JPH0615708A - 射出成形機用高温耐食性バイメタル・シリンダ - Google Patents

射出成形機用高温耐食性バイメタル・シリンダ

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JPH0615708A
JPH0615708A JP3099474A JP9947491A JPH0615708A JP H0615708 A JPH0615708 A JP H0615708A JP 3099474 A JP3099474 A JP 3099474A JP 9947491 A JP9947491 A JP 9947491A JP H0615708 A JPH0615708 A JP H0615708A
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less
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steel
high temperature
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JP3099474A
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Schiao Feng Chou
シャオ・フェン・チョウ
Willie Roberson
ウィリー・ロバーソン
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Original Assignee
Xaloy Inc
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    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
    • B29C45/58—Details
    • B29C45/62—Barrels or cylinders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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Abstract

(57)【要約】 【目的および構成】 本発明は，射出成形機用高温耐食
性バイメタル・シリンダにおいて該シリンダがASTM 193
B-16炭素鋼およびデユプレックス不錆鋼から成る群から
選択された鋼から作られ，かつ該シリンダが炭化物およ
び硼化物含有合金から成る耐食・耐摩性ニッケル合金ラ
イナーを有することを特徴とし，該合金ライナーが次の
組成：成分 重量％ 炭素 １．５ 乃至 ４．５ 珪素 １．５ 乃至 ４．５ 硼素 １．０ 乃至 ３．０ コバルト １．０ 乃至 ６．０ タングステン ３０．０乃至 ６０．０ ニッケル 残余 を有して成る高温耐食性バイメタル・シリンダを提供す
ることを目的とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】プラスチック工業では各種の射出
成形機にスクリユーおよびシリンダー類が使用されてい
る。本発明はこれらの方法に使用する高強度バイメタル
・シリンダに関する。
【０００２】
【従来の技術および課題】射出成形法では，固形状プラ
スチック樹脂を中空シリンダ内でシリンダを取り巻く加
熱バンドにより加熱および溶融する。この溶融樹脂は加
圧し，回転スクリユーにより該シリンダー内の加熱帯域
中に搬送する。この加熱帯域はスクリユーヘッド上のチ
エック・リングの前方に位置し，プラスチック成形品に
応じて予め設定された一定の容積を有している。次い
で，シリンダ内のスクリユーおよびチエック・リングを
前方に運動させることにより該容積のプラスチックを金
型キヤビテイ中に射出する。この前進運動中，シリンダ
内の吐出端部の圧力は30,000 psiにも達する。
【０００３】シリンダはこの射出圧に耐えうるような強
度を必要とする以外に，加熱されたプラスチック樹脂に
よる摩耗と腐食に充分に耐えることが要求される。摩耗
もしくは腐食によりシリンダのボアが大きくなると，ス
クリユーとシリンダ・ボア表面の間隙からプラスチック
樹脂が逆流・漏洩する。その結果，適切な圧力および射
出操作の維持が困難になる。
【０００４】シリンダの一つの製法は，熱処理した高強
度鋼から作る方法である。内部ボア表面は窒化して耐摩
耗性を付与する。しかし，この窒化層は厚さが僅かに0.
005 乃至0.020 インチ（0.013 乃至0.051 cm）程度であ
り，かつ窒化物濃度は深さと共に急激に減少する。表面
の一番堅い層が剥離すると窒化物表面の耐摩耗性は時間
と共に急速に低下する。その上，かかるシリンダはフッ
素系ポリマーのような各種の腐食性ポリマーに対する耐
食性に劣り，数カ月の使用後には役立たなくなる。
【０００５】シリンダの他の製法は，遠心注型法により
中空鋼製シリンダ内部に堅い耐摩耗性合金を鋳造する方
法である。この鋳造用合金の融点は鋼の融点よりも数百
度（o Ｆ）低い。この方法では，合金を中空シリンダ内
に仕込み，シリンダの端部をシールする。次いで，合金
は充分に溶融するが鋼の融点よりは遥かに低い温度の炉
中に該シリンダを置く。次いで軸を中心として該鋼製シ
リンダを高速回転し，シリンダ内側に亙って合金の連続
層を分布させる。冷却すると，この溶融合金は固化し，
冶金学的に鋼ボアと結合して堅く耐摩耗性のライナーが
形成される。このライナーをホーニングして直径を決
め，さらに表面仕上げする。
【０００６】各種の腐食性プラスチックの処理におい
て，このライナーは優れた耐食性と耐摩耗性とを兼ね備
えたニッケルもしくはコバルト合金から製造している。
この鋳造ライナーの厚さは約0.060 乃至0.125 インチ
（0.153 乃至0.317 cm）で，窒化層の厚さよりも遥かに
厚い。化学的組成，耐食性，堅さ，耐摩耗性はライナー
全厚に亘り均一である。この種のライナーの有する優れ
た耐摩耗性および耐食性は窒化バレルに比較して該シリ
ンダを５乃至10倍も永持ちさせる。このバイメタル・シ
リンダは長年に亘りプラスチック工業に於いて人気を勝
ち取って今日に至っている。しかし，欠点もある。鋳造
時の過熱によりシリンダ鋼のミクロ構造中に著しい粒状
組織が成長する。さらに耐食性で耐摩耗性の全てのニッ
ケルもしくはコバルト系ライナー合金は，生来の脆さに
加えて熱衝撃に弱いことに起因するクラキング回避のた
めに，鋳造後には徐冷を必要とする。その結果，この鋼
は極めて粗骨なパーライト状構造をなし，強度に劣る。
【０００７】射出成形法において一層高い圧力が要求さ
れるようになるにつれて，従来のバイメタル・シリンダ
では所望の圧力に対応できなくなってきた。この問題の
解決には，吐出端部にスリーブ設計を採用することであ
る。バイメタル・シリンダを鋳造後，高度に熱処理した
鋼から作った外側シリンダすなわちスリーブをバイメタ
ル・シリンダの吐出端部上に配設し，この際に該スリー
ブの内径を例えば該バイメタル・シリンダの外径よりも
数千分の一インチ程度小さくすることにより収縮フイッ
トを設ける。このバイメタル・シリンダを室温に保ちな
がらスリーブを500 乃至700 0 Ｆ（260 乃至371 ℃）に
加熱して膨張させた後，スリーブをバイメタル・シリン
ダの高圧端部上に配設する。スリーブはバイメタル・シ
リンダ上に圧縮応力を発生させ，シリンダの環境収容力
を増加させる。
【０００８】この設計は，製品原価を高めるばかりでな
く，操作上の問題を引き起こすことがある。操作中に吐
出端部のプラスチックはスリーブと内側バイメタル・シ
リンダ間のクレビス中への圧入を余儀なくされ，その結
果シリンダ・ボアが損傷するに至る。内部スクリユーは
作動しなくなり操業停止に追込まれる。その上，このス
リーブはシリンダの吐出端部のみを強化する。圧力は吐
出端部から全く離れた場所に蓄積することもある。コー
ルド・スタート法で機械を操作する場合にはこの圧力は
重要な意味を持つ。スリーブで保護されていない領域は
過大圧力により破壊するに至る。
【０００９】バイメタル・シリンダの他の強化法は，バ
イメタル・シリンダを熱処理して鋼の強度を高める方法
である。しかし，優れた耐食性と耐摩耗性を有する公知
の全てのニッケルもしくはコバルト合金は，加熱処理法
の如何に係わらず破損するに至。
【００１０】
【課題を解決するための手段】優れた耐食性と耐摩耗性
とを有する強力なバイメタル・シリンダを製作するため
には，結論的に次の各項目を満足しなければならない。 １． 使用する鋼はライナーと熱的に相容性のものであ
ること。 ２． ライナーは優れた耐食性と耐摩耗性とを有するも
のであること。 ３． ライナーは強力で，かつ欠陥が無いものであるこ
と。 ４． 鋼は遠心鋳造後でも高い強度を有するものである
こと。
【００１１】使用する鋼が熱的にライナーと相容性しな
い場合には，冷却中に生じた過剰な熱応力がライナーを
破壊するに至る可能性がある。遠心鋳造で製作した該ラ
イナーは，本来の高硬度に起因して一般的に高い強度を
有している。しかし，これらは樹木状鋳造組織中に微小
のクラックを有しているのが普通である。このような微
小クラックがライナーの有効長に亙って数多く存在する
と，このバイメタル・シリンダは環境収容力に劣る結果
になる。
【００１２】シリンダの環境収容力は使用鋼の降伏強さ
により一元的に決まる。ライナー類は堅く弾力性が無い
ので，プラスチック性変形を行なわない。破断点におけ
るヒズミは約0.15乃至0.25％である。鋼が圧力により一
旦変形するとライナーは破壊するに至る。一般的にいえ
ば，もし鋼が一層高い降伏強さを有するならば，シリン
ダは一層大きな環境収容力を持つことになる。
【００１３】本発明の目的は，窒化層もしくはスリーブ
の必要性を排除しながら，優れた耐食性と耐摩耗性とを
有するシリンダであって，かつ公知のバイメタル・シリ
ンダよりも強力なバイメタル・シリンダの提供を目的と
する。
【００１４】本発明の該目的は，射出成形機用高温耐食
性バイメタル・シリンダにおいて，該シリンダがASTM 1
93B-16炭素鋼およびデユプレックス不錆鋼から成る群か
ら選択された鋼から作られ，かつ該シリンダが炭化物お
よび硼化物含有合金から成る耐食・耐摩性ニッケル系合
金ライナーを有することを特徴とし，該合金ライナーが
次の組成：成分 重量％ 炭素 １．５ 乃至 ４．５ 珪素 １．５ 乃至 ３．５ 硼素 １．０ 乃至 ３．０ コバルト １．０ 乃至 ６．０ タングステン ３０．０乃至 ６０．０ ニッケル 残余 を有して成る高温耐食性バイメタル・シリンダを提供す
ることにより達成できる。
【００１５】好ましくは，本発明の目的は該ニッケル系
合金ライナーが次の組成：成分 重量％ 炭素 ２．０ 乃至 ３．５ 珪素 １．５ 乃至 ３．０ 硼素 １．０ 乃至 ３．０ コバルト ３．０ 乃至 ６．０ タングステン ３５．０乃至 ５０．０ ニッケル 残余 を有して成る高温耐食性バイメタル・シリンダの提供に
より達成できる。
【００１６】このライナーは任意成分として7.0 重量％
以下のクロム，および15重量％以下の鉄を含有してもよ
い。該デイプレックス不錆鋼は”Ferralium 255"もしく
は”Carpenter 7-Mo" 鋼であることが好ましい。該合金
ライナーの組成は：炭素2.35％，珪素1.89％，硼素1.26
％，クロム3.07％，鉄9.79％，コバルト5.0 ％，タング
ステン39.24 ％，およびニッケル37.0％から成ることが
最も好ましい。
【００１６】本発明のライナーは各種の炭化物および硼
化物を含有するニッケル系合金であり，該合金は商品
名”X-800"として入手できる。このライナーはニッケル
およびクロム含有量が高いので耐食性に優れている。実
用試験によれば該合金は大抵の腐食性ポリマーの処理に
おいて優れた耐食性を発揮することが判明している。
【００１７】炭化物および硼化物を多く含有するので耐
摩耗性に優れている。最も重要な点は，該ライナーの微
細構造中に環境収容力の減少をもたらすようなマイクロ
クラックが存在しないことである。次の第１表にはこの
合金ライナーの化学的組成を重量％で示し，括弧内には
好ましい重量％を付記した。 第１表 Ｃ Ｓｉ Ｂ Ｃｒ Ｆｅ 1.5 乃至4.5 1.5 乃至3.5 1.0乃至3.0 7.0 以下 15.0以下 (2.0乃至3.5) (1.5 乃至3.0)(1.0乃至3.0) (7.0 以下） (15.0以下） Ｃｏ Ｗ Ｎｉ 1.0 乃至6.0 30乃至60 残余 (3.0乃至6.0 ） (35.0 乃至50.0)
【００１８】最も好ましい組成は次のようである：炭素
2.35％，珪素1.89％，硼素1.26％，クロム3.07％，鉄9.
79％，コバルト5.0 ％，タングステン39.24 ％，および
ニッケル37.4％。
【００１９】最も重要なことは，本発明のバイメタル・
シリンダは高強力スリーブおよび該高強力を得るための
熱処理を必要としないことである。このシリンダの強度
は，該シリンダ中にライナーを遠心注型により鋳造する
に際しての激しい加熱および徐冷の経験後でさえも高い
降伏強さを維持しうる特殊タイプ鋼と上記ライナーとの
組み合わせにより達成できる。本発明の特殊タイプ鋼類
はASTM 193B-16 炭素鋼およびデユプレックス不錆鋼，
好ましくはフエラリウム（Ferralium) 255もしくはカー
ペンター（Carpenter)７−Mo Plus 不錆鋼である。これ
らの鋼類は上記のライナーと相容し，鋳造後でも高い降
伏強さを発揮する。これらの鋼類の化学的組成を第２表
に示す。 第２表 193B-16 Ferralium 255 7-Mo Plus 不錆鋼 Ｃ 0.36-0.47 0.04 max 0.03 max Ｍｎ0.45-0.7 1.50 max 2.00 max Ｐ 0.035 0.04 max 0.035 max Ｓ 0.040 0.03 max 0.01 max Ｓｉ0.15-0.035 1.00 max 0.60 max Ｃｒ0.8-1.15 24-27 26-29 Ｎｉ 4.5-6.5 3.5-5.2 Ｍｏ0.5-0.65 2.9-3.9 1.0-2.5 Ｎ 0.1-0.25 0.15-0.35 Ｖ 0.25-0.35 Ｃｕ 1.5-0.25
【００２０】射出成形温度は398 乃至426 ℃である。こ
れらの鋼類の鋳造高温条件下での降伏強さ，および引っ
張り強さを第３表に示す。これら２種の鋼の降伏（Ｙ．
Ｓ．）および引っ張り強度（Ｔ．Ｓ．）は他の鋼，例え
ばAISI 4140 鋼よりも遥かに大きい。 第３表 4140 193B-16 Ferralium 255 Y.S.(psi) T.S. Y.S. T.S. T.S. T.S. 室温 54,000 108,100 97,600 138,900 123,000 149,000 315 ℃ 50,700 106,800 90,200 127,300 88,500 121,500 371 ℃ 82,200 117,000 82,100 116,000 398 ℃ 47,600 94,200 82,400 116,900 454 ℃ 45,200 82,700 79,500 108,700 79,800 108,100
【００２１】次の実施例は本発明のバイメタル・シリン
ダの優れた環境収容力を公知のバイメタル・シリンダ類
のそれと比較したものである。実施例１および３は本発
明のバイメタル・シリンダの実施例である。比較例２は
鉄系合金ライナーを有するASTM 193B-16鋼バイメタル・
シリンダのそれを示す。比較例４は第１表のライナーを
有するAISI4140鋼のバイメタル・シリンダのそれを示
す。
【００２２】
【実施例１】次の組成を有する合金をASTM 193B-16鋼シ
リンダ中に仕込んだ：炭素2.35％，珪素1.89％，珪素1.
89％，硼素1.26％，クロム3.07％，鉄9.79％，コバルト
5.0 ％，タングステン39.24 ％，およびニッケル37.4
％。このシリンダは最終仕上げ内径が1.650 インチ（4.
2 cm) に成るように0.124 インチ（0.31cm) だけ余分に
予備穿孔したものである。遠心注型は次のように行なっ
た。シリンダを1204℃に加熱し，ライナー合金をシリン
ダ内に鋳込んだ。室温で48時間冷却し，ホーニングおよ
び機械加工により内径 1.650，外径 5.078，長さ24,000
インチ（4.2 x12.8 x 60,960 cm) の寸法に仕上げた。
このライナーの堅さは RC 62, シリンダ鋼の堅さは RC
30であった。次いでこのシリンダを水圧試験にかけた。
60,000psi の内圧で試験を中止したが，この時点でライ
ナーは破壊し液が漏洩したが，クラックは鋼の内部には
進行しなかった。中止時点における円周応力は74,155ps
i であった。
【００２３】
【比較例１】ライナー合金が次の組成を有すること以外
は実施例１と同様にして193B-16 鋼シリンダを作った。
このライナーはバイメタル・シリンダ用に広く使用され
ているものである。Ｃ Ｍｎ Ｓｉ Ｎｉ Ｃｒ Ｂ Ｆｅ 3.0 1.2 0.7 3.5 1.0 0.8 残余 しかしながら，この耐圧試験は51,000 psiの円周応力に
おいて中止せざるをえなかった。このシリンダの環境収
容力が著しく小さいのは，ライナー中にマイクロクラッ
クが存在することに関係がある。
【００２４】
【実施例２】実施例１と同じライナーを有するフエラリ
ウム 255 デユプレックス不錆鋼のシリンダを実施例１
と同様な遠心注型により製作した。このライナーの堅さ
はRc 60-62 ，バッキング鋼の堅さは RC 30であった。
異なる温度における降伏強さおよび引っ張り強さを第３
表に示す。
【００２５】
【比較例２】通常使用されるAISI 4140 鋼を用いた公知
のバイメタル・シリンダを製作した。このライナー合金
は実施例１と同一の合金であった。ライナーの堅さはRc
60-62であった。しかし，シリンダ鋼の堅さは僅かに R
B 90, もしく約 RC 10に過ぎなかった。圧力試験は円周
応力が50,000 psiにおいて中止に至った。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 射出成形機用高温耐食性バイメタル・シ
    リンダにおいて，該シリンダがASTM 193B-16炭素鋼およ
    びデユプレックス不錆鋼から成る群から選択された鋼か
    ら作られ，かつ該シリンダが炭化物および硼化物含有合
    金から成る耐食・耐摩性ニッケル合金ライナーを有する
    ことを特徴とし，該合金ライナーが次の組成：成分 重量％ 炭素 １．５ 乃至 ４．５ 珪素 １．５ 乃至 ３．５ 硼素 １．０ 乃至 ３．０ コバルト １．０ 乃至 ６．０ タングステン ３０．０乃至 ６０．０ ニッケル 残余 を有して成る高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  2. 【請求項２】 該合金ライナーが次の組成：成分 重量％ 炭素 ２．０ 乃至 ３．５ 珪素 １．５ 乃至 ３．０ 硼素 １．０ 乃至 ３．０ コバルト ３．０ 乃至 ６．０ タングステン ３５．０乃至 ５０．０ ニッケル 残余 を有して成る請求項１の高温耐食性バイメタル・シリン
    ダ。
  3. 【請求項３】 該合金ライナー中に７．０重量％以下の
    クロムをさらに含有して成る請求項１の高温耐食性バイ
    メタル・シリンダ。
  4. 【請求項４】 該合金ライナー中に１５．０重量％以下
    の鉄をさらに含有して成る請求項３の高温耐食性バイメ
    タル・シリンダ。
  5. 【請求項５】 該合金ライナー中に１５．０重量％以下
    の鉄をさらに含有して成る請求項１の高温耐食性バイメ
    タル・シリンダ。
  6. 【請求項６】 該鋼がASTM 193B-16 炭素鋼から成る請
    求項１の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  7. 【請求項７】 該鋼がデユプレックス不錆鋼から成る請
    求項１の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  8. 【請求項８】 該デユプレックス不錆鋼が次の組成： （１）炭素０．０４重量％以下，マンガン１．５０重量
    ％以下，リン０．０４重量％以下，硫黄０．０３重量％
    以下，珪素１．００重量％以下，クロム２４乃至２７重
    量％，ニッケル４．５乃至６．５重量％，モリブデン
    ２．９乃至３．９重量％，窒素０．１乃至０．２５重量
    ％，および銅１．５乃至０．２５重量％および （２）炭素０．０３重量％以下，マンガン２．００重量
    ％以下，リン０．０３５重量％以下，硫黄０．０１重量
    ％以下，珪素０．６０重量％以下，クロム２６乃至２９
    重量％，ニッケル３．５乃至５．２重量％，モリブデン
    １．０乃至２．５重量％，および窒素０．１５乃至０．
    ３５重量％から成る群から選択された組成を有する鋼か
    ら成る請求項７の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  9. 【請求項９】 該デユプレックス不錆鋼が次の組成：炭
    素０．０４重量％以下，マンガン１．５重量％以下，リ
    ン０．０４重量％以下，硫黄０．０３重量％以下，珪素
    １．００重量％以下，クロム２４乃至２７重量％，ニッ
    ケル４．５乃至６．５重量％，モリブデン２．９乃至
    ３．９重量％，窒素０．１乃至０．２５重量％，および
    銅１．５乃至０．２５重量％から成る請求項８の高温耐
    食性バイメタル・シリンダ。
  10. 【請求項１０】 該デユプレックス不錆鋼が次の組成：
    炭素０．０３重量％以下，マンガン２．００重量％以
    下，リン０．０３５重量％以下，硫黄０．０１重量％以
    下，珪素０．６０重量％以下，クロム２６乃至２９重量
    ％，ニッケル３．５乃至５．２重量％，モリブデン１．
    ０乃至２．５重量％，および窒素０．１５乃至０．３５
    重量％から成る請求項８の高温耐食性バイメタル・シリ
    ンダ。
  11. 【請求項１１】 射出成形機用高温耐食性バイメタル・
    シリンダにおいて，該シリンダがASTM 193B-16炭素鋼お
    よびデユプレックス不錆鋼から成る群から選択された鋼
    から作られ，かつ該シリンダが炭化物および硼化物含有
    合金から成る耐食・耐摩性ライナーを有することを特徴
    とし，該合金ライナーが次の組成：成分 重量％ 炭素 ２．３５ 珪素 １．８９ 硼素 １．２６ クロム ３．０７ 鉄 ９．７９ コバルト ５．００ タングステン ３９．２４ ニッケル ３７．４０ を有して成る高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  12. 【請求項１２】 該鋼がASTM 193B-16炭素鋼である請求
    項１１の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  13. 【請求項１３】 該鋼がデユプレックス不錆鋼である請
    求項１１の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  14. 【請求項１４】 該デユプレックス不錆鋼が次の組成： （１）炭素０．０４重量％以下，マンガン１．５０重量
    ％以下，リン０．０４重量％以下，硫黄０．０３重量％
    以下，珪素１．００重量％以下，クロム２４乃至２７重
    量％，ニッケル４．５乃至６．５重量％，モリブデン
    ２．９乃至３．９重量％，窒素０．１乃至０．２５重量
    ％，および銅１．５乃至０．２５重量％，および （２）炭素０．０３重量％以下，マンガン２．００重量
    ％以下，リン０．０３５重量％以下，硫黄０．０１重量
    ％以下，珪素０．６０重量％以下，クロム２６乃至２９
    重量％，ニッケル３．５乃至５．２重量％，モリブデン
    １．０乃至２．５重量％，および窒素０．１５乃至０．
    ３５重量％から成る群から選択された組成を有する鋼か
    ら成る請求項１３の高温耐食性バイメタル・シリンダ。
  15. 【請求項１５】 該デユプレックス不錆鋼が次の組成：
    炭素０．０４重量％以下，マンガン１．５重量％以下，
    リン０．０４重量％以下，硫黄０．０３重量％以下，珪
    素１．００重量％以下，クロム２４乃至２７重量％，ニ
    ッケル４．５乃至６．５重量％，モリブデン２．９乃至
    ３．９重量％，窒素０．１乃至０．２５重量％，および
    銅１．５乃至０．２５重量％から成る請求項１４の高温
    耐食性バイメタル・シリンダ。
  16. 【請求項１６】該デユプレックス不錆鋼が次の組成：炭
    素０．０３重量％以下，マンガン２．００重量％以下，
    リン０．０３５重量％以下，硫黄０．０１重量％以下，
    珪素０．６０重量％以下，クロム２６乃至２９重量％，
    ニッケル３．５乃至５．２重量％，モリブデン１．０乃
    至２．５重量％，および窒素０．１５乃至０．３５重量
    ％から成る請求項１４の高温耐食性バイメタル・シリン
    ダ。
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