JP2015511267A - ガラス容器を製造するのに用いるプランジャ - Google Patents
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Abstract
ガラス容器を製造するのに用いる周知のプランジャは、溶融ガラスのゴブと接触する第1部分、および第2部分から成る。少なくとも第1部分は、セルフフラックス合金の金属コーティングで被覆される。本発明により示唆されるセルフフラックス合金は、少なくとも15重量%のCoを含むFeベースの合金であり、金属コーティングの微小硬さは、300 HV0.3と900 HV0.3との間の範囲にあり、Feベースの合金は、式(I)(重量%、残余=Fe)を含む鉄−コバルト−クロム合金であり、Feベースの合金は、Al、Mn、Nb、S、Ti、V、ZnおよびZrからなる群から選択される添加の金属とさらに合金づくられてよく、添加の金属の各々の個々の量は、0.01重量%から約2重量%までの範囲にあり、添加の金属の全体の含有量は、10重量%未満である。【選択図】図1
Description
本発明は、溶融ガラスのゴブと接触する第1部分、および第2部分から成る、ガラス容器を製造するのに用いる改良されたプランジャに関する。それにより、少なくとも第1部分は、セルフフラックス合金の金属コーティングで被覆される。
ガラス工業において、ガラス容器のオートメーション化した生産のためにいくつかの方法が適用される。これらの方法は、共通して以下の基本的なステップを少なくとも有する。すなわち、(1)ガラス容器のプリフォームであるパリソンを製造するステップ、(2)任意に、温度差を補償するためにパリソンを再加熱するステップ、および、(3)ガラス容器の最終形状を形成するステップ、である。しばしば、任意のステップ(2)が必要とされないように、最終的なガラス容器は、2つの速い成型ステップにおいて形成される。特に、パリソンの形状は、最終的なガラス容器におけるガラス分布に対して影響を有する。
ガラス容器を製造するために、目下、2つの確立した方法が、主に用いられる。「ブローアンドブロー」法および「プレスアンドブロー」法である。
「ブローアンドブロー」法において、溶融ガラスのゴブは、短いプランジャによって底部を封止されるパリソン型に供給される。最初に、ガラスは、プランジャ上に定まる(settle)ために型の底部に向けてブロー加圧される。次いで、プランジャは、わずかに引き込まれる。そして、中空パリソンを形成するために、プランジャを通って空気がブローされる。パリソンは、最終成形型へ移される。そして、ガラスは、型内にブロー成形される。
「プレスアンドブロー」において、溶融ガラスのゴブは、パリソン型に供給される。そして、中空パリソンを提供するために、長い金属プランジャは、ガラス内に押し込まれる。次いで、パリソンは、最終成形型へ移される。そして、ガラスは、型内にブロー成形される。
「ブローアンドブロー」法と比較して、「プレスアンドブロー」法は、パリソンにおけるより均一のガラス分布を確実にする。これは、ガラス製造業者が軽いガラス重量で瓶を生産することを可能にする。
しかしながら、加熱ガラスは、それが金属プランジャと接触するときに、非常に浸食性の環境にある。ガラスは、硬くて粗い。そして、高温は、プランジャの摩耗を加速して、表面の酸化および腐食に至る。プランジャの表面の酸化および腐食のせいで、酸化したまたは腐食した層の剥離ならびに前記層部分の混合が発生する場合がある。
金属プランジャを摩耗および腐食から保護するために、プランジャの表面にコーティングを適用することは、示唆された。最も一般的には、このコーティングは、硬質粒子を含んでよいニッケルベースのマトリックスである。一般的に用いられるニッケルベース合金は、約680 HV0.3の平均微小硬さおよび以下の公称組成を有する「Colmonoy 88」である。0.8重量%のC、4.0重量%のSi、3.0重量%のB、15.0重量%のCr、3.5重量%のFeおよび16.5重量%のW、そして、残余はニッケルである。
しかし、この種のニッケルベースのマトリックスで覆われるプランジャでさえ、プランジャから剥離してパリソンに付着する場合のある、プランジャの表面上の小さい酸化層が生じる場合もある。また、ニッケルの微粒子がプランジャから自由になることができて、最終的なガラス容器の内側に欠陥を生じさせることができる。さらに、このニッケルは、前記ガラス容器内に収容される液体と接触することができて、それによって、医学トラブルを引き起こす。
それ故、米国特許第5,120,341A号において、ガラス容器を製造する「プレスアンドブロー」法は、記載されている。その方法は、上記のように長い金属プランジャを適用する。溶融ガラスのゴブと接触するプランジャの部分は、プランジャの表面部分の酸化を防止するために、セラミックおよび/またはセルフフラックス合金のコーティングで被覆される。そのコーティングは、TiN、TiC、TiCN、TiB2、SiCおよびAl2O3の群から選択されるセラミックで造られるセラミックコーティングである。そしてそれは、酸化層の剥離ならびにそれに続くパリソンへの混合が減少するように、高い耐酸化性材料である。吹き付けられた金属コーティングは、コバルト列合金またはニッケル列合金から選択されるセルフフラックス合金から成る。
しかしながら、セラミックで被覆されているプランジャは、いくつかの不利な点を有する。特に、それぞれの熱膨張係数のミスマッチのせいで、セラミックと金属との厳しい結合は、技術的に要求が多い。したがって、この種のコーティングは、反復可能な品質において生産するのに高価でかつ困難である。セラミックコーティング(特に金属に対するセラミックの不完全な結合を有するそれら)は、容易に剥離することができて、それによって、プランジャの寿命を減らす。さらに、反復的にプランジングすることは、プランジャの表面に熱サイクルを強要する。そしてそれは、疲労亀裂を形成させて、摩耗メカニズムをさらに加速させる。コバルトベース合金でできたコーティングは、生産するのに高価である。
ガラス容器を製造するのに用いる改良された被覆プランジャを提供することは、本発明の目的である。そしてそれは、容易にかつ費用効果的に生産されることができて、改良された摩耗、腐食および熱疲労抵抗、ならびに増加した寿命を示す。
上述のプランジャから始まって、この目的は、以下の点で本発明により達成される。すなわち、セルフフラックス合金は、少なくとも15重量%のCoを含むFeベースの合金であり、金属コーティングの微小硬さは、300 HV0.3と900 HV0.3との間の範囲にあり、Feベースの合金は、以下(重量%、残余=Fe)を含む鉄−コバルト−クロム合金であり、
Feベースの合金は、Al、Mn、Nb、S、Ti、V、ZnおよびZrからなる群から選択される添加の金属とさらに合金づくられてよく、添加の金属の各々の個々の量は、0.01重量%から約2重量%までの範囲にあり、添加の金属の全体の含有量は、10重量%未満である。
本発明によるプランジャ・コーティングは、熱いまたは溶融したガラスによって生じる浸食性環境に耐えることができなければならない。驚くべきことに、上記で特定されるようなFeベースの合金は、これらの条件に耐えるのにかなり適していることが分かっている。
本発明によるこれらのセルフフラックスのFeベース合金は、主成分が鉄をベースとしている。加えて、それは、少なくとも15重量%のコバルトを含み、そして、中間の範囲の硬度を示す。特にガラス成形の条件の下で、コバルトの添加は、合金の耐摩耗性を改良する。
コバルトベースの合金は、従来、プランジャ・コーティングのために用いられた。それらは、プランジャの寿命に関する若干の利点を提供する。しかし、それらは、広い許容性を見出さなかった。これの1つの理由は、それらの表面輻射率がプランジャが作動中にあまりに冷たいかあまりに熱いことの視覚的キューをオペレータに提供しないということである。この不利な点は、本発明によるFeベースの合金によって回避される。一方では、少なくとも15重量%のコバルトの添加は、コバルトベースの合金の上述の利点のいくらかを提供するが、プランジャの温度に応じて異なる輻射率をまだ示す。特に、プランジャが過熱されるときに、外観のわずかな変化は、観察されることができる。オートメーション化したガラス容器生産の間、この効果は、プロセス温度を調整するためにオペレータによって用いられてもよい。それにより、プランジャおよび型の過熱を回避する。
好ましくは、Feベースの合金は、少なくとも20重量%のCoを含む。
特にガラス成形の条件の下で、コバルトの添加は、合金の耐摩耗性を改良する。Feベースの合金が少なくとも20重量%のコバルトを含むときに、Feベースの合金の型寿命に関する特に良好な結果は、達成された。
さらに、材料に強化された硬度を提供することによって、材料の耐摩耗性が改良され得ることは、よく知られている。しかし、一方では、より硬い材料は、脆性破損をしばしば示す。硬度と脆性との間の妥協が必要とされるように、材料の硬度を上げることは、より高い脆性をしばしば付随する。
例えば、ニッケルベースのマトリックスと比較して、本発明によるFeベースの合金は、約300 HV0.3の比較的低い硬度でさえ受け入れ可能な耐摩耗性を提供することが驚くべきことに分かった。これらの合金は、より少ない脆性を示すこともまた明らかである。しかし、約900 HV0.3の比較的高い硬度を有するFeベースの合金でさえ、低い脆性を呈する。したがって、脆性と硬度との間の良好な妥協を示す材料は、達成されることができ、それにより、プランジャの耐摩耗性、耐疲労性ならびに寿命は、改善される。改良された耐疲労性は、本発明によるFeベースの合金の減じた熱膨張係数に起因してよい。
金属コーティングの微小硬さは、ビッカーズ圧子を使用するマイクロ圧痕テストによって測定される。この試験において、角錐形のダイヤモンドは、材料の圧痕(indentation)に結果としてなる10〜20秒の標準滞留時間の間、0.3kgf(2.94N)の力を用いて、テスト材料に対して押し付けられる。圧痕のサイズ(面積mm2)は、kgf/mm2単位(1kgf/mm2=9.80665MPa)で表される硬度値を決定する。
300 HV0.3未満の微小硬さを有する本発明によるFeベースの合金は、低い耐摩耗性だけを有する。900 HV0.3を超える微小硬さを有する合金は、劣った耐疲労性を示すことができる。
本発明の好適な変更態様において、金属コーティングの微小硬さは、400 HV0.3と800 HV0.3との間に範囲に、最も好ましくは400 HV0.3と600 HV0.3との間の範囲にある。
しかしながら、Feベースの合金が前記範囲内の微小硬さを有するときに、材料の充分な耐摩耗性と脆性との間の特に適切な妥協は、なされる。
さらに、ニッケルベース合金の代わりにFeベース合金を使用することにより、生産コストは、著しく減少する。
セルフフラックスのFeベース合金は、Al(アルミニウム)、Mn(マンガン)、Nb(ニオブ)、S(硫黄)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Zn(亜鉛)またはZr(ジルコニウム)とさらに合金をつくられてよい。これらの金属の各々の個々の量は、0.01重量%から約2重量%までの範囲にある。それらの添加元素の全体の含有量は、10重量%未満、好ましくは5重量%未満、最も好ましくは2重量%未満である。
本発明の第1の好適な変更態様において、前記Feベースの合金のNi含有量は、7重量%未満、最も好ましくは0.1重量%未満である。
プランジャから抜け出るニッケル粒子は、ガラス容器の内側上の欠陥を生じさせることができる。したがって、プランジャ・コーティングのニッケル含有量を減らすことは、望ましい。プランジャ・コーティングの7重量%未満のニッケル含有量は、ガラス容器の質に小さい影響を及ぼすだけである。さらに、ニッケルは、例えば、アレルギーを引き起こすことがありえる有害物質として分類される。ニッケル粒子が瓶の内容物を汚染することもありえるように、瓶生産の間、プランジャのコーティングは、瓶の内部表面に直接接触する。したがって、より少ないニッケルを含むプランジャ・コーティングについての増加する要求がある。Feベースの合金のニッケル含有量が0.1重量%未満の場合、プランジャの表面からのニッケルの放出は、無視できるほどわずかである。
金属コーティングの厚みが0.5mmと3mmとの間にあるとき、好ましくは、それが0.5mmと2mmとの間にあるときに、良好な結果は、達成された。
0.5mmよりも小さい厚みを有する均一かつ滑らかなコーティングは、塗布するのが困難である。3mmを超える厚みを有する本発明の金属コーティングは、生産するのに高価である。
金属コーティングが吹き付けによって適用されるときに、良好な結果は、達成された。
吹き付けによる金属コーティングの適用は、実行するのが速くて容易である。融合温度範囲は、Feベースの合金の溶融温度に依存する。
本発明の代わりの変更態様において、金属コーティングは、浸漬によって適用される。
金属コーティングの適用は、Feベースの合金の溶融または分散にプランジャを浸漬することによって実行されることができる。次の融合が必要とされるときに、融合温度範囲は、Feベースの合金の溶融温度に依存する。
本発明のさらなる変更態様において、金属コーティングは、ペースト化によって適用される。
パウダの粒径のより広い範囲が使われる場合、ペースト化によるパウダ状のFeベースの合金の適用は、有利である。この種のプロセスにおいて、5μm〜200μm間の範囲の、好ましくは10μm〜120μm間の粒径は、適用されることができて、これにより、コーティング材料の全体コストは、減少する。融合温度範囲は、Feベースの合金の溶融温度に依存する。
本発明の好適な変更態様において、適用される金属コーティングは、1020℃と1150℃との間の融合温度範囲で、好ましくは1050℃と1080℃と間の融合温度範囲で融合される。
融合温度範囲は、Feベースの合金の溶融温度に依存する。1020℃と1150℃との間の融合温度範囲が本発明によるFeベースの合金を融合させるために適切であることは、分かっている。好適な融合温度は、1050℃〜1080℃間の範囲にある。
本発明のさらなる変更態様において、Feベースの合金には、硬質粒子が埋め込まれる。
プランジャのための金属コーティングは、高い耐摩耗性および耐腐食性でなければならない。Feベースの合金に対する硬質粒子の添加によって、前記合金の耐摩耗性は、増加する。Feベースの合金に埋め込まれる硬質粒子は、カーバイド(例えば、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ケイ素)、ニトリド(例えば、窒化チタン、窒化アルミニウム)、ホウ化物(例えば、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム)または酸化物(例えば、酸化アルミニウム)の粒子から成ってよい。均一な耐摩耗性を提供するために、硬質粒子は、プランジャ・コーティングの全部にわたって均一に分布される。粒径は、コーティングの適用の方法およびFeベースのマトリックスパウダの対応する粒径分布に依存する。好ましくは、前記硬質粒子の粒径は、5μmと200μmとの間にあり、最も好ましくは、前記硬質粒子の粒径は、10μmから125μmまでの範囲内にある。
いくつかの適用において、硬質粒子の使用は、破壊靭性および耐疲労性を最大にするために好ましくない。他の適用において、コーティングの高い耐摩耗性を達成するために、硬質粒子のローディングは、できるだけ高くなければならない。しかしながら、前記硬質粒子の重量部が20重量%と60重量%との間に範囲にあるときに、最善の結果は得られた。Feベースの合金に埋められる硬質粒子の重量部が20重量%未満である場合、得られた材料の耐摩耗性は、わずかに改良されるだけである。硬質粒子の量が60%を超える場合、得られた材料は、処理するのが困難であり、破壊靭性および疲労寿命を減少させた場合がある。
図1は、「プレスアンドブロー」法による33cl瓶の製造のためのプランジャを示す。プランジャ1は、溶融ガラスのゴブに接触する第1部分2と、プランジャ1のベースを含み、かつ溶融ガラスと接触しない第2部分3とから成る。プランジャ1は、1.7335スチール(0.14%のC、0.18%のSi、0.52%のMn、0.012%のP、0.013%のS、0.93%のCr、0.47%のMo、0.13%のNi、0.15%のCu、の重量%の化学組成)の単一部分でできているコア4を含む。それは、延出したフランジ部8を有する拡大したプランジャベース6と、先端およびシャンク領域を含むプランジャ突出部2とを備える。
プランジャ1は、長さが170mmであり、プランジャ突出部2の長さは150mm、プランジャベース6の長さは8mmである。プランジャベース6の幅は、20mmである。ベースのちょうど上に、プランジャ突出部2は、18.5mmの直径を有する。プランジャ突出部は、本発明による合金で被覆される。
パウダは、高速酸素燃料(High Velocity Oxygen Fuel(HVOF))熱スプレープロセスを使用して、プランジャ突出部の表面上に層として堆積される。その後、吹き付けられた層は、1100℃で誘導融合によって融合される。得られた層の平均厚さは、ほぼ1mmである。クラックを回避するために、融合された層は、ゆっくりクールダウンされる。それは、457 HV0.3の平均微小硬さを有する。
本発明の代替実施形態では、誘導融合の代わりに、他の加熱プロセス(例えば炎によって、またはオーブンにおいて)が使用される。
加えて、シャンクおよび先端の層だけは、炎により支援されたメルティングによって再び手動で融合される。最後に、プランジャ突出部の表面は、機械加工されて、つやが出る。代替実施形態では、表1に示される合金は、予備成形された融合炭化タングステン粒子と混ぜ合わされる。炭化タングステン粒子の平均粒子径は、合金マトリックスパウダの粒度分布に等しく、平均粒子径は100μmである。結果として生じる材料は、最高80重量%の前記Feベースの合金および20重量%の炭化タングステン粒子の混合物である。混合物は、HVOFまたは熱スプレーによって、あるいはパウダの溶融物の浸漬によって、あるいはパウダのスラリーの吹き付けまたはペースト化によって、プランジャ突出部の表面に堆積される。
図2の線図において、3つの異なって被覆されたプランジャについての平均予測時間は、示される。これらの平均予測時間は、直径50μmの摩耗について算出される。表1のプランジャのコーティングは、表1に示す組成を有する本発明(HV−2)によるFe−Co−Crベースのセルフフラックス合金でできている。比較のためだけに、第2および第3のプランジャ・コーティングのセットは、Niベースのセルフフラックス・コーティングである。第2のコーティングのColmonoy 88は、HVOFを適用されて、その後融合されるコーティングである。
第3のコーティングもまた、Niベースのセルフフラックス合金(ProTec X136)である。しかしながら、それは、熱スプレーによって適用されて、その後、真空融合される。
直径50μmの最大許容摩耗を考慮して、Colmonoy 88で被覆されたプランジャは、6000時間をちょうど上回る平均作動時間を達成する。ProTec X136の真空融合されたNiベースのコーティングは、14000時間の最大作動時間を達成する。しかしながら、Feベースの合金HV2コーティングで被覆されたプランジャの平均作動時間は、ほぼ23500時間を達成する。Feベースの合金の予想平均作動時間は、Colmonoy 88コーティングを有するプランジャのほぼ4倍に匹敵し、そして真空融合されたコーティングの2倍の増加に匹敵する。Colmonoy 88の硬度が678のHV0.3であり、ProTec真空融合コーティングの硬度が750 HV0.3であるのと比較して、Feベースの合金プランジャのコーティングの硬度は、457 HV0.3である。HV−2で被覆されたプランジャは、3つの中で最も低い硬度(457 HV0.3)を有するにもかかわらず、それは、最も高い測定された摩耗寿命を有する。
興味深いことに、プランジャの熱サイクルのせいで、約900 HV0.3よりも高い硬度を有するコーティングは、先端でより容易にコーティングクラックにあうことが判明した。その結果、摩耗性能とコーティングの安定性との間の妥協は、なされなければならない。本発明によるコーティングは、この種の妥協を提供する。それは、300 HV0.3から900 HV0.3までの、好ましくは400 HV0.3から800 HV0.3までの範囲の硬度を有する。この材料は、通常のNiベースの合金よりももろくない。
Claims (14)
- 溶融ガラスのゴブと接触する第1部分、および第2部分を備え、少なくとも前記第1部分は、セルフフラックス合金の金属コーティングで被覆されている、ガラス容器を製造するのに用いるプランジャであって、前記セルフフラックス合金は、少なくとも15重量%のCoを含むFeベースの合金であり、前記金属コーティングの微小硬さは、300 HV0.3と900 HV0.3との間の範囲にあり、前記Feベースの合金は、以下(重量%、残余=Fe)を含む鉄−コバルト−クロム合金であり、
- 前記Feベースの合金のNi含有量は、7重量%未満であることを特徴とする、請求項1に記載のプランジャ。
- 前記Feベースの合金のNi含有量は、0.1重量%未満であることを特徴とする、請求項1または2に記載のプランジャ。
- 前記Feベースの合金は、少なくとも20重量%のCoを含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記金属コーティングの前記微小硬さは、400 HV0.3と800 HV0.3との間の範囲にあり、最も好ましくは400 HV0.3と600 HV0.3との間の範囲にあることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記金属コーティングの厚みは、1mmと3mmとの間にあり、好ましくは0.5mmと2mmとの間にあることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記金属コーティングは、吹き付けによって適用されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記金属コーティングは、浸漬によって適用されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記金属コーティングは、ペースト化によって適用されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記適用される金属コーティングは、1020℃と1150℃との間の融合温度範囲で、好ましくは1050℃と1080℃と間の融合温度範囲で融合されることを特徴とする、請求項10〜12のいずれか1項に記載のプランジャ。
- 前記Feベースの合金には、硬質粒子が埋め込まれることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載のプランジャ。
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