JPH04185414A

JPH04185414A - 耐食耐摩耗性焼結合金からなるライニング層を有する複合シリンダ

Info

Publication number: JPH04185414A
Application number: JP2315110A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maruta; 丸田　賢二; Masanori Amano; 天野　正則
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1992-07-02

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、プラスチック成形機等に用いる複合シリンダ
に関し、詳しくは耐摩耗性、耐食性に優れた複合シリン
ダに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕プラス
チック等の射出成形あるいは押出成形に使用される成形
機用のシリンダには、加熱成形中の樹脂または樹脂に加
えた添加剤等による腐食あるいは摩耗を防止するため、
鋼材からなる中空円筒状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
イニングする構造のものが用いられている。

しかしながら、上述のような成形機用の複合シリンダを
遠心鋳造法により作製する場合は、溶着反応時にライニ
ング層を形成する合金材料に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度を低下させ、また耐食性を劣
化させてしまうという問題かある。

また近年プラスチックは、用途か多種多様化し、様々な
特殊樹脂を用いたり、様々な添加剤を混合するようにな
ってきているため、成形機用の複合シリンダ内ライニン
グ層の耐摩耗性及び耐食性を、さらに向上させるへき要
求か高まってきている。

このためには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かあるか、遠心鋳造法では
、偏析や分散性等の問題のため、必ずしもこれらの要求
を満足させることかできない。

従って本発明の目的は、ライニング層か、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、か
つ優れた耐摩耗性及び耐食性を有するような組成とする
ことかできる複合シリンダを提供することである。

〔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、前記ライニング層が、Ｃｒ　５
．０〜２０．０重量％、８２．５〜４．０重量％、Ｓｉ
　２．５〜１０．０重量％、Ｃｏ　５．０〜４０．０重
量％、Ｆｅ　５゜０重量％以下、残部実質的にＮｉ及び
不可避的不純物からなる合金のアトマイズ粉末を、ＨＩ
Ｐプロセスにより前記シリンダ母材内面上で加圧焼結し
てなることを特徴とする。

〔実施例及び作用〕

まず本実施例に用いる耐摩耗性及び耐食性を有するライ
ニング層を構成する合金成分について説明する。

Ｃｒの含有率は５．０〜２０．０重量％である。

Ｃｒはマトリックス中のＢとのほう化物を形成するとと
もに合金中に分散し、耐食性及び耐摩耗性を向上する。

しかしながら、Ｃｒが５．０重量％未満であると、その
効果が十分てなく、また２０，０重量％を超えると合金
の靭性を低下させてしまう。

Ｂの含有率は２．５〜４．０重量％である。

Ｂは組織中に高硬度のほう化物を析出させ、合金の硬度
を向上させる作用を有する。しかしなから、２．５重量
％未満ではその効果か十分ではなく、４．０重量％を超
えると超共晶組織が粗大化し、かつ脆性を増してしまう
。

Ｓｉの含有率は２．５〜１Ｏ１０重量％である。

ＳｉはＮ１と金属化合物を形成し、耐摩耗性を向上させ
る作用を有する。しかしながら、Ｓｉか２．５重量％未
満であると、その効果が十分でなく、また１０００重量
％を超えると合金の靭性を低下させてしまう。

Ｃｏの含有率は５．０〜４０．０重量％である。

ＣｏはＣｒ及びＢと化合して合金の高硬度特性と耐食性
を向上させる作用を有する。しかしながら、Ｃｏが５．
０重量％未満であると、その効果か十分てなく、また４
０．０重量％を超えるとその作用が飽和するとともに経
済的効果を失する。

Ｆｅの含有量は５．０重量％以下である。

Ｆｅは、理想的には含まないのか好ましい。Ｆｅが含有
される量は、５重量％以上に増加すると硬さか低下する
とともに、酸に対する耐食性が低下する。

また本実施例においては、上述した成分組成の原料を溶
融し、ガスアトマイズ法により粉末化する。上記原、料
は融点か余り高くなく、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ことが
できる。アトマイズ粉末の粒径は、ＨＩＰが可能である
限り、特に限定されないが、組成の均一性を高めるため
に、５〜１００ｕＸｌ程度であるのが好ましい。

さらに本実施例においては、上述の合金粉末に、周期律
表のＩＶａ族、Ｖａ族あるいはＶＩａ族に属する元素の
炭化物からなる微粒子を均一に分散させることにより、
耐摩耗性をさらに向上することができる。

上記炭化物からなる微粒子を含有する場合、含有率は、
ライニング層を形成するＮ１基合金材料１００重量部当
り、５〜６０重量部であるのが好ましい。

５重量部未満であると耐摩耗性の向上か少ないし、６０
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。

またこの場合は、前記炭化物からなる微粒子の粒径が５
〜１００　ＥＴＩであるのが好ましい。５μｍ未満であ
ると均一に分散せず、また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。

次に本発明の複合シリンダについて、その製造方法の一
例を説明する。

第１図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
の状態を示すものである。

第１図に示すように、ホッパー用開口部４１を育し、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
ールする。

この場合、ライニング用の合金粉末は開口部４１より入
れることになるか、場合によっては、蓋４．５の一方を
合金粉末充填後にシールするようにしてもよい。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
り行うのか好ましい。最後にホッパー用開口部４１も、
蓋８によりシールする。

なお芯金２及び蓋４．５は軟鋼等により作製することが
できる。また芯金２は図のように中空である必要はなく
中実であってもよい。

第２図は、このようにして合金粉末３ａか充填された状
態のシリンダを示す概略断面図である。

合金粉末か密封充填されたシリンダは、第３図に示すよ
うな構造のＨＩＰ装置７内に、装填され、Ｆ（ＩＰ処理
が行われるが、通常のＨＩＰ処理条件は、温度９００〜
１，０５０℃、圧力１．０００〜１．５００ａ、ｔｍ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。なお第３図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については、切削加工
等により蓋４、蓋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、ライニング層か
ＨＩＰプロセスにより形成されるため、Ｆｅかシリンダ
母材から侵入することかなく、優れた硬度及び耐食性を
有する構造になっている。またライニング層は、上述し
た耐食性、耐摩耗性合金材料により形成されているため
、さらに優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になっ
ている。

なお上述した本実施例の複合シリンダに、適当な熱処理
を施し、シリンダ母材を所望の組織にすることにより、
シリンダ母材の強度を向上させ、ライニング層の耐クラ
ツク性を向上させることも可能である。

このような熱処理を施す場合に最適なシリンダ母材につ
いて説明する。

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
含有率はＣ０，３〜０．５重量％、Ｓｉ０．１５〜０．
３５重量％、Ｍｎ　０．３〜１．５重量％、Ｐ　０．０
３重量％以下、Ｓ　０．０３重量％以下、Ｃｒ　０．７
〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０．５重量％とするのが
強度上好ましい。日本工業規格（ＪＩＳ　Ｇ　４１０５
）に規定されるＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５相当のＣｒ
−Ｍｏ鋼が、強度上特に好ましい。

合金鋼として、Ｎｉ　−Ｃｒ　−Ｍｏ鋼を用いる場合、
化学成分の含有率はＣ０，３〜０．５重量％、Ｓｉｎ、
　１５〜０．３５重量％、Ｍｎ　０．３〜１．５重量％
、Ｐ　０．０３重量％以下、３０．０３重量％以下、Ｎ
ｉ　３．０重量％以下、Ｃ「０．７〜１．５重量％、Ｍ
ｏ０．１〜０，５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ＳＮ
ＣＭ４３９相当のＮｉ　−Ｃｒ　−Ｍｏ鋼が、強度上特
に好ましい。

また本実施例においては、上述したようなシリンダ母材
に適当な熱処理を施すことにより、その組織を強度上有
利な構成にするが、この場合、組織の２０％以上をベイ
ナイトにより形成し、残部をソルバイトにより形成する
のが好ましい。組織のベイナイトが２０％未満であると
十分な強度か得らりず好ましくない。

以上に示す組織構成とするために、本実施例においては
、上述した複合シリンダに熱処理を施すか、この熱処理
方法を第４図に示す熱処理パターンにより、以下に説明
する。

ここで、第４図の横軸は時間、縦軸は温度を示しており
、また熱処理パターン上のＡは焼入加熱工程、Ｂは冷却
工程、Ｃは保持工程、Ｄは加熱工程、Ｅはアニール工程
、Ｆは室温までの冷却工程を示している。

本実施例においては、Ａに示す焼入加熱工程により、複
合シリンダを形成し、その後日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”Ｃ／分である。冷却速
度が４０°Ｃ／分未満であると、トルースタイトを生じ
、また１００°Ｃ／分を超えると、ライニング層の内面
に割れか生じやすくなる。

次いでＣに示すように保持工程において、ベイナイト変
態を起こす領域は３００〜５５０°Ｃである。

ベイナイト変態を起こす領域か３００°Ｃ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
内面に割れが生しやすくなり、また５５０℃を超えると
パーライトが生じる。

また保持工程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Ｄに示すようにアニール温度まで加熱を行うが、
この時、加熱速度は１〜１０″Ｃ／分である。

加熱速度が１°Ｃ／分未満であると、シリンダ母材のベ
イナイト量が過多となり、ライニング層の内面に割れを
発生しやすくなる。また１０℃／分を超えると、逆にベ
イナイト量が不足して強度が得られなくなる。

次いでＥに示すようにアニールを行うか、この時、アニ
ール温度は５５０〜６５０℃である。アニール温度が５
５０°Ｃ未満であると残留応力除去というアニールの目
的を果たず、また６５０°Ｃを超えると金属組織に影響
をおよぼす。

またアニール時間は１〜５時間である。アニール時間が
１時間未満であると十分に残留応力を除去できず、また
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。

以上により形成される本実施例における複合シリンダは
、シリンダ母材の強度か著しく向上するため、ライニン
グ層が優れた疲労強度、特に耐クラツク性を育する構造
になる。

以下の具体的実施例により本発明の詳細な説明する。

実施例１第２図に示す構造の接合体を上述の方法により作製した
が、ライニング層を形成する合金材料として、Ｃｒ７．
０重量％、８２．５重量％、Ｓｉ２．７重量％、Ｃｏ１
０．０重量％、Ｆｅ０．５重量％、残部実質的にＮｉ及
び不可避的不純物からなる合金のアトマイズ粉末を用い
、またシリンダ母材としてＳＣＭ４４０を用いた。

また、上記接合体を第３図に示すような構造のＨＩＰ装
置内において、ＨＩＰ処理を施したが、この時のＨＩＦ
処理条件は、Ａｒガス雰囲気中、温度９５０°Ｃ１圧力
１．ＯＯＯａｔｍ　、　４時間とし、複合シリンダを得
た。

実施例２実施例１と同様に、接合体を作製したか、ライニング層
を形成する合金材料として、Ｃｒ７．０重量％、Ｂ　２
．５重量％、Ｓｉ２．７重量％、Ｃｏ１０．０重量％、
Ｆｅ０．５重量％、残部実質的にＮｉ及び不可避的不純
物からなる合金のアトマイズ粉末に、さらにＷＣからな
る粒径５〜３０ｉＪＸｌ微粒子をアトマイズ粉末１００
重量部当り、２０重量部均一に分散させた。またシリン
ダ母材としてＳＮＣＭ４３９を用いた。

次いで、アトマイズ粉末か密封された上記接合体を第３
図に示すような構造のＨＩＰ装置内に、装填し、ＨＩＰ
処理を施した。この時のＨＩＰ処理条件は、温度９５０
°Ｃ１圧力１１０００ａｔであり、Ａｒの不活性ガス雰
囲気中で４時間行うことにより複合シリンダを得た。

実施例３実施例１と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施した
。

この時の熱処理条件は、加熱温度９００°Ｃ（第４図に
示すＡ）、冷却速度８０°Ｃ／分（第４図に示すＢ）、
ベイナイト変態を起こす温度５００°Ｃ１保持時間２０
分（第４図に示すＣ）、加熱速度５℃／分（第４図に示
すＤ）、アニール温度６３０℃、保持時間５時間（第４
図に示すＥ）であった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の組
織は、約５０％のベイナイトと約５０％のソルバイトと
からなっていた。

実施例４実施例２と同様の複合シリンダにさらに熱処理を施した
。

この時の熱処理条件は、初期温度（第４図に示すＡ）、
冷却速度５０°Ｃ／分（第４図に示すＢ）、ベイナイト
変態を起こす温度５０℃、保持時間２０分（第４図に示
すＣ）、加熱速度５℃／分（第４図に示すＤ）、アニー
ル温度６３０℃、保持時間５時間（第４図に示すＥ）で
あった。

以上により形成された複合シリンダのシリンダ母材の組
織は、約２０％のベイナイトと約８０％のソルバイトと
からなっていた。

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、及び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、１０ｍｍ
Ｘ　１５ｍｍＸ　１０ｍｍの大きさの試料を作成し、＃
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、後述する比較例の結果を１．０とした時の
相対値によって表し、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試料を作成し
、５０°Ｃの１０％ＨＣＩ水溶液中に２４時間浸漬した
後に、ライニング材の腐食原料量率を調べた。

この結果を、後述する比較例の結果を１０とした時の相
対値によって表し、腐食性を評価した。

シリンダ母材の強度については、母材から引張試験試料
を作成し、引張試験を行い、母材強度として最も重要な
０．２％耐力を計測した。

これらの結果を第１表に示す。

第１表から明らかなように、実施例１．２の複合シリン
ダにおいては、ライニング層か優れた耐摩耗性及び耐食
性を有していた。

また実施例３．４の複合シリンダにおいては、適当な熱
処理が施されているために、シリンダ母材の強度が著し
く向上していることがわかる。そのため、ライニング層
にかかる歪みが小さくなり、疲労強度及び耐クラツク性
が向上すると考えられる。

なお本実施例においては、車軸の複合シリンダを例にと
り説明したが、複数軸の複合シリンダとすることも可能
であり、この場合も良好な効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
造のものを用いた例について説明したか、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。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の複合シリンダにおいては
、ライニング層を、上述した耐食性、耐摩耗性を付加す
るのに最適な成分組成の合金材料により形成し、かつそ
の合金材料かＨＩＰプロセスによりシリンダ母材に加圧
焼結された構造になっている。このため、ライニング層
か、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、優れた耐摩耗性及び耐食性を有する構造になっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリンダ母材内に芯金を挿入した状態を示す概
略断面図であり、第２図は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り、第３図は本発明の複合シ
リンダを製造するためのＨＩＰ装置を示す概略断面図で
あり、第４図は本発明の一実施例による複合シリンダの
熱処理パターン図である。 ■・・・・・・・シリンダ母材２・・・・・・・芯金３・・・・・・・中空部３ａ・・・・・・・合金粉末４．５．８・・・蓋７・・・・・・・ＨＩＰ装置３Ｌ　３２・・・・・端部４１・・・・・・・ホッパー用開口部

Claims

【特許請求の範囲】（１）ライニング層とシリンダ母材層とを有する複合シ
リンダにおいて、前記ライニング層が、Ｃｒ５．０〜２
０．０重量％、Ｂ２．５〜４．０重量％、Ｓｉ２．５〜
１０．０重量％、Ｃｏ５．０〜４０．０重量％、Ｆｅ５
．０重量％以下、残部実質的にＮｉ及び不可避的不純物
からなる合金のアトマイズ粉末を、ＨＩＰプロセスによ
り前記シリンダ母材内面上で加圧焼結してなることを特
徴とする複合シリンダ。（２）請求項１に記載の複合シリンダにおいて、前記ラ
イニング層が、前記アトマイズ粉末１００重量部当り、
IVａ族、Ｖａ族あるいはVIａ族に属する元素の炭化物の
微粒子５〜６０重量部を均一に分散させてなることを特
徴とする複合シリンダ。（３）請求項２に記載の複合シリンダにおいて、前記炭
化物からなる微粒子の粒径が５〜１００μｍであること
を特徴とする複合シリンダ。（４）請求項１乃至３のいずれかに記載の複合シリンダ
において、前記シリンダ母材の組織は、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複合
シリンダ。（５）請求項４に記載の複合シリンダにおい
て、前記シリンダ母材は、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｓ
ｉ０．１５〜０．３５重量％、Ｍｎ０．３〜１．５重量
％、Ｐ０．０３重量％以下、Ｓ０．０３重量％以下、Ｃ
ｒ０．７〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０．５重量％、
残部実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなるＣｒ−Ｍ
ｏ鋼であることを特徴とする複合シリンダ。（６）請求項４に記載の複合シリンダにおいて、前記シ
リンダ母材は、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｓｉ０．１５
〜０．３５重量％、Ｍｎ０．３〜１．５重量％、Ｐ０．
０３重量％以下、Ｓ０．０３重量％以下、Ｎｉ３．０重
量％以下、Ｃｒ０．７〜１．５重量％、Ｍｏ０．１〜０
．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複合シ
リンダ。