JP3607039B2

JP3607039B2 - 高強度耐食耐摩耗合金

Info

Publication number: JP3607039B2
Application number: JP10752397A
Authority: JP
Inventors: 橋栄高; 原稔梅
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: JPH10298693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度耐食耐摩耗合金に係り、特に、プラスチック成型機のシリンダ、スクリュー、逆止弁などのように耐食性、耐摩耗性および強度が同時に要求される各種機械部品の材料として利用できる高強度耐食耐摩耗合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
射出成形機や押出成形機の重要な構成部品であるシリンダ、スクリュー、逆止弁などの部材は、高温、高圧で圧送される樹脂に常に接触している。近年、特にエンジニアリングプラスチック（以下、エンプラという。）の使用分野の拡大とともに、エンプラの性能向上を目的として樹脂に難燃材や無機フィラーが添加されている。これらの添加物のために、前記の部品の腐食や摩耗が大きな問題となっている。
【０００３】
従来、この種の高耐食性、耐摩耗性機械部品の材料として、（イ）Ｎｉ基自溶合金、（ロ）ＷＣ粒子分散Ｎｉ基自溶合金、（ハ）Ｍｏ−Ｎｉ系複硼化物合金、および（ニ）耐食、耐摩耗Ｎｉ基合金が使用されている。
【０００４】
（イ）Ｎｉ基自溶合金は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金であり、窒化処理などの表面処理に較べて耐食性、耐摩耗性に優れているため、鋼材表面の硬化材料として広く用いられてきた。
【０００５】
（ロ）ＷＣ粒子分散Ｎｉ基自溶合金は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金にＷＣ粒子を微細に分散させた合金であり、耐食性、耐摩耗性に優れているためプラスチック成形機のバレル等の機械部品の材料として使われている（特開昭６２−１９７２６４号公報）。
【０００６】
また、（ハ）Ｍｏ−Ｎｉ系複硼化物合金は、Ｍｏ_２ＮｉＢ_２を主体とした硬質相をＮｉ基の結合相によって結合した合金であり、耐摩耗性材料として十分な機械的性質だけでなく耐食性に優れているため、高腐食環境下で使用される耐摩耗材料に適しているものである（特公平５−５８８９号公報）。
【０００７】
さらに、（ニ）耐食、耐摩耗Ｎｉ基合金は、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ−Ｖ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎｉ合金であり、耐食性、耐摩耗性を必要とする射出成形機、押出成形機の各種構成部材として有用な合金材料である（特開平６−５７３６０号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの合金材料は、耐摩耗性のあるものは耐食性が不十分であったり、耐摩耗性と耐食性が十分であっても強度の点で十分でなかったりというように、耐摩耗性、耐食性、および強度を併せ持った材料は見当たらないのが現状である。
【０００９】
また、最近の技術動向であるエンプラ製品の軽量化をねらいとした薄肉化のため、成形圧力がより高圧になり、材料の機械的性質としては、耐食性、耐摩耗性に加えて、ますます高強度が要求されるようになっている。
【００１０】
本出願人は、プラスチック成形機の部品に適用することを目的に、耐食性、耐摩耗性にすぐれた「ＮｉＷ_２Ｂ_２基合金」を提案した（特願平８−１９６６０９号）。この合金は、抗析力が、１．５６〜１．８５ＧＰａと、従来の耐食耐摩耗合金に比較して強度が改良されている。
【００１１】
しかし、最近のエンプラの高性能化にともなう上記の動向により、プラスチック成形機の構成部品（シリンダ、スクリュ、逆止弁など）に求められる強度の水準に対して、前記の「ＮｉＷ_２Ｂ_２基合金」の強度は、必ずしも十分とはいえない状況にある。
【００１２】
そこで、本発明は、耐食性、耐摩耗性に優れ、かつ高強度を有しプラスチック成形機の構成部品の材料に適した合金材料を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係る高強度耐食耐摩耗合金は、重量比で、（Ｗ＋Ｔａ）の含有量が６０〜８０％であり、かつＴａの含有量がＷ含有量に対して０．６〜４０％であり、前記（Ｗ＋Ｔａ）の含有量に対応してＢ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比で０．６〜１．２の範囲のＢを含有し、さらに残部がＮｉおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴としている。
【００１４】
以下、本発明に係る合金について更に具体的に説明する。なお、以下の記載において量比を表す「％」は、特に断らない限り重量％である。
本発明合金中の各成分の添加目的および組成限定の理由は、次のとおりである。
１．Ｗ＋Ｔａの含有量
ＷとＴａとを合わせた含有量は、全組成物に対する重量比で６０〜８０％であること。
ＷおよびＴａは、高温焼結時にＢ、Ｎｉと反応し微細な複硼化物Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２を合金中に形成し、合金の抗折力と硬度を高めるのに寄与する。特に、合金の硬度は複硼化物Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の形成量が増えるにともなって増加する。
Ｗ添加量の増加にともなって、複硼化物Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の生成量も増加する。この複硼化物Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の生成量の増加にともなって、合金の硬度が高まり合金の耐摩耗性の著しい向上がもたらされるともに、合金の強度の著しい向上がもたらされる。
【００１５】
Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の生成量の増加は、耐食性の向上にも効果を現す。この効果を現すのは（Ｗ＋Ｔａ）の含有量が６０％以上からである。（Ｗ＋Ｔａ）が６０％以下では硬度が低下するので好ましくない。また、（Ｗ＋Ｔａ）の含有量が８０％を越えると抗折力が急激に低下するので好ましくない。これは、残量のＮｉ量が減少することにより、Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２粒子を結合する合金中の結合相が不足し、合金中に微小空孔が形成されるためと考えられる。
よって（Ｗ＋Ｔａ）の含有量は６０〜８０％とする。
２．Ｔａの含有量
Ｔａの含有量は、Ｗの含有量の０．６〜４０％であること。
【００１６】
このＴａの添加によって合金の硬さおよび強度は大きく向上する。この強度向上の機構は、いまのところ解明されていないが、Ｔａは、Ｗ、Ｂ、Ｎｉと反応してＮｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２を形成するものと考えられる。このＮｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２が合金に高硬度をもたらす。
【００１７】
また、Ｔａの添加による高強度化は、後述する合金の結合相であるＮｉの中にＴａが固溶し、固溶強化に起因するものと考えられる。いずれにしろ、Ｔａの添加は、合金の高強度化に寄与し、合金の機械的性質を大きく向上させる。
【００１８】
このＴａの添加量は、Ｗの含有量との相対的な関係で、Ｗの０．６％から効果が現れるが、４０％を越えると、逆に強度低下をきたす。これは、Ｔａの添加量が４０％を臨界としてこれを越えるとより高硬度化し、合金が脆化することに起因する。
３．Ｂの含有量
Ｂの含有量については、（Ｗ＋Ｔａ）の含有量に応じて変化させ、Ｂと（Ｗ＋Ｔａ）の原子比Ｂ／（Ｗ＋Ｔａ）を０．６〜１．２とするように含有量を決定する。
Ｂは、前述のように、Ｗ、Ｎｉ、Ｔａと複硼化物Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２を形成する元素であり、合金の抗折力と硬さを高める。
Ｂ添加量の増加、すなわちＢ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比が大きくなるに伴い、合金の硬度が増加する。しかし、Ｂ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比が大きくなると抗折力が急激に低下する。硬度と抗折力のバランスからＢ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比の上限は１．２であり、これを超えると、Ｎｉ_３Ｂ等のＮｉ−Ｂ化合物が生成され、これが抗折力を低下させるので好ましくない。
【００１９】
これに対して、Ｂ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比が小さく、０．６以下ではＮｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の形成量が少くなるため十分な硬度が得られず、従って耐摩耗性も不十分なものとなる。また、焼結温度が高くなるとともに抗折力も低下するので好ましくない。この場合の抗析力の低下は、焼結温度の上昇により、合金の結晶粒が粗大化するためである。
よってＢ／Ｗ原子比は０．６〜１．２とする。
４．Ｎｉの含有量
Ｎｉ：残部
Ｎｉは、Ｂ、Ｗ、Ｔａと反応し、Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２粒子を形成するとともに、Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の形成に消費された後、残りのＮｉが合金の結合相を形成する。Ｎｉ量が多い場合には、硬度が低下し、Ｎｉ量が限度以下になると、Ｎｉ（Ｗ，Ｔａ）_２Ｂ_２の形成のみに消費され、結合相が形成されずに合金の強度が著しく低下する。Ｎｉの結合相中には、ＷおよびＴａが固溶し、合金を固溶強化する。
【００２０】
以上より、本発明に係る合金の組成は、重量比で、（Ｗ＋Ｔａ）の含有量が６０〜８０％であり、かつＴａの含有量がＷ含有量に対して０．６〜４０％であり、前記（Ｗ＋Ｔａ）の含有量に対応してＢ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比で０．６〜１．２の範囲のＢを含有し、さらに残部がＮｉおよび不可避的不純物の組成とされる。
【００２１】
この組成は、本発明特有の効果を奏する範囲内で、必要とされる耐食性、耐摩耗性および強度のバランスに応じて任意に選定しうる範囲を示したものである。以上、これらの組成を確保するために、Ｗ、Ｔａ、Ｂ、Ｎｉはそれぞれ単体で配合しても良いが、例えば、ＷＢ、ＴａＢ_２、ＮｉＢなどの化合物を用いてもよい。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明する。
まず、下記表１に示す実施例１〜８の組成に原料粉を配合し、回転ボールミルによりエチルアルコール中で混合粉砕した。表２は、実施例１〜８の組成を示すものである。
【００２３】
次いで、この混合粉砕粉末を乾燥、プレス成形し、真空中で焼結した。この実施例１〜８の焼結温度を表３に示す。焼結時間はいずれも１０分間である。
【００２４】
この製造方法により得た試料について、硬さ、比摩耗量、耐食性、抗折力の各種性能試験を行なった。各試験条件は以下の通りである。これらの試験結果を表３に示す。この表３には、従来の耐食、耐摩耗Ｎｉ基合金の例を比較のため示す。
（１）摩耗試験（比摩耗量）
試験機：大越式迅速摩耗試験機
試験条件：
摩擦速度２．０ｍ／ｓｅｃ
摩擦距離６００ｍ
最終荷重１８．６ｋｇｆ
相手材料ＳＫＤ１１（ＨＲＣ５８）
（２）腐食試験
腐食液塩酸２０％溶液（２２℃）
浸漬時間５Ｈｒ
（３）抗折試験（抗折力）
試験方法三点曲げ抗折試験（ＪＩＳＨ５５０１による）
試験片の寸法４×８×２４ｍｍ、研削加工
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

表３からわかる様に、本発明合金は、従来の合金に比較して、硬度、耐食性、耐摩耗性において遜色なく、総合的に優れた性能を示している。特に、強度に関しては、従来合金に較べて格段に向上しており、耐食性、耐摩耗性に加えて高強度を兼ね備えた合金材料であることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、耐食性、耐摩耗性に優れるとともに、かつ、高強度を併せ持ち、高負荷のかかる、例えば、射出成形機や押出成形機のシリンダ、スクリュー、逆止弁などの機械部品に適した合金材料が得られる。

Claims

重量比で、（Ｗ＋Ｔａ）の含有量が６０〜８０％であり、かつＴａの含有量がＷ含有量に対して０．６〜４０％であり、
前記（Ｗ＋Ｔａ）の含有量に対応してＢ／（Ｗ＋Ｔａ）原子比で０．６〜１．２の範囲のＢを含有し、
さらに残部がＮｉおよび不可避的不純物の組成からなることを特徴とする高強度耐食耐摩耗合金。