側ハウジ
ングに、冶金学的に結合させ、次に、スクリューおよび
チェックリングを受容しうる一定の直径を有する平滑な
口径を形成するため、この内層部を1機械加工とかホー
ン仕上げする。
中ぐり方法は、費用が易く、しかも早く行なうことがで
きる点から、ホーン仕上げ方法より好ましい。しかし、
もし、ライニング、即ちインレイが硬過ぎたりすると、
中ぐり処理はできず、研磨とか、ホーン仕上げに頼らざ
るを得ない。
そのほか、ライナー材料を、外側ハウジングの内面に施
すために使用される耐摩耗表面仕上げ方法として1例え
ば次のようなものが挙げられる。
(1)高温均衡圧縮法。
(2)プラズマ・トランスフアート・アーク溶接法。
(3)熱スプレーおよびレーザー溶融法。
(4)直接レーザー・クラッド法。
鉄合金を用いて、鋼製ハウジングにライニングを施し、
バイメタルシリンダをつくることは、公知である。
そのために使用される合金が、米国特許第2.046,
912号、同第2,046,913号、同第3,334
,996号、および同第3,658,515号の各明1
11書に開示されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、適当な硬度を有し、かつ耐摩耗性と耐腐食性
のあるライナー、即ちインレイを備え。
しかも、高力鋼が裏打ちされている外側シェルを有する
優れたバイメタル式高力シリンダをつくる方法を提供す
るものである。
硬い合金ライナーは、脆く、かつ僅かに変形しただけで
も亀裂が入るので、S打ち鋼材は、塑性変形を起こさず
、高い内圧に耐えうるよう、高い降伏強さを備えていな
ければならない。
耐摩耗性および耐腐食性あるライナーを、高力裏打ち鋼
とともにつくることは、従来の技術では不可能とされて
いる。また、従来のものは、1406kg/ai(20
,000psi)以上という射出圧から生じる、口径部
、およびポル1一孔の前縁部における高応力に酎えうる
よう、射出成形シリンダの高圧端部に、熱処理したスリ
ーブを使う必要がある。
射出成形の際に使用されるシリンダの高圧端に、熱処理
されたスリーブを用いると、シリンダの他の部分は、も
しも、低温始動に遭遇するようなことがあると、処理環
境中に突然発生する高圧にみまわ九るという不都合が派
生することになる。
低温始動は、シリンダ中にまだ材料が残っている状態で
、射出成形機を止めた際に起こる。材料は、冷めると固
体プラグになる。
機械が再び始動し、プラグが溶けるまでの間には、通常
状態では低圧であるべき領域に大きな圧力が作用し、シ
リンダを永久的に変形させて、使用不能としてしまう。
耐摩耗性と耐腐食性とを兼ね備えたライナーを、高力裏
打ち鋼に施すことが不可能であるとされている理由は、
裏打ち鋼が、伝統的な熱処理、つまり、オーステナイト
相温度から室温まで急冷することによって、硬化させら
れる際、硬いライナーに亀裂が入るためである。
鋼材を硬化させる伝統的方法は、Il材を、高温即ち8
16乃至1039℃(1500乃至1900°F)に加
熱する段階からなっている。
この温度において、ライナーと裏打ち鋼は、相構造を呈
するオーステナイトになる。その際、もし、鋼材が、室
温まで急冷されると、オーステナイトは、別の結晶構造
、即ち、マルテンサイトに変態する。これは、きわめて
脆く、かつ変形しにくいものである。
しかし、オーステナイトのマルテンサイトへの変態は、
体膨張を伴い、かつ、裏打ち鋼におけるこの膨張は、熱
処理中のバイメタルシリンダに対し、米国特許第3,6
58,515号明細書に記載されているように、硬いラ
イナーに亀裂をもたらす。
〔発明の要約〕
本発明は、優れたバイタルシリンダの製造方法を提供す
ることである。このシリンダは、高力ハウジング、即ち
裏打ち鋼、および合金鉄ライナー、即ちインレイからな
っている。
裏打ち材の高張力、および相当に高いライナーの硬度は
、ライナーをシリンダの内側に形成してから、複合シリ
ンダの後熱処理を行なうことによって達成される。
これによって得られる利点は、バイメタルシリンダを、
熱処理前に、ホーン仕上げをする代わりに、中ぐりする
ことができるので、熱処理後に行なわなければならない
不経済なホーン仕上げを使わないで済むことである。
本発明による裏打ち鋼を、オーステナイト化域から中間
温度へ急冷することによって強化し、その後、il材を
、制御速度で徐冷して行き、好ましくは、30乃至50
ロツクウエル(Rockwell)C硬度(以下、Re
と略記する)を有するベイナイトに、実質的に変態させ
る。
この中間温度において、ライナーは、裏打ち鋼の変形時
に起こる多少の膨張を吸収するのに十分な程度の強靭さ
と延性を備えた状態になっている。
この中間温度は、通常、約260乃至427℃(500
乃至800°F)である。
裏打ち鋼がベイナイトへ変態する温度から下げて行くと
、ライナー合金は、直ちに優先的にマルテンサイトへ変
態する。
〔発明の目的〕
本発明の第1の目的は、裏打ち材に高張力を付与し、か
つライナーに対して適切な硬度を付与するため、複合シ
リンダを熱処理する際、亀裂を生じさせない後熱処理可
能なライナーを有する優れた高力バイメタルシリンダを
提供することである。
本発明の第2の目的は、裏打ちされる鋼材を硬化させる
のに先立って、ライナーを中ぐりすることからなる、優
れたバイメタルシリンダの製造方法を提供することであ
る。
本発明の第3の目的は、耐摩耗性および耐腐食性を有す
るとともに、裏打ち材が、高い内圧に耐えうるように十
分な強度を備えていない場合に、従来のバイメタルシリ
ンダに必要とされている熱処理スリーブを使用する必要
のない優わたバイメタルシリンダを提供することである
なお1本発明の方法によれば、耐腐食性ならびに耐摩耗
性を備える合金鉄ライナーとを有する優れたシリンダを
得ることができる。
C問題点を解決するための手段〕 本発明によれば、鋼材が裏打ちされるシリンダは、オー
ステナイト化温度から冷却して行く際、不要な高温変形
物の生成を阻止させるのに十分な焼入性を有しているA
ISI−5AE指定合金鋼4140.4340.862
0、および6150のような炭素鋼、即ち低合金鋼から
つくられる。
本発明において使用されるライナーは、裏打ち鋼が、ベ
イナイトへ変態する温度よりも低いところで、マルテン
サイトへ変わる変態点を有している合金鉄である。
この種の材料は、例えば次に挙げるような成分からなる
合金である。
但し、次表における「以下」という表現は、0%を含む
ものとする。存在するリン若しくは硫黄は、不純物であ
る。
成分   重量% 炭    素       2.5  乃至 6マグネ
シウム    0.5乃至1.5珪    素    
   0.2 乃至 2り  ロ  ム       
   20乃至35ニッケル     8以下 モリブデン      3以下 リ      ン         0.04以下硫 
  黄     0.03以下 バナジウム      1以下 ホ ウ 素      3以下 鉄    残部 他の適当な合金として、3乃至5%のNi、および1.
5乃至2.5フのCrを含有するニッケルークロム白鋳
鉄があり、それは、「ニッケルーハード」(Ni−Ha
rd、商標名)の品名で市販されている。
更に、適当なものとして、14乃至20%のCr、およ
び1乃至3%のMoを含有するクロム−モリブデン白鋳
鉄や、米国特許第3,334,996号明細書に記載さ
れているような砂金金鉄がある。
いずれの場合も、公表されている時間一温度変態チャー
ドをよく調べ、ライナーとして使用する合金が、選択さ
れる裏打ち用金属に対するベイナイト変態温度より低い
温度で、マルテンサイトに変態しうろことを確認しなけ
ればならない。
また、砂金金鉄のインレイ、即ちライナーも、オーステ
ナイト化温度から下降すると、たちまち、殆どが、代表
的硬度58乃至65Rc、好ましくは、62乃至64R
cの硬度を有するマルテンサイトへ変態するものの一つ
である。
本発明によれば、バイメタルシリンダは、可成り軟質の
ライナーをAISI−5AE 4140のような低合金
鋼からなる外側ハウジングの内側に溶着させる遠心注型
のような方法によってつくられる。
ライナーを溶着する前に、鋼製シリンダを、予め中ぐり
する。ライナーを溶着した後、但し、バイメタルシリン
ダの熱処理を行なう前に、ライナーを荒削りする。
かなり軟質のライナー、および外側ハウジングの機械加
工は、その時点で簡単になる。
次に、シリンダを、予め熱せられている炉に入れて熱処
理する。
炉の中で、シリンダは、外径温度が約816乃至103
9℃(150o乃至1900°F)ニ達し、その温度で
、約30乃至90分間保持される。この時間は、シリン
ダの量に応じて決められる。
そ九から、シリンダを、好ましくは強制空冷を併用し、
水冷によって、260乃至427℃(500乃至800
°F)まで急速に冷却すると、シリンダの温度は、5分
以内に、好ましくは、2分以内に、260乃至427℃
(500乃100°F) ニ下降する。
更に、周囲温度になるまで、制御速度でシリンダを徐冷
して行く。
この徐冷速度は、シリンダの大きさと肉厚によるが、一
般には、1時間当り、約26乃至82℃(50乃至15
0°F)とする。
〔発明の詳細な説明〕
シリンダは、AISI−5AE 4140鋼を用いてつ
くられ、所望の最終寸法にわたって、 3.1mm(0
,12インチ)程度、予め中ぐりする。
ライナー合金を、鋼管の内部へ充填し、次に、遠心注型
を行なう間、充填物を中に納めておくため、ll製キャ
ップを、シリンダの各端部に溶接する。
管の中の空気を抜き取り、代わりに、注型を行なってい
る間の酸化を防止するのに有用であるアルゴンガスを充
填する。
密封すh 7’=管を、予メ、1328乃ff1135
0”c (2420乃至2460°F)に加熱されてい
る炉に入れ、シリンダの外面が約1322℃(2410
°F)に達した時点で、炉から取り出す。
次に、シリンダを、素早く、遠心スピンナへ移し、シリ
ンダの内面に75Gの力を作用させるのに十分な速度で
回転させる。
シリンダの外面が、約872℃(1600°F)の温度
に達するまで、スピンナの2回転を続ける。シリンダを
冷却用ピッI−に入れ、かっこのピッ1〜を、バーミキ
ュライトのような断熱材でIvい、2日間かけて、室温
までゆっくり冷やす。
冷却に引続き、所望の仕上がり寸法から、0.3乃至0
 、6 mn (0、012乃至0 、025インチ)
程度残すようにして、シリンダの内面を、粗く中ぐりす
る。
次に、シリンダを熱処理する。シリンダを、約1039
乃至1178℃(1900乃至2150°F) ニ予め
加熱されている炉に入れ、がっ外面温度を光高温計で4
Iす定した場合、約1039℃(1900°F)となる
ようにし、約45分間、その温度で保持する。
シリンダを、素早くスピンナへ移し、外面温度が約31
6℃(600°F)に達するまで回転させる。
スピンナ」二での冷却サイクル中、水と強制空気とを併
用し、全冷却時間が約5分となるように。
処理サイクル中の冷却速度を所要に保つ。
外面が約316℃(600’″F)に達した際、スピン
ナから取り外し、周囲温度になるまで徐冷する。次に。
シリンダをホーン仕上げ加工して、最終手法にする。
冷却速度は、本発明の範囲内において使用される裏打ち
用鋼材およびライナー材の種類により変えられる。冷却
速度は、シリンダの大きさにょっても変えなければなら
ない。
いずれにしても、熱処理に適用される冷却速度は、ライ
ナー合金のマルテンサイト変態の開始点より高い温度で
、裏打ち用鋼材が実質的にベイティ1〜変態を完了する
のに十分な速度とする必要がある。
従って、本発明によるライナーでは、裏打ち鋼材が、よ
り脆いマルテンサイトへ変わる前に、鋼材中のあらゆる
膨張が吸収される。
本発明によりつくられる複合シリンダは、射出成形の際
に受ける圧力に耐えさせるための熱処理された付加スリ
ーブを用いる必要がない6[実 施 例〕 次に、実施例を挙げて本発明を説明するが、しかし、そ
れらは、本発明の範囲を制約するものではない。
これらの諸例におけるライナーは、既に述べた遠心注型
によりつくられたものである。
太庭孤−上 次の成分表からなる合金を、AISI−3AE 414
0111シリンダーに用いた。
成分   重量% 炭     素           2.87マンガ
ン     1.30 珪    素          1.15り   ロ
  ム             28.20ニッケル
     0.13 モリブデン       0.62 リ         ン              
    0.04硫    黄          0
.03バナジウム       0.29 鉄    残部 シリンダの外面温度を、1322℃(2410°F)に
加熱して、遠心鋳造を行なった。
シリンダを、所望の最終内径である44.6mm(1,
75インチ)どなるように、 3.1flyl!(0,
124インチ)予め中ぐりした。
シリンダに合金を鋳込み、冷却してから、内径4.4 
an (1,74フインチ)×外径9.8cm(3,8
5インチ)X長さ82.6cm (32,500インチ
)の大きさに粗加工lノだ。
この加工は、裏打ち鋼であるため、相当簡単にでき、か
つライナーは、加工における時点で、柔らかい状態であ
った。
シリンダを、予め1150℃(2100°F)に保たれ
ている炉に入れて熱処理した。
シリンダの外面温度を、1039℃(1900°F)と
し、45分間、その温度で保持したゆ それから、シリンダを、遠心スピンナに移し、外径温度
が約:316°C(600°F )になるまで回転させ
た。
スピンナ上での冷却サイクル中、水と強制空気とを用い
て、熱処理サイクル中の冷却速度を所望に保った。
外面温度が316℃(600°F ”)に達した際、シ
リンダをスピンナから取り外し、5時間かけて、室温ま
で徐冷した。
シリンダについて調べたところ、裏打ち鋼の硬度は、5
0Rcであり、降伏強度は、17367kg/a+f(
247,000psi)、引張強度は19054眩/c
d (271,000psi)であった。
内径4.5am(1,75インチ)X外径9.5□□□
(3,75Lインチ)X長さ60.0ca(24インチ
)の大きさに加工した後、チューブの他の部分について
、圧力試験を行なった。
ライナー材料は、3867)cgloJ (55,00
0psi)の圧力を受け、フープ応力が、 60191
g(/ff1(85,600psi)という破壊状態に
なるまで、ひび割九することはなかった。ライナーの硬
度は、 64Rcであった。
結果として生じている金属構造を調べてみたら。
熱処理された裏打ち鋼は、殆どベイナイトに変態し、硬
いライナーは、殆ど、第1級カーバイドを含むマルテン
サイトに変態していた。
大庭桝−I 引続いて施される熱処理を行なわれなかった以外、実施
例1と同じ要領で、シリンダをつくった。
裏打ぢ鋼の硬度は、僅か18乃至20Rcにしかならず
、また、降伏強さは、僅かに421!Jkg/d (6
0,000Psi、)であり、それが原因で、ライナー
には、2109kg/ci (30,000psi)よ
り低いところで亀裂が入った。
ライナーの硬度は、僅か35乃至45Rcに過ぎなかっ
た。
一宋」し画−A ライナーが、米国特許第3,658,515号明細書(
第2N、第1行乃至第8行)に記載されている鉄−二ツ
ケル−硼素合金であった以外、実施例1と同じ要領でシ
リンダをつくった。
裏打ち鋼の硬度は、15乃至]、8 Rcであり、降伏
強さは、3586kg/aj(51,000psj)で
あった。ライナーの硬度は、60乃至62Rcであった
本実施例のシリンダに、実施例1のシリンダの場合と全
く同じ熱処理を行なった。
裏打ち鋼の硬度は、35乃至40Reになったが、ライ
ナーには、全体に亀裂が生じた。その理由は、ライナー
の合金が、裏打ち鋼、即ちシェルが、ベイナイトに変態
する温度とほぼ同じ温度で、脆いマルテンサイ1〜へ変
わるためである。
以」−のことから明らかなように、本発明によりつくら
れるバイメタルシリンダは、裏打ぢ鋼がマルテンサイト
へ変わるのと一緒に、マルテンサイl、へ変わってしま
うようなライナー材を使用しているものに比へ、はるか
に優れている。
本発明を、いくつかの好、適実施例を挙げて説明したが
、当業者であれば、種々に変更、変形しうろことに思い
至る筈である。従って、本発明は、特許請求の範囲によ
って限定されるもので、上記した特定の実施態様に制約
されるものではない4、へ冗・、 特許出願人代理人 弁理士 竹 沢 荘 −キ、、 1
′(コ゛・、;1.゛

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)耐摩耗性および耐腐食性ある合金鉄ライナーを鋼
    製シリンダに溶着する段階と、 シリンダ中にオーステナイト相を形成させるのに十分な
    温度に加熱し、外側鉄ケーシングがベイナイトに変態し
    うるよう、シリンダを中間温度まで冷却し、更に、合金
    鉄ライナーがマルテンサイトへ変態しうるようシリンダ
    を冷却するように、シリンダの熱処理を行なう段階 とからなることを特徴とする高力バイメタルシリンダの
    製造方法。
  2. (2)熱処理する前に、バイメタルシリンダの内面を中
    ぐりすることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項に
    記載の高力バイメタルシリンダの製造方法。
  3. (3)シリンダの裏打ち用鋼材が、AISI−4140
    であることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項に記
    載の高力バイメタルシリンダの製造方法。
  4. (4)合金鉄ライナーの成分が、次表、即ち、 ¥成分¥      ¥重量%¥  炭素      2.5乃至4.25  マンガン    0.5乃至1.50  珪素     0.25乃至1.25  クロム      20乃至35  ニッケル   0.13乃至0.25  モリブデン  0.62乃至1.00  リン     0.02乃至0.04  硫黄     0.02乃至0.03  バナジウム  0.29乃至0.40  鉄      残部 で示されるものであることを特徴とする特許請求の範囲
    第(2)項に記載の高力バイメタルシリンダの製造方法
  5. (5)シリンダを、外面温度が、約816乃至1039
    ℃(1500乃至1900°F)となるよう加熱し、そ
    の温度で、約30乃至90分間保持した後、260乃至
    427℃(500乃至800°F)に急冷し、次に、前
    記シリンダが周囲温度に達するまで、制御された速度で
    徐冷することを特徴とする特許請求の範囲第(2)項に
    記載の高力バイメタルシリンダの製造方法。
  6. (6)徐冷速度が、1時間当り、約26乃至82℃(5
    0乃至150°F)であることを特徴とする特許請求の
    範囲第(5)項に記載の高力バイメタルシリンダの製造
    方法。
  7. (7)急速冷却を、シリンダ温度が、5分以内で260
    乃至427℃(500乃至800°F)に降下しうるよ
    う、水冷および強制空冷によって行なうことを特徴とす
    る特許請求の範囲第(6)項に記載の高力バイメタルシ
    リンダの製造方法。
  8. (8)ライナーを、58乃至65ロックウェルC硬度を
    有するマルテンサイトに変態させることを特徴とする特
    許請求の範囲第(7)項に記載の高力バイメタルシリン
    ダの製造方法。
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