JP6813364B2

JP6813364B2 - 耐摩耗性及び耐食性に優れたライニング材

Info

Publication number: JP6813364B2
Application number: JP2017002351A
Authority: JP
Inventors: 翔草田; 誠太郎上野
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP2018111851A

Description

本発明は、押出機、射出成形機など樹脂加工機械用のシリンダやスクリュのライニングに使用される耐摩耗性及び耐食性に優れたライニング材に関する。

樹脂加工機械用のシリンダやスクリュは、高温条件下の成形作業に使用され、樹脂から発生する腐食ガスにさらされて腐食を受けやすく、また、樹脂に添加される無機粒子や無機繊維などにより摩耗やかじりを生じ易いので耐食性及び耐摩耗性に優れた材料が求められている。このような樹脂加工機械用のシリンダやスクリュ用の材料又はライニング材として、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に、射出成形機用シリンダなどの構造材料に適したCr：5〜20％、Mo：7〜30％、Si：0.5〜3.0％、C：1.5％以下、B：0.1〜6.0％、W：0.5〜30％、残部実質的にCoからなる耐食耐摩耗性Co基合金が提案されている。この耐食耐摩耗性Co基合金は、各種の無機酸、有機酸に対する腐食抵抗性にすぐれ、かつ高度の摩耗抵抗性を備えているとされる。そして、この耐食耐摩耗性Co基合金においては、CrやMoは、マトリックスに固溶して耐食性を高める。また、CrやMoは、炭化物や硼化物を形成して耐摩耗性を高め、Moは少なくとも7％の含有が必要とされる。そして、実施例に摩耗試験、腐食試験、機械試験の結果が記載されている。

特許文献２に、B、Crを含むCo基またはNi基の自溶合金粉末にWBまたはMoBを含む硼化物粉末をシリンダ内に装填して遠心鋳造を行うことにより耐摩耗性、耐食性に優れ、割れの発生を抑制したライニング層を成形する耐摩耗性ライニング層の製造方法が提案されている。この耐摩耗性ライニング層の製造方法に使用されるCo基の自溶合金粉末は、組成がCr：15〜30重量％、Mo：1〜10重量％、B：3〜5重量％、Si：3重量％以下、Cu：2重量％以下、Co：残部であり、Si、Cuは目的に応じて省略してもよい。遠心鋳造によるCrBの針状組織の成長を抑制し、鋳造欠陥のない耐摩耗性に優れた耐摩耗性ライニング層を得るには、WB組成は6〜15wt％が好ましいとされる。そして、実施例に摩耗試験、機械試験の結果が記載されている。

特許文献３には、用途が明確でないが、常温特性ばかりでなく、高温強度、耐酸化性
などに優れた高温特性を有し、耐摩耗性に優れた耐熱硬質焼結合金が提案されている。すなわち、WCoB型複硼化物がCo基合金マトリックス中に35〜95重量％（以下％は重量％）含まれる耐熱硬質焼結合金が提案されている。この耐熱硬質焼結合金は、Co基合金マトリックス中に複硼化物のネットワークが十分に形成されているので高温強度、耐酸化性などの高温特性に優れ、耐摩耗性に優れているとされる。

特開平6-17176号公報特開2010-99693号公報特開平5-5152号公報

押出機や射出成形機に使用される樹脂は、近年の樹脂製品の用途拡大やリサイクルの要請から、その種類が増加するばかりでなく、その樹脂に添加される物の種類や形態はその範囲が拡大している。このため、押出機や射出成形機のシリンダやスクリュに対する使用環境は厳しくなっており、シリンダやスクリュには従来以上の耐摩耗性と耐食性が求められている。このため、特許文献１に記載の耐食耐摩耗性Co基合金、特許文献２に記載の
耐摩耗性ライニング層よりも優れたライニング材が求められている。特許文献３に記載の耐熱硬質焼結合金は、高温強度、耐酸化性などの高温特性に優れ、耐摩耗性に優れているとされるが、その耐摩耗特性について具体的な記載はない。また、耐食性についての記載もない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、耐摩耗性及び耐食性に優れ、さらに機械強度に優れた押出機や射出成形機のシリンダやスクリュに使用されるライニング材を提供することを目的とする。

本発明に係るライニング材は、Co基マトリクス中に面積率で20％〜50％のWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散しており、耐摩耗性及び耐食性を要する部材に使用される。

また、本発明に係るライニング材は、Co基マトリクス中に面積率で10％〜20％のWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散しており、耐摩耗性及び耐食性を要する部材に使用される。

上記ライニング材は、組成が、質量比でCr：9.5〜18.9％、W：12.8〜43.8％、B：1.2〜2.9％、Si：1〜2％、C：1〜4％、Mo：0〜2％、Cu：0〜2％、Fe：0〜10％及び残部がCoと不可避的不純物からなるものとすることができる。

上記ライニング材は、押出機、射出成形機など樹脂加工機械用のシリンダやスクリュのライニング材として使用することができる。

本発明のライニング材は、Co基マトリクス中に硬質のWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散しており、耐摩耗性及び耐食性に優れている。また、本発明のライニング材は高い機械的強度を有し、押出機又は射出成形機のシリンダ又はスクリュのライニング材として好適に使用することができる。

本発明に係るライニング材の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。従来のNi基マトリクスにWCが島状に分散してなるライニング材の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。本発明に係るライニング材の組成W％と島状部分の平均粒子径の関係を示すグラフである。実施例の摩耗試験の結果を示す図面である。実施例の腐食試験の結果を示す図面である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係るライニング材の代表的なミクロ組織を示すSEM写真である。図１に示す白斑部分がWCoB型複ホウ化物粒子で、マトリクスがCo基合金である。白斑部分のほとんどがWCoB粒子で、その他M₂₃C₆型の炭化物粒子が見られる。図１に示すように、本ライニング材はCo基マトリクス中にWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散した組織を有している。そして、そのWCoB型複ホウ化物粒子の占める面積率は、20％〜50％である。本ライニング材は、硬質のWCoB型複ホウ化物粒子がCo基合金マトリクス中に島状に分散しているために、耐摩耗性に優れるとともにかじり等による相手材の損傷を抑制することができる。なお、上記組成の同定はX線回折(XRD)装置により行った。

このライニング材の組成は、質量比でCr：9.5〜18.9％、W：12.8〜43.8％、B：1.2〜2.9％、Si：1〜2％、C：1〜4％、Mo：0〜2％、Cu：0〜2％、Fe：0〜10％及び残部がCoと不可避的不純物である。本組成において、Crは、Co基マトリクス中に固溶し、耐食性の向上に寄与するため、9.5％以上が望ましい。一方で過剰に添加すると脆性のCo-Cr-Si（Laves相）の形成を促進して靭性を損なうため18.9％を上限とする。Wは、Co、BとともにWCoB型複ホウ化物を形成し、またその他の炭化物、ホウ化物を形成して耐摩耗性を向上させる。また余剰のWはCo基マトリクス中に固溶し、マトリクスの強度を向上させる効果があるが、多量に添加すると靭性を損なうので、12.8〜43.8％とする。

また、Bは、マトリクス中のCoやWと反応してWCoB型複ホウ化物を形成し、合金の耐摩耗性を著しく向上させる。そして、Bは、マトリクスに固溶するとマトリクスの融点を下げて溶湯の流動性を高め、焼結時にはその反応性を向上させ、Co基合金とWCoB型複ホウ化物の複合化を促進する効果がある。一方、添加量が多いとホウ化物の形成量が多くなって靭性を損なうので、Bは1.2〜2.6％とする。Siは、マトリクスに固溶することにより融点を下げ、焼結時にその反応性を向上させる効果を有する。一方でSiは、Crとともに脆性のCo-Cr-Si相（Laves相）を形成し、割れを促進する。このため、Siは1〜2％とする。Cは、WやCrと反応して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる効果がある。一方、Cは、添加量が多いと過剰に炭化物を形成して靭性を損うとともに、合金添加元素であるCrを消費して耐食性を損なうので、1〜4％とする。

また、Mo又はCuは、ともにCo基マトリクス中に固溶することにより耐食性を向上させる効果があり、特に、Moは、Co、Niなどの合金に添加することにより、主に非酸化性の酸（塩酸、希硫酸など）に対する耐食性を向上させる効果がある。このため、Mo：0〜2％、Cu：0〜2％とする。Feは、本ライニング材を製造する過程で含有される成分であるが耐食性を害しない0〜10％の範囲で許容される。

本発明に係るライニング材について、ミクロ組織観察、耐摩耗性試験、耐食性試験及び３点曲げ試験（強度試験）を行った。試験用の試料は、Co基合金粉末又はNi基合金粉末とWC粉末を所定の組成に調整し焼結により作製した。表１において、比較例は、Ni基合金粉末とWC粉末を所定の組成に調整し焼結により作製したライニング材の場合を示す。この材料は、押出機や射出成形機のシリンダのライニング材等として一般的に使用されている。なお、表１の残部は、Co又はNiと不可避的不純物を含む。ミクロ組織観察は走査型電子顕微鏡により観察した。

図１は、発明例のミクロ組織を示すSEM写真である。図１（ａ）は発明例１、図１（ｂ）は発明例２、図１（ｃ）は発明例３のミクロ組織である。図１及び表１によると、W％が多いほど島状の白斑部分（WCoB型複ホウ化物粒子）が多くなる傾向が見られる。また、図１（ａ）及び（ｂ）において観察される白斑は比較的丸みを帯びているが、図１（ｃ）の場合はやや角張っているように観察される。また、白斑の大きさは、小さいものから相当大きいものまで観察される。図２は、比較例のミクロ組織である。WCがNi基合金と反応しないため、WCが当初の形状を保って島状に分散している。

図１の各例について画像解析により求めた島状の白斑部分（島状部分）の面積率、平均粒子径（円相当大径）、粒子間の平均自由行程を表２に示す。また、発明例１から３における組成Ｗ％と平均粒子径（粒径）の関係を示すグラフを図３に示す。図３によると、図１に示す島状部分の平均粒子径はW％にほぼ比例していることが分かる。

図４に、耐摩耗性試験の結果を示す。図４（ａ）はASTM G65に基づく砂摩耗試験の結果と、ロックウェル硬さを示す。砂摩耗試験は、ホイール回転速度200rpm、荷重130N、試験時間10minであった。図４（ａ）によると、発明例の場合、ロックウェル硬さは50〜55HRCでほぼ同等であるが、摩耗体積は発明例１又は２が3〜3.8mm³であるのに対し、発明例３の場合は6.8mm³である。一方、比較例の場合は、ロックウェル硬さが62HRCと高いが摩耗体積は5.4mm³と高くなっている。

図４（ｂ）は、大越式摩耗試験の結果である。発明例又は比較例の試料を固定試験片とし、回転試験片はSKD11材とした。試験条件はすべり速度2.37m/s、すべり距離200m、最終荷重185Nであった。発明例１から３、比較例のいずれも摩耗体積は0.1mm³以下であるが、比較例の場合は固定試験片（相手材）に与える影響が大きいことが示されている。すなわち、摩耗体積は、発明例１は0.22mm³、発明例２は0.28mm³、発明例３は0.17mm³であるのに対し、比較例は0.68mm³になっている。発明例の摩耗体積は、発明例３の場合に最も少なくなっている。上記大越式摩耗試験の結果を比摩耗量でまとめた結果を表３に示す。

図５に耐酸試験の結果を示す。腐食液として、10％HCl水溶液又は10％HNO₃水溶液を用いた。試験温度は60℃、試験時間は6hrであった。図５によると、10％HCl水溶液に対する腐食度は、発明例１から３及び比較例とも5mg/cm²・h以下であり、比較例の場合に特に小さい（0.5mg/cm²・h）。一方、10％HNO₃水溶液に対しては、発明例１から３の腐食度は3mg/cm²・h以下であるのに対し、比較例の場合は78mg/cm²・hと高くなっている。

表４に、JIS R1601:2008に基づく３点曲げ試験の結果を示す。表４によると、W％又は島状部分の面積率が高いほど曲げ強さは高い傾向を示すが、破壊歪みは逆にW％又は島状部分の面積率が低いほど高くなる傾向を示している。表４によると、本発明に係るライニング材は、従来の押出機や射出成形機のシリンダ又はスクリュに使用されるライニング材（特許文献１、２の実施例など）と同等又はそれ以上の曲げ強さを有していることが分かる。

以上、本発明に係るライニング材は、耐摩耗性及び耐食性に優れ、押出機、射出成形機など樹脂加工機械用のシリンダやスクリュのライニング材として好適に使用することができる。また、従来より樹脂加工機械用のライニング材として使用されているWC粒子がNi基マトリクスにWC粒子が島状に分散したものに劣らず、同等以上の耐摩耗性、耐食性及び機械強度を有している。

Claims

質量比でCr：9.5〜18.9％、W：12.8〜43.8％、B：1.2〜2.9％、Si：1〜2％、C：1〜4％、Mo：0〜2％、Cu：0〜2％、Fe：0〜10％及び残部がCoと不可避的不純物からなり、Co基マトリクス中に面積率で20％〜50％のWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散してなるライニング材であって、
前記WCoB型複ホウ化物粒子は、平均粒子径が円相当半径で24.4〜38.3μm、粒子間平均自由行程が26.6〜63.5μmである摩耗性及び耐食性に優れたライニング材。
質量比でCr：9.5〜18.9％、W：12.8〜43.8％、B：1.2〜2.9％、Si：1〜2％、C：1〜4％、Mo：0〜2％、Cu：0〜2％、Fe：0〜10％及び残部がCoと不可避的不純物からなり、Co基マトリクス中に面積率で10％〜20％のWCoB型複ホウ化物粒子が島状に分散してなるライニング材であって、
前記WCoB型複ホウ化物粒子は、平均粒子径が円相当半径で24.4〜38.3μm、粒子間平均自由行程が26.6〜63.5μmである摩耗性及び耐食性に優れたライニング材。
請求項１又は２に記載のライニング材を有してなる押出機又は射出成形機のシリンダ又はスクリュ。