TW201321525A - Ｎｉ基底耐蝕耐磨耗合金 - Google Patents

Abstract

藉由熔液噴霧法來製造以重量%計含有B：2.2~3.0%、Si：3.0~5.0%、Mo：18~25%、Cu：1~15%，剩餘部分由Ni及無可避免的雜質所構成，且Mo含量對B含量的重量比為7~9之組成的原料粉末，藉由將此原料粉末燒結而製造Ni基底耐蝕耐磨耗合金。

Description

Ni基底耐蝕耐磨耗合金

本發明關於Ni基底耐蝕耐磨耗合金。

最近，太陽電池模組用保護薄片、水處理過濾器等之氟系樹脂成形品之需求係有逐年增加之傾向。氟系樹脂零件係使用壓出機、射出成形機等之成形裝置來成形為指定的形狀。

對於處於壓出成形機的料筒等之樹脂成形機的熔融樹脂環境下之零件，有要求高耐磨耗性之情況，如此的零件例如使用如與本案申請人同一人之日本發明專利第4121694號公報(JP 4121694B2)(以下在本說明書中稱為「專利文獻1」)中記載之燒結體Ni基底金屬陶瓷。

然而，於氟系樹脂之成形時，氟系樹脂會分解而產生腐蝕性氣體(含氟的氣體)，此時即使本來具有高耐蝕耐磨耗性之Ni基底金屬陶瓷，也有早期損耗之情況。

為了防止或抑制腐蝕損耗，考慮使用高耐蝕性Ni基底合金的Hastelloy C(商標)或由KUBOTA股份有限公司所提供之CH-501材料。Hastelloy C係由HAYNES公司(美國)所提供之Ni-Mo-Cr系耐蝕合金，雖然耐蝕性優異，但硬度低，耐磨耗性差。CH-501為Ni基底金屬陶瓷，特徵為形成微細的組織，但必須藉由HIP之燒結，高的製造成本係成為問題。即，使用上述眾所周知的材料 時，可減低因腐蝕所造成的材料損耗，但耐磨耗性不充分而且為低壽命，或有零件製造成本(例如料筒的製造單價)變高之問題。

本發明之目的在於以低成本提供即使在氟系氣體等之腐蝕性氣體存在的環境下，也具有充分的耐蝕性及耐磨耗性之Ni基底耐蝕耐磨耗合金。

本發明係以專利文獻1(JP 4121694B2)的合金作為基礎，主要藉由謀求Cu添加及Mo/B比之最合適化，不犠牲耐磨耗性而謀求耐蝕性之提高。

實施發明的形態

於本發明合金中，沿襲藉由韌性優異的金屬結合相來結合已集合成球狀或塊狀的微細之硬質粒子的集合體，不使耐磨耗性而降低而謀求韌性的提高之專利文獻1(JP 4121694B2)之合金組織。於本發明合金中，與專利文獻1的合金比較下，除了藉由增加金屬結合相中的Mo固溶量，還使所添加的Cu固溶於金屬結合相中，藉此增大金屬結合相進而合金全體之耐蝕性。達成耐蝕性的增大係沒有像Hastelloy C那麼犠牲耐磨耗性。

本發明的合金具體地，係全體的合金組織含有Si、Mo、Cu固溶於Ni中之結合相(a)(金屬結合層)，與 分散於前述結合相(a)中的球狀或塊狀之硬質物集合體(b)而成，硬質物集合體(b)的金屬組織係含有與前述結合相(a)同樣之Si、Mo、Cu固溶於Ni中之結合相(c)，與分散於此結合層(c)中之由Mo₂NiB₂及Ni₃B等的硼化物所成之分散層(d)而成(參照圖1、圖2)。於本發明合金中，與成為基礎的專利文獻1之合金同樣地，硬質物集合體(b)之大小較佳為30~300μm左右。

本發明合金之製造時所用的原料粉末，例如係使用熔化有NiB、Si、Mo、Ni、Cu之熔液，藉由噴散法(熔液噴霧法)來製造者，具有以下之組成，含有B：2.2~3.0%、Si：3.0~5.0%、Mo：18~25%、Cu：1~15%，剩餘部分由Ni及無可避免的雜質所構成，Mo含量對B含量的重量比為7~9。較佳為在噴散粉末之中，使用以規定網目的篩子所篩選之粒徑30~300μ者作為原料粉末。藉由噴散(atomize)法來製造本發明合金的原料粉末，可得到具有在Si、Mo、Cu固溶於Ni中之結合相中，分散有由Mo₂NiB₂及Ni₃B等的硼化物所成之硬質粒子的金屬組織之粉末，藉由將此粉末燒結，而得到具有Si、Mo、Cu固溶於Ni中之結合相(上述的結合相(a)(c))之燒結合金，此燒結合金(本發明合金)係顯示優異的耐蝕性。相對於其，例如藉由粉碎法來製作原料粉末時，生成NiSiMo化合物，此NiSiMo化合物存在時，確認燒結合金的耐蝕性降低。再者，於燒結原料粉末時，合適為藉由真空燒結法及熱靜水加壓法等來進行成形。

本發明合金的組成係以重量%計含有B：2.2~3.0%、Si：3.0~5.0%、Mo：18~25%、Cu：1~15%，剩餘部分由Ni及無可避免的雜質所構成。又，Mo含量對B含量的重量比為7~9。再者，從燒結性提高之觀點來看，燒結前的粉末較佳為含有以重量%計C：0.01~0.5%，但亦可未必進行C添加。再者，以下在本說明書中，表示組成或含量的百分率，只要沒有特別附加說明，則皆意味重量%。

以下，個別地說明進行上述之成分規定的理由。

Mo係固溶於結合相(前述的結合相(a)、(c))中，提高合金的耐蝕性。Mo含量未達18%時，固溶於結合相中的Mo量變少，無法得到充分的耐蝕性提高效果。 又，Mo含量超過25%時，為了得到健全的燒結體，必須提高燒結溫度，導致製造成本之增大。

B係與Ni及Mo一起形成硬質粒子之硼化物(Mo₂NiB₂)，提高合金的耐磨耗性。B含量未達2.2%時，所生成的Mo₂NiB₂量變少，耐磨耗性降低(惟，由於固溶於結合相中的Mo增加，耐蝕性係隨著其而稍微升高)。B含量超過3.0%時，隨著Mo₂NiB₂的發生，若沒有增加Mo含量，則固溶於結合相中的Mo係減少，耐蝕性會變差。然而，如前述，增加Mo含量時，必須提高燒結溫度，製造成本(燒結成本)會增大。因此，B含量為2.2~3.0%。

如前述，本發明合金係除了增加結合相中的Mo固溶量，還使所添加的Cu固溶於結合相中，藉此增大結合相 進而合金全體之耐蝕性。如由上述B含量之說明可知，合金中所含有的Mo之一部分由於對應於B含量生成Mo₂NiB₂而被消耗，殘餘的Mo係固溶於結合相中而存在。考慮上述者，為了成為看得到耐蝕性的提高之程度，Mo含量對B含量的重量比(Mo/B重量比)必須為7以上。另一方面，如前述，藉由噴散法所製作的原料粉末，雖然具有在Si、Mo、Cu固溶於Ni中之結合相中，分散有由Mo₂NiB₂及Ni₃B等的硼化物所成之硬質粒子的金屬組織，但Mo若大量地固溶於此粉末的結合相中，則為了得到健全的組織，發生所需要的燒結溫度變高之問題。因此，Mo/B重量比為9以下。

Cu係與Mo同樣地，藉由固溶於結合相中而提高合金的耐蝕性。Cu含量若未達2%，則固溶於結合相中的Cu量少，不出現耐蝕性提高效果。另一方面，Cu含量若超過15%，則生成Cu系化合物而使合金之耐蝕性降低。再者，Cu含量若超過15%，則韌性降低，容易產生微細的缺隙，結果低磨耗性降低。因此，Cu含量為1~15%。再者，若重視耐磨耗性，則Cu添加量較佳為10%以下。

Si係具有降低燒結溫度之作用。Si含量未達3.0%時，不充分得到燒結溫度的降低效果。另一方面，Si含量超過5.0%時，由於容易生成使合金的韌性降低之NiSi化合物及使合金的耐蝕性降低之NiSiMo化合物而不宜。因此，Si含量為3.0~5.0%。

C具有將粉末表面的氧化膜還原，降低噴散粉末之燒 結溫度之效果。C含量(添加量)為0.01%以下時，將粉末表面的氧化膜還原之效果小，得不到充分的燒結溫度降低效果。C含量為0.5%以上時，碳化物析出許多，使強度、高溫耐蝕性變差。因此，添加C時，添加量為0.01~0.5%。再者，雖然較佳為添加C者，但取決於噴散粉末的製造條件等，粉末表面的氧化程度亦有小的情況，此時盡量減少C之添加。於C之添加方法中，考慮2個方法，其為於噴散粉末即噴霧粉的原料之溶解時，預先添加C後，進行噴霧之方法，與溶解如以往之不含有C的原料，將噴散粉末純化，於其中添加C(石墨)之方法。於任一方法中，皆可藉由所添加的C來充分還原粉末表面的氧化物，提高噴散粉末之燒結性。尚且，如前者在原料溶解時添加C時，C可單獨添加，也可藉由添加Mo、Si、B等之碳化物來添加C，任一情況皆得到同樣的效果。

本發明合金係可適用於塑膠成形機之與熔融塑膠(尤其含氟的塑膠)接觸的零件，例如料筒、螺桿等。再者，本發明合金由於比較高價，與其由本發明合金來構成一個零件的全體，倒不如較佳為僅將與熔融樹脂接觸的部分設置在基材(通常由鋼鐵材料或鑄鐵所構成)上作為襯裏設置。參照圖3，簡單地說明製法。圖3中，1為筒狀體，2為棒狀體，3為上下之蓋體，4為填充於筒狀體1與棒狀體2之間的原料粉末。於此狀態下，藉由在筒狀體1的表面或棒狀體2的表面、蓋體3的表面，塗佈脫模劑，於指定溫度進行燒結，而得到筒狀體1(或棒狀體2)與原料 粉末4(原料粉末4的燒結體)所一體化之構造體。筒狀體1例如可成為料筒的基材(由鋼鐵材料或鑄鐵所構成)。又，棒狀體2例如可成為螺桿的基材(由鋼鐵材料所構成)。再者，作為在基材表面上形成燒結體(燒結層)用之燒結模具或燒結夾具之形態，例如可利用本案申請人的專利申請案之日本發明專利公開公報JP4-202705A(及對應美國專利公報US 5,336,527及對應德國公開公報DE 4139421A)中所揭示者。US 5,336,527係藉由參照而併入本說明書中。

與專利文獻1之合金比較下，本發明合金係高價的Mo之含量增加。但是，由於添加比Ni便宜的Cu，隨著與Cu添加量相應的部分，高價的Ni之含量係減少。因此，材料成本係與專利文獻1的合金大約同等。又，本發明合金的噴散處理費用係與專利文獻1記載的合金同等。再者，與專利文獻1的合金比較下，本發明合金係可在(雖然稍高)沒有大幅改變的燒結溫度下製造，由於燒結時的收縮量亦與專利文獻1的合金沒有不同，可藉由相同的生產設備來製造構件。即，使用本發明合金時，能以與專利文獻1的合金同樣之總費用來製造構件。

實施例

以下，以具體的實施例為基礎，更詳細說明本發明。

如下表1之上段中後示，製作試料編號1~8之8種類的試料。再者，於下表1中，所謂的「習知材料」，就 是意味具有專利文獻1(JP 4121694B2)的合金組成之合金，而且所謂的「Mo/B」，就是意味以重量比計的Mo含量/B含量之值。另外，對於試料編號1~4、7、8，皆添加0.1%的C(碳)。表中的「燒結溫度」係藉由實驗求得能得到空穴不存在的健全之燒結組織的最低溫度。對上述各試料，進行腐蝕試驗及磨耗試驗。於腐蝕試驗中，將4×7×25mm的長方體之試驗片浸漬在50℃的10%氫氟酸中24小時，測定腐蝕減量。於磨耗試驗中，對於由直徑8mm的銷所成之試驗片，藉由高千穗精機製的盤上銷磨耗試驗機，在荷重1000N、摩擦速度0.2m/sec、摩擦距離400m之條件下測定磨耗減量。下表1的下段中顯示其結果。

如由上述表1的下段可知，與習知合金(試料編號1、3)比較下，本發明合金(試料編號7、8)係大幅提高對氫氟酸的耐蝕性(對氟系氣體的耐蝕性之指標)，即使與以往可使用在腐蝕損耗成為問題之部位的合金(試料編號5、6)比較下，也具有同等的耐蝕性。與習知合金(試料編號1、3)比較下，本發明合金(試料編號7、8)雖然耐磨耗性有稍微降低的傾向，但與以往可使用在腐蝕損耗成為問題之部位的合金(試料編號5、6)比較下，耐磨耗性係大幅提高。即，可知以本發明合金，可一邊實現對氫氟酸的耐蝕性之提高，一邊將耐磨耗性的降低抑制在最 小限度。

再者，若比較本發明合金(試料編號7、8)彼此，則Cu量高的試料編號7雖然耐蝕性稍微優異，但耐磨耗性稍差。

上述表1的下段之「料筒製造比率」，就是以使用專利文獻1的合金(習知材料)之情況為基準(=1)，以比率來表示用於製造樹脂壓出成形機的料筒之製造成本者。本發明合金之試料編號7、8係可用與習知材料同等的製造成本來製造。與本發明合金具有同等組成但粉末製法不同的試料編號4之合金，由於燒結時的收縮大，在與燒結同時地接合於鋼鐵基材者係非常困難(即，作為工業的生產方法不實際的)。本發明合金係與專利文獻1的合金(習知材料)同樣地，使用藉由熔液噴霧法所製造之原料粉末(噴散粉末)，如此的原料粉末係燒結時的收縮少，在與燒結同時地接合於鋼鐵基材者係容易。因此，可以低成本製造經Ni基底耐蝕耐磨耗合金所被覆之料筒。又，試料編號5、6的合金，由於在與燒結同時地接合於鋼鐵基材者為困難，或需要特別的燒結方法(HIP)，而製造成本變高。

a‧‧‧結合相

b‧‧‧硬質物集合體

c‧‧‧結合相

d‧‧‧分散層

1‧‧‧筒狀體

2‧‧‧棒狀體

3‧‧‧蓋體

4‧‧‧原料粉末

圖1係說明本發明合金的合金組織用之模型圖。

圖2係顯示本發明合金的合金組織之電子顯微鏡照片(二次電子線影像)之影本。

圖3係說明在燒結時將本發明合金與基材一體化之方法之示意圖。

Claims (3)

1. 一種Ni基底耐蝕耐磨耗合金，其係藉由熔液噴霧法來製造以重量%計含有B：2.2~3.0%、Si：3.0~5.0%、Mo：18~25%、Cu：1~15%，剩餘部分由Ni及無可避免的雜質所構成，且Mo含量對B含量的重量比為7~9之組成的原料粉末，將此原料粉末燒結而得。
2. 如申請專利範圍第1項之Ni基底耐蝕耐磨耗合金，其中燒結前的粉末更含有以重量%計C：0.01~0.50%。
3. 一種樹脂成形機零件，其係至少與樹脂接觸的部分係由如申請專利範圍第1或2項之Ni基底耐蝕耐磨耗合金所形成。