JP2000326077A

JP2000326077A - 耐食耐摩耗部品の製造方法

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Publication number: JP2000326077A
Application number: JP11141403A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fukase; 瀬泰志深
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-11-28
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: JP3620995B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐食耐摩耗性の向上、強度の向上および生産
性の向上を実現することができる、耐食耐摩耗部品の製
造方法の提供。【解決手段】１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量
％のＳｉ、１０〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３
５．０重量％のＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可
避的不純物からなるＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金１
１と、鋼材１０とを、接合面圧力２．５〜２２．５ｋＰ
ａ、および接合温度１０６０〜１１１０℃の条件下にお
いて、拡散によって接合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐食耐摩耗性が要
求される部品の製造方法に関するものであり、特に、耐
食耐摩耗性の向上、強度の向上および生産性の向上を図
ることができる、耐食耐摩耗部品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、プラスチック射出成形機におけ
る逆流防止弁やスクリュヘッド等の構成部品は高温、高
圧で圧送される樹脂に常に接触しているため、腐食や摩
耗が発生しやすい。特に近年、エンジニアリングプラス
チック等の使用拡大に伴い、エンジニアリングプラスチ
ックの性能向上を目的として樹脂に添加される難燃材や
無機フィラーに起因する、上記部品の腐食と摩耗が大き
な問題となっている。また、上記エンジニアリングプラ
スチック製品の軽量化をねらいとした薄肉化のため、成
形圧力は高圧となり構成部品の強度もより一層要求され
ている。

【０００３】すなわち、図５は射出成形機のスクリュの
先端部の構成を示す図であって、ケーシング１内には、
外周に螺旋状に連なる突条２ａが形成されたスクリュ２
が回転可能かつ軸線方向移動可能に配設されている。上
記スクリュ２の先端部には、スクリュヘッド３がねじに
よって固着されており、そのスクリュ２とスクリュヘッ
ド３との間にスペーサ４が介装固設されている。

【０００４】上記スクリュヘッド３の中間部には先端部
より小径の小径軸部３ａが形成されており、この小径軸
部３ａにリング状の逆流防止弁５が嵌合されている。こ
の逆流防止弁５の内面と小径軸部３ａとの間には半径方
向の隙間が形成されており、スクリュヘッド３の大径部
とスペーサ４との間で上記小径軸部３ａに沿って移動可
能としてある。そして、上記スクリュヘッド３の大径部
には軸方向の溝３ｂが形成されている。

【０００５】このように、スクリュ２が矢印Ａ方向に回
転しながら矢印Ｂ方向に後退運動を行うと、スクリュ２
とシリンダ１との隙間にある樹脂が前方に移動され、ス
クリュヘッド３の小径軸部３ａと逆流防止弁５の内面と
の隙間およびスクリュヘッド３の軸方向の溝３ｂを通っ
て、スクリュヘッド先端とシリンダ先端部との隙間に充
満される。このようにして、シリンダ先端部に射出成形
品の体積に見合った所要量の樹脂が充満されると、スク
リュ２の回転と後退の両運動が停止される。

【０００６】そこで、次にスクリュ２を前進させると、
上記シリンダ先端部に充満されていた樹脂がノズル１ａ
から押し出される。一方、このとき、逆流防止弁５がス
ペーサ４の端面に当接し、その逆流防止弁５によって、
樹脂がスクリュ２の外周面側にリークすることが防止さ
れる。

【０００７】このように、スクリュや逆流防止弁のよう
なスクリュ部品は高温、高圧の樹脂と常に接触している
ため、その接触面には耐摩耗性と耐食性が要求される。
また、樹脂の計量蓄積時には、スクリュが回転しつつ後
退するが、この間逆流防止弁はスクリュヘッドの大径部
後端面に押圧されているため、逆流防止弁とスクリュヘ
ッドの間に摩擦が生じ、両者に摩耗が発生する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような観点から、
特開昭６４−２４７１８号公報には、スクリュヘッドや
逆流防止弁、あるいはスペーサを耐食、耐摩耗性に優れ
たセラミックス製とした射出成形機用高性能スクリュー
部品が開示されている。また、同様の観点から、特開昭
６２−１３０８１８号公報には、耐摩耗性の必要な部分
にセラミックスを使用することによって、耐摩耗性およ
び強度を向上させた射出成形機が開示されている。しか
しながら、これらの技術は、耐摩耗性が必要な部分にセ
ラミックスを使用しているため、耐摩耗性には優れてい
るものの、セラミックス本来の特性から靭性に劣るもの
であり、高圧下での使用にはあまり適するものではな
い。

【０００９】このような問題に対し、特開平９−１５５
９３８号公報には、基材に高強度ステンレス鋼を使用し
て部品の強度を高めた射出成形機用逆流防止装置が開示
されている。しかしながら、耐摩耗性が必要とされる部
分のみならず、基材についても、原料粉末の調整から成
形・焼結工程までを行う必要があるため、生産性が低下
し、コストが高くなるという問題がある。

【００１０】そこで、市販されている鋼材を基材とし
て、耐摩耗性が必要とされる部分のみに、耐摩耗材料と
して市販されている高強度材料を接合させて使用するこ
とも考えられる。しかしながら、一般的な耐摩耗材料は
粉末冶金法により製造され、部材の焼結温度は１２００
℃以上と高い。このため、鋼材を耐摩耗材料の焼結と同
時に接合する焼結接合は、鋼材の劣化を招くおそれがあ
るため難しい。

【００１１】また、耐摩耗材料と鋼材の熱膨張係数の差
が大きいため、接合界面に割れが生じることがあるとい
う問題もある。これに対しては、ろう材やその他のイン
サート材料を用いて、耐摩耗材料と鋼材を接合させるこ
とにより、鋼材の劣化や割れを防止して、耐摩耗部品と
して使用することも考えられる。ここで、高強度の接合
を目的とする場合には、入手しやすく、かつ、接合強度
も１．３ＧＰａ程度と比較的高いことから、インサート
材料としてＮｉろう材を用いることが一般的に知られて
いる。しかしながら、インサート材料費および加工費が
かかる点で製造コストが高くなってしまう。また、近年
のプラスチック成形機用部品としては、強度の点で充分
に満足するものとはいえない。

【００１２】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、耐食耐摩耗性の向上、強度の向上および生産性
の向上を実現することができる、耐食耐摩耗部品の製造
方法を提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量％のＳｉ、１０
〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３５．０重量％の
ＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可避的不純物から
なるＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金（以下Ｍ２０３合
金という）と、鋼材とを、接合面圧力２．５〜２２．５
ｋＰａ、および接合温度１０６０〜１１１０℃の条件下
において、拡散によって接合させる、耐食耐摩耗部品の
製造方法を提供するものである。

【００１４】ここで、前記Ｍ２０３合金と前記鋼材の接
合が、平面部同士を接合するものであるのが好ましい。
また、前記鋼材がＳＫＤ６１であり、前記接合と同時に
焼き入れ処理を行うのが好ましい。さらに、前記接合後
に窒化処理を施すのが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る耐食耐摩耗部
品の製造方法を具体的に説明する。

【００１６】本発明の製造方法は、耐食耐摩耗性が必要
とされる部分に主として使用される耐食耐摩耗材料と、
その他の基材部分に使用される鋼材を、所定条件下で拡
散により接合させることにより、プラスチック成形機用
部品等の耐食耐摩耗部品を製造するというものである。

【００１７】本発明に係る耐食耐摩耗材料としては、Ｍ
２０３合金を使用するが、この合金は１．０〜３．０重
量％のＢ、２〜５重量％のＳｉ、１０〜２０重量％のＭ
ｏおよび２５．０〜３５．０重量％のＷＣを含有し、残
部がＮｉならびに不可避的不純物からなっていることが
必要とされる。

【００１８】このような耐食耐摩耗材料において、Ｎｉ
をベースとするのは、硬質粒子の結合相とするためであ
る。また、ＢはＭｏ、Ｎｉと硼化物を形成し、強度と耐
摩耗性を高めるために添加されるが、１．０重量％未満
であると硼化物の形成量が少なくなるので、また３．０
重量％を超えると硼化物の形成量が増加し、強度が低下
する傾向があるので、好ましくない。Ｓｉは、結合相Ｎ
ｉに固溶して合金を強化するために添加されるが、２重
量％未満であると結合相中への固溶量が少なく、強度が
低いので、また５重量％を超えると粗大なＮｉ−Ｓｉ化
合物を形成し、強度を低下させる傾向にあるので、好ま
しくない。Ｍｏは、耐食性を高め、さらにＮｉ、Ｂと硼
化物を形成し、強度と耐摩耗性を高めるために添加され
るが、１０重量％未満であると耐食性の効果がなく、硼
化物の形成量が少なくなるので、また２０重量％を超え
ると強度を低下させ、焼結温度を高めるので、好ましく
ない。ＷＣは、合金の耐摩耗性と強度を高めるために添
加されるが、２５．０重量％未満であると耐摩耗性と強
度の効果が少ないので、また３５．０重量％を超えると
結合相量が少なくなり、強度が低下する傾向にあるの
で、好ましくない。

【００１９】この合金は、上記範囲の組成とすること
で、合金の強度と硬さを高める複硼化物が形成されると
ともに、Ｎｉ結合相中にＳｉが固溶強化されるものと考
えられ、これにより、耐食性、耐摩耗性および強度の点
で優れている。しかも、本発明の所定条件下において
は、インサート材料を必要とすることなく、鋼材と高強
度に接合させることができる。なお、この耐食耐摩耗材
料の詳細については、特開平８−６７９３７号公報を参
照することができる。

【００２０】本発明に係る鋼材としては、本発明の効果
を損なわない限りにおいて、各種の鋼材が使用可能であ
るが、熱膨張係数がＭ２０３合金に近い９〜１３×１０
^-6の鋼材を使用するのが好ましい。中でもＳＫＤ６１
（ＪＩＳＧ４４０４を参照）を使用するのが特に好
ましい。これは、市販されている鋼材の中でも、i）焼
入れ性が優れ、高い靭性値を有すること、ii）耐食耐摩
耗材料との接合温度で焼入れが可能であるので、接合時
に耐食耐摩耗材料が劣化するのを防止できること、およ
びiii）耐食耐摩耗材料との熱膨張係数が近いので、接
合界面の割れを防止できること、等の理由によるもので
ある。

【００２１】ここで、本発明の方法においては、このよ
うな耐食耐摩耗材料と鋼材を拡散により接合させるため
に、両材料の接合面に面圧を与えて、両者の密着性を高
くする。この時の接合面圧力は、２．５ｋＰａ〜２２．
５ｋＰａであることを要し、好ましくは１０ｋＰａ〜２
０ｋＰａである。接合面圧が高すぎると、接合面の密着
性は良くなるが、熱処理時に耐食耐摩耗材料の変形が生
じるので好ましくない。一方、接合面圧が低すぎると、
接合界面に空孔が残留してしまい、密着性が低下するの
で好ましくない。

【００２２】また、予め、接合しようとする両材料の各
々に平面部を形成させておき、この平面部同士を接合さ
せる構成とするのが、接合部位をムラの無い均一の圧力
で接合させることができ、より高い密着性を確保できる
ので好ましい。なお、充分な密着性を確保しつつ接合で
きる限り、接合部位の形状は曲面であってもよい。

【００２３】また、この時の接合温度は、１０６０℃〜
１１１０℃であることを要し、好ましくは、１０７０℃
〜１１００℃である。接合温度が高すぎると、母材とな
る鋼材の劣化が生じ、また、Ｍ２０３合金の強度も低下
するため、Ｍ２０３合金より破断してしまうので好まし
くない。一方、接合温度が低すぎると、抗折強度が不充
分になるので好ましくない。

【００２４】さらに、本発明の製造方法においては、両
材料の接合後に窒化処理を施すことが好ましい。このよ
うな窒化処理としては、特に限定されず、公知の方法に
従って行なうことができる。これにより、基材の表面硬
度をより高めることができるとともに、耐食耐摩耗材料
表面における化合物の生成を防止することができる。ま
た、基材（鋼材）および耐食耐摩耗材料の変形量を極め
て少なくすることができる。

【００２５】以下、このような本発明の適用される一例
である、プラスチック射出成形機用の逆流防止弁に基づ
いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに
限定されるものではなく、プラスチック射出成形機用の
スクリュヘッド、スペーサを始めとする、耐食耐摩耗性
が要求される各種の部品に適用可能である。

【００２６】図１に本発明に基づいて製造された、プラ
スチック射出成形機用の逆流防止弁５の一例を示す。同
図（ａ）は逆流防止弁５の縦断側面図、（ｂ)は（ａ）
のｂ−ｂ線断面における矢視図である。

【００２７】逆流防止弁５は、プラスチック射出成形機
内において樹脂の逆流を防止するためのものであり、円
筒状の鋼材からなる基材１０と、この鋼材の一端から同
一軸心を有する円筒状に延在してなる耐食耐摩耗材料１
１とを有する。この逆流防止弁５は、既に図５に基づい
て詳述したように、スクリュ２の先端に位置するスクリ
ュヘッド３とスクリュ２との間に位置し、スクリュ軸方
向へ移動可能に配置されるが、樹脂の計量時に前方へ押
され、回転するスクリュヘッド３と接触するため、スク
リュヘッド３と逆流防止弁５の接触する面には耐摩耗性
が要求される。また、逆流防止弁５は射出時には高い樹
脂圧力を受けるため、高強度かつ高靭性を有することが
要求される。このような観点から、図１に示されるよう
に、逆流防止弁５の耐摩耗性が必要とされる部分には、
前述したＭ２０３合金を耐食耐摩耗材料１１として用い
る。

【００２８】このような逆流防止弁５の製造方法の一例
を以下に説明する。ここで、耐摩耗性の必要とされる部
分に使用する耐食耐摩耗材料として、Ｍ２０３合金、す
なわちＮｉ−（１．０〜３．０）％Ｂ−（２〜５）％Ｓ
ｉ−（１０〜２０）％Ｍｏ−（２５．０〜３５．０）％
ＷＣ合金を使用した。なお、この耐食耐摩耗材料の特性
を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】まず、上記組成となるように原料粉（具体
的には、Ｎｉ−２．２％Ｂ−３．２％Ｓｉ−３０％ＷＣ
−１５％Ｍｏ）を配合し、回転ボールミルにより混合粉
砕した。その後、乾燥させて合金粉末を作製した。

【００３１】次いで、金型を用いて一軸加圧成形法（プ
レス成形法）により、上記合金粉末に対して、成形を行
った。なお、金型寸法は、成形体の焼結時に生じる収縮
および仕上げ加工時の研削代を考慮して決定した。

【００３２】まず、図２に示されるように、金型１２内
に上記耐食耐摩耗材料粉末１１ａを充填し、金型上部に
加圧用パンチ１３を挿入し、上下のパンチ１３，１３よ
り約２３ＭＰａで加圧を行った後、金型１２から成形体
１１ａを取り出した。この成形体１１ａを真空炉内へセ
ットし、焼結温度１０７０℃、圧力４〜７Ｐａで焼結し
て、耐食耐摩耗材料１１を得た。焼結後、接合面とする
部分を平面研削処理した。一方、基材１０としては、Ｓ
ＫＤ６１を使用し、円筒状の逆流防止弁形状に加工し
た。

【００３３】接合および焼入れ処理は真空炉内にて行っ
た。図３に示されるように、耐食耐摩耗材料１１と基材
１０を重ね、２．２ｋｇの重り１５を載せ、接合面に面
圧（１７．４ｋＰａ）を与え、炉内にセットした。この
とき、重り１５と耐食耐摩耗材料１１が接触する面には
離型を目的としてＢＮ（ボロンナイトライド）を塗布し
た。１０９０℃で３０分間保持させた後、室温まで急冷
し、基材（ＳＫＤ６１）の靭性を高めるため、６００℃
で１８０分間保持させる焼戻し処理を２回行った。処理
終了後の各部の硬度は硬質層でＨＲＡ８５、基材でＨＲ
Ｃ４８であった。図１に示されるように、外径、内径お
よび両端面を所定の寸法（外径６０ｍｍ、長さ４０ｍ
ｍ）に研削加工して、イオン窒化することにより窒化処
理を施し、逆流防止弁を作製した。窒化処理後の基材の
表面硬度はＨＶ１０５０であった。

【００３４】このようにして作製した逆流防止弁をプラ
スチック射出成形機に組み込み運転を行ったところ、従
来の逆流防止弁の材料であるＳＫＤ６１製（焼入れ処理
のみ）のものに比べ、約５倍の寿命となった。バレルと
接する外周面の摩耗量も減少した。また、接合部から割
れ等の破損も生じなかった。

【００３５】

【実施例】（実施例１〜５）様々な接合温度において接
合させて得た各試験片について、抗折強度を測定した。
図４に、試験片１６の形状を示す。３５×２０×８ｍｍ
のＭ２０３合金（Ｎｉ−（１．０〜３．０）％Ｂ−（２
〜５）％Ｓｉ−（１０〜２０）％Ｍｏ−（２５．０〜３
５．０）％ＷＣ合金）の焼結体と、これと同形状のＳＫ
Ｄ６１を、表２に示される条件（接合面圧力１２ｋＰ
ａ）のもと、３５×８ｍｍの面で接合し、８×４×２６
ｍｍの抗折試験片を作製した。得られた試験片につい
て、ＪＩＳＢ４０５３に準拠して、抗折強度を３点曲げ
抗折試験により測定した。各接合条件において得られた
抗折強度を、表２に示す。

【００３６】（比較例１〜５）表２に示されるインサー
ト材料を用いて接合させた以外は、実施例と同様にして
抗折試験片を作製し、抗折強度を測定した。各接合温度
において接合させて得た各試験片についての抗折強度
を、表２に示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】この結果から、以下のことが分かる。ｉ）
接合温度が高すぎると母材となる鋼材の劣化が生じる。
ii）インサート材料ＢＡｇ−８Ａを使用すると、低温で
の接合が可能であるが、抗折温度は０．７ＧＰａと低
い。iii）インサート材料ＢＮｉ−２を使用すると、接
合温度１０７０〜１０９０℃で、抗折強度１．７ＧＰａ
が得られる。iv）インサート材料を使用しない場合、接
合温度１０５０℃以下（表に示していない）では、抗折
強度が０．５ＧＰａ以下となった。５）インサート材料
を使用しない場合、接合温度１０６０〜１１１０℃で、
インサート材料ＢＮｉ−２を使用したものより高い抗折
強度が得られた。６）インサート材料を使用しないで、
Ｍ２０３合金と鋼材の接合を行ったが、熱膨張係数の差
による割れ等の欠陥は生じなかった。したがって、本発
明の効果は明らかである。なお、インサート材料を使用
しない場合、接合温度１１２０℃以上では、抗折強度が
１．６ＧＰａとなった。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る耐食
耐摩耗部品の製造方法によれば、インサート材料を必要
とせずに接合できるので、低コストかつ高い生産性で、
耐食耐摩耗部品を製造することができる。しかも、欠陥
が無く、耐食耐摩耗性および強度に非常に優れた耐食耐
摩耗部品を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明により製造された逆流防止弁の
縦断側面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面にお
ける矢視図である。

【図２】本発明における、耐食耐摩耗材料の金型成形を
表す図である。

【図３】本発明における、耐食耐摩耗材料と基材を接合
させる際の状態を示す図である。

【図４】（ａ）は抗折試験片の側面図であり、（ｂ）は
（ａ）の断面図である。

【図５】一般的なプラスチック射出成形機のスクリュヘ
ッド部を示す断面図である。

【符号の説明】

２スクリュ３スクリュヘッド３ａ小径軸部５逆流防止弁１０基体１１耐食耐摩耗材料１１ａ耐食耐摩耗材料粉末１２金型（ダイス）１３パンチ１４コアロッド１５重り１６試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１．０〜３．０重量％のＢ、２〜５重量％
のＳｉ、１０〜２０重量％のＭｏおよび２５．０〜３
５．０重量％のＷＣを含有し、残部がＮｉならびに不可
避的不純物からなるＮｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金
と、鋼材とを、接合面圧力２．５〜２２．５ｋＰａ、お
よび接合温度１０６０〜１１１０℃の条件下において、
拡散によって接合させることを特徴とする、耐食耐摩耗
部品の製造方法。
【請求項２】前記Ｎｉ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｏ−ＷＣ合金と前
記鋼材の接合が、平面部同士を接合させるものである、
請求項１に記載の耐食耐摩耗部品の製造方法。
【請求項３】前記鋼材がＳＫＤ６１であり、前記接合と
同時に焼き入れ処理を行う、請求項１または２に記載の
耐食耐摩耗部品の製造方法。
【請求項４】前記接合後に窒化処理を施す、請求項１〜
３のいずれか一項に記載の耐食耐摩耗部品の製造方法。