JPH0860278A

JPH0860278A - 耐キャビテーションエロージョン性に優れた耐食耐摩耗性材料

Info

Publication number: JPH0860278A
Application number: JP20939294A
Authority: JP
Inventors: Hideo Oyabu; 英雄大藪; Satoshi Shimada; 聡嶋田; Kenjirou Chikara; 健二郎力; Toshio Matsuo; 敏夫松尾
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1994-08-11
Publication date: 1996-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】耐食性、耐摩耗性に加え、耐キャビテーシ
ョンエロージョン性に優れた特性を有し、樹脂加工機械
用のダイス、シリンダ、スクリュなどに好適な複合材料
を提供する。【構成】微細炭化物を主体とする硬質相間に粒状の
Ｎｉ基合金が分散した複合材料であって、成分組成が、
総量で、Ｂ：０．４〜１重量％、Ｃ：１．５〜７重量
％、Ｓｉ：３〜７重量％、Ｔｉ：３〜２１重量％、Ｃ
ｒ：８〜１６重量％、Ｆｅ：２〜５重量％、Ｓｎ：０．
３〜０．７重量％、Ｗ：５〜２５重量％、Ｃｕ：０〜３
重量％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物から
なる耐食耐摩耗性材料。【効果】耐食性、耐摩耗性、耐キャビテーションエ
ロージョン性の全てで優れた特性が得られ、過酷な環境
下で使用される樹脂加工機械等の構成摺動材料として優
れた耐久性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、耐食性、耐摩耗性に
加えて耐キャビテーションエロージョン性に優れた複合
材料に関するものであり、腐食性の強いプラスチックや
ゴム等の可塑物を対象とする樹脂加工機械や食品加工機
械等のダイス材、シリンダ材、スクリュ材等に適してお
り、特に、キャビテーションエロージョンや、塩酸に対
する耐食性を必要とし、さらには耐摩耗性を要求される
コンパウンド用樹脂加工機械や食品加工機械等の耐食耐
摩耗材に好適である。

【０００２】

【従来の技術】樹脂加工、食品加工における造粒機のダ
イス材は、カッター刃との接触による摩耗やキャビテー
ションエロージョンによる損傷を受け易く、また、樹
脂、食品加工機械用のシリンダ材、スクリュ材は、加工
対象物による摩耗を受けたり、金属間の接触摩耗を受け
易い。このためこれら材料は、耐摩耗性に優れた材料で
構成する必要があり、従来は、耐摩耗性に優れた自溶性
耐摩耗Ｎｉ基合金やＮｉ基自溶性合金にＷＣ等の硬質粒
子を分散させた複合材料が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近の
成形材料の高機能化により、樹脂・食品加工機械が使用
される環境はより過酷になっており、例えば、高温条件
下での成形作業において樹脂・食品から発生する腐食ガ
スにさらされることによって、非常に腐食を受け易くな
る。したがって、これら機械を構成する材料について
も、従来のように耐摩耗性だけを重視することでは不充
分であり、耐食性についても優れた特性が要求される。
また、水中で使用される樹脂加工用造粒機のダイス材
は、キャビテーションエロージョンによって著しく損傷
を受けるため、これに対する耐性に優れていることも必
要とされる。

【０００４】しかし、前記した自溶性耐摩耗Ｎｉ基合金
やＷＣ添加複合材料は、耐摩耗性は良好であるが、耐キ
ャビテーションエロージョン性や耐食性は十分でない。
これに対し、耐食性に優れた材料として、Ｎｉ−Ｃｒ−
Ｍｏ合金やステンレス鋼が知られており、実際に上記し
た機械材料に使用された例もある。しかし、これらの材
料は、耐摩耗性が十分ではなく、例えば、部材同士の接
触による凝着やカジリを生じ易いという欠点がある。以
上のように、従来材では、耐摩耗性、耐食性、耐キャビ
テーションエロージョン性の全てにおいて満足する特性
を有するものは見出されていない。現在、これら特性の
全てに優れている材料の開発が進められているが、未だ
実現するには至っていない。この発明は、上記事情を背
景としてなされたものであり、使用条件の厳しい樹脂・
食品加工機械等における高腐食環境下での使用にも耐え
得る、耐キャビテーションエロージョン性に優れた耐食
耐摩耗性材料を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願発明者らは、ＷＣ−ＴｉＣ複合炭化物を主体とする
硬質相と、Ｃｒ炭化物を分散させた硬質の合金に着目し
た。さらに、耐キャビテーションエロージョン性、耐食
性を具備した耐摩耗材料の開発過程において、従来のよ
うにＮｉ基合金マトリックスに球状、編目状等の硬質相
を分散させた材料とは逆に、硬質物より軟質のＮｉ基合
金を硬質相中に分散させた材料が耐キャビテーションエ
ロージョン性、耐食耐摩耗性に優れていることを見出
し、本発明を完成するに至ったものである。

【０００６】即ち、本願発明の耐キャビテーションエロ
ージョン性に優れた耐食耐摩耗性材料は、微細炭化物を
主体とする硬質相間に粒状のＮｉ基合金が分散した複合
材料であって、成分組成が、総量で、Ｂ：０．４〜１重
量％、Ｃ：１．５〜７重量％、Ｓｉ：３〜７重量％、Ｔ
ｉ：３〜２１重量％、Ｃｒ：８〜１６重量％、Ｆｅ：２
〜５重量％、Ｓｎ：０．３〜０．７重量％、Ｗ：５〜２
５重量％、Ｃｕ：０〜３重量％を含有し、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。

【０００７】上記硬質相は、微細なＷＣ、ＴｉＣの混合
組織で、または含有成分と反応した炭化物が主体となっ
ており、炭化物においても、複炭化物が生成される場合
があり、さらにほう化物が含まれる場合もある。この硬
質相では、一部のＮｉ基合金が結合相として存在してい
る。また、残余のＮｉ基合金は、硬質相間に粒状に分散
して島状となったものであり、本発明としては、その形
状、大きさは限定されないが、球状で平均粒径が５０〜
２００μｍであるのが望ましい。また、Ｎｉ基合金粒内
には、炭化物、ほう化物が含まれているものであっても
よい。なお、本発明における組成物は粉末として提供
し、これを焼結する粉末冶金法により製造するのが望ま
しい。この方法によれば、硬質物が均一に分散した複合
材料が得られる。更に、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）
を用いることにより、より高強度、高靱性の複合材料が
得られる。

【０００８】上記粉末冶金において、Ｗ、ＴｉおよびＣ
ｕの全部または一部を、微細なＷＣ、ＴｉＣ等の炭化
物、単体金属粉末及び合金粉末として提供することがで
きる。硬質相で炭化物を構成するものについては、粒径
１０μｍ以下とするのが望ましく、さらに平均粒径で２
〜４μｍに調製するのが一層望ましい。これは、２μｍ
未満では細かすぎて耐摩耗性が充分発揮されず、一方、
１０μｍを越えると、均一分散効果が悪くなるためであ
る。そして、より良好な均一分散効果を得るためには、
前述したように平均粒径で４μｍ以下にするのが望まし
い。また、Ｃｕについては、粒径で１５０μｍ以下に調
製するのが望ましい。炭化物を粉末として提供する場合
を一例として示すと、総量に対し、ＷＣ：５．３〜２
６．０％、ＴｉＣ：３．７〜２６．３％、所望によりＣ
ｕ：０．５〜３％の微細粉末を添加する。

【０００９】これら粉末を用いた場合に、母合金（Ｎｉ
基合金）粉末には、発明の範囲内において必要に応じた
組成を有するものが使用される。例えば、総量に対し、
Ｂ：０．４〜１％、Ｃ：６％以下、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ
ｒ：８〜１６％、Ｆｅ：２〜５％、Ｓｎ：０．３〜０．
７％、Ｗ：０〜１．２％を含有し、残部が実質的にＮｉ
からなるＮｉ基合金粉末が使用される。この母合金粉末
は、平均粒径で５０〜２００μｍであるのが望ましく、
また焼結性、組織の均一性のためにアトマイズ法で製造
したものが望ましい。この母合金粉末で上記粒径が望ま
しいのは、５０μｍ未満であると、適度な大きさのＮｉ
基合金粒が形成されず、耐キャビテーションエロージョ
ン性が十分に改善されないためであり、また、２００μ
ｍを越えると、その間にある硬質相が大きな間隔をもっ
て散在したのと同様の状態になり、均質な耐摩耗性が得
られなくなるためである。

【００１０】なお、炭化物粉末、母合金粉末は、ボール
ミルなどによって所定量を混合し、この混合粉を成形し
た後、一般に脱脂後、焼結する。脱脂は、例えば、非酸
化性雰囲気（不活性ガス中や真空中）において、３５０
〜５００℃で２〜４時間加熱して行う。また、焼結を例
えば液相焼結によって行う場合には、１０００〜１０５
０℃で１０〜１２０分間焼結する。焼結は、非酸化性雰
囲気下で行うのが望ましく、不活性ガス中や真空中で行
う。なお、焼結方法はこれに限定されるものではな
く、普通焼結法の他に熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）、
ホットプレス法などの他の焼結法を採用することも可能
である。なお、焼結温度を高くして、例えば１１００℃
以上（但し、１２００℃以下）で焼結する場合にはＷＣ
は、他の成分と相互に反応してそれぞれ複炭化物及び複
ほう化物を生成する。また、熱力学的に安定なＴｉＣは
反応せずに単体で組織中に分散し、それぞれの特性を示
す。

【００１１】上記の焼結温度が望ましいのは、１０００
℃未満では十分な焼結がなされないためであり、また、
１２００℃を越えると、適度な大きさのＮｉ合金粒が形
成されないためである。また、焼結時間が１０分未満で
あると、十分な焼結がなされず、また、１２０分を越え
ると、反応が進行し、粒子が大きくなるためである。な
お、本発明の耐食耐摩耗性材料は、耐食性、耐摩耗性、
耐キャビテーションエロージョン性が要求される樹脂加
工機械や食品加工機械等の構成材料として使用するのに
好適であり、例えば、造粒機用ダイスや、樹脂、セラミ
ックス、金属等の押出成形あるいは射出成形等の成形加
工用シリンダとして使用することができる。

【００１２】

【作用】すなわち本願発明の耐食耐摩耗性材料によれ
ば、組織中には、ほう化物および炭化物が含まれてお
り、各種実験の結果、摺動時にほう化物は潤滑材の役割
を果たし、相手材に対する攻撃性を緩和する。また、ほ
う化物は、適度な耐摩耗性を発揮するとともに、耐食性
を向上させる。複ほう化物にＷ、Ｔｉ等の炭化物を組み
合わせることにより、金属同士の凝着摩耗を軽減し、か
つ高硬度である炭化物のもつ自身の耐摩耗性によりアブ
レシブ摩耗に対しても有効に作用する。したがって、本
願発明により、耐食性、耐摩耗性の両特性が十分に優れ
ている材料が得られる。

【００１３】キャビテーションエロージョンによる損傷
の場合、一般的な球状硬質粒子分散型合金は、負圧によ
って発生した気泡が壊れる際に、先に軟質のマトリック
スの損傷が進行すると考えられ、ついには硬質物粒子の
脱落が生じ、その結果材料全体の損傷量が多くなる。し
かし、本発明の耐食耐摩耗性材料は、微細なＣｒ炭化
物、ほう化物等が分散した粒状のＮｉ基合金が島状に分
布しており、この島状ベース合金が微細な硬質炭化物が
分散した硬質相で覆われている構造をもつ。そのため
に、先にＮｉ基合金が損傷しても硬質物の脱落が生じ難
く、優れた耐キャビテーションエロージョン性を示す。
このような材料は強度的に問題があることも考えられる
が、硬質相もＮｉ基合金で結合されているため強度的に
も、従来材と比較して遜色ない。

【００１４】次いで、本発明の成分の限定理由を述べ
る。Ｂは、硬質相となる複ほう化物を形成するために、
必要不可欠な元素である。Ｂ含有量が０．４％未満にな
ると合金の融点が上がり、耐摩耗性が悪くなり、一方、
１％を越えると硬質相の量が過多となり、靱性、強度の
低下が生じるため、０．４〜１重量％の範囲とする。Ｃ
は、Ｗ、Ｔｉの炭化物として硬質相を構成するものであ
り、さらにＣｒ等と反応して炭化物を形成し、耐摩耗性
の向上に寄与する。その含有量は、１．５％未満では耐
摩耗性向上が不十分であり、７％を越えると、炭化物が
過度となり、相手材攻撃性が増すとともに機械的特性を
損なうので１．５〜７重量％の範囲とする。Ｓｉは、Ｎ
ｉ、Ｂと三元共晶を作り、合金の融点を下げる必須元素
であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等との化合物を形成することに
より合金の耐摩耗性を高める。また、アトマイズ時にお
ける溶湯の流動性を高め粉末粒径を均一化する効果があ
る。３％未満では上記の効果が少なく、７％を越えると
合金が脆化するので３〜７重量％の範囲とする。

【００１５】Ｔｉは、硬質相を構成するもので３％未満
では耐摩耗性が不十分であり、２１％を越えると強度が
劣化するので３〜２１重量％の範囲とする。Ｃｒは、焼
結時に反応して炭化物を生成したり、ほう化物として硬
質相を構成するだけでなく、結合相にも固溶して、耐食
性、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性を向上させる働きを持
つ。その含有量が８％未満では、耐食性が不十分であ
り、１６％を越えると、添加量に見合った耐食性の向上
が認められず、また、靱性も低下するため８〜１６重量
％の範囲とする。Ｆｅは、低温における強度を向上させ
るために添加する。この作用を得るためには２％以上の
添加が必要であり、一方、添加量が多いと耐食性が低下
するので、２〜５重量％の範囲に限定する。Ｓｎは、塩
酸に対する耐食性を増す効果があるが、０．３％未満で
は効果がなく、０．７％を越えると合金が脆化するので
０．３〜０．７重量％の範囲とする。

【００１６】Ｗは硬質相を構成するもので、他成分との
反応によって複炭化物や複ほう化物を生成する。その含
有量は、５％未満では耐摩耗性の付与が不十分となり、
２５％を越えると、材料強度が劣化するために５〜２５
重量％の範囲とする。ＣｕはＮｉ合金であるモネル（商
標）合金に代表されるように、Ｎｉ基合金の耐食性の向
上に寄与するので、耐食性を重視する場合に添加する。
この効果を充分に得るためには０．５％以上添加するの
が望ましい。ただし、添加量が多くなると合金が軟化し
て耐摩耗性が悪くなるので、含有量は３％以下とする。
なお、耐摩耗性を重視する場合には、無添加とすること
ができる。Ｎｉは、耐食性の向上に効果のある元素であ
り、Ｂとともに硬質のほう化物を形成して耐摩耗性を向
上させる効果があるので、残部をＮｉとした。なお、残
部のＮｉには不可避的不純物が存在するが、それらは、
本発明の効果を損なわない範囲内で許容される。

【００１７】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、比較材（従来
材）と比較しつつ説明する。なお、以下の説明では、成
分量はすべて重量％で示す。まず、表１に示す合金Ａを
原料粉末の一部として用意し、表２に示す成分比で、各
粉末を秤量して試験用混合粉末（発明材１〜７）をそれ
ぞれ調製した。なお、発明材における各原料粉末の粒径
は以下に示すとおりである。（粒径）合金Ａ：−８０＋２８０メッシュＷＣ：２．７７μｍ（平均粒径）ＴｉＣ：２．７７μｍ（平均粒径）Ｃｕ：−１００メッシュ各混合粉末には、さらにパラフィン等のバインダを所定
量加え、有機溶媒中でボールミルによって、１時間湿式
混合した後、乾燥した。この造粒粉を冷間等方圧加圧法
（ＣＩＰ法）で成形した。得られた成形体を不活性ガス
雰囲気下において、３５０〜５００℃で２〜４時間加熱
して脱脂を行い、脱脂後の成形体を、真空雰囲気下で焼
結した。具体的には、０．１ＭＰａ以下の雰囲気下にお
いて、１０００〜１０５０℃で１２０分保持して本発明
の焼結体を得た。さらに、この焼結体を切断加工して、
所定形状の試験片（発明材１〜７）を製作した。また、
比較のために従来材からなる試験片（比較材１、２）を
用意した。比較材１は、ステンレス鋼からなり、鋳塊を
試験片とした。比較材２はＮｉ基自溶性合金とＷＣとの
複合材であり、Ｎｉ基自溶性合金中にＷＣが分散したも
のである。その製造法は、表１に示す合金Ｂ（粒径５０
〜１００μｍ）とＷＣ（粒径５０μｍ）とを表２に示す
成分比で配合し、溶解法により製造したものである。な
お、発明材１〜７及び比較材１、２の成分の総量を表３
に示す。上記発明材１について、ＥＰＭＡ（電子線マイ
クロアナライザ）によって面分析組織観察を行ったとこ
ろ、図１の写真に示すように、島状ベース合金として、
Ｎｉ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒの組成物が形成されており、硬
質相としてはＴｉ、Ｗ−Ｃよりなる複炭化物、ＣｒＢよ
りなるほう化物が生成されていた。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】次ぎに、各試験片の特性評価を行うため
に、それぞれの硬さを測定するとともに、腐食試験およ
び摩耗試験を行った。腐食試験は、７０℃、塩酸（ｐＨ
＝４）に４８時間浸漬し、腐食減量を測定して耐食性を
評価した。また、摩耗試験は、金属同士の凝着摩耗をシ
ミュレートするため、大越式迅速摩耗試験機を用い、相
手材にＳＵＳ４４０Ｃ（ＨＲＣ５６）を使用した。摩耗
試験は、最終荷重６２Ｎ、摩擦速度４．３６ｍ／Ｓ、摩
擦距離２００ｍ、室温、無潤滑の条件下で行い、摩耗量
を測定して耐摩耗性を評価した。さらに、樹脂中の硬質
添加剤による摩耗をシミュレートするためにアブレシブ
摩耗試験を行った。具体的には、相手材に３２０番のＳ
ｉＣ研磨紙を用いて荷重２０Ｎ、速度３．６ｍ／ｓ（６
０往復／分）で試験を行い、摩耗量は４００回毎の摩耗
減量の平均値とした。これらの試験結果を表４に示す。
また、材料の耐キャビテーションエロージョン性を定
量的に評価するために対向型磁わい振動試験機を用いて
試験を実施した。測定条件は、振動数２０ｋＨｚ、振幅
６０μｍ、振動子と試験片の間隙０．４ｍｍ、試験液は
調整水（純水を塩酸でｐＨ＝４に調整）、試験液の流量
０．２リットル／ｍｉｎ、試験液の温度２１〜３０℃、
試験時間２４時間である。

【００２２】

【表４】

【００２３】その結果、比較材１（ステンレス鋼）は耐
食性には優れているものの耐摩耗性に劣っており、例え
ば、樹脂にガラス繊維などを添加した複合材料の成形に
対しては好適な材料ではない。また、比較材２（Ｎｉ基
自溶性合金＋ＷＣ）は、耐摩耗性は十分であるが、耐キ
ャビテーションエロージョン性、耐食性が劣っている。
これに対して、発明材１〜７の試験片はＴｉ、Ｗ、Ｃｒ
の炭化物によって耐摩耗性が向上しており、例えば樹脂
中の硬質添加剤による摩耗を防止する。また、大越式摩
耗試験では、複ほう化物が潤滑材としての効力を発揮し
ており、自身（固定試験片）および相手材（回転試験
片）のいずれの摩耗量も小さく、構成部材の金属同士の
接触により生じる摩耗において、相手材に対する攻撃性
をやわらげ、かつ金属同士の凝着摩耗をやわらげる。
さらに、腐食試験における腐食量も少なく、例えば、樹
脂中から発生するガスによる高腐食環境下でも、高Ｃｒ
のＮｉマトリックスが高い耐食性を示す。また、耐キャ
ビテーションエロージョン性試験においても良好な結果
が得られた。以上のように、本発明の材料は、比較材と
異なり、耐摩耗性、耐食性および耐キャビテーションエ
ロージョン性のいずれにおいても優れた結果が得られ
た。なお、表中の比較材１において、回転試験片の摩耗
量が負の値を示しているのは、凝着により固定試験片の
材料が回転試験片に付着したためである。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明の耐食耐
摩耗性材料によれば、炭化物を主体とする硬質相間に粒
状のＮｉ基合金を分散させたので、高耐食性、耐キャビ
テーションエロージョン性だけでなく、耐凝着、耐アブ
レシブ摩耗の両特性を具備する耐摩耗材料として優れた
特性が得られる効果がある。したがって、過酷な成形条
件下で使用される樹脂加工機械、食品加工機械等のダイ
ス硬化層、シリンダ、スクリュ、摩擦リング、逆防リン
グなどの構成摺動材料として耐久性に優れた複合材料が
得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、発明材１の焼結体の金属組織写真であ
る。

フロントページの続き (72)発明者松尾敏夫広島県広島市安芸区船越南一丁目６番１号株式会社日本製鋼所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細炭化物を主体とする硬質相間に粒状
のＮｉ基合金が分散した複合材料であって、成分組成
が、総量で、Ｂ：０．４〜１重量％、Ｃ：１．５〜７重
量％、Ｓｉ：３〜７重量％、Ｔｉ：３〜２１重量％、Ｃ
ｒ：８〜１６重量％、Ｆｅ：２〜５重量％、Ｓｎ：０．
３〜０．７重量％、Ｗ：５〜２５重量％、Ｃｕ：０〜３
重量％を含有し、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キャビテーションエロージョン
性に優れた耐食耐摩耗性材料