JPH04337046A

JPH04337046A - 耐摩耗性複合材料および耐摩耗性ライニング層の形成方法

Info

Publication number: JPH04337046A
Application number: JP13700991A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hida; 肥田　修; Susumu Emi; 江見　享; Katsunori Monma; 門馬　勝則; Tei Chimura; 禎千村; Hideo Oyabu; 大藪　英雄
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1992-11-25

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、樹脂機械における押
出機や射出機のシリンダなどに好適な高耐摩耗性複合材
料および耐摩耗性ライニング層の形成方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】樹脂機械における押出機や射出機のシリ
ンダは、樹脂組成物中のグラスファイバーなどの硬質添
加材との研摩耗やスクリュとの金属同士の接触による金
属間摺動摩耗により損耗を受けやすい。このため、従来
は、シリンダの内面に、耐摩耗性に優れたライニング層
を形成することによって摩耗を防止する手段が講じられ
ており、例えば、Ｎｉ　基自溶性合金にＷＣ強化粒子を
１０〜５０重量％分散させた複合材料を、遠心鋳造法な
どによって溶解凝固させて、シリンダ内面にライニング
する方法が採用されている（特公昭５４ー３２４１３号
など）。上記複合材料は高い硬度を有しており、得られ
たライニング層は優れた耐アブレシブ摩耗特性を有して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記複合材料
では、マトリックスであるＮｉ　基合金に比較してＷＣ
強化粒子は比重が大きいため、Ｎｉ　基合金が溶融した
際に、ＷＣ粒子が比重差によりＮｉ　合金溶湯中を沈降
し、その結果、ＷＣ粒子が密集した層とＷＣが殆どない
層に分離してしまう。ＷＣが殆どない層では、硬度が不
足して十分な耐摩耗性が得られず、早期に摩耗してしま
い、またこれが相手材に凝着するなどの問題点がある。このため、ＷＣが殆どない層は、機械加工により除去す
る作業が必要となり、生産性を低下させる一因となって
いる。一方、ＷＣが密集した層では、それ自体の耐摩耗
性は良好であるが、これと接触するスクリュなどの相手
材を著しく摩耗させる問題点がある。

【０００４】これらの問題点に対処するものとして、本
願出願人は、炭化物強化粒子に代えて、比重の小さなほ
う化物強化粒子をＮｉ　基自溶性合金中に分散させた複
合材料を提案している（特公昭５８ー１０４５８号）。この複合材料によれば、ほう化物強化粒子が比重差によ
り沈降することはなく、ほう化物強化粒子はシリンダ表
面の上方側（内周側）に密集して耐摩耗特性を発揮する
。しかし、ほう化物粒子は、炭化物粒子に比べて硬度が低
いため、この複合材料の耐アブレシブ摩耗特性は、炭化
物粒子を分散させた材料に比べてやや劣っている。そし
て、ほう化物粒子は、上記したようにシリンダ表面側に
密集するように偏在しているので、ライニングが摩耗す
ると、ほう化物粒子が少ないか、全くない層が露呈して
耐摩耗性が劣化するという問題点もある。

【０００５】この発明は、上記事情を背景としてなされ
たものであり、優れた耐アブレシブ摩耗特性を有すると
ともに、相手材に対する攻撃性が小さく、さらに強化粒
子をマトリックス中に均一に分散させることができる複
合材料および耐摩耗性ライニング層の形成方法を提供す
ることを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本願発明のうち、第１の発明の複合材料は、炭化物強
化粒子１０〜５０重量％と、ほう化物強化粒子１０〜３
０重量％とを、Ｎｉ　基自溶性合金マトリックス中に均
一に分散させた耐摩耗性複合材料であり、前記Ｎｉ　基
自溶性合金は、Ｂ：２．０〜４．０重量％、Ｓｉ　：６
．０重量％以下、Ｃ：０．１〜１．０重量％、Ｃｒ：５
．０〜１６．０重量％、Ｆｅ　：４重量％以下、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】そして、第２の発明の耐摩耗性ライニング
層の形成方法は、炭化物１０〜５０重量％、ほう化物１
０〜３０重量％、およびマトリックスとなる、Ｂ：２．
０〜４．０重量％、Ｓｉ　：６．０重量％以下、Ｃ：０
．１〜１．０重量％、Ｃｒ　：５．０〜１６．０重量％
、Ｆｅ　：４重量％以下、残部がＮｉ　および不可避的
不純物からなるＮｉ　基自溶性合金を粉末化した粉末混
合物または複合粉末を用いて、ライニングすべき母材上
に肉盛溶接または溶射してライニング層を形成すること
を特徴とするものである。

【０００８】なお、本発明で用いられる金属炭化物には
、高硬度で耐アブレシブ摩耗特性に優れたものを使用す
るが、例えば、周期律表第ＩＶ、Ｖ　、ＶＩ属のＷＣ、
ＴａＣ、ＮｂＣなどを使用する。また、ほう化物には、
自己潤滑性に優れ、耐凝着摩耗性の良好なものを用いる
が、例えば、周期律表第ＩＶ、Ｖ　、ＶＩ属のＭｏＢ、
ＣｒＢなどを使用する。そして、第２の発明で用いる粉
末には、炭化物、ほう化物、Ｎｉ　基自溶性合金の各構
成物をそれぞれ粉末化して混合する他に、各構成物の２
〜３種からなる合金を粉末化した複合粉末を用いること
もでき、また、２種以上の複合粉末を混合することも可
能である。なお、粉末は、過度の溶解反応を防ぎ、しかも供給を円
滑に行えるように、平均粒径が２０〜２５０μｍとなる
ように調製するのが望ましい。なお、この発明で行う肉
盛溶接または溶射は、上記粉末に対応するものであれば
特に種別が限定されるものではないが、急速溶解、急速
凝固の点で粉体プラズマ溶接法が適している。

【０００９】

【作用】すなわち、本願発明の複合材料によれば、マト
リックスへの炭化物粒子の分散によって、耐アブレシブ
摩耗特性が向上する。さらに、ほう化物粒子の分散によ
って相手材に対する攻撃性が低下する。これは、ほう化
物自体が潤滑材の役割を果たして、炭化物の攻撃性を和
らげ、かつ金属同士が癒着して起きる凝着摩耗を和らげ
るためと考えられる。したがって、炭化物粒子とほう化
物粒子との組合せによって、炭化物単体を分散させたも
のと同等で、ほう化物粒子単体を分散させたものよりも
優れた耐摩耗性が得られ、さらに相手材に対する攻撃性
が大幅に改善される。また、炭化物粒子とほう化物粒子
との組合せにより、比較的比重の大きい炭化物粒子間に
、比較的比重の小さいほう化物が入り込んで、強化粒子
の平均比重をマトリックスに近い値（例えば、５．０〜
１０．０）にコントロールすることができ、特定粒子の
密集を防止する。

【００１０】次に、本願発明の耐摩耗性ライニング層の
形成方法によれば、上記した複合材料からなるライニン
グ層が形成され、優れた耐摩耗特性が得られるとともに
、相手材に対する攻撃性が低下する。また、溶射または
肉盛溶接の採用によって、粉末は急速に溶解、凝固する
ので、前記した平均比重のコントロールと相まって、比
重の大きな炭化物の沈降を防止し、炭化物およびほう化
物粒子をマトリックス中に均一に分散させることができ
る。

【００１１】さらに、本願発明の数値限定の理由を以下
に述べる。炭化物粒子：１０〜５０重量％炭化物粒子は、耐アブレシブ摩耗特性を向上させるため
に分散させるが、１０重量％未満では、その作用は不十
分であり、また、過度に分散させると相手材に対する攻
撃性が増すので、上記範囲内とする。ほう化物粒子：１０〜３０重量％ほう化物粒子は、自己潤滑性を発揮して相手材への攻撃
性を低下させるが、１０重量％未満では、不十分である
。なお、同様の理由で、Ｂ換算で１重量％以上とするの
が望ましい。また、３０重量％を越えると、抗折力など
の機械的特性を低下させるので上記範囲とした。

【００１２】なお、上記炭化物粒子とほう化物粒子との
合算量は、上記限定に加え、２０〜６０重量％の範囲内
とするのが望ましい。これは、下限未満では、硬度不足
などの支障を来し、また、上限を越えると、抗折力など
の機械的特性を低下させるためである。さらに、同様の
理由により、この合算量を３０〜５０重量％の範囲とす
るのがより望ましい。また、炭化物およびほう化物の配
合比は、調整可能であるので各種用途に最適となるよう
に対応することができる。例えば、アブレシブ摩耗が激
しい場合には、炭化物量を多くし、金属同士の接触が激
しい場合には、ほう化物量を多くすることで最適な特性
を発揮するように設定することができる。

【００１３】次に、マトリックスとなるＮｉ　基自溶性
合金の組成限定理由を述べる。Ｂ：２．０〜４．０重量％Ｂは、自溶性を与えるために添加されるが、２．０重量
％未満では、その作用は不十分である。また、４．０重
量％を越えると、靭性が著しく低下するので上記範囲と
した。Ｓｉ　：６．０重量％以下Ｓｉ　は、Ｂと同様に自溶性を与えるために添加される
が、６．０重量％を越えると、靭性が低下するので上記
上限を定めた。Ｃ：０．１〜１．０重量％Ｃは、炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させるために添
加される。このＣが０．１重量％未満であると、上記作
用が不十分であり、１．０重量％を越えると、耐摩耗性
を低下させるので、上記範囲とする。

【００１４】Ｃｒ　：５．０〜１６．０重量％Ｃｒ　は
、耐食性を高めるとともに、ほう化物および炭化物を生
成して耐摩耗性を向上させる。このＣｒ　が５．０重量
％未満であると、上記作用は不十分であり、１６．０重
量％を越えると、マトリックス合金の融点を高めて製造
を困難にするので上記範囲とする。Ｆｅ　：４重量％以下Ｆｅ　は、マトリックス合金に耐食性を高めるために添
加するが、過度に添加すると、硬さの低いＦｅ　−Ｎｉ
　固溶体を生成してマトリックスの硬さを低下させるの
で上記上限を定めた。

【００１５】

【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。先ず、炭化物としてＷＣ、
ほう化物としてＭｏＢ、Ｎｉ　基自溶性合金として表２
に示す組成を有する合金を用意した。これら各粉末を、
表１に示される配合比（重量％）で混合して発明材１〜
４および比較材５〜８用の粉末を調製した。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】各試料用調製粉末（比較材７用の粉末を除
く）を、表３に示す条件下で、プラズマ溶接機に供給し
て、母材である円筒形状の低合金鋼（ＳＭＣ４４０）内
周面に、粉体プラズマ溶接法（ＰＴＡ）により肉盛溶接
してライニング層を形成した。　　なお、溶接に際して
は、母材の鉄合金からの鉄の拡散を少なくするため、２
層盛とした。この炭素鋼から適当量を切出して、発明材
１〜４および比較材５〜８の試料とした。なお、比較材
８用の調製粉末は、母材上に肉盛することなく、そのま
ま鋳造して比較材８とした。

【００１９】

【表３】

【００２０】各試料のうち、発明材３と比較材８につい
て金属組織を観察したところ、発明材３は、図１の写真
に示すように炭化物およびほう化物がマトリックス中に
均一に分散していた。また、比較材８は、図２の写真に
示すように、炭化物が密集した層と、殆ど存在しない層
の２層に明確に分離していた。

【００２１】次に、試料のうち、発明材３と比較材７、
８を用いて、アブレシブ摩耗特性を評価する試験を行っ
た。その結果は表４に示す。なお、試験は、以下の条件
で行い、４００回毎の摩耗量の平均値を摩耗量として表
示した。アブレシブ摩耗試験条件：相手材３２０番ＳｉＣペーパ
ー、荷重２Ｋｇｆ、速度３．６ｍ／ｍｉｎ（６０往復／
分）前記アブレシブ摩耗試験結果から明らかなように、
発明材のアブレシブ摩耗量は、ＷＣ粒子を分散させた比
較材８よりも摩耗量が僅かに多いものの、強化粒子を分
散させていない比較材７よりも摩耗量は非常に少なく、
優れた耐アブレシブ摩耗性を有している。また、発明材
３の抗折力は、比較材７と同等であり、ＷＣ粒子を分散
させた比較材８よりも非常に優れている。したがって、
発明材は、耐アブレシブ摩耗、抗折力の両特性で総合的
に優れていた。

【００２２】

【表４】

【００２３】次に、射出機、押出機などのシリンダ材と
、スクリュ材との金属接触摩耗をシュミレートするため
、全試料に対し、大越式摩耗試験を行った。具体的には
、前記試料を固定試験片とし、相手材として工具鋼を採
用し、これを回転試験片として、以下に示す条件で試験
を行った。大越式摩耗試験条件：荷重１８．９Ｋｇｆ　、すべり距
離２００ｍすべり速度２．３７ｍ／ｓなお、摩耗量は、ｍｍ３／Ｋｇｆ・ｍｍ×１０−８で示
した。

【００２４】その結果は表５に示すとおりであり、いず
れの発明材も、ライニング層自身（固定試験片）および
相手材（回転試験片）の摩耗量は少ない値を示した。こ
れに対し、ほう化物量が少ない比較材５、６およびほう
化物を含まない比較材８は、自身の摩耗量は少ないもの
の、相手材摩耗量が多く、相手材への攻撃性が大きいと
いう結果が得られた。また、比較材７は、自身の摩耗量
が非常に多く、これが相手材に凝着していた。

【００２５】

【表５】

【００２６】

【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、炭化物強化粒子１０〜５０重量％と、ほう
化物強化粒子１０〜３０重量％とを、Ｎｉ　基自溶性合
金マトリックス中に均一に分散させた耐摩耗性複合材料
であり、前記Ｎｉ　基自溶性合金は、Ｂ：２．０〜４．
０重量％、Ｓｉ　：６．０重量％以下、Ｃ：０．１〜１
．０重量％、Ｃｒ　：５．０〜１６．０重量％、Ｆｅ　
：４重量％以下、残部がＮｉ　および不可避的不純物か
らなるので、優れた耐アブレシブ摩耗特性を有するとと
もに、相手材に対する攻撃性を和らげて、自身および相
手材に対し優れた摩耗特性を有し、しかも炭化物粒子お
よびほう化物粒子がマトリックス中に均一に分散する効
果がある。

【００２４】また、第２の発明の耐摩耗性ライニング層
の形成方法によれば、炭化物１０〜５０重量％、ほう化
物１０〜３０重量％、およびマトリックスとなる、Ｂ：
２．０〜４．０重量％、Ｓｉ　：６．０重量％以下、Ｃ
：０．１〜１．０重量％、Ｃｒ：５．０〜１６．０重量
％、Ｆｅ　：４重量％以下、残部がＮｉ　および不可避
的不純物からなるＮｉ　基自溶性合金を粉末化した粉末
混合物または複合粉末を用いて、ライニングすべき母材
上に肉盛溶接または溶射してライニング層を形成するの
で、炭化物およびほう化物を、能率よくマトリックス中
に均一に分散させることができ、作業能率が向上すると
ともに、得られたライニング層は、第１の発明と同様の
優れた耐摩耗特性を有する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明材における金属組織写真である。

【図２】比較材における金属組織写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　炭化物強化粒子１０〜５０重量％と、
ほう化物強化粒子１０〜３０重量％とを、Ｎｉ　基自溶
性合金マトリックス中に均一に分散させた耐摩耗性複合
材料であり、前記Ｎｉ　基自溶性合金は、Ｂ：２．０〜
４．０重量％、Ｓｉ：６．０重量％以下、Ｃ：０．１〜
１．０重量％、Ｃｒ　：５．０〜１６．０重量％、Ｆｅ
　：４重量％以下、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耐摩耗性複合材料
【請求項２】　　炭化物１０〜５０重量％、ほう化物１
０〜３０重量％、およびマトリックスとなる、Ｂ：２．
０〜４．０重量％、Ｓｉ　：６．０重量％以下、Ｃ：０
．１〜１．０重量％、Ｃｒ　：５．０〜１６．０重量％
、Ｆｅ　：４重量％以下、残部がＮｉ　および不可避的
不純物からなるＮｉ　基自溶性合金を粉末化した粉末混
合物または複合粉末を用いて、ライニングすべき母材上
に肉盛溶接または溶射してライニング層を形成すること
を特徴とする耐摩耗性ライニング層の形成方法