高強度耐食耐摩耗性部材及びその製造方法
【目的】複合材からなるライニング層６０を基材１０表面の所望箇所に部分的に被覆することにより基材選択の幅を広げ、また物性調整用金属粒子をライニング層６０に添加することによりライニング層６０の物性を自由に調整し、ライニング層６０と基材１０の組合せを多様化し、かつその組合せた部材の強度を向上させることができる高強度耐食耐摩耗部材及びその製法を提供する。
【構成】基材１０の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物から選択された硬質粒子と、物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層６０を形成する高強度耐食耐摩耗性部材及びその製法。
【構成】基材１０の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物から選択された硬質粒子と、物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層６０を形成する高強度耐食耐摩耗性部材及びその製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の技術分野】本発明は、機械部材等に耐食耐摩耗性材料を被覆する方法に係り、特に耐食材料からなる基材に耐摩耗性を与えた高強度耐食耐摩耗性部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】機械部材に耐食耐摩耗性材料を被覆する従来技術として、基材全面に有機バインダ等を用いて硬質粒子を固定し、固定された硬質粒子にマトリックス金属を接触するように配置し、ついで、加熱して硬質粒子にマトリックス金属を溶融浸透させることにより耐摩耗性複合材からなるライニング層を被覆形成する方法が知られている。
【０００３】例えば本出願人の出願に係る特開昭６３−５０４０２号は、炭化物または硼化物の粉末に有機バインダを混練して基材に被覆し、得られた被覆層を機械加工した後焼結炉内に入れ、ここで前記被覆層の有機バインダを加熱して除去すると共に、前記被覆層に溶融した金属バインダ（マトリックス金属）を浸透させかつ基材と接合せしめる耐摩耗性材料の被覆方法を開示している。また、本出願人の出願に係る特開昭６０−８９５０３号、特開昭６０−８９５０４号は、同様の方法を開示している。これらの方法では、溶融マトリックス金属は硬質粒子中に浸透して、複合材からなるライニング層を形成すると共に基材材料と拡散接合する。しかし、上述の従来の構造及びその方法は以下の問題点を有する。
【０００４】(1) 上記従来の構造を例えばプラスチック成形機用スクリューに適用した場合、基材が直接駆動軸からのトルクを受けることとなり、キー溝の角部から破壊しやすい問題がある。
【０００５】(2) 焼結にて基材全面に複合材からなるライニング層を被覆形成するため、基材と複合材からなるライニング層との線膨張率が離れているとクラックが生じるため、両者の線膨脹率が近似している必要がある。しかし、複合材からなるライニング層の線膨張率は７×１０-6〜８×１０-6程度と小さく、これに対応する線膨張率を有する基材を使用しなければならず、基材の材料が制限される。
【０００６】(3) 複合材からなるライニング層は、線膨脹率の違いから特定の組成に制限され、複合材からなるライニング層自体の機械的性質の向上が難しく、さらに基材の材質も制限されているので、基材に複合材からなるライニング層を被覆した部材の強度向上も困難になる。
【０００７】(4) 複合材からなるライニング層を基材全面に被覆するため、耐摩耗性が不必要な部分（例えばねじ谷）のライニング層が余分なコストとして製品に負荷される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来は基材が直接トルクを受ける構造なので、その箇所が破壊しやすい。
【０００９】また、従来方法は複合材からなるライニング層を全面に被覆するため接触面積が大きく、線膨脹率の違いから基材の材質が制限され、また複合材からなるライニング層の物性が硬質粒子とマトリックス金属の種類により決まるため、複合材からなるライニング層自体、更に複合材からなるライニング層と基材を組合せた強度に限界があった。本発明部材は、トルクを受ける箇所の破壊を防止することができる高強度耐食耐摩耗部材を提供することにある。
【００１０】また本発明方法は、複合材からなるライニング層を耐摩耗性を必要とする箇所に部分的に被覆することにより基材選択の幅を広げ、また複合材からなるライニング層に物性調整粒子を添加することにより複合材からなるライニング層の物性を自由に調整し、複合材からなるライニング層と基材の組合せを多様化し、かつその組合せた部材の強度を向上させることができる高強度耐食耐摩耗部材の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明部材は、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金からなる高強度耐食性基材と、この基材の内側に設けられた延性部材と、前記高強度耐食性基材の外側に部分的に設けられた耐摩耗性複合材からなるライニング層とを備えた高強度耐食耐摩耗性部材である。
【００１２】また、本発明方法は、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された硬質粒子と、必要に添加した物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法である。
【００１３】さらに本発明は、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、前記硬質粒子と、必要に添加した前記物性調整用金属粒子との混合物からなる層を設けた後、前記混合物の層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法である。
【００１４】
【作用】本発明部材は、ニーディングディスクやスクリューエレメントなど高強度耐食耐摩耗性を必要とする機械部材に適用される。例えばプラスチック成形機用スクリューエレメントに適用した場合、基材には、樹脂混練、移送により摩耗が起り、大きな曲げ応力がかかる。従って、この基材の好適な材質は、曲げ強度が１３０ kgf／mm2 、硬度ＨR Ｃが４０以上で耐食性のある合金である。この材質として、例えば、Ｃｒ２５．０〜３０．０重量％、Ｗ４．０〜１４．０重量％、Ｃ０．６〜２．８重量％、Ｆｅ３．０重量％以下、Ｎｉ：０．６〜２．０重量％、Ｓｉ：０．８〜１．５重量％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなるＣｏ基合金が挙げられる。このＣｏ基合金の各成分を限定したのは、この成分範囲のＣｏ基合金は、ライニング層を越える耐食性があり（ライニング層の約１．５倍の耐食性）、硬度ＨR Ｃ５０を保つため、優れた耐摩耗性、剛性を有し、この結果、ライニング層の変形を抑え、圧壊強度を上げ、耐欠け性を増すためである。
【００１５】延性部材は、この箇所で駆動軸からのトルクを受けるため、好適な延性部材は、１．０ kgf m／cm2 以上のシャルピー衝撃値を持つステンレス鋼又は構造用鋼等の鋼材である。これらの鋼の場合、キー溝加工が容易となる。
【００１６】ライニング層は、バレルとの金属接触及び樹脂との摩耗で激しく摩耗するので、高耐摩耗性、耐食性を必要とする。好適なライニング層の組成は、炭化タングステン粒子を２０〜７０重量％含有するＮｉ系サーメットである。Ｎｉ系サーメットとは、サーメットの金属成分が、ニッケル又はニッケル合金で、ニッケル合金として、ＢＮｉ−１、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３などが挙げられる。
【００１７】この組成で、炭化タングステン粒子の含有範囲を２０〜７０重量％とした理由は、７０％を越えると、ライニング層が脆くなり、また製造が困難であり、また２０％未満では耐摩耗性が低下するためである。この構造の高強度耐食耐摩耗性部材は、駆動軸からのトルクを受ける箇所に延性部材を設けてあるので、キー溝の角部からの破壊を防止することができる。
【００１８】本発明方法は、耐摩耗性を必要とする箇所にのみ複合材からなるライニング層を部分的に被覆することにより、ライニング層と基材との線膨脹率の違いをあまり考慮する必要がなくなり、基材選択の幅を広げる。またライニング層に物性調整粒子を添加することにより、ライニング層の物性を任意に調整し、複合材からなるライニング層と基材の組合せを多様化し、かつその組合せた部材の強度を向上させる。
【００１９】
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。これらの実施例で対象とする高強度耐食耐摩耗性部材は、図１に示すニーディングディスク１００および図２に示すスクリュ２００で、図１中耐摩耗性を必要とする箇所はライニング層３０が設けられてある。図１中、１０は基材、２０は延性部材である。図２中、１１は基材、２１は延性部材である。３１はライニング層である。
実施例１（スプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００２０】有機バインダとしてアクリル系樹脂を、有機溶剤としてメチルエチルケトン、硬質粒子としてＷＣ、マトリックス金属としてＮｉ基合金粒子、基材としてステライト＃１２（成分：Ｃ：１．５重量％、Ｓｉ：１．３重量％、Ｎｉ：０．８重量％、Ｃｒ：２８．３重量％、Ｗ：８．２重量％、Ｆｅ：０．４重量％、Ｃｏ：残部、曲げ強度：320 kgf/mm2 、硬度ＨR ５０）を使用した。平均粒径１０μm のＷＣを１００重量部とし、アクリル系樹脂を１重量部、メチルエチルケトンを１４重量部の混合比としてスラリを作った。
【００２１】ニーディングディスク基材１０は、その内面にステンレス鋼（シャルピー衝撃値：２０ kgf m／cm2 ）からなる延性部材２０が被覆形成され、基材１０の外面のうち、耐摩耗性を必要とする箇所、すなわちライニング層を形成する箇所１０ａを予じめ仕上り寸法よりもマイナス側の寸法に加工しておいた（図３のＡ参照）。次に、先に混練したスラリ３０ａを塗装用スプレー装置（図示せず）を用いてニーディングディスク基材１０の前記箇所１０ａに被覆した（図３のＢ参照）。この被覆されたＷＣ成形体３０をフライス盤により加工して、その厚さを所定の厚さ（例えば５mm以下）とした（図３のＣ参照）。基材１０の外面に部分的に存在するＷＣ成形体３０の近傍および表面にマトリックス金属となるＮｉ基合金粒子４０を粒子のまま、アクリル樹脂と混練した状態、若しくはシート状にして接触配置し、これを真空炉５０中に入れた（図３のＤ参照）。次いでこれを表１の焼結条件にて焼結し、仕上加工をおこなって、耐摩耗性複合材からなるライニング層６０（ＷＣ６０％＋Ｎｉ４０％）を形成した（図３のＥ参照）。
【００２２】ＷＣとＮｉ基合金の複合材からなるライニング層６０は、線膨張率が７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃、他方、基材１０のステライト＃１２は１４×１０-6／℃である。この線膨脹率の差は、従来法により全面に複合材からなるライニング層を付けることは困難であるが、上記実施例により部分的に付けることは可能である。さらに、硬度ＨR Ｃ５０のステライト＃１２でバックアップして、基材と組合せた複合材からなるライニング層の圧壊強度が一段と強化された。その結果を表２の試料Ｎｏ．４に示す。
【００２３】また、ＷＣの代りにＷＣ３９重量部と物性調整用金属粉末であるＳＵＳ４１０２１重量部との混合粉末をもちいた点を除き上記実施例１と同様にしてライニング層（ＷＣ３９％＋ＳＵＳ４１０２１％＋Ｎｉ４０％）を被覆形成して高強度耐食耐摩耗性のニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．５に示す。
実施例２（スプレー法によるスクリュエレメントの製造）
【００２４】有機バインダとしてアクリル系樹脂を、有機溶剤としてメチルエチルケトン、硬質粒子としてＷＣ、マトリックス金属としてＮｉ基合金粒子、基材として内側に延性部材を有するステライト＃１２を使用した。平均粒径１０μm のＷＣを１００重量部とし、アクリル系樹脂を１重量部、メチルエチルケトンを１４重量部の混合比としてスラリを作った。
【００２５】スクリュエレメント基材１１は、その内面にステンレス鋼（実施例１と同材質）からなる延性部材２１が被覆形成され、基材１１の外面のうち、ライニング層を形成した箇所１１ａを予じめ仕上り寸法よりもマイナス側の寸法に加工しておいた。次に、先に混練したスラリ３１ａを塗装用スプレー装置（図示せず）を用いてスクリュエレメント基材１１の所定の箇所１１ａに被覆した（図４のＡ参照）。この被覆されたＷＣ成形体３１をフライス盤により加工して、その厚さを所定の厚さ（例えば５mm以下）とした（図４のＢ参照）。この部分的に存在するＷＣ成形体３１の近傍および表面にマトリックス金属となるＮｉ基合金粒子４１を粒子のまま、アクリル樹脂と混練した状態、若しくはシート状にして接触配置し、真空炉５１中に入れる（図４のＣ参照）。これを表１の焼結条件にて焼結し、仕上加工をおこなって、耐摩耗性複合材からなるライニング層６１を形成した（図４のＤ参照）。
【００２６】ＷＣとＮｉ基合金の複合材（ＷＣ６０％＋Ｎｉ４０％）からなるライニング層は、線膨張率が７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃、ステライト＃１２は１４×１０-6／℃であり、従来法により全面に複合材からなるライニング層を付けることは困難であるが、この実施例で部分的に付けることは可能であり、硬度ＨR Ｃ５０のステラトでバックアップして、基材と組合せた複合材からなるライニング層６１の強度が一段と強化された。
実施例３（ＣＩＰ法によるニーディングディスクの製造）
【００２７】内面にステンレス鋼からなる延性部材２０を被覆形成した基材１０（実施例１と同材質）を用意した（図５のＡ参照）。複合材からなるライニング層の硬質粒子として平均粒径１０μm のＷＣ１００重量部、有機バインダとしてアクリル樹脂３重量部、有機溶剤としてメチルエチルケトン７重量部を用い混合、混練、乾燥をして３５〜１２０メッシュ（０．５〜０．１２５mm）に粉砕分級した。この造粒粉３０ｂを基材外表面に充填し、周面をゴム円筒７１で囲み、上下面を鉄製蓋７２で囲み、これを静水圧装置７０に入れ、ステライト＃１２の円筒状基材表面に１５００ kgf／cm2 で冷間等方静水圧プレス（ＣＩＰ）により層３０´を被覆成形した（図５R>５のＢ乃至Ｄ参照）。これを所定厚さ（５mm以下）に加工してライニング層３０を形成し（図５のＥ参照）、Ｎｉ基合金粒子４０を接触するように配置し、真空炉５０に挿入し（図５のＦ参照）、表１の条件で焼結した。これによりアクリル樹脂が４００℃で分解蒸発し空隔に１１００℃で溶融したＮｉ基合金が浸透し複合材からなるライニング層６０を形成しかつ基材１０に拡散接合させ、ニーディングディスク形状に加工仕上げした。このことにより高強度耐食耐摩耗用ニーディングディスクが低コストで製造可能となった。
【００２８】また、ＷＣの代わりにＷＣ３９重量部と物性調整用金属粉末であるＳＵＳ４１０、２１重量部との混合粉末をもちいた点を除き上記実施例３と同様にしてライニング層（ＷＣ３９％＋ＳＵＳ４１０２１％＋Ｎｉ４０％）を被覆形成して高強度耐食耐摩耗性のニーディングディスク製造した。
実施例４（ＣＩＰ法によるスクリュエレメントの製造）
【００２９】内面にステンレス鋼からなる延性部材２１を被覆形成した基材１１（実施例１と同材質）を用意した（図６のＡ参照）。複合材からなるライニング層の硬質粒子として平均粒径１０μm のＷＣ１００重量部、有機バインダとしてアクリル樹脂３重量部、有機溶剤としてメチルエチルケトン７重量部を用い混合、混練、乾燥をして３５〜１２０メッシュ（０．５〜０．１２５mm）に粉砕分級した。この造粒粉を静水圧装置７０を用いてステライト＃１２の円筒状基材表面に１５００kgf ／cm2 で冷間等方静水圧プレス（ＣＩＰ）により成形した（図６のＢ乃至Ｄ参照）。これを所定厚さ（５mm以下）に加工し（図６のＥ参照）、Ｎｉ基合金粒子を接触するように配置し、真空炉８０に挿入し（図６のＦ参照）、表１の条件で焼結した。これによりアクリル樹脂が４００℃で分解蒸発し空隔に１１００℃で溶融したＮｉ基合金が浸透し複合材からなるライニング層６１を形成しかつ基材１１に拡散接合させ、スクリュエレメント形状に加工仕上げすることにより高強度耐食耐摩耗用スクリュエレメントが低コストで製造可能となった。
比較例１（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３０】基材１０をＳＵＳ４２０Ｊ２とし、その外面全面にライニング層を形成した点を除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．１に示す。
比較例２（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３１】基材１０をＳＵＳ４２０Ｊ２とし、その外面全面にライニング層を形成した点、およびライニング層をＷＣ：３９％、ＳＵＳ４１０：２１％、Ｎｉ：４０％とした点をを除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．２に示す。
比較例３（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３２】基材１０を冷間工具鋼とし、その外面全面にライニング層を形成した点を除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その結果を表２のＮｏ．３に示す。
【００３３】以上の実施例および比較例から明らかなように、本発明によれば、高硬度耐食材によるスクリュエレメントの一部分に高強度耐食耐摩耗材を焼結により拡散接合し、三層構造の耐食耐摩耗部材を高強度にかつ低コストで製作することができることが確認された。また材料の組合せ幅が広がることも確認された。
【００３４】
【発明の効果】本発明の高強度耐食耐摩耗性部材によれば、駆動軸からのトルクを受ける箇所などに延性部材を設けているので、キー溝の角部からの破壊を防止することができる。
【００３５】また、本発明方法は、複合材からなるライニング層を部分的に接合することにより、線膨張率に関する基材の制約が除かれ、基材とライニング層との線膨脹率の違う材質のものを利用することができる。従って、高強度材およびそれらの複合材を使うことで複合材からなるライニング層をバックアップし、基材と複合材からなるライニング層を組合せたら強度、特に圧壊強度が向上し、しかもコスト低減される。
【００３６】さらに複合材からなるライニング層中に物性調整粒子を添加すれば線膨張率を調整して大きくすることができ、かつ硬質粒子を少なくすることができる結果、線膨張率の大きな基材も用いることができ複合材からなるライニング層の機械的性質を一層向上させることができる。
【００３７】また、高強度基材を使用する際、内径加工、キーミゾ加工を容易にするため、内径側に硬度の低い延性部材を組合せた複合材を用いることでコスト低減され、キーミゾからの破壊も防止できる。なお、本発明は、ニーディングディスクやスクリュエレメントに限らず、高強度耐食耐摩耗性を必要とする他の機械部材に適用することができる。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高強度耐食耐摩耗性部材を適用したニーディングディスクの説明図。
【図２】本発明に係る高強度耐食耐摩耗性部材を適用したスクリュエレメントの説明図。
【図３】本発明の実施例１の方法を説明する図。
【図４】本発明の実施例２の方法を説明する図。
【図５】本発明の実施例３の方法を説明する図。
【図６】本発明の実施例４の方法を説明する図。
【符号の説明】
１０，１１…基材、２０，２１…延性部材、３０，３１…ライニング層、４０，４１…Ｎｉ基合金粒子、５０…真空炉、６０，６１…ライニング層
【０００１】
【産業上の技術分野】本発明は、機械部材等に耐食耐摩耗性材料を被覆する方法に係り、特に耐食材料からなる基材に耐摩耗性を与えた高強度耐食耐摩耗性部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】機械部材に耐食耐摩耗性材料を被覆する従来技術として、基材全面に有機バインダ等を用いて硬質粒子を固定し、固定された硬質粒子にマトリックス金属を接触するように配置し、ついで、加熱して硬質粒子にマトリックス金属を溶融浸透させることにより耐摩耗性複合材からなるライニング層を被覆形成する方法が知られている。
【０００３】例えば本出願人の出願に係る特開昭６３−５０４０２号は、炭化物または硼化物の粉末に有機バインダを混練して基材に被覆し、得られた被覆層を機械加工した後焼結炉内に入れ、ここで前記被覆層の有機バインダを加熱して除去すると共に、前記被覆層に溶融した金属バインダ（マトリックス金属）を浸透させかつ基材と接合せしめる耐摩耗性材料の被覆方法を開示している。また、本出願人の出願に係る特開昭６０−８９５０３号、特開昭６０−８９５０４号は、同様の方法を開示している。これらの方法では、溶融マトリックス金属は硬質粒子中に浸透して、複合材からなるライニング層を形成すると共に基材材料と拡散接合する。しかし、上述の従来の構造及びその方法は以下の問題点を有する。
【０００４】(1) 上記従来の構造を例えばプラスチック成形機用スクリューに適用した場合、基材が直接駆動軸からのトルクを受けることとなり、キー溝の角部から破壊しやすい問題がある。
【０００５】(2) 焼結にて基材全面に複合材からなるライニング層を被覆形成するため、基材と複合材からなるライニング層との線膨張率が離れているとクラックが生じるため、両者の線膨脹率が近似している必要がある。しかし、複合材からなるライニング層の線膨張率は７×１０-6〜８×１０-6程度と小さく、これに対応する線膨張率を有する基材を使用しなければならず、基材の材料が制限される。
【０００６】(3) 複合材からなるライニング層は、線膨脹率の違いから特定の組成に制限され、複合材からなるライニング層自体の機械的性質の向上が難しく、さらに基材の材質も制限されているので、基材に複合材からなるライニング層を被覆した部材の強度向上も困難になる。
【０００７】(4) 複合材からなるライニング層を基材全面に被覆するため、耐摩耗性が不必要な部分（例えばねじ谷）のライニング層が余分なコストとして製品に負荷される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来は基材が直接トルクを受ける構造なので、その箇所が破壊しやすい。
【０００９】また、従来方法は複合材からなるライニング層を全面に被覆するため接触面積が大きく、線膨脹率の違いから基材の材質が制限され、また複合材からなるライニング層の物性が硬質粒子とマトリックス金属の種類により決まるため、複合材からなるライニング層自体、更に複合材からなるライニング層と基材を組合せた強度に限界があった。本発明部材は、トルクを受ける箇所の破壊を防止することができる高強度耐食耐摩耗部材を提供することにある。
【００１０】また本発明方法は、複合材からなるライニング層を耐摩耗性を必要とする箇所に部分的に被覆することにより基材選択の幅を広げ、また複合材からなるライニング層に物性調整粒子を添加することにより複合材からなるライニング層の物性を自由に調整し、複合材からなるライニング層と基材の組合せを多様化し、かつその組合せた部材の強度を向上させることができる高強度耐食耐摩耗部材の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明部材は、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金からなる高強度耐食性基材と、この基材の内側に設けられた延性部材と、前記高強度耐食性基材の外側に部分的に設けられた耐摩耗性複合材からなるライニング層とを備えた高強度耐食耐摩耗性部材である。
【００１２】また、本発明方法は、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された硬質粒子と、必要に添加した物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法である。
【００１３】さらに本発明は、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、前記硬質粒子と、必要に添加した前記物性調整用金属粒子との混合物からなる層を設けた後、前記混合物の層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法である。
【００１４】
【作用】本発明部材は、ニーディングディスクやスクリューエレメントなど高強度耐食耐摩耗性を必要とする機械部材に適用される。例えばプラスチック成形機用スクリューエレメントに適用した場合、基材には、樹脂混練、移送により摩耗が起り、大きな曲げ応力がかかる。従って、この基材の好適な材質は、曲げ強度が１３０ kgf／mm2 、硬度ＨR Ｃが４０以上で耐食性のある合金である。この材質として、例えば、Ｃｒ２５．０〜３０．０重量％、Ｗ４．０〜１４．０重量％、Ｃ０．６〜２．８重量％、Ｆｅ３．０重量％以下、Ｎｉ：０．６〜２．０重量％、Ｓｉ：０．８〜１．５重量％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなるＣｏ基合金が挙げられる。このＣｏ基合金の各成分を限定したのは、この成分範囲のＣｏ基合金は、ライニング層を越える耐食性があり（ライニング層の約１．５倍の耐食性）、硬度ＨR Ｃ５０を保つため、優れた耐摩耗性、剛性を有し、この結果、ライニング層の変形を抑え、圧壊強度を上げ、耐欠け性を増すためである。
【００１５】延性部材は、この箇所で駆動軸からのトルクを受けるため、好適な延性部材は、１．０ kgf m／cm2 以上のシャルピー衝撃値を持つステンレス鋼又は構造用鋼等の鋼材である。これらの鋼の場合、キー溝加工が容易となる。
【００１６】ライニング層は、バレルとの金属接触及び樹脂との摩耗で激しく摩耗するので、高耐摩耗性、耐食性を必要とする。好適なライニング層の組成は、炭化タングステン粒子を２０〜７０重量％含有するＮｉ系サーメットである。Ｎｉ系サーメットとは、サーメットの金属成分が、ニッケル又はニッケル合金で、ニッケル合金として、ＢＮｉ−１、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３などが挙げられる。
【００１７】この組成で、炭化タングステン粒子の含有範囲を２０〜７０重量％とした理由は、７０％を越えると、ライニング層が脆くなり、また製造が困難であり、また２０％未満では耐摩耗性が低下するためである。この構造の高強度耐食耐摩耗性部材は、駆動軸からのトルクを受ける箇所に延性部材を設けてあるので、キー溝の角部からの破壊を防止することができる。
【００１８】本発明方法は、耐摩耗性を必要とする箇所にのみ複合材からなるライニング層を部分的に被覆することにより、ライニング層と基材との線膨脹率の違いをあまり考慮する必要がなくなり、基材選択の幅を広げる。またライニング層に物性調整粒子を添加することにより、ライニング層の物性を任意に調整し、複合材からなるライニング層と基材の組合せを多様化し、かつその組合せた部材の強度を向上させる。
【００１９】
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。これらの実施例で対象とする高強度耐食耐摩耗性部材は、図１に示すニーディングディスク１００および図２に示すスクリュ２００で、図１中耐摩耗性を必要とする箇所はライニング層３０が設けられてある。図１中、１０は基材、２０は延性部材である。図２中、１１は基材、２１は延性部材である。３１はライニング層である。
実施例１（スプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００２０】有機バインダとしてアクリル系樹脂を、有機溶剤としてメチルエチルケトン、硬質粒子としてＷＣ、マトリックス金属としてＮｉ基合金粒子、基材としてステライト＃１２（成分：Ｃ：１．５重量％、Ｓｉ：１．３重量％、Ｎｉ：０．８重量％、Ｃｒ：２８．３重量％、Ｗ：８．２重量％、Ｆｅ：０．４重量％、Ｃｏ：残部、曲げ強度：320 kgf/mm2 、硬度ＨR ５０）を使用した。平均粒径１０μm のＷＣを１００重量部とし、アクリル系樹脂を１重量部、メチルエチルケトンを１４重量部の混合比としてスラリを作った。
【００２１】ニーディングディスク基材１０は、その内面にステンレス鋼（シャルピー衝撃値：２０ kgf m／cm2 ）からなる延性部材２０が被覆形成され、基材１０の外面のうち、耐摩耗性を必要とする箇所、すなわちライニング層を形成する箇所１０ａを予じめ仕上り寸法よりもマイナス側の寸法に加工しておいた（図３のＡ参照）。次に、先に混練したスラリ３０ａを塗装用スプレー装置（図示せず）を用いてニーディングディスク基材１０の前記箇所１０ａに被覆した（図３のＢ参照）。この被覆されたＷＣ成形体３０をフライス盤により加工して、その厚さを所定の厚さ（例えば５mm以下）とした（図３のＣ参照）。基材１０の外面に部分的に存在するＷＣ成形体３０の近傍および表面にマトリックス金属となるＮｉ基合金粒子４０を粒子のまま、アクリル樹脂と混練した状態、若しくはシート状にして接触配置し、これを真空炉５０中に入れた（図３のＤ参照）。次いでこれを表１の焼結条件にて焼結し、仕上加工をおこなって、耐摩耗性複合材からなるライニング層６０（ＷＣ６０％＋Ｎｉ４０％）を形成した（図３のＥ参照）。
【００２２】ＷＣとＮｉ基合金の複合材からなるライニング層６０は、線膨張率が７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃、他方、基材１０のステライト＃１２は１４×１０-6／℃である。この線膨脹率の差は、従来法により全面に複合材からなるライニング層を付けることは困難であるが、上記実施例により部分的に付けることは可能である。さらに、硬度ＨR Ｃ５０のステライト＃１２でバックアップして、基材と組合せた複合材からなるライニング層の圧壊強度が一段と強化された。その結果を表２の試料Ｎｏ．４に示す。
【００２３】また、ＷＣの代りにＷＣ３９重量部と物性調整用金属粉末であるＳＵＳ４１０２１重量部との混合粉末をもちいた点を除き上記実施例１と同様にしてライニング層（ＷＣ３９％＋ＳＵＳ４１０２１％＋Ｎｉ４０％）を被覆形成して高強度耐食耐摩耗性のニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．５に示す。
実施例２（スプレー法によるスクリュエレメントの製造）
【００２４】有機バインダとしてアクリル系樹脂を、有機溶剤としてメチルエチルケトン、硬質粒子としてＷＣ、マトリックス金属としてＮｉ基合金粒子、基材として内側に延性部材を有するステライト＃１２を使用した。平均粒径１０μm のＷＣを１００重量部とし、アクリル系樹脂を１重量部、メチルエチルケトンを１４重量部の混合比としてスラリを作った。
【００２５】スクリュエレメント基材１１は、その内面にステンレス鋼（実施例１と同材質）からなる延性部材２１が被覆形成され、基材１１の外面のうち、ライニング層を形成した箇所１１ａを予じめ仕上り寸法よりもマイナス側の寸法に加工しておいた。次に、先に混練したスラリ３１ａを塗装用スプレー装置（図示せず）を用いてスクリュエレメント基材１１の所定の箇所１１ａに被覆した（図４のＡ参照）。この被覆されたＷＣ成形体３１をフライス盤により加工して、その厚さを所定の厚さ（例えば５mm以下）とした（図４のＢ参照）。この部分的に存在するＷＣ成形体３１の近傍および表面にマトリックス金属となるＮｉ基合金粒子４１を粒子のまま、アクリル樹脂と混練した状態、若しくはシート状にして接触配置し、真空炉５１中に入れる（図４のＣ参照）。これを表１の焼結条件にて焼結し、仕上加工をおこなって、耐摩耗性複合材からなるライニング層６１を形成した（図４のＤ参照）。
【００２６】ＷＣとＮｉ基合金の複合材（ＷＣ６０％＋Ｎｉ４０％）からなるライニング層は、線膨張率が７×１０-6／℃〜８×１０-6／℃、ステライト＃１２は１４×１０-6／℃であり、従来法により全面に複合材からなるライニング層を付けることは困難であるが、この実施例で部分的に付けることは可能であり、硬度ＨR Ｃ５０のステラトでバックアップして、基材と組合せた複合材からなるライニング層６１の強度が一段と強化された。
実施例３（ＣＩＰ法によるニーディングディスクの製造）
【００２７】内面にステンレス鋼からなる延性部材２０を被覆形成した基材１０（実施例１と同材質）を用意した（図５のＡ参照）。複合材からなるライニング層の硬質粒子として平均粒径１０μm のＷＣ１００重量部、有機バインダとしてアクリル樹脂３重量部、有機溶剤としてメチルエチルケトン７重量部を用い混合、混練、乾燥をして３５〜１２０メッシュ（０．５〜０．１２５mm）に粉砕分級した。この造粒粉３０ｂを基材外表面に充填し、周面をゴム円筒７１で囲み、上下面を鉄製蓋７２で囲み、これを静水圧装置７０に入れ、ステライト＃１２の円筒状基材表面に１５００ kgf／cm2 で冷間等方静水圧プレス（ＣＩＰ）により層３０´を被覆成形した（図５R>５のＢ乃至Ｄ参照）。これを所定厚さ（５mm以下）に加工してライニング層３０を形成し（図５のＥ参照）、Ｎｉ基合金粒子４０を接触するように配置し、真空炉５０に挿入し（図５のＦ参照）、表１の条件で焼結した。これによりアクリル樹脂が４００℃で分解蒸発し空隔に１１００℃で溶融したＮｉ基合金が浸透し複合材からなるライニング層６０を形成しかつ基材１０に拡散接合させ、ニーディングディスク形状に加工仕上げした。このことにより高強度耐食耐摩耗用ニーディングディスクが低コストで製造可能となった。
【００２８】また、ＷＣの代わりにＷＣ３９重量部と物性調整用金属粉末であるＳＵＳ４１０、２１重量部との混合粉末をもちいた点を除き上記実施例３と同様にしてライニング層（ＷＣ３９％＋ＳＵＳ４１０２１％＋Ｎｉ４０％）を被覆形成して高強度耐食耐摩耗性のニーディングディスク製造した。
実施例４（ＣＩＰ法によるスクリュエレメントの製造）
【００２９】内面にステンレス鋼からなる延性部材２１を被覆形成した基材１１（実施例１と同材質）を用意した（図６のＡ参照）。複合材からなるライニング層の硬質粒子として平均粒径１０μm のＷＣ１００重量部、有機バインダとしてアクリル樹脂３重量部、有機溶剤としてメチルエチルケトン７重量部を用い混合、混練、乾燥をして３５〜１２０メッシュ（０．５〜０．１２５mm）に粉砕分級した。この造粒粉を静水圧装置７０を用いてステライト＃１２の円筒状基材表面に１５００kgf ／cm2 で冷間等方静水圧プレス（ＣＩＰ）により成形した（図６のＢ乃至Ｄ参照）。これを所定厚さ（５mm以下）に加工し（図６のＥ参照）、Ｎｉ基合金粒子を接触するように配置し、真空炉８０に挿入し（図６のＦ参照）、表１の条件で焼結した。これによりアクリル樹脂が４００℃で分解蒸発し空隔に１１００℃で溶融したＮｉ基合金が浸透し複合材からなるライニング層６１を形成しかつ基材１１に拡散接合させ、スクリュエレメント形状に加工仕上げすることにより高強度耐食耐摩耗用スクリュエレメントが低コストで製造可能となった。
比較例１（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３０】基材１０をＳＵＳ４２０Ｊ２とし、その外面全面にライニング層を形成した点を除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．１に示す。
比較例２（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３１】基材１０をＳＵＳ４２０Ｊ２とし、その外面全面にライニング層を形成した点、およびライニング層をＷＣ：３９％、ＳＵＳ４１０：２１％、Ｎｉ：４０％とした点をを除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その圧壊強度の実験結果を表２のＮｏ．２に示す。
比較例３（従来のスプレー法によるニーディングディスクの製造）
【００３２】基材１０を冷間工具鋼とし、その外面全面にライニング層を形成した点を除き、実施例１と同様にしてニーディングディスクを製造した。その結果を表２のＮｏ．３に示す。
【００３３】以上の実施例および比較例から明らかなように、本発明によれば、高硬度耐食材によるスクリュエレメントの一部分に高強度耐食耐摩耗材を焼結により拡散接合し、三層構造の耐食耐摩耗部材を高強度にかつ低コストで製作することができることが確認された。また材料の組合せ幅が広がることも確認された。
【００３４】
【発明の効果】本発明の高強度耐食耐摩耗性部材によれば、駆動軸からのトルクを受ける箇所などに延性部材を設けているので、キー溝の角部からの破壊を防止することができる。
【００３５】また、本発明方法は、複合材からなるライニング層を部分的に接合することにより、線膨張率に関する基材の制約が除かれ、基材とライニング層との線膨脹率の違う材質のものを利用することができる。従って、高強度材およびそれらの複合材を使うことで複合材からなるライニング層をバックアップし、基材と複合材からなるライニング層を組合せたら強度、特に圧壊強度が向上し、しかもコスト低減される。
【００３６】さらに複合材からなるライニング層中に物性調整粒子を添加すれば線膨張率を調整して大きくすることができ、かつ硬質粒子を少なくすることができる結果、線膨張率の大きな基材も用いることができ複合材からなるライニング層の機械的性質を一層向上させることができる。
【００３７】また、高強度基材を使用する際、内径加工、キーミゾ加工を容易にするため、内径側に硬度の低い延性部材を組合せた複合材を用いることでコスト低減され、キーミゾからの破壊も防止できる。なお、本発明は、ニーディングディスクやスクリュエレメントに限らず、高強度耐食耐摩耗性を必要とする他の機械部材に適用することができる。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高強度耐食耐摩耗性部材を適用したニーディングディスクの説明図。
【図２】本発明に係る高強度耐食耐摩耗性部材を適用したスクリュエレメントの説明図。
【図３】本発明の実施例１の方法を説明する図。
【図４】本発明の実施例２の方法を説明する図。
【図５】本発明の実施例３の方法を説明する図。
【図６】本発明の実施例４の方法を説明する図。
【符号の説明】
１０，１１…基材、２０，２１…延性部材、３０，３１…ライニング層、４０，４１…Ｎｉ基合金粒子、５０…真空炉、６０，６１…ライニング層
【特許請求の範囲】
【請求項１】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金からなる高強度耐食性基材と、この基材の内側に設けられた延性部材と、前記高強度耐食性基材の外側に部分的に設けられた耐摩耗性複合材からなるライニング層とを備えた高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項２】 高強度耐食性基材は、その組成が、Ｃｒ：２５．０〜３０．０重量％、Ｗ：４．０〜１４．０重量％、Ｃ：０．６〜２．８重量％、Ｆｅ：３．０重量％以下、Ｎｉ：０．６〜２．０重量％、Ｓｉ：０．８〜１．５重量％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなる請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項３】 延性部材は、１．０ kgf m／cm2 以上の衝撃値を持つ鋼材である請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項４】 ライニング層は、炭化タングステン粒子を２０〜７０重量％含有するＮｉ系サーメットである請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項５】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に、部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された硬質粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項６】 基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、前記硬質粒子からなる層を設けた後、この層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する請求項５の高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項７】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に、部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された１種以上の硬質粒子と、物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項８】 基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、前記硬質粒子と、前記物性調整用金属粒子との混合物からなる層を設けた後、前記混合物の層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する請求項７の高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項１】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金からなる高強度耐食性基材と、この基材の内側に設けられた延性部材と、前記高強度耐食性基材の外側に部分的に設けられた耐摩耗性複合材からなるライニング層とを備えた高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項２】 高強度耐食性基材は、その組成が、Ｃｒ：２５．０〜３０．０重量％、Ｗ：４．０〜１４．０重量％、Ｃ：０．６〜２．８重量％、Ｆｅ：３．０重量％以下、Ｎｉ：０．６〜２．０重量％、Ｓｉ：０．８〜１．５重量％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物からなる請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項３】 延性部材は、１．０ kgf m／cm2 以上の衝撃値を持つ鋼材である請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項４】 ライニング層は、炭化タングステン粒子を２０〜７０重量％含有するＮｉ系サーメットである請求項１に記載の高強度耐食耐摩耗性部材。
【請求項５】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に、部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を要する部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された硬質粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項６】 基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、前記硬質粒子からなる層を設けた後、この層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する請求項５の高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項７】 Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、及びＦｅ基合金の群から選択された少なくとも１種類の合金の内側に延性部材を有する高強度耐食性基材の外側に、部分的に耐摩耗性複合材からなるライニング層を設けた高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法において、基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、炭化物、硼化物、窒化物及びそれらの混合物の群から選択された１種以上の硬質粒子と、物性調整用金属粒子と、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金及びこれらの混合物の群から選択されたマトリックス金属とを含有する耐摩耗性複合材からなるライニング層を形成する高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項８】 基材の耐摩耗性を必要とする部分にのみ、前記硬質粒子と、前記物性調整用金属粒子との混合物からなる層を設けた後、前記混合物の層に前記マトリックス金属を加熱浸透せしめてライニング層を形成する請求項７の高強度耐食耐摩耗性部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開平５−２０２４０２
【公開日】平成５年（１９９３）８月１０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−２９５８３３
【出願日】平成４年（１９９２）１１月５日
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【公開日】平成５年（１９９３）８月１０日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）１１月５日
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
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